JP2009246035A - Long-wavelength-band surface-emitting laser element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-reliabile long-wavelength-band surface-emitting laser element reduced in the occurrence of transition even when an undoped DBR mirror is stacked on n-type GaAs. <P>SOLUTION: Concentration occupied by Al having a large lattice constant in a group III site of a semiconductor material forming a low-refractive-index layer of a lower DBR mirror 2 and containing Al, Ga and As is set to 80-100%; the average value of donor or acceptor impurity concentration in the whole of the lower DBR mirror 2 and an upper DBR mirror 12 is set not larger than 5×10<SP>17</SP>cm<SP>-3;</SP>and silicon concentration having a small lattice constant in an n-GaAs substrate 1 is set to 1×10<SP>16</SP>cm<SP>-3</SP>to 1.5×10<SP>18</SP>cm<SP>-3</SP>, whereby the occurrence of transition by lattice mismatch between the n-GaAs substrate 1 and the lower DBR mirror 2 is reduced, and reliability of the long-wavelength-band surface-emitting laser element can be enhanced. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される上部多層膜とをn型GaAs基板上に形成した長波長帯域面発光レーザ素子に関する。   The present invention relates to a lower multilayer reflector formed of a periodic structure of a high refractive index layer and a low refractive index layer, and an upper multilayer film formed of a periodic structure of a high refractive index layer and a low refractive index layer. The present invention relates to a long-wavelength surface emitting laser device formed on a GaAs substrate.

波長1000〜1700nmの長波長帯域のレーザ光を出力し、動作速度が10Gbps以上の面発光レーザ(VCSEL)素子が、光インターコネクションや光通信の分野において、今後大量に必要とされると考えられている。   It is considered that a large amount of surface emitting laser (VCSEL) devices that output laser light in a long wavelength band of 1000 to 1700 nm and have an operation speed of 10 Gbps or more will be required in the future in the field of optical interconnection and optical communication. ing.

従来の面発光レーザ素子として、半導体からなる上部および下部多層膜反射鏡の間に活性層を積層してDBR(Distributed Bragg Reflector)ミラーを構成し、さらに電流注入効率を上げるために、電流経路を制限する電流狭窄層を形成し、半導体基板に対して垂直な方向にレーザ光を放射する垂直共振器型面発光レーザ素子が開示されている(特許文献1参照)。   As a conventional surface emitting laser element, a DBR (Distributed Bragg Reflector) mirror is configured by laminating an active layer between upper and lower multilayer mirrors made of a semiconductor, and a current path is provided to further increase current injection efficiency. A vertical cavity surface emitting laser element that forms a current confining layer to be limited and emits laser light in a direction perpendicular to a semiconductor substrate is disclosed (see Patent Document 1).

ここで、DBRミラーにおける光吸収を低減するために光吸収起因となる不純物の濃度を5×1017cm−3以下としたアンドープDBRミラーを、最近の長波長帯VCSELでは採用している研究機関が多い。この場合、基板は半絶縁性基板(SI基板;semi-insulating substrate)となり、電極はn型、p型共にエピ側から取る。さらに、信頼性向上のためにシリコンなどのn型不純物を添加したn型のGaAs基板を採用した面発光レーザ素子が提案されている。しかしながら、これまでは、n型GaAs基板上に、不純物の濃度を5×1017cm−3以下としたアンドープDBRミラーを採用した長波長帯VCSELは報告されていなかった。 Here, in order to reduce the light absorption in the DBR mirror, a research institution adopting an undoped DBR mirror in which the concentration of impurities caused by light absorption is 5 × 10 17 cm −3 or less in the recent long wavelength band VCSEL There are many. In this case, the substrate is a semi-insulating substrate (SI substrate), and the electrodes are taken from the epi side for both n-type and p-type. Further, there has been proposed a surface emitting laser element employing an n-type GaAs substrate to which an n-type impurity such as silicon is added in order to improve reliability. However, until now, no long wavelength band VCSEL employing an undoped DBR mirror with an impurity concentration of 5 × 10 17 cm −3 or less on an n-type GaAs substrate has not been reported.

特開2005−252032号公報JP 2005-252032 A

しかしながら、n型GaAs上にアンドープDBRミラーを積層した場合、n型GaAs基板とアンドープDBRミラーとの格子不整合によって転位が発生し、面発光レーザ素子の信頼性が低下してしまうという問題が我々の実験で初めて明らかになった。   However, when an undoped DBR mirror is stacked on n-type GaAs, dislocation occurs due to lattice mismatch between the n-type GaAs substrate and the undoped DBR mirror, and the reliability of the surface emitting laser element is reduced. The first experiment revealed this.

本発明は、n型GaAs上にアンドープDBRミラーを積層した場合であっても転位の発生を低減した高信頼性の長波長帯域面発光レーザ素子を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a highly reliable long-wavelength-band surface emitting laser element in which generation of dislocations is reduced even when an undoped DBR mirror is stacked on n-type GaAs.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、n型GaAs基板と、前記基板上に積層され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される上部多層膜反射鏡とを有する光共振器と、前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられ、光を発生する活性層と、前記共振器内から引き出されたp型電極およびn型電極と、を備えた長波長帯域面発光レーザ素子において、前記下部多層膜反射鏡の低屈折率層は、Al、Ga、Asを含んだ半導体材料で形成され、前記半導体材料のIII族サイトに前記Alが占める濃度が80%以上100%以下であり、前記下部多層膜反射鏡および前記上部多層膜反射鏡の全体におけるドナーもしくはアクセプター不純物濃度の平均値が5×1017cm−3以下であり、前記n型GaAs基板は、1×1016cm−3以上1.5×1018cm−3以下の濃度のシリコンを含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a long-wavelength surface emitting laser device according to the present invention includes an n-type GaAs substrate, stacked on the substrate, and a high refractive index layer and a low refractive index layer. An optical resonator having a lower multilayer reflector formed of a periodic structure; an upper multilayer reflector formed of a periodic structure of a high refractive index layer and a low refractive index layer; the lower multilayer reflector; In the long wavelength band surface emitting laser device provided between the upper multilayer reflector and comprising an active layer for generating light, and a p-type electrode and an n-type electrode drawn out from the resonator, The low refractive index layer of the lower multilayer mirror is formed of a semiconductor material containing Al, Ga, As, and the concentration of the Al in the group III site of the semiconductor material is 80% or more and 100% or less, Lower multilayer reflector and upper multilayer reflector The average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire mirror is 5 × 10 17 cm −3 or less, and the n-type GaAs substrate is 1 × 10 16 cm −3 or more and 1.5 × 10 18 cm −3 or less. It is characterized by containing a concentration of silicon.

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡のIII族を占めるAlの平均Al組成Xと、前記n型GaAs基板のシリコン濃度Ycm−3とは、1×1016≦Y≦−8.8×1019+6.4×1019X−1×1019の関係を満たすことを特徴とする。 Further, in the long wavelength band surface emitting laser device according to the present invention, the average Al composition X of Al occupying the group III of the lower multilayer mirror and the silicon concentration Ycm −3 of the n-type GaAs substrate are 1 × 10 16 ≦ Y ≦ −8.8 × 10 19 X 2 + 6.4 × 10 19 X−1 × 10 19 is satisfied.

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記n型GaAs基板のシリコン濃度は、1×1017cm−3以上1×1018cm−3以下であることを特徴とする。 In the long wavelength band surface emitting laser device according to the present invention, the silicon concentration of the n-type GaAs substrate is 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less.

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡は、基板側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が1×1018〜1×1021cm−3であり、活性層側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が1×1015〜1×1018cm−3であり、前記下部多層膜反射鏡全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が5×1017cm−3以下であることを特徴とする。 Further, in the long wavelength band surface emitting laser device according to the present invention, the lower multilayer reflector has an average value of donor or acceptor impurity concentration in the substrate side region of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . The average value of the donor or acceptor impurity concentration in the active layer side region is 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3 , and the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire lower multilayer reflector is 5 × 10 It is 17 cm- 3 or less.

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡は、窒素又は燐を0.01%以上含むことを特徴とする。   In the long wavelength band surface emitting laser device according to the present invention, the lower multilayer reflector includes 0.01% or more of nitrogen or phosphorus.

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡の一部は、カーボンを1×1018cm−3以上含むことを特徴とする。 In the long wavelength band surface emitting laser device according to the present invention, a part of the lower multilayer reflector includes carbon of 1 × 10 18 cm −3 or more.

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡の一部は、シリコンを1×1018cm−3以上含むことを特徴とする。 Further, in the long wavelength band surface emitting laser device according to the present invention, a part of the lower multilayer reflector includes 1 × 10 18 cm −3 or more of silicon.

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡の光分布の節付近におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度は、1×1018〜1×1021cm−3であることを特徴とする。 In the long wavelength band surface emitting laser device according to the present invention, the donor or acceptor impurity concentration in the vicinity of the node of the light distribution of the lower multilayer reflector is 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3. It is characterized by.

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は、誘電体で構成されることを特徴とする。   In the long wavelength band surface emitting laser device according to the present invention, at least a part of the upper multilayer mirror is made of a dielectric.

本発明によれば、下部多層膜反射鏡の低屈折率層を形成するAl、Ga、Asを含む半導体材料のIII族サイトに格子定数の大きいAlが占める濃度を80%以上100%以下とし、さらに下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡の全体におけるドナーもしくはアクセプター不純物濃度の平均値を5×1017cm−3以下とした場合であっても、n型GaAs基板における格子定数の小さいシリコン濃度を1×1016cm−3以上1.5×1018cm−3以下の濃度とすることによって、n型GaAs基板と下部多層膜反射鏡との格子不整合による転位発生を低減し、長波長帯域面発光レーザ素子の信頼性を高めることが可能になる。 According to the present invention, the concentration of Al having a large lattice constant in the group III site of the semiconductor material containing Al, Ga, As that forms the low refractive index layer of the lower multilayer reflector is 80% or more and 100% or less, Further, even when the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire lower multilayer reflector and upper multilayer reflector is 5 × 10 17 cm −3 or less, silicon having a small lattice constant in the n-type GaAs substrate is used. By setting the concentration to 1 × 10 16 cm −3 or more and 1.5 × 10 18 cm −3 or less, the occurrence of dislocation due to lattice mismatch between the n-type GaAs substrate and the lower multilayer mirror is reduced. It becomes possible to improve the reliability of the wavelength band surface emitting laser element.

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and width of each layer, the ratio of each layer, and the like are different from the actual ones. Also in the drawings, there are included portions having different dimensional relationships and ratios.

図1および図2は、本実施の形態にかかる長波長帯域の面発光レーザ素子100の要部構成を示す図である。図1は平面図であり、図2は、図1中に示したII−II矢視断面を示す断面図である。これらの図に示すように、面発光レーザ素子100は、面方位(001)のn−GaAs基板1上に積層された下部多層膜反射鏡として機能するアンドープの下部DBRミラー2、n型コンタクト層3、n型電極4、n型クラッド層5、活性層6、p型クラッド層7、電流狭窄層8、p型クラッド層9、p型コンタクト層10、p型電極11および上部多層膜反射鏡として機能する上部DBRミラー12を備える。このうち、n型クラッド層5と、その上に積層された活性層6、電流狭窄層8、p型クラッド層7およびp型クラッド層9とは、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストとして形成されている。なお、メサポスト径はたとえば直径30μmである。   FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams showing the main configuration of the long-wavelength surface emitting laser element 100 according to the present embodiment. 1 is a plan view, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II shown in FIG. As shown in these drawings, the surface emitting laser element 100 includes an undoped lower DBR mirror 2 and an n-type contact layer that function as a lower multilayer reflector that is stacked on an n-GaAs substrate 1 having a plane orientation (001). 3, n-type electrode 4, n-type cladding layer 5, active layer 6, p-type cladding layer 7, current confinement layer 8, p-type cladding layer 9, p-type contact layer 10, p-type electrode 11 and upper multilayer reflector The upper DBR mirror 12 functioning as Among these, the n-type clad layer 5 and the active layer 6, the current confinement layer 8, the p-type clad layer 7 and the p-type clad layer 9 laminated thereon are mesa posts formed into a columnar shape by an etching process or the like. Is formed. The mesa post diameter is, for example, 30 μm.

下部DBRミラー2は、たとえば0.1μmの厚さでn−GaAs基板1上に積層されたアンドープGaAsバッファ層上に形成される。アンドープの下部DBRミラー2は、低屈折率層として機能するAl、Ga、Asを含む半導体層と、高屈折折率層として機能するGa、Asを含む半導体層とを1ペアとする複合半導体層が複数ペア積層された半導体多層膜ミラーとして形成されている。アンドープの下部n型DBRミラー2の複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ/4n(λ:発振波長、n:屈折率)とされている。そして、下部DBRミラー2は、下部DBRミラー2全体における不純物濃度の平均値が5×1017cm−3以下であるアンドープDBRミラーである。 The lower DBR mirror 2 is formed on an undoped GaAs buffer layer stacked on the n-GaAs substrate 1 with a thickness of 0.1 μm, for example. The undoped lower DBR mirror 2 is a composite semiconductor layer in which a semiconductor layer containing Al, Ga, As that functions as a low refractive index layer and a semiconductor layer containing Ga, As that functions as a high refractive index layer are paired. Are formed as a semiconductor multilayer mirror in which a plurality of pairs are stacked. The thickness of each layer constituting the composite semiconductor layer of the undoped lower n-type DBR mirror 2 is λ / 4n (λ: oscillation wavelength, n: refractive index). The lower DBR mirror 2 is an undoped DBR mirror in which the average value of the impurity concentration in the entire lower DBR mirror 2 is 5 × 10 17 cm −3 or less.

n型コンタクト層3は、アンドープの下部DBRミラー2上にn−GaAsを材料として形成される。n型コンタクト層3の厚さは、(3λ)/4とされている。n型クラッド層5は、n型コンタクト層3上にn−GaAsを材料として形成される。p型クラッド層7は、後述する活性層6上にp−GaAsを材料として形成される。p型クラッド層9は、後述する電流狭窄層8上にp−GaAsを材料として形成される。そして、p型コンタクト層10は、p型クラッド層9上にp−GaAsを材料として形成される。p型コンタクト層10の厚さは、λ/4とされている。   The n-type contact layer 3 is formed on the undoped lower DBR mirror 2 using n-GaAs. The thickness of the n-type contact layer 3 is (3λ) / 4. The n-type cladding layer 5 is formed on the n-type contact layer 3 using n-GaAs as a material. The p-type cladding layer 7 is formed using p-GaAs as a material on an active layer 6 described later. The p-type cladding layer 9 is formed using p-GaAs as a material on a current confinement layer 8 described later. The p-type contact layer 10 is formed on the p-type cladding layer 9 using p-GaAs as a material. The thickness of the p-type contact layer 10 is λ / 4.

電流狭窄層8は、p型クラッド層7上に形成されており、電流狭窄開口部としての開口部8aと選択酸化層8bとから構成されている。電流狭窄層8は、例えば厚さ30nmのAl0.98Ga0.02AsからなるAl含有層によって形成される。選択酸化層8bは、このAl含有層が外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで輪帯上に形成されている。選択酸化層8bは、絶縁性を有し、p型電極11から注入される電流を狭窄して開口部8a内に集中させることで、開口部8a直下における活性層6内の電流密度を高めている。なお、開口部8aの電流開口径はたとえば直径6μmである。 The current confinement layer 8 is formed on the p-type cladding layer 7 and is composed of an opening 8a as a current confinement opening and a selective oxidation layer 8b. The current confinement layer 8 is formed of an Al-containing layer made of, for example, Al 0.98 Ga 0.02 As having a thickness of 30 nm. The selective oxidation layer 8b is formed on the annular zone by oxidizing the Al-containing layer by a predetermined range from the outer peripheral portion along the laminated surface. The selective oxidation layer 8b has an insulating property and narrows the current injected from the p-type electrode 11 and concentrates it in the opening 8a, thereby increasing the current density in the active layer 6 immediately below the opening 8a. Yes. The current opening diameter of the opening 8a is, for example, 6 μm.

活性層6は、たとえばGa0.65In0.350.01As0.99/GaAsからなる複合半導体層が3層積層された多重量子井戸構造(MQW:Multiple Quantum Well)を有し、p型電極11から注入されて電流狭窄層8によって狭窄された電流をもとに1μm〜1.7μmの自然放出光を発する。Ga0.65In0.350.01As0.99層は量子井戸として機能し、たとえば7.3nmの厚さを有する。また、GaAs層は障壁層として機能し、たとえば9nmの厚さを有する。この自然放出光は、共振器としての下部DBRミラー2と上部DBRミラー12との間で活性層6を含む各層に対して垂直方向に共振されて増幅された後、上部DBRミラー12上からレーザ光として射出される。なお、電流狭窄層8は、この活性層6から3λ/4離した位置に形成される。そして、n型コンタクト層3、n型クラッド層5、活性層6、p型クラッド層7、電流狭窄層8、p型クラッド層9およびp型コンタクト層10は、3λ光共振器を構成する。 The active layer 6 has a multiple quantum well (MQW) structure in which, for example, three composite semiconductor layers made of Ga 0.65 In 0.35 N 0.01 As 0.99 / GaAs are stacked, Spontaneously emitted light of 1 μm to 1.7 μm is emitted based on the current injected from the p-type electrode 11 and constricted by the current confinement layer 8. The Ga 0.65 In 0.35 N 0.01 As 0.99 layer functions as a quantum well and has a thickness of, for example, 7.3 nm. The GaAs layer functions as a barrier layer and has a thickness of 9 nm, for example. The spontaneous emission light is amplified by being resonated and amplified in a direction perpendicular to each layer including the active layer 6 between the lower DBR mirror 2 and the upper DBR mirror 12 serving as a resonator, and then lasered from above the upper DBR mirror 12. Injected as light. The current confinement layer 8 is formed at a position separated from the active layer 6 by 3λ / 4. The n-type contact layer 3, the n-type cladding layer 5, the active layer 6, the p-type cladding layer 7, the current confinement layer 8, the p-type cladding layer 9 and the p-type contact layer 10 constitute a 3λ optical resonator.

上部DBRミラー12は、p型コンタクト層10上に形成される。上部DBRミラー12は、例えばSiN/SiO2からなる複合誘電体層が複数ペア(たとえば5ペア)積層された誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部DBRミラー2と同様に各層の厚さがλ/4nとされている。上部DBRミラー12は、例えば、メサポストを含む範囲に所定層数の誘電体多層膜を成膜し、この誘電体多層膜のうち開口部8aの直上部以外の周囲領域をエッチングする(エッチング工程)ことで形成される。 The upper DBR mirror 12 is formed on the p-type contact layer 10. The upper DBR mirror 12 is formed as a dielectric multilayer mirror in which a plurality of pairs (for example, 5 pairs) of composite dielectric layers made of, for example, SiN / SiO 2 are stacked, and the thickness of each layer is the same as that of the lower DBR mirror 2. Is λ / 4n. For example, the upper DBR mirror 12 forms a dielectric multilayer film having a predetermined number of layers in a range including a mesa post, and etches a peripheral region other than the portion directly above the opening 8a in the dielectric multilayer film (etching step). Is formed.

p型電極11は、p型コンタクト層10上に積層され、上部DBRミラー12に沿って取り囲むようにリング状に形成されている。一方、n型電極4は、n型コンタクト層3上に積層され、メサポストの底面部をその積層面に沿って取り囲むようにC字状に形成されている。これらp型電極11およびn型電極4は、それぞれp型引出電極14およびn型引出電極13よって、図示しない外部回路(電流供給回路等)に電気的に接続されている。なお、各層の成長は、MBE、ガスソースMBE、CBE、MOCVDの各成長方法のいずれか一つを用いて行なえばよい。   The p-type electrode 11 is stacked on the p-type contact layer 10 and is formed in a ring shape so as to surround the upper DBR mirror 12. On the other hand, the n-type electrode 4 is laminated on the n-type contact layer 3, and is formed in a C shape so as to surround the bottom surface portion of the mesa post along the laminated surface. The p-type electrode 11 and the n-type electrode 4 are electrically connected to an external circuit (such as a current supply circuit) (not shown) by a p-type extraction electrode 14 and an n-type extraction electrode 13, respectively. The growth of each layer may be performed using any one of the growth methods of MBE, gas source MBE, CBE, and MOCVD.

ここで、従来の面発光レーザ素子においては、n型GaAs上にドープドDBRミラーを積層した場合、n型GaAs基板とDBRにおける、フリーキャリア吸数を受けて、しきい値の増加、スロープ効率の低下、光出力の低下という問題があった。   Here, in the conventional surface emitting laser element, when a doped DBR mirror is stacked on n-type GaAs, the threshold value increases and the slope efficiency increases due to free carrier absorption in the n-type GaAs substrate and DBR. There was a problem of reduction and light output reduction.

まず、従来の面発光レーザ素子について説明する。図3は、従来技術にかかる面発光レーザ素子を模式的に表した断面斜視図である。図3に示すように、従来技術にかかる面発光レーザ素子は、面方位(100)のn−GaAs基板101、n型の下部DBRミラー102、n−GaAsクラッド層105、活性層106、p−GaAsクラッド層107、開口部108aおよび選択酸化層108bからなる電流狭窄層108、p−GaAsクラッド層109、p型の上部DBRミラー112が順次積層したものである。そして、n−GaAsクラッド層105から上部DBRミラー112まではメサポスト構造を有し、このメサポストはたとえばポリイミド115で埋め込んである。また、上部DBRミラー112とポリイミド115との上面には開口部を有するp側電極111、n−GaAs基板101の下面にはn側電極104がそれぞれ形成されている。ここで、下部DBRミラー102は、層厚がそれぞれλ/4nのAl0.9Ga0.1As層とGaAs層とを1ペアとする多層膜が35.5ぺア積層したものである。 First, a conventional surface emitting laser element will be described. FIG. 3 is a cross-sectional perspective view schematically showing a surface emitting laser element according to the prior art. As shown in FIG. 3, the surface emitting laser element according to the prior art includes an n-GaAs substrate 101 having a plane orientation (100), an n-type lower DBR mirror 102, an n-GaAs cladding layer 105, an active layer 106, p- A current confinement layer 108 composed of a GaAs cladding layer 107, an opening 108a and a selective oxidation layer 108b, a p-GaAs cladding layer 109, and a p-type upper DBR mirror 112 are sequentially stacked. The n-GaAs cladding layer 105 to the upper DBR mirror 112 have a mesa post structure, and this mesa post is filled with polyimide 115, for example. A p-side electrode 111 having an opening is formed on the upper surface of the upper DBR mirror 112 and the polyimide 115, and an n-side electrode 104 is formed on the lower surface of the n-GaAs substrate 101. Here, the lower DBR mirror 102 is formed by laminating 35.5 pairs of multilayer films in which a pair of an Al 0.9 Ga 0.1 As layer and a GaAs layer each having a layer thickness of λ / 4n.

従来の面発光レーザ素子は、ドーパントの濃度を1×1018cm−3程度としたドープドDBRミラーを採用し、さらに結晶欠陥(EPD:Etch Pit Density)が確実に500cm−2未満となるようにn型不純物であるシリコン(Si)を3〜4×1018cm−3程度添加したn−GaAs基板101を採用している。そこで、図1及び図2に示すような、アンドープDBRを用いた長波長帯VCSELの開発を開始した。 A conventional surface emitting laser element employs a doped DBR mirror having a dopant concentration of about 1 × 10 18 cm −3 , and further ensures that crystal defects (EPD: Etch Pit Density) are less than 500 cm −2. An n-GaAs substrate 101 to which silicon (Si) that is an n-type impurity is added in an amount of about 3 to 4 × 10 18 cm −3 is employed. Therefore, development of a long wavelength band VCSEL using an undoped DBR as shown in FIGS. 1 and 2 was started.

ここで、下部DBRミラー2の低屈折率層を形成するAlGaAsは、高組成のAlを含むためGaAsよりも格子定数が格段に大きくなる。また、SiはGaAsの格子定数を小さくする機能があるため、Siが多量に添加されたn−GaAs基板1は、Siが添加されていないGaAsと比較し格子定数が小さくなる。したがって、n−GaAs基板1上にAlGaAs層を低屈折率層として含む下部DBRミラー2を積層した場合、n−GaAs基板1の格子定数と下部DBRミラー2の格子定数とに大きな差が生じてしまい、この格子不整合による歪みの蓄積によって転位が発生し、面発光レーザ素子の信頼性が低下してしまうという問題があった。実際に、Si濃度が4×1018cm−3であるn−GaAs基板101上にアンドープの下部DBRミラー2を形成したところ、AlAs/GaAs(31ペア)の場合には1×10cm−2もの転移が発生し、AlGaAs/GaAs(37ペア)の場合には1×10cm−2の転移が発生してしまい、所望の歩留まりを達成することができなかった。 Here, AlGaAs forming the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2 contains a high composition of Al, and therefore has a lattice constant much larger than that of GaAs. Further, since Si has a function of reducing the lattice constant of GaAs, the n-GaAs substrate 1 doped with a large amount of Si has a smaller lattice constant than GaAs without addition of Si. Therefore, when the lower DBR mirror 2 including the AlGaAs layer as the low refractive index layer is stacked on the n-GaAs substrate 1, a large difference is generated between the lattice constant of the n-GaAs substrate 1 and the lattice constant of the lower DBR mirror 2. Therefore, there is a problem that dislocation occurs due to the accumulation of strain due to the lattice mismatch, and the reliability of the surface emitting laser element is lowered. Actually, when the undoped lower DBR mirror 2 is formed on the n-GaAs substrate 101 having a Si concentration of 4 × 10 18 cm −3 , in the case of AlAs / GaAs (31 pairs), 1 × 10 7 cm −. Two transitions occurred, and in the case of AlGaAs / GaAs (37 pairs), a transition of 1 × 10 5 cm −2 occurred, and a desired yield could not be achieved.

これに対し、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子100は、下部DBRミラー2の低屈折率層を形成するAl、Ga、Asを含んだ半導体材料のIII族サイトを示すAl濃度と、n−GaAs基板1に含まれるSi濃度とを制御することによって、n−GaAs基板1の格子定数と下部DBRミラー2の格子定数との差を小さくし、基板およびDBRミラーに蓄積される歪を低減して歪に起因する転位を低減している。   On the other hand, the surface emitting laser element 100 according to the present embodiment includes an Al concentration indicating a group III site of a semiconductor material containing Al, Ga, and As that forms a low refractive index layer of the lower DBR mirror 2, and n -By controlling the Si concentration contained in the GaAs substrate 1, the difference between the lattice constant of the n-GaAs substrate 1 and the lattice constant of the lower DBR mirror 2 is reduced, and the strain accumulated in the substrate and DBR mirror is reduced. Thus, dislocations due to strain are reduced.

まず、下部DBRミラー2を構成する低屈折率層の半導体材料のAl濃度について説明する。下部DBRミラーの低屈折率層のAl濃度を80%未満の低い濃度とした場合には、低屈折率層の1層あたりの熱抵抗が上がってしまうとともに高屈折率層との反射率差を確保するためペア数を上げざるを得なくなってしまうため、下部DBRミラー2の熱抵抗が高くなってしまい、特に高温動作時において十分な出力を確保することが困難となる。このため、下部DBRミラー2の低屈折率層のAl濃度は、GaAsによって形成される高屈折率層との反射率差の確保、低屈折率層のペア数の抑制、熱抵抗上昇の抑制、高温動作時における出力確保のため、80%以上必要である。   First, the Al concentration of the semiconductor material of the low refractive index layer constituting the lower DBR mirror 2 will be described. When the Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror is set to a low concentration of less than 80%, the thermal resistance per layer of the low refractive index layer increases and the reflectance difference from the high refractive index layer is increased. Since the number of pairs must be increased in order to ensure, the thermal resistance of the lower DBR mirror 2 becomes high, and it becomes difficult to ensure a sufficient output especially during high temperature operation. For this reason, the Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2 is to ensure a difference in reflectance from the high refractive index layer formed of GaAs, to suppress the number of pairs of low refractive index layers, to suppress an increase in thermal resistance, 80% or more is necessary to ensure output during high temperature operation.

そして、このように下部DBRミラー2の低屈折率層のAl濃度を80%以上とした場合には、高組成のAlを含むためGaAsよりも格子定数が格段に大きくなる。さらに、Siが多量に添加されたn−GaAs基板1を使用した場合には、n−GaAs基板1の格子定数と下部DBRミラー2の格子定数とに大きな差が生じてしまい、この格子不整合による歪みの蓄積によって転位が発生し、面発光レーザ素子の信頼性が低下してしまう。そこで、本実施の形態においては、実際にn−GaAs基板1に各濃度のSiを添加し、Al濃度をそれぞれ変えた下部DBRミラー2を形成した場合における各転位密度を検証した上で、所定の転位密度以下となるようにn−GaAs基板1に含まれるシリコン濃度を調整している。   When the Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2 is set to 80% or more in this way, the lattice constant is significantly larger than that of GaAs because it contains high composition Al. Further, when the n-GaAs substrate 1 to which a large amount of Si is added is used, a large difference is generated between the lattice constant of the n-GaAs substrate 1 and the lattice constant of the lower DBR mirror 2, and this lattice mismatch. Dislocation occurs due to the accumulation of strain due to, and the reliability of the surface emitting laser element is lowered. Therefore, in the present embodiment, each concentration of Si is actually added to the n-GaAs substrate 1 to verify the dislocation density when the lower DBR mirror 2 having different Al concentrations is formed. The concentration of silicon contained in the n-GaAs substrate 1 is adjusted so as to be less than the dislocation density.

図4は、下部DBRミラー2の低屈折率層として各Al濃度のAlGaAs層を積層した場合におけるn型基板中のSi濃度と転位密度との関係を示す図である。図4における曲線l1は、下部DBRミラー2の低屈折率層としてAl濃度100%のAlAs層を積層した場合におけるn型基板中のSi濃度と転位密度との関係を示し、図4における曲線l2は、下部DBRミラー2の低屈折率層としてAl濃度80%のAl0.8Ga0.2As層を積層した場合におけるn型基板中のSi濃度と転位密度との関係を示す。また、曲線l1は、AlAs層とGaAs層とを31ペア積層した場合に対応し、曲線l2は、Al0.8Ga0.2As層とGaAs層とを37ペア積層した場合に対応する。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the Si concentration in the n-type substrate and the dislocation density when AlGaAs layers having various Al concentrations are stacked as the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2. A curve l1 in FIG. 4 shows the relationship between the Si concentration in the n-type substrate and the dislocation density when an AlAs layer having an Al concentration of 100% is stacked as the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2, and the curve l2 in FIG. These show the relationship between the Si concentration in the n-type substrate and the dislocation density when an Al 0.8 Ga 0.2 As layer having an Al concentration of 80% is stacked as the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2. Curve 11 corresponds to the case where 31 pairs of AlAs layers and GaAs layers are stacked, and curve 12 corresponds to the case where 37 pairs of Al 0.8 Ga 0.2 As layers and GaAs layers are stacked.

図4に示すように、Al濃度を100%とした場合、n−GaAs基板のSi濃度が1×1017cm−2である場合には転位密度は1×10cm−2となり、Si濃度が1.5×1018cm−2である場合には転位密度は1×10cm−2となり、さらに、従来と同様にSi濃度が4×1018cm−3である場合には、転位密度は1×10cm−2まで上昇してしまう。そして、Al濃度を80%とした場合、n−GaAs基板のSi濃度が1×1017cm−2である場合には転位密度は1×10cm−2まで低くなり、Si濃度が1.5×1018cm−2である場合には転位密度は1×10cm−2となるものの、さらに従来と同様にSi濃度が4×1018cm−3である場合には転位密度は1×10cm−2となる。このように、低屈折率層のAl濃度を80%とした場合と、Al濃度を100%とした場合とでは、転位密度の差は2桁程度となってしまう。 As shown in FIG. 4, when the Al concentration is 100%, if Si concentration of n-GaAs substrate is 1 × 10 17 cm -2 dislocation density of 1 × 10 5 cm -2 next, Si concentration Is 1.5 × 10 18 cm −2 , the dislocation density is 1 × 10 6 cm −2 , and when the Si concentration is 4 × 10 18 cm −3 , the dislocation density is 4 × 10 18 cm −3. The density increases to 1 × 10 7 cm −2 . When the Al concentration is 80%, when the Si concentration of the n-GaAs substrate is 1 × 10 17 cm −2 , the dislocation density is reduced to 1 × 10 3 cm −2 , and the Si concentration is 1. When the density is 5 × 10 18 cm −2 , the dislocation density is 1 × 10 4 cm −2 , but when the Si concentration is 4 × 10 18 cm −3 , the dislocation density is 1 It becomes x10 < 5 > cm <-2> . Thus, when the Al concentration of the low refractive index layer is 80% and when the Al concentration is 100%, the difference in dislocation density is about two digits.

ここで、1×10cm−2の転位密度の場合には、10μm角に0.01本の密度で転位が存在することになる。すなわち、1×10cm−2の転位密度の場合には、面発光レーザ素子のメサ構造に0.01本程度の本数で転位があることになり、1チャンネルあたりの歩留まりは99%となる。そして、たとえば10チャンネルアレーにおける歩留まりを90%以下とするためには、1チャンネルあたりの歩留まりを99%以下にする必要がある。このため、10チャンネルアレーにおいて歩留まりを90%以上確保するためには、転位密度を1×10cm−2以下とする必要がある。 Here, in the case of a dislocation density of 1 × 10 4 cm −2 , dislocations exist at a density of 0.01 per 10 μm square. That is, in the case of a dislocation density of 1 × 10 4 cm −2 , there are about 0.01 dislocations in the mesa structure of the surface emitting laser element, and the yield per channel is 99%. . For example, in order to reduce the yield in a 10-channel array to 90% or less, the yield per channel needs to be 99% or less. For this reason, in order to secure a yield of 90% or more in a 10-channel array, the dislocation density needs to be 1 × 10 4 cm −2 or less.

したがって、図4の曲線l2に示すように、転位密度1×10cm−2とするためには、下部DBRミラー2の低屈折率層のAl濃度が80%である場合、n−GaAs基板1のSi濃度を1.5×1018cm−3にする必要がある。すなわち、n−GaAs基板1のSi濃度の上限は、1.5×1018cm−3であるといえる。さらに、Al濃度100%である場合には、転位密度1×10cm−2を達成するには、Si濃度を1×1016cm−3程度以下にすることが必要である。 Therefore, as shown by the curve l2 in FIG. 4, in order to obtain a dislocation density of 1 × 10 4 cm −2 , when the Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2 is 80%, the n-GaAs substrate 1 Si concentration needs to be 1.5 × 10 18 cm −3 . That is, it can be said that the upper limit of the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 is 1.5 × 10 18 cm −3 . Furthermore, when the Al concentration is 100%, in order to achieve the dislocation density of 1 × 10 4 cm −2 , the Si concentration needs to be about 1 × 10 16 cm −3 or less.

そして、GaAs基板における結晶欠陥(EPD:Etch Pit Density)は、5000以下に抑制する必要があり、望ましくは、500cm−2以下とする必要がある。このEPD量は、Si添加量が増加するにしたがって低下する。具体的には、Si添加量が1〜4×1018cm−3である場合にはEPDは確実に500cm−2以下となり、Si添加量が1×1016cm−3未満である場合にはEPDが5000cm−2を超えてしまう。したがって、EPDを5000cm−2以下に抑制するためには、n−GaAs基板のSi濃度を1×1016cm−3にする必要がある。すなわち、n−GaAs基板1のSi濃度の下限は、1×1016cm−3であるといえる。このように、本実施の形態においては、n−GaAs基板1のSi濃度を1×1016cm−3以上1.5×1018cm−3以下として、転位発生防止とEPD抑制との双方を実現する。 And the crystal defect (EPD: Etch Pit Density) in a GaAs substrate needs to be suppressed to 5000 or less, desirably 500 cm -2 or less. This EPD amount decreases as the Si addition amount increases. Specifically, when the Si addition amount is 1 to 4 × 10 18 cm −3 , the EPD is surely 500 cm −2 or less, and when the Si addition amount is less than 1 × 10 16 cm −3. EPD exceeds 5000 cm- 2 . Therefore, in order to suppress EPD to 5000 cm −2 or less, the Si concentration of the n-GaAs substrate needs to be 1 × 10 16 cm −3 . That is, it can be said that the lower limit of the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 is 1 × 10 16 cm −3 . Thus, in the present embodiment, the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 is set to 1 × 10 16 cm −3 or more and 1.5 × 10 18 cm −3 or less to prevent both dislocation generation and EPD suppression. Realize.

さらに、実際に、下部DBRミラー2の低屈折率層のAl濃度が80%または100%である場合に限らず、80〜100%の各濃度についても、n−GaAs基板1のSi濃度の許容量について検証した。この下部DBRミラー2の低屈折率層の各Al濃度に対するn−GaAs基板1のSi濃度の上限値を求めた結果を図5に示す。なお、横軸は、低屈折率層および高屈折率層の双方を合わせた下部DBRミラー2の平均Al組成となるため、実際の低屈折率層のAl濃度は、この平均Al組成の2倍となる。   Furthermore, actually, not only when the Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2 is 80% or 100%, the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 is allowed for each concentration of 80 to 100%. The capacity was verified. FIG. 5 shows the result of obtaining the upper limit value of the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 with respect to each Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2. The horizontal axis represents the average Al composition of the lower DBR mirror 2 that combines both the low refractive index layer and the high refractive index layer, so the actual Al concentration of the low refractive index layer is twice the average Al composition. It becomes.

図5の曲線l3は、下部DBRミラー2の低屈折率層の各Al濃度と許容できるn−GaAs基板1のSi濃度の値との関係を示すものである。なお、図5の曲線l3は転位密度の上限値を1×10cm−2としたものである。また、図中Luは前述したn−GaAs基板1のSi濃度の上限値1.5×1018cm−3であり、図中Liはn−GaAs基板1のSi濃度の下限値1×1016cm−3である。 A curve l3 in FIG. 5 shows a relationship between each Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2 and an allowable Si concentration value of the n-GaAs substrate 1. In addition, the curve l3 of FIG. 5 sets the upper limit of a dislocation density to 1 * 10 < 4 > cm <-2> . In the figure, Lu is the upper limit value 1.5 × 10 18 cm −3 of the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 described above, and Li is the lower limit value 1 × 10 16 of the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 in the figure. cm- 3 .

この図5の結果より、曲線l3以下となるように、n−GaAs基板1のSi濃度と下部DBRミラー2の低屈折率層の各Al濃度とを調整することによって、転位密度を1×10cm−2未満に抑制することができる。そして、n−GaAs基板1のSi濃度を、Si濃度の下限値Li1×1016cm−3以上とすることによって、n−GaAs基板1のEPDも5000cm−2以下とすることができる。すなわち、下部DBRミラー2のIII族を占めるAlの平均Al組成Xと、n−GaAs基板1のSi濃度をYとした場合、この平均Al組成XとSi濃度Yとは、以下の(1)式の関係を満たせばよい。
1×1016≦Y≦―8.8×1019+6.4×1019X−1×1019 ・・・(1)
From the result of FIG. 5, by adjusting the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 and each Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2 so as to be equal to or lower than the curve l3, the dislocation density is 1 × 10. It can be suppressed to less than 4 cm −2 . Then, by setting the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 to be the lower limit value Li1 × 10 16 cm −3 or more of the Si concentration, the EPD of the n-GaAs substrate 1 can be set to 5000 cm −2 or less. That is, when the average Al composition X of Al occupying the group III of the lower DBR mirror 2 and the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 are Y, the average Al composition X and Si concentration Y are as follows: It only has to satisfy the relationship of the formula.
1 × 10 16 ≦ Y ≦ −8.8 × 10 19 X 2 + 6.4 × 10 19 X-1 × 10 19 (1)

さらに、高屈折率層と低屈折率層との反射率を確実に確保するためには、下部DBRミラー2のIII族を占めるAlの平均Al組成Xが0.45である場合、すなわち、下部DBRミラー2の低屈折率層のAl濃度が90%である必要がある。このため、n−GaAs基板1のSi濃度の最適範囲の上限値は、図5の曲線l3より、下部DBRミラー2のIII族を占めるAlの平均Al組成0.45に対応する1×1018cm−3となる。そして、n−GaAs基板1のEPDは500以下となるように抑制することが望ましい。n−GaAs基板のSi濃度を少なくとも1×1017cm−3まで増加させることによって、EPDは500cm−2以下にできることから、n−GaAs基板1のSi濃度の最適範囲の下限値は、1×1017cm−3となる。したがって、n型GaAs基板のSi濃度の最適範囲は、1×1017cm−3以上1×1018cm−3以下となる。 Furthermore, in order to ensure the reflectivity of the high refractive index layer and the low refractive index layer, when the average Al composition X of Al occupying group III of the lower DBR mirror 2 is 0.45, The Al concentration of the low refractive index layer of the DBR mirror 2 needs to be 90%. For this reason, the upper limit value of the optimum range of the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 is 1 × 10 18 corresponding to the average Al composition 0.45 of Al occupying the group III of the lower DBR mirror 2 from the curve l3 of FIG. cm −3 . It is desirable to suppress the EPD of the n-GaAs substrate 1 to 500 or less. Since the EPD can be reduced to 500 cm −2 or less by increasing the Si concentration of the n-GaAs substrate to at least 1 × 10 17 cm −3 , the lower limit value of the optimum range of the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 is 1 × 10 17 cm −3 . Therefore, the optimum range of the Si concentration of the n-type GaAs substrate is 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less.

このように、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子1は、下部DBRミラー2の低屈折率層を形成するAl、Ga、Asを含む半導体材料のIII族サイトに格子定数の大きいAlが占める濃度を80%以上100%以下とすることによって、必要なペア数を積層した場合であっても下部DBRミラー2の熱抵抗を下げて高温動作時における出力を可能とし、n−GaAs基板1における格子定数の小さいシリコン濃度を1×1016cm−3以上1.5×1018cm−3以下の濃度とすることによってn型GaAs基板と下部多層膜反射鏡との格子不整合による転位発生の低減を可能にしたため、n−GaAs基板上に必要なペア数のアンドープDBRミラーを形成した場合であっても、長波長帯域面発光レーザ素子の高歩留まりの達成、高信頼性化の達成および低熱抵抗で高温動作の実現化を図ることができる。 As described above, in the surface emitting laser element 1 according to this embodiment, Al having a large lattice constant occupies the group III site of the semiconductor material containing Al, Ga, and As that forms the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2. By setting the concentration to 80% or more and 100% or less, even when the necessary number of pairs are stacked, the thermal resistance of the lower DBR mirror 2 is lowered to enable output during high temperature operation, and in the n-GaAs substrate 1 Dislocation generation due to lattice mismatch between the n-type GaAs substrate and the lower multilayer mirror is achieved by setting the silicon concentration having a small lattice constant to a concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more and 1.5 × 10 18 cm −3 or less. Achievement of high yield of long-wavelength surface emitting laser device even when undoped DBR mirrors of the required number of pairs are formed on an n-GaAs substrate because reduction is possible. It is possible to realization of high-temperature operation at achieved and the low thermal resistance of high reliability.

そして、面発光レーザ素子1は、下部DBRミラー2のIII族を占めるAlの平均Al組成Xと、n−GaAs基板1のSi濃度をYとした場合、この平均Al組成XとSi濃度Yとが(1)式の関係を満たすように下部DBRミラー2のAl濃度とn−GaAs基板1のSi濃度とを調整することによって、Al濃度が80%以上100%以下の範囲のうちのいずれの濃度であっても、長波長帯域面発光レーザ素子の高歩留まりの達成、高信頼性化の達成および低熱抵抗で高温動作の実現化を図ることができる。   The surface emitting laser element 1 has an average Al composition X of Al occupying the group III of the lower DBR mirror 2 and an average Al composition X and Si concentration Y, where Y is the Si concentration of the n-GaAs substrate 1. By adjusting the Al concentration of the lower DBR mirror 2 and the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 so as to satisfy the relationship of the expression (1), any one of the Al concentrations in the range of 80% to 100% Even with the concentration, it is possible to achieve a high yield of the long-wavelength surface emitting laser element, achieve high reliability, and realize high-temperature operation with low thermal resistance.

さらに、n−GaAs基板1のSi濃度を1×1017cm−3以上1×1018cm−3以下とすることによって、面発光レーザ素子1の高性能化とEPDのさらなる抑制化との双方を実現することができる。 Furthermore, by setting the Si concentration of the n-GaAs substrate 1 to 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less, both the high performance of the surface emitting laser element 1 and further suppression of EPD are achieved. Can be realized.

実際に、下部DBRミラー2として、層厚がそれぞれλ/4nのn−Al0.9Ga0.1As層とGaAs層とを1ペアとして34.5ぺア積層した場合であって、n−GaAs基板1のSi濃度を9×1017〜1×1018cm−3である1.3μm帯の光を発振する面発光レーザ素子の場合、閾値電流1mA、スロープ効率0.25W/A、100℃以上でのCW発振が得られたほか、85℃での10Gbps動作可能であり、さらに10chアレー歩留まりを90%以上まで高めて偶発故障の故障率を示すFIT数を1chあたり100以下まで抑制することが可能になった。 Actually, the lower DBR mirror 2 is a case where 34.5 pairs of n-Al 0.9 Ga 0.1 As layers and GaAs layers each having a layer thickness of λ / 4n are stacked as a pair, and the n-GaAs substrate 1 In the case of a surface emitting laser element that oscillates 1.3 μm band light having a Si concentration of 9 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 , the threshold current is 1 mA, the slope efficiency is 0.25 W / A, and 100 ° C. or more. In addition to CW oscillation of 10 Gbps, it is possible to operate at 10 Gbps at 85 ° C., and further increase the 10-channel array yield to 90% or more and suppress the number of FITs indicating the failure rate of accidental failure to 100 or less per channel. Became.

さらに、下部DBRミラー2の低屈折率層のAl濃度が高い場合には、構成する半導体材料として格子定数を縮める作用を有する不純物をさらに添加した半導体材料を採用して、n−GaAs基板1の格子定数と下部DBRミラー2の格子定数との差を小さくするようにしてもよい。   Further, when the Al concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror 2 is high, a semiconductor material further added with an impurity having an action of reducing the lattice constant is adopted as a constituent semiconductor material, and the n-GaAs substrate 1 The difference between the lattice constant and the lattice constant of the lower DBR mirror 2 may be reduced.

たとえば、低屈折率層を構成するAl、Ga、Asを含んだ半導体材料のV族サイトにさらに窒素(N)を添加する。Nは、格子定数を縮める効果を有するため、このNを含む低屈折率層の半導体材料を採用することによって、低屈折率層の格子定数を小さくできることから、格子定数の小さいSiを含むn−GaAs基板1との格子定数差をさらに縮めてn型GaAs基板と下部多層膜反射鏡との格子不整合による転位発生のさらなる低減化を図ることが可能になる。なお、低屈折率層を構成する半導体材料にNを0.01%以上添加した場合に低屈折率層の格子定数を縮める効果が実際に発生するため、低屈折率層に含まれるNは、0.01%以上であることが望ましい。また、1%を超える濃度でNを添加すると、逆に基板との格子定数差が大きくなってしまうので、低屈折率層に含まれるNは1%以下が望ましい。   For example, nitrogen (N) is further added to a group V site of a semiconductor material containing Al, Ga, and As constituting the low refractive index layer. Since N has an effect of reducing the lattice constant, by adopting a semiconductor material having a low refractive index layer containing N, the lattice constant of the low refractive index layer can be reduced. It is possible to further reduce dislocation generation due to lattice mismatch between the n-type GaAs substrate and the lower multilayer reflector by further reducing the lattice constant difference with the GaAs substrate 1. Note that when N is added to the semiconductor material constituting the low refractive index layer in an amount of 0.01% or more, the effect of reducing the lattice constant of the low refractive index layer actually occurs. It is desirable that it is 0.01% or more. On the other hand, if N is added at a concentration exceeding 1%, the difference in lattice constant from the substrate increases. Therefore, N contained in the low refractive index layer is preferably 1% or less.

また、低屈折率層を構成するAl、Ga、Asを含んだ半導体材料のV族サイトに燐(P)を添加することも可能である。PもNと同様に格子定数を縮める効果を有するため、このPを含む低屈折率層の半導体材料を採用することによって、低屈折率層の格子定数を小さくできることから、格子定数の小さいSiを含むn−GaAs基板1との格子定数差をさらに縮めてn型GaAs基板と下部多層膜反射鏡との格子不整合による転位発生のさらなる低減化を図ることが可能になる。なお、低屈折率層を構成する半導体材料にPを0.03%以上添加した場合に低屈折率層の格子定数を縮める効果が実際に発生するため、低屈折率層に含まれるPは、0.03%以上であることが望ましい。また、3%を超える濃度でPを添加すると、逆に基板との格子定数差が大きくなってしまうので、低屈折率層に含まれるPは3%以下が望ましい。なお、NおよびPは、光を吸収することはないため、N、Pを添加した半導体材料は、下部DBRミラー2のいずれの位置の低屈折率層にも採用することができる。また、高屈折率層にもNもしくはPを添加して、DBR全体の歪量を低減しても良い。   It is also possible to add phosphorus (P) to a group V site of a semiconductor material containing Al, Ga, and As constituting the low refractive index layer. Since P also has the effect of reducing the lattice constant in the same manner as N, by adopting the semiconductor material of the low refractive index layer containing this P, the lattice constant of the low refractive index layer can be reduced. It is possible to further reduce the occurrence of dislocation due to lattice mismatch between the n-type GaAs substrate and the lower multilayer mirror by further reducing the lattice constant difference with the n-GaAs substrate 1 included. In addition, since the effect of shrinking the lattice constant of the low refractive index layer actually occurs when P is added to the semiconductor material constituting the low refractive index layer by 0.03% or more, P contained in the low refractive index layer is: It is desirable that it is 0.03% or more. On the other hand, if P is added at a concentration exceeding 3%, the difference in lattice constant from the substrate increases. Therefore, P contained in the low refractive index layer is preferably 3% or less. Since N and P do not absorb light, the semiconductor material to which N and P are added can be used for the low refractive index layer at any position of the lower DBR mirror 2. Further, N or P may be added to the high refractive index layer to reduce the strain amount of the entire DBR.

特にn−GaAs基板1と下部DBRミラー2との界面の格子定数差を縮めることが格子不整合の発生防止に効果的であるため、N、Pを多く含む半導体材料をn−GaAs基板1側領域の低屈折率層として採用することが望ましい。また、下部DBRミラー2をアンドープ化するには下部DBRミラー2全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値は5×1017cm−3以下とする必要があるため、n−GaAs基板1領域側の不純物の高濃度に対応させて、活性層6側領域のN、Pの濃度を低くすればよい。具体的には、下部DBRミラー2のn−GaAs基板1側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値を1×1018〜1×1021cm−3とし、下部DBRミラー2の活性層6側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値を1×1015〜1×1018cm−3とし、下部DBRミラー2鏡全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が5×1017cm−3以下とする。なお、下部DBRミラー2のn−GaAs基板1側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度と、下部DBRミラー2の活性層6側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度とは、段階的または連続的に変化させてもよい。 In particular, reducing the lattice constant difference at the interface between the n-GaAs substrate 1 and the lower DBR mirror 2 is effective in preventing the occurrence of lattice mismatch, so that a semiconductor material containing a large amount of N and P is used on the n-GaAs substrate 1 side. It is desirable to employ as a low refractive index layer in the region. Further, in order to undoped the lower DBR mirror 2, the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire lower DBR mirror 2 needs to be 5 × 10 17 cm −3 or less. Corresponding to the high concentration of impurities, the concentration of N and P in the active layer 6 side region may be lowered. Specifically, the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the region of the lower DBR mirror 2 on the n-GaAs substrate 1 side is 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3, and the active layer 6 side of the lower DBR mirror 2 is used. The average value of the donor or acceptor impurity concentration in the region is 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3, and the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire lower DBR mirror 2 mirror is 5 × 10 17 cm −3 or less. To do. The donor or acceptor impurity concentration in the n-GaAs substrate 1 side region of the lower DBR mirror 2 and the donor or acceptor impurity concentration in the active layer 6 side region of the lower DBR mirror 2 are changed stepwise or continuously. Also good.

また、下部DBRミラー2を構成する半導体材料にカーボン(C)を添加することも可能である。Cも格子定数を縮める効果を有するため、このCを含む半導体材料を下部DBRミラー2の構成層に採用することによって、下部DBRミラー2全体の格子定数を見かけ上小さくできることから、格子定数の小さいSiを含むn−GaAs基板1との格子定数差をさらに縮めてn型GaAs基板と下部DBRミラーとの格子不整合による転位発生のさらなる低減化を図ることが可能になる。同様に、下部DBRミラー2を構成する半導体材料にSiを添加することも可能である。前述したようにSiも格子定数を縮める効果を有するため、このSiを含む半導体材料を下部DBRミラー2の構成層に採用することによって、下部DBRミラー2全体の格子定数を見かけ上小さくできることから、格子定数の小さいSiを含むn−GaAs基板1との格子定数差をさらに縮めてn型GaAs基板と下部DBRミラーとの格子不整合による転位発生のさらなる低減化を図ることが可能になる。なお、半導体材料にC、Siを1×1018cm−3以上添加した場合に、この半導体材料の格子定数を縮める効果が実際に発生するため、下部DBRミラー2の一部に含まれるC、Siの濃度は1×1018cm−3以上であることが望ましい。 It is also possible to add carbon (C) to the semiconductor material constituting the lower DBR mirror 2. Since C also has an effect of reducing the lattice constant, the lattice constant of the entire lower DBR mirror 2 can be apparently reduced by adopting a semiconductor material containing C as a constituent layer of the lower DBR mirror 2. It is possible to further reduce dislocation generation due to lattice mismatch between the n-type GaAs substrate and the lower DBR mirror by further reducing the lattice constant difference with the n-GaAs substrate 1 containing Si. Similarly, Si can be added to the semiconductor material constituting the lower DBR mirror 2. As described above, since Si also has an effect of reducing the lattice constant, by adopting this Si-containing semiconductor material for the constituent layer of the lower DBR mirror 2, the lattice constant of the entire lower DBR mirror 2 can be apparently reduced. It is possible to further reduce dislocation generation due to lattice mismatch between the n-type GaAs substrate and the lower DBR mirror by further reducing the lattice constant difference from the n-GaAs substrate 1 containing Si having a small lattice constant. Note that, when C or Si is added to the semiconductor material by 1 × 10 18 cm −3 or more, an effect of reducing the lattice constant of the semiconductor material actually occurs. Therefore, C included in a part of the lower DBR mirror 2, The concentration of Si is desirably 1 × 10 18 cm −3 or more.

また、前述したようにn−GaAs基板1と下部DBRミラー2との界面の格子定数差を縮めることが格子不整合の発生防止に効果的であるため、C、Siを多く含む半導体材料をn−GaAs基板1側領域の下部DBRミラー2の構成層として採用することが望ましい。また、下部DBRミラー2をアンドープ化するには下部DBRミラー2全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値は5×1017cm−3以下とする必要があるため、n−GaAs基板1領域側の下部DBRミラー2の構成層の不純物の高濃度に対応させて、下部DBRミラー2の活性層6側領域のC、Siの濃度を低くすればよい。特にC、Siは、発生したホール又は電子がフリーキャリア吸収により光を吸収する作用を有するため、活性層6側領域のC、Si濃度を低くすることは、光強度の強い活性層6における不純物による光吸収を抑えることにもなることから、活性層6側のC、Si濃度を低く設定することが望ましい。具体的には、下部DBRミラー2のn−GaAs基板1側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値を1×1018〜1×1021cm−3とし、下部DBRミラー2の活性層6側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値を1×1015〜1×1018cm−3とし、下部DBRミラー2鏡全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が5×1017cm−3以下とする。なお、下部DBRミラー2のn−GaAs基板1側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度と、下部DBRミラー2の活性層6側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度とは、段階的または連続的に変化させてもよい。 Further, as described above, reducing the lattice constant difference at the interface between the n-GaAs substrate 1 and the lower DBR mirror 2 is effective in preventing the occurrence of lattice mismatch. It is desirable to employ as a constituent layer of the lower DBR mirror 2 in the region on the GaAs substrate 1 side. Further, in order to undoped the lower DBR mirror 2, the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire lower DBR mirror 2 needs to be 5 × 10 17 cm −3 or less. The concentration of C and Si in the region on the active layer 6 side of the lower DBR mirror 2 may be lowered corresponding to the high concentration of impurities in the constituent layers of the lower DBR mirror 2. In particular, since C and Si have a function in which generated holes or electrons absorb light by free carrier absorption, lowering the C and Si concentration in the active layer 6 side region is an impurity in the active layer 6 having high light intensity. Therefore, it is desirable to set the C and Si concentrations on the active layer 6 side low. Specifically, the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the region of the lower DBR mirror 2 on the n-GaAs substrate 1 side is 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3, and the active layer 6 side of the lower DBR mirror 2 is used. The average value of the donor or acceptor impurity concentration in the region is 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3, and the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire lower DBR mirror 2 mirror is 5 × 10 17 cm −3 or less. To do. The donor or acceptor impurity concentration in the n-GaAs substrate 1 side region of the lower DBR mirror 2 and the donor or acceptor impurity concentration in the active layer 6 side region of the lower DBR mirror 2 are changed stepwise or continuously. Also good.

ここで、C、Siの濃度が1×1018cm−3程度であれば光損失量も低いことが分かっているため、下部DBRミラー2の大部分の領域にC、Siを添加する場合にはC、Siの濃度を1×1018cm−3程度にすることが望ましい。なお、この場合も、下部DBRミラー2全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値は5×1017cm−3以下とする必要がある。 Here, since it is known that the amount of light loss is low if the concentration of C and Si is about 1 × 10 18 cm −3 , the case where C and Si are added to most of the region of the lower DBR mirror 2. It is desirable that the concentration of C and Si be about 1 × 10 18 cm −3 . In this case, the average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire lower DBR mirror 2 needs to be 5 × 10 17 cm −3 or less.

そして、低屈折率層のAl組成が高い場合などC、Siを高濃度で添加する必要がある場合には、光分布強度の弱い節部分に高濃度のC、Siを添加するようにすればよい。光を感じない強度の弱い節部分であれば、光を吸収する作用を有する不純物を多量に添加しても光吸収が生じにくく、光損失量も低減することができるためである。具体的には、光分布の節部分のうち厚さ30nm以下の膜厚部分にCまたはSiを1×1018cm−3以上1×1021cm−3以下の濃度で添加することによって、光損失量を低減しながら、下部DBRミラー2の格子定数を縮め、転位発生を低減することができる。 If it is necessary to add C and Si at a high concentration such as when the Al composition of the low refractive index layer is high, a high concentration of C and Si should be added to the node portion where the light distribution intensity is weak. Good. This is because if the node portion is weak and does not feel light, even if a large amount of impurities that absorb light are added, light absorption is unlikely to occur and the amount of light loss can be reduced. Specifically, by adding C or Si at a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 21 cm −3 or less to a film thickness portion having a thickness of 30 nm or less in the node portion of the light distribution, While reducing the loss amount, the lattice constant of the lower DBR mirror 2 can be reduced, and the occurrence of dislocation can be reduced.

また、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子として、図1および図2に示すように、上部DBRミラー12全体を誘電体膜で構成した場合を例に説明したが、もちろん上部DBRミラー12の一部のみを誘電体膜で構成し、他の一部を半導体膜で構成してもよい。   Further, as the surface emitting laser element according to the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the entire upper DBR mirror 12 is described as an example of a dielectric film. Only a part may be composed of a dielectric film, and the other part may be composed of a semiconductor film.

実施の形態にかかる面発光レーザ素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the surface emitting laser element concerning embodiment. 図1に示したII−II断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the II-II cross section shown in FIG. 従来技術にかかる面発光レーザ素子を模式的に示した断面斜視図である。It is the cross-sectional perspective view which showed typically the surface emitting laser element concerning a prior art. 図2に示す下部DBRミラーの低屈折率層として各Al濃度のAlGaAs層を積層した場合におけるn型基板中のSi濃度と転位密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Si density | concentration in a n-type board | substrate, and a dislocation density in the case of laminating | stacking AlGaAs layer of each Al density | concentration as a low refractive index layer of the lower DBR mirror shown in FIG. 図2に示す下部DBRミラーの低屈折率層の各Al濃度とn−GaAs基板のSi濃度の上限値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between each Al density | concentration of the low refractive index layer of the lower DBR mirror shown in FIG. 2, and the upper limit of Si density | concentration of an n-GaAs substrate.

符号の説明Explanation of symbols

100 面発光レーザ素子
1,101 n−GaAs基板
2,102 下部DBRミラー
3 n型コンタクト層
4,104 n型電極
5 n型クラッド層
6,106 活性層
7,9 p型クラッド層
8,108 電流狭窄層
8a,108a 開口部
8b,108b 選択酸化層
10 p型コンタクト層
11,111 p型電極
12,112 上部DBRミラー
13 n型引出電極
14 p型引出電極
105 n−GaAsクラッド層
107 p−GaAsクラッド層
100 surface emitting laser element 1,101 n-GaAs substrate 2,102 lower DBR mirror 3 n-type contact layer 4,104 n-type electrode 5 n-type cladding layer 6,106 active layer 7,9 p-type cladding layer 8,108 current Narrowing layer 8a, 108a Opening 8b, 108b Selective oxidation layer 10 p-type contact layer 11, 111 p-type electrode 12, 112 Upper DBR mirror 13 n-type extraction electrode 14 p-type extraction electrode 105 n-GaAs cladding layer 107 p-GaAs Cladding layer

Claims (9)

n型GaAs基板と、
前記基板上に積層され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される上部多層膜反射鏡とを有する光共振器と、
前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられ、光を発生する活性層と、
前記共振器内から引き出されたp型電極およびn型電極と、
を備えた長波長帯域面発光レーザ素子において、
前記下部多層膜反射鏡の低屈折率層は、Al、Ga、Asを含んだ半導体材料で形成され、前記半導体材料のIII族サイトに前記Alが占める濃度が80%以上100%以下であり、
前記下部多層膜反射鏡および前記上部多層膜反射鏡の全体におけるドナーもしくはアクセプター不純物濃度の平均値が5×1017cm−3以下であり、
前記n型GaAs基板は、1×1016cm−3以上1.5×1018cm−3以下の濃度のシリコンを含むことを特徴とする長波長帯域面発光レーザ素子。
an n-type GaAs substrate;
A lower multilayer reflector formed of a periodic structure of a high refractive index layer and a low refractive index layer, and an upper multilayer film reflection formed of a periodic structure of a high refractive index layer and a low refractive index layer. An optical resonator having a mirror;
An active layer provided between the lower multilayer reflector and the upper multilayer reflector to generate light;
A p-type electrode and an n-type electrode drawn out from the resonator;
In a long wavelength band surface emitting laser device comprising:
The low refractive index layer of the lower multilayer mirror is formed of a semiconductor material containing Al, Ga, As, and the concentration of the Al in the group III site of the semiconductor material is 80% or more and 100% or less,
The average value of the donor or acceptor impurity concentration in the whole lower multilayer reflector and the upper multilayer reflector is 5 × 10 17 cm −3 or less,
The n-type GaAs substrate includes a silicon having a concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more and 1.5 × 10 18 cm −3 or less.
前記下部多層膜反射鏡のIII族を占めるAlの平均Al組成Xと、前記n型GaAs基板のシリコン濃度Ycm−3とは、
1×1016≦Y≦−8.8×1019+6.4×1019X−1×1019
の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の長波長帯域面発光レーザ素子。
The average Al composition X of Al occupying the group III of the lower multilayer mirror and the silicon concentration Ycm −3 of the n-type GaAs substrate are:
1 × 10 16 ≦ Y ≦ −8.8 × 10 19 X 2 + 6.4 × 10 19 X-1 × 10 19
The long-wavelength surface emitting laser element according to claim 1, wherein:
前記n型GaAs基板のシリコン濃度は、1×1017cm−3以上1×1018cm−3以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の長波長帯域面発光レーザ素子。 3. The long-wavelength surface emitting laser device according to claim 1, wherein a silicon concentration of the n-type GaAs substrate is 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less. 前記下部多層膜反射鏡は、基板側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が1×1018〜1×1021cm−3であり、活性層側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が1×1015〜1×1018cm−3であり、前記下部多層膜反射鏡全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が5×1017cm−3以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。 The lower multilayer reflector has an average value of donor or acceptor impurity concentration in the substrate side region of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 , and an average value of donor or acceptor impurity concentration in the active layer side region is The average value of the donor or acceptor impurity concentration in the entire lower multilayer reflector is 5 × 10 17 cm −3 or less, which is 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3. The long wavelength band surface emitting laser device according to any one of ˜3. 前記下部多層膜反射鏡は、窒素又は燐を0.01%以上含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。   5. The long-wavelength surface emitting laser element according to claim 1, wherein the lower multilayer mirror includes 0.01% or more of nitrogen or phosphorus. 前記下部多層膜反射鏡の一部は、カーボンを1×1018cm−3以上含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。 6. The long-wavelength band surface emitting laser element according to claim 1, wherein a part of the lower multilayer-film reflective mirror contains 1 × 10 18 cm −3 or more of carbon. 前記下部多層膜反射鏡の一部は、シリコンを1×1018cm−3以上含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。 7. The long-wavelength surface emitting laser element according to claim 1, wherein a part of the lower multilayer-film reflective mirror contains 1 × 10 18 cm −3 or more of silicon. 前記下部多層膜反射鏡の光分布の節付近におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度は、1×1018〜1×1021cm−3であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。 8. The donor or acceptor impurity concentration in the vicinity of a node of the light distribution of the lower multilayer mirror is 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3. The long-wavelength surface emitting laser element described. 前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は、誘電体で構成されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。   9. The long-wavelength surface emitting laser element according to claim 1, wherein at least a part of the upper multilayer mirror is made of a dielectric.
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