JP2015126040A - Light-emitting device, light source device, and laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光デバイス、光源装置及びレーザ装置に係り、更に詳しくは、光を射出する発光デバイス、該発光デバイスを有する光源装置、及び該光源装置を備えるレーザ装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device, a light source device, and a laser device, and more particularly, to a light emitting device that emits light, a light source device having the light emitting device, and a laser device including the light source device.
Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＹＡＧなどの固体レーザは、射出される光の波長が限定的であるのに対し、半導体レーザ（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）は、活性層の材料の組成を調整することが比較的容易であり、種々の波長の光を射出することが可能であることから、高出力レーザに関する分野への応用が期待されている。 Solid-state lasers such as Nd: YVO 4 and Nd: YAG have a limited wavelength of emitted light, whereas semiconductor lasers (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1) Since it is relatively easy to adjust the composition of the material of the active layer and it is possible to emit light of various wavelengths, it is expected to be applied to the field related to high-power lasers.
しかしながら、従来の半導体レーザでは、高出力での発光が困難であった。 However, it has been difficult for conventional semiconductor lasers to emit light at a high output.
本発明は、基板と、前記基板の一側に積層された活性層と、前記活性層の前記一側に積層された半導体層と、前記基板の他側に形成され、開口部を有する第１電極と、前記半導体層の前記一側に形成され、開口部を有する第２電極と、前記第２電極の開口部に設けられた誘電体膜とを有する発光デバイスである。 The present invention provides a substrate, an active layer stacked on one side of the substrate, a semiconductor layer stacked on the one side of the active layer, and a first layer formed on the other side of the substrate and having an opening. The light emitting device includes an electrode, a second electrode formed on the one side of the semiconductor layer and having an opening, and a dielectric film provided in the opening of the second electrode.
本発明の発光デバイスによれば、高出力での発光を可能とすることができる。 According to the light emitting device of the present invention, it is possible to emit light at a high output.
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１（Ａ）〜図９に基づいて説明する。図１（Ａ）〜図２には、第１の実施形態に係る発光デバイス１０の概略構成が示されている。なお、図２は、図１（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。また、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、発光デバイスからの光の射出方向をＺ軸方向として説明する。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 2 show a schematic configuration of a light emitting device 10 according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. Further, in this specification, in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the light emission direction from the light emitting device is described as the Z-axis direction.
この発光デバイス１０は、図２に示されるように、半導体基板１０１、第１スペーサ層１０２、発光層１０３、第２スペーサ層１０４、反射鏡１０５、コンタクト層１０６、第１電極１１０、第２電極１１１及び誘電体多層膜１１２などを有している。 As shown in FIG. 2, the light emitting device 10 includes a semiconductor substrate 101, a first spacer layer 102, a light emitting layer 103, a second spacer layer 104, a reflecting mirror 105, a contact layer 106, a first electrode 110, and a second electrode. 111, the dielectric multilayer film 112, and the like.
半導体基板１０１は、Ｓｉ（珪素）が１×１０１８／ｃｍ３の濃度でドーピングされ、ｎ型の導電性を有するＧａＡｓ基板である。 The semiconductor substrate 101 is a GaAs substrate doped with Si (silicon) at a concentration of 1 × 10 18 / cm 3 and having n-type conductivity.
半導体基板１０１は、表面が鏡面研磨面であり、図３（Ａ）に示されるように、鏡面研磨面（主面）の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜している。すなわち、半導体基板１０１はいわゆる傾斜基板である。ここでは、図３（Ｂ）に示されるように、結晶方位［０ −１ １］方向が＋Ｘ方向、結晶方位［０ １ −１］方向が−Ｘ方向となるように配置されている。 The surface of the semiconductor substrate 101 is a mirror-polished surface, and as shown in FIG. 3A, the normal direction of the mirror-polished surface (main surface) is crystallized with respect to the crystal orientation [1 0 0] direction. It is inclined 15 degrees (θ = 15 degrees) toward the direction [1 1 1] A direction. That is, the semiconductor substrate 101 is a so-called inclined substrate. Here, as shown in FIG. 3B, the crystal orientation [0 −1 1] direction is arranged in the + X direction, and the crystal orientation [0 1 −1] direction is arranged in the −X direction.
第１電極１１０は、レーザ光の射出口となる開口部を有し、半導体基板１０１の＋Ｚ側に形成されている。この第１電極１１０は、ＡｕＧｅ、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）が順次積層された金属多層膜でできている。なお、第１電極１１０の外形は、円形や矩形など、いずれの形状であっても良い。 The first electrode 110 has an opening serving as a laser beam exit, and is formed on the + Z side of the semiconductor substrate 101. The first electrode 110 is made of a metal multilayer film in which AuGe, Ni (nickel), and Au (gold) are sequentially stacked. Note that the outer shape of the first electrode 110 may be any shape such as a circle or a rectangle.
第１スペーサ層１０２は、半導体基板１０１の−Ｚ側に積層され、ＧａＩｎＰからなる層である。 The first spacer layer 102 is laminated on the −Z side of the semiconductor substrate 101 and is a layer made of GaInP.
発光層１０３は、第１スペーサ層１０２の−Ｚ側に積層され、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰの３ＱＷ量子井戸層からなる層である。ＧａＩｎＰ量子井戸層は、室温での発光波長が６８５ｎｍ、格子歪みが＋０．９％、膜厚が５ｎｍとなるよう調整されている。また、ＡｌＧａＩｎＰ障壁層は、格子歪みが−０．３％、膜厚が８ｎｍとなるよう調整されている。 The light emitting layer 103 is laminated on the −Z side of the first spacer layer 102 and is a layer made of a GaInP / AlGaInP 3QW quantum well layer. The GaInP quantum well layer is adjusted so that the emission wavelength at room temperature is 685 nm, the lattice distortion is + 0.9%, and the film thickness is 5 nm. The AlGaInP barrier layer is adjusted so that the lattice strain is -0.3% and the film thickness is 8 nm.
第２スペーサ層１０４は、発光層１０３の−Ｚ側に積層され、ＧａＩｎＰからなる層である。 The second spacer layer 104 is laminated on the −Z side of the light emitting layer 103 and is a layer made of GaInP.
第１スペーサ層１０２と発光層１０３と第２スペーサ層１０４とからなる部分は、活性層とも呼ばれ、光学的厚さが発振波長と同じ（ここでは、７１０ｎｍ）となるように、各スペーサ層によって調整されている。なお、各スペーサ層は、発光層１０３と格子整合している。 The portion composed of the first spacer layer 102, the light emitting layer 103, and the second spacer layer 104 is also called an active layer, and each spacer layer has an optical thickness equal to the oscillation wavelength (here, 710 nm). Has been adjusted by. Each spacer layer is lattice-matched with the light emitting layer 103.
反射鏡１０５は、第２スペーサ層１０４の−Ｚ側に積層され、ｐ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる高屈折率層のペアを２５ペア有している。各屈折率層には、Ｃ（炭素）がドーパントとして５×１０１６／ｃｍ３の濃度で均一にドーピングされている。 The reflecting mirror 105 is laminated on the −Z side of the second spacer layer 104 and includes 25 pairs of a low refractive index layer made of p-AlAs and a high refractive index layer made of p-Al 0.4 Ga 0.6 As. Have. Each refractive index layer is uniformly doped with C (carbon) as a dopant at a concentration of 5 × 10 16 / cm 3 .
コンタクト層１０６は、反射鏡１０５の−Ｚ側に積層され、Ｚｎ（亜鉛）が１×１０１９／ｃｍ３の濃度でドーピングされたＧａＡｓからなる層である。ここでは、コンタクト層１０６の厚さは１５ｎｍである。 The contact layer 106 is a layer made of GaAs that is laminated on the −Z side of the reflecting mirror 105 and doped with Zn (zinc) at a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 . Here, the thickness of the contact layer 106 is 15 nm.
第２電極１１１は、開口部を有し、コンタクト層１０６の−Ｚ側に形成されている。この第２電極１１１は、Ｃｒ（クロム）、ＡｕＺｎ、Ａｕが順次積層された金属多層膜でできている。第２電極１１１の開口部の大きさは、第１電極１１０の開口部の大きさよりも小さくなるように設定されている。ここでは、一例として、第１電極１１０の開口部の大きさｄ１（図２参照）は５００μｍであり、第２電極１１１の開口部の大きさｄ２（図２参照）は１００μｍである。 The second electrode 111 has an opening and is formed on the −Z side of the contact layer 106. The second electrode 111 is made of a metal multilayer film in which Cr (chromium), AuZn, and Au are sequentially stacked. The size of the opening of the second electrode 111 is set to be smaller than the size of the opening of the first electrode 110. Here, as an example, the size d1 (see FIG. 2) of the opening of the first electrode 110 is 500 μm, and the size d2 (see FIG. 2) of the opening of the second electrode 111 is 100 μm.
誘電体多層膜１１２は、第２電極１１１の開口部におけるコンタクト層１０６の−Ｚ側に設けられ、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層とからなるペアが１０ペア積層されている。ここでは、誘電体多層膜１１２における各層の光学的厚さを発振波長の１／４倍に設定することによって、誘電体多層膜１１２を反射鏡として機能させている。なお、製造工程上、開口部付近の第２電極１１１の−Ｚ側にも誘電体多層膜１１２が付着している（図２参照）。 The dielectric multilayer film 112 is provided on the −Z side of the contact layer 106 in the opening of the second electrode 111, and 10 pairs of SiO 2 layers and TiO 2 layers are laminated. Here, the dielectric multilayer film 112 is made to function as a reflecting mirror by setting the optical thickness of each layer in the dielectric multilayer film 112 to ¼ times the oscillation wavelength. In the manufacturing process, the dielectric multilayer film 112 is also attached to the −Z side of the second electrode 111 in the vicinity of the opening (see FIG. 2).
ところで、反射鏡のみで９９．９％以上の反射率を獲得しようとすると、反射鏡の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）が大きくなり、第２電極から注入された正孔（ｐ型キャリア）は発光層に到達するまでにＺ軸方向に直交する方向に関して拡散する（図４参照）。この場合は、発光層において十分な電流密度が得られないおそれがある。 By the way, if it is attempted to obtain a reflectance of 99.9% or more with only the reflecting mirror, the thickness of the reflecting mirror (the length in the Z-axis direction) increases, and holes injected from the second electrode (p-type carrier) ) Diffuses in the direction perpendicular to the Z-axis direction before reaching the light emitting layer (see FIG. 4). In this case, there is a possibility that a sufficient current density cannot be obtained in the light emitting layer.
そこで、本実施形態では、反射鏡１０５における低屈折率層と高屈折率層のペアの積層数を少なくすることによって、反射鏡１０５の厚さを図４における反射鏡の厚さよりも小さくし、第２電極１１１から注入された正孔（ｐ型キャリア）があまり拡散せずに発光層１０３に到達するようにしている。 Therefore, in the present embodiment, by reducing the number of pairs of the low refractive index layer and the high refractive index layer in the reflecting mirror 105, the thickness of the reflecting mirror 105 is made smaller than the thickness of the reflecting mirror in FIG. The holes (p-type carriers) injected from the second electrode 111 reach the light emitting layer 103 without diffusing so much.
なお、反射鏡１０５の反射率は、低屈折率層と高屈折率層とからなるペアの積層数によって決定されるため、反射鏡１０５の反射率は、図４における反射鏡の反射率よりも小さくなる。 In addition, since the reflectance of the reflective mirror 105 is determined by the number of stacked pairs of low refractive index layers and high refractive index layers, the reflectance of the reflective mirror 105 is higher than the reflectance of the reflective mirror in FIG. Get smaller.
そこで、本実施形態では、第２電極１１１に開口部を形成し、該開口部に反射鏡の機能を有する誘電体多層膜１１２を設け、反射鏡１０５の反射率の低下を補っている。誘電体多層膜１１２の反射率は、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層とからなるペアの積層数によって決定される。 Therefore, in the present embodiment, an opening is formed in the second electrode 111, and a dielectric multilayer film 112 having a function of a reflecting mirror is provided in the opening to compensate for a decrease in reflectance of the reflecting mirror 105. The reflectance of the dielectric multilayer film 112 is determined by the number of stacked pairs of SiO 2 layers and TiO 2 layers.
なお、第２電極１１１の開口部からは、正孔（ｐ型キャリア）の注入がなされないが、第２電極１１１より注入された正孔が発光層１０３に到達するまでに若干拡散し、電流注入領域全体において一様でかつ十分な電流密度となるように、反射鏡１０５の厚さ（ペア数）を設定している（図５参照）。 Note that holes (p-type carriers) are not injected from the opening of the second electrode 111, but the holes injected from the second electrode 111 are slightly diffused until reaching the light emitting layer 103, and the current flows. The thickness (number of pairs) of the reflecting mirror 105 is set so that the current density is uniform and sufficient in the entire injection region (see FIG. 5).
本実施形態では、反射鏡１０５のみの反射率は９９．９％未満であるが、反射鏡１０５と誘電体多層膜１１２の合計の反射率は９９．９％以上である（図６参照）。具体的には、反射鏡１０５のみの反射率は９９．６９％であり、反射鏡１０５と誘電体多層膜１１２の合計の反射率は９９．９９％である。 In the present embodiment, the reflectance of only the reflecting mirror 105 is less than 99.9%, but the total reflectance of the reflecting mirror 105 and the dielectric multilayer film 112 is 99.9% or more (see FIG. 6). Specifically, the reflectance of only the reflecting mirror 105 is 99.69%, and the total reflectance of the reflecting mirror 105 and the dielectric multilayer film 112 is 99.99%.
この場合、９９．９％以上の反射率を有するのは、反射鏡１０５における第２電極１１１の開口部の＋Ｚ側にある部分と第２電極１１１の開口部にある誘電体多層膜１１２とからなる領域のみであり、その領域における半導体基板１０１に平行な方向の光閉じ込め効果を向上させることが可能である（図７参照）。 In this case, the reflectance of 99.9% or more is due to the portion on the + Z side of the opening of the second electrode 111 in the reflecting mirror 105 and the dielectric multilayer film 112 in the opening of the second electrode 111. It is possible to improve the light confinement effect in the direction parallel to the semiconductor substrate 101 in that region (see FIG. 7).
ここで、発光デバイス１０の製造方法について簡単に説明する。
（１）半導体基板１０１の−Ｚ側の面に第１スペーサ層１０２を形成する。
（２）第１スペーサ層１０２上に発光層１０３を形成する。
（３）発光層１０３上に第２スペーサ層１０４を形成する。
（４）第２スペーサ層１０４上に反射鏡１０５を形成する。
（５）反射鏡１０５上にコンタクト層１０６を形成する。
（６）半導体基板１０１の＋Ｚ側の面に第１電極１１０を形成する。
（７）コンタクト層１０６の−Ｚ側の面に第２電極１１１を形成する。
（８）第２電極１１１の開口部に誘電体多層膜１１２を形成する。
Here, a method for manufacturing the light emitting device 10 will be briefly described.
(1) The first spacer layer 102 is formed on the −Z side surface of the semiconductor substrate 101.
(2) The light emitting layer 103 is formed on the first spacer layer 102.
(3) The second spacer layer 104 is formed on the light emitting layer 103.
(4) The reflecting mirror 105 is formed on the second spacer layer 104.
(5) A contact layer 106 is formed on the reflecting mirror 105.
(6) The first electrode 110 is formed on the + Z side surface of the semiconductor substrate 101.
(7) The second electrode 111 is formed on the −Z side surface of the contact layer 106.
(8) The dielectric multilayer film 112 is formed in the opening of the second electrode 111.
発光層１０３への電流の注入は、各電極にそれぞれ所定の電圧を不図示の外部電源より印加することで行われる。 The current is injected into the light emitting layer 103 by applying a predetermined voltage to each electrode from an external power source (not shown).
各電極より注入されたキャリアは発光層１０３で結合し、所望の波長（ここでは、６８５ｎｍ）で発光する。発光層１０３で発光した光は第１電極１１０の開口部より射出される。 Carriers injected from each electrode are combined by the light emitting layer 103 and emit light at a desired wavelength (here, 685 nm). Light emitted from the light emitting layer 103 is emitted from the opening of the first electrode 110.
この発光デバイス１０では、イオン注入や酸化狭窄などを用いたデバイスと比較して、発光層のより広い領域に均一に電流注入を行うことができ、発光層においてより高出力な発光を得ることができる。 In the light emitting device 10, compared with a device using ion implantation or oxidation constriction, current injection can be performed uniformly in a wider area of the light emitting layer, and higher light emission can be obtained in the light emitting layer. it can.
そこで、本第１の実施形態に係る発光デバイス１０によると、高出力での発光が可能である。 Therefore, according to the light emitting device 10 according to the first embodiment, light emission at a high output is possible.
図８には、発光デバイス１０を有する光源装置Ａが示されている。この光源装置Ａは、発光デバイス１０と、該発光デバイス１０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０とを有している。この場合、発光デバイス１０と外部反射鏡８０とによって共振器（便宜上、「外部共振器」ともいう）が形成される。すなわち、発光層１０３で発光した光は該外部共振器内で反射を繰り返し、レーザ発振を実現することができる。ここでは、７１０ｎｍの波長を有するレーザ光を発振させることができる。そこで、光源装置Ａは、発振波長のレーザ光を高出力で射出することができる。 FIG. 8 shows a light source device A having the light emitting device 10. The light source device A includes a light emitting device 10 and an external reflecting mirror 80 disposed on the optical path of light emitted from the light emitting device 10. In this case, the light emitting device 10 and the external reflecting mirror 80 form a resonator (also referred to as “external resonator” for convenience). That is, the light emitted from the light emitting layer 103 is repeatedly reflected in the external resonator, and laser oscillation can be realized. Here, laser light having a wavelength of 710 nm can be oscillated. Therefore, the light source device A can emit laser light having an oscillation wavelength with high output.
また、図９には、発光デバイス１０を有する光源装置Ｂが示されている。この光源装置Ｂは、発光デバイス１０と、該発光デバイス１０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０と、発光デバイス１０と外部反射鏡８０との間に配置された非線形光学結晶８２とを有している。この場合、発振波長の１／２倍の波長を有する二次高調波を生成することができる。そして、外部反射鏡８０において、発振波長の光に対する反射率を高くし、二次高調波の光に対する反射率を低くすることによって、二次高調波のみを光源装置Ｂから外部に取り出すことができる。ここでは、３５５ｎｍの波長を有するレーザ光（紫外光）を得ることができる。そこで、光源装置Ｂは、発振波長の１／２倍の波長を有するレーザ光を高出力で射出することができる。 FIG. 9 shows a light source device B having the light emitting device 10. The light source device B includes a light emitting device 10, an external reflecting mirror 80 disposed on an optical path of light emitted from the light emitting device 10, and a nonlinear optical disposed between the light emitting device 10 and the external reflecting mirror 80. Crystal 82. In this case, a second harmonic having a wavelength that is ½ times the oscillation wavelength can be generated. Then, in the external reflecting mirror 80, only the second harmonic can be extracted from the light source device B to the outside by increasing the reflectance with respect to the light of the oscillation wavelength and decreasing the reflectance with respect to the light of the second harmonic. . Here, laser light (ultraviolet light) having a wavelength of 355 nm can be obtained. Therefore, the light source device B can emit a laser beam having a wavelength that is ½ times the oscillation wavelength at a high output.
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態を図１０（Ａ）〜図１５に基づいて説明する。図１０（Ａ）〜図１１には、第２の実施形態に係る発光デバイス２０の概略構成が示されている。なお、図１１は、図１０（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10A to 11 show a schematic configuration of a light emitting device 20 according to the second embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
この発光デバイス２０は、図１０に示されるように、前記発光デバイス１０において、第１電極１１０の開口部直下の半導体基板１０１の少なくとも一部が除去されている点に特徴を有する。その他の構成は、前述した第１の実施形態と同様である。従って、以下においては、第１の実施形態との相違点を中心に説明するとともに、前述した第１の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。 As shown in FIG. 10, the light emitting device 20 is characterized in that at least a part of the semiconductor substrate 101 immediately under the opening of the first electrode 110 is removed from the light emitting device 10. Other configurations are the same as those of the first embodiment described above. Therefore, in the following, the description will focus on the differences from the first embodiment, and the same reference numerals are used for the same or equivalent components as in the first embodiment described above, and the description is simplified or Shall be omitted.
第１の実施形態における発光デバイス１０は、発光層１０３での発光波長のエネルギが半導体基板１０１のバンドギャップ以下の場合に限られる。これは、発光層１０３での発光波長のエネルギが半導体基板１０１のバンドギャップ以上の場合、発光層１０３で発生した光は半導体基板１０１で吸収されるためである。 The light emitting device 10 according to the first embodiment is limited to the case where the energy of the emission wavelength in the light emitting layer 103 is equal to or less than the band gap of the semiconductor substrate 101. This is because light emitted from the light emitting layer 103 is absorbed by the semiconductor substrate 101 when the energy of the emission wavelength in the light emitting layer 103 is equal to or greater than the band gap of the semiconductor substrate 101.
発光デバイス２０では、半導体基板１０１に上記除去領域を設けることによって、発光層１０３での発光波長のエネルギが半導体基板１０１のバンドギャップ以上の場合であっても、半導体基板１０１側からの光の取出しが可能となる。 In the light emitting device 20, by providing the removal region in the semiconductor substrate 101, even when the energy of the emission wavelength in the light emitting layer 103 is equal to or greater than the band gap of the semiconductor substrate 101, light is extracted from the semiconductor substrate 101 side. Is possible.
なお、半導体基板１０１における除去領域の大きさは、第２電極１１１の開口部の大きさよりも大きくなるように設定されている。例えば、第１電極１１０の開口部の大きさｄ１を５００μｍ、第２電極１１１の開口部の大きさｄ２を１００μｍ、半導体基板１０１における除去領域の大きさｄ３を４００μｍとしている。 Note that the size of the removal region in the semiconductor substrate 101 is set to be larger than the size of the opening of the second electrode 111. For example, the size d1 of the opening of the first electrode 110 is 500 μm, the size d2 of the opening of the second electrode 111 is 100 μm, and the size d3 of the removal region in the semiconductor substrate 101 is 400 μm.
仮に、半導体基板１０１における除去領域の大きさｄ３が第２電極１１１の開口部の大きさｄ２よりも小さいと、第１の実施形態における反射率が９９．９％以上の領域と、半導体基板が除去されていない領域とが重複する。半導体基板が除去されていない領域は、除去されている領域に対して高屈折率であるため、半導体基板が除去されていない領域に光が集中し、半導体基板１０１と平行な方向での光閉じ込め効果を高めることはできない。 If the size d3 of the removal region in the semiconductor substrate 101 is smaller than the size d2 of the opening of the second electrode 111, the region in which the reflectivity in the first embodiment is 99.9% or more and the semiconductor substrate An area that has not been removed overlaps. Since the region where the semiconductor substrate is not removed has a higher refractive index than the region where the semiconductor substrate is removed, light is concentrated in the region where the semiconductor substrate is not removed, and optical confinement in a direction parallel to the semiconductor substrate 101 is performed. The effect cannot be increased.
この場合も、反射鏡１０５のみの反射率が９９．９％未満となるように設定され、反射鏡１０５と誘電体多層膜１１２の合計の反射率が９９．９％以上となるように設定されている（図１２参照）。 Also in this case, the reflectance of only the reflecting mirror 105 is set to be less than 99.9%, and the total reflectance of the reflecting mirror 105 and the dielectric multilayer film 112 is set to be 99.9% or more. (See FIG. 12).
そして、この発光デバイス２０においても、９９．９％以上の反射率を有するのは、反射鏡１０５における第２電極１１１の開口部の＋Ｚ側にある部分と第２電極１１１の開口部にある誘電体多層膜１１２とからなる領域のみであり、その領域における半導体基板１０１に平行な方向の光閉じ込め効果を向上させることが可能である（図１３参照）。 Also in this light emitting device 20, the reflectivity of 99.9% or more is that the portion on the + Z side of the opening of the second electrode 111 and the dielectric on the opening of the second electrode 111 in the reflecting mirror 105. It is possible to improve the light confinement effect in the direction parallel to the semiconductor substrate 101 in the region including only the body multilayer film 112 (see FIG. 13).
そこで、本第２の実施形態に係る発光デバイス２０によると、半導体基板１０１のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光の高出力での発光が可能である。 Therefore, according to the light emitting device 20 according to the second embodiment, light having an energy equal to or higher than the band gap energy of the semiconductor substrate 101 can be emitted at a high output.
ここで、発光デバイス２０の製造方法について簡単に説明する。
（１）半導体基板１０１の−Ｚ側の面に第１スペーサ層１０２を形成する。
（２）第１スペーサ層１０２上に発光層１０３を形成する。
（３）発光層１０３上に第２スペーサ層１０４を形成する。
（４）第２スペーサ層１０４上に反射鏡１０５を形成する。
（５）反射鏡１０５上にコンタクト層１０６を形成する。
（６）アンモニアと過酸化水素水の混合溶液でウェットエッチングを行い、半導体基板１０１に除去領域を形成する。
（７）半導体基板１０１の＋Ｚ側の面に第１電極１１０を形成する。
（８）コンタクト層１０６の−Ｚ側の面に第２電極１１１を形成する。
（９）第２電極１１１の開口部に誘電体多層膜１１２を形成する。
Here, a method for manufacturing the light emitting device 20 will be briefly described.
(1) The first spacer layer 102 is formed on the −Z side surface of the semiconductor substrate 101.
(2) The light emitting layer 103 is formed on the first spacer layer 102.
(3) The second spacer layer 104 is formed on the light emitting layer 103.
(4) The reflecting mirror 105 is formed on the second spacer layer 104.
(5) A contact layer 106 is formed on the reflecting mirror 105.
(6) Wet etching is performed with a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide solution to form a removal region in the semiconductor substrate 101.
(7) The first electrode 110 is formed on the + Z side surface of the semiconductor substrate 101.
(8) The second electrode 111 is formed on the surface of the contact layer 106 on the −Z side.
(9) The dielectric multilayer film 112 is formed in the opening of the second electrode 111.
図１４には、発光デバイス２０を有する光源装置Ｃが示されている。この光源装置Ｃは、発光デバイス２０と、発光デバイス２０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０とを有している。この場合、発光デバイス２０と外部反射鏡８０とによって外部共振器が形成される。すなわち、発光層１０３で発光した光は該外部共振器内で反射を繰り返し、レーザ発振を実現することができる。ここでは、７１０ｎｍの波長を有するレーザ光を発振させることができる。そこで、光源装置Ｃは、発振波長のレーザ光を高出力で射出することができる。 FIG. 14 shows a light source device C having a light emitting device 20. The light source device C includes a light emitting device 20 and an external reflecting mirror 80 disposed on the optical path of light emitted from the light emitting device 20. In this case, an external resonator is formed by the light emitting device 20 and the external reflecting mirror 80. That is, the light emitted from the light emitting layer 103 is repeatedly reflected in the external resonator, and laser oscillation can be realized. Here, laser light having a wavelength of 710 nm can be oscillated. Therefore, the light source device C can emit laser light having an oscillation wavelength with high output.
また、図１５には、発光デバイス２０を有する光源装置Ｄが示されている。この光源装置Ｄは、発光デバイス２０と、発光デバイス２０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０と、発光デバイス２０と外部反射鏡８０との間に配置された非線形光学結晶８２とを有している。この場合、発振波長の１／２倍の波長を有する二次高調波を生成することができる。そして、外部反射鏡８０において、発振波長の光に対する反射率を高くし、二次高調波の光に対する反射率を低くすることによって、二次高調波のみを光源装置Ｄから外部に取り出すことができる。ここでは、３５５ｎｍの波長を有するレーザ光（紫外光）を得ることができる。そこで、光源装置Ｄは、発振波長の１／２倍の波長を有するレーザ光を高出力で射出することができる。 FIG. 15 shows a light source device D having the light emitting device 20. The light source device D includes a light emitting device 20, an external reflecting mirror 80 disposed on an optical path of light emitted from the light emitting device 20, and a nonlinear optical crystal disposed between the light emitting device 20 and the external reflecting mirror 80. 82. In this case, a second harmonic having a wavelength that is ½ times the oscillation wavelength can be generated. Then, in the external reflecting mirror 80, only the second harmonic can be taken out from the light source device D by increasing the reflectance with respect to the light of the oscillation wavelength and decreasing the reflectance with respect to the light of the second harmonic. . Here, laser light (ultraviolet light) having a wavelength of 355 nm can be obtained. Therefore, the light source device D can emit a laser beam having a wavelength that is ½ times the oscillation wavelength at a high output.
《第３の実施形態》
次に、本発明の第３の実施形態を図１６（Ａ）〜図２２に基づいて説明する。図１６（Ａ）〜図１７には、第３の実施形態に係る発光デバイス３０の概略構成が示されている。なお、図１７は、図１６（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
<< Third Embodiment >>
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16A to 17 show a schematic configuration of a light emitting device 30 according to the third embodiment. FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
この発光デバイス３０は、図１７に示されるように、前記発光デバイス２０における半導体基板１０１と第１スペーサ層１０２との間に電流拡散層１０７が設けられている点に特徴を有する。その他の構成は、前述した第２の実施形態と同様である。従って、以下においては、第２の実施形態との相違点を中心に説明するとともに、前述した第２の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。 As shown in FIG. 17, the light emitting device 30 is characterized in that a current diffusion layer 107 is provided between the semiconductor substrate 101 and the first spacer layer 102 in the light emitting device 20. Other configurations are the same as those of the second embodiment described above. Accordingly, the following description will focus on the differences from the second embodiment, and the same reference numerals will be used for the same or equivalent components as in the second embodiment described above, and the description will be simplified or Shall be omitted.
第２の実施形態における発光デバイス２０では、半導体基板１０１の一部が除去されているため、電子（ｎ型キャリア）の経路が大きく制限されている。その結果、発光層１０３への電流注入が不均一になるか、あるいは電気抵抗が著しく上昇する恐れがある。 In the light emitting device 20 according to the second embodiment, since a part of the semiconductor substrate 101 is removed, the path of electrons (n-type carriers) is greatly limited. As a result, current injection into the light emitting layer 103 may become non-uniform, or the electrical resistance may increase significantly.
そこで、発光デバイス３０では、半導体基板１０１と第１スペーサ層１０２の間に電流拡散層１０７を挿入することによって、均一な電流注入を実現するための経路を確保するとともに、電気抵抗の上昇を抑制している（図１８参照）。 Therefore, in the light emitting device 30, by inserting the current diffusion layer 107 between the semiconductor substrate 101 and the first spacer layer 102, a path for realizing uniform current injection is secured and an increase in electrical resistance is suppressed. (See FIG. 18).
ここでは、電流拡散層１０７は、Ｓｉがドーパントとして５×１０１７／ｃｍ３の濃度で均一にドーピングされたＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる層であり、ｎ型の導電性を有している。この電流拡散層１０７の厚さは３μｍである。 Here, the current spreading layer 107 is a layer made of Al 0.4 Ga 0.6 As uniformly doped with Si as a dopant at a concentration of 5 × 10 17 / cm 3 and has n-type conductivity. doing. The thickness of the current spreading layer 107 is 3 μm.
なお、発光層１０３での発光波長のエネルギが半導体基板１０１のバンドギャップエネルギ以上で、かつ電流拡散層１０７が挿入される場合、電流拡散層１０７には、発光波長のエネルギ以上のバンドギャップエネルギを有する材料を用いなければならない。 When the energy of the emission wavelength in the light emitting layer 103 is equal to or higher than the band gap energy of the semiconductor substrate 101 and the current diffusion layer 107 is inserted, the current diffusion layer 107 has a band gap energy higher than the energy of the emission wavelength. The material you have to use must be used.
また、反射鏡１０５のみの反射率が９９．９％未満となるように設定され、反射鏡１０５と誘電体多層膜１１２の合計の反射率が９９．９％以上となるように設定されている（図１９参照）。 Further, the reflectance of only the reflecting mirror 105 is set to be less than 99.9%, and the total reflectance of the reflecting mirror 105 and the dielectric multilayer film 112 is set to be 99.9% or more. (See FIG. 19).
そして、この発光デバイス３０においても、９９．９％以上の反射率を有するのは、反射鏡１０５における第２電極１１１の開口部の＋Ｚ側にある部分と第２電極１１１の開口部にある誘電体多層膜１１２とからなる領域のみであり、その領域における半導体基板１０１に平行な方向の光閉じ込め効果を向上させることが可能である（図２０参照）。 Also in this light emitting device 30, the reflectivity of 99.9% or more is that the portion of the reflecting mirror 105 on the + Z side of the opening of the second electrode 111 and the dielectric in the opening of the second electrode 111. It is possible to improve the light confinement effect in the direction parallel to the semiconductor substrate 101 in the region including only the body multilayer film 112 (see FIG. 20).
そこで、本第３の実施形態に係る発光デバイス３０によると、低抵抗で、半導体基板１０１のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光の高出力での発光が可能である。 Therefore, according to the light emitting device 30 according to the third embodiment, it is possible to emit light having a low resistance and a high output of light having energy equal to or higher than the band gap energy of the semiconductor substrate 101.
ここで、発光デバイス３０の製造方法について簡単に説明する。
（１）半導体基板１０１の−Ｚ側の面に電流拡散層１０７を形成する。
（２）電流拡散層１０７上に第１スペーサ層１０２を形成する。
（３）第１スペーサ層１０２上に発光層１０３を形成する。
（４）発光層１０３上に第２スペーサ層１０４を形成する。
（５）第２スペーサ層１０４上に反射鏡１０５を形成する。
（６）反射鏡１０５上にコンタクト層１０６を形成する。
（７）アンモニアと過酸化水素水の混合溶液でウェットエッチングを行い、半導体基板１０１に除去領域を形成する。
（８）半導体基板１０１の＋Ｚ側の面に第１電極１１０を形成する。
（９）コンタクト層１０６の−Ｚ側の面に第２電極１１１を形成する。
（１０）第２電極１１１の開口部に誘電体多層膜１１２を形成する。
Here, a method for manufacturing the light emitting device 30 will be briefly described.
(1) The current diffusion layer 107 is formed on the −Z side surface of the semiconductor substrate 101.
(2) The first spacer layer 102 is formed on the current diffusion layer 107.
(3) The light emitting layer 103 is formed on the first spacer layer 102.
(4) The second spacer layer 104 is formed on the light emitting layer 103.
(5) A reflecting mirror 105 is formed on the second spacer layer 104.
(6) A contact layer 106 is formed on the reflecting mirror 105.
(7) Wet etching is performed with a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide solution to form a removal region in the semiconductor substrate 101.
(8) The first electrode 110 is formed on the + Z side surface of the semiconductor substrate 101.
(9) The second electrode 111 is formed on the −Z side surface of the contact layer 106.
(10) The dielectric multilayer film 112 is formed in the opening of the second electrode 111.
図２１には、発光デバイス３０を有する光源装置Ｅが示されている。この光源装置Ｅは、発光デバイス３０と、発光デバイス３０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０とを有している。この場合、発光デバイス３０と外部反射鏡８０とによって外部共振器が形成される。すなわち、発光層で発光した光は該外部共振器内で反射を繰り返し、レーザ発振を実現することができる。ここでは、７１０ｎｍの波長を有するレーザ光を発振させることができる。そこで、光源装置Ｅは、発振波長のレーザ光を高効率かつ高出力で射出することができる。 FIG. 21 shows a light source device E having a light emitting device 30. The light source device E includes a light emitting device 30 and an external reflecting mirror 80 disposed on the optical path of light emitted from the light emitting device 30. In this case, an external resonator is formed by the light emitting device 30 and the external reflecting mirror 80. That is, the light emitted from the light emitting layer is repeatedly reflected in the external resonator, and laser oscillation can be realized. Here, laser light having a wavelength of 710 nm can be oscillated. Therefore, the light source device E can emit laser light having an oscillation wavelength with high efficiency and high output.
また、図２２には、発光デバイス３０を有する光源装置Ｆが示されている。この光源装置Ｆは、発光デバイス３０と、発光デバイス３０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０と、発光デバイス３０と外部反射鏡８０との間に配置された非線形光学結晶８２とを有している。この場合、発振波長の１／２倍の波長を有する二次高調波を生成することができる。そして、外部反射鏡８０において、発振波長の光に対する反射率を高くし、二次高調波の光に対する反射率を低くすることによって、二次高調波のみを光源装置Ｆから外部に取り出すことができる。ここでは、３５５ｎｍの波長を有するレーザ光（紫外光）を得ることができる。そこで、光源装置Ｆは、発振波長の１／２倍の波長を有するレーザ光を高効率かつ高出力で射出することができる。 FIG. 22 shows a light source device F having the light emitting device 30. The light source device F includes a light emitting device 30, an external reflecting mirror 80 disposed on an optical path of light emitted from the light emitting device 30, and a nonlinear optical crystal disposed between the light emitting device 30 and the external reflecting mirror 80. 82. In this case, a second harmonic having a wavelength that is ½ times the oscillation wavelength can be generated. In the external reflecting mirror 80, only the second harmonic can be extracted from the light source device F to the outside by increasing the reflectance for the light having the oscillation wavelength and decreasing the reflectance for the light of the second harmonic. . Here, laser light (ultraviolet light) having a wavelength of 355 nm can be obtained. Therefore, the light source device F can emit laser light having a wavelength that is ½ times the oscillation wavelength with high efficiency and high output.
《第４の実施形態》
次に、本発明の第４の実施形態を図２３（Ａ）〜図２８に基づいて説明する。図２３（Ａ）〜図２４には、第４の実施形態に係る発光デバイス４０の概略構成が示されている。なお、図２４は、図２３（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
<< Fourth Embodiment >>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 23A to 24 show a schematic configuration of a light emitting device 40 according to the fourth embodiment. FIG. 24 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
この発光デバイス４０は、図２３に示されるように、前記発光デバイス２０における半導体基板１０１と第１スペーサ層１０２との間に反射鏡１０８が設けられている点に特徴を有する。その他の構成は、前述した第２の実施形態と同様である。従って、以下においては、第２の実施形態との相違点を中心に説明するとともに、前述した第２の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。 As shown in FIG. 23, the light emitting device 40 is characterized in that a reflecting mirror 108 is provided between the semiconductor substrate 101 and the first spacer layer 102 in the light emitting device 20. Other configurations are the same as those of the second embodiment described above. Accordingly, the following description will focus on the differences from the second embodiment, and the same reference numerals will be used for the same or equivalent components as in the second embodiment described above, and the description will be simplified or Shall be omitted.
上記各光源装置では、発光デバイスより取り出された光は外部反射鏡８０で反射され、発光デバイス内の反射鏡１０５との間で外部共振器を形成することによってレーザ発振し、レーザ光として光源装置外へ取り出される。このとき、発振波長は発光層１０３で発生した光の波長と共振器長によって決定されるが、該共振器長は発光波長と比較して十分に長いため、発振波長は様々な共振条件を取りうることとなり、モードホップなどにより安定しないことがある。 In each of the above light source devices, the light extracted from the light emitting device is reflected by the external reflecting mirror 80, and laser oscillation occurs by forming an external resonator with the reflecting mirror 105 in the light emitting device, and the light source device as laser light. It is taken out. At this time, the oscillation wavelength is determined by the wavelength of the light generated in the light emitting layer 103 and the resonator length. Since the resonator length is sufficiently longer than the emission wavelength, the oscillation wavelength is subject to various resonance conditions. In other words, it may not be stable due to mode hops.
そこで、発光デバイス４０では、半導体基板１０１と第１スペーサ層１０２との間に反射鏡１０８を設けることによって、外部共振器（第１の共振器）とは別に、反射鏡１０５と反射鏡１０８との間で第２の共振器が形成され、発振波長を大幅に安定させている。 Therefore, in the light emitting device 40, by providing the reflecting mirror 108 between the semiconductor substrate 101 and the first spacer layer 102, the reflecting mirror 105, the reflecting mirror 108, and the external resonator (first resonator) are provided. A second resonator is formed between them, and the oscillation wavelength is greatly stabilized.
また、このとき、反射鏡１０８の反射率を、反射鏡１０５と誘電体多層膜１１２からなる部分の反射率以下に設定することによって、発光層１０３で発生した光を半導体基板１０１側より取り出すことができる。 At this time, by setting the reflectance of the reflecting mirror 108 to be equal to or lower than the reflectance of the portion composed of the reflecting mirror 105 and the dielectric multilayer film 112, the light generated in the light emitting layer 103 is extracted from the semiconductor substrate 101 side. Can do.
また、反射鏡１０５のみの反射率が９９．９％未満となるように設定され、反射鏡１０５と誘電体多層膜１１２の合計の反射率が９９．９％以上となるように設定されている（図２５参照）。 Further, the reflectance of only the reflecting mirror 105 is set to be less than 99.9%, and the total reflectance of the reflecting mirror 105 and the dielectric multilayer film 112 is set to be 99.9% or more. (See FIG. 25).
そして、この発光デバイス４０においても、９９．９％以上の反射率を有するのは、反射鏡１０５における第２電極１１１の開口部の＋Ｚ側にある部分と第２電極１１１の開口部にある誘電体多層膜１１２とからなる領域のみであり、その領域における半導体基板１０１に平行な方向の光閉じ込め効果を向上させることが可能である（図２６参照）。 Also in this light emitting device 40, the reflectivity of 99.9% or higher is that the portion of the reflecting mirror 105 on the + Z side of the opening of the second electrode 111 and the dielectric in the opening of the second electrode 111. It is possible to improve the light confinement effect in the direction parallel to the semiconductor substrate 101 only in the region composed of the body multilayer film 112 (see FIG. 26).
そこで、本第４の実施形態に係る発光デバイス４０によると、半導体基板のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光の高出力での発光が可能で、かつ波長制御性に優れている。 Therefore, the light emitting device 40 according to the fourth embodiment can emit light at a high output of light having energy equal to or higher than the band gap energy of the semiconductor substrate and has excellent wavelength controllability.
図２７には、発光デバイス４０を有する光源装置Ｇが示されている。この光源装置Ｇは、発光デバイス４０と、発光デバイス４０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０とを有している。この場合、外部反射鏡８０側より波長制御性の優れたレーザ光を取り出すことができる。このとき、共振波長は、反射鏡１０５と反射鏡１０８の間隔、及び反射鏡１０８と外部反射鏡８０の間隔との相関によって決定されるため、発光デバイス４０は垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）として動作する。そこで、光源装置Ｇは、波長制御性に優れ、レーザ光を高効率かつ高出力で射出することができる。 FIG. 27 shows a light source device G having a light emitting device 40. The light source device G includes a light emitting device 40 and an external reflecting mirror 80 disposed on the optical path of light emitted from the light emitting device 40. In this case, laser light with excellent wavelength controllability can be extracted from the external reflecting mirror 80 side. At this time, since the resonant wavelength is determined by the correlation between the interval between the reflecting mirror 105 and the reflecting mirror 108 and the interval between the reflecting mirror 108 and the external reflecting mirror 80, the light emitting device 40 has a vertical external cavity surface emitting laser ( VECSEL). Therefore, the light source device G is excellent in wavelength controllability, and can emit laser light with high efficiency and high output.
また、図２８には、発光デバイス４０を有する光源装置Ｈが示されている。この光源装置Ｈは、発光デバイス４０と、発光デバイス４０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０と、発光デバイス４０と外部反射鏡８０との間に配置された非線形光学結晶８２とを有している。この場合、発振波長の１／２倍の波長を有する二次高調波を生成することができる。そして、外部反射鏡８０において、発振波長の光に対する反射率を高くし、二次高調波の光に対する反射率を低くすることによって、二次高調波のみを光源装置Ｈから外部に取り出すことができる。ここでは、３５５ｎｍの波長を有するレーザ光（紫外光）を得ることができる。そこで、光源装置Ｈは、波長制御性に優れ、発振波長の１／２倍の波長を有するレーザ光を高効率かつ高出力で射出することができる。 FIG. 28 shows a light source device H having the light emitting device 40. The light source device H includes a light emitting device 40, an external reflecting mirror 80 disposed on an optical path of light emitted from the light emitting device 40, and a nonlinear optical crystal disposed between the light emitting device 40 and the external reflecting mirror 80. 82. In this case, a second harmonic having a wavelength that is ½ times the oscillation wavelength can be generated. Then, in the external reflecting mirror 80, only the second harmonic can be taken out from the light source device H by increasing the reflectance with respect to the light of the oscillation wavelength and decreasing the reflectance with respect to the light of the second harmonic. . Here, laser light (ultraviolet light) having a wavelength of 355 nm can be obtained. Therefore, the light source device H has excellent wavelength controllability, and can emit laser light having a wavelength that is ½ times the oscillation wavelength with high efficiency and high output.
なお、一例として図２９に示されるように、半導体基板１０１と第１スペーサ層１０２との間に上記電流拡散層１０７と上記反射鏡１０８とが設けられても良い。 As an example, as shown in FIG. 29, the current diffusion layer 107 and the reflecting mirror 108 may be provided between the semiconductor substrate 101 and the first spacer layer 102.
ところで、高出力レーザの分野においては、アモルファスシリコンのアニール処理や微細加工の分野において、４００ｎｍ以下の紫外帯域のエキシマレーザが広く用いられている。しかしエキシマレーザはシステムが非常に高価であるだけではなく、定常的に励起用ガスを交換する必要があるため、その運用においても多大なコストを必要とする。このような状況に対して安価で高品質なレーザ光源が求められている。 By the way, in the field of high-power lasers, excimer lasers in the ultraviolet band of 400 nm or less are widely used in the fields of amorphous silicon annealing and microfabrication. However, the excimer laser not only has a very expensive system, but also requires a lot of cost in its operation because it is necessary to constantly exchange the excitation gas. There is a need for an inexpensive and high-quality laser light source for such a situation.
半導体レーザでは、活性層への電流注入もしくは光励起によってキャリア注入され、所定のバンドギャップに応じて発光波長が決定する。すなわち、半導体レーザでは、活性層を構成する材料の組成を調整することによってバンドギャップを調整することが可能であり、任意の波長のレーザ光を得ることが可能である。 In a semiconductor laser, carriers are injected by current injection or photoexcitation into an active layer, and an emission wavelength is determined according to a predetermined band gap. That is, in the semiconductor laser, the band gap can be adjusted by adjusting the composition of the material constituting the active layer, and laser light having an arbitrary wavelength can be obtained.
半導体レーザとしては端面発光型レーザや面発光レーザなどがあり、特に後者は波長の安定性や高集積化が容易などの長所を有していることから近年注目されている。 Semiconductor lasers include edge-emitting lasers and surface-emitting lasers, and the latter is particularly attracting attention in recent years because it has advantages such as wavelength stability and easy integration.
また、面発光レーザは、端面発光型レーザと比較すると消費電力が少ないという特徴を有している。面発光レーザでは、低消費電力化を実現するため、活性層への電流注入面積を限定している。 Further, the surface emitting laser has a feature that it consumes less power than the edge emitting laser. In the surface emitting laser, the current injection area into the active layer is limited in order to realize low power consumption.
面発光レーザにおいて、活性層への注入電流密度を高める手法として、一例として図３０に示されるように、イオン注入によりメサ周辺部を高抵抗化する手法（以下では、「イオン注入法」ともいう）や、一例として図３１に示されるように、ｐ側反射鏡中にＡｌＡｓ層を設けメサ周辺部より水蒸気酸化させて選択酸化領域を形成する手法（以下では、「選択酸化法」ともいう）が用いられている。また、選択酸化法では、酸化領域と非酸化領域とで屈折率が異なるため、これによって基板に平行な方向での光閉じ込めを実現できる。市販されている多くの面発光レーザでは、選択酸化法が採用されている。 In a surface emitting laser, as an example of a method for increasing the injection current density into the active layer, as shown in FIG. 30 as an example, a method of increasing the resistance of the mesa peripheral portion by ion implantation (hereinafter also referred to as “ion implantation method”). As an example, as shown in FIG. 31, a method for forming a selective oxidation region by providing an AlAs layer in a p-side reflector and steam oxidizing from the periphery of the mesa (hereinafter also referred to as “selective oxidation method”) Is used. In the selective oxidation method, since the refractive index is different between the oxidized region and the non-oxidized region, light confinement in a direction parallel to the substrate can be realized. In many commercially available surface emitting lasers, a selective oxidation method is employed.
しかしながら、イオン注入法では、イオン注入を行うことにより結晶中に無数の格子欠陥が生成され、デバイスに通電することによってこれらの格子欠陥が起因して転位が生成され、デバイスの信頼性を低下させるおそれがあった。 However, in the ion implantation method, an infinite number of lattice defects are generated in the crystal by performing ion implantation, and dislocations are generated due to these lattice defects when the device is energized, thereby reducing the reliability of the device. There was a fear.
選択酸化法では、ＡｌＡｓ層におけるメサ外周部のみを選択的に酸化させることによって、活性層の中心部のみに通電し電流密度を高めることができる。また、同時に上記の如く基板に平行な方向の光閉じ込めを実現することができる。 In the selective oxidation method, by selectively oxidizing only the outer peripheral portion of the mesa in the AlAs layer, it is possible to increase the current density by energizing only the central portion of the active layer. At the same time, light confinement in the direction parallel to the substrate can be realized as described above.
しかしながら、ＡｌＡｓ層を酸化させると体積が減少し、周辺の結晶に格子歪みを生じさせる。そして、通電時において、該格子歪みが転位の生成源となり信頼性を低下させるおそれがあった。 However, when the AlAs layer is oxidized, the volume decreases and lattice distortion occurs in the surrounding crystals. Further, during energization, the lattice strain may become a generation source of dislocations and may reduce reliability.
上記のように従来の電流狭窄方法は、信頼性の点において懸念を有しており、それは注入電流、すなわち光出力が増加するほど顕著となる。 As described above, the conventional current confinement method has a concern in terms of reliability, which becomes more remarkable as the injection current, that is, the light output increases.
上記２つの手法を用いる場合、電流注入領域は、それぞれイオン注入領域及び選択酸化領域によって調整されるが、注入領域が一定以上の大きさになると、均一な電流注入が不可能となる。すなわち、上記２つの手法を用いる場合、電流注入領域に上限があり、デバイスの最高出力が制限される。 When the above two methods are used, the current injection region is adjusted by the ion implantation region and the selective oxidation region, respectively. However, when the implantation region becomes a certain size or more, uniform current injection becomes impossible. That is, when the above two methods are used, there is an upper limit in the current injection region, and the maximum output of the device is limited.
ところで、面発光レーザには、励起方式やデバイス構成によって様々な種類が存在する。励起方式については、励起光源によりキャリアを発生させ量子井戸に注入し発光させる光励起方式、及び外部電極を設け電流注入により発光させる電流注入方式などがある。 By the way, there are various types of surface emitting lasers depending on the excitation method and device configuration. As the excitation method, there are an optical excitation method in which carriers are generated by an excitation light source and injected into a quantum well to emit light, and a current injection method in which an external electrode is provided to emit light by current injection.
また、デバイス構成については、半導体基板上に第１反射鏡、活性領域、第２反射鏡が積層され、短い共振器を有するデバイスと、半導体基板上に第１反射鏡、活性領域が積層され、活性領域を挟んで第１反射鏡と対向する位置に第２反射鏡としての外部反射鏡を配置することで半導体層の外部に共振器（外部共振器）を形成するデバイスなどが考えられている。 As for the device configuration, the first reflecting mirror, the active region, and the second reflecting mirror are stacked on the semiconductor substrate, the device having a short resonator, and the first reflecting mirror and the active region are stacked on the semiconductor substrate, A device that forms a resonator (external resonator) outside the semiconductor layer by arranging an external reflecting mirror as a second reflecting mirror at a position facing the first reflecting mirror across the active region is considered. .
光励起方式については、例えば特許文献１に記されている。この特許文献１では、ヒートシンク上に固定された化合物半導体基板に励起光を照射することでキャリアを生成し活性層で発光させている。光励起方式は、外部で発生した励起光を使用するので電力変換効率が低い。 The optical excitation method is described in Patent Document 1, for example. In Patent Document 1, carriers are generated by irradiating excitation light onto a compound semiconductor substrate fixed on a heat sink, and light is emitted from an active layer. The optical excitation method uses an externally generated excitation light, so that the power conversion efficiency is low.
上記外部共振器を利用する光励起方式の場合、発振波長は主に活性層の組成によって決定される。また外部共振器内の光路中に非線形光学結晶を配置することで、非線形光学結晶が存在しない場合の波長の整数分の一とすることができる。 In the case of the optical excitation method using the external resonator, the oscillation wavelength is mainly determined by the composition of the active layer. Further, by arranging the nonlinear optical crystal in the optical path in the external resonator, it is possible to make it an integral fraction of the wavelength when there is no nonlinear optical crystal.
また、活性層の発光波長について、原理的に励起光よりも短波で発光させることはできない。同様に励起光以上の出力を得ることも不可能である。すなわち、光励起方式の場合、発振波長や出力については励起光源に大きく依存している。 Further, in principle, the emission wavelength of the active layer cannot be emitted with a shorter wave than the excitation light. Similarly, it is impossible to obtain an output higher than the excitation light. In other words, in the case of the optical excitation method, the oscillation wavelength and output greatly depend on the excitation light source.
装置の小型化及び低コスト化を考慮する場合、励起光源としては半導体レーザを用いるのが好ましいが、短波になるほど原理的に高出力化が困難である。 When considering miniaturization and cost reduction of the apparatus, it is preferable to use a semiconductor laser as the excitation light source, but in principle, it is difficult to increase the output as the wavelength becomes shorter.
光励起方式により紫外帯域の波長を得る場合、波長が８００ｎｍ以下の発振光に対して非線形光学結晶での二次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）を利用する方法が考えられる。波長が１μｍ以上の発振光を二次以上の高調波に変換する方法も理論的には存在するが、それに対応する非線形光学結晶の変換効率はきわめて低く、高出力化については困難である。 In the case of obtaining a wavelength in the ultraviolet band by the optical excitation method, a method using second harmonic generation (SHG) in a nonlinear optical crystal with respect to oscillation light having a wavelength of 800 nm or less can be considered. Although there is theoretically a method for converting oscillation light having a wavelength of 1 μm or more into second-order or higher harmonics, the conversion efficiency of the corresponding nonlinear optical crystal is extremely low, and it is difficult to increase the output.
二次高調波発生を利用して紫外帯域の発振光を得る場合、励起光源として波長が８００ｎｍ以下の励起光源が必要であり、現実的に光励起方式によって紫外帯域の高出力化を実現するには、波長が６５０ｎｍ以下の励起光源が必要である。そのような光源としては、Ａｒレーザや、Ｎｄ：ＹＶＯ４と非線形光学結晶とを組み合わせたレーザなどの比較的大型の光源であり、小型の半導体レーザにおいては波長が６５０ｎｍ以下の高出力光源は存在しない。 When obtaining oscillation light in the ultraviolet band using second harmonic generation, an excitation light source with a wavelength of 800 nm or less is required as the excitation light source, and in order to achieve high output in the ultraviolet band by the optical excitation method. An excitation light source having a wavelength of 650 nm or less is required. Such a light source is a relatively large light source such as an Ar laser or a laser combining Nd: YVO 4 and a nonlinear optical crystal, and a small semiconductor laser has a high output light source having a wavelength of 650 nm or less. do not do.
すなわち、紫外帯域の安価なレーザ光源を実現するためには、電流注入方式を用いなければならない。 That is, in order to realize an inexpensive laser light source in the ultraviolet band, a current injection method must be used.
電流注入方式については、紫外帯域のレーザ光を直接、発振により獲得するためには、窒化物半導体材料を用いなければならないが、現在高出力化に耐えうる高品質のＧａＮ基板は開発されていない。そこで、ＧａＡｓ基板を用いたＡｌＧａＩｎＰＡｓ系材料の半導体レーザを作製し、非線形光学結晶を用いて波長変換することにより紫外帯域のレーザ光を発振させなければならない。 As for the current injection method, nitride semiconductor materials must be used in order to directly acquire laser light in the ultraviolet band by oscillation, but a high-quality GaN substrate that can withstand high output has not been developed at present. . Therefore, an AlGaInPAs-based material semiconductor laser using a GaAs substrate must be manufactured, and wavelength conversion using a nonlinear optical crystal must be performed to oscillate the ultraviolet laser beam.
面発光レーザは、低い消費電力、容易な高集積性などの特徴を有していることから、それを搭載した製品が多数発売されている。非特許文献１に開示されているＶＣＳＥＬでは、電極と活性層との間に選択酸化層により高抵抗化した構造を挿入することにより電流狭窄を行い、活性層への電流注入面積を制限することにより低消費電力化を実現している。 Since surface emitting lasers have features such as low power consumption and easy high integration, a large number of products equipped with them have been put on the market. In the VCSEL disclosed in Non-Patent Document 1, current constriction is performed by inserting a structure having a high resistance by a selective oxidation layer between the electrode and the active layer, and the current injection area into the active layer is limited. As a result, low power consumption is achieved.
また、選択酸化層における酸化領域と通電領域の屈折率の差によって、基板に平行な方向での光閉じ込めを向上させている。しかしながら、非特許文献１に開示されている構造では、電流注入面積が小さいため高出力化は困難である。また、正孔を注入する上部電極が環状をなしており、高出力化のため上記電流狭窄の面積を拡大すると、電流注入が不均一となり発振閾値の増加や、ビーム形状の乱れなど多くの弊害が発生する。 Further, the optical confinement in the direction parallel to the substrate is improved by the difference in refractive index between the oxidized region and the energized region in the selective oxidation layer. However, in the structure disclosed in Non-Patent Document 1, it is difficult to increase the output because the current injection area is small. In addition, the upper electrode for injecting holes has an annular shape. If the current confinement area is increased for higher output, the current injection becomes non-uniform, resulting in many adverse effects such as an increase in oscillation threshold and disturbance of the beam shape. Will occur.
また、非特許文献１に開示されている構造では、選択酸化領域と上部電極とは異なる工程で作製されるため、それらの位置的な不整合を完全に回避することは不可能である。その結果、基板に平行な方向での光閉じ込め効果に不均衡が生じ、ビームスポットを所望の形状とすることが困難となる。 Further, in the structure disclosed in Non-Patent Document 1, since the selective oxidation region and the upper electrode are manufactured in different processes, it is impossible to completely avoid the positional mismatch between them. As a result, an imbalance occurs in the light confinement effect in the direction parallel to the substrate, and it becomes difficult to make the beam spot a desired shape.
これに対し、特許文献２では、正孔を注入する面積を制限することで注入領域を制限している。その結果、電流狭窄層が不要になり、大面積の注入領域であっても均一な電流注入が可能となる。しかしながら、特許文献２に開示されている構造では、基板に平行な方向での光閉じ込めについては何ら考慮されていないため、効率的なレーザ発振は困難である。 On the other hand, in patent document 2, the injection | pouring area | region is restrict | limited by restrict | limiting the area which inject | pours a hole. As a result, a current confinement layer becomes unnecessary, and uniform current injection is possible even in a large-area injection region. However, in the structure disclosed in Patent Document 2, no consideration is given to light confinement in a direction parallel to the substrate, and thus efficient laser oscillation is difficult.
また、特許文献２に開示されている構造では、ＧａＡｓ基板を通してレーザ光を取り出しているため、ＧａＡｓのバンドギャップ幅以上のエネルギを有するレーザ光の取り出しは不可能である。ＧａＡｓのバンドギャップ幅以上のエネルギを有するレーザ光を取り出すためには、射出光に対応する領域のＧａＡｓ基板を除去すれば良いが、基板に平行な方向での光閉じ込め効果が更に低下する。すなわち、特許文献２に開示されている構造では、ＧａＡｓのバンドギャップ幅以上のエネルギを有するレーザ光を発振するデバイスを実現することは不可能である。 In the structure disclosed in Patent Document 2, since laser light is extracted through the GaAs substrate, it is impossible to extract laser light having energy equal to or greater than the band gap width of GaAs. In order to extract laser light having an energy equal to or greater than the band gap width of GaAs, the GaAs substrate in the region corresponding to the emitted light may be removed, but the light confinement effect in the direction parallel to the substrate is further reduced. That is, with the structure disclosed in Patent Document 2, it is impossible to realize a device that oscillates laser light having energy equal to or greater than the band gap width of GaAs.
なお、上記各実施形態では、発光層１０３での発光波長が６８５ｎｍの場合について説明したが、これに限定されるものではない。 In each of the above embodiments, the case where the emission wavelength of the light emitting layer 103 is 685 nm has been described, but the present invention is not limited to this.
また、上記各実施形態において、前記反射鏡１０５に代えて、例えば、（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐなどの半導体層が用いられても良い。この場合であっても、高出力での発光を可能とすることができる。 In each of the above embodiments, a semiconductor layer such as (Al 0.2 Ga 0.8 ) 0.5 In 0.5 P may be used instead of the reflecting mirror 105. Even in this case, it is possible to emit light at a high output.
また、上記各実施形態において、前記誘電体多層膜１１２に代えて、１種類の層からなる誘電体膜が用いられても良い。この場合であっても、高出力での発光を可能とすることができる。 In each of the above embodiments, a dielectric film made of one type of layer may be used instead of the dielectric multilayer film 112. Even in this case, it is possible to emit light at a high output.
また、上記各実施形態では、反射鏡１０５のみの反射率が９９．９％未満の場合について説明したが、これに限定されるものではない。反射鏡１０５のみの反射率よりも反射鏡１０５と誘電体多層膜１１２の合計の反射率のほうが大きければ、上記各実施形態と同様に光閉じ込め効果の向上を図ることができる。 Moreover, although each said embodiment demonstrated the case where the reflectance of only the reflective mirror 105 was less than 99.9%, it is not limited to this. If the total reflectance of the reflecting mirror 105 and the dielectric multilayer film 112 is larger than the reflectance of only the reflecting mirror 105, the light confinement effect can be improved as in the above embodiments.
《レーザアニール装置》
一例として図３２（Ａ）及び図３２（Ｂ）にレーザ装置としてのレーザアニール装置１０００の概略構成が示されている。このレーザアニール装置１０００は、光源１０１０、光学系１０２０、テーブル装置１０３０、及び不図示の制御装置などを備えている。
<Laser annealing equipment>
As an example, FIG. 32A and FIG. 32B show a schematic configuration of a laser annealing apparatus 1000 as a laser apparatus. The laser annealing apparatus 1000 includes a light source 1010, an optical system 1020, a table device 1030, a control device (not shown), and the like.
光源１０１０は、上記光源装置Ａ〜Ｈのいずれかを複数有し、複数のレーザ光を射出することができる。光学系１０２０は、光源１０１０から射出された複数のレーザ光を対象物Ｐの表面に導光する。テーブル装置１０３０は、対象物Ｐが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともＹ軸方向に沿って移動することができる。 The light source 1010 has a plurality of any of the light source devices A to H, and can emit a plurality of laser beams. The optical system 1020 guides a plurality of laser beams emitted from the light source 1010 to the surface of the object P. The table device 1030 has a table on which the object P is placed. The table can move at least along the Y-axis direction.
例えば、対象物Ｐがアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）になる。 For example, in the case where the object P is amorphous silicon (a-Si), when irradiated with laser light, the amorphous silicon (a-Si) is crystallized by increasing the temperature and then gradually cooling, It becomes polysilicon (p-Si).
この場合、レーザアニール装置１０００は、光源１０１０が上記光源装置Ａ〜Ｈのいずれかを有しているため、アニール処理を効率的に行うことができる。 In this case, the laser annealing apparatus 1000 can efficiently perform the annealing process because the light source 1010 includes any one of the light source apparatuses A to H.
《レーザ加工機》
一例として図３３にレーザ装置としてのレーザ加工機２０００の概略構成が示されている。このレーザ加工機２０００は、光源２０１０、光学系２１００、対象物Ｐが載置されるテーブル２１５０、テーブル駆動装置２１６０、操作パネル２１８０及び制御装置２２００などを備えている。
<Laser processing machine>
As an example, FIG. 33 shows a schematic configuration of a laser beam machine 2000 as a laser device. The laser processing machine 2000 includes a light source 2010, an optical system 2100, a table 2150 on which an object P is placed, a table driving device 2160, an operation panel 2180, a control device 2200, and the like.
光源２０１０は、上記光源装置Ａ〜Ｈのいずれかを有し、制御装置２２００の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系２１００は、光源２０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置２１６０は、制御装置２２００の指示に基づいて、テーブル２１５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。 The light source 2010 includes any one of the light source devices A to H, and emits laser light based on an instruction from the control device 2200. The optical system 2100 focuses the laser light emitted from the light source 2010 near the surface of the object P. The table driving device 2160 moves the table 2150 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction based on instructions from the control device 2200.
操作パネル２１８０は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置２２００は、操作パネル２１８０からの各種設定情報に基づいて、光源２０１０及びテーブル駆動装置２１６０を制御する。 The operation panel 2180 has a plurality of keys for the operator to make various settings and a display for displaying various information. The control device 2200 controls the light source 2010 and the table driving device 2160 based on various setting information from the operation panel 2180.
この場合、レーザ加工機２０００は、光源２０１０が上記光源装置Ａ〜Ｈのいずれかを有しているため、加工処理（例えば、切断）を効率的に行うことができる。 In this case, the laser beam machine 2000 can efficiently perform the processing (for example, cutting) because the light source 2010 includes any one of the light source devices A to H.
なお、レーザ加工機２０００は、複数の光源２０１０を有しても良い。 Note that the laser processing machine 2000 may include a plurality of light sources 2010.
また、光源装置Ａ〜Ｈは、レーザアニール装置及びレーザ加工機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、表示装置の光源に用いても良い。 The light source devices A to H are also suitable for devices that use laser light other than laser annealing devices and laser processing machines. For example, you may use for the light source of a display apparatus.
また、発光デバイス１０〜４０を単体で光源に用いても良い。この場合であっても、従来よりも高出力でレーザ光を射出することができる。 Moreover, you may use the light emitting devices 10-40 alone for a light source. Even in this case, the laser beam can be emitted at a higher output than before.
１０…発光デバイス、２０…発光デバイス、３０…発光デバイス、４０…発光デバイス、８０…外部反射鏡、８２…非線形光学結晶、１０１…半導体基板（基板）、１０２…第１スペーサ層（活性層の一部）、１０３…発光層（活性層の一部）、１０４…第２スペーサ層（活性層の一部）、１０５…反射鏡、１０６…コンタクト層、１０７…電流拡散層、１０８…反射鏡、１１０…第１電極、１１１…第２電極、１１２…誘電体多層膜（誘電体膜）、１０００…レーザアニール装置（レーザ装置）、１０１０…光源、１０２０…光学系、１０３０…テーブル装置、２０００…レーザ加工機（レーザ装置）、２０１０…光源、２１００…光学系、２１５０…テーブル、２１６０…テーブル駆動装置、２１８０…操作パネル、２２００…制御装置、Ｐ…対象物。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light emitting device, 20 ... Light emitting device, 30 ... Light emitting device, 40 ... Light emitting device, 80 ... External reflecting mirror, 82 ... Nonlinear optical crystal, 101 ... Semiconductor substrate (substrate), 102 ... First spacer layer (active layer) Part), 103 ... Light emitting layer (part of active layer), 104 ... Second spacer layer (part of active layer), 105 ... Reflector, 106 ... Contact layer, 107 ... Current diffusion layer, 108 ... Reflector 110 ... first electrode, 111 ... second electrode, 112 ... dielectric multilayer film (dielectric film), 1000 ... laser annealing device (laser device), 1010 ... light source, 1020 ... optical system, 1030 ... table device, 2000 ... Laser beam machine (laser device), 2010 ... Light source, 2100 ... Optical system, 2150 ... Table, 2160 ... Table driving device, 2180 ... Operation panel, 2200 ... Control device P ... object.
Claims (13)
前記基板の一側に積層された活性層と、
前記活性層の前記一側に積層された半導体層と、
前記基板の他側に形成され、開口部を有する第１電極と、
前記半導体層の前記一側に形成され、開口部を有する第２電極と、
前記第２電極の開口部に設けられた誘電体膜とを有する発光デバイス。 A substrate,
An active layer laminated on one side of the substrate;
A semiconductor layer stacked on the one side of the active layer;
A first electrode formed on the other side of the substrate and having an opening;
A second electrode formed on the one side of the semiconductor layer and having an opening;
A light emitting device having a dielectric film provided in an opening of the second electrode.
該除去されている領域の大きさは、前記第２電極の開口部の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光デバイス。 At least a portion of the substrate immediately under the opening of the first electrode is removed;
The light emitting device according to any one of claims 1 to 5, wherein the size of the removed region is larger than the size of the opening of the second electrode.
前記発光デバイスから射出される光の光路上に配置された外部反射鏡とを備える光源装置。 The light emitting device according to any one of claims 1 to 10,
A light source device comprising: an external reflecting mirror disposed on an optical path of light emitted from the light emitting device.
請求項１１又は１２に記載の光源装置と、
前記光源装置から射出されるレーザ光を前記対象物に導光する光学系とを備えるレーザ装置。 A laser device for irradiating an object with laser light,
The light source device according to claim 11 or 12,
A laser device comprising: an optical system that guides laser light emitted from the light source device to the object.
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