JP2010165723A - Method of manufacturing surface emitting laser - Google Patents

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Takayoshi Anami
隆由 阿南
Takafumi Suzuki
尚文 鈴木
Masayoshi Tsuji
正芳 辻
Masaru Hatakeyama
大 畠山
Masayoshi Fukatsu
公良 深津
Takeshi Akagawa
武志 赤川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a surface emitting laser capable of accurately measuring and controlling PL peak wavelength of an active layer of the surface emitting laser. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the surface emitting laser includes: a first step of forming a first calibration structure containing, on a substrate 1, a multilayer film reflecting mirror 11 and a resonator 12 which is stacked on the mutilayer film reflecting mirror 11 and has resonator length of (2n+1)λ/4(n is natural number and λ is wavelength); a second step of acquiring an emission peak wavelength from photoluminescence measurement of an active layer 5 in the first calibration structure; a third step of adjusting formation condition of the active layer 5 so that the emission peak wavelength of the active layer 5 comes to be a predetermined wavelength; and a fourth step of forming a surface emitting laser having a resonator containing the active layer and a multilayer film reflecting mirror provided above and below the resonator, based on the formation condition of the active layer 5 available through the third step. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は面発光レーザの製造方法に関し、特に波長を精密に制御することが可能な面発光レーザの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a surface emitting laser, and more particularly to a method for manufacturing a surface emitting laser capable of precisely controlling the wavelength.

面発光レーザ(垂直共振器面発光レーザ:VCSEL)は、低コスト、低消費電力であるため、公衆ネットワークやファイバーチャネルといったデータ通信用の光源として広く用いられている。面発光レーザのデバイス特性を左右する重要な設計パラメータとして、面発光レーザの発振波長と活性層の利得ピーク波長との差がある。   Surface emitting lasers (vertical cavity surface emitting lasers: VCSELs) are widely used as light sources for data communication such as public networks and fiber channels because of low cost and low power consumption. An important design parameter that affects the device characteristics of a surface emitting laser is the difference between the oscillation wavelength of the surface emitting laser and the gain peak wavelength of the active layer.

面発光レーザの発振波長は、共振器とそれを挟む上下の多層膜反射鏡(DBR)により決定される共振ピーク波長である。一方、活性層の利得ピーク波長は、活性層に電流もしくは光励起によりキャリアを注入した時の、正味の利得が最大になる波長である。
この共振ピーク波長と利得ピーク波長が一致していると、発振閾値が小さくなり良好な特性となる。しかし、環境温度が高くなるなどして利得ピーク波長が共振ピーク波長よりも長波長になると、発振閾値や光出力等の特性が急速に低下する。
The oscillation wavelength of the surface emitting laser is a resonance peak wavelength determined by a resonator and upper and lower multilayer mirrors (DBR) sandwiching the resonator. On the other hand, the gain peak wavelength of the active layer is a wavelength at which the net gain becomes maximum when carriers are injected into the active layer by current or photoexcitation.
If the resonance peak wavelength and the gain peak wavelength coincide with each other, the oscillation threshold value becomes small and good characteristics are obtained. However, when the gain peak wavelength becomes longer than the resonance peak wavelength due to an increase in the environmental temperature, characteristics such as the oscillation threshold and the optical output rapidly decrease.

そこで、予め利得ピーク波長を共振ピーク波長よりも短波長側に設定しておくと、環境温度が数十度上昇しても、利得ピーク波長と共振ピーク波長の差が縮まるように変化するので特性は低下しない。このように、共振ピーク波長と利得ピーク波長との差はデバイス特性を左右する重要な設計パラメータといえる。そして、この波長を制御するには、数ナノメートル(nm)といったデバイスの作製精度が要求され、これを精密に制御しないと素子の歩留まりが低下する。   Therefore, if the gain peak wavelength is set in advance on the shorter wavelength side than the resonance peak wavelength, even if the environmental temperature rises by several tens of degrees, the difference between the gain peak wavelength and the resonance peak wavelength changes so as to reduce. Will not drop. Thus, the difference between the resonance peak wavelength and the gain peak wavelength can be said to be an important design parameter that affects the device characteristics. In order to control this wavelength, device fabrication accuracy of several nanometers (nm) is required, and unless this is precisely controlled, the yield of the elements is reduced.

共振ピーク波長は、面発光レーザのエピタキシャルウエハの光反射スペクトルを測定することで求めることができる。VCSEL構造の光反射スペクトルでは、ストップバンド幅と呼ばれるDBRの高反射率帯が測定される。そして、この高反射率帯のほぼ中心部には共振によるディップ(反射率が少し低下する部分)が測定され、そのディップの先端が共振ピーク波長となる。   The resonance peak wavelength can be obtained by measuring the light reflection spectrum of the epitaxial wafer of the surface emitting laser. In the light reflection spectrum of the VCSEL structure, a high DBR reflectance band called a stop bandwidth is measured. Then, a dip due to resonance (a portion where the reflectivity is slightly reduced) is measured at the substantially central portion of the high reflectivity band, and the tip of the dip becomes the resonance peak wavelength.

一方、利得ピーク波長は、電流もしくは光励起により高密度のキャリアを活性層に生成させた時に、正味の利得が最大になる波長であるため、VCSELウエハの状態で測定することは困難である。そこで、利得ピーク波長と強い相関関係のある、活性層のフォトルミネッセンス(PL)スペクトルのピーク波長を目安にすることが通常行われている。
従って、VCSELウエハの仕様においても、共振ピーク波長と活性層のPLピーク波長を指定することが通常行われている。
On the other hand, the gain peak wavelength is a wavelength at which the net gain is maximized when high-density carriers are generated in the active layer by current or photoexcitation, so that it is difficult to measure in the state of the VCSEL wafer. Therefore, it is usual to use the peak wavelength of the photoluminescence (PL) spectrum of the active layer, which has a strong correlation with the gain peak wavelength, as a guide.
Therefore, in the specification of the VCSEL wafer, it is usual to specify the resonance peak wavelength and the PL peak wavelength of the active layer.

VCSEL構造中に作製された活性層のPLスペクトルをDBR層を通して測定すると、共振器構造の影響を受けてPLスペクトルのピーク波長は共振ピーク波長と同じになってしまう。即ち、共振器構造が有する共振波長と共振した波長のみがDBR層を通して出てくることになり、活性層本来のPLピーク波長は測定できない。   When the PL spectrum of the active layer fabricated in the VCSEL structure is measured through the DBR layer, the peak wavelength of the PL spectrum becomes the same as the resonance peak wavelength due to the influence of the resonator structure. That is, only the wavelength that resonates with the resonance wavelength of the resonator structure comes out through the DBR layer, and the PL peak wavelength inherent in the active layer cannot be measured.

そこで、特許文献1では、活性層本来のPLピーク波長を測定するために、DBR構造の無い活性層構造のみを形成し、当該構造のPLピークを測定している。そして、活性層のPLピーク波長が所定のPLピーク波長になるように成長条件を調整している。特許文献1では、この成長条件を用いてVCSEL構造中の活性層を積層することにより、VCSEL構造中のPLピーク波長の制御が行われている。   Therefore, in Patent Document 1, in order to measure the PL peak wavelength inherent in the active layer, only the active layer structure without the DBR structure is formed, and the PL peak of the structure is measured. The growth conditions are adjusted so that the PL peak wavelength of the active layer becomes a predetermined PL peak wavelength. In Patent Document 1, the PL peak wavelength in the VCSEL structure is controlled by laminating the active layer in the VCSEL structure using this growth condition.

特開2002−289968号公報JP 2002-289968 A

しかしながら、背景技術による面発光レーザの製造方法には以下のような問題点がある。活性層の成長条件が同じであっても、VCSEL構造中の活性層のPLピーク波長と、活性層構造のみのPLピーク波長が同じになる保証がない。実際、GaAs基板上のInGaAs活性層において、成長条件が同じであっても、VCSEL構造中の活性層のPLピーク波長と、活性層構造のみの場合のPLピーク波長が30nm程度も異なることがあることを発明者らは見出した。   However, the method for manufacturing a surface emitting laser according to the background art has the following problems. Even if the growth conditions of the active layer are the same, there is no guarantee that the PL peak wavelength of the active layer in the VCSEL structure is the same as the PL peak wavelength of the active layer structure alone. In fact, in the InGaAs active layer on the GaAs substrate, even if the growth conditions are the same, the PL peak wavelength of the active layer in the VCSEL structure may differ from the PL peak wavelength in the case of only the active layer structure by about 30 nm. The inventors have found that.

活性層構造のみのウエハを数枚作製し、これらのPLピーク波長を調べたが再現性は極めて良好であった。よって、上記PLピーク波長の違いは、装置の再現性の問題ではなく活性層がDBRに挟まれたことによる構造上の問題であると推察される。
具体的には、VCSEL構造では下部DBR上に引き続き活性層を積層することになる。その際、下地DBRの影響による基板の反り、熱放射率変化等により、基板の表面温度が活性層構造のみの場合と違ってくる。特に、In組成など成長温度に敏感なものは下地の影響で大きく変化する。
Several wafers having only the active layer structure were prepared, and the PL peak wavelength was examined. The reproducibility was very good. Therefore, it is surmised that the difference in the PL peak wavelength is not a problem of the reproducibility of the device but a structural problem due to the active layer being sandwiched between the DBRs.
Specifically, in the VCSEL structure, an active layer is continuously stacked on the lower DBR. At that time, the surface temperature of the substrate differs from the case of only the active layer structure due to the warpage of the substrate due to the influence of the underlying DBR, the change in thermal emissivity, and the like. In particular, those that are sensitive to the growth temperature, such as the In composition, vary greatly due to the influence of the substrate.

また、上部DBRの成長中に熱アニール効果により量子井戸の界面がだれてPLピーク波長が短波長側にシフトすることがある。
このように、VCSEL構造中の活性層のPLピーク波長と、活性層構造のみの場合のPLピーク波長は異なることがあり、VCSEL構造中の活性層のPLピーク波長を精密に制御することが困難となる。
In addition, during the growth of the upper DBR, the interface of the quantum well may drift due to the thermal annealing effect, and the PL peak wavelength may shift to the short wavelength side.
Thus, the PL peak wavelength of the active layer in the VCSEL structure may be different from the PL peak wavelength in the case of only the active layer structure, and it is difficult to precisely control the PL peak wavelength of the active layer in the VCSEL structure. It becomes.

また、背景技術のところでも説明したように、VCSEL構造中の活性層のPLピーク波長を基板表面からDBR層を通して測定しようとしても、共振器構造の影響を受けて、活性層本来のPLピーク波長を測定することができない。
そこで、VCSEL構造ウエハを劈開して、層構造断面から直接活性層のPL発光を測定する断面マイクロPLも原理的には可能である。しかし、活性層が直接空気にふれるため表面酸化がおこり、表面非発光再結合が大きい材料系などではPL光が微弱となり、スペクトルを観測することは困難となる。
Further, as described in the background art, even if an attempt is made to measure the PL peak wavelength of the active layer in the VCSEL structure from the substrate surface through the DBR layer, the PL peak wavelength inherent in the active layer is affected by the resonator structure. Can not be measured.
Therefore, in principle, a cross-sectional micro-PL that cleaves a VCSEL structure wafer and directly measures the PL emission of the active layer from the cross-section of the layer structure is also possible. However, since the active layer is directly exposed to air, surface oxidation occurs, and in a material system having a large surface non-radiative recombination, PL light becomes weak and it is difficult to observe the spectrum.

このように、VCSEL構造中の活性層のPLピーク波長は、活性層構造のみの場合のPLピーク波長と同じとは限らない。また、実際のVCSEL構造中のPLピーク波長を測定することも困難であり、ウエハレベルでのチェックが出来ないといった課題がある。このため、実際にVCSEL構造を作製し素子の特性を測定しないと、活性層のPLピーク波長と共振ピーク波長の差を決めることができないため、素子の歩留まりが低下する。   Thus, the PL peak wavelength of the active layer in the VCSEL structure is not necessarily the same as the PL peak wavelength in the case of only the active layer structure. In addition, it is difficult to measure the PL peak wavelength in an actual VCSEL structure, and there is a problem that checking at the wafer level cannot be performed. For this reason, unless the VCSEL structure is actually fabricated and the characteristics of the element are measured, the difference between the PL peak wavelength and the resonance peak wavelength of the active layer cannot be determined, so that the yield of the element decreases.

よって、本発明の目的は、面発光レーザの活性層のPLピーク波長を精密に測定し、当該PLピーク波長を精密に制御することが可能な面発光レーザの製造方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a surface emitting laser capable of precisely measuring the PL peak wavelength of an active layer of a surface emitting laser and precisely controlling the PL peak wavelength.

本発明にかかる面発光レーザの製造方法は、基板上に、多層膜反射鏡と、当該多層膜反射鏡上に積層された、(2n+1)λ/4(nは自然数、λは波長)共振器長を有する共振器と、を有する第1のキャリブレーション構造を形成する第1の工程と、前記第1のキャリブレーション構造における活性層のフォトルミネッセンス測定から発光ピーク波長を求める第2の工程と、前記活性層の発光ピーク波長が所定の波長となるように、前記活性層の形成条件を調整する第3の工程と、前記第3の工程で得られた前記活性層の形成条件に基づき、活性層を含む共振器と当該共振器の上下に設けられた多層膜反射鏡とを有する面発光レーザを形成する第4の工程と、を有する。   A surface emitting laser manufacturing method according to the present invention includes a multilayer reflector on a substrate and a (2n + 1) λ / 4 (n is a natural number, λ is a wavelength) resonator laminated on the multilayer reflector. A first step of forming a first calibration structure having a resonator having a length; a second step of determining an emission peak wavelength from a photoluminescence measurement of an active layer in the first calibration structure; Based on the third step of adjusting the formation conditions of the active layer so that the emission peak wavelength of the active layer becomes a predetermined wavelength, and based on the formation conditions of the active layer obtained in the third step, And a fourth step of forming a surface emitting laser having a resonator including a layer and multilayer reflectors provided above and below the resonator.

本発明にかかる面発光レーザの製造方法により、面発光レーザの活性層のPLピーク波長を精密に測定・制御することが可能な面発光レーザの製造方法を提供することができる。   With the method for manufacturing a surface emitting laser according to the present invention, a method for manufacturing a surface emitting laser capable of precisely measuring and controlling the PL peak wavelength of the active layer of the surface emitting laser can be provided.

面発光レーザの製造に用いる、キャリブレーション構造の断面図である。It is sectional drawing of a calibration structure used for manufacture of a surface emitting laser. 3λ/4共振器(実線)とλ共振器(破線)の反射スペクトルである。It is a reflection spectrum of a 3λ / 4 resonator (solid line) and a λ resonator (dashed line). 実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the surface emitting laser concerning embodiment. 実施例1にかかる面発光レーザの製造方法を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a method of manufacturing the surface emitting laser according to Example 1. FIG. 実施例1にかかる3λ/4共振器を有するキャリブレーション構造のPLスペクトル(破線)と、λ共振器を有するVCSEL構造のPLスペクトルである。2 shows a PL spectrum (dashed line) of a calibration structure having a 3λ / 4 resonator according to Example 1 and a PL spectrum of a VCSEL structure having a λ resonator. 実施例2にかかる面発光レーザの製造方法を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a method of manufacturing the surface emitting laser according to Example 2. FIG.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本実施形態にかかる面発光レーザの製造に用いるキャリブレーション構造(第1のキャリブレーション構造)の断面図である。基板1上に下部多層膜反射鏡(DBR)11を積層し、その上に(2n+1)λ/4共振器長の共振器12が積層されている。下部DBR11は、λ/4層厚の低屈折率層2とλ/4層厚の高屈折率層3を1ペアとする交互多層膜となっており、その最上部は低屈折率層で構成されている。(2n+1)λ/4共振器12は、活性層部5を挟む下部スペーサ層4と上部スペーサ層6を有し、その合計層厚は(2n+1)λ/4である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a calibration structure (first calibration structure) used for manufacturing the surface emitting laser according to the present embodiment. A lower multilayer reflector (DBR) 11 is stacked on the substrate 1, and a resonator 12 having a (2n + 1) λ / 4 resonator length is stacked thereon. The lower DBR 11 is an alternating multilayer film in which a pair of a low refractive index layer 2 having a λ / 4 layer thickness and a high refractive index layer 3 having a λ / 4 layer thickness is formed as a pair, and the uppermost portion is constituted by a low refractive index layer. Has been. The (2n + 1) λ / 4 resonator 12 includes a lower spacer layer 4 and an upper spacer layer 6 sandwiching the active layer portion 5, and the total layer thickness is (2n + 1) λ / 4.

このキャリブレーション構造でnが1の場合(3λ/4共振器)の反射スペクトルを図2の実線に示す。図2において、反射率の高い領域(約1010nm〜1090nm)はストップバンドと呼ばれ、下部DBRの反射特性を反映したものである。この場合のキャリブレーション構造では、共振器長を3λ/4に設定しているために、このストップバンド内に共振によるディップは見られない。   The reflection spectrum when n is 1 (3λ / 4 resonator) in this calibration structure is shown by the solid line in FIG. In FIG. 2, a region with high reflectivity (about 1010 nm to 1090 nm) is called a stop band, and reflects the reflection characteristics of the lower DBR. In the calibration structure in this case, since the resonator length is set to 3λ / 4, no dip due to resonance is observed in this stop band.

一方、共振器長が通常のVCSELで用いられるようなλである場合は、図2の破線に示すように、ストップバンド内に共振によるディップ7が出現する。このディップ7は、下部DBRと共振器部との干渉により生じるものである。つまり、3λ/4共振器長のキャリブレーション構造でディップが見られないのは、3λ/4共振器長がこの干渉を起こさない特別な長さだからである。   On the other hand, when the resonator length is λ as used in a normal VCSEL, a dip 7 due to resonance appears in the stop band as shown by the broken line in FIG. This dip 7 is caused by interference between the lower DBR and the resonator section. That is, the dip is not seen in the calibration structure of the 3λ / 4 resonator length because the 3λ / 4 resonator length is a special length that does not cause this interference.

例えば、共振器長がλよりも少し短い場合は、λ共振器のディップよりも短波長側に共振ディップが現れる。そして、完全にディップが消失する共振器長が3λ/4である。このように、下部DBRと共振器との干渉が生じない特別な共振器長は、nを自然数として(2n+1)λ/4のときに起こる。   For example, when the resonator length is slightly shorter than λ, the resonance dip appears on the shorter wavelength side than the λ resonator dip. The resonator length at which the dip disappears completely is 3λ / 4. Thus, a special resonator length that does not cause interference between the lower DBR and the resonator occurs when n is a natural number (2n + 1) λ / 4.

反射スペクトルに下部DBRの干渉がないことは、活性層本来のPLピーク波長をウエハ表面から測定するのに必要不可欠である。これは、干渉があるとディップ波長での発光が強められ、活性層本来のPLピーク波長とは異なった波長でピークを持つからである。従って、(2n+1)λ/4共振器長の共振器を有するキャリブレーション構造を用いて表面側からPL測定を行うと、下部DBRの干渉のない、活性層本来のPLピーク波長を測定することが可能となる。   The absence of interference of the lower DBR in the reflection spectrum is indispensable for measuring the intrinsic PL peak wavelength of the active layer from the wafer surface. This is because if there is interference, light emission at the dip wavelength is strengthened and has a peak at a wavelength different from the original PL peak wavelength of the active layer. Therefore, when PL measurement is performed from the surface side using a calibration structure having a resonator having a (2n + 1) λ / 4 resonator length, the original PL peak wavelength of the active layer without interference of the lower DBR can be measured. It becomes possible.

また、このキャリブレーション構造の活性層は、本当のVCSEL構造と同じ構造をもつ下部DBR上に積層されているため、上述したような下部DBRに起因したPLピーク波長のずれもモニターすることが可能となる。
さらに、必要により上部DBRを積層する時と同じ温度、時間で、キャリブレーション構造を熱アニールすることで、上部DBRを積層する時に生じる熱アニール効果によるPLピーク波長の短波長化も再現でき、そのPL波長のシフト量を測定することができる。
また、VCSEL構造では、上部DBRを実際に積層するためキャリブレーション構造よりも若干反りが大きくなるが、その反りの程度は飽和傾向にあるので、下部DBR積層によりすでに反っているキャリブレーション構造でも十分に反りの影響が取り入れられる。
In addition, since the active layer of this calibration structure is stacked on the lower DBR having the same structure as the real VCSEL structure, it is possible to monitor the shift of the PL peak wavelength caused by the lower DBR as described above. It becomes.
Furthermore, if necessary, the calibration structure is thermally annealed at the same temperature and time as when the upper DBR is stacked, so that the PL peak wavelength can be shortened due to the thermal annealing effect generated when the upper DBR is stacked. The shift amount of the PL wavelength can be measured.
Further, in the VCSEL structure, since the upper DBR is actually laminated, the warpage is slightly larger than in the calibration structure, but the degree of the warpage tends to be saturated, so the calibration structure already warped by the lower DBR lamination is sufficient. The effect of warpage is taken into account.

以上で説明したように、下部多層膜反射鏡と、その上に積層された活性層を含む(2n+1)λ/4(nは自然数)共振器長の共振器と、を有するキャリブレーション構造を用いることで、VCSEL構造と同じ活性層本来の発光ピーク波長を測定することが可能となる。そして、これを用いて活性層の形成条件を調整し、当該活性層の形成条件を用いることで、活性層の発光ピーク波長を目的の波長に精密に合わせることができる。   As described above, the calibration structure having the lower multilayer reflector and the resonator having the resonator length of (2n + 1) λ / 4 (n is a natural number) including the active layer laminated thereon is used. Thus, it is possible to measure the original emission peak wavelength of the same active layer as the VCSEL structure. Then, by adjusting the formation conditions of the active layer using this and using the formation conditions of the active layer, the emission peak wavelength of the active layer can be precisely adjusted to the target wavelength.

次に、図3を用いて本実施形態にかかる面発光レーザの製造方法について説明する。本実施形態にかかる面発光レーザの製造方法は、以下の工程を有する。   Next, a method for manufacturing the surface emitting laser according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The manufacturing method of the surface emitting laser according to the present embodiment includes the following steps.

まず第1の工程では、図1に示すように、基板1上に、多層膜反射鏡11と、当該多層膜反射鏡11上に積層された、(2n+1)λ/4(nは自然数、λは波長)共振器長を有する共振器12と、を有するキャリブレーション構造を形成する。
基板1には例えばGaAsを用いることができる。また、多層膜反射鏡11には、例えば、SiドープのAl0.9Ga0.1As低屈折率層2と、SiドープのGaAs高屈折率層3を用いることができる。
First, in the first step, as shown in FIG. 1, a multilayer reflector 11 and (2n + 1) λ / 4 (n is a natural number, λ) laminated on the multilayer reflector 11 on the substrate 1. Form a calibration structure having a resonator 12 having a wavelength) resonator length.
For example, GaAs can be used for the substrate 1. In addition, for example, a Si-doped Al 0.9 Ga 0.1 As low-refractive index layer 2 and a Si-doped GaAs high-refractive index layer 3 can be used for the multilayer mirror 11.

また、共振器12は、例えば、AlGaAsスペーサ層4、In0.3Ga0.7As量子井戸層(QW)とGaAs(10nm)障壁層から構成される3QW活性層5、AlGaAsスペーサ層6を用いることができる。また、成長方法には有機金属気相成長法(MOCVD)や分子線エピタキシー法(MBE)等の成膜手段を用いることができる。また、必要によりキャリブレーション構造を形成した後に、上部DBRを積層する時と同じ温度、時間で、キャリブレーション構造を熱アニールしてもよい。 The resonator 12 includes, for example, an AlGaAs spacer layer 4, a 3QW active layer 5 composed of an In 0.3 Ga 0.7 As quantum well layer (QW) and a GaAs (10 nm) barrier layer, and an AlGaAs spacer layer 6. Can be used. As the growth method, film forming means such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) can be used. In addition, after the calibration structure is formed if necessary, the calibration structure may be thermally annealed at the same temperature and time as when the upper DBR is stacked.

第2の工程では、キャリブレーション構造における活性層のフォトルミネッセンス測定から、発光ピーク波長(PLピーク波長)を求める。活性層の利得ピーク波長は、このときの発光ピーク波長に基づきを求めることができる。つまり、活性層の利得ピーク波長を求める際に、当該発光ピーク波長を目安とすることができる。   In the second step, the emission peak wavelength (PL peak wavelength) is determined from the photoluminescence measurement of the active layer in the calibration structure. The gain peak wavelength of the active layer can be obtained based on the emission peak wavelength at this time. That is, when determining the gain peak wavelength of the active layer, the emission peak wavelength can be used as a guide.

第3の工程では、活性層5の発光ピーク波長が所定の波長となるように、活性層5の形成条件を調整する。つまり、活性層5の利得ピーク波長に対応する活性層5の発光ピーク波長が所定の波長となるための活性層5の形成条件を求める。   In the third step, the formation conditions of the active layer 5 are adjusted so that the emission peak wavelength of the active layer 5 becomes a predetermined wavelength. That is, the formation condition of the active layer 5 is determined so that the emission peak wavelength of the active layer 5 corresponding to the gain peak wavelength of the active layer 5 becomes a predetermined wavelength.

第4の工程では、第3の工程で得られた所定の波長となるための活性層5の形成条件を用いて、面発光レーザを形成する。つまり、面発光レーザを形成する際、基板上に下部多層膜反射鏡を形成し、この下部多層膜反射鏡上に活性層を含む共振器を形成し、この共振器上に上部多層膜反射鏡を形成する。第4の工程では、下部多層膜反射鏡上に活性層を含む共振器を形成する際に、第3の工程で得られた活性層の形成条件を用いる。   In the fourth step, a surface emitting laser is formed using the formation conditions of the active layer 5 for obtaining the predetermined wavelength obtained in the third step. That is, when forming a surface emitting laser, a lower multilayer reflector is formed on a substrate, a resonator including an active layer is formed on the lower multilayer reflector, and an upper multilayer reflector is formed on the resonator. Form. In the fourth step, the formation conditions of the active layer obtained in the third step are used when forming the resonator including the active layer on the lower multilayer reflector.

本実施形態にかかる面発光レーザの製造方法を用いることにより、実際のVCSEL構造における活性層のPLピーク波長を測定することができるので、面発光レーザの活性層のPLピーク波長を精密に制御することが可能となる。また、実際のVCSELの活性層が設計通りに作製できるため、ウエハに起因するVCSELの特性不良を低減することができ、歩留まりを向上することができる。   Since the PL peak wavelength of the active layer in the actual VCSEL structure can be measured by using the surface emitting laser manufacturing method according to the present embodiment, the PL peak wavelength of the active layer of the surface emitting laser is precisely controlled. It becomes possible. Further, since the actual active layer of the VCSEL can be manufactured as designed, the VCSEL characteristic defects caused by the wafer can be reduced, and the yield can be improved.

図4を用いて本発明の実施例1にかかる面発光レーザの製造方法について説明する。ここでは、GaAs基板上のInGaAs量子井戸を活性層にもつVCSELを例にして説明する。成長方法は有機金属気相成長法(MOCVD)を用いたが、分子線エピタキシー法(MBE)等他の成長手段を用いても構わない。VCSELの室温での設計発振波長λは1050nmとし、活性層の目標PLピーク波長λaimは約1030nmとする。尚、本実施例のキャリブレーション構造(第1のキャリブレーション構造)も図1に示す構造と同様であるので、図1を用いて説明をする。 A method for manufacturing a surface emitting laser according to Example 1 of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a VCSEL having an InGaAs quantum well on a GaAs substrate as an active layer will be described as an example. As the growth method, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is used, but other growth means such as molecular beam epitaxy (MBE) may be used. The design oscillation wavelength λ of the VCSEL at room temperature is 1050 nm, and the target PL peak wavelength λ aim of the active layer is about 1030 nm. The calibration structure (first calibration structure) of this embodiment is also the same as the structure shown in FIG. 1, and will be described with reference to FIG.

第1の工程では、3インチのSiドープGaAs基板1上に、Siドープのλ/(4n)層厚のAl0.9Ga0.1As低屈折率層2と、Siドープのλ/(4n)層厚のGaAs高屈折率層3を1ペアとして、35.5ペア(0.5ペアは最上部の低屈折率層)からなる下部DBR11を積層した。 In the first step, an Al 0.9 Ga 0.1 As low-refractive index layer 2 having a Si-doped λ / (4n l ) layer thickness and a Si-doped λ / The lower DBR 11 composed of 35.5 pairs (0.5 pair is the uppermost low-refractive index layer) was stacked with the GaAs high-refractive index layer 3 having a (4n h ) layer thickness as one pair.

ここでn、nはそれぞれ低屈折率層と高屈折率層の屈折率である。各λ/4層の間には、電気抵抗を低減するための中間層があっても良い。下部DBR11の上には引き続き共振器長が3λ/4の共振器12を積層した。 Here, n l and n h are the refractive indexes of the low refractive index layer and the high refractive index layer, respectively. Between each λ / 4 layer there may be an intermediate layer for reducing electrical resistance. A resonator 12 having a resonator length of 3λ / 4 was continuously stacked on the lower DBR 11.

まず、約λ/2のAlGaAsスペーサ層4を積層した後、In0.3Ga0.7As(5nm)量子井戸層(QW)とGaAs(10nm)障壁層から構成される3QW活性層5を積層した。さらにその上に約λ/4のAlGaAsスペーサ層6を積層し、3λ/4共振器12を形成した。 First, after laminating an AlGaAs spacer layer 4 of about λ / 2, a 3QW active layer 5 composed of an In 0.3 Ga 0.7 As (5 nm) quantum well layer (QW) and a GaAs (10 nm) barrier layer is formed. Laminated. Further, an AlGaAs spacer layer 6 of about λ / 4 is laminated thereon to form a 3λ / 4 resonator 12.

これにより、DBR11と、3λ/4共振器長を有する共振器12と、を有するキャリブレーション構造を形成することができる。
その後、成長室内で、実際のVCSEL構造で積層する上部p−DBRと同じ成長温度、成長時間だけ、上記キャリブレーション構造体に対して熱アニールを施した。
As a result, a calibration structure including the DBR 11 and the resonator 12 having the 3λ / 4 resonator length can be formed.
Thereafter, the calibration structure was subjected to thermal annealing in the growth chamber for the same growth temperature and growth time as the upper p-DBR stacked in the actual VCSEL structure.

第2の工程では、このキャリブレーション構造を成長したウエハに対して通常の室温フォトルミネッセンス(PL)測定を行い、そのPLスペクトルから発光ピーク波長(PLピーク波長)を求める。本実施例の場合、PLピーク波長は1017nmであった。
一方、同じ成長条件で、活性層のみを成長した場合のPLピーク波長は1039nmであった。よって、キャリブレーション構造では、22nmも短波長化していることがわかる。
In the second step, normal room temperature photoluminescence (PL) measurement is performed on the wafer on which the calibration structure is grown, and the emission peak wavelength (PL peak wavelength) is obtained from the PL spectrum. In this example, the PL peak wavelength was 1017 nm.
On the other hand, when only the active layer was grown under the same growth conditions, the PL peak wavelength was 1039 nm. Therefore, it can be seen that the calibration structure has a wavelength as short as 22 nm.

第3の工程では、その結果をもとに、キャリブレーション構造を成長したウエハのPLピーク波長が約1030nmになるように、活性層の成長条件の調整を行う。本実施例では、図5の破線に示すようにピーク波長が1028nmとなるような活性層の成長条件を得た。   In the third step, based on the result, the growth condition of the active layer is adjusted so that the PL peak wavelength of the wafer on which the calibration structure is grown is about 1030 nm. In this example, the active layer growth conditions were obtained such that the peak wavelength was 1028 nm as indicated by the broken line in FIG.

第4の工程では、第3の工程で得た成長条件を用いて、実際のVCSEL構造を成長した。実際のVCSEL構造は、共振器長がλで上部DBRがCドープのλ/(4n)層厚のAl0.9Ga0.1As低屈折率層と、Cドープのλ/(4n)層厚のGaAs高屈折率層を1ペアとした23ペアからなる構造である。 In the fourth step, an actual VCSEL structure was grown using the growth conditions obtained in the third step. An actual VCSEL structure has an Al 0.9 Ga 0.1 As low refractive index layer with a resonator length of λ and an upper DBR of C-doped λ / (4n l ) layer thickness, and a C-doped λ / (4n h ) A structure consisting of 23 pairs in which a GaAs high refractive index layer having a layer thickness is paired.

このVCSEL構造中のPLピーク波長を測定するため、断面マイクロPLにより活性層の室温PLスペクトルを測定した。その結果を図5の実線に示す。ピーク波長は1027nmであり、キャリブレーション成長したウエハとの差は1nmと小さかった。このように、キャリブレーション構造ウエハを用いて成長条件を調整することで、VCSEL活性層のPLピーク波長を精密に制御することが可能となり、良好な特性をもったVCSEL素子を歩留りよく作製することが可能となった。   In order to measure the PL peak wavelength in this VCSEL structure, the room temperature PL spectrum of the active layer was measured by cross-sectional micro-PL. The result is shown by the solid line in FIG. The peak wavelength was 1027 nm, and the difference from the calibration-grown wafer was as small as 1 nm. Thus, by adjusting the growth conditions using the calibration structure wafer, it becomes possible to precisely control the PL peak wavelength of the VCSEL active layer, and to produce a VCSEL element having good characteristics with a high yield. Became possible.

本実施例では、面発光レーザの活性層としてInGaAsの例をあげたが、他の材料系を用いた異なる波長帯においても同様の効果が期待される。また、本実施例では量子井戸構造の量子井戸数を3としたが、発振に必要なゲインが得られるならこれに限定されない。また、本実施例では、n型GaAs基板上にVCSELを形成したが、p型基板を用いて積層順を反対にしてもよい。   In this embodiment, an example of InGaAs is given as an active layer of a surface emitting laser, but the same effect can be expected in different wavelength bands using other material systems. In this embodiment, the number of quantum wells in the quantum well structure is set to 3. However, the present invention is not limited to this as long as a gain necessary for oscillation can be obtained. In this embodiment, the VCSEL is formed on the n-type GaAs substrate. However, the p-type substrate may be used to reverse the stacking order.

図6を用いて本発明の実施例2にかかる面発光レーザの製造方法について説明する。ここでは、実施例1と同様、GaAs基板上のInGaAs量子井戸を活性層にもつVCSELを例にして説明する。成長方法は有機金属気相成長法(MOCVD)を用いたが、分子線エピタキシー法(MBE)等他の成長手段を用いても構わない。VCSELの室温での設計発振波長λは1050nmとし、活性層の目標PLピーク波長λaimは約1030nmとする。実施例1との違いは、第3の工程において活性層のみを有する構造体(第2のキャリブレーション構造)を形成し、活性層のみのPLピーク波長を求めて、当該ピーク値を用いて成長条件を調整する点である。以下、具体的に説明する。 A method for manufacturing a surface emitting laser according to Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG. Here, as in the first embodiment, a VCSEL having an InGaAs quantum well on a GaAs substrate as an active layer will be described as an example. As the growth method, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is used, but other growth means such as molecular beam epitaxy (MBE) may be used. The design oscillation wavelength λ of the VCSEL at room temperature is 1050 nm, and the target PL peak wavelength λ aim of the active layer is about 1030 nm. The difference from Example 1 is that a structure (second calibration structure) having only the active layer is formed in the third step, the PL peak wavelength of only the active layer is obtained, and growth is performed using the peak value. The point is to adjust the conditions. This will be specifically described below.

第1の工程では、3インチのSiドープGaAs基板1上に、Siドープのλ/(4n)層厚のAl0.9Ga0.1As低屈折率層2と、Siドープのλ/(4n)層厚のGaAs高屈折率層3を1ペアとして、35.5ペア(0.5ペアは最上部の低屈折率層)からなる下部DBR11を積層した。 In the first step, an Al 0.9 Ga 0.1 As low-refractive index layer 2 having a Si-doped λ / (4n l ) layer thickness and a Si-doped λ / The lower DBR 11 composed of 35.5 pairs (0.5 pair is the uppermost low-refractive index layer) was stacked with the GaAs high-refractive index layer 3 having a (4n h ) layer thickness as one pair.

ここでn、nはそれぞれ低屈折率層と高屈折率層の屈折率である。各λ/4層の間には、電気抵抗を低減するための中間層があっても良い。下部DBR11の上には引き続き共振器長が3λ/4の共振器12を積層した。 Here, n l and n h are the refractive indexes of the low refractive index layer and the high refractive index layer, respectively. Between each λ / 4 layer there may be an intermediate layer for reducing electrical resistance. A resonator 12 having a resonator length of 3λ / 4 was continuously stacked on the lower DBR 11.

まず、約λ/2のAlGaAsスペーサ層4を積層した後、In0.3Ga0.7As(5nm)量子井戸層(QW)とGaAs(10nm)障壁層から構成される3QW活性層5を積層した。さらにその上に約λ/4のAlGaAsスペーサ層6を積層し、3λ/4共振器12を形成した。 First, after laminating an AlGaAs spacer layer 4 of about λ / 2, a 3QW active layer 5 composed of an In 0.3 Ga 0.7 As (5 nm) quantum well layer (QW) and a GaAs (10 nm) barrier layer is formed. Laminated. Further, an AlGaAs spacer layer 6 of about λ / 4 is laminated thereon to form a 3λ / 4 resonator 12.

これにより、DBR11と、3λ/4共振器長を有する共振器12と、を有する第1のキャリブレーション構造を形成することができる。   Thus, a first calibration structure having the DBR 11 and the resonator 12 having a 3λ / 4 resonator length can be formed.

第2の工程では、この第1のキャリブレーション構造を成長したウエハに対して通常の室温フォトルミネッセンス(PL)測定を行い、そのPLスペクトルから発光ピーク波長(PLピーク波長)を求めた。本実施例の場合、PLピーク波長λa2は1017nmであった。ここで、目標とするピーク波長λaimとの差Δλ=λaim−λa2=13nmを求めておく。 In the second step, normal room temperature photoluminescence (PL) measurement was performed on the wafer on which the first calibration structure was grown, and an emission peak wavelength (PL peak wavelength) was obtained from the PL spectrum. In this example, the PL peak wavelength λ a2 was 1017 nm. Here, a difference Δλ = λ aim −λ a2 = 13 nm from the target peak wavelength λ aim is obtained.

第3の工程では、前記第1の工程の活性層の成長条件と同じ成長条件で積層した活性層のみを有する第2のキャリブレーション構造を形成し、当該活性層のみのPLピーク波長λa0(本実施例では、1039nm)を測定する。そして、第1のキャリブレーション構造の発光ピーク波長λa2と目標とするピーク波長λaimとの差であるΔλ(Δλ=λaim−λa2)分だけ波長の異なるλa3(λa3=λa0+Δλ)を、第2のキャリブレーション構造の活性層の目標波長に設定する。 In the third step, a second calibration structure having only active layers stacked under the same growth conditions as the active layer growth conditions of the first step is formed, and the PL peak wavelength λ a0 ( In this embodiment, 1039 nm) is measured. Then, λ a3a3 = λ a0 ) having different wavelengths by Δλ (Δλ = λ aim −λ a2 ), which is the difference between the emission peak wavelength λ a2 of the first calibration structure and the target peak wavelength λ aim + Δλ) is set to the target wavelength of the active layer of the second calibration structure.

つまり本実施例では、VCSEL構造中の活性層の成長条件を調整するのに、活性層のみを有する第2のキャリブレーション構造を用いている。そして、第2のキャリブレーション構造においてPLピーク波長λa3(λa3=λa0+Δλ=1052nm)を目標値として設定し、当該値となるように第2のキャリブレーション構造の活性層の成長条件を調整している。 That is, in this embodiment, the second calibration structure having only the active layer is used to adjust the growth condition of the active layer in the VCSEL structure. Then, in the second calibration structure, the PL peak wavelength λ a3a3 = λ a0 + Δλ = 1052 nm) is set as a target value, and the growth conditions of the active layer of the second calibration structure are set so as to be the value. It is adjusted.

この方法で用いる第2のキャリブレーション構造は、第1のキャリブレーション構造とは異なり、活性層部のみで構成されているので、成長時間を大幅に短縮することができる。すなわち、図1を用いて説明すると、実施例1では活性層の形成条件を調整する第3の工程において、DBR11と共振器12を形成して形成条件を求めていた。しかし、実施例2では、活性層5のみを形成することで活性層の形成条件を求めることができるので、より短時間に形成条件を求めることができる。   Unlike the first calibration structure, the second calibration structure used in this method is composed of only the active layer portion, so that the growth time can be greatly shortened. That is, with reference to FIG. 1, in Example 3, in the third step of adjusting the formation conditions of the active layer, the formation conditions are obtained by forming the DBR 11 and the resonator 12. However, in Example 2, since the formation conditions of the active layer can be obtained by forming only the active layer 5, the formation conditions can be obtained in a shorter time.

本実施例では、面発光レーザの活性層としてInGaAsの例をあげたが、他の材料系を用いた異なる波長帯においても同様の効果が期待される。また、本実施例では量子井戸構造の量子井戸数を3としたが、発振に必要なゲインが得られるならこれに限定されない。また、本実施例では、n型GaAs基板上にVCSELを形成したが、p型基板を用いて積層順を反対にしてもよい。   In this embodiment, an example of InGaAs is given as an active layer of a surface emitting laser, but the same effect can be expected in different wavelength bands using other material systems. In this embodiment, the number of quantum wells in the quantum well structure is set to 3. However, the present invention is not limited to this as long as a gain necessary for oscillation can be obtained. In this embodiment, the VCSEL is formed on the n-type GaAs substrate. However, the p-type substrate may be used to reverse the stacking order.

本発明は、面発光レーザが用いられる、公衆ネットワークやファイバーチャネルといったデータ通信分野、レーザビームプリンタ、光インターコネクト等の分野に広く適用することができる。   The present invention can be widely applied to data communication fields such as public networks and fiber channels, laser beam printers, optical interconnects, and the like where surface emitting lasers are used.

1 基板
2 低屈折率層
3 高屈折率層
4 下部スペーサ層
5 活性層
6 上部スペーサ層
7 ディップ
11 下部多層膜反射鏡(DBR)
12 (2n+1)λ/4共振器
1 Substrate 2 Low Refractive Index Layer 3 High Refractive Index Layer 4 Lower Spacer Layer 5 Active Layer 6 Upper Spacer Layer 7 Dip 11 Lower Multilayer Reflector (DBR)
12 (2n + 1) λ / 4 resonator

Claims (5)

基板上に、多層膜反射鏡と、当該多層膜反射鏡上に積層された、(2n+1)λ/4(nは自然数、λは波長)共振器長を有する共振器と、を有する第1のキャリブレーション構造を形成する第1の工程と、
前記第1のキャリブレーション構造における活性層のフォトルミネッセンス測定から発光ピーク波長を求める第2の工程と、
前記活性層の発光ピーク波長が所定の波長となるように、前記活性層の形成条件を調整する第3の工程と、
前記第3の工程で得られた前記活性層の形成条件に基づき、活性層を含む共振器と当該共振器の上下に設けられた多層膜反射鏡とを有する面発光レーザを形成する第4の工程と、
を有する面発光レーザの製造方法。
A multilayer reflector on the substrate, and a resonator having a resonator length of (2n + 1) λ / 4 (n is a natural number and λ is a wavelength) laminated on the multilayer reflector. A first step of forming a calibration structure;
A second step of obtaining an emission peak wavelength from photoluminescence measurement of the active layer in the first calibration structure;
A third step of adjusting the formation conditions of the active layer such that the emission peak wavelength of the active layer becomes a predetermined wavelength;
Based on the formation conditions of the active layer obtained in the third step, a fourth surface-emitting laser including a resonator including the active layer and multilayer reflectors provided above and below the resonator is formed. Process,
The manufacturing method of the surface emitting laser which has.
前記第1の工程は、前記第4の工程で共振器の上部に多層膜反射鏡を形成する条件と同じ条件で前記第1のキャリブレーション構造を熱処理する工程を更に有する、請求項1に記載の面発光レーザの製造方法。   The said 1st process further has the process of heat-processing the said 1st calibration structure on the same conditions as the conditions which form a multilayer film reflective mirror in the upper part of a resonator at the said 4th process. Manufacturing method of the surface emitting laser. 前記第3の工程は、
基板上に活性層が形成された第2のキャリブレーション構造を形成し、
前記第2のキャリブレーション構造における活性層のフォトルミネッセンス測定から発光ピーク波長λa0を求め、
前記第1のキャリブレーション構造における活性層のフォトルミネッセンス測定から求めた発光ピーク波長λa2と所定の波長λaimとの差であるΔλ(Δλ=λaim−λa2)分だけ波長の異なるλa3(λa3=λa0+Δλ)になるように、第2のキャリブレーション構造の活性層の形成条件を調整する工程である、請求項1または2に記載の面発光レーザの製造方法。
The third step includes
Forming a second calibration structure having an active layer formed on a substrate;
The emission peak wavelength λ a0 is determined from the photoluminescence measurement of the active layer in the second calibration structure,
Λ a3 having a different wavelength by Δλ (Δλ = λ aim −λ a2 ), which is the difference between the emission peak wavelength λ a2 obtained from the photoluminescence measurement of the active layer in the first calibration structure and the predetermined wavelength λ aim The method for manufacturing a surface emitting laser according to claim 1, wherein the method is a step of adjusting the formation conditions of the active layer of the second calibration structure so that (λ a3 = λ a0 + Δλ).
前記第1の工程は、GaAs基板上に、AlGaAsとGaAsとが交互に積層された多層膜反射鏡と、当該多層膜反射鏡上に積層された、AlGaAs下部スペーサ層と、InGaAs量子井戸層とGaAs障壁層を有する活性層と、AlGaAs上部スペーサ層と、を有する第1のキャリブレーション構造を形成する工程である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の面発光レーザの製造方法。   The first step includes a multilayer reflector in which AlGaAs and GaAs are alternately laminated on a GaAs substrate, an AlGaAs lower spacer layer laminated on the multilayer reflector, an InGaAs quantum well layer, 4. The method of manufacturing a surface emitting laser according to claim 1, wherein the first calibration structure includes an active layer having a GaAs barrier layer and an AlGaAs upper spacer layer. 前記第4の工程は、
基板上に下部多層膜反射鏡を形成し、当該下部多層膜反射鏡上に下部スペーサ層を形成し、当該下部スペーサ層上に前記第3の工程で得られた前記活性層の形成条件に基づき活性層を形成し、当該活性層上に上部スペーサ層を形成し、当該上部スペーサ層上に上部多層膜反射鏡を形成する工程である、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の面発光レーザの製造方法。
The fourth step includes
A lower multilayer reflector is formed on the substrate, a lower spacer layer is formed on the lower multilayer reflector, and the active layer obtained in the third step is formed on the lower spacer layer based on the formation conditions of the active layer. The surface according to any one of claims 1 to 4, which is a step of forming an active layer, forming an upper spacer layer on the active layer, and forming an upper multilayer reflector on the upper spacer layer. Manufacturing method of light emitting laser.
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