JP2004039717A - 半導体分布ブラッグ反射鏡および面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステム - Google Patents

Abstract

【課題】特に０．７８μｍよりも短波長帯においてＡｌＧａＡｓ系材料よりも積層数を少なくでき、実用化に適した半導体分布ブラッグ反射鏡を提供する。
【解決手段】屈折率が周期的に変化し、入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなる。
【選択図】　　　図１

Description

【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鏡および面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、面発光型半導体レーザは、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型に比べて低コストで高性能が得られることから、光インターコネクションの光源，光ピックアップ用の光源等の民生用途で用いられている。
【０００３】
面発光型半導体レーザは、レーザ光を発生する活性層を含む活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっている。その反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に活性層よりワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【０００４】
ところで、反射鏡の反射率は９９％以上と極めて高くする必要があり、反射率は積層数を増やすことによって高くすることができる。しかし、積層数が増加すると、面発光型半導体レーザの作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。ＡｌＧａＡｓ系材料は、ＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きく、少ない積層数で高反射率を得ることができるので、良く用いられている。
【０００５】
また、低しきい値化のためには電流狭さく構造が用いられている。特開平７−２４０５０６号には、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、イオン注入により高抵抗層を形成した電流狭さく構造とを用いた構造が示されている。また、特許第２９１７９７１号には、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓの一部を選択的に酸化した酸化膜を用いた電流狭さく構造を用いた面発光型半導体レーザが示されている。ここで、酸化には、高温での水蒸気供給による酸化が用いられている。高温での水蒸気供給による酸化は、Ａｌ_ｘＯ_ｙのような完全な絶縁体になること、また、活性層と狭さく層との距離を結晶成長で厳密に制御できること、また、電流通路を極めて狭くできることから、無効電流の低減，活性領域の低減に向き、低消費電力化に適しており、最近良く用いられている。
【０００６】
特許第２９１７９７１号では、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が大きくなるに従って酸化速度が激増していくことを利用しており、酸化したい層のＡｌ組成を他よりも大きくすることで、酸化したい層のみを酸化するようにしている。これにより、選択酸化による電流狭さく構造を得ることができる。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ酸化層のＡｌ組成よりも小さくしている（つまり、Ｇａ組成を大きくしている）。特許第２９１７９７１号では、被選択酸化層にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．９７）を用い、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９２）が用いられている。
【０００７】
このように、反射鏡と電流狭窄構造の点から、従来、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた０．７８μｍ帯，０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯に反射帯域を有する分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）、及びこれを共振器ミラーとした同波長帯の面発光型半導体レーザが実用レベルの性能を実現している。
【０００８】
一方、波長０．６μｍ帯で発振する面発光型半導体レーザは、プラスチックファイバー（ＰＯＦ：Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ）を用いた光通信や、レーザプリンタ，ＣＤ，ＤＶＤ等の光書き込み，再生用光源として期待されている。安価なアクリル系プラスチックファイバーの低損失領域が赤色波長帯であり、ＰＯＦによる光通信は極めて低コストな光通信システムとして期待される。
【０００９】
波長０．６μｍ帯では、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系材料が用いられており、端面発光型レーザでは実績がある。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ＡｌＧａＩｎＮ系材料を除きＩＩＩ−Ｖ族半導体のなかで最も大きい直接遷移型の材料であり、バンドギャップエネルギーは最大で約２．３ｅＶ（波長５４０ｎｍ）が得られる。半導体レーザを作製するためには、クラッド層（活性層よりもバンドギャップの大きい材料からなる）を用い、キャリアと光を活性層（発光層）に閉じ込める構造が必要である。しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、ヘテロ接合を形成すると伝導帯のバンドオフセット比が小さく、活性層（発光層）とクラッド層と伝導帯側のバンド不連続（△Ｅｃ）が小さいので、注入キャリア（電子）が活性層からクラッド層にオーバーフローしやすく半導体レーザの発振しきい値電流の温度依存性が大きく、温度特性が悪いなどの問題があった。面発光型では端面発光型に比べてレーザ動作に必要なキャリア密度が高くなるので特に厳しい。
【００１０】
さらに、０．７８μｍ帯，０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯で実用化されているＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を形成する場合でも制限がある。例えば特開２０００−１９６１８９には、赤色面発光型半導体レーザの例が示されている。この赤色面発光型半導体レーザは、波長が０．６μｍ帯であり、光吸収を避けるためにＡｌ組成０．５以上が一般に用いられ、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を大きく取れないので積層数が増加してしまう。すなわち、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差は、０．９８μｍ帯のＤＢＲに比べて半分にもなり、積層数は２倍となってしまい、抵抗上昇，放熱が悪い等の問題が生じる。更に、実際には各層の膜厚の揺らぎのため積層数を増加させても充分高い反射率が得られず、また高反射率となる波長範囲も狭くなり、共振器長の制御の余裕は極めて小さくなる。これは波長が短波長になるほど影響が大きい。
【００１１】
また、ＤＢＲの低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を大きく取れる材料として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いる検討がなされている（Ｒ．Ｐ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ等による文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．　６０（１５），　１３　Ａｐｒｉｌ　１９９２，　Ｐ１８３０」）。具体的には、（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_{０ ．５}Ｉｎ_０．５Ｐ／Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（ｙ＝０．２程度）を用いる検討がなされている。しかしながら、この材料系は、組成のわずかなずれで格子定数が大きく変わる材料系であり、しかもＩｎの供給量を厳密にコントロールするのが難しく、ＤＢＲ数１０層をすべて厳密に組成コントロールするのはむずかしい。また、低屈折率層と高屈折率層との間に組成傾斜層を入れて抵抗を低減する方法が通常用いられるが、この方法では、格子定数を変えないでコントロールするのが難しい。更に、混晶の構成元素数が多いほど、また、混晶の組成が中心に近いほど、熱抵抗が大きくなるので、放熱の点でＤＢＲに好ましい材料とは言えない。このため、波長０．６μｍ帯の面発光型半導体レーザの研究開発においてもＡｌＧａＡｓ系材料が主に用いられている。
【００１２】
また、発熱が生じるのは、主に活性層や反射鏡であり、結晶成長した側（主表面）である。放熱を積極的に行うために主表面をヒートシンク等に実装し、基板側から光を取り出す方法が考えられるが、波長０．６μｍ帯では基板のＧａＡｓで吸収されてしまうため、この方法が取れない。
【００１３】
また、特開平１０−２００２０２号には、上記キャリアのオーバーフローを抑制するためにＧａＩｎＰ基板を用い、これに格子整合する材料系で形成された面発光型半導体レーザが提案されている。この面発光型半導体レーザでは、ＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系反射鏡を用いている。しかしながら、ＧａＩｎＰ基板は、作製が極めて困難であり、その上に高品質の結晶成長が得られないこと、また、反射鏡が３元系であり熱抵抗が大きいこと、また、抵抗低減のための組成傾斜層の制御が困難なことなど、実用化は難しい。
【００１４】
これらのため、ＰＯＦの吸収損失がボトムとなる波長６５０ｎｍでは、現状で室温でやっと連続動作ができた報告（Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ等による文献「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　６^ｔｈ　Ｊｕｌｙ　１９９５，　Ｖｏｌ．３１　Ｎｏ．１４，　Ｐ１１４５」）がある程度である。
【００１５】
以上のような理由から、波長０．７８μｍよりも短波長帯の面発光型半導体レーザの実用化はされていない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特に０．７８μｍよりも短波長帯においてＡｌＧａＡｓ系材料よりも積層数を少なくでき、実用化に適した半導体分布ブラッグ反射鏡および面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステムを提供することを目的としている。
【００１７】
すなわち、本発明は、少ない積層数で反射率を高め、発熱を低減し、放熱を改善することにより、実用レベルの可視域半導体分布ブラッグ反射鏡および面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップ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記載の発明は、屈折率が周期的に変化し、入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項２記載の発明は、屈折率が異なる２種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる２種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記屈折率が異なる２種の半導体層の間に、屈折率が異なる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ことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項３記載の発明は、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および／または下部反射鏡には、請求項１または請求項２の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項４記載の発明は、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、ＧａＡｓに格子整合する材料（完全に格子整合していなくとも格子歪によるミスフィット転位が発生しない厚さである臨界膜厚以下であれば良い）からなり、また、前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、ＧａＰに格子整合する材料（完全に格子整合していなくとも格子歪によるミスフィット転位が発生しない厚さである臨界膜厚以下であれば良い）からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項５記載の発明は、第１ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第２ＧａＰ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、ＧａＡｓ基板を除去する工程と、活性領域と第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項６記載の発明は、半導体基板上に、ＧａＰに格子整合する材料からなる第１半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを有していることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項７記載の発明は、ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項８記載の発明は、請求項４または請求項６記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域とＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されていることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項９記載の発明は、請求項４，請求項６または請求項８記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はＧａＰ基板であって、光の取り出しは、ＧａＰ基板側からなされるように構成されていることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項１０記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８または請求項９に記載の面発光型半導体レーザにおいて、Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した電流狭さく層を有していることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項１１記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９または請求項１０に記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともＧａ，Ｉｎ，Ｐを含み、波長が０．７８μｍよりも短いことを特徴としている。
【００２９】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイである。
【００３０】
また、請求項１３記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールである。
【００３１】
また、請求項１４記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールである。
【００３２】
また、請求項１５記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システムである。
【００３３】
また、請求項１６記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光書き込みシステムである。
【００３４】
また、請求項１７記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光ピックアップシステムである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３６】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）は、屈折率が周期的に変化し、入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなることを特徴としている。
【００３７】
ＡｌＧａＰ系ＤＢＲは、これまでＧａＰ基板にレーザ発振可能な材料を結晶成長できなかったために検討されなかった。しかし、ＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、Ａｌ組成によらずＧａＰと格子定数が近く、ＧａＰ基板上に結晶成長でき屈折率差も大きい。これは、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様な傾向である。具体的に、格子定数は、ＧａＰ：５．４４９５オングストローム、ＡｌＰ：５．４６２５オングストロームであり、ＧａＡｓ：５．６５３２５オングストローム、ＡｌＡｓ：５．６６１１オングストロームである。屈折率（バンドギャップ波長における）は、ＧａＰ：３．４５２、ＡｌＰ：３．０３であり、ＧａＡｓ：３．６５５、ＡｌＡｓ：３．１７８である。よって、ＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料と同様に、半導体分布ブラッグ反射鏡の材料として適していると考えられる。更にＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長帯の光を透過する。よって、０．５５μｍよりも長波長帯においてＡｌＧａＰの全組成範囲を用いることができ、特に０．７８μｍよりも短波長帯においてＡｌＧａＡｓ系材料よりも適した半導体分布ブラッグ反射鏡が形成できる。
【００３８】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡は、屈折率が異なる２種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる２種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記屈折率が異なる２種の半導体層の間に、屈折率が異なる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ことを特徴としている。具体的には、屈折率が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＰ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）が設けられている。
【００３９】
この第２の実施形態では、屈折率が異なる２種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる２種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記屈折率が異なる２種の半導体層の間に、屈折率が異なる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ことによって、反射鏡に電気を流す場合、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とのバンド不連続を滑らかにすることができ、高抵抗化を抑制できる。なお、屈折率が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層のＧａ組成ｚについては、これを階段状に変化させても良く、連続的に変化させても良い。
【００４０】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および／または下部反射鏡には、第１または第２の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられることを特徴としている。
【００４１】
ＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長の光を透過し、０．６μｍ帯等の０．７８μｍよりも短波長帯において、光吸収の生じない材料を半導体分布ブラッグ反射鏡（単に反射鏡ともいう）に用いることができ、かつ屈折率差を大きく取れるので、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いるよりも容易に９９％以上の高反射率が得られ、積層数を半分程度に低減できる。これにより抵抗を低減できる。
【００４２】
さらに、関連材料の熱伝導率は、それぞれ、ＧａＡｓ：０．５４Ｗｃｍ^−１Ｋ^−１、ＡｌＡｓ：０．９１Ｗｃｍ^−１Ｋ^−１、ＧａＰ：１．１Ｗｃｍ^−１Ｋ^−１、ＡｌＰ：：０．９Ｗｃｍ^−１Ｋ^−１である。このようにＡｌＧａＰ系材料の熱伝導率は、ＡｌＧａＡｓ系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、低しきい値，高出力化ができ、更に温度特性が向上する。なお熱伝導の効果については、０．６μｍ帯のみならず他の波長範囲（０．７８μｍ、０．８５μｍ、０．９８μｍ、１．３μｍ、１．５５μｍ帯等の長波長帯）でも効果がある。
【００４３】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、ＧａＡｓに格子整合する材料からなり、また、前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であることを特徴としている。
【００４４】
ＧａＰ基板上に結晶成長できる材料は、間接遷移材料が多く、レーザ発振可能となるような材料を得るのは困難であるが、ＧａＡｓ基板上に臨界膜厚以下の厚さで結晶成長可能な材料には、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＰＡｓ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＡｓＳｂなどの半導体レーザの活性層として充分な品質で形成可能な材料がある。これらの活性層を用い、かつＧａＰ基板上に臨界膜厚以下の厚さで結晶成長可能な材料であるＡｌＧａＰ系材料を用いて反射鏡を形成した場合、従来のＡｌＧａＡｓ系反射鏡と比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを実現できる。また、ＡｌＧａＰ系材料がＡｌＧａＡｓ系材料に比べてワイドギャップであるので、特に７８０ｎｍよりも短波長とした場合は、屈折率差を大きく取れ、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値，高出力の面発光型半導体レーザが得られる。この場合、活性層の材料としては、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ等が挙げられる。
【００４５】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法は、第１ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第２ＧａＰ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、ＧａＡｓ基板を除去する工程と、活性領域と第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【００４６】
第１，第２反射鏡に使われるＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、ＧａＰと格子定数が近くＧａＰ基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。これは、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様な傾向である。また、例えば波長０．６μｍ帯は、ＧａＡｓ基板にミスフィット転位なしに成長できるＡｌＧａＩｎＰ系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。そして、これらを接着することによって面発光型半導体レーザを形成できる。なお、一方の半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を接着後、ＧａＡｓ基板はエッチング等で除去する。接着の方法としては、それぞれの表面を洗浄して貼り合わせ、６００℃などの高温で熱処理を行うことで接着できる。
【００４７】
第６の実施形態
本発明の第６の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、ＧａＰに格子整合する材料からなる第１半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを有していることを特徴としている。
【００４８】
ＧａＰは、ＧａＡｓに比べて約２倍の熱伝導率を有しており、放熱性が良い。よって、動作時の発熱を良く逃がすことができるので、温度特性が良好になる。また、ＧａＰ基板上に結晶成長できる材料は、間接遷移材料が多く、レーザ発振可能となるような材料を得るのは困難であるが、ＧａＡｓ基板上には、レーザ発振可能となる材料を容易に形成可能である。すなわち、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域は、ＧａＡｓ基板上に容易に形成可能である。
【００４９】
なお、上述のように、第１，第２半導体分布ブラッグ反射鏡としてはＧａＰ基板上に結晶成長した材料を用いるのが好ましいが、第１，第２反射鏡のどちらかまたは両方の反射鏡と、活性領域とをともに、ＧａＡｓ基板上に結晶成長して、ＧａＰ基板を接着してもＧａＰ基板による放熱の効果がある。
【００５０】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法は、ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【００５１】
第１反射鏡に使われるＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、ＧａＰと格子定数が近くＧａＰ基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。これは、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様な傾向である。また、例えば波長０．６μｍ帯はＧａＡｓ基板にミスフィット転位なしに成長できるＡｌＧａＩｎＰ系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。第２半導体分布ブラッグ反射鏡はＧａＡｓ基板上に上記活性領域と連続してＡｌＧａＡｓ系材料を用いて形成できる。そしてこれらを接着することにより上記面発光型半導体レーザを形成できる。接着の方法としては、それぞれの表面を洗浄して貼り合わせ、６００℃などの高温で熱処理を行うことで接着できる。
【００５２】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態の面発光型半導体レーザは、第４または第６の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域とＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されていることを特徴としている。
【００５３】
ウエハ接着界面が活性層近傍であると、活性層で発生する熱や、閉じ込められた光が作用して、ＧａＰ系材料とＧａＡｓ系材料との格子定数の違いによる結晶欠陥が起源となって活性層に影響を及ぼし、信頼性を低下させてしまう場合がある。この第８の実施形態のようにウエハ接着界面と活性層との間にＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＡｓ系反射鏡を設け、活性層と接着界面を遠ざけることで、上記影響が及ぶのを防止することができる。
【００５４】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態の面発光型半導体レーザは、第４，第６または第８の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はＧａＰ基板であって、光の取り出しは、ＧａＰ基板側からなされるように構成されていることを特徴としている。
【００５５】
ＧａＰ基板は、およそ０．５５μｍよりも長波長帯の光に対して透明であり、光の取り出しが可能である。よって、発熱が主に生じる側にヒートシンク等を取り付けられる、いわゆるジャンクションダウン実装が可能となり、極めて放熱性を良くでき、温度特性を良好にすることができる。また、実装基板の方に配線等を作製しておき、はんだ等を介してボンディングすると、ワイヤーボンディングが不要となるので、アレイ素子の場合、特に経済性の面で効果的である。
【００５６】
第１０の実施形態
本発明の第１０の実施形態の面発光型半導体レーザは、第４，第６，第８または第９の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した電流狭さく層を有していることを特徴としている。
【００５７】
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓにＰを添加することで、屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することが、酸化実験によりわかった。ＡｌＡｓにＧａやＩｎを添加すると酸化速度がＧａやＩｎ組成の増加に伴って急激に低下することは良く知られているが、Ｐを添加した時の振る舞いは知られていなかった。そこで、ＧａＡｓ基板上のＡｌＡｓと、ＧａＡｓ基板上に組成傾斜層を介して成長されたＧａＡｓ_０．６Ｐ_０．４エピ基板上のＡｌＡｓ_０．６Ｐ_０．４とに対し、高温中での水蒸気による酸化を行った。それぞれ厚さは４０ｎｍでクラッド層ではさんであり、エッチングにより被選択酸化層の側面が現れるまでメサを形成し、側面から酸化を行なった。この結果、ＡｌＡｓは、４４０℃、１０分間で８μｍ酸化され、Ａｌ_ｘＯ_ｙとなった。一方、ＡｌＡｓ_０．６Ｐ_０．４は５００℃、２０分間でもほとんど酸化されなかった。よって、ＩＩＩ族がＡｌのみであるにもかかわらず、Ｐが含まれることで酸化速度を低下させることがわかった。つまり、ＡｌＧａＰ系ＤＢＲは、ＡｌＰであっても酸化速度はＡｌＡｓに比べて極めて遅い。よって、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲのように酸化層よりもＡｌ組成の小さいＡｌＧａＡｓをＤＢＲに用いる必要はなく、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＰを用いることができる。よって半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく、選択酸化層による電流狭さく構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化とを両立させることができる。
【００５８】
第１１の実施形態
本発明の第１１の実施形態の面発光型半導体レーザは、第４，第６，第８，第９または第１０の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともＧａ，Ｉｎ，Ｐを含み、波長が０．７８μｍよりも短いことを特徴としている。
【００５９】
ＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長帯の光を透過し、特に０．７８μｍよりも短波長帯において光吸収の生じない材料を反射鏡に用いることができ、かつ屈折率差を大きく取れるので、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いるよりも容易に９９％以上の高反射率が得られ、積層数を半分程度に低減でき、低抵抗の半導体分布ブラッグ反射鏡が形成できる。さらにＡｌＧａＰ系材料の熱伝導率は、ＡｌＧａＡｓ系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、温度特性が向上する。ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系材料は、０．６μｍ帯から０．７８μｍよりも短波長の波長を得ることができる。よって、第４，第６，第８，第９，第１０の実施形態によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性領域を用いた波長が０．７８μｍよりも短い面発光型半導体レーザを、低しきい値，高出力，良好な温度特性で作製できる。活性層としては例えばＧａＩｎＰ量子井戸を用い、ＡｌＧａＩｎＰを障壁層やスペーサ（クラッド）層として用いることができる。
【００６０】
第１２の実施形態
本発明の第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイは、第１１の実施形態の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴としている。
【００６１】
本発明の面発光型半導体レーザは、発熱，放熱が改善されたので、アレイとした場合、他の素子で発生した熱の干渉による特性劣化（しきい値上昇，出力低下など）が低減し、高性能の面発光型半導体レーザアレイを実現できる。さらに他の素子への熱の影響を低減できることから、素子間の間隔を狭くできるなどのメリットがある。
【００６２】
第１３の実施形態
本発明の第１３の実施形態の光送信モジュールは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００６３】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱，放熱が改善されたので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光送信モジュールを実現できる。
【００６４】
第１４の実施形態
本発明の第１４の実施形態の光送受信モジュールは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００６５】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱，放熱が改善されたので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光送受信モジュールを実現できる。
【００６６】
第１５の実施形態
本発明の第１５の実施形態の光通信システムは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００６７】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱，放熱が改善されたので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光通信システムを実現できる。そして、面発光型半導体レーザを用いていることから、ＬＥＤを用いた場合に比べて高速伝送可能であり、かつ極めて経済的であり、特に一般家庭やオフィスの室内，機器内などの光通信システムに用いることが効果的である。
【００６８】
第１６の実施形態
本発明の第１６の実施形態の光書き込みシステム（例えば、レーザプリンタ）ーは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００６９】
面発光型半導体レーザは、低消費電力動作に有利であり、プリンターのような箱の中の温度上昇を低減できる。また、面発光型である場合、アレイ化が容易でしかも通常の半導体プロセスで形成するので素子の位置制度が高く、同時にマルチビームでの書きこみが容易となり、書きこみ速度が格段に向上し、書きこみドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷できる。また同じ書きこみドット密度の場合は印刷速度を早くできる。
【００７０】
第１７の実施形態
本発明の第１７の実施形態の光ピックアップシステムは、第４，第６，第８，第９，第１０または第１１の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第１２の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【００７１】
メディアへの光書き込み，再生用光源である半導体レーザの波長は、ＣＤでは０．７８μｍ、ＤＶＤでは０．６５μｍが用いられている。面発光型半導体レーザは、端面型半導体レーザに比べて１桁程度消費電力が小さく電力が長持ちすることから、通常の光ピックアップシステムはもちろん、本発明により０．６５μｍの面発光型半導体レーザを再生用光源としたハンディータイプの光ピックアップシステムを実現できる。
【００７２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００７３】
第１の実施例
図１は本発明の第１の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡を示す図である。第１の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡では、反射設計波長を６５０ｎｍとし、ｎ−ＧａＰ基板上にＡｌＰとＧａＰをそれぞれの媒質内における反射設計波長の１／４倍の厚さで交互に積層したＡｌＰ／ＧａＰ周期構造を有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ法）により成長した。原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＰＨ_３（フォスフィン）を用い、また、ｎ型のドーパントとしてＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）を用いた。また、キャリアガスには、Ｈ_２を用いた。なお、ＡｌＰとＧａＰとの間には、Ａｌ組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＰ線形組成傾斜層を挿入しており、傾斜層を含めて媒質内における設計波長の１／４倍の厚さとしている。ＭＯＣＶＤ法では、原料の供給量を変化させることでＡｌＧａＰの組成を制御することができるので、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）に比べて容易に組成傾斜層を成長させることができる。
【００７４】
ＡｌＰとＧａＰは屈折率差が大きく、バンドギャップも大きく、ＡｌＧａＰ系材料は５５０ｎｍより長波長帯で光を吸収しないので、６５０ｎｍという波長においても少ない積層数で高反射率を得ることができた。さらに、組成傾斜層を挿入することで、抵抗も低減できた。
【００７５】
第２の実施例
図２は本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００７６】
図２に示すように、第２の実施例における面発光型半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＰ基板上にｎ−ＡｌＰとｎ−ＧａＰとを交互に（例えば２４．５周期）積層した周期構造からなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（第１半導体分布ブラッグ反射鏡：単に、第１反射鏡ともいう）が形成されている。そして、この第１反射鏡の上に、ｎ−ＧａＰ第１キャップ層が形成されて、第１反射鏡構造が形成さされている。なお、第１反射鏡構造において、ＡｌＰとＧａＰとの間には、Ａｌ組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ２０ｎｍの線形組成傾斜層を挿入しており、線形組成傾斜層を含めて媒質内における発振波長の１／４倍の厚さとしている。具体的には、ＡｌＰとＧａＰとの間には、線形組成傾斜層として、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＰ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）が設けられている。この線形組成傾斜層が設けられていることによって、この第１の反射鏡構造に電気を流す場合、ＡｌＰとＧａＰとの間のバンド不連続を滑らかにすることができ、高抵抗化を抑制できる。なお、線形組成傾斜層の組成ｚを階段状に変化させても良く、連続的に変化させても良い。また、線形組成傾斜層の厚さは、反射率が充分になる範囲で厚い方が好ましい。ＡｌＰは、ＧａＰと格子定数が近いので、臨界膜厚以下の厚さとなり、第１反射鏡構造は、ＧａＰ基板に実質的に格子整合する材料系となっている。
【００７７】
このような第１反射鏡構造の上に、ＧａＡｓ基板に対して引張り歪組成となるｎ−Ｇａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐ第２キャップ層、ＧａＡｓ基板に格子整合する（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１スペーサ（クラッド）層、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪組成となるＧａ_０．４Ｉｎ_０．６Ｐ井戸層とＧａＡｓ基板に格子整合する（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ障壁層とからなる量子井戸活性層、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２スペーサ（クラッド）層が形成されている。
【００７８】
そして、更にその上に、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）を交互に（例えば５０周期）積層した周期構造からなるｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（第２半導体分布ブラッグ反射鏡：単に、第２反射鏡ともいう）が形成されている。なお、この第２反射鏡において、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）との間には、Ａｌ組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ２０ｎｍの線形組成傾斜層を挿入しており、線形組成傾斜層を含めて媒質内における発振波長の１／４倍の厚さとしている。具体的には、線形組成傾斜層として、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）が設けられている。
【００７９】
そして、最上部には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層が形成されている。なお、ＧａＡｓは、発振光を吸収する組成なので、薄くする必要があり、また最上部のｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とＧａＡｓを含め反射率が低下しないような厚さにする必要がある。最上部のＧａＡｓ層は、電極とコンタクトを取るコンタクト層となっている。また、第１反射鏡と第２反射鏡との間は、発振波長の１波長分の厚さ（いわゆるラムダキャビティー）とした。
【００８０】
なお、この第２の実施例の面発光型半導体レーザのウエハは以下のように作製されている。
【００８１】
すなわち、図３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＰ基板上に、ｎ−ＡｌＰとｎ−ＧａＰとを交互に積層した周期構造からなる第１反射鏡、ｎ−ＧａＰ第１キャップ層を形成する。
【００８２】
また、図３（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＰエッチングストップ層、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とを交互に積層した第２反射鏡を形成し、更にその上に、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２スペーサ（クラッド）層、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸活性層、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１スペーサ（クラッド）層、ｎ−Ｇａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐ第２キャップ層を形成する。
【００８３】
結晶成長は、ＭＯＣＶＤ法により行なった。原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＰＨ_３（フォスフィン）、ＡｓＨ_３（アルシン）、ｎ型のドーパントとしてＨ_２Ｓｅを（セレン化水素）、ｐ型のドーパントとしてＣＢｒ_４を用いた。また、キャリアガスにはＨ_２を用いた。ＭＯＣＶＤ法では、組成傾斜層のような構成は原料ガス供給量を制御することで容易に形成できるので、ＤＢＲを含んだ面発光型半導体レーザの結晶成長方法として適している。またＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良いので量産性にも優れている。
【００８４】
そして、図３（ａ）と図３（ｂ）の２枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温（例えば６００℃）でＨ_２雰囲気で熱処理して接着する。その後、ＧａＡｓ基板をＧａＩｎＰエッチングストップ層まで化学的にエッチング除去する。硫酸系のエッチング液を用いるとＧａＩｎＰ等のリン系材料はエッチングされないので制御できる。更に今度はＧａＩｎＰエッチングストップ層を塩酸系エッチング液で選択的にエッチングする。塩酸系エッチング液を用いると逆にリン系材料がエッチングされ、ＧａＡｓなどはエッチングされないので制御できる。これにより、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層表面を露出させることができる。
【００８５】
これにより、ｎ−ＧａＰ基板上に、ｎ−ＡｌＧａＰ系ＤＢＲ（第１反射鏡）、ＡｌＧａＩｎＰ系活性領域、ｐ−ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ（第２反射鏡）が積層されたウエハが形成された。
【００８６】
そして、第２の実施例では、電流経路外の部分をプロトン（Ｈ^＋）照射によって絶縁層（高抵抗部）とし、電流狭さく部を形成する。そして、第２反射鏡の最上部の層であるｐ−コンタクト層上に、光出射部を除いてｐ側電極を形成し、ＧａＰ基板の裏面にｎ側電極を形成する。
【００８７】
ＡｌＧａＰ系ＤＢＲは、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲに比べて材料のバンドギャップが大きく、短波長帯においては少ない積層数で吸収が少なくかつ高い反射率を得ることができる。また、ＧａＰ基板はＧａＡｓ基板よりも熱伝導率が大きいことと、ＡｌＧａＰ系ＤＢＲはＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲに比べて熱伝導率が大きいことにより、放熱が改善され、ＧａＡｓ基板上に形成した素子に比べてしきい値が低く、出力が高く、高温まで連続動作が可能であった。
【００８８】
なお、ウエハ接着技術を利用した面発光型半導体レーザは、特開平７−３３５９６７，特開平１１−１０３１２５，特開２００１−６８７８３などに提案されているが、これらは１．３μｍや１．５５μｍ帯のような長波長帯におけるものである。この波長帯では、ＩｎＰ基板上の材料系が主に活性層として用いられるが、同基板上に優れた反射鏡材料が見当たらなく、０．８５μｍ帯等で用いられるＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系材料による優れた反射鏡を接着している。これに対し、本発明では、ＧａＰ基板上に結晶成長可能なＡｌＧａＰ系材料を反射鏡に用いており、これら従来例とは構成，作用効果を異にしている。
【００８９】
第３の実施例
図４は本発明の第３の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００９０】
この第３の実施例が第２の実施例と主に違うところは、電流狭窄をプロトン照射ではなく、ＡｌＡｓ層の選択酸化で行った点である。
【００９１】
すなわち、この第３の実施例では、ｐ側ＤＢＲの最も活性層に近い低屈折率層の一部をＡｌＡｓ層とした。そして所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭さく層を形成した。そして次にポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、基板の裏面にｎ側電極を形成した。
【００９２】
また、ＡｌとＡｓを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行ったので、しきい値電流は低かった。被選択酸化層を選択酸化したＡｌ酸化膜からなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の広がりを抑えることができ、大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ込めることができる。さらに酸化してＡｌ酸化膜となることで屈折率が小さくなり凸レンズの効果でキャリアの閉じ込められた微小領域に効率良く光を閉じ込めることができ、極めて効率が良くなり、しきい値電流を低減することができる。また、容易に電流狭さく構造を形成できることから、製造コストを低減できる。
【００９３】
第４の実施例
図５は本発明の第４の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００９４】
この第４の実施例が第３の実施例と主に違うところは、光取り出しをＧａＰ基板側とした点である。このため、第３の実施例と異なり、第１反射鏡の反射率を第２反射鏡の反射率よりも低くした。また、ＧａＰ基板の裏面に光取り出し窓を形成し、更に無反射膜を形成した。そしてジャンクションダウンでヒートシンクに実装した。
【００９５】
従来、ＧａＡｓ基板上に形成されたＡｌＧａＩｎＰ系赤色面発光型半導体レーザは、ＧａＡｓが光を吸収するので基板側光取り出し構造はできなかったが、本発明では、基板がＧａＰであるので、基板側光取り出し構造が可能となり、よってジャンクションダウン実装が可能となり、放熱は更に改善された。よって更に高温まで連続動作が可能であった。
【００９６】
また、基板側光取り出し構造としたことで、アレイ素子や他の機能素子と集積した場合、駆動回路等との接続にワイヤーボンディングを用いずに、あらかじめ配線構造を形成した別基板上に、はんだなどの導電性接着剤を介してボンディングでき、低コスト化が図れる。
【００９７】
第５の実施例
図６は本発明の第５の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００９８】
この第５の実施例が第３の実施例と主に違うところは、ウエハ接着界面と活性層との間に、ＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲが形成されている点である。つまり、第５の実施例では、第１反射鏡が、ＡｌＧａＰ系第１反射鏡（Ａ）とＡｌＧａＡｓ系第１反射鏡（Ｂ）との２段で形成されている。この第５の実施例では、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲは５ペアとした。また、この第５の実施例では、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲは、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とを交互に積層した構造とし、ウエハ接着界面となる最上層（低屈折率層）はｎ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ（ｘ＝０．６）第２キャップ層とした。そして、ＧａＰ基板上の最上層であるＧａＰ第１キャップ層とＧａＡｓ基板最上層であるＧａＩｎＰ第２キャップ層との厚さは、合計でλ／４の奇数倍とした。
【００９９】
ウエハ接着界面が活性層近傍であると、ＧａＰ系とＧａＡｓ系材料との格子定数の違いによる結晶欠陥が活性層に影響を及ぼし信頼性を低下させてしまう場合があるが、この第５の実施例のようにウエハ接着界面と活性層との間にＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを設けることで上記影響をなくすことができる。
【０１００】
第６の実施例
図７は本発明の第６の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【０１０１】
この第６の実施例が第５の実施例と主に違うところは、第２反射鏡にもＧａＰ基板に格子整合するＡｌＧａＰ系ＤＢＲを用いたことである。
【０１０２】
なお、この第６の実施例の面発光型半導体レーザのウエハは以下のように作製されている。
【０１０３】
すなわち、図８（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＰ基板上に、ｎ−ＡｌＰとｎ−ＧａＰとを２９．５ペア積層した周期構造からなる第１反射鏡（Ａ）、ｎ−ＧａＰ第１キャップ層を形成し、これをエピウエハ１とする。
【０１０４】
また、図８（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＰ基板上に、ＧａＰＡｓエッチングストップ層、ｐ−ＧａＰコンタクト層、ｐ−ＡｌＰとｐ−ＧａＰとを１９．５ペア積層した周期構造からなる第２反射鏡（Ａ）、ｐ−ＧａＰ第３キャップ層を形成し、これをエピウエハ２とする。
【０１０５】
また、図８（ｃ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、ｐ−ＧａＩｎＰ第４キャップ層、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とを交互に４．５ペア積層した第２反射鏡（Ｂ）を形成し、更にその上に、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２スペーサ層（クラッド層）、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸活性層、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１スペーサ層（クラッド層）、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５）とｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０．５）とを４．５ペア交互に積層した第１反射鏡（Ｂ）、ｎ−ＧａＩｎＰ第２キャップ層を形成し、これをエピウエハ３とする。なお、この第６の実施例では、ｐ側ＤＢＲの最も活性層に近い低屈折率層の一部をＡｌＡｓ被選択酸化層とした。
【０１０６】
なお、各反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との間には組成傾斜層を挿入した。結晶成長はＭＯＣＶＤ法により行なった。原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＰＨ_３（フォスフィン）、ＡｓＨ_３（アルシン）、ｎ型のドーパントとしてＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）、ｐ型のドーパントとしてＣＢｒ_４を用いた。また、キャリアガスにはＨ_２を用いた。ＭＯＣＶＤ法は、組成傾斜層のような構成は原料ガス供給量を制御することで容易に形成できるのでＤＢＲを含んだ面発光型半導体レーザの結晶成長方法として適している。また、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良いので、量産性にも優れている。
【０１０７】
そして、この第６の実施例では、まずエピウエハ１とエピウエハ３の２枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温（例えば６００℃）でＨ_２雰囲気で熱処理して接着する。その後、ＧａＡｓ基板をｐ−ＧａＩｎＰ第４キャップ層が現れるまで化学的にエッチング除去する。硫酸系のエッチング液を用いると、ＧａＩｎＰ等のリン系材料はエッチングされないので制御できる。これにより、ｐ−ＧａＩｎＰ第４キャップ層の表面が現れた。
【０１０８】
次に、この貼り合わせたウエハとエピウエハ２との２枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温（例えば６００℃）でＨ_２雰囲気で熱処理して接着する。その後、エピウエハ２のｐ−ＧａＰ基板をＧａＰＡｓエッチングストップ層まで化学的にエッチング除去する。塩酸系のエッチング液を用いるとＧａＰＡｓ等の砒素系材料はエッチングされないので制御できる。更に今度はＧａＰＡｓエッチングストップ層を硫酸系エッチング液で選択的にエッチングする。硫酸系エッチング液を用いると逆に砒素系材料がエッチングされ、ＧａＰなどはエッチングされないので制御できる。これによりｐ−ＧａＰコンタクト層表面が現れた。
【０１０９】
これにより、ｎ−ＧａＰ基板上に、ｎ−ＡｌＧａＰ系とｎ−ＡｌＧａＡｓ系の２段構成からなるＤＢＲ、ＡｌＧａＩｎＰ系活性領域、ｐ−ＡｌＧａＡｓ系とｐ−ＡｌＧａＰ系の２段構成からなるＤＢＲが積層された図７の面発光型半導体レーザのウエハが形成された。
【０１１０】
そして、第６の実施例では、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭さく部を形成した。そして、次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、また、基板の裏面にｎ側電極を形成した。
【０１１１】
ＡｌＧａＰ系ＤＢＲは、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲに比べて材料のバンドギャップが大きく、短波長帯においては少ない積層数で光の吸収が少なく、かつ、高い反射率を得ることができる。また、ＧａＰ基板はＧａＡｓ基板より熱伝導率が大きいことと、ＡｌＧａＰ系ＤＢＲはＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲに比べて熱伝導率が大きいことにより、放熱が改善され、ＧａＡｓ基板上に形成した素子に比べてしきい値が小さく、出力が大きく、高温まで連続動作が可能であった。
【０１１２】
また、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲにおいてＡｌＡｓとＧａＡｓは屈折率差が大きいのでＤＢＲに適した材料といえるが、レーザの波長が短くなるに従い、光の吸収を避けるため高屈折率層のＡｌ組成を大きくする必要がある。このため、例えば波長６５０ｎｍでは高屈折率層にＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓがよく用いられる。よって、低屈折率層との屈折率差がＡｌＡｓ／ＧａＡｓとの組み合わせに比べて約半分になり必要な反射率を得るために積層数は２倍程度に増加してしまう。さらに実際には積層数が増えると膜厚の揺らぎがあり、また完全には光吸収を抑えたＤＢＲ組成ではないので吸収のため高い反射率を得るのが困難になってしまい、面発光型半導体レーザの特性を悪化させてしまう問題がある。
【０１１３】
一方、反射鏡にＡｌＧａＰ系材料を用いると、５５０ｎｍよりも長い波長に対して透明となり、これらの波長においてＧａＰとＡｌＰの間のどの組成をも用いることが可能となる。これにより屈折率差が大きく取れ、積層数を増加させることなく結晶成長は容易であり、高反射率を容易に得ることができる。
【０１１４】
更に、面発光型半導体レーザでは、ＤＢＲを構成する低屈折率層と高屈折率層とのバンド不連続により高抵抗となりやすいため、第１の実施例に示したように組成傾斜層を挿入して低抵抗化を図っている。ＡｌＰとＧａＰとのバンド不連続は、Ｓａｎｄｉｐ等による文献「Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．　Ｖｏｌ．６０，　Ｎｏ．５，　１９９２，　ｐｐ６３０−６３２」によると、伝導帯及び価電子帯とも、ＡｌＡｓとＧａＡｓとのそれと同程度である。上述のようにＡｌＧａＰ系材料をＤＢＲに用いると積層数を約半分にすることができるため、抵抗増加の原因であるヘテロ接合数が約半分となり、抵抗低減が図れ、ＤＢＲでの発熱を低減することができる。
【０１１５】
第７の実施例
図９は本発明の第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイ（面発光型半導体レーザアレイチップ）を示す図（上面図）である。
【０１１６】
第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイは、第６の実施例の面発光型半導体レーザが１０素子、１次元に並んだものとなっている。ただし、第６の実施例の面発光型半導体レーザと、ｐとｎは逆にした。なお、図９の例では、第６の実施例の面発光型半導体レーザを１次元に集積させたが、第６の実施例の面発光型半導体レーザを２次元に集積させても良い。すなわち、第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイは、ｐ型ＧａＰ半導体基板上に形成されており、上面にｎ側個別電極が形成され、裏面にｐ側共通電極が形成されている。ここで、この面発光型半導体レーザアレイの発振波長は、６５０ｎｍであった。また、発熱を低減し、放熱を良好にしたので、隣りの素子へ悪影響は及ぼさなかった。
【０１１７】
第８の実施例
図１０は第８の実施例の光送信モジュールを示す図であり、第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイチップと安価なアクリル系ＰＯＦ（プラスチック光ファイバー）とを組み合わせたものとなっている。この第８の実施例では、面発光型半導体レーザからのレーザ光がＰＯＦに入力され、伝送される。ここで、アクリル系ＰＯＦは、６５０ｎｍの波長に吸収損失のボトムがあり、従って、この波長が好ましい。光通信の分野では、同時により多くのデータを伝送するために、複数の半導体レーザを集積させたレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。これにより、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。
【０１１８】
なお、図１０の例では、面発光型半導体レーザ素子と光ファイバーとを１対１に対応させたが、発振波長の異なる複数の面発光型半導体レーザ素子を１次元または２次元にアレイ状に配置して波長多重送信することにより、伝送速度を更に増大することが可能となる。
【０１１９】
さらに、この第８の実施例では、本発明による安価な面発光型半導体レーザ素子と安価なＰＯＦとを組み合わせたので、低コストの光送信モジュールを実現でき、さらに、これを用いた低コストの光通信システムを実現できる。ＰＯＦは石英系ファイバーに比べて透明ではないので、長距離伝送には向かず、極めて低コストであることから、家庭用，オフィスの室内用，機器内用等の短距離のデータ通信に有効である。
【０１２０】
第９の実施例
図１１は本発明の第９の実施例の光送受信モジュールを示す図であり、第６の実施例の面発光型半導体レーザ素子と受信用フォトダイオードとアクリル系ＰＯＦとを組み合わせたものとなっている。
【０１２１】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子とＰＯＦは低コストであるので、図１１に示すように、送信用の面発光型半導体レーザ素子と、受信用フォトダイオードと、ＰＯＦとを組み合わせた光送受信モジュールを用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、ＰＯＦはファイバの径が大きく、ファイバとのカップリングが容易で、実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の場合、温度特性が良いこと、及び、低しきい値であることにより、発熱が少なく、高温まで冷却なしで使えるより低コストのシステムを実現できる。
【０１２２】
本発明に係る面発光型半導体レーザ素子を用いた光通信システムとしては、光ファイバーを用いたＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのコンピュータ等の機器間伝送、さらには機器内のボード間データ伝送、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等の光インターコネクションとして、特に短距離通信に用いることができる。
【０１２３】
すなわち、近年ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクションに変えると（例えば、コンピュータシステムのボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続すると）、超高速コンピュータシステムが可能となる。
【０１２４】
また、複数のコンピュータシステム等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムが構築できる。特に、面発光型半導体レーザ素子は、端面発光型レーザに比べて、桁違いに低消費電力化でき２次元アレイ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適している。
【０１２５】
第１０の実施例
図１２は本発明の第１０の実施例を示す図である。すなわち、波長６５０ｎｍである４×４の二次元に配置された面発光型半導体レーザアレイチップ（１６ビームＶＣＳＥＬアレイ）と感光帯ドラムとを組み合わせたレーザプリンタの光走査部分を示す図である。図１３は図１２における面発光型半導体レーザアレイチップの概略構成を示す図（上面図）である。図１２，図１３のレーザプリンタでは、４×４の二次元に配置された面発光型半導体レーザアレイチップの点灯のタイミングを調整することで、感光帯上では図１３のように副走査方向に２０μｍ間隔で光源が並んでいる場合と同様な構成と捉えることができる。
【０１２６】
この第１０の実施例では、面発光型半導体レーザアレイからの複数のビームを、同じ光学系を用い走査用ポリゴンミラーを高速回転させて点灯のタイミングを調整して被走査面である感光帯上に集光して、一度に複数のビームを走査している。
【０１２７】
この第１０の実施例によると、副走査方向に２０μｍ間隔で感光帯上に書き込み可能である。なお、この副走査方向の間隔は、１２００ＤＰＩ（ドット／インチ）に相当する。また、主走査方向の書き込み間隔は、光源の点灯のタイミングで容易に制御できる。このレーザプリンタでは、１６ドットを同時に書き込み可能であり、高速印刷できた。アレイ数を増加させることで、更に高速印刷が可能となる。また、面発光型半導体レーザ素子の間隔を調整することで、副走査方向の間隔を調整できる。すなわち、１２００ＤＰＩよりも高密度にすることができ、より高品質の印刷が可能となる。なお、高密度化するためには、ビーム径をレンズ系を用いてより絞る必要があるが、波長による限界があり、光源の波長は短い方が好ましい。従来、面発光型半導体レーザでは７８０ｎｍよりも短い波長で、出力，温度特性等を満足できる素子が得られなかったが、本発明によって赤色（６００ｎｍ台）波長域で実用レベルの素子となったため、実現できた。
【０１２８】
なお、この第１０の実施例では、レーザプリンタへの応用例を示したが、本発明の面発光型半導体レーザを光ピックアップシステムに適用することもできる。すなわち、ＣＤ等の記録，再生用光源としても用いることができる。
【０１２９】
【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、屈折率が周期的に変化し、入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなるので、少ない積層数で反射率を高め、発熱を低減し、放熱を改善することにより、実用レベルの可視域半導体分布ブラッグ反射鏡を提供することができる。すなわち、ＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様に屈折率差が大きく、しかもＡｌ組成によらずＧａＰと格子定数が近くＧａＰ基板上に結晶成長できる。よって、ＡｌＧａＰ系材料はＡｌＧａＡｓ系材料と同様に半導体分布ブラッグ反射鏡の材料として適していると考えられる。更にＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長帯の光を透過する。よって、０．５５μｍよりも長波長帯においてＡｌＧａＰの全組成範囲を用いることができ、特に０．７８μｍよりも短波長帯においてＡｌＧａＡｓ系材料よりも積層数を少なくでき、実用化に適した半導体分布ブラッグ反射鏡を提供することができる。
【０１３０】
また、請求項２記載の発明によれば、屈折率が異なる２種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる２種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記屈折率が異なる２種の半導体層の間に、屈折率が異なる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ので（具体的には、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＰ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）からなる中間層が設けられていることで）、反射鏡に電気を流す場合、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とのバンド不連続を滑らかにすることができ、これによって、高抵抗化が抑制され、低抵抗の反射鏡を提供することができる。
【０１３１】
また、請求項３記載の発明によれば、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および／または下部反射鏡には、請求項１または請求項２の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられるので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、高出力，低しきい値電流の面発光型半導体レーザを提供することができる。すなわち、ＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長の光を透過し、特に０．７８μｍよりも短波長帯においてＡｌＧａＡｓ系材料を用いるよりも容易に９９％以上の高反射率が得られ、これにより、反射鏡の積層数を半分程度に低減できて、抵抗を低減でき、また、光の吸収を低減できる。さらに、ＡｌＧａＰ系材料の熱伝導率はＡｌＧａＡｓ系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、高出力，低しきい値電流の面発光型半導体レーザが得られ、また温度特性を向上させることができる。なお、熱伝導の効果については、レーザの波長が０．６μｍ帯のみならず他の波長範囲でも効果がある。
【０１３２】
また、請求項４記載の発明によれば、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、ＧａＡｓに格子整合する材料からなり、また、前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であるので（具体的に、ＡｌＧａＰ系材料を反射鏡材料として用いたので）、従来のＡｌＧａＡｓ系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを実現できる。また、ＡｌＧａＰ系材料がＡｌＧａＡｓ系材料に比べてワイドギャップであるので、特に７８０ｎｍよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値，高出力の面発光型半導体レーザが得られる。
【０１３３】
また、請求項５記載の発明によれば、第１ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第２ＧａＰ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、ＧａＡｓ基板を除去する工程と、活性領域と第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有しているので、従来のＡｌＧａＡｓ系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを作製できる。また、ＡｌＧａＰ系材料がＡｌＧａＡｓ系材料に比べてワイドギャップであるので、特に７８０ｎｍよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値，高出力の面発光型半導体レーザが得られる。すなわち、ＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様に、格子定数がＧａＰと近くＧａＰ基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。また例えば波長０．６μｍ帯はＧａＡｓ基板にミスフィット転位なしに成長できるＡｌＧａＩｎＰ系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。そしてこれらを接着することにより、上記面発光型半導体レーザを作製できる。
【０１３４】
また、請求項６記載の発明によれば、半導体基板上に、ＧａＰに格子整合する材料からなる第１半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを有しているので、従来のＡｌＧａＡｓ系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを実現できる。また、ＡｌＧａＰ系材料がＡｌＧａＡｓ系材料に比べてワイドギャップであるので、特に７８０ｎｍよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値，高出力の面発光型半導体レーザが得られる。すなわち、ＧａＰは、ＧａＡｓに比べて約２倍の熱伝導率を有しており、放熱性が良い。よって、動作時の発熱を良く逃がすことができるので、温度特性が良好になる。なお、上述のように両方の半導体分布ブラッグ反射鏡をＧａＰ基板上に結晶成長するのが好ましいが、反射鏡と活性領域をともにＧａＡｓ基板上に結晶成長して、ＧａＰ基板を接着してもＧａＰ基板による放熱の効果を得ることができる。
【０１３５】
また、請求項７記載の発明によれば、ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有しているので、従来のＡｌＧａＡｓ系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを作製できる。また、ＡｌＧａＰ系材料がＡｌＧａＡｓ系材料に比べてワイドギャップであるので、特に７８０ｎｍよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値，高出力の面発光型半導体レーザが得られる。すなわち、ＡｌＰ，ＧａＰを終端物質としたＡｌＧａＰ系材料は、ＧａＰと格子定数が近くＧａＰ基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。これはＡｌＡｓ，ＧａＡｓを終端物質としたＡｌＧａＡｓ系材料と同様な傾向である。また例えば波長０．６μｍ帯はＧａＡｓ基板にミスフィット転位なしに成長できるＡｌＧａＩｎＰ系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。第２半導体分布ブラッグ反射鏡はＧａＡｓ基板上に上記活性領域と連続してＡｌＧａＡｓ系材料を用いて形成できる。そしてこれらを接着することにより、上記面発光型半導体レーザを作製できる。
【０１３６】
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６記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域とＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されているので、信頼性が低下するのを防止できる。すなわち、ウエハ接着界面が活性層近傍であると、活性層で発生する熱や、閉じ込められた光が作用して、ＧａＰ系とＧａＡｓ系材料との格子定数の違いによる結晶欠陥が起源となって活性層に影響を及ぼし信頼性を低下させてしまう場合があるが、請求項８のようにウエハ接着界面と活性層との間にＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲを設けることで、上記影響が及ぶのを防止することができる。
【０１３７】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項４，請求項６または請求項８記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はＧａＰ基板であって、光の取り出しは、ＧａＰ基板側からなされるように構成されているので、ジャンクションダウン実装が可能となり、極めて放熱性を良くでき、温度特性を良好にすることができる。すなわち、ＧａＰ基板は、およそ０．５５μｍよりも長波長の光に対して透明であり、光の取り出しが可能である。よって発熱が主に生じる側にヒートシンク等を取り付けられる、いわゆるジャンクションダウン実装が可能となり、極めて放熱性を良くでき、温度特性を良好にすることができる。また、実装基板の方に配線等を作製しておくことで、ワイヤーボンディングが不要となり、アレイ素子の場合、特に効果的である。
【０１３８】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項４，請求項６，請求項８または請求項９に記載の面発光型半導体レーザにおいて、Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した電流狭さく層を有しているので、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化とを両立できる。すなわち、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓにＰを添加することで屈折率が小さくなるとともに、ＩＩＩ族がＡｌのみであるにもかかわらず酸化速度が低下することが酸化実験によりわかった。よって、ＡｌＧａＡｓ系反射鏡のように酸化層よりもＡｌ組成の小さいＡｌＧａＡｓを用いる必要はなく、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＰを用いることができる。よって、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく選択酸化層による電流狭さく構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化とを両立できる。
【０１３９】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９または請求項１０に記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともＧａ，Ｉｎ，Ｐを含み、波長が０．７８μｍよりも短いことを特徴とするので、波長が０．７８μｍよりも短い温度特性の良好な面発光型半導体レーザを提供できる。すなわち、ＡｌＧａＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ０．５５μｍよりも長波長帯の光を透過し、特に０．７８μｍよりも短波長帯においてＡｌＧａＡｓ系材料を用いるよりも容易に９９％以上の高反射率が得られ、積層数を半分程度に低減でき、低抵抗の半導体分布ブラッグ反射鏡が形成できる。さらに、ＡｌＧａＰ系材料の熱伝導率はＡｌＧａＡｓ系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、温度特性が向上する。よって、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる活性領域を用いた波長が０．７８μｍよりも短い温度特性の良好な面発光型半導体レーザを提供できる。
【０１４０】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイであり、請求項１１記載の面発光型半導体レーザは、発熱，放熱が改善されているので、これをアレイとした場合、他の素子で発生した熱による特性劣化（しきい値上昇，出力低下など）が低減し、高性能の面発光型半導体レーザアレイを実現できる。さらに他の素子への熱の影響を低減できることから、素子間の間隔を狭くできるなどのメリットがある。
【０１４１】
また、請求項１３記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールであり、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱，放熱が改善されているので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光送信モジュールを実現できる。
【０１４２】
また、請求項１４記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールであり、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱，放熱が改善されているので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光送受信モジュールを実現できる。
【０１４３】
また、請求項１５記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システムであり、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱，放熱が改善されているので、低しきい値，高温動作可能，高出力となり、アクリル系ＰＯＦを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるＰＯＦとを用いた経済的な光通信システムを実現できる。面発光型半導体レーザを用いていることから、高速伝送可能であり、かつ極めて経済的であり、特に一般家庭やオフィスの室内などの短距離光通信システムに用いることが効果的である。
【０１４４】
また、請求項１６記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光書き込みシステム（具体的には、例えばレーザプリンタ）であり、面発光型半導体レーザは低消費電力動作に有利であることから、プリンタのような箱の中の温度上昇を低減できる。また、面発光型レーザを用いているので、アレイ化が容易でしかも通常の半導体プロセスで形成することができて、素子の位置精度が高く、同時にマルチビームでの書き込みが容易となり、書き込み速度が格段に向上し、書き込みドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷できる。また、同じ書き込みドット密度の場合は、印刷速度を速くできる。
【０１４５】
また、請求項１７記載の発明は、請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光ピックアップシステムであり、面発光型半導体レーザは端面発光型半導体レーザに比べて１桁程度消費電力が小さく電力が長持ちすることから、通常の光ピックアップシステムはもちろん、本発明により０．６５μｍの面発光型半導体レーザを再生用光源としたハンディータイプの光ピックアップシステムに特に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図３】第２の実施例の面発光型半導体レーザのウエハの作製工程例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図８】第６の実施例の面発光型半導体レーザのウエハの作製工程例を示す図である。
【図９】本発明の第７の実施例の面発光型半導体レーザアレイ（面発光型半導体レーザアレイチップ）を示す図（上面図）である。
【図１０】第８の実施例の光送信モジュールを示す図である。
【図１１】本発明の第９の実施例の光送受信モジュールを示す図である。
【図１２】本発明の第１０の実施例を示す図である。
【図１３】図１２における面発光型半導体レーザアレイチップの概略構成を示す図（上面図）である。

Claims (17)

1. 屈折率が周期的に変化し、入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
2. 屈折率が異なる２種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる２種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、屈折率が大なる層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＰ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記屈折率が異なる２種の半導体層の間に、屈折率が異なる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ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
3. 半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および／または下部反射鏡には、請求項１または請求項２の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
4. 半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、ＧａＡｓに格子整合する材料からなり、また、前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
5. 第１ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第２ＧａＰ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、ＧａＡｓ基板を除去する工程と、活性領域と第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
6. 半導体基板上に、ＧａＰに格子整合する材料からなる第１半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域と、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる第２半導体分布ブラッグ反射鏡とを有していることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
7. ＧａＰ基板上に第１半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、ＧａＡｓ基板上に第２半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第１半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
8. 請求項４または請求項６記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる活性領域とＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記ＧａＰに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記ＧａＡｓに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
9. 請求項４，請求項６または請求項８記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はＧａＰ基板であって、光の取り出しは、ＧａＰ基板側からなされるように構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
10. 請求項４，請求項６，請求項８または請求項９に記載の面発光型半導体レーザにおいて、Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した電流狭さく層を有していることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
11. 請求項４，請求項６，請求項８，請求項９または請求項１０に記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともＧａ，Ｉｎ，Ｐを含み、波長が０．７８μｍよりも短いことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
12. 請求項１１記載の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
13. 請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュール。
14. 請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュール。
15. 請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システム。
16. 請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光書き込みシステム。
17. 請求項４，請求項６，請求項８，請求項９，請求項１０または請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項１２記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光ピックアップシステム。

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