JP2009152296A - Method of manufacturing surface-emitting semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光型半導体レーザの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser.
半導体レーザの分野において、安価で高性能な光源として、垂直共振器面発光型レーザ(VCSEL)などの面発光型半導体レーザ(以下「面発光レーザ」ともいう)は大変注目されている。一般に、面発光レーザは、分布ブラッグ反射型(DBR)ミラーの各層の厚さがλD/4nであり、活性層の厚さがmλD/2nである構造を有している(例えば下記非特許文献1参照)。但し、λDは設計共振波長であり、nは各層の屈折率であり、mは正の整数である。
しかしながら、実際にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置やMBE(Molecular Beam Epitaxy)装置などの成膜装置を用いて面発光レーザを作製した場合、必ずしも正確に所望の厚さとはならない場合がある。また、実際の共振波長は、DBRミラーの周期性(DBRミラー部分における多重反射による電磁界プロファイル)の影響を受けており、活性層の厚さのみでは決定されない。即ち、例えば、成膜時にDBRミラーの厚さがλD/4nよりも厚くなってしまったとしたら、活性層の厚さが正確にmλD/2nであったとしても、実際の共振波長は、設計共振波長(λD)よりも長波長となってしまう。 However, when a surface emitting laser is actually produced using a film forming apparatus such as a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus or an MBE (Molecular Beam Epitaxy) apparatus, the desired thickness may not always be obtained accurately. The actual resonance wavelength is affected by the periodicity of the DBR mirror (electromagnetic field profile due to multiple reflection at the DBR mirror portion), and is not determined only by the thickness of the active layer. That is, for example, if the thickness of the DBR mirror becomes thicker than λ D / 4n at the time of film formation, even if the thickness of the active layer is exactly mλ D / 2n, the actual resonance wavelength is The wavelength becomes longer than the design resonance wavelength (λ D ).
本発明の目的の1つは、少ない試作回数で面発光型半導体レーザを正確に所望の厚さで作製することで、所望の波長関係を有する面発光型半導体レーザを効率的に製造する方法を提供することにある。 One of the objects of the present invention is a method for efficiently producing a surface emitting semiconductor laser having a desired wavelength relationship by accurately producing a surface emitting semiconductor laser with a desired thickness with a small number of trial manufactures. It is to provide.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、
第1基板の上方に下部ミラーと同じ層構成を有する第1半導体層を成膜時間(t10)で成膜する工程と、
前記第1半導体層の上方に活性層と同じ層構成を有する第2半導体層を成膜時間(t20)で成膜する工程と、
前記第2半導体層の上方に上部ミラーと同じ層構成を有する第3半導体層を成膜時間(t30)で成膜する工程と、
前記第1半導体層、前記第2半導体層、および前記第3半導体層を有する半導体多層膜に対して反射率検査を行い、前記第1半導体層および前記第3半導体層の反射帯域の中心波長(λS0)、並びに、前記第1半導体層、前記第2半導体層、および前記第3半導体層を有する第1光共振器の共振波長(λD0)を測定する工程と、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーの所望の反射帯域の中心波長をλSとして、下部ミラー成膜時間(t11)および上部ミラー成膜時間(t31)を下記式(1)および式(2)から算出し、活性層成膜時間(t22)を算出するための第1計算値(t21)および第2計算値(λ1)を下記式(3)および式(4)から算出する工程と、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーを所望の厚さに固定した時の、前記活性層の一部または全部の厚さ(x)と、前記下部ミラー、前記活性層、および前記上部ミラーを有する第2光共振器の共振波長(λ)との関係から、前記第2計算値(λ1)における前記活性層の一部または全部の厚さ(xλ1)、および、前記第2光共振器の所望の共振波長をλDとして、前記λDにおける前記活性層の一部または全部の厚さ(xλD)を求める工程と、
前記活性層成膜時間(t22)を下記式(5)から算出する工程と、
第2基板の上方に前記下部ミラー成膜時間(t11)で下部ミラーを成膜する工程と、
前記下部ミラーの上方に前記活性層成膜時間(t22)で活性層を成膜する工程と、
前記活性層の上方に前記上部ミラー成膜時間(t31)で上部ミラーを成膜する工程と、
前記下部ミラーに電気的に接続される第1電極、および、前記上部ミラーに電気的に接続される第2電極を形成する工程と、を含む。
A method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention includes:
Depositing a first semiconductor layer having the same layer configuration as the lower mirror above the first substrate in a deposition time (t 10 );
Depositing a second semiconductor layer having the same layer configuration as the active layer above the first semiconductor layer in a deposition time (t 20 );
Depositing a third semiconductor layer having the same layer configuration as the upper mirror over the second semiconductor layer in a deposition time (t 30 );
A reflectance test is performed on the semiconductor multilayer film including the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer, and a central wavelength (in a reflection band of the first semiconductor layer and the third semiconductor layer) λ S0 ), and measuring a resonance wavelength (λ D0 ) of a first optical resonator having the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer;
The center wavelength of the desired reflection band of the lower mirror and the upper mirror is λ S , and the lower mirror film formation time (t 11 ) and the upper mirror film formation time (t 31 ) are expressed by the following equations (1) and (2) The first calculation value (t 21 ) and the second calculation value (λ 1 ) for calculating the active layer deposition time (t 22 ) are calculated from the following formulas (3) and (4). When,
A thickness (x) of a part or all of the active layer when the lower mirror and the upper mirror are fixed to a desired thickness, and a second mirror having the lower mirror, the active layer, and the upper mirror. From the relationship with the resonance wavelength (λ) of the optical resonator, the thickness (x λ1 ) of a part or all of the active layer at the second calculated value (λ 1 ) and the desired value of the second optical resonator Λ D is a resonance wavelength of λ D , and the thickness (x λD ) of a part or all of the active layer at λ D is obtained;
Calculating the active layer deposition time (t 22 ) from the following equation (5);
Depositing a lower mirror on the second substrate at the lower mirror deposition time (t 11 );
Depositing an active layer above the lower mirror with the active layer deposition time (t 22 );
Depositing an upper mirror above the active layer at the upper mirror deposition time (t 31 );
Forming a first electrode electrically connected to the lower mirror and a second electrode electrically connected to the upper mirror.
t11=t10×(λS/λS0) …(1)
t31=t30×(λS/λS0) …(2)
t21=t20×(λS/λS0) …(3)
λ1=λD0×(λS/λS0) …(4)
t22=t21×(xλD/xλ1) …(5)
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法によれば、前記下部ミラー成膜時間(t11)、前記活性層成膜時間(t22)、及び前記上部ミラー成膜時間(t31)の正確な値を予め算出することができる。即ち、前記下部ミラーおよび前記上部ミラーの所望の反射帯域の中心波長λSと、前記第2光共振器の所望の共振波長λDとを、二度の試作を繰り返して個別に合わせこむ必要がない。従って、余分な試作を行うことなく、一度の補正で正確に所望の厚さで作製することが可能となり、資源の節約や製造コストの削減に繋がる。
t 11 = t 10 × (λ S / λ S0 ) (1)
t 31 = t 30 × (λ S / λ S0 ) (2)
t 21 = t 20 × (λ S / λ S0 ) (3)
λ 1 = λ D0 × (λ S / λ S0 ) (4)
t 22 = t 21 × (x λD / x λ1 ) (5)
According to the method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the present invention, the lower mirror film formation time (t 11 ), the active layer film formation time (t 22 ), and the upper mirror film formation time (t 31 ). An accurate value can be calculated in advance. That is, the center wavelength λ S of the desired reflection band of the lower mirror and the upper mirror and the desired resonance wavelength λ D of the second optical resonator need to be individually matched by repeating the trial production twice. Absent. Therefore, it is possible to accurately produce a desired thickness with a single correction without performing an extra trial production, which leads to resource saving and manufacturing cost reduction.
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定の部材(以下「A部材」という)の「上方」に他の特定の部材(以下「B部材」という)を成膜する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、A部材上に直接B部材を成膜するような場合と、A部材上に他のものを介してB部材を成膜するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。 In the description of the present invention, the word “upper” is used, for example, “an upper part of a specific member (hereinafter referred to as“ A member ”) and another specific member (hereinafter referred to as“ B member ”). "Membrane". In the description according to the present invention, in this case, the B member is directly formed on the A member, and the B member is formed on the A member via another material. The word “above” is used to include
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記活性層の一部または全部の厚さ(x)と、前記下部ミラー、前記活性層、および前記上部ミラーを有する第2光共振器の共振波長(λ)との関係から、前記活性層の一部または全部の厚さ(x)に対する前記第2光共振器の共振波長(λ)の変化率(f)を求める計算工程を有し、
前記変化率(f)は、下記式(6)で表され、
前記活性層成膜時間(t22)は、上記式(5)を変形した下記式(5−2)から算出されることができる。
In the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention,
From the relationship between the thickness (x) of part or all of the active layer and the resonance wavelength (λ) of the second optical resonator having the lower mirror, the active layer, and the upper mirror, Calculating a change rate (f) of a resonance wavelength (λ) of the second optical resonator with respect to a part or all of the thickness (x),
The rate of change (f) is represented by the following formula (6):
The active layer deposition time (t 22 ) can be calculated from the following equation (5-2) obtained by modifying the above equation (5).
f=(λD−λ1)/(xλD−xλ1) …(6) f = (λ D −λ 1 ) / (x λD −x λ1 ) (6)
前記活性層の一部または全部の厚さ(x)と、前記下部ミラー、前記活性層、および前記上部ミラーを有する第2光共振器の共振波長(λ)との関係から、前記活性層の一部または全部の厚さ(x)に対する前記第2光共振器の共振波長(λ)の変化率(f)を求める計算工程を有し、
前記変化率(f)は、前記活性層の一部または全部の厚さ(x)と、前記下部ミラー、前記活性層、および前記上部ミラーを有する第2光共振器の共振波長(λ)との関係における、λDとλ1の中間波長(λD+λ1)/2における微分値の下記式(7)で表され、
前記活性層成膜時間(t22)は、上記式(5)を変形した下記式(5−2)から算出されることができる。
From the relationship between the thickness (x) of part or all of the active layer and the resonance wavelength (λ) of the second optical resonator having the lower mirror, the active layer, and the upper mirror, Calculating a change rate (f) of a resonance wavelength (λ) of the second optical resonator with respect to a part or all of the thickness (x),
The rate of change (f) is the thickness (x) of a part or all of the active layer, and the resonance wavelength (λ) of the second optical resonator having the lower mirror, the active layer, and the upper mirror. In the relationship, λ D and λ 1 are expressed by the following equation (7) of the differential value at the intermediate wavelength (λ D + λ 1 ) / 2,
The active layer deposition time (t 22 ) can be calculated from the following equation (5-2) obtained by modifying the above equation (5).
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーの所望の反射帯域の中心波長(λS)と、前記第2光共振器の所望の共振波長(λD)とは、異なる波長であることができる。
The center wavelength (λ S ) of the desired reflection band of the lower mirror and the upper mirror may be different from the desired resonance wavelength (λ D ) of the second optical resonator.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーの所望の反射帯域の中心波長(λS)と、前記第2光共振器の所望の共振波長(λD)とは、同じ波長であることができる。
In the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention,
A center wavelength (λ S ) of a desired reflection band of the lower mirror and the upper mirror and a desired resonance wavelength (λ D ) of the second optical resonator may be the same wavelength.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーは、複数の単位多層膜を積層した多層膜ミラーからなるように形成され、
前記単位多層膜は、上下方向に積層された1組の低屈折率層と高屈折率層を有するように形成され、
前記単位多層膜は、下記式(I)を満たすように形成され、
前記活性層は、下記式(II)を満たすように形成されることができる。
In the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention,
The lower mirror and the upper mirror are formed of a multilayer mirror in which a plurality of unit multilayer films are stacked,
The unit multilayer film is formed to have a pair of a low refractive index layer and a high refractive index layer stacked in the vertical direction,
The unit multilayer film is formed to satisfy the following formula (I):
The active layer may be formed to satisfy the following formula (II).
xD < λD/2nD …(I)
xA > mλD/2nA …(II)
但し、
mは、正の整数であり、
xDは、前記単位多層膜の厚さであり、
nDは、前記単位多層膜の平均屈折率であり、
xAは、前記活性層の厚さであり、
nAは、前記活性層の平均屈折率である。
x D <λ D / 2n D ... (I)
x A> mλ D / 2n A ... (II)
However,
m is a positive integer;
x D is the thickness of the unit multilayer film,
n D is an average refractive index of the unit multilayer film,
x A is the thickness of the active layer;
n A is the average refractive index of the active layer.
なお、本発明において、「上下方向に積層された1組の低屈折率層と高屈折率層」という場合には、低屈折率層と高屈折率層との間に他の層が積層されるような場合が含まれるものとする。 In the present invention, when “a pair of low refractive index layer and high refractive index layer laminated in the vertical direction” is referred to, another layer is laminated between the low refractive index layer and the high refractive index layer. Such cases are included.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記計算工程における前記活性層の一部として、該活性層が有するコンファインメント層を用いることができる。
In the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention,
As a part of the active layer in the calculation step, a confinement layer included in the active layer can be used.
なお、本発明において、「コンファインメント層」とは、量子井戸に効率的に電子を注入し閉じ込める構造をいう。 In the present invention, the “confinement layer” refers to a structure in which electrons are efficiently injected and confined in the quantum well.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記変化率(f)は、0.46より大きく、0.92より小さいことができる。
In the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention,
The rate of change (f) may be greater than 0.46 and less than 0.92.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記計算工程は、時間領域差分法を用いて行われることができる。
In the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention,
The calculation process may be performed using a time domain difference method.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記計算工程は、1次元時間領域差分法を用いて行われることができる。
In the method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the present invention,
The calculation process may be performed using a one-dimensional time domain difference method.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1. まず、本実施形態に係る面発光レーザ100について説明する。
1. First, the
図1は、面発光レーザ100を概略的に示す断面図であり、図2は、図1の領域Vを拡大して示す概略図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a
面発光レーザ100は、図1に示すように、基板101と、下部ミラー10と、活性層103と、上部ミラー20と、絶縁層110と、第1電極107と、第2電極109と、を含むことができる。
As shown in FIG. 1, the
基板101としては、例えば第1導電型(例えばn型)GaAs基板などを用いることができる。
As the
基板101上には、例えば第1導電型の下部ミラー10が形成されている。下部ミラー10は、単位多層膜10pを複数積層した多層膜ミラーである。単位多層膜10pは、図2に示すように、例えば、低屈折率層10Lと、低屈折率層10Lの下に形成された高屈折率層10Hと、からなることができる。即ち、下部ミラー10は、例えば、低屈折率層10Lと高屈折率層10Hとを交互に積層した分布ブラッグ反射型(DBR)ミラーであることができる。低屈折率層10Lは、例えば、n型Al0.9Ga0.1As層(屈折率3.049)からなることができる。高屈折率層10Hは、例えば、n型Al0.12Ga0.88As層(屈折率3.544)からなることができる。単位多層膜10pの積層数(ペア数)は、例えば35.5ペア〜43.5ペアなどとすることができる。なお、下部ミラー10の単位多層膜10pとしては、単位多層膜10pの層構成が繰り返されて、下部ミラー10が構成されるものであれば良い。例えば、単位多層膜10pは、低屈折率層10Lと、低屈折率層10Lの上に形成された高屈折率層10Hとからなることができる。
On the
下部ミラー10の上には、活性層103が形成されている。活性層103は、例えば、GRIN−SCH(graded-index separate-confinement heterostructure)構造を有する。活性層103の構造としては、例えば、多重量子井戸(MQW)構造304を、その上下に形成されたグレーデッドインデックス(Graded Index)層であるコンファインメント層302,306で挟み込むものが挙げられる。MQW構造304としては、例えば、図3に示すように、GaAsウェル層303とAl0.3Ga0.7Asバリア層305とからなる量子井戸構造を3つ重ねたものが挙げられる。なお、図3は、活性層103及びその付近におけるAlGaAs層のアルミニウム(Al)組成を概略的に示す図である。AlGaAs層のAl組成とは、III族源(Al及びGa)に対するAlの組成である。Al組成は、0から1までとする。即ち、AlGaAs層には、GaAs層(Al組成が0の場合)及びAlAs層(Al組成が1の場合)が含まれるものとする。
An
また、MQW構造304の下に形成された下部コンファインメント層302としては、例えば、図3に示すように、AlGaAs層のAl組成を0.9から0.3まで上方向に連続的に減少させたものが挙げられる。MQW構造304の上に形成された上部コンファインメント層306としては、例えば、図3に示すように、AlGaAs層のAl組成を0.3から0.6まで上方向に連続的に増加させたものが挙げられる。
Further, as the
活性層103の上には、例えば第2導電型(例えばp型)の上部ミラー20が形成されている。上部ミラー20は、単位多層膜20pを複数積層した多層膜ミラーである。単位多層膜20pは、図2に示すように、例えば、低屈折率層20Lと、低屈折率層20Lの下に形成された高屈折率層20Hと、からなることができる。即ち、上部ミラー20は、例えば、低屈折率層20Lと高屈折率層20Hとを交互に積層したDBRミラーであることができる。低屈折率層20Lは、例えば、p型Al0.9Ga0.1As層(屈折率3.049)からなることができる。高屈折率層20Hは、例えば、p型Al0.12Ga0.88As層(屈折率3.544)からなることができる。単位多層膜20pの積層数(ペア数)は、例えば19ペア〜31ペアなどとすることができる。なお、上部ミラー20の単位多層膜20pとしては、単位多層膜20pの層構成が繰り返されて、上部ミラー20が構成されるものであれば良い。例えば、単位多層膜20pは、低屈折率層20Lと、低屈折率層20Lの上に形成された高屈折率層20Hとからなることができる。
On the
本実施形態では、例えば、上述した複数の単位多層膜10p,20pのうちの全てに対して、下記式(I)が満たされることができる。また、本実施形態では、活性層103は、下記式(II)を満たすことができる。
In the present embodiment, for example, the following formula (I) can be satisfied for all of the plurality of
xD < λD/2nD …(I)
xA > mλD/2nA …(II)
但し、
λDは、面発光レーザ100の設計共振波長であり、
mは、正の整数であり、
xDは、単位多層膜10p,20pの厚さであり、
nDは、単位多層膜10p,20pの平均屈折率であり、
xAは、活性層103の厚さであり、
nAは、活性層103の平均屈折率である。
x D <λ D / 2n D ... (I)
x A> mλ D / 2n A ... (II)
However,
λ D is the design resonance wavelength of the
m is a positive integer;
x D, the
n D is an average refractive index of the
x A is the thickness of the
n A is the average refractive index of the
なお、xDの下限値、及び、xAの上限値は、λDが多層膜ミラー(下部ミラー10及び上部ミラー20)の反射帯域に入るか否かで決定されることができる。xDの下限値は、例えば、λD=850nmのAlxGa1−xAs(x=0.12、0.90)からなる多層膜ミラーでは、例えばλD/2nDに対して5%程度小さくした値とすることができる。また、xAの上限値は、設計共振波長λDに応じて適宜決定されるが、例えばmλD/2nAに対して20%程度大きくした値とすることができる。
The lower limit of x D, and the upper limit value of x A is, lambda D can be determined by whether or not to enter the reflection band of the multilayer mirror (
また、上述した式(I)及び(II)は、下記式(A)に書き換えられることができる。 Moreover, the above-mentioned formulas (I) and (II) can be rewritten into the following formula (A).
2nD・xD < λ < (2nA・xA)/m …(A)
また、上述した式(I)及び(II)から、活性層103の厚さxAと単位多層膜10p,20pの厚さxDとの比(xA/xD)は、下記式(B)を満たすことができる。
2n D · x D <λ <(2n A · x A ) / m (A)
Further, from the above formulas (I) and (II), the ratio (x A / x D ) between the thickness x A of the
xA/xD > mnD/nA …(B)
設計波長λDは、例えば、780nm、850nm、1300nmなどであるが、特に限定されない。また、mが例えば2である場合には、1λ共振器が構成される。
x A / x D> mn D / n A ... (B)
The design wavelength λ D is, for example, 780 nm, 850 nm, 1300 nm, etc., but is not particularly limited. When m is 2, for example, a 1λ resonator is configured.
本実施形態では、例えば図2に示すように、下部ミラー10における複数の単位多層膜10pのそれぞれの厚さ、及び、上部ミラー20における複数の単位多層膜20pのそれぞれの厚さは、同じxDであることができる。また、本実施形態では、例えば、下部ミラー10における複数の単位多層膜10pのそれぞれの平均屈折率、及び、上部ミラー20における複数の単位多層膜20pのそれぞれの平均屈折率は、同じnDであることができる。
In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 2, the thicknesses of the plurality of
また、例えば、下部ミラー10における複数の単位多層膜10pのうち、2種類以上の単位多層膜10pの厚さがあって、それらが互いに異なる値であることもできる。また、例えば、下部ミラー10における複数の単位多層膜10pのうち、2種類以上の異なる厚さの単位多層膜10pに対して、平均屈折率が、互いに異なる値であることもできる。同様に、例えば、上部ミラー20における複数の単位多層膜20pのうち、2種類以上の単位多層膜20pの厚さがあって、その厚さ及び平均屈折率の値が、互いに異なる値であることもできる。上述した式(I)は、下部ミラー10及び上部ミラー20における複数の種類の単位多層膜10p、20pのうちの少なくとも1つに対して満たされれば良い。例えば、上述した式(I)を満たしていない単位多層膜10p,20pに対しては、下記式(III)が満たされることができる。
Further, for example, among the plurality of
xD = λD/2nD …(III)
また、例えば図2に示すように、下部ミラー10の単位多層膜10pが低屈折率層10Lと高屈折率層10Hからなり、上部ミラー20の単位多層膜20pが低屈折率層20Lと高屈折率層20Hからなる場合には、上述した式(I)は、下記式(IV)に書き換えられることができる。
x D = λ D / 2n D ... (III)
For example, as shown in FIG. 2, the
xH+xL < λD/4nL+λD/4nH …(IV)
但し、
xHは、前記低屈折率層の厚さであり、
xLは、前記高屈折率層の厚さであり、
nLは、前記低屈折率層の屈折率であり、
nHは、前記高屈折率層の屈折率である。
x H + x L <λ D / 4n L + λ D / 4n H ... (IV)
However,
x H is the thickness of the low refractive index layer;
x L is the thickness of the high refractive index layer;
n L is the refractive index of the low refractive index layer;
n H is the refractive index of the high refractive index layer.
また、上述した下部ミラー10における単位多層膜10pの積層数、及び、上部ミラー20における単位多層膜20pの積層数を適宜調整することにより、面発光レーザ100のしきい値を調整することができる。
Further, the threshold value of the
なお、本実施形態に係る面発光レーザ100では、上記式(I)及び(II)に替えて、下記式(V)及び(V I)を満たすことも可能である。
In the
xD ≧ λ/2nD ・・・(V)
xA ≦ mλ/2nA ・・・(VI)
下部ミラー10、活性層103、及び上部ミラー20は、垂直共振器を構成することができる。下部ミラー10、活性層103、及び上部ミラー20を構成する各層の組成及び層数は、必要に応じて適宜調整されることができる。なお、xDの上限値、及び、xAの下限値も、λDが多層膜ミラー(下部ミラー10及び上部ミラー20)の反射帯域に入るか否かで決定されることができる。p型の上部ミラー20、不純物がドーピングされていない活性層103、及びn型の下部ミラー10により、pinダイオードが構成される。上部ミラー20、活性層103、及び下部ミラー10の一部は、柱状の半導体堆積体(以下「柱状部」という)30を構成することができる。柱状部30の平面形状は、例えば円形などである。
x D ≧ λ / 2n D (V)
x A ≦ mλ / 2n A (VI)
The
また、図1に示すように、例えば、上部ミラー20を構成する層のうちの少なくとも1層またはその一部を電流狭窄層105とすることができる。電流狭窄層105は、例えば活性層103に近い領域に形成されている。電流狭窄層105としては、例えば、AlGaAs層を酸化したものや、プロトンを打ち込んだものなどを用いることができる。電流狭窄層105は、開口部を有する絶縁層である。電流狭窄層105はリング状に形成されていることができる。
In addition, as shown in FIG. 1, for example, at least one of the layers constituting the
基板101の裏面(下部ミラー10側とは逆側の面)には、第1電極107が形成されている。第1電極107は、基板101を介して、下部ミラー10と電気的に接続されている。第1電極107は、例えば、下部ミラー10の上面側(柱状部の周辺)に形成されることもできる。
A
上部ミラー20及び絶縁層110の上には、第2電極109が形成されている。第2電極109は、上部ミラー20と電気的に接続されている。第2電極109は、柱状部30上に開口部を有する。該開口部によって、上部ミラー20の上面上に第2電極109の設けられていない領域が形成される。この領域が、レーザ光の出射面108である。出射面108の平面形状は、例えば円形などである。
A
絶縁層110は、下部ミラー10の上に形成されている。絶縁層110は、柱状部30を取り囲むように形成されている。絶縁層110は、第2電極109と下部ミラー10を電気的に分離させることができる。
The insulating
2. 次に、本実施形態に係る面発光レーザ100の製造方法の一例について、図面を参照しながら説明する。
2. Next, an example of a method for manufacturing the
図4、図5、図13、及び図14は、図1に示す本実施形態の面発光レーザ100の一製造工程を概略的に示す断面図である。
4, 5, 13, and 14 are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of the
(1)まず、図4に示すように、第1基板201の上に下部ミラー10と同じ層構成を有する第1半導体層210を成膜時間t10で成膜する。第1基板201としては、上述した基板(第2基板)101と同じ材質の基板を用いる。第1基板201としては、例えばn型GaAs基板などを用いることができる。第1半導体層210の例示としては、上述した下部ミラー10の例示と同じものとなる。第1半導体層210の成膜は、例えば、MOCVD法、MBE法などを用いて、組成を変調させながら行われる。
(1) First, as shown in FIG. 4, a
(2)次に、図4に示すように、第1半導体層210の上に活性層103と同じ層構成を有する第2半導体層203を成膜時間t20で成膜する。例えば、MQW構造304と同じ層構成を有する層を成膜時間tM0で成膜し、下部及び上部コンファインメント層302,306と同じ層構成を有する層を成膜時間tC0(2つの層の合計時間)で成膜することができる。第2半導体層203の例示としては、上述した活性層103の例示と同じものとなる。第2半導体層203の成膜は、例えば、MOCVD法、MBE法などを用いて、組成を変調させながら行われる。
(2) Next, as shown in FIG. 4, forming the
(3)次に、図4に示すように、第2半導体層203の上に上部ミラー20と同じ層構成を有する第3半導体層220を成膜時間t30で成膜する。第3半導体層220の例示としては、上述した上部ミラー20の例示と同じものとなる。第3半導体層220の成膜は、例えば、MOCVD法、MBE法などを用いて、組成を変調させながら行われる。なお、第3半導体層220を成膜する際に、第2半導体層203近傍のミラーの少なくとも1層またはその一部を、後述する電流狭窄層105となる層と同じ層構成を有する層とすることができる。
(3) Next, as shown in FIG. 4, a
(4)以上の工程により、図4に示すように、下部ミラー10、活性層103、及び上部ミラー20のそれぞれと同じ層構成を有する第1半導体層210、第2半導体層203、及び第3半導体層220を順に積層した第1半導体多層膜250が形成される。
(4) Through the above steps, as shown in FIG. 4, the
(5)次に、図5に示すように、第1半導体層210、第2半導体層203、及び第3半導体層220を有する第1半導体多層膜(第1光共振器ともいう)250に対して反射率検査を行う。反射率検査は、例えば、図5に示すように、白色光を発する光源310から回折格子(図示せず)とハーフミラー314を介して光311を第1半導体多層膜250の表面側から垂直に照射し、反射された光313を、ハーフミラー314を介してCCD(Charge Coupled Device)等の受光素子312に入射させることにより行われる。
(5) Next, as shown in FIG. 5, with respect to a first semiconductor multilayer film (also referred to as a first optical resonator) 250 having a
図6は、本工程で得られる反射率プロファイルP0の一例を概略的に示す図である。本実施形態では、例えば、反射率が最大値の半分となるときの波長間の領域をDBRミラーの反射帯域とすることができる。本工程では、図6に示すように、第1半導体層210及び第3半導体層220を構成するDBRミラーの反射帯域W0の中心の波長λS0を測定することができる。λS0は、例えば835.0nmである(第1の例)。また、λS0は、例えば830.0nmである(第2の例)。
FIG. 6 is a diagram schematically showing an example of the reflectance profile P0 obtained in this step. In the present embodiment, for example, a region between wavelengths when the reflectance is half of the maximum value can be set as the reflection band of the DBR mirror. In this step, as shown in FIG. 6, the wavelength λ S0 at the center of the reflection band W 0 of the DBR mirrors constituting the
また、本工程で得られる反射率プロファイルP0では、図6に示すように、窪み(dip)が観測される。このdipの最下点における波長は、第1〜第3半導体層210,203,220を有する第1光共振器250の共振波長λD0である。即ち、本工程では、第1光共振器250の共振波長λD0を測定することができる。λD0は、例えば846.0nmである(第1の例)。また、λD0は、例えば849.0nmである(第2の例)。
Further, in the reflectance profile P0 obtained in this step, a dip is observed as shown in FIG. The wavelength at the lowest point of this dip is the resonance wavelength λ D0 of the first
(6)次に、第1算出工程を行う。第1算出工程では、後述する下部ミラー10の成膜工程における下部ミラー成膜時間t11を下記式(1)から算出する。
(6) Next, the first calculation step is performed. In the first calculation step calculates a lower mirror deposition time t 11 in the step of forming the
t11=t10×(λS/λS0) …(1)
なお、λSは、下部ミラー10及び上部ミラー20の所望の反射帯域WSの中心波長(設計値)である。λSは、第1及び第2の例では、例えば829.36nmである。
t 11 = t 10 × (λ S / λ S0 ) (1)
Incidentally, lambda S is the desired center wavelength of the reflection band W S of the
同様に、後述する上部ミラー20の成膜工程における上部ミラー成膜時間t31を下記式(2)から算出する。
Similarly, to calculate the upper mirror forming time t 31 in the step of forming the
t31=t30×(λS/λS0) …(2)
また、後述する活性層103の成膜工程における活性層成膜時間t22を算出するための第1計算値t21及び第2計算値λ1を下記式(3)及び式(4)から算出する。
t 31 = t 30 × (λ S / λ S0 ) (2)
Further, a first calculation value t 21 and a second calculation value λ 1 for calculating an active layer deposition time t 22 in the film formation step of the
t21=t20×(λS/λS0) …(3)
λ1=λD0×(λS/λS0) …(4)
例えば、第1の例では、λ1は、式(4)により、846.0×(829.36/835.0)=840.3nmと算出される。また、第2の例では、λ1は、849.0×(829.36/830.0)=848.3nmと算出される。
t 21 = t 20 × (λ S / λ S0 ) (3)
λ 1 = λ D0 × (λ S / λ S0 ) (4)
For example, in the first example, λ 1 is calculated as 846.0 × (829.36 / 835.0) = 840.3 nm by the equation (4). In the second example, λ 1 is calculated as 849.0 × (829.36 / 830.0) = 848.3 nm.
第1算出工程では、第1〜第3半導体層210,203,220(下部ミラー10、活性層103、上部ミラー20に対応)のそれぞれの厚さが、同じ比率(s=λS/λS0)で変動するように計算を行っている。各層の厚さと成膜時間、並びに、各層の厚さと共振波長及び反射波長帯域は、それぞれ比例関係にあることを利用している。図7は、本工程の計算を説明するための仮想的な反射率プロファイルP1を示す図である。図7に示すように、本工程の計算により、上述した反射率プロファイルP0は、例えば矢印A1の方向にシフトして、反射率プロファイルP1となる。計算後の反射率プロファイルP1の反射帯域WSの中心波長λS1は、下記式(a)からも分かるように、下部ミラー10及び上部ミラー20の所望の反射帯域WSの中心波長λSと同じになる。
In the first calculation step, the thicknesses of the first to third semiconductor layers 210, 203, and 220 (corresponding to the
λS1=λS0×s=λS0×(λS/λS0)=λS …(a)
また、本工程では、第2半導体層203(活性層103に対応)の一部(例えばコンファインメント層302,306に対応)のみの厚さが変動するように計算を行うこともできる。この場合でも、本工程後の第2半導体層203の全体の厚さが上述した場合と同じになるように計算を行えば、MQW構造304に対応する層が薄いため、光路長はほとんど変化しない。即ち、例えば、第2半導体層203の一部として、コンファインメント層302,306に対応する層を用いる場合には、下記式(b)を満たせば良い。
λ S1 = λ S0 × s = λ S0 × (λ S / λ S0 ) = λ S (a)
In this step, the calculation can also be performed so that the thickness of only a part of the second semiconductor layer 203 (corresponding to the active layer 103) (for example, corresponding to the confinement layers 302 and 306) varies. Even in this case, if the calculation is performed so that the total thickness of the
(xM+xC)×s=xM+xC’ …(b)
但し、xMは、本工程後のMQW構造304に対応する層の厚さであり、s倍することで、活性層103に対応する層の全部の厚さを変動させた場合における第1算出工程後のMQW構造304に対応する層の厚さとなる。xCは、本工程後のコンファインメント層302,306に対応する層の厚さであり、s倍することで、活性層103に対応する層の全部の厚さを変動させた場合における第1算出工程後のコンファインメント層302,306に対応する層の厚さとなる。xC’は、コンファインメント層302,306に対応する層のみの厚さを変動させた場合における第1算出工程後のコンファインメント層302,306に対応する層の厚さである。
(X M + x C ) × s = x M + x C ′ (b)
However, x M is the thickness of the layer corresponding to the
従って、活性層103に対応する層の全部の厚さを変動させた場合における第1計算値t21は、単純にs×(tC0+tM0)となるが、コンファインメント層302,306に対応する層のみの厚さを変動させた場合における第1計算値t21は、上記式(b)から、下記式(c)で表される。
Therefore, the first calculated value t 21 when the entire thickness of the layer corresponding to the
t21=tC0×{xC×s+(s−1)×xM}/xC+tM0 …(c)
(7)次に、下部ミラー10及び上部ミラー20を所望の厚さに固定して、活性層103の一部または全部の厚さxと、下部ミラー10、活性層103、及び上部ミラー20を有する第2光共振器150の共振波長λとの関係を計算する工程を行う。本計算工程は、例えば時間領域差分(FDTD)法を用いて行われる。
t 21 = t C0 × {x C × s + (s-1) × x M} / x C + t M0 ... (c)
(7) Next, the
図8は、1次元のFDTD法を用いて、本実施形態の面発光レーザ100について光学シミュレーションを行い、活性層103の一部であるコンファインメント層302,306の厚さxと、共振波長λとの関係を計算した結果である。図9は、同様に、1次元のFDTD法を用いて、活性層103の全部の厚さxと、共振波長λとの関係を計算した結果である。本シミュレーションでは、4つの条件1〜4の面発光レーザに対して行った。数値計算を適用したサンプルの構造は、以下の通りである。
FIG. 8 shows an optical simulation of the
基板101:n型GaAs基板(屈折率3.62)
下部ミラー10の単位多層膜10p:n型Al0.9Ga0.1As層(屈折率3.049)とn型Al0.12Ga0.88As層(屈折率3.544)からなる2層構造
下部ミラー10の単位多層膜10pの平均屈折率nD:2nHnL/(nH+nL)=3.278
活性層103:GaAs層(屈折率3.6201)とAl0.2Ga0.8As層(屈折率3.4297)とからなる量子井戸構造を3層重ねたMQW構造304を、AlGaAsからなるコンファインメント層(グレーデッドインデックス層)302,306で挟み込むGRIN−SCH構造
活性層103の平均屈折率nA:3.3838
上部ミラー20の単位多層膜20p:p型Al0.9Ga0.1As層(屈折率3.049)とp型Al0.12Ga0.88As層(屈折率3.544)からなる2層構造
上部ミラー20の単位多層膜20pの平均屈折率nD:2nHnL/(nH+nL)=3.278
面発光レーザ100の外部空間40:空気(屈折率1.00)
後に電流狭窄層105となるAl0.98Ga0.02As層の屈折率:2.998
後に電流狭窄層となるAl0.98Ga0.02As層の厚さ:12nm
共振波長(設計値)λD:850nm
条件1のサンプルの活性層103の厚さxAと単位多層膜10p、20pの厚さxDの比xA/xDは、設計値通りの共振波長のときに2nD/nAに等しく、xD=λ/4nH+λ/4nL=λ/2nD(=129.66nm)、及び、xA=mλ/2nA(=253.77nm)である。他の条件のサンプルのxA/xDは、設計値通りの共振波長のときに、条件2では、2nD/nA(=r0=1.96)の1.05倍、条件3では、1.10倍、条件4では、1.15倍となる。
Substrate 101: n-type GaAs substrate (refractive index 3.62)
The
Active layer 103:
The
Refractive index of the Al 0.98 Ga 0.02 As layer that will later become the current confinement layer 105: 2.998
The thickness of the Al 0.98 Ga 0.02 As layer that will later become the current confinement layer: 12 nm
Resonance wavelength (design value) λ D : 850 nm
The ratio x A / x D between the thickness x A of the
各サンプル(条件1〜4)における、設計値どおりの共振波長を実現する単位多層膜10p,20pの全体の厚さxD、該xDの内訳(即ち、高屈折率層10H,20Hの厚さxDH及び低屈折率層10L,20Lの厚さxDL)、活性層103の厚さxA、上部コンファインメント層306の厚さxCP、下部コンファインメント層302の厚さxCN、並びに、xAのxDに対する比xA/xDを表1に示す。なお、AlGaAsの格子周期を上回る有効桁となっているが、あくまで計算上用いた値であり、現実に即した値のものを用いれば特に問題はない。また、上部コンファインメント層306の厚さと下部コンファインメント層302の厚さとは、光路長が同じになるように設計されている。また、各サンプル(条件1〜4)における反射帯域の中心波長λS、下部ミラー10のペア数、及び上部ミラー20のペア数を表2に示す。なお、条件2〜4のサンプルにおける厚さxD及びxAは、上述した下記式(I)及び(II)を満たしている。
In each sample (
xD < λD/2nD …(I)
xA > mλD/2nA …(II)
但し、本数値計算例では、m=2である。
x D <λ D / 2n D ... (I)
x A> mλ D / 2n A ... (II)
However, in this numerical calculation example, m = 2.
条件1:y=−5.6826x2+3.7572x+0.2653
条件2:y=−5.7723x2+3.7572x+0.2612
条件3:y=−5.8206x2+3.7572x+0.2590
条件4:y=−5.8692x2+3.7572x+0.2569
また、活性層103の総厚さxと共振波長λとの関係から、活性層103の総厚さxに対する第2光共振器150の共振波長λの変化率fを求めることができる。変化率fは、共振波長λが例えばλ1からλDまでの範囲の一部または全部において求められることができる。
Condition 1: y = −5.6826x 2 + 3.7572x + 0.2653
Condition 2: y = −5.7723x 2 + 3.7572x + 0.2612
Condition 3: y = −5.8206x 2 + 3.7572x + 0.2590
Condition 4: y = −5.8692 × 2 + 3.7572x + 0.2569
Further, from the relationship between the total thickness x of the
変化率fは、例えば下記式(6)で表されることができる。 The change rate f can be expressed by, for example, the following formula (6).
f=(λD−λ1)/(xλD−xλ1) …(6)
なお、λDは、第2光共振器150の所望の共振波長、即ち、本実施形態の面発光レーザ100の所望の共振波長(設計値)である。本シミュレーションでは、λD=850nmである。第2光共振器150の所望の共振波長(λD)は、下部ミラー10及び上部ミラー20の所望の反射帯域の中心波長(λS)とは異なっていても良く、同じであっても良い。
f = (λ D −λ 1 ) / (x λD −x λ1 ) (6)
Λ D is a desired resonance wavelength of the second
また、変化率fは、例えば下記式(7)で表されることもできる。 Moreover, the change rate f can also be represented by the following formula (7), for example.
なお、図10及び図11は、λDを780nmに変えて行ったシミュレーションの結果であり、それぞれ図8及び図9に対応している。 Note that FIG. 10 and FIG. 11 is the result of simulation performed by changing the lambda D to 780 nm, respectively correspond to FIGS. 8 and 9.
(8)次に、後述する活性層103の成膜工程における活性層成膜時間t22を下記式(5)または(5−2)から算出する(第2算出工程)。
(8) Next, to calculate the active layer deposition time t 22 in the step of forming the
t22=t21×(xλD/xλ1) …(5) t 22 = t 21 × (x λD / x λ1 ) (5)
t22=tC0×{xC×s+(s−1)×xM}/xC×(xF/xλ1)+tM0
とする。活性層103全体の膜厚を変更する場合は、
t22=s×(tC0+tM0)×(xF/xλ1)
である。
t 22 = t C0 × {x C × s + (s−1) × x M } / x C × (x F / x λ1 ) + t M0
And When changing the film thickness of the entire
t 22 = s × (t C0 + t M0 ) × (x F / x λ1 )
It is.
また、例えば、第2の例のように、λ1とλDが近い値である場合(第2の例では、λ1=848.3nm、λD=850.0nm)には、変化率fとして、上記式(7)で表されるものを用いることができる。第2の例の場合には、上記式(7)で表されるように、変化率fは、λ1とλDの平均値である849.15nmにおける微分値となる。この場合の具体的な変化率fの値を表3及び表4に示す。 For example, when λ 1 and λ D are close to each other as in the second example (in the second example, λ 1 = 848.3 nm, λ D = 850.0 nm), the rate of change f As the above, one represented by the above formula (7) can be used. In the case of the second example, the change rate f is a differential value at 849.15 nm, which is an average value of λ 1 and λ D , as represented by the above formula (7). Tables 3 and 4 show specific values of the change rate f in this case.
xD < λ/2nD ・・・(I)
xA > mλ/2nA ・・・(II)
具体的には、表3及び表4に示すように、λSが856.6nmの場合(条件1)の変化率fは、λSが829.4nmの場合(条件4)の変化率fの約2倍になっている。即ち、条件4の場合は条件1と比較して約2倍の成膜時間の補正が必要となる。
x D <λ / 2n D (I)
x A > mλ / 2n A (II)
Specifically, as shown in Tables 3 and 4, the rate of change f when λ S is 856.6 nm (condition 1) is the same as the rate of change f when λ S is 829.4 nm (condition 4). It has doubled. That is, in the case of condition 4, it is necessary to correct the film formation time approximately twice as much as that in
図12は、本工程を説明するための仮想的な反射率プロファイルP2を示す図である。図12に示すように、本工程により、上述した反射率プロファイルP1におけるdipのみが、例えば矢印A2の方向にシフトして、反射率プロファイルP2のdipとなる。本工程後の反射率プロファイルP2のdipの最下点における波長λ2は、面発光レーザ100の所望の共振波長λDとなる。
FIG. 12 is a diagram showing a virtual reflectance profile P2 for explaining this process. As shown in FIG. 12, by this step, only the dip in the reflectance profile P1 described above is shifted to the dip of the reflectance profile P2, for example, in the direction of the arrow A2. The wavelength λ 2 at the lowest point of dip of the reflectance profile P 2 after this step is the desired resonance wavelength λ D of the
(9)次に、図13に示すように、第2基板101の上に、上述した下部ミラー成膜時間t11で下部ミラー10を成膜する。下部ミラー10の成膜は、上述した第1半導体層210の成膜と同様にして行われることができる。
(9) Next, as shown in FIG. 13, the
(10)次に、図13に示すように、下部ミラー10の上に、上述した活性層成膜時間t22で活性層103を成膜する。活性層103の成膜は、上述した第2半導体層203の成膜と同様にして行われることができる。
(10) Next, as shown in FIG. 13, the
(11)次に、図13に示すように、活性層103の上に、上述した上部ミラー成膜時間t31で上部ミラー20を成膜する。上部ミラー20の成膜は、上述した第3半導体層220の成膜と同様にして行われることができる。なお、上部ミラー20を成膜する際に、活性層103近傍のミラーの少なくとも1層またはその一部を、後に酸化されて電流狭窄層105となる層とすることができる。電流狭窄層105となる層としては、例えば、Al組成が0.95以上のAlGaAs層などを用いることができる。活性層近傍のミラーの1層の一部を電流狭窄層105となる層とする場合に、当該1層の残りの部分として、例えば、Al0.6Ga0.4As層などを用いることができる。
(11) Next, as shown in FIG. 13, the
(12)以上の工程により、図13に示すように、下部ミラー10、活性層103、及び上部ミラー20を構成する半導体層を順に積層した第2半導体多層膜150が形成される。
(12) Through the above steps, the second
(13)次に、図14に示すように、第2半導体多層膜150をパターニングし、所望の形状の下部ミラー10、活性層103、及び上部ミラー20を形成することができる。これにより、柱状部30が形成される。第2半導体多層膜150のパターニングは、例えばリソグラフィ技術及びエッチング技術等を用いて行われることができる。
(13) Next, as shown in FIG. 14, the second
次に、例えば400℃程度の水蒸気雰囲気中に基板101を含む全体を投入することにより、前述の電流狭窄層105となる層を側面から酸化して、電流狭窄層105を形成する。なお、電流狭窄層105をプロトン打ち込みにより形成する場合などは、第2半導体多層膜150をパターニングしないこともできる。
Next, the
(14)次に、図1に示すように、下部ミラー10上に、柱状部30を取り囲むように絶縁層110を形成する。まず、例えばスピンコート法等を用いて全面にポリイミド樹脂等からなる絶縁層を形成する。次に、例えば化学的機械的研磨(CMP)等を用いて柱状部30の上面を露出させる。次に、例えばリソグラフィ技術及びエッチング技術等を用いて絶縁層をパターニングする。このようにして所望の形状の絶縁層110を形成することができる。
(14) Next, as shown in FIG. 1, an insulating
(15)次に、図1に示すように、下部ミラー10に電気的に接続される第1電極107及び上部ミラー20に電気的に接続される第2電極109を形成する。これらの電極は、例えば、真空蒸着法及びリフトオフ法の組み合わせ等により、所望の形状に形成されることができる。なお、各電極を形成する順番は、特に限定されない。
(15) Next, as shown in FIG. 1, a
(16)以上の工程により、図1に示すように、本実施形態の面発光レーザ100が得られる。
(16) Through the above steps, the
5. 次に、本実施形態に係る面発光レーザの変形例について説明する。なお、上述した図1に示す面発光レーザ100(以下「面発光レーザ100の例」という)と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
5). Next, a modification of the surface emitting laser according to this embodiment will be described. Note that differences from the surface-emitting
(1)まず、第1の変形例について説明する。 (1) First, a first modification will be described.
図15は、本変形例に係る面発光レーザの一部を概略的に示す断面図である。下部ミラー10の単位多層膜10pは、例えば、低屈折率層10Lと、低屈折率層10Lの下に形成された第1グレーデッドインデックス層(以下「第1GI層」という)12と、第1GI層12の下に形成された高屈折率層10Hと、高屈折率層10Hの下に形成された第2グレーデッドインデックス層(以下「第2GI層」という)14と、からなることができる。第1GI層12としては、例えば、AlGaAs層のAl組成を0.12から0.9まで下方向に連続的に増加させたもの等を用いることができる。また、第2GI層14としては、例えば、AlGaAs層のAl組成を0.9から0.12まで下方向に連続的に減少させたもの等を用いることができる。なお、同様に、上部ミラー20の単位多層膜20pは、例えば、低屈折率層20Lと、低屈折率層20Lの下に形成された第1GI層22と、第1GI層22の下に形成された高屈折率層20Hと、高屈折率層20Hの下に形成された第2GI層24と、からなることができる。
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a part of a surface emitting laser according to this modification. The
(2)次に、第2の変形例について説明する。 (2) Next, a second modification will be described.
本変形例では、図示しないが、例えば、エピタキシャルリフトオフ(ELO)法などを用いて、面発光レーザ100の例の基板101を切り離すことができる。即ち、面発光レーザ100は、基板101を有しないことができる。
In this modification, although not shown, the
(3)なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。 (3) Note that the above-described modifications are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, it is possible to appropriately combine the modified examples.
6. 本実施形態の面発光レーザ100の製造方法によれば、上述したように、下部ミラー成膜時間t11、活性層成膜時間t22、及び上部ミラー成膜時間t31の正確な値を予め算出することができる。即ち、前記下部ミラーおよび前記上部ミラーの所望の反射帯域の中心波長λSと、前記第2光共振器の所望の共振波長λDとを、二度の試作を繰り返して個別に合わせこむ必要がない。従って、余分な試作を行うことなく、一度の補正で正確に所望の厚さで作製することが可能となり、資源の節約や製造コストの削減に繋がる。
6). According to the method for manufacturing the
また、本実施形態の面発光レーザ100の製造方法では、上述したように、活性層103の一部(MQW構造304以外の部分であり、例えばコンファインメント層302,306)に対応する層の厚さのみを変動させて計算を行うことができる。これにより、MQW構造304に対応する層の厚さは変動しないため、利得や利得帯域の変動を防ぐことができる。
In the method of manufacturing the
また、本実施形態の面発光レーザ100は、上述した下記式(I)及び(II)を満たす新規な構造を有することができる。
In addition, the
xD < λ/2nD ・・・(I)
xA > mλ/2nA ・・・(II)
本実施形態の面発光レーザ100の製造方法は、このような経験則の存在しない新規な構造を有する面発光レーザの製造方法に好適である。
x D <λ / 2n D (I)
x A > mλ / 2n A (II)
The manufacturing method of the
本実施形態の面発光レーザ100が上記式(I)及び(II)を満たす場合には、電流狭窄層105の厚さ、開口部径、ポスト(柱状部30)の傾斜角θ、外径などによらず、低次モード成分の共振エネルギー増加率をあまり減少させずに、高次モードの共振エネルギー増加率を減少させることができる。その結果、面発光レーザ100の出力を減少させることなく、高次モードをレーザ発振しないようにすることができる。さらには、出力を増加させたとしても、高次モードをレーザ発振しないようにすることも可能である。従って、本実施形態によれば、面発光レーザの発振モード数を削減することができ、かつ、単純に電流狭窄層の径を小さくして発振モードを削減する場合よりも高出力化の可能な面発光レーザを提供することができる。なお、上記式(I)及び(II)が満たされることにより、本実施形態の面発光レーザ100の作用・効果が奏される理由は以下の通りである。
When the
共振器内の波数ベクトルの大きさ|k|は、真空中の波数ベクトルの大きさk0の有効屈折率neff倍である。このことを式で表すと、次のようになる。 The wave vector magnitude | k | in the resonator is an effective refractive index n eff times the wave vector magnitude k 0 in vacuum. This can be expressed as follows.
kz及びk//は、電流狭窄層105を含むクラッド領域と、電流狭窄層105を含まないコア領域との境界での全反射条件を満足する範囲で、電磁界の連続性が満足されるように決定される。面発光レーザでは、kzとneffk0は近い値であるため、上述した式から分かるように、k//は小さな値である。従って、上述した電磁界の連続性を満足するようなk//の解、即ち、式の上で許される横モードの数は限られてくる。面発光レーザでは、その中で全反射条件を満たすもののみが発振する。本発明では、kzをさらに大きくすることによって、k//の解を全反射条件よりもさらに制限している。kzは、下部ミラー10や上部ミラー20の単位多層膜10p,20pの厚さxDを薄くすることにより大きくすることができる。これによりk//の解を制限することで、レーザ光の発振モード数の削減が可能となる。また、活性層103の厚さxAを厚くすることにより短波長化を防ぐことができる。
k z and k // satisfy the continuity of the electromagnetic field within the range satisfying the total reflection condition at the boundary between the clad region including the
従って、xDを小さくし、xAを大きくする、即ち、厚さ比xA/xDを大きくする(具体的にはmnD/nAよりも大きくする)ことにより、電流狭窄層105の厚さ等によらず、面発光レーザの発振モード数を削減できるとともに、所望の設計波長でレーザ発振させることができる。
Therefore, to reduce the x D, increasing the x A, i.e., by increasing the thickness ratio x A / x D (in particular larger than mn D / n A), the
7. 上述した本実施形態の面発光レーザ及びその製造方法は、例えば、排熱構造を有する素子、フリップチップ構造を有する素子、静電破壊(ESD)対策構造を有する素子、モニタフォトダイオード(MPD)を有する素子、インクジェットマイクロレンズを有する素子、誘電体ミラーを有する素子、CANやセラミックパッケージを用いたOSA(Optical Sub-Assembly)などの光モジュール、それらを組み込んだ光伝送装置などに適用されることができる。 7. The surface emitting laser and the manufacturing method thereof according to the present embodiment described above include, for example, an element having an exhaust heat structure, an element having a flip chip structure, an element having an ESD protection structure, and a monitor photodiode (MPD). It is applied to an optical module such as an OSA (Optical Sub-Assembly) using a CAN or a ceramic package, an optical transmission device incorporating them, an element having the same, an element having an inkjet microlens, an element having a dielectric mirror, and the like. it can.
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art can easily understand that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.
10 下部ミラー、12 第1GI層、14 第2GI層、22 第1GI層、24 第2GI層、20 上部ミラー、30 柱状部、100 面発光レーザ、101 第2基板、103 活性層、105 電流狭窄層、107 第1電極、108 出射面、109 第2電極、110 絶縁層、150 第2光共振器(第2半導体多層膜)、201 第1基板、203 第2半導体層、210 第1半導体層、220 第3半導体層、250 第1光共振器(第1半導体多層膜)、302 下部コンファインメント層、303 ウェル層、304 MQW構造、305 バリア層、306 上部コンファインメント層、310 光源、311 光、312 受光素子、313 光,314 ハーフミラー
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第1半導体層の上方に活性層と同じ層構成を有する第2半導体層を成膜時間(t20)で成膜する工程と、
前記第2半導体層の上方に上部ミラーと同じ層構成を有する第3半導体層を成膜時間(t30)で成膜する工程と、
前記第1半導体層、前記第2半導体層、および前記第3半導体層を有する半導体多層膜に対して反射率検査を行い、前記第1半導体層および前記第3半導体層の反射帯域の中心波長(λS0)、並びに、前記第1半導体層、前記第2半導体層、および前記第3半導体層を有する第1光共振器の共振波長(λD0)を測定する工程と、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーの所望の反射帯域の中心波長をλSとして、下部ミラー成膜時間(t11)および上部ミラー成膜時間(t31)を下記式(1)および式(2)から算出し、活性層成膜時間(t22)を算出するための第1計算値(t21)および第2計算値(λ1)を下記式(3)および式(4)から算出する工程と、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーを所望の厚さに固定した時の、前記活性層の一部または全部の厚さ(x)と、前記下部ミラー、前記活性層、および前記上部ミラーを有する第2光共振器の共振波長(λ)との関係から、前記第2計算値(λ1)における前記活性層の一部または全部の厚さ(xλ1)、および、前記第2光共振器の所望の共振波長をλDとして、前記λDにおける前記活性層の一部または全部の厚さ(xλD)を求める工程と、
前記活性層成膜時間(t22)を下記式(5)から算出する工程と、
第2基板の上方に前記下部ミラー成膜時間(t11)で下部ミラーを成膜する工程と、
前記下部ミラーの上方に前記活性層成膜時間(t22)で活性層を成膜する工程と、
前記活性層の上方に前記上部ミラー成膜時間(t31)で上部ミラーを成膜する工程と、
前記下部ミラーに電気的に接続される第1電極、および、前記上部ミラーに電気的に接続される第2電極を形成する工程と、を含む、面発光型半導体レーザの製造方法。
t11=t10×(λS/λS0) …(1)
t31=t30×(λS/λS0) …(2)
t21=t20×(λS/λS0) …(3)
λ1=λD0×(λS/λS0) …(4)
t22=t21×(xλD/xλ1) …(5) Depositing a first semiconductor layer having the same layer configuration as the lower mirror above the first substrate in a deposition time (t 10 );
Depositing a second semiconductor layer having the same layer configuration as the active layer above the first semiconductor layer in a deposition time (t 20 );
Depositing a third semiconductor layer having the same layer configuration as the upper mirror over the second semiconductor layer in a deposition time (t 30 );
A reflectance test is performed on the semiconductor multilayer film including the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer, and a central wavelength (in a reflection band of the first semiconductor layer and the third semiconductor layer) λ S0 ), and measuring a resonance wavelength (λ D0 ) of a first optical resonator having the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer;
The center wavelength of the desired reflection band of the lower mirror and the upper mirror is λ S , and the lower mirror film formation time (t 11 ) and the upper mirror film formation time (t 31 ) are expressed by the following equations (1) and (2) The first calculation value (t 21 ) and the second calculation value (λ 1 ) for calculating the active layer deposition time (t 22 ) are calculated from the following formulas (3) and (4). When,
A thickness (x) of a part or all of the active layer when the lower mirror and the upper mirror are fixed to a desired thickness, and a second mirror having the lower mirror, the active layer, and the upper mirror. From the relationship with the resonance wavelength (λ) of the optical resonator, the thickness (x λ1 ) of a part or all of the active layer at the second calculated value (λ 1 ) and the desired value of the second optical resonator Λ D is a resonance wavelength of λ D , and the thickness (x λD ) of a part or all of the active layer at λ D is obtained;
Calculating the active layer deposition time (t 22 ) from the following equation (5);
Depositing a lower mirror on the second substrate at the lower mirror deposition time (t 11 );
Depositing an active layer above the lower mirror with the active layer deposition time (t 22 );
Depositing an upper mirror above the active layer at the upper mirror deposition time (t 31 );
Forming a first electrode electrically connected to the lower mirror and a second electrode electrically connected to the upper mirror.
t 11 = t 10 × (λ S / λ S0 ) (1)
t 31 = t 30 × (λ S / λ S0 ) (2)
t 21 = t 20 × (λ S / λ S0 ) (3)
λ 1 = λ D0 × (λ S / λ S0 ) (4)
t 22 = t 21 × (x λD / x λ1 ) (5)
前記活性層の一部または全部の厚さ(x)と、前記下部ミラー、前記活性層、および前記上部ミラーを有する第2光共振器の共振波長(λ)との関係から、前記活性層の一部または全部の厚さ(x)に対する前記第2光共振器の共振波長(λ)の変化率(f)を求める計算工程を有し、
前記変化率(f)は、下記式(6)で表され、
前記活性層成膜時間(t22)は、上記式(5)を変形した下記式(5−2)から算出される、面発光型半導体レーザの製造方法。
f=(λD−λ1)/(xλD−xλ1) …(6)
From the relationship between the thickness (x) of part or all of the active layer and the resonance wavelength (λ) of the second optical resonator having the lower mirror, the active layer, and the upper mirror, Calculating a change rate (f) of a resonance wavelength (λ) of the second optical resonator with respect to a part or all of the thickness (x),
The rate of change (f) is represented by the following formula (6):
The active layer deposition time (t 22 ) is a method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser, which is calculated from the following equation (5-2) obtained by modifying the above equation (5).
f = (λ D −λ 1 ) / (x λD −x λ1 ) (6)
前記活性層の一部または全部の厚さ(x)と、前記下部ミラー、前記活性層、および前記上部ミラーを有する第2光共振器の共振波長(λ)との関係から、前記活性層の一部または全部の厚さ(x)に対する前記第2光共振器の共振波長(λ)の変化率(f)を求める計算工程を有し、
前記変化率(f)は、前記活性層の一部または全部の厚さ(x)と、前記下部ミラー、前記活性層、および前記上部ミラーを有する第2光共振器の共振波長(λ)との関係における、λDとλ1の中間波長(λD+λ1)/2における微分値の下記式(7)で表され、
前記活性層成膜時間(t22)は、上記式(5)を変形した下記式(5−2)から算出される、面発光型半導体レーザの製造方法。
From the relationship between the thickness (x) of part or all of the active layer and the resonance wavelength (λ) of the second optical resonator having the lower mirror, the active layer, and the upper mirror, Calculating a change rate (f) of a resonance wavelength (λ) of the second optical resonator with respect to a part or all of the thickness (x),
The rate of change (f) is the thickness (x) of a part or all of the active layer, and the resonance wavelength (λ) of the second optical resonator having the lower mirror, the active layer, and the upper mirror. In the relationship, λ D and λ 1 are expressed by the following equation (7) of the differential value at the intermediate wavelength (λ D + λ 1 ) / 2,
The active layer deposition time (t 22 ) is a method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser, which is calculated from the following equation (5-2) obtained by modifying the above equation (5).
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーの所望の反射帯域の中心波長(λS)と、前記第2光共振器の所望の共振波長(λD)とは、異なる波長である、面発光型半導体レーザの製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The center wavelength (λ S ) of the desired reflection band of the lower mirror and the upper mirror is different from the desired resonance wavelength (λ D ) of the second optical resonator. Production method.
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーの所望の反射帯域の中心波長(λS)と、前記第2光共振器の所望の共振波長(λD)とは、同じ波長である、面発光型半導体レーザの製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The center wavelength (λ S ) of the desired reflection band of the lower mirror and the upper mirror and the desired resonance wavelength (λ D ) of the second optical resonator are the same wavelength. Production method.
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーは、複数の単位多層膜を積層した多層膜ミラーからなるように形成され、
前記単位多層膜は、上下方向に積層された1組の低屈折率層と高屈折率層を有するように形成され、
前記単位多層膜は、下記式(I)を満たすように形成され、
前記活性層は、下記式(II)を満たすように形成される、面発光型半導体レーザの製造方法。
xD < λD/2nD …(I)
xA > mλD/2nA …(II)
但し、
mは、正の整数であり、
xDは、前記単位多層膜の厚さであり、
nDは、前記単位多層膜の平均屈折率であり、
xAは、前記活性層の厚さであり、
nAは、前記活性層の平均屈折率である。 In claim 4,
The lower mirror and the upper mirror are formed of a multilayer mirror in which a plurality of unit multilayer films are stacked,
The unit multilayer film is formed to have a pair of a low refractive index layer and a high refractive index layer stacked in the vertical direction,
The unit multilayer film is formed to satisfy the following formula (I):
The said active layer is a manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser formed so that following formula (II) may be satisfy | filled.
x D <λ D / 2n D ... (I)
x A> mλ D / 2n A ... (II)
However,
m is a positive integer;
x D is the thickness of the unit multilayer film,
n D is an average refractive index of the unit multilayer film,
x A is the thickness of the active layer;
n A is the average refractive index of the active layer.
前記計算工程における前記活性層の一部として、該活性層が有するコンファインメント層を用いる、面発光型半導体レーザの製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 6.
A method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser, wherein a confinement layer included in the active layer is used as a part of the active layer in the calculation step.
前記変化率(f)は、0.46より大きく、0.92より小さい、面発光型半導体レーザの製造方法。 In any one of Claims 2 to 4 and Claims 6 to 7,
The method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser, wherein the rate of change (f) is greater than 0.46 and less than 0.92.
前記計算工程は、時間領域差分法を用いて行われる、面発光型半導体レーザの製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 8.
The calculation step is a method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser, which is performed using a time domain difference method.
前記計算工程は、1次元時間領域差分法を用いて行われる、面発光型半導体レーザの製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 9,
The calculation step is a method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser, which is performed using a one-dimensional time domain difference method.
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