JP2005310938A - Semiconductor laser and epitaxial wafer therefor - Google Patents

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克弥 秋元
Kosuke Yokoyama
康祐 横山
Naoki Futakuchi
尚樹 二口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface-emitting epitaxial wafer for semiconductor laser, capable of reducing the threshold current with higher efficiency than the conventional, by making the place where the time average of light intensity distribution is maximum coincide with an active layer. <P>SOLUTION: On a substrate 1, at least a first first-conductivity-type clad layer 3, an active layer 4, and a second second-conductivity-type clad layer 5 are provided by epitaxial-growth. When the film thickness of the first clad layer 3 is set as d<SB>1</SB>, the film thickness of the second clad layer 5 is set as d<SB>2</SB>, the refractive index of the first clad layer 3 is set as n<SB>1</SB>, and the refractive index of the second clad layer 5 is set as n<SB>2</SB>; the Formula (d<SB>1</SB>/n<SB>1</SB>)=(d<SB>2</SB>/n<SB>2</SB>) is established. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体レーザ用エピタキシャルウェハ及び半導体レーザに関するものである。   The present invention relates to an epitaxial wafer for a semiconductor laser and a semiconductor laser.

近年、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)と呼ばれる面発光型レーザが注目されている。VCSELは、従来構造の端面発光型レーザと比較すると、低閾電流、低消費電力、高効率、円形狭広がり角出射光、高速変調が可能、集積化および実装が容易、ウェハ単位での性能試験が可能という多くの利点を持つことから、将来、光通信分野に欠かせないデバイスになると期待されている。   In recent years, a surface emitting laser called VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) has attracted attention. Compared with edge-emitting lasers with a conventional structure, VCSELs have low threshold current, low power consumption, high efficiency, circular narrow-angle emission light, high-speed modulation, easy integration and mounting, and performance tests on a wafer basis It is expected to become an indispensable device in the optical communication field in the future.

以下、VCSELの基本構造を簡単に説明する。第1の導電型を有する半導体基板上に、第1の導電型を有する第1の反射鏡、第1の導電型を有する第1のクラッド層、活性層、第2の導電型を有する第2のクラッド層、第2の導電型を有する第2の反射鏡が順次形成されている。基板の下面および第2の導電型を有する反射鏡の上面には電極が形成され、この電極から第1および第2の反射鏡、第1および第2のクラッド層を通し、活性層への電流注入を行う。注入された電流は発光再結合により光へと変換される。光は第1および第2の反射鏡によって、第1および第2のクラッド層と活性層からなる領域に閉じ込められて共振し、レーザ発振する。このとき、レーザ発振する波長の光は、第1および第2のクラッド層と活性層からなる領域において定在波となり、且つ定在波の腹がちょうど活性層の位置となる。   The basic structure of the VCSEL will be briefly described below. On the semiconductor substrate having the first conductivity type, the first reflecting mirror having the first conductivity type, the first cladding layer having the first conductivity type, the active layer, and the second having the second conductivity type. The second clad layer and the second reflecting mirror having the second conductivity type are sequentially formed. Electrodes are formed on the lower surface of the substrate and the upper surface of the reflecting mirror having the second conductivity type, and the current flows from the electrode to the active layer through the first and second reflecting mirrors and the first and second cladding layers. Make an injection. The injected current is converted into light by luminescence recombination. The light is confined and resonated by the first and second reflecting mirrors in a region composed of the first and second cladding layers and the active layer, and laser oscillation occurs. At this time, the light having a wavelength that causes laser oscillation becomes a standing wave in a region composed of the first and second cladding layers and the active layer, and the antinode of the standing wave is just the position of the active layer.

定在波の腹は光の強度分布の時間平均が最大である場所を意味する。すなわち、定在波の腹が活性層に位置することは、活性層へと強い光閉じ込めを意味する。この強い光閉じ込めにより、高効率、且つ低閾電流のレーザが実現することが可能となる。   The antinode of the standing wave means the place where the time average of the light intensity distribution is the maximum. That is, the position of the antinode of the standing wave in the active layer means strong light confinement in the active layer. This strong optical confinement makes it possible to realize a laser with high efficiency and low threshold current.

この原理については、例えば伊賀健一、小山二三夫著「面発光レーザの基礎と応用」(共立出版、1999年)に詳細が記載されている。   Details of this principle are described in, for example, Kenichi Iga and Fumio Koyama, “Fundamentals and Applications of Surface-Emitting Lasers” (Kyoritsu Shuppan, 1999).

より現実的な構造では、オーミックコンタクトをとるために、第2の反射鏡と電極の間にコンタクト層を設けたり、閾電流密度を下げるために、プロトン注入による高抵抗領域や酸化電流狭窄層等を設けたりするが、基本的なレーザ発振の原理および構造は前述のとおりである。   In a more realistic structure, a contact layer is provided between the second reflecting mirror and the electrode in order to make an ohmic contact, or a high resistance region or an oxidation current confinement layer by proton injection is used to lower the threshold current density. The basic principle and structure of laser oscillation are as described above.

なお文献によるVCSELの構造例としては、InGaAlP多重量子井戸活性層をGaAlAs多層膜DBRミラー(ブラッグ反射器)で挟んだ赤色面発光レーザ(例えば、非特許文献1参照)や、発光活性層をAlGaAsから成る第1のクラッド層と第2のクラッド層で挟み、さらにAlAsとGaAsから成る第1のブラッグ反射器と第2のブラッグ反射器で挟んだ構造の面発光レーザ(例えば、特許文献1参照)がある。
東芝レビューVol.56No.10(2001)、p.36−38 特開平8−213693号公報
Examples of VCSEL structures according to literature include a red surface emitting laser (see Non-Patent Document 1, for example) in which an InGaAlP multiple quantum well active layer is sandwiched between GaAlAs multilayer DBR mirrors (Bragg reflectors), and a light emitting active layer of AlGaAs. A surface-emitting laser having a structure sandwiched between a first clad layer and a second clad layer made of, and further sandwiched between a first Bragg reflector and a second Bragg reflector made of AlAs and GaAs (for example, see Patent Document 1) )
Toshiba Review Vol. 56No. 10 (2001), p. 36-38 JP-A-8-213693

ところで、既存のVCSELにおいては、第1および第2のクラッド層には同じ材料を用い、且つ厚さも同じとされている。この場合、第1および第2のクラッド層が同じ屈折率を有する場合には、活性層に前述の定在波の腹が位置し、レーザ発振する。   By the way, in the existing VCSEL, the same material is used for the first and second cladding layers, and the thickness is also the same. In this case, when the first and second cladding layers have the same refractive index, the antinode of the above-mentioned standing wave is located in the active layer, and laser oscillation occurs.

しかしながら、一般に、VCSELでは第1および第2のクラッド層の電気特性は相反するように形成されている。例えば、第1のクラッド層がn型化合物半導体であれば、第2のクラッド層はp型化合物半導体で形成され、第1のクラッド層がp型化合物半導体であれば、第2のクラッド層はn型化合物半導体で形成される。このとき、同じ材料であってもp型とn型とでは屈折率が異なることが、例えば永井治男、安達定雄、福井孝志共著、「III−V族半導体混晶」(コロナ社、1988年)によって公知である。本書によると、自由キャリア数ΔNの変化による屈折率変化Δnは次式で与えられる。   However, in general, in the VCSEL, the electrical characteristics of the first and second cladding layers are formed to be in conflict. For example, if the first cladding layer is an n-type compound semiconductor, the second cladding layer is formed of a p-type compound semiconductor, and if the first cladding layer is a p-type compound semiconductor, the second cladding layer is It is formed of an n-type compound semiconductor. At this time, even if the same material is used, the refractive index is different between p-type and n-type. Is known. According to this book, the refractive index change Δn due to the change in the number of free carriers ΔN is given by the following equation.

Δn=(−ΔNe2)/(2nmε0ω2
e:電子の素電荷、n:屈折率、m:有効質量、ε0:真空の誘電率、ω:光の振動数
第1および第2のクラッド層には熱的に励起された自由キャリアが存在するため、屈折率が変化している。このとき、第1及び第2のクラッド層の電気特性は相反するため、一方のクラッド層では電子、もう一方の層ではホールがそれぞれキャリアとして支配的になる。
Δn = (− ΔNe 2 ) / ( 2 nmε 0 ω 2 )
e: elementary charge of electrons, n: refractive index, m: effective mass, ε 0 : dielectric constant of vacuum, ω: frequency of light The first and second cladding layers have thermally excited free carriers. Since it exists, the refractive index changes. At this time, since the electrical characteristics of the first and second cladding layers are contradictory, electrons are dominant as carriers in one cladding layer and holes are dominant in the other layer, respectively.

一般に、電子とホールは有効質量が大きく異なり、例えばGaAs中においては、電子の有効質量は0.067me、ホールの質量は0.45me(me:電子の質量)となる。したがって、電子がキャリアとして支配的な層と、ホールがキャリアとして支配的な層とでは、屈折率変化Δnが異なることになる。以上から、一般的に第1および第2のクラッド層で屈折率が異なることは明らかである。   In general, the effective mass of electrons and holes is greatly different. For example, in GaAs, the effective mass of electrons is 0.067 me, and the mass of holes is 0.45 me (me: electron mass). Therefore, the refractive index change Δn differs between a layer in which electrons are dominant as carriers and a layer in which holes are dominant as carriers. From the above, it is clear that the refractive index is generally different between the first and second cladding layers.

なお、化合物半導体の電子およびホールの有効質量については、例えば、前述の永井治男、安達定雄、福井孝志共著、「III−V族半導体混晶」(コロナ社、1988年)p.57に詳細が記載されている。   The effective masses of electrons and holes in compound semiconductors are described in, for example, the above-mentioned Haruo Nagai, Sadao Adachi and Takashi Fukui, “III-V Group Semiconductor Mixed Crystals” (Corona, 1988) p. Details are described in FIG.

このように、第1及び第2のクラッド層の物理的な厚さが等しく、且つ屈折率が異なる場合には、前述の定在波の腹は活性層からずれてしまい、光閉じ込めが弱くなる。このことは閾電流増加の原因となるだけではなく、場合によってはレーザ発振そのものが不可能となる。   Thus, when the physical thicknesses of the first and second cladding layers are the same and the refractive indexes are different, the antinodes of the above-mentioned standing waves are shifted from the active layer, and the optical confinement is weakened. . This not only causes an increase in threshold current, but in some cases, laser oscillation itself is impossible.

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光強度分布の時間平均が最大となる場所を活性層と一致させることで、従来よりも高効率、且つ閾電流を低減した面発光型の半導体レーザ用エピタキシャルウェハを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and by matching the location where the time average of the light intensity distribution is maximum with the active layer, it is a surface-emitting type that has higher efficiency and lower threshold current than conventional ones. An object is to provide an epitaxial wafer for a semiconductor laser.

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

請求項1の発明に係る半導体レーザ用エピタキシャルウェハは、基板上に、少なくとも第1導電型の第1のクラッド層、活性層、および第2導電型の第2のクラッド層とがエピタキシャル成長されて成り、且つ前記第1のクラッド層の膜厚をd1、前記第2のクラッド層の膜厚をd2、前記第1のクラッド層の屈折率をn1、前記第2のクラッド層の屈折率をn2としたとき、下記の式
(d1/n1)=(d2/n2
が成立することを特徴とする。
An epitaxial wafer for a semiconductor laser according to the invention of claim 1 is formed by epitaxially growing at least a first conductivity type first cladding layer, an active layer, and a second conductivity type second cladding layer on a substrate. And the thickness of the first cladding layer is d 1 , the thickness of the second cladding layer is d 2 , the refractive index of the first cladding layer is n 1 , and the refractive index of the second cladding layer. Where n 2 is the following formula (d 1 / n 1 ) = (d 2 / n 2 )
Is established.

請求項2の発明に係る半導体レーザ用エピタキシャルウェハは、請求項1記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいて、第1のクラッド層と基板との間に第1の反射鏡が、第2のクラッド層の上に第2の反射鏡が設けられ、また、電流注入のための電極として基板に下部電極が、第2の反射鏡に上部電極が形成されていることを特徴とする。   An epitaxial wafer for a semiconductor laser according to a second aspect of the invention is the epitaxial wafer for a semiconductor laser according to the first aspect, wherein the first reflecting mirror is provided between the first cladding layer and the substrate. A second reflecting mirror is provided on the substrate, and a lower electrode is formed on the substrate as an electrode for current injection, and an upper electrode is formed on the second reflecting mirror.

請求項3の発明に係る半導体レーザ用エピタキシャルウェハは、請求項2記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいて、第2の反射鏡と上部電極の間に、オーミックコンタクトをとるためのコンタクト層が設けられていることを特徴とする。   A semiconductor laser epitaxial wafer according to a third aspect of the invention is the semiconductor laser epitaxial wafer according to the second aspect, wherein a contact layer for making an ohmic contact is provided between the second reflecting mirror and the upper electrode. It is characterized by being.

請求項4の発明に係る半導体レーザ用エピタキシャルウェハは、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいて、前記活性層が、III族元素としてガリウム、インジウム、アルミニウムのうち少なくとも1種類の元素を用い、且つV族元素として燐、砒素、窒素、アンチモンのうち少なくとも1種類の元素を用いた、少なくとも1層の化合物半導体層を含むことを特徴とする。   A semiconductor laser epitaxial wafer according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor laser epitaxial wafer according to any one of the first to third aspects, wherein the active layer is at least one of gallium, indium, and aluminum as a group III element. It is characterized in that it includes at least one compound semiconductor layer using various kinds of elements and using at least one kind of element among phosphorus, arsenic, nitrogen, and antimony as a group V element.

請求項5の発明に係る半導体レーザ用エピタキシャルウェハは、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいて、前記活性層が、III族元素としてガリウムおよびインジウムを含み、V族元素として窒素および砒素を同時に含むことを特徴とする。   The semiconductor laser epitaxial wafer according to claim 5 is the semiconductor laser epitaxial wafer according to any one of claims 1 to 3, wherein the active layer includes gallium and indium as group III elements, And nitrogen and arsenic at the same time.

請求項6の発明に係る半導体レーザは、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハを切り分けることにより作製されたことを特徴とする。   A semiconductor laser according to a sixth aspect of the present invention is manufactured by cutting the semiconductor wafer epitaxial wafer according to any one of the first to fifth aspects.

<発明の要点>
既に触れたように、第1及び第2のクラッド層の物理的な厚さが等しく、且つ屈折率が異なる場合には、前述の定在波の腹は活性層からずれてしまい、光閉じ込めが弱くなる。このことは閾電流増加の原因となるだけではなく、場合によってはレーザ発振そのものが不可能となる。
<Key points of the invention>
As already mentioned, when the physical thicknesses of the first and second cladding layers are the same and the refractive indexes are different, the above-mentioned standing wave antinodes are displaced from the active layer, and the optical confinement is prevented. become weak. This not only causes an increase in threshold current, but in some cases, laser oscillation itself is impossible.

この現象について説明するに、光は、屈折率が異なる媒質中においては物理的な長さが同じであっても、光学的な長さが異なるという性質を有する。具体的には、光学的長さは、物理長さを屈折率で割った値で与えられる。このため、第1および第2のクラッド層の物理的な厚さが等しく、且つ屈折率が異なる場合には、活性層から第1の反射鏡への光学的距離と、活性層から第2の反射鏡への光学的距離が異なり、活性層は光学的距離で見ると第1及び第2の反射鏡の中心には位置しない。このため、前述の定在波の腹、すなわち光の強度分布の時間平均が最大となる場所は、活性層からずれた位置に存在することになり、活性層への光閉じ込めは弱くなってしまう。   In order to explain this phenomenon, light has the property that the optical length is different even if the physical length is the same in a medium having a different refractive index. Specifically, the optical length is given by a value obtained by dividing the physical length by the refractive index. Therefore, when the physical thicknesses of the first and second cladding layers are equal and the refractive indexes are different, the optical distance from the active layer to the first reflecting mirror and the second distance from the active layer The optical distance to the reflecting mirror is different, and the active layer is not located at the center of the first and second reflecting mirrors when viewed at the optical distance. For this reason, the antinode of the above-mentioned standing wave, that is, the place where the time average of the light intensity distribution is maximum exists at a position shifted from the active layer, and the light confinement in the active layer becomes weak. .

そこで、本発明では、光強度分布の時間平均が最大となる場所を活性層とするため、第1および第2のクラッド層の光学的な厚さを等しくする。すなわち、第1のクラッド層の膜厚をd1、第2のクラッド層の膜厚をd2、第1のクラッド層の屈折率をn1、第2のクラッド層の屈折率をn2としたとき、下記の式
(d1/n1)=(d2/n2
が成立する構成にする。
Therefore, in the present invention, since the active layer is the place where the time average of the light intensity distribution is maximum, the optical thicknesses of the first and second cladding layers are made equal. That is, the thickness of the first cladding layer is d 1 , the thickness of the second cladding layer is d 2 , the refractive index of the first cladding layer is n 1 , and the refractive index of the second cladding layer is n 2 . Then, the following formula (d 1 / n 1 ) = (d 2 / n 2 )
The configuration is established.

本発明の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいては、第1のクラッド層の膜厚をd1(単位ナノメートル)、第2のクラッド層の膜厚をd2(単位ナノメートル)、第1のクラッド層の屈折率をn1、第2のクラッド層の屈折率をn2としたとき、下記の式
(d1/n1)=(d2/n2
が成立する構成にする。従って、本発明の半導体レーザ用エピタキシャルウェハによれば、定在波の腹、すなわち光の強度分布の時間平均が最大となる場所が、活性層に位置するので、従来よりも高効率、且つ閾電流を低減した面発光型の半導体レーザ用エピタキシャルウェハを提供することが可能になる。
In the epitaxial wafer for a semiconductor laser of the present invention, the first cladding layer has a thickness of d 1 (unit nanometer), the second cladding layer has a thickness of d 2 (unit nanometer), and the first cladding layer Where n 1 is the refractive index of the second cladding layer and n 2 is the refractive index of the second cladding layer, the following formula (d 1 / n 1 ) = (d 2 / n 2 )
The configuration is established. Therefore, according to the epitaxial wafer for a semiconductor laser of the present invention, the antinode of the standing wave, that is, the place where the time average of the light intensity distribution is maximum is located in the active layer. It becomes possible to provide a surface emitting semiconductor laser epitaxial wafer with reduced current.

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

本発明に関わる半導体素子は、図1に示すように、所定の基板1上に、少なくとも第1導電型の第1のクラッド層3、および活性層4、および第2導電型の第2のクラッド層5とがエピタキシャル成長されている。このとき、第1のクラッド層3の膜厚をd1(単位ナノメートル)、第2のクラッド層5の膜厚をd2(単位ナノメートル)、第1のクラッド層3の屈折率をn1、第2のクラッド層5の屈折率をn2としたとき、下記の式
(d1/n1)=(d2/n2
が成立するように形成される。
As shown in FIG. 1, a semiconductor device according to the present invention includes at least a first conductivity type first clad layer 3 and an active layer 4 and a second conductivity type second clad on a predetermined substrate 1. Layer 5 is epitaxially grown. At this time, the film thickness of the first cladding layer 3 is d 1 (unit nanometer), the film thickness of the second cladding layer 5 is d 2 (unit nanometer), and the refractive index of the first cladding layer 3 is n. 1 , where n 2 is the refractive index of the second cladding layer 5, the following formula (d 1 / n 1 ) = (d 2 / n 2 )
Is formed to hold.

第1のクラッド層3と基板1の間には第1の反射鏡2が、第2のクラッド層5の上には第2の反射鏡6が設けられ、また電流注入のための電極として基板に下部電極15が、第2の反射鏡6に上部電極16が形成される。必要に応じ、第2の反射鏡6と上部電極16の間には、オーミックコンタクトをとるためのコンタクト層7を設けることができる。また、閾電流密度を下げるために、プロトン注入による高抵抗領域や酸化電流狭窄層を設けたりすることも可能である。   A first reflecting mirror 2 is provided between the first cladding layer 3 and the substrate 1, a second reflecting mirror 6 is provided on the second cladding layer 5, and the substrate is used as an electrode for current injection. The lower electrode 15 is formed on the second reflecting mirror 6 and the upper electrode 16 is formed on the second reflecting mirror 6. If necessary, a contact layer 7 for making an ohmic contact can be provided between the second reflecting mirror 6 and the upper electrode 16. In order to lower the threshold current density, it is possible to provide a high resistance region by proton implantation or an oxidation current confinement layer.

上下の電極15、16から活性層4へ第1および第2の反射鏡2、6、第1および第2のクラッド層3、5を通し、活性層4へと注入された電流は、活性層4において発光再結合により光へと変換される。光は第1および第2の反射鏡2、6によって、第1及び第2のクラッド層3、5と活性層4からなる領域に閉じ込められて共振し、レーザ発振する。このとき、上記の式が成立することにより、素子内において活性層4へと強い光閉じ込めが行われ、より高効率、且つ閾電流が低い面発光レーザを実現することが可能となる。   The current injected from the upper and lower electrodes 15 and 16 to the active layer 4 through the first and second reflecting mirrors 2 and 6 and the first and second cladding layers 3 and 5 into the active layer 4 4 is converted into light by luminescence recombination. The light is confined and resonated by the first and second reflecting mirrors 2 and 6 in a region composed of the first and second cladding layers 3 and 5 and the active layer 4 and oscillates. At this time, if the above equation is satisfied, strong light confinement is performed in the active layer 4 in the element, and a surface emitting laser with higher efficiency and lower threshold current can be realized.

このとき、前記活性層4を構成する材料は、III族元素としてガリウム、インジウム、アルミニウムのうち少なくとも1種類の元素を、V族元素として燐、砒素、窒素、アンチモンのうち少なくとも1種類の元素を用いることができる。   At this time, the material constituting the active layer 4 includes at least one element of gallium, indium and aluminum as a group III element and at least one element of phosphorus, arsenic, nitrogen and antimony as a group V element. Can be used.

さらに、上記活性層は、III族元素としてガリウムおよびインジウムを含み、V族元素として窒素および砒素を同時に含むことことが可能であり、いわゆるGaInNAs系材料を用いることが可能である。   Furthermore, the active layer can contain gallium and indium as group III elements and can simultaneously contain nitrogen and arsenic as group V elements, and so-called GaInNAs-based materials can be used.

本発明の実施例として、図1に示す構造の面発光型半導体レーザ用エピタキシャルウェハ(ウェハA)を試作した。   As an example of the present invention, a surface-emitting type semiconductor laser epitaxial wafer (wafer A) having the structure shown in FIG. 1 was prototyped.

このウェハAは、第1導電型の半導体基板としてのSiドープn型GaAs基板1上に、第1導電型の第1の反射鏡としての下部多層反射膜2、第1導電型の第1のクラッド層としてのSiドープn型GaAsクラッド層3、アンドープGaInNAs活性層4、第2導電型の第2のクラッド層としてのZnドープp型GaAsクラッド層5、第2導電型の第2の反射鏡としての上部多層反射膜6が順次形成されている。基板1の下面にはAuGeNi下部電極15が、また第2の導電型を有する第2の反射鏡の上面にはAuZn上部電極16が形成されて、面発光型半導体レーザが構成される。   The wafer A is formed on a Si-doped n-type GaAs substrate 1 as a first conductivity type semiconductor substrate, a lower multilayer reflection film 2 as a first reflection mirror of the first conductivity type, and a first conductivity type first substrate. Si-doped n-type GaAs cladding layer 3 as the cladding layer, undoped GaInNAs active layer 4, Zn-doped p-type GaAs cladding layer 5 as the second conductivity-type second cladding layer, second-conductivity-type second reflector The upper multilayer reflective film 6 is sequentially formed. An AuGeNi lower electrode 15 is formed on the lower surface of the substrate 1, and an AuZn upper electrode 16 is formed on the upper surface of the second reflecting mirror having the second conductivity type to constitute a surface emitting semiconductor laser.

詳述するに、この実施例では、Siをドープしたn型GaAs基板1上に、厚さ98nmのSiドープn型Al0.1Ga0.9As層と厚さ107nmのSiドープn型Al0.9Ga0.1As層を交互に30周期積層した下部多層反射膜2、厚さ184nmのSiドープn型GaAsクラッド層3、厚さ10nmのアンドープGa0.72In0.280.01As0.99活性層4、厚さ190nmのZnドープp型GaAsクラッド層5、厚さ1101nmのZnドープp型Al0.1Ga0.9As層と厚さ110nmのZnドープp型Al0.9Ga0.1As層を交互に25周期積層した上部多層反射膜6、厚さ20nmのZnドープp型GaAsコンタクト層7を、この順に有機金属気相成長法により成長し、ウェハAを得た。 More specifically, in this embodiment, a Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 As layer having a thickness of 98 nm and a Si-doped n-type Al 0.9 Ga 0.1 As having a thickness of 107 nm are formed on an n-type GaAs substrate 1 doped with Si. Lower multilayer reflective film 2 in which 30 layers are alternately stacked, Si-doped n-type GaAs cladding layer 3 with a thickness of 184 nm, Undoped Ga 0.72 In 0.28 N 0.01 As 0.99 active layer 4 with a thickness of 10 nm, Zn-doped with a thickness of 190 nm p-type GaAs cladding layer 5, upper multilayer reflection film 6 in which a Zn-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 As layer having a thickness of 1101 nm and a Zn-doped p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layer having a thickness of 110 nm are alternately laminated for 25 periods, A Zn-doped p-type GaAs contact layer 7 having a thickness of 20 nm was grown in this order by metal organic vapor phase epitaxy to obtain a wafer A.

ここで、Siドープn型GaAsクラッド層3と同じ成長条件で厚さ約100nmのSiドープn型GaAsをエピタキシャル成長し、分光エリプソメトリにて屈折率を測定したところ、その値は3.559あった。   Here, when Si-doped n-type GaAs having a thickness of about 100 nm was epitaxially grown under the same growth conditions as the Si-doped n-type GaAs cladding layer 3, the refractive index was measured by spectroscopic ellipsometry, and the value was 3.559. .

同様に、Znドープp型GaAsクラッド層5と同じ成長条件で厚さ約100nmのZnドープp型GaAsをエピタキシャル成長し、分光エリプソメトリにて屈折率を測定したところ、その値は3.447であった。   Similarly, when Zn-doped p-type GaAs having a thickness of about 100 nm was epitaxially grown under the same growth conditions as the Zn-doped p-type GaAs cladding layer 5 and the refractive index was measured by spectroscopic ellipsometry, the value was 3.447. It was.

この結果から、Siドープn型GaAsクラッド層3は厚さ190nm、屈折率3.559であり、Znドープp型GaAsクラッド層5は厚さ184nm、屈折率3.447であるといえる。このとき、Siドープn型GaAsクラッド層3とZnドープp型GaAsクラッド層5のそれぞれについて、厚さを屈折率で割った値を計算すると
Siドープn型GaAsクラッド層3: 190nm÷3.559=53.4nm、
Znドープp型GaAsクラッド層5: 184nm÷3.447=53.4nm、
となる。
From this result, it can be said that the Si-doped n-type GaAs cladding layer 3 has a thickness of 190 nm and a refractive index of 3.559, and the Zn-doped p-type GaAs cladding layer 5 has a thickness of 184 nm and a refractive index of 3.447. At this time, when the value obtained by dividing the thickness by the refractive index is calculated for each of the Si-doped n-type GaAs cladding layer 3 and the Zn-doped p-type GaAs cladding layer 5, Si-doped n-type GaAs cladding layer 3: 190 nm ÷ 3.559 = 53.4 nm,
Zn-doped p-type GaAs cladding layer 5: 184 nm ÷ 3.447 = 53.4 nm
It becomes.

一方、比較例として、図2に示す従来型の構造の面発光型半導体レーザ用エピタキシャルウェハ(ウェハB)を試作した。これは、第1導電型の半導体基板としてのSiドープn型GaAs基板8上に、第1導電型の第1の反射鏡としての下部多層反射膜9、第1導電型の第1のクラッド層としてのSiドープn型GaAsクラッド層10、アンドープGaInNAs活性層11、第2導電型の第2のクラッド層としてのZnドープp型GaAsクラッド層12、第2導電型の第2の反射鏡としての上部多層反射膜13が順次形成したもの(ウェハB)であり、基板8の下面にはAuGeNi下部電極15が、また第2の導電型を有する第2の反射鏡の上面にはAuZn上部電極16が形成されて、面発光型半導体レーザが構成される。   On the other hand, as a comparative example, an epitaxial wafer (wafer B) for a surface emitting semiconductor laser having a conventional structure shown in FIG. This is because a lower multilayer reflective film 9 as a first reflecting mirror of the first conductivity type, a first cladding layer of the first conductivity type, on a Si-doped n-type GaAs substrate 8 as a first conductivity type semiconductor substrate. As a Si-doped n-type GaAs cladding layer 10, an undoped GaInNAs active layer 11, a Zn-doped p-type GaAs cladding layer 12 as a second-conductivity-type second cladding layer, and a second-conductivity-type second reflector The upper multilayer reflective film 13 is sequentially formed (wafer B), the AuGeNi lower electrode 15 is formed on the lower surface of the substrate 8, and the AuZn upper electrode 16 is formed on the upper surface of the second reflecting mirror having the second conductivity type. Are formed to form a surface emitting semiconductor laser.

具体的には、ウェハAと同様に、Siをドープしたn型GaAs基板上8に、厚さ98nmのSiドープn型Al0.1Ga0.9As層と厚さ107nmのSiドープn型Al0.9Ga0.1As層を交互に30周期積層した下部多層反射膜9、厚さ190nmのSiドープn型GaAsクラッド層10、厚さ10nmのGa0.72In0.280.01As0.99活性層11、厚さ190nmのZnドープp型GaAsクラッド層12、厚さ95mのZnドープp型Al0.1Ga0.9As層と厚さ108nmのZnドープp型Al0.9Ga0.1As層を交互に25周期積層した上部多層反射膜13、厚さ20nmのZnドープp型GaAsコンタクト層14を順に有機金属気相成長法により成長し、ウェハBを得た。 Specifically, similarly to wafer A, a Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 As layer having a thickness of 98 nm and a Si-doped n-type Al 0.9 Ga 0.1 layer having a thickness of 107 nm are formed on an n-type GaAs substrate 8 doped with Si. Lower multilayer reflective film 9 in which As layers are alternately stacked for 30 periods, Si-doped n-type GaAs cladding layer 10 having a thickness of 190 nm, Ga 0.72 In 0.28 N 0.01 As 0.99 active layer 11 having a thickness of 10 nm, Zn-doped having a thickness of 190 nm p-type GaAs cladding layer 12, upper multilayer reflective film 13 in which a 95-m thick Zn-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 As layer and a 108-nm-thick Zn-doped p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layer are alternately stacked for 25 periods, A Zn-doped p-type GaAs contact layer 14 having a thickness of 20 nm was sequentially grown by metal organic vapor phase epitaxy to obtain a wafer B.

このとき、Siドープn型GaAsクラッド層10とZnドープp型GaAsクラッド層11のそれぞれについて、厚さを屈折率で割った値を計算すると、
Siドープn型GaAsクラッド層10: 190nm÷3.559=53.4nm、
Znドープp型GaAsクラッド層12: 190nm÷3.447=55.1nm、
となる。
At this time, for each of the Si-doped n-type GaAs cladding layer 10 and the Zn-doped p-type GaAs cladding layer 11, the value obtained by dividing the thickness by the refractive index is calculated.
Si-doped n-type GaAs cladding layer 10: 190 nm ÷ 3.559 = 53.4 nm
Zn-doped p-type GaAs cladding layer 12: 190 nm ÷ 3.447 = 55.1 nm
It becomes.

このようにして得られたウェハAおよびウェハBを切り分けることにより、それぞれ300μm角のチップへと加工し、金・ゲルマニウム・ニッケル合金(AuGeNi)からなる下部電極15、および金・亜鉛合金(AuZn)からなる上部電極16を形成した。上部電極16は直径10μmの円状の窓を持つリング電極である。また、上部電極16の形成部の下に位置する上部多層反射膜6および13の一部はあらかじめ選択酸化し、電流狭窄が行われるように形成した。さらに上部電極16には金(Au)ワイヤー17をボンディングし、垂直共振器を有する面発光レーザAおよびBを得た。   The wafer A and the wafer B thus obtained are cut into chips of 300 μm square, and the lower electrode 15 made of gold / germanium / nickel alloy (AuGeNi) and the gold / zinc alloy (AuZn) are obtained. The upper electrode 16 made of was formed. The upper electrode 16 is a ring electrode having a circular window having a diameter of 10 μm. Further, a part of the upper multilayer reflective films 6 and 13 located under the formation part of the upper electrode 16 was selectively oxidized in advance to form a current constriction. Further, gold (Au) wire 17 was bonded to the upper electrode 16 to obtain surface emitting lasers A and B having vertical resonators.

前述の計算結果から明らかなように、面発光レーザAは本発明に関わる半導体レーザであり、面発光レーザBは従来型の半導体レーザである。   As is apparent from the above calculation results, the surface emitting laser A is a semiconductor laser according to the present invention, and the surface emitting laser B is a conventional semiconductor laser.

これらのレーザの電流−電圧特性を調べたところ、図3に示すような特性が得られた。図3は横軸に電流を単位[mA]にて、また縦軸に光強度を任意単位[a.u.]にて示してある。図3から、本発明に関わる面発光レーザAは、従来型の面発光レーザBに対し、曲線の立ち上がりが図の左側に位置しており、閾値電流が低いことが明らかである。また、本発明に関わる面発光レーザAは、従来型の面発光レーザBよりも、電流−電圧特性の立ち上がりが急峻であることがわかる。これは、本発明に関わる面発光レーザAは、従来型の面発光レーザBよりも高効率であることを意味している。   When the current-voltage characteristics of these lasers were examined, the characteristics shown in FIG. 3 were obtained. In FIG. 3, the horizontal axis represents current in units [mA], and the vertical axis represents light intensity in arbitrary units [a. u. ]. From FIG. 3, it is clear that the surface emitting laser A according to the present invention has a rising curve that is located on the left side of the figure and a lower threshold current than the conventional surface emitting laser B. Further, it can be seen that the surface-emitting laser A according to the present invention has a sharper rise in current-voltage characteristics than the conventional surface-emitting laser B. This means that the surface emitting laser A according to the present invention is more efficient than the conventional surface emitting laser B.

以上から、本発明によって、従来型の面発光レーザよりも高効率、且つ低閾値な面発光レーザを提供することができた。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a surface-emitting laser having a higher efficiency and a lower threshold than conventional surface-emitting lasers.

<他の実施例、変形例>
本発明に関わる発光素子は必ずしも単独のチップ形状で用いる必要はなく、必要に応じてレーザダイオードアレイとしてもよい。
<Other embodiments and modifications>
The light emitting device according to the present invention is not necessarily used in a single chip shape, and may be a laser diode array as necessary.

また本発明に関わる第1及び第2のクラッド層の材料は必ずしも同じである必要はなく、第1のクラッド層の屈折率をn1、前記第2のクラッド層の屈折率をn2としたとき、下記の式
(d1/n1)=(d2/n2
が成立するのであれば、異なる材料を用いることが可能である。
The materials of the first and second cladding layers according to the present invention are not necessarily the same. The refractive index of the first cladding layer is n 1 , and the refractive index of the second cladding layer is n 2 . Then, the following formula (d 1 / n 1 ) = (d 2 / n 2 )
If is true, different materials can be used.

本発明に関わる発光素子の活性層は、必ずしもGaAs系、AlGaAs系、GaInNAs系材料である必要はなく、例えばGaN系、InGaAlP系、InGaAsP系等の材料を用いることが可能である。   The active layer of the light-emitting element according to the present invention is not necessarily made of a GaAs-based, AlGaAs-based, or GaInNAs-based material, and for example, a GaN-based, InGaAlP-based, or InGaAsP-based material can be used.

本発明に関わる発光素子における反射鏡は、必ずしもGaAs系、AlGaAs系材料である必要はなく、例えばGaN系、AlGaN系材料であってもよい。   The reflecting mirror in the light emitting device according to the present invention is not necessarily made of a GaAs-based or AlGaAs-based material, and may be a GaN-based or AlGaN-based material, for example.

本発明に関わる発光素子は、例えば光通信用のレーザダイオードへと応用することが可能である。   The light emitting device according to the present invention can be applied to a laser diode for optical communication, for example.

本発明の実施例に関わる面発光型半導体レーザの模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the surface emitting semiconductor laser in connection with the Example of this invention. 従来型の面発光型半導体レーザの模式的な断面図である。It is a typical sectional view of a conventional surface emitting semiconductor laser. 本発明の実施例に関わる面発光型半導体レーザおよび従来型の面発光型半導体レーザの電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the surface emitting semiconductor laser in connection with the Example of this invention, and the conventional surface emitting semiconductor laser.

符号の説明Explanation of symbols

1 Siドープn型GaAs基板
2 第1の反射鏡(下部多層反射膜)
3 第1導電型の第1のクラッド層(Siドープn型GaAsクラッド層)
4 活性層(アンドープGaInNAs活性層)
5 第2導電型の第2のクラッド層(Znドープp型GaAsクラッド層)
6 第2の反射鏡(上部多層反射膜)
7 コンタクト層(Znドープp型GaAsコンタクト層)
15 下部電極(AuGeNi下部電極)
16 上部電極(AuZn上部電極)
17 金ワイヤー
1 Si-doped n-type GaAs substrate 2 First reflecting mirror (lower multilayer reflecting film)
3 First conductivity type first cladding layer (Si-doped n-type GaAs cladding layer)
4 Active layer (undoped GaInNAs active layer)
5 Second conductivity type second cladding layer (Zn-doped p-type GaAs cladding layer)
6 Second reflector (upper multilayer reflective film)
7 Contact layer (Zn-doped p-type GaAs contact layer)
15 Lower electrode (AuGeNi lower electrode)
16 Upper electrode (AuZn upper electrode)
17 gold wire

Claims (6)

基板上に、少なくとも第1導電型の第1のクラッド層、活性層、および第2導電型の第2のクラッド層とがエピタキシャル成長されて成り、且つ前記第1のクラッド層の膜厚をd1、前記第2のクラッド層の膜厚をd2、前記第1のクラッド層の屈折率をn1、前記第2のクラッド層の屈折率をn2としたとき、下記の式
(d1/n1)=(d2/n2
が成立することを特徴とする半導体レーザ用エピタキシャルウェハ。
On the substrate, at least a first conductivity type first clad layer, an active layer, and a second conductivity type second clad layer are epitaxially grown, and the thickness of the first clad layer is d 1. When the film thickness of the second cladding layer is d 2 , the refractive index of the first cladding layer is n 1 , and the refractive index of the second cladding layer is n 2 , the following formula (d 1 / n 1 ) = (d 2 / n 2 )
An epitaxial wafer for a semiconductor laser, wherein:
請求項1記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいて、
第1のクラッド層と基板との間に第1の反射鏡が、第2のクラッド層の上に第2の反射鏡が設けられ、また、電流注入のための電極として基板に下部電極が、第2の反射鏡に上部電極が形成されていることを特徴とする半導体レーザ用エピタキシャルウェハ。
In the epitaxial wafer for semiconductor lasers of Claim 1,
A first reflecting mirror is provided between the first cladding layer and the substrate, a second reflecting mirror is provided on the second cladding layer, and a lower electrode is provided on the substrate as an electrode for current injection. An epitaxial wafer for a semiconductor laser, wherein an upper electrode is formed on the second reflecting mirror.
請求項2記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいて、
第2の反射鏡と上部電極の間に、オーミックコンタクトをとるためのコンタクト層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ用エピタキシャルウェハ。
In the epitaxial wafer for semiconductor lasers of Claim 2,
An epitaxial wafer for a semiconductor laser, wherein a contact layer for taking ohmic contact is provided between the second reflecting mirror and the upper electrode.
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいて、
前記活性層が、III族元素としてガリウム、インジウム、アルミニウムのうち少なくとも1種類の元素を用い、且つV族元素として燐、砒素、窒素、アンチモンのうち少なくとも1種類の元素を用いた、少なくとも1層の化合物半導体層を含むことを特徴とする半導体レーザ用エピタキシャルウェハ。
In the epitaxial wafer for semiconductor lasers in any one of Claims 1-3,
At least one layer in which the active layer uses at least one element of gallium, indium and aluminum as a group III element and at least one element of phosphorus, arsenic, nitrogen and antimony as a group V element An epitaxial wafer for a semiconductor laser comprising: a compound semiconductor layer.
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハにおいて、
前記活性層が、III族元素としてガリウムおよびインジウムを含み、V族元素として窒素および砒素を同時に含むことを特徴とする半導体レーザ用エピタキシャルウェハ。
In the epitaxial wafer for semiconductor lasers in any one of Claims 1-3,
An epitaxial wafer for a semiconductor laser, wherein the active layer contains gallium and indium as group III elements and simultaneously contains nitrogen and arsenic as group V elements.
請求項1〜5のいずれかに記載の半導体レーザ用エピタキシャルウェハを切り分けることにより作製されたことを特徴とする半導体レーザ。   A semiconductor laser produced by cutting the semiconductor wafer epitaxial wafer according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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