JP2009238815A - Surface light-emitting semiconductor laser and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光型半導体レーザに関し、特に基本横モード発振をする面発光型半導体レーザに関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser, and more particularly to a surface emitting semiconductor laser that performs fundamental transverse mode oscillation.
光ファイバ等を用いたデータ通信、あるいは複写機等の情報処理装置の光源として、2次元アレイ化が容易であり、かつ消費電力が小さい面発光型半導体レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode:以下、VCSELと呼ぶ)が利用されている。 As a light source for data communication using an optical fiber or the like, or as a light source for an information processing apparatus such as a copying machine, a surface-emitting semiconductor laser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode) that can be easily formed into a two-dimensional array and consumes less power Hereinafter referred to as VCSEL).
典型的なVCSELは、下部DBR、活性層および上部DBRを有し、活性層で発せられた光を下部DBRと上部DBRの垂直共振器により発振させる。VCSELには、レーザ光の発振を低しきい値電流で効率よく行うため、電流狭窄層や光閉じ込め層が用いられている。特許文献1および特許文献2は、一方の酸化層を電流狭窄、もう一方の酸化層を高次モード制御層に用いたVCSELを開示している。特許文献3は、上部DBRに穴を開けることによって、高次単一モード発振を可能とするVCSELを開示している。 A typical VCSEL has a lower DBR, an active layer, and an upper DBR, and the light emitted from the active layer is oscillated by the vertical resonators of the lower DBR and the upper DBR. The VCSEL uses a current confinement layer or an optical confinement layer in order to efficiently oscillate laser light with a low threshold current. Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a VCSEL using one oxide layer as a current confinement and the other oxide layer as a higher-order mode control layer. Patent Document 3 discloses a VCSEL that enables high-order single mode oscillation by making a hole in the upper DBR.
VCSELを単一モードすなわち基本横モードで動作させるとき、素子抵抗を下げ、それに伴う発熱を抑制し、光出力を増加させることが望まれる。しかしながら、現状のVCSELでは、依然として素子抵抗が高く、最大光出力が不十分であるという課題がある。 When the VCSEL is operated in a single mode, that is, a basic transverse mode, it is desired to reduce the element resistance, suppress the heat generation associated therewith, and increase the light output. However, the current VCSEL still has a problem that the element resistance is still high and the maximum light output is insufficient.
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、素子抵抗を低減させ、光出力を向上させることができる面発光型半導体レーザおよびその製造方法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 thereof is to provide a surface-emitting type semiconductor laser capable of reducing element resistance and improving light output and a method for manufacturing the same.
本発明に係る面発光型半導体レーザは、基板と、基板上に形成され、少なくとも1つの第1の酸化層を含む第1導電型の第1の半導体多層膜反射鏡と、第1の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成され、少なくとも1つの第2の酸化層を含む第2導電型の第2の半導体多層膜反射鏡とを含み、前記第1の半導体多層膜反射鏡は、前記第1の酸化層と前記活性領域の間に、他の半導体多層膜よりも不純物濃度が高い高不純物濃度領域を含み、前記第1の酸化層は、酸化領域によって囲まれた第1の導電領域を有し、前記第2の酸化層は、酸化領域によって囲まれた第2の導電領域を有し、前記1の酸化層は、前記第2の酸化層よりも前記活性領域の中心から離れている。 A surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention includes a substrate, a first conductivity type first semiconductor multilayer film reflecting mirror formed on the substrate and including at least one first oxide layer, and a first semiconductor multilayer film. An active region formed on the film reflector, and a second semiconductor multilayer reflector of the second conductivity type formed on the active region and including at least one second oxide layer, The semiconductor multilayer mirror includes a high impurity concentration region having an impurity concentration higher than that of the other semiconductor multilayer film between the first oxide layer and the active region, and the first oxide layer includes an oxide region. The second oxide layer has a second conductive region surrounded by an oxide region, and the first oxide layer is more than the second oxide layer. Is also far from the center of the active region.
好ましくは第1の導電領域は、前記第2の導電領域と同等もしくはそれよりも大きい。好ましくは、発振波長をλとしたとき、前記高不純物濃領域の厚さは、1.5λ/n(nは、媒質の屈折率)よりも大きい。また、前記高不純物濃度領域は、第1の半導体多層膜反射鏡の他の半導体多層膜の反射率よりも小さいてもよい。 Preferably, the first conductive region is equal to or larger than the second conductive region. Preferably, when the oscillation wavelength is λ, the thickness of the high impurity concentration region is larger than 1.5λ / n (n is the refractive index of the medium). The high impurity concentration region may be smaller than the reflectance of another semiconductor multilayer film of the first semiconductor multilayer film reflector.
好ましくは第1の半導体多層膜反射鏡には、前記第1の酸化層に至る複数の孔が形成され、前記第1の酸化層は、前記複数の孔によって露出された側面から選択的に酸化された酸化領域を含む。好ましくは第1および第2の半導体多層膜反射鏡は、Al組成の低い低Al半導体層とAl組成の高い高Al半導体層を交互に含み、前記第1および第2の酸化層は、前記高Al半導体層よりもAl組成が大きい半導体層を含む。好ましくは基板上には、少なくとも第2の半導体多層膜反射鏡のエッチングによりメサが形成され、前記第2の酸化層は、前記メサ側面から選択的に酸化された酸化領域を含む。好ましくは第1の酸化層および第2の酸化層は、同時に酸化された酸化領域を有する。好ましくは、メサ頂部には上部電極が形成され、前記基板の裏面には下部電極が形成される。また、前記メサ頂部には上部電極が形成され、前記高不純物濃度領域に電気的に接続された下部電極が前記基板上に形成されるようにしてよい。 Preferably, a plurality of holes reaching the first oxide layer are formed in the first semiconductor multilayer mirror, and the first oxide layer is selectively oxidized from a side surface exposed by the plurality of holes. An oxidized region. Preferably, the first and second semiconductor multilayer film reflectors alternately include a low Al semiconductor layer having a low Al composition and a high Al semiconductor layer having a high Al composition, wherein the first and second oxide layers include the high Al semiconductor layer. A semiconductor layer having an Al composition larger than that of the Al semiconductor layer is included. Preferably, a mesa is formed on the substrate by etching of at least the second semiconductor multilayer reflector, and the second oxide layer includes an oxidized region selectively oxidized from the side surface of the mesa. Preferably, the first oxide layer and the second oxide layer have simultaneously oxidized regions. Preferably, an upper electrode is formed on the top of the mesa, and a lower electrode is formed on the back surface of the substrate. Further, an upper electrode may be formed on the top of the mesa, and a lower electrode electrically connected to the high impurity concentration region may be formed on the substrate.
本発明に係る面発光型半導体レーザは、基板と、基板上に形成され、少なくとも1つの第1の酸化層を含む第1導電型の第1の半導体多層膜反射鏡と、第1の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成され、少なくとも1つの第2の酸化層を含む第1導電型の第2の半導体多層膜反射鏡とを含み、前記第1の半導体多層膜反射鏡は、前記第1の酸化層と前記活性領域の間に、他の半導体多層膜よりも不純物濃度が高い高不純物濃度領域を含み、前記第2の半導体多層膜反射鏡は、内部にトンネル接合を含み、前記第1の酸化層は、酸化領域によって囲まれた第1の導電領域を有し、前記第2の酸化層は、酸化領域によって囲まれた第2の導電領域を有し、前記1の酸化層は、前記第2の酸化層よりも前記活性領域から離れている。 A surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention includes a substrate, a first conductivity type first semiconductor multilayer film reflecting mirror formed on the substrate and including at least one first oxide layer, and a first semiconductor multilayer film. An active region formed on the film reflector, and a second semiconductor multilayer reflector of the first conductivity type formed on the active region and including at least one second oxide layer, The semiconductor multilayer film reflector includes a high impurity concentration region having an impurity concentration higher than that of the other semiconductor multilayer film between the first oxide layer and the active region, and the second semiconductor multilayer film reflector includes The first oxide layer includes a first conductive region surrounded by an oxide region, and the second oxide layer is a second conductive region surrounded by the oxide region. The first oxide layer is more active than the second oxide layer. Apart et al.
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、少なくとも1つの第1の酸化層と第1の酸化層上に高不純物濃度領域を含む第1導電型の第1の半導体多層膜反射鏡、活性領域、少なくとも1つの第2の酸化層を含む第2導電型の第2の半導体多層膜反射鏡を含む半導体層を積層するステップと、少なくとも前記第2の酸化層が露出するように前記半導体層をエッチングし、基板上にメサを形成するステップと、前記第1の半導体多層膜反射鏡に少なくとも前記第1の酸化層に到達する深さの複数の孔を形成するステップと、前記メサ側面に露出された前記第1の酸化層および前記孔の側面に露出された第2の酸化層を同時に酸化し、第1の酸化領域によって囲まれた第1の導電領域および第2の酸化領域によって囲まれた第2の導電領域を前記第1および第2の酸化層に形成するステップと、第1の多層膜反射鏡に電気的に接続される第1の電極および第2の多層膜反射鏡に電気的に接続される第2の電極を形成するステップとを有する。 A method for manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention includes a first conductive type first semiconductor multilayer including at least one first oxide layer on a substrate and a high impurity concentration region on the first oxide layer. Laminating a semiconductor layer including a film reflector, an active region, a second semiconductor multilayer reflector of the second conductivity type including at least one second oxide layer, and exposing at least the second oxide layer; Etching the semiconductor layer to form a mesa on the substrate, and forming a plurality of holes having a depth reaching at least the first oxide layer in the first semiconductor multilayer reflector; The first oxide layer exposed on the side surface of the mesa and the second oxide layer exposed on the side surface of the hole are oxidized at the same time, and the first conductive region and the second region surrounded by the first oxide region Second surrounded by an oxidized region of Forming a conductive region in the first and second oxide layers; electrically connected to the first electrode and the second multilayer reflector that are electrically connected to the first multilayer reflector; Forming a second electrode.
本発明によれば、活性領域を挟むように第1および第2の酸化層を形成し、第1および第2の酸化層がそれぞれ光り閉じ込めおよび電流狭窄の役割を担うようにしたので、第1および第2の酸化層を光閉じ込めおよび電流狭窄に適した位置に配することができ、これにより、単一モードで発振させるときの素子抵抗の低減を図り、かつ光出力を向上させることができる。さらに、第1の酸化層と活性領域との間に高濃度不純物領域を介在したことで、より素子抵抗を低減することができる。 According to the present invention, the first and second oxide layers are formed so as to sandwich the active region, and the first and second oxide layers play the role of light confinement and current confinement, respectively. And the second oxide layer can be arranged at positions suitable for optical confinement and current confinement, thereby reducing the element resistance when oscillating in a single mode and improving the optical output. . Furthermore, the element resistance can be further reduced by interposing the high concentration impurity region between the first oxide layer and the active region.
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の図は、VCSELの主要な構成または特徴を説明するものであり、必ずしもVCSELの最終形態を示すものではなし、実際のVCSELを同一スケールで表したものではない。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the following drawings are to explain the main configuration or features of the VCSEL, and do not necessarily show the final form of the VCSEL, and do not represent the actual VCSEL on the same scale.
図1Aは、本発明の第1の実施例に係るVCSELの概略平面図、図1Bは、図1AのA1−A1線で切断したときの概略断面図である。第1の実施例に係るVCSEL10は、n型の基板12と、基板12上に形成されたn型の分布型ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下、DBRという)14と、下部DBR14上に形成された活性領域16と、活性領域16上に形成されたp型の上部DBR18と、上部DBR18上に形成された環状の上部電極20と、基板12の裏面に形成された下部電極22とを含んで構成される。なお、図1Aにおいて、上部電極20をハッチングで表している。
1A is a schematic plan view of a VCSEL according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line A1-A1 of FIG. 1A. The VCSEL 10 according to the first embodiment is formed on an n-
基板12は、例えば、n型のGaAsから構成される。基板12上に、エピタキシャル成長により複数の半導体層が積層され、下部DBR14、活性領域16および上部DBR18が形成される。下部DBR14および上部DBR18は、例えば、Al組成の高い低屈折率のAlGaAs層とAl組成の低い高屈折率のAlGaAs層を対とし、これを複数対積層して形成される。各層の膜厚は、1/4λ(λは、発振波長)である。
The
上部DBR18から下部DBR14に至るまで半導体層をエッチングすることにより円筒状のポスト(またはメサ)Pが形成され、ポストPの頂部には、中央に出射窓24が形成された上部電極20が形成される。上部電極20と下部電極22に順方向バイアスを与えたとき、活性領域16で発せられた光は、下部DBR14と上部DBR18の垂直共振器により増幅され、出射窓24からレーザ光として出射される。
A cylindrical post (or mesa) P is formed by etching the semiconductor layer from the
従来の典型的な選択酸化型のVCSELは、ポストP内に選択酸化された酸化層を形成し、当該酸化層により電流狭窄および光閉じ込めを行っている。これに対し、本実施例のVCSEL10は、光閉じ込めを行う酸化層40を下部DBR14内に形成し、電流狭窄を行うための酸化層50を上部DBR18内に形成している。
In a conventional typical selective oxidation type VCSEL, an oxide layer selectively oxidized in the post P is formed, and current confinement and optical confinement are performed by the oxide layer. On the other hand, in the
ポストPの中心軸Cに関して回転対称となる位置に4つのの矩形状の孔30が形成される。図1Aに示すように、各孔30は、中心軸Cから等しい距離に90度の等間隔で配置される。中心軸Cから孔30の側壁までの距離は、ポストPの半径に等しいかそれより僅かに大きい。孔30は、後述するように酸化層40の選択酸化に利用されるため、少なくとも酸化層40に到達する深さを有する。なお、ここに示す孔30は、一例であって、孔30の数、大きさ、形状等は適宜変更することができる。例えば、孔30は、円筒状であり、45度の間隔で8つ形成してもよい。
Four
下部DBR14は、上記したように、光閉じ込めを行うための酸化領域を形成する酸化層40を含み、上部DBR18は、電流狭窄を行うための酸化領域を形成する酸化層50を含んでいる。例えば、下部DBR14がn型のAlxGa1-xAs層とAlyGa1-yAs層(X>Y)の対を有するとき、酸化層40は、n型のAlAs層またはAlzGa1-zAs層(Z>X)を含む。この場合、AlxGa1-xAs層をAlzGa1-zAs層に置換してもよい。また、上部DBR18がp型のAlxGa1-xAs層およびAlyGa1-yAs層(X>Y)の対を有するとき、酸化層50は、p型のAlAs層またはAlzGa1-zAs層(Z>X)を含む。この場合、AlxGa1-xAs層がAlzGa1-zAs層に置換してもよい。
As described above, the
酸化層40は、孔30によって露出された側面を有し、この側面から一定の距離だけ酸化される。酸化層40の酸化は、孔30を中心に半径方向に等方的に広がり、その停止位置は、酸化時間を制御することにより決定される。図1Aに示すように、1つの孔30の側面から進行した酸化領域42の境界44は、近似的に孔30と同心円状とみることができる。酸化領域42は、隣接する他の孔30の酸化領域42と重複し、酸化領域42の境界44によって囲まれた非酸化領域46が形成される。酸化領域42は、電気的に絶縁された領域であり、非酸化領域46は電気的に導電性の領域である。
The
図1Aに示す非酸化領域46の輪郭は、4つの境界44によって決定された略多角形状であり、非酸化領域46の概略中心は、ポストPの中心軸Cに一致する。非酸化領域46の大きさは、制御する横モードに応じて、かつ活性領域16からの距離に応じて適宜選択される。言い換えれば、酸化層40が活性領域16から離れるほど、非酸化領域46の径を大きくすることができ、好ましくは、基本横モード発振をさせるとき、非酸化領域46の大きさを5μm以上とする。5μm以上の径は、光出力の低下の抑制および低抵抗化に寄与し得る。なお、図1Aでは、非酸化領域46は4角形状であるが、孔の数を増やせば、非酸化領域46の輪郭は多角形となり、円形状に近づく。
The outline of the
酸化層50は、ポストPの側面から一定の距離だけ酸化され、これにより、酸化領域52と、酸化領域52によって囲まれた非酸化領域54が形成される。酸化層50の酸化は、ポストPの側面からほぼ等方的に内側に向けて進行するため、非酸化領域54の平面矢視は、ポストPの外形を反映した円形状となる。非酸化領域54の中心は、ポストPの中心軸Cにほぼ一致し、さらには下部DBR14内の酸化層40の非酸化領域46の中心にほぼ一致する。酸化領域52は、電気的に絶縁であり、非酸化領域54は、電気的に導電性である。
The oxidized
酸化層40および酸化層50は、同時の酸化プロセスで酸化されることができる。酸化層40および酸化層50の膜厚およびAl組成が等しければ、酸化層40および酸化層50の酸化速度を等しくすることができる。仮に、孔30の側壁がポストPの側面に近接していれば、酸化領域42と酸化領域52を等しくし、その結果、非酸化領域46と非酸化領域54とをほぼ等しい大きさとすることができる。
The
他方、酸化層50の酸化速度を、酸化層40よりも速くさせる場合、酸化層40のAlの組成や膜厚に対して、酸化層50のAl組成を高くする、もしくは膜厚を厚くすればよい。例えば、酸化層40のAlの組成が98%、膜厚が30nmであった場合、酸化層50のAl組成は99%〜100%、膜厚は30nmもしくはAl組成98%、膜厚は30nmより大きくされる。これにより、酸化層40および50を同時に酸化させたとき、異なる大きさの非酸化領域44、52を形成することができる。酸化層40の酸化速度を酸化層50よりも速くさせる場合にも上記と同様にして行うことができる。
On the other hand, when the oxidation rate of the
好ましくは、非酸化領域46は、専ら光閉じ込め層として機能するため、その大きさは、基本横モードを発振することが可能な最大の大きさとすることができる。そして、その大きさは、活性領域16から離れるほど大きくすることができる。他方、非酸化領域54は、専ら電流狭窄層として機能するため、基本横モード発振を可能にするための大きさ以下でなければならない。
Preferably, since the
また、下部DBR14は、酸化層40と活性領域16との間に、電流経路層60を含んでいる。電流経路層60は、他の下部DBR14と同様に、高屈折率のAlGaAs層と低屈折率のAlGaAs層とを積層しているが、これらの層の不純物濃度が他のAlGaAs層の不純物濃度よりも高くなっている。電流経路層60の膜厚は、好ましくは、発振波長をλとするとき、1.5λ/n(nは、媒質の屈折率)より大きい。また、電流経路層60の反射率は、他の下部DBR14の反射率よりも小さくても良く、例えば、他の下部DBR14の反射率が99%以上であるとき、95%程度であってもよい。
The
図1AおよびBに示すVCSEL10を駆動するとき、下部DBR14および上部DBR18が順方向にバイアスされ、上部電極20から正孔、下部電極22から電子が注入される。このとき、下部電極22から活性領域16へ向かう電流経路は、酸化領域42によって囲まれた非酸化領域(導電領域)46を通過する経路K1に加えて、酸化領域42によって囲まれない経路、すなわち非酸化領域46の外側を通過する経路K2が形成されるため、抵抗を低減することができる。さらに、酸化層40と活性領域16との間には、不純物濃度が高い電流経路層60が介在されるため、電流経路の抵抗がさらに低減される。他方、酸化層50は、活性領域16上に近接して配置されているため、上部電極20から注入された正孔を効果的に狭窄し、正孔を効率よく活性領域16へ導くことができる。これにより、電子−正孔対の結合確率が上昇し、光出力を向上させることができる。
When driving the
このように第1の実施例によれば、光閉じ込めとして層として機能し得る酸化層40をn型の下部DBR14内に形成し、電流狭窄層として機能し得る酸化層50をp型の上部DBR18内に形成し、光閉じ込めおよび電流狭窄にとって最適な位置に酸化層40および50を形成し、かつ、それらの非酸化領域の大きさを個別に設定することができるため、基本横モードで発振させるときの素子抵抗が低減され、これによる発熱が抑制され、光出力の向上を図ることができる。
As described above, according to the first embodiment, the
次に、本発明の第2の実施例を図2に示す。第2の実施例に係るVCSEL10Aは、下部電極22Aを下部DBR14の電流経路層60に電気的に接続している。それ以外の構成は、第1の実施例と同様である。ここには図示していないが、ポストPの側壁および底部は、絶縁膜によって覆われており、下部電極22Aは、絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して電流経路層60に接続される。この場合、電流経路層60の最上層は、下部電極22Aとのオーミック接続されるような不純物濃度を有する。また、GaAs基板12や、下部DBR14の酸化層40より可能の半導体多層膜は、必ずしもn型である必要はなく、不純物がドーピングされていない半絶縁性であってもよい。
Next, a second embodiment of the present invention is shown in FIG. In the
第2の実施例によれば、図2に示すように、下部電極22Aから注入された電子の電流経路K3は、高不純物濃度の電流経路層60のみを通過するため素子抵抗が非常に小さくなる。さらに、下部電極22Aから活性領域16までの電流経路K3の距離も短くなり、これも低抵抗化に寄与する。
According to the second embodiment, as shown in FIG. 2, since the current path K3 of electrons injected from the
次に、本発明の第3の実施例について説明する。図3Aは、第3の実施例に係るVCSELの特徴部分を表した平面図、図3Bは、図3AのA−C線およびB−C線で切断したときの概略断面図である。第3の実施例は、第1の実施例のVCSELを変形するものである。すなわち、第1の実施例では、基板上に連続した環状の溝を形成することによって円筒形状のポストPを形成したが、第3の実施例の実施例では、図3Aに示すように、基板上に4つの円弧状の溝70を形成することによってポストPがブリッジ72によって周囲の半導体領域74と接続された構成を有している。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 3A is a plan view showing the characteristic part of the VCSEL according to the third embodiment, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view taken along the lines AC and BC in FIG. 3A. The third embodiment is a modification of the VCSEL of the first embodiment. That is, in the first embodiment, the cylindrical post P is formed by forming a continuous annular groove on the substrate. However, in the third embodiment, as shown in FIG. The post P is connected to the surrounding
ポストPと周辺の半導体領域74との間を複数のブリッジ72で接続することによりポストPの強度が向上する。そして、ブリッジ72の一部および周囲の半導体領域74にプロトンを注入して絶縁領域76を形成し、ポストPを周辺の半導体領域74から電気的に隔離している。図1Aでは、プロトンの注入領域を分かり易くするためにハッチングで表している。プロトンイオンを注入する場合には、絶縁領域76以外の部分にマスクを形成し、プロトンを一定のエネルギーで注入することで上部DBR18内に絶縁領域を形成することができる。
By connecting the post P and the
次に、本発明の第4の実施例について説明する。図4Aは、第4の実施例に係るVCSELの特徴部分を表した平面図、図4Bは、図4AのA−C線およびB−C線で切断したときの概略断面図である。第4の実施例は、第3の実施例をさらに変形するものであり、基板上にポストPを形成するための溝を形成せず、この代わりに、プロトンをイオン注入することによって上部DBRに環状の絶縁領域80を形成する。ポストPを形成するためのエッチング工程が不要となり、発光部を形成するポストがなくなるため、ポストの脱落等の故障をなくすことができる。第4の実施例では、酸化層40および酸化層50の酸化領域42、52は、孔30からの酸化によってそれぞれ同時に形成される。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 4A is a plan view illustrating a characteristic portion of a VCSEL according to the fourth embodiment, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view taken along the lines AC and BC in FIG. 4A. The fourth embodiment is a further modification of the third embodiment, and does not form a groove for forming the post P on the substrate. Instead, protons are ion-implanted into the upper DBR. An annular
なお、上記実施例では、上部DBR18内に酸化層50を形成しているが、酸化層50を形成することなく、プロトンイオン注入による絶縁領域によって電流狭窄を行うようにしてもよい。この場合、図5に示すように、単一基本モードで動作し得る大きさの導電領域84が形成されるようにプロトンイオン注入による絶縁領域82が形成される。
In the above embodiment, the
次に、本発明の第5の実施例について説明する。図6は、第5の実施例に係るVCSELの概略断面図である。第5の実施例に係るVCSEL10Dは、トンネル接合を利用したものである。p型半導体は、n型半導体に比べてキャリアの移動度が遅く、電気抵抗が高く、しかも光吸収が大きい。このため、上部DBR18をn型半導体で構成すれば、低抵抗化、高出力化を図ることができる。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a VCSEL according to the fifth embodiment. The
第5の実施例では、n型の下部DBR14、活性領域16、n型の上部DBR18Aを含むが、n型の上部DBR18Aは、活性領域16上にp型の酸化層50と、その上にp型の高濃度不純物の高不純物層90とを含んでいる。VCSEL10Dが駆動されるとき、下部電極22から注入された電子は、p型の高不純物層90とn型の多層膜反射鏡との接合をトンネル効果によって通過し、上部電極20に流れる。
The fifth embodiment includes an n-type
上記した第1ないし第5の実施例は、基板上に単一のポストPが形成されたシングルスポットタイプのVCSELを例示したが、基板上に複数のポストPが形成された複数のレーザ光を出射するマルチスポットタイプのVCSELであってもよい。さらに、上記実施例は、AlGaAs系の半導体層を用いたVCSELを例示したが、他のIII−V族化合物半導体を用いたVCSELであってもよい。さらに、ポストPの形状は、円筒状の他、矩形状であってもよい。 In the first to fifth embodiments described above, a single spot type VCSEL in which a single post P is formed on a substrate is illustrated, but a plurality of laser beams in which a plurality of posts P are formed on a substrate are used. A multi-spot type VCSEL that emits light may be used. Furthermore, although the said Example illustrated VCSEL using the AlGaAs type semiconductor layer, VCSEL using the other III-V group compound semiconductor may be sufficient. Further, the post P may have a rectangular shape in addition to the cylindrical shape.
次に、本発明の第1実施例に係るVCSELの製造方法について図7よび図8参照して説明する。図7Aに示すように、有機金属気相成長(MOCVD)法により、n型GaAs基板12上に、Al0.9Ga0.1AsとAl0.15Ga0.85Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に40.5周期積層した、キャリア濃度1×1018cm-3のn型の下部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領域16、その上にAl0.9Ga0.1AsとAl0.15Ga0.85Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に30周期積層したキャリア濃度が1×1018cm-3のP型の上部DBR18を順次積層する。
Next, a manufacturing method of the VCSEL according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 7A, Al 0.9 Ga 0.1 As and Al 0.15 Ga 0.85 As are formed on an n-
下部DBR14には、横モード制御層として光を閉じ込めるためのn型のAlAsからなる酸化層40が形成されている。さらに酸化層40上には、n型の電流経路層60が形成されている。n型の電流経路層60は、例えば、Al0.9Ga0.1AsとAl0.15Ga0.85Asを1対または複数対含み、そのキャリア濃度は他のDBRの対の不純物濃度よりも高い。また、基板12と下部DBR14との間に、キャリア濃度1×1018cm-3のn型GaAsバッファ層を形成してもよい。
In the
上部DBR18には、p型のAlAsからなる酸化層50が形成されている。上部DBR18の最上層には、キャリア濃度が1×1019cm-3となる膜厚20nm程のP型GaAsコンタクト層を形成することができる。
An
次に、図7Bに示すように、フォトリソ工程により上部DBR18上にマスクM1を形成し、反応性イオンエッチングにより下部DBR14に到達するまでエッチングする。これにより、下部DBR14上に、円筒状のポストPが形成される。なお、このエッチングは、活性領域16に到達するまでであってもよいし、必ずしも下部DBR14の表面で停止することなく下部DBR14の一部がエッチングされてもよい。
Next, as shown in FIG. 7B, a mask M1 is formed on the
図7Cに示すように、孔30を形成する流域を除き基板全面にマスクM2が形成される。マスクM2には、下部DBR14に形成されるべき孔30に対応する開口が形成されている。マスクM2を用いて反応性イオンエッチングを行い、下部DBR14に、複数の孔30を形成する。孔30は、酸化層40に到達する深さを有する。
As shown in FIG. 7C, a mask M2 is formed on the entire surface of the substrate except for the flow area where the
次に、マスクM2を除去した後に、図8Aに示すように基板の酸化処理を行う。ポストP内の酸化層50は、ポストPの側面から酸化され、下部DBR14内の酸化層40は、孔30の側面から酸化される。これにより、ポストPには、酸化領域52によって囲まれた非酸化領域54が形成され、下部DBR14には、酸化領域42によって囲まれた非酸化領域46が形成される。
Next, after removing the mask M2, the substrate is oxidized as shown in FIG. 8A. The
好ましくは、酸化層40の酸化速度が、酸化層50の酸化速度よりも小さいことが望ましい。このため、酸化層40の膜厚を、半導体被酸化層50よりも薄くするか、酸化層40のAlの組成を酸化層50のAl組成よりも小さくする。後者の場合、酸化層40は、AlAsではなく、AlGaAs層とすることができる。
Preferably, the oxidation rate of the
なお、上記第3および第4の実施例のようにプロトンイオン注入を行う場合には、さらに図8Bの工程の後に、イオン注入用のマスクを形成し、プロトンイオンを注入する。 When proton ion implantation is performed as in the third and fourth embodiments, an ion implantation mask is formed after the step of FIG. 8B, and proton ions are implanted.
次に、図示しない層間絶縁膜等を形成したのち、図8Bに示すように、ポストPの頂部には、Auからなる上部電極20が形成され、基板裏面にはAu/Geからなる下部電極22が形成される。
Next, after forming an interlayer insulating film or the like (not shown), as shown in FIG. 8B, an
次に、本実施例のVCSELを利用した光学装置(モジュール)、光照射装置、光送信装置、伝送システム、光伝送装置等について図面を参照して説明する。図9Aは、VCSELを実装した光学装置の構成を示す断面図である。光学装置300は、VCSELが形成されたチップ310を、導電性接着剤320を介して円盤状の金属ステム330上に固定する。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、VCSELのn側電極に電気的に接続され、他方のリード342は、p側電極に電気的に接続される。
Next, an optical device (module), a light irradiation device, a light transmission device, a transmission system, a light transmission device, and the like using the VCSEL of this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 9A is a cross-sectional view showing a configuration of an optical device mounted with a VCSEL. The
チップ310を含むステム330上に矩形状の中空のキャップ350が固定され、キャップ350の中央の開口内にボールレンズ360が固定されている。ボールレンズ360の光軸は、チップ310のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ310とボールレンズ360との距離は、チップ310からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ360が含まれるように調整される。また、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や温度センサを含ませるようにしてもよい。
A rectangular
図8Bは、他の光学装置の構成を示す図であり、同図に示す光学装置302は、ボールレンズ360を用いる代わりに、キャップ350の中央の開口内に平板ガラス362を固定している。平板ガラス362の中心は、チップ310のほぼ中心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からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
FIG. 8B is a diagram showing the configuration of another optical device. In the
図10は、VCSELを光源として適用した光照射装置の例を示す図である。光照射装置370は、図9Aまたは図9BのようにVCSELを実装した光学装置300または302、光学装置300または302からのマルチビームのレーザ光を入射するコリメータレンズ372、一定の速度で回転し、コリメータレンズ372からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー374、ポリゴンミラー374からのレーザ光を入射し反射ミラー378を照射するfθレンズ376、ライン状の反射ミラー378、反射ミラー378からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム380を備えている。このように、VCSELからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a light irradiation apparatus to which a VCSEL is applied as a light source. As shown in FIG. 9A or 9B, the
図11は、図9Aに示す光学装置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、筐体410の端面に一体に形成されたスリーブ420、スリーブ420の開口422内に保持されるフェルール430、およびフェルール430によって保持される光ファイバ440を含んで構成される。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。
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration when the optical device illustrated in FIG. 9A is applied to an optical transmission device. The
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12は、図9Aに示す光学装置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、光学装置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。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。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration when the optical device shown in FIG. 9A is used in a spatial transmission system. The
図13A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. 13A is a diagram illustrating a configuration example of an optical transmission system using a VCSEL as a light source. The
図13Bは、光伝送システムに利用される光伝送装置の概観構成を示す図である。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を含み、内部に送信回路基板/受信回路基板を有している。
FIG. 13B is a diagram illustrating a general configuration of an optical transmission device used in the optical transmission system. The
光伝送装置700を用いた映像伝送システムを図14に示す。映像伝送システム800は、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13Bに示す光伝送装置を利用している。すなわち、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、制御信号用電気ケーブルコネクタ880、電源アダプタ890、DVI用電気ケーブル900を含んでいる。
A video transmission system using the
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.
10:VCSEL 12:基板
14:下部DBR 16:活性領域
18:上部DBR 20:上部電極
22:下部電極 24:開口
30:孔 40:酸化層
42:酸化領域 44:酸化領域の境界
46:非酸化領域 50:酸化層
52:酸化領域 54:非酸化領域
60:電流経路層 70:溝
72:ブリッジ 74:周辺の半導体領域
76、80、82:絶縁領域(プロトン注入領域)
90:高不純物層
10: VCSEL 12: Substrate 14: Lower DBR 16: Active region 18: Upper DBR 20: Upper electrode 22: Lower electrode 24: Opening 30: Hole 40: Oxidized layer 42: Oxidized region 44: Oxidized region boundary 46: Non-oxidized Region 50: Oxidized layer 52: Oxidized region 54: Non-oxidized region 60: Current path layer 70: Groove 72: Bridge 74:
90: High impurity layer
Claims (20)
基板上に形成され、少なくとも1つの第1の酸化層を含む第1導電型の第1の半導体多層膜反射鏡と、
第1の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成され、少なくとも1つの第2の酸化層を含む第2導電型の第2の半導体多層膜反射鏡とを含み、
前記第1の半導体多層膜反射鏡は、前記第1の酸化層と前記活性領域の間に、他の半導体多層膜よりも不純物濃度が高い高不純物濃度領域を含み、
前記第1の酸化層は、酸化領域によって囲まれた第1の導電領域を有し、
前記第2の酸化層は、酸化領域によって囲まれた第2の導電領域を有し、
前記1の酸化層は、前記第2の酸化層よりも前記活性領域の中心から離れている、面発光型半導体レーザ。 A substrate,
A first semiconductor multilayer reflector of a first conductivity type formed on a substrate and including at least one first oxide layer;
An active region formed on the first semiconductor multilayer mirror;
A second semiconductor multilayer reflector of a second conductivity type formed on the active region and including at least one second oxide layer;
The first semiconductor multilayer film reflector includes a high impurity concentration region having a higher impurity concentration than other semiconductor multilayer films between the first oxide layer and the active region,
The first oxide layer has a first conductive region surrounded by an oxide region;
The second oxide layer has a second conductive region surrounded by an oxide region;
The surface emitting semiconductor laser, wherein the first oxide layer is farther from the center of the active region than the second oxide layer.
基板上に形成され、少なくとも1つの第1の酸化層を含む第1導電型の第1の半導体多層膜反射鏡と、
第1の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成され、少なくとも1つの第2の酸化層を含む第1導電型の第2の半導体多層膜反射鏡とを含み、
前記第1の半導体多層膜反射鏡は、前記第1の酸化層と前記活性領域の間に、他の半導体多層膜よりも不純物濃度が高い高不純物濃度領域を含み、
前記第2の半導体多層膜反射鏡は、内部にトンネル接合を含み、
前記第1の酸化層は、酸化領域によって囲まれた第1の導電領域を有し、
前記第2の酸化層は、酸化領域によって囲まれた第2の導電領域を有し、
前記1の酸化層は、前記第2の酸化層よりも前記活性領域から離れている、面発光型半導体レーザ。 A substrate,
A first semiconductor multilayer reflector of a first conductivity type formed on a substrate and including at least one first oxide layer;
An active region formed on the first semiconductor multilayer mirror;
A second semiconductor multilayer reflector of a first conductivity type formed on the active region and including at least one second oxide layer;
The first semiconductor multilayer film reflector includes a high impurity concentration region having a higher impurity concentration than other semiconductor multilayer films between the first oxide layer and the active region,
The second semiconductor multilayer mirror includes a tunnel junction inside,
The first oxide layer has a first conductive region surrounded by an oxide region;
The second oxide layer has a second conductive region surrounded by an oxide region;
The surface emitting semiconductor laser, wherein the first oxide layer is farther from the active region than the second oxide layer.
基板上に、少なくとも1つの第1の酸化層と第1の酸化層上に高不純物濃度領域を含む第1導電型の第1の半導体多層膜反射鏡、活性領域、少なくとも1つの第2の酸化層を含む第2導電型の第2の半導体多層膜反射鏡を含む半導体層を積層するステップと、
少なくとも前記第2の酸化層が露出するように前記半導体層をエッチングし、基板上にメサを形成するステップと、
前記第1の半導体多層膜反射鏡に少なくとも前記第1の酸化層に到達する深さの複数の孔を形成するステップと、
前記メサ側面に露出された前記第1の酸化層および前記孔の側面に露出された第2の酸化層を同時に酸化し、第1の酸化領域によって囲まれた第1の導電領域および第2の酸化領域によって囲まれた第2の導電領域を前記第1および第2の酸化層に形成するステップと、
第1の多層膜反射鏡に電気的に接続される第1の電極および第2の多層膜反射鏡に電気的に接続される第2の電極を形成するステップと、
を有する面発光型半導体レーザの製造方法。 A method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser,
A first semiconductor multilayer reflector of a first conductivity type including at least one first oxide layer and a high impurity concentration region on the first oxide layer on the substrate; an active region; and at least one second oxide. Laminating a semiconductor layer including a second semiconductor multilayer reflector of the second conductivity type including a layer;
Etching the semiconductor layer to expose at least the second oxide layer to form a mesa on the substrate;
Forming a plurality of holes with a depth reaching at least the first oxide layer in the first semiconductor multilayer mirror;
The first oxide layer exposed on the side surface of the mesa and the second oxide layer exposed on the side surface of the hole are simultaneously oxidized to form a first conductive region and a second region surrounded by the first oxide region. Forming a second conductive region surrounded by an oxide region in the first and second oxide layers;
Forming a first electrode electrically connected to the first multilayer reflector and a second electrode electrically connected to the second multilayer reflector;
Manufacturing method of surface emitting semiconductor laser having
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