JP2006066681A - Vertical resonance type high output surface-emitting laser - Google Patents

Vertical resonance type high output surface-emitting laser Download PDF

Info

Publication number
JP2006066681A
JP2006066681A JP2004248010A JP2004248010A JP2006066681A JP 2006066681 A JP2006066681 A JP 2006066681A JP 2004248010 A JP2004248010 A JP 2004248010A JP 2004248010 A JP2004248010 A JP 2004248010A JP 2006066681 A JP2006066681 A JP 2006066681A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
type
emitting laser
pairs
vertical
surface emitting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004248010A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuhisa Sanpei
和久 三瓶
Akio Sato
彰生 佐藤
Daisuke Inoue
大介 井上
Kenji Ito
健治 伊藤
Toru Kachi
徹 加地
Hiroshi Ito
伊藤  博
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2004248010A priority Critical patent/JP2006066681A/en
Publication of JP2006066681A publication Critical patent/JP2006066681A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simulate and validate constitutional conditions of a surface-emitting laser device, where the number of semiconductor multilayer film layers, the number of quantum well layers, the relative value in gain peaks of a reflector and a quantum well at room temperature or the like can be improved in output. <P>SOLUTION: A vertical resonance type surface emitting laser comprises a laminate structure having a pair of distribution Bragg-reflection-type semiconductor multilayer film reflectors provided on and under an active layer which is formed on a semiconductor substrate for emitting laser light from the side of an n-type multilayer film reflector 104. A p-type multilayer film reflector 108 comprises 39 or more pairs of p-type AlGaAs with different composition alternately laminated, the n-type multilayer film reflector 104 comprises n-type AlGaAs with different composition alternately laminated, and the number of laminates is smaller than the number of laminates of the reflector 108. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、基板面の垂直方向にレーザ光を出射する垂直共振器型高出力面発光半導体レーザに関する。   The present invention relates to a vertical resonator type high output surface emitting semiconductor laser that emits laser light in a direction perpendicular to a substrate surface.

面発光レーザは基板面に垂直な方向に光を発射する半導体レーザであり、垂直共振器型、水平共振器型などがある。垂直共振器型面発光レーザの最も一般的な構造としては、半導体基板上において、活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡(Distributed Bragg Reflection Mirror、以下「DBRミラー」と呼ぶ)を配置した積層構造を形成し、このDBRミラーの外側に形成した電極からDBRミラーを介して、電流を注入する構造がよく知られている。   A surface emitting laser is a semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate surface, and includes a vertical resonator type and a horizontal resonator type. The most common structure of a vertical cavity surface emitting laser is a pair of distributed Bragg reflection semiconductor multilayer mirrors (hereinafter referred to as “DBR mirrors”) on a semiconductor substrate above and below an active layer. A structure in which a current is injected from an electrode formed outside the DBR mirror via the DBR mirror is well known.

垂直共振器型面発光半導体レーザ(以下では、「面発光レーザ」と呼ぶ)は、端面へき開なしに作製できること、二次元アレイ化が可能なこと、出射ビームを容易に円形化できることなど、端面発光型の半導体レーザにはない特徴があり注目をされている。   Vertical cavity surface emitting semiconductor lasers (hereinafter referred to as “surface emitting lasers”) can be fabricated without cleaving at the end face, can be formed into a two-dimensional array, can be easily circularized, etc. It has been attracting attention because it has features not found in semiconductor lasers.

一方、光情報処理或いは光通信システム装置において、高密度で高速並列信号処理を実現するため、面接続が可能である面型発光素子と基板に垂直な方向に光学素子を集積化する機能化光素子を構成して達成する。   On the other hand, in an optical information processing or optical communication system device, in order to realize high-density and high-speed parallel signal processing, a functional light that integrates optical elements in a direction perpendicular to the substrate and a surface-type light-emitting element capable of surface connection Achieve by configuring the element.

面接続や集積化した発光源の光操作には、面型発光素子の高出力動作が必要である。面型発光素子では、従来面発光半導体レーザの研究開発が活発になされている。下記特許文献1には、n−GaAs/n−Al0.9Ga0.1Asを35ペア積層したn型DBRミラーと、p−Al0.2Ga0.8As/p−Al0.9Ga0.1Asを25ペア積層したp型DBRミラーを備えた面発光レーザ装置が開示されている。 High power operation of a surface light emitting device is required for surface connection and optical operation of an integrated light source. In surface-emitting devices, research and development of conventional surface-emitting semiconductor lasers have been actively conducted. In the following Patent Document 1, an n-type DBR mirror in which 35 pairs of n-GaAs / n-Al 0.9 Ga 0.1 As are stacked, p-Al 0.2 Ga 0.8 As / p-Al 0. A surface emitting laser device including a p-type DBR mirror in which 25 pairs of 9 Ga 0.1 As are stacked is disclosed.

特開2004−055912号公報JP 2004-055912 A

特許文献1に開示された面発光レーザ装置は、n型DBRミラー及びp型DBRミラーの積層数が不足しているため十分な高出力動作が達成されておらず、変換効率も充分ではなかった。このように、高出力化に関する明確な設計方針は提示されていなかった。   The surface-emitting laser device disclosed in Patent Document 1 does not achieve a sufficiently high output operation because the number of stacked n-type DBR mirrors and p-type DBR mirrors is insufficient, and the conversion efficiency is not sufficient. . Thus, no clear design policy for higher output has been proposed.

本発明は、面発光レーザ装置において、半導体多層膜の層数、量子井戸の層数、室温での反射鏡と量子井戸の利得ピークの相対値等の高出力化できる構成条件をシュミュレーションするとともに、これを実証することを目的とする。   In the surface emitting laser device, the present invention simulates the configuration conditions that can increase the output such as the number of layers of the semiconductor multilayer film, the number of quantum well layers, and the relative value of the gain peak of the reflector and the quantum well at room temperature. The purpose is to demonstrate this.

本発明者らは鋭意研究した結果、垂直共振器型高出力面発光レーザ装置における下記の最適条件を見出し本発明に到達した。即ち、第1に、本発明は活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成した垂直共振器型高出力面発光レーザ装置の発明である。
(1)n型多層膜反射鏡側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、p型多層膜反射鏡が組成の異なるp型AlGaAsを交互に39ペア以上積層され、且つn型多層膜反射鏡が組成の異なるn型AlGaAsを交互に積層し、その積層数はp型多層膜反射鏡の積層数よりも少ないものであること。
(2)p型多層膜反射鏡の積層数は48ペア以下である上記(1)の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
(3)n型多層膜反射鏡の積層数は28〜30ペア積層したものである上記(1)又は(2)の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
(4)p型多層膜反射鏡側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、n型多層膜反射鏡が組成の異なるn型AlGaAsを交互に39ペア以上積層され、且つp型多層膜反射鏡が組成の異なるp型AlGaAsを交互に積層し、その積層数はn型多層膜反射鏡の積層数よりも少ないものであること。
(5)n型多層膜反射鏡の積層数は48ペア以下である上記(4)の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
(6)p型多層膜反射鏡の積層数は28〜30ペア積層したものである上記(4)又は(5)の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
(7)活性層のバンドオフセットが9〜15nmであること。ここで、バンドオフセットとは、室温における活性利得のピーク波長と共振器のストップバンド波長との差である。
(8)活性層のバンドオフセットが9〜15nmである上記(1)乃至(6)のいずれかの垂直共振器型高出力面発光レーザ。
(9)活性層が2〜4層の量子井戸層である上記(1)乃至(8)のいずれかの垂直共振器型高出力面発光レーザ。
(1)〜(9)の構成により、出力と変換効率の増大を図ることができる。
第2に、本発明は、高出力面発光レーザ装置アレイの発明であり、上記(1)乃至(9)のいずれかに記載の垂直共振器型面発光レーザを2次元に配置してアレイを構成し、該アレイの非出射側に冷却装置を当接し、該アレイの出射側に集光用光学系を配置したことを特徴とする。
As a result of intensive studies, the present inventors have found the following optimum conditions in the vertical cavity type high-power surface emitting laser device and have reached the present invention. That is, first, the present invention is an invention of a vertical-cavity high-power surface-emitting laser device in which a laminated structure in which a pair of distributed Bragg reflector type semiconductor multilayer reflectors are arranged above and below an active layer is formed on a semiconductor substrate. is there.
(1) In a vertical cavity surface emitting laser that extracts laser light from the n-type multilayer mirror side, 39 pairs or more of p-type multilayer reflectors of p-type AlGaAs having different compositions are stacked alternately, and n-type multilayer N-type AlGaAs layers having different compositions are alternately stacked on the film reflector, and the number of stacked layers is smaller than the number of stacked p-type multilayer mirrors.
(2) The vertical cavity type high output surface emitting laser according to (1), wherein the number of stacked p-type multilayer reflectors is 48 pairs or less.
(3) The vertical cavity type high-power surface emitting laser according to (1) or (2) above, wherein the n-type multilayer mirror is laminated in 28 to 30 pairs.
(4) In a vertical cavity surface emitting laser that takes out laser light from the p-type multilayer reflector side, 39 pairs or more of n-type AlGaAs reflectors alternately laminated with different compositions of n-type AlGaAs, and p-type multilayer P-type AlGaAs having a different composition is alternately laminated on the film reflector, and the number of laminated layers is smaller than the number of layers of the n-type multilayer reflector.
(5) The vertical cavity type high-power surface emitting laser according to (4), wherein the number of stacked n-type multilayer reflectors is 48 pairs or less.
(6) The vertical-cavity high-power surface emitting laser according to (4) or (5) above, wherein the number of stacked p-type multilayer reflectors is 28 to 30.
(7) The band offset of the active layer is 9 to 15 nm. Here, the band offset is the difference between the peak wavelength of the active gain at room temperature and the stop band wavelength of the resonator.
(8) The vertical cavity type high-power surface emitting laser according to any one of (1) to (6), wherein the active layer has a band offset of 9 to 15 nm.
(9) The vertical cavity type high output surface emitting laser according to any one of (1) to (8), wherein the active layer is a quantum well layer having 2 to 4 layers.
With the configurations (1) to (9), the output and the conversion efficiency can be increased.
Second, the present invention is an invention of a high-power surface-emitting laser device array, wherein the vertical cavity surface-emitting laser according to any one of the above (1) to (9) is two-dimensionally arranged to form an array. And a cooling device is brought into contact with the non-outgoing side of the array, and a condensing optical system is arranged on the outgoing side of the array.

ここで、集光用光学系が各発光レーザ用マイクロレンズ及び全発光レーザ用集光レンズからなることが好ましい。   Here, it is preferable that the condensing optical system includes each light emitting laser microlens and a total light emitting laser condensing lens.

本発明により、面発光レーザ装置において、半導体多層膜の層数、量子井戸の層数、室温での反射鏡と量子井戸の利得ピークの相対値等の高出力化できる構成条件を最適化することができた。本発明の面発光レーザ装置は高出力で高効率であり、光通信用、複写機用光源を始め各種用途に適用できる。   According to the present invention, in the surface emitting laser device, the configuration conditions that can increase the output such as the number of layers of the semiconductor multilayer film, the number of layers of the quantum well, and the relative value of the gain peak of the reflector and the quantum well at room temperature are optimized. I was able to. The surface emitting laser device of the present invention has high output and high efficiency, and can be applied to various uses such as light sources for optical communication and copying machines.

図1に、本発明の面発光レーザ装置の構成を示す。ここで、レーザ光はN型DBRミラー104側からレーザ光を取り出す。反射防止膜101は、チッ化珪素などで構成される。上部電極102は、AuGe/PtAu等で構成される。基板103は、N型GaAs等で構成される。N型DBRミラー104は、組成の異なるN型AlGaAsを交互に積み重ねることででき、N型DBRミラー104の積層数は下記P型DBRミラー108の積層数よりも少ないことが必要であり、28〜30ペアが最適である。共振器105は、AlGaAs/GaAs等で構成される。活性層量子井戸106は、GaAs/InGaAs等で構成され、2〜4層で9〜15nmのバンドオフセットを持つことが最適である。共振器107は、AlGaAs/GaAs等で構成される。P型DBRミラー108は、組成の異なる、P型AlGaAsを交互に積み重ねることででき、39〜48ペアが最適である。絶縁膜109は、SiN等で構成される。下部電極110は、Ti/Pt/Au等で構成される。   FIG. 1 shows the configuration of a surface emitting laser device according to the present invention. Here, the laser light is extracted from the N-type DBR mirror 104 side. The antireflection film 101 is made of silicon nitride or the like. The upper electrode 102 is made of AuGe / PtAu or the like. The substrate 103 is made of N-type GaAs or the like. The N-type DBR mirror 104 can be formed by alternately stacking N-type AlGaAs having different compositions. The number of stacked N-type DBR mirrors 104 needs to be smaller than the number of stacked P-type DBR mirrors 108 described below. 30 pairs are optimal. The resonator 105 is made of AlGaAs / GaAs or the like. The active layer quantum well 106 is composed of GaAs / InGaAs or the like, and optimally has a band offset of 9 to 15 nm with 2 to 4 layers. The resonator 107 is made of AlGaAs / GaAs or the like. The P-type DBR mirror 108 can be formed by alternately stacking P-type AlGaAs having different compositions, and 39 to 48 pairs are optimal. The insulating film 109 is made of SiN or the like. The lower electrode 110 is made of Ti / Pt / Au or the like.

図1では、N型DBRミラー側からレーザ光を取り出す構造としたが、本発明では、逆に、P型DBRミラー側からレーザ光を取り出す構造としても良い。その場合、N型DBRミラー及びP型DBRミラーの最適積層数は入れ替わる。
以下、N型DBRミラー側からレーザ光を取り出す構造を例にして、上記(1)〜(9)の要件を順次説明する。
In FIG. 1, the laser beam is extracted from the N-type DBR mirror side. However, in the present invention, the laser beam may be extracted from the P-type DBR mirror side. In that case, the optimum number of stacked layers of the N-type DBR mirror and the P-type DBR mirror is switched.
Hereinafter, the requirements (1) to (9) will be sequentially described by taking as an example a structure in which laser light is extracted from the N-type DBR mirror side.

[P−DBRミラーの最適設計]
P−DBRミラーの数を増やすと次のような現象が起こると考えられる。
1.反射率が上がり、閾値が低下し、最大出力と効率が向上する。
2.取り出し効率が上がり、最大出力と効率が向上する。
3.熱抵抗が増え、発熱増加し、最大出力と効率が低下する。
4.直列電気抵抗が増え、発熱増加し、最大出力と効率が低下する。
[Optimum design of P-DBR mirror]
If the number of P-DBR mirrors is increased, the following phenomenon is considered to occur.
1. The reflectivity increases, the threshold decreases, and the maximum output and efficiency increases.
2. The extraction efficiency is increased, and the maximum output and efficiency are improved.
3. Thermal resistance increases, heat generation increases, maximum output and efficiency decreases.
4). Series electrical resistance increases, heat generation increases, maximum output and efficiency decreases.

このように、1、2と3、4は相反する結果を生じるため、P−DBRミラーの数は増やしすぎても減らしすぎてもよくない。即ち、最大出力及び最大効率を得るための最適値が存在する。   Thus, since 1, 2 and 3, 4 produce conflicting results, the number of P-DBR mirrors may not be increased or decreased too much. That is, there are optimum values for obtaining maximum output and maximum efficiency.

図2に、P−DBRミラー数を変え、最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフを示す。グラフで実線Pmaxとしているものが最大出力の計算値、破線WPとしているものが電力光変換効率、破線P(@Wallplug=max)としているのが電力−光変換効率最大のときの光出力である。N−DBRミラー数は28ペア、バンドオフセットは12nm、量子井戸数は3層と固定している。   FIG. 2 shows a graph in which the number of P-DBR mirrors is changed, the maximum output, the maximum efficiency, and the output at the maximum efficiency are plotted. In the graph, the solid line Pmax indicates the calculated maximum output power, the broken line WP indicates the power-light conversion efficiency, and the broken line P (@ Wallplug = max) indicates the light output when the power-light conversion efficiency is maximum. . The number of N-DBR mirrors is 28 pairs, the band offset is 12 nm, and the number of quantum wells is fixed at 3 layers.

これまで試作したレーザはN−DBR28ペア、P−DBR30ペア、量子井戸3層、バンドオフセット12nmであり、電力−光変換効率14%(実測値)であった。図2より、P−DBRミラー数を45ペアに増やすことで効率を42%まで向上させることができると期待される。この計算では考慮に入れていない効果があるため、実際の効率は40%より少なめになると思われる。また、変換効率が最大になるときの光出力はP−DBR数を変えてもほとんど変わらないことが分かる。結局、P−DBRのペア数の最適値は、39〜48ペアであり、39ペアのとき最大出力、45ペアのとき最大効率であることが分かる。   The lasers prototyped so far were an N-DBR 28 pair, a P-DBR 30 pair, a quantum well 3 layer, a band offset 12 nm, and a power-light conversion efficiency 14% (actual measurement value). From FIG. 2, it is expected that the efficiency can be improved to 42% by increasing the number of P-DBR mirrors to 45 pairs. Because this calculation has an effect that is not taken into account, the actual efficiency is expected to be less than 40%. It can also be seen that the optical output when the conversion efficiency is maximized hardly changes even if the number of P-DBRs is changed. After all, the optimum value of the number of P-DBR pairs is 39 to 48 pairs, and it can be seen that the maximum output is 39 pairs and the maximum efficiency is 45 pairs.

[N−DBRミラーの最適設計]
N−DBRミラーの数を増やすと次のような現象が起こると考えられる。
1.反射率が上がり、閾値が低下し、最大出力と効率が向上する。
2.取り出し効率が下がり、最大出力と効率が低下する。
3.直列電気抵抗が増え、発熱が増加し、最大出力と効率が低下する。
[Optimum design of N-DBR mirror]
It is considered that the following phenomenon occurs when the number of N-DBR mirrors is increased.
1. The reflectivity increases, the threshold decreases, and the maximum output and efficiency increases.
2. The extraction efficiency decreases, and the maximum output and efficiency decreases.
3. Series electrical resistance increases, heat generation increases, maximum output and efficiency decreases.

このように、1と2,3は相反する結果を生じるため、N−DBRミラーの数は増やしすぎても減らしすぎてもよくない。即ち、最大出力及び最大効率を得るための最適値が存在する。   Thus, since 1 and 2 and 3 produce conflicting results, the number of N-DBR mirrors may not be increased or decreased too much. That is, there are optimum values for obtaining maximum output and maximum efficiency.

図3に、N−DBRミラー数を変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフを示す。グラフで実線Pmaxとしているものが最大出力の計算値、破線WPとしているものが電力−光変換効率、破線P(@Wallplug=max)としているのが電力−光変換効率最大のときの光出力である。P−DBRミラー数は39ペア、バンドオフセットは12nm、量子井戸数は3層と固定している。
図3より、N−DBRのペア数の最適値は、28〜30ペアであることが分かる。
FIG. 3 shows a graph in which the number of N-DBR mirrors is changed and the maximum output, the maximum efficiency, and the output at the maximum efficiency are plotted. In the graph, the solid line Pmax indicates the calculated value of the maximum output, the broken line WP indicates the power-light conversion efficiency, and the broken line P (@ Wallplug = max) indicates the light output when the power-light conversion efficiency is maximum. is there. The number of P-DBR mirrors is 39 pairs, the band offset is 12 nm, and the number of quantum wells is fixed at 3 layers.
FIG. 3 shows that the optimum value of the number of N-DBR pairs is 28 to 30 pairs.

[バンドオフセットの最適設計]
室温での利得のピーク波長とDBRミラーのストップバンドの波長の差をバンドオフセットと呼ぶ。ここでは慣例に従ってDBRミラーのストップバンドが利得ピーク波長より長波長の場合を正とする。バンドオフセットの増加は次の効果を生じると考えられる。
1.発振閾値の増加
2.最大出力の増加
1と2より、バンドオフセットを大きくしすぎると、閾電流値が大きくなりすぎてかえって最大出力が低下してしまう可能性がある。
[Optimum design of band offset]
The difference between the peak wavelength of the gain at room temperature and the wavelength of the stop band of the DBR mirror is called a band offset. Here, according to the convention, the case where the stop band of the DBR mirror is longer than the gain peak wavelength is positive. The increase in band offset is considered to produce the following effects.
1. 1. Increase oscillation threshold Increase in maximum output From 1 and 2, if the band offset is increased too much, the threshold current value becomes too large and the maximum output may decrease.

図4に、バンドオフセットを変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフを示す。グラフで実線Pmaxとしているものが最大出力の計算値、破線WPとしているものが電力−光変換効率、破線P(@Wallplug=max)としているのが電力−光変換効率最大のときの光出力である。P−DBRミラー数は40ペア、N−DBRミラー数は29ペア、量子井戸数は3層と固定している。   FIG. 4 shows a graph in which the band offset is changed and the maximum output, the maximum efficiency, and the output at the maximum efficiency are plotted. In the graph, the solid line Pmax indicates the calculated value of the maximum output, the broken line WP indicates the power-light conversion efficiency, and the broken line P (@ Wallplug = max) indicates the light output when the power-light conversion efficiency is maximum. is there. The number of P-DBR mirrors is fixed to 40 pairs, the number of N-DBR mirrors is 29 pairs, and the number of quantum wells is fixed to 3 layers.

バンドオフセットを増やすと最大出力は増加していく。一方でバンドオフセットの増加とともに効率は減少していくが15nm以降で急激に効率が低下する。効率の観点からはバンドオフセットは6〜12nmが最もよいと考えられる。結局、バンドオフセットの最適値は、9〜15nmであることが分かる。   Increasing the band offset increases the maximum output. On the other hand, the efficiency decreases as the band offset increases, but the efficiency rapidly decreases after 15 nm. From the viewpoint of efficiency, the band offset is considered to be best at 6 to 12 nm. After all, it can be seen that the optimum value of the band offset is 9 to 15 nm.

[量子井戸数の最適設計]
量子井戸の数の増加は次のような効果を生じると考えられる。
1.閾電流密度が増加し、閾電流値が増加する。
2.閉じ込め係数が減少し、閾電流値が増加する。
3.利得が増加し、閾電流値が減少する。
[Optimum design of the number of quantum wells]
An increase in the number of quantum wells is thought to produce the following effects.
1. The threshold current density increases and the threshold current value increases.
2. The confinement factor decreases and the threshold current value increases.
3. The gain increases and the threshold current value decreases.

面発光レーザは構造上、活性領域が非常に薄く利得が少ない。発振に必要な活性層数を確保したいが、あまり活性層が多いと閾電流値が増加するため高出力化に不利になる。最低必要な活性層数を確保しておくことが最大出力と最大効率を得られる結果を生み出すと考えられる。   Surface-emitting lasers have a very thin active region due to the structure and low gain. Although it is desired to secure the number of active layers necessary for oscillation, if there are too many active layers, the threshold current value increases, which is disadvantageous for high output. Ensuring the minimum number of active layers is considered to produce the maximum output and maximum efficiency.

図5に、量子井戸数を変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフを示す。グラフで実線Pmaxとしているものが最大出力の計算値、破線WPとしているものが電力−光変換効率、破線P(@Wallplug=max)としているのが電力−光変換効率最大のときの光出力である。P−DBRミラー数は40ペア、N−DBRミラー数は29ペア、バンドオフセットは12nmと固定している。   FIG. 5 shows a graph in which the number of quantum wells is changed and the maximum output, the maximum efficiency, and the output at the maximum efficiency are plotted. In the graph, the solid line Pmax indicates the calculated value of the maximum output, the broken line WP indicates the power-light conversion efficiency, and the broken line P (@ Wallplug = max) indicates the light output when the power-light conversion efficiency is maximum. is there. The number of P-DBR mirrors is fixed at 40 pairs, the number of N-DBR mirrors is 29 pairs, and the band offset is fixed at 12 nm.

図5の結果より、量子井戸1層では利得不足であり、量子井戸が2層のとき最もよい効率を得られることがわかる。結局、量子井戸数の最適値は、2〜4であることが分かる。   From the results of FIG. 5, it is understood that the gain is insufficient in one quantum well layer, and that the best efficiency can be obtained when the quantum well has two layers. After all, it can be seen that the optimum number of quantum wells is 2-4.

[最適化された面発光レーザの層構造]
結果的に最大出力を実現できる層構造と最大効率を実現できる層構造は異なることになる。また、最大効率のときの出力は最大出力が上がっても大きく変わるわけではない。実際に応用する場面を考えると効率を最適化したほうが冷却装置に余計な大きさやコストがかからないということから効率重視で最適化を行ったほうがよいと考えられる。
[Optimized surface emitting laser layer structure]
As a result, the layer structure capable of realizing the maximum output is different from the layer structure capable of realizing the maximum efficiency. Further, the output at the maximum efficiency does not change greatly even if the maximum output increases. Considering the actual application situation, it is better to optimize the efficiency with the emphasis on efficiency because the cooling device does not take extra size and cost.

上記面発光レーザの効率を最適化する設計を行った結果より、N型DBRミラー側からレーザ光を取り出す構造では、次のことが分かった。
N−DBR:28〜30ペア
P−DBR:39〜48ペア[39ペアのとき最大出力、45ペアのとき最大効率]
バンドオフセット:9〜15nm
量子井戸数:2〜4
As a result of designing to optimize the efficiency of the surface emitting laser, the following was found in the structure in which the laser light is extracted from the N-type DBR mirror side.
N-DBR: 28 to 30 pairs P-DBR: 39 to 48 pairs [maximum output when 39 pairs, maximum efficiency when 45 pairs]
Band offset: 9-15nm
Number of quantum wells: 2-4

面発光レーザは基板に垂直にレーザ光が出射されるため、ウエハ上に多数のレーザを一括して作製し、アレイ化することが容易である。これを利用して高出力のレーザアレイを作製することを試みているが、一方で、単体素子の高出力化も必要不可欠である。以下、面発光レーザ単体素子の作製を示す。作製した面発光レーザは下記の設計で行った。
N−DBR:28ペア
P−DBR:40ペア
バンドオフセット:12nm
量子井戸数:3
Since the surface emitting laser emits laser light perpendicular to the substrate, it is easy to produce a large number of lasers on the wafer and array them. While attempts have been made to produce a high-power laser array using this, it is also essential to increase the output of a single element. Hereinafter, fabrication of a surface emitting laser single element will be described. The manufactured surface emitting laser was designed as follows.
N-DBR: 28 pairs P-DBR: 40 pairs Band offset: 12 nm
Number of quantum wells: 3

裏面出射型面発光レーザは、発光層のある基板表面側をヒートシンクに接合することにより冷却効率を高めたもので、高出力化に適した構造である。しかし、基板裏面からレーザ光を取り出すため構造上、表面出射型とは異なる作製プロセスとなる。また、デバイスをアレイ化していく上で、作製プロセスには均一性や再現性の高さが必要とされる。本実施例では、裏面出射型面発光レーザについてその作製プロセスをまとめた。   The back emission type surface emitting laser has a cooling efficiency improved by bonding the substrate surface side having a light emitting layer to a heat sink, and has a structure suitable for high output. However, since the laser beam is extracted from the back surface of the substrate, the manufacturing process is different from that of the front emission type. In addition, when the devices are arrayed, the manufacturing process requires high uniformity and reproducibility. In this example, the manufacturing process of the back-emitting type surface emitting laser is summarized.

[作製手順の概要]
図6に示す断面構造をもつ裏面出射型面発光レーザの作製プロセスについて説明する。作製プロセスは概ね図7に示すとおりである。面発光レーザ用のエピタキシャルウエハは、後述するようにエピタキシャル層中に共振器構造が既に形成されているため、ウエハの加工プロセスは電極形成が主な工程となる。まず、エッチングによりメサを形成する。その後、電流狭窄構造を形成するための横方向酸化を行う。次に、絶縁膜で表面を覆った後、表面のp層にコンタクトする電極を形成する。基板裏面を研磨し、レーザ光出射部に反射防止膜を堆積した後、n側電極を形成する。以下では、エピタキシャルウエハの層構造と各工程の詳細について説明する。
[Outline of manufacturing procedure]
A manufacturing process of the back emission type surface emitting laser having the cross-sectional structure shown in FIG. 6 will be described. The manufacturing process is generally as shown in FIG. Since an epitaxial wafer for a surface emitting laser has a resonator structure already formed in an epitaxial layer as will be described later, an electrode formation is a main process in the wafer processing process. First, a mesa is formed by etching. Thereafter, lateral oxidation is performed to form a current confinement structure. Next, after covering the surface with an insulating film, an electrode in contact with the p-layer on the surface is formed. After polishing the back surface of the substrate and depositing an antireflection film on the laser beam emitting portion, an n-side electrode is formed. Below, the layer structure of an epitaxial wafer and the detail of each process are demonstrated.

[エピタキシャルウエハの層構造]
現在使用している裏面出射型面発光レーザ用エピタキシャルウエハの断面構造は図8のようになっている。光学的な厚さが発光波長の1波長分に相当する発光層と、その発光層をはさむ平面鏡対がそれぞれ伝導型の異なる半導体によって形成されている。発光層はIn0.2Ga0.8Asを井戸層、GaAs0.920.08を障壁層とする。3つの量子井戸とAlGaAsスペーサ層から構成されている。また反射鏡はAl0.9Ga0.1As及びAl0.12Ga0.88Asを積層した分布ブラッグ反射鏡(DistributedBragg Reflector:DBR)からなる。DBRの抵抗を低減するため組成の異なる層の界面には、組成傾斜層が挿入されている。また、横方向の酸化により電流狭窄構造を形成するため、発光層の上部にAl0.98Ga0.02As層が挿入されている。
[Layer structure of epitaxial wafer]
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of an epitaxial wafer for a back emission type surface emitting laser that is currently used. A light emitting layer having an optical thickness corresponding to one wavelength of the light emission wavelength and a pair of plane mirrors sandwiching the light emitting layer are formed of semiconductors having different conductivity types. The light emitting layer uses In 0.2 Ga 0.8 As as a well layer and GaAs 0.92 P 0.08 as a barrier layer. It consists of three quantum wells and an AlGaAs spacer layer. The reflecting mirror is a distributed Bragg reflector (DBR) in which Al 0.9 Ga 0.1 As and Al 0.12 Ga 0.88 As are stacked. In order to reduce the resistance of the DBR, a composition gradient layer is inserted at the interface between layers having different compositions. Further, in order to form a current confinement structure by lateral oxidation, an Al 0.98 Ga 0.02 As layer is inserted above the light emitting layer.

ウエハ断面のREM(反射電子顕微鏡像)写真を図9に示す。撮影したウエハは表面出射型の構造のものであるため、裏面出射型のものとは発光層の材料やDBRの層数は異なるが、裏面出射型の場合においてもほぼ同様なものが観測されると考えてよい。周期的なコントラストを示す部分がDBRであり、その間に発光層が形成されていることが観察できる。   FIG. 9 shows a REM (reflection electron microscope image) photograph of the wafer cross section. Since the photographed wafer has a front emission type structure, the material of the light emitting layer and the number of DBR layers are different from those of the back emission type, but the same thing is observed even in the case of the back emission type. You may think. It can be observed that the portion showing the periodic contrast is DBR, and the light emitting layer is formed between them.

[表面保護膜の堆積]
エピタキシャルウエハの表面にスパッタによりSiOを堆積する。エピウエハを構成しているAl0.98Ga0.02As及びAl0.9Ga0.1Asは大気中で酸化されやすく不安定であるため、劣化し易い。通常、エピタキシャル表面はGaAsキャップ層で終端されているが、ピット等の表面欠陥が存在する場合、内部へ酸化が進む可能性が高くなる。また、ここで堆積したSiOは次のメサエッチング工程におけるマスク材となる他、酸化工程における表面保護膜としての役割を果たす。また、横方向の酸化プロセスにおいては、このSiOの存在によって、赤外顕微鏡による酸化領域の観察が容易になる。すなわち、酸化された領域とされていない領域のコントラストを高くできることが分かっている。
[Deposition of surface protective film]
SiO 2 is deposited on the surface of the epitaxial wafer by sputtering. Al 0.98 Ga 0.02 As and Al 0.9 Ga 0.1 As constituting the epi-wafer are easily oxidized in the atmosphere and unstable, and thus easily deteriorate. Normally, the epitaxial surface is terminated with a GaAs cap layer, but when surface defects such as pits are present, there is a high possibility that oxidation will proceed inside. Further, the SiO 2 deposited here serves as a mask material in the next mesa etching process and also serves as a surface protective film in the oxidation process. In addition, in the lateral oxidation process, the presence of SiO 2 facilitates observation of the oxidized region with an infrared microscope. That is, it has been found that the contrast between the oxidized region and the non-oxidized region can be increased.

[メサエッチング]
図10に、メサエッチングから横方向酸化に至る工程図を示す。まずフォトリソグラフィによりレジストのパターニングを行う。次に、バッファードフッ酸によりSiOをエッチングする。レジスト及びSiOをマスクとして、ICP(Inductive Coupled Plazma)を用いたRIEにより異方性エッチングを行い、メサ形状を形成する。この工程では、エッチング表面にレーザ光を照射し、反射光強度をモニタすることにより、エッチング深さに対応した振動波形が観測できる。この振動周期の数とエッチングされたDBRのペア数が対応するため、振動波形からエッチング深さを推定することができる。
[Mesa etching]
FIG. 10 shows a process chart from mesa etching to lateral oxidation. First, a resist is patterned by photolithography. Next, SiO 2 is etched with buffered hydrofluoric acid. Using the resist and SiO 2 as a mask, anisotropic etching is performed by RIE using ICP (Inductive Coupled Plasma) to form a mesa shape. In this step, a vibration waveform corresponding to the etching depth can be observed by irradiating the etching surface with laser light and monitoring the reflected light intensity. Since the number of vibration periods corresponds to the number of etched DBR pairs, the etching depth can be estimated from the vibration waveform.

エッチング終了後、剥離液を用いてレジストを剥離するが、エッチング時の熱によりレジストが硬化しているため、剥離液だけでは除去しにくい。現状では、綿棒などで表面をこすることによりレジストを除去している。   After the etching is completed, the resist is stripped using a stripping solution. However, since the resist is cured by heat during etching, it is difficult to remove the resist with the stripping solution alone. At present, the resist is removed by rubbing the surface with a cotton swab or the like.

[横方向酸化]
酸化工程では、発光層上部に設けられたAl0.98Ga0.02As層を、メサ側壁部から横方向に酸化することにより、酸化されずに残ったメサ中央部に電流を集中させる。これにより低い駆動電流で高い電流密度を達成し、レーザ発振に必要とされる反転分布を低電流で得られるようにする。この工程は特に発光部の小さい素子で重要である。このような電流狭窄構造がない場合、小さい素子では電極も小さくなるため接触抵抗が増加する問題が生じるが、内部にこのような電流狭窄構造を作りこむことによって接触抵抗が増加する問題を回避しながら、高い電流密度を得ることが可能となる。
[Lateral oxidation]
In the oxidation step, the Al 0.98 Ga 0.02 As layer provided on the light emitting layer is oxidized in the lateral direction from the mesa side wall portion, thereby concentrating the current on the remaining mesa central portion. As a result, a high current density is achieved with a low drive current, and an inversion distribution required for laser oscillation can be obtained with a low current. This process is particularly important for an element having a small light emitting portion. Without such a current confinement structure, there is a problem that the contact resistance increases because the electrode becomes small in a small element, but avoiding the problem that the contact resistance increases by forming such a current confinement structure inside. However, a high current density can be obtained.

酸化は以下のような手順で行った。まずアンモニア水により自然酸化膜の除去を行う。次に、酸化炉に入れ、図11に示す温度プロファイルにて酸化を行った。酸化炉には水蒸気を含んだ窒素が導入されている。目標とする横方向の酸化距離は15μmとした。酸化後、赤外顕微鏡にて観察した結果を図12に示す。酸化された部分は酸化されていない部分と比較して白っぽく見えている。メサ端に近い部分ではDBR中のAl0.90Ga0.10As層の酸化と考えられる領域も観測できる。メサ側壁部からほぼ当方的に酸化されていることが分かるが、エピウエハの構造や酸化条件によっては異方性が現れることがある。またメサの大きさやAl0.90Ga0.10Asの厚さによって酸化速度は異なる。本実施例で使用したパターンはメサの大きさが様々であるため、最も小さいメサにおいて酸化距離が設計値になるよう酸化時間を設定している。 The oxidation was performed according to the following procedure. First, the natural oxide film is removed with ammonia water. Next, it was placed in an oxidation furnace and oxidation was performed with the temperature profile shown in FIG. Nitrogen containing water vapor is introduced into the oxidation furnace. The target lateral oxidation distance was 15 μm. The results of observation with an infrared microscope after oxidation are shown in FIG. The oxidized part looks whitish compared to the non-oxidized part. In the portion near the mesa edge, a region considered to be the oxidation of the Al 0.90 Ga 0.10 As layer in the DBR can also be observed. Although it can be seen that the mesa side wall is oxidized almost isotropically, anisotropy may appear depending on the structure of the epitaxial wafer and the oxidation conditions. The oxidation rate varies depending on the size of the mesa and the thickness of Al 0.90 Ga 0.10 As. Since the patterns used in this example have various mesa sizes, the oxidation time is set so that the oxidation distance becomes the design value in the smallest mesa.

この酸化工程には以下のような問題がある。Al0.98Ga0.02As層の酸化速度は、Al0.98Ga0.02Asの膜厚やひずみなどの影響を受けて変化するため、層構造の異なるウエハごとに酸化レートの確認が必要である。今回のエピ構造における酸化速度はほぼ3μm/minであった。シングルモード発振する面発光レーザを得ようとする場合、発光部(非酸化部)の径は2〜3μm程度にしなければならないが、非酸化径が小さいため精密な時間管理を怠ると全面にわたって酸化されてしまう恐れがある。この問題を解決するため、いくつかの研究機関からその場観察を行いながら酸化を制御する技術が報告されている。 This oxidation process has the following problems. Since the oxidation rate of the Al 0.98 Ga 0.02 As layer is affected by the film thickness and strain of the Al 0.98 Ga 0.02 As, the oxidation rate is confirmed for each wafer having a different layer structure. is required. The oxidation rate in this epi structure was about 3 μm / min. When trying to obtain a surface emitting laser that oscillates in a single mode, the diameter of the light emitting portion (non-oxidized portion) must be about 2 to 3 μm. There is a risk of being. In order to solve this problem, several research institutions have reported techniques for controlling oxidation while performing in-situ observations.

[絶縁膜堆積]
酸化終了後、半導体表面を保護するため絶縁膜を堆積する。ここでは、まず、スパッタによりSiOを堆積した後、更にその上からポリイミドを塗布することにより表面保護と絶縁を行う。
[Insulating film deposition]
After the oxidation is completed, an insulating film is deposited to protect the semiconductor surface. Here, first, after depositing SiO 2 by sputtering, to insulate the surface protection by further applying a polyimide thereon.

ポリイミドはネガ型の感光性ポリイミドを使用した。およそ3μmの厚さにスピンコートするが、メサ部の高さが5〜6μmあるためメサ上部ではポリイミドの塗布膜厚はメサ下部と比較して薄くなる。そのため、コンタクトホールパターンの露光時に後述のような問題が生じる。また、現在使用しているマスクパターンでは、様々な大きさのメサパターンがウエハ上にあるため、メサ上部でのポリイミドの膜厚が、メサの大きさ毎に異なることも問題を引き起こす原因となっている。   As the polyimide, a negative photosensitive polyimide was used. Although the spin coating is performed to a thickness of about 3 μm, the mesa portion has a height of 5 to 6 μm, so that the polyimide coating thickness is thinner in the upper portion of the mesa than in the lower portion of the mesa. For this reason, the following problems occur when the contact hole pattern is exposed. In addition, since the mask patterns currently used have mesa patterns of various sizes on the wafer, the polyimide film thickness on the top of the mesa varies depending on the size of the mesa. ing.

[コンタクトホール]
コンタクトホールのパターンを感光性ポリイミドに露光し、メサ上部に電極コンタクトのための穴を開ける。次の電極形成までの工程の詳細を図13に示す。メサとコンタクトホールパターンのアライメント誤差の許容値は2μmとしてマスク設計を行っているが、メサ段差が大きいために1μm以上のアライメント誤差が生じる。場合によっては2μm程度の誤差を生じる場合もあり、今後、パターンルールを変更するか、メサ段差を平坦化する工程が必要である。1つの方法としてメサ周辺部のみエッチングを行うトレンチ構造が考えられる。
[Contact hole]
The contact hole pattern is exposed to photosensitive polyimide, and a hole for electrode contact is formed on the top of the mesa. The details of the process up to the next electrode formation are shown in FIG. Although the mask design is performed with the allowable value of the alignment error between the mesa and the contact hole pattern being 2 μm, an alignment error of 1 μm or more occurs because the mesa step is large. In some cases, an error of about 2 μm may occur, and in the future, it is necessary to change the pattern rule or flatten the mesa step. As one method, a trench structure in which only the periphery of the mesa is etched can be considered.

メサ側壁部に塗布されるポリイミドの膜厚は薄く、現像時の液の撹拌によってポリイミドがメサから剥離することがある。この現象は特にメサの大きな素子に対して顕著である。側壁部からの剥離は、次のバッファードフッ酸によるエッチング工程でSiO及びAlGaAsがエッチングされてしまうことがあるため問題である。 The film thickness of the polyimide applied to the mesa side wall is thin, and the polyimide may be peeled off from the mesa by stirring the solution during development. This phenomenon is particularly noticeable for elements having a large mesa. Peeling from the side wall is a problem because SiO 2 and AlGaAs may be etched in the next etching process using buffered hydrofluoric acid.

パターニングの後、ポリイミドを硬化させるための熱処理(キュア)を行う。キュア温度は135℃で15分間、及び350℃で60分間、400℃で1分間行った。ポリイミドはキュアによって体積が減少するため、塗布膜厚が厚い場合にはメサ間のポリイミドの収縮によって引っ張り応力が加わる。この応力により、メサにクラックが発生することがあるため塗布膜厚を注意する必要がある。   After patterning, heat treatment (curing) for curing the polyimide is performed. The curing temperature was 135 ° C. for 15 minutes, 350 ° C. for 60 minutes, and 400 ° C. for 1 minute. Since the volume of polyimide is reduced by curing, tensile stress is applied by contraction of the polyimide between mesas when the coating film thickness is thick. Since this stress may cause cracks in the mesa, it is necessary to pay attention to the coating film thickness.

次に、ポリイミドをマスクとしてSiOにコンタクトホールを窓開けする。バッファードフッ酸(BHF)によりエッチングを行うためパターンの端部ではポリイミド下部のSiOもサイドエッチングされる。オーバーエッチングの時間が長すぎると、メサ側壁部にBHFが回り込み、AlGaAs層をサイドエッチングしてしまうため、エッチング時間の管理が重要である。   Next, a contact hole is opened in SiO using polyimide as a mask. Since etching is performed using buffered hydrofluoric acid (BHF), SiO under the polyimide is also side-etched at the end of the pattern. If the over-etching time is too long, BHF wraps around the mesa side wall and side-etches the AlGaAs layer, so management of the etching time is important.

[p電極形成]
コンタクトホールを開けた後、ウエハ全面にp電極となるAu/Zn/Auをこの順に蒸着する。蒸着後、窒素中にて420℃で2分間、アニールを行う。この電極は蒸着のみでは密着性が悪いため、アニールを行わずに後工程を行うと、電極が剥れてくることがある点で注意が必要である。
[P electrode formation]
After the contact hole is opened, Au / Zn / Au serving as a p-electrode is deposited in this order on the entire surface of the wafer. After vapor deposition, annealing is performed in nitrogen at 420 ° C. for 2 minutes. Since this electrode has poor adhesion only by vapor deposition, it should be noted that the electrode may be peeled off when a subsequent process is performed without annealing.

次に、必要な電極部分を残してエッチングを行う。ここではメサ端部よりも10μm外側までの領域をp電極で覆っている。電極パターンをフォトリソグラフィによりパターニングし、余分な金属部分をヨウ素ヨウ化カリウム溶液によってエッチングする。   Next, etching is performed leaving a necessary electrode portion. Here, the region up to 10 μm outside the end of the mesa is covered with a p-electrode. The electrode pattern is patterned by photolithography, and the excess metal portion is etched with a potassium iodide iodide solution.

[電極の密着性向上及び厚膜化]
上記の電極金属だけでは密着性が不十分なため、密着性の高い電極金属を用いて上部から覆う。また、電極部は段差により段切れが起こっている可能性があるため電極の厚膜化が必要である。ここでは電解めっきを用いて金電極の厚膜化を行っている。また、メサ周辺を金で覆っておくことにより放熱特性が向上することを期待している。
[Improved electrode adhesion and thickening]
Since the above-mentioned electrode metal alone is insufficient in adhesion, the electrode metal having high adhesion is covered from the top. In addition, since the electrode portion may be broken due to a step, it is necessary to increase the thickness of the electrode. Here, thickening of the gold electrode is performed by electrolytic plating. In addition, it is expected that the heat dissipation characteristics will be improved by covering the periphery of the mesa with gold.

はじめに、密着性の高い下地金属としてCr/Auをこの順番に全面に蒸着する。金メッキ用のパターニングを行った後、メッキ用電解液にウエハを浸して電流を流すことにより金を析出させる。これにより3μm程度の厚さの電極パッドを形成する。その後、レジストを除去し、メッキされていない部分の下地金属を取り除くため、ヨウ素ヨウ化カリウム溶液に浸し金のエッチングを行う。   First, Cr / Au is deposited on the entire surface in this order as a base metal with high adhesion. After patterning for gold plating, gold is deposited by immersing the wafer in a plating electrolyte and passing an electric current. Thereby, an electrode pad having a thickness of about 3 μm is formed. Thereafter, the resist is removed, and in order to remove the unplated portion of the underlying metal, the substrate is immersed in a potassium iodide iodide solution and etched with gold.

[基板研磨]
レーザ光はGaAs基板を通して基板裏面から出射される。基板によるレーザ光の吸収をできるだけ少なくするため、基板は100μm程度まで研磨する。ただし、研磨面は光の出射面となるため、光が散乱されないよう鏡面である必要がある。
[Substrate polishing]
Laser light is emitted from the back surface of the substrate through the GaAs substrate. In order to minimize the absorption of the laser beam by the substrate, the substrate is polished to about 100 μm. However, since the polished surface serves as a light exit surface, it needs to be a mirror surface so that light is not scattered.

試料をガラス基板にワックスで貼り付けて研磨を行った。研磨は3段階で行っている。まず銅板と2μmのダイアモンドスラリーで120μm程度まで荒削りを行う。その後、研磨盤をクロスに交換し、同様に2μmのダイアモンドスラリーを用いて研磨する。この時点で100μmまで研磨することによりほぼ鏡面が得られる。最後にスラリーをコロイダルシリカに交換し、表面粗さをより低減する。研磨面の写真を図14に示す。表面側とほぼ同等の鏡面が研磨により得られていることがわかる。   The sample was affixed to a glass substrate with wax and polished. Polishing is performed in three stages. First, roughing is performed to about 120 μm with a copper plate and a 2 μm diamond slurry. Thereafter, the polishing disk is replaced with a cloth and similarly polished using a 2 μm diamond slurry. At this point, a mirror surface can be obtained by polishing to 100 μm. Finally, the slurry is replaced with colloidal silica to further reduce the surface roughness. A photograph of the polished surface is shown in FIG. It can be seen that a mirror surface almost equivalent to the surface side is obtained by polishing.

[反射防止膜の堆積]
出射面では空気とGaAsとの屈折率差により、出力のおよそ30%がフレネル反射により内部へ戻される。これがレーザの損失となる他、戻り光としてレーザの動作に影響を及ぼすため、反射防止膜を堆積して反射を低減することが必要である。ここではPCVDで堆積したSiN(屈折率1.92)を用いた。GaAsウエハ上にこのSiNを堆積した場合の反射スペクトルから、ほぼ設計通り980nmにおいて最も低い反射率が得られていることが分かる。
[Deposition of antireflection film]
On the exit surface, approximately 30% of the output is returned to the inside by Fresnel reflection due to the refractive index difference between air and GaAs. In addition to the loss of the laser, this affects the operation of the laser as return light. Therefore, it is necessary to reduce reflection by depositing an antireflection film. Here, SiN (refractive index 1.92) deposited by PCVD was used. From the reflection spectrum when this SiN is deposited on a GaAs wafer, it can be seen that the lowest reflectivity is obtained at 980 nm almost as designed.

今後、更に反射率を低減する必要がある場合は、SiONを使用することにより屈折率を調整する余地が残されている。また、多層膜により反射防止膜を形成することも可能である。   In the future, when it is necessary to further reduce the reflectance, there is room for adjusting the refractive index by using SiON. It is also possible to form an antireflection film with a multilayer film.

[n電極形成]
n電極及び出射窓の形成には、当初、蒸着金属のエッチングによる工程を考えていた。しかし、SiN上のアニールされたAuGeをエッチングした場合、SiN表面に残渣が観測されることが予備実験より明らかとなった。そのため、ここではリフトオフにより電極を形成する方法をとっている。
[N-electrode formation]
In forming the n-electrode and the emission window, a process by etching of the deposited metal was originally considered. However, preliminary experiments revealed that residues were observed on the SiN surface when the annealed AuGe on SiN was etched. Therefore, here, a method of forming electrodes by lift-off is employed.

試料は既に基板研磨工程によって100μmまで薄くなっている。応力による試料の破壊を防ぐため、ワックスなどを用いてガラス板などに貼り付けると効果的であるが、蒸着装置の汚染を防ぐ目的で蒸着前にワックスを除去する必要がある。この工程でレジストも剥離されてしまうため、ここではガラスへ貼り付けずに処理を行った。ここでは基板裏面にSiNが堆積してあるため、基板強度を補強できている。   The sample has already been thinned to 100 μm by the substrate polishing process. In order to prevent breakage of the sample due to stress, it is effective to attach the glass plate or the like using wax or the like, but it is necessary to remove the wax before vapor deposition in order to prevent contamination of the vapor deposition apparatus. Since the resist is also peeled off in this step, the treatment was performed here without being attached to glass. Here, since SiN is deposited on the back surface of the substrate, the substrate strength can be reinforced.

基板裏面はレーザ光の出射面となるため、レーザ光が通過する部分では反射防止膜であるSiNを残し、その他の部分にはn−GaAs基板にオーミック電極を蒸着することが必要である。レーザ光は、すでに加工された表面側のメサ中央部から基板裏面に向けて出射されるため、メサの位置に合わせて、裏面の電極パターンをアライメントする必要がある。   Since the back surface of the substrate serves as a laser beam emission surface, it is necessary to leave SiN as an antireflection film in a portion where the laser beam passes and to deposit an ohmic electrode on the n-GaAs substrate in the other portion. Since the laser light is emitted toward the back surface of the substrate from the already processed center portion of the front surface side, it is necessary to align the electrode pattern on the back surface according to the position of the mesa.

表面のメサパターンにアライメントしてn電極のレジストパターンを形成する。次に、n電極を蒸着する部分のSiNをBHFによりエッチングする。AuGe/Auをこの順に蒸着し、アセトン中でリフトオフする。   An n-electrode resist pattern is formed in alignment with the mesa pattern on the surface. Next, SiN in the portion where the n-electrode is deposited is etched with BHF. AuGe / Au is deposited in this order and lifted off in acetone.

リフトオフの後、窒素中にて420℃に加熱し、2分間の熱処理を行うことによりオーミック電極として機能することができる。   After lift-off, it can function as an ohmic electrode by heating to 420 ° C. in nitrogen and performing a heat treatment for 2 minutes.

[金メッキ]
n電極パターンを基準にメッキ用のパターニンクを行う。端部はSiN上に5μm程度オーバーラップするようマスク設計されている。当初、設計したプロセスでは全面に蒸着したのち、このパターンでメッキを行い、下部電極のエッチングにより出射部の窓開けを行う予定だった。そのためエッチング液にGaAsが曝されないよう、SiN上でオーバーラップさせてあった。メッキ液とGaAsとの反応を避けるためには、下地となる電極パターンよりもメッキのパターンが小さいほうが望ましいが、プロセス変更にマスクパターンが対応していないため、現状ではメッキ液にGaAs基板が曝される状況にある。実際に試作したデバイス特性では、これに起因した問題は生じていない。
[Gold plate]
Plating patterning is performed on the basis of the n-electrode pattern. The end is mask-designed to overlap about 5 μm on SiN. Initially, in the designed process, after vapor deposition was performed on the entire surface, plating was performed with this pattern, and the window of the emission part was to be opened by etching the lower electrode. Therefore, it was made to overlap on SiN so that GaAs might not be exposed to etching liquid. In order to avoid the reaction between the plating solution and GaAs, it is desirable that the plating pattern is smaller than the underlying electrode pattern. However, since the mask pattern does not correspond to the process change, the GaAs substrate is currently exposed to the plating solution. Is in a situation. There are no problems caused by the actual device characteristics.

電解メッキ液を使用し、厚さ3μmの金メッキを行った。これによりワイヤーボンディングの歩留まりが良くなる。   An electroplating solution was used, and gold plating with a thickness of 3 μm was performed. This improves the yield of wire bonding.

[面発光レーザの評価]
図15に、作製した面発光レーザの電流−光強度特性を実線で、電流−電圧特性を破線で示す。図15より、本発明の面発光レーザ装置は、半導体多層膜の層数、量子井戸の層数、室温での反射鏡と量子井戸の利得ピークの相対値等が最適化されており、充分な高出力動作が行われていることが実証された。
[Evaluation of surface emitting laser]
FIG. 15 shows the current-light intensity characteristics of the manufactured surface emitting laser by a solid line and the current-voltage characteristics by a broken line. From FIG. 15, the surface emitting laser device according to the present invention has been optimized with respect to the number of layers of the semiconductor multilayer film, the number of layers of the quantum well, the relative value of the gain peak of the reflector and the quantum well at room temperature, etc. It has been demonstrated that high power operation is taking place.

[面発光レーザのアレイ化]
本発明では、上記の垂直共振器型面発光レーザを2次元に配置してアレイを構成し、更に大出力とすることができる。具体的には、図16に示すように、アレイの非出射側に冷却装置を当接し、アレイの出射側に集光用光学系を配置する。ここで、集光用光学系は各発光レーザ用マイクロレンズ及び全発光レーザ用集光レンズからなる。
[Arraying surface emitting lasers]
In the present invention, the above-described vertical cavity surface emitting laser is two-dimensionally arranged to form an array, and the output can be further increased. Specifically, as shown in FIG. 16, a cooling device is brought into contact with the non-emission side of the array, and a condensing optical system is arranged on the emission side of the array. Here, the condensing optical system is composed of a microlens for each light emitting laser and a condensing lens for all light emitting lasers.

本発明により、面発光レーザ装置の高出力化と高効率化を達成した。これにより、光通信、複写機用光源を始め、広い分野での適用が可能となる。   According to the present invention, high output and high efficiency of the surface emitting laser device have been achieved. This makes it possible to apply in a wide range of fields including optical communication and light sources for copying machines.

本発明の面発光レーザ装置の構成図。The block diagram of the surface emitting laser apparatus of this invention. P−DBRミラー数を変え、最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフ。The graph which plotted the output at the time of changing the number of P-DBR mirrors, the maximum output, the maximum efficiency, and the maximum efficiency. N−DBRミラー数を変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフ。The graph which plotted the output at the time of the maximum output, the maximum efficiency, and the maximum efficiency by changing the number of N-DBR mirrors. バンドオフセットを変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフ。A graph plotting the maximum output, maximum efficiency, and output at maximum efficiency while changing the band offset. 量子井戸数を変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフ。A graph plotting the maximum output, maximum efficiency, and output at maximum efficiency by changing the number of quantum wells. 裏面出射型面発光レーザの断面構造。Cross-sectional structure of a back emission type surface emitting laser. 裏面出射型面発光レーザの作製プロセス。Manufacturing process of back-emitting surface emitting laser. 裏面出射型面発光レーザ用ウエハの層構造例。3 is an example of a layer structure of a wafer for a back emission type surface emitting laser. 面発光レーザ用エピタキシャル層の断面のREM(反射電子顕微鏡像)写真。The REM (reflection electron microscope image) photograph of the cross section of the epitaxial layer for surface emitting lasers. メサエッチングから横方向酸化に至る工程図。Process drawing from mesa etching to lateral oxidation. 酸化工程の温度プロファイル。Temperature profile of the oxidation process. 赤外顕微鏡による横方向酸化の観察。Observation of lateral oxidation with an infrared microscope. 絶縁膜形成からp電極形成までの工程の詳細。Details of the process from insulating film formation to p-electrode formation. 裏面の鏡面研磨を行ったウエハの写真。A photograph of a wafer that has been mirror-polished on the back side. 作製した面発光レーザの電流−光強度特性、及び電流−電圧特性を示すグラフ。The graph which shows the electric current-light intensity characteristic of the produced surface emitting laser, and an electric current-voltage characteristic. アレイ化した大出力面発光レーザ装置の斜視図。The perspective view of the arrayed high output surface emitting laser device.

符号の説明Explanation of symbols

101:反射防止膜、102:上部電極、103:基板、104:N型DBRミラー、105:共振器、106:活性層量子井戸、107:共振器、108:P型DBRミラー、109:絶縁膜、110:下部電極。 101: antireflection film, 102: upper electrode, 103: substrate, 104: N-type DBR mirror, 105: resonator, 106: active layer quantum well, 107: resonator, 108: P-type DBR mirror, 109: insulating film 110: Lower electrode.

Claims (11)

活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成し、n型多層膜反射鏡側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、p型多層膜反射鏡が組成の異なるp型AlGaAsを交互に39ペア以上積層され、且つn型多層膜反射鏡が組成の異なるn型AlGaAsを交互に積層し、その積層数はp型多層膜反射鏡の積層数よりも少ないものであることを特徴とする垂直共振器型高出力面発光レーザ。   In a vertical cavity surface emitting laser in which a laminated structure in which a pair of distributed Bragg reflector type semiconductor multilayer reflectors are arranged above and below an active layer is formed on a semiconductor substrate, and laser light is extracted from the n type multilayer reflector side, The p-type multilayer reflector is alternately stacked with 39 pairs or more of p-type AlGaAs having different compositions, and the n-type multilayer reflector is alternately stacked with n-type AlGaAs having different compositions. A vertical-cavity high-power surface-emitting laser characterized in that the number is less than the number of reflecting mirrors. p型多層膜反射鏡の積層数は48ペア以下であることを特徴とする請求項1に記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。   The vertical cavity type high output surface emitting laser according to claim 1, wherein the number of stacked p-type multilayer mirrors is 48 pairs or less. n型多層膜反射鏡の積層数は28〜30ペア積層したものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。   The vertical cavity type high-power surface emitting laser according to claim 1 or 2, wherein the number of stacked n-type multilayer mirrors is 28 to 30 pairs. 活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成し、p型多層膜反射鏡側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、n型多層膜反射鏡が組成の異なるn型AlGaAsを交互に39ペア以上積層され、且つp型多層膜反射鏡が組成の異なるp型AlGaAsを交互に積層し、その積層数はn型多層膜反射鏡の積層数よりも少ないものであることを特徴とする垂直共振器型高出力面発光レーザ。   In a vertical cavity surface emitting laser in which a laminated structure in which a pair of distributed Bragg reflector type semiconductor multilayer reflectors are arranged above and below an active layer is formed on a semiconductor substrate, and laser light is extracted from the p type multilayer reflector side, The n-type multilayer mirror is alternately stacked with 39 pairs or more of n-type AlGaAs having different compositions, and the p-type multilayer mirror is alternately stacked with p-type AlGaAs having different compositions. A vertical-cavity high-power surface-emitting laser characterized in that the number is less than the number of reflecting mirrors. n型多層膜反射鏡の積層数は48ペア以下であることを特徴とする請求項4に記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。   The vertical cavity type high-power surface emitting laser according to claim 4, wherein the number of stacked n-type multilayer mirrors is 48 pairs or less. p型多層膜反射鏡の積層数は28〜30ペア積層したものであることを特徴とする請求項4又は5に記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。   6. The vertical-cavity high-power surface-emitting laser according to claim 4, wherein the number of stacked p-type multilayer reflectors is 28 to 30 pairs. 活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成した垂直共振器型面発光レーザにおいて、活性層のバンドオフセットが9〜15nmであることを特徴とする垂直共振器型高出力面発光レーザ。   In a vertical cavity surface emitting laser in which a stacked structure in which a pair of distributed Bragg reflector type semiconductor multilayer reflectors are disposed above and below an active layer is formed on a semiconductor substrate, the band offset of the active layer is 9 to 15 nm. A vertical-cavity high-power surface-emitting laser that is characterized. 前記活性層のバンドオフセットが9〜15nmであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。   The vertical cavity type high-power surface emitting laser according to any one of claims 1 to 6, wherein the active layer has a band offset of 9 to 15 nm. 前記活性層が2〜4層の量子井戸層であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。   9. The vertical-cavity high-power surface emitting laser according to claim 1, wherein the active layer is a quantum well layer having 2 to 4 layers. 請求項1乃至9のいずれかに記載の垂直共振器型面発光レーザを2次元に配置してアレイを構成し、該アレイの非出射側に冷却装置を当接し、該アレイの出射側に集光用光学系を配置したことを特徴とする高出力面発光レーザ装置。   An array is configured by two-dimensionally arranging the vertical cavity surface emitting lasers according to any one of claims 1 to 9, and a cooling device is brought into contact with the non-emitting side of the array, and is concentrated on the emitting side of the array. A high-power surface-emitting laser device comprising an optical system for light. 前記集光用光学系が各発光レーザ用マイクロレンズ及び全発光レーザ用集光レンズからなることを特徴とする請求項10に記載の高出力面発光レーザ装置。   The high-power surface-emitting laser device according to claim 10, wherein the condensing optical system includes a microlens for each light emitting laser and a condensing lens for all light emitting lasers.
JP2004248010A 2004-08-27 2004-08-27 Vertical resonance type high output surface-emitting laser Pending JP2006066681A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004248010A JP2006066681A (en) 2004-08-27 2004-08-27 Vertical resonance type high output surface-emitting laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004248010A JP2006066681A (en) 2004-08-27 2004-08-27 Vertical resonance type high output surface-emitting laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006066681A true JP2006066681A (en) 2006-03-09

Family

ID=36112877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004248010A Pending JP2006066681A (en) 2004-08-27 2004-08-27 Vertical resonance type high output surface-emitting laser

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006066681A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010098135A (en) * 2008-10-16 2010-04-30 Sumitomo Electric Ind Ltd Surface light emitting device and method of manufacturing the same
WO2010058805A1 (en) * 2008-11-20 2010-05-27 Ricoh Company, Ltd. Manufacturing method, surface-emitting laser device, surface-emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus
JP2011228440A (en) * 2010-04-19 2011-11-10 Denso Corp Surface emission semiconductor laser element
JP2014132692A (en) * 2008-11-20 2014-07-17 Ricoh Co Ltd Manufacturing method
WO2019107273A1 (en) * 2017-11-30 2019-06-06 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Surface emission semiconductor laser

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010098135A (en) * 2008-10-16 2010-04-30 Sumitomo Electric Ind Ltd Surface light emitting device and method of manufacturing the same
WO2010058805A1 (en) * 2008-11-20 2010-05-27 Ricoh Company, Ltd. Manufacturing method, surface-emitting laser device, surface-emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus
JP2010267946A (en) * 2008-11-20 2010-11-25 Ricoh Co Ltd Manufacturing method, surface-emitting laser device, surface-emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus
US8416822B2 (en) 2008-11-20 2013-04-09 Ricoh Company, Ltd. Manufacturing method, surface-emitting laser device, surface-emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus
US8630325B2 (en) 2008-11-20 2014-01-14 Ricoh Company, Ltd. Manufacturing method, surface-emitting laser device, surface-emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus
JP2014132692A (en) * 2008-11-20 2014-07-17 Ricoh Co Ltd Manufacturing method
JP2011228440A (en) * 2010-04-19 2011-11-10 Denso Corp Surface emission semiconductor laser element
WO2019107273A1 (en) * 2017-11-30 2019-06-06 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Surface emission semiconductor laser
JPWO2019107273A1 (en) * 2017-11-30 2020-11-26 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Surface emitting semiconductor laser
US11652333B2 (en) 2017-11-30 2023-05-16 Sony Semiconductor Solutions Corporation Surface-emitting semiconductor laser
JP7312113B2 (en) 2017-11-30 2023-07-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Surface emitting semiconductor laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6372533B2 (en) Method of making a semiconductor device with aligned oxide apertures and contact to an intervening layer
US7813402B2 (en) Surface emitting laser and method of manufacturing the same
JP5707742B2 (en) Vertical cavity surface emitting laser
WO2007133766A2 (en) Electrically-pumped (ga,in, ai) n vertical-cavity surface-emitting laser
JP2002353563A (en) Semiconductor light-emitting element and manufacturing method therefor
US20060083283A1 (en) Surface-emitting laser, method for manufacturing surface-emitting laser, device and electronic apparatus
US8027370B2 (en) Semiconductor device
WO2020172077A1 (en) Indium-phosphide vcsel with dielectric dbr
US8085827B2 (en) Vertical cavity surface emitting laser and method of manufacturing the same
JP3692060B2 (en) Vertical cavity type semiconductor light emitting device
TW200404395A (en) Optically pumped radiation-emitting semiconductor-device and its production method
JPH05283796A (en) Surface emission type semiconductor laser
WO2021192672A1 (en) Surface-emitting laser, surface-emitting laser array, electronic apparatus, and method for manufacturing surface-emitting laser
TW565975B (en) Oxide confined type vertical cavity surface emitting laser device and the manufacturing method thereof
JP2006066681A (en) Vertical resonance type high output surface-emitting laser
JP6004063B1 (en) Manufacturing method of surface emitting semiconductor laser device
CN113471814A (en) Nitride semiconductor vertical cavity surface emitting laser, and manufacturing method and application thereof
US7440481B2 (en) Surface-emitting type semiconductor laser and method for manufacturing the same
TWI354419B (en) Semiconductor laser device
US7382813B2 (en) Surface-emitting type semiconductor laser and method for manufacturing the same
JP2007165501A (en) Surface-emitting semiconductor laser and its manufacturing method
CN113783102A (en) Low-warpage semiconductor laser and preparation method thereof
JP3722912B2 (en) Semiconductor laser manufacturing method
JP2002198613A (en) Semiconductor device having salient structure, and method of manufacturing the semiconductor device
TW580785B (en) Vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL) and a method for producing the same