JP2003298188A

JP2003298188A - 分布ブラッグ反射器および面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システム

Info

Publication number: JP2003298188A
Application number: JP2002033590A
Authority: JP
Inventors: Naoto Jikutani; 直人軸谷; Shunichi Sato; 俊一佐藤; Takashi Takahashi; 孝志高橋; Akihiro Ito; 彰浩伊藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2003-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】電気抵抗が低く、かつ、反射率の高い分布ブ
ラッグ反射器を提供する。【解決手段】本発明の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
は、屈折率が大なる第１の半導体層１と屈折率が小なる
第２の半導体層２とが交互に積層され、屈折率が大なる
第１の半導体層１と屈折率が小なる第２の半導体層２と
の間に、第１の半導体層１の屈折率と第２の半導体層２
の屈折率との間の屈折率値をとる材料層３が設けられて
いるものであって、この分布ブラッグ反射器の設計反射
波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材料層３は厚
さが５ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であることを特徴として
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分布ブラッグ反射
器および面発光レーザ素子および面発光レーザアレイお
よび光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、面発光レーザ素子の共振器ミラー
として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）が知られている。ま
た、これを用いた同波長帯の面発光レーザが知られてい
る。

【０００３】分布ブラッグ反射器は、屈折率の異なる材
料を夫々１／４光学波長の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。

【０００４】また、面発光レーザ素子は、発振閾値電流
が低く、高速動作が可能であり、また、２次集積化が容
易であることから、光インターコネクション，画像処理
システムの光源として好適であり、注目されている。面
発光レーザ素子は、光学利得を生じる領域が共振領域中
の一部分のみであり、また、共振器長が短いことから、
９９．９％以上の高い反射率を有する共振器ミラーが必
要であり、この共振器ミラーとして分布ブラッグ反射器
が好適である。分布ブラッグ反射器の材料としては、例
えば、半導体材料や誘電体材料等が挙げられるが、特に
半導体材料による分布ブラッグ反射器は通電が可能であ
り、面発光レーザ等のレーザ素子への応用に適してい
る。

【０００５】従来、このような面発光レーザ素子とし
て、ＧａＡｓを基板に用いたＡｌＧａＡｓ系材料による
０．８５μｍ帯及び０．９８μｍ帯の素子が公知であ
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系材料による分布ブラッグ反
射器は、Ａｌ組成の異なる２種のＡｌＧａＡｓ層から構
成され、低屈折率層としてＡｌ組成の大きい半導体層
（例えばＡｌＡｓ層）が用いられ、高屈折率層としてＡ
ｌ組成の小さな半導体層（例えばＧａＡｓ層）が用いら
れている。典型的な面発光レーザ素子の例では、活性層
を挟み、それぞれｐ型，ｎ型にドープされた分布ブラッ
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るが、これらの２種の導電型の分
布ブラッグ反射器の中でも、ｐ型分布ブラッグ反射器は
Ａｌ組成の異なる半導体層によるヘテロ界面の影響のた
めに、電気抵抗が高いことが問題となっている。

【０００７】従来、このヘテロ界面の影響によるｐ型分
布ブラッグ反射器の電気抵抗を低減するために、例え
ば、０．９８μｍ帯等の面発光レーザ素子において、文
献「ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅ
ｔｔｅｒｓＶｏｌ．２，Ｎｏ．４，１９９０，
ｐ．ｐ．２３４−２３６、ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．４，Ｎ
ｏ．１２，１９９２，ｐ．ｐ．１３２５−１３２７」
等のように、分布ブラッグ反射器を構成するＡｌ組成の
異なる２種の層の間に、これらの中間のＡｌ組成を有す
る組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層を設けることが知ら
れている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
ＡｌＧａＡｓ系半導体材料では、活性層の格子歪による
問題から、ＧａＡｓ基板上に１．１μｍよりも長波で発
振するレーザを作製することが非常に困難であり、従
来、この材料系による１．１μｍより長波の面発光レー
ザ素子は検討されていなかった。

【０００９】従来、１．１μｍ帯よりも長波長のレーザ
素子としては、ＩｎＰを基板としたＩｎＧａＡｓＰ系材
料を用いたものが主に検討されており、この材料系によ
る面発光レーザ素子の作製の例が報告されている。この
材料系においても、同様にヘテロ界面による高抵抗化の
問題があるものの、元々、分布ブラッグ反射器の材料と
なるＩｎＧａＡｓＰ系材料間の屈折率差がＡｌＧａＡｓ
系材料に比べて非常に小さく、また、熱伝導性が悪いな
ど材料的な問題によって、良質な分布ブラッグ反射器を
得ることが難しいという課題がある。また、半導体分布
ブラッグ反射器の代わりに誘電体材料による分布ブラッ
グ反射器を用いることも可能であるが、横方向からの電
流注入が必要になり、構造が複雑になる上に動作電圧が
高くなるという問題がある。また、ＩｎＰを基板とした
場合にＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層を用いた選択酸化プロセスを
用いることが困難であり、酸化アパーチャーによって横
モード制御された特性の優れた面発光レーザ素子を得る
ことが難しい等の問題がある。

【００１０】以上のような課題から、ＧａＡｓ基板及び
ＩｎＰ基板上において、従来、１．１μｍよりも長波長
帯における実用レベルの面発光レーザ素子は得られてい
なかった。石英ファイバを用いた光通信では、１．３μ
ｍ帯及び１．５μｍ帯で発振する面発光レーザ素子が好
適であるが、従来、実用レベルの通信用途の面発光レー
ザ素子は得られていない。

【００１１】しかしながら、近年、ＧａＡｓ基板上にお
ける長波長帯の面発光レーザ素子として、高歪結晶の成
長条件の検討、または、活性層材料自体の検討により、
ＧａＡｓ基板上において１．１μｍよりも長波の面発光
レーザ素子の検討がなされ始めている。ところが、上述
したように、従来では、ＧａＡｓ基板上におけるこの波
長帯での面発光レーザの例は無く、１．１μｍよりも長
波長帯域における分布ブラッグ反射器及び組成傾斜層の
詳細な検討は、いまだになされていない。

【００１２】従って、従来技術によっては、この波長帯
において、電気特性（低い電気抵抗）及び光学特性（高
い反射率）の両方に優れた半導体分布ブラッグ反射器、
及びこれを反射鏡ミラーとした、特性の優れた面発光レ
ーザ素子を得ることは難しい。

【００１３】本発明は、電気抵抗が低く、かつ、反射率
の高い１．１μｍよりも長波帯の分布ブラッグ反射器お
よび面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび
光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。

【００１４】

【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、屈折率が大なる第１の半導
体層と屈折率が小なる第２の半導体層とが交互に積層さ
れ、屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第
２の半導体層との間に、第１の半導体層の屈折率と第２
の半導体層の屈折率との間の屈折率値をとる材料層が設
けられている分布ブラッグ反射器において、前記分布ブ
ラッグ反射器の設計反射波長は１．１μｍよりも長波で
あり、前記材料層は厚さが５ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲で
あることを特徴としている。

【００１５】また、請求項２記載の発明は、屈折率が大
なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層と
が交互に積層され、屈折率が大なる第１の半導体層と屈
折率が小なる第２の半導体層との間に、第１の半導体層
の屈折率と第２の半導体層の屈折率との間の屈折率値を
とる材料層が設けられている分布ブラッグ反射器におい
て、前記分布ブラッグ反射器の設計反射波長は１．１μ
ｍよりも長波であり、前記材料層は厚さが２０ｎｍ乃至
５０ｎｍの範囲であることを特徴としている。

【００１６】また、請求項３記載の発明は、屈折率が大
なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層と
が交互に積層され、屈折率が大なる第１の半導体層と屈
折率が小なる第２の半導体層との間に、第１の半導体層
の屈折率と第２の半導体層の屈折率との間の屈折率値を
とる材料層が設けられている分布ブラッグ反射器におい
て、前記分布ブラッグ反射器の設計反射波長は１．１μ
ｍよりも長波であり、前記材料層は厚さが３０ｎｍ乃至
５０ｎｍの範囲であることを特徴としている。

【００１７】また、請求項４記載の発明は、請求項２記
載の分布ブラッグ反射器において、分布ブラッグ反射器
を構成する屈折率が小なる第２の半導体層と屈折率が大
なる第１の半導体層は、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓ，またはＡ
ｌＧａＡｓ混晶で形成され、屈折率が大なる第１の半導
体層と屈折率が小なる第２の半導体層とのＡｌ組成の差
が０．８未満であることを特徴としている。

【００１８】また、請求項５記載の発明は、請求項３記
載の分布ブラッグ反射器において、分布ブラッグ反射器
を構成する屈折率が小なる第２の半導体層と屈折率が大
なる第１の半導体層は、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓ，またはＡ
ｌＧａＡｓ混晶で形成され、屈折率が大なる第１の半導
体層と屈折率が小なる第２の半導体層とのＡｌ組成の差
が０．８以上である事を特徴としている。

【００１９】また、請求項６記載の発明は、屈折率が大
なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層と
が交互に積層され、屈折率が大なる第１の半導体層と屈
折率が小なる第２の半導体層との間に、第１の半導体層
の屈折率と第２の半導体層の屈折率との間の屈折率値を
とる材料層が設けられている分布ブラッグ反射器におい
て、前記分布ブラッグ反射器の設計反射波長は１．１μ
ｍよりも長波であり、前記材料層は、厚さが、分布ブラ
ッグ反射器の設計反射波長λ［μｍ］に対して、（５０
λ−１５）［ｎｍ］以下であることを特徴としている。

【００２０】また、請求項７記載の発明は、請求項６記
載の分布ブラッグ反射器において、材料層は、厚さが２
０ｎｍ以上であることを特徴としている。

【００２１】また、請求項８記載の発明は、請求項６記
載の分布ブラッグ反射器において、材料層は、厚さが３
０ｎｍ以上であることを特徴としている。

【００２２】また、請求項９記載の発明は、活性層と、
共振器ミラーとを有する面発光レーザ素子において、共
振器ミラーには請求項１乃至請求項８のいずれか一項に
記載の分布ブラッグ反射器が用いられることを特徴とし
ている。

【００２３】また、請求項１０記載の発明は、請求項９
記載の面発光レーザ素子において、活性層の材料がＧａ
ＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳ
ｂ，ＧａＩｎＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれか
であることを特徴としている。

【００２４】また、請求項１１記載の発明は、請求項９
または請求項１０記載の面発光レーザ素子が複数個配列
されて構成されていることを特徴とする面発光レーザア
レイである。

【００２５】また、請求項１２記載の発明は、請求項９
または請求項１０の面発光レーザ素子、または、請求項
１１記載の面発光レーザアレイを用いたことを特徴とす
る光インターコネクションシステムである。

【００２６】また、請求項１３記載の発明は、請求項９
または請求項１０の面発光レーザ素子、または、請求項
１１記載の面発光レーザアレイを用いたことを特徴とす
る光通信システムである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２８】第１の実施形態本発明の第１の実施形態の分布ブラッグ反射器（ＤＢ
Ｒ）は、屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率が小な
る第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が大なる
第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層との間
に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の屈折率
との間の屈折率値をとる材料層が設けられているもので
あって、この分布ブラッグ反射器の設計反射波長は１．
１μｍよりも長波であり、前記材料層は厚さが５ｎｍ乃
至５０ｎｍの範囲であることを特徴としている。

【００２９】ここで、設計反射波長は、次のように定義
される。すなわち、図１には、一例として、ＡｌＡｓ／
ＧａＡｓの２４ペアの積層によるＤＢＲの反射スペクト
ルが示されている。ここで、ＡｌＡｓ層，ＧａＡｓ層の
厚さは、それぞれ、９３．８ｎｍ，７９．３ｎｍであ
り、１．１μｍの１／４ｎの厚さに相当している。な
お、ｎは波長１．１μｍにおけるＧａＡｓ層，ＡｌＡｓ
層のそれぞれの屈折率である。このように、ＤＢＲの各
層の厚さをある波長λの１／４ｎとすると、波長λ付近
で最も広帯域に高い反射率を得ることができる。本発明
では、このλを設計反射波長と呼ぶ。

【００３０】この第１の実施形態において、上記材料層
は、反射率を高く保ったまま、設計反射波長が１．１μ
ｍよりも長波の分布ブラッグ反射器の抵抗を効果的に低
減する機能を有している。

【００３１】図２，図３は本発明の第１の実施形態の分
布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の一例を示す図である。図
２，図３の例では、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、
屈折率が大なる第１の半導体層１としてＧａＡｓ層が用
いられ、また、屈折率が小なる第２の半導体層２として
ＡｌＡｓが用いられ、材料層３として組成傾斜層（例え
ば、厚さが３０ｎｍ）が用いられ、ＡｌＡｓ層，組成傾
斜層，ＧａＡｓ層が周期的に繰り返し積層されて構成さ
れている。具体的に、図２，図３の例では、組成傾斜層
としてＡｌＧａＡｓが用いられ、組成傾斜層は線形組成
傾斜層として形成されている。

【００３２】図２，図３の構成において、ＤＢＲの設計
反射波長（λ）は１．３μｍであり、波長１．３μｍに
対するＡｌＡｓ層２、ＧａＡｓ層１のλ／４ｎ、厚さは
それぞれ、１１１．６ｎｍ、９５．２ｎｍである。ここ
で、ｎは、波長１．３μｍに対する、夫々の半導体層の
屈折率である。図２，図３のＤＢＲは、上記の厚さか
ら、上述の線形組成傾斜層３（厚さが３０ｎｍ）の光学
長に相当する分の各半導体層の光学長を減じるように厚
さを調整している。また、夫々の半導体層は、ＡｌＡｓ
層２が２Ｅ１８ｃｍ^-3、ＧａＡｓ層１が１Ｅ１８ｃ
ｍ^-3、線形組成傾斜層３が２Ｅ１８ｃｍ^-3となるよう
に、ｐ型ドーピングが行われている。

【００３３】図２，図３の分布ブラッグ反射器の抵抗値
は、略バルク抵抗値程度まで低くされており、非常に低
い値であり、設計反射波長が１．３μｍと従来の０．８
５μｍ帯の分布ブラッグ反射器に比べ長波であるので、
ＤＢＲを構成する層の厚さが厚く、線形組成傾斜層によ
る反射率の低減の影響は少なく、光学特性は良好であっ
た。以上のように、従来に比べて低抵抗で高反射率な分
布ブラッグ反射器を得ることができた。ここで、材料層
３として、線形組成傾斜層を用いたが、材料層３として
は、この他にも非線形に変化させたものであっても良い
し、また、組成が少しづつ異なる複数の層によって構成
されたものであっても良い。

【００３４】本発明の第１の実施形態では、ＤＢＲの設
定反射波長を１．１μｍ帯以上と、従来の０．８５μｍ
帯、０．９８μｍ帯に比べて長波に設定し、材料層の厚
さを５ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲としている。

【００３５】例えば、反射波長を１．３μｍと長波にす
ると、ＤＢＲを構成する各層（第１の半導体層１，第２
の半導体層２）の厚さは従来の０．８５μｍ帯に比べて
約１．５倍程度厚くなり、材料層３の厚さの占める相対
的な割合を小さくできる。また、反射波長を１．５μｍ
帯等のように長波にするに従い、材料層３の厚さの占め
る相対的な割合をさらに小さくすることができる。この
ように、ＤＢＲを構成する各層（第１の半導体層１，第
２の半導体層２）の厚さは、波長に比例し、長波長化と
ともに厚くなるので、長波長帯では材料層３の影響は小
さくなり、反射率の低下等の影響を低減できる。

【００３６】また、高抵抗化の原因はヘテロ界面の影響
によるものであるので、低抵抗化に必要な材料層３の厚
さは、波長帯に依らず、用いる材料系によって決まって
いるので、０．８５μｍ帯であっても、また、１．１μ
ｍよりも長波長帯域であっても、電気抵抗値をバルク抵
抗値程度までに低減するのに必要な材料層の厚さは同じ
であり、反射波長が長くなった分、材料層３に許容され
る厚さは厚くなる。このように、従来と同じ厚さの材料
層３を設ける場合には、反射率の低下は小さくなり、ま
た、従来と同量の反射率値の低下を許容する場合には、
電気抵抗を十分低くすることができる。

【００３７】また、材料層３の厚さが特に５ｎｍから５
０ｎｍの範囲では次のような効果を得ることができる。
図４には、例として、図３に示す線形組成傾斜層３に関
して、０．８８μｍ帯と１．３μｍ帯のＤＢＲの反射率
と材料層（線形組成傾斜層）３の厚さとの関係が示され
ている。

【００３８】なお、従来のＤＢＲの設計反射波長を０．
８８μｍとしたのは、それぞれの帯域で同じＤＢＲを構
成する材料層によって特性比較を行うためであり、Ｇａ
Ａｓは０．８７μｍよりも短波の光を吸収してしまうか
らである。図４では、屈折率が大の層にＧａＡｓ層を用
い、屈折率が小の層にＡｌＡｓ層を用いている。

【００３９】ここで、分布ブラッグ反射器の半導体材料
の例として、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料について示した
のは、特にこの材料系が分布ブラッグ反射器の材料とし
て次のような優れた性質を有しているからである。すな
わち、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料は、安価に且つ容易に
入手なＧａＡｓ基板上に略格子整合して結晶成長が可能
であり、他の半導体材料系に比べて優れた放熱性を有し
ている。また、混晶を形成する元になる２元材料のＧａ
ＡｓとＡｌＡｓとの間の屈折率差が、例えば１．３μｍ
帯において０．５程度と大きく、他の半導体材料系に比
べて少ない積層ペア数で高い反射率を得ることができ
る。

【００４０】ここで、それぞれの波長帯で、反射率値が
９９．９％を初めて超える積層ペア数は、０．８８μｍ
帯が１８ペア、１．３μｍ帯が２３ペアであり、図４に
はこの前述のペア数を有した各波長帯に対するＤＢＲの
組成傾斜層の厚さと反射率との関係が示されている。

【００４１】なお、上述の例では、材料層３として、組
成がＧａＡｓからＡｌＡｓへ線形に変化している線形組
成傾斜層を用いる場合を示したが、材料層３としては、
この他にも、組成の変化率が非線形であってもよく、ま
た連続的に変化させずに、組成を離散的に変化させた１
つ以上の層から構成されるものであっても良く、また、
これらの組み合わせであっても良い。

【００４２】例えば、面発光レーザ素子の反射鏡として
ＤＢＲを用いる場合には、素子の低閾値電流化に高反射
率のＤＢＲを用いることが重要であり、組成傾斜層よる
反射率の影響が少ないことが重要になる。

【００４３】また、次表（表１）は図４の反射率値を示
したものである。

【００４４】

【表１】

【００４５】このように、表１は図４の反射率値を示し
たものであるが、１．３μｍ帯では組成傾斜層３の厚さ
５ｎｍまでは殆ど反射率の低下は見られない。しかし、
０．８８μｍ帯では、組成傾斜層３の厚さ５ｎｍから反
射率値の低下が見られ始めている。面発光レーザ素子は
共振器長が短く、ミラーによる反射損失の影響が非常に
大きいので、僅かな反射率値の低下であっても閾値電流
値に大きな影響を与える。

【００４６】図５，図６は、図４の結果と同様の構造の
線形組成傾斜層を有する１．３μｍの反射波長を持つＡ
ｌＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲのゼロバイアス付近における
抵抗率（ｄＶ／ｄＪ：電圧Ｖ［Ｖ］の電流密度Ｊ［Ａ／
ｃｍ²］による微分）［Ωｃｍ²］を示す図である。但
し、積層ペア数は４ペアである。なお、図５は対数表
示、図６は線形表示である。また、図５，図６におい
て、破線は、バンド不連続の影響を考慮しないでバルク
の抵抗値から見積もった結果を示している。ＤＢＲのｐ
型ドーピング密度はそれぞれの層に対し１Ｅ１８［ｃｍ
^-3］と一様とした。

【００４７】図５では組成傾斜層３の厚さにより電気抵
抗率が低減していく様子が示されているが、１．３μｍ
帯では組成傾斜層３の相対的な割合が小さいので、表１
及び図５のように、組成傾斜層の厚さが５ｎｍであれば
反射率へ殆ど影響を及ぼすことなく、電気抵抗を２桁程
度低減することが可能である。反射波長が更に長波の場
合は、より厚い組成傾斜層を設けることができるので、
反射率に影響を与えることなく低抵抗化を行うことがで
きる。しかし、これより薄い場合は図５のように低抵抗
化の効果が殆ど得られないので、組成傾斜層の厚さとし
ては不十分である。

【００４８】図５に示すように組成傾斜層を設けない分
布ブラッグ反射器（組成傾斜層の厚さが０ｎｍの分布ブ
ラッグ反射器）では、抵抗率が１Ωｃｍ²と非常に高抵
抗であり、現実的な問題として例えば面発光レーザ素子
の反射鏡ミラーとして用いた場合に、２０ペア以上積層
した分布ブラッグ反射器を通し素子に通電させることは
困難である。また、通電させるためには非常に高い電圧
を必要とする。従って、このような分布ブラッグ反射器
を、面発光レーザ素子等の電流駆動光素子に応用するこ
とは困難である。しかしながら、上述のように５ｎｍの
厚さの組成傾斜層を設けた場合には、組成傾斜層を設け
ない場合に比べて電気抵抗率を約２桁程度低減すること
が可能になる。これによって、素子の通電が容易にな
り、発振が可能となる。更に、通電に必要な電圧も低減
するので、素子の破壊，故障等の、信頼性に関する諸問
題も大きく改善する。更に表１の様に、反射率の低下は
殆ど無いので、低い閾値電流密度で発振を得ることが可
能となる。

【００４９】つまり、この５ｎｍという厚さは、長波長
帯域で反射特性に影響を与えないで低抵抗化が行える組
成傾斜層厚さの下限と考えることができる。従って、材
料層３（本例では組成傾斜層）の厚さは５ｎｍ以上とす
ることが適切である。

【００５０】更に、組成傾斜層の厚さを厚くするに従い
抵抗率は急激に低減し、これに伴って素子の動作電圧，
素子発熱が減少する。従って、発振を維持できる温度、
及び得られる出力は増加する。

【００５１】例えば、９９．８％を反射率の許容値とす
る場合、図４のように０．８８μｍ帯で設けることので
きる組成傾斜層の厚さは２０ｎｍに限られるのに対し、
１．３μｍ帯では組成傾斜層の厚さを５０ｎｍの厚さに
することができる。また、図５のように電気抵抗値は厚
さ５０ｎｍまでは効果的に低抵抗化するものの、５０ｎ
ｍでバルク抵抗値の１．０５倍程度となり、これ以上の
厚さでは飽和傾向を示しはじめる。しかし、反射率は組
成傾斜層の厚さが増すに従い急激に低下を始め、５０ｎ
ｍ以上で９９．８％以下にまで低下してしまうので、こ
れら両方の特性を同時に良好に満たす組成傾斜層の厚さ
の範囲として、５０ｎｍ以内が実用上の意味を持つ厚さ
と考えられる。

【００５２】この反射率の減少の様子を詳しく示したの
が図７である。図７は組成傾斜層の厚さｔに対する反射
率Ｒの変化（｜ｄＲ／ｄｔ｜）を示した図である。図７
に示した接線と比較すると、組成傾斜層の厚さが５０ｎ
ｍ以上から急激に反射率の変化が大きくなる様子が分か
る。素子の発振閾値電流はこれに対応して急激に増加し
始める。

【００５３】以上のように、例えば、５ｎｍ以上、５０
ｎｍ以下の厚さの組成傾斜層を設けた設計反射波長１．
３μｍの分布ブラッグ反射器では、ヘテロ界面の影響に
よる抵抗を有効に低減することが可能であり、また、高
い反射率を同時に得ることができる。これを用いた面発
光レーザ素子では、現実的な駆動条件において、容易に
低閾値電流での発振を得ることが可能である。

【００５４】また、例えば、面発光レーザの高出力化に
は、光出力側のミラー反射率を小さく設定し、光出力を
得やすく設計する必要がある。また、高出力（高注入領
域）まで、安定に発振させるためには、素子発熱を抑え
て、熱による出力飽和点を高く設定する必要がある。５
０ｎｍのように比較的厚い材料層３（本例では、組成傾
斜層）を設けたＤＢＲは、これらの条件を満たしている
ので、高出力用途などに適している。

【００５５】この第１の実施形態では、材料層３の厚さ
を５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲で、目的に応じ、適切に選ぶ
ことで、反射特性，電気特性がそれぞれ優れたＤＢＲを
得ることができる。

【００５６】なお、上述の例（図２，図３の例）では、
屈折率が小である第２の半導体層２をＡｌＡｓ層、屈折
率が大である第１の半導体層１をＧａＡｓ層としたが、
ＡｌＧａＡｓ系材料ではＡｌ組成増加に伴って、屈折率
が小さくなる。従って、Ａｌ組成の異なる２種のＡｌＧ
ａＡｓ層によってＤＢＲを構成することができるので、
上述の例の他にも、一方、又は両方の層にＡｌＧａＡｓ
混晶を用いたＤＢＲに本発明を適用しても良い。しか
し、ＤＢＲを構成する２種の層の屈折率差が大きい程、
少ない積層ペア数で高いの反射率を得ることができるの
で、反射特性的には２種の層のＡｌ組成の違いが大きい
ことが望ましい。図２，図３の例の構造は、ＡｌＡｓと
ＧａＡｓによる最も屈折率差が大きくなる組み合わせを
示したものである。このようなＡｌ組成の違いが大きな
組み合わせでは、ヘテロスパイクの原因となる価電子帯
バンド不連続量も大きくなるので、良好な反射特性が得
られる反面、より高抵抗化し易しいという問題がある。
つまり、前述した課題が最も深刻になる組み合わせであ
る。このような場合に、屈折率値が小と大の中間の値を
とる材料層を設けることが特に重要となるが、特にこの
場合は価電子帯バンド不連続量が大きいので、低抵抗化
には十分な厚さの前記小と大の中間の値をとる材料層を
設けることが必要となる。しかし、従来の０．８５μｍ
帯等のＤＢＲではこれが困難であった。これに対し、本
発明の分布ブラッグ反射器では、図２，図３のような材
料を用いた場合でも、高い反射率と低い抵抗値とを同時
に得ることができる。

【００５７】第２の実施形態本発明の第２の実施形態の分布ブラッグ反射器（ＤＢ
Ｒ）は、屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率が小な
る第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が大なる
第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層との間
に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の屈折率
との間の屈折率値をとる材料層が設けられている分布ブ
ラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器の設計
反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材料層は
厚さが２０ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であることを特徴と
している。

【００５８】この第２の実施形態においても、材料層
は、反射率を高く保ったまま、設計反射波長が１．１μ
ｍよりも長波の分布ブラッグ反射器の電気抵抗を効果的
に低減する機能を有している。

【００５９】この第２の実施形態では、設計反射波長が
１．１μｍ以上の長波長帯ＤＢＲの組成傾斜層の厚さ
を、２０ｎｍから５０ｎｍとしている。ここで、再び、
図５を詳細に見ると、抵抗率は初め組成傾斜層の厚さの
増加と伴に急激に低減し、やがてバルクの抵抗率に次第
に漸近していく様子が分かる。図５のＤＢＲでは抵抗率
の減少が飽和し始める組成傾斜層の厚さは約２０ｎｍで
ある。組成傾斜層の厚さが２０ｎｍの場合の抵抗率はバ
ルク抵抗値の凡そ倍程度と非常に低減されている。従っ
て、このように組成傾斜層の厚さを２０ｎｍ以上、５０
ｎｍ以下の範囲とすることによって、ほぼバルク程度に
抵抗率が低減されたＤＢＲを得ることができる。

【００６０】第３の実施形態本発明の第３の実施形態の分布ブラッグ反射器（ＤＢ
Ｒ）は、屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率が小な
る第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が大なる
第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層との間
に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の屈折率
との間の屈折率値をとる材料層が設けられている分布ブ
ラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器の設計
反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材料層は
厚さが３０ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であることを特徴と
している。

【００６１】この第３の実施形態においても、材料層
は、反射率を高く保ったまま、設計反射波長が１．１μ
ｍよりも長波の分布ブラッグ反射器の電気抵抗を効果的
に低減する機能を有している。

【００６２】図８，図９は本発明の第３の実施形態の分
布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の一例を示す図である。図
８，図９の例では、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、
屈折率が大なる第１の半導体層１としてＧａＡｓ層が用
いられ、また、屈折率が小なる第２の半導体層２として
Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層が用いられ、また、材料層３とし
て組成傾斜層（例えば、厚さが３０ｎｍ）が用いられ、
ＡｌＡｓ層，組成傾斜層，ＧａＡｓ層が周期的に繰り返
し積層されて構成されている。具体的に、図８，図９の
例では、組成傾斜層は放物線形状組成傾斜層（例えばＡ
ｌＧａＡｓ放物線形状組成傾斜層）として形成されてい
る。

【００６３】ここで、放物線形状組成傾斜層は、価電子
帯側エネルギーが禁則帯幅の広いＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層
に向けて、下に凸となるように設けられている。

【００６４】図８，図９の構成において、ＤＢＲの設計
反射波長（λ）は１．５μｍであり、波長１．５μｍに
対するＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層、ＧａＡｓ層のλ／４ｎ、
厚さはそれぞれ、１１０．８ｎｍ、１２５．５ｎｍであ
る。ここで、ｎは、波長１．５μｍに対する、夫々の半
導体層の屈折率である。図８，図９のＤＢＲは、上記の
厚さから、上述の放物線形状組成傾斜層３（厚さが５０
ｎｍ）の光学長に相当する分の各半導体層の光学長を減
じるように厚さを調整している。また、ここで、低屈折
率層を例えばＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層とすると、後述の第
８の実施形態の例に相当するものとなる。この場合、
１．５μｍに対するＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層のλ／４ｎ厚
さは１２１．７ｎｍである。

【００６５】また、半導体層はＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層、
ＧａＡｓ層、放物線形状組成傾斜層のそれぞれが５Ｅ１
７ｃｍ^-3となるように一様にｐ型ドーピングがなされて
いる。

【００６６】図８の分布ブラッグ反射器のドーピング密
度は５Ｅ１７ｃｍ^-3と従来の分布ブラッグ反射器と比べ
低い値としたが、５０ｎｍと従来に比べ厚い組成傾斜層
を設けたことにより、抵抗値は略バルクの値程度まで低
されており、低い値が得られた。また、ドーピング密度
を低く設定したことによって、価電子帯間による光吸収
も少なく、吸収損失の少ない分布ブラッグ反射器を得る
ことができる。また設計反射波長が１．５μｍと従来の
０．８５μｍ帯の分布ブラッグ反射器に比べ非常に長波
であるので、反射率を高く保ったまま容易に５０ｎｍと
非常に厚い放物線形状組成傾斜層を設けることができ
る。この結果、光学特性も良好なものとなる。以上のよ
うに、従来に比べて低抵抗で高反射率な分布ブラッグ反
射器を得ることができる。

【００６７】ここで、材料層３として、放物線形状組成
傾斜層を用いたが、材料層３としては、この他のもので
あっても良い。また、ＤＢＲの設計反射波長も、１．５
μｍ以外であっても良いし、低屈折率層のＡｌ組成も他
の値であっても良い。また、各半導体層毎に異なったド
ーピング密度としても良い。

【００６８】この第３の実施形態では、設計反射波長が
１．１μｍ以上の長波長帯ＤＢＲの組成傾斜層の厚さ
を、３０ｎｍ乃至５０ｎｍとしている。図５のように組
成傾斜層の厚さを増していくと、ＤＢＲの抵抗率はある
厚さまで急激に低減する。この急激な抵抗率の減少が見
られる組成傾斜層の厚さは、ＤＢＲのドーピング密度に
も関係している。例えば、図１０は図４のＡｌＡｓ／Ｇ
ａＡｓＤＢＲにおいて、各層のドーピング濃度を７Ｅ
１７ｃｍ^-3とした場合の結果を示した図である。図１０
のようにドーピング密度が低い場合には、急激に抵抗率
がバルク抵抗率程度までに低減する組成傾斜層の厚さが
３０ｎｍ程度と厚くなっており、これ以上の厚さではバ
ルク抵抗率へと直線的に変化している。特に、ｐ型ＤＢ
Ｒでは、自由キャリア吸収に加えて、価電子帯間の光吸
収により正孔密度（ドーピング密度）が高くなると光吸
収が増加し、レーザ素子等では発振閾値電流の増加等の
原因となるので、光学特性的にはキャリア密度が低い方
が好ましい。また、価電子帯間吸収は長波長の光に対し
て顕著となるので、特に１．１μｍ以上の波長帯では、
吸収損失を低く抑えることが重要である。更に、従来の
１Ｅ１８ｃｍ^-3を超えるドーピング密度を有した層を含
んだＤＢＲでは、吸収損失を低減させることが難しい。

【００６９】このような理由から、ＤＢＲを構成する第
１の半導体層（屈折率が大）、及び第２の半導体層（屈
折率が小）、又は材料層（組成傾斜層）のいずれか、又
は全ての層のドーピング密度を、意図して低く（１Ｅ１
８ｃｍ^-3以下）とする場合がある。しかし、このように
ドーピング密度を低減したＤＢＲでは、空欠層の広がり
が大きくなることによりヘテロ界面の影響がより顕著と
なって、電気抵抗が増加する傾向にある。例えばこのよ
うな理由からドーピング密度をやや低めとした場合に、
ヘテロ界面の影響を緩和し抵抗値を低減するには、より
厚い組成傾斜層が必要であり、図１０の結果を参照する
と、特に３０ｎｍ以上の厚さからその効果が顕著に現れ
るものである。更にドーピング密度を低減した場合に
は、厚さのより厚い組成傾斜層が必要となるが、４０ｎ
ｍ，５０ｎｍ等の上記の範囲内の厚さを有した組成傾斜
層を設けることにより、ヘテロ界面の影響を効果的に低
減することが可能となる。また、ＤＢＲを構成する層を
ＡｌＡｓの他にＡｌＧａＡｓ等とした場合にも同様のこ
とがいえる。

【００７０】図１１は、Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓ
の４ペアＤＢＲの抵抗値を図１０と同様に計算した図で
ある。図１１では、各層のドーピング密度を更に低く設
定し、５Ｅ１７ｃｍ^-3としているが、この場合も組成傾
斜層の厚さが３０ｎｍ以上から抵抗率はバルク抵抗率と
同程度となることが分かる。例えば前述のような理由か
ら、ＤＢＲを構成する第１の半導体層（屈折率が大）、
及び第２の半導体層（屈折率が小）、又は材料層（組成
傾斜層）のいずれか、又は全ての層のドーピング密度を
従来に比べて小さく（１Ｅ１８ｃｍ^-3以下に）設定した
ＤＢＲでは、３０ｎｍの組成傾斜層の厚さが電気抵抗率
が飽和し始めるおよその境の厚さとなっている。従っ
て、ＤＢＲを構成する少なくとも一層のドーピング密度
が１Ｅ１８ｃｍ^-3以下であるような場合は、上述のよう
に、厚さが３０ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲の組成傾斜層を
用いることにより、抵抗値を効果的に低減することがで
きる。

【００７１】もちろん、組成傾斜層の厚さの上記範囲
は、ドーピング密度をこれよりも高くしたＤＢＲにおい
ても効果的に低抵抗化できる厚さであり、ＤＢＲを含む
全ての層が１Ｅ１８ｃｍ^-3以上にドーピングされている
場合に用いられていても良い。しかし、特に、１Ｅ１８
ｃｍ^-3以下のドーピング密度、及び３０ｎｍ乃至５０ｎ
ｍの組成傾斜層の厚さの範囲で、これらを適切に選択す
ることによって、吸収損失と電気抵抗との両方を同時に
低減させることが可能となる。

【００７２】また、この第３の実施形態の分布ブラッグ
反射器を面発光レーザ素子の反射鏡ミラーとして用いる
ことによって、素子特性の優れた面発光レーザ素子を得
ることができる。また、前述のように、３０ｎｍ乃至５
０ｎｍという組成傾斜層の厚さは、従来の０．８５μｍ
帯等において用いられるＤＢＲでは設けることが困難で
あり、本発明の目的とする波長が１．１μｍ以上の長波
長帯におけるＤＢＲにおいて、初めて光学的特性を低下
させることなく設けることが可能となるものである。

【００７３】第４の実施形態本発明の第４の実施形態の分布ブラッグ反射器は、請求
項２記載の分布ブラッグ反射器において、分布ブラッグ
反射器を構成する屈折率が小なる第２の半導体層と屈折
率が大なる第１の半導体層は、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓ，ま
たはＡｌＧａＡｓ混晶で形成され、屈折率が大なる第１
の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層とのＡｌ組
成の差が０．８未満であることを特徴としている。

【００７４】この第４の実施形態では、ＡｌＧａＡｓ系
半導体材料によって構成された分布ブラッグ反射器にお
いて、分布ブラッグ反射器を構成する半導体層のＡｌ組
成の差が０．８未満であるような場合に、１．１μｍよ
りも長波長帯に設計反射波長を有する半導体分布ブラッ
グ反射器の反射率を高く保ったまま、電気抵抗を効果的
に低減することができる。

【００７５】すなわち、ＡｌＧａＡｓ混晶半導体は、Ａ
ｌ組成の増加に対し、価電子帯エネルギーが単調に減少
し、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＡｓ混晶ほどＧａＡｓ単
結晶とのバンド不連続が大きく、ヘテロ界面に大きなポ
テンシャル障壁を形成し高抵抗化の原因となる。また、
価電子帯エネルギーの減少は、Ａｌ組成に対し略比例し
ており、Ａｌ組成の異なる半導体層間のバンド不連続量
は、Ａｌ組成の差に対応している。

【００７６】図１２，図１３は、１．３μｍを設計反射
波長とした４ペアのｐ型分布ブラッグ反射器の電気抵抗
率を組成傾斜層の厚さを変えて示した図である。図１
２，図１３において、分布ブラッグ反射器は、高屈折率
層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＡｓ，Ａｌ_0.8Ｇ
ａ_0.2Ａｓ，Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓとした３種のものにつ
いて示した。また、各半導体層の厚さは材料の屈折率に
応じて設計波長の１／４光学厚さになるようにしてい
る。また、半導体層のドーピング密度は、全ての層に対
し、図１２で５Ｅ１７ｃｍ^-3、図１３で１Ｅ１８ｃｍ^-3
と一様にしている。なお、１Ｅ１８ｃｍ^-3というドーピ
ング濃度は、ｐ型ＤＢＲのドーピングに用いられている
典型的な値である。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成の大きな
分布ブラッグ反射器ほど、組成傾斜層の厚さの薄い領域
で抵抗率が高く、また、バルク程度に低抵抗化するのに
も厚い組成傾斜層が必要である。例えば、Ａｌ_0.6Ｇａ
_0.4ＡｓとＧａＡｓとでは、価電子帯でのバンド不連続
が３００ｍｅＶ程度であり、また、Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ
とＧａＡｓとでは、価電子帯のバンド不連続量が４００
ｍｅＶ程度である。

【００７７】ＡｌＡｓとＧａＡｓからなる分布ブラッグ
反射器の場合に抵抗率を効果的に低減するのに必要な組
成傾斜層の厚さは、ドーピング密度による依存もある
が、図１２，図１３の結果を併せて考えると、２０ｎｍ
以上の厚さの組成傾斜層を設ければ良いことが分かる。
このように分布ブラッグ反射器を構成する半導体材料の
バンド不連続に注目して見た場合に、バンド不連続量が
４００ｍｅＶ未満、つまりＡｌ組成差が０．８未満の場
合においては、組成傾斜層の厚さ２０ｎｍ以上が効果的
に抵抗を低減できる厚さである。

【００７８】また、実際には、バンド不連続による抵抗
の増加は、障壁の高さ，幅以外にも、キャリアである正
孔の有効質量にも依存するが、重い正孔の有効質量は、
通常分布ブラッグ反射器として用いられるＡｌＧａＡ
ｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ系材料間では、電
子等の有効質量ほどの大きな差は無く、バンド不連続量
がヘテロ界面の抵抗の目安と考えることができる。従っ
て、価電子帯のバンド不連続量が４００ｍｅＶ未満、つ
まりＡｌ組成差が０．８未満であるような場合には、厚
さ２０ｎｍ以上の組成傾斜層を用いることによって、よ
り効果的に電気抵抗率を低減することが可能となる。

【００７９】また、組成傾斜層の上限の厚さについて
は、前述したように、分布ブラッグ反射器の設計反射波
長を考慮して、反射率の減少が顕著とならない範囲の厚
さに選ぶことによって、電気的，光学的に特性の優れた
分布ブラッグ反射器を得ることができる。

【００８０】第５の実施形態本発明の第５の実施形態の分布ブラッグ反射器は、請求
項３記載の分布ブラッグ反射器において、分布ブラッグ
反射器を構成する屈折率が小なる第２の半導体層と屈折
率が大なる第１の半導体層は、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓ，ま
たはＡｌＧａＡｓ混晶で形成され、屈折率が大なる第１
の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層とのＡｌ組
成の差が０．８以上であることを特徴としている。

【００８１】この第５の実施形態では、ＡｌＧａＡｓ系
半導体材料によって構成された分布ブラッグ反射器にお
いて、分布ブラッグ反射器を構成する半導体層のＡｌ組
成の差が０．８以上であるような場合に、１．１μｍよ
りも長波長帯に設計反射波長を有する半導体分布ブラッ
グ反射器の反射率を高く保ったまま、電気抵抗を効果的
に低減することができる。

【００８２】すなわち、ＡｌＡｓとＧａＡｓでは価電子
帯のバンド不連続は５００ｍｅＶ程度であり、ＡｌＡｓ
とＧａＡｓからなる分布ブラッグ反射器の場合に抵抗率
を効果的に低減するのには、（ドーピング密度による依
存もあるが）更に厚い組成傾斜層が必要となる。図１
２，図１３の結果を併せて考えた場合、３０ｎｍ以上の
厚さの組成傾斜層を設ければ良いことが分かる。このよ
うに分布ブラッグ反射器を構成する半導体材料のバンド
不連続に注目して見た場合に、バンド不連続量が４００
ｍｅＶ以上の場合には、組成傾斜層の厚さ３０ｎｍ以上
が効果的に抵抗を低減できる厚さである。

【００８３】Ａｌ組成差と価電子帯バンド不連続量は、
前述の第４の実施形態において述べた関係があり、価電
子帯不連続量４００ｍｅＶは、Ａｌ組成差０．８以上に
対応する。従って、Ａｌ組成差が０．８以上であるよう
な場合には、組成傾斜層の厚さ３０ｎｍ以上が効果的に
抵抗を低減できる厚さであり、この厚さの組成傾斜層を
設けることによって、効果的に電気抵抗率を低減するこ
とが可能となる。

【００８４】また、組成傾斜層の上限の厚さについて
は、前述したように、分布ブラッグ反射器の設計反射波
長を考慮して、反射率の減少が顕著とならない範囲の厚
さに選ぶことにより、電気的，光学的に特性の優れた分
布ブラッグ反射器を得ることができる。

【００８５】第６の実施形態本発明の第６の実施形態の分布ブラッグ反射器は、屈折
率が大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導
体層とが交互に積層され、屈折率が大なる第１の半導体
層と屈折率が小なる第２の半導体層との間に、第１の半
導体層の屈折率と第２の半導体層の屈折率との間の屈折
率値をとる材料層が設けられている分布ブラッグ反射器
において、前記分布ブラッグ反射器の設計反射波長は
１．１μｍよりも長波であり、前記材料層は、厚さが、
分布ブラッグ反射器の設計反射波長λ［μｍ］に対し
て、（５０λ−１５）［ｎｍ］以下であることを特徴と
している。

【００８６】この第６の実施形態においても、材料層
は、反射率を高く保ったまま、設計反射波長が１．１μ
ｍよりも長波の分布ブラッグ反射器の抵抗を効果的に低
減する機能を有している。

【００８７】図１４には、設計反射波長が１．１μｍ乃
至１．７μｍの分布ブラッグ反射器について組成傾斜層
厚さと反射率の関係が示されている。分布ブラッグ反射
器は、高屈折率としてＧａＡｓが用いられ、低屈折率層
としてＡｌＡｓ層が用いられている。また、分布ブラッ
グ反射器のペア数は、夫々の波長において反射率が始め
て９９．９％を超えるペア数としている。すなわち、
０．８８μｍでは１８ペア、１．１μｍでは２２ペア、
１．３μｍでは２３ペア、１．５μｍでは２３ペア、
１．７μｍでは２４ペアである。また、図１５には、図
１４の反射率の組成傾斜層厚さに対する変化率（｜ｄＲ
／ｄｔ｜）が示されている。図１４から、組成傾斜層の
厚さが厚くなるに従い、反射率が減少していく様子が分
かる。また、図１５からは、反射率の減少率が、ある組
成傾斜層厚さから急激に増加する様子が分かる。図１５
には、この様子を分かり易くするために、変化率の傾き
が更に直線で示されている。すなわち、図１５中の直線
は、反射率が減少し始める厚さに対して変化率の接線を
引いたものである。例えば、設計反射波長１．３μｍの
分布ブラッグ反射器に注目し図１５を見れば、反射率の
変化率は組成傾斜層厚さ５０ｎｍから急激に大きくなる
ことが分かる。図１４では、これに対応して、分布ブラ
ッグ反射器の反射率が急激に減少を始める。従って、例
えばこれを反射鏡とした面発光レーザ素子では、発振閾
値電流が急激に増加する。また、図１５中に示すよう
に、この反射率の変化率が急激に増加する組成傾斜層の
厚さは、半導体分布ブラッグ反射器の設計波長帯によっ
て異なっている。つまり、より長波の設計反射波長の分
布ブラッグ反射器ほど、反射器を構成する各半導体層の
厚さが厚くなるので、同じ厚さの組成傾斜層に対しての
影響が少なくなる。

【００８８】このように、この変化率が急激に増加し始
める組成傾斜層の厚さ（閾厚さ）は分布ブラッグ反射器
の設計反射波長によって異なるが、急激に増加し始める
変化率の閾値は波長にあまり依存せず、図１５中に示す
ように、およそ０．０９程度であることが分かる。

【００８９】また、図１４に示した各波長に対して閾厚
さを示すと次表（表２）のようになる。

【００９０】

【表２】

【００９１】表２から、設計反射波長と閾厚さとは、略
線形の関係にあり、表２から、閾厚さｔ［ｎｍ］と分布
ブラッグ反射器の設計反射波長λ［μｍ］との関係を求
めると、次式（数１）の関係があることが分かる。

【００９２】

【数１】ｔ＝５０λ−１５

【００９３】従って、波長１．１μｍ以上の設計反射波
長λを有する分布ブラッグ反射器に対して、数１で決ま
る厚さｔ以下の厚さの材料層（組成傾斜層）を設けるこ
とにより、高い反射率を保った低抵抗な分布ブラッグ反
射器を得ることができる。なお、上述の例では、組成傾
斜層が線形組成傾斜層であるとしているが、組成傾斜層
としては、この他にも非線形なものを用いても良い。こ
の場合においても、同様な結果，効果を得ることができ
る。

【００９４】第７の実施形態本発明の第７の実施形態の分布ブラッグ反射器は、第６
の実施形態の分布ブラッグ反射器において、材料層の厚
さが２０ｎｍ以上であることを特徴としている。

【００９５】この第７の実施形態の実施形態において
も、材料層は、反射率を高く保ったまま、設計反射波長
が１．１μｍよりも長波の分布ブラッグ反射器の抵抗を
効果的に低減する機能を有している。

【００９６】第６の実施形態において説明したように、
分布ブラッグ反射器の反射率を高く保つことができる組
成傾斜層と設計反射波長には数１の関係がある。

【００９７】電気的特性については、前述したように組
成傾斜層の厚さを厚くするほど、半導体へテロ界面の影
響を低減することが可能であり、より低抵抗な分布ブラ
ッグ反射器を得ることができる。また、組成傾斜層によ
る低抵抗化の効果は、分布ブラッグ反射器の材料と、ド
ーピング密度と、プロファイルとによって決まり、本質
的に反射波長帯域には依存しない。従って、低抵抗化の
効果が十分に得られる組成傾斜層には下限があり、十分
に低抵抗な分布ブラッグ反射器を得るためには、ある厚
さ以上の組成傾斜層を設ける必要がある。

【００９８】例えば、図１３の１Ｅ１８ｃｍ^-3の密度に
一様にドープされた分布ブラッグ反射器では、組成傾斜
層の厚さが２０ｎｍ未満では、分布ブラッグ反射器の抵
抗率はバルク抵抗率に対し桁違いに大きいが、２０ｎｍ
以上からバルク抵抗率と同じオーダーにまで低減するこ
とが分かる。従って、上述のようなドーピング密度の場
合には、組成傾斜層の厚さを２０ｎｍ以上とするのが電
気特性的に好ましい。従って、以上の結果から、分布ブ
ラッグ反射器の設計反射波長λ［μｍ］に対して、組成
傾斜層の厚さｔ［ｎｍ］を２０≦ｔ≦５０λ−１５の範
囲に選ぶことにより、電気的に十分に低抵抗で、光学的
にも高い反射率を保った特性の優れた分布ブラッグ反射
器を得ることができる。

【００９９】第８の実施形態本発明の第８の実施形態の分布ブラッグ反射器は、第６
の実施形態の分布ブラッグ反射器において、材料層は、
厚さが３０ｎｍ以上であることを特徴としている。

【０１００】この第８の実施形態においても、材料層
は、反射率を高く保ったまま、設計反射波長が１．１μ
ｍよりも長波の分布ブラッグ反射器の抵抗を効果的に低
減する機能を有している。

【０１０１】半導体材料では、禁則帯幅よりもエネルギ
ーの小さな光子に対しても、自由キャリアの増加ととも
に光吸収が増加する傾向があるが、加えて、ｐ型半導体
ではキャリアである正孔の増加に従い価電子帯間吸収に
よる光吸収が顕著に生じる。また、この価電子帯間吸収
は、長波になるほど増加するので、設計反射波長が１．
１μｍより長波であるような分布ブラッグ反射器では特
に問題であり、これらの光吸収は分布ブラッグ反射器の
反射率を低減させる原因となる。更に、これを反射鏡と
したレーザ素子では、光吸収によって閾値電流の増加、
効率の低下等を引き起こす。従って、光吸収の低減とい
う点においては、半導体層のドーピング密度は可能な限
り低いことが好ましい。しかしながら、ドーピング密度
を低減するに従ってヘテロ界面の空乏層は増加するの
で、界面のポテンシャル障壁の影響が大きくなり、抵抗
率を増加させる原因となる。

【０１０２】従って、例えば上述のような目的によって
ドーピング密度を低減した半導体分布ブラッグ反射器に
おいて、抵抗率を低減させるためには、より厚い組成傾
斜層が必要となる。このような分布ブラッグ反射器とし
て、例えば５Ｅ１７ｃｍ^-3程度にドーピングを行った場
合には、図１２の結果を見ると、組成傾斜層の厚さが３
０ｎｍ以上から、抵抗率がバルクと同程度まで低減する
ことが分かる。

【０１０３】また、半導体層のドーピング密度，プロフ
ァイルとしては、様々な組み合わせが考えられ、その種
類は膨大である。しかしながら、少なくとも１つの半導
体層のドーピング密度が１Ｅ１８ｃｍ^-3未満である場合
には、同様な傾向を示す。何故ならば、ヘテロ界面にで
きるポテンシャル障壁は、ヘテロ界面に接する半導体層
のドーピング密度により、その高さ，障壁厚さが決ま
り、ドーピング密度が１Ｅ１８ｃｍ^-3以下と低い場合ほ
どヘテロ界面の影響が大きく、また、主にドーピング密
度が低いヘテロ界面により電気的特性が決まるからであ
る。本発明は、このように分布ブラッグ反射器を構成す
る半導体層のうち、少なくとも１つの半導体層のドーピ
ング密度が１Ｅ１８ｃｍ^-3未満であるようなものに対
し、大きな作用，効果を生じる。

【０１０４】更に、ここでは例として上述のドーピング
密度の結果を示したが、１Ｅ１７ｃｍ^-3のオーダーにド
ーピングされた分布ブラッグ反射器では、これと略同様
の結果を示す。勿論、ドーピング密度はこれよりも更に
低い範囲であっても良く、その場合には組成傾斜層の厚
さを第６の実施形態の範囲で３０ｎｍ以上とすること
で、同様に低抵抗化を行なうことができる。

【０１０５】以上のように、分布ブラッグ反射器の設計
反射波長λ［μｍ］に対して、材料（組成傾斜層）の厚
さｔ［ｎｍ］を３０≦ｔ≦５０λ−１５の範囲に選ぶこ
とにより、電気的に十分に低抵抗で、光学的にも高い反
射率を保った特性の優れた分布ブラッグ反射器を得るこ
とができる。

【０１０６】第９の実施形態本発明の第９の実施形態の面発光レーザ素子は、活性層
と、共振器ミラーとを有し、共振器ミラーには第１乃至
第８のいずれかの実施形態の分布ブラッグ反射器が用い
られることを特徴としている。

【０１０７】この第９の実施形態の面発光レーザ素子
は、低電圧，高効率，高出力動作する。

【０１０８】すなわち、この第９の実施形態では、面発
光レーザ素子の共振器ミラー（反射ミラー）に第１乃至
第８のいずれかの実施形態の分布ブラッグ反射器を用い
ている。半導体材料による分布ブラッグ反射器として
は、ＡｌＧａＡｓ材料（例えば、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ材
料）を用いるものが、反射特性及び（電流狭窄のため
の）酸化プロセスとの整合性から、面発光レーザ素子の
共振器ミラー（反射ミラー）として非常に優れた特性を
備えている。

【０１０９】更に、第１の実施形態の分布ブラッグ反射
器を用いることで、従来の光通信，光伝送用途の０．８
５μｍ帯，０．９８μｍ帯面発光レーザに比べ、低発振
閾値電流，低消費電力，高出力動作可能な光通信，光伝
送用途の面発光レーザ素子を得ることができる。特に、
１．３μｍ帯は、石英シングルモードファイバの零分散
帯であり、この帯域を発振波長とした面発光レーザ素子
と組み合わせることにより、高速なデータ通信が行え
る。また、波長１．５μｍ帯は波長多重通信（ＤＷＤ
Ｍ）において重要な波長帯であり、この波長帯において
特性の優れた面発光レーザ素子が必要である。本発明の
第１乃至第８のいずれかの実施形態の分布ブラッグ反射
器を用いた面発光レーザ素子は、動作電圧が低く、効率
が高いため、これらの用途に対し好適な面発光レーザ素
子である。

【０１１０】第１０の実施形態本発明の第１０の実施形態の面発光レーザ素子は、第９
の実施形態の面発光レーザ素子において、活性層の材料
がＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡ
ｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいず
れかであることを特徴としている。

【０１１１】この第１０の実施形態の面発光レーザ素子
は、低電圧，高効率，高出力，高温動作する。

【０１１２】すなわち、この第１０の実施形態では、活
性層の材料を、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮ
Ａｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡ
ｓＳｂのいずれかとしており、これらの材料は、ＧａＡ
ｓ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を用いて、１．１μｍよりも長波で
発振する面発光レーザ素子を得ることができる。特に、
波長１．３μｍ帯のレーザ素子と石英シングルモードレ
ーザとを組み合わせることによって、高速通信，高速伝
送が可能になる。また、波長多重通信で重要な１．５μ
ｍ帯において特性の優れた素子を得ることができる。

【０１１３】さらに、上述した材料（ＧａＮＡｓ，Ｇａ
ＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡ
ｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ）の中でも、特にＧａＩｎ
ＮＡｓ混晶材料は、キャリア閉じ込め層となるＧａＡｓ
層に対し、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ことから、高温まで安定な発
振を得ることができる。以上のように、本発明によれ
ば、光通信，光伝送用として好適な面発光レーザ素子を
得ることができる。このように活性層をＧａＩｎＮＡｓ
とすると、ＧａＡｓ基板上に石英シングルモードファイ
バ通信で重要な１．３μｍ帯、波長多重通信で重要な
１，５μｍ帯を含む１．１μｍよりも長波の面発光レー
ザ素子を得ることができる。

【０１１４】図１６は本発明の面発光レーザ素子の構成
例を示す図である。図１６の面発光レーザ素子は、Ｇａ
ＩｎＮＡｓ混晶を活性層とした１．３μｍ帯に発振波長
を持つ素子である。すなわち、図１６の素子は、ｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１１上に、Ａｌ_0. ₈Ｇａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓ
３６ペアｎ−ＤＢＲ１２、ＧａＡｓスペーサー層１３、
ＧａＩｎＮＡｓ多重量子井戸活性層１４、ＧａＡｓスペ
ーサー層１５、Ａｌ_0. ₈Ｇａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓ２６ペ
アｐ−ＤＢＲ１７、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８が結
晶成長されている。また、ｐ−ＤＢＲ１７中の発振光の
定在波の節にあたる位置にＡｌＡｓ選択酸化層１６が設
けられている。

【０１１５】そして、図１６の素子は、円柱メサを残
し、ｎ−ＤＢＲ１２までの各層が、エッチング除去さ
れ、エッチング側面から、ＡｌＡｓ層１６を選択酸化し
酸化狭窄構造（電流狭窄構造）が設けられている。ここ
で、単一横モード発振が得られるように酸化狭窄径は５
μｍとしている。そして、エッチングされた領域はポリ
イミド膜１９で埋め込まれ、メサ中心部の光出射部２０
以外の領域にｐ型オーミック電極２１が形成され、ま
た、基板１１の裏面にｎ型オーミック電極２２が形成さ
れている。

【０１１６】ここで、ｎ−ＤＢＲ１２は、Ａｌ_0.9Ｇａ
_0.1Ａｓ／ＧａＡｓによって構成されている。

【０１１７】また、ｐ−ＤＢＲ１７は、図１７に示すよ
うに、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層３１，ＡｌＧａＡｓ組成傾
斜層３２，ＧａＡｓ層３３が所定のペア数で積層されて
構成されている。ここで、ｐ−ＤＢＲ１７のＡｌ_0.8Ｇ
ａ_0.2Ａｓ層３１が屈折率小の層（第２の半導体層）、
ＧａＡｓ層３３が屈折率大の層（第１の半導体層）にあ
たる。また、材料層として、Ａｌ組成を上記２層３１，
３３の一方の組成から他方の組成へと線形に変化させた
組成傾斜層３２を用いた。組成傾斜層３２の厚さは４０
ｎｍとした。また、ｐ−ＤＢＲ１７は、キャリア密度が
８Ｅ１７ｃｍ^-3となるように一様にドーピングされてい
る。

【０１１８】この面発光レーザ素子の動作電圧及び発振
閾値電流は、本発明のＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）を
用いたことにより、非常に低い値を得ることができた。
また、特にドーピング密度を１Ｅ１８ｃｍ^-3とした素子
に比べても、素子の閾値電流密度は低く、また高い効率
を得ることができた。また、素子抵抗（ｐ−ＤＢＲ１７
の抵抗）が低いことによって、素子発熱が少なく、熱に
よる出力の飽和点が高く、高出力を得ることができた。
また、活性層材料をＧａＩｎＮＡｓとしたことで、Ｇａ
Ａｓ基板上に発振波長１．３μｍを得ることができた。
素子は１．３μｍ帯で、基本横モード発振を実現し、特
性の優れた光通信用途の面発光レーザ素子を得ることが
できた。

【０１１９】すなわち、図１６の面発光レーザ素子の発
振波長は１．１μｍよりも長波であり、特に、活性層１
４をＧａＩｎＮＡｓとすることにより、ＧａＡｓ基板１
１上にファイバ通信で重要な１．３μｍ帯，１，５μｍ
帯を含む１．１μｍよりも長波の面発光レーザ素子を得
ることができる。

【０１２０】第１１の実施形態本発明の第１１の実施形態の面発光レーザアレイは、第
９または第１０の実施形態の面発光レーザ素子が複数個
配列されて構成されていることを特徴としている。

【０１２１】この第１１の実施形態の面発光レーザアレ
イは、低電圧，高効率，高出力，高温動作する。

【０１２２】すなわち、この第１１の実施形態では、上
述した本発明の面発光レーザ素子を複数個配列して面発
光レーザアレイを構成することができる。上述した本発
明の面発光レーザ素子の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
は、従来の０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯面発光レー
ザ素子に比べて、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の抵抗
が低く、面発光レーザ素子の動作電圧が低減している。
つまり、素子の消費電力，発熱が少なく、アレイのよう
に高密度に集積した場合に消費電力低減の効果は大き
い。また、発熱による素子間の干渉も少なく、特性，信
頼性の優れた面発光レーザアレイが得られる。

【０１２３】第１２の実施形態また、上述した本発明の面発光レーザ素子、または、上
述した本発明の面発光レーザアレイによって、光インタ
ーコネクションシステムを構成することができる。

【０１２４】このような構成の光インターコネクション
システムでは、設計反射波長を１．１μｍより長波と
し、従来に比べて厚さが厚くかつ屈折率が小と大の間の
値をとる材料層を設けた抵抗値の小さい分布ブラッグ反
射器（ＤＢＲ）を共振器ミラーとした本発明の面発光レ
ーザ素子または面発光レーザアレイを光源に用いること
によって、高速伝送が可能な信頼性の高いインターコネ
クションシステムを提供することができる。

【０１２５】すなわち、上述した本発明の光インターコ
ネクションシステムに用いられている面発光レーザ素子
または面発光レーザアレイは、前述のように、発振波長
を１．１μｍより長波としたことによって、ｐ型ＤＢＲ
を構成する各層の厚さが、従来の０．８５μｍ、０．９
８μｍ帯の面発光レーザ素子に比べ厚い。よって、反射
率を著しく低減すること無く、従来の０．８５μｍ、
０．９８μｍ帯の面発光レーザ素子に比べて厚さが厚く
かつ屈折率が小と大の間の値をとる材料層をＤＢＲの各
層の間に設けることが可能となり、ＤＢＲの抵抗値を従
来に比べて小さくできる。これによって、動作電圧を低
減でき、また、素子発熱を低減でき、また、消費電力を
小さくでき、また、素子寿命等の信頼性が向上するとい
った効果が得られる。また、素子抵抗が小さいので、素
子の応答時間も短くなり、高速変調に適している。

【０１２６】従って、このような面発光レーザ素子また
は面発光レーザアレイを用いた光インターコネクション
システムでは、低消費電力で、高速変調が可能で、シス
テムの信頼性も高い。更に、発振波長を１．１μｍより
長波にしたことによって、石英シングルモードファイバ
を用いた光インターコネクションシステムを構築するこ
とができる。石英シングルモードファイバは、１．３μ
ｍ帯に零分散を有しており、また、面発光レーザ素子は
発振スペクトル幅が非常に狭いという特徴がある。石英
シングルモードファイバと本発明の素子抵抗が低く高速
変調が可能な１．３μｍ帯の面発光レーザ素子とを組み
合わせたインターコネクションシステムでは、従来の
０．８５μｍ帯、０．９８μｍ帯の面発光レーザ素子を
用いた光インターコネクションシステムでは難しかった
高速伝送が可能であるという大きな効果が得られる。ま
た、前述した活性層材料（ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，
ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓＳｂ，Ｇ
ａＩｎＮＡｓＳｂ）の中でも、特にＧａＩｎＮＡｓ量子
井戸を活性層とした面発光レーザ素子は、例えばＧａＡ
ｓバリア層との伝導帯バンド不連続量が大きく、材料特
性的に電子のオーバーフローが小さいので、環境温度の
変化に対して安定に動作する。また、ＧａＡｓ基板上に
結晶成長が可能なことによって、反射特性，放熱性に優
れ、酸化狭窄プロセスの確立されたＡｌＧａＡｓ混晶に
よる分布ブラッグ反射器を用いることができるので、イ
ンターコネクションシステムに非常に優れたレーザ光源
を用いることができる。

【０１２７】以上から、高速伝送が可能な信頼性の高い
光インターコネクションシステムを得ることができる。

【０１２８】図１８は本発明の光インターコネクション
システムの具体例を示す図である。図１８の光インター
コネクションシステムは、機器間並列光インターコネク
ションシステムとして構成されている。

【０１２９】図１８のインターコネクションシステム
は、機器１と機器２の間を光ファイバアレイを用いて接
続したものとなっている。送信側である機器１では、前
述した本発明の面発光レーザアレイを用いた１次元面発
光レーザアレイモジュールとこれの駆動回路とを備えて
いる。また、受信側である機器２では、フォトダイオー
ドアレイモジュールと信号検出回路とを備えている。

【０１３０】図１９には、面発光レーザアレイモジュー
ルの概要が示されている。図１９の面発光レーザアレイ
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
イバアレイとが実装されて構成されている。面発光レー
ザアレイは、ファイバに対向して設けられており、マイ
クロレンズアレイを介してシリコン基板に形成したＶ溝
に実装された石英シングルモードファイバと結合してい
る。面発光レーザアレイの発振波長は１．３μｍ帯であ
り、石英シングルモードファイバが用いられている。

【０１３１】上記の光インターコネクションシステムの
ように、石英シングルモードファイバと発振波長が１．
１μｍより長波（１．３μｍ）の面発光レーザアレイを
用いることにより、高速伝送が可能となる。これは、石
英ファイバが１．３μｍ帯に波長ゼロ分散を有してお
り、面発光レーザ素子の発振スペクトルが狭いことに加
え、特に、本発明の面発光レーザ素子の分布ブラッグ反
射器の抵抗値が小さく、素子の応答が向上した効果によ
るところが大きい。

【０１３２】また、素子の低抵抗化によって動作電圧が
低減し、素子寿命等の信頼性は高く、システムの信頼性
も向上した。また、素子の低抵抗化によって素子の消費
電力が低減し、システムの消費電力も低減した。また、
素子の低抵抗化によって発熱が減少し、高出力動作が可
能であった。従って、符号誤り率の低いインターコネク
ションシステムが得られた。

【０１３３】この際、前述した活性層材料（ＧａＮＡ
ｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，Ｇ
ａＩｎＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ）の中でも、特に
ＧａＩｎＮＡｓ混晶による量子井戸を活性層とした面発
光レーザ素子では、例えばＧａＡｓバリア層との伝導帯
バンド不連続量が大きく、材料特性的に電子のオーバー
フローが小さいので、環境温度の変化に対しても安定に
動作する。

【０１３４】以上のように、消費電力が低く、高速動作
が可能な信頼性の高い並列光インターコネクションシス
テムを得ることができる。

【０１３５】上述の例では、並列光インターコネクショ
ンシステムを例に説明したが、この他にも、単一素子を
用いたシリアル伝送システムを構成することもできる。
また、機器間の他にも、ボード間、チップ間、チップ内
インターコネクションに応用することもできる。

【０１３６】第１３の実施形態また、上述した本発明の面発光レーザ素子、または、上
述した本発明の面発光レーザアレイによって、光通信シ
ステムを構成することができる。

【０１３７】このような構成の光通信システムでは、設
計反射波長を１．１μｍより長波として、従来に比べて
厚さが厚くかつ屈折率が小と大の間の値をとる材料層を
設けた抵抗値の小さな分布ブラック反射器（ＤＢＲ）を
共振器ミラーとした本発明の面発光レーザ素子または面
発光レーザアレイを光源に用いることによって、素子抵
抗，発熱が小さく、高速伝送が可能な信頼性の高い光通
信システムを提供することができる。

【０１３８】すなわち、上述した本発明の光通信システ
ムに用いられる面発光レーザ素子または面発光レーザア
レイとしては、前述のように、発振波長を１．１μｍよ
り長波としたことにより、ｐ型ＤＢＲを構成する各層の
厚さが、従来の０．８５μｍ、０．９８μｍ帯の面発光
レーザ素子に比べ厚くなり、これによって、反射率を著
しく低減すること無く、従来の０．８５μｍ、０．９８
μｍ帯の面発光レーザ素子に比べて厚さが厚くかつ屈折
率が小と大の間の値をとる材料層をＤＢＲの各層の間に
設けることが可能となり、ＤＢＲの抵抗値を従来に比べ
て小さくできる。よって、動作電圧を低減でき、また、
素子発熱を低減でき、また、消費電力を小さくでき、ま
た、素子寿命等の信頼性が向上するといった効果が得ら
れる。また、素子抵抗が小さいので、素子の応答時間も
短くなり、高速変調に適している。

【０１３９】従って、このような面発光レーザ素子また
は面発光レーザアレイを用いた光通信システムでは、低
消費電力で、高速変調が可能で、システムの信頼性も高
い。更に、発振波長を１．１μｍより長波にしたことに
よって、石英シングルモードファイバを用いた光通信シ
ステムを構築することができる。石英シングルモードフ
ァイバは、１．３μｍ帯に零分散を有しており、また、
面発光レーザ素子は発振スペクトル幅が非常に狭いとい
う特徴がある。石英シングルモードファイバと本発明の
素子抵抗が低く高速変調が可能な１．３μｍ帯の面発光
レーザ素子とを組み合わせた光通信システムでは、従来
の０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯の面発光レーザ素子
を用いた光通信システムでは難しかった高速通信が可能
であるという大きな効果が得られる。また、前述した活
性層材料（ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡ
ｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓ
Ｓｂ）の中でも、特にＧａＩｎＮＡｓを量子井戸とした
面発光レーザ素子では、例えば、ＧａＡｓバリア層等に
対し、伝導帯のバンド不連続量が大きく、電子のオーバ
ーフローが小さいので、環境温度の変化に対して安定に
動作することに加え、ＧａＡｓ基板上に結晶成長が可能
なことによって、反射特性，放熱性に優れ、酸化狭窄プ
ロセスの確立されたＡｌＧａＡｓ混晶による分布ブラッ
グ反射器を用いることができる。従って、従来のＩｎＰ
基板上に作製されるＩｎＧａＡｓＰ混晶を用いた端面型
レーザによる光通信システムに比べ、光源の温度特性に
優れている。また、前述の材料系では作製が難しい面発
光レーザ素子を容易に得ることができる。この面発光レ
ーザ素子は、アレイ化が容易で光ファイバとの結合率が
高く、光ファイバを用いた光通信システムの光源として
好適である。以上から、本発明の面発光レーザ素子また
は面発光レーザアレイを用いることによって、高速通信
が可能な信頼性の高い光通信システムを得ることができ
る。

【０１４０】図２０は本発明の光通信システムの具体例
を示す図である。図２０の光通信システムは、光ＬＡＮ
システムとして構成されている。図２０の光ＬＡＮシス
テムは、前述した本発明の面発光レーザ素子または面発
光レーザアレイ素子を用いて光ＬＡＮシステムを構成し
たものである。すなわち、サーバーとコアスイッチとの
間、及び、コアスイッチと各スイッチとの間、及び、ス
イッチと各端末との間の光伝送の光源に、本発明の面発
光レーザ素子または面発光レーザアレイ素子が用いられ
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１０
００ＢＡＳＥ−ＬＸ等のギガビットイーサネット（登録
商標）が挙げられる。

【０１４１】図２０の光ＬＡＮシステムでは、光源に発
振波長が１．１μｍより長波（１．３μｍ）の面発光レ
ーザ素子または面発光レーザアレイを用いている。この
面発光レーザ素子では、発振波長を１．１μｍより長波
（１．３μｍ）としたことによって、分布ブラッグ反射
器の反射率を著しく低下させることなく、従来に比べ厚
さが厚くかつ屈折率が小と大の間の値を有する半導体層
を設けることができるので、従来の０．８５μｍ，０．
９８μｍ帯の分布ブラッグ反射器を有する面発光レーザ
素子に比べ、素子抵抗を低減することができて、従来に
比べ素子の高速応答が可能であり、高速通信が可能な光
通信システムが得られる。

【０１４２】また、機器間の接続に石英シングルモード
ファイバを用いる場合、１．３μｍ帯面発光レーザ素子
を光源とすることで高速通信が可能となる。これは、石
英ファイバが１．３μｍ帯に波長ゼロ分散を有してお
り、面発光レーザ素子の発振スペクトルが狭いことに加
え、特に、本発明の面発光レーザ素子の分布ブラッグ反
射器の抵抗値が小さく、素子の応答が向上した効果によ
るところが大きい。

【０１４３】また、素子の低抵抗化によって動作電圧が
低減し、素子寿命等の信頼性が向上し、システムの信頼
性が向上した。また、素子の低抵抗化によって素子の消
費電力が低減し、システムの消費電力も低減した。ま
た、素子の低抵抗化によって発熱が減少し、高出力動作
が可能であった。よって、符号誤り率の低い光通信シス
テムが得られた。また、前述した活性層材料（ＧａＮＡ
ｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，Ｇ
ａＩｎＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ）の中でも、特に
ＧａＩｎＮＡｓ混晶を用いることによって、従来のＩｎ
Ｐ基板上に作製されるＩｎＧａＡｓＰ混晶による端面型
レーザを用いた同波長帯の通信システムに比べ、光源の
温度特性に優れ、温度制御，補償装置が不要となる。ま
た、前述の材料系では作製が難しい面発光レーザ素子を
容易に用いることができる。この面発光レーザ素子は、
アレイ化が容易で光ファイバとの結合率が高く、光ファ
イバを用いた光通信システムの光源として好適である。
以上のように、高速通信が可能な信頼性の高い光通信シ
ステムを得ることができる。

【０１４４】上述の例では、光通信システムの一例とし
て、光ファイバを用いたＬＡＮを示したが、光通信シス
テムとしては、この他にも、ＷＡＮのようなものであっ
ても良いし、ＬＡＮ及びＷＡＮ間を相互に結ぶ幹線系の
ようなものであっても良い。また、端末もサーバー，Ｐ
Ｃ（コンピュータ）に限るものでは無く、光ファイバに
よって通信又はデータの授受を行う情報機器端末、更に
データの交換及び中継を行う交換機及び中継機を含む全
ての光通信システムに適用可能である。

【０１４５】

【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、屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率
が小なる第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が
大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層
との間に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の
屈折率との間の屈折率値をとる材料層が設けられている
分布ブラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器
の設計反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材
料層は厚さが５ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であるので、電
気抵抗が低く、かつ、反射率の高い１．１μｍよりも長
波帯の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を提供することが
できる。すなわち、設計反射波長が１．１μｍ以上の長
波長帯ＤＢＲにおいて、高い反射率を維持したままＤＢ
Ｒの電気抵抗を低減することができる。

【０１４６】また、請求項２，請求項４記載の発明によ
れば、屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率が小なる
第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が大なる第
１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層との間
に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の屈折率
との間の屈折率値をとる材料層が設けられている分布ブ
ラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器の設計
反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材料層は
厚さが２０ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であるので、設計反
射波長が１．１μｍ以上の長波長帯ＤＢＲにおいて、高
い反射率を維持したままＤＢＲの電気抵抗を低減するこ
とができる。

【０１４７】また、請求項３，請求項５記載の発明によ
れば、屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率が小なる
第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が大なる第
１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層との間
に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の屈折率
との間の屈折率値をとる材料層が設けられている分布ブ
ラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器の設計
反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材料層は
厚さが３０ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であるので、設計反
射波長が１．１μｍ以上の長波長帯ＤＢＲにおいて、高
い反射率を維持したままＤＢＲの電気抵抗を低減するこ
とができる。

【０１４８】また、請求項６，請求項７，請求項８記載
の発明によれば、屈折率が大なる第１の半導体層と屈折
率が小なる第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率
が大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体
層との間に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層
の屈折率との間の屈折率値をとる材料層が設けられてい
る分布ブラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射
器の設計反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記
材料層は、厚さが、分布ブラッグ反射器の設計反射波長
λ［μｍ］に対して、（５０λ−１５）［ｎｍ］以下で
あるので、設計反射波長が１．１μｍ以上の長波長帯Ｄ
ＢＲにおいて、高い反射率を維持したままＤＢＲの電気
抵抗を低減することができる。

【０１４９】また、請求項９記載の発明によれば、活性
層と、共振器ミラーとを有する面発光レーザ素子におい
て、共振器ミラーには請求項１乃至請求項８のいずれか
一項に記載の分布ブラッグ反射器が用いられるので、従
来の光通信，光伝送用途の０．８５μｍ帯，０．９８μ
ｍ帯面発光レーザに比べて、低発振閾値電流，低消費電
力，高出力動作可能な光通信，光伝送用途の面発光レー
ザ素子を得ることができる。すなわち、動作電圧が低
く、高効率、高出力動作可能な面発光レーザ素子を得る
ことができる。

【０１５０】また、請求項１０記載の発明によれば、請
求項９記載の面発光レーザ素子において、活性層の材料
がＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡ
ｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいず
れかであるので、１．１μｍよりも長波で発振する面発
光レーザ素子を得ることができる。特に、波長１．３μ
ｍ帯のレーザ素子と石英シングルモードレーザとを組み
合わせることによって、高速通信，高速伝送が可能とな
る。すなわち、動作電圧が低く、高効率、高温、高出力
動作可能な通信用途の面発光レーザ素子を得ることがで
きる。

【０１５１】また、請求項１１記載の発明によれば、請
求項９または請求項１０記載の面発光レーザ素子が複数
個配列されて構成されている面発光レーザアレイである
ので、発熱による素子間の干渉も少なく、特性，信頼性
の優れた面発光レーザアレイが得られる。すなわち、動
作電圧が低く、高効率、高温、高出力動作可能な通信用
途の面発光レーザアレイを得ることができる。

【０１５２】また、請求項１２記載の発明によれば、請
求項９または請求項１０の面発光レーザ素子、または、
請求項１１記載の面発光レーザアレイを用いた光インタ
ーコネクションシステムであるので、高速伝送が可能で
信頼性の高い光インターコネクションシステムを得るこ
とができる。

【０１５３】また、請求項１３記載の発明によれば、請
求項９または請求項１０の面発光レーザ素子、または、
請求項１１記載の面発光レーザアレイを用いた光通信シ
ステムであるので、高速通信が可能で信頼性の高い光通
信システムを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの２４ペアの積層によるＤ
ＢＲの反射スペクトルを示す図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の分布ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）の一例を示す図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の分布ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）の一例を示す図である。

【図４】０．８８μｍ帯と１．３μｍ帯のＤＢＲの反射
率と、材料層（線形組成傾斜層）の厚さとの関係を示す
図である。

【図５】図４の結果と同様の構造の線形組成傾斜層を有
する１．３μｍの反射波長を持つＡｌＡｓ／ＧａＡｓ
ＤＢＲのゼロバイアス付近における抵抗率（ｄＶ／ｄ
Ｊ：電圧Ｖ［Ｖ］の電流密度Ｊ［Ａ／ｃｍ²］による微
分）［Ωｃｍ²］を示す図である。

【図６】図４の結果と同様の構造の線形組成傾斜層を有
する１．３μｍの反射波長を持つＡｌＡｓ／ＧａＡｓ
ＤＢＲのゼロバイアス付近における抵抗率（ｄＶ／ｄ
Ｊ：電圧Ｖ［Ｖ］の電流密度Ｊ［Ａ／ｃｍ²］による微
分）［Ωｃｍ²］を示す図である。

【図７】組成傾斜層の膜厚ｔに対する反射率Ｒの変化を
示した図である。

【図８】本発明の第３の実施形態の分布ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）の一例を示す図である。

【図９】本発明の第３の実施形態の分布ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）の一例を示す図である。

【図１０】図４のＡｌＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲにおい
て、各層のドーピング濃度を７Ｅ１７ｃｍ^-3とした場合
の結果を示した図である。

【図１１】Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓの４ペアＤＢ
Ｒの電気抵抗率を図１０と同様に計算した図である。

【図１２】１．３μｍを設計反射波長とした４ペアのｐ
型分布ブラッグ反射器の電気抵抗率を組成傾斜層の厚さ
を変えて示した図である。

【図１３】１．３μｍを設計反射波長とした４ペアのｐ
型分布ブラッグ反射器の電気抵抗率を組成傾斜層の厚さ
を変えて示した図である。

【図１４】設計反射波長が１．１μｍ乃至１．７μｍの
分布ブラッグ反射器について組成傾斜層厚さと反射率の
関係を示す図である。

【図１５】図１４の反射率の組成傾斜層厚さに対する変
化率（｜ｄＲ／ｄｔ｜）を示す図である。

【図１６】本発明の面発光レーザ素子の構成例を示す図
である。

【図１７】本発明の面発光レーザ素子の構成例を示す図
である。

【図１８】本発明の光インターコネクションシステムの
具体例を示す図である。

【図１９】面発光レーザアレイモジュールの概要を示す
図である。

【図２０】本発明の光通信システムの具体例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１第１の半導体層２第２の半導体層３材料層１１ｎ−ＧａＡｓ基板１２ｎ−ＤＢＲ１３ＧａＡｓスペーサ層１４ＧａＩｎＮＡｓ活性層１５ＧａＡｓスペーサ層１６電流狭さく層１７Ｐ−ＤＢＲ１８Ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１９ポリイミド膜２０光出射部２１Ｐ側電極２２ｎ側電極３１Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層３２ＡｌＧａＡｓ組成傾斜層３３ＧａＡｓ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋孝志東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者伊藤彰浩東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内Ｆターム(参考） 5F073 AA51 AA65 AB04 AB17 AB27 AB28 BA02 CA07 CA17 CA20 CB02 EA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率
が小なる第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が
大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層
との間に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の
屈折率との間の屈折率値をとる材料層が設けられている
分布ブラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器
の設計反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材
料層は厚さが５ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であることを特
徴とする分布ブラッグ反射器。
【請求項２】屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率
が小なる第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が
大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層
との間に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の
屈折率との間の屈折率値をとる材料層が設けられている
分布ブラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器
の設計反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材
料層は厚さが２０ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であることを
特徴とする分布ブラッグ反射器。
【請求項３】屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率
が小なる第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が
大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層
との間に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の
屈折率との間の屈折率値をとる材料層が設けられている
分布ブラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器
の設計反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材
料層は厚さが３０ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲であることを
特徴とする分布ブラッグ反射器。
【請求項４】請求項２記載の分布ブラッグ反射器にお
いて、分布ブラッグ反射器を構成する屈折率が小なる第
２の半導体層と屈折率が大なる第１の半導体層は、Ａｌ
Ａｓ，ＧａＡｓ，またはＡｌＧａＡｓ混晶で形成され、
屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の
半導体層とのＡｌ組成の差が０．８未満であることを特
徴とする分布ブラッグ反射器。
【請求項５】請求項３記載の分布ブラッグ反射器にお
いて、分布ブラッグ反射器を構成する屈折率が小なる第
２の半導体層と屈折率が大なる第１の半導体層は、Ａｌ
Ａｓ，ＧａＡｓ，またはＡｌＧａＡｓ混晶で形成され、
屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の
半導体層とのＡｌ組成の差が０．８以上であることを特
徴とする分布ブラッグ反射器。
【請求項６】屈折率が大なる第１の半導体層と屈折率
が小なる第２の半導体層とが交互に積層され、屈折率が
大なる第１の半導体層と屈折率が小なる第２の半導体層
との間に、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の
屈折率との間の屈折率値をとる材料層が設けられている
分布ブラッグ反射器において、前記分布ブラッグ反射器
の設計反射波長は１．１μｍよりも長波であり、前記材
料層は、厚さが、分布ブラッグ反射器の設計反射波長λ
［μｍ］に対して、（５０λ−１５）［ｎｍ］以下であ
ることを特徴とする分布ブラッグ反射器。
【請求項７】請求項６記載の分布ブラッグ反射器にお
いて、材料層は、厚さが２０ｎｍ以上であることを特徴
とする分布ブラッグ反射器。
【請求項８】請求項６記載の分布ブラッグ反射器にお
いて、材料層は、厚さが３０ｎｍ以上であることを特徴
とする分布ブラッグ反射器。
【請求項９】活性層と、共振器ミラーとを有する面発
光レーザ素子において、共振器ミラーには請求項１乃至
請求項８のいずれか一項に記載の分布ブラッグ反射器が
用いられることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項１０】請求項９記載の面発光レーザ素子にお
いて、活性層の材料がＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，Ｇａ
ＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓＳｂ，ＧａＩ
ｎＮＡｓＳｂのいずれかであることを特徴とする面発光
レーザ素子。
【請求項１１】請求項９または請求項１０記載の面発
光レーザ素子が複数個配列され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１２】請求項９または請求項１０の面発光レ
ーザ素子、または、請求項１１記載の面発光レーザアレ
イを用いたことを特徴とする光インターコネクションシ
ステム。
【請求項１３】請求項９または請求項１０の面発光レ
ーザ素子、または、請求項１１記載の面発光レーザアレ
イを用いたことを特徴とする光通信システム。