JP2006253340A - Surface emission laser element, manufacturing method thereof, surface emission laser array, electrophotographic system, optical communication system, and optical interconnection system - Google Patents

Surface emission laser element, manufacturing method thereof, surface emission laser array, electrophotographic system, optical communication system, and optical interconnection system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reliable surface emission laser element of less leak current and high current constriction efficiency. <P>SOLUTION: A surface emission laser element comprises an active layer 105, a current constriction structure which comprises a current preventing part 116, and a conductor 115 to regulate a current injection region to the active layer 105, and a pair of distributed Bragg reflectors 103; 107, 111 provided to face each other across the active layer 105. The current preventing part 116 is formed of a multilayer structure including a plurality of hetero interfaces in which semiconductor layers different in gap energy are laminated alternately. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、面発光レーザ素子およびその製造方法および面発光レーザアレイおよび電子写真システムおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステムに関する。   The present invention relates to a surface emitting laser element, a manufacturing method thereof, a surface emitting laser array, an electrophotographic system, an optical communication system, and an optical interconnection system.

面発光レーザ(面発光型半導体レーザ)素子は、端面発光型半導体レーザ素子に比べて活性層体積が小さく、低閾値電流動作、高速変調が可能である事から、LAN等の通信光源として注目されている。また、面発光レーザは、基板に垂直な方向にレーザ出力が取り出せることから、2次元アレイ集積が容易であり、並列光インターコネクション用光源、及び高精彩電子写真システムのアレイ書き込み用光源としても注目されている。   Surface-emitting laser (surface-emitting semiconductor laser) elements are attracting attention as communication light sources for LANs and the like because they have a smaller active layer volume than low-end surface-emitting semiconductor laser elements, can operate at low threshold currents, and can be modulated at high speed. ing. In addition, the surface-emitting laser can be easily integrated in a two-dimensional array because the laser output can be taken out in the direction perpendicular to the substrate. Has been.

面発光レーザ素子の代表的な構造としては、例えば非特許文献1に記載されている選択酸化狭窄型構造を有する面発光レーザ(以下、選択酸化型面発光レーザ素子と称す)が知られている。選択酸化型面発光レーザ素子は、結晶成長によって面発光レーザ素子の構造中に設けられたAlAs等のAlを組成に含む半導体層を、高温水蒸気中において酸化する事により形成された絶縁層(Al)を有する面発光レーザ素子である。この種の面発光レーザ素子では、Alの酸化物が非常に良好な絶縁体である事から、注入されたキャリアを素子中心部の選択酸化がなされていない導通部へ非常に効率良く狭窄する事が可能であり、これによってサブミリアンペアの極低発振閾値が得られている。 As a typical structure of a surface emitting laser element, for example, a surface emitting laser having a selective oxidation constriction type structure described in Non-Patent Document 1 (hereinafter referred to as a selective oxidation type surface emitting laser element) is known. . The selective oxidation surface emitting laser element is an insulating layer (Al) formed by oxidizing a semiconductor layer containing Al such as AlAs provided in the structure of a surface emitting laser element by crystal growth in high-temperature steam. x O y ). In this type of surface-emitting laser element, since the oxide of Al is a very good insulator, the injected carriers can be very efficiently confined to the conductive part that is not selectively oxidized at the center of the element. This provides a very low oscillation threshold of sub-milliamperes.

また、面発光レーザ素子におけるこの他の電流狭窄手段(構造)として、半導体材料による高抵抗層により電流狭窄を行う構造等も知られている。例えば、特許文献1には、電流狭窄層(電流阻止部)として高抵抗半導体薄膜層を用いた電流狭窄構造が示されている。また、例えば特許文献2には、バンドギャップエネルギーが周辺の半導体層に対して大きな半導体層を電流狭窄構造に用い、基板面に平行な方向に活性層を囲む様に電流狭窄構造を形成した例が示されている。
Electronics Leters, Vol.30, No.24, pp.2043−2044, 1994 特開2004−179468号公報 特開平6−314855号公報
As another current confinement means (structure) in a surface emitting laser element, a structure in which current confinement is performed by a high resistance layer made of a semiconductor material is also known. For example, Patent Document 1 discloses a current confinement structure using a high-resistance semiconductor thin film layer as a current confinement layer (current blocking portion). For example, Patent Document 2 discloses an example in which a semiconductor layer having a larger band gap energy than a peripheral semiconductor layer is used as a current confinement structure, and a current confinement structure is formed so as to surround an active layer in a direction parallel to the substrate surface. It is shown.
Electronics Letters, Vol. 30, no. 24, pp. 2043-2044, 1994 JP 2004-179468 A JP-A-6-314855

非特許文献1に示されているような選択酸化型面発光レーザ素子は、良好な絶縁体であるAlにより、非常に効率良く注入キャリアの狭窄を行う事が可能である。しかし、この一方でAlの酸化物の屈折率が1.6程度と半導体層に比べて約半分程度と小さい為に、非常に大きな横モードの閉じ込めが生じ、単一基本横モード発振を得る事が難しいという問題がある。ファイバ通信,電子写真システム光源などの多くの用途において、高出力における単一基本横モード発振が望まれている。選択酸化型面発光レーザ素子において、単一基本横モード発振を得るのに最も一般的に知られている方法は、選択酸化工程によって形成される電流狭窄構造の非酸化領域の一辺、又は直径を発振波長の3〜4倍程度と設定する事である。選択酸化された領域が周辺半導体層に対し低屈折率領域を形成するため、実屈折率導波構造が形成され、非酸化領域の一辺、又は直径を発振波長の3〜4倍程度に設定した場合に、高次横モードに対するカットオフ条件が満たされる。しかし、実際には、この際の非酸化領域における一辺の長さ、又は直径は、3〜数μmと非常に小さなものであり、狭窄構造による駆動電圧の増加(抵抗増加)と、発光領域の減少による出力の低減が問題となっている。また、選択酸化工程は、選択酸化層の膜厚,Al組成,酸化温度に対して非常に敏感な工程であって、ウエハ面内において、高い均一性及び再現性を得る事が非常に難しく、素子の歩留まりを低下させる要因となっている。また、選択酸化によって形成したAl層の界面には、Al層の酸化による体積収縮によって歪応力が発生し、後工程においてメサ構造が寸断する等の問題が生じる場合があり、更に前記の歪応力は、長期的に見た場合に、素子の信頼性に対して悪影響を及ぼすものと考えられる。 A selective oxidation type surface emitting laser element as shown in Non-Patent Document 1 can confine injection carriers very efficiently by Al x O y which is a good insulator. However, since the refractive index of Al oxide is about 1.6, which is about half that of the semiconductor layer, very large transverse mode confinement occurs and single fundamental transverse mode oscillation can be obtained. There is a problem that is difficult. In many applications, such as fiber communications and electrophotographic system light sources, single fundamental transverse mode oscillation at high power is desired. In a selective oxidation type surface emitting laser element, the most commonly known method for obtaining a single fundamental transverse mode oscillation is to calculate a side or diameter of a non-oxidized region of a current confinement structure formed by a selective oxidation process. It is set to about 3 to 4 times the oscillation wavelength. Since the selectively oxidized region forms a low refractive index region with respect to the peripheral semiconductor layer, an actual refractive index waveguide structure is formed, and one side or diameter of the non-oxidized region is set to about 3 to 4 times the oscillation wavelength. The cut-off condition for the higher order transverse mode is satisfied. However, in actuality, the length or diameter of one side in the non-oxidized region at this time is as very small as 3 to several μm, and an increase in driving voltage (increased resistance) due to the constriction structure and the emission region Reduction of output due to reduction is a problem. The selective oxidation process is very sensitive to the film thickness, Al composition and oxidation temperature of the selective oxidation layer, and it is very difficult to obtain high uniformity and reproducibility in the wafer surface. This is a factor that reduces the yield of the element. In addition, strain stress is generated at the interface of the Al x O y layer formed by selective oxidation due to volume shrinkage due to the oxidation of the Al x O y layer, and the mesa structure may be broken in the subsequent process. Furthermore, the strain stress is considered to have an adverse effect on the reliability of the element when viewed over a long period of time.

これに対し、特許文献1,特許文献2では、電流狭窄構造を作製する為の方法としてエッチング,写真製版技術等の比較的高い制御性を有した半導体プロセス技術を用いている事により、上記の再現性、均一性、及び信頼性に関する問題を改善している。また、特に特許文献1,2には言及されてはいないものの、半導体層により電流狭窄構造を形成した事によって、上述の光閉じ込めに関する問題を改善する事が可能である。しかし、実際には、有機金属気相成長法(MOCVD法)等の量産性(スループット)や、素子特性(分布ブラッグ反射器の低抵抗化)において有用な結晶成長法において、オートドーピングや残留不純物の影響によって、AlGaAs等の半導体層中のSi,炭素等の不純物濃度を十分に下げて高抵抗半導体層を得る事は難しいという課題がある。また、比較的高抵抗で、更にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を用いたとしても、そのバンドギャップエネルギーは、選択酸化型面発光レーザ素子の電流阻止層であるAlのバンドギャップエネルギーに比べて小さく、十分な絶縁が得られるとは言えない。特に、極低閾値電流を得る事のできる面発光レーザ素子では、僅かなリーク電流であっても、閾値電流値への影響は大きいものと考えられる。 On the other hand, in Patent Document 1 and Patent Document 2, by using a semiconductor process technology having relatively high controllability such as etching and photoengraving technology as a method for producing a current confinement structure, Improves reproducibility, uniformity, and reliability issues. Although not specifically mentioned in Patent Documents 1 and 2, the above-described problems related to optical confinement can be improved by forming a current confinement structure with a semiconductor layer. In practice, however, auto-doping and residual impurities are used in crystal growth methods useful for mass productivity (throughput) such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and device characteristics (reducing the resistance of distributed Bragg reflectors). As a result, there is a problem that it is difficult to obtain a high resistance semiconductor layer by sufficiently reducing the concentration of impurities such as Si and carbon in a semiconductor layer such as AlGaAs. Even if a semiconductor layer having a relatively high resistance and a large band gap energy is used, the band gap energy is equal to the band gap energy of Al x O y which is a current blocking layer of the selective oxidation surface emitting laser element. Compared to this, it cannot be said that sufficient insulation is obtained. In particular, in a surface emitting laser element capable of obtaining an extremely low threshold current, even a slight leak current is considered to have a large effect on the threshold current value.

本発明は、リーク電流が少なく、高い電流狭窄効率を有する、信頼性が高い面発光レーザ素子およびその製造方法および面発光レーザアレイおよび電子写真システムおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステムを提供する事を目的としている。   The present invention provides a highly reliable surface-emitting laser device having a low leakage current and a high current confinement efficiency, a manufacturing method thereof, a surface-emitting laser array, an electrophotographic system, an optical communication system, and an optical interconnection system. It is an object.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、活性層と、電流阻止部と導通部とからなり前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されている事を特徴としている。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that an active layer, a current confinement structure that defines a current injection region into the active layer, which includes a current blocking portion and a conduction portion, and sandwiches the active layer. In the surface emitting laser device including a pair of distributed Bragg reflectors provided opposite to each other, the current blocking unit has a multilayer structure including a plurality of heterointerfaces in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked. It is characterized by being 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素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層の間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層により構成されている事を特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the surface emitting laser element according to the first aspect, wherein the conducting portion has a band gap energy between semiconductor layers having different band gap energies forming the current blocking portion. It is characterized by being composed of layers.

また、請求項3記載の発明は、請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により構成されている事を特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, in the surface-emitting laser device according to the first aspect, the conductive portion is a semiconductor having a small band gap energy among semiconductor layers having different band gap energies forming the current blocking portion. It is characterized by being composed of a semiconductor layer having a smaller band gap energy than the layer.

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素子において、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した前記多層構造は、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層を備え、定在波の腹に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を備えている事を特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to third aspects, the multilayer structure in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked A semiconductor layer having a relatively small band gap energy among the semiconductor layers having different band gap energies in the vicinity of the position corresponding to the node of the standing wave of light, and in the vicinity of the position corresponding to the antinode of the standing wave In addition, a semiconductor layer having a relatively large band gap energy among the semiconductor layers having different band gap energies is provided.

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素子において、前記電流阻止部の多層構造を構成する各半導体層は、ノンドープ半導体により形成されている事を特徴としている。   According to a fifth aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to fourth aspects, each semiconductor layer constituting the multilayer structure of the current blocking portion is formed of a non-doped semiconductor. It is characterized by being.

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素子の製造方法において、前記導通部は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造へのIII族元素の相互拡散により形成される事を特徴としている。   According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface-emitting laser element according to any one of the first to fifth aspects, the conductive portion alternately includes semiconductor layers having different band gap energies. It is characterized by being formed by interdiffusion of group III elements into a multilayer structure including a plurality of stacked hetero interfaces.

また、請求項7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素子を複数個配列して形成されている事を特徴とする面発光レーザアレイである。   According to a seventh aspect of the invention, there is provided a surface emitting laser array comprising a plurality of the surface emitting laser elements according to any one of the first to fifth aspects. .

また、請求項8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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムである。   The invention according to claim 8 is characterized in that the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 7 is used as a light source. It is an electrophotographic system.

また、請求項9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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光通信システムである。   The invention according to claim 9 is characterized in that the surface-emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface-emitting laser array according to claim 7 is used as a light source. Is an optical communication system.

また、請求項10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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムである。   The invention described in claim 10 is characterized in that the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 7 is used as a light source. This is an optical interconnection system.

請求項1乃至請求項4記載の発明によれば、活性層と、電流阻止部と導通部とからなり前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されているので(すなわち、電流阻止部を複数のへテロ界面を含む多層構造により形成しているので)、リーク電流が少なく、高い狭窄効率を有する電流狭窄構造を得る事ができる。これにより、選択酸化構造を電流狭窄構造とした面発光レーザ素子(選択酸化型面発光レーザ素子)の様に電流狭窄構造の周辺に歪応力が発生する事無く、電流狭窄構造を形成する事ができる。また、本発明の電流狭窄構造は、高い制御性,均一性,再現性を得る事が難しい選択酸化工程を用いずに、制御性の優れた写真製版,エッチング等の半導体プロセスによって電流狭窄構造を形成しているので、高い素子の歩留まり及び信頼性を得る事が可能となる。   According to the first to fourth aspects of the present invention, the current confinement structure that includes the active layer, the current blocking portion, and the conductive portion that defines the current injection region to the active layer is opposed to the active layer. In the surface emitting laser device including a pair of distributed Bragg reflectors, the current blocking portion is formed by a multilayer structure including a plurality of heterointerfaces in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked. Therefore (that is, the current blocking portion is formed by a multilayer structure including a plurality of hetero interfaces), it is possible to obtain a current confinement structure with low leakage current and high confinement efficiency. As a result, a current confinement structure can be formed without generating a strain stress around the current confinement structure as in a surface emitting laser element (selective oxidation type surface emitting laser element) having a selective oxidation structure as a current confinement structure. it can. In addition, the current confinement structure of the present invention can be obtained by a semiconductor process such as photoengraving and etching having excellent controllability without using a selective oxidation process in which it is difficult to obtain high controllability, uniformity and reproducibility. Since it is formed, high device yield and reliability can be obtained.

特に、請求項2記載の発明では、請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層の間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層により構成されているので、導通部におけるポテンシャルバリアによる抵抗を低減し、導通部を低抵抗とする事ができる。これにより、より狭窄効率が高く、更に素子抵抗の低い面発光レーザ素子を提供する事が可能となる。   In particular, according to a second aspect of the present invention, in the surface-emitting laser device according to the first aspect, the conducting portion has a band gap energy between semiconductor layers having different band gap energies forming the current blocking portion. Since it is composed of layers, the resistance due to the potential barrier in the conduction part can be reduced, and the conduction part can have a low resistance. As a result, it is possible to provide a surface emitting laser element having higher constriction efficiency and lower element resistance.

また、請求項3記載の発明では、請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により構成されているので、電流阻止部を低屈折率領域とし、導通部を高屈折領域とする実屈折率導波構造を形成する事ができる。この結果、電流狭窄構造により、安定に横モードの閉じ込めを行う事ができる。また、本発明の電流狭窄構造は、すべて半導体材料により構成されているため、選択酸化構造を用いた電流狭窄構造に比べて屈折率差が小さく、この結果、比較的大きな狭窄面積であっても単一基本横モード発振を得る事ができる。また、比較的大きな電流狭窄面積においても単一基本横モード発振が得られる為、素子の動作電圧を低減する事が可能である。以上から、信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード発振が可能な面発光レーザ素子を提供する事ができる。   According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the first aspect, the conducting portion is a semiconductor having a small band gap energy among the semiconductor layers forming the current blocking portion and having different band gap energies. Since it is composed of a semiconductor layer having a smaller band gap energy than the layer, it is possible to form an actual refractive index waveguide structure in which the current blocking portion is a low refractive index region and the conducting portion is a high refractive region. As a result, the transverse mode can be stably confined by the current confinement structure. In addition, since the current confinement structure of the present invention is entirely made of a semiconductor material, the refractive index difference is smaller than that of the current confinement structure using the selective oxidation structure. As a result, even if the area is relatively large, Single fundamental transverse mode oscillation can be obtained. In addition, since a single fundamental transverse mode oscillation can be obtained even in a relatively large current confinement area, the operating voltage of the element can be reduced. From the above, it is possible to provide a surface emitting laser element that is highly reliable and capable of single fundamental transverse mode oscillation up to high output.

また、請求項4記載の発明では、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素子において、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した前記多層構造は、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層を備え、定在波の腹に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を備えているので、より効果的に横モード閉じ込めを行う事ができる。すなわち、請求項4の構成は、例えば、導通部が、電流阻止部のヘテロ構造を構成する半導体層(バンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層)のうち、バンドギャップエネルギーの小さな(屈折率の大きな)半導体層で構成されている様な場合でも、屈折率導波構造が形成でき、安定に横モードの閉じ込めを行う事ができる。この様に請求項4の発明では、より広範囲の電流狭窄構造の構成に対しても、安定に横モード閉じ込めを行なうことができる。   According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to third aspects, the multilayer structure in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked A semiconductor layer having a relatively small band gap energy among the semiconductor layers having different band gap energies in the vicinity of the position corresponding to the node of the standing wave of light, and in the vicinity of the position corresponding to the antinode of the standing wave In addition, since the semiconductor layer having a relatively large band gap energy among the semiconductor layers having different band gap energies is provided, lateral mode confinement can be performed more effectively. That is, in the configuration of claim 4, for example, among the semiconductor layers (semiconductor layers having different band gap energies) in which the conducting portion forms the heterostructure of the current blocking portion, the band gap energy is small (the refractive index is large). Even in the case of a semiconductor layer, a refractive index waveguide structure can be formed, and the transverse mode can be stably confined. As described above, in the invention of claim 4, the transverse mode confinement can be performed stably even for the configuration of a wider range of current confinement structure.

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素子において、前記電流阻止部の多層構造を構成する各半導体層は、ノンドープ半導体により形成されているので、半導体層のバルク抵抗を大きくし、また、ヘテロ界面におけるポテンシャルバリア厚さを厚くする事によって電流阻止部を更に高抵抗とし、高効率に電流狭窄を行なうことができる。   According to a fifth aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to fourth aspects, each semiconductor layer constituting the multilayer structure of the current blocking portion is a non-doped semiconductor. Therefore, by increasing the bulk resistance of the semiconductor layer and increasing the thickness of the potential barrier at the hetero interface, the current blocking portion can be further increased in resistance and current confinement can be performed with high efficiency.

また、請求項6の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素子の製造方法において、前記導通部は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造へのIII族元素の相互拡散により形成されるので(すなわち、III族元素の相互拡散によって、ヘテロ障壁部を無秩序化し、導通部(低抵抗領域)を形成するので)、エッチング等の工程を用いずに電流狭窄構造を形成する事ができる。これにより素子の製造工程を簡便にすることができる。また、エッチングなどを必要としないので、平坦な素子表面が得られ、後工程におけるプロセス加工が容易になるという効果も得られる。   According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface emitting laser element according to any one of the first to fifth aspects, the conducting portions are semiconductor layers having different band gap energies. Is formed by interdiffusion of group III elements into a multilayer structure including a plurality of heterointerfaces alternately stacked (that is, the heterobarrier part is disordered by the group III element interdiffusion, and the conduction part (low resistance region ), The current confinement structure can be formed without using an etching process or the like. Thereby, the manufacturing process of an element can be simplified. Further, since etching or the like is not required, a flat element surface can be obtained, and an effect that process processing in a subsequent process is facilitated can be obtained.

また、請求項7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素子を複数個配列して形成されている事を特徴とする面発光レーザアレイであり、電力変換効率及び信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード動作が可能な面発光レーザ素子によって面発光レーザアレイを構成した事により、電力変換効率及び信頼性が高く、更に素子抵抗が低く、高出力まで単一基本横モード発振が可能な、電子写真システムのマルチビーム書き込み系や光通信システム等の光源として好適な面発光レーザアレイを提供する事ができる。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a surface emitting laser array comprising a plurality of the surface emitting laser elements according to any one of the first to fifth aspects. Since the surface emitting laser array is composed of the surface emitting laser elements having high power conversion efficiency and reliability and capable of single basic transverse mode operation up to high output, the power conversion efficiency and reliability are high. It is possible to provide a surface emitting laser array having a low resistance and capable of oscillating in a single fundamental transverse mode up to a high output and suitable as a light source for an electrophotographic system such as a multi-beam writing system or an optical communication system.

また、請求項8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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムであり、電力変換効率及び信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード動作が可能な面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイを用いる事により、信頼性が高く、低消費電力であり、高速且つ高精彩な電子写真システムを提供することができる。特に、光源に請求項7の面発光レーザアレイを用いた場合には、請求項7の面発光レーザアレイは高いアレイ間の位置精度を有していることから、同一のレンズで複数のビームを再現性良く容易に集光することができる。よって、光学系が簡単で済み、低コストなシステムを得ることができる。   According to the invention described in claim 8, the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 7 is used as a light source. This is an electrophotographic system characterized by high power conversion efficiency and reliability, and high reliability by using a surface-emitting laser element or surface-emitting laser array capable of single basic transverse mode operation up to high output. It is possible to provide a high-speed and high-definition electrophotographic system with low power consumption. In particular, when the surface emitting laser array according to claim 7 is used as a light source, the surface emitting laser array according to claim 7 has a high positional accuracy between the arrays, and therefore, a plurality of beams can be emitted from the same lens. It can be easily condensed with good reproducibility. Therefore, an optical system is simple and a low-cost system can be obtained.

また、請求項9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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光通信システムであり、電力変換効率及び信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード動作が可能な面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイを用いる事により、信頼性が高く、低消費電力であり、高速且つ遠距離通信が可能な光通信システムを提供することができる。   According to the invention described in claim 9, the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 7 is used as a light source. This optical communication system features high power conversion efficiency and reliability, and is highly reliable by using a surface-emitting laser element or surface-emitting laser array capable of single basic transverse mode operation up to high output. It is possible to provide an optical communication system with low power consumption and capable of high-speed and long-distance communication.

また、請求項10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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムであり、電力変換効率及び信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード動作が可能な面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイを用いる事により、信頼性が高く、低消費電力であり、高速伝送が可能な光インターコネクションシステムを提供することができる。
Further, according to the invention described in claim 10, the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 7 is used as a light source. The optical interconnection system is characterized by high power conversion efficiency and reliability, and by using a surface-emitting laser element or surface-emitting laser array capable of single basic transverse mode operation up to high output, reliability is achieved. It is possible to provide an optical interconnection system that is high, has low power consumption, and can perform high-speed transmission.

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、活性層と、電流阻止部と導通部とからなり前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されている事を特徴としている。
(First form)
According to a first aspect of the present invention, a current confinement structure that includes an active layer, a current blocking portion, and a conduction portion and defines a current injection region into the active layer, and a pair provided opposite to each other with the active layer interposed therebetween. In the surface emitting laser device including the distributed Bragg reflector, the current blocking portion is formed of a multilayer structure including a plurality of heterointerfaces in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked. It is said.

バンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層のヘテロ界面では、それぞれの半導体層のバンド不連続に起因してスパイク,ノッチ状のポテンシャルバリアが形成される事が知られている。キャリアである電子及び正孔は、スパイク状のポテンシャルバリアによって伝導が妨げられ、ヘテロ界面を含む半導体構造は、通常のバルク半導体に比べて高抵抗となる。また、電子と正孔とでは、正孔の方が有効質量が大きく、ポテンシャルバリアの影響をより大きく受ける。従って、正孔が多数キャリアであるp型半導体では、ヘテロ界面の影響によってより高抵抗化し易い性質がある。   It is known that spike and notch-like potential barriers are formed at the heterointerfaces of semiconductor layers having different band gap energies due to band discontinuities in the respective semiconductor layers. Electrons and holes that are carriers are prevented from conducting by a spike-like potential barrier, and a semiconductor structure including a heterointerface has a higher resistance than a normal bulk semiconductor. Further, among electrons and holes, holes have a larger effective mass and are more affected by the potential barrier. Therefore, a p-type semiconductor in which holes are majority carriers has a property of easily increasing resistance due to the influence of the heterointerface.

本発明の第1の形態では、電流狭窄構造の電流阻止部として、バンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のへテロ界面を含む多層構造を設ける構成としている。ヘテロ界面に生じるポテンシャルバリアによって電流阻止部は高抵抗となるので、注入キャリアを導通部へ狭窄することができる。また、この第1の形態では、選択酸化型面発光レーザ素子の様に非常に精密なプロセス条件の管理が必要なAlを含む半導体層の選択酸化工程を用いずに電流狭窄構造を形成する事ができるので、高い素子の歩留まりが得られる。また、選択酸化層を用いていないので、選択酸化界面における歪応力の発生等の問題も無く、素子の信頼性も高い。尚、電流狭窄構造を設ける位置としては、n型半導体中,p型半導体中のいずれにも設ける事ができるが、上記の様に、半導体材料は、p型半導体材料の多数キャリアである正孔の方がポテンシャルバリアの影響を受けやすいので、p型半導体中に設けた場合の方がより大きな狭窄効果を得る事ができる。以上の様に、本発明では、従来の半導体材料による高抵抗層を電流狭窄層として用いた場合に比べ、レーザ発振に寄与しない無効電流を低減する事が可能であり、低閾値電流であり、電力変換効率の高い面発光レーザ素子を提供する事ができる。   In the first embodiment of the present invention, a multilayer structure including a plurality of heterointerfaces in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked is provided as a current blocking portion of a current confinement structure. Since the current blocking portion has a high resistance due to the potential barrier generated at the hetero interface, the injected carriers can be confined to the conducting portion. In the first embodiment, the current confinement structure is formed without using the selective oxidation step of the semiconductor layer containing Al, which requires the management of very precise process conditions like the selective oxidation type surface emitting laser element. Therefore, a high device yield can be obtained. Further, since the selective oxidation layer is not used, there is no problem such as generation of strain stress at the selective oxidation interface, and the reliability of the element is high. Note that the current confinement structure can be provided in either the n-type semiconductor or the p-type semiconductor. However, as described above, the semiconductor material is a hole that is a majority carrier of the p-type semiconductor material. Since this is more susceptible to the potential barrier, a larger constriction effect can be obtained when it is provided in a p-type semiconductor. As described above, in the present invention, it is possible to reduce reactive current that does not contribute to laser oscillation compared to the case where a high resistance layer made of a conventional semiconductor material is used as a current confinement layer, and a low threshold current, A surface emitting laser element with high power conversion efficiency can be provided.

(第2の形態)
本発明の第2の形態は、第1の形態の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層の間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層により構成されている事を特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, in the surface-emitting laser device according to the first aspect, the conducting portion has a semiconductor layer having a band gap energy between semiconductor layers having different band gap energies forming the current blocking portion. It is characterized by comprising.

バンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した多層構造により、高い電流狭窄効果を得るには、面発光レーザ素子中において、多層構造と接する任意の半導体層に対し、多層構造を形成する2種の半導体層のうち、任意の半導体層とのバンド不連続量が大きくなる組成の材料が接するように設ける事が望ましい。   In order to obtain a high current confinement effect by a multilayer structure in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked, two types of forming a multilayer structure with respect to an arbitrary semiconductor layer in contact with the multilayer structure in a surface emitting laser element Of these semiconductor layers, it is desirable to provide a material having a composition that increases the band discontinuity with any semiconductor layer.

また、特に高い狭窄効率を得る為には、上記の様に2種のキャリアの内、正孔を狭窄する方が好ましく、この場合には価電子帯側におけるバンド不連続量が大きくなる様に多層構造を設ける事が望ましい。更に、価電子帯のバンドエネルギーは、多くの半導体材料において、バンドギャップエネルギーの増加に対し、単純に低下する傾向がある。   In order to obtain a particularly high confinement efficiency, it is preferable to confine holes among the two types of carriers as described above. In this case, the band discontinuity on the valence band side is increased. It is desirable to provide a multilayer structure. Furthermore, the band energy of the valence band tends to decrease with increasing band gap energy in many semiconductor materials.

本発明の第2の形態では、上記の様に多層構造からなる電流阻止部の構成を選んだ場合に、導通部において導通部と接する任意の半導体層との価電子帯バンド不連続量を、電流阻止部に対する価電子帯バンド不連続量に対して常に小さく設定する事が可能であり、導通部に形成されるポテンシャルバリアによる抵抗を低減し(導通部の抵抗を小さくすることができ)、素子抵抗を小さくできる。また、導通部の抵抗が低減する事により、高い狭窄効率が得られ、低閾値電流であり、電力変換効率の高い面発光レーザ素子を提供する事ができる。なお、この様な導通部の抵抗を小さくする構造は、後述の様に、不純物拡散等に伴うIII族元素の相互拡散を用いて、容易に形成できる。   In the second embodiment of the present invention, when the configuration of the current blocking portion having a multilayer structure as described above is selected, the valence band discontinuity with any semiconductor layer in contact with the conducting portion in the conducting portion is The valence band band discontinuity with respect to the current blocking part can always be set small, reducing the resistance due to the potential barrier formed in the conducting part (the resistance of the conducting part can be reduced), Element resistance can be reduced. Further, by reducing the resistance of the conducting portion, a high confinement efficiency can be obtained, and a surface emitting laser element having a low threshold current and high power conversion efficiency can be provided. Such a structure for reducing the resistance of the conducting portion can be easily formed by using mutual diffusion of group III elements accompanying impurity diffusion or the like, as will be described later.

(第3の形態)
本発明の第3の形態は、第1の形態の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により構成されている事を特徴としている。すなわち、第3の形態では、電流阻止部を形成するバンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーの小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により導通部を構成している。
(Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the surface-emitting laser device according to the first aspect, the conductive portion is a semiconductor layer having a small band gap energy among semiconductor layers having different band gap energies forming the current blocking portion. Further, it is characterized by being composed of a semiconductor layer having a smaller band gap energy. That is, in the third embodiment, among the semiconductor layers having different band gap energies forming the current blocking portion, the conducting portion is configured by a semiconductor layer having a smaller band gap energy than a semiconductor layer having a smaller band gap energy. .

本発明の第3の形態では、本発明の第1の形態と同様に、複数のへテロ界面を含む多層構造により、注入キャリアを高効率に導通部へ狭窄できる。更に、半導体の屈折率とバンドギャップエネルギーとの間には対応関係があり、特に同じ材料系による混晶材料では、(伝導帯Γ点と価電子帯頂上の)バンドギャップエネルギーの小さな半導体混晶ほど、大きな屈折率となる性質がある。従って、この第3の形態のように、導通部を、電流阻止部を構成する半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さな半導体層で構成すると、横モードの実屈折率閉じ込め構造を得る事ができる。また、電流狭窄構造を半導体材料で構成している事により、電流阻止部と導通部における屈折率差は従来の選択酸化構造を用いた電流狭窄構造に比べて小さくなっている。従来の選択酸化構造を用いた電流狭窄構造では、上記の屈折率差が大きい為に、非常に大きな横モードの閉じ込めが生じており、基本横モード以外にも、高次横モードも容易に閉じ込められてしまうという問題がある。この為、電流狭窄径(辺)を微小に設定し、高次横モードに対するカットオフ条件が満たす様にする必要があった。これに対し、この第3の形態では、上記の様に横モードの閉じ込め構造における屈折率差が小さいため、従来の選択酸化型面発光レーザ素子に比べて電流狭窄径(辺)を大きく設定した場合でも、高次横モードに対するカットオフ条件を容易に満たす事ができる。これによって、狭窄面積(発振面積)を大きく設定する事が可能になり、より大きな出力を得る事ができる。更に、狭窄面積を大きく設定できる事により、素子の抵抗(駆動電圧)を低減できる。また、素子抵抗(駆動電圧)が低減できる事により、発熱が低減するので、出力及び微分抵抗の飽和点も高くなり、高速動作が容易になる。   In the third embodiment of the present invention, the injected carrier can be confined to the conducting portion with high efficiency by the multilayer structure including a plurality of hetero interfaces as in the first embodiment of the present invention. Furthermore, there is a corresponding relationship between the refractive index of the semiconductor and the band gap energy, especially in mixed crystal materials of the same material system, a semiconductor mixed crystal having a small band gap energy (on the conduction band Γ point and the top of the valence band). The higher the refractive index, the more the property. Therefore, when the conducting portion is formed of a semiconductor layer having a smaller band gap energy than the semiconductor layer forming the current blocking portion as in the third embodiment, a transverse mode real refractive index confinement structure can be obtained. Further, since the current confinement structure is made of a semiconductor material, the refractive index difference between the current blocking portion and the conduction portion is smaller than that of the current confinement structure using the conventional selective oxidation structure. In the current confinement structure using the conventional selective oxidation structure, since the above refractive index difference is large, a very large transverse mode is confined. In addition to the fundamental transverse mode, a high-order transverse mode is easily confined. There is a problem that it will be. For this reason, it is necessary to set the current confinement diameter (side) to be minute so that the cutoff condition for the higher-order transverse mode is satisfied. On the other hand, in the third embodiment, since the refractive index difference in the transverse mode confinement structure is small as described above, the current confinement diameter (side) is set larger than that of the conventional selective oxidation surface emitting laser element. Even in this case, it is possible to easily satisfy the cut-off condition for the high-order transverse mode. As a result, the constriction area (oscillation area) can be set large, and a larger output can be obtained. Furthermore, since the constriction area can be set large, the resistance (drive voltage) of the element can be reduced. Further, since the element resistance (driving voltage) can be reduced, heat generation is reduced, so that the saturation point of the output and differential resistance is also increased, and high-speed operation is facilitated.

(第4の形態)
本発明の第4の形態は、第1乃至第3のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した前記多層構造は、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層を備え、定在波の腹に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を備えている事を特徴としている。すなわち、第4の形態では、電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層してなる複数のへテロ界面を含む多層構造中において、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層が位置し、更に定在波の腹に対応する位置の近辺に、相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層が位置する構成としている。
(4th form)
According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to third aspects, the multilayer structure in which semiconductor layers having different bandgap energies are alternately stacked has a standing wave of oscillation light. A semiconductor layer having a relatively small band gap energy among the semiconductor layers having different band gap energies in the vicinity of the position corresponding to the node, and the bands adjacent to each other in the vicinity of the position corresponding to the antinode of the standing wave. A semiconductor layer having a relatively large band gap energy among semiconductor layers having different gap energies is provided. That is, in the fourth embodiment, in a multi-layer structure including a plurality of hetero interfaces formed by alternately laminating semiconductor layers having different band gap energies that form a current blocking portion, a node of a standing wave of oscillation light is used. A semiconductor layer having a relatively small band gap energy is located in the vicinity of the corresponding position, and a semiconductor layer having a relatively large band gap energy is located in the vicinity of the position corresponding to the antinode of the standing wave. It is set as the position where is located.

本発明の第4の形態では、以上の様な構成とする事によって、半導体材料による横モードの実屈折率導波構造をより効率的に形成することができる。すなわち、レーザ発振状態では、発振光は素子内において定在波を形成し、定在波の腹に当たる位置では、発振光の電界強度が大きく、節にあたる位置ではゼロとなっている。従って、電界強度がより大きな腹に対応した面内に光の閉じ込め構造を設けると、より効果的に横モード閉じ込めを行う事ができる。本発明の電流狭窄構造は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層の多層構造によって形成されており、各半導体層は、バンドギャップエネルギーに対応した、互いに異なった屈折率値を有している。従って、例えば導通部の半導体層が、電流阻止部を形成する半導体層(バンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層)の間のバンドギャップエネルギー(屈折率)を有している場合には、電流阻止部の半導体層の屈折率に対応し、面内において導波構造と反導波構造が交互に形成され、効率的に横モード閉じ込めが得られない場合がある。この様な場合は、電流阻止部を形成する半導体層の内、屈折率のより小さな半導体層(バンドギャップエネルギーの大きな半導体層)を定在波の腹に対応する位置に設け、屈折率の大きい半導体層(バンドギャップエネルギーの小さな半導体層)をこれ以外の部位(特に定在波の節の位置)に設けると、定在波の腹に対応する位置に設けた閉じ込め構造の作用が支配的になり、実屈折率導波構造を形成する事ができる。この様に、本発明の第4の形態では、より効果的に横モード閉じ込めが得られる。   In the fourth embodiment of the present invention, the transverse mode real refractive index waveguide structure made of a semiconductor material can be more efficiently formed by adopting the above configuration. That is, in the laser oscillation state, the oscillation light forms a standing wave in the element, and the electric field intensity of the oscillation light is large at a position where it hits the antinode of the standing wave, and is zero at a position corresponding to a node. Therefore, if a light confinement structure is provided in the plane corresponding to the antinode with a larger electric field strength, the transverse mode confinement can be performed more effectively. The current confinement structure of the present invention is formed by a multilayer structure of semiconductor layers having different band gap energies, and each semiconductor layer has a different refractive index value corresponding to the band gap energy. Therefore, for example, when the semiconductor layer of the conducting portion has band gap energy (refractive index) between the semiconductor layers forming the current blocking portion (semiconductor layers having different band gap energies), the current blocking portion Corresponding to the refractive index of the semiconductor layer, the waveguide structure and the anti-waveguide structure are alternately formed in the surface, and the transverse mode confinement may not be obtained efficiently. In such a case, among the semiconductor layers forming the current blocking portion, a semiconductor layer having a smaller refractive index (a semiconductor layer having a large band gap energy) is provided at a position corresponding to the antinode of the standing wave, and the refractive index is large. When a semiconductor layer (semiconductor layer with a small band gap energy) is provided in other parts (particularly at the position of the standing wave node), the confinement structure provided at the position corresponding to the antinode of the standing wave is dominant. Thus, an actual refractive index waveguide structure can be formed. Thus, in the fourth embodiment of the present invention, transverse mode confinement can be obtained more effectively.

(第5の形態)
本発明の第5の形態は、第1乃至第4のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、前記電流阻止部の多層構造を構成する各半導体層は、ノンドープ半導体により形成されている事を特徴としている。すなわち、電流阻止部をノンドープ半導体層より形成する構成としている。この第5の形態の様に、多層構造よりなる電流狭窄部をノンドープ半導体層で構成する事によって、ヘテロ界面部における抵抗を増加させる事が可能であり、より大きな電流狭窄効果を得る事ができる。すなわち、ヘテロ界面では、スパイク状のポテンシャルバリアが形成される。このポテンシャルバリアの高さは、主に接合を形成する2つの半導体層のバンド不連続量により決まり、またポテンシャルバリアの厚さはヘテロ界面における空乏層の厚さによって決まっている。更に、空乏層の厚さはヘテロ界面を形成する半導体層の不純物ドーピング密度によって主に決まり、ドーピング密度を低くする事によって、その厚さは増加する。従って、第5の形態の様に、複数のへテロ界面を含む多層構造をノンドープ半導体層により構成すると、半導体層のバルク抵抗が増加し高抵抗となることに加えて、ヘテロ界面部におけるポテンシャルバリア幅が増加する事により、より高抵抗となる。これにより、高電圧動作時においても、高い電流狭窄効果が得られる。
(5th form)
According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to fourth aspects, each semiconductor layer constituting the multilayer structure of the current blocking portion is formed of a non-doped semiconductor. It is a feature. That is, the current blocking portion is formed from a non-doped semiconductor layer. As in the fifth embodiment, by configuring the current confinement portion having a multilayer structure with a non-doped semiconductor layer, it is possible to increase the resistance at the hetero interface portion and obtain a larger current confinement effect. . That is, a spike-like potential barrier is formed at the hetero interface. The height of this potential barrier is determined mainly by the band discontinuity between the two semiconductor layers forming the junction, and the thickness of the potential barrier is determined by the thickness of the depletion layer at the heterointerface. Further, the thickness of the depletion layer is mainly determined by the impurity doping density of the semiconductor layer forming the heterointerface, and the thickness increases as the doping density is lowered. Therefore, as in the fifth embodiment, when a multilayer structure including a plurality of heterointerfaces is configured by a non-doped semiconductor layer, the bulk resistance of the semiconductor layer is increased and the resistance is increased, and the potential barrier at the heterointerface portion is increased. As the width increases, the resistance becomes higher. Thus, a high current confinement effect can be obtained even during high voltage operation.

(第6の形態)
本発明の第6の形態は、第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子の製造方法において、前記導通部は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造へのIII族元素の相互拡散により形成される事を特徴としている。すなわち、第6の形態では、III族元素の相互拡散により、ヘテロ界面部を無秩序化し、導通部を形成する構成としている。すなわち、AlGaAs,AlGaInP等の半導体超格子構造において、Zn(亜鉛)等の不純物拡散を行うと、Zn等の拡散に伴って超格子構造を形成する半導体層のIII族元素が互いに相互拡散して、超格子構造が無秩序化される事が知られている。本発明の第6の形態では、電流阻止部である複数のへテロ界面を含む多層構造を形成した後、導通部となる領域に対してZn等の不純物元素を拡散させる事により、ヘテロ界面を無秩序化させ抵抗を低減するようにしている。この様に、第6の形態では、エッチング等の加工を要せずに、容易に第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子を作製する事ができる。また、エッチング加工などを行わずに素子を作製する事ができるので、素子表面部は平坦であり、後工程の加工が容易になる。尚、この際に、電流阻止部を形成する複数のへテロ界面を含む多層構造をノンドープ半導体層により構成しておくと、第5の形態で説明した様に電流阻止部をより高抵抗とする事が可能であり、更に不純物拡散により、バルク抵抗とヘテロ界面部の抵抗との両方が低抵抗である導通部を形成する事ができる。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface emitting laser element according to any one of the first to fifth aspects, the conducting portion includes a plurality of heterostructures in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked. It is characterized by being formed by interdiffusion of group III elements into a multilayer structure including the interface. That is, in the sixth embodiment, the heterointerface portion is disordered by the interdiffusion of group III elements to form a conduction portion. That is, in a semiconductor superlattice structure such as AlGaAs or AlGaInP, when impurities such as Zn (zinc) are diffused, group III elements of the semiconductor layer forming the superlattice structure mutually diffuse together with the diffusion of Zn or the like. It is known that the superlattice structure is disordered. In the sixth embodiment of the present invention, a heterostructure is formed by diffusing an impurity element such as Zn into a region to be a conductive portion after forming a multilayer structure including a plurality of heterointerfaces that are current blocking portions. The resistance is reduced by disordering. Thus, in the sixth embodiment, the surface emitting laser element of any one of the first to fifth embodiments can be easily manufactured without requiring processing such as etching. In addition, since the element can be manufactured without performing an etching process or the like, the element surface portion is flat, and subsequent processes can be easily performed. At this time, if a multi-layer structure including a plurality of heterointerfaces forming the current blocking portion is constituted by a non-doped semiconductor layer, the current blocking portion has a higher resistance as described in the fifth embodiment. In addition, by conducting impurity diffusion, it is possible to form a conduction portion in which both the bulk resistance and the resistance at the heterointerface are low resistance.

(第7の形態)
本発明の第7の形態は、第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子を複数個配列して形成されている事を特徴とする面発光レーザアレイである。上述の様に、第1乃至第5の形態の面発光レーザ素子は、電流阻止部を複数のへテロ界面を含む多層構造により形成した事により、高い電流狭窄効率,高い素子の信頼性,高い歩留まりを有している。更に、半導体材料による横モード閉じ込め構造を備えているので、選択酸化型面発光レーザ素子に比べて横モード閉じ込めが小さく、比較的大きな電流狭窄面積(発振面積)においても高出力まで単一基本横モード発振が得られる。従って、これらの面発光レーザ素子により形成された第7の形態の面発光レーザアレイも同様に、狭窄効率,歩留まり,信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード発振が可能な面発光レーザアレイを提供することができる。
(7th form)
A seventh aspect of the present invention is a surface emitting laser array characterized in that a plurality of surface emitting laser elements of any one of the first to fifth aspects are arranged. As described above, the surface emitting laser elements according to the first to fifth embodiments have a high current confinement efficiency, a high element reliability, and a high element by forming the current blocking portion with a multilayer structure including a plurality of hetero interfaces. Has yield. Furthermore, since it has a transverse mode confinement structure made of a semiconductor material, the transverse mode confinement is smaller than that of a selective oxidation surface-emitting laser element, and a single basic lateral width is achieved up to a high output even in a relatively large current confinement area (oscillation area). Mode oscillation is obtained. Accordingly, the surface-emitting laser array of the seventh embodiment formed by these surface-emitting laser elements similarly has high constriction efficiency, yield and reliability, and is capable of single fundamental transverse mode oscillation up to high output. An array can be provided.

(第8の形態)
本発明の第8の形態は、第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子、または、第7の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムである。第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子,又は第7の形態の面発光レーザアレイは、半導体材料による横モード閉じ込め構造を備えているので、選択酸化型面発光レーザ素子に比べて横モード閉じ込めが小さく、比較的大きな電流狭窄面積(発振面積)においても高出力まで単一基本横モード発振が得られる。また、電流阻止部をヘテロ構造により形成した事により、高い狭窄効率を得る事ができる。また、出射ビームが円形であり、高いアレイ間の位置精度を有していることから、同一のレンズで複数のビームを再現性良く容易に集光できるので、光学系が簡単で済み、低コストな電子写真システムを構成できる。また、基本横モードで高出力が得られるので、アレイを用いた場合、特に高速書き込みが可能であり、高速な電子写真システムを提供できる。
(Eighth form)
An eighth aspect of the present invention is an electrophotography characterized in that the surface-emitting laser element of any one of the first to fifth embodiments or the surface-emitting laser array of the seventh embodiment is used as a light source. System. The surface-emitting laser element according to any one of the first to fifth embodiments or the surface-emitting laser array according to the seventh embodiment has a transverse mode confinement structure made of a semiconductor material, so that it is compared with a selective oxidation surface-emitting laser element. The transverse mode confinement is small, and a single fundamental transverse mode oscillation can be obtained up to a high output even in a relatively large current confinement area (oscillation area). Moreover, high confinement efficiency can be obtained by forming the current blocking portion with a heterostructure. In addition, since the outgoing beam is circular and has high positional accuracy between the arrays, multiple beams can be easily collected with high reproducibility using the same lens, so the optical system is simple and low cost. A simple electrophotographic system. Further, since a high output can be obtained in the basic transverse mode, when an array is used, particularly high-speed writing is possible, and a high-speed electrophotographic system can be provided.

(第9の形態)
本発明の第9の形態は、第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子,又は第7の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光通信システムである。第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子,又は第7の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで、高出力まで発振が得られ、光ファイバとの結合が高く、素子の動作状態の変化に対しても横モードが安定している。また、電流狭窄面積(発振面積)を大きく設定する事ができるので、素子抵抗が低く高速動作を得る事が可能である。よって、これらを光源に用いた光通信システムは、信頼性が高い光通信システムであり、また、基本横モード出力が高いことから、遠距離通信が可能な光通信システムとなる。
(9th form)
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an optical communication system characterized in that the surface emitting laser element according to any one of the first to fifth aspects or the surface emitting laser array according to the seventh aspect is used as a light source. It is. The surface-emitting laser element of any one of the first to fifth forms or the surface-emitting laser array of the seventh form can oscillate to a high output in a single fundamental transverse mode and has high coupling with an optical fiber. The transverse mode is stable against changes in the operating state of the element. In addition, since the current confinement area (oscillation area) can be set large, the element resistance is low and high-speed operation can be obtained. Therefore, an optical communication system using these as a light source is an optical communication system with high reliability, and an optical communication system capable of long-distance communication because of high basic transverse mode output.

(第10の形態)
本発明の第10の形態は、第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子,又は第7の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムである。第1乃至第5のいずれかの形態の面発光レーザ素子,又は第7の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで、高出力まで発振が得られ、光ファイバとの結合が高く、素子の動作状態の変化に対しても横モードが安定している。また、電流狭窄面積(発振面積)を大きく設定する事ができるので、素子抵抗が低く高速動作を得る事が可能である。よって、これらを光源に用いた光インターコネクションシステムは、信頼性が高い光インターコネクションシステムとなる。
(10th form)
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an optical interconnection characterized in that the surface emitting laser element according to any one of the first to fifth aspects or the surface emitting laser array according to the seventh aspect is used as a light source. System. The surface-emitting laser element of any one of the first to fifth forms or the surface-emitting laser array of the seventh form can oscillate to a high output in a single fundamental transverse mode and has high coupling with an optical fiber. The transverse mode is stable against changes in the operating state of the element. In addition, since the current confinement area (oscillation area) can be set large, the element resistance is low and high-speed operation can be obtained. Therefore, an optical interconnection system using these as a light source is an optical interconnection system with high reliability.

以下、本発明の実施例を説明する。   Examples of the present invention will be described below.

図1は実施例1の面発光レーザ素子を示す図である。図1の面発光レーザ素子は、GaInNAs/GaAs多重量子井戸構造を活性層とする1.3μm帯面発光レーザ素子である。   FIG. 1 is a view showing a surface emitting laser element according to Example 1. FIG. The surface emitting laser element of FIG. 1 is a 1.3 μm band surface emitting laser element having a GaInNAs / GaAs multiple quantum well structure as an active layer.

図1の面発光レーザ素子は、有機金属気相成長法(MOCVD法)により結晶成長を行なっており、III族原料に、トリメチルアルミニウム(TMA),トリメチルガリウム(TMG),トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族原料には、アルシン(AsH)ガスを用いている。また、p型ドーパント原料には、四臭化炭素(CBr)を用い、n型ドーパント原料には、セレン化水素(HSe)を用いている。また、活性層の窒素原料には、ジメチルヒドラジン(DMHy)を用いている。以下、その構造を製造工程に従い説明する。 The surface emitting laser element shown in FIG. 1 is crystal-grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as group III materials. The arsine (AsH 3 ) gas is used as the V group raw material. Moreover, carbon tetrabromide (CBr 4 ) is used as the p-type dopant material, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as the n-type dopant material. Further, dimethylhydrazine (DMHy) is used as a nitrogen raw material for the active layer. The structure will be described below according to the manufacturing process.

具体的に、図1の面発光レーザ素子は、n−GaAs基板101上に、n−GaAsバッファー層102、n−Al0.9Ga0.1As/GaAsの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射器103、ノンドープGaAs共振器スペーサー104、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層105、ノンドープGaAs共振器スペーサー106、1.5周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs第一上部半導体分布ブラッグ反射器107、厚さ20nmのp−Ga0.5In0.5Pエッチング停止層108、ノンドープAl0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9Asの多層構造109が順次に形成されている。 Specifically, the surface emitting laser element of FIG. 1 has 36 cycles on an n-GaAs substrate 101, with an n-GaAs buffer layer 102 and an n-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs pair as one cycle. N-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs lower semiconductor distributed Bragg reflector 103, non-doped GaAs resonator spacer 104, GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 105, non-doped GaAs resonator spacer 106, 1.5 period P-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs first upper semiconductor distributed Bragg reflector 107, p-Ga 0.5 In 0.5 P etch stop layer 108 with a thickness of 20 nm, non-doped Al 0.9 Ga A multilayer structure 109 of 0.1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As is sequentially formed.

ここで、p−Ga0.5In0.5Pエッチング停止層108との界面を除いて、分布ブラッグ反射器の各界面には、厚さ30nmのヘテロスパイクバッファー層(線形組成傾斜層)を設け、低抵抗化を図っている。また、ヘテロスパイクバッファー層を含めた、分布ブラッグ反射器を構成する各半導体層の厚さは、分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件を満たす様に、レーザ発振波長(λ=1.3μm)に対しλ/4n厚さ(nは、レーザ発振波長に対する各半導体層の屈折率、以下の実施例においても同じ)となる厚さとしている。この実施例1における分布ブラッグ反射器を構成する各半導体層の具体的な層厚は、Al0.9Ga0.1As層が78.8nmであり、GaAs層が66.3nmである。これらの層厚は、以下の他の実施例においても発振波長及び屈折率に対応させて、同様に調整されている。 Here, except for the interface with the p-Ga 0.5 In 0.5 P etching stop layer 108, a hetero spike buffer layer (linear composition gradient layer) having a thickness of 30 nm is formed on each interface of the distributed Bragg reflector. To reduce resistance. Further, the thickness of each semiconductor layer constituting the distributed Bragg reflector including the hetero spike buffer layer is set such that the laser oscillation wavelength (λ = 1.3 μm) so as to satisfy the multiple reflection phase condition of the distributed Bragg reflector. In contrast, the thickness is λ / 4n (where n is the refractive index of each semiconductor layer with respect to the laser oscillation wavelength, which is the same in the following examples). The specific thickness of each semiconductor layer constituting the distributed Bragg reflector in Example 1 is 78.8 nm for the Al 0.9 Ga 0.1 As layer and 66.3 nm for the GaAs layer. These layer thicknesses are similarly adjusted in the following other examples in accordance with the oscillation wavelength and the refractive index.

また、ノンドープAl0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9Asの多層構造109は、それぞれの層の厚さを等しくし、これらの半導体層における位相変化の合計が2π・(2/4)(2λ/4n相当厚さ)となる厚さに形成されている。具体的には、一層の厚さを約37.5nmとし、多層構造の最上層と最下層がAl0.9Ga0.1As層となる様に5.5周期積層している。ここで、ノンドープAl0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9Asの多層構造109の構成周期としては、上記以外の周期としても良い。トンネル電流が増加しない範囲で多層構造109の各半導体層の厚さを薄くして周期数を増やすと、ヘテロ界面の数が増加する事に対応し、より高抵抗とする事ができる。また、多層構造109の各半導体層の厚さが発振波長に対して薄くなる事に従って、各界面における多重反射の干渉効果を小さくする事ができる。 The multilayer structure 109 of non-doped Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As has the same thickness, and the total phase change in these semiconductor layers is 2π · The thickness is (2/4) (2λ / 4n equivalent thickness). Specifically, the thickness of one layer is set to about 37.5 nm, and 5.5 periods are stacked so that the uppermost layer and the lowermost layer of the multilayer structure are Al 0.9 Ga 0.1 As layers. Here, the constituent period of the multilayer structure 109 of non-doped Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As may be other than the above. Increasing the number of periods by reducing the thickness of each semiconductor layer of the multilayer structure 109 within a range in which the tunnel current does not increase can increase the number of heterointerfaces and increase the resistance. Further, as the thickness of each semiconductor layer of the multilayer structure 109 becomes thinner with respect to the oscillation wavelength, the interference effect of multiple reflection at each interface can be reduced.

次に、公知の写真製版技術を用いて図1の面発光レーザ素子の中央部に直径10μmの開口を有する円形レジストパターンを形成した後、p−Ga0.5In0.5Pエッチング停止層108によって、レジスト開口部に当たるAl0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9Asの積層構造109を硫酸系エッチャントを用いて除去する。次に、レジストの除去と適切な表面の清浄化処理の後、2回目の結晶成長として、3λ/4n厚さのp−GaAs層110の結晶成長を行い、引き続き23周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs第二上部分布ブラッグ反射器111の結晶成長を行なう。ここで、3λ/4n厚さのp−GaAs層110とp−Ga0.5In0.5Pエッチング停止層108との界面には、ヘテロスパイクバッファー層(組成傾斜層)は設けられていない。また、第二上部分布ブラッグ反射器111の最表面層となるGaAs層には、最表面付近のドーピング濃度を高めたコンタクト層(図示せず)を設けている。また、ここで、多層構造109を構成する2種の半導体層のうち、バンドギャップエネルギーの大きな半導体層には、エッチング端面の自然酸化を少なくし、再成長工程を容易にする為に、Ga組成が含まれた半導体層を選ぶ事が望ましい。 Next, a circular resist pattern having an opening having a diameter of 10 μm is formed at the center of the surface emitting laser element of FIG. 1 using a known photolithography technique, and then a p-Ga 0.5 In 0.5 P etching stop layer. 108, the layered structure 109 of Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As that hits the resist opening is removed using a sulfuric acid-based etchant. Next, after removal of the resist and appropriate surface cleaning treatment, crystal growth of the 3λ / 4n-thick p-GaAs layer 110 is performed as the second crystal growth, and then 23 cycles of p-Al 0. Crystal growth of the 9 Ga 0.1 As / GaAs second upper distributed Bragg reflector 111 is performed. Here, a hetero spike buffer layer (composition gradient layer) is not provided at the interface between the 3λ / 4n-thick p-GaAs layer 110 and the p-Ga 0.5 In 0.5 P etching stop layer 108. . Further, a contact layer (not shown) having an increased doping concentration in the vicinity of the outermost surface is provided on the GaAs layer serving as the outermost surface layer of the second upper distributed Bragg reflector 111. Here, of the two types of semiconductor layers constituting the multilayer structure 109, the semiconductor layer having a large band gap energy has a Ga composition in order to reduce the natural oxidation of the etching end face and facilitate the regrowth process. It is desirable to select a semiconductor layer containing.

図2(a),(b)はこの様子を示したものである。図2(a)には、第一,第二上部分布部ブラッグ反射器107,111と、第一,第二上部分布部ブラッグ反射器107,111の間に設けられたAl0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9Asによる多層構造109、および3λ/4n厚さのp−GaAs層110が示されている。また、図2(b)には、図2(a)の領域Aの詳細な構造が示されている。すなわち、図2(b)には、p−Al0.9Ga0.1As/GaAs第一上部半導体分布ブラッグ反射器107を構成するλ/4n厚さのp−Al0.9Ga0.1As層と3λ/4n厚さのp−GaAs層110との間の各層が示されている。 2A and 2B show this state. In FIG. 2A, Al 0.9 Ga 0 provided between the first and second upper distributed portion Bragg reflectors 107 and 111 and the first and second upper distributed portion Bragg reflectors 107 and 111. multilayer structure 109, and 3 [lambda] / 4n thickness of the p-GaAs layer 110 is shown, in accordance with .1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As . FIG. 2B shows the detailed structure of the region A in FIG. That is, in FIG. 2B, the p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs first upper semiconductor distributed Bragg reflector 107 constituting the p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs first p-Al 0.9 Ga 0. Each layer between a 1 As layer and a 3λ / 4n thick p-GaAs layer 110 is shown.

次に、気相化学堆積法(CVD法)を用いて、ウエハ全面にSiO層112を形成した後、エッチング除去部にアラインして、光出射部となる領域とその周辺のSiO層112の除去を行なう。次に、光出射部となる領域に直径15μmの円形レジストパターンを形成し、p側電極材料の蒸着を行なう。次に、光出射部の電極材料をリフトオフし、p側電極113を形成する。次に、n−GaAs基板101の裏面を研磨した後、基板101の裏面に蒸着によってn側電極114を形成し、アニールによって、両電極113,114のオーミック導通を取る。 Next, a SiO 2 layer 112 is formed on the entire surface of the wafer by vapor phase chemical deposition (CVD), and then aligned with the etching removal portion to form a light emitting portion and the surrounding SiO 2 layer 112. Is removed. Next, a circular resist pattern having a diameter of 15 μm is formed in the region to be the light emitting portion, and p-side electrode material is deposited. Next, the electrode material of the light emitting part is lifted off, and the p-side electrode 113 is formed. Next, after polishing the back surface of the n-GaAs substrate 101, an n-side electrode 114 is formed on the back surface of the substrate 101 by vapor deposition, and ohmic conduction between the electrodes 113 and 114 is achieved by annealing.

以上の工程により、Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9Asの多層構造109のエッチング除去を行った領域では、再成長による3λ/4n厚さのp−GaAs層110が、分布ブラッグ反射器における多重反射の位相条件を満たす様に設けられるとともに、p型にドーピングされた低抵抗導通部115として形成されている。また、Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9Asの多層構造109がエッチング除去されていない領域も同様に、Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9Asの多層構造109とこれの下層にあたる1回目の結晶成長で設けたp−Al0.9Ga0.1As/GaAs第一上部半導体分布ブラッグ反射器107のAl0.9Ga0.1As層とによって分布ブラッグ反射器における多重反射の位相条件が満たされており、更に、同領域では、Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As多層構造109のヘテロ界面による高抵抗領域(電流阻止部)116が形成されている。素子の上部から注入されたキャリア(正孔)は、Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As多層構造109からなる高抵抗領域(電流阻止部)116によって、p−GaAs層よりなる導通部115へ狭窄される。ここで、導通部115では、Al0.9Ga0.1AsとGaAsとの間のバンドギャップエネルギーを有するp−Ga0.5In0.5Pエッチング停止層108がヘテロスパイク緩衝層として機能し、導通部115の抵抗を低減させる作用を有している。 Through the above steps, in the region subjected to etching removal of Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As multilayer structure 109, p-GaAs layer of 3 [lambda] / 4n thick by regrowth 110 is provided to satisfy the phase condition of multiple reflection in the distributed Bragg reflector, and is formed as a p-type doped low resistance conduction portion 115. Similarly, a region where the multilayer structure 109 of Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As is not removed by etching is similarly used for Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.1. Ga 0.9 as p-Al 0.9 a multilayer structure 109 is provided by the first crystal growth corresponding to the lower layer of this of Ga 0.1 as / GaAs Al 0.9 Ga of the first upper semiconductor DBR 107 The phase condition of multiple reflection in the distributed Bragg reflector is satisfied by the 0.1 As layer, and in the same region, an Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As multilayer structure is formed. A high resistance region (current blocking portion) 116 is formed by the 109 hetero interface. Carriers (holes) injected from the upper part of the element are generated by the high resistance region (current blocking portion) 116 made of the Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.1 Ga 0.9 As multilayer structure 109, p -It is confined to the conductive portion 115 made of a GaAs layer. Here, in the conductive portion 115, the p-Ga 0.5 In 0.5 P etching stop layer 108 having a band gap energy between Al 0.9 Ga 0.1 As and GaAs functions as a hetero spike buffer layer. In addition, the resistance of the conductive portion 115 is reduced.

この実施例1の面発光レーザ素子におけるヘテロ界面のポテンシャルバリアを用いた電流狭窄構造は、高注入領域(高電圧印加領域)においても、良好な電流狭窄を得る事が可能であった。更に、導通部115は、これと同一面内にある狭窄部116に対して、相対的に高屈折率であるので、横方向に実屈折率導波構造が形成され、横モードの閉じ込めを行う事が可能であった。また、図1の面発光レーザ素子の導通部115と電流阻止部116における屈折率差は、従来の選択酸化型面発光レーザ素子に比べ小さい為に、比較的大きな狭窄径(導通部の面積)においても、高出力まで単一基本横モード発振を得る事が可能であった。   The current confinement structure using the potential barrier at the heterointerface in the surface emitting laser element of Example 1 was able to obtain a good current confinement even in a high injection region (high voltage application region). Furthermore, since the conducting portion 115 has a relatively high refractive index with respect to the constricted portion 116 in the same plane, an actual refractive index waveguide structure is formed in the lateral direction to confine the transverse mode. Things were possible. Further, since the difference in refractive index between the conducting portion 115 and the current blocking portion 116 of the surface emitting laser element of FIG. 1 is smaller than that of the conventional selective oxidation type surface emitting laser element, a relatively large constriction diameter (area of the conducting portion). It was also possible to obtain single fundamental transverse mode oscillation up to high output.

図3は実施例2の面発光レーザ素子を示す図である。図3の面発光レーザ素子は、GaInAs/GaAs多重量子井戸構造を活性層とする0.98μm帯面発光レーザ素子であり、実施例1の素子と同様な成長方法,原料を用いて形成されたものである。   FIG. 3 is a view showing a surface emitting laser element of Example 2. The surface emitting laser element of FIG. 3 is a 0.98 μm band surface emitting laser element having a GaInAs / GaAs multiple quantum well structure as an active layer, and was formed using the same growth method and raw material as the element of Example 1. Is.

図3の面発光レーザ素子は、n−GaAs基板201上に、n−GaAsバッファー層202、n−Al0.9Ga0.1As/GaAsの対を1周期とした36周期のn−Al0.9Ga0.1As/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射器203、ノンドープGaAs共振器スペーサー204、GaInAs/GaAs多重量子井戸活性層205、ノンドープGaAs共振器スペーサー206、1.5周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs第一上部半導体分布ブラッグ反射器207、p−Ga0.5In0.5Pエッチングストップ層208、ノンドープAl0.9Ga0.1As/GaAsの多層構造209が順次に形成されている。ここで、この実施例2でも、分布ブラッグ反射器を構成する各層の界面には、厚さ30nmのヘテロスパイクバッファー層(組成傾斜層)を設けている。 The surface-emitting laser element of FIG. 3 has an n-GaAs substrate 201 on an n-GaAs buffer layer 202 and a 36-cycle n-Al with one n-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs pair as one cycle. 0.9 Ga 0.1 As / GaAs lower semiconductor distributed Bragg reflector 203, non-doped GaAs resonator spacer 204, GaInAs / GaAs multiple quantum well active layer 205, non-doped GaAs resonator spacer 206, 1.5-period p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs first upper semiconductor distributed Bragg reflector 207, p-Ga 0.5 In 0.5 P etching stop layer 208, multilayer of non-doped Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs Structures 209 are formed sequentially. Here, also in Example 2, a hetero spike buffer layer (composition gradient layer) having a thickness of 30 nm is provided at the interface of each layer constituting the distributed Bragg reflector.

この実施例2では、後述する図4(a),(b)の様に、ノンドープAl0.9Ga0.1As/GaAsの多層構造209中において、発振光の定在波の腹に対応する領域の近辺に、多層構造209を構成する半導体層のうちバンドギャップエネルギーの大きい(屈折率の小さい)Al0.9Ga0.1As層を設け、定在波の節に対応する領域の近辺に、多層構造209を構成する半導体層のうちバンドギャップエネルギーの小さい(屈折率の大きい)GaAs層を設けている。 In Example 2, as shown in FIGS. 4A and 4B described later, in the non-doped Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs multilayer structure 209, it corresponds to the antinodes of the standing wave of the oscillation light. An Al 0.9 Ga 0.1 As layer having a large band gap energy (low refractive index) among the semiconductor layers constituting the multilayer structure 209 is provided in the vicinity of the region to be A GaAs layer having a small band gap energy (high refractive index) is provided in the vicinity of the semiconductor layers constituting the multilayer structure 209.

次に、実施例1と同様に、公知の写真製版技術を用いて図3の面発光レーザ素子の中央部に一辺が8μmの開口を有する円形レジストパターンを形成した後、p−Ga0.5In0.5Pエッチング停止層208によって、レジスト開口部に当たるAl0.9Ga0.1As/GaAsの多層構造209を硫酸系エッチャントを用いて除去する。次に、レジストの除去と適切な表面の清浄化処理の後、2回目の結晶成長として、レーザ発振波長(λ=0.98μm)に対して、3λ/4n厚さのp−GaAs層210の結晶成長を行い、引き続き、22周期のp−Al0.9Ga0.1As/GaAs第二上部分布ブラッグ反射器211の結晶成長を行なう。ここで、第二上部分布ブラッグ反射器211の最表面層となるGaAs層には、最表面付近のドーピング濃度を高めたコンタクト層(図示せず)を設けている。 Next, similarly to Example 1, after forming a circular resist pattern having an opening with a side of 8 μm at the center of the surface emitting laser element of FIG. 3 using a known photolithography technique, p-Ga 0.5 With the In 0.5 P etching stop layer 208, the Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs multilayer structure 209 that hits the resist opening is removed using a sulfuric acid-based etchant. Next, after removal of the resist and appropriate surface cleaning treatment, as the second crystal growth, the p-GaAs layer 210 having a thickness of 3λ / 4n with respect to the laser oscillation wavelength (λ = 0.98 μm) is formed. Crystal growth is performed, and subsequently, 22-period p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs second upper distributed Bragg reflector 211 is grown. Here, a contact layer (not shown) having a higher doping concentration in the vicinity of the outermost surface is provided on the GaAs layer which is the outermost surface layer of the second upper distributed Bragg reflector 211.

次に、実施例1と同様の方法・手順によって、SiO層(絶縁層)212と、エッチング除去部にアラインした直径15μmの円形p側電極213と、基板201の裏面にn側電極214を形成する。 Next, the SiO 2 layer (insulating layer) 212, the circular p-side electrode 213 having a diameter of 15 μm aligned with the etching removal portion, and the n-side electrode 214 on the back surface of the substrate 201 by the same method and procedure as in Example 1. Form.

図4(a),(b)はこの様子を示したものである。図4(a)には、第一,第二上部分布ブラッグ反射器207,211と、第一,第二上部分布ブラッグ反射器207,211の間に設けられたAl0.9Ga0.1As/GaAsによる多層構造、および3λ/4n厚さのp−GaAs層210が示されている。また、図4(b)には、図4(a)の領域Aの詳細な構造が示されている。すなわち、図4(b)には、p−Al0.9Ga0.1As/GaAs第一上部半導体分布ブラッグ反射器207を構成するλ/4n厚さのp−Al0.9Ga0.1As層と3λ/4n厚さのp−GaAs層210との間の各層が示されている。 FIGS. 4A and 4B show this state. In FIG. 4A, Al 0.9 Ga 0.1 provided between the first and second upper distributed Bragg reflectors 207 and 211 and the first and second upper distributed Bragg reflectors 207 and 211. A multilayer structure of As / GaAs and a 3λ / 4n thick p-GaAs layer 210 are shown. FIG. 4B shows a detailed structure of the region A in FIG. That is, FIG. 4 (b) is, p-Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs first upper semiconductor distributed Bragg reflector 207 constituting the lambda / 4n thick p-Al 0.9 Ga 0. Each layer between the 1 As layer and the 3λ / 4n thick p-GaAs layer 210 is shown.

ここで、具体的に、ノンドープAl0.9Ga0.1As/GaAsの多層構造209では、図4(b)に示す様に、定在波の腹に対応した領域にAl0.9Ga0.1As層を設け、その厚さを40nmとし、更にこの周辺の領域におけるGaAs層の厚さに対してAl0.9Ga0.1As層の厚さが相対的に厚くなる様にしている。また、定在波の節に対応した領域にはGaAs層を設け、その厚さを30nmとし、この周辺の領域におけるにおけるAl0.9Ga0.1As層の厚さに対してGaAs層の厚さが相対的に厚くなる様にしている。以上の様に定在波分布に応じて各層の厚さを変化させ、3.5周期を設けている。また、これら2種の半導体層の厚さは、多層構造209中における全体の位相変化が2π・1/2(1λ/2n相当厚さ)となる様に調整されている。尚、この実施例2においても、多層構造209の周期、及び各層の厚さは、上記以外のものとしても良い。 Here, specifically, in the multilayer structure 209 of non-doped Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs, as shown in FIG. 4B, Al 0.9 Ga is formed in a region corresponding to the antinode of the standing wave. A 0.1 As layer is provided and its thickness is set to 40 nm. Further, the thickness of the Al 0.9 Ga 0.1 As layer is relatively larger than the thickness of the GaAs layer in the peripheral region. ing. In addition, a GaAs layer is provided in a region corresponding to the node of the standing wave, the thickness thereof is set to 30 nm, and the thickness of the Al 0.9 Ga 0.1 As layer in the peripheral region is compared with the thickness of the GaAs layer. The thickness is relatively increased. As described above, the thickness of each layer is changed according to the standing wave distribution, and 3.5 periods are provided. The thicknesses of these two types of semiconductor layers are adjusted so that the total phase change in the multilayer structure 209 is 2π · 1/2 (1λ / 2n equivalent thickness). In the second embodiment, the period of the multilayer structure 209 and the thickness of each layer may be other than those described above.

実施例2の面発光レーザ素子では、ノンドープAl0.9Ga0.1As/GaAsの積層構造209のエッチングを行なった領域とこれを行なわなかった領域とで2π・(1/4)相当の段差が生じているので、2回目の結晶成長として第二上部分布ブラッグ反射器211の結晶成長を行なうと、上記のエッチングを行なった領域と、これを行なわなかった領域の基板面に平行な面内の大部分の領域において、分布ブラッグ反射器を構成する2種の材料のうち同じ材料が位置する構造となっている。従って、これらの構造による光の横方向の閉じ込めは非常に弱く、Al0.9Ga0.1As/GaAsの多層構造209において、これを構成する各層を設ける位置、また各層の厚さを上述の様に調整する事によって、効率良く横モード閉じ込めを行なう事が可能となる。 In the surface-emitting laser element of Example 2, the area corresponding to 2π · (1/4) corresponds to the area where the non-doped Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs laminated structure 209 was etched and the area where this was not performed. Since a step is generated, when the second upper distributed Bragg reflector 211 is grown as the second crystal growth, a plane parallel to the substrate surface in the above-described etched region and the region where this etching is not performed is performed. In most of the areas, the same material is located in the two kinds of materials constituting the distributed Bragg reflector. Accordingly, the lateral confinement of light by these structures is very weak, and in the Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs multilayer structure 209, the position where each layer constituting this is provided and the thickness of each layer are described above. By adjusting as described above, it is possible to efficiently perform lateral mode confinement.

この実施例2の面発光レーザ素子は、実施例1の面発光レーザ素子と同様に、Al0.9Ga0.1As/GaAsの多層構造209のヘテロ界面により高抵抗領域216が形成されており、素子の上部から注入されたキャリア(正孔)をp−GaAs層よりなる導通部215へ狭窄する事ができる。この実施例2の面発光レーザ素子におけるヘテロ界面のポテンシャルバリアを用いた電流狭窄構造は、高注入領域(高電圧印加領域)においても、良好な電流狭窄を得る事が可能であった。 In the surface emitting laser element of this Example 2, the high resistance region 216 is formed by the hetero interface of the Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs multilayer structure 209 in the same manner as the surface emitting laser element of Example 1. Thus, carriers (holes) injected from the upper part of the element can be confined to the conduction part 215 made of the p-GaAs layer. The current confinement structure using the potential barrier at the heterointerface in the surface emitting laser element of Example 2 was able to obtain good current confinement even in the high injection region (high voltage application region).

また、更に、この実施例2の面発光レーザ素子では、多層構造209において、これと同一面内にある導通部215に対して、発振光の電界強度が大きな定在波の腹に対応する領域の近辺に、バンドギャップエネルギーの大きな(屈折率の小さな)半導体層が位置する様に設けている事により、容易に実屈折率導波構造を形成する事ができた。また、図3の面発光レーザ素子の導通部215と電流阻止部216における屈折率差は、従来の選択酸化型面発光レーザ素子に比べ小さい為に、比較的大きな狭窄径(導通部の面積)においても、高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができた。   Furthermore, in the surface emitting laser element of Example 2, in the multilayer structure 209, the region corresponding to the antinode of the standing wave having a large electric field intensity of the oscillation light with respect to the conduction portion 215 in the same plane as the multilayer structure 209. By providing a semiconductor layer having a large bandgap energy (low refractive index) in the vicinity of, an actual refractive index waveguide structure could be easily formed. Also, since the difference in refractive index between the conducting portion 215 and the current blocking portion 216 of the surface emitting laser element of FIG. 3 is smaller than that of the conventional selective oxidation type surface emitting laser element, a relatively large constriction diameter (area of the conducting portion). In, the single fundamental transverse mode oscillation could be obtained up to high output.

図5は実施例3の面発光レーザ素子を示す図である。図5の面発光レーザ素子は、Al0.1Ga0.9As/Al0.35Ga0.65As多重量子井戸構造を活性層とする0.78μm帯面発光レーザ素子である。この実施例3の面発光レーザ素子は、実施例1の面発光レーザ素子と同様な成長方法,原料を用いて形成されたものである。以下、その構造を製造工程に従い説明する。 FIG. 5 is a diagram showing a surface emitting laser element according to Example 3. The surface emitting laser element of FIG. 5 is a 0.78 μm band surface emitting laser element having an active layer of an Al 0.1 Ga 0.9 As / Al 0.35 Ga 0.65 As multiple quantum well structure. The surface-emitting laser element of Example 3 is formed using the same growth method and materials as those of the surface-emitting laser element of Example 1. The structure will be described below according to the manufacturing process.

図5の面発光レーザ素子は、n−GaAs基板301上に、n−GaAsバッファー層302、n−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7Asの対を1周期とした50.5周期のn−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体分布ブラッグ反射器303、ノンドープAlGaAs共振器スペーサー304、Al0.1Ga0.9As/Al0.35Ga0.65As多重量子井戸活性層305、ノンドープAlGaAs共振器スペーサー306、2周期のp−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As第一上部半導体分布ブラッグ反射器307、ノンドープAlAs/Al0.3Ga0.7Asの多層構造309が順次に形成されている。 The surface emitting laser element of FIG. 5 has an n-GaAs buffer layer 302 and an n-Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As pair on an n-GaAs substrate 301 for one period. 50.5 period n-Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As lower semiconductor distributed Bragg reflector 303, non-doped AlGaAs resonator spacer 304, Al 0.1 Ga 0. 9 As / Al 0.35 Ga 0.65 As multiple quantum well active layer 305, non-doped AlGaAs resonator spacer 306, two periods of p-Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As A first upper semiconductor distributed Bragg reflector 307 and a multilayer structure 309 of non-doped AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As are sequentially formed.

ここで、この実施例3でも、実施例2と同様に、ノンドープAlAs/Al0.3Ga0.7As多層構造309中において、発振光の定在波の腹に対応する領域の近辺に、多層構造309を構成する半導体層のうちバンドギャップエネルギーの大きい(屈折率の小さい)AlAs層が位置する様に設け、定在波の節に対応する領域の近辺に、多層構造309を構成する半導体層のうちバンドギャップエネルギーの小さい(屈折率の大きい)Al0.3Ga0.7As層が位置する様に設けている。また、更に2種の半導体層の厚さは一定では無く、腹に対応する領域の近辺ではバンドギャップエネルギーの大きい(屈折率の小さい)AlAs層の厚さが相対的に厚くなる様に、節に対応する領域の近辺ではバンドギャップエネルギーの小さい(屈折率の大きい)Al0.3Ga0.7As層の厚さが相対的に厚くなる様に設けている。 Here, also in this Example 3, as in Example 2, in the non-doped AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As multilayer structure 309, in the vicinity of the region corresponding to the antinode of the standing wave of the oscillation light, Of the semiconductor layers constituting the multilayer structure 309, an AlAs layer having a large bandgap energy (small refractive index) is provided so as to be located in the vicinity of the region corresponding to the node of the standing wave. Among the layers, an Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a small band gap energy (high refractive index) is provided. Further, the thicknesses of the two semiconductor layers are not constant, and the thickness of the AlAs layer having a large band gap energy (low refractive index) is relatively thick in the vicinity of the region corresponding to the antinode. In the vicinity of the region corresponding to, the thickness of the Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a small band gap energy (high refractive index) is relatively large.

次に、公知の写真製版技術を用いて、面発光レーザ素子の導通部315となる領域に直径8μmの円形レジスト開口パターンを形成し、ノンドープAlAs/Al0.3Ga0.7Asの多層構造309中にZnイオンの注入を行っている。次に、レジスト除去と適切な表面清浄化処理の後、AsH雰囲気中において熱アニール処理を行い、Zn元素の拡散と注入による格子ダメージの回復を行っている。次に、2回目の結晶成長としてp−AlAs/Al0.3Ga0.7Asを対とした、29周期のp−AlAs/Al0.3Ga0.7As第二上部半導体分布ブラッグ反射器311を形成する。ここで、最表面層には、厚さ20nmのp−GaAsコンタクト層(図示せず)を設けている。 Next, using a known photoengraving technique, a circular resist opening pattern having a diameter of 8 μm is formed in a region to be the conducting portion 315 of the surface emitting laser element, and a multilayer structure of non-doped AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As Zn ions are implanted into 309. Next, after resist removal and appropriate surface cleaning, thermal annealing is performed in an AsH 3 atmosphere to recover lattice damage by diffusion and implantation of Zn element. Then, p-AlAs / Al 0.3 was Ga 0.7 As pair, 29 cycles of p-AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As second upper semiconductor DBR as the second crystal growth A vessel 311 is formed. Here, a p-GaAs contact layer (not shown) having a thickness of 20 nm is provided on the outermost surface layer.

次に、実施例1と同様の方法・手順によって、SiO層(絶縁層)312と、エッチング除去部にアラインした直径15μmの円形p側電極313と、基板301の裏面にn側電極314を形成する。 Next, the SiO 2 layer (insulating layer) 312, the circular p-side electrode 313 having a diameter of 15 μm aligned with the etching removal portion, and the n-side electrode 314 on the back surface of the substrate 301 are formed by the same method and procedure as in Example 1. Form.

図6(a),(b)はこの様子を示したものである。図6(a)には、第一,第二上部分布ブラッグ反射器307,311と、第一,第二上部分布ブラッグ反射器307,311の間に設けられたAlAs/Al0.3Ga0.7Asによる多層構造309が示されている。また、図6(b)には、図6(a)の領域Bの詳細な構造が示されている。すなわち、図6(b)には、p−AlAs/Al0.3Ga0.7As第一上部半導体分布ブラッグ反射器307を構成するλ/4n厚さのp−Al0.3Ga0.7As層とp−AlAs/Al0.3Ga0.7As第二上部半導体分布ブラッグ反射器311を構成するλ/4n厚さのp−AlAs層との間の各層が示されている。 FIGS. 6A and 6B show this state. FIG. 6A shows AlAs / Al 0.3 Ga 0 provided between the first and second upper distributed Bragg reflectors 307 and 311 and the first and second upper distributed Bragg reflectors 307 and 311. A multilayer structure 309 with .7 As is shown. FIG. 6B shows the detailed structure of the region B in FIG. That is, FIG. 6B shows a p-Al 0.3 Ga 0.7 .mu. / 4 n-thickness p-Al 0.3 Ga 0. 5 constituting the p-AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As first upper semiconductor distributed Bragg reflector 307 . Each layer between the 7 As layer and the p-AlAs layer of λ / 4n thickness constituting the p-AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As second upper semiconductor distributed Bragg reflector 311 is shown.

ここで、Znが拡散された領域は、導電型がp型となり、電気抵抗が低減するとともに、Znの拡散に伴ってIII族元素の相互拡散が生じ、AlAs/Al0.3Ga0.7Asからなる多層構造309が無秩序化され、導通部315が形成される。III族元素が相互拡散する事により、ヘテロ界面は急峻でなくなり、導通部315における抵抗が低減し、より電流が流れやすくなる。よって、Znイオン注入がなされなかった領域316を電流阻止部、Znイオン注入が行われIII族元素の相互拡散が生じた領域315を導通部とした電流狭窄構造が形成される。また、Znのイオン注入条件、熱アニール条件を適切に設定する事によって、理想的には、多層構造を形成する半導体層の平均の組成を有する均一な半導体層を形成する事ができる。 Here, in the region where Zn is diffused, the conductivity type is p-type, the electric resistance is reduced, and the group III element is interdiffused along with the diffusion of Zn, and AlAs / Al 0.3 Ga 0.7. The multilayer structure 309 made of As is disordered, and a conducting portion 315 is formed. By interdiffusion of group III elements, the hetero interface is not steep, the resistance at the conducting portion 315 is reduced, and current flows more easily. Therefore, a current confinement structure is formed in which the region 316 where the Zn ions are not implanted is the current blocking portion and the region 315 where the Zn ions are implanted and the group III element is interdiffused is the conducting portion. Further, by appropriately setting Zn ion implantation conditions and thermal annealing conditions, ideally, a uniform semiconductor layer having an average composition of semiconductor layers forming a multilayer structure can be formed.

ここで、具体的に、ノンドープAlAs/Al0.3Ga0.7Asの多層構造309の厚さは、無秩序化された後の混晶組成に対し、ブラッグの多重反射の位相条件が満たされる様に、上記領域中における位相変化が2π・(3/4)となる厚さに形成されている。AlAs/Al0.3Ga0.7As多層構造309を構成する各半導体層の厚さは、図6(b)に示す様に定在波の腹の近辺にAlAs層を設け、その厚さを35nmとしている。また、節の近辺にはAl0.3Ga0.7As層を設け、その厚さを35nmとしている。以上の様に、定在波分布に応じて厚さを変化させ、5周期を設けている。 Here, specifically, the thickness of the multilayer structure 309 of non-doped AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As satisfies the Bragg multiple reflection phase condition for the mixed crystal composition after disordering. Similarly, it is formed to a thickness such that the phase change in the region is 2π · (3/4). The thickness of each semiconductor layer constituting the AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As multilayer structure 309 is as follows. As shown in FIG. 6B, an AlAs layer is provided in the vicinity of the antinode of the standing wave. Is 35 nm. In addition, an Al 0.3 Ga 0.7 As layer is provided in the vicinity of the node, and the thickness thereof is set to 35 nm. As described above, the thickness is changed according to the standing wave distribution, and five periods are provided.

ここで、無秩序化が生じた領域は、元々の構造であるAlAsとAl0.3Ga0.7Asとの間の組成を有するAlGaAs層が形成され、AlAs層とAl0.3Ga0.7As層の合計の層厚の比に対応した組成の均一なAlGaAs層が形成される。従って、導通部315の面内には、導通部よりも低屈折率であるAlAsと高屈折率であるAl0.3Ga0.7Asとが交互に位置し、横モードに対して屈折率導波構造と屈折率反導波構造とが同時に形成される事になる。しかし、この実施例3の面発光レーザ素子では、AlAs/Al0.3Ga0.7Asよりなる多層構造309中において、横モードに対してより大きな影響を及ぼす定在波の腹に対応する位置にAlAs層を設け、更にこの周辺におけるAl0.3Ga0.7As層に対し、AlAs層の厚さを相対的に厚く設けた事により、AlAs層による実屈折率導波構造が横モードの閉じ込めに対して支配的になり、横モードの閉じ込めが可能になっている。 Here, in the region where disorder occurs, an AlGaAs layer having a composition between AlAs and Al 0.3 Ga 0.7 As, which is the original structure, is formed, and the AlAs layer and the Al 0.3 Ga 0. 7 A uniform AlGaAs layer having a composition corresponding to the ratio of the total thickness of the As layers is formed. Therefore, AlAs having a lower refractive index than that of the conducting portion and Al 0.3 Ga 0.7 As having a higher refractive index are alternately positioned in the plane of the conducting portion 315, and the refractive index with respect to the transverse mode. The waveguide structure and the refractive index anti-waveguide structure are formed at the same time. However, in the surface emitting laser element of this Example 3, in the multilayer structure 309 made of AlAs / Al 0.3 Ga 0.7 As, it corresponds to the antinodes of standing waves that have a greater influence on the transverse mode. By providing an AlAs layer at a position and further providing a relatively thick AlAs layer with respect to the Al 0.3 Ga 0.7 As layer in the periphery, the actual refractive index waveguide structure by the AlAs layer can be It is dominant over mode confinement, and transverse mode confinement is possible.

また、この実施例3の面発光レーザ素子における電流狭窄構造は、上記の様に半導体構造によって構成しているため、導通部315と電流阻止部316における屈折率差は小さく、比較的大きな狭窄径においても単一基本横モード発振を得る事が可能である。また、この実施例3では、Znイオン注入と熱拡散によって導通部315を形成しており、これにより、素子の表面は平坦であり、また製造工程も簡単であった。   In addition, since the current confinement structure in the surface emitting laser element of Example 3 is configured by the semiconductor structure as described above, the refractive index difference between the conduction portion 315 and the current blocking portion 316 is small, and a relatively large confinement diameter. It is also possible to obtain a single fundamental transverse mode oscillation. In Example 3, the conduction portion 315 was formed by Zn ion implantation and thermal diffusion, whereby the surface of the element was flat and the manufacturing process was simple.

上述した各実施例1,2,3では、結晶成長方法として、MOCVD法を例に挙げて説明を行なったが、この他にも、分子線結晶成長法(MBE法)等のその他の結晶成長法を用いる事もできる。また、発振波長も以上で説明した0.78μm帯,0.98μm帯,1.3μm帯以外にも、0.65μm帯,0.85μm帯,1.55μm帯等の波長帯で有っても良い。また、素子を構成する半導体材料は、発振波長に応じ、上述以外のものが用いられていても良い。例えば、0.65μm帯ではAlGaInP系混晶、0.85μm帯ではAlGaAs系混晶、1.55μm帯ではGaInNAs(Sb)系混晶半導体材料を用いる事ができる。また、分布ブラッグ反射器の材料,構成は、発振波長に応じて最適に選ぶ事で、いずれの構造も任意の発振波長に対応した素子を形成する事ができる。具体的には、面発光レーザ素子の発振波長に対し、透明であって且つ可能な限り屈折率差が大きく取れる組み合わせが好ましい。また、素子構造は、上述の各実施例で示した以外の構造であっても良く、また、上述の各実施例で示した素子も他の発振波長で有っても良い。また、電流狭窄構造を設ける位置も、p型分布ブラッグ反射器中以外にも、n型分布ブラッグ反射器中、又は素子の任意の場所であっても良い。更に、半導体基板の種類も、GaAs以外のものであっても良く、基板の導電型も実施例以外のものを用いる事ができる。   In each of the above-described Examples 1, 2, and 3, the MOCVD method has been described as an example of the crystal growth method, but other crystal growth methods such as a molecular beam crystal growth method (MBE method) are also available. The law can also be used. In addition to the 0.78 μm band, the 0.98 μm band, and the 1.3 μm band described above, the oscillation wavelength may be in a wavelength band such as a 0.65 μm band, a 0.85 μm band, and a 1.55 μm band. good. Further, as the semiconductor material constituting the element, other than the above may be used depending on the oscillation wavelength. For example, an AlGaInP-based mixed crystal can be used in the 0.65 μm band, an AlGaAs-based mixed crystal in the 0.85 μm band, and a GaInNAs (Sb) -based mixed crystal semiconductor material in the 1.55 μm band. In addition, the material and configuration of the distributed Bragg reflector can be optimally selected according to the oscillation wavelength, and any structure can form an element corresponding to an arbitrary oscillation wavelength. Specifically, a combination that is transparent with respect to the oscillation wavelength of the surface emitting laser element and has a refractive index difference as large as possible is preferable. Further, the element structure may be a structure other than that shown in each of the above-described embodiments, and the element shown in each of the above-described embodiments may have other oscillation wavelengths. In addition to the p-type distributed Bragg reflector, the position where the current confinement structure is provided may be in the n-type distributed Bragg reflector or in any place of the element. Further, the type of the semiconductor substrate may be other than GaAs, and the conductivity type of the substrate may be other than the embodiment.

図7は実施例4の面発光レーザアレイを示す図である。すなわち、図7は、本発明の面発光レーザ素子を2次元に4×4個集積したモノリシックレーザアレイの上面図を示したものである。図7の例では、個々の面発光レーザ素子を独立に駆動するために、個別に上部電極に配線が設けられている。また、図7の面発光レーザアレイは、前述の各実施例と同様の手順・方法で作製されたものであり、面発光レーザアレイを構成する個々の面発光レーザ素子は、複数の半導体へテロ界面を含む電流狭窄構造を備えている。   FIG. 7 is a view showing a surface emitting laser array of Example 4. That is, FIG. 7 shows a top view of a monolithic laser array in which 4 × 4 surface emitting laser elements of the present invention are two-dimensionally integrated. In the example of FIG. 7, in order to drive each surface emitting laser element independently, wiring is individually provided on the upper electrode. Further, the surface emitting laser array of FIG. 7 is manufactured by the same procedure and method as the above-described embodiments, and each surface emitting laser element constituting the surface emitting laser array is composed of a plurality of semiconductor heterogeneous elements. A current confinement structure including an interface is provided.

従って、上述の様に、選択酸化型面発光レーザ素子に比べ、電流狭窄面積を大きく設定した場合でも高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができる。また、電流狭窄面積を大きく設定する事ができるので、素子は低抵抗であり、発熱による出力飽和点も高い。また、電流狭窄構造を複数の半導体へテロ界面を含む構造とした事によって、高い狭窄効率を備えている。この実施例4の面発光レーザアレイは高出力まで、単一基本横モードで発振した。以上のように、実施例4では、単一横モードで高出力動作する面発光レーザアレイが得られた。   Therefore, as described above, single fundamental transverse mode oscillation can be obtained up to a high output even when the current confinement area is set larger than that of the selective oxidation surface emitting laser element. In addition, since the current confinement area can be set large, the element has a low resistance and the output saturation point due to heat generation is also high. In addition, the current confinement structure is a structure including a plurality of semiconductor heterointerfaces, thereby providing high confinement efficiency. The surface emitting laser array of Example 4 oscillated in a single fundamental transverse mode up to a high output. As described above, in Example 4, a surface emitting laser array that operates at a high output in a single transverse mode was obtained.

図8は実施例5の電子写真システムを示す図である。図8の電子写真システムは、感光ドラムと、光学走査系(走査収束光学系)と、書き込み光源と、同期制御回路(同期制御部)とを有しており、書き込み光源には、本発明の面発光レーザ素子または面発光レーザアレイが用いられている。   FIG. 8 is a diagram showing an electrophotographic system according to the fifth embodiment. The electrophotographic system of FIG. 8 includes a photosensitive drum, an optical scanning system (scanning convergence optical system), a writing light source, and a synchronization control circuit (synchronization control unit). A surface emitting laser element or a surface emitting laser array is used.

図8の電子写真システムは、同期制御回路によって制御され、書き込み光源(面発光レーザ素子)からの光は、ポリゴンミラー,レンズ収束系からなる走査収束光学系によって感光ドラム上に集光され、潜像を形成する。本発明の面発光レーザアレイでは、前述の様に高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができる。従って、高速書き込みが可能であり、また遠視野像が単峰性である事から、ビームの集光が容易で、高精彩な画質を得ることができる。   The electrophotographic system of FIG. 8 is controlled by a synchronous control circuit, and light from a writing light source (surface emitting laser element) is condensed on a photosensitive drum by a scanning converging optical system including a polygon mirror and a lens converging system. Form an image. In the surface emitting laser array of the present invention, single fundamental transverse mode oscillation can be obtained up to a high output as described above. Accordingly, high-speed writing is possible, and the far-field image is unimodal, so that the beam can be easily collected and high-definition image quality can be obtained.

図9は実施例6の光インターコネクションシステムを示す図である。図9の光インターコネクションシステムは、機器1と機器2との間を、光ファイバアレイを用いて接続したものとなっている。送信側である機器1には、本発明による面発光レーザ素子又は面発光レーザアレイ用いた1次元レーザアレイモジュールと、これの駆動回路とが設けられている。また、受信側である機器2には、フォトダイオードアレイモジュールと、信号検出回路とが設けられている。   FIG. 9 illustrates an optical interconnection system according to the sixth embodiment. The optical interconnection system of FIG. 9 is configured such that the devices 1 and 2 are connected using an optical fiber array. The device 1 on the transmission side is provided with a one-dimensional laser array module using the surface emitting laser element or the surface emitting laser array according to the present invention and a drive circuit thereof. The device 2 on the receiving side is provided with a photodiode array module and a signal detection circuit.

この実施例6の光インターコネクションシステムは、本発明の面発光レーザアレイが用いられることで、基本横モードで安定に発振し、環境温度等の駆動条件の変化に対してファイバとの結合率の変化が少なく、信頼性の高いインターコネクションシステムを構成することができる。なお、この実施例6では、並列光インターコネクションシステムを例に説明したが、この他にも、単一素子を用いたシリアル伝送システムを構成することもできる。また、機器間の他にも、ボード間,チップ間,チップ内インターコネクションに応用することもできる。
The optical interconnection system of Example 6 uses the surface emitting laser array of the present invention, so that it stably oscillates in the fundamental transverse mode, and has a coupling ratio with the fiber with respect to changes in driving conditions such as environmental temperature. A highly reliable interconnection system can be configured with little change. Although the parallel optical interconnection system has been described as an example in the sixth embodiment, a serial transmission system using a single element can also be configured. In addition to inter-device, it can also be applied to inter-board, inter-chip, and intra-chip interconnections.

実施例1の面発光レーザ素子を示す図である。1 is a diagram illustrating a surface emitting laser element of Example 1. FIG. 図1の面発光レーザの部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the surface emitting laser of FIG. 実施例2の面発光レーザ素子を示す図である。6 is a view showing a surface emitting laser element according to Example 2. FIG. 図3の面発光レーザの部分拡大図である。FIG. 4 is a partially enlarged view of the surface emitting laser of FIG. 3. 実施例3の面発光レーザ素子を示す図である。6 is a view showing a surface emitting laser element according to Example 3. FIG. 図5の面発光レーザの部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the surface emitting laser of FIG. 実施例4の面発光レーザアレイを示す図である。6 is a diagram showing a surface emitting laser array of Example 4. FIG. 実施例5の電子写真システムを示す図である。10 is a diagram illustrating an electrophotographic system of Example 5. FIG. 実施例6の光インターコネクションシステムを示す図である。It is a figure which shows the optical interconnection system of Example 6. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

101 基板
102 バッファ層
103 下部半導体分布ブラッグ反射器
104,106 共振器スペーサ−
105 活性層
107 第一上部半導体分布ブラッグ反射器
108 エッチング停止層
109 多層構造
110 p−GaAs層
111 第二上部半導体分布ブラッグ反射器
112 SiO
113 p側電極
114 n側電極
115 導通部
116 電流阻止部
201 基板
202 バッファ層
203 下部半導体分布ブラッグ反射器
204,206 共振器スペーサ−
205 活性層
207 第一上部半導体分布ブラッグ反射器
208 エッチング停止層
209 多層構造
210 p−GaAs層
211 第二上部半導体分布ブラッグ反射器
212 SiO
213 p側電極
214 n側電極
215 導通部
216 電流阻止部
301 基板
302 バッファ層
303 下部半導体分布ブラッグ反射器
304,306 共振器スペーサ−
305 活性層
307 第一上部半導体分布ブラッグ反射器
309 多層構造
311 第二上部半導体分布ブラッグ反射器
312 SiO
313 p側電極
314 n側電極
315 導通部
316 電流阻止部
101 Substrate 102 Buffer layer 103 Lower semiconductor distributed Bragg reflector 104, 106 Resonator spacer
105 active layer 107 first upper semiconductor distributed Bragg reflector 108 etching stop layer 109 multilayer structure 110 p-GaAs layer 111 second upper semiconductor distributed Bragg reflector 112 SiO 2 layer 113 p-side electrode 114 n-side electrode 115 conducting portion 116 current Blocking part 201 Substrate 202 Buffer layer 203 Lower semiconductor distributed Bragg reflector 204, 206 Resonator spacer
205 active layer 207 first upper semiconductor distributed Bragg reflector 208 etching stop layer 209 multilayer structure 210 p-GaAs layer 211 second upper semiconductor distributed Bragg reflector 212 SiO 2 layer 213 p-side electrode 214 n-side electrode 215 conducting portion 216 current Blocking part 301 Substrate 302 Buffer layer 303 Lower semiconductor distributed Bragg reflector 304, 306 Resonator spacer
305 active layer 307 first upper semiconductor distributed Bragg reflector 309 multilayer structure 311 second upper semiconductor distributed Bragg reflector 312 SiO 2 layer 313 p-side electrode 314 n-side electrode 315 conducting portion 316 current blocking portion

Claims (10)

活性層と、電流阻止部と導通部とからなり前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されている事を特徴とする面発光レーザ素子。 An active layer, a current confinement structure that defines a current injection region into the active layer, which includes a current blocking portion and a conduction portion, and a pair of distributed Bragg reflectors provided opposite to each other across the active layer In the surface emitting laser element, the current blocking portion is formed by a multilayer structure including a plurality of heterointerfaces in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked. 請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層の間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層により構成されている事を特徴とする面発光レーザ素子。 2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the conducting portion is constituted by a semiconductor layer having a band gap energy between semiconductor layers having different band gap energies forming the current blocking portion. Surface emitting laser element. 請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により構成されている事を特徴とする面発光レーザ素子。 2. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the conducting portion is a semiconductor having a smaller band gap energy than a semiconductor layer having a smaller band gap energy among semiconductor layers having different band gap energies forming the current blocking portion. A surface-emitting laser element characterized by comprising layers. 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素子において、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した前記多層構造は、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層を備え、定在波の腹に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を備えている事を特徴とする面発光レーザ素子。 4. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the multilayer structure in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked corresponds to a standing wave node of oscillation light. A semiconductor layer having a relatively small band gap energy among the semiconductor layers having different band gap energies in the vicinity of the position, and the semiconductors having different band gap energies in the vicinity of the position corresponding to the antinodes of the standing wave A surface emitting laser element comprising a semiconductor layer having a relatively large band gap energy among the layers. 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素子において、前記電流阻止部の多層構造を構成する各半導体層は、ノンドープ半導体により形成されている事を特徴とする面発光レーザ素子。 5. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein each of the semiconductor layers constituting the multilayer structure of the current blocking portion is formed of a non-doped semiconductor. Laser element. 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素子の製造方法において、前記導通部は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造へのIII族元素の相互拡散により形成される事を特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。 6. The method of manufacturing a surface-emitting laser element according to claim 1, wherein the conductive portion includes a plurality of heterointerfaces in which semiconductor layers having different band gap energies are alternately stacked. A method of manufacturing a surface-emitting laser element, characterized in that the surface-emitting laser element is formed by mutual diffusion of group III elements. 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素子を複数個配列して形成されている事を特徴とする面発光レーザアレイ。 A surface-emitting laser array comprising a plurality of surface-emitting laser elements according to any one of claims 1 to 5 arranged in an array. 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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする電子写真システム。 An electrophotographic system using the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 7 as a light source. 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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光通信システム。 An optical communication system, wherein the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface emitting laser array according to claim 7 is used as a light source. 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素子、または、請求項7の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステム。 An optical interconnection system, wherein the surface-emitting laser element according to any one of claims 1 to 5 or the surface-emitting laser array according to claim 7 is used as a light source.
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