JP2010212606A - Surface emitting laser and method of manufacturing the same - Google Patents

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JP2010212606A JP2009059744A JP2009059744A JP2010212606A JP 2010212606 A JP2010212606 A JP 2010212606A JP 2009059744 A JP2009059744 A JP 2009059744A JP 2009059744 A JP2009059744 A JP 2009059744A JP 2010212606 A JP2010212606 A JP 2010212606A
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Inventor
Kenichiro Yashiki
健一郎 屋敷
Masayoshi Tsuji
正芳 辻
Takayoshi Anami
隆由 阿南
Takafumi Suzuki
尚文 鈴木
Masaru Hatakeyama
大 畠山
Masayoshi Fukatsu
公良 深津
Takeshi Akagawa
武志 赤川
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NEC Corp
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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface emitting laser in which laser oscillation of a single-peak profile can be performed through low-resistance operation, and which is manufactured at low cost. <P>SOLUTION: The surface emitting laser includes a first multilayer reflecting film and a second multilayer reflecting film. The first reflecting film is composed of a plurality of pairs of low-refraction areas and high-refraction areas. The second multilayer reflecting film is composed of an active layer on a first multilayer reflecting film, a current confining structure on the active layer, a spacer layer on the current confining structure, and a plurality of pairs of low-refraction areas and high-refraction areas provided on the spacer layer. The current confining structure includes a first conduction type semiconductor layer, a second conduction type semiconductor layer on the first conduction type semiconductor layer, a tunnel junction area formed from the first conduction type semiconductor layer and the second conduction type semiconductor layer, and a current block layer provided between the first conduction type semiconductor layer and the second conduction type semiconductor layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、光インターコネクションに好適な面型発光レーザ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a surface emitting laser suitable for optical interconnection and a method for manufacturing the same.

近年、インターネットの普及に伴いコンピュータ内、コンピュータ間で処理を必要とされる情報量は増加傾向にある。電気による信号の伝送限界を超えるデバイスとして、コンピュータ内で高密度実装が可能な面発光レーザが注目されている。   In recent years, with the spread of the Internet, the amount of information that needs to be processed within and between computers has been increasing. As a device that exceeds the limit of electric signal transmission, a surface emitting laser capable of high-density mounting in a computer has attracted attention.

光インターコネクションでは、面発光レーザと導波路との結合を行う上で、低コスト化のためレンズを用いない直接結合が求められている。レンズなしで、導波路と高い結合効率で結合するには横モードは単峰の光プロファイルであることが望ましい。このような素子を歩留まりよく作製することが求められる。   In optical interconnection, in order to couple a surface emitting laser and a waveguide, direct coupling without using a lens is required for cost reduction. In order to couple with a waveguide with high coupling efficiency without a lens, it is desirable that the transverse mode has a unimodal optical profile. It is required to manufacture such an element with a high yield.

この必要性は非特許文献2の図2(b)に示されている。他の高次モードに比べて、単峰の光プロファイルである基本モードであれば導波路近視野像サイズWfと発光素子の近視野像サイズWlが多少異なっていても高い結合効率が得られる。このため、導波路の設計自由度が大きい。   This necessity is shown in FIG. 2B of Non-Patent Document 2. Compared with other higher-order modes, in the fundamental mode that is a single-peak optical profile, high coupling efficiency can be obtained even if the waveguide near-field image size Wf and the near-field image size Wl of the light emitting element are slightly different. For this reason, the degree of freedom in designing the waveguide is great.

また、面発光レーザの中でも、トンネル接合を用いたものは素子を低抵抗化できるので、IC駆動電圧も小さくできIC消費電力の低減効果が大きい。また、低抵抗化により発熱も抑制できるので素子寿命の長い面発光レーザを実現できる。このようなトンネル接合を用いた面発光レーザの例として、非特許文献1(図1)において埋込みトンネル接合構造面発光レーザが報告されている。   Among surface emitting lasers, those using tunnel junctions can reduce the resistance of the element, so that the IC drive voltage can be reduced and the effect of reducing the IC power consumption is great. Further, since the heat generation can be suppressed by reducing the resistance, a surface emitting laser having a long element life can be realized. As an example of such a surface emitting laser using a tunnel junction, Non-Patent Document 1 (FIG. 1) reports a buried tunnel junction surface emitting laser.

この埋込みトンネル接合構造面発光レーザは、本明細書の図3に示すように、n型導電性の半導体基板701上に第1多層反射膜702、第1のn型スペーサ層703、活性層704、p型スペーサ層705、トンネル接合を形成する高濃度p型層706、トンネル接合を形成する高濃度n型層707、第2のn型スペーサ層708、第2多層反射膜709、正極電極710、負極電極711から構成されている。   As shown in FIG. 3 of this specification, the buried tunnel junction structure surface emitting laser includes a first multilayer reflective film 702, a first n-type spacer layer 703, and an active layer 704 on an n-type conductive semiconductor substrate 701. , P-type spacer layer 705, high-concentration p-type layer 706 that forms a tunnel junction, high-concentration n-type layer 707 that forms a tunnel junction, second n-type spacer layer 708, second multilayer reflective film 709, positive electrode 710 , And a negative electrode 711.

この埋込みトンネル接合構造面発光レーザは、本明細書の図4(a)−(d)に示すように、次の通り製造される。   As shown in FIGS. 4A to 4D of this specification, the buried tunnel junction structure surface emitting laser is manufactured as follows.

初めに、図4(a)に示すように、n型基板701上に、第1多層反射膜702から、トンネル接合を形成する高濃度n型層707までを順次成長し、フォトグラフィー技術とエッチング技術により高濃度p型層706及び高濃度n型層707を加工してトンネル接合を形成する。   First, as shown in FIG. 4A, a first multilayer reflective film 702 to a high-concentration n-type layer 707 that forms a tunnel junction are sequentially grown on an n-type substrate 701, and photolithography and etching are performed. The high-concentration p-type layer 706 and the high-concentration n-type layer 707 are processed by a technique to form a tunnel junction.

次に図4(b)のように、トンネル接合を埋め込むように第2のn型スペーサ層708を成長する。   Next, as shown in FIG. 4B, a second n-type spacer layer 708 is grown so as to embed the tunnel junction.

次に図4(c)のように、基板側のコンタクト電極を表面側から取り出すために、半導体基板上の積層膜を第1のn型スペーサ層703が露出までエッチングし、メサを形成する。   Next, as shown in FIG. 4C, in order to take out the contact electrode on the substrate side from the surface side, the laminated film on the semiconductor substrate is etched until the first n-type spacer layer 703 is exposed to form a mesa.

次に図4(d)に示すように、SiO2/Siからなる第2多層反射膜709を形成後にコンタクト部の誘電体をエッチング除去し、次いで正極電極710、負極電極711を形成し、電極アロイを経て素子が完成する。結果、閾値電流1mA、波長1090nmで発振し、素子抵抗50Ωの低抵抗な面発光レーザが得られている。 Next, as shown in FIG. 4D, after the second multilayer reflective film 709 made of SiO 2 / Si is formed, the dielectric in the contact portion is removed by etching, and then the positive electrode 710 and the negative electrode 711 are formed. The element is completed through the alloy. As a result, a low resistance surface emitting laser oscillating at a threshold current of 1 mA and a wavelength of 1090 nm and having an element resistance of 50Ω is obtained.

この面発光レーザの製造においては、電流狭窄構造を形成するため、発光領域以外のトンネル接合部をエッチングにより除去している。   In the manufacture of this surface emitting laser, the tunnel junction other than the light emitting region is removed by etching in order to form a current confinement structure.

他のトンネル接合を用いた面発光レーザの例としては、特許文献1(図1、図2B、図2C)に、トンネル接合部のエッチング加工で生じた段差が構成元素組成の異なる材料で埋め込まれ、埋め込み後の表面が平坦化された面発光レーザが報告されている。   As an example of a surface emitting laser using another tunnel junction, a step generated by etching processing of a tunnel junction is embedded in a material having a different constituent element composition in Patent Document 1 (FIGS. 1, 2B, and 2C). A surface emitting laser having a flattened surface after being embedded has been reported.

また、他のトンネル接合を用いた面発光レーザの例としては、非特許文献3(図1(a))に、トンネル接合にイオン注入を施して電流狭窄を形成した面発光レーザが報告されている。   As another example of a surface emitting laser using a tunnel junction, Non-Patent Document 3 (FIG. 1A) reports a surface emitting laser in which a current constriction is formed by ion implantation in a tunnel junction. Yes.

特開2008−103483号公報JP 2008-103483 A

屋敷健一郎ら、22p−ZN−3「1.1μm帯埋め込みトンネル接合構造面発光レーザ」、第53回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集、2006年春、p.1223Kenichiro Yashiki et al., 22p-ZN-3 “Surface emitting laser with 1.1 μm buried tunnel junction structure”, Proceedings of the 53rd Joint Conference on Applied Physics, Spring 2006, p. 1223 ジェイ・ハインリッヒ(J. Heinrich)ら、「バットカップリング イフィシエンシー オブ ビクセルズ イントゥ マルチモード ファイバー(Butt−Coupling Efficiency of VCSEL’s into Multimode Fibers)」、アイトリプルイー フォトニックス テクノロジー レターズ(IEEE Photonics Technology Letters)、1997年、pp.1555−1557J. Heinrich et al., "Butt-Coupling Efficiency of VCSEL's into Multimode Fibers", I Triple E Photonics E ), 1997, pp. 1555-1557 シー・スターク(C. Starck)ら、「1mW CW ルームテンプラチャ 1.55μm トンネル ビクセルサーマル アンド エレクトリカル キャラクタリスティックス オブ GaAs/AlAs メタモーフィク ミラーズ(1mW CW RT 1.55μm tunnel VCSEL: thermal and electrical characteristics of GaAs/AlAs metamorphic mirrors)」、クレオ パシフィック リム(CLEO Pacific Rim)、1999年、pp.454−455C. Starck et al., “1 mW CW RT 1.55 μm tunnel metallic VCSEL: thermal and electrical characteristics of GaAs / AlAs metamorphic mirrors (1 mW CW RT 1.55 μm tunnel metallic VCSEL). / AlAs metamorphic mirrors) ", CLEO Pacific Rim, 1999, pp. 196. 454-455 ジー・ロナルド・ハドリー(G. Ronald. Hadley)ら、「コンプリヘンシブ ニューメリカル モデリング オブ バーティカル キャヴィティ サーフィス エミティング レーザーズ(Comprehensive numerical modeling of vertical cavity surface emitting lasers)」、アイトリプルイー ジャーナル オブ クオンタム エレクトロニクス(IEEE Journal of Quantum Electronics)、1996年、pp.607−616G. Ronald. Hadley et al., “Comprehensive Numerical Modeling of Electronics”, “Competitive Numerical Modeling of Lasers” (IEEE Journal of Quantum Electronics), 1996, pp. 607-616

前述の非特許文献1に記載の技術では、トンネル接合のエッチング加工を行った際、形成されたトンネル接合部の加工形状を反映し、第2のn型スペーサ層708と第2多層反射膜709との界面712に凹凸が生じる。   In the technique described in Non-Patent Document 1 described above, when the tunnel junction is etched, the second n-type spacer layer 708 and the second multilayer reflective film 709 are reflected to reflect the processed shape of the formed tunnel junction. Concavities and convexities occur at the interface 712.

この素子の共振器長は、第1多層反射膜702と第1のn型スペーサ層703の界面と、第2多層反射膜709と第2のn型スペーサ層708の界面712との、両界面間の距離で規定される。非特許文献4に示される関係式(24)によると、発光する電流注入領域である凸部共振器の共鳴波長および実効屈折率をそれぞれλ0、neff、凹部の共鳴波長および実効屈折率をλ1、n1とし、Δλ=λ0−λ1、Δneff=neff−n1とすると、下記式(1): The resonator length of this element is such that the interface between the first multilayer reflective film 702 and the first n-type spacer layer 703 and the interface between the second multilayer reflective film 709 and the second n-type spacer layer 708 are both interfaces. It is defined by the distance between. According to the relational expression (24) shown in Non-Patent Document 4, the resonance wavelength and effective refractive index of the convex resonator, which is the current injection region that emits light, are λ 0 and n eff , respectively, and the resonant wavelength and effective refractive index of the concave portion are When λ 1 and n 1 are set, and Δλ = λ 0 −λ 1 and Δn eff = n eff −n 1 , the following formula (1):

Figure 2010212606
Figure 2010212606

の関係が存在する。たとえば、簡単のために凹凸段差をλ/4厚以下の光学膜厚に限定すると、凹部では凸部に比べ共振器長が短くなるため、λ0>λ1となる。よって、neff>n1となり、すなわち、発光領域の実効屈折率はその周辺部の実効屈折率よりも高くなるため、屈折率導波となる。このため、光閉じこめの程度は凹凸段差の大きさを反映する。ここで光学膜厚とは、波長がわかっている光に対して定義される厚みのことである。膜の実際の厚み(物理膜厚)がdであり、波長λに対してその膜の材料の屈折率がnである場合、その膜の光学膜厚はndとなる。 The relationship exists. For example, for the sake of simplicity, if the uneven step is limited to an optical film thickness of λ / 4 or less, the cavity length is shorter in the recessed portion than in the protruding portion, and therefore, λ 0 > λ 1 . Therefore, n eff > n 1 , that is, the effective refractive index of the light emitting region is higher than the effective refractive index of the peripheral portion thereof, so that the refractive index is guided. For this reason, the degree of light confinement reflects the size of the uneven step. Here, the optical film thickness is a thickness defined for light having a known wavelength. When the actual thickness (physical film thickness) of the film is d and the refractive index of the material of the film is n with respect to the wavelength λ, the optical film thickness of the film is nd.

高速動作を実現するには共振器長は短いことが望ましく、埋め込み層である第2のn型スペーサ層708は薄いことが望まれる。トンネル接合を加工するために必要なエッチング段差の典型値は30nm以上であり、埋め込み層の形成後でも、トンネル接合による段差は保持される。この段差は、屈折率差に換算すると、Δneff/neff=2〜3%と非常に大きい。この結果、素子はマルチモード発振しやすく、放射角は40度以上となり、ファイバーに直接結合する場合に結合効率が低い。 In order to realize high-speed operation, the resonator length is desirably short, and the second n-type spacer layer 708 which is a buried layer is desirably thin. A typical value of the etching step required for processing the tunnel junction is 30 nm or more, and the step due to the tunnel junction is maintained even after the buried layer is formed. This level difference is very large as Δn eff / n eff = 2 to 3% in terms of refractive index difference. As a result, the element easily oscillates in a multimode, the radiation angle is 40 degrees or more, and the coupling efficiency is low when coupled directly to the fiber.

一方、特許文献1に記載の技術のように、加工されたトンネル接合部を埋め込んだ後の表面を平坦化すると、単峰の光プロファイルで発振させることも可能である。しかしながら、本構造を作製する場合、トンネル接合部のパターンに応じて埋め込み後の構造をフォトリソグラフィーで加工する際に高い作製精度が要求される。このため、作製歩留まりが低下する。また、追加の加工プロセスが加わることでコストが増加する。   On the other hand, if the surface after embedding a processed tunnel junction is flattened as in the technique described in Patent Document 1, it is possible to oscillate with a single-peak optical profile. However, when producing this structure, high fabrication accuracy is required when processing the buried structure by photolithography according to the pattern of the tunnel junction. For this reason, the production yield decreases. Further, the cost increases due to the addition of an additional processing process.

非特許文献3に記載の技術においては、トンネル接合にイオン注入を施すと、発光領域の共振器長が非発光領域の共振器長と同じになり、電流の不均一注入の影響が小さければ単峰の光プロファイルで発振しやすくなる。同文献では発光径が20μmと大きいため、不均一注入の影響が大きくプラズマ効果により横モードが不安定だが、発光径を小さくして不均一注入の影響を減らせば単峰の光プロファイルで発振しやすくなる。このような技術では、イオン注入層が活性層近傍近くに形成されると、活性層にイオンの一部が到達しやすくなる。これは、非発光再結合の要因となり、しきい値電流が増加することで素子発熱が増え、発熱に伴う屈折率変化などが生じ、横モードの制御性が低くなる。また、活性層にイオンが到達すると格子欠陥が発生し、欠陥増殖の要因になり素子の信頼性にも影響する。一方、活性層からイオン注入層を遠ざけると電流狭窄が十分に機能しない。このため、この技術は量産には不向きである。   In the technique described in Non-Patent Document 3, when ion implantation is performed on a tunnel junction, the resonator length of the light emitting region becomes the same as the resonator length of the non-light emitting region, and if the influence of nonuniform current injection is small, it is simple. It becomes easy to oscillate with the optical profile of the peak. In this document, since the emission diameter is as large as 20 μm, the influence of nonuniform injection is large and the transverse mode is unstable due to the plasma effect. However, if the emission diameter is reduced and the influence of nonuniform injection is reduced, oscillation occurs with a single-peak optical profile. It becomes easy. In such a technique, when the ion-implanted layer is formed near the active layer, a part of ions easily reach the active layer. This becomes a cause of non-radiative recombination, and an increase in the threshold current causes an increase in element heat generation, resulting in a change in refractive index associated with the heat generation, resulting in poor lateral mode controllability. Further, when ions reach the active layer, lattice defects are generated, which causes defect growth and affects the reliability of the device. On the other hand, if the ion implantation layer is moved away from the active layer, current confinement does not function sufficiently. For this reason, this technique is not suitable for mass production.

本発明の目的は、低抵抗動作で単峰の光プロファイルのレーザ発振が可能であり、低コストで製造可能な、面発光レーザ及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a surface emitting laser and a method of manufacturing the same that can perform laser oscillation of a single-peak optical profile with low resistance operation and can be manufactured at low cost.

本発明の一態様により提供される面発光レーザは、
1/4λ厚の低屈折領域と1/4λ厚の高屈折領域との対を1ペアとした複数のペアから構成される第1多層反射膜と、
前記第1多層反射膜上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた電流狭窄構造と、
前記電流狭窄構造上に設けられたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に設けられた、1/4λ厚の低屈折領域と1/4λ厚の高屈折領域との対を1ペアとした複数のペアから構成される第2多層反射膜とを有し、
前記電流狭窄構造は、
第1導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層上に設けられ、第1導電型と反対導電型の第2導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とで形成されるトンネル接合領域と、
前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層との間に設けられた電流ブロック層とを有する。
A surface emitting laser provided by one embodiment of the present invention includes:
A first multilayer reflective film composed of a plurality of pairs, each of which includes a pair of a low refractive region having a thickness of 1 / 4λ and a high refractive region having a thickness of 1 / 4λ.
An active layer provided on the first multilayer reflective film;
A current confinement structure provided on the active layer;
A spacer layer provided on the current confinement structure;
A second multilayer reflective film that is provided on the spacer layer and includes a plurality of pairs each including a pair of a low refractive region having a thickness of 1 / 4λ and a high refractive region having a thickness of 1 / 4λ. ,
The current confinement structure is:
A first conductivity type semiconductor layer;
A second conductivity type semiconductor layer provided on the first conductivity type semiconductor layer and having a conductivity type opposite to the first conductivity type;
A tunnel junction region formed by the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer;
A current blocking layer provided between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer;

本発明の他の態様により提供される面発光レーザの製造方法は、
基板上に第1多層反射膜を形成する工程と、
前記第1多層反射膜上に第1スペーサ層を形成する工程と、
前記第1スペーサ層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に第2スペーサ層を形成する工程と、
前記第2スペーサ層上に第1導電型半導体層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体層上に電流ブロック層を形成する工程と、
前記電流ブロック層におけるトンネル接合領域に対応する部分を除去して前記第1導電型半導体層を露出させるパターニング工程と、
前記第1導電型半導体層の露出部分を覆うように前記電流ブロック層上に、第1導電型と反対導電型の第2導電型半導体層を形成する工程と、
前記第2導電型半導体層上に第3スペーサ層を形成する工程と、
前記第3スペーサ層上に第2多層反射膜を形成する工程を有する。
A method of manufacturing a surface emitting laser provided by another aspect of the present invention includes:
Forming a first multilayer reflective film on the substrate;
Forming a first spacer layer on the first multilayer reflective film;
Forming an active layer on the first spacer layer;
Forming a second spacer layer on the active layer;
Forming a first conductivity type semiconductor layer on the second spacer layer;
Forming a current blocking layer on the first conductive semiconductor layer;
A patterning step of removing a portion corresponding to a tunnel junction region in the current blocking layer to expose the first conductive type semiconductor layer;
Forming a second conductivity type semiconductor layer opposite to the first conductivity type on the current blocking layer so as to cover the exposed portion of the first conductivity type semiconductor layer;
Forming a third spacer layer on the second conductive semiconductor layer;
Forming a second multilayer reflective film on the third spacer layer;

本発明によれば、単峰の光プロファイルで低抵抗動作が可能であり、低コストで製造可能な、面発光レーザを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a surface emitting laser capable of low resistance operation with a single peak optical profile and capable of being manufactured at low cost.

本発明の実施形態の面発光レーザを示す断面図。Sectional drawing which shows the surface emitting laser of embodiment of this invention. 図1に示す面発光レーザの製造方法の一例を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating an example of the manufacturing method of the surface emitting laser shown in FIG. 関連技術の面発光レーザの断面図。Sectional drawing of the surface emitting laser of related technology. 関連技術の面発光レーザの製造方法を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the surface emitting laser of related technology.

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本発明の実施形態による面発光レーザは、1/4λ厚の低屈折領域と1/4λ厚の高屈折領域との対を1ペアとした複数のペアから構成される第1多層反射膜と、この第1多層反射膜上に設けられた活性層と、この活性層上に設けられた電流狭窄構造と、この電流狭窄構造上に設けられたスペーサ層と、このスペーサ層上に設けられた、1/4λ厚の低屈折領域と1/4λ厚の高屈折領域との対を1ペアとした複数のペアから構成される第2多層反射膜とを有する。そして、前記電流狭窄構造は、第1導電型半導体層と、この第1導電型半導体層上に設けられた第1導電型と反対導電型の第2導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とで形成されるトンネル接合領域と、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層との間に設けられた電流ブロック層とを有する。   A surface-emitting laser according to an embodiment of the present invention includes a first multilayer reflective film including a plurality of pairs, each of which includes a pair of a low refractive region having a thickness of 1 / 4λ and a high refractive region having a thickness of 1 / 4λ. An active layer provided on the first multilayer reflective film, a current confinement structure provided on the active layer, a spacer layer provided on the current confinement structure, and provided on the spacer layer; A second multilayer reflective film composed of a plurality of pairs, each of which includes a pair of a low refractive region having a thickness of 1 / 4λ and a high refractive region having a thickness of 1 / 4λ. The current confinement structure includes a first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type semiconductor layer opposite to the first conductivity type provided on the first conductivity type semiconductor layer, and the first conductivity type. A tunnel junction region formed by a semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer; and a current blocking layer provided between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer.

前記トンネル接合領域では、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層が直接接していることが好ましい。   In the tunnel junction region, it is preferable that the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer are in direct contact with each other.

前記電流ブロック層は、前記トンネル接合領域を取り囲むように形成することができる。   The current blocking layer may be formed so as to surround the tunnel junction region.

前記第1多層反射膜と前記第2多層反射膜とに挟まれた構造部は、前記トンネル接合領域を含む電流注入領域と、前記電流ブロック層を含む電流ブロック領域を有し、前記電流ブロック領域における前記構造部の光学膜厚が、前記電流注入領域における前記構造部の光学膜厚より厚いことが望ましい。前記第1多層反射膜と前記第2多層反射膜とに挟まれた構造部は、共振器として機能することができる。   The structure sandwiched between the first multilayer reflective film and the second multilayer reflective film has a current injection region including the tunnel junction region and a current block region including the current block layer, and the current block region It is desirable that the optical film thickness of the structure part in is thicker than the optical film thickness of the structure part in the current injection region. The structure portion sandwiched between the first multilayer reflective film and the second multilayer reflective film can function as a resonator.

また、前記電流ブロック領域における前記構造部の光学膜厚と、前記電流注入領域における前記構造部の光学膜厚との差が、λm/2以上λm/2+λ/4以下(m=0,1,2,・・・、mは0又は自然数を示す。但し、光学膜厚差=0の場合を除く)であることが望ましい。成膜の制御等の観点から、mは2以下が好ましい。   The difference between the optical thickness of the structure portion in the current blocking region and the optical thickness of the structure portion in the current injection region is λm / 2 or more and λm / 2 + λ / 4 or less (m = 0, 1, 2,..., M represents 0 or a natural number, except that the difference in optical film thickness = 0 is desirable. From the viewpoint of film formation control and the like, m is preferably 2 or less.

前記電流ブロック層としては、半絶縁層、あるいは半絶縁層がドーピングにより絶縁化されてなる絶縁層を設けることができる。また、前記電流ブロック層としては、前記第1導電型半導体層を形成する材料に対してエッチング選択性(エッチング選択比)が高い材料で形成することができる。また、前記電流ブロック層は、前記第1導電型半導体層を形成する半導体材料にリンが含まれる場合はリンを含有しない半導体材料から形成され、前記第1導電型半導体層を形成する半導体材料にリンが含まれない場合はリンを含有する半導体材料から形成することができる。   As the current blocking layer, a semi-insulating layer or an insulating layer in which the semi-insulating layer is insulated by doping can be provided. The current blocking layer may be formed of a material having a high etching selectivity (etching selection ratio) with respect to the material forming the first conductivity type semiconductor layer. The current blocking layer is formed of a semiconductor material not containing phosphorus when the semiconductor material forming the first conductive semiconductor layer contains phosphorus, and the semiconductor material forming the first conductive semiconductor layer When phosphorus is not contained, it can be formed from a semiconductor material containing phosphorus.

本発明の実施形態による面発光レーザの製造方法においては、前記電流ブロック層は、後に行うエッチングにおいて、前記第1導電型半導体層を形成する材料に対してエッチング選択性が高い材料で形成し、前記電流ブロック層のパターニング工程は、前記電流ブロック層を除去する部分以外の領域をマスクしてエッチングすることにより実施できる。   In the method of manufacturing the surface emitting laser according to the embodiment of the present invention, the current blocking layer is formed of a material having high etching selectivity with respect to a material for forming the first conductive type semiconductor layer in the etching performed later. The patterning process of the current blocking layer can be performed by masking and etching a region other than the portion where the current blocking layer is removed.

本実施形態による面発光レーザにおいては、トンネル接合を形成する層間に半絶縁層等の電流ブロック層を設けることでトンネル効果を部分的に阻害し、npinの電流ブロック構造が形成することができる。また、電流ブロック層を設けることで、第1多層反射膜と第2多層反射膜とで挟まれた構造帯の厚み(共振器長に相当)を、電流注入領域に対して電流ブロック領域で厚くすることができ、この電流ブロック層の厚みを調整することで、前記構造帯の光学膜厚差をλm/2以上λm/2+λ/4以下(m=0,1,2,・・・、mは0又は自然数を示す。但し、光学膜厚差=0の場合を除く)に調整できる。その結果、式(1)からΔneff<0となり、反導波構造とすることができる。 In the surface emitting laser according to the present embodiment, by providing a current blocking layer such as a semi-insulating layer between layers forming a tunnel junction, the tunnel effect is partially inhibited, and an npin current blocking structure can be formed. Also, by providing the current blocking layer, the thickness of the structural band sandwiched between the first multilayer reflective film and the second multilayer reflective film (corresponding to the resonator length) is made thicker in the current block area than in the current injection area. By adjusting the thickness of the current blocking layer, the optical film thickness difference between the structural bands can be increased from λm / 2 to λm / 2 + λ / 4 (m = 0, 1, 2,..., M Represents 0 or a natural number, except that the optical film thickness difference is 0). As a result, Δn eff <0 from equation (1), and an anti-waveguide structure can be obtained.

本実施形態によれば、トンネル接合(pn接合)を形成する層間に電流ブロック層を設けることで電流狭窄構造が得られる。また、電流ブロック層として半絶縁層を用いると、素子容量の低減効果があり、高速応答が可能になる。   According to this embodiment, a current confinement structure can be obtained by providing a current blocking layer between layers forming a tunnel junction (pn junction). Further, when a semi-insulating layer is used as the current blocking layer, there is an effect of reducing the element capacitance, and a high-speed response is possible.

また、本実施形態によれば、反導波構造とすることで、単峰の光プロファイルのレーザ発振を得ることができる。この結果、面発光レーザをマルチモードファイバーやマルチモード導波路と高効率で結合することが可能となる。これにより、伝送時のリンクロスバジェットを改善できる。また、トンネル接合による素子抵抗の低減によりICの低消費電力での駆動が可能になる。これらの結果、低消費電力な光モジュールが実現できる。   In addition, according to the present embodiment, laser oscillation with a single-peak optical profile can be obtained by using an anti-waveguide structure. As a result, the surface emitting laser can be coupled with the multimode fiber or the multimode waveguide with high efficiency. Thereby, the link loss budget at the time of transmission can be improved. Further, the device resistance can be reduced by the tunnel junction, so that the IC can be driven with low power consumption. As a result, an optical module with low power consumption can be realized.

さらに、本実施形態によれば、単峰の光プロファイルで動作可能な構造を簡略な工程で形成でき、面発光レーザを低コストで作製できる。また、イオン注入を行わずに製造できるため、しきい値電流のばらつきが抑制され、欠陥の発生要因を低減できるため、素子信頼性を向上できる。   Furthermore, according to this embodiment, a structure that can operate with a single-peak optical profile can be formed by a simple process, and a surface-emitting laser can be manufactured at low cost. In addition, since the device can be manufactured without ion implantation, variation in threshold current is suppressed and the cause of defects can be reduced, so that device reliability can be improved.

なお、本発明における光学膜厚とは、波長がわかっている光に対して定義される厚みのことである。膜の実際の厚み(物理膜厚)がdであり、波長λに対してその膜の材料の屈折率がnである場合、その膜の光学膜厚はndとなる。したがって、例えば、屈折率が互いに異なる材料からなる二つの膜があってそれらの光学膜厚がλ/4という場合、二つの膜の材料の屈折率と物理膜厚をそれぞれn1、n2、d1、d2とすると、n11=n22=λ/4である。しかし、n1≠n2であるためd1≠d2となる。 In addition, the optical film thickness in this invention is the thickness defined with respect to the light whose wavelength is known. When the actual thickness (physical film thickness) of the film is d and the refractive index of the material of the film is n with respect to the wavelength λ, the optical film thickness of the film is nd. Therefore, for example, when there are two films made of materials having different refractive indexes and their optical film thickness is λ / 4, the refractive index and physical film thickness of the materials of the two films are respectively n 1 , n 2 , Assuming d 1 and d 2 , n 1 d 1 = n 2 d 2 = λ / 4. However, since n 1 ≠ n 2 , d 1 ≠ d 2 .

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に、本実施形態の面発光レーザの断面構造を示す。   FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the surface emitting laser of this embodiment.

n型導電性の半導体基板101上に、第1多層反射膜102、第1のn型スペーサ層103、活性層104、p型スペーサ層105、トンネル接合を形成する高濃度p型層106、半絶縁層116、トンネル接合を形成する高濃度n型層107、第2のn型スペーサ層108、第2多層反射膜109がこの順で設けられている。そして、第2多層反射膜109上に正極電極110が設けられ、基板の裏面側に負極電極111が設けられている。トンネル接合に対応する領域が電流注入領域113であり、高濃度p型層106と高濃度n型層107の間に半絶縁層116が形成された領域が電流ブロック領域114である。発光は電流注入領域の活性層で生じる。   On the n-type conductive semiconductor substrate 101, a first multilayer reflective film 102, a first n-type spacer layer 103, an active layer 104, a p-type spacer layer 105, a high-concentration p-type layer 106 forming a tunnel junction, and a half An insulating layer 116, a high-concentration n-type layer 107 that forms a tunnel junction, a second n-type spacer layer 108, and a second multilayer reflective film 109 are provided in this order. A positive electrode 110 is provided on the second multilayer reflective film 109, and a negative electrode 111 is provided on the back side of the substrate. The region corresponding to the tunnel junction is the current injection region 113, and the region where the semi-insulating layer 116 is formed between the high concentration p-type layer 106 and the high concentration n-type layer 107 is the current block region 114. Light emission occurs in the active layer in the current injection region.

第2のn型スペーサ層108と第2多層反射膜109との界面112の凹凸段差は、光学膜厚差でλm/2以上λm/2+λ/4以下(m=0,1,2,・・・、mは0又は自然数を示す。但し、光学膜厚差=0の場合を除く)であることが望ましく、この光学膜厚差分だけ、反射膜間の構造帯の厚み(共振器長に相当)が電流注入領域113に対して電流ブロック領域で厚いことが望ましい。界面112の凹凸段差は、半絶縁層の成長およびエッチングとその後の高濃度n型層107と第2のn型スペーサ層108の成長により制御される。 The uneven step at the interface 112 between the second n-type spacer layer 108 and the second multilayer reflective film 109 has an optical film thickness difference of λ m / 2 to λ m / 2 + λ / 4 (m = 0, 1, 2, ..., m represents 0 or a natural number, except that the optical film thickness difference = 0 is desirable, and the thickness of the structural band (resonator length) between the reflective films is equal to this optical film thickness difference. It is desirable that the current block region is thicker than the current injection region 113. The uneven step at the interface 112 is controlled by the growth and etching of the semi-insulating layer and the subsequent growth of the high-concentration n-type layer 107 and the second n-type spacer layer 108.

次に、図2(a)〜(d)を参照して、図1を用いて説明した面発光レーザの製造方法の一実施形態を説明する。   Next, with reference to FIGS. 2A to 2D, an embodiment of the method for manufacturing the surface emitting laser described with reference to FIG. 1 will be described.

初めに、図2(a)に示すように、n型導電性の半導体基板101上に第1多層反射膜102から半絶縁層116までの半導体層をメタルオーガニックベイパーフェイズエピタクシー(MOVPE:metalorganic vapor phase epitaxy)により成長する。   First, as shown in FIG. 2A, semiconductor layers from the first multilayer reflective film 102 to the semi-insulating layer 116 are formed on an n-type conductive semiconductor substrate 101 by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Growth by phase epitaxy).

その後、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成後、エッチングにより半絶縁層116を加工して円形の開口を形成する。ここでは円形の開口を形成したが、加工形状は設計に応じて任意であり、多角形でもリング状に加工してもよい。   Thereafter, as shown in FIG. 2B, after forming a resist mask by photolithography, the semi-insulating layer 116 is processed by etching to form a circular opening. Although a circular opening is formed here, the processing shape is arbitrary depending on the design, and may be processed into a polygonal shape or a ring shape.

次に、図2(c)に示すように、半絶縁層116を埋め込むように、高濃度n型層107と第2のn型スペーサ層108を成長する。これにより、先ほど半絶縁層116がエッチング除去された領域(開口内)ではトンネル接合が形成される。半絶縁層116が残った領域には電流ブロック構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 2C, a high-concentration n-type layer 107 and a second n-type spacer layer 108 are grown so as to embed the semi-insulating layer 116. As a result, a tunnel junction is formed in the region (in the opening) where the semi-insulating layer 116 has been etched away. A current block structure is formed in the region where the semi-insulating layer 116 remains.

その後に図2(d)のように、低屈折率層と高屈折率層の積層構造を持つ第2多層反射膜109を全面に形成する。その際、低屈折率層から順次積層する。第2多層反射膜は半導体や誘電体から構成することができる。   Thereafter, as shown in FIG. 2D, a second multilayer reflective film 109 having a laminated structure of a low refractive index layer and a high refractive index layer is formed on the entire surface. At that time, the low refractive index layers are sequentially laminated. The second multilayer reflective film can be composed of a semiconductor or a dielectric.

次に、第2多層反射膜109をドライエッチングすることで第2のn型スペーサ層108を露出させる。次いで、露出した第2のn型スペーサ層108上に、正極電極110を形成し、基板裏面側に負極電極111を形成し、電極アロイを行い、素子が完成する。   Next, the second n-type spacer layer 108 is exposed by dry etching the second multilayer reflective film 109. Next, the positive electrode 110 is formed on the exposed second n-type spacer layer 108, the negative electrode 111 is formed on the back surface side of the substrate, and electrode alloying is performed to complete the device.

第2多層反射膜109の形成には、スパッタ(RFスパッタや反応性スパッタ)、電子ビーム蒸着、ケミカルヴェイアパーデポジション、イオンビームアシスト堆積法、MOVPE、モレキュラービームエピタクシー(MBE:molecular beam epitaxy)などの方法を用いてもよい。   The second multilayer reflective film 109 can be formed by sputtering (RF sputtering or reactive sputtering), electron beam evaporation, chemical vapor deposition, ion beam assisted deposition, MOVPE, molecular beam epitaxy (MBE). Such a method may be used.

第2多層反射膜の材料としては、例えば、高屈折率材料としてSi、Sb23、ZnSe、CdS、ZnS、TiO2など、低屈折率材料としてSiO2、SiNx、MgO、CaF2、MgF2、Al23などが挙げられ、発振波長に対し透明な材料を選択し用いることができる。 Examples of the material of the second multilayer reflective film include Si, Sb 2 S 3 , ZnSe, CdS, ZnS, and TiO 2 as high refractive index materials, and SiO 2 , SiN x , MgO, CaF 2 as low refractive index materials, and the like. such as MgF 2, Al 2 O 3 and the like, it can be used to select a transparent material to the oscillation wavelength.

第1多層反射膜が半導体で構成される場合には、電流を注入しやすくし、素子抵抗を低減するために、バンドギャップの大きい低屈折率層とバンドギャップの小さい高屈折率層との間にバンド不連続を緩和するための中間バンドギャップを有する障壁緩和層を導入してもよい。   In the case where the first multilayer reflective film is made of a semiconductor, in order to facilitate the injection of current and to reduce the element resistance, the low refractive index layer having a large band gap and the high refractive index layer having a small band gap are used. A barrier relaxation layer having an intermediate band gap for relaxing the band discontinuity may be introduced.

第2多層反射膜を構成する材料のエッチング加工が困難な場合にはリフトオフプロセスを用いてもよい。リフトオフプロセスを用いる場合の成膜には電子ビーム蒸着、イオンビームアシスト堆積法、MBEなどを用いることができる。   If it is difficult to etch the material constituting the second multilayer reflective film, a lift-off process may be used. For the film formation when the lift-off process is used, electron beam evaporation, ion beam assisted deposition, MBE, or the like can be used.

得られた素子を通電して遠視野像を確認することにより、単峰の光プロファイルのレーザ発振が得られ、高注入においても安定した単一横モードが得られることがわかる。本実施形態によれば、高速変調で長距離の光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても20Gbpsで300mを超える距離の伝送が可能となる。   By energizing the obtained element and confirming a far-field image, it is understood that laser oscillation with a single-peak optical profile can be obtained, and a stable single transverse mode can be obtained even at high injection. According to the present embodiment, even when long-distance optical communication is performed with high-speed modulation, transmission quality is hardly deteriorated, and transmission over a distance of over 300 m at 20 Gbps is possible even when a multimode fiber is used.

また、トンネル接合を用いたことで素子抵抗が50Ω以下に低減でき、低消費電力のICで駆動が可能となる。   In addition, by using the tunnel junction, the element resistance can be reduced to 50 Ω or less, and driving with an IC with low power consumption is possible.

また、単峰の光プロファイルで発振するので近視野像サイズの異なるマルチモード導波路で構成された光回路と組み合わせても高い直接結合効率を得ることができる。   In addition, since it oscillates with a single-peak optical profile, high direct coupling efficiency can be obtained even when combined with an optical circuit composed of multimode waveguides having different near-field image sizes.

第2のn型スペーサ層108と第2多層反射膜109との界面112の凹凸段差(反射膜間の構造帯の電流注入領域と電流ブロック領域との厚み差に対応)が光学膜厚差としてλm/2+λ/4のときは、屈折率導波と反導波の境界条件になるが、電流を注入すると電流狭窄された発光領域(電流注入領域)で発熱を生じ、発光領域の実効屈折率は周辺部(電流ブロック領域)より高い側にシフトするため安定した単峰の光プロファイルである基本横モード動作が得られる。   The uneven step at the interface 112 between the second n-type spacer layer 108 and the second multilayer reflective film 109 (corresponding to the thickness difference between the current injection region and the current block region of the structural band between the reflective films) is the optical film thickness difference. When λm / 2 + λ / 4, there is a boundary condition between refractive index guiding and anti-guiding, but when current is injected, heat is generated in the light-constricted light-emitting region (current injection region), and the effective refractive index of the light-emitting region Shifts to a higher side than the peripheral part (current block region), so that a basic transverse mode operation, which is a stable unimodal optical profile, can be obtained.

本実施形態の活性層としては、InGaAs系量子井戸、AlGaAs系量子井戸、InGaAlP系量子井戸、GaInNAs(Sb)系量子井戸、GalnNAs系量子井戸、GaAs(Sb)系量子井戸、(Ga)InAs量子ドットなどの種々の半導体材料を用いることかできる。さらに、本実施形態は、波長780nm帯、850nm帯、980nm帯、1100nm帯、1200nm帯、1300nm帯1480nm帯、1550nm帯、1650nm帯のなどの面発光レーザ素子に適用することかできる。   The active layer of this embodiment includes an InGaAs quantum well, an AlGaAs quantum well, an InGaAlP quantum well, a GaInNAs (Sb) quantum well, a GalnNAs quantum well, a GaAs (Sb) quantum well, and a (Ga) InAs quantum. Various semiconductor materials such as dots can be used. Furthermore, this embodiment can be applied to surface-emitting laser elements having wavelengths of 780 nm, 850 nm, 980 nm, 1100 nm, 1200 nm, 1300 nm, 1480 nm, 1550 nm, and 1650 nm.

半絶縁層としては、エッチング選択性を確保するためにトンネル接合を形成する高濃度p型層106がリン(P)を含まない材料で構成される場合にはPを含む材料からなることが望ましい。この場合、エッチング液としては、硝酸−過酸化水素水−水の混合液を用いることができる。また、半絶縁層は、高濃度p型層106がPを含む材料で構成される場合はPを含まない材料からなることが望ましい。この場合、エッチング液としては、塩酸−燐酸の混合液を用いることができる。   The semi-insulating layer is preferably made of a material containing P when the high-concentration p-type layer 106 forming the tunnel junction is made of a material not containing phosphorus (P) in order to ensure etching selectivity. . In this case, as the etching solution, a mixed solution of nitric acid-hydrogen peroxide solution-water can be used. The semi-insulating layer is preferably made of a material not containing P when the high-concentration p-type layer 106 is made of a material containing P. In this case, a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid can be used as the etching solution.

例えばGaAs基板上では、Pを含まない材料として(In)GaAs(Sb)や(In)GaAs(N)が挙げられ、Pを含む材料としてInGa(Al)Pが挙げられる。InP基板上では、Pを含まない材料としてInGaAsやIn(Ga)AlAsが挙げられ、Pを含む材料としてInPやInGaAsPが挙げられる。   For example, on a GaAs substrate, (In) GaAs (Sb) and (In) GaAs (N) are mentioned as materials not containing P, and InGa (Al) P is mentioned as a material containing P. On the InP substrate, InGaAs and In (Ga) AlAs are listed as materials not containing P, and InP and InGaAsP are listed as materials containing P.

図2(a)に示す工程において、半絶縁層116上に、半絶縁層下側のトンネル接合を構成する材料と同じ材料の半導体層を薄く形成してもよい。エッチングの選択性が高い材料であれば、互いに一方に対して他方がエッチングされやすいエッチング液を選択することが可能である。そのため、この最表面に薄く形成した半導体層をエッチングマスクにすることもできる。   In the step shown in FIG. 2A, a thin semiconductor layer made of the same material as that forming the tunnel junction below the semi-insulating layer may be formed over the semi-insulating layer 116. If the material has high etching selectivity, it is possible to select an etching solution in which the other is easily etched with respect to the other. Therefore, the thin semiconductor layer formed on the outermost surface can be used as an etching mask.

半絶縁層は、CrOやFe、Ruをドーピングすることにより完全に絶縁化してもよい。   The semi-insulating layer may be completely insulated by doping with CrO, Fe, or Ru.

また、第1多層反射膜として、GaAs基板上のAlGaAs系半導体多層膜反射鏡のほかに、InP基板上のAlGaAs(Sb)系半導体多層膜反射鏡やAlGaInAsP系半導体多層膜反射鏡を適用することかできる。   In addition to the AlGaAs-based semiconductor multilayer mirror on the GaAs substrate, an AlGaAs (Sb) -based semiconductor multilayer mirror or an AlGaInAsP-based semiconductor multilayer mirror on the InP substrate is used as the first multilayer reflective film. I can do it.

基板としては、GaAs基板、InP基板、GaInAs3元基板などを用いることができる。   As the substrate, a GaAs substrate, an InP substrate, a GaInAs ternary substrate, or the like can be used.

また、基板上に第1多層反射膜を形成せずに、n型スペーサ層より上部の構造を先に形成し、その後に、基板をエッチング除去し、基板の除去領域に第1多層反射膜として誘電体DBRを形成することも可能である。   Also, without forming the first multilayer reflective film on the substrate, the structure above the n-type spacer layer is formed first, and then the substrate is etched away, and the first multilayer reflective film is formed in the removed region of the substrate. It is also possible to form a dielectric DBR.

ここではn型導電性基板を用いたが、半絶縁性基板やp型導電性基板を用いてもよい。半絶縁性基板やp型導電性基板を用いた場合には、基板の表面から正極および負極の両電極をとりだせばよい。   Although an n-type conductive substrate is used here, a semi-insulating substrate or a p-type conductive substrate may be used. When a semi-insulating substrate or a p-type conductive substrate is used, both the positive electrode and the negative electrode may be taken out from the surface of the substrate.

第1多層反射膜および第2多層反射膜の反射率は、所望の閾値を得、特性の低下を抑える点から99%以上に設定することができ、光を取り出さない側の多層反射膜の反射率は99.6%より高いことが好ましく、99.9%以上がより好ましく、光を取り出す側の多層反射膜の反射率は99〜99.6%の範囲にあることが好ましい。本実施の形態で参照する図1では基板側に電極が形成されているため、光を取り出さない側の多層反射膜は上記第1多層反射膜となる。そして光を取り出す側の多層反射膜は上記第2多層反射膜となる。しかし、図3のように基板の表面側(図中の上側)から正極および負極の両電極を取り出す構成の場合は、図1の光を取り出さない側に相当する側(図中の下側)の多層反射膜を上記第2多層反射膜、図1の光を取り出す側に相当する側(図中の上側)の多層反射膜を上記第1多層反射膜とし、基板の裏面側から光を取り出す構成としてもよい。その場合、製造の最終工程において基板裏面は鏡面研磨を施し、発振波長に対応した無反射コーティングを施すことが望ましい。   The reflectivity of the first multilayer reflective film and the second multilayer reflective film can be set to 99% or more from the viewpoint of obtaining a desired threshold and suppressing deterioration of characteristics, and the reflection of the multilayer reflective film on the side from which light is not extracted. The rate is preferably higher than 99.6%, more preferably 99.9% or more, and the reflectance of the multilayer reflective film on the light extraction side is preferably in the range of 99 to 99.6%. In FIG. 1 referred to in this embodiment, since the electrode is formed on the substrate side, the multilayer reflective film on the side from which light is not extracted becomes the first multilayer reflective film. The multilayer reflective film on the light extraction side is the second multilayer reflective film. However, in the case of a configuration in which both the positive electrode and the negative electrode are taken out from the surface side of the substrate (upper side in the drawing) as shown in FIG. 3, the side corresponding to the side from which light is not taken out (lower side in the drawing) in FIG. The multilayer reflection film is the second multilayer reflection film, and the multilayer reflection film on the side corresponding to the light extraction side in FIG. 1 (upper side in the figure) is the first multilayer reflection film, and light is extracted from the back side of the substrate. It is good also as a structure. In that case, it is desirable that the back surface of the substrate is mirror-polished and a non-reflective coating corresponding to the oscillation wavelength is applied in the final manufacturing process.

次に、具体的な実施例を用いて、本実施形態をさらに説明する。   Next, the present embodiment will be further described using specific examples.

図1を用いて本実施例の面発光レーザの構造を説明し、図2を用いてその製造方法の一例を説明する。   The structure of the surface emitting laser of this example will be described with reference to FIG. 1, and an example of the manufacturing method will be described with reference to FIG.

本実施例の面発光レーザは、図1に示すように、発振波長λを1.07μmとして、n型導電性のGaAs半導体基板101上に、1/4λの光学膜厚のSiドープAlAs低屈折率層(n=8×1017cm-3)および1/4λの光学膜厚のSiドープGaAs高屈折率層(n=8×1017cm-3)からなる40.5ペアの第1多層反射膜102;SiドープGaAs(n=8×1017cm-3)からなる第1のn型スペーサ層103;In0.3Ga0.7As/GaAs量子井戸から構成される活性層104;CドープGaAs(p=8e+17cm-3)からなるp型スペーサ層105;トンネル接合を形成するCドープGaAs(p=1e+20cm-3)からなる高濃度p型層106;アンドープInGaPからなる半絶縁層116(210nm);トンネル接合を形成するSiドープGaAs(n=2×1019cm-3)高濃度n型層107;SiドープGaAs(n=8×1017cm-3)からなる第2のn型スペーサ層108;並びに1/4λの光学膜厚のSiO2低屈折率層(厚み181.2nm)および1/4λの光学膜厚のSi高屈折率層(厚み71.5nm)からなる3ペアの第2多層反射膜109からなる積層構造が設けられている。そして、第2のn型スペーサ層108上にAu/Ge/Niからなる正極電極110が設けられ、基板101の裏面側にAu/Ge/Niからなる負極電極111が設けられている。 As shown in FIG. 1, the surface emitting laser of this example has an oscillation wavelength λ of 1.07 μm on an n-type conductive GaAs semiconductor substrate 101 with an optical film thickness of 1 / 4λ and Si-doped AlAs low refractive index. 40.5 pairs of first multilayers composed of an index layer (n = 8 × 10 17 cm −3 ) and a Si-doped GaAs high refractive index layer (n = 8 × 10 17 cm −3 ) with an optical thickness of ¼λ Reflective film 102; first n-type spacer layer 103 made of Si-doped GaAs (n = 8 × 10 17 cm −3 ); active layer 104 made of In 0.3 Ga 0.7 As / GaAs quantum well; C-doped GaAs ( p = 8e + 17cm -3) made of p-type spacer layer 105; C-doped GaAs (p = 1e + 20 cm consisting -3) high-concentration p-type layer 106 to form a tunnel junction; undoped InGaP semi-insulating layer 116 (210 m); a second n-type composed of Si-doped GaAs (n = 8 × 10 17 cm -3); Si -doped GaAs to form a tunnel junction (n = 2 × 10 19 cm -3) the high concentration n-type layer 107 A spacer layer 108; and three pairs of an SiO 2 low refractive index layer (thickness 181.2 nm) having an optical thickness of 1 / 4λ and an Si high refractive index layer (thickness 71.5 nm) having an optical thickness of 1 / 4λ. A laminated structure including the second multilayer reflective film 109 is provided. A positive electrode 110 made of Au / Ge / Ni is provided on the second n-type spacer layer 108, and a negative electrode 111 made of Au / Ge / Ni is provided on the back side of the substrate 101.

第1のn型スペーサ層103の底面からトンネル接合を介して第2のn型スペーサ層108の上面までの長さは2λの光学膜厚であり、活性層104は定在波の腹位置に配置され、トンネル接合は定在波の節に配置した。   The length from the bottom surface of the first n-type spacer layer 103 to the top surface of the second n-type spacer layer 108 through the tunnel junction is an optical film thickness of 2λ, and the active layer 104 is at the antinode position of the standing wave. The tunnel junction was placed at the standing wave node.

トンネル接合を構成する高濃度p型層106及び高濃度n型層107の厚みはいずれも15nmである。   Both the high-concentration p-type layer 106 and the high-concentration n-type layer 107 constituting the tunnel junction have a thickness of 15 nm.

第2のn型スペーサ層半導体108と第2多層反射膜109との界面112の凹凸段差は200nmであり、第1および第2の多層反射膜の間の共振器長として換算すると、λ/2より大きく3/4λよりやや短い光学膜厚差に相当する。このため反導波構造となっている。   The uneven step at the interface 112 between the second n-type spacer layer semiconductor 108 and the second multilayer reflective film 109 is 200 nm. When converted as the resonator length between the first and second multilayer reflective films, λ / 2 This corresponds to an optical film thickness difference that is larger and slightly shorter than 3 / 4λ. For this reason, it has an anti-waveguide structure.

第1多層反射膜の反射率は99.9%、第2多層反射膜の反射率は99.5%である。   The reflectance of the first multilayer reflective film is 99.9%, and the reflectance of the second multilayer reflective film is 99.5%.

次に、図2(a)〜(d)を参照して、上記の面発光レーザの製造方法を説明する。   Next, with reference to FIGS. 2A to 2D, a method for manufacturing the surface emitting laser will be described.

初めに、図2(a)に示すように、n型導電性の半導体基板101上に第1多層反射膜102から半絶縁層116までの半導体層をMOVPE成長した。   First, as shown in FIG. 2A, the semiconductor layers from the first multilayer reflective film 102 to the semi-insulating layer 116 were grown on the n-type conductive semiconductor substrate 101 by MOVPE.

その後、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成後、エッチングにより半絶縁層116を円形に加工した。InGaPとGaAsの間のエッチング選択比は高いのでGaAsでエッチングを止めることができ、素子作製の再現性が高い。   Thereafter, as shown in FIG. 2B, after forming a resist mask by photolithography, the semi-insulating layer 116 was processed into a circle by etching. Since the etching selectivity between InGaP and GaAs is high, the etching can be stopped with GaAs, and the reproducibility of device fabrication is high.

次に、図2(c)に示すように、半絶縁層116を埋め込むように、高濃度n型層107と第2のn型スペーサ層108を成長した。   Next, as shown in FIG. 2C, a high-concentration n-type layer 107 and a second n-type spacer layer 108 were grown so as to embed the semi-insulating layer 116.

第2多層反射膜109の低屈折率層を形成する前にあらかじめ段差測定を行ったところ、200nmであった。   When the step difference was measured in advance before forming the low refractive index layer of the second multilayer reflective film 109, it was 200 nm.

その後、図2(d)に示すように、第2多層反射膜109を低屈折率層(SiO2)から順次全面に形成した。 After that, as shown in FIG. 2D, the second multilayer reflective film 109 was sequentially formed on the entire surface from the low refractive index layer (SiO 2 ).

次いで、第2多層反射膜109をドライエッチングすることで第2のn型スペーサ層108を露出させた。その後、露出した第2のn型スペーサ層108上に、Au/Ge/Niからなる正極電極110を形成し、基板裏面側に負極電極111を形成し、375℃、10秒で電極アロイを行い、完成した素子を得た。   Next, the second n-type spacer layer 108 was exposed by dry etching the second multilayer reflective film 109. Thereafter, a positive electrode 110 made of Au / Ge / Ni is formed on the exposed second n-type spacer layer 108, a negative electrode 111 is formed on the back side of the substrate, and electrode alloying is performed at 375 ° C. for 10 seconds. A completed device was obtained.

得られた素子を通電して遠視野像を確認したところ、単峰の光プロファイルのレーザ発振が得られた。高注入においても安定した単一横モードが得られた。この結果、高速変調で長距離の光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても20Gbpsで300mを超える距離の伝送が可能となった。   When the obtained device was energized and a far-field image was confirmed, laser oscillation with a single-peak optical profile was obtained. A stable single transverse mode was obtained even at high injection. As a result, even if long-distance optical communication is performed with high-speed modulation, there is little deterioration in transmission quality, and transmission over a distance of more than 300 m is possible at 20 Gbps even using a multimode fiber.

また、トンネル接合を用いたことで素子抵抗が50Ω以下に低減でき、低消費電力のICで駆動が可能となった。   In addition, by using a tunnel junction, the element resistance can be reduced to 50 Ω or less, and it is possible to drive with a low power consumption IC.

また、単峰の光プロファイルで発振するので近視野像サイズの異なるマルチモード導波路で構成された光回路と組み合わせても高い直接結合効率が得られた。   Moreover, since it oscillates with a single-peak optical profile, high direct coupling efficiency was obtained even when combined with an optical circuit composed of multimode waveguides having different near-field image sizes.

以上に説明した本発明の実施形態による面発光レーザは、超高速計算機向けの低コストが要求される面発光レーザに適用できる。   The surface-emitting laser according to the embodiment of the present invention described above can be applied to a surface-emitting laser that requires a low cost for an ultrahigh-speed computer.

101 基板
102 第1多層反射膜
103 n型スペーサ層
104 活性層
105 p型スペーサ層
106 高濃度p型層
107 高濃度n型層
108 第2のn型スペーサ層
109第2多層反射膜
110 正極電極
111 負極電極
112 第2のn型スペーサ層半導体と第2多層反射膜の界面
113 電流注入領域
114 電流ブロック領域
116 半絶縁層
701 基板
702 第1多層反射膜
703 第1のn型スペーサ層
704 活性層
705 p型スペーサ層
706 高濃度p型層
707 高濃度n型層
708 第2のn型スペーサ層
709第2多層反射膜
710 正極電極
711 負極電極
712 第2のn型スペーサ層半導体と第2多層反射膜の界面
Reference Signs List 101 substrate 102 first multilayer reflective film 103 n-type spacer layer 104 active layer 105 p-type spacer layer 106 high-concentration p-type layer 107 high-concentration n-type layer 108 second n-type spacer layer 109 second multilayer reflective film 110 positive electrode 111 Negative electrode 112 Interface between second n-type spacer layer semiconductor and second multilayer reflective film 113 Current injection region 114 Current block region 116 Semi-insulating layer 701 Substrate 702 First multilayer reflective film 703 First n-type spacer layer 704 Active Layer 705 p-type spacer layer 706 high-concentration p-type layer 707 high-concentration n-type layer 708 second n-type spacer layer 709 second multilayer reflective film 710 positive electrode 711 negative electrode 712 second n-type spacer layer semiconductor and second Multilayer reflective film interface

Claims (8)

1/4λ厚の低屈折領域と1/4λ厚の高屈折領域との対を1ペアとした複数のペアから構成される第1多層反射膜と、
前記第1多層反射膜上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた電流狭窄構造と、
前記電流狭窄構造上に設けられたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に設けられた、1/4λ厚の低屈折領域と1/4λ厚の高屈折領域との対を1ペアとした複数のペアから構成される第2多層反射膜とを有し、
前記電流狭窄構造は、
第1導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層上に設けられ、第1導電型と反対導電型の第2導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とで形成されるトンネル接合領域と、
前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層との間に設けられた電流ブロック層とを有する、面発光レーザ。
A first multilayer reflective film composed of a plurality of pairs, each of which includes a pair of a low refractive region having a thickness of 1 / 4λ and a high refractive region having a thickness of 1 / 4λ.
An active layer provided on the first multilayer reflective film;
A current confinement structure provided on the active layer;
A spacer layer provided on the current confinement structure;
A second multilayer reflective film that is provided on the spacer layer and includes a plurality of pairs each including a pair of a low refractive region having a thickness of 1 / 4λ and a high refractive region having a thickness of 1 / 4λ. ,
The current confinement structure is:
A first conductivity type semiconductor layer;
A second conductivity type semiconductor layer provided on the first conductivity type semiconductor layer and having a conductivity type opposite to the first conductivity type;
A tunnel junction region formed by the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer;
A surface emitting laser comprising a current blocking layer provided between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer.
前記第1多層反射膜と前記第2多層反射膜とに挟まれた構造部は、前記トンネル接合領域を含む電流注入領域と、前記電流ブロック層を含む電流ブロック領域を有し、
前記電流ブロック領域における前記構造部の光学膜厚が、前記電流注入領域における前記構造部の光学膜厚より厚い、請求項1に記載の面発光レーザ。
The structure sandwiched between the first multilayer reflective film and the second multilayer reflective film has a current injection region including the tunnel junction region, and a current block region including the current block layer,
2. The surface emitting laser according to claim 1, wherein an optical film thickness of the structure portion in the current block region is larger than an optical film thickness of the structure portion in the current injection region.
前記電流ブロック領域における前記構造部の光学膜厚と、前記電流注入領域における前記構造部の光学膜厚との差が、λm/2以上λm/2+λ/4以下(mは0又は自然数を示す。但し、光学膜厚差=0の場合を除く)である、請求項2に記載の面発光レーザ。   The difference between the optical film thickness of the structure part in the current block region and the optical film thickness of the structure part in the current injection region is λm / 2 or more and λm / 2 + λ / 4 or less (m is 0 or a natural number). However, the surface emitting laser according to claim 2, wherein the optical film thickness difference = 0 is excluded). 前記電流ブロック層は、半絶縁層、あるいは半絶縁層がドーピングにより絶縁化されてなる絶縁層である、請求項1から3のいずれか一項に記載の面発光レーザ。   4. The surface emitting laser according to claim 1, wherein the current blocking layer is a semi-insulating layer or an insulating layer formed by insulating a semi-insulating layer by doping. 5. 前記電流ブロック層は、前記第1導電型半導体層を形成する半導体材料にリンが含まれる場合はリンを含有しない半導体材料から形成され、前記第1導電型半導体層を形成する半導体材料にリンが含まれない場合はリンを含有する半導体材料から形成されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の面発光レーザ。   The current blocking layer is formed of a semiconductor material not containing phosphorus when the semiconductor material forming the first conductivity type semiconductor layer contains phosphorus, and the semiconductor material forming the first conductivity type semiconductor layer is made of phosphorus. The surface emitting laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface emitting laser is formed of a semiconductor material containing phosphorus when not included. 基板と、
前記第1多層反射膜と前記活性層との間に設けられた第2導電型スペーサ層と、
前記活性層と前記第1導電型半導体層との間に設けられた第1導電型スペーサ層とをさらに有し、
前記第1多層反射膜は前記基板上に設けられ、
前記電流狭窄構造と前記第2多層反射膜との間に設けられた前記スペーサ層は第2導電型層である、請求項1から5のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
A substrate,
A second conductivity type spacer layer provided between the first multilayer reflective film and the active layer;
A first conductivity type spacer layer provided between the active layer and the first conductivity type semiconductor layer;
The first multilayer reflective film is provided on the substrate;
6. The surface emitting laser according to claim 1, wherein the spacer layer provided between the current confinement structure and the second multilayer reflective film is a second conductivity type layer. 7.
基板上に第1多層反射膜を形成する工程と、
前記第1多層反射膜上に第1スペーサ層を形成する工程と、
前記第1スペーサ層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に第2スペーサ層を形成する工程と、
前記第2スペーサ層上に第1導電型半導体層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体層上に電流ブロック層を形成する工程と、
前記電流ブロック層におけるトンネル接合領域に対応する部分を除去して前記第1導電型半導体層を露出させるパターニング工程と、
前記第1導電型半導体層の露出部分を覆うように前記電流ブロック層上に、第1導電型と反対導電型の第2導電型半導体層を形成する工程と、
前記第2導電型半導体層上に第3スペーサ層を形成する工程と、
前記第3スペーサ層上に第2多層反射膜を形成する工程を有する、面発光レーザの製造方法。
Forming a first multilayer reflective film on the substrate;
Forming a first spacer layer on the first multilayer reflective film;
Forming an active layer on the first spacer layer;
Forming a second spacer layer on the active layer;
Forming a first conductivity type semiconductor layer on the second spacer layer;
Forming a current blocking layer on the first conductive semiconductor layer;
A patterning step of removing a portion corresponding to a tunnel junction region in the current blocking layer to expose the first conductive type semiconductor layer;
Forming a second conductivity type semiconductor layer opposite to the first conductivity type on the current blocking layer so as to cover the exposed portion of the first conductivity type semiconductor layer;
Forming a third spacer layer on the second conductive semiconductor layer;
A method of manufacturing a surface emitting laser, comprising a step of forming a second multilayer reflective film on the third spacer layer.
前記電流ブロック層は、後に行うエッチングにおいて、前記第1導電型半導体層を形成する材料に対してエッチング選択性が高い材料で形成し、
前記電流ブロック層のパターニング工程は、前記電流ブロック層を除去する部分以外の領域をマスクしてエッチングにより行う、請求項7に記載の面発光レーザの製造方法。
The current blocking layer is formed of a material having high etching selectivity with respect to a material for forming the first conductivity type semiconductor layer in etching performed later.
8. The surface emitting laser manufacturing method according to claim 7, wherein the patterning step of the current blocking layer is performed by etching while masking a region other than a portion where the current blocking layer is removed.
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JP2012256635A (en) * 2011-06-07 2012-12-27 Denso Corp Semiconductor laser and manufacturing method therefor
WO2023249560A1 (en) * 2022-06-22 2023-12-28 Ams Sensors Asia Pte. Ltd. Recess-etched regrown vcsel

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