JP2009283722A - Surface emitting laser element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、高屈折率層と低屈折率層と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との周期構造から形成される上部多層膜とを備えた発光レーザ素子に関する。 The present invention includes 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 light emitting laser element provided.
垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、面発光レーザ素子と称す。)は、光インターコネクションをはじめとする種々の光通信用光源、あるいは他の様々なアプリケーション用デバイスとして利用されている(例えば、特許文献1参照)。面発光レーザ素子は、基板に対して垂直方向にレーザ光を射出するため、従来の端面発光型レーザ素子に比べて同一基板上に複数の素子を容易に2次元配列させることができる。また、活性層体積が非常に小さいため、極低閾値電流および低消費電力でレーザ発振が可能であるなど、多くの利点を有している。このような面発光レーザ素子では、共振器を構成するミラーとしてDBR(Distributed Bragg Reflector)ミラーが利用されている。 Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are various light sources for optical communication such as optical interconnection or other various application devices. (See, for example, Patent Document 1). Since the surface emitting laser element emits laser light in a direction perpendicular to the substrate, a plurality of elements can be easily two-dimensionally arranged on the same substrate as compared with the conventional edge emitting laser element. Further, since the volume of the active layer is very small, there are many advantages such that laser oscillation is possible with extremely low threshold current and low power consumption. In such a surface emitting laser element, a DBR (Distributed Bragg Reflector) mirror is used as a mirror constituting the resonator.
ここで、基板上にDBRミラーを積層した場合、基板と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あった。この転位低減のため、従来では、In(インジウム)を添加した基板を採用して基板の反りを低減し転位発生を低減した面発光レーザ素子(特許文献1参照)や、DBRミラーを構成する半導体材料に窒素を添加して格子整合を保持した面発光レーザ素子(特許文献2および特許文献3参照)が提案されている。
Here, when the DBR mirror is laminated on the substrate, there is a problem that dislocation occurs due to lattice mismatch between the substrate and the DBR mirror, and the reliability of the surface emitting laser element is lowered. In order to reduce this dislocation, conventionally, a surface-emitting laser element (see Patent Document 1) that employs a substrate added with In (indium) to reduce the warpage of the substrate and reduce the occurrence of dislocation, or a semiconductor that constitutes a DBR mirror. Surface emitting laser elements (see
しかしながら、特許文献1記載の面発光レーザ素子においては、基板に対しInを均一に添加することは技術的に大変困難であるという問題があった。また、特許文献2および特許文献3には、DBRミラーを構成する半導体材料に窒素を添加する記載はあるものの、転位発生を適切に低減できる窒素の量が具体的に示されておらず、転位発生を抑制した面発光レーザ素子を実際に製造することが困難であるという問題があった。
However, the surface emitting laser element described in Patent Document 1 has a problem that it is technically very difficult to uniformly add In to the substrate. In addition,
本発明は、基板上にDBRミラーを形成した場合であっても転位の発生を抑制した高信頼性の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 surface emitting laser element that suppresses the occurrence of dislocation even when a DBR mirror is formed on a substrate.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる面発光レーザ素子は、基板と、前記基板上に積層され、GaおよびAsを含む化合物によって形成される下部高屈折率層とAlおよびAsを含む化合物によって形成される下部低屈折率層との周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、上部高屈折率層と上部低屈折率層と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、を備えた面発光レーザ素子において、前記下部多層膜反射鏡には窒素が含まれており、前記基板の反りをC(μm)とし、前記下部多層膜反射鏡の平均歪をS(%)とし、前記基板の厚さをd(μm)とし、前記基板の径をD(inch)とし、前記下部多層膜反射鏡の膜厚をT(μm)とした場合、前記下部多層膜反射鏡の平均歪と前記下部多層膜反射鏡の膜厚とは、前記基板の反りが下記の数式(1)を満たすように、下記の数式(2)をもとに設定され、前記窒素は、前記平均歪と前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均窒素組成との関係において、前記数式(2)を用いて設定された前記平均歪Sに対応する組成で前記下部多層膜反射鏡に含まれることを特徴とする。
ここで、平均歪とは、((下部高屈折率層の基板に対する格子不整合度×下部高屈折率層の厚さ+下部低屈折率層の基板に対する格子不整合度×下部低屈折率層の厚さ))/(下部高屈折率層の厚さ+下部低屈折率層の厚さ)をいう。また、平均窒素組成とは、((下部高屈折率層の窒素組成率×下部高屈折率層の厚さ+低屈折率層の窒素組成率×下部低屈折率層の厚さ))/(下部高屈折率層の厚さ+下部低屈折率層の厚さ)をいう。なお、窒素組成率とは下部高屈折率層および下部低屈折率層を構成する元素のうち窒素を含む元素の含有率をいう。 Here, the average strain is: ((Lattice mismatch degree of the lower high refractive index layer with respect to the substrate × Thickness of the lower high refractive index layer + Lattice mismatch degree of the lower low refractive index layer with respect to the substrate × Lower lower refractive index layer) Thickness)) / (thickness of lower high refractive index layer + thickness of lower low refractive index layer). The average nitrogen composition is ((nitrogen composition ratio of lower high refractive index layer × thickness of lower high refractive index layer + nitrogen composition ratio of low refractive index layer × thickness of lower low refractive index layer)) / ( The thickness of the lower high refractive index layer + the thickness of the lower low refractive index layer). The nitrogen composition ratio refers to the content of an element containing nitrogen among the elements constituting the lower high refractive index layer and the lower low refractive index layer.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記平均歪と前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均窒素組成との関係は、前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均窒素組成をNとした場合、以下の数式(3)で表されることを特徴とする。
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均窒素組成は、0.028%から0.390%であることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, an average nitrogen composition contained in the lower multilayer mirror is 0.028% to 0.390%.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均窒素組成は、0.072%%以上であることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the average nitrogen composition contained in the lower multilayer mirror is 0.072% or more.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均窒素組成は、0.263%以上であることを特徴とする。 The surface emitting laser element according to the present invention is characterized in that an average nitrogen composition contained in the lower multilayer mirror is 0.263% or more.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、基板と、前記基板上に積層され、GaおよびAsを含む化合物によって形成される下部高屈折率層とAlおよびAsを含む化合物によって形成される下部低屈折率層との周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、上部高屈折率層と上部低屈折率層と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、を備えた面発光レーザ素子において、前記下部多層膜反射鏡には燐が含まれており、前記基板の反りをC(μm)とし、前記下部多層膜反射鏡の平均歪をS(%)とし、前記基板の厚さをd(μm)とし、前記基板の径をD(inch)とし、前記下部多層膜反射鏡の膜厚をT(μm)とした場合、前記下部多層膜反射鏡の平均歪と前記下部多層膜反射鏡の膜厚とは、前記基板の反りが下記の数式(4)を満たすように、下記の数式(5)をもとに設定され、前記燐は、前記平均歪と前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均燐組成との関係において、前記数式(5)を用いて設定された前記平均歪Sに対応する組成で前記下部多層膜反射鏡に含まれることを特徴とする。
ここで、平均歪とは、((下部高屈折率層の基板に対する格子不整合度×下部高屈折率層の厚さ+下部低屈折率層の基板に対する格子不整合度×下部低屈折率層の厚さ))/(下部高屈折率層の厚さ+下部低屈折率層の厚さ)をいう。また、平均燐組成とは、((下部高屈折率層の燐組成率×下部高屈折率層の厚さ+下部低屈折率層の燐組成率×下部低屈折率層の厚さ))/(下部高屈折率層の厚さ+下部低屈折率層の厚さ)をいう。なお、燐組成率とは下部高屈折率層および下部低屈折率層を構成する元素のうち燐を含む元素の含有率をいう。 Here, the average strain is: ((Lattice mismatch degree of the lower high refractive index layer with respect to the substrate × Thickness of the lower high refractive index layer + Lattice mismatch degree of the lower low refractive index layer with respect to the substrate × Lower lower refractive index layer) Thickness)) / (thickness of lower high refractive index layer + thickness of lower low refractive index layer). The average phosphorus composition is ((phosphorus composition ratio of lower high refractive index layer × thickness of lower high refractive index layer + phosphorus composition ratio of lower low refractive index layer × thickness of lower low refractive index layer)) / (The thickness of the lower high refractive index layer + the thickness of the lower low refractive index layer). The phosphorus composition rate means the content of an element containing phosphorus among the elements constituting the lower high refractive index layer and the lower low refractive index layer.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記平均歪と前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均燐組成との関係は、前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均燐組成をPとした場合、以下の数式(6)で表されることを特徴とする。
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均燐組成は、0.169%から2.309%であることを特徴とする。 The surface emitting laser element according to the present invention is characterized in that an average phosphorus composition contained in the lower multilayer mirror is 0.169% to 2.309%.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記燐は、前記下部多層膜反射鏡のうち下部低屈折率層に含まれ、前記下部低屈折率層に含まれる燐組成は、0.338%から4.621%であることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the phosphorus is included in the lower low refractive index layer of the lower multilayer reflector, and the phosphorus composition included in the lower low refractive index layer is 0.338%. To 4.621%.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均燐組成は、0.41%以上であることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the average phosphorus composition contained in the lower multilayer mirror is 0.41% or more.
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均燐組成は、1.551%以上であることを特徴とする。 In the surface emitting laser element according to the present invention, the average phosphorus composition contained in the lower multilayer mirror is 1.551% or more.
本発明にかかる面発光レーザ素子によれば、下部多層膜反射鏡の平均歪と下部多層膜反射鏡の膜厚とは、基板の反りが所定の条件を満たすように設定され、平均歪と下部多層膜反射鏡に含まれる平均窒素組成との関係をもとに、設定された平均歪に対応する組成で下部多層膜反射鏡に窒素を添加することによって、基板上にDBRミラーを形成した場合であっても転位の発生を適切に抑制することができる。 According to the surface emitting laser element according to the present invention, the average strain of the lower multilayer reflector and the film thickness of the lower multilayer reflector are set so that the warpage of the substrate satisfies a predetermined condition, When a DBR mirror is formed on a substrate by adding nitrogen to the lower multilayer mirror with a composition corresponding to the set average strain based on the relationship with the average nitrogen composition contained in the multilayer mirror Even so, the occurrence of dislocations can be appropriately suppressed.
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。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.
(実施の形態1)
図1および図2は、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子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GaAs基板などの基板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、下部DBRミラー2は、基板1上に積層されたGaAsバッファ層上に形成されてもよい。
(Embodiment 1)
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams showing the main configuration of the surface emitting
下部DBRミラー2は、高屈折率層として機能するGaAs層と、低屈折率層として機能するAlAs層またはAlGaAs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。下部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、この下部DBRミラー2には、所定の組成で窒素が添加されている。下部DBRミラー2の構成層への窒素の導入には、RFプラズマ窒素源を用い、活性化窒素の状態で導入している。
The
n型コンタクト層3は、下部DBRミラー2上に、たとえばn−GaAsを材料として形成される。n型クラッド層5は、n型コンタクト層3上に、たとえば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、たとえば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、たとえば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、たとえばp−GaAsを材料として形成される。
The n-
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、たとえばAlAs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。
The
活性層6は、たとえばGaInNAs/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1.3μm帯の自然放出光を発する。GaInNAs層は量子井戸として機能し、GaAs層は障壁層として機能する。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上面部からレーザ光として射出される。
The
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
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型クラッド層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、各半導体層の成長は、MBE、ガスソースMBE、CBE、MOCVDなどの成長方法を用いて行なえばよい。但し、MOCVDを用いる場合は、窒素の原料としてジメチルヒドラジン(DMHy)やアンモニア(NH3)を用いることができる。
The p-
ここで、従来から、基板上に下部DBRミラーを積層した場合、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。この転位は、下部DBRミラー内に蓄積される歪によって、基板と下部DBRミラーとの格子不整合が発生することに起因する。 Here, conventionally, when a lower DBR mirror is laminated on a substrate, there has been a problem that dislocation occurs and the reliability of the surface emitting laser element is lowered. This dislocation is caused by the occurrence of lattice mismatch between the substrate and the lower DBR mirror due to strain accumulated in the lower DBR mirror.
本実施の形態1においては、実際に下部DBRミラーの格子歪を変化させた試料を作成して転位が消滅する下部DBRミラーの格子歪について検討した。図3は、下部DBRミラーの格子歪と転位密度との関係を示す図である。この図3に示す結果は、実際に、下部DBRミラーを構成する構成膜のうち、AlGaAs層のAlの組成を変えて格子定数を変化させることによって異なる格子歪を有する試料を作成し、各試料において発生する転位密度を計測した結果をもとに求めたものである。なお、ここでいう転位密度とは、光学顕微鏡にノマルスキープリズムを付けたノマルスキー顕微鏡にて表面観察を行った際に確認された、1mm2あたりの格子不整合に起因する格子欠陥の配列の集合体(と考えられるもの)の数である。 In the first embodiment, a sample in which the lattice strain of the lower DBR mirror is actually changed is prepared, and the lattice strain of the lower DBR mirror where dislocations disappear is studied. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the lattice strain and the dislocation density of the lower DBR mirror. The results shown in FIG. 3 show that samples having different lattice strains were created by actually changing the lattice constant by changing the Al composition of the AlGaAs layer among the constituent films constituting the lower DBR mirror. It was obtained based on the result of measuring the dislocation density generated in. The dislocation density referred to here is an aggregate of lattice defect arrays caused by lattice mismatch per 1 mm 2 , which was confirmed when the surface was observed with a Nomarski microscope with a Nomarski prism attached to an optical microscope. (Think of what is considered).
図3に示すように、下部DBRミラーの格子歪が約0.14%である場合には約630(mm−2)と高かった転位密度は、下部DBRミラーの格子歪が低くなるにしたがって低くなっていく。すなわち、下部DBRミラー内の格子歪と転位密度とは、図3の直線R1に示すように、格子歪が低くなるにしたがって転位密度が低下する比例関係を有しており、具体的には、以下の(7)式に示す関係を有することが明らかとなった。なお、(7)式では、下部DBRミラーの平均歪をS(%)とし、発生する転位密度をH(mm−2)としている。 As shown in FIG. 3, when the lattice strain of the lower DBR mirror is about 0.14%, the dislocation density, which is as high as about 630 (mm −2 ), becomes lower as the lattice strain of the lower DBR mirror becomes lower. It will become. That is, the lattice strain and the dislocation density in the lower DBR mirror have a proportional relationship in which the dislocation density decreases as the lattice strain decreases, as shown by the straight line R1 in FIG. It became clear that it has the relationship shown to the following (7) Formula. In equation (7), the average strain of the lower DBR mirror is S (%), and the generated dislocation density is H (mm −2 ).
この(7)式より、下部DBRミラーの格子歪を図3の矢印Y1のように0.126%にすることで転位密度が0(mm−2)となるものと考えられる。下部DBRミラーの格子歪と転位密度とは、下部DBRミラーの格子歪が低くなるにしたがって転位密度が低下する比例関係を有するため、格子歪を0.126%以下にすることによって転位が消滅するものと考えられる。すなわち、下部DBRミラーの転位が消滅する下部DBRミラーの格子歪の上限値は、0.126%であるといえる。このように、図3の結果より、転位が消滅する格子歪の上限値が0.126%であることが明らかとなった。 From this equation (7), it is considered that the dislocation density becomes 0 (mm −2 ) by setting the lattice strain of the lower DBR mirror to 0.126% as indicated by the arrow Y1 in FIG. Since the lattice strain and dislocation density of the lower DBR mirror have a proportional relationship that the dislocation density decreases as the lattice strain of the lower DBR mirror decreases, the dislocation disappears when the lattice strain is 0.126% or less. It is considered a thing. That is, it can be said that the upper limit value of the lattice strain of the lower DBR mirror where the dislocation of the lower DBR mirror disappears is 0.126%. Thus, from the result of FIG. 3, it was clarified that the upper limit value of the lattice strain at which the dislocation disappears is 0.126%.
次いで、転位が消滅する下部DBRミラーの格子歪の下限値を検討する。ここで、一般に、基板の反りが大きくなると下部DBRミラーの格子歪も大きくなり、基板の反りが小さくなると下部DBRミラーの格子歪も小さくなるという関係がある。すなわち、基板の反り量に応じて下部DBRミラーの格子歪が変化するという関係を有する。このため、本実施の形態1においては、基板の反り量と下部DBRミラーの格子歪との関係を検討し、基板の反り量と下部DBRミラーの格子歪との関係から、転位が消滅する下部DBRミラーの格子歪の下限値を求めた。 Next, the lower limit value of the lattice strain of the lower DBR mirror where dislocations disappear is examined. In general, there is a relationship that the lattice strain of the lower DBR mirror increases as the warpage of the substrate increases, and the lattice strain of the lower DBR mirror decreases as the warpage of the substrate decreases. That is, there is a relationship that the lattice strain of the lower DBR mirror changes according to the amount of warpage of the substrate. For this reason, in the first embodiment, the relationship between the amount of warpage of the substrate and the lattice strain of the lower DBR mirror is examined, and the lower portion where dislocation disappears from the relationship between the amount of warpage of the substrate and the lattice strain of the lower DBR mirror. The lower limit value of the lattice strain of the DBR mirror was obtained.
図4は、下部DBRミラーの格子歪と基板の反り量との関係を示す図である。基板の反り量とは、基板の中心と基板縁の高さの最大差をいうが、図4の横軸に示す基板の反り量は、下部DBRミラーの1ペアあたりの反り量に換算したものである。また、図4の横軸は、下部DBRミラーの格子歪の平均値を示す。図4は、実際に、450μmの厚さの基板上にAlGaAs層のAlの組成をそれぞれ変えて格子歪を変化させた下部DBRミラーを有する試料S1と、450μmの厚さの基板上にAlAs層に加える窒素の組成を変えて格子歪を変化させたDBRミラーを有する試料S2と、625μmの厚さの基板上にAlAs層に加える窒素の組成を変えて格子歪を変化させたDBRミラーを有する試料S3と、625μmの厚さの基板上にAlAs層に加える炭素の組成を変えて格子歪を変化させたDBRミラーを有する試料S4とを作成し、各試料の基板の反り量を計測して、下部DBRミラーの1ペアあたりの反り量に換算した結果をもとに求めたものである。ここで、下部DBRミラーの低屈折率層を構成するAlAs層に添加された窒素および炭素は、Asよりも原子半径が小さいため、Asサイトに入ることによってAlAs層の格子定数を縮め、AlAs層を低屈折率層として有する下部DBRミラー全体の格子歪を小さくする機能を有する。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the lattice strain of the lower DBR mirror and the amount of warpage of the substrate. The amount of warpage of the substrate refers to the maximum difference between the center of the substrate and the height of the substrate edge, but the amount of warpage of the substrate shown on the horizontal axis in FIG. 4 is converted to the amount of warpage per pair of lower DBR mirrors. It is. Also, the horizontal axis of FIG. 4 shows the average value of the lattice distortion of the lower DBR mirror. FIG. 4 shows a sample S1 having a lower DBR mirror in which the lattice strain is changed by changing the Al composition of the AlGaAs layer on the 450 μm thick substrate, and the AlAs layer on the 450 μm thick substrate. A sample S2 having a DBR mirror in which the lattice strain is changed by changing the composition of nitrogen added to the substrate, and a DBR mirror in which the lattice strain is changed by changing the composition of nitrogen added to the AlAs layer on a 625 μm thick substrate A sample S3 and a sample S4 having a DBR mirror in which the lattice strain is changed by changing the composition of carbon added to the AlAs layer on a substrate having a thickness of 625 μm are measured, and the amount of warpage of the substrate of each sample is measured. And obtained based on the result of conversion into the amount of warpage per pair of the lower DBR mirrors. Here, since the atomic radius of nitrogen and carbon added to the AlAs layer constituting the low refractive index layer of the lower DBR mirror is smaller than that of As, the lattice constant of the AlAs layer is reduced by entering the As site, and the AlAs layer As a low refractive index layer, the entire lower DBR mirror has a function of reducing the lattice distortion.
図4に示す各直線のうち、直線R2は、基板の厚さが450μmである場合の下部DBRミラー格子歪と基板の反り量と関係を示し、直線R3は、基板の厚さが625μmである場合の格子歪と基板の反り量と関係を示す。この図4の直線R2,R3に示すように、基板の厚さが450μmおよび625μmのいずれであっても、下部DBRミラーの格子歪と基板の反り量とは、下部DBRミラーの格子歪が低くなるにしたがって基板の反り量も比例して低くなっていく関係を有する。すなわち、下部DBRミラーの格子歪と基板の反り量とは、格子歪が低くなるにしたがって基板の反り量も低下する比例関係を有するといえる。 Of the straight lines shown in FIG. 4, the straight line R2 indicates the relationship between the lower DBR mirror lattice distortion and the amount of warpage of the substrate when the substrate thickness is 450 μm, and the straight line R3 indicates the substrate thickness of 625 μm. The relationship between the lattice strain and the amount of warpage of the substrate is shown. As shown by straight lines R2 and R3 in FIG. 4, the lattice strain of the lower DBR mirror and the amount of warpage of the substrate are low even when the substrate thickness is 450 μm or 625 μm. As a result, the amount of warpage of the substrate also becomes proportionally lower. That is, it can be said that the lattice strain of the lower DBR mirror and the amount of warpage of the substrate have a proportional relationship in which the amount of warpage of the substrate decreases as the lattice strain decreases.
そして、図4に示すように、基板の反り量が0となる下部DBRミラーの格子歪は、基板の厚さが450μmおよび625μmのいずれであっても、約0.053%となる。言い換えると、図4より、下部DBRミラーの格子歪が0%の場合に基板の反り量が0となるのではなく、下部DBRミラーの格子歪が0.053%程度の場合に基板の反り量が0となることが明らかとなった。そして、上述したように、下部DBRミラーの格子歪と基板の反り量との関係は基板の厚さが450μmおよび625μmのいずれであっても比例関係を示すことから、格子歪0.053%を中心として基板の反り量が下部DBRミラーの格子歪に比例して増減しているものと考えられる。 As shown in FIG. 4, the lattice strain of the lower DBR mirror in which the amount of warpage of the substrate is zero is about 0.053% regardless of whether the substrate thickness is 450 μm or 625 μm. In other words, from FIG. 4, the amount of warpage of the substrate does not become zero when the lattice strain of the lower DBR mirror is 0%, but the amount of warpage of the substrate when the lattice strain of the lower DBR mirror is about 0.053%. Was found to be zero. As described above, since the relationship between the lattice strain of the lower DBR mirror and the amount of warpage of the substrate shows a proportional relationship regardless of whether the substrate thickness is 450 μm or 625 μm, the lattice strain is 0.053%. It is considered that the amount of warpage of the substrate increases or decreases in proportion to the lattice strain of the lower DBR mirror as the center.
ところで、図3をもとに求めた転位が消滅する下部DBRミラーの格子歪の上限値0.126%に対応する基板の反り量は、図4に示すように正の値を示す。このため、転位が消滅する下部DBRミラーの格子歪の上限値0.126%は、正の方向に基板が反った場合(基板の積層方向に凸となった場合)における反り量に対応するものである。図3に示すように、下部DBRミラーの格子歪が低くなるにしたがって転位密度が低下することがわかっており、さらに、基板の反り量が小さくなるにしたがってDBRミラーの格子歪も比例して低くなっていく。このことから、図4に示すように、0.126%の格子歪に対応する反り量よりも基板の反り量が大きい場合には転位は発生し、0.126%の格子歪に対応する反り量よりも基板の反り量が小さい場合には転位は発生しないものといえる。言い換えると、0.126%の格子歪に対応する反り量が、転位が発生しない基板の反り量の上限値であると考えられる。 By the way, the warpage amount of the substrate corresponding to the upper limit value 0.126% of the lattice strain of the lower DBR mirror in which the dislocation disappeared based on FIG. 3 shows a positive value as shown in FIG. Therefore, the upper limit value of 0.126% of the lattice strain of the lower DBR mirror where dislocation disappears corresponds to the amount of warpage when the substrate is warped in the positive direction (when it is convex in the stacking direction of the substrates). It is. As shown in FIG. 3, it is known that the dislocation density decreases as the lattice strain of the lower DBR mirror decreases, and further, the lattice strain of the DBR mirror decreases proportionally as the amount of warpage of the substrate decreases. It will become. Therefore, as shown in FIG. 4, dislocation occurs when the amount of warpage of the substrate is larger than the amount of warpage corresponding to the lattice strain of 0.126%, and the warpage corresponding to the lattice strain of 0.126%. It can be said that dislocation does not occur when the amount of warpage of the substrate is smaller than the amount. In other words, the warpage amount corresponding to the lattice strain of 0.126% is considered to be the upper limit value of the warpage amount of the substrate where no dislocation occurs.
この0.126%の格子歪に対応する反り量は、基板の厚さが450μmである場合には約1.8(μm/period)であり、基板の厚さが625μmである場合には約1.0(μm/period)であり、ともに正の方向に基板が反った場合の反り量に対応する。ここで、基板は、正の方向に反るほか、もちろん、正の方向とは逆の方向である負の方向に反る場合(基板の積層方向とは逆側に凸となる場合)もある。そして、基板が負の方向に反った場合も、負の方向に基板が反るにしたがって格子の歪量も負の方向に大きくなり転位が現れてしまう。 The amount of warping corresponding to the lattice strain of 0.126% is about 1.8 (μm / period) when the thickness of the substrate is 450 μm, and about 1.8 when the thickness of the substrate is 625 μm. 1.0 (μm / period), both of which correspond to the amount of warpage when the substrate is warped in the positive direction. Here, in addition to warping in the positive direction, the substrate may of course be warped in the negative direction that is opposite to the positive direction (may be convex on the opposite side of the substrate stacking direction). . Even when the substrate warps in the negative direction, the strain amount of the lattice increases in the negative direction as the substrate warps in the negative direction, and dislocations appear.
このため、基板が負の方向に反った場合においても、正の方向に反った場合と同様の傾向で格子歪に起因した転位が発生してしまうものと考えられる。言い換えると、0.126%の格子歪に対応する反り量よりも大きい反り量で負の方向に基板が反った場合にも、転位が発生するものと考えられる。そして、0.126%の格子歪に対応する反り量よりも小さい反り量で負の方向に基板が反った場合には、転位が発生しないものと考えられる。すなわち、0.126%の格子歪に対応する反り量の負の値が、転位が発生しない基板の反り量の下限値であると考えられる。具体的には、基板の厚さが450μmである場合には約−1.8(μm/period)の反り量が、転位が発生しない基板の反り量の下限値となり、基板の厚さが625μmである場合には約−1.0(μm/period)の反り量が、転位が発生しない基板の反り量の下限値となる。 For this reason, even when the substrate is warped in the negative direction, it is considered that dislocations due to lattice distortion occur in the same tendency as when the substrate is warped in the positive direction. In other words, it is considered that dislocations also occur when the substrate warps in the negative direction with a warp amount larger than the warp amount corresponding to the lattice strain of 0.126%. It is considered that dislocations do not occur when the substrate warps in the negative direction with a warp amount smaller than the warp amount corresponding to the lattice strain of 0.126%. That is, it is considered that the negative value of the warpage amount corresponding to the lattice strain of 0.126% is the lower limit value of the warpage amount of the substrate where no dislocation occurs. Specifically, when the thickness of the substrate is 450 μm, the warpage amount of about −1.8 (μm / period) is the lower limit value of the warpage amount of the substrate in which dislocation does not occur, and the thickness of the substrate is 625 μm. In this case, the warpage amount of about −1.0 (μm / period) is the lower limit value of the warpage amount of the substrate in which dislocation does not occur.
そして、図4に示すように、格子歪が約0.053%の場合に基板の反り量が0となるように、基板の反り量と格子歪とは比例関係を有する。このことから、転位が発生しない下部DBRミラーの格子歪の下限値は、図4に示す基板の反り量と下部DBRミラーの格子歪との関係をもとに、転位が発生しない基板の反り量の下限値に対応させて求めることができる。具体的には、図4に示すように、たとえば、基板の厚さが450μmである場合には、基板の反り量の下限値が約−1.8(μm/period)であるため、下部DBRミラーの格子歪の下限値は約−0.020%と求めることができる。 As shown in FIG. 4, the amount of warpage of the substrate and the lattice strain are in a proportional relationship so that the amount of warpage of the substrate becomes zero when the lattice strain is about 0.053%. Therefore, the lower limit value of the lattice strain of the lower DBR mirror where dislocation does not occur is based on the relationship between the warpage amount of the substrate and the lattice strain of the lower DBR mirror shown in FIG. It can be obtained in correspondence with the lower limit value. Specifically, as shown in FIG. 4, for example, when the thickness of the substrate is 450 μm, the lower limit value of the warp amount of the substrate is about −1.8 (μm / period). The lower limit of the lattice distortion of the mirror can be determined to be about -0.020%.
この基板の反り量と下部DBRミラーの格子歪との関係は、図4に示すように、基板厚さによって異なる。また、基板径によっても基板の反り量は変化する。そして、図4は、DBRミラーを構成する1ペアあたりの基板反りを示したものであるため、DBRミラーの全ペアの合計膜厚、すなわち、DBRミラーの総膜厚に換算した場合も基板の反り量は変化する。 The relationship between the amount of warpage of the substrate and the lattice strain of the lower DBR mirror varies depending on the substrate thickness as shown in FIG. Also, the amount of warpage of the substrate changes depending on the substrate diameter. And since FIG. 4 shows the board | substrate curvature per pair which comprises a DBR mirror, when it converts into the total film thickness of all the pairs of DBR mirrors, ie, the total film thickness of a DBR mirror, The amount of warpage varies.
そこで、図4に示す関係をもとに、基板厚さ、基板径およびDBRミラーの総膜厚を勘案して、DBRミラーに起因する基板の反り量とDBRミラーの格子歪量との関係を示した以下の(8)式を求めた。なお、(8)式では、基板の反りをC(μm)とする他、下部DBRミラーの平均歪をS(%)とし、基板の厚さをd(μm)とし、基板の径をD(inch)とし、下部DBRミラーの膜厚をT(μm)としている。 Therefore, based on the relationship shown in FIG. 4, considering the substrate thickness, the substrate diameter, and the total film thickness of the DBR mirror, the relationship between the amount of warpage of the substrate caused by the DBR mirror and the amount of lattice distortion of the DBR mirror is shown. The following equation (8) was obtained. In equation (8), the substrate warpage is C (μm), the average strain of the lower DBR mirror is S (%), the substrate thickness is d (μm), and the substrate diameter is D (μm). inch), and the film thickness of the lower DBR mirror is T (μm).
実際に作成した試料の基板厚さ450μm、基板径3inch、DBRミラー総膜厚6.09μmを(8)式に代入すると、転位が消滅する格子歪の上限値0.126%に対応する基板の反り量Cは61.5μmとなる。基板は、前述したように正の方向のみならず負の方向にも反るため、この試料において転位が発生しない基板の反り量Cの範囲は、−61.5μm<C<61.5μmとすることができる。ここで、転位が発生しない基板の反り量は、基板厚さおよび基板径によって変動するものであるため、基板厚さおよび基板径を勘案した場合、転位が発生しない基板の反り量Cは、以下の(9)式のように設定することができる。なお、(9)式においては、(8)式と同様に、基板の反り量をC(μm)とし、基板の厚さをd(μm)とし、基板の径をD(inch)としている。 Substituting the actual sample thickness of 450 μm, substrate diameter of 3 inch, and DBR mirror total thickness of 6.09 μm into equation (8), the substrate corresponding to the upper limit of 0.126% of the lattice strain at which dislocations disappear The amount of warpage C is 61.5 μm. Since the substrate warps not only in the positive direction but also in the negative direction as described above, the range of the warp amount C of the substrate in which dislocation does not occur in this sample is set to −61.5 μm <C <61.5 μm. be able to. Here, since the warpage amount of the substrate where dislocation does not occur varies depending on the substrate thickness and the substrate diameter, when considering the substrate thickness and substrate diameter, the warpage amount C of the substrate where dislocation does not occur is as follows: (9) of the equation can be set. In the equation (9), similarly to the equation (8), the amount of warpage of the substrate is C (μm), the thickness of the substrate is d (μm), and the diameter of the substrate is D (inch).
このように、実施の形態1においては、転位が発生しない基板の反り量Cが設定できるため、基板の反り量Cが(9)式を満たすように、下部DBRミラーの格子歪および下部DBRミラーの総膜厚を上述した(8)式をもとに設定する。この結果、本実施の形態1においては、転位が発生しない下部DBRミラーの歪(格子歪)と下部DBRミラーの総膜厚を適切に設定することができる。 As described above, in the first embodiment, since the warpage amount C of the substrate where dislocation does not occur can be set, the lattice strain of the lower DBR mirror and the lower DBR mirror are set so that the warpage amount C of the substrate satisfies the equation (9). Is set based on the above-described equation (8). As a result, in the first embodiment, it is possible to appropriately set the strain (lattice strain) of the lower DBR mirror and the total film thickness of the lower DBR mirror where dislocation does not occur.
実際に、基板厚さが450μmであり、基板径が3inchである試料の場合には、転位が発生しない基板の反り量Cの範囲は、−61.5μm<C<61.5μmであるため、下部DBRミラー総膜厚を6.09μmと選択した場合には、(8)式をもとに、この基板の反り量Cを満たす下部DBRミラーの格子歪Sの範囲は、−0.020%<S<0.126%と求めることができる。このため、この場合には、下部DBRミラーの格子歪を−0.020%から0.126%までの範囲に制御することによって、転位発生を抑制することができる。 Actually, in the case of a sample having a substrate thickness of 450 μm and a substrate diameter of 3 inches, the range of the warp amount C of the substrate in which dislocation does not occur is −61.5 μm <C <61.5 μm. When the total thickness of the lower DBR mirror is selected to be 6.09 μm, the range of the lattice strain S of the lower DBR mirror that satisfies the warp amount C of the substrate is −0.020% based on the equation (8). <S <0.126% can be obtained. For this reason, in this case, the occurrence of dislocation can be suppressed by controlling the lattice strain of the lower DBR mirror in the range of -0.020% to 0.126%.
つぎに、転位発生を抑制する下部DBRミラーの格子歪の設定について説明する。下部DBRミラーの格子歪は、As(砒素)サイトに添加される構成元素以外の元素の添加量で制御することが可能である。具体的には、下部DBRミラーを構成する低屈折率層または高屈折率層に窒素を所定の組成で添加することによって、転位を発生しない基板の反り量を満たす格子歪となるように下部DBRミラーの格子歪を制御している。窒素は、Asよりも原子半径が小さい。このため、下部DBRミラー2の低屈折率層を形成するAlAs層などのAsサイトに窒素を添加することによってAlAs層などの格子定数を縮めて、下部DBRミラー全体の格子歪を小さくすることができる。もちろん、下部DBRミラー2の高屈折率層を形成するGaAs層のAsサイトに窒素を添加した場合も、GaAs層の格子定数を縮めて、下部DBRミラー全体の格子歪を小さくすることも可能である。
Next, the setting of the lattice strain of the lower DBR mirror that suppresses the occurrence of dislocation will be described. The lattice strain of the lower DBR mirror can be controlled by adding an element other than the constituent element added to the As (arsenic) site. Specifically, by adding nitrogen with a predetermined composition to the low refractive index layer or the high refractive index layer constituting the lower DBR mirror, the lower DBR has a lattice strain that satisfies the warp amount of the substrate that does not generate dislocations. Controls the lattice distortion of the mirror. Nitrogen has a smaller atomic radius than As. For this reason, by adding nitrogen to an As site such as an AlAs layer that forms the low refractive index layer of the
下部DBRミラーに添加する窒素の組成と、下部DBRミラーの格子歪との関係とは、理論的に求めることができる。具体的に、図5に、下部DBRミラーの格子歪とDBRミラーに添加される窒素組成との関係を示す。ここで、図5は、下部DBRミラー2の低屈折率層を構成するAlAs層に各組成の窒素を添加した場合の下部DBRミラーの格子歪を演算し、下部DBRミラー内平均窒素組成を下部高屈折率層と下部低屈折率層の厚さの比により見積もった場合について示している。
The relationship between the composition of nitrogen added to the lower DBR mirror and the lattice strain of the lower DBR mirror can be theoretically determined. Specifically, FIG. 5 shows the relationship between the lattice strain of the lower DBR mirror and the nitrogen composition added to the DBR mirror. Here, FIG. 5 shows the calculation of the lattice distortion of the lower DBR mirror when nitrogen of each composition is added to the AlAs layer constituting the low refractive index layer of the
図5の直線R4に示すように、下部DBRミラーの格子歪と、下部DBRミラー内平均窒素組成とは、理論上、比例関係を有し、以下の(10)式で表すことができる。なお、(10)式においては、下部DBRミラーの平均歪(平均格子歪)をS(%)とし、DBRミラー内平均窒素組成をN(%)としている。 As indicated by the straight line R4 in FIG. 5, the lattice strain of the lower DBR mirror and the average nitrogen composition in the lower DBR mirror have a proportional relationship theoretically and can be expressed by the following equation (10). In equation (10), the average strain (average lattice strain) of the lower DBR mirror is S (%), and the average nitrogen composition in the DBR mirror is N (%).
実施の形態1においては、基板の反り量Cが転位を発生しない条件である上記(9)式を満たすように、上記(8)式を用いて下部DBRミラーの総膜厚および格子歪を設定する。そして、実施の形態1では、窒素は、上記(10)式において、上記(8)式を用いて設定された下部DBRミラーの平均歪に対応する組成で下部DBRミラーに平均して含まれるように設定されている。このように、実施の形態1においては、上記(8)式〜(10)式を用いて下部DBRミラーに含まれる平均窒素組成を設定することによって、転位の発生を抑制している。 In the first embodiment, the total thickness and lattice distortion of the lower DBR mirror are set using the above equation (8) so that the warpage amount C of the substrate satisfies the above equation (9), which is a condition that does not cause dislocation. To do. In Embodiment 1, nitrogen is included in the lower DBR mirror on the average in the above formula (10) with a composition corresponding to the average strain of the lower DBR mirror set by using the above formula (8). Is set to Thus, in Embodiment 1, the occurrence of dislocations is suppressed by setting the average nitrogen composition contained in the lower DBR mirror using the above equations (8) to (10).
たとえば、実際に、基板厚さが450μmであり、基板径が3inchである基板を選択した場合には、転位が発生しない基板の反り量Cの範囲は、上記(9)式より−61.5μm<C<61.5μmとなるため、さらに下部DBRミラー総膜厚を6.09μmと選択した場合には、上記(8)式より、この基板の反り量Cを満たす下部DBRミラーの格子歪Sの範囲は、−0.020%<S<0.126%となる。そして、このDBRミラーの格子歪Sの範囲に対応する下部DBRミラー平均窒素組成は、上記(10)式より、0.028%から0.390%と求められる。実施の形態1においては、この0.028%から0.390%の範囲で下部DBRミラー2に平均して窒素を添加することで、転位発生を抑制することができる。0.028%から0.390%の範囲で下部DBRミラー2に平均して窒素を添加するためには、たとえば、下部DBRミラー2の低屈折率層を構成するAlAs層に0.056%から0.778%の範囲で窒素を添加すればよい。
For example, when a substrate having a substrate thickness of 450 μm and a substrate diameter of 3 inches is actually selected, the range of the warp amount C of the substrate in which dislocation does not occur is −61.5 μm from the above equation (9). Since <C <61.5 μm, if the total film thickness of the lower DBR mirror is further selected to be 6.09 μm, the lattice strain S of the lower DBR mirror satisfying the warpage amount C of the substrate is obtained from the above equation (8). The range of −0.020% <S <0.126%. And the lower DBR mirror average nitrogen composition corresponding to the range of the lattice strain S of this DBR mirror is determined from 0.028% to 0.390% from the above equation (10). In the first embodiment, dislocation generation can be suppressed by adding nitrogen to the
このように、実施の形態1においては、基板の反り量Cが転位を発生しない条件である上記(9)式を満たすように、上記(8)式を用いて下部DBRミラーの総膜厚および格子歪を設定し、上記(8)式を用いて設定された下部DBRミラーの平均歪に対応する組成で下部DBRミラーに窒素を添加することによって、転位発生を適切に抑制した高信頼性の面発光レーザ素子を実現することが可能になる。特に、本実施の形態1においては、DBRミラーを構成する半導体材料に添加する窒素の添加量を調整するだけでよいため、転位発生を適切に抑制した高信頼性の面発光レーザ素子を簡易に実現することができる。 As described above, in the first embodiment, the total film thickness of the lower DBR mirror and the above-described equation (8) are satisfied using the above equation (8) so that the warpage amount C of the substrate satisfies the above equation (9), which is a condition that no dislocation occurs. By setting the lattice strain and adding nitrogen to the lower DBR mirror with a composition corresponding to the average strain of the lower DBR mirror set using the above equation (8), the generation of dislocations can be suppressed appropriately A surface emitting laser element can be realized. In particular, in the first embodiment, since it is only necessary to adjust the amount of nitrogen added to the semiconductor material constituting the DBR mirror, a highly reliable surface emitting laser element that appropriately suppresses the occurrence of dislocation can be easily obtained. Can be realized.
実際に、上記(9)式を満たすように、上記(8)式を用いて下部DBRミラーの総膜厚および格子歪を設定した面発光レーザ素子を作成し、転位発生の有無を検討した。たとえば、基板厚さ450μm、基板径3inchの基板を用い、総膜厚が6.09μmとなるようにGaAs層(93nm)/AlAs層(110nm)を下部DBRミラーとして30ペア積層し、格子歪が0.083%となるようにAlAs層に添加する窒素組成を0.14%とした場合には、基板の反り量は(9)式を満たす4.94μmとなり、転位が発生しなかった。また、基板厚さ625μm、基板径3inchの基板を用い、総膜厚が6.09μmとなるようにGaAs層(93nm)/AlAs層(110nm)を下部DBRミラーとして30ペア積層し、格子歪が0.083%となるようにAlAs層に添加する窒素組成を0.14%とした場合には、基板の反り量は(9)式を満たす12.93μmとなり、転位が発生しなかった。 Actually, a surface emitting laser element in which the total film thickness and lattice strain of the lower DBR mirror were set using the above equation (8) so as to satisfy the above equation (9) was created, and the presence or absence of dislocation generation was examined. For example, a substrate having a substrate thickness of 450 μm and a substrate diameter of 3 inches is used, and 30 pairs of GaAs layers (93 nm) / AlAs layers (110 nm) are stacked as the lower DBR mirror so that the total film thickness becomes 6.09 μm. When the nitrogen composition added to the AlAs layer was set to 0.14% so as to be 0.083%, the warpage amount of the substrate was 4.94 μm satisfying the formula (9), and no dislocation occurred. Also, using a substrate having a substrate thickness of 625 μm and a substrate diameter of 3 inches, 30 pairs of GaAs layers (93 nm) / AlAs layers (110 nm) were stacked as the lower DBR mirror so that the total film thickness was 6.09 μm, and the lattice distortion was When the nitrogen composition added to the AlAs layer was set to 0.14% so as to be 0.083%, the warpage amount of the substrate was 12.93 μm that satisfies the formula (9), and no dislocation occurred.
これに対し、基板厚さ450μm、基板径3inchの基板を用い、総膜厚が6.10μmとなるようにGaAs層(93nm)/AlAs層(110nm)を下部DBRミラーとして30ペア積層し、AlAs層に窒素を添加せず下部DBRミラーの格子歪が0.138%と上限値0.126%を超えた場合には、基板の反り量は(9)式を満たさない値である71.45μmとなってしまった。この場合には、転位が発生した。なお、これらの場合のいずれも、各出力光の波長は1270nmである。 On the other hand, using a substrate having a substrate thickness of 450 μm and a substrate diameter of 3 inches, 30 pairs of GaAs layers (93 nm) / AlAs layers (110 nm) are laminated as lower DBR mirrors so that the total film thickness becomes 6.10 μm. When nitrogen is not added to the layer and the lattice strain of the lower DBR mirror is 0.138%, which exceeds the upper limit of 0.126%, the warpage amount of the substrate is a value that does not satisfy the equation (9), which is 71.45 μm. It has become. In this case, dislocation occurred. In any of these cases, the wavelength of each output light is 1270 nm.
このように、基板の反り量Cが転位を発生しない条件である上記(9)式を満たすように、上記(8)式を用いて下部DBRミラーの総膜厚および格子歪を設定し、上記(10)式をもとに、上記(8)式を用いて設定された下部DBRミラーの平均歪に対応する組成で下部DBRミラーに窒素を添加することによって、面発光レーザ素子における転位発生を抑制できることが実際に検証できた。 Thus, the total film thickness and lattice distortion of the lower DBR mirror are set using the above equation (8) so that the warpage amount C of the substrate satisfies the above equation (9), which is a condition that no dislocation occurs. Based on the equation (10), by adding nitrogen to the lower DBR mirror with a composition corresponding to the average strain of the lower DBR mirror set using the above equation (8), dislocation generation in the surface emitting laser element is generated. It was actually verified that it can be suppressed.
なお、本実施の形態1においては、下部DBRミラー上に活性層を積層することに起因して増加する基板の反り量を勘案して、下部DBRミラーに添加する窒素量をさらに調整してもよい。 In the first embodiment, even if the amount of nitrogen added to the lower DBR mirror is further adjusted in consideration of the amount of warpage of the substrate that is increased due to the lamination of the active layer on the lower DBR mirror. Good.
たとえば、下部DBRミラー上に圧縮歪活性層を積層した場合、基板の反り量は、さらに約15μm増える。ここで、基板厚さおよび基板径は、製品仕様として決められたものであり、反射率を確保するためにも下部DBRミラーの総膜厚を減らすことができない場合が多い。このため、この場合には、活性層によって増加する基板の反り量をさらに勘案して、転位発生を抑制できる下部DBRミラーの格子歪を設定しなくてはならない。 For example, when a compression strain active layer is laminated on the lower DBR mirror, the amount of warpage of the substrate further increases by about 15 μm. Here, the substrate thickness and the substrate diameter are determined as product specifications, and it is often impossible to reduce the total thickness of the lower DBR mirror in order to ensure reflectivity. For this reason, in this case, the lattice distortion of the lower DBR mirror that can suppress the occurrence of dislocations must be set in consideration of the amount of warpage of the substrate that is increased by the active layer.
具体的には、上記(8)式の格子歪Sに関する成分をもとに以下の演算を行なうことによって、活性層積層による基板反り量の増加に対応した格子歪S1を求める。
(27.7×S0−1.48)/0.2×T=(27.7×S1−1.48)/0.2×T−15
この式のS0として、活性層積層を勘案していない場合における格子歪の下限値−0.020%を代入し、Tとして6.09μmを代入すると、活性層積層による基板反り量の増加に対応した格子歪S1として0.072%が得られる。このため、活性層積層による基板反り量の増加に対応した格子歪の下限値は、0.072%であることがわかる。この活性層積層による基板反り量の増加に対応した格子歪の下限値0.072%に対応する下部DBRミラー内平均窒素組成は、(10)式より0.072%となる。また、転位が発生しない下部DBRミラー内平均窒素組成の上限値は、上記で求めたように0.390%である。このため、下部DBRミラー2上に活性層を積層した場合には、転位発生を抑制するために、下部DBRミラー内平均窒素組成は、0.072%から0.390%とする必要がある。すなわち、下部DBRミラー2上に活性層を積層した場合には、転位発生を抑制するために、下部DBRミラー内平均窒素組成は、0.072%以上にする必要がある。なお、引っ張り歪活性層を積層する場合の無転位条件は、DBRの歪が支配的になるため組成下限値の変化は生じない。
Specifically, the lattice strain S 1 corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the active layer stacking is obtained by performing the following calculation based on the component related to the lattice strain S in the above equation (8).
(27.7 × S 0 −1.48) /0.2×T= (27.7 × S 1 −1.48) /0.2×T−15
Substituting the lower limit −0.020% of the lattice strain when the active layer stack is not taken into account as S 0 in this equation, and substituting 6.09 μm as T, the increase in the amount of warpage of the substrate due to the active layer stack is increased. A corresponding lattice strain S 1 of 0.072% is obtained. For this reason, it can be seen that the lower limit value of the lattice strain corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the active layer lamination is 0.072%. The average nitrogen composition in the lower DBR mirror corresponding to the lower limit 0.072% of the lattice strain corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the lamination of the active layer is 0.072% from the equation (10). Further, the upper limit value of the average nitrogen composition in the lower DBR mirror where dislocation does not occur is 0.390% as determined above. For this reason, when an active layer is laminated on the
また、本実施の形態1においては、さらに活性層上に上部DBRミラーを積層することに起因して増加する基板の反り量を勘案して、下部DBRミラーに添加する窒素量をさらに調整してもよい。 Further, in the first embodiment, the amount of nitrogen added to the lower DBR mirror is further adjusted in consideration of the amount of warpage of the substrate that is increased due to the lamination of the upper DBR mirror on the active layer. Also good.
たとえば、下部DBRミラー上に活性層を積層し、この活性層上に上部DBRミラーを積層した場合、基板の反り量は、活性層積層に起因して約15μm増えるとともに、上部DBRミラー積層に起因してさらに約65μm増える。すなわち、下部DBRミラー上に活性層を積層し、この活性層上に上部DBRミラーを積層した場合、基板の反り量は、約80μm増える。下部DBRミラー上に活性層および上部DBRミラーを積層した場合にさらに増加する基板の反り量をさらに勘案して、転位発生を抑制できる格子歪を設定するには、上記(8)式の格子歪Sに関する成分をもとに以下の演算を行なうことによって、活性層および上部DBRミラー積層による基板反り量の増加に対応した格子歪S2を求める。
(27.7×S0−1.48)/0.2×T=(27.7×S2−1.48)/0.2×T−80
For example, when an active layer is stacked on the lower DBR mirror and an upper DBR mirror is stacked on the active layer, the amount of warpage of the substrate increases by about 15 μm due to the active layer stacking, and also due to the upper DBR mirror stacking. About 65 μm. That is, when an active layer is laminated on the lower DBR mirror and an upper DBR mirror is laminated on the active layer, the amount of warpage of the substrate increases by about 80 μm. In order to set the lattice strain that can suppress the occurrence of dislocations by further considering the amount of warping of the substrate that further increases when the active layer and the upper DBR mirror are laminated on the lower DBR mirror, the lattice strain of the above formula (8) is set. by performing the following operations component based on the related S, determine the lattice strain S 2 corresponding to the increase of substrate warpage by the active layer and an upper DBR mirror stack.
(27.7 × S 0 -1.48) /0.2×T= (27.7 × S 2 -1.48) /0.2×T-80
この式のS0として、活性層積層を勘案していない場合における格子歪の下限値−0.020%を代入し、Tとして6.09μmを代入すると、活性層および上部DBRミラー積層による基板反り量の増加に対応した格子歪S2として0.263%が得られる。このため、活性層および上部DBRミラー積層による基板反り量の増加に対応した格子歪の下限値は、0.263%であることがわかる。この活性層および上部DBRミラー積層による基板反り量の増加に対応した格子歪の下限値0.263%に対応する下部DBRミラー内平均窒素組成は、(10)式より0.263%となる。また、転位が発生しない下部DBRミラー内平均窒素組成の上限値は、上記で求めたように0.390%である。このため、下部DBRミラー2上に活性層および上部DBRミラーを積層した場合には、転位発生を抑制するため、下部DBRミラー内平均窒素組成は、0.263%から0.390%とする必要がある。すなわち、下部DBRミラー2上に活性層および上部DBRミラーを積層した場合には、転位発生を抑制するため、下部DBRミラー内平均窒素組成を、0.263%以上にする必要がある。
Substituting the lower limit of lattice strain −0.020% when the active layer stack is not taken into account as S 0 in this equation, and substituting 6.09 μm as T, the substrate warpage due to the active layer and the upper DBR mirror stack 0.263% as lattice strain S 2 corresponding to the increase in the amount is obtained. Therefore, it can be seen that the lower limit value of the lattice strain corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the active layer and the upper DBR mirror lamination is 0.263%. The average nitrogen composition in the lower DBR mirror corresponding to the lower limit value 0.263% of the lattice strain corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the lamination of the active layer and the upper DBR mirror is 0.263% from the equation (10). Further, the upper limit value of the average nitrogen composition in the lower DBR mirror where dislocation does not occur is 0.390% as determined above. For this reason, when the active layer and the upper DBR mirror are stacked on the
なお、図6に、下部DBRミラー内平均窒素組成と基板の反り量との関係を実験的に求めた結果を示す。図6の直線R5は、基板厚さ450μmのものに対応し、直線R6は、基板厚さ625μmのものに対応する。この図6の各直線に示すように、DBRミラー内平均窒素組成と基板の反り量との関係は、比例関係を有する。また、図5に示すように、下部DBRミラーの格子歪と下部DBRミラーに添加される窒素組成との関係も比例関係を有する。上述した記載においては、図4に示す下部DBRミラーの格子歪と基板の反り量との関係は、比例関係であるとして転位発生を抑制しない格子歪の下限値を求めているが、下部DBRミラー内平均窒素組成と基板の反り量との関係、および、DBRミラー内平均窒素組成と基板の反り量との関係のいずれもが比例関係を有するため、下部DBRミラーの格子歪と基板の反り量との関係も比例関係とすることは特に問題がなく妥当であるものと考えられる。 FIG. 6 shows the result of experimental determination of the relationship between the average nitrogen composition in the lower DBR mirror and the amount of warpage of the substrate. A straight line R5 in FIG. 6 corresponds to a substrate having a thickness of 450 μm, and a straight line R6 corresponds to a substrate having a thickness of 625 μm. As shown by the straight lines in FIG. 6, the relationship between the average nitrogen composition in the DBR mirror and the amount of warpage of the substrate is proportional. As shown in FIG. 5, the relationship between the lattice strain of the lower DBR mirror and the nitrogen composition added to the lower DBR mirror is also proportional. In the above description, the relationship between the lattice strain of the lower DBR mirror and the amount of warp of the substrate shown in FIG. 4 is a proportional relationship, and the lower limit value of the lattice strain that does not suppress the occurrence of dislocation is obtained. Since the relationship between the inner average nitrogen composition and the amount of warpage of the substrate and the relationship between the average nitrogen composition within the DBR mirror and the amount of warpage of the substrate are proportional, the lattice strain of the lower DBR mirror and the amount of warpage of the substrate It is considered that it is reasonable to make the relationship with the proportional relationship also without any problem.
(実施の形態2)
つぎに、実施の形態2について説明する。図7は、実施の形態2にかかる面発光レーザ素子の要部構成を示す断面図である。また、実施の形態2にかかる面発光レーザ素子は、図1と同様の平面構成を有する。図7に示すように、実施の形態2にかかる面発光レーザ素子200は、図2に示す面発光レーザ素子100における下部DBRミラー2に代えて、下部DBRミラー202を備えた構成を有する。この下部DBRミラー202は、窒素ではなく、窒素と同様に格子定数を縮める作用を有する燐(P)を添加している。実施の形態2では、格子定数を縮める作用を有する燐の添加量を調整することによって、下部DBRミラー202の格子歪を転位発生抑制可能である範囲に設定している。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the surface emitting laser element according to the second embodiment. The surface emitting laser element according to the second embodiment has the same planar configuration as that in FIG. As shown in FIG. 7, the surface emitting
実施の形態2においては、実施の形態1と同様に転位が発生しない基板の反り量を求め、この基板の反り量を実現できるように、下部DBRミラー202の格子歪および下部DBRミラー202の総膜厚を設定する。すなわち、実施の形態2においては、基板の反り量Cが(9)式を満たすように、下部DBRミラーの格子歪および下部DBRミラーの総膜厚を上述した(8)式をもとに設定することによって、実施の形態1と同様に、転位が発生しない下部DBRミラーの格子歪と下部DBRミラーの総膜厚を適切に設定することができる。
In the second embodiment, similarly to the first embodiment, the amount of warpage of the substrate in which dislocation does not occur is obtained, and the lattice distortion of the
そして、この転位を発生しない基板の反り量Cを満たす下部DBRミラー202の格子歪の設定のために、下部DBRミラーを構成する低屈折率層または高屈折率層に添加する燐の組成範囲を以下のように設定する。
Then, in order to set the lattice strain of the
下部DBRミラーに添加する燐の組成と、下部DBRミラーの格子歪との関係は、実施の形態における窒素と同様に、理論的に求めることができる。具体的に、図8に、下部DBRミラーの格子歪と下部DBRミラーに添加される燐組成との関係を示す。図8は、下部DBRミラーの低屈折率層を構成するAlAs層に各組成の燐を添加した場合のDBRミラーの格子歪を演算し、DBRミラー内平均窒素組成を下部高屈折率層と下部低屈折率層の厚さの比により見積もった場合について示している。 The relationship between the composition of phosphorus added to the lower DBR mirror and the lattice strain of the lower DBR mirror can be theoretically obtained as in the case of nitrogen in the embodiment. Specifically, FIG. 8 shows the relationship between the lattice strain of the lower DBR mirror and the phosphorus composition added to the lower DBR mirror. FIG. 8 shows the lattice distortion of the DBR mirror when phosphorus of each composition is added to the AlAs layer constituting the low refractive index layer of the lower DBR mirror, and the average nitrogen composition in the DBR mirror is calculated from the lower high refractive index layer and the lower refractive index layer. It shows the case where it is estimated by the ratio of the thickness of the low refractive index layer.
図8の直線R7に示すように、DBRミラーの格子歪と、DBRミラー内平均燐組成とは、理論上、比例関係を有し、以下の(11)式で表すことができる。なお、(11)式においては、下部DBRミラーの平均歪をS(%)とし、DBRミラー内平均燐組成をP(%)としている。 As indicated by a straight line R7 in FIG. 8, the lattice strain of the DBR mirror and the average phosphorus composition in the DBR mirror have a theoretical proportional relationship, and can be expressed by the following equation (11). In the equation (11), the average strain of the lower DBR mirror is S (%), and the average phosphorus composition in the DBR mirror is P (%).
実施の形態2においては、基板の反り量Cが転位を発生しない条件である上記(9)式を満たすように、上記(8)式を用いて下部DBRミラーの総膜厚および格子歪を設定する。そして、実施の形態2では、燐は、上記(11)式をもとに、上記(8)式を用いて設定された下部DBRミラーの平均歪に対応する組成で下部DBRミラーに平均して含まれるように設定されている。このように、実施の形態2においては、上記(8)式、(9)式および(11)式を用いて下部DBRミラーに含まれる平均燐組成を設定することによって、転位の発生を抑制している。 In the second embodiment, the total thickness and lattice strain of the lower DBR mirror are set using the above equation (8) so that the warpage amount C of the substrate satisfies the above equation (9), which is a condition that does not cause dislocation. To do. In the second embodiment, phosphorus is averaged in the lower DBR mirror with a composition corresponding to the average strain of the lower DBR mirror set using the above equation (8) based on the above equation (11). It is set to be included. Thus, in the second embodiment, by setting the average phosphorus composition contained in the lower DBR mirror using the above equations (8), (9), and (11), the occurrence of dislocation is suppressed. ing.
たとえば、実際に、基板厚さが450μmであり、基板径が3inchである基板を選択した場合には、転位が発生しない基板の反り量Cの範囲は、上記(9)式より−61.5μm<C<61.5μmとなるため、さらにDBRミラー総膜厚を6.09μmと選択した場合には、上記(8)式より、この基板の反り量Cを満たすDBRミラーの格子歪Sの範囲は、−0.020%<S<0.126%となる。 For example, when a substrate having a substrate thickness of 450 μm and a substrate diameter of 3 inches is actually selected, the range of the warp amount C of the substrate in which dislocation does not occur is −61.5 μm from the above equation (9). Since <C <61.5 μm, when the total DBR mirror film thickness is selected to be 6.09 μm, the range of the lattice strain S of the DBR mirror satisfying the warp amount C of the substrate is calculated from the above equation (8). Is −0.020% <S <0.126%.
そして、このDBRミラーの格子歪Sの範囲に対応する下部DBRミラー平均燐組成は、上記(11)式より、0.169%から2.309%と求められる。実施の形態2においては、この0.169%から2.309%の範囲で下部DBRミラー202に平均して燐を添加することで、転位発生を抑制することができる。また、0.169%から2.309%の範囲で下部DBRミラー202に平均して燐を添加するためには、たとえば、下部DBRミラー202の高屈折率層を構成するGaAs層には燐を添加せず、下部DBRミラー202の低屈折率層を構成するAlAs層に0.338%から4.621%の範囲で燐を添加してもよい。
The lower DBR mirror average phosphorus composition corresponding to the range of the lattice strain S of the DBR mirror is determined from 0.169% to 2.309% from the above equation (11). In the second embodiment, by adding phosphorus on the average to the
このように、実施の形態2においては、基板の反り量Cが転位を発生しない条件である上記(9)式を満たすように、上記(8)式を用いて下部DBRミラーの総膜厚および格子歪を設定し、上記(11)式より求めた、上記(8)式を用いて設定された下部DBRミラーの平均歪に対応する組成で下部DBRミラーに燐を添加することによって、実施の形態1と同様に、転位発生を適切に抑制した高信頼性の面発光レーザ素子を簡易に実現することが可能になる。 Thus, in the second embodiment, the total film thickness of the lower DBR mirror and the lower DBR mirror using the above equation (8) so that the warpage amount C of the substrate satisfies the above equation (9), which is a condition that no dislocation occurs. By setting the lattice strain and adding phosphorus to the lower DBR mirror with a composition corresponding to the average strain of the lower DBR mirror set using the above equation (8) obtained from the above equation (11), As in the first embodiment, it is possible to easily realize a highly reliable surface emitting laser element in which dislocation generation is appropriately suppressed.
なお、本実施の形態2においては、実施の形態1と同様に、下部DBRミラー上に圧縮歪活性層を積層することに起因して増加する基板の反り量を勘案して、下部DBRミラーに添加する窒素量をさらに調整してもよい。 In the second embodiment, in the same manner as in the first embodiment, the lower DBR mirror is considered in consideration of the amount of warpage of the substrate that is increased due to the lamination of the compression strain active layer on the lower DBR mirror. The amount of nitrogen to be added may be further adjusted.
具体的には、実施の形態1と同様に、下部DBRミラー上に活性層を積層した場合に増加する基板の反り量を約15μmとし、格子歪の下限値である−0.0195%、DBRミラーの総膜厚としてたとえば6.09μmを用いて、活性層積層による基板反り量の増加に対応した格子歪S1として0.072%を求める。この格子歪S1は、活性層積層による基板反り量の増加に対応した格子歪の下限値となる。この活性層積層による基板反り量の増加に対応した格子歪の下限値0.072%に対応する下部DBRミラー内平均燐組成は、(11)式より0.41%となる。また、転位が発生しない下部DBRミラー内平均燐組成の上限値は、上記で求めたように2.29%である。このため、下部DBRミラー202上に活性層を積層した場合には、転位発生を抑制するため、下部DBRミラー内平均燐組成は、0.41%から2.29%とする必要がある。すなわち、下部DBRミラー202上に活性層を積層した場合には、転位発生を抑制するため、下部DBRミラー内平均燐組成を、0.41%以上にする必要がある。なお、引っ張り歪活性層を積層する場合の無転位条件は、DBRの歪が支配的になるため組成下限値の変化は生じない。
Specifically, as in the first embodiment, the amount of warpage of the substrate that is increased when an active layer is stacked on the lower DBR mirror is about 15 μm, and the lower limit value of lattice strain is −0.0195%, DBR Using, for example, 6.09 μm as the total film thickness of the mirror, 0.072% is obtained as the lattice strain S 1 corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the active layer lamination. The lattice strain S 1 is the lower limit value of the lattice strain corresponding to an increase in substrate warpage by the active layer stack. The average phosphorus composition in the lower DBR mirror corresponding to the lower limit 0.072% of the lattice strain corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the active layer stacking is 0.41% from the equation (11). Further, the upper limit value of the average phosphorus composition in the lower DBR mirror where dislocation does not occur is 2.29% as determined above. For this reason, when an active layer is laminated on the
また、本実施の形態2においては、実施の形態2と同様に、さらに活性層上に上部DBRミラーを積層することに起因して増加する基板の反り量を勘案して、下部DBRミラーに添加する燐の量をさらに調整してもよい。 Further, in the second embodiment, as in the second embodiment, it is added to the lower DBR mirror in consideration of the amount of warpage of the substrate that is increased due to the stacking of the upper DBR mirror on the active layer. The amount of phosphorus to be adjusted may be further adjusted.
具体的には、実施の形態1と同様に、下部DBRミラー上に活性層および上部DBRミラーを積層した場合に増加する基板の反り量を約80μmとし、格子歪の下限値である−0.020%、DBRミラーの総膜厚としてたとえば6.09μmを用いて、活性層および上部DBRミラー積層による基板反り量の増加に対応した格子歪S2として0.263%を求める。この格子歪S2は、活性層および上部DBRミラー積層による基板反り量の増加に対応した格子歪の下限値となる。この活性層積層による基板反り量の増加に対応した格子歪の下限値0.263%に対応する下部DBRミラー内平均燐組成は、(11)式より1.551%となる。また、転位が発生しない下部DBRミラー内平均燐組成の上限値は、上記で求めたように2.29%である。このため、下部DBRミラー202上に活性層および上部DBRミラーを積層する場合には、転位発生を抑制するために、下部DBRミラー内平均燐組成は、1.551%から2.29%とする必要がある。すなわち、下部DBRミラー202上に活性層および上部DBRミラーを積層する場合には、転位発生を抑制するため、下部DBRミラー内平均燐組成を、1.551%以上する必要がある。
Specifically, as in the first embodiment, the amount of warpage of the substrate that is increased when the active layer and the upper DBR mirror are stacked on the lower DBR mirror is set to about 80 μm, and the lower limit value of the lattice strain is −0. Using, for example, 6.09 μm as the total film thickness of the DBR mirror, 0.263% is obtained as the lattice strain S 2 corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the lamination of the active layer and the upper DBR mirror. The lattice strain S 2 is a lower limit value of the lattice strain corresponding to an increase in substrate warpage by the active layer and an upper DBR mirror stack. The average phosphorus composition in the lower DBR mirror corresponding to the lower limit value of 0.263% of the lattice strain corresponding to the increase in the amount of warpage of the substrate due to the active layer stacking is 1.551% from the equation (11). Further, the upper limit value of the average phosphorus composition in the lower DBR mirror where dislocation does not occur is 2.29% as determined above. Therefore, when the active layer and the upper DBR mirror are stacked on the
なお、実施の形態1,2では、活性層6がGaInNAs系材料で形成された発振波長が1.3μm帯である面発光レーザ素子を例にとって説明したが、面発光レーザ素子の発振波長帯や活性層等を構成する材料は、適宜選択可能である。例えば、発振波長が650nm帯である面発光レーザ素子はAlGaInP系材料及びInGaAsP系材料を選択することが可能であり、また発振波長が1μm帯である面発光レーザ素子は、InGaAs系材料を選択することが可能であり、発振波長が1.3〜1.6μm帯である面発光レーザ素子はGaInAsP系材料、AlGaInAs系材料及びGaInNAsSb系材料を選択することが可能である。
In the first and second embodiments, the surface emitting laser element in which the
また、上述した実施の形態1,2では、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し、全てを半導体膜で構成しても良い。また、実施の形態1,2では、上部DBRミラー12を構成する誘電体膜が、例えばSiN/SiO2からなる複合誘電体層を用いて形成されるものとして説明したが、膜材料をこれに限定して解釈する必要はなく、SiO2、SiN、a−Si、AlO、MgF、ITOまたはTiOの中から適宜組み合わせて用いることができる。なお、一般的には、SiO、SiN、a−SiはプラズマCVD装置により、SiO、a−Si、AlO、MgF、ITO、TiOは電子ビーム蒸着装置により、またSiO、a−Si、AlO、ITOはスパッタ装置により形成可能である。
In the first and second embodiments described above, the case where the entire
また、上述した実施の形態1,2は、面発光レーザ素子100,200について説明したが、面発光レーザ素子100,200を1次元配列または2次元配列させた面発光レーザ素子アレイに対してももちろん適用可能である。
In the first and second embodiments, the surface emitting
100 面発光レーザ素子
1 基板
2,202 下部DBRミラー
3 n型コンタクト層
4 n型電極
5 n型クラッド層
6 活性層
7,9 p型クラッド層
8 電流狭窄層
8a 開口部
8b 選択酸化層
10 p型コンタクト層
11 p型電極
12 上部DBRミラー
13 n型引出電極
14 p型引出電極
100 surface emitting laser element 1 substrate 2,202 lower DBR mirror 3 n-type contact layer 4 n-type electrode 5 n-
Claims (11)
前記基板上に積層され、GaおよびAsを含む化合物によって形成される下部高屈折率層とAlおよびAsを含む化合物によって形成される下部低屈折率層との周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、上部高屈折率層と上部低屈折率層と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、
を備えた面発光レーザ素子において、
前記下部多層膜反射鏡には窒素が含まれており、
前記基板の反りをC(μm)とし、前記下部多層膜反射鏡の平均歪をS(%)とし、前記基板の厚さをd(μm)とし、前記基板の径をD(inch)とし、前記下部多層膜反射鏡の膜厚をT(μm)とした場合、
前記下部多層膜反射鏡の平均歪と前記下部多層膜反射鏡の膜厚とは、前記基板の反りが下記の数式(1)を満たすように、下記の数式(2)をもとに設定され、
前記窒素は、前記平均歪と前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均窒素組成との関係において、前記数式(2)を用いて設定された前記平均歪Sに対応する組成で前記下部多層膜反射鏡に含まれることを特徴とする面発光レーザ素子。
Lower multilayer film reflection formed from a periodic structure of a lower high refractive index layer formed by a compound containing Ga and As and a lower low refractive index layer formed by a compound containing Al and As stacked on the substrate An optical resonator having a mirror and an upper multilayer reflector formed of a periodic structure of an upper high-refractive index layer and an upper low-refractive index layer;
An active layer provided between the lower multilayer reflector and the upper multilayer reflector to generate light;
In the surface emitting laser device comprising:
The lower multilayer mirror includes nitrogen,
The warp of the substrate is C (μm), the average strain of the lower multilayer reflector is S (%), the thickness of the substrate is d (μm), the diameter of the substrate is D (inch), When the film thickness of the lower multilayer mirror is T (μm),
The average distortion of the lower multilayer reflector and the film thickness of the lower multilayer reflector are set based on the following formula (2) so that the warp of the substrate satisfies the following formula (1). ,
The nitrogen has a composition corresponding to the average strain S set using the mathematical formula (2) in the relationship between the average strain and the average nitrogen composition contained in the lower multilayer reflector. A surface-emitting laser element characterized by being included in a mirror.
前記基板上に積層され、GaおよびAsを含む化合物によって形成される下部高屈折率層とAlおよびAsを含む化合物によって形成される下部低屈折率層との周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、上部高屈折率層と上部低屈折率層と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、
を備えた面発光レーザ素子において、
前記下部多層膜反射鏡には燐が含まれており、
前記基板の反りをC(μm)とし、前記下部多層膜反射鏡の平均歪をS(%)とし、前記基板の厚さをd(μm)とし、前記基板の径をD(inch)とし、前記下部多層膜反射鏡の膜厚をT(μm)とした場合、
前記下部多層膜反射鏡の平均歪と前記下部多層膜反射鏡の膜厚とは、前記基板の反りが下記の数式(4)を満たすように、下記の数式(5)をもとに設定され、
前記燐は、前記平均歪と前記下部多層膜反射鏡に含まれる平均燐組成との関係において、前記数式(5)を用いて設定された前記平均歪Sに対応する組成で前記下部多層膜反射鏡に含まれることを特徴とする面発光レーザ素子。
Lower multilayer film reflection formed from a periodic structure of a lower high refractive index layer formed by a compound containing Ga and As and a lower low refractive index layer formed by a compound containing Al and As stacked on the substrate An optical resonator having a mirror and an upper multilayer reflector formed of a periodic structure of an upper high-refractive index layer and an upper low-refractive index layer;
An active layer provided between the lower multilayer reflector and the upper multilayer reflector to generate light;
In the surface emitting laser device comprising:
The lower multilayer mirror includes phosphorus,
The warp of the substrate is C (μm), the average strain of the lower multilayer reflector is S (%), the thickness of the substrate is d (μm), the diameter of the substrate is D (inch), When the film thickness of the lower multilayer mirror is T (μm),
The average strain of the lower multilayer reflector and the film thickness of the lower multilayer reflector are set based on the following formula (5) so that the warp of the substrate satisfies the following formula (4). ,
The phosphorus has a composition corresponding to the average strain S set using the equation (5) in the relationship between the average strain and the average phosphorus composition contained in the lower multilayer reflector. A surface-emitting laser element characterized by being included in a mirror.
前記下部低屈折率層に含まれる燐組成は、0.338%から4.621%であることを特徴とする請求項6または7に記載の面発光レーザ素子。 The phosphorus is included in the lower low refractive index layer of the lower multilayer reflector,
8. The surface emitting laser device according to claim 6, wherein a phosphorus composition contained in the lower low refractive index layer is 0.338% to 4.621%.
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WO2012046420A1 (en) * | 2010-10-04 | 2012-04-12 | 古河電気工業株式会社 | Electronic element, surface-emitting laser, surface-emitting laser array, light source, and light module |
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