JP2005311175A - Surface emitting laser and light transmission system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface emitting laser wherein a current constriction structure can be formed with superior yield and sufficient controllability, stable laser property is installed, a planarize process is unnecessary, and mechanical strength is high. <P>SOLUTION: A lower semiconductor multilayer reflector (lower semiconductor DBR), a lower spacer layer, an activity layer, an upper spacer layer, a first upper semiconductor multilayer reflector (first upper semiconductr DBR), and a second upper multilayer reflector (second upper DBR), are arranged in order on a semiconductor substrate. In at least a part of layer of the first upper semiconductor multilayer reflector, a plurality of holes for high resistor region formation are arranged, oxidation is performed from a plurality of the holes, and high resistor regions are formed around the holes, so that a current constriction layer is formed which consists of a conductive region and the high resistor regions formed around the holes. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、面発光レーザ及び光伝送システムに関する。   The present invention relates to a surface emitting laser and an optical transmission system.

面発光レーザ(VCSEL)は、半導体基板と垂直方向にレーザ共振器を構成し、一対の電極から電流を注入し、発振光を基板と垂直に出射するレーザであり、次のような利点をもつ。   A surface emitting laser (VCSEL) is a laser that forms a laser resonator in a direction perpendicular to a semiconductor substrate, injects current from a pair of electrodes, and emits oscillation light perpendicular to the substrate, and has the following advantages. .

すなわち、活性層体積を小さくできることから、低いしきい値電流,低い消費電力で駆動できる。また、共振器のモード体積が小さいため、数十GHzの変調が可能であり、高速伝送に向く。また、出射光の広がり角が小さく、光ファイバへの結合が容易である。また、面発光レーザは、作製にへき開を必要とせず素子面積も小さいので、並列化及び2次元高密度アレイ化が容易である。   That is, since the active layer volume can be reduced, it can be driven with a low threshold current and low power consumption. Further, since the mode volume of the resonator is small, modulation of several tens of GHz is possible, which is suitable for high-speed transmission. Further, the spread angle of the emitted light is small, and the coupling to the optical fiber is easy. In addition, since the surface emitting laser does not require cleavage for production and has a small element area, it is easy to parallelize and form a two-dimensional high-density array.

このため、VCSELは、LANなどの光伝送用光源への適用にとどまらず、ボード間,ボード内,LSIのチップ間,チップ内の光伝送用光源への適用が期待されている。   For this reason, the VCSEL is expected to be applied not only to an optical transmission light source such as a LAN but also to an optical transmission light source between boards, within a board, between LSI chips, and within a chip.

VCSELは、次のような構成をとる。すなわち、基板側と表面側に、一対の高反射率の反射鏡が設けられ、これらの反射鏡の間に活性層が設けられ、活性層と2つの反射鏡の間に、上下2つのスペーサ層が設けられる。   The VCSEL has the following configuration. That is, a pair of high-reflectivity mirrors are provided on the substrate side and the surface side, an active layer is provided between these mirrors, and two upper and lower spacer layers are provided between the active layer and the two reflectors. Is provided.

さらに、しきい値電流を小さくするため、活性層近傍に電流を閉じ込める電流狭窄構造が設けられる。この電流狭窄構造は、多くの場合、発光部近傍以外の領域に高抵抗領域を形成する方法がとられ、代表的なものとしては、プロトンイオン注入法,選択酸化法が知られている。   Furthermore, in order to reduce the threshold current, a current confinement structure for confining current in the vicinity of the active layer is provided. In this current confinement structure, in many cases, a method of forming a high resistance region in a region other than the vicinity of the light emitting portion is taken, and representative examples include a proton ion implantation method and a selective oxidation method.

ここで、プロトンイオン注入法は、例えば、非特許文献1に示されているように、素子構成膜の表面からプロトンをイオン注入し高抵抗領域を形成する方法である。   Here, the proton ion implantation method is, for example, a method of forming a high resistance region by implanting proton ions from the surface of the element constituent film as shown in Non-Patent Document 1.

また、選択酸化法は、例えば、非特許文献2に示されているように、Al(Ga)As膜を含む素子構成膜の上部をエッチングによりメサ状に加工した後、Al(Ga)As膜を水蒸気中で熱処理しメサ側壁から酸化し高抵抗領域を形成する方法である。   In addition, as shown in Non-Patent Document 2, for example, the selective oxidation method processes an upper part of an element configuration film including an Al (Ga) As film into a mesa shape by etching, and then forms an Al (Ga) As film. Is heat-treated in water vapor and oxidized from the mesa side wall to form a high resistance region.

これらの2つの方法のうち、選択酸化法が、電流の閉じ込めのほかに、導電性の非酸化部と高抵抗の酸化領域の屈折率差が大きいので、光の閉じ込めも可能となり、単一モード発振が得やすいなどの理由で、近年多くのVCSELで採用されている。   Of these two methods, the selective oxidation method, in addition to current confinement, has a large difference in refractive index between the conductive non-oxidized portion and the high-resistance oxidized region, so that light confinement is possible and single mode is achieved. In recent years, it has been adopted in many VCSELs for reasons such as easy oscillation.

しかしながら、選択酸化法は、発光部で発生する熱の放熱を良くするためと機械的強度を持たせるためと側壁でのキャリアの再結合分を少なくするために、メサの膜面方向の寸法は30×30μm程度以上必要となるが、狭窄部寸法は5×5μm程度であるので、12μm以上の酸化距離となり、多くの場合では、この酸化距離を再現性良く得るのは困難であるという問題がある。 However, in the selective oxidation method, in order to improve the heat dissipation of the heat generated in the light emitting part, to give mechanical strength, and to reduce the amount of carrier recombination on the side wall, the dimension of the mesa film surface direction is 30 × 30 μm 2 or more is required, but the constriction size is about 5 × 5 μm 2 , so the oxidation distance is 12 μm or more. In many cases, it is difficult to obtain this oxidation distance with good reproducibility. There's a problem.

また、少なくとも活性層に近い被選択酸化層の側面を露出させて酸化する必要があるため、メサの高さは3.5〜9μmとなり、素子表面の凹凸が大きくなる。このため、上部電極形成や実装時に厚い保護膜を形成するなどの平坦化処理が必要となり、且つ、メサの破損を防ぐためメサに荷重を加えない工程の設定が必要となる。   Further, since it is necessary to expose and oxidize at least the side surface of the selective oxidation layer close to the active layer, the height of the mesa becomes 3.5 to 9 μm, and the unevenness of the element surface becomes large. For this reason, it is necessary to perform a flattening process such as forming an upper electrode or forming a thick protective film at the time of mounting, and to set a process in which no load is applied to the mesa in order to prevent the mesa from being damaged.

このような選択酸化法による電流狭窄工程の問題を解決するため、例えば特許文献1,特許文献2には、Al(Ga)As被選択酸化層を含む素子構成膜を形成した後に、表面から被選択酸化層に達する複数の孔をエッチングにより設け、これらの孔を介して水蒸気を導入し、熱処理して電流狭窄構造を形成する方法が示されている。   In order to solve the problem of the current confinement process by the selective oxidation method, for example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, an element configuration film including an Al (Ga) As selective oxidation layer is formed and then covered from the surface. A method is shown in which a plurality of holes reaching the selective oxidation layer are formed by etching, water vapor is introduced through these holes, and heat treatment is performed to form a current confinement structure.

この方法によれば、短い酸化距離で電流狭窄構造を形成でき、素子表面の平坦化もできる。   According to this method, the current confinement structure can be formed with a short oxidation distance, and the element surface can be flattened.

しかし、Al(Ga)As被選択酸化層の半導体素子構成膜の表面からの深さは3〜6.5μmの位置にあり、これらの孔はこの選択酸化層に達する必要があり、かつ、キャリアの非発光再結合を防ぐため上部スペーサ層に達しないようにする必要がある。このため、孔の深さの精度は±0.2μm以内が必要である。   However, the depth of the Al (Ga) As selectively oxidized layer from the surface of the semiconductor element constituting film is in the position of 3 to 6.5 μm, and these holes need to reach this selectively oxidized layer, and the carrier In order to prevent non-radiative recombination, it is necessary not to reach the upper spacer layer. For this reason, the accuracy of the hole depth needs to be within ± 0.2 μm.

通常これらの孔はドライエッチング法で作成されるが、発光分光法などのエッチングモニター法を用いてもエッチング深さの制御性は±5パーセント程度であり。この必要精度を得るのは困難である。
B.Tell et al.,Appl. Phys. Lett., 57(1990)1855 K.D.Choquette et al.IEEE Photonics Techology Letters. 7(1995)1237 特許第3162333号 特開平11−103129
Normally, these holes are formed by a dry etching method, but even if an etching monitoring method such as emission spectroscopy is used, the controllability of the etching depth is about ± 5%. It is difficult to obtain this necessary accuracy.
B. Tell et al. , Appl. Phys. Lett. , 57 (1990) 1855 K. D. Choquette et al. IEEE Photonics Technology Letters. 7 (1995) 1237 Japanese Patent No. 3162333 JP-A-11-103129

本発明は、歩留よく、制御性よく電流狭窄構造を形成することができ、安定したレーザ特性を持つ、平坦化工程が不用な、機械的強度が高い面発光レーザ(VCSEL)及び光伝送システムを提供することを目的としている。   The present invention is capable of forming a current confinement structure with good yield and controllability, has a stable laser characteristic, does not require a flattening process, and has a high mechanical strength and a surface emitting laser (VCSEL) and an optical transmission system The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、半導体基板上に、下部半導体多層膜反射鏡(下部半導体DBR)、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、第1の上部半導体多層膜反射鏡(第1の上部半導体DBR)、第2の上部多層膜反射鏡(第2の上部DBR)が順次に設けられ、前記第1の上部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部の層には、複数の高抵抗領域形成用孔が設けられ、複数の高抵抗領域形成用孔から酸化を施して高抵抗領域形成用孔の周辺に高抵抗領域を形成することで、導電性領域と前記高抵抗領域形成用孔の周辺に形成された高抵抗領域とからなる電流狭窄層が形成されていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a lower semiconductor multilayer mirror (lower semiconductor DBR), a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, and a first upper semiconductor multilayer on a semiconductor substrate. A film reflecting mirror (first upper semiconductor DBR) and a second upper multilayer reflecting mirror (second upper DBR) are sequentially provided on at least a part of the first upper semiconductor multilayer reflecting mirror. Is provided with a plurality of holes for forming a high resistance region, and by oxidizing the plurality of holes for forming a high resistance region to form a high resistance region around the hole for forming a high resistance region, A current confinement layer comprising a high resistance region formed around the high resistance region forming hole is formed.

また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電性領域は、Al(Ga)As層からなり、前記高抵抗領域は、前記Al(Ga)As層が前記高抵抗領域形成用孔を通して供給された酸化種により酸化された層からなっていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the first aspect, the conductive region of the current confinement layer is an Al (Ga) As layer, and the high resistance region is the Al (Ga) layer. The As layer is composed of a layer oxidized by an oxidizing species supplied through the high resistance region forming hole.

また、請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2記載の面発光レーザにおいて、前記第2の上部多層膜反射鏡(第2の上部DBR)の少なくとも一部は、誘電体多層膜からなっていることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the first or second aspect of the present invention, at least part of the second upper multilayer mirror (second upper DBR) is a dielectric multilayer film. It is characterized by comprising.

また、請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、前記高抵抗領域形成用孔は、少なくとも内面が、素子構成膜よりも低い屈折率の材料で被覆または充填されていることを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to any one of the first to third aspects, at least the inner surface of the hole for forming the high resistance region is refracted lower than the element constituent film. It is characterized in that it is coated or filled with a rate of material.

また、請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、活性層は、GaInNAs系材料を含んでいることを特徴としている。   The invention according to claim 5 is the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the active layer contains a GaInNAs-based material.

また、請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の面発光レーザが発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システムである。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an optical transmission system in which the surface emitting laser according to any one of the first to fifth aspects is used as a light emitting device.

請求項1記載の発明によれば、上部DBRを2つに分け、下層の上部DBR(第1の上部半導体DBR)の表面から高抵抗領域形成用孔が設けられる構成となっているので、高精度に再現性良く高抵抗領域形成用孔を形成可能であって、このような高抵抗領域形成用孔を利用して、制御性よく電流狭窄構造を形成することができ、安定したレーザ特性を持つ、平坦化工程が不用な、機械的強度が高い面発光レーザ(VCSEL)を提供することができる。   According to the first aspect of the present invention, the upper DBR is divided into two, and the high resistance region forming hole is provided from the surface of the lower upper DBR (first upper semiconductor DBR). The hole for forming the high resistance region can be formed with high accuracy and reproducibility. By using such a hole for forming the high resistance region, the current confinement structure can be formed with good controllability, and stable laser characteristics can be obtained. It is possible to provide a surface emitting laser (VCSEL) that has a high mechanical strength and does not require a planarization step.

より詳細に、次の利点をもつ面発光レーザ(VCSEL)が高い歩留まりで得られる。すなわち、請求項1の発明の面発光レーザでは、短い酸化距離で電流狭窄構造を形成できるので、電流狭窄構造形成工程での歩留まりが向上する。また、放熱性に劣るメサ構造をとる必要がなく、素子の温度が上昇しにくくなるので、安定したレーザ特性が得られる。また、凹凸のあるメサ構造をとる必要がないため、平坦化工程が不用で、機械的破損の耐性も高くなる。   More specifically, a surface emitting laser (VCSEL) having the following advantages can be obtained with a high yield. That is, in the surface emitting laser according to the first aspect of the present invention, the current confinement structure can be formed with a short oxidation distance, so that the yield in the current confinement structure forming process is improved. Further, it is not necessary to adopt a mesa structure that is inferior in heat dissipation, and the temperature of the element is hardly increased, so that stable laser characteristics can be obtained. In addition, since it is not necessary to have an uneven mesa structure, a flattening process is unnecessary and resistance to mechanical breakage is increased.

また、請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電性領域は、Al(Ga)As層からなり、前記高抵抗領域は、前記Al(Ga)As層が前記高抵抗領域形成用孔を通して供給された酸化種により酸化された層からなっており、反応条件を変えることによって適度に酸化速度を調節できるAl(Ga)As層を高抵抗可能層として用いているので、電流狭窄構造形成の制御性をより一層高めることができる。   According to a second aspect of the present invention, in the surface emitting laser according to the first aspect, the conductive region of the current confinement layer is made of an Al (Ga) As layer, and the high resistance region is made of the Al ( The Ga) As layer is composed of a layer oxidized by the oxidizing species supplied through the hole for forming the high resistance region, and the Al (Ga) As layer can be adjusted to a suitable resistance by changing the reaction conditions. Since it is used as a possible layer, the controllability of forming the current confinement structure can be further enhanced.

また、請求項3記載の発明によれば、第2の上部DBRとして、このDBRへの適応性が高い誘電体DBRを用いているので、より容易に、請求項1の作用効果が得られる。   According to the invention described in claim 3, since the dielectric DBR having high adaptability to the DBR is used as the second upper DBR, the function and effect of claim 1 can be obtained more easily.

また、請求項4記載の発明によれば、高抵抗部形成用孔の少なくとも内面が、素子構成膜より低い屈折率材料で被覆又は充填されているので、光の閉じ込めが良好になり、低いしきい値電流の、高い発光効率の、出力光のモードが制限された面発光レーザが得られる。また、高抵抗部形成用孔の内面の欠陥が低減するので、キャリアの非発光再結合が低減し、これによって、低いしきい値電流の、高い発光効率の面発光レーザが得られる。   According to the invention of claim 4, since at least the inner surface of the high resistance portion forming hole is covered or filled with a refractive index material lower than that of the element constituent film, the light confinement becomes good and low. A surface emitting laser with a high threshold current, a high luminous efficiency, and a limited mode of output light can be obtained. Further, since defects on the inner surface of the hole for forming the high resistance portion are reduced, non-radiative recombination of carriers is reduced, whereby a surface emitting laser having a low threshold current and a high emission efficiency can be obtained.

また、請求項5記載の発明によれば、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、活性層は、GaInNAs系材料を含んでいるので、歩留まり良くかつ制御性良く電流狭窄構造を形成できるGaInNAs系面発光レーザを得ることができる。よって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さく、光伝送に適用性の高い面発光レーザを提供できる。   According to the invention described in claim 5, in the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 4, the active layer includes a GaInNAs-based material, so that the yield is high and controllability is improved. A GaInNAs surface emitting laser capable of forming a current confinement structure can be obtained. Accordingly, it is possible to provide a surface emitting laser having higher performance laser characteristics, lower manufacturing cost, and high applicability to optical transmission.

また、請求項6記載の発明によれば、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の面発光レーザが発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システムであるので、より高性能でより低コストなデータ伝送システムを提供することができる。
Further, according to the invention described in claim 6, since the surface emitting laser according to any one of claims 1 to 5 is used as a light emitting device, the optical transmission system is further improved. A data transmission system with lower performance can be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

(第1の形態)
本発明の第1の形態は、半導体基板上に、下部半導体多層膜反射鏡(下部半導体DBR)、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、第1の上部半導体多層膜反射鏡(第1の上部半導体DBR)、第2の上部多層膜反射鏡(第2の上部DBR)が順次に設けられ、前記第1の上部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部の層には、複数の高抵抗領域形成用孔が設けられ、複数の高抵抗領域形成用孔から酸化を施して高抵抗領域形成用孔の周辺に高抵抗領域を形成することで、導電性領域と前記高抵抗領域形成用孔の周辺に形成された高抵抗領域とからなる電流狭窄層が形成されていることを特徴とする面発光レーザ(VCSEL)である。
(First form)
According to a first aspect of the present invention, a lower semiconductor multilayer reflector (lower semiconductor DBR), a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, a first upper semiconductor multilayer reflector (first mirror) are formed on a semiconductor substrate. An upper semiconductor DBR) and a second upper multilayer reflector (second upper DBR) are sequentially provided, and at least a part of the first upper semiconductor multilayer reflector includes a plurality of high resistance regions. Forming holes, and oxidizing the plurality of high resistance region forming holes to form high resistance regions around the high resistance region forming holes, thereby forming the conductive regions and the high resistance region forming holes. A surface emitting laser (VCSEL) characterized in that a current confinement layer comprising a high resistance region formed in the periphery is formed.

なお、ここで、第1の上部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部の領域に接続して上部電極が設けられ、また、下部スペーサ層と基板との間のいずれかの層の少なくとも一部の領域に接続して下部電極が設けられている。   Here, an upper electrode is provided in connection with at least a part of the first upper semiconductor multilayer film reflecting mirror, and at least a part of any layer between the lower spacer layer and the substrate is provided. A lower electrode is provided in connection with the region.

また、上記本発明の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電性領域は、Al(Ga)As層からなり、前記高抵抗領域は、前記Al(Ga)As層が前記高抵抗領域形成用孔を通して供給された酸化種により酸化された層からなっている。   In the surface emitting laser of the present invention, the conductive region of the current confinement layer is an Al (Ga) As layer, and the high resistance region is formed by the Al (Ga) As layer for forming the high resistance region. It consists of a layer oxidized by oxidizing species supplied through the holes.

また、上記面発光レーザにおいて、前記第2の上部多層膜反射鏡(第2の上部DBR)の少なくとも一部は、誘電体多層膜からなっている。   In the surface emitting laser, at least a part of the second upper multilayer reflector (second upper DBR) is made of a dielectric multilayer film.

図1,図2は上述した本発明の面発光レーザの基本構成例を示す図である。なお、図1は平面図(後述する高抵抗化可能層での横断面図)であり、図2は図1のA−A線における断面図である。   1 and 2 are views showing an example of the basic configuration of the surface emitting laser of the present invention described above. 1 is a plan view (a cross-sectional view of a high-resistance layer described later), and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.

図1,図2を参照すると、GaAs,InP,GaP,GaNAs,Si,Geなどの半導体基板上に、下部半導体多層膜反射鏡(下部半導体DBR),下部スペーサ層,活性層,上部スペーサ層,第1の上部半導体多層膜反射鏡(第1の上部半導体DBR),上部電極,第2の上部多層膜反射鏡(第2の上部DBR)が順次に形成されている。   Referring to FIGS. 1 and 2, on a semiconductor substrate such as GaAs, InP, GaP, GaNAs, Si, Ge, etc., a lower semiconductor multilayer reflector (lower semiconductor DBR), a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, A first upper semiconductor multilayer reflector (first upper semiconductor DBR), an upper electrode, and a second upper multilayer reflector (second upper DBR) are sequentially formed.

下部半導体DBRは、基板との組み合わせ(下部半導体DBR/基板)としては、AlAs/GaAs,AlGaAs/GaAs,GaInP/GaAs,AlGaN/GaN,GaInAsP/InP,AlGaInAs/InPなどの多層膜からなっている。これらの基板及び下部半導体DBRで駆動電流の経路となる部位には、不純物をドープし導電性をもたせている。   The lower semiconductor DBR is composed of a multilayer film such as AlAs / GaAs, AlGaAs / GaAs, GaInP / GaAs, AlGaN / GaN, GaInAsP / InP, AlGaInAs / InP as a combination with the substrate (lower semiconductor DBR / substrate). . In these substrates and the lower semiconductor DBR, the portion that becomes the path of the drive current is doped with impurities to have conductivity.

また、活性層は、発振波長により選択され、基板との組み合わせ(活性層/基板)としては、GaInAsP/InP[1.3μm帯,1.55μm帯]、GaInNAs/GaAs[1.3μm帯,1.55μm帯]、GaInAs/GaAs[0.98μm帯]、GaAlAs/GaAs[0.85μm帯]、AlGaInP/GaAs[0.65μm帯]などが挙げられる。   The active layer is selected according to the oscillation wavelength, and combinations with the substrate (active layer / substrate) include GaInAsP / InP [1.3 μm band, 1.55 μm band], GaInNAs / GaAs [1.3 μm band, 1 .55 μm band], GaInAs / GaAs [0.98 μm band], GaAlAs / GaAs [0.85 μm band], AlGaInP / GaAs [0.65 μm band], and the like.

また、上部スペーサ層,下部スペーサ層は、共振器長を調節し、また、キャリアを活性層まで輸送する働きをし、発光する光に透明である必要がある。具体的に、上部スペーサ層,下部スペーサ層は、活性層材料によりGaAs,InP,GaInAsP,GaAlAs,AlGaInP,GaInPなどから選択される。   Further, the upper spacer layer and the lower spacer layer have a function of adjusting the resonator length, transporting carriers to the active layer, and being transparent to the emitted light. Specifically, the upper spacer layer and the lower spacer layer are selected from GaAs, InP, GaInAsP, GaAlAs, AlGaInP, GaInP, and the like depending on the active layer material.

また、第1の上部半導体多層膜反射鏡(第1の上部半導体DBR)は、AlAs/GaAs,AlGaAs/GaAs,GaInP/GaAs,AlGaN/GaN,GaInAsP/InP,AlGaInAs/InPなどの多層膜で構成され、不純物がドープされて下部半導体DBRとは反対の導電性のものとなっている。具体的に、第1の上部半導体DBRの層数は、10ペア以下であることが、後述の高抵抗領域形成用孔を形成するエッチング工程で必要とされるエッチング深さの制御性が±5パーセント以内となるので好ましい。   The first upper semiconductor multilayer mirror (first upper semiconductor DBR) is composed of a multilayer film such as AlAs / GaAs, AlGaAs / GaAs, GaInP / GaAs, AlGaN / GaN, GaInAsP / InP, and AlGaInAs / InP. Then, the impurity is doped to have a conductivity opposite to that of the lower semiconductor DBR. Specifically, the number of layers of the first upper semiconductor DBR is 10 pairs or less, and the controllability of the etching depth required in an etching process for forming a high resistance region forming hole described later is ± 5. It is preferable because it is within a percentage.

また、後述の高抵抗領域形成用孔を介した処理により高抵抗化が可能になる材料からなる高抵抗化可能層は、材料がAlGa1−xAs(0<x≦1)[以下Al(Ga)Asとする]であるのが、酸化した領域と酸化しない領域の屈折率の差が大きく光を閉じ込める作用も大きいので望ましい。なお、xの値は、0.95以上であれば、酸化速度が制御可能なほど大きくなるので望ましい。 In addition, the high resistance layer made of a material that can be increased in resistance by processing through a hole for forming a high resistance region, which will be described later, is made of Al x Ga 1-x As (0 <x ≦ 1) [below Al (Ga) As] is desirable because the difference in refractive index between the oxidized region and the non-oxidized region is large and the effect of confining light is great. If the value of x is 0.95 or more, it is desirable because the oxidation rate becomes so large that it can be controlled.

なお、高抵抗化可能層は、上部スペーサ層中に設ける場合もあるが、低屈折率層として第1の上部半導体DBR中に含まれるのが望ましい。   The high resistance layer may be provided in the upper spacer layer, but is preferably included in the first upper semiconductor DBR as a low refractive index layer.

上記半導体膜(下部半導体DBR,下部スペーサ層,活性層,上部スペーサ層,第1の上部半導体多層膜反射鏡(第1の上部半導体DBR))の成長法としては、MOCVD法(metalorganic chemical vapor deposition)、あるいは、MOMBE法(metalorganic molecular beam epitaxy)、あるいは、CBE法(chemical beam epitaxy)などを用いることができる。   As a growth method of the semiconductor film (lower semiconductor DBR, lower spacer layer, active layer, upper spacer layer, first upper semiconductor multilayer mirror (first upper semiconductor DBR)), MOCVD (metal organic chemical deposition) is used. ), MOMBE method (metalorganic molecular epitaxy), CBE method (chemical beam epitaxy), or the like can be used.

そして、第1の上部半導体DBRの表面からエッチングして高抵抗領域形成用孔を形成することができる。   Then, the high resistance region forming hole can be formed by etching from the surface of the first upper semiconductor DBR.

この高抵抗領域形成用孔の断面形状は、閉じた形状であればよく、円形,矩形,多角形,楕円形など任意の形状をとることができる。また、この高抵抗領域形成用孔の数,寸法,配置なども限定されない。   The cross-sectional shape of the high resistance region forming hole may be a closed shape, and may take any shape such as a circle, a rectangle, a polygon, and an ellipse. Further, the number, size, arrangement and the like of the high resistance region forming holes are not limited.

また、この高抵抗領域形成用孔の底部は、高抵抗化可能層を貫通し上部スペーサ層までは達しない位置に設けることが望ましい。   Further, it is desirable that the bottom of the hole for forming the high resistance region is provided at a position that penetrates the high resistance layer and does not reach the upper spacer layer.

この高抵抗領域形成用孔を形成するためのエッチング方法としては、ドライエッチング又はウェットエッチングをとり得るが、サイドエッチの速度に対して垂直方向のエッチング速度が大きいので、ドライエッチングが好ましい。さらに、ドライエッチングの方式としては、よりエッチング異方性を大きくとれるICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング法やECR(Electron Cycrotron Resonance)エッチング法などの高密度プラズマ源を用いる方式が好ましい。   As an etching method for forming the hole for forming the high resistance region, dry etching or wet etching can be used. However, dry etching is preferable because the etching rate in the direction perpendicular to the side etching rate is large. Further, as a dry etching method, a method using a high-density plasma source such as an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method or an ECR (Electron Cyclotron Resonance) etching method which can increase etching anisotropy is preferable.

この高抵抗領域形成用孔を用いて電流狭窄構造を次のように形成することができる。すなわち、気体の流れ,イオン注入,熱拡散等により、この高抵抗領域形成用孔を介して活性層近傍の半導体にHO,O,H元素,O元素を導入し、高抵抗領域形成用孔の周辺の高抵抗化可能層を高抵抗領域に変化させ、活性層の発光させる領域近傍だけを導電性のまま残すことにより、電流狭窄構造を形成することができる。特に、Al(Ga)As層を高抵抗化可能層に用いた場合は、水蒸気またはOガスを導入し、400℃程度の熱処理で、電流狭窄構造を作製できる。 Using this high resistance region forming hole, a current confinement structure can be formed as follows. That is, H 2 O, O 2 , H element and O element are introduced into the semiconductor in the vicinity of the active layer through this high resistance region forming hole by gas flow, ion implantation, thermal diffusion, etc. to form a high resistance region. The current confinement structure can be formed by changing the high-resistance layer around the hole to a high-resistance region and leaving only the vicinity of the light-emitting region of the active layer conductive. In particular, when an Al (Ga) As layer is used for the high resistance layer, a current confinement structure can be formed by introducing water vapor or O 2 gas and performing heat treatment at about 400 ° C.

また、上部電極は、Auなどを主体にした金属から形成され、光出力が素子表面方向の場合、光出力部には電極がない形状にリフトオフ法等により形成される。なお、上部電極形成時に、電流狭窄構造を形成するためには、上部電極材料は高抵抗領域形成用孔の底部に入り込まないことが望ましい。この構成は、電極材料の斜め蒸着法や、高抵抗領域形成用孔の入り口をSiO,SiN,有機材料などで被覆した後に電極膜を形成する方法により実現できる。 Further, the upper electrode is formed of a metal mainly composed of Au or the like, and when the light output is in the direction of the element surface, the upper electrode is formed by a lift-off method or the like in a shape having no electrode in the light output portion. In order to form a current confinement structure when forming the upper electrode, it is desirable that the upper electrode material does not enter the bottom of the high resistance region forming hole. This configuration can be realized by an oblique deposition method of an electrode material or a method of forming an electrode film after covering the entrance of the high resistance region forming hole with SiO 2 , SiN, an organic material, or the like.

また、第2の上部DBRは、試料表面に形成される。第2の上部DBRとしては、半導体DBRとすることもできるが、第2の上部DBRを形成する時点での試料表面には、多数の高抵抗領域形成用孔と電極が存在するので、半導体のエピタキシャル成長は困難である。従って、第2の上部DBRとしては、作製が簡便な上に屈折率差を大きく取れることから(すなわち、少ない層数で高い反射率が得られることから)、誘電体多層膜反射鏡(誘電体DBR)が望ましい。   The second upper DBR is formed on the sample surface. The second upper DBR may be a semiconductor DBR, but since there are many high resistance region forming holes and electrodes on the surface of the sample at the time of forming the second upper DBR, Epitaxial growth is difficult. Accordingly, the second upper DBR is easy to manufacture and can have a large difference in refractive index (that is, a high reflectance can be obtained with a small number of layers). DBR) is preferred.

誘電体DBRとしては、例えば、ZrO/SiO,MgO/SiO,MgO/Si,Al/MgFなどの多層膜が挙げられ、誘電体DBRは絶縁体なので、上部電極のパッド部を除いて素子全面のみならずアレイ全面に形成できる。 Examples of the dielectric DBR include multilayer films such as ZrO 2 / SiO 2 , MgO / SiO 2 , MgO / Si, and Al 2 O 3 / MgF 2. Since the dielectric DBR is an insulator, the pad of the upper electrode is used. It can be formed not only on the entire surface of the element but also on the entire surface of the array.

誘電体膜と電極膜の成長法としては、例えば、電子ビーム蒸着法,スパッタリング法,抵抗加熱法、CVD法(chemical vapor deposition)を用いることができる。   As a growth method of the dielectric film and the electrode film, for example, an electron beam vapor deposition method, a sputtering method, a resistance heating method, or a CVD method (chemical vapor deposition) can be used.

また、素子の分離領域は、狭いトレンチ構造を設けたり、プロトンや酸素イオンのイオン注入等で形成することができる。   The isolation region of the element can be formed by providing a narrow trench structure or ion implantation of protons or oxygen ions.

図3は本発明の面発光レーザの第1の構成例を示す図である。図3を参照すると、第1の構成例の面発光レーザは、n型基板上に、下部n型半導体DBR、下部ノンドープスペーサ層、活性層、上部ノンドープスペーサ層、第1の上部p型半導体DBRが順次エピタキシャル成長され、この第1の上部p型半導体DBRの下から3ペア目の低屈折率層にp型Al(Ga)As高抵抗化可能層が設けられている。そして、SiO膜をマスクとしてECRエッチング法により第1の上部p型半導体DBRの共振器領域の周辺に高抵抗領域形成用孔が多数開けられている。なお、この孔の底部は、第1の上部p型半導体DBRの下層の2ペア中になるようにしている。そして、この高抵抗領域形成用孔に、高抵抗化する分子または元素を導入して電流狭窄構造を形成することができる。そして、SiO膜を除去した後、第1の上部p型半導体DBR上に、上部p−オーミック電極が形成されている。なお、この上部p−オーミック電極は、光出力領域では開口している。 FIG. 3 is a diagram showing a first configuration example of the surface emitting laser according to the present invention. Referring to FIG. 3, the surface emitting laser of the first configuration example includes a lower n-type semiconductor DBR, a lower non-doped spacer layer, an active layer, an upper non-doped spacer layer, and a first upper p-type semiconductor DBR on an n-type substrate. Are sequentially epitaxially grown, and a p-type Al (Ga) As high resistance layer is provided in the third pair of low refractive index layers from the bottom of the first upper p-type semiconductor DBR. Then, a number of holes for forming a high resistance region are formed around the resonator region of the first upper p-type semiconductor DBR by ECR etching using the SiO 2 film as a mask. Note that the bottoms of the holes are in two pairs of lower layers of the first upper p-type semiconductor DBR. Then, a current confinement structure can be formed by introducing molecules or elements that increase the resistance into the high resistance region forming hole. Then, after removing the SiO 2 film, an upper p-ohmic electrode is formed on the first upper p-type semiconductor DBR. This upper p-ohmic electrode is open in the light output region.

そして、上部p−オーミック電極の配線接続部である電極パッド部を除いた面に第2の上部誘電体(ZrO/SiO)DBRが形成されている。 A second upper dielectric (ZrO 2 / SiO 2 ) DBR is formed on the surface excluding the electrode pad portion that is the wiring connection portion of the upper p-ohmic electrode.

そして、基板裏面にはn−オーミック電極が形成されている。   An n-ohmic electrode is formed on the back surface of the substrate.

このような構成の面発光レーザでは、p側電極,n側電極から、それぞれ、正キャリア,負キャリアを注入して活性層で発光させ、基板に垂直方向にレーザ発振させることができる。そして、光出力は素子表面側から取り出される。   In the surface emitting laser having such a configuration, positive and negative carriers can be injected from the p-side electrode and the n-side electrode, respectively, to emit light in the active layer, and laser oscillation can be performed in a direction perpendicular to the substrate. The light output is taken out from the element surface side.

上述した本発明の面発光レーザは、上部DBRを2つに分け、下層の上部DBR(第1の上部DBR)の表面から高抵抗領域形成用孔が設けられる構成となっているので、高精度に再現性良く高抵抗領域形成用孔を形成可能であって、このような高抵抗領域形成用孔を利用して、制御性よく電流狭窄構造を形成することができ、安定したレーザ特性を持つ、平坦化工程が不用な、機械的強度が高い面発光レーザ(VCSEL)を提供することができる。   The surface emitting laser according to the present invention described above has a structure in which the upper DBR is divided into two, and a hole for forming a high resistance region is provided from the surface of the lower upper DBR (first upper DBR). The hole for forming the high resistance region can be formed with high reproducibility, and the current confinement structure can be formed with good controllability by using such a hole for forming the high resistance region, and has stable laser characteristics. A surface-emitting laser (VCSEL) with high mechanical strength that does not require a planarization step can be provided.

より詳細に、次の利点をもつ面発光レーザ(VCSEL)が高い歩留まりで得られる。すなわち、本発明の面発光レーザでは、短い酸化距離で電流狭窄構造を形成できるので、電流狭窄構造形成工程での歩留まりが向上する。また、放熱性に劣るメサ構造をとる必要がなく、素子の温度が上昇しにくくなるので、安定したレーザ特性が得られる。また、凹凸のあるメサ構造をとる必要がないため、平坦化工程が不用で、機械的破損の耐性も高くなる。   More specifically, a surface emitting laser (VCSEL) having the following advantages can be obtained with a high yield. That is, in the surface emitting laser according to the present invention, since the current confinement structure can be formed with a short oxidation distance, the yield in the current confinement structure forming process is improved. Further, it is not necessary to adopt a mesa structure that is inferior in heat dissipation, and the temperature of the element is hardly increased, so that stable laser characteristics can be obtained. In addition, since it is not necessary to have an uneven mesa structure, a flattening process is unnecessary and resistance to mechanical breakage is increased.

また、反応条件を変えることによって適度に酸化速度を調節できるAl(Ga)As層を高抵抗可能層として用いているので、電流狭窄構造形成の制御性をより一層高めることができる。   In addition, since an Al (Ga) As layer whose oxidation rate can be appropriately adjusted by changing the reaction conditions is used as the high resistance layer, the controllability of the current confinement structure formation can be further enhanced.

また、第2の上部DBRとして、このDBRへの適応性が高い誘電体DBRを用いることにより、より容易に、本発明の上述した作用効果が得られる。   Further, by using a dielectric DBR having high adaptability to the DBR as the second upper DBR, the above-described operational effects of the present invention can be obtained more easily.

なお、上述した本発明の面発光レーザにおいて、第2の構成例として、図4に示すように、高抵抗領域形成用孔は、少なくとも内面が、素子構成膜よりも低い屈折率の材料で被覆または充填されている構成をとることができる。   In the surface emitting laser of the present invention described above, as a second configuration example, as shown in FIG. 4, at least the inner surface of the high resistance region forming hole is covered with a material having a refractive index lower than that of the element constituent film. Or the structure filled can be taken.

ここで、高抵抗領域形成用孔は、少なくとも一部が周期構造を持つように設けられることが多い。   Here, the high resistance region forming hole is often provided so that at least a part thereof has a periodic structure.

また、被覆または充填物には、ポリイミドなどの有機高分子、SiO,SiON,Alなどの無機物などを用いることができ、これらは、塗布法,蒸着法,スパッタリング法,CVD法などで形成される。 In addition, an organic polymer such as polyimide, an inorganic material such as SiO 2 , SiON, and Al 2 O 3 can be used for the coating or filling, and these include a coating method, a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, and the like. Formed with.

面発光レーザにとって、しきい値電流を下げて出力効率を高めるためと共振モードを制限するために、共振器への光閉じ込めは重要な課題である。   For surface emitting lasers, optical confinement in the resonator is an important issue in order to increase the output efficiency by lowering the threshold current and to limit the resonance mode.

この第2の構成例では、高抵抗領域形成用孔の内面が、金属ではなく、屈折率の低い材料で被覆または充填されているので、光に対して低損失である。   In the second configuration example, the inner surface of the hole for forming the high resistance region is covered or filled with a material having a low refractive index instead of a metal, so that the loss of light is low.

「低損失周期的誘電媒体」は、すなわちフォトニック結晶構造である(John D.Joannnopoulosら著、藤井ら訳,「フォトニック結晶」コロナ社刊)。よって、上記第2の構成例では、自動的に2次元フォトニック結晶構造をなす場合が多い。   The “low-loss periodic dielectric medium” is a photonic crystal structure (written by John D. Joannnopoulos et al., Translated by Fujii et al., “Photonic Crystal” published by Corona). Therefore, in the second configuration example, a two-dimensional photonic crystal structure is often automatically formed.

この2次元フォトニック結晶構造をとれば、光の回折により水平方向の光を閉じ込める働きや、発光領域の周辺部の屈折率を実効的に小さくすることにより水平方向への光の伝播を小さくする働きをする場合もある。前者は、フォトニックバンドギャップを利用する場合であり、後者は、フォトニックバンドギャップを持たない領域で使用する場合である。   By taking this two-dimensional photonic crystal structure, the propagation of light in the horizontal direction is reduced by confining the light in the horizontal direction by light diffraction and by effectively reducing the refractive index at the periphery of the light emitting region. Sometimes it works. The former is a case where a photonic band gap is used, and the latter is a case where the photonic band gap is not used.

つまり、この第2の構成例は、高抵抗領域形成用孔がフォトニック結晶構造をなす場合も含む。   That is, the second configuration example includes the case where the high resistance region forming hole has a photonic crystal structure.

このように、第2の構成例では、高抵抗部形成用孔の少なくとも内面が、素子構成膜より低い屈折率材料で被覆又は充填されているので、光の閉じ込めが良好になり、低いしきい値電流の、高い発光効率の、出力光のモードが制限された面発光レーザが得られる。また、高抵抗部形成用孔の内面の欠陥が低減するので、キャリアの非発光再結合が低減するし、これによって、低いしきい値電流の、高い発光効率の面発光レーザが得られる。   As described above, in the second configuration example, at least the inner surface of the high resistance portion forming hole is covered or filled with the refractive index material lower than that of the element constituent film, so that the light confinement is improved and the low threshold is set. A surface emitting laser with high current efficiency, high luminous efficiency, and limited output light mode can be obtained. In addition, since defects on the inner surface of the hole for forming the high resistance portion are reduced, non-radiative recombination of carriers is reduced, whereby a surface emitting laser having a low threshold current and a high emission efficiency can be obtained.

なお、この第2の構成例の面発光レーザも、p側電極,n側電極から、それぞれ、正キャリア,負キャリアを注入して活性層で発光させ、基板に垂直方向にレーザ発振させることができる。   The surface-emitting laser of the second configuration example can also inject positive carriers and negative carriers from the p-side electrode and the n-side electrode to emit light in the active layer and cause laser oscillation in a direction perpendicular to the substrate. it can.

また、上述した本発明(第1,第2の構成例を含む)の面発光レーザにおいて、図4に示す例のように、活性層にGaInNAs系材料を含ませることができる。   In the surface emitting laser of the present invention (including the first and second configuration examples) described above, a GaInNAs-based material can be included in the active layer as in the example shown in FIG.

GaInNAs系材料は、NとAsを含むIII−V族混晶半導体で構成されており、具体的には、GaNAs、GaInNAs、GaInAsSb、GaInNP、GaNP、GaNAsSb、GaInNAsSb、InNAs、InNPAsなどで構成される。   The GaInNAs-based material is composed of a III-V group mixed crystal semiconductor containing N and As, specifically, composed of GaNAs, GaInNAs, GaInAsSb, GaInNP, GaNP, GaNAsSb, GaInNAsSb, InNAs, InNPAs, and the like. .

発振波長が1.1〜1.6μm程度の長波長帯面発光レーザは、発振光が石英系ファイバ中を損失少なく伝播し、Si基板中を吸収少なく透過し、さらに、前述の面発光レーザの特徴を備えているので、チップ間,チップ内,ボード間,ボード内,LAN内の光伝送用光源として適用性が特に高い。   A long-wavelength surface emitting laser with an oscillation wavelength of about 1.1 to 1.6 μm propagates the oscillation light through the silica-based fiber with little loss, and transmits through the Si substrate with little absorption. Since it has features, it is particularly applicable as a light transmission light source between chips, between chips, between boards, within boards, and within LANs.

従来、この長波長帯VCSELは端面発光レーザとして実績のあるInP基板上に形成するGaInAsP活性層で試みられていた。しかし、このInP基板上のGaInAsP系VCSELは、端面発光レーザの場合と同様に、取り得る活性層周辺の材料構成では温度特性が低い。また、InP基板上の半導体DBRは、屈折率差の小さいGaInAsP/InPを選択せざるを得ないので、反射率を高めるのは困難である。このため、冷却装置が必要な上、実用化には他にも多くの問題がある。   Conventionally, this long wavelength band VCSEL has been attempted with a GaInAsP active layer formed on an InP substrate that has a proven track record as an edge emitting laser. However, the GaInAsP-based VCSEL on the InP substrate has low temperature characteristics in the material structure around the active layer that can be taken, as in the case of the edge emitting laser. In addition, for the semiconductor DBR on the InP substrate, GaInAsP / InP having a small refractive index difference must be selected, so that it is difficult to increase the reflectance. For this reason, a cooling device is required, and there are many other problems in practical use.

一方、GaAs基板上に作製されるGaInNAs系長波長帯VCSELは、温度特性が高く、屈折率差を大きくとれるため反射率を大きくできるAlGaAs/GaAsやAlAs/GaAsのDBRが使える。発振波長が長いので、特に熱伝導率の高い材料同士の組み合わせであるAlAs/GaAs DBRが使えるのは有利である。この点に関しては、GaInAs,GaAsSbでも同様の効果がある。さらに、室温環境下で発振する上、閾値電流が小さい。   On the other hand, a GaInNAs long wavelength band VCSEL fabricated on a GaAs substrate has high temperature characteristics, and can use a DBR of AlGaAs / GaAs or AlAs / GaAs that can increase the reflectivity because the difference in refractive index can be increased. Since the oscillation wavelength is long, it is advantageous to use AlAs / GaAs DBR which is a combination of materials having particularly high thermal conductivity. In this regard, GaInAs and GaAsSb have the same effect. Furthermore, it oscillates at room temperature and has a small threshold current.

これらの利点のため、近年、GaInNAs系長波長帯VCSELは盛んに研究開発されてきている。   Because of these advantages, GaInNAs long wavelength band VCSELs have been actively researched and developed in recent years.

このように、本発明の構成により、歩留まり良くかつ制御性良く電流狭窄構造を形成できるGaInNAs系面発光レーザを得ることができる。よって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さく、光伝送に適用性の高い面発光レーザを提供できる。   Thus, according to the configuration of the present invention, it is possible to obtain a GaInNAs surface emitting laser capable of forming a current confinement structure with good yield and good controllability. Accordingly, it is possible to provide a surface emitting laser having higher performance laser characteristics, lower manufacturing cost, and high applicability to optical transmission.

(第2の形態)
本発明の第2の形態は、上述した本発明の面発光レーザが発光デバイスとして用いられていることを特徴とする光伝送システムである。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical transmission system in which the above-described surface emitting laser according to the present invention is used as a light emitting device.

図5,図6は本発明の光伝送システムの構成例を示す図である。   5 and 6 are diagrams showing a configuration example of the optical transmission system of the present invention.

図5の例の光伝送システムは、本発明の面発光レーザ(VCSEL)を備えたボード間の並列光伝送システムであって、VCSELからの信号を複数のファイバを用いて同時に伝送するように構成されている。   The optical transmission system in the example of FIG. 5 is a parallel optical transmission system between boards equipped with the surface emitting laser (VCSEL) of the present invention, and is configured to simultaneously transmit signals from the VCSEL using a plurality of fibers. Has been.

また、図6の例の光伝送システムは、本発明のGaInNAs系面発光レーザ(VCSEL)を備えたボード間のチップ間の並列空間光伝送システムであって、この例の場合、VCSELからの信号をSi基板を透過して同時に光伝送するように構成されている。   The optical transmission system in the example of FIG. 6 is a parallel space optical transmission system between chips between boards equipped with the GaInNAs surface emitting laser (VCSEL) of the present invention. In this example, the signal from the VCSEL Is transmitted through the Si substrate and transmitted simultaneously.

このように、第2の形態では、上述した第1の形態の面発光レーザが発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システムであるので、より高性能でより低コストなデータ伝送システムを提供することができる。   As described above, in the second mode, since the surface-emitting laser of the first mode described above is used as a light-emitting device, a higher-performance and lower-cost data transmission system is provided. Can be provided.

図7,図8は実施例1の面発光レーザを示す図である。なお、図7は平面図(後述するAlAs膜面での横断面図)であり、図8は図7のA−A線における断面図である。   7 and 8 show the surface emitting laser of Example 1. FIG. 7 is a plan view (a cross-sectional view taken on the surface of an AlAs film to be described later), and FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

実施例1の面発光レーザは、次のように作製される。   The surface emitting laser of Example 1 is manufactured as follows.

すなわち、先ず、MOCVD法で、n−GaAs単結晶(100)基板上に、n−AlGaAs/n−GaAs 35.5ペアからなる下部半導体DBR、下部GaAsスペーサ層、GaInNAs/GaAs TQW活性層、上部GaAsスペーサ層、p−AlGaAs/p−GaAs 6ペアからなる第1の上部半導体DBRの積層膜を作製する。   That is, first, by MOCVD, on a n-GaAs single crystal (100) substrate, a lower semiconductor DBR composed of 35.5 pairs of n-AlGaAs / n-GaAs, a lower GaAs spacer layer, a GaInNAs / GaAs TQW active layer, A laminated film of a first upper semiconductor DBR composed of a GaAs spacer layer and 6 pairs of p-AlGaAs / p-GaAs is produced.

ここで、第1の上部半導体DBRの下から2ペア目の低屈折率層をp−AlAs高抵抗可能層とする。   Here, the second pair of low refractive index layers from the bottom of the first upper semiconductor DBR is a p-AlAs high resistance layer.

次に、この積層膜の表面にレジストを塗布する。この塗布膜から、辺の長さが5μmの正方形の4つの頂点で直径が2.5μmの円形にレジストを除去した単位形を周期的に繰り返した基本パターンにおいて、共振器を設ける位置に対応する場所では1個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する。   Next, a resist is applied to the surface of the laminated film. Corresponding to the position where the resonator is provided in the basic pattern in which the unit shape in which the resist is removed in a circular shape having a diameter of 2.5 μm and four apexes of a square having a side length of 5 μm from this coating film is cyclically repeated. At the place, a resist pattern in which one circular resist is not removed is formed.

次に、Clガスを導入するICPエッチング法で高抵抗領域形成用孔を形成する。高抵抗領域形成用孔の深さは、孔の底面が第1の上部半導体DBRの下層の1ペア目に達するようにする。 Next, a high resistance region forming hole is formed by an ICP etching method in which Cl 2 gas is introduced. The depth of the high resistance region forming hole is set so that the bottom surface of the hole reaches the first pair of the lower layer of the first upper semiconductor DBR.

レジスト除去後、この高抵抗領域形成用孔の内壁に露出したp−AlAs高抵抗可能層の端面から水蒸気を導入し、このAlAs層を面内方向に酸化しAlxOy高抵抗層を形成する。近接する高抵抗領域形成用孔から成長したAlxOy高抵抗層がつながり、高抵抗領域を形成する。このとき、共振器を設ける位置に対応する位置に約16μm断面のAlAs膜が酸化されないで残るように酸化時間を制御して、電流狭窄構造を形成する。 After removing the resist, water vapor is introduced from the end face of the p-AlAs high resistance layer exposed on the inner wall of the hole for forming the high resistance region, and the AlAs layer is oxidized in the in-plane direction to form an AlxOy high resistance layer. AlxOy high resistance layers grown from adjacent high resistance region forming holes are connected to form a high resistance region. At this time, the current confinement structure is formed by controlling the oxidation time so that the AlAs film having a cross section of about 16 μm 2 remains unoxidized at the position corresponding to the position where the resonator is provided.

次に、p−電極膜を形成する。次に、リフトオフ法により光出力領域のp−電極膜を除去し、同時に上部p−電極パターン(p−上部電極)を形成する。   Next, a p-electrode film is formed. Next, the p-electrode film in the light output region is removed by a lift-off method, and at the same time, an upper p-electrode pattern (p-upper electrode) is formed.

次に、EB蒸着法によりZrO/SiO 6ペアからなる第2の上部誘電体DBRを形成する。次に、リフトオフ法により上部p−電極パターンの配線接続用パッドを露出させる。 Next, a second upper dielectric DBR composed of a ZrO 2 / SiO 2 6 pair is formed by EB vapor deposition. Next, the wiring connection pad of the upper p-electrode pattern is exposed by a lift-off method.

最後に、基板の裏面にn電極を形成し、1.3μm帯面発光レーザを作製することができる。   Finally, an n-electrode is formed on the back surface of the substrate to produce a 1.3 μm band surface emitting laser.

図7,図8の実施例1の面発光レーザでは、p側電極,n側電極から、それぞれ、正キャリア,負キャリアを注入すると、レーザ光が素子表面から基板と垂直に出力される。   In the surface emitting laser of Example 1 of FIGS. 7 and 8, when positive carriers and negative carriers are injected from the p-side electrode and the n-side electrode, respectively, laser light is output perpendicularly to the substrate from the element surface.

実施例1の面発光レーザでは、高抵抗領域形成用孔の必要とされる深さが浅いので、より制御性良くこの孔を形成できる。よって、歩留まり良く、寸法均一性の高い電流狭窄構造を持ち、平坦性が良好で、機械的強度が高く、放熱性が良いために特性の安定した面発光レーザを提供できる。また、高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さく、光伝送に適用性の高いGaInNAs系面発光レーザが得られる。   In the surface emitting laser of Example 1, the required depth of the hole for forming the high resistance region is shallow, so that the hole can be formed with better controllability. Therefore, it is possible to provide a surface emitting laser having a stable characteristic because it has a current confinement structure with high yield, high dimensional uniformity, good flatness, high mechanical strength, and good heat dissipation. In addition, a GaInNAs surface emitting laser having high-performance laser characteristics, lower manufacturing cost, and high applicability to optical transmission can be obtained.

図9,図10は実施例2の面発光レーザを示す図である。なお、図9は平面図(後述するAl(Ga)As膜面での横断面図)であり、図10は図9のA−A線における断面図である。   9 and 10 are diagrams showing a surface emitting laser according to Example 2. FIG. FIG. 9 is a plan view (a cross-sectional view taken along an Al (Ga) As film surface described later), and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

図9,図10を参照すると、実施例2の面発光レーザは、高抵抗領域形成用孔をSiO膜で被覆する他は、実施例1の場合と同じ構成とプロセスで1.3μm帯VCSELを作製する。 Referring to FIGS. 9 and 10, the surface emitting laser of Example 2 is the 1.3 μm band VCSEL with the same configuration and process as in Example 1 except that the high resistance region forming hole is covered with a SiO 2 film. Is made.

このSiO膜で被覆する工程について説明する。 The process of covering with this SiO 2 film will be described.

先ず、酸化によって電流狭窄構造を形成した後、プラズマCVD法で高抵抗領域形成用孔の内面を含む試料表面にSiO膜を形成する。 First, after a current confinement structure is formed by oxidation, a SiO 2 film is formed on the surface of the sample including the inner surface of the high resistance region forming hole by plasma CVD.

この高抵抗領域形成用孔をレジストでカバーした後、BHFによって第1の上部半導体DBRの表面のSiO膜を除去する。次に、このレジストを除去する。次に、p−電極膜の形成工程以後は、実施例1と同様に行う。 After covering the high resistance region forming hole with a resist, the SiO 2 film on the surface of the first upper semiconductor DBR is removed by BHF. Next, this resist is removed. Next, after the step of forming the p-electrode film, the same process as in Example 1 is performed.

図9,図10の実施例2の面発光レーザでは、p側電極,n側電極から、それぞれ、正キャリア,負キャリアを注入すると、レーザ光が素子表面から基板と垂直に出力される。閾値電流密度は、実施例1の場合よりも小さくなる。   In the surface emitting laser of Example 2 in FIGS. 9 and 10, when positive carriers and negative carriers are injected from the p-side electrode and the n-side electrode, respectively, laser light is output perpendicularly to the substrate from the element surface. The threshold current density is smaller than that in the first embodiment.

このように、実施例2の面発光レーザでは、実施例1の作用効果に次の効果がさらに加わる。すなわち、実施例2の面発光レーザでは、高抵抗部形成用孔の内面が低い屈折率材料で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、電流の漏れが少なくなるり、低い閾値電流密度の、高い発光効率の、単一モード出力光の面発光レーザが得られる。   Thus, in the surface emitting laser of Example 2, the following effect is further added to the function and effect of Example 1. That is, in the surface emitting laser of Example 2, since the inner surface of the high resistance portion forming hole is coated with a low refractive index material, light confinement is improved, current leakage is reduced, and a low threshold current is obtained. A surface emitting laser with a single mode output light having high density and high luminous efficiency can be obtained.

図11は、実施例3の面発光レーザの断面図である。なお、実施例3の面発光レーザの平面図(後述するAl(Ga)As膜面での横断面図)は、図9と同様であって、図11は図9のA−A線における実施例3の断面図である。   FIG. 11 is a cross-sectional view of the surface emitting laser according to the third embodiment. The plan view of the surface emitting laser of Example 3 (transverse sectional view of the Al (Ga) As film surface described later) is the same as FIG. 9, and FIG. 11 is taken along the line AA in FIG. 10 is a cross-sectional view of Example 3. FIG.

実施例3の面発光レーザは、次のように作製される。すなわち、先ず、MOCVD法で、n−GaAs単結晶(100)基板上に、n−AlGaAs/n−GaAs 27.5ペアからなる下部半導体DBR、下部GaAsスペーサ層、GaInAs/GaAs TQW活性層、上部GaAsスペーサ層、p−AlGaAs/p−GaAs 10ペアからなる第1の上部半導体DBRの積層膜を作製する。   The surface emitting laser of Example 3 is manufactured as follows. That is, first, by MOCVD, on a n-GaAs single crystal (100) substrate, a lower semiconductor DBR composed of 27.5 pairs of n-AlGaAs / n-GaAs, a lower GaAs spacer layer, a GaInAs / GaAs TQW active layer, A laminated film of a first upper semiconductor DBR composed of a GaAs spacer layer and 10 pairs of p-AlGaAs / p-GaAs is produced.

ここで、第1の上部半導体DBRの下から3ペア目の低屈折率層をp−Al0.95Ga0.05As高抵抗可能層とする。 Here, the third pair of low refractive index layers from the bottom of the first upper semiconductor DBR is a p-Al 0.95 Ga 0.05 As high resistance layer.

次に、この積層膜の表面にレジストを塗布する。この塗布膜から、辺の長さが5μmの正方形の4つの頂点で直径が2.5μmの円形にレジストを除去した単位形を周期的に繰り返した基本パターンにおいて、共振器を設ける位置に対応する場所では1個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する。   Next, a resist is applied to the surface of the laminated film. Corresponding to the position where the resonator is provided in the basic pattern in which the unit shape in which the resist is removed in a circular shape having a diameter of 2.5 μm and four apexes of a square having a side length of 5 μm from this coating film is cyclically repeated. At the place, a resist pattern in which one circular resist is not removed is formed.

次に、Clガスを導入するECRエッチング法で高抵抗領域形成用孔を形成する。高抵抗領域形成用孔の深さは、孔の底面が第1の上部半導体DBRの下層の1〜2ペア中になるようにする。 Next, a high resistance region forming hole is formed by an ECR etching method in which Cl 2 gas is introduced. The depth of the hole for forming the high resistance region is set so that the bottom surface of the hole is in one to two pairs of the lower layer of the first upper semiconductor DBR.

レジスト除去後、この高抵抗領域形成用孔の内壁に露出したp−Al0.95Ga0.05As高抵抗可能層の端面から水蒸気を導入し、このAlGaAs層を面内方向に酸化しAlxOy高抵抗層を形成する。近接する高抵抗領域形成用孔から成長した酸化物高抵抗層がつながり、高抵抗領域を形成する。このとき、共振器を設ける位置に対応する位置に約16μm断面のAlGaAs層が酸化されないで残るように酸化時間を制御して、電流狭窄構造を形成する。 After removing the resist, water vapor is introduced from the end face of the p-Al 0.95 Ga 0.05 As high resistance layer exposed on the inner wall of the hole for forming the high resistance region, and the AlGaAs layer is oxidized in the in-plane direction to form AlxOy. A high resistance layer is formed. The oxide high resistance layer grown from the adjacent hole for forming the high resistance region is connected to form a high resistance region. At this time, the current confinement structure is formed by controlling the oxidation time so that the AlGaAs layer having a cross section of about 16 μm 2 remains unoxidized at the position corresponding to the position where the resonator is provided.

次に、プラズマCVD法で高抵抗領域形成用孔の内面を含む試料表面にSiO膜を形成する。 Next, a SiO 2 film is formed on the surface of the sample including the inner surface of the high resistance region forming hole by plasma CVD.

第1の上部半導体DBR表面の一部の領域のSiO膜を除去した後、p−電極膜を形成する。次に、上部p−電極パターン(p−上部電極)を形成する。 After removing the SiO 2 film in a part of the surface of the first upper semiconductor DBR, a p-electrode film is formed. Next, an upper p-electrode pattern (p-upper electrode) is formed.

次に、EB蒸着法によりMgO/SiO 10ペアからなる第2の誘電体DBRを形成する。次に、リフトオフ法により上部p−電極パターンの配線接続用パッドを露出させる。 Next, a second dielectric DBR composed of 10 pairs of MgO / SiO 2 is formed by EB vapor deposition. Next, the wiring connection pad of the upper p-electrode pattern is exposed by a lift-off method.

最後に、金属マスクを用い、基板の裏面に、光出部が開口したn電極を形成し、0.98μm帯面発光レーザを作製することができる。   Lastly, a 0.98 μm band surface emitting laser can be manufactured by forming an n-electrode having a light exit portion on the back surface of the substrate using a metal mask.

図11の実施例3の面発光レーザでは、p側電極,n側電極から、それぞれ、正キャリア,負キャリアを注入すると、レーザ光が基板裏面から基板と垂直に出力される。   In the surface emitting laser of Example 3 in FIG. 11, when positive carriers and negative carriers are injected from the p-side electrode and the n-side electrode, respectively, laser light is output perpendicularly to the substrate from the back surface of the substrate.

実施例3の面発光レーザでは、高抵抗領域形成用孔の必要とされる深さが浅いので、より制御性良くこの孔を形成できる。よって、歩留まり良く、寸法均一性の高い電流狭窄構造を持ち、平坦性が良好で、機械的強度が高く、放熱性が良いために特性の安定した面発光レーザを提供できる。また、高抵抗部形成用孔の内面が、低い屈折率材料で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、電流の漏れが少なくなり、低い閾値電流密度の、高い発光効率の、単一モード出力光の面発光レーザが得られる。   In the surface emitting laser of Example 3, the required depth of the high resistance region forming hole is shallow, so that the hole can be formed with better controllability. Therefore, it is possible to provide a surface emitting laser having a stable characteristic because it has a current confinement structure with high yield, high dimensional uniformity, good flatness, high mechanical strength, and good heat dissipation. In addition, since the inner surface of the hole for forming the high resistance portion is coated with a low refractive index material, light confinement is improved, current leakage is reduced, a low threshold current density, a high luminous efficiency, and a single light emitting diode are provided. A surface emitting laser with one-mode output light is obtained.

図12,図13は実施例4の面発光レーザを示す図である。なお、図12は平面図(上部DBR膜面での横断面図)であり、図13は図12のB−B線における断面図である。   12 and 13 are diagrams showing a surface emitting laser according to Example 4. FIG. 12 is a plan view (transverse cross-sectional view at the upper DBR film surface), and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.

図12,図13を参照すると、実施例4の面発光レーザは、高抵抗領域形成用孔のパターンが三角格子パターンである他は、実施例2と同じ構成であり、実施例2と同様のプロセスで1.3μm帯VCSELとして作製される。   12 and 13, the surface emitting laser of Example 4 has the same configuration as that of Example 2 except that the pattern of the holes for forming the high resistance region is a triangular lattice pattern. Fabricated as a 1.3 μm band VCSEL in the process.

三角格子パターンを形成する工程は、次のとおりである。すなわち、積層膜の表面に、レジスト塗布膜から辺の長さが5μmの正三方形の3つの頂点で直径が2.5μmの円形を除去した単位形を周期的に繰り返したパターンで、共振器を設ける位置に対応する場所では1個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する。   The process of forming the triangular lattice pattern is as follows. That is, on the surface of the laminated film, the resonator is formed in a pattern in which a unit shape in which a circle having a diameter of 2.5 μm is removed from three apexes of a regular triangle having a side length of 5 μm from the resist coating film is periodically repeated. A resist pattern in which one circular resist is not removed is formed at a location corresponding to the position to be provided.

実施例4の面発光レーザも、実施例2と同様の作用効果を得ることができる。
The surface emitting laser of the fourth embodiment can also obtain the same effects as the second embodiment.

本発明の面発光レーザの基本構成例を示す図である。It is a figure which shows the basic structural example of the surface emitting laser of this invention. 本発明の面発光レーザの基本構成例を示す図である。It is a figure which shows the basic structural example of the surface emitting laser of this invention. 本発明の面発光レーザの第1の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 1st structural example of the surface emitting laser of this invention. 本発明の面発光レーザの第2の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd structural example of the surface emitting laser of this invention. 本発明の光伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the optical transmission system of this invention. 本発明の光伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the optical transmission system of this invention. 実施例1の面発光レーザを示す図である。1 is a diagram showing a surface emitting laser of Example 1. FIG. 実施例1の面発光レーザを示す図である。1 is a diagram showing a surface emitting laser of Example 1. FIG. 実施例2の面発光レーザを示す図である。It is a figure which shows the surface emitting laser of Example 2. FIG. 実施例2の面発光レーザを示す図である。It is a figure which shows the surface emitting laser of Example 2. FIG. 実施例3の面発光レーザの断面図である。6 is a sectional view of a surface emitting laser according to Example 3. FIG. 実施例4の面発光レーザを示す図である。6 is a view showing a surface emitting laser according to Example 4. FIG. 実施例4の面発光レーザを示す図である。6 is a view showing a surface emitting laser according to Example 4. FIG.

Claims (6)

半導体基板上に、下部半導体多層膜反射鏡(下部半導体DBR)、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、第1の上部半導体多層膜反射鏡(第1の上部半導体DBR)、第2の上部多層膜反射鏡(第2の上部DBR)が順次に設けられ、前記第1の上部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部の層には、複数の高抵抗領域形成用孔が設けられ、複数の高抵抗領域形成用孔から酸化を施して高抵抗領域形成用孔の周辺に高抵抗領域を形成することで、導電性領域と前記高抵抗領域形成用孔の周辺に形成された高抵抗領域とからなる電流狭窄層が形成されていることを特徴とする面発光レーザ。 On a semiconductor substrate, a lower semiconductor multilayer reflector (lower semiconductor DBR), a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, a first upper semiconductor multilayer reflector (first upper semiconductor DBR), and a second upper portion A multilayer reflector (second upper DBR) is sequentially provided, and at least a part of the first upper semiconductor multilayer reflector is provided with a plurality of holes for forming a high resistance region. By oxidizing the high resistance region forming hole to form a high resistance region around the high resistance region forming hole, a conductive region and a high resistance region formed around the high resistance region forming hole, A surface-emitting laser characterized in that a current confinement layer made of is formed. 請求項1記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電性領域は、Al(Ga)As層からなり、前記高抵抗領域は、前記Al(Ga)As層が前記高抵抗領域形成用孔を通して供給された酸化種により酸化された層からなっていることを特徴とする面発光レーザ。 2. The surface emitting laser according to claim 1, wherein the conductive region of the current confinement layer is an Al (Ga) As layer, and the high resistance region is formed by the Al (Ga) As layer being the hole for forming the high resistance region. A surface emitting laser comprising a layer oxidized by an oxidizing species supplied through the surface emitting laser. 請求項1または請求項2記載の面発光レーザにおいて、前記第2の上部多層膜反射鏡(第2の上部DBR)の少なくとも一部は、誘電体多層膜からなっていることを特徴とする面発光レーザ。 3. The surface emitting laser according to claim 1, wherein at least a part of the second upper multilayer reflector (second upper DBR) is made of a dielectric multilayer film. Light emitting laser. 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、前記高抵抗領域形成用孔は、少なくとも内面が、素子構成膜よりも低い屈折率の材料で被覆または充填されていることを特徴とする面発光レーザ。 4. The surface emitting laser according to claim 1, wherein at least an inner surface of the high resistance region forming hole is coated or filled with a material having a refractive index lower than that of the element constituent film. A surface emitting laser characterized by the above. 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、活性層は、GaInNAs系材料を含んでいることを特徴とする面発光レーザ。 5. The surface emitting laser according to claim 1, wherein the active layer includes a GaInNAs-based material. 6. 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の面発光レーザが発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システム。 6. An optical transmission system, wherein the surface emitting laser according to claim 1 is used as a light emitting device.
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