JP2003332684A - Surface emission laser element - Google Patents

Surface emission laser element

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JP2003332684A
JP2003332684A JP2002143457A JP2002143457A JP2003332684A JP 2003332684 A JP2003332684 A JP 2003332684A JP 2002143457 A JP2002143457 A JP 2002143457A JP 2002143457 A JP2002143457 A JP 2002143457A JP 2003332684 A JP2003332684 A JP 2003332684A
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JP
Japan
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type
layer
refractive index
multilayer film
region
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JP2002143457A
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Japanese (ja)
Inventor
Seiji Uchiyama
誠治 内山
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface emission laser element in which the oscillation of only a basic transverse mode is obtained by suppressing the oscillation of a higher order transverse mode. <P>SOLUTION: A columnar (or truncated conical) or a prismatic (or truncated quadrangular prismatic) phase regulation layer 25 having a thickness of λ/4 is formed of a p-type low refractive index material, e.g. a p-type InGaP, only at a part on the surface of a p-type high refractive index region 52 in a pair constituting a current constriction region. An n-type upper semiconductor multilayer film reflector region 16 (upper DBR mirror) is formed on the phase regulation layer 25 and the exposed p-type high refractive index region 52. The reflectivity of the semiconductor multilayer film reflector on a path including the phase regulation layer 25 can thereby be enhanced compared with that on a path not including the phase regulation layer 25. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、基本横モード発振
を可能にした面発光レーザ素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface emitting laser device capable of fundamental transverse mode oscillation.

【0002】[0002]

【従来の技術】垂直共振器型面発光レーザ(VCSE
L:Vertical Cavity Surface EmittingLaser。以下、
単に面発光レーザ素子と称する。)は、その名の示す通
り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光
インターコネクションを始め、通信用光源として、ま
た、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして
注目されている。
2. Description of the Related Art Vertical cavity surface emitting laser (VCSE)
L: Vertical Cavity Surface Emitting Laser. Less than,
It is simply called a surface emitting laser device. ), As the name implies, has a direction in which light resonates perpendicularly to the substrate surface, and is attracting attention as a light source for communication including optical interconnection, and as a device for various other applications.

【0003】その理由として面発光レーザ素子は、端面
発光型レーザ素子と比較して、素子の2次元配列を容易
に形成できること、ミラーを設けるために劈開する必要
がないのでウエハレベルでテストできること、活性層の
ボリュームが格段に小さいので極低閾値で発振できるた
め消費電力が小さいこと等の利点を有していること等が
挙げられる。
The reason is that the surface emitting laser device can easily form a two-dimensional array of devices as compared with the edge emitting laser device, and can be tested at the wafer level because it is not necessary to cleave to provide a mirror. Since the volume of the active layer is remarkably small, it is possible to oscillate at an extremely low threshold value, so that it has advantages such as low power consumption.

【0004】図5は、従来の面発光レーザ素子の斜視断
面図である。また、図6は、面発光レーザ素子に必須の
半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図であ
る。なお、図6において、図5と共通する部分には同一
の符号を付している。図5に示す面発光レーザ素子10
0を作製するには、まず、n型GaAs基板111上
に、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)によっ
て、下部半導体多層膜反射鏡(下部DBRミラー)11
2を形成する。ここで、下部半導体多層膜反射鏡112
は、図6に示すように、それぞれの厚さがλ/4n(λ
は発振波長、nは屈折率)であるn型高屈折率領域14
1とn型低屈折率領域142との積層構造を1ペアとし
て、それを20〜30ペア分積層している。ここで、n
型高屈折率領域141は、n型AlyGa1-yAs(0≦
y<1)で形成され、n型低屈折率領域142は、n型
AlzGa1-zAs(y<z<1)で形成される。
FIG. 5 is a perspective sectional view of a conventional surface emitting laser device. Further, FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the structure of a semiconductor multilayer film reflecting mirror, which is essential for a surface emitting laser element. In FIG. 6, the same parts as those in FIG. 5 are designated by the same reference numerals. Surface-emitting laser device 10 shown in FIG.
In order to fabricate 0, first, a lower semiconductor multilayer film reflecting mirror (lower DBR mirror) 11 is formed on an n-type GaAs substrate 111 by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).
Form 2. Here, the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 112
As shown in FIG. 6, each has a thickness of λ / 4n (λ
Is an oscillation wavelength, and n is a refractive index).
The laminated structure of 1 and the n-type low refractive index region 142 is set as one pair, and 20 to 30 pairs thereof are laminated. Where n
The high-refractive-index region 141 has n-type Al y Ga 1-y As (0 ≦
y <1), and the n-type low refractive index region 142 is formed of n-type Al z Ga 1-z As (y <z <1).

【0005】そして、その下部半導体多層膜反射鏡11
2上に、順に、GaAs等の下部クラッド層131、多
重量子井戸活性層130、GaAs等の上部クラッド層
132が形成され、上部クラッド層132の上に、後の
工程で電流狭窄領域を形成するために必要となるp型A
xGa1-xAs(0.98≦x≦1)層113が形成さ
れる。さらに、このp型AlxGa1-xAs(0.98≦
x≦1)層113の上に、上部半導体多層膜反射鏡11
6(上部DBRミラー)が形成される。ここで、上部半
導体多層膜反射鏡116は、図6に示すように、それぞ
れの厚さがλ/4n(λは発振波長、nは屈折率)であ
るp型高屈折率領域145とp型低屈折率領域146と
の積層構造を1ペアとして、それを20〜30ペア分積
層している。ここで、p型高屈折率領域145は、n型
AlyGa1-yAs(0≦y<1)で形成され、p型低屈
折率領域146は、n型AlzGa1-zAs(y<z<
1)で形成される。そして、上部半導体多層膜反射鏡1
16上に、p型GaAsコンタクト層117が形成され
る。
The lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 11
2, a lower clad layer 131 such as GaAs, a multiple quantum well active layer 130, and an upper clad layer 132 such as GaAs are formed in this order, and a current confinement region is formed on the upper clad layer 132 in a later step. P-type A required for
The l x Ga 1-x As (0.98 ≦ x ≦ 1) layer 113 is formed. Furthermore, this p-type Al x Ga 1-x As (0.98 ≦
x ≦ 1) the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 11 on the layer 113.
6 (upper DBR mirror) is formed. Here, as shown in FIG. 6, the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 116 includes a p-type high refractive index region 145 and a p-type high refractive index region 145 each having a thickness of λ / 4n (λ is an oscillation wavelength, n is a refractive index). One pair has a laminated structure with the low refractive index region 146, and 20 to 30 pairs thereof are laminated. Here, the p-type high refractive index area 145 is formed of n-type Al y Ga 1-y As (0 ≦ y <1), and the p-type low refractive index area 146 is formed of n-type Al z Ga 1-z As. (Y <z <
It is formed in 1). Then, the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 1
A p-type GaAs contact layer 117 is formed on the layer 16.

【0006】次に、フォトリソグラフィ工程およびエッ
チング工程(ドライエッチングまたはウェットエッチン
グ)を経て、上部半導体多層膜反射鏡116とp型Al
xGa1-xAs(0.98≦x≦1)層113と上部のク
ラッド層132と多重量子井戸活性層130と下部のク
ラッド層131と下部半導体多層膜反射鏡112の一部
とからなる積層構造の外縁部が除去され、これにより例
えば直径40μmの円形のメサポストが形成される。
Next, through a photolithography process and an etching process (dry etching or wet etching), the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 116 and the p-type Al are formed.
x Ga 1-x As (0.98 ≦ x ≦ 1) layer 113, upper clad layer 132, multiple quantum well active layer 130, lower clad layer 131, and part of lower semiconductor multilayer film reflection mirror 112 The outer edge of the laminated structure is removed, thereby forming a circular mesa post having a diameter of 40 μm, for example.

【0007】次に、水蒸気雰囲気中にて約400℃の温
度で酸化処理を行なうことでp型AlxGa1-xAs層1
13を上記メサポストの側壁から選択的に酸化させ、こ
れによってAl酸化層114が形成される。例えばメサ
ポストの直径が40μmであって、Al酸化層114が
17.5μmの帯幅を有するリング形状である場合、中
心のp型AlxGa1-xAs(0.98≦x≦1)層11
5の面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は
約20μm2(直径5.0μm)になる。
Next, the p-type Al x Ga 1-x As layer 1 is subjected to an oxidation treatment at a temperature of about 400 ° C. in a steam atmosphere.
13 is selectively oxidized from the side wall of the mesa post, whereby an Al oxide layer 114 is formed. For example, when the diameter of the mesa post is 40 μm and the Al oxide layer 114 has a ring shape having a band width of 17.5 μm, the central p-type Al x Ga 1-x As (0.98 ≦ x ≦ 1) layer is formed. 11
The area of No. 5, that is, the area of the aperture for current injection is about 20 μm 2 (diameter 5.0 μm).

【0008】そして、上記したメサポストの上面および
側面と露出した下部半導体多層膜反射鏡112の上面
に、保護層として機能するシリコン窒化膜119が形成
され、続いて、ポリイミド122によって、メサポスト
の周囲が埋め込まれる。そして、メサポストの上面に形
成されたシリコン窒化膜119が、直径40μmの円形
状に除去され、これによって露出したp型GaAsコン
タクト層117上に、さらに内径10μm、外径40μ
mのリング状のp型電極118が形成される。n型Ga
As基板111の裏面には、基板の厚さを例えば200
μm厚に研磨した後、n型電極121が形成される。ま
た、ポリイミド122上にはワイヤをボンディングする
電極パッド120が、上記したp型電極118に接触す
るように形成される。
Then, a silicon nitride film 119 functioning as a protective layer is formed on the upper surface and side surfaces of the above-mentioned mesa post and the exposed upper surface of the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 112, and subsequently, the periphery of the mesa post is covered by the polyimide 122. Embedded. Then, the silicon nitride film 119 formed on the upper surface of the mesa post is removed into a circular shape having a diameter of 40 μm, and on the p-type GaAs contact layer 117 exposed by this, an inner diameter of 10 μm and an outer diameter of 40 μm are further formed.
A ring-shaped p-type electrode 118 of m is formed. n-type Ga
On the back surface of the As substrate 111, a substrate having a thickness of, for example, 200
After polishing to a thickness of μm, the n-type electrode 121 is formed. Further, an electrode pad 120 for bonding a wire is formed on the polyimide 122 so as to be in contact with the p-type electrode 118.

【0009】以上に説明した面発光レーザ素子の構造で
は、特に、多重量子井戸活性層130の中央部分上方
に、周囲のAl酸化層114よりも抵抗値の低いp型A
xGa1-xAs(0.98≦x≦1)電流狭窄層115
が配置されることで、多重量子井戸活性層130の狭い
部分にのみ集中して電流を流すことが可能となってい
る。このような構造を酸化狭窄型面発光レーザと呼んで
おり、これにより、レーザ発振閾値などのレーザ特性を
大幅に向上させている。
In the structure of the surface emitting laser element described above, the p-type A having a lower resistance value than the surrounding Al oxide layer 114 is formed above the central portion of the multiple quantum well active layer 130, in particular.
l x Ga 1-x As (0.98 ≦ x ≦ 1) current confinement layer 115
By arranging, the current can be made to flow only in a narrow portion of the multiple quantum well active layer 130. Such a structure is called an oxide confinement type surface emitting laser, and by doing so, laser characteristics such as a laser oscillation threshold value are significantly improved.

【0010】また、面発光レーザ素子では、上記した電
流狭窄構造も重要であるが、発振波長の選択や熱伝導率
の向上などの観点から、下部半導体多層膜反射鏡112
と上部半導体多層膜反射鏡116によって構成される共
振器構造も非常に重要である。特に、上述したように下
部半導体多層膜反射鏡112と上部半導体多層膜反射鏡
116としてAlGaAs/GaAs系の材料を用いる
ことで、高屈折率領域と低屈折率領域の屈折率差が大き
く取れ、比較的少ないペア数で高い反射率が得られ、な
おかつ、熱抵抗が小さいため、活性層の温度が上昇しに
くく高温まで動作しやすいという効果が得られる。この
ような背景から、現在、多重量子井戸活性層130をG
aInNAs(Sb)、GaAs(Sb)、In(G
a)As量子ドットで構成した面発光レーザ素子の開発
が盛んである。
Further, in the surface emitting laser element, the above-mentioned current confinement structure is also important, but from the viewpoint of selection of the oscillation wavelength and improvement of thermal conductivity, the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 112.
The resonator structure constituted by the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 116 is also very important. In particular, as described above, by using an AlGaAs / GaAs-based material for the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 112 and the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 116, a large difference in refractive index between the high refractive index region and the low refractive index region can be obtained, A high reflectance can be obtained with a relatively small number of pairs, and since the thermal resistance is small, the effect that the temperature of the active layer is unlikely to rise and that the active layer easily operates can be obtained. From such a background, the multi-quantum well active layer 130 is presently
aInNAs (Sb), GaAs (Sb), In (G
a) The surface emitting laser device composed of As quantum dots is actively developed.

【0011】また、光通信システムの信号光源として面
発光レーザ素子を使用する場合、その面発光レーザ素子
に対し、伝送媒体である光ファイバの低損失波長帯を含
む800nm〜1650nmでのレーザ発振が要求され
る。この波長帯の面発光レーザ素子は、結晶成長の難し
さなどから長い間実現が不可能であったが、近年、波長
1200nm〜1300nmでのレーザ発振を可能とし
た面発光レーザ素子が実現されている(特願2001−
124300)。
When a surface emitting laser element is used as a signal light source of an optical communication system, laser oscillation at 800 nm to 1650 nm including a low loss wavelength band of an optical fiber as a transmission medium is generated with respect to the surface emitting laser element. Required. A surface emitting laser element in this wavelength band has not been realized for a long time due to the difficulty of crystal growth, but in recent years, a surface emitting laser element capable of laser oscillation at a wavelength of 1200 nm to 1300 nm has been realized. (Japanese Patent Application 2001-
124300).

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】ところで、面発光レー
ザ素子は、共振器長が極端に短いことから、発振スペク
トルの縦モードはおのずと基本モード発振が得られるこ
とを特徴としている。その一方で、横モードに関しては
何ら制御機構を有していないため、複数の高次モードが
発振してしまう。この複数の高次の横モードによって発
振されたレーザ出力は、光伝送時、特に高速変調時に伝
送距離に比例して著しい劣化を引き起こす原因となる。
そこで、基本横モードでレーザ発振をおこなう種々の構
造の面発光レーザ素子が提案されている。
By the way, the surface emitting laser device is characterized in that the cavity length is extremely short, so that the longitudinal mode of the oscillation spectrum is naturally obtained and the fundamental mode oscillation is obtained. On the other hand, since there is no control mechanism for the transverse mode, a plurality of higher modes oscillate. The laser output oscillated by the plurality of higher-order transverse modes causes significant deterioration in proportion to the transmission distance during optical transmission, particularly during high-speed modulation.
Therefore, surface emitting laser devices of various structures that perform laser oscillation in the fundamental transverse mode have been proposed.

【0013】基本横モードを得るための最も単純な方法
は、発光領域の面積を、基本モードのみがレーザ発振で
きる程度に小さくした構造を採用することである。例え
ば、発振波長が850nm帯の面発光レーザの場合、基
本横モードを得るためには発光領域のサイズを約10μ
2以下にする必要がある。ここで、上記した酸化狭窄
型面発光レーザの場合、発光領域の面積の大きさを制御
する上記したp型Al xGa1-xAs(0.98≦x≦
1)層115の幅は、Al酸化層114の幅によって決
定される。ところが、このp型AlxGa1-xAs(0.
98≦x≦1)層115を、約10μm2以下となるよ
うな内径を有するように形成するには、精密な酸化制御
が要求されることになり結果的に製品歩留まりが悪くな
る。さらには、そのような狭面積では、閾値電流は下が
るものの、活性領域縮小による素子抵抗の上昇と、p型
AlxGa1-xAs(0.98≦x≦1)層115の低熱
伝導率による熱抵抗の上昇によって、動作電圧の上昇や
温度特性が悪化するという問題や高出力化が困難である
こと、また、高電流域で多モード化しやすいという問題
があった。
The simplest way to get the fundamental transverse mode
Is the area of the light emitting region, only the fundamental mode is laser oscillation.
It is to adopt a structure that is as small as possible. example
For example, in the case of a surface emitting laser with an oscillation wavelength of 850 nm,
In order to obtain this transverse mode, the size of the light emitting area should be about 10μ.
m2Must be: Here, the above-mentioned oxidation constriction
In the case of die surface emitting laser, the size of the light emitting area is controlled.
P-type Al described above xGa1-xAs (0.98 ≦ x ≦
1) The width of the layer 115 depends on the width of the Al oxide layer 114.
Is determined. However, this p-type AlxGa1-xAs (0.
98 ≦ x ≦ 1) layer 115, approximately 10 μm2Will be below
Precise oxidation control for forming with inner diameter
Will be required, resulting in poor product yield.
It Moreover, in such a small area, the threshold current is
However, increase in device resistance due to reduction of active region and p-type
AlxGa1-xLow heat of As (0.98 ≦ x ≦ 1) layer 115
The increase in operating voltage due to the increase in thermal resistance due to conductivity
Problems such as deterioration of temperature characteristics and high output are difficult
And the problem that it is easy to have multiple modes in the high current region
was there.

【0014】そこで、この問題を解決するために、電極
のアパーチャ径を小さくすることで横モードの安定化を
実現する面発光レーザ素子(特開2000−33235
5号公報)、コンタクト層の上面に誘電体層で形成され
るアパーチャを設けることで横モードの安定化を実現す
る面発光半導体レーザ素子(特開2001−15639
5号公報)、コンタクト層をエッチングして位相調整を
可能とする窪みを設けることで基本横モード発振を実現
する面発光レーザ素子(特願2001−286199)
等が提案されている。しかしながら、これらのいずれ
も、横モード発振に関して十分な安定性を得ることがで
きないという問題があった。
Therefore, in order to solve this problem, a surface emitting laser element which realizes stabilization of the lateral mode by reducing the aperture diameter of the electrode (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-33235).
No. 5), a surface emitting semiconductor laser device realizing stabilization of a transverse mode by providing an aperture formed of a dielectric layer on the upper surface of a contact layer (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-15639).
No. 5), a surface-emitting laser device that realizes fundamental transverse mode oscillation by etching the contact layer to provide a recess for enabling phase adjustment (Japanese Patent Application No. 2001-286199).
Etc. have been proposed. However, none of these has a problem that sufficient stability cannot be obtained with respect to transverse mode oscillation.

【0015】また、横モード発振を制御する他の方法と
して、クラッド層を厚くする方法が報告(E.J.Ebeling
et al., "High Performance VCSELs for Optical Data
Links",OECC 2000, pp.518-519, 2000)されている。し
かしながら、この方法では、基本横モードが得られるの
はたかだか電流領域9mA程度までであり、実用性に乏
しいという問題があった。
As another method of controlling the transverse mode oscillation, a method of thickening the cladding layer is reported (EJEbeling
et al., "High Performance VCSELs for Optical Data
Links ", OECC 2000, pp.518-519, 2000). However, in this method, the fundamental transverse mode can be obtained only in the current region of about 9 mA, and there is a problem that it is not practical. .

【0016】さらに他の方法として、n型基板を用いた
面発光レーザ素子において、電流閉じ込め層上に形成し
た数ペアのDBRミラーを酸化してアパーチャを形成す
る方法(N.Nishiyama et al., "Multi-Oxide Layer Str
ucture for Single-Mode Operation in Vertical-Cavit
y Surface-Emitting Lasers", IEEE Photonics Techno
l. Lett., vol. 12, pp.606-608)が報告されている。
しかしながら、この方法においても、p型DBRミラー
内にアパーチャを形成しているため、アパーチャを小さ
くすることができず、横モードが安定している電流領域
がわずかに2mAであり、実用性に乏しいという問題が
あった。
As still another method, in a surface emitting laser device using an n-type substrate, a method of oxidizing several pairs of DBR mirrors formed on a current confinement layer to form an aperture (N. Nishiyama et al., "Multi-Oxide Layer Str
ucture for Single-Mode Operation in Vertical-Cavit
y Surface-Emitting Lasers ", IEEE Photonics Techno
l. Lett., vol. 12, pp.606-608) has been reported.
However, even in this method, since the aperture is formed in the p-type DBR mirror, the aperture cannot be reduced, and the current region in which the transverse mode is stable is only 2 mA, which is not practical. There was a problem.

【0017】本発明は上記に鑑みてなされたものであっ
て、位相調整層を追加することによって、高次の横モー
ドの発振を抑制し、基本横モードのみの発振を実現する
ことのできる面発光レーザを得ることを目的とする。
The present invention has been made in view of the above, and by adding a phase adjusting layer, it is possible to suppress oscillation of higher-order transverse modes and realize oscillation of only fundamental transverse modes. The purpose is to obtain a light emitting laser.

【0018】[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にかかる面発光レーザ素子は、半導体基板
上に、高屈折率領域と低屈折率領域との対を1ペアとし
て複数のペアから構成される下部半導体多層膜反射鏡
と、前記下部半導体多層膜反射鏡の上方に位置する活性
領域と、前記活性領域近傍に位置する電流狭窄領域と、
前記活性領域の上方に位置するとともに高屈折率領域と
低屈折率領域との対を1ペアとして複数のペアから構成
される上部半導体多層膜反射鏡と、前記上部半導体多層
膜反射鏡の上方に位置するコンタクト層と、を有する面
発光レーザ素子において、前記活性領域と前記上部半導
体多層膜反射鏡との間の一部の領域に位置するととも
に、発振波長の1/4光学膜厚を有する半導体層を備え
たことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a surface emitting laser element according to a first aspect of the present invention comprises a plurality of pairs of a high refractive index region and a low refractive index region on a semiconductor substrate. A lower semiconductor multilayer film reflecting mirror, an active region located above the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror, and a current constriction region located near the active region,
An upper semiconductor multilayer film reflecting mirror, which is located above the active region and is composed of a plurality of pairs of a high refractive index region and a low refractive index region as one pair, and above the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror. A surface-emitting laser device having a contact layer located therein, the semiconductor being located in a partial region between the active region and the upper semiconductor multilayer film reflection mirror and having an optical film thickness of ¼ of an oscillation wavelength. It is characterized by having layers.

【0019】この発明によれば、電流狭窄領域の垂直上
方のみに、λ/4位相シフトを実現する半導体層(後述
する位相調整層に相当する。)が形成されているので、
半導体層が含まれていない経路の上部半導体多層膜反射
鏡に対し、半導体層が含まれた経路の上部半導体多層膜
反射鏡の反射率を変化させることができる。
According to the present invention, since the semiconductor layer (corresponding to a phase adjusting layer described later) for realizing the λ / 4 phase shift is formed only above the current confinement region, vertically.
It is possible to change the reflectance of the upper semiconductor multilayer film reflective mirror in the path including the semiconductor layer with respect to the upper semiconductor multilayer film reflective mirror in the path not including the semiconductor layer.

【0020】また、請求項2にかかる面発光レーザ素子
は、上記発明において、前記半導体層が、当該一部また
は全部が前記電流狭窄領域の垂直上方に位置するように
形成されたことを特徴としている。
Further, a surface emitting laser element according to a second aspect of the present invention is characterized in that, in the above invention, the semiconductor layer is formed such that a part or all of the semiconductor layer is positioned vertically above the current constriction region. There is.

【0021】また、請求項3にかかる面発光レーザ素子
は、上記発明において、前記半導体層が、前記高屈折率
領域よりも低い屈折率を有することを特徴としている。
Further, the surface emitting laser element according to claim 3 is characterized in that, in the above-mentioned invention, the semiconductor layer has a refractive index lower than that of the high refractive index region.

【0022】また、請求項4にかかる面発光レーザ素子
は、上記発明において、前記半導体層が、InGaP、
AlGaAs、AlGaInPまたはGaInAsPに
よって形成されたことを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the above surface-emitting laser element, the semiconductor layer is InGaP,
It is characterized by being formed of AlGaAs, AlGaInP or GaInAsP.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかる面発光レ
ーザ素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、この実施の形態によりこの発明が限定される
ものではない。本実施の形態にかかる面発光レーザ素子
は、電流狭窄領域の同等またはそれ以下の大きさを有す
るとともにその電流狭窄領域の垂直上方に配置される位
相調整層を備え、半導体多層膜反射鏡間においてその位
相調整層を通過しない光路上の反射率を低下させること
を特徴としている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a surface emitting laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment. The surface emitting laser device according to the present embodiment is provided with a phase adjustment layer having a size equal to or smaller than that of the current constriction region and arranged vertically above the current confinement region. It is characterized in that the reflectance on the optical path that does not pass through the phase adjusting layer is reduced.

【0024】図1は、実施の形態にかかる面発光レーザ
素子の斜視断面図である。また、図2は、実施の形態に
かかる面発光レーザ素子のp型下部半導体多層膜反射鏡
とn型上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための
説明図である。図1に示す面発光レーザ素子10におい
て、特に、図5に示した従来の面発光レーザ素子と異な
るのは、クラッド層32上に、位相調整層25が設けら
れ、その位相調整層25上に高屈折率領域と低屈折率領
域が交互にエピタキシャル成長されて半導体多層膜反射
鏡が形成される点である。よって、その大きな違いは、
図2において説明される。
FIG. 1 is a perspective sectional view of a surface emitting laser device according to an embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the structures of the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror and the n-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror of the surface emitting laser device according to the embodiment. The surface emitting laser device 10 shown in FIG. 1 is different from the conventional surface emitting laser device shown in FIG. 5 in that the phase adjusting layer 25 is provided on the cladding layer 32, and the phase adjusting layer 25 is provided on the phase adjusting layer 25. This is the point where a high refractive index region and a low refractive index region are alternately epitaxially grown to form a semiconductor multilayer film reflecting mirror. So the big difference is
This is explained in FIG.

【0025】図1に示す面発光レーザ素子10を得るた
めに、まず、(100)面または10°オフ以下のp型
GaAs基板11上に、MOCVD法によって、例えば
0.1μm厚のp型GaAsバッファ層12が形成さ
れ、さらにこのp型GaAsバッファ層12上に、p型
下部半導体多層膜反射鏡(下部DBRミラー)13が形
成される。ここで、p型下部半導体多層膜反射鏡13
は、図2に示すように、例えばλ/4厚(λは発振波
長。以下において同じ。)のp型高屈折率領域41とλ
/4厚のp型低屈折率領域42との積層構造を1ペアと
して、それを20〜30ペア分積層した層である。ここ
で、p型高屈折率領域41は、p型AlyGa1 -yAs
(0≦y<1)で形成され、p型低屈折率領域42は、
p型AlzGa1-zAs(y<z<1)で形成され、図2
に示すように、例えば、y=0、z=0.9である。
In order to obtain the surface-emission laser device 10 shown in FIG. 1, first, on a p-type GaAs substrate 11 having a (100) plane or 10 ° off or less, a p-type GaAs layer having a thickness of 0.1 μm is formed by MOCVD. A buffer layer 12 is formed, and a p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror (lower DBR mirror) 13 is further formed on the p-type GaAs buffer layer 12. Here, the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13
2 is, for example, a p-type high refractive index region 41 having a thickness of λ / 4 (λ is an oscillation wavelength; the same applies hereinafter) and λ.
It is a layer in which 20 to 30 pairs of the laminated structure with the p-type low refractive index region 42 having a thickness of / 4 are laminated as one pair. Here, p-type high-refractive index region 41, p-type Al y Ga 1 -y As
(0 ≦ y <1), and the p-type low refractive index region 42 is
2 is formed of p-type Al z Ga 1-z As (y <z <1).
As shown in, for example, y = 0 and z = 0.9.

【0026】そして、そのp型下部半導体多層膜反射鏡
13上に、p型AlyGa1-yAs(0≦y≦1)層52
が形成される。なお、図2において、y=0である。続
いて、後の工程において電流狭窄領域を形成するために
必要となるp型AlxGa1-xAs(0.98≦x≦1)
層50とp型AlzGa1-zAs(y<z<1)層51と
が順次形成され、これら2層によってλ/4厚の低屈折
率領域が構成される。なお、組成比として、例えば、図
2に示すように、x=1、z=0.9が採用される。
On the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13, a p-type Al y Ga 1-y As (0 ≦ y ≦ 1) layer 52 is formed.
Is formed. Note that in FIG. 2, y = 0. Subsequently, p-type Al x Ga 1-x As (0.98 ≦ x ≦ 1) necessary for forming a current confinement region in a later step.
A layer 50 and a p-type Al z Ga 1 -z As (y <z <1) layer 51 are sequentially formed, and these two layers form a low refractive index region of λ / 4 thickness. As the composition ratio, for example, x = 1 and z = 0.9 are adopted as shown in FIG.

【0027】さらに、上記したp型AlxGa1-xAs
(0.98≦x≦1)層50上に、順に、下部のクラッ
ド層31、多重量子井戸活性層30、上部のクラッド層
32が形成され、これら層構造によって共振器長mλ
(mは自然数)の共振器が構成される。クラッド層3
1,32は、例えばGaAsで形成され、多重量子井戸
活性層30は、例えばGa0.63In0.370.012As
0.972Sb0.016井戸層とGaNAs障壁層とで構成され
る多重量子井戸構造を有する。
Further, the p-type Al x Ga 1-x As described above is used.
On the (0.98 ≦ x ≦ 1) layer 50, a lower clad layer 31, a multiple quantum well active layer 30, and an upper clad layer 32 are sequentially formed, and the cavity length mλ is formed by these layer structures.
A resonator of (m is a natural number) is configured. Clad layer 3
1, 32 are formed of, for example, GaAs, and the multiple quantum well active layer 30 is formed of, for example, Ga 0.63 In 0.37 N 0.012 As.
It has a multiple quantum well structure composed of a 0.972 Sb 0.016 well layer and a GaNAs barrier layer.

【0028】そして、このクラッド層32上に、n型I
nGaP等のλ/4厚のn型低屈折率領域が形成され、
直径数μmの円形または一辺が数μmの矩形のマスクパ
ターンを用いたフォトリソグラフィ工程およびエッチン
グ工程(ドライエッチングまたはウェットエッチング)
によって、このn型低屈折率領域のマスク以外の部分が
除去される。これにより、図2に示すように、後の工程
で形成される電流狭窄領域の垂直上方であってかつ上記
クラッド層32の面上の一部分のみに配置された円柱
(若しくは切頭円錐)または角柱(若しくは切頭四角
錐)の位相調整層25が得られる。
On the cladding layer 32, an n-type I
An n-type low refractive index region of λ / 4 thickness such as nGaP is formed,
Photolithography process and etching process (dry etching or wet etching) using a circular mask pattern having a diameter of several μm or a rectangle with one side of several μm
Thus, the portion of the n-type low refractive index region other than the mask is removed. As a result, as shown in FIG. 2, a cylinder (or a truncated cone) or a prism arranged vertically above the current confinement region formed in a later step and on only a part of the surface of the cladding layer 32. (Or a truncated square pyramid) of the phase adjustment layer 25 is obtained.

【0029】続いて、この位相調整層25上と、露出さ
れたままの上記クラッド層32上とに、n型上部半導体
多層膜反射鏡16(上部DBRミラー)が形成される。
n型上部半導体多層膜反射鏡16は、図2に示すよう
に、λ/4厚のn型高屈折率領域53とλ/4厚のn型
低屈折率領域54との積層構造を1ペアとして、それを
20〜30ペア分積層した層である。ここで、n型高屈
折率領域53は、n型AlyGa1-yAs(0≦y<1)
で形成され、n型低屈折率領域54は、n型Al zGa
1-zAs(y<z<1)で形成され、図2においては、
y=0、z=0.9である。
Next, on the phase adjusting layer 25 and the exposed
An n-type upper semiconductor is formed on the as-deposited cladding layer 32.
The multilayer film reflecting mirror 16 (upper DBR mirror) is formed.
The n-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 is as shown in FIG.
The n-type high-refractive index region 53 of λ / 4 thickness and the n-type of λ / 4 thickness
One layered structure with the low refractive index region 54
It is a layer in which 20 to 30 pairs are laminated. Where n-type high yield
The folding rate region 53 is an n-type Al.yGa1-yAs (0 ≦ y <1)
And the n-type low refractive index region 54 is formed of n-type Al. zGa
1-zIt is formed of As (y <z <1), and in FIG.
y = 0 and z = 0.9.

【0030】なお、n型上部半導体多層膜反射鏡16を
構成するn型低屈折率領域54とn型高屈折率領域53
は、クラッド層32と位相調整層25との間に存在する
段差のために、図2に示すように、その段差の部分にお
いて表面が傾斜するように成長する。
The n-type low-refractive index region 54 and the n-type high-refractive index region 53 which constitute the n-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16.
Due to the step existing between the cladding layer 32 and the phase adjusting layer 25, the surface grows so as to be inclined at the step, as shown in FIG.

【0031】n型上部半導体多層膜反射鏡16上には、
発振波長λのi/4(iは奇数)の整数倍の厚みを有す
るn型GaAsコンタクト層17が形成される。そし
て、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程(ド
ライエッチングまたはウェットエッチング)を経て、n
型上部半導体多層膜反射鏡16と、上部のクラッド層3
2と、多重量子井戸活性層30と、下部のクラッド層3
1と、p型AlzGa1-zAs(y<z<1)層51とp
型AlxGa1-xAs(0.98≦x≦1)層50と、p
型高屈折率領域52と、p型下部半導体多層膜反射鏡1
3の一部とからなる積層構造の外縁部が除去され、これ
により例えば直径40μmの円形のメサポストが形成さ
れる。
On the n-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16,
An n-type GaAs contact layer 17 having a thickness that is an integral multiple of i / 4 (i is an odd number) of the oscillation wavelength λ is formed. Then, through a photolithography process and an etching process (dry etching or wet etching), n
Mold upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 and upper cladding layer 3
2, the multiple quantum well active layer 30, and the lower cladding layer 3
1 and p-type Al z Ga 1-z As (y <z <1) layer 51 and p
Type Al x Ga 1-x As (0.98 ≦ x ≦ 1) layer 50, p
Type high refractive index region 52 and p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 1
The outer edge portion of the laminated structure consisting of a part of 3 and 3 is removed, thereby forming a circular mesa post having a diameter of 40 μm, for example.

【0032】次に、水蒸気雰囲気中にて約400℃の温
度で酸化処理を行なうことでp型AlxGa1-xAs層5
0を上記メサポストの側壁から選択的に酸化させ、これ
によってAl酸化層14が形成される。例えば例えばメ
サポストの直径が40μmであって、Al酸化層14が
15μmの帯幅を有するリング形状である場合、中心の
p型AlxGa1-xAs層15の面積、すなわち電流注入
されるアパーチャの面積は約80μm2(直径10μ
m)になる。
Next, the p-type Al x Ga 1-x As layer 5 is subjected to oxidation treatment in a water vapor atmosphere at a temperature of about 400 ° C.
0 is selectively oxidized from the side wall of the mesa post, whereby the Al oxide layer 14 is formed. For example, when the diameter of the mesa post is 40 μm and the Al oxide layer 14 has a ring shape having a band width of 15 μm, the area of the central p-type Al x Ga 1-x As layer 15, that is, the aperture for current injection. Has an area of about 80 μm 2 (diameter 10 μm
m).

【0033】そして、上記したメサポストの上面および
側面と露出したp型下部半導体多層膜反射鏡13の上面
に、保護層として機能するシリコン窒化膜19が形成さ
れ、続いて、ポリイミド22によって、メサポストの周
囲が埋め込まれる。そして、メサポストの上面に形成さ
れたシリコン窒化膜19が、直径40μmの円形状に除
去され、これによって露出したn型GaAsコンタクト
層17上に、さらに内径10μm、外径40μmのリン
グ状のn型電極18が形成される。p型GaAs基板1
1の裏面には、基板の厚さを例えば200μm厚に研磨
して適宜調整した後、p型電極21が形成される。ま
た、ポリイミド22上にはワイヤをボンディングする電
極パッド20が、上記したn型電極18に接触するよう
に形成される。
Then, a silicon nitride film 19 functioning as a protective layer is formed on the upper surface and side surfaces of the above-described mesa post and on the exposed upper surface of the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13, and then, the polyimide 22 is used to form the mesa post. The surroundings are embedded. Then, the silicon nitride film 19 formed on the upper surface of the mesa post is removed into a circular shape having a diameter of 40 μm, and on the n-type GaAs contact layer 17 exposed by this, a ring-shaped n-type having an inner diameter of 10 μm and an outer diameter of 40 μm is further formed. The electrode 18 is formed. p-type GaAs substrate 1
On the back surface of No. 1, the p-type electrode 21 is formed after the thickness of the substrate is polished to, for example, 200 μm and appropriately adjusted. Further, an electrode pad 20 for bonding a wire is formed on the polyimide 22 so as to contact the n-type electrode 18 described above.

【0034】次に、上記した位相調整層25の機能につ
いて説明する。位相調整層25は、上記したように、低
屈折率材料で形成されたλ/4厚の円柱(若しくは切頭
円錐)または角柱(若しくは切頭四角錐)の層として得
られ、この位相調整層25の表面を覆うようにしてλ/
4厚のn型高屈折率領域53とn型低屈折率領域54が
交互に積層される。よって、n型上部半導体多層膜反射
鏡16の最表面と多重量子井戸活性層30との間におい
て、位相調整層25を含んだ経路と含まない経路が存在
することになる。位相調整層25は、その中心軸が、電
流狭窄領域となるp型AlxGa1-xAs層15の中心軸
と略一致するように配置されているため、具体的には、
p型AlxGa1-xAs層15の中央部とその外縁部で
は、位相調整層25の厚み分、すなわちλ/4分だけ層
厚が異なる。
Next, the function of the above-mentioned phase adjusting layer 25 will be described. As described above, the phase adjustment layer 25 is obtained as a λ / 4-thick cylinder (or truncated cone) or prism (or truncated quadrangular pyramid) layer formed of a low refractive index material. Λ / to cover the surface of 25
The 4-type thick n-type high refractive index regions 53 and the n-type low refractive index regions 54 are alternately laminated. Therefore, between the outermost surface of the n-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 and the multiple quantum well active layer 30, there are paths including the phase adjusting layer 25 and paths not including the phase adjusting layer 25. Since the central axis of the phase adjusting layer 25 is arranged so as to be substantially coincident with the central axis of the p-type Al x Ga 1 -x As layer 15 which is the current confinement region, specifically,
The central portion of the p-type Al x Ga 1-x As layer 15 and its outer edge portion differ in layer thickness by the thickness of the phase adjusting layer 25, that is, λ / 4.

【0035】これにより、多重量子井戸活性層30と上
下のクラッド層31,32とで構成される共振器から出
射されたレーザ光に対し、位相調整層25を含んだ経路
は、λ/4位相シフトした光学多層膜として機能し、位
相調整層25を含まない経路はλ/4位相シフトがない
光学多層膜として機能する。
As a result, for the laser light emitted from the resonator composed of the multiple quantum well active layer 30 and the upper and lower cladding layers 31 and 32, the path including the phase adjusting layer 25 has a λ / 4 phase. It functions as a shifted optical multilayer film, and the path that does not include the phase adjusting layer 25 functions as an optical multilayer film that does not have a λ / 4 phase shift.

【0036】本実施の形態にかかる面発光レーザ素子で
は、位相調整層25を含んだ経路、すなわちλ/4の膜
厚を有する位相調整層25と、λ/4の奇数倍の膜厚を
有するp型上部半導体多層膜反射鏡16と、λ/4の偶
数倍の膜厚を有するn型GaAsコンタクト層17とで
構成される経路は、発振波長λに対して、高反射率の反
射鏡を実現する。これにより、この位相調整層25を含
んだ経路では、上記共振器の発振波長λでの発振が可能
となる。逆に、位相調整層25を含まない経路は、λ/
4位相シフトがない半導体多層膜を形成するため、発振
波長λではストップバンドとなる。換言すれば、位相調
整層25を含まない経路では、ストップバンドとなる波
長λでは発振ができず、結果的に、位相調整層25の周
辺部で発振しやすい高次モードの発振を抑えることが可
能となる。
In the surface emitting laser device according to the present embodiment, the path including the phase adjusting layer 25, that is, the phase adjusting layer 25 having a film thickness of λ / 4, and the film thickness of an odd multiple of λ / 4 are provided. The path formed by the p-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 and the n-type GaAs contact layer 17 having a film thickness of even multiples of λ / 4 is a reflecting mirror having a high reflectance for the oscillation wavelength λ. To be realized. As a result, the path including the phase adjusting layer 25 can oscillate at the oscillation wavelength λ of the resonator. On the contrary, the path not including the phase adjusting layer 25 is λ /
Since a semiconductor multilayer film having no phase shift is formed, it becomes a stop band at the oscillation wavelength λ. In other words, the path that does not include the phase adjustment layer 25 cannot oscillate at the wavelength λ that is the stop band, and as a result, it is possible to suppress high-order mode oscillation that easily oscillates in the peripheral portion of the phase adjustment layer 25. It will be possible.

【0037】図3は、位相調整層25を含んだ経路にお
ける、エピタキシャル表面から測定した反射率(同図
(a))と、共振器から見たp型下部半導体多層膜反射
鏡13とn型上部半導体多層膜反射鏡16の反射率(同
図(b))の計算結果を示すグラフである。また、図4
は、位相調整層25を含まない経路における、エピタキ
シャル表面から測定した反射率(同図(a))と、共振
器から見たp型下部半導体多層膜反射鏡13とn型上部
半導体多層膜反射鏡16の反射率(同図(b))の計算
結果を示すグラフである。なお、これらグラフは、本実
施の形態にかかる1300nmを発振波長とした面発光
レーザ素子について得られた結果である。
FIG. 3 shows the reflectance measured from the epitaxial surface in the path including the phase adjusting layer 25 (FIG. 3A), the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13 and the n-type seen from the resonator. 6 is a graph showing the calculation result of the reflectance (FIG. 7B) of the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16. Also, FIG.
Is the reflectance measured from the epitaxial surface ((a) in the figure) in the path not including the phase adjustment layer 25, and the p-type lower semiconductor multilayer mirror 13 and the n-type upper semiconductor multilayer reflection seen from the resonator. It is a graph which shows the calculation result of the reflectance (the same figure (b)) of the mirror 16. It should be noted that these graphs are the results obtained for the surface emitting laser device according to the present embodiment with the oscillation wavelength of 1300 nm.

【0038】図3(a)に示すグラフを見ると、123
0nm近傍と1375nm近傍を両端としたストップバ
ンド(高反射帯域)内において、発振波長に相当する1
300nm付近に、レーザ光が外部へと出射することの
できるディップが存在する。また、図3(b)におい
て、実線は、p型下部半導体多層膜反射鏡13の反射率
を示し、破線は、n型上部半導体多層膜反射鏡16を示
すが、このグラフを見ると、上記したディップに相当す
る波長に対する反射率は、p型下部半導体多層膜反射鏡
13については、99.9%(図中□)を示し、n型下
部半導体多層膜反射鏡16については、99.8%(図
中△)を示している。このことから、位相調整層25を
含んだ経路では、p型下部半導体多層膜反射鏡13とn
型上部半導体多層膜反射鏡16とによって、十分に大き
な反射率を得ることができており、所望の発振波長での
レーザ光が出射されることがわかる。
Looking at the graph shown in FIG.
Equivalent to the oscillation wavelength within the stop band (high reflection band) with both ends near 0 nm and 1375 nm.
In the vicinity of 300 nm, there is a dip capable of emitting laser light to the outside. Further, in FIG. 3B, the solid line shows the reflectance of the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13, and the broken line shows the n-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16. The reflectance with respect to the wavelength corresponding to the dip is 99.9% (□ in the figure) for the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13 and 99.8% for the n-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 16. % (△ in the figure) is shown. From this, in the path including the phase adjusting layer 25, the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13 and the n-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13
It can be seen that a sufficiently large reflectance can be obtained by the upper die semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 and laser light having a desired oscillation wavelength is emitted.

【0039】一方、図4(a)に示すグラフを見ると、
1225nm近傍と1385nm近傍を両端としたスト
ップバンド(高反射帯域)内において、利得ピークとな
る発振波長1300nmから大きくずれた1253nm
近傍と1350nm近傍にディップが存在する。さら
に、図4(b)において、上記したディップに相当する
波長に対する反射率は、p型下部半導体多層膜反射鏡1
3については、98.3%(図中□)を示し、n型上部
半導体多層膜反射鏡16については、97.7%(図中
△)を示している。すなわち、位相調整層25を含まな
い経路では、p型下部半導体多層膜反射鏡13とn型上
部半導体多層膜反射鏡16とによって、上記ディップに
相当する波長に対しても、大きな反射率を得られず、発
振しない。
On the other hand, looking at the graph shown in FIG.
1253 nm, which is largely deviated from the oscillation wavelength of 1300 nm, which is the gain peak, in the stop band (high reflection band) with both ends near 1225 nm and 1385 nm.
There are dips in the vicinity and in the vicinity of 1350 nm. Further, in FIG. 4B, the reflectance for the wavelength corresponding to the above-mentioned dip is shown by the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 1.
3 shows 98.3% (□ in the figure), and n-type upper semiconductor multilayer mirror 16 shows 97.7% (Δ in the figure). That is, in the path not including the phase adjusting layer 25, the p-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 13 and the n-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 provide a large reflectance even for the wavelength corresponding to the dip. It does not oscillate.

【0040】ここで、位相調整層25は、その中心軸
が、p型AlxGa1-xAs(0.98≦x≦1)層15
の中心軸に一致する場合、p型AlxGa1-xAs(0.
98≦x≦1)層15の径Dで制限された電流によって
発光領域径が制限される。また、Al酸化層14とp型
AlxGa1-xAs(0.98≦x≦1)層15との間の
屈折率差が大きいため、径Dを5μm程度以下にしない
と基本横モードのみによる発振を実現することはできな
い。ところが、径Dを5μm程度以下にすることで発光
領域径を5μm程度以下にすると、熱抵抗が上がり温度
特性が悪くなることや、素子抵抗が大きくなり動作電圧
の上昇につながる。そのため、径Dを10μm以上に大
きくすればよいが、この場合は多数の横モードが存在し
てしまう。また、基本横モードは上記した径Dの中心部
に、高次横モードは径Dの周辺部に生じる。
Here, the central axis of the phase adjusting layer 25 is a p-type Al x Ga 1-x As (0.98 ≦ x ≦ 1) layer 15
Of the p-type Al x Ga 1-x As (0.
98 ≦ x ≦ 1) The emission region diameter is limited by the current limited by the diameter D of the layer 15. In addition, since the difference in refractive index between the Al oxide layer 14 and the p-type Al x Ga 1-x As (0.98 ≦ x ≦ 1) layer 15 is large, the fundamental transverse mode must be set unless the diameter D is about 5 μm or less. It is not possible to realize oscillation only by itself. However, if the diameter D is set to about 5 μm or less and the diameter of the light emitting region is set to about 5 μm or less, the thermal resistance increases, the temperature characteristics deteriorate, and the element resistance increases, leading to an increase in operating voltage. Therefore, the diameter D may be increased to 10 μm or more, but in this case, many transverse modes exist. The basic transverse mode occurs at the center of the diameter D and the higher transverse mode occurs at the periphery of the diameter D.

【0041】このような知見から、低熱抵抗および低素
子抵抗とともに基本横モードのみによる発振を実現する
ためには、位相調整層25の径dを径Dより小さい数μ
m程度以下にするのが好ましい。位相調整層25の径d
を径Dより小さくすることで、発光領域中心部に生じる
基本横モードは、上記したストップバンド内に属する反
射率スペクトルのディップ位置で発振するのに対し、発
光領域の周辺部に生じる高次横モードは、位相調整層2
5が存在する場所から外れるため、位相調整層25を含
んだ経路とは位相が合わず、図4に示したように、その
発振を阻止させることができる。
From the above knowledge, the diameter d of the phase adjusting layer 25 is smaller than the diameter D by several μ in order to realize oscillation only in the fundamental transverse mode together with low thermal resistance and low element resistance.
It is preferably about m or less. Diameter d of the phase adjustment layer 25
By making the diameter smaller than the diameter D, the fundamental transverse mode generated in the central part of the light emitting region oscillates at the dip position of the reflectance spectrum belonging to the above stop band, while the higher lateral transverse modes generated in the peripheral part of the light emitting region. The mode is the phase adjustment layer 2
Since it is out of the place where 5 exists, the phase does not match the path including the phase adjusting layer 25, and its oscillation can be blocked as shown in FIG.

【0042】以上に説明したとおり、実施の形態にかか
る面発光レーザ素子によれば、電流狭窄領域内の垂直上
方のみに、λ/4位相シフトを実現する位相調整層が形
成されているので、位相調整層を含まない経路における
発振を抑制し、基本横モードのみの発振を実現すること
ができる。
As described above, in the surface emitting laser device according to the embodiment, the phase adjusting layer for realizing the λ / 4 phase shift is formed only in the vertical upper part in the current confinement region. It is possible to suppress oscillation in a path that does not include the phase adjustment layer and realize oscillation in only the fundamental transverse mode.

【0043】なお、以上に説明した実施の形態において
は、酸化狭窄型の構造を例に挙げたが、H+イオンの打
ち込みの有無によって、高抵抗層となる非打ち込み領域
部分で発振させるイオン注入型の構造に対しても本発明
を適用することができる。また、位相調整層25をIn
GaPで形成するとしたが、これに限らず、GaAsと
格子整合が取れるAlGaAs、AlGaInPまたは
GaInAsP等の低屈折率物質で形成しても良い。
In the embodiments described above, the oxide confinement type structure is taken as an example, but ion implantation for oscillating in the non-implanted region portion which becomes the high resistance layer is performed depending on the presence or absence of H + ion implantation. The present invention can be applied to a mold structure. In addition, the phase adjustment layer 25 is In
Although the material is formed of GaP, the material is not limited to this, and the material may be formed of a low refractive index material such as AlGaAs, AlGaInP, or GaInAsP that has a lattice matching with GaAs.

【0044】また、本実施の形態は1300nm帯のG
aAs基板上の活性層を用いた面発光レーザ素子を示し
たが、その活性層としては、GaInNAs(Sb)系
量子井戸、GaInNAs系量子井戸、GaAs(S
b)系量子井戸、(Ga)InAs量子ドットなどの種
々の半導体材料を用いることができる。さらに、本実施
の形態は、1300nm帯に限らず、波長850nm以
上の長波長帯、すなわち980nm帯、1200nm
帯、1480nm帯、1550nm帯、1650nm帯
のGaAs系面発光レーザ素子に適用することができ
る。
In this embodiment, the G of 1300 nm band is used.
A surface emitting laser device using an active layer on an aAs substrate is shown. As the active layer, a GaInNAs (Sb) -based quantum well, a GaInNAs-based quantum well, a GaAs (S
Various semiconductor materials such as b) type quantum wells and (Ga) InAs quantum dots can be used. Further, the present embodiment is not limited to the 1300 nm band, but is a long wavelength band with a wavelength of 850 nm or more, that is, the 980 nm band, 1200 nm.
The present invention can be applied to GaAs-based surface-emission laser devices of the band, 1480 nm band, 1550 nm band, and 1650 nm band.

【0045】また、本実施の形態では、GaAs基板上
のAlGaAs系半導体多層膜反射鏡を用いた面発光レ
ーザ素子を例に挙げたが、InP基板上のAlGaAs
(Sb)系半導体多層膜反射鏡やGaInAsP系半導
体多層膜反射鏡を用いた長波長帯面発光レーザ素子(波
長1200nm帯〜1650nm帯)にも、本発明を適
用することができる。この場合にも、活性層は、AlG
aInAs系、GaInAsP系、GaInNAs(S
b)系などの種々の半導体材料を採用することができ
る。また、基板についても、GaAs基板、InP基
板、GaInAs3元基板などを用いることができる。
In this embodiment, the surface emitting laser device using the AlGaAs type semiconductor multilayer film reflecting mirror on the GaAs substrate is taken as an example, but AlGaAs on the InP substrate is used.
The present invention can also be applied to a long-wavelength band surface emitting laser device (wavelength 1200 nm band to 1650 nm band) using a (Sb) -based semiconductor multilayer film reflecting mirror or a GaInAsP-based semiconductor multilayer film reflecting mirror. Also in this case, the active layer is AlG
aInAs system, GaInAsP system, GaInNAs (S
Various semiconductor materials such as b) type can be adopted. Also, as the substrate, a GaAs substrate, an InP substrate, a GaInAs ternary substrate, or the like can be used.

【0046】さらに、本実施の形態では、MOCVD法
で各層を作成するとしたが、MBE法などで作成しても
かまわない。またp型GaAs基板11上に各層を形成
して面発光レーザ素子を得るとしたが、p型GaAs基
板11に換えてn型GaAs基板を用いることもでき
る。この場合、下部半導体多層膜反射鏡はn型、上部半
導体多層膜反射鏡はp型のものを用い、電極材料もそれ
に対応させる。また、p型基板を用いた時と同様に、上
記した位相調整層25は、上記した共振器を構成する上
部のクラッド層上に配置される。但し、電流狭窄層は、
位相調整層25の上方に形成したp型の上部半導体多層
膜反射鏡内に形成されることが好ましい。
Further, in the present embodiment, each layer is formed by the MOCVD method, but it may be formed by the MBE method or the like. Although the surface emitting laser device is obtained by forming each layer on the p-type GaAs substrate 11, an n-type GaAs substrate may be used instead of the p-type GaAs substrate 11. In this case, an n-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror and a p-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror are used, and the electrode material is also adapted to them. Further, as in the case of using the p-type substrate, the above-mentioned phase adjusting layer 25 is arranged on the upper clad layer constituting the above-mentioned resonator. However, the current confinement layer is
It is preferably formed in the p-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror formed above the phase adjusting layer 25.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明にかかる
面発光レーザ素子によれば、電流狭窄領域内の垂直上方
のみに、λ/4位相シフトを実現する半導体層(上述し
た位相調整層に相当する。)が形成されているので、半
導体層が含まれていない経路の上部半導体多層膜反射鏡
に対し、半導体層が含まれた経路の上部半導体多層膜反
射鏡半導体の反射率を高くすることができ、結果的に、
半導体層が含まれていない経路上での発振を抑制し、基
本横モードのみの発振を実現することができるという効
果を奏する。
As described above, according to the surface emitting laser element of the present invention, the semiconductor layer (the phase adjusting layer described above) that realizes the λ / 4 phase shift is provided only vertically upward in the current confinement region. Is formed on the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror of the route not including the semiconductor layer, the reflectance of the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror semiconductor of the route including the semiconductor layer is increased. Can, as a result,
It is possible to suppress the oscillation on the path that does not include the semiconductor layer and realize the oscillation only in the fundamental transverse mode.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施の形態にかかる面発光レーザ素子の斜視断
面図である。
FIG. 1 is a perspective sectional view of a surface emitting laser device according to an embodiment.

【図2】実施の形態にかかる面発光レーザ素子のn型下
部半導体多層膜反射鏡とp型上部半導体多層膜反射鏡の
構造を説明するための説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a structure of an n-type lower semiconductor multilayer film reflecting mirror and a p-type upper semiconductor multilayer film reflecting mirror of the surface emitting laser device according to the embodiment.

【図3】実施の形態にかかる面発光レーザ素子におい
て、位相調整層25を含んだ経路における、エピタキシ
ャル表面から測定した反射率(同図(a))と、共振器
から見たn型下部半導体多層膜反射鏡とp型上部半導体
多層膜反射鏡の反射率(同図(b))の計算結果を示す
グラフである。
FIG. 3 shows the surface emitting laser device according to the embodiment in which the reflectance measured from the epitaxial surface in the path including the phase adjusting layer 25 (FIG. 3A) and the n-type lower semiconductor seen from the resonator. It is a graph which shows the calculation result of the reflectance (the same figure (b)) of a multilayer-film reflective mirror and a p-type upper semiconductor multilayer-film reflective mirror.

【図4】実施の形態にかかる面発光レーザ素子におい
て、位相調整層を含まない経路における、エピタキシャ
ル表面から測定した反射率(同図(a))と、共振器か
ら見たn型下部半導体多層膜反射鏡とp型上部半導体多
層膜反射鏡の反射率(同図(b))の計算結果を示すグ
ラフである。
FIG. 4 is a diagram illustrating a surface-emission laser device according to an embodiment, in which a reflectance of an n-type lower semiconductor multilayer viewed from a resonator and a reflectance measured from an epitaxial surface in a path not including a phase adjustment layer. It is a graph which shows the calculation result of the reflectance (the same figure (b)) of a film reflective mirror and a p-type upper semiconductor multilayer film reflective mirror.

【図5】従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。FIG. 5 is a perspective sectional view of a conventional surface emitting laser device.

【図6】従来の面発光レーザ素子の半導体多層膜反射鏡
の構造を説明するための説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a structure of a semiconductor multilayer film reflecting mirror of a conventional surface emitting laser device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,100 面発光レーザ素子 11 p型GaAs基板 12 p型GaAsバッファ層 13 下部半導体多層膜反射鏡 14,114 Al酸化層 15,50,113,115 p型AlxGa1-xAs
(0.98≦x≦1)層 16,116 上部半導体多層膜反射鏡 17,117 n型GaAsコンタクト層 18,118 n型電極 19,119 シリコン窒化膜 20,120 電極パッド 21,121 n型電極 22,122 ポリイミド 30,130 多重量子井戸活性層 31,32 クラッド層 41,141 p型高屈折率領域 42,142 p型低屈折率領域 51 p型AlzGa1-zAs(y<z<1)層 52 p型AlyGa1-yAs(0≦y≦1)層 53 n型高屈折率領域 54 n型低屈折率領域
10,100 surface-emitting laser device 11 p-type GaAs substrate 12 p-type GaAs buffer layer 13 lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 14,114 Al oxide layer 15,50,113,115 p-type Al x Ga 1-x As
(0.98 ≦ x ≦ 1) Layers 16,116 Upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 17,117 n-type GaAs contact layers 18,118 n-type electrodes 19,119 Silicon nitride films 20,120 Electrode pads 21,121 n-type electrodes 22, 122 Polyimide 30, 130 Multiple quantum well active layers 31, 32 Cladding layers 41, 141 p-type high refractive index region 42, 142 p-type low refractive index region 51 p-type Al z Ga 1-z As (y <z < 1) Layer 52 p-type Al y Ga 1-y As (0 ≦ y ≦ 1) layer 53 n-type high refractive index region 54 n-type low refractive index region

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に、高屈折率領域と低屈折
率領域との対を1ペアとして複数のペアから構成される
下部半導体多層膜反射鏡と、前記下部半導体多層膜反射
鏡の上方に位置する活性領域と、前記活性領域近傍に位
置する電流狭窄領域と、前記活性領域の上方に位置する
とともに高屈折率領域と低屈折率領域との対を1ペアと
して複数のペアから構成される上部半導体多層膜反射鏡
と、前記上部半導体多層膜反射鏡の上方に位置するコン
タクト層と、を有する面発光レーザ素子において、 前記活性領域と前記上部半導体多層膜反射鏡との間の一
部の領域に位置するとともに、発振波長の1/4光学膜
厚を有する半導体層を備えたことを特徴とする面発光レ
ーザ素子。
1. A lower semiconductor multi-layered film reflecting mirror comprising a plurality of pairs of a high refractive index region and a low refractive index region as one pair on a semiconductor substrate, and above the lower semiconductor multi-layered film reflecting mirror. And a current confinement region located in the vicinity of the active region, and a plurality of pairs of a high refractive index region and a low refractive index region, which are located above the active region and are one pair. A surface emitting laser device having an upper semiconductor multilayer film reflecting mirror and a contact layer located above the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror, wherein a part between the active region and the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror is provided. 2. A surface emitting laser device characterized by comprising a semiconductor layer located in the region of 1) and having an optical film thickness of 1/4 of the oscillation wavelength.
【請求項2】 前記半導体層は、当該一部または全部が
前記電流狭窄領域の垂直上方に位置するように形成され
たことを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ素
子。
2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the semiconductor layer is formed such that a part or all of the semiconductor layer is located vertically above the current confinement region.
【請求項3】 前記半導体層は、前記高屈折率領域より
も低い屈折率を有することを特徴とする請求項1または
2に記載の面発光レーザ素子。
3. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the semiconductor layer has a refractive index lower than that of the high refractive index region.
【請求項4】 前記半導体層は、InGaP、AlGa
As、AlGaInPまたはGaInAsPによって形
成されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つ
に記載の面発光レーザ素子。
4. The semiconductor layer is InGaP, AlGa
The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the surface emitting laser element is formed of As, AlGaInP or GaInAsP.
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