JP2014170813A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device.
半導体レーザ装置として、近年、基板面に垂直な方向に光を取り出す構成の垂直外部共振器面発光レーザ(Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers:以下、「VECSEL」と略記する。)の開発が進められている(例えば、下記特許文献1、非特許文献1参照)。
In recent years, vertical external cavity surface emitting lasers (hereinafter, abbreviated as “VECSEL”) having a configuration for extracting light in a direction perpendicular to the substrate surface have been developed as semiconductor laser devices. (For example, see
図11は、特許文献1や非特許文献1に開示された従来のVECSEL構造のレーザ装置の模式的断面図である。従来のレーザ装置90は、半導体基板40の上面に、n側多層膜反射鏡11、発光部13、及びp側多層膜反射鏡15を備え、発光部13を一対の反射鏡11及び15が半導体基板40の面に垂直な方向に挟み込む構成である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a conventional laser device having a VECSEL structure disclosed in
また、p側多層膜反射鏡15の上層には、高濃度のコンタクト層17を介してp側電極21が形成されている。一方、発光部13や一対の反射鏡11及び15が形成されていない側において、半導体基板40の面上にはn側電極19が形成されている。
A p-
n側多層膜反射鏡11、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びコンタクト層17の多層構造体の外側には絶縁層25が形成されている。この絶縁層25は、p側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧が印加された際、発光効率を高めるべく発光部13を含む上記多層構造体の領域に電流を集中させ、その外側の領域に電流を流さないようにするための高抵抗層(電流狭窄層)を構成する。そして、この絶縁層25の周囲をパッシベーション層27が覆っている。
An
半導体基板40に対して、光取り出し方向d1の向きに離間した位置には、外部出力ミラー3が備えられている。
An
p側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧を印加することにより、発光部13に電流が流れて当該領域が発光する。この光は、外部出力ミラー3、n側多層膜反射鏡11、及びp側多層膜反射鏡15によって形成される共振器で共振され、励起された光がレーザ光5として外部出力ミラー3から放出される。
By applying a bias voltage between the p-
なお、図11に示すレーザ装置90は、n側電極19の形成側がレーザ光5の取り出し面となっているため(取り出し方向d1)、n側電極19は、光の通路を遮らないような形状となっている。図11のレーザ装置90は、n側電極19がドーナツ形状を構成しており、その内側の位置において、半導体基板40のn側電極19が形成されている側の面上に誘電体層29が形成されている。誘電体層29は、共振中の光の損失を抑制するために設けられている。
In the
コンタクト層17は、高濃度(例えば、1×1018/cm3以上)のキャリアがドープされており、p側電極21との間のコンタクト抵抗値を下げる役割を果たしている。
The
ここで、同様に、n側電極19と半導体基板40の間の抵抗値を下げるべく、例えば半導体基板40を高濃度にドープする方法が考えられる。
Here, similarly, in order to lower the resistance value between the n-
しかし、一般的に高濃度にドープされた半導体層は、光を多く吸収することが知られている。図11の構成によれば、発光部13で生成された光は、外部出力ミラー3との間で半導体基板40内を通過しながら反射を繰り返した後、外部へと取り出される構成である。従って、半導体基板40を高濃度でドープした場合、発光部13で生成された光が半導体基板40内で吸収されてしまい、取り出し効率が低下するという問題がある。
However, it is generally known that highly doped semiconductor layers absorb a lot of light. According to the configuration of FIG. 11, the light generated by the
このような点に鑑み、特許文献1や非特許文献1の構成では、半導体基板40として、低濃度キャリア(例えば、5×1016/cm3以上、5×1017/cm3以下程度)のGaAs基板を採用している。
In view of such a point, in the configurations of
しかし、半導体基板40として、このような低濃度のGaAs基板を用いると、半導体基板40とn側電極19の間のコンタクト抵抗や、半導体基板40内の抵抗が大きくなる。このため、駆動時にp側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧を印加すると高いジュール熱が発生し、これに起因してレーザ装置90が大きく昇温する。温度が上昇するとレーザ光5の波長が長波長側にシフトするため、所望の発光波長の光の取り出し効率は低下してしまう。
However, when such a low concentration GaAs substrate is used as the
なお、n側電極19と半導体基板40の間の抵抗値を下げるべく、n側電極19と半導体基板40の間に高濃度のコンタクト層を形成する方法も考えられる。しかし、この方法を採用した場合、n側電極19と半導体基板40の間のコンタクト抵抗値は低下させられるものの、低濃度の半導体基板40内を電流が通過することには変わりがないため、素子全体の抵抗を低下させることはできない。よって、高いジュール熱が発生してレーザ光5の波長が長波長側にシフトする点において、上記従来構成と同様の課題を有している。
A method of forming a high-concentration contact layer between the n-
本発明は、上記の点に鑑み、従来よりも光取り出し効率の高い半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device having higher light extraction efficiency than conventional ones.
本発明の半導体レーザ装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の第1面側の上層に形成された第1反射鏡と、
前記第1反射鏡の上層に形成された発光部と、
前記発光部の上層に形成された第2反射鏡と、
前記第2反射鏡の上層に形成されたコンタクト層と、
前記半導体基板の前記第1面と反対の第2面側の上層に形成された第1電極と、
前記コンタクト層の上層に形成された第2電極を備え、
前記第1反射鏡は、前記発光部の形成側と反対側の面において、外縁に位置する第1領域が前記半導体基板に接触し、前記第1領域よりも内側に位置する第2領域が前記第1領域と接触する箇所の前記半導体基板よりもキャリア濃度が低濃度である領域又は空隙に接触することを特徴とする。
The semiconductor laser device of the present invention is
A semiconductor substrate;
A first reflecting mirror formed in an upper layer on the first surface side of the semiconductor substrate;
A light emitting part formed in an upper layer of the first reflecting mirror;
A second reflecting mirror formed on an upper layer of the light emitting unit;
A contact layer formed on an upper layer of the second reflecting mirror;
A first electrode formed in an upper layer on the second surface side opposite to the first surface of the semiconductor substrate;
A second electrode formed on the contact layer;
In the first reflecting mirror, a first region located on the outer edge of the surface opposite to the light-emitting portion forming side is in contact with the semiconductor substrate, and a second region located on the inner side of the first region is the It is characterized in that it is in contact with a region or a gap where the carrier concentration is lower than that of the semiconductor substrate at a location in contact with the first region.
上記構成によれば、第1反射鏡は、発光部の形成側と反対側の面において、外縁に位置する第1領域が半導体基板に接触し、第1領域よりも内側に位置する第2領域は、第1領域と接触する箇所の半導体基板よりもキャリア濃度が低濃度である領域又は空隙に接触している。つまり、発光部から放射された光は、第1反射鏡を介して外部に放射される際、第1領域と接触する箇所の半導体基板よりもキャリア濃度が低濃度である領域又は空隙内を通過することができる。なお、「第1領域と接触する箇所の半導体基板よりもキャリア濃度が低濃度である領域」には、アンドープの領域も含まれる。 According to the above configuration, in the first reflecting mirror, the first region located at the outer edge is in contact with the semiconductor substrate on the surface opposite to the light-emitting portion forming side, and the second region located inside the first region. Are in contact with regions or voids where the carrier concentration is lower than that of the semiconductor substrate in contact with the first region. That is, when the light emitted from the light emitting part is emitted to the outside through the first reflecting mirror, it passes through the region or the gap where the carrier concentration is lower than that of the semiconductor substrate in contact with the first region. can do. The “region where the carrier concentration is lower than that of the semiconductor substrate in contact with the first region” includes an undoped region.
つまり、半導体基板のキャリア濃度を高濃度とした場合、第1反射鏡は、外縁部分のみがこの高濃度領域と接触し、その内側の領域は低濃度領域又は空隙と接触する構成となる。よって、例えば外縁部分の厚みを内側に比べてなるべく薄くしておくことで、第1反射鏡から放射される光は、そのほとんどが低濃度領域又は空隙を通過して外部へと放射される構成とすることができる。従って、高濃度領域内を通過する光量は、従来構成と比べて大幅に削減されるため、光が吸収される量も大きく抑制される。 That is, when the carrier concentration of the semiconductor substrate is set to a high concentration, the first reflector has a configuration in which only the outer edge portion is in contact with the high concentration region and the inner region is in contact with the low concentration region or the gap. Therefore, for example, by making the thickness of the outer edge portion as thin as possible compared to the inside, most of the light emitted from the first reflecting mirror is emitted to the outside through the low concentration region or the gap. It can be. Therefore, the amount of light passing through the high density region is greatly reduced as compared with the conventional configuration, and the amount of light absorbed is greatly suppressed.
そして、第1反射鏡の外縁部分は半導体基板と接触しているため、半導体基板のキャリア濃度を高濃度にしておくことで、第1電極と半導体基板の間のコンタクト抵抗は低い値が実現される。また、第1電極と第2電極の間にバイアス電圧を印加した際、第2電極、コンタクト層、第2反射鏡、発光部、第1反射鏡、半導体基板、及び第1電極からなる電流経路が形成されるが、この間に低濃度領域を介さない構成とすることができるので、素子全体の抵抗が大きくなることもない。この結果、高いジュール熱が発生して発光波長がシフトすることにより所望の発光波長の光の取り出し効率が低下するという問題も解消する。 Since the outer edge portion of the first reflecting mirror is in contact with the semiconductor substrate, a low value of the contact resistance between the first electrode and the semiconductor substrate is realized by keeping the carrier concentration of the semiconductor substrate high. The Further, when a bias voltage is applied between the first electrode and the second electrode, a current path including the second electrode, the contact layer, the second reflecting mirror, the light emitting unit, the first reflecting mirror, the semiconductor substrate, and the first electrode However, since the low-concentration region is not interposed during this period, the resistance of the entire element does not increase. As a result, the problem that the extraction efficiency of light having a desired emission wavelength is reduced due to the generation of high Joule heat and the emission wavelength shifting is also solved.
つまり、上記の構成によれば、素子の低抵抗化と光の取り出し効率の向上という両者を同時に実現することができる。 That is, according to the above configuration, it is possible to simultaneously realize both the reduction of the resistance of the element and the improvement of the light extraction efficiency.
より具体的な第1の構成として、前記半導体基板は、第1基板領域、及び前記第1基板領域よりもキャリア濃度が低濃度である第2基板領域を有し、
前記第1反射鏡は、前記発光部の形成側と反対側の面において、前記第1領域が前記第1基板領域と接触し、前記第2領域が前記第2基板領域と接触する構成とすることができる。
As a more specific first configuration, the semiconductor substrate has a first substrate region and a second substrate region having a carrier concentration lower than that of the first substrate region,
The first reflecting mirror has a configuration in which the first region is in contact with the first substrate region and the second region is in contact with the second substrate region on a surface opposite to the formation side of the light emitting unit. be able to.
この構成では、半導体基板を2つのキャリア濃度領域に分けて、高濃度領域を構成する第1基板領域を第1反射鏡の外縁部分に接触させ、低濃度領域を第1反射鏡の内側部分に接触させている。これにより、上記効果が実現される。 In this configuration, the semiconductor substrate is divided into two carrier concentration regions, the first substrate region constituting the high concentration region is brought into contact with the outer edge portion of the first reflecting mirror, and the low concentration region is formed on the inner portion of the first reflecting mirror. It is in contact. Thereby, the above effect is realized.
更にこのとき、前記第1基板領域と前記第2基板領域の境界部分に、キャリア拡散防止用の絶縁層を埋め込む構成としても構わない。 Further, at this time, an insulating layer for preventing carrier diffusion may be embedded in a boundary portion between the first substrate region and the second substrate region.
また、前記第1基板領域と前記第2基板領域の境界部分に、基板面に直交する方向に貫通する第1溝部を有する構成としても構わない。 In addition, a configuration may be adopted in which a first groove portion penetrating in a direction orthogonal to the substrate surface is formed at a boundary portion between the first substrate region and the second substrate region.
これらの構成によれば、高濃度の第1基板領域から低濃度の第2基板領域に向かってキャリアが拡散することが防止される。よって、光の通過経路に位置する第1反射鏡の接触箇所を低濃度状態に維持することができ、安定して高い光の取り出し効率が実現される。 According to these configurations, carriers are prevented from diffusing from the high concentration first substrate region toward the low concentration second substrate region. Therefore, the contact location of the 1st reflective mirror located in the light passage path | route can be maintained in a low concentration state, and the high light extraction efficiency is implement | achieved stably.
また、より具体的な第2の構成として、前記半導体基板は、一部の箇所に、基板面に直交する方向に貫通する第2溝部を有し、
前記第1反射鏡は、前記発光部の形成側と反対側の面において、前記第1領域が前記第2溝部の外側に位置する前記半導体基板の面に接触し、前記第2領域が前記第2溝部の内側に位置する空隙に接触する構成とすることができる。
As a more specific second configuration, the semiconductor substrate has a second groove portion penetrating in a direction perpendicular to the substrate surface in a part of the semiconductor substrate,
In the first reflecting mirror, the first region is in contact with the surface of the semiconductor substrate located outside the second groove portion on the surface opposite to the light emitting portion formation side, and the second region is in the first region. It can be set as the structure which contacts the space | gap located inside two groove parts.
この構成では、半導体基板の一部に基板面に直交する方向に貫通する第2溝部を設けている。そして、半導体基板を第1反射鏡の外縁部分に接触させ、第2溝部の内側すなわち空隙を第1反射鏡の内側部分に接触させている。これにより、上記効果が実現される。 In this configuration, a second groove portion penetrating in a direction orthogonal to the substrate surface is provided in a part of the semiconductor substrate. The semiconductor substrate is brought into contact with the outer edge portion of the first reflecting mirror, and the inner side of the second groove, that is, the gap is brought into contact with the inner portion of the first reflecting mirror. Thereby, the above effect is realized.
上記構成の変形例として、前記第2溝部の底面に、前記半導体基板よりもキャリア濃度が低濃度の誘電体層を形成し、この誘電体層を第1反射鏡の内側部分に接触させるものとしても構わない。この誘電体層はアンドープ層で実現しても構わない。 As a modification of the above configuration, a dielectric layer having a carrier concentration lower than that of the semiconductor substrate is formed on the bottom surface of the second groove, and this dielectric layer is brought into contact with the inner portion of the first reflecting mirror. It doesn't matter. This dielectric layer may be realized by an undoped layer.
なお、第2の構成において、第2溝部の内側面を覆うように、前記半導体基板の保護用の絶縁層を形成しても構わない。 In the second configuration, an insulating layer for protecting the semiconductor substrate may be formed so as to cover the inner surface of the second groove portion.
これにより、半導体基板を第2溝部の内側に露出させることなく、素子の低抵抗化と光の取り出し効率の向上という両者を同時に実現することができる。 Thereby, it is possible to simultaneously realize both the reduction of the resistance of the element and the improvement of the light extraction efficiency without exposing the semiconductor substrate to the inside of the second groove portion.
本発明の半導体レーザ装置によれば、コンタクト抵抗及び素子抵抗を低抵抗にしながらも、光の通過経路上に高濃度領域をほとんど又は完全に有さない構成とすることができるので、従来よりも高い光取り出し効率が実現できる。 According to the semiconductor laser device of the present invention, since the contact resistance and the element resistance can be made low, it is possible to have a configuration having little or no high-concentration region on the light passage path. High light extraction efficiency can be realized.
本発明の半導体レーザ装置(以下、適宜「レーザ装置」と略記する。)につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。 A semiconductor laser device of the present invention (hereinafter abbreviated as “laser device” as appropriate) will be described with reference to the drawings. In each figure, the dimensional ratio in the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態のレーザ装置の模式的断面図である。なお、図11と同一の要素に対しては、同一の符号を付している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the laser apparatus of the first embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element same as FIG.
(構成)
第1実施形態のレーザ装置1は、半導体基板10、n側多層膜反射鏡11(「第1反射鏡」に対応)、発光部13、p側多層膜反射鏡15(「第2反射鏡」に対応)、コンタクト層17、n側電極19(「第1電極」に対応)、p側電極21(「第2電極」に対応)を有する。
(Constitution)
The
半導体基板10の一方の面(「第1面」に対応)の上層にはn側多層膜反射鏡11が形成されており、n側多層膜反射鏡11の上層に発光部13が形成され、発光部13の上層にp側多層膜反射鏡15が形成される。p側多層膜反射鏡15の上層にコンタクト層17が形成され、コンタクト層17の上層にp側電極21が形成される。
An n-
また、半導体基板10の他方の面(「第2面」に対応)には、n側電極19が形成されている。
An n-
図1では、光取り出し方向d1は半導体基板10の発光部13及び一対の反射鏡11,15が形成されている側と反対側であり、半導体基板10とこの方向d1に離間した位置には外部出力ミラー3が形成される。なお、図11に示すレーザ装置90と同様に、図1に示すレーザ装置1も電流狭窄用の絶縁層25、パッシベーション層27、誘電体層29を備えている。
In FIG. 1, the light extraction direction d1 is opposite to the side of the
半導体基板10は、例えばGaAs基板で構成される。ここで、本実施形態においては、半導体基板10が高濃度領域10a(「第1基板領域」に対応)と低濃度領域10b(「第2基板領域」に対応)の2つの濃度領域を有している。高濃度領域10aは、キャリア濃度が1×1018/cm3以上の高濃度でドープされている。一方、低濃度領域10bは、キャリア濃度が1×1018/cm3未満、より好ましくは5×1017/cm3以下の低濃度でドープされている。なお、本実施形態において、低濃度領域10bをアンドープで構成しても構わない。
The
そして、半導体基板10には、これら2つの領域の境界部分に絶縁層23が埋め込まれている。この絶縁層23は、高濃度領域10aから低濃度領域10bに向かってキャリアが拡散するのを防止する目的で形成されており、例えばSiNなどの絶縁層が用いられる。
In the
発光部13は、取り出すレーザ光5の波長に応じた材料で構成される。例えば、発光波長が0.8μm〜1μmの場合はGaInAs又はAlGaAsなどが用いられる。
The
n側多層膜反射鏡11及びp側多層膜反射鏡15は、所望の波長に対して吸収が少なく、且つ屈折率の異なる2種類の材料が積層されたもの、例えば、GaAs/AlGaAs又はGaAs/AlAsなどが用いられる。また、各反射鏡11,15を構成する各層の厚さは、材料及び波長に応じた厚さとされる。なお、p側多層膜反射鏡15の反射率を99%以上、n側多層膜反射鏡11の反射率を20%以上90%以下の範囲とするのが好ましい。n側多層膜反射鏡11の反射率をp側多層膜反射鏡15よりも低くしているのは、発光部13からの光が、n側多層膜反射鏡11とp側多層膜反射鏡15の間で反射を繰り返すことで励起された後、n側多層膜反射鏡11を通過して外部へと取り出す必要があるためである。
The n-
n側多層膜反射鏡11は、半導体基板10と接触して形成されているが、このうち外縁に位置する部分が高濃度領域10aに接触し、その内側の部分が低濃度領域10bに接触するような構成である。この点については詳細に後述される。
The n-
コンタクト層17は、p側多層膜反射鏡15の上層に形成される。コンタクト層17は、例えばGaAsで構成され、コンタクト抵抗を小さくするためにCなどのp型不純物が1×1018/cm3以上の高濃度でドープされている。
The
上述したように、n側電極19は、半導体基板10の発光部13及び一対の反射鏡11,15が形成されている側と反対側の面、すなわち光取り出し方向d1側の面に接触して形成されている。より詳細には、n側電極19は、半導体基板10の高濃度領域10aに接触している。n側電極19の材料としては、例えばNi/Ge/Au/Ni/AuやAu/Ge/Ni/Auなどが利用可能である。
As described above, the n-
p側電極21は、コンタクト層17の上層に形成される。p側電極21はn側電極19と同一の材料で形成して構わない。
The p-
図2は、半導体基板10を、光取り出し方向側すなわちn側電極19側から見たときの模式的平面図である。説明の都合上、n側電極19、誘電体層29の図示を省略し、半導体基板10の発光部13側の面に形成されているn側多層膜反射鏡11の底面を破線で示している。なお、図2では、半導体基板10上にレーザ装置1が複数配列されている状態を示しており、レーザ装置1からの光取り出し方向は紙面の手前側である。
FIG. 2 is a schematic plan view of the
上述したように、半導体基板10は、高濃度領域10aと低濃度領域10bを有する構成である。図2の例では、高濃度領域10a内の一部分に円形状の低濃度領域10bが形成されている。そして、高濃度領域10aと低濃度領域10bが、絶縁層23で分離されている。
As described above, the
n側多層膜反射鏡11は、底面形状が円形であり、その外縁部分(「第1領域」に対応)が高濃度領域10aと接触し、内側部分(「第2領域」に対応)が低濃度領域10bと接触するように形成されている。つまり、n側多層膜反射鏡11の中央部分は低濃度領域10bと接触する構成である。
The n-
図3は、半導体基板10と接触するn側多層膜反射鏡11の面を模式的に図示したものである。外縁部分(第1領域)11aが高濃度領域10aに接触し、内側部分(第2領域)11bが低濃度領域10bに接触している(図2も併せて参照)。図3の外縁部分11aと図2の高濃度領域10aを同一のハッチングで示し、図3の内側部分11bと図2の低濃度領域10bを同一のハッチングで示すことで、図面にて上記内容を表現している。
FIG. 3 schematically shows the surface of the n-side multilayer
このような構成の下、p側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧を印加すると、p側電極21、コンタクト層17、p側多層膜反射鏡15、発光部13、n側多層膜反射鏡11、半導体基板10の高濃度領域10a、及びn側電極19からなる電流経路が形成される。これにより、発光部13に電流が流れ、当該領域が光を発する。この光は、p側多層膜反射鏡15、n側多層膜反射鏡11、及び外部出力ミラー3にて構成される共振器内を共振しながら励起し、レーザ光5として外部に取り出される。
Under such a configuration, when a bias voltage is applied between the p-
そして、上記電流経路上には低濃度領域が存在しないので、素子全体の抵抗が大きくなることがない。また、p側電極21は高濃度のコンタクト層17と接触しており、n側電極19は半導体基板10の高濃度領域10aと接触しているので、いずれもコンタクト抵抗は低く抑えられる。これにより、高いジュール熱が発生して、発光波長がシフトすることで、所望の発光波長の光の取り出し効率が低下するという問題は解消する。
Further, since there is no low concentration region on the current path, the resistance of the entire element does not increase. Moreover, since the p-
また、発光部13からの光は、n側多層膜反射鏡11を介して外部に取り出されるが、n側多層膜反射鏡11の中央部分は半導体基板10の低濃度領域10bと接触している。このため、光の大部分がこの低濃度領域10b内を通過する。これにより、従来構成と比べて半導体基板10内にて光が吸収される量が大きく抑制される。
The light from the
なお、n側多層膜反射鏡11が半導体基板10の高濃度領域10aと接触する外縁部分の領域11aの面積を、半導体基板10の低濃度領域10bと接触する内側部分の領域11bの面積よりも十分小さくしておくことで、ほぼ全ての光が低濃度領域10b内を通過できる。これにより、半導体基板10内で光が吸収される量を最大限抑制することができる。
Note that the area of the outer
また、本実施形態の構成では、半導体基板10の高濃度領域10aと低濃度領域10bの境界にキャリア拡散防止用の絶縁層23が埋め込まれている。これにより高濃度領域10aから低濃度領域10bに向かうキャリアの拡散が防止できるので、低濃度領域10aは低濃度状態が維持され、安定して高い光の取り出し効率が実現される。
In the configuration of the present embodiment, an insulating
なお、図4に示すように、絶縁層23を埋め込む代わりに、半導体基板10の高濃度領域10aと低濃度領域10bの境界に、基板面に直交する方向に貫通する溝部31(「第1溝部」に対応)を形成しても構わない。この構成でも、高濃度領域10aから低濃度領域10bに向かうキャリアの拡散が防止できる。
As shown in FIG. 4, instead of embedding the insulating
図4に示すレーザ装置1は誘電体層29を備えない構成としているが、図1の構成と同様に、誘電体層29を備えていても構わない。このとき、溝部31内に誘電体層29が埋め込まれる構成としてもよい。この場合、誘電体層29が、高濃度領域10aから低濃度領域10bへのキャリア拡散防止機能を兼ねる。なお、図1の構成において、誘電体層29を備えない構成としても構わない。
The
なお、上記実施形態では、半導体基板10の光取り出し方向d1側をn側、反対側をp側として説明したが、p側とn側の位置を反転させても構わない。以下の実施形態でも同様である。
In the above embodiment, the light extraction direction d1 side of the
(製造方法)
以下、図1に示すレーザ装置1の製造方法の一例につき、図5A〜図5Iの各工程断面図を参照して説明する。
(Production method)
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the
(ステップS1)
図5Aに示すように、半導体基板10上に、n側多層膜反射鏡11、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びコンタクト層17を下からこの順に結晶成長させる。
(Step S1)
As shown in FIG. 5A, an n-
ここで、半導体基板10としては、例えばキャリア濃度が5×1017/cm3以下の低濃度のGaAs基板が採用される。なお、アンドープの基板を採用しても構わない。
Here, as the
n側多層膜反射鏡11としては、GaAs/AlGaAs又はGaAs/AlAsなどが用いられ、反射率が20%以上90%以下となるように積層数が設定される。発光部13としては、GaInAs又はAlGaAsなどが用いられ、発光波長に応じて採用される材料や組成比が設定される。p側多層膜反射鏡15としては、GaAs/AlGaAs又はGaAs/AlAsなどが用いられ、反射率が99%以上となるように積層数が設定される。なお、積層される膜厚の例としては、n側多層膜反射鏡11が100nm〜2000nm程度、発光部13が50nm〜2000nm程度、p側多層膜反射鏡15が1000nm〜5000nm程度である。
As the n-
また、コンタクト層17としては、例えばCなどのp型不純物が1×1018/cm3以上の高濃度でドープされたGaAsが膜厚10nm〜1000nm程度成膜される。
As the
(ステップS2)
ステップS1で成膜された多層構造体を、ウェットエッチング法又はドライエッチング法によりメサ形状に加工する(図5B参照)。
(Step S2)
The multilayer structure formed in step S1 is processed into a mesa shape by wet etching or dry etching (see FIG. 5B).
(ステップS3)
多層構造体のうち、例えば中央付近の領域をマスクしてイオン注入を行うことにより、電流狭窄層としての絶縁層25(高抵抗層)を形成する(図5C参照)。なお、当該箇所を酸化することで絶縁層25を形成してもよい。
(Step S3)
Of the multilayer structure, for example, a region near the center is masked to perform ion implantation, thereby forming an insulating layer 25 (high resistance layer) as a current confinement layer (see FIG. 5C). Note that the insulating
(ステップS4)
図5Dに示すように、スパッタ法又はPVD(Physical Vapor Deposition:物理気相成長)法にて、例えばSiNやSiO2などの絶縁材料を膜厚10nm〜2000nm程度成膜し、パッシベーション層27を形成する。
(Step S4)
As shown in FIG. 5D, a
(ステップS5)
例えば、コンタクト層17の上方に係る位置以外をマスクして、ウェットエッチング法又はドライエッチング法により非マスク領域に形成されたパッシベーション層27を除去する。その後、当該領域にスパッタ法又は真空蒸着法によって例えばAu/Zn/AuやTi/Pt/Auなどの電極材料を膜厚100nm〜3000nm程度成膜して、p側電極21を形成する(図5E参照)。
(Step S5)
For example, the
(ステップS6)
半導体基板10の発光層13が形成されている側と反対側の面に対し、ウェットエッチング法又はドライエッチング法により、基板面に直交する方向に貫通する第1溝部31を形成する(図5F参照)。第1溝部31は、半導体基板10の発光層13が形成されている側と反対側の面から見て環状(円環状や矩形環状など)を示し、その底面にはn側多層膜反射鏡11が露出する。
(Step S6)
A
(ステップS7)
スパッタ法又はPVD法にて、半導体基板10の発光層13が形成されている側と反対側の方向から、例えばSiNやSiO2などの絶縁材料を膜厚10nm〜2000nm程度成膜し、第1溝部31内を充填する。これにより、キャリア拡散防止用の絶縁層23が形成される(図5G参照)。
(Step S7)
An insulating material such as SiN or SiO 2 is formed to a thickness of about 10 nm to 2000 nm from the direction opposite to the side where the
(ステップS8)
図5Hに示すように、絶縁層23及びその内側領域をマスク35で覆った状態で、半導体基板10の発光層13が形成されている側と反対側の方向から、ドーパント43を注入する。これにより、絶縁層23の外側領域の半導体基板10は、キャリア濃度が1×1018/cm3以上の高濃度領域10aとなる。また、その内側領域の半導体基板10は、依然として低濃度(又はアンドープ)領域のままである。よって、本ステップにより、半導体基板10に高濃度領域10aと低濃度領域10bが形成され、その境界は絶縁層23で分離された状態となる。
(Step S8)
As shown in FIG. 5H, in a state where the insulating
(ステップS9)
マスク35を除去した後、半導体基板10の高濃度領域10aの面に、発光層13が形成されている側と反対側の方向から、スパッタ法又は真空蒸着法によって例えばNi/Ge/Au/Ni/AuやAu/Ge/Ni/Auなどの電極材料を膜厚100nm〜3000nm程度成膜して、n側電極19を形成する(図5I参照)。
(Step S9)
After removing the
(ステップS10)
その後、所定の領域をマスクして、SiO2, Ta2O5, SiNOなどで構成される光学薄膜を、露出されている半導体基板10の面に発光層13が形成されている側と反対側の方向から、スパッタ法又は真空蒸着法によって膜厚10nm〜1000nm程度成膜し、誘電体層29を形成する(図1参照)。
(Step S10)
Thereafter, a predetermined region is masked, and an optical thin film made of SiO 2 , Ta 2 O 5 , SiNO or the like is opposite to the side where the
なお、図4に示すレーザ装置1を製造するに際しては、ステップS6の後、ステップS7を行わずにステップS8及びS9を実行するものすればよい。
In manufacturing the
上記ステップS1〜S10を経てレーザ装置1を製造する方法は、あくまで一例であり、この方法に限定されるものではない。また、成膜する膜厚の条件や用いられる材料も一例であり、上述した内容に限定されるものではない。
The method of manufacturing the
[第2実施形態]
レーザ装置の第2実施形態につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
[Second Embodiment]
With respect to the second embodiment of the laser apparatus, only portions different from the first embodiment will be described.
(構成)
図6は、第2実施形態のレーザ装置の模式的断面図である。第2実施形態のレーザ装置1aにおいては、半導体基板10の一部の箇所に、基板面に直交する方向に貫通する第2溝部37が形成されている。この第2溝部37の底面には誘電体層29が形成され、内側面にはパッシベーション層33が形成されている。パッシベーション層33は、第2溝部37の内側において半導体基板10が露出するのを防ぐ保護層としての機能を果たしている。
(Constitution)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the laser apparatus of the second embodiment. In the laser device 1a of the second embodiment, a
なお、本実施形態では、半導体基板10は第1実施形態における高濃度領域10aと同等のキャリア濃度、すなわち1×1018/cm3以上のキャリア濃度を有している。
In the present embodiment, the
図7は、図2にならって、本実施形態のレーザ装置1aが搭載された半導体基板10を光取り出し方向側すなわちn側電極19側から見たときの模式的平面図である。半導体基板10は、第2溝部37が形成されていない領域において高濃度領域10aを形成する。また、図6の構成では、第2溝部37の底面に誘電体層29が形成されているため、図7においても誘電体層29が表示されている。
FIG. 7 is a schematic plan view of the
n側多層膜反射鏡11は、底面形状が円形であり、その外縁部分(「第1領域」に対応)が半導体基板10(高濃度領域10aを形成)と接触し、内側部分(「第2領域」に対応)が誘電体層29と接触するように形成されている。この誘電体層29は、キャリア濃度が極めて低いかアンドープ層を構成する。
The n-
図8は、図3にならって、本実施形態のレーザ装置1aが搭載された半導体基板10と接触するn側多層膜反射鏡11の面を模式的に図示したものである。外縁部分(第1領域)11aが半導体基板10(高濃度領域10aを形成)に接触し、内側部分(第2領域)11bが誘電体層29に接触している(図7も併せて参照)。図8の外縁部分11aと図7の高濃度領域10aを同一のハッチングで示し、図8の内側部分11bと図7の誘電体層29をハッチング無しで示すことで、図面にて上記内容を表現している。
FIG. 8 schematically shows the surface of the n-
このような構成においても、第1実施形態と同様、p側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧を印加したときの電流経路上には低濃度領域が存在しないので、素子全体の抵抗が大きくなることがない。また、p側電極21は高濃度のコンタクト層17と接触しており、n側電極19は半導体基板10の高濃度領域10aと接触しているので、いずれもコンタクト抵抗は低く抑えられる。これにより、高いジュール熱が発生して、発光波長がシフトすることで、所望の発光波長の光の取り出し効率が低下するという問題は解消する。
Even in such a configuration, as in the first embodiment, since there is no low concentration region on the current path when a bias voltage is applied between the p-
そして、発光部13からの光は、n側多層膜反射鏡11を介して外部に取り出されるが、n側多層膜反射鏡11の中央部分は誘電体層29と接触している。このため、光の大部分がこの誘電体層29内を通過する。これにより、従来構成と比べて半導体基板10内にて光が吸収される量が大きく抑制される。
The light from the
なお、第1実施形態と同様、n側多層膜反射鏡11が半導体基板10と接触する外縁部分の領域11aの面積を、誘電体層29と接触する内側部分の領域11bの面積よりも十分小さくしておくことで、ほぼ全ての光が誘電体層29を通過できる。これにより、半導体基板10内で光が吸収される量を最大限抑制することができる。
As in the first embodiment, the area of the outer
また、第2溝部37の底面に形成される誘電体層29と内側面に形成されるパッシベーション層33を備えない構成としても構わない(図9参照)。この場合、n側多層膜反射鏡11の面の外縁部分(第1領域)11aが半導体基板10(高濃度領域10aを形成)に接触し、内側部分(第2領域)11bは、第2溝部37の内側の空隙に接触する。この構成においても、光が高濃度領域内を通過することで吸収されるという問題は大幅に解消する。
Further, the
(製造方法)
以下、図6に示すレーザ装置1aの製造方法につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
(Production method)
Hereinafter, only the differences from the first embodiment will be described for the method of manufacturing the laser device 1a shown in FIG.
第1実施形態と同様に、ステップS1〜S5を順次実行する(図5A〜図5E参照)。 As in the first embodiment, steps S1 to S5 are sequentially executed (see FIGS. 5A to 5E).
(ステップS6A)
発光層13が形成されている側と反対側の方向から、半導体基板10の上面にスパッタ法又は真空蒸着法によって例えばNi/Ge/Au/Ni/AuやAu/Ge/Ni/Auなどの電極材料を膜厚100nm〜3000nm程度成膜して、n側電極19を形成する(図10A参照)。
(Step S6A)
From the direction opposite to the side where the
(ステップS6B)
次に、n側電極19として残存させる箇所をマスクした状態で、半導体基板10の発光層13が形成されている側と反対側の面に対し、ウェットエッチング法又はドライエッチング法により、基板面に直交する方向に貫通する第2溝部37を形成する(図10B参照)。第2溝部37は、半導体基板10の発光層13が形成されている側と反対側の面から見て環状(円環状や矩形環状など)を示し、その底面にはn側多層膜反射鏡11が露出する。なお、第2溝部37を、底面(n側多層膜反射鏡11)側に向かうほど面積が小さくなるようなテーパー形状を有する円錐台形状としても構わない。
(Step S6B)
Next, in a state where the portion to be left as the n-
(ステップS6C)
SiO2, Ta2O5, SiNOなどで構成される光学薄膜を、露出されている第2溝部37の底面に発光層13が形成されている側と反対側の方向から、スパッタ法又は真空蒸着法によって膜厚10nm〜1000nm程度成膜し、誘電体層29を形成する(図10C参照)。
(Step S6C)
An optical thin film composed of SiO 2 , Ta 2 O 5 , SiNO or the like is sputtered or vacuum deposited from the direction opposite to the side where the
(ステップS6D)
その後、スパッタ法又はPVD法にて、第2溝部37の内側面に、発光層13が形成されている側と反対側の方向から、例えばSiNやSiO2などの絶縁材料を膜厚10nm〜2000nm程度成膜し、パッシベーション層33を形成する(図6参照)。
(Step S6D)
Thereafter, an insulating material such as SiN or SiO 2 is formed on the inner surface of the
なお、図9に示すレーザ装置1aを製造するに際しては、ステップS1〜S5、S6A及びS6Bをこの順に実行し、ステップS6C及びS6Dを行わないものとすればよい。 When manufacturing the laser device 1a shown in FIG. 9, steps S1 to S5, S6A and S6B may be executed in this order, and steps S6C and S6D may not be executed.
上記ステップS1〜S5、及びS6A〜S6Dを経てレーザ装置1aを製造する方法は、あくまで一例であり、この方法に限定されるものではない。また、成膜する膜厚の条件や用いられる材料も一例であり、上述した内容に限定されるものではない。 The method of manufacturing the laser apparatus 1a through the above steps S1 to S5 and S6A to S6D is merely an example, and is not limited to this method. Moreover, the conditions of the film thickness to form and the material used are examples, and are not limited to the above-mentioned content.
1 : 半導体レーザ装置
3 : 外部出力ミラー
5 : レーザ光
10 : 半導体基板
10a : 高濃度基板領域(第1基板領域)
10b : 低濃度基板領域(第2基板領域)
11 : n側多層膜反射鏡(第1反射鏡)
11a : n側多層膜反射鏡の外縁部分(第1領域)
11b : n側多層膜反射鏡の内側部分(第2領域)
13 : 発光部
15 : p側多層膜反射鏡(第2反射鏡)
17 : コンタクト層
19 : n側電極(第1電極)
21 : p側電極(第2電極)
23 : キャリア拡散防止用の絶縁層
25 : 電流狭窄層としての絶縁層
27 : パッシベーション層
29 : 誘電体層
31 : 溝部(第1溝部)
33 : パッシベーション層
35 : マスク
37 : 溝部(第2溝部)
40 : 半導体基板
43 : ドーパント
90 : 従来のVECSEL構造のレーザ装置
d1 : レーザ光の取り出し方向
1: Semiconductor laser device 3: External output mirror 5: Laser beam 10:
10b: Low concentration substrate region (second substrate region)
11: n-side multilayer mirror (first reflector)
11a: outer edge portion (first region) of n-side multilayer mirror
11b: Inner part of the n-side multilayer reflector (second region)
13: Light-emitting part 15: P-side multilayer reflector (second reflector)
17: contact layer 19: n-side electrode (first electrode)
21: p-side electrode (second electrode)
23: Insulating layer for preventing carrier diffusion 25: Insulating layer as current confinement layer 27: Passivation layer 29: Dielectric layer 31: Groove (first groove)
33: Passivation layer 35: Mask 37: Groove (second groove)
40: Semiconductor substrate 43: Dopant 90: Conventional laser device with VECSEL structure d1: Extraction direction of laser light
Claims (7)
前記半導体基板の第1面側の上層に形成された第1反射鏡と、
前記第1反射鏡の上層に形成された発光部と、
前記発光部の上層に形成された第2反射鏡と、
前記第2反射鏡の上層に形成されたコンタクト層と、
前記半導体基板の前記第1面と反対の第2面側の上層に形成された第1電極と、
前記コンタクト層の上層に形成された第2電極を備え、
前記第1反射鏡は、前記発光部の形成側と反対側の面において、外縁に位置する第1領域が前記半導体基板に接触し、前記第1領域よりも内側に位置する第2領域が前記第1領域と接触する箇所の前記半導体基板よりもキャリア濃度が低濃度である領域又は空隙に接触することを特徴とする半導体レーザ装置。 A semiconductor substrate;
A first reflecting mirror formed in an upper layer on the first surface side of the semiconductor substrate;
A light emitting part formed in an upper layer of the first reflecting mirror;
A second reflecting mirror formed on an upper layer of the light emitting unit;
A contact layer formed on an upper layer of the second reflecting mirror;
A first electrode formed in an upper layer on the second surface side opposite to the first surface of the semiconductor substrate;
A second electrode formed on the contact layer;
In the first reflecting mirror, a first region located on the outer edge of the surface opposite to the light-emitting portion forming side is in contact with the semiconductor substrate, and a second region located on the inner side of the first region is the A semiconductor laser device, wherein the semiconductor laser device is in contact with a region or gap having a carrier concentration lower than that of the semiconductor substrate at a location in contact with the first region.
前記第1反射鏡は、前記発光部の形成側と反対側の面において、前記第1領域が前記第1基板領域と接触し、前記第2領域が前記第2基板領域と接触する構成であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 The semiconductor substrate has a first substrate region and a second substrate region having a carrier concentration lower than that of the first substrate region,
The first reflecting mirror has a configuration in which the first region is in contact with the first substrate region and the second region is in contact with the second substrate region on a surface opposite to the light emitting unit formation side. The semiconductor laser device according to claim 1.
前記第1反射鏡は、前記発光部の形成側と反対側の面において、前記第1領域が前記第2溝部の外側に位置する前記半導体基板の面に接触し、前記第2領域が前記第2溝部の内側に位置する空隙に接触する構成であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 The semiconductor substrate has a second groove portion penetrating in a direction perpendicular to the substrate surface in a part of the semiconductor substrate,
In the first reflecting mirror, the first region is in contact with the surface of the semiconductor substrate located outside the second groove portion on the surface opposite to the light emitting portion formation side, and the second region is in the first region. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is in contact with a gap located inside the two groove portions.
前記第2溝部の底面に、前記半導体基板よりもキャリア濃度が低濃度の誘電体層が形成され、
前記第1反射鏡は、前記発光部の形成側と反対側の面において、前記第1領域が前記半導体基板の前記第2溝部の外側領域に接触し、前記第2領域が前記誘電体層に接触する構成であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 The semiconductor substrate has a second groove portion penetrating in a direction perpendicular to the substrate surface in a part of the semiconductor substrate,
A dielectric layer having a carrier concentration lower than that of the semiconductor substrate is formed on the bottom surface of the second groove portion,
In the first reflecting mirror, the first region is in contact with the outer region of the second groove portion of the semiconductor substrate on the surface opposite to the light emitting portion forming side, and the second region is in contact with the dielectric layer. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is in contact with the semiconductor laser device.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020530941A (en) * | 2017-08-14 | 2020-10-29 | トリルミナ コーポレーション | Surface mountable VCSEL array |
-
2013
- 2013-03-01 JP JP2013041056A patent/JP2014170813A/en active Pending
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