JP2008027949A - Surface emission semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複写機やプリンタなどの画像形成装置や光通信装置等の光源に用いられる面発光型半導体レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser:以下、VCSELと称する)に関する。 The present invention relates to a surface-emitting semiconductor laser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: hereinafter referred to as a VCSEL) used for a light source of an image forming apparatus such as a copying machine or a printer or an optical communication apparatus.
VCSELは、半導体基板の主面側から光を放出するタイプのレーザダイオードとして、複写機や光通信装置などの光源として利用されている。VCSELは、他の半導体装置と同様に、製造工程中あるいは回路基板等への実装時に、静電気等の高電圧に晒されることがある。素子内部に静電放電(Electrostatic discharge 以下ESDという)が生じると、瞬時に大きなスパイク電流が流れるため、素子の破壊または劣化が生じ、正常な動作を行い得ない故障の原因となる。 A VCSEL is used as a light source for a copying machine, an optical communication device, or the like as a laser diode that emits light from the main surface side of a semiconductor substrate. As with other semiconductor devices, the VCSEL may be exposed to a high voltage such as static electricity during the manufacturing process or when mounted on a circuit board or the like. When an electrostatic discharge (hereinafter referred to as ESD) occurs inside the element, a large spike current flows instantaneously, causing destruction or deterioration of the element and causing a failure that prevents normal operation.
特許文献1は、基板上に、レーザ光を出射する第1の選択酸化型のメサと、レーザ光の出射を抑制する第2の選択酸化型のメサとを形成し、第2のメサを設けることで酸化アパーチャーの面積を増加させ、ESDに対する耐圧を高くする技術を開示している。 In Patent Document 1, a first selective oxidation type mesa that emits laser light and a second selective oxidation type mesa that suppresses emission of laser light are formed on a substrate, and a second mesa is provided. Thus, a technique for increasing the area of the oxidized aperture and increasing the breakdown voltage against ESD is disclosed.
特許文献1に開示されているように、レーザ光を出射する第1のメサと別個に第2のメサを基板上に形成し、第1のメサと第2のメサによる導電領域の面積を増加させることで、ESDによる耐圧を向上させることができるが、その一方において、第1のメサと第2のメサの導電領域(電流狭窄層)の径が等しいと、通常の駆動時に印加された電流のうちの約半分が利用されずに無駄に消費されてしまい、電流利用効率が悪いという課題があった。特に、第2のメサの導電領域の径が第1のメサの導電領域よりも大きい場合には、その利用効率の低下は尚更高くなる。 As disclosed in Patent Document 1, a second mesa is formed on the substrate separately from the first mesa that emits laser light, and the area of the conductive region by the first mesa and the second mesa is increased. By doing so, the breakdown voltage due to ESD can be improved. On the other hand, if the diameters of the conductive regions (current confinement layers) of the first mesa and the second mesa are equal, the current applied during normal driving About half of them are not used and are wasted, and there is a problem that current use efficiency is poor. In particular, when the diameter of the conductive region of the second mesa is larger than the conductive region of the first mesa, the utilization efficiency decreases even more.
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ESDの耐圧を向上させつつ電流利用効率の低下を抑制する、面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser that suppresses a decrease in current utilization efficiency while improving the breakdown voltage of ESD.
本発明に係る面発光型半導体レーザ装置は、基板と、基板上に形成されたレーザ光を出射する第1の構造体と、基板上に形成された第2の構造体とを含み、第1の構造体は、第1導電型の半導体多層膜、活性層、第1の導電領域が形成された第1の電流狭窄層、第2導電型の半導体多層膜、および当該第2導電型の半導体多層膜に電気的に接続される第1の金属層を含み、第1の金属層にはレーザ光が出射される開口部が形成されており、第2の構造体は、第1導電型の半導体多層膜、活性層、第2の導電領域が形成された第2の電流狭窄層、第2導電型の半導体多層膜、および当該第2導電型の半導体多層膜に電気的に接続される第2の金属層を含み、第1の構造体における第1の金属層から第1導電型の半導体多層膜に至る第1の電流経路の抵抗が、第2の構造体における第2の金属層から第1導電型の半導体多層膜に至る第2の電流経路の抵抗よりも小さく、かつ、第1の金属層と第2の金属層が電気的に接続されている。 A surface-emitting type semiconductor laser device according to the present invention includes a substrate, a first structure that emits laser light formed on the substrate, and a second structure that is formed on the substrate. The structure includes a first conductive type semiconductor multilayer film, an active layer, a first current confinement layer in which a first conductive region is formed, a second conductive type semiconductor multilayer film, and the second conductive type semiconductor. The first metal layer includes a first metal layer electrically connected to the multilayer film, the first metal layer has an opening through which laser light is emitted, and the second structure has a first conductivity type. A semiconductor multilayer film, an active layer, a second current confinement layer in which a second conductive region is formed, a second conductivity type semiconductor multilayer film, and a second conductive type electrically connected to the second conductivity type semiconductor multilayer film A first current path from the first metal layer in the first structure to the semiconductor multilayer film of the first conductivity type. Is less than the resistance of the second current path from the second metal layer in the second structure to the semiconductor multilayer film of the first conductivity type, and the first metal layer and the second metal layer Are electrically connected.
好ましくは、第2の構造体は、複数の構造体を含み、複数の構造体の各々が第1導電型の半導体多層膜、活性層、第2の導電領域が形成された第2の電流狭窄層、第2導電型の半導体多層膜、および当該第2導電型の半導体多層膜に電気的に接続される第2の金属層を含む。 Preferably, the second structure includes a plurality of structures, and each of the plurality of structures has a second current confinement in which a first conductive type semiconductor multilayer film, an active layer, and a second conductive region are formed. A second conductive type semiconductor multilayer film, and a second metal layer electrically connected to the second conductive type semiconductor multilayer film.
好ましくは、第1の構造体の第1の電流狭窄層の第1の導電領域の抵抗が第2の電流狭窄層の第2の導電領域の抵抗よりも小さく、第1の構造体の第1の導電領域の面積は、第2の構造体の第2の導電領域の面積よりも大きい。 Preferably, the resistance of the first conductive region of the first current confinement layer of the first structure is smaller than the resistance of the second conductive region of the second current confinement layer, and the first of the first structure The area of the conductive region is larger than the area of the second conductive region of the second structure.
第2の構造体の第2の電流経路は、第2の金属層と第2導電型半導体多層膜との間に高抵抗領域を含むことができ、高抵抗領域は、第1の金属層が接続される第2導電型の半導体多層膜の不純物濃度よりも濃度が低い高抵抗膜、あるいは、2導電型の半導体多層膜にプロトン等のイオンを注入して形成された領域である。第1の金属層は第2導電型の半導体多層膜にオーミック接続され、第2の金属層は第2導電型の半導体多層膜にショットキー接続されるようにしてもよい。 The second current path of the second structure can include a high resistance region between the second metal layer and the second conductive semiconductor multilayer film, and the high resistance region is formed by the first metal layer. This is a high resistance film whose concentration is lower than the impurity concentration of the second conductive type semiconductor multilayer film to be connected, or a region formed by implanting ions such as protons into the two conductive type semiconductor multilayer film. The first metal layer may be ohmically connected to the second conductivity type semiconductor multilayer film, and the second metal layer may be Schottky connected to the second conductivity type semiconductor multilayer film.
さらに第1の構造体の第1の電流経路は、第2の構造体の第2の電流経路よりも短い。好ましくは、基板は、第1導電型の半導体基板であり、第1の構造体の第1の電流経路は、第1の金属層から半導体基板の裏面に形成された裏面電極までを含み、第2の構造体の第2の電流通路は、第2の金属層から第1導電型の半導体多層膜に電気的に接続されたイントラキャビティ電極までを含む。 Furthermore, the first current path of the first structure is shorter than the second current path of the second structure. Preferably, the substrate is a semiconductor substrate of a first conductivity type, and the first current path of the first structure includes the first metal layer to the back electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate, The second current path of the second structure includes from the second metal layer to the intracavity electrode electrically connected to the first conductivity type semiconductor multilayer film.
好ましくは、第1の構造体がレーザ発振し、第2の構造体がレーザ発振しないように第1の構造体の第1の電流経路の抵抗および第2の構造体の第2の電流経路の抵抗が決定されている。好ましくは面発光型半導体レーザ装置を含むモジュールは、面発光型半導体レーザ装置へ駆動電流を供給する駆動回路を含み、当該駆動回路は、第1の構造体がレーザ発振し、第2の構造体がレーザ発振しない範囲で駆動電流を供給する。 Preferably, the resistance of the first current path of the first structure and the second current path of the second structure are set such that the first structure is laser-oscillated and the second structure is not laser-oscillated. Resistance is determined. Preferably, the module including the surface-emitting type semiconductor laser device includes a driving circuit that supplies a driving current to the surface-emitting type semiconductor laser device, and the driving circuit is configured such that the first structural body oscillates and the second structural body. The drive current is supplied within a range in which no laser oscillation occurs.
本発明によれば、レーザ光を出射する第1の構造体と第2の構造体を基板上に形成し、第2の構造体における電流経路の抵抗が第1の構造体における電流経路の抵抗よりも高くするようにしたので、通常のレーザ駆動時に、第2の構造体へ供給される電流の割合を小さくすることができ、言い換えれば、第1の構造体へ供給される電流の割合を高くすることができ、その結果、駆動電流の利用効率の低下を抑制することができる。また、ESD等の高電流が印加された場合には、第1および第2の構造体の合算された通電領域の面積によりESD耐圧を向上させることができる。さらに、電流経路の抵抗が大きい第2の構造体を複数設けることで、従来構造と比較して、第1の構造体のレーザ発振するしきい値電流を低下させることができ、その結果、第1の構造体におけるレーザ発振が容易となり、このことは駆動電流の利用効率の低下を抑制することにもつながる。 According to the present invention, the first structure and the second structure that emit laser light are formed on the substrate, and the resistance of the current path in the second structure is the resistance of the current path in the first structure. The ratio of current supplied to the second structure can be reduced during normal laser driving, in other words, the ratio of current supplied to the first structure can be reduced. As a result, it is possible to suppress a decrease in drive current utilization efficiency. In addition, when a high current such as ESD is applied, the ESD withstand voltage can be improved by the area of the energized region that is the sum of the first and second structures. Furthermore, by providing a plurality of second structures having a large resistance in the current path, the threshold current for laser oscillation of the first structure can be reduced as compared with the conventional structure. Laser oscillation in the structure 1 is facilitated, and this leads to suppression of a decrease in drive current utilization efficiency.
以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1(a)は、本発明の第1の実施例に係るVCSELの概略平面図、図1(b)はそのA−A線断面を拡大した図である。本実施例のVCSEL10は、n型GaAs基板12、n型のAlGaAs系半導体膜を多層積層した下部DBR(Distributed Bragg Reflector:分布ブラック型反射鏡)14、活性層16、p型のAlAs層からなる電流狭窄層18、p型のAlGaAs系半導体膜を多層積層した上部DBR20、絶縁膜22、絶縁膜22上にパターン形成されたp側上部電極層24、基板の裏面に形成されたn側下部電極層26を含んで構成される。
FIG. 1A is a schematic plan view of a VCSEL according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a section taken along the line AA. The VCSEL 10 of this embodiment includes an n-
基板上には、レーザ光を出射するメサタイプの構造体30と、構造体30を中心に放射状に広がる8つの非メサタイプの構造体40−1、40−2、・・・40−8が形成されている。構造体30は、円筒状のポストまたはメサ構造をしており、その周囲がリング状もしくは環状の溝32(図では理解を容易にするために黒く塗りつぶしている)によって囲まれている。溝32は、好ましくは上部DBR20から下部DBR14の一部に至る深さまで積層された半導体層をエッチングして形成されている。ここでは、このような連続した1つの溝32によって全周囲を除去された構造体30をメサタイプと呼んでいる。
On the substrate, a
一方、構造体40−1〜40−8は、その周囲に部分的もしくは断続的に複数の溝や穴が形成されており、構造体40−1〜40−8の各々は、円弧状の4つの溝42(図では理解を容易にするため黒く塗りつぶしている)によって囲まれている。4つの溝42を仮想的に延長して結べばほぼ円形になる。ここでは、このような断続的または部分的な溝によって囲まれた構造体を非メサタイプと呼んでいる。溝42は、好ましくは、溝32と同時にエッチング形成され、上部DBR20から下部DBR14の一部に至るまでの深さを有している。
On the other hand, the structures 40-1 to 40-8 are partially or intermittently formed with a plurality of grooves or holes around the structures 40-1 to 40-8. Surrounded by two grooves 42 (filled black for ease of understanding in the figure). If the four
構造体30のメサの頂部には、円形状の上部電極層24aが形成されており、上部電極層24aの中央にはレーザ出射窓となる円形状の開口部28aが形成されている。構造体30はその周囲を絶縁膜22によって覆われ、構造体30の頂部において絶縁膜22にコンタクトホールが形成されている。上部電極層24aは、コンタクトホールを介して上部DBR20の最上層であるp型GaAsコンタクト層にオーミック接続される。
A circular
構造体30の電流狭窄層18は溝32に露出された状態で酸化され、そのとき、電流狭窄層18の外縁に環状の酸化領域18a(図中、ハッチング)が形成される。酸化領域18aは高抵抗領域であり、酸化領域18aによって囲まれた円形の導電領域に電流が閉じ込められる。また、酸化領域18aの屈折率により導電領域内に発振されたレーザ光が閉じ込められる。
The
構造体40−1〜40−8は、構造体30と同様の半導体層を含んで構成される。構造体40−1〜40−8の頂部には、円形状の上部電極層24bが形成されており、上部電極層24bの中央には円形状の開口部28bが形成されている。上部電極層24bは、絶縁膜22に形成されたコンタクトホールを介して上部DBR20の最上層のp型GaAsコンタクト層にオーミック接続されている。各構造体の上部電極層24bは、配線層50によって構造体30の上部電極層24aに接続され、さらに、上部電極層24aは、配線層52によって基板表面に絶縁膜22を介して形成された円形状の電極パッド54に接続されている。電極パッド54は、VCSELに駆動電流を注入するものであり、電極パッド54は、図示しないボンディングワイヤが接続される。
The structures 40-1 to 40-8 include the same semiconductor layer as that of the
構造体40−1〜40−8の電流狭窄層18には、溝42に露出されたときに酸化された酸化領域18b(図中、ハッチング)が形成されている。1つの構造体は4つの溝42に囲まれているが、4つの溝42から酸化を進行させると、4つの酸化領域18bが重複し、電流狭窄層18には4つの酸化領域18bによって包囲された実質的に円形状の導電領域が形成されることになる。
In the
次に、構造体30および構造体40−1〜40−8の好ましい設計値を図2に示す。構造体30の周囲に8つの構造体40−1〜40−8が形成されたとき、図2(a)に示すように、構造体30の電流狭窄層18の導電領域の径は約15μmであり、構造体40−1〜40−8の各々の電流狭窄層18の導電領域の径は約5μmである。構造体30における上部電極層24aから下部電極層26に至る電流経路の抵抗は約40Ωであり、構造体40−1〜40−8の各々の上部電極層24bから下部電極層26に至る電流経路の抵抗は約320Ωである。構造体30と各構造体40−1〜40−8は、電流狭窄層18の導電領域の径を除き、ほぼ同様の構成であるため、両者の電流経路の抵抗の差は、実質的に両者の導電領域の面積の差を反映していることになる。
Next, preferred design values of the
VCSEL10に6.4mAの駆動電流が印加されると、両者の抵抗の差から、構造体30に流れる電流は3.2mAであり、各々の構造体40−1〜40−8に流れる電流は0.4mAとなる。
When a drive current of 6.4 mA is applied to the
VCSELは、低電流領域で抵抗値が急激に高くなるため、小さい面積の導電領域の構造体40−1〜40−8があると、それらの構造体の各導電領域に流れる電流が減る(抵抗も高い)。さらにVCSELへの電流値が上がっていくと、抵抗は下がるため、構造体30への導電領域への電流が増加する。そのため、従来例のように同じ若しくは大きなサイズの構造体を2つ置く場合に比べて、電流利用効率の低下を少なくすることができる。
Since the resistance value of the VCSEL rapidly increases in a low current region, if there are structures 40-1 to 40-8 having a small conductive area, a current flowing in each conductive region of the structure decreases (resistance) Is also high). Further, as the current value to the VCSEL increases, the resistance decreases, so that the current to the conductive region to the
図2(b)は、構造体を14個に増加したときの導電領域の径、抵抗、通電電流をそれぞれ示している。6.4mAの駆動電流を印加すると、サイズの小さな構造体は、それぞれ0.14mA(全体で2.8mA)の電流が流れ、構造体30には4.4mAの電流が流れる。サイズの小さな構造体の数を増加することによって、それらの構造体における消費電力を全体の約3割にとどめ、レーザ出射用である構造体30の電流利用効率を全体の約7割にすることができる。
FIG. 2B shows the diameter, resistance, and energization current of the conductive region when the number of structures is increased to 14. When a driving current of 6.4 mA is applied, each small structure has a current of 0.14 mA (2.8 mA in total), and a current of 4.4 mA flows through the
図3は、従来例と本実施例のVCSELの出力特性を比較する図である。縦軸は光出力[mW]、横軸は電流[mA]を示し、上から順に、ESD対策がないVCSEL(レーザ出射用の構造体の他に構造体が形成されていないもの)、本実施例に係る14個の構造体が形成されたVCSEL、従来例のVCSEL(レーザ出射用の構造体と同サイズの構造体が1つ形成されたVCSEL)を示している。このグラフは、実験データではないが、VCSELのI−L特性から理論的に計算したものである。従来例のVCSELは、ESD対策のないVCSELと比較して光出力が約半分程度に低下している。つまり、電流利用効率が半分しかない。これに対して本実施例のVCSELは、従来例のVCSELよりも光出力が高く、従って、従来例よりも電流利用効率が高くなっていることがわかる。さらに本実施例のVCSELは、従来例のVCSELよりもしきい値電流が低くなっているため、低電流でレーザ発振し易くなることも結果として電流利用効率の低下を抑制している。
FIG. 3 is a diagram comparing the output characteristics of the VCSELs of the conventional example and this example. The vertical axis shows the optical output [mW], the horizontal axis shows the current [mA], and in order from the top, VCSEL without ESD countermeasures (no structure is formed in addition to the structure for laser emission), this
上記したように、ESD対策用の構造体、例えば40−1〜40−8、の電流狭窄層の導電領域の径は、レーザ出射用の構造体の導電領域の径よりも小さいことが望ましいが、径をあまり小さくしすぎると、VCSEL全体の駆動電流の通電面積が小さくなり、ESD耐圧の向上を十分に図ることができない。その一方において、ESD対策用の構造体の導電領域の径が大きくなると、通常の駆動時に、ESD対策用の構造体にも一定の電流が流れ、そこでレーザ発振してしまう。そこで、ESD対策用の構造体の導電領域の径は、通常の駆動時に、ESD対策用の構造体がレーザ発振しないような径、すなわち抵抗にすることが望ましい。これにより、ESD対策用の構造体の上部電極層24bの開口部28bからレーザ光が出射されることはない。勿論、ESD対策用の構造体は、そもそもレーザ光を出射する必要がないため、図4に示すように、構造体40−1〜40−8の上部電極層24bに開口部を形成しないようにしてもよい。
As described above, the diameter of the conductive region of the current confinement layer of the ESD countermeasure structure, for example, 40-1 to 40-8, is preferably smaller than the diameter of the conductive region of the structure for laser emission. If the diameter is made too small, the energization area of the drive current of the entire VCSEL becomes small, and the ESD withstand voltage cannot be sufficiently improved. On the other hand, when the diameter of the conductive region of the ESD countermeasure structure increases, a constant current flows through the ESD countermeasure structure during normal driving, and laser oscillation occurs there. Therefore, it is desirable that the diameter of the conductive region of the ESD countermeasure structure is a diameter that prevents the ESD countermeasure structure from lasing during normal driving, that is, a resistance. As a result, laser light is not emitted from the
上記実施例では、構造体40−1〜40−8の導電領域の面積を構造体30のものより小さく、構造体40−1〜40−8の電流経路の抵抗を高くしたが、導電領域の面積を大きくする以外にも構造体40−1〜40−8の電流経路の抵抗を高くすることができる。以下の説明では、便宜上、レーザ光を出射する構造体を参照番号60とし、ESD対策用の構造体を参照番号70とし、構造体60および70の構成は、図1の構造体と同様とする。
In the above embodiment, the area of the conductive regions of the structures 40-1 to 40-8 is smaller than that of the
図5(a)に示すように、ESD対策用の構造体70の上部電極層24bが上部DBR20と接続される領域に、プロトンをイオン注入し、上部DBR20に高抵抗領域100を形成する。一方、レーザ出射用の構造体60の上部電極層24aは、p型上部DBR20の最上層のp型GaAs層20aとオーミック接続される。これにより、構造体70における上部金属層24bから上部DBR20への電流経路の抵抗を構造体60における電流経路の抵抗よりも高くすることができる。
As shown in FIG. 5A, protons are ion-implanted into a region where the
図5(b)に示すように、構造体70の上部電極層24bがp型の上部DBR20に直接接続されるようにする。すなわち、上部DBR20の最上層であるp型GaAsコンタクト層20aを、上部電極層24bが接続される領域から除去し、p型AlGaAs層を露出させる。p型AlGaAs層は、コンタクト層20aよりも不純物濃度が低く、上部電極層24bが接続されたときショットキー接続となる。一方、構造体60の上部電極層24aは上部DBR20の最上層であるGaAsコンタクト層20aにオーミック接続される。これにより、構造体70における上部金属層24bから上部DBR20への電流経路の抵抗を構造体60における電流経路の抵抗よりも高くすることができる。
As shown in FIG. 5B, the
図5(c)に示すように、構造体70の上部電極層24bが高抵抗膜110を介してp型GaAsコンタクト層20aに接続されようにする。例えば、上部金属層24bが接続される領域に、コンタクト層20aよりも不純物濃度が低い高抵抗膜110を形成する。一方、構造体60の上部電極層24aは、上部DBR20の最上層であるp型GaAsコンタクト層20aにオーミック接続される。これにより、構造体70における上部金属層24bから上部DBR20への電流経路の抵抗を構造体60における電流経路の抵抗よりも高くすることができる。
As shown in FIG. 5C, the
また、図6に示すように、構造体70に隣接してn型下部DBR14の一部が露出する領域を形成し、そこに絶縁膜22のコンタクトホールを介して下部DBR14に接続されるn側電極層120を形成する。n側電極層120は、いわゆるイントラキャビティ構造の電極である。構造体70のp側上部電極層24bから注入された電流は、上部DBR20、電流狭窄層18、活性層16、および下部DBR14を介してn側電極層120へ通じる。一方、構造体60のp側上部電極層24aから注入された電流は、上部DBR20、電流狭窄層18、活性層16、下部DBR14、およびn型GaAs基板12を介してn側下部電極層26へ通じる。構造体70における電流経路を構造体60における電流経路よりも長くすることで、構造体70の電流経路の抵抗を高くすることができる。
Further, as shown in FIG. 6, a region where a part of the n-type
図5や図6に示す方法を用いてESD対策用構造体の抵抗をレーザ出射用構造体の抵抗よりも高くした場合には、必ずしも、ESD対策用の構造体の電流狭窄層の導電領域の径または面積を、レーザ出射用の構造体の導電領域の径または面積より小さくする必要はない。 When the resistance of the ESD countermeasure structure is made higher than the resistance of the laser emitting structure using the method shown in FIGS. 5 and 6, the conductive region of the current confinement layer of the ESD countermeasure structure is not necessarily limited. The diameter or area need not be smaller than the diameter or area of the conductive region of the structure for laser emission.
次に、VCSEL上に形成されるレーザ出射用の構造体とESD対策用の構造体のレイアウト例を説明する。図7に示すレイアウトでは、構造体60がメサタイプであり、溝130によって全周囲を除去された円筒状またはポスト構造をしている。一方、構造体70は、非メサタイプであり、その周囲は溝130によって完全に除去されておらず、部分的に半導体層が残っている。
Next, a layout example of the laser emitting structure and the ESD countermeasure structure formed on the VCSEL will be described. In the layout shown in FIG. 7, the
溝130は、上部DBR20から下部DBR14の一部が露出するまでの深さに形成され、構造体60の全周囲を覆い、かつ構造体70の左側に半導体層が一定の幅で残存する架橋部132を除き構造体70を覆っている。構造体60の上部電極層24aは、レーザ光を出射するための開口部28aが中央に形成された環状体であって、構造体60の頂部において絶縁膜22に形成されたコンタクトホールを介して上部DBR20の最上層のGaAsコンタクト層にオーミック接続されている。
The
構造体60の上部電極層24aは、その側壁、溝130の表面、構造体70の側面を延在する配線層50によって構造体70の上部電極層24bに接続されている。構造体70の上部電極層24bは、絶縁膜22に形成されたコンタクトホールを介して上部DBR20のコンタクト層とオーミック接続されるが、その中央にはレーザ出射用の開口部が形成されていない。上部電極層24bは、絶縁膜22を介して架橋部132上を延在する配線層52に接続され、この配線層52は、電極パッド54に接続されている。ここでは、構造体70のサイズを構造体60よりも大きくしており、すなわち、電流狭窄層18の導電領域の面積を大きくしているが、この場合、図5や図6で例示したような方法により構造体70における電流経路の抵抗を構造体60の抵抗よりも大きくする。
The
図8に示すレイアウトは、構造体60および構造体70の双方が非メサタイプになっている。構造体60の周囲は、4つのほぼ円弧状の溝140−1、140−2、140−3、140−4が形成されている。溝140−3と溝140−4の間には、半導体層をエッチングされずに残った細長い第1の架橋部142が形成され、第1の架橋部142が構造体70まで延びている。
In the layout shown in FIG. 8, both the
構造体70は、その周囲が溝150によって除去されているが、第1の架橋部142に加えて第2の架橋部152が残存している。構造体60の上部電極層24aは、絶縁膜22を介して第1の架橋部142上を延在する配線層50に接続され、配線層50は、溝150を通過して構造体70の上部電極層24bに接続される。上部電極層24bは、絶縁膜22を介して第2の架橋部152上を延在する配線層52に接続され、この配線層52は電極パッド54に接続される。
Although the periphery of the
さらに他のレイアウト例を図9に示す。図9(a)は、メサタイプの構造体60と、非メサタイプの構造体70が形成されている。構造体60の周囲は、溝160が形成されているが、構造体70の周囲にはC溝162が形成されている。図9(b)は、非メサタイプの構造体60と非メサタイプの構造体70である。基板上に、同心円状の2つのC溝170、172(図中、ハッチングで表示)が形成され、外側のC溝172が構造体70を取り囲み、内側のC溝170が構造体60を取り囲む。構造体70は、リング状となり、その頂部にC型のp側上部電極層24bが形成される。
Still another layout example is shown in FIG. In FIG. 9A, a
図9(c)は、図9(b)のレイアウトの変形であり、構造体60を覆う溝174(図中、ハッチングで表示)が円弧状にになっている。構造体60の上部電極層24aと構造体70の上部電極層24bとが一体となって扇型を構成し、配線層52を介して電極パッド54に接続されている。
FIG. 9C is a modification of the layout of FIG. 9B, and a groove 174 (indicated by hatching in the drawing) that covers the
図6および図7のレイアウトは、構造体60、構造体7および電極パッド54の中心がほぼ直線状に並んでいるが、図9のレイアウトは、構造体60と構造体70とを近接しているためチップサイズを小さくすることができる。
6 and 7, the centers of the
次に、図1に示すVCSELの具体的な構成例を説明する。有機金属気相成長(MOCVD)法により、n型GaAs基板12上に順に、Siキャリア濃度1×1018cm-3、膜厚0.2μm程度のn型GaAsバッファ層、キャリア濃度1×1018cm-3、総膜厚約4μm、それぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるAl0.9Ga0.1AsとAl0.12Ga0.88Asからなる40.5周期の下部n型DBR14、アンドープ下部Al0.6Ga0.4Asスぺーサー層とアンドープ量子井戸活性層(膜厚70nmGaAs量子井戸層3層と膜厚50nmAl0.3Ga0.7As障壁層4層とで構成されている)とアンドープ上部Al0.6Ga0.4Asスぺーサー層とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性層16、炭素キャリア濃度が1×1018cm-3、総膜厚が約3μm、それぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるAl0.9Ga0.1AsとAl0.12Ga0.88Asからなる30周期の上部p型DBR20を順次積層する。上部DBR20の最下層には、電流狭窄層18として機能するp型のAlAs層が含まれている。上部DBR20の最上層には、キャリア濃度1×1019cm-3、膜厚20nmのp型のGaAsコンタクト層が含まれている。
Next, a specific configuration example of the VCSEL illustrated in FIG. 1 will be described. An n-type GaAs buffer layer having a Si carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 and a film thickness of about 0.2 μm, and a carrier concentration of 1 × 10 18 are sequentially formed on the n-
また、DBRの電気的抵抗を下げるために、Al0.9Ga0.1AsとAl0.12Ga0.88Asの界面にAl組成を90%から30%に段階的に変化させた膜厚が20nm程度の領域を設けることも可能である。 Further, in order to lower the electrical resistance of the DBR, a region having a film thickness of about 20 nm in which the Al composition is gradually changed from 90% to 30% is provided at the interface between Al 0.9 Ga 0.1 As and Al 0.12 Ga 0.88 As. It is also possible.
絶縁膜22は、例えばSiONであり、p側上部電極層24a、24bは、例えば、金(Au)とチタン(Ti)を積層したものである。n側下部電極層26は、例えば金とGe(ゲルマニウム)を積層したものである。
The insulating
基板上に溝32、42を形成し、溝32、42によって構造体30および構造体40−1〜40−8の側面を露出させた後、電流狭窄層18が酸化される。例えば340℃の水蒸気雰囲気に基板を一定時間晒し、電流狭窄層18であるp型AlAs層が露出した側面から一定距離だけ内部へ向けて酸化される。これにより、AlAs層の外縁に酸化領域18a、18bが形成され、この酸化領域18a、18bによって未酸化の導電領域が取り囲まれる。未酸化の領域は電流および光を閉じ込める領域となる。
After the
上記実施例では、基板上にレーザ発光用の構造体が1つ形成されたシングルスポットタイプのVCSELを示したが、これに限らず、複数のレーザ発光用の構造体が基板上に形成されたマルチスポットタイプであっても本発明を適用することができる。さらに、上記実施例では、AlGaAs系の半導体層を用いたVCSELを示したが、勿論、これ以外のIII−V族化合物半導体層を用いたVCSELであってもよい。 In the above embodiment, a single spot type VCSEL in which one structure for laser emission is formed on the substrate is shown. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of structures for laser emission are formed on the substrate. The present invention can also be applied to a multi-spot type. Further, in the above embodiment, a VCSEL using an AlGaAs-based semiconductor layer is shown, but a VCSEL using a group III-V compound semiconductor layer other than this may be used.
図10は、VCSELチップが実装された半導体レーザ装置のパッケージ(モジュール)例を示す概略断面を示す図である。パッケージ300では、金属ステム330上のサブマウント320上に、VCSELアレイが形成されたチップ310が固定されている。導電性のリード340、342は、ステム330の貫通孔(図示省略)内に挿入され、一方のリード340は、チップ310の裏面に形成されたn側の下部電極26に電気的に接続され、他方のリード342は、チップ310の上面に形成された電極パッド54(図1を参照)にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of a package (module) of a semiconductor laser device on which a VCSEL chip is mounted. In the
キャップ350の出射窓352内にボールレンズ360が固定されている。ボールレンズ360の光軸は、開口部28aの中心とほぼ一致するように位置決めされる。また、チップ310とボールレンズ360との距離は、チップ310からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ360が含まれるように調整される。リード340、342間に順方向の電圧が印加されると、チップ310からレーザ光が出射され、ボールレンズ360を介して外部へ出力される。なお、キャップ内に、VCSELの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。
A
図11は、さらに他のパッケージの構成を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示すパッケージ302は、ボールレンズ360を用いる代わりに、キャップ350の中央の出射窓352内に平板ガラス362を固定している。平板ガラス362の中心は、チップ310の光軸と一致するように位置決めされる。チップ310と平板ガラス362との距離は、平板ガラス362の開口径がチップ310からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整されている。
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of still another package, and is preferably used in a spatial transmission system described later. In the
図12は、図11に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置400は、ステム330に固定された円筒状の筐体410と、筐体410の端面に一体に形成されたスリーブ420と、スリーブ420の開口422内に保持されるフェルール430と、フェルール430によって保持される光ファイバ440とを含んで構成される。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration when the package or module shown in FIG. 11 is applied to an optical transmitter. The optical transmission device 400 includes a cylindrical housing 410 fixed to the
ステム330の円周方向に形成されたフランジ332には、筐体410の端部が固定される。フェルール430は、スリーブ420の開口422に正確に位置決めされ、光ファイバ440の光軸がボールレンズ360の光軸に整合される。フェルール430の貫通孔432内に光ファイバ440の芯線が保持されている。
An end of the housing 410 is fixed to a
チップ310の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ360によって集光され、集光された光は、光ファイバ440の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ360を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置400は、リード340、342に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置400は、光ファイバ440を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
The laser light emitted from the surface of the
図13は、図11に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム500は、パッケージ300と、集光レンズ510と、拡散板520と、反射ミラー530とを含んでいる。空間伝送システム500では、パッケージ300に用いられたボールレンズ360を用いる代わりに、集光レンズ510を用いている。集光レンズ510によって集光された光は、反射ミラー530の開口532を介して拡散板520で反射され、その反射光が反射ミラー530へ向けて反射される。反射ミラー530は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。空間伝送の光源の場合には、マルチスポット型のVCSELを用い、高出力を得るようにしてもよい。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration when the package shown in FIG. 11 is used in a spatial transmission system. The spatial transmission system 500 includes a
図14は、VCSELを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム600は、VCSELが形成されたチップ310を含む光源610と、光源610から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系620と、光学系620から出力されたレーザ光を受光する受光部630と、光源610の駆動を制御する制御部640とを有する。制御部640は、VCSELを駆動するための駆動パルス信号を光源610に供給する。光源610から放出された光は、光学系620を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部630へ伝送される。受光部630は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部630は、制御信号650により制御部640の動作(例えば光伝送の開始タイミング)を制御することができる。
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of an optical transmission system using a VCSEL as a light source. The optical transmission system 600 receives a
次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図15は、光伝送装置の外観構成を示している。光伝送装置700は、ケース710、光信号送信/受信コネクタ接合部720、発光/受光素子730、電気信号ケーブル接合部740、電源入力部750、動作中を示すLED760、異常発生を示すLED770、DVIコネクタ780、送信回路基板/受信回路基板790を有している。
Next, the configuration of an optical transmission device used in the optical transmission system will be described. FIG. 15 shows an external configuration of the optical transmission apparatus. The optical transmission device 700 includes a
光伝送装置700を用いた映像伝送システムを図16に示す。映像伝送システム800は、映像信号発生装置810、画像表示装置820、DVI用電気ケーブル830、送信モジュール840、受信モジュール850、映像信号伝送光信号用コネクタ860、光ファイバ870、制御信号用ケーブルコネクタ880、電源アダプタ890、DVI用電気ケーブル900を含んでいる。映像信号発生装置810で発生された映像信号を液晶ディスプレイなどの画像表示装置820に伝送するため、図15に示す光伝送装置を利用している。
A video transmission system using the optical transmission device 700 is shown in FIG. The video transmission system 800 includes a video
上記実施例は例示的なものであり、これによって本発明の範囲が限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。 The above-described embodiments are illustrative, and the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto, and can be realized by other methods within the scope satisfying the constituent requirements of the present invention. Needless to say.
本発明に係る面発光型半導体レーザ装置は、プリンタ等の画像形成装置の光源や、通信用の光源として広く利用される。 The surface-emitting type semiconductor laser device according to the present invention is widely used as a light source for an image forming apparatus such as a printer or a light source for communication.
10:VCSEL 12:基板
14:下部DBR 16:活性層
18:電流狭窄層 18a、18b:酸化領域
20:上部DBR 22:絶縁膜
24a、24b:上部電極層 26:下部電極層
28a、28b:開口部 30:構造体
32:溝 40−1〜40−8:構造体
42:溝 50:配線層
52:配線層 54:電極パッド
60:レーザ光出射用構造体 70:ESD対策用構造体
100:高抵抗領域 110:高抵抗膜
120:n側電極層 130:溝
132:架橋部 140−1〜140−4:溝
142:第1の架橋部 150:溝
152:第2の架橋部 160:溝
170、172:C溝 174:円弧状の溝
10: VCSEL 12: Substrate 14: Lower DBR 16: Active layer 18:
Claims (22)
基板上に形成されたレーザ光を出射する第1の構造体と、
基板上に形成された第2の構造体とを含み、
第1の構造体は、第1導電型の半導体多層膜、活性層、第1の導電領域が形成された第1の電流狭窄層、第2導電型の半導体多層膜、および当該第2導電型の半導体多層膜に電気的に接続される第1の金属層を含み、第1の金属層にはレーザ光が出射される開口部が形成されており、
第2の構造体は、第1導電型の半導体多層膜、活性層、第2の導電領域が形成された第2の電流狭窄層、第2導電型の半導体多層膜、および当該第2導電型の半導体多層膜に電気的に接続される第2の金属層を含み、
第1の構造体における第1の金属層から第1導電型の半導体多層膜に至る第1の電流経路の抵抗が、第2の構造体における第2の金属層から第1導電型の半導体多層膜に至る第2の電流経路の抵抗よりも小さく、かつ、第1の金属層と第2の金属層が電気的に接続されている、面発光型半導体レーザ装置。 A substrate,
A first structure that emits laser light formed on a substrate;
A second structure formed on the substrate,
The first structure includes a first conductive type semiconductor multilayer film, an active layer, a first current confinement layer in which a first conductive region is formed, a second conductive type semiconductor multilayer film, and the second conductive type Including a first metal layer electrically connected to the semiconductor multilayer film, wherein the first metal layer has an opening through which laser light is emitted,
The second structure includes a first conductive type semiconductor multilayer film, an active layer, a second current confinement layer in which a second conductive region is formed, a second conductive type semiconductor multilayer film, and the second conductive type A second metal layer electrically connected to the semiconductor multilayer film of
The resistance of the first current path from the first metal layer in the first structure to the first conductivity type semiconductor multilayer film is such that the second metal layer in the second structure has a resistance to the first conductivity type semiconductor multilayer. A surface-emitting type semiconductor laser device that is smaller than the resistance of a second current path that reaches the film and that is electrically connected to the first metal layer and the second metal layer.
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