JP2017017172A - Surface light emitting laser, laser array, solid-state laser, information acquisition device, image forming apparatus, and manufacturing method of laser array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光レーザ、レーザアレイ、固体レーザ、情報取得装置、画像形成装置、及びレーザアレイの製造方法に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser, a laser array, a solid-state laser, an information acquisition device, an image forming apparatus, and a method for manufacturing a laser array.
端面発光レーザの材料としてGaNなどの窒化物半導体を用いるものが知られている。その端面発光レーザで良く用いられているリッジ導波型構造では、表面のp型層にリッジを形成することで横方向の光閉じ込めを行っている。しかし、活性層周辺で電流が横方向に広がってしまい閾値が高くなる。そこで、特許文献1のように、横方向の電流の閉じ込めを強くするために、p型層中に開口部のあるn型層を形成したpnp型の電流狭窄構造が用いられる。この電流狭窄構造の具体的な製造方法は、p−AlGaN層を形成後、電流をブロックする層としてn−GaN層を形成する。その後、n−GaN層を反応性イオンエッチングでストライプ状にエッチングし開口部を形成し、最後にp−GaN層を成長することで、pnp型の電流狭窄構造を実現している。 A material using a nitride semiconductor such as GaN is known as an edge emitting laser material. In the ridge waveguide structure often used in the edge emitting laser, lateral light confinement is performed by forming a ridge in the p-type layer on the surface. However, the current spreads in the lateral direction around the active layer and the threshold value increases. Therefore, as in Patent Document 1, a pnp-type current confinement structure in which an n-type layer having an opening is formed in a p-type layer is used in order to strengthen current confinement in the lateral direction. In a specific manufacturing method of this current confinement structure, after forming a p-AlGaN layer, an n-GaN layer is formed as a layer that blocks current. Thereafter, the n-GaN layer is etched in a stripe shape by reactive ion etching to form openings, and finally the p-GaN layer is grown, thereby realizing a pnp-type current confinement structure.
また、特許文献1には、電流狭窄部分の不純物のドーピングプロファイルが示されている。n型層の上下に形成されているp型層からMgが拡散し、特にn型層下部のp−GaNからの拡散が多いことが記載されている。n型層にp型層中のMgが拡散するとn型層中の電子が補償されてしまい、n型層がp型化してしまう。n型層が薄い場合、n型層全体がp型化してしまうため、n型層によるバンド障壁が形成されずに、電流をブロックできなくなる。そのため、このn型層は1.5μmの厚さで形成されている。 Patent Document 1 shows a doping profile of impurities in a current confinement portion. It is described that Mg diffuses from the p-type layer formed above and below the n-type layer, and in particular, the diffusion from the p-GaN below the n-type layer is large. When Mg in the p-type layer diffuses into the n-type layer, electrons in the n-type layer are compensated, and the n-type layer becomes p-type. When the n-type layer is thin, the entire n-type layer becomes p-type, so that no band barrier is formed by the n-type layer and current cannot be blocked. Therefore, this n-type layer is formed with a thickness of 1.5 μm.
一方、垂直共振器型の面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下VCSELという)でも電流狭窄構造を用いる。VCSELでは、光射出側にある電極は、光を遮蔽しないように光射出領域を避けて配置されている。この光射出領域は活性層での発光領域と対応している。つまり、活性層の発光領域は、光射出側にある電極が配置された領域とは異なる位置にある。このため、電流の経路を発光領域となる部分に流すための電流狭窄構造を用いる。 On the other hand, a vertical cavity surface emitting laser (vertical cavity surface emitting laser, hereinafter referred to as VCSEL) also uses a current confinement structure. In the VCSEL, the electrode on the light emission side is arranged avoiding the light emission region so as not to shield light. This light emission region corresponds to the light emission region in the active layer. That is, the light emitting region of the active layer is at a position different from the region where the electrode on the light emission side is disposed. For this reason, a current confinement structure is used for flowing a current path to a portion to be a light emitting region.
しかし、VCSELの電流狭窄構造として、特許文献1のようなpnp型の電流狭窄構造では以下のような問題が生じる。 However, as the current confinement structure of the VCSEL, the pnp type current confinement structure as in Patent Document 1 has the following problems.
pnp型の電流狭窄構造は、開口部を形成されたn型層の上にp型層を成長させるが、この開口部による段差があるため、開口部周辺のp型層は開口の中心へ向かって横方向成長する。p型層の厚さがn型層の厚さより薄い場合、開口部による段差が平らにならず残ってしまう。VCSELの場合、この段差の影響により、光を散乱させレーザ閾値が増加する。 In the pnp-type current confinement structure, a p-type layer is grown on an n-type layer in which an opening is formed. Since there is a step due to the opening, the p-type layer around the opening is directed toward the center of the opening. Grow laterally. When the thickness of the p-type layer is thinner than the thickness of the n-type layer, the step due to the opening remains without being flat. In the case of a VCSEL, the laser threshold is increased by scattering light due to the effect of the step.
また、p型層をn型層の厚さより厚く成長させると、段差を平らにすることができるが、上記のようにMgの拡散による影響を低減するためにn型層は厚く形成されているため、p型層も厚くなる。そのためVCSELの共振器長が大きくなり、複数の縦モードで発振することになり、出力が安定しなくなる。 Further, when the p-type layer is grown thicker than the thickness of the n-type layer, the step can be flattened, but the n-type layer is formed thick in order to reduce the influence of Mg diffusion as described above. Therefore, the p-type layer also becomes thick. For this reason, the resonator length of the VCSEL increases, and oscillation occurs in a plurality of longitudinal modes, and the output becomes unstable.
そこで、本発明は、レーザ閾値の増加を低減し、出力を安定にするVCSELを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a VCSEL that reduces an increase in laser threshold and stabilizes output.
本発明の一つの態様は、第1の反射鏡と、前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、前記第1の半導体層は、水素を有し、前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の水素濃度が前記開口部に対応する部分の外の部分の水素濃度よりも低い水素濃度分布を有することを特徴とする。 One aspect of the present invention includes a first reflecting mirror, an active layer disposed on the first reflecting mirror, a p-type first semiconductor layer disposed on the active layer, A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening; and the opening on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening. A p-type third semiconductor layer disposed so as to fill a step due to the portion, a second reflecting mirror disposed on the third semiconductor and at least in a region corresponding to the opening, An electrode disposed on the third semiconductor layer and in a region corresponding to the outside of the opening, wherein the first semiconductor layer includes hydrogen, and the first semiconductor The layer has a hydrogen concentration in which the hydrogen concentration in the portion corresponding to the opening is lower than the hydrogen concentration in the portion outside the portion corresponding to the opening. And having a distribution.
また、本発明の別の態様は、第1の反射鏡と、前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、前記第1の半導体層は、水素を有し、前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の電気抵抗が前記開口部の外に対応する部分の電気抵抗よりも小さい電気抵抗の分布を有することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a first reflector, an active layer disposed on the first reflector, and a p-type first semiconductor layer disposed on the active layer. And a second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening, and on the first semiconductor layer located on the second semiconductor layer and the opening, A p-type third semiconductor layer disposed so as to fill the step due to the opening, and a second reflecting mirror disposed on the third semiconductor at least in a region corresponding to the opening And an electrode disposed on the third semiconductor layer and in a region corresponding to the outside of the opening, and the first semiconductor layer has hydrogen, and the first semiconductor layer has hydrogen. This semiconductor layer has an electrical resistance in which the electrical resistance of the portion corresponding to the opening is smaller than the electrical resistance of the portion corresponding to the outside of the opening. And having a distribution.
また、本発明の別の態様は、第1の反射鏡と、前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、前記第1の半導体層は、水素を有し、前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分のキャリア濃度が前記開口部の外に対応する部分のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度分布を有することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a first reflector, an active layer disposed on the first reflector, and a p-type first semiconductor layer disposed on the active layer. And a second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening, and on the first semiconductor layer located on the second semiconductor layer and the opening, A p-type third semiconductor layer disposed so as to fill the step due to the opening, and a second reflecting mirror disposed on the third semiconductor at least in a region corresponding to the opening And an electrode disposed on the third semiconductor layer and in a region corresponding to the outside of the opening, and the first semiconductor layer has hydrogen, and the first semiconductor layer has hydrogen. In the semiconductor layer, the carrier concentration in the portion corresponding to the opening is higher than the carrier concentration in the portion corresponding to the outside of the opening. It characterized by having a Yaria concentration distribution.
また、本発明の別の態様は、複数の面発光レーザを有するレーザアレイの製造方法であって、第1の反射鏡を形成する工程と、前記第1の反射鏡の上に活性層を形成する工程と、前記活性層の上にp型の第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層の上に、開口部を有する第2の半導体層を形成する工程と、前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるようにp型の第3の半導体層を形成する工程と、前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に、第2の反射鏡を形成する工程と、前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に、電極を形成する工程と、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とを水素原子を含まない雰囲気で熱処理する工程と、前記第2の反射鏡を形成する工程と前記電極を形成する工程との後に、面発光レーザごとに分離するためのメサ構造を形成する工程と、を有し、前記第1の半導体層は、水素を有し、前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の水素濃度が前記開口部の外に対応する部分の水素濃度よりも低い水素濃度分布を有することを特徴とするレーザアレイの製造方法。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a laser array having a plurality of surface emitting lasers, the step of forming a first reflecting mirror, and the formation of an active layer on the first reflecting mirror. A step of forming a p-type first semiconductor layer on the active layer, a step of forming a second semiconductor layer having an opening on the first semiconductor layer, Forming a p-type third semiconductor layer on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening; and Forming a second reflecting mirror at least in a region corresponding to the opening, and a region corresponding to the outside of the opening on the third semiconductor layer. Forming an electrode, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor. A mesa structure for separating each surface emitting laser is formed after the step of heat-treating the layer in an atmosphere not containing hydrogen atoms, the step of forming the second reflecting mirror, and the step of forming the electrode. And the first semiconductor layer has hydrogen, and the first semiconductor layer has a hydrogen concentration in a portion corresponding to the opening and a hydrogen concentration in a portion corresponding to the outside of the opening. A laser array manufacturing method having a hydrogen concentration distribution lower than the concentration.
本発明は、レーザ閾値の増加を低減し、出力を安定にするVCSELを提供することができる。 The present invention can provide a VCSEL that reduces the increase in laser threshold and stabilizes the output.
p型不純物としてMgを用いる窒化物半導体は、結晶成長中にIII族原料やV族原料由来の水素原子が結晶中に取り込まれ、水素原子がMgと結合することでMgが不活性化し高抵抗になる。本発明の垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL)は、以下の電流狭窄構造を採っている。すなわち、p型半導体層の上に水素原子をブロックするマスクとなる半導体層を形成し、面内の一部を選択的に活性化させて、水素原子の濃度分布をp型半導体層に形成する。この結果、p型半導体層内に電気抵抗の分布を持たせた電流狭窄構造が形成されている。 Nitride semiconductors that use Mg as a p-type impurity incorporate hydrogen atoms derived from Group III and Group V materials into the crystal during crystal growth, and combine the hydrogen atoms with Mg to deactivate Mg, resulting in high resistance. become. The vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) of the present invention employs the following current confinement structure. That is, a semiconductor layer serving as a mask for blocking hydrogen atoms is formed on the p-type semiconductor layer, and a part of the surface is selectively activated to form a hydrogen atom concentration distribution in the p-type semiconductor layer. . As a result, a current confinement structure having an electric resistance distribution is formed in the p-type semiconductor layer.
以下に、本発明のVCSELについて説明するが、はじめに、本明細書中で使用する用語等について定義する。本明細書中でVCSEL構造の上下方向について言及する場合は、基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。 The VCSEL of the present invention will be described below. First, terms used in this specification will be defined. In this specification, when referring to the vertical direction of the VCSEL structure, the substrate side is defined as the lower side, and the side opposite to the substrate is defined as the upper side.
(実施形態1)
図1(a)は、本実施形態のVCSELの一例を示す断面模式図、図1(b)は、本実施形態のVCSELの一例を示す上面模式図である。図1(a)は、図1(b)のA−B断面図に対応する。VCSELは、基板101の上に、n型の下部反射鏡102、スペーサ層103、活性層104、p型の第1の半導体層105、第2の半導体層106、p型の第3の半導体層107、コンタクト層108を、順に有している。さらに、VCSELは、コンタクト層108の上に、上部反射鏡109と第1の電極110とを有し、基板101の下に第2の電極111を有している。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing an example of the VCSEL of this embodiment, and FIG. 1B is a schematic top view of an example of the VCSEL of this embodiment. FIG. 1A corresponds to a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. The VCSEL has an n-type lower reflecting
第1の半導体層105は、基板101の面内方向に電気抵抗の分布があり、電気抵抗の高い領域105aと電気抵抗の低い領域105bを備えている。より具体的には、第1の半導体層105は、面内方向に水素濃度分布を有しており、領域105aの水素濃度は領域105bの水素濃度よりも高くなっている。領域105bの水素濃度は第1の半導体層105中のMg濃度の50%未満が好ましく、より好ましくは30%未満、さらに好ましくは10%未満である。領域105aの水素濃度は第1の半導体105中のMg濃度の50%以上が好ましく、より好ましくは70%以上、さらに好ましくは90%以上である。
The
第2の半導体層106には、開口部130が形成されている。第3の半導体層107は、開口部130を覆い塞ぐように第2の半導体層106の上に配置されている。具体的には、第3の半導体層107は、第2の半導体層106の上と開口部130に位置する第1の半導体層105の上に配置されている。また、コンタクト層108の上には、開口部130に対応する領域に上部反射鏡109が配置されている。第1の電極110は、開口部130に対応する領域の外に配置されている。
An
本実施形態の電流狭窄構造は、第1の半導体層105と第2の半導体層106と第3の半導体層107によって構成されている。すなわち、第1の電極110から注入されたホールは、コンタクト層108、開口部130に形成された第3の半導体層107、第1の半導体層105の低抵抗な領域105bを通り、活性層104に供給される。一方、電子は、第2の電極111から基板101、下部反射鏡102、スペーサ層103を介して活性層104に注入される。そして、活性層104内でホールと電子が再結合することで発光が生じる。
The current confinement structure of this embodiment is constituted by a
発光された光の一部は、下部反射鏡102と上部反射鏡109との間で共振し、レーザ発振する。活性層104内での発光は、開口部130と略対応しており、開口部130が光射出領域と対応する。なお、本実施形態において、VCSELの光射出面は上部反射鏡109側であり、基板101とは反対側から光が射出されるが、基板101側から光が射出される構成であってもよい。
Part of the emitted light resonates between the lower reflecting
次に、本実施形態の電流狭窄構造について詳しく説明する。まず、第2の半導体層106や第3の半導体層107の厚さについて述べる。第3の半導体層107は、開口部130による段差の影響をなくすことが求められる。そのため、第3の半導体層107の厚さは、開口部130による段差、つまり、第2の半導体層106の厚さに依存する。例えば、開口部130の直径が約10μm以下であれば、開口部130による段差の影響をなくすには、第3の半導体層107の厚さは、第2の半導体層106と同程度の厚さが必要になる。
Next, the current confinement structure of this embodiment will be described in detail. First, the thicknesses of the
共振器長を短くして縦モードを減らし、モードホップを押さえてVCSELの出力を安定化させるために、第3の半導体層107の厚さは薄くする方がよく、第2の半導体層106の厚さも第3の半導体層107の厚さに合わせて薄くすることが好ましい。このため、第2の半導体層106及び第3の半導体層107の厚さは、200nm以下、さらに好ましくは100nm以下であることが好ましい。さらに、光吸収や電気抵抗の増加を抑制する観点でも第2の半導体層106及び第3の半導体層107の厚さは薄い方がよい。第3の半導体層107のようにp型の窒化物半導体の光吸収係数は、50cm−1乃至300cm−1あると言われている。吸収係数を少なく見積もって50cm−1とすると、p型である第3の半導体層107の光吸収は、厚さが200nmでは0.1%、100nmでは0.05%になる。
In order to stabilize the output of the VCSEL by shortening the resonator length to reduce the longitudinal mode and to suppress the mode hop, it is better to reduce the thickness of the
次に、第1の半導体層105が面内方向で電気抵抗の面内分布を有する構成について説明する。第2の半導体層106は、窒化物半導体では、フェルミ準位が価電子帯から遠ざかると水素原子が、その窒化物半導体の結晶中に存在しにくくなることが知られている。水素原子が存在しにくくなるということは、その窒化物半導体を水素原子が透過しにくくなることを意味する。
Next, a configuration in which the
本実施形態では、フェルミ準位が価電子帯から離れた構造を、第1の半導体層105上に、第2の半導体層106として形成することで、水素原子をブロックするマスクとして利用できる。フェルミ準位が価電子帯から離れた構造とは、通常のドーピング濃度よりホールが低くなったp−型の半導体層や、半導体層が層全体で空乏化した状態を指す。
In this embodiment, a structure in which the Fermi level is separated from the valence band is formed as the
本実施形態の第2の半導体層106は、第1の半導体層105や第3の半導体層から拡散するMgと、第2の半導体層106にドーピングしたSi濃度を制御することによって、第2の半導体層106の層全体を空乏化した構造にしている。また、第2の半導体層106の厚さは、水素原子をブロックするために、50nm以上の厚さを有する。
The
この構成により、後述する製造方法においてVCSEL全体をアニールする際に、第2の半導体層106が配置された領域にある第1の半導体層105からは水素が抜けないようにすることができる。その結果、第1の半導体層105内で、水素濃度の分布が形成される。具体的には、第1の半導体層105は、開口部130に対応する部分の水素濃度が開口部130の外に対応する部分の水素濃度よりも低くなる水素濃度分布を有する。このため、第1の半導体層105の開口部130に対応する部分では、水素が抜けることでMgが活性化される。一方、第1の半導体層105の開口部130以外に対応する部分では、水素が抜けないためMgが活性されないままである。
With this configuration, when the entire VCSEL is annealed in the manufacturing method described later, hydrogen can be prevented from being released from the
この結果、第1の半導体層105において、開口部130に対応する部分は低抵抗の領域105bになり、それ以外の部分が高抵抗の領域105aになっている。この結果、第1の電極110からのホールが低抵抗の領域105bを介して活性層104に供給される。なお、第1の半導体層105は、面内方向で、開口部130に対応する部分のキャリア濃度は、活性化されたMgの影響で、開口部130の外に対応する部分のキャリア濃度よりも高くなっている。
As a result, in the
水素濃度を検出する方法としては、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)を用いることができる。一方、電気抵抗やキャリア濃度の分布を測定する方法としては、走査型静電容量顕微鏡法(Scanning Capacitance Microscopy)が挙げられる。その他に、走査型マイクロ波顕微鏡法(Scanning Microwave Microscopy)、走査広がり抵抗顕微鏡法(Scanning Spreading Resistance Microscopy)を用いてもよい。 As a method of detecting the hydrogen concentration, secondary ion mass spectrometry (SIMS) can be used. On the other hand, as a method for measuring the distribution of electric resistance and carrier concentration, scanning capacitance microscopy (Scanning Capacitance Microscopy) can be mentioned. In addition, a scanning microwave microscopy or a scanning spreading resistance microscope may be used.
第2の半導体層106の像全体を空乏化するために、第1の半導体層105と第3の半導体層107のMg濃度は1×1019乃至3×1019cm−3の濃度でドーピングを行う。一方、第2の半導体層106へドーピングするSi濃度が、第1の半導体層105と第3の半導体層107のMg濃度と同じ、又は第1の半導体層105と第3の半導体層107のMg濃度より高い濃度とする。その場合には、第2の半導体層106へ拡散したMgの影響を打ち消し、第2の半導体層106をn型にすることができる。しかし、過剰ドーピングのため結晶品質が劣化し、第2の半導体層106にピットなどが発生し、リークが生じ、電流狭窄構造の機能が得られなくなる。従って、第2の半導体層106のSi濃度は、第1の半導体層105のMg濃度よりも低くし、好ましくは1×1018乃至5×1018cm−3にする。
In order to deplete the entire image of the
次に、第2の半導体層106に形成される空乏層について述べる。第1の半導体層105上に第2の半導体層106を接合すると、第2の半導体層106と第1の半導体層105との界面にはドーピング濃度に応じて空乏層が形成される。この第1の半導体層105と第2の半導体層106との界面に形成される空乏層のうち、第2の半導体層106内に形成される領域を空乏層の幅Wn1とする。同様に、第3の半導体層107と第2の半導体層106の界面でも空乏層が形成され、そのうち第2の半導体層106内に形成される領域を空乏層の幅Wn2とする。
Next, a depletion layer formed in the
図2は、図1中の領域150の拡大模式図を示す。図2の様に、第2の半導体層106内では、Wn1とWn2が第2の半導体層106の厚さ方向で互いに重なり合うように形成される。このため、第2の半導体層106は、層全体が空乏層になっている。つまり、第2の半導体層106の厚さtと空乏層の幅Wn1、Wn2を使って式で表すと、以下の式で表される。
t≦Wn1+Wn2 ・・・(1)
ここで、空乏層の厚さWn1(又はWn2)は、以下の式(2)と境界条件(3)(電圧と電界が連続、空乏層端において電界が0、空乏層端のp側の電圧が0とn側の電圧が拡散電位Vd)とから、計算で求められる。Na(x)は、第2の半導体層106中のMgの分布、Nd(x)は第2の半導体層106中のSiの分布である。xは、厚さ方向を表す。eは電荷素量、εsは比誘電率、ε0は真空中の誘電率である。また、pp0は第1の半導体層105(又は第3の半導体層107)中のホール密度、pn0は第2の半導体層106中のホール密度である。nn0は第2の半導体層106中の電子密度、np0は第1の半導体層105(又は第3の半導体層107)中の電子密度、Wnは第2の半導体層106に広がる空乏層の幅、Wpは第1の半導体層105(又は第3の半導体層107)に広がる空乏層の幅である。Wnは、Wn1又はWn2である。実際のデバイスでは、Mgが内部拡散するのでNa(x)が単純な関数で表せなくなり、解析解を求めることが難しく数値計算で求める。
FIG. 2 shows an enlarged schematic view of the
t ≦ Wn1 + Wn2 (1)
Here, the thickness Wn1 (or Wn2) of the depletion layer is expressed by the following formula (2) and boundary condition (3) (the voltage and the electric field are continuous, the electric field is 0 at the depletion layer end, and the p-side voltage at the depletion layer end Is calculated from 0 and the n-side voltage is the diffusion potential Vd). Na (x) is the distribution of Mg in the
この結果、第1の半導体層105内に電気抵抗の分布が生じ、第2の半導体層106中の開口部130に対応した低抵抗な領域105bを介して活性層104にキャリアが注入される電流狭窄構造が形成される。そして、開口部130に対応する領域が発光領域となる。また、本実施形態の構成では、第2の半導体層106の厚さが小さいため、開口部130による段差は小さくなる。そのため、その段差を埋める第3の半導体層107の厚さも小さくなり、共振器長が大きくなることを低減でき、レーザ出力を安定化することができる。また、段差を埋めることができるため、光の散乱を抑制でき、レーザ閾値を小さくすることができる。
As a result, a distribution of electrical resistance is generated in the
次に、VCSELの製造方法について説明する。特に、図3、4を用いて、VCSELアレイの製造方法について説明する。VCSEL素子についても同様の製造方法で形成することができる。 Next, a method for manufacturing the VCSEL will be described. In particular, a method for manufacturing a VCSEL array will be described with reference to FIGS. A VCSEL element can be formed by a similar manufacturing method.
まず、図3(a)で示すように、基板101上に、n型の下部反射鏡102とスペーサ層103、活性層104を順に形成する。基板101は窒化物半導体が形成できれば良く、サファイア、Si、GaAs、SiC、GaNを用いることができる。下部反射鏡102は、AlGaNとInGaNの積層体からなる分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下DBRという)を用いることができる。活性層104は効率良く発光させるために、量子井戸構造等を用いる。例えば、活性層104としては、InGaN/GaNなどを用いることができる。
First, as shown in FIG. 3A, an n-type lower reflecting
さらに、図3(a)で示すように、活性層104まで成長した基板101上にp型不純物としてMgをドーピングした第1の半導体層105を形成する。この工程の際に、第1の半導体層105中には、III族原料やV族原料の分解で生じた水素原子がMgと結合して第1の半導体層105中に取り込まれて、Mgはほとんど活性化されておらず、第1の半導体層105としては高抵抗である。
Further, as shown in FIG. 3A, a
次に、図3(b)で示すように、後の工程で第1の半導体層105中の水素を選択的に活性化させるためのマスクとして、Siを含み、開口部130のある第2の半導体層106を形成する。第2の半導体層106の厚さは、上述したように200nm以下にする。また、第2の半導体層106のSiの濃度は、第1の半導体層105のMgの濃度よりも低くする。この構成により、第2の半導体層106の層全体にわたって空乏層が形成され、水素の透過を抑制することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 3B, a second mask including Si and having an
開口部130は、第1の半導体層105面内で電気抵抗を低くしたい部分に対応して設ける。開口部130の形成方法としては、以下の方法が挙げられる。すなわち、成長阻害用のマスクを形成して第2の半導体層106を選択成長させる方法、フォトリソグラフィーとドライエッチング等を用いて形成する方である。また、VCSELの素子間には、開口部130が設けられずに第2の半導体層106が形成されている。
The
次に、図3(c)で示すように、第3の半導体層107とコンタクト層108を第2の半導体層106の上と、開口部130にある第1の半導体層105の上に跨って形成する。この時、第1の半導体層105と同様に第3の半導体層107も水素原子が取り込まれ、第3の半導体層107も高抵抗になる。第3の半導体層の107の厚さは、開口部130による段差を埋める厚さであればよいが、光吸収や抵抗が大きくならないような厚さであることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 3C, the
次に、図4(a)で示すように、水素原子を含まない雰囲気でアニール(熱処理)をする。そうすると、第3の半導体層107は表面に水素原子の拡散を妨げるものが存在しないので、第3の半導体層107中の水素原子は表面から脱離し、第3の半導体層107中のMgが活性化し、全体がp型化し低抵抗になる。一方、第1の半導体層105は、開口部130の領域で第3の半導体層107を経由して表面へ水素原子が脱離することができる。しかし、開口部130の無い領域では、水素原子が第2の半導体層106に阻まれて表面へ脱離しにくくなる。
Next, as shown in FIG. 4A, annealing (heat treatment) is performed in an atmosphere not containing hydrogen atoms. Then, since the
その結果、図4(a)のように、第1の半導体層105内に水素濃度分布が生じる。具体的には、開口部130に対応する部分の水素濃度は、開口部130の外に対応する部分の水素濃度よりも低くなっている。このため、開口部130の部分ではMgが選択的に活性化され、開口部130直下の第1の半導体層105は電気抵抗の低い領域105bとなる。一方、第2の半導体層106直下の第1の半導体層105は電気抵抗の高い領域105aになる。
As a result, a hydrogen concentration distribution is generated in the
なお、熱処理工程の順序は注意が必要である。表面にメサ形成などをして素子分離をすると、第1の半導体層105の側壁面から水素原子が脱離されてしまう。そのため、この熱処理は、素子分離の前に行うことが望ましい。なお、素子分離後に熱処理工程を行う場合には、開口部130からメサ構造の側壁面までの距離を大きく取り、短時間で熱処理を行ことでも同様の構成を得ることが可能である。開口部130からメサ構造の側壁面までの距離は、開口部130の最も長い径よりも大きくすればよい。
It should be noted that the order of the heat treatment steps needs attention. When element isolation is performed by forming a mesa on the surface, hydrogen atoms are desorbed from the side wall surface of the
次に、図4(b)で示すように、コンタクト層108の上に第1の電極110を形成し、基板101の裏面に第2の電極を形成する。また、コンタクト層108の上に上部反射鏡109を形成する。なお、第1の電極110は、素子毎に形成する。さらに、第1の電極110は、VCSELの光射出領域を避けるため、開口部130に対応する領域以外に形成されている。また、上部反射鏡109は、開口部130に対応する領域に形成されている。
Next, as shown in FIG. 4B, the
最後に、図4(c)のように、VCSEL素子を分離するようにメサ構造を形成する。なお、図では示していないが、この工程は、エッチングしない領域は保護膜を設けた上で行う。また、図4(b)では、スペーサ層103までを分離するようにメサ構造を形成する例を示したが、下部反射鏡102の一部あるいは全部をエッチングして分離してもよい。また、活性層104までを分離してスペーサ層103は、素子で繋がっていてもよい。スペーサ層103を素子でつなげた構成にする場合、第2の電極111をスペーサ層103の上に設けてもよく、この場合には、基板101、下部反射鏡は導電性を有していなくてもよい。
Finally, as shown in FIG. 4C, a mesa structure is formed so as to separate the VCSEL elements. Although not shown in the drawing, this step is performed after a protective film is provided in a region not to be etched. FIG. 4B shows an example in which the mesa structure is formed so as to separate up to the
(基板)
基板101は、上述したように、サファイア、Si、GaAs、SiC、GaNを用いることができる。また、サファイアの上に、GaNなどのバッファ層を設けたものを基板として用いることも可能である。
(substrate)
As described above, sapphire, Si, GaAs, SiC, or GaN can be used for the
(下部反射鏡及び上部反射鏡)
下部反射鏡102及び上部反射鏡109は、例えば、高屈折率の層と低屈折率の層とが光学厚さ1/4波長で交互に積層されたDBRで構成されている。下部反射鏡102及び上部反射鏡109には、半導体で構成された半導体DBR、誘電体で構成された誘電体DBRのどちらを用いることもできる。一般的に、誘電体で構成されたDBRの方が半導体で構成されたDBRよりも、高屈折率層と低屈折率層の屈折率差を大きくしやすいため、少ない積層数で高い反射率を実現できる。一方、半導体で構成されたDBRはペア数が多くなってしまうが、結晶成長中に同時に成膜でき、ドーピングにより電流を流すことができる等のプロセス上の利点がある。
(Lower reflector and upper reflector)
The lower reflecting
誘電体DBRの低屈折率層としては酸化シリコンを用い、高屈折率層としては酸化チタン又は五酸化タンタルを用いることができる。半導体DBRの低屈折率層としてはAlGaN又はGaNを用いることができる。半導体DBRの高屈折率層としては、低屈折率層としてAlGaNを用いる場合にはGaN又はInGaNを、低屈折率層としてGaNを用いる場合にはInGaNを用いることができる。また、半導体DBRの高屈折率層と低屈折率層の両方にAlGaNあるいはInGaNを用い、それぞれの層のAl組成あるいはIn組成を変えた構成であってもよい。 Silicon oxide can be used as the low refractive index layer of the dielectric DBR, and titanium oxide or tantalum pentoxide can be used as the high refractive index layer. AlGaN or GaN can be used as the low refractive index layer of the semiconductor DBR. As the high refractive index layer of the semiconductor DBR, GaN or InGaN can be used when AlGaN is used as the low refractive index layer, and InGaN can be used when GaN is used as the low refractive index layer. Further, AlGaN or InGaN may be used for both the high refractive index layer and the low refractive index layer of the semiconductor DBR, and the Al composition or In composition of each layer may be changed.
エピタキシャル成長で一括形成するためには、下部反射鏡102に半導体DBR、上部反射鏡109にも半導体DBRを用いることができる。ただし、より広帯域で高反射率を得るために誘電体DBRを上部反射鏡109に用いてもよい。
In order to collectively form the layers by epitaxial growth, a semiconductor DBR can be used for the lower reflecting
(スペーサ層)
スペーサ層103は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体を用いることができる。スペーサ層103は、n型で構成されるために、Si、Cなどのドーパントがドープされている。スペーサ層103は複数の層で構成されていてもよい。また、図示されていないが、活性層104と第1の半導体層105の間に、別途スペーサ層が配置されていてもよい。
(Spacer layer)
The
(活性層)
活性層104は電流を注入することで光を発生する材料であれば特に限定されない。例えば、GaNとInGaNからなる量子井戸構造を活性層104として用いることが可能である。量子井戸構造は単量子井戸でもよいし、多重量子井戸でもよい。また、多重量子井戸構造は、少なくとも2つ以上の異なるエネルギー準位で発光が可能な量子井戸構造、いわゆる非対称量子井戸構造が挙げられる。非対称量子井戸構造を構成するには、例えば、一つの量子井戸層の厚さや組成が他の量子井戸層と異なっている構成が挙げられる。
(Active layer)
The
また、活性層104は、複数の活性層で構成されていてもよい。例えば、複数の活性層それぞれは、VCSEL内で電界強度分布の腹に配置されるにように互いに離間して配置される構成が好ましい。なお、活性層104の材料・構造は、発振波長させたい波長に応じて適宜選択できる。
The
(第1の半導体層)
第1の半導体層105は、上述したように、第2の半導体層106の開口部130に対応する部分の電気抵抗が、第2の半導体層106の開口部130の外に対応する部分の電気抵抗よりも小さい構成を有している。さらに、第1の半導体層105は、第2の半導体層106の開口部130に対応する部分の水素濃度が、第2の半導体層106の開口部130の外に対応する部分の水素濃度よりも低い水素濃度分布を有している。言い換えると、第1の半導体層105は、第2の半導体層106の開口部130に対応する部分のキャリア濃度が、第2の半導体層106の開口部130の外に対応する部分のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度分布を有している。
(First semiconductor layer)
As described above, in the
第1の半導体層105には、p型を構成するために、Mgがドープされており、その濃度は、1×1018乃至5×1019cm−3で、より好ましくは5×1018乃至4×1019cm−3、さらに好ましくは1×1019乃至3×1019cm−3である。また、第1の半導体層105は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体で形成されている。
The
(第2の半導体層)
第2の半導体層106は、第1の半導体層105の一部から水素が抜けるのを抑制する機能を有している。このために、第2の半導体層106は、層全体が空乏化されている。また、第1の半導体層105内に電気抵抗の分布を形成するために、第2の半導体層106は開口部130を有している。開口部130は、図1(b)で示すような円形でなくてもよく、楕円形や矩形などの形状でもよい。
(Second semiconductor layer)
The
第2の半導体層106は、空乏層を形成するためにSiがドープされており、その濃度は、第1の半導体層105のMg濃度よりも低く、1×1018乃至5×1018cm−3が好ましい。また、第2の半導体層106は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体で形成されている。また、第2の半導体層106の厚さは50nm以上200nm以下が好ましい。
The
(第3の半導体層)
第3の半導体層107は、第2の半導体層106の開口部130による段差を埋める厚さで構成されている。具体的には、第2の半導体層106と同等以上の厚さがあればよい。また、第3の半導体層107には、p型を構成するために、Mgがドープされており、その濃度は、1×1019乃至3×1019cm−3が好ましい。また、第3の半導体層107は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体で形成されている。
(Third semiconductor layer)
The
(コンタクト層)
コンタクト層108は、第1の電極110と電気的な接続を採れる構成であれば、特に制約はないが、p型で構成されている。また、コンタクト層108中のMg濃度は、第1の半導体層105と第3の半導体層107のMg濃度よりも高く、3×1019乃至5×1019cm−3が好ましい。また、コンタクト層108は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体で形成されている。
(Contact layer)
There is no particular limitation on the
(第1の電極及び第2の電極)
第1の電極110及び第2の電極111は、キャリアを注入する構成であれば材料は限定されない。チタンや金などの単体の金属や合金、または金属膜の積層体を用いることができる。例えば、Ti/Au、AuGe/Ni/Auを電極材料として用いることができる。
(First electrode and second electrode)
The material of the
また、第1の電極110は、図1(b)で示すように、開口部130よりも外側に位置しており、発光領域(光射出領域)に重ならないように配置されている。このような構成であれば、第1の電極110はドーナツ状でなくてもよい。また、第1の電極110は複数に分割されていてもよい。第1の電極110は、VCSELの素子毎に設けられている。
Further, as shown in FIG. 1B, the
第2の電極111は、基板101の下に配置されているが、これに限定されない。例えば、下部反射鏡102やスペーサ層103の上に形成されてもよい。また、第2の電極111も分割されていてもよい。
Although the
(実施形態2)
次に、図5を用いて、実施形態1で説明したVCSELがアレイ状に配列して集積された面発光レーザアレイを励起光源として備えた固体レーザの構成例について説明する。図5は本実施形態に係る固体レーザの模式図である。
(Embodiment 2)
Next, a configuration example of a solid-state laser including a surface-emitting laser array in which the VCSELs described in the first embodiment are integrated and arranged in an array as an excitation light source will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram of a solid-state laser according to this embodiment.
本実施形態に係る固体レーザ1100は、面発光レーザアレイ1110、固体レーザ媒体1130、一対の反射鏡1150aおよび1150bを有する。
A solid-
面発光レーザアレイ1110は、波長λの励起光1120を固体レーザ媒体1130に照射する。固体レーザ媒体1130は、励起光1120を吸収し、レーザ遷移に伴い光1140を発する。固体レーザ媒体から発生した光1140が2つの反射鏡1150aおよび1150bで反射を繰り返すことにより、固体レーザは発振状態となる。そして、発振状態の固体レーザ1100から反射鏡1150bを透過した固体レーザ光1160が射出される。
The surface emitting
ここで、固体レーザ媒体1130の吸収スペクトルに合わせて、面発光レーザアレイ1110から出射される励起光1120の波長λを決定することが好ましい。すなわち、固体レーザ媒体1130の吸収スペクトルに合わせて、面発光レーザアレイ1110に用いられる反射鏡の反射率のピーク波長を設計することが好ましい。さらに、固体レーザ媒体1130の吸収スペクトルのピーク付近の波長が反射率のピークとなるように反射鏡を設計することがより好ましい。例えば、固体レーザ媒体1130としてアレキサンドライト結晶を用いる場合、反射鏡の反射率のピーク波長λをアレキサンドライト結晶の吸収スペクトルのピーク付近の400nmとすることで効率よく固体レーザを発振させることができる。なお、本実施形態に係る固体レーザには、いかなる固体レーザ媒体を採用してもよい。
Here, it is preferable to determine the wavelength λ of the
(実施形態3)
次に、図6を用いて、実施形態2で説明した固体レーザ1100を用いた被検体情報取得装置について説明する。本実施形態に係る被検体情報取得装置は、固体レーザ1100、光学系1200、探触子(検出素子)1400、信号処理部(取得部)1500、表示部1600を有する。
(Embodiment 3)
Next, a subject information acquisition apparatus using the solid-
まず、固体レーザ1100から発生した光は、光学系1200を介してパルス光1210として被検体1000に照射される。そして、光音響効果により被検体1000内の光吸収体1010で光音響波1020が発生する。続いて、探触子1400が被検体1000内を伝搬した光音響波1020を検出して時系列の電気信号を取得する。続いて、信号処理部1500が時系列の電気信号に基づいて被検体内部の情報を取得し、表示部1600に被検体内部の情報を表示させる。
First, light generated from the solid-
なお、本実施形態において、固体レーザ1100が発することのできる光の波長は、被検体1000の内部まで光が伝搬する波長を使うことが望ましい。具体的には、被検体1000が生体の場合、好適な波長は、500nm以上1200nm以下である。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば400nm以上1600nm以下の波長領域を使用することも可能である。
In the present embodiment, the wavelength of light that can be emitted by the solid-
本実施形態に係る被検体情報としては、光音響波の初期音圧、光エネルギー吸収密度、吸収係数、および被検体を構成する物質の濃度などがある。ここで、物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度などである。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和である。また、本実施形態において被検体情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報であってもよい。すなわち、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報を被検体情報としてもよい。 The object information according to the present embodiment includes an initial sound pressure of a photoacoustic wave, a light energy absorption density, an absorption coefficient, and a concentration of a substance constituting the object. Here, the concentration of the substance includes oxygen saturation, oxyhemoglobin concentration, deoxyhemoglobin concentration, total hemoglobin concentration, and the like. The total hemoglobin concentration is the sum of the oxyhemoglobin concentration and the deoxyhemoglobin concentration. In the present embodiment, the subject information may not be numerical data but may be distribution information of each position in the subject. That is, distribution information such as an absorption coefficient distribution and an oxygen saturation distribution may be used as the subject information.
また、固体レーザ1100は波長を切り替える構成であってもよい。また、異なる複数の固体レーザ1100を用いることもできる。
The solid-
(実施形態4)
次に、図7を用いて、実施形態1で説明したVCSELがアレイ状に配列して構成された面発光レーザアレイを光源として備えた画像形成装置の構成例について説明する。図7(a)は、本実施形態に係る画像形成装置の平面図であり、図7(b)は同装置の側面図である。
(Embodiment 4)
Next, a configuration example of an image forming apparatus including a surface emitting laser array in which the VCSELs described in the first embodiment are arranged in an array as a light source will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a plan view of the image forming apparatus according to this embodiment, and FIG. 7B is a side view of the apparatus.
図7(b)に示されるモータ2012によって、回転多面鏡2010が回転駆動するように構成されている。面発光レーザアレイ2014は、記録用光源となるものであり、レーザドライバ(図示せず)により画像信号に応じて点灯または消灯するように構成されている。
The
図7(a)、(b)に示すように、こうして光変調されたレーザ光は、面発光レーザアレイ2014からコリメータレンズ2018を介し回転多面鏡2010に向けて照射される。回転多面鏡2010は矢印方向に回転していて、面発光レーザアレイ2014から出力されたレーザ光は、回転多面鏡2010の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the laser light thus optically modulated is irradiated from the surface emitting
この反射光は、f−θレンズ2020により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡2016を経て感光ドラム(感光体)2000に照射され、感光ドラム2000上で主走査方向に走査される。このとき、回転多面鏡2010の1面を介したビーム光の反射により、感光ドラム2000の主走査方向に面発光レーザアレイ2014に対応した複数のライン分の画像が形成される。
The reflected light is subjected to correction of distortion and the like by the f-
感光ドラム2000は、予め帯電器2002により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光ドラム2000は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は現像器2004により現像され、現像された可視像は転写帯電器2006により、転写紙に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器2008に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
The
(実施例1)
本発明の実施形態1に対応する実施例について、図3、4を用いて説明する。
Example 1
An example corresponding to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
まず、図3(a)で示すように、基板101としてGaN基板を用いる。GaN基板をMOCVD装置にセットし加熱する。キャリアガスと原料ガスを供給してGaN基板上に半導体層を成長させる。始めに、n型の導電性をもたせた下部反射鏡102を成長させる。下部反射鏡102は低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡(DBR)で、低屈折率層はAlNやAlGaN、高屈折率層はInGaNやGaNで構成する。次に共振器内の定在波の位置を調整するためのn型のスペーサ層103を成長させ、その上に活性層104としてInGaN/GaNの5周期の多重量子井戸構造からなる活性層104を成長させる。
First, a GaN substrate is used as the
次に、電流をブロックするための電子ブロック層としてp−AlGaN(不図示)を成長させ、その上に、図3(a)で示すように、第1の半導体層105としてMg濃度が1×1019cm−3のp−GaNを成長させる。p−GaNは成長中に原料として用いたNH3やトリメチルガリウム等に含まれる水素原子が取り込まれ高抵抗になっている。
Next, p-AlGaN (not shown) is grown as an electron blocking layer for blocking current, and on that, as shown in FIG. 3A, the Mg concentration of the
次に、図3(b)で示すように、開口部130のある第2の半導体層106として、厚さ100nm、Si濃度2×1018cm−3のAlGaNを形成する。AlGaNを用いる理由は、AlGaN上にp−GaNを成長する時の熱による開口部130の変形を抑制できるからである。
Next, as shown in FIG. 3B, AlGaN having a thickness of 100 nm and a Si concentration of 2 × 10 18 cm −3 is formed as the
開口部130の形成手順は、以下のとおりである。基板101をMOCVD装置から取り出し、フォトリソフラフィーやドライエッチング(RIEやICP)を用いて、開口部130に相当する場所にSiO2やSiNxなどの選択成長用マスクを形成する。次に、基板101をMOCVD装置にセットし、SiH4を供給しながらAlGaNを成長する。AlGaN305の成長後、基板101をMOCVD装置から取り出し、選択成長用マスクを除去することで、開口部130を備えた第2の半導体層106が形成される。
The procedure for forming the
この工程において、第2の半導体層106であるAlGaNは、第1の半導体層105を構成するp−GaNからMgが拡散されて、Mgを含みながら成長する。拡散するMgの分布は、経験上、100nm厚で1桁濃度が下がる指数関数で分布する。本実施例ではAlGaNの基板101側でMgが1×1019cm−3程度存在し、AlGaNの表面側で1×1018cm−3程度存在した指数関数的な分布になる。
In this step, AlGaN, which is the
次に、図3(c)で示すように、第3の半導体層107としてMg濃度1×1019cm−3のp−GaNを成長させる。ここでも第3の半導体層107のp−GaNから第2の半導体層106のAlGaNへMgが拡散する。このMgは、第1の半導体層に含まれるMgよりは拡散しにくく、数十nm乃至50nm程度拡散する。
Next, as shown in FIG. 3C, p-GaN having an Mg concentration of 1 × 10 19 cm −3 is grown as the
そして、コンタクト層108としてMgをハイドーピングしたp+−GaNを成長させる。第3の半導体層107とコンタクト層108も、成長中の原料に含まれる水素原子が取り込まれて高抵抗になっている。
Then, p + -GaN highly doped with Mg is grown as the
次に、図4(a)で示すように、基板101をMOCVD装置から取り出して窒素雰囲気中、900℃で熱処理をする。この結果、第1の半導体層105の一部、第3の半導体層107、コンタクト層108から水素原子が脱離する。第1の半導体層105は、開口部130以外には第2の半導体層106が形成されているので、開口部130の部分でのみ水素原子が脱離し、それ以外の部分は水素原子がほとんど残る。その結果、図4(b)のように、開口部130の部分の領域105aが低抵抗になり、領域105bは高抵抗のままである。
Next, as shown in FIG. 4A, the
次に、図4(b)のように、コンタクト層108の上に上部反射鏡として誘電体DBRと第1の電極110を形成し、基板101の裏面に第2の電極111を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the dielectric DBR and the
最後に、図4(c)で示すように、エッチングしない領域は保護膜(不図示)を設け、VCSELを素子毎に分離するためのメサをドライエッチングにより形成する。スペーサ層103までを分離するようにメサ構造を形成する。
Finally, as shown in FIG. 4C, a protective film (not shown) is provided in a region not to be etched, and a mesa for separating the VCSEL for each element is formed by dry etching. A mesa structure is formed so as to separate up to the
以上の工程で活性層の基板側に備えた下部反射鏡と活性層の表面側に備えた上部反射鏡による共振器を備えた窒化物半導体面発光レーザ(VCSEL)が完成する。 Through the above steps, a nitride semiconductor surface emitting laser (VCSEL) having a resonator composed of a lower reflecting mirror provided on the substrate side of the active layer and an upper reflecting mirror provided on the surface side of the active layer is completed.
このように形成されたVCSELは、第1の半導体層105の内部に、開口部130に対応する部分の水素濃度が開口部130の外に対応する部分の水素濃度よりも低くなる水素濃度分布を有している。つまり、第1の半導体層105は、開口部130に対応する部分の電気抵抗が開口部130の外に対応する部分の電気抵抗よりも小さくなる電気抵抗の分布を有している。この結果、電気抵抗の小さい領域105bに選択的にホールが流れやすくなる電流狭窄構造を有している。
The VCSEL thus formed has a hydrogen concentration distribution in the
101 基板
104 活性層
105 第1の半導体層
106 第2の半導体層
107 第3の半導体層
110 第1の電極
111 第2の電極
130 開口部
101
Claims (17)
前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、
前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、
前記第1の半導体層は、水素を有し、
前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の水素濃度が前記開口部の外に対応する部分の水素濃度よりも低い水素濃度分布を有することを特徴とする面発光レーザ。 A first reflector;
An active layer disposed on the first reflector;
A p-type first semiconductor layer disposed on the active layer;
A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening;
A p-type third semiconductor layer disposed on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening;
A second reflecting mirror disposed on the third semiconductor and at least in a region corresponding to the opening;
An electrode disposed on a region corresponding to the outside of the opening on the third semiconductor layer,
The first semiconductor layer comprises hydrogen;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has a hydrogen concentration distribution in which a hydrogen concentration in a portion corresponding to the opening is lower than a hydrogen concentration in a portion corresponding to the outside of the opening.
前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、
前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、
前記第1の半導体層は、水素を有し、
前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の電気抵抗が前記開口部の外に対応する部分の電気抵抗よりも小さい電気抵抗の分布を有することを特徴とする面発光レーザ。 A first reflector;
An active layer disposed on the first reflector;
A p-type first semiconductor layer disposed on the active layer;
A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening;
A p-type third semiconductor layer disposed on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening;
A second reflecting mirror disposed on the third semiconductor and at least in a region corresponding to the opening;
An electrode disposed on a region corresponding to the outside of the opening on the third semiconductor layer,
The first semiconductor layer comprises hydrogen;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has an electric resistance distribution in which a portion corresponding to the opening has a smaller electric resistance than a portion corresponding to the outside of the opening.
前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、
前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、
前記第1の半導体層は、水素を有し、
前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分のキャリア濃度が前記開口部の外に対応する部分のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度分布を有することを特徴とする面発光レーザ。 A first reflector;
An active layer disposed on the first reflector;
A p-type first semiconductor layer disposed on the active layer;
A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening;
A p-type third semiconductor layer disposed on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening;
A second reflecting mirror disposed on the third semiconductor and at least in a region corresponding to the opening;
An electrode disposed on a region corresponding to the outside of the opening on the third semiconductor layer,
The first semiconductor layer comprises hydrogen;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has a carrier concentration distribution in which a carrier concentration in a portion corresponding to the opening is higher than a carrier concentration in a portion corresponding to the outside of the opening.
前記第2の半導体層の厚さtは、
t≦Wn1+Wn2
を満たすことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の面発光レーザ。 Of the depletion layers generated by the junction of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the depletion layer on the second semiconductor layer side is Wn1, and the third semiconductor layer and the second semiconductor layer are Wn2 is a depletion layer on the second semiconductor layer side of the depletion layer generated by the junction of
The thickness t of the second semiconductor layer is:
t ≦ Wn1 + Wn2
The surface emitting laser according to claim 1, wherein:
前記第2の半導体層は、Siを含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の面発光レーザ。 The first semiconductor layer includes Mg;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the second semiconductor layer contains Si.
前記複数の面発光レーザの少なくとも1つは、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の面発光レーザであることを特徴とするレーザアレイ。 A laser array having a plurality of surface emitting lasers,
9. The laser array according to claim 1, wherein at least one of the plurality of surface emitting lasers is the surface emitting laser according to claim 1.
前記一対の反射鏡の間に配置されたレーザ媒体と
前記レーザ媒体を励起するための光源と、を有する固体レーザであって、
前記光源が、請求項9に記載のレーザアレイを有することを特徴とする固体レーザ。 A pair of reflectors;
A solid-state laser comprising: a laser medium disposed between the pair of reflecting mirrors; and a light source for exciting the laser medium,
A solid-state laser, wherein the light source has the laser array according to claim 9.
前記固体レーザから射出される光を被検体に照射することにより発生する音響波を検出して電気信号を出力する検出素子と、
前記検出素子から出力された電気信号に基づいて、前記被検体内部の情報を取得する取得部と、を有する情報取得装置。 A solid-state laser according to claim 10;
A detection element that detects an acoustic wave generated by irradiating the subject with light emitted from the solid-state laser and outputs an electrical signal;
An information acquisition apparatus comprising: an acquisition unit that acquires information inside the subject based on an electrical signal output from the detection element.
前記面発光レーザから射出される光によって潜像が露光される感光体と、を有する画像形成装置。 A laser array according to claim 9;
And a photoreceptor on which a latent image is exposed by light emitted from the surface emitting laser.
第1の反射鏡を形成する工程と、
前記第1の反射鏡の上に活性層を形成する工程と、
前記活性層の上にp型の第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、開口部を有する第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるようにp型の第3の半導体層を形成する工程と、
前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に、第2の反射鏡を形成する工程と、
前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に、電極を形成する工程と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とを水素原子を含まない雰囲気で熱処理する工程と、
前記第2の反射鏡を形成する工程と前記電極を形成する工程との後に、面発光レーザごとに分離するためのメサ構造を形成する工程と、を有し、
前記第1の半導体層は、水素を有し、
前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の水素濃度が前記開口部の外に対応する部分の水素濃度よりも低くなる水素濃度分布を有することを特徴とするレーザアレイの製造方法。 A method of manufacturing a laser array having a plurality of surface emitting lasers,
Forming a first reflecting mirror;
Forming an active layer on the first reflecting mirror;
Forming a p-type first semiconductor layer on the active layer;
Forming a second semiconductor layer having an opening on the first semiconductor layer;
Forming a p-type third semiconductor layer on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening;
Forming a second reflecting mirror on the third semiconductor at least in a region corresponding to the opening;
Forming an electrode on the third semiconductor layer in a region corresponding to the outside of the opening;
Heat-treating the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer in an atmosphere containing no hydrogen atoms;
A step of forming a mesa structure for separating each surface emitting laser after the step of forming the second reflecting mirror and the step of forming the electrode;
The first semiconductor layer comprises hydrogen;
The method of manufacturing a laser array, wherein the first semiconductor layer has a hydrogen concentration distribution in which a hydrogen concentration in a portion corresponding to the opening is lower than a hydrogen concentration in a portion corresponding to outside the opening. .
前記第2の半導体層の厚さtは、
t≦Wn1+Wn2
を満たすことを特徴とする請求項13又は14に記載のレーザアレイの製造方法。 Of the depletion layers generated by the junction of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the depletion layer on the second semiconductor layer side is Wn1, and the third semiconductor layer and the second semiconductor layer are Wn2 is a depletion layer on the second semiconductor layer side of the depletion layer generated by the junction of
The thickness t of the second semiconductor layer is:
t ≦ Wn1 + Wn2
The method for manufacturing a laser array according to claim 13 or 14, wherein:
前記第2の半導体層は、Siを含むことを特徴とする請求項13乃至15のいずれか1項に記載のレーザアレイの製造方法。 The first semiconductor layer includes Mg;
16. The method of manufacturing a laser array according to claim 13, wherein the second semiconductor layer contains Si.
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