JP3215180B2 - Semiconductor laser array - Google Patents

Semiconductor laser array

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JP3215180B2
JP3215180B2 JP24529792A JP24529792A JP3215180B2 JP 3215180 B2 JP3215180 B2 JP 3215180B2 JP 24529792 A JP24529792 A JP 24529792A JP 24529792 A JP24529792 A JP 24529792A JP 3215180 B2 JP3215180 B2 JP 3215180B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、波長多重光通信用の多
波長半導体レーザアレイに係わり、特に面発光型の半導
体レーザアレイに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-wavelength semiconductor laser array for wavelength-division multiplexed optical communication, and more particularly to a surface-emitting type semiconductor laser array.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光通信の大容量化に伴い、1本の
光ファイバに多チャンネルの情報を伝搬させる試みがな
されつつある。多チャンネル化の一つの方法として、発
振波長の異なる複数のレーザ光を用い、1つの周波数に
1つのチャンネルを対応させる波長多重通信が提案され
ている。これを実現するためには、異なる波長で発振す
る単一波長レーザを複数個集積化したレーザアレイが必
要となる。
2. Description of the Related Art In recent years, with the increase in capacity of optical communication, attempts have been made to propagate multi-channel information over a single optical fiber. As one method of increasing the number of channels, wavelength multiplex communication has been proposed in which a plurality of laser beams having different oscillation wavelengths are used and one frequency corresponds to one channel. In order to realize this, a laser array in which a plurality of single wavelength lasers oscillating at different wavelengths are integrated is required.

【0003】このような素子は、図14に示すDFB
(Distributed Feed Back:分布帰還)レーザアレイとし
て既に実現されている。図中80はn型基板、81,8
2は光導波路層、83はn型クラッド層、84は活性
層、85はp型クラッド層、86はコンタクト層、8
7,88は電極、89は回折格子を示している。この素
子では、発振波長は刻印されている回折格子の周期で決
定される。従って、個々のレーザで異なる発振波長を得
るためには、異なる周期の回折格子をそれぞれのレーザ
に刻印しなければならない。
[0003] Such an element is a DFB shown in FIG.
(Distributed Feed Back: distributed feedback) It has already been realized as a laser array. In the figure, 80 is an n-type substrate, 81, 8
2 is an optical waveguide layer, 83 is an n-type cladding layer, 84 is an active layer, 85 is a p-type cladding layer, 86 is a contact layer, 8
7, 88 are electrodes and 89 is a diffraction grating. In this device, the oscillation wavelength is determined by the period of the engraved diffraction grating. Therefore, in order to obtain different oscillation wavelengths for individual lasers, diffraction gratings having different periods must be imprinted on each laser.

【0004】現在、この種の回折格子を刻印する方法と
して、レーザ光同士の干渉を利用した2光束干渉露光法
が用いられている。この方法で干渉パターンの周期を変
えるためには、その都度光学系のアライメントを変える
必要がある。従って、アレイにするレーザの数だけ露光
を繰り返す必要があるので、生産性が極めて悪いという
問題があった。また、共振器が基板に平行方向に構成さ
れているため、集積化は1次元的な方法に限られるの
で、特にレーザの数が多くなったときに横に長く広がっ
てしまい、ファイバとの結合が困難になるという問題点
もあった。
At present, as a method of engraving such a diffraction grating, a two-beam interference exposure method utilizing interference between laser beams is used. In order to change the period of the interference pattern by this method, it is necessary to change the alignment of the optical system each time. Therefore, it is necessary to repeat exposure by the number of lasers to be arrayed, and there is a problem that productivity is extremely poor. In addition, since the resonator is formed in a direction parallel to the substrate, integration is limited to a one-dimensional method. There was also a problem that it became difficult.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、多波
長の半導体レーザアレイにおいては、個々のレーザに対
して異なる周期の回折格子を刻印しなければならないた
めに、生産性が悪いという問題点があった。また、高集
積化した場合に光ファイバとの結合が困難になるという
問題点があった。
As described above, in the conventional multi-wavelength semiconductor laser array, the productivity is low because diffraction gratings having different periods must be stamped on individual lasers. was there. Further, there is a problem that it becomes difficult to couple with an optical fiber when the integration is high.

【0006】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、1回のリソグラフィ・
プロセスで複数のレーザの発振波長を決定することがで
き、かつ高集積化した場合にも光ファイバとの結合が容
易な多波長の半導体レーザアレイを提供することにあ
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to perform a single lithography process.
An object of the present invention is to provide a multi-wavelength semiconductor laser array in which the oscillation wavelengths of a plurality of lasers can be determined by a process, and which can be easily coupled to an optical fiber even when highly integrated.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、発光領
域の上下に分布反射膜を有する垂直共振器型面発光の半
導体レーザを利用し、共振器の断面積を変えることによ
って共振器の共振波長を変え、もってレーザの発振波長
を変えることにある。即ち本発明は、面発光型の多波長
半導体レーザアレイにおいて、基板上に上下2つの分布
反射膜により挟まれそれぞれ電気的に独立した半導体発
光領域が複数個形成され、少なくとも上部の分布反射膜
がそれぞれの発光領域毎に分割され、基板表面に対して
方線方向に出力光を放出する複数の半導体レーザからな
り、発光領域の基板と平行な面の断面積が半導体レーザ
毎に異なることを特徴とする。
The gist of the present invention is to use a vertical cavity surface emitting semiconductor laser having distributed reflection films above and below a light emitting region, and to change the cross sectional area of the resonator. It is to change the oscillation wavelength of the laser by changing the resonance wavelength. That is, the present invention provides a surface-emitting type multi-wavelength semiconductor laser array in which a plurality of electrically independent semiconductor light-emitting regions are formed on a substrate and sandwiched between two upper and lower distributed reflection films. It is composed of a plurality of semiconductor lasers that emit output light in a direction perpendicular to the substrate surface, divided into light emitting regions, and the light emitting region has a different cross-sectional area on a plane parallel to the substrate. And

【0008】また本発明は、上記の構造に加え、所定の
動作電流に対して各々の半導体レーザの光出力を一定
するように、各々の半導体レーザの発光領域の一部に電
流を狭窄する構造を設けたことを特徴とする。
According to the present invention, in addition to the above structure, the optical output of each semiconductor laser is made constant for a predetermined operating current.
To manner, characterized in that a structure for constricting a current in a portion of the light emitting region of each semiconductor laser.

【0009】[0009]

【作用】本発明によれば、垂直共振器型面発光レーザの
導波路部分の断面積を変えることにより発振波長を変化
させている。導波路部分の断面積を変えるにはフォトリ
ソグラフィにおけるマスクの大きさを変えるのみでよ
く、1回のリソグラフィで複数のレーザの発振波長を決
定することができる。そして、異なる断面積の導波路を
有する垂直共振器型面発光レーザを集積化することによ
り、多波長で発振する波長多重光通信用のレーザ光源が
得られる。さらに、面発光であることから、高集積化し
た場合にも光ファイバとの結合が容易である。
According to the present invention, the oscillation wavelength is changed by changing the sectional area of the waveguide portion of the vertical cavity surface emitting laser. To change the cross-sectional area of the waveguide portion, it is only necessary to change the size of the mask in photolithography, and the oscillation wavelength of a plurality of lasers can be determined by one lithography. By integrating vertical cavity surface emitting lasers having waveguides with different cross-sectional areas, a laser light source for wavelength division multiplexing optical communication that oscillates at multiple wavelengths can be obtained. Furthermore, because of the surface light emission, it is easy to couple with an optical fiber even when highly integrated.

【0010】また、電流狭窄によるゲインの増大と、吸
収損失の増加や光閉じ込め係数の減少の両方を考慮し、
各々のレーザに適切な電流狭窄構造を設けることによ
り、均一な動作特性を有する多波長で発振する波長多重
光通信用レーザ光源を得ることが可能となる。
Also, taking into account both an increase in gain due to current constriction, an increase in absorption loss and a decrease in optical confinement coefficient,
By providing an appropriate current confinement structure for each laser, it becomes possible to obtain a laser light source for wavelength division multiplexing optical communication that oscillates at multiple wavelengths and has uniform operating characteristics.

【0011】[0011]

【実施例】実施例を説明する前に、本発明の基本原理に
ついて説明する。本発明の構成要素である垂直共振器型
面発光半導体レーザは、屈折率の大きな媒質と小さな媒
質とを交互に積層した第1の分布ブラッグ反射膜(Dist
ributedBragg Reflector :DBR)と、第2のDBR
との間に、活性層を有する半導体のダブルヘテロ構造部
(発光領域)が形成され、少なくとも第1のDBRの一
部が基板に対して垂直に立つ柱状の導波路構造を有して
いる。このようなレーザ構造に対する発振波長λは、柱
状導波路構造の導波モードの軸方向伝搬常数βと軸に垂
直方向の伝搬常数βt 、及び導波路の有効屈折率neff
を用いて、
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing the embodiments, the basic principle of the present invention will be described. The vertical cavity surface emitting semiconductor laser which is a component of the present invention has a first distributed Bragg reflection film (Dist) in which a medium having a large refractive index and a medium having a small refractive index are alternately stacked.
ributedBragg Reflector (DBR) and the second DBR
A double hetero structure portion (light emitting region) of a semiconductor having an active layer is formed between the first and second DBRs, and at least a part of the first DBR has a columnar waveguide structure that stands perpendicular to the substrate. The oscillation wavelength λ for such a laser structure is defined as the axial propagation constant β of the waveguide mode of the columnar waveguide structure, the propagation constant β t in the direction perpendicular to the axis, and the effective refractive index n eff of the waveguide.
Using,

【0012】 (2πneff /λ)2 =β2 +βt 2 … (1)(2πn eff / λ) 2 = β 2 + βt 2 (1)

【0013】の関係より決定される。ここで、βはDB
Rの光学長周期T(=n1 1 +n22 ;n1 ,n2
はDBRを構成している媒質の屈折率、T1 ,T2 はそ
れぞれの層厚)を用い、
Is determined from the relationship Where β is DB
R optical long period T (= n 1 T 1 + n 2 T 2 ; n 1 , n 2)
Is the refractive index of the medium constituting the DBR, and T 1 and T 2 are the respective layer thicknesses).

【0014】 β=β0 =π/T … (2)Β = β 0 = π / T (2)

【0015】となる。Bt は、導波路の断面形状,断面
積,neff ,及び導波路の外部の媒質の屈折率nout
よってβと関係づけられる。円形断面の場合、
## EQU1 ## B t is related to β by the cross-sectional shape, cross-sectional area, n eff of the waveguide and the refractive index n out of the medium outside the waveguide. For a circular section,

【0016】 (η1 +η2 )(εeff η1 +εout η2 ) =n2 (1/u2 +1/w2 )(εeff /u2 +εout /w2 ) 但し、u=βt a,w=αt a β2 =(2πneff /λ)2 −(u/a)2 =(2πneff /λ)2 +(w/a)2 η1 =Jn (u) /uJn(u) η2 =Kn (w) /wKn(w) … (3)1 + η 2 ) (ε eff η 1 + ε out η 2 ) = n 2 (1 / u 2 + 1 / w 2 ) (ε eff / u 2 + ε out / w 2 ) where u = β t a, w = α t a β 2 = (2πn eff / λ) 2 - (u / a) 2 = (2πn eff / λ) 2 + (w / a) 2 η 1 = Jn (u) / uJn (u ) η 2 = Kn (w) / wKn (w) (3)

【0017】ここで、εeff =neff 2 ,εout =n
out 2 、aは導波路の半径、Jn ,Knはそれぞれn次
のベッセル関数,変形ベッセル関数、Jn ,Kn はそれ
ぞれJn,Kn の導関数、nはベッセル関数の次数であ
る。
Here, ε eff = n eff 2 , ε out = n
out 2 and a are the radius of the waveguide, Jn and Kn are n-order Bessel functions and modified Bessel functions, respectively, Jn and Kn are the derivatives of Jn and Kn, respectively, and n is the order of the Bessel function.

【0018】これらの関係をまとめたものが、図7であ
る。この図には、異なる直径d1 ,d2 ,d3 の導波路
に対して、最低次の導波モードであるHE11モードのβ
とβt の関係を示す曲線((3) 式の関係)、βt の漸近
値β1 ,β2 ,β3 、及び (2)式より求められるβ0
示している。発振波長は、(1) 式より、β=β0 の直線
と、3つの曲線との交点P1 ,P2 ,P3 から原点まで
の距離に反比例する。3つの曲線は直径が小さくなるほ
ど原点から遠ざかるため、直径の小さい導波路を有する
レーザほど短波長で発振する。
FIG. 7 summarizes these relationships. In this figure, for the waveguides having different diameters d 1 , d 2 and d 3 , β of the HE 11 mode, which is the lowest order waveguide mode, is shown.
A curve showing the relationship between the beta t ((3) expression of relationship), the asymptotic value beta 1 of beta t, beta 2, shows a beta 3, and (2) beta 0 obtained from the equation. The oscillation wavelength is inversely proportional to the distance from the intersections P 1 , P 2 , and P 3 of the straight line of β = β 0 and the three curves to the origin from the equation (1). Since the three curves become farther from the origin as the diameter becomes smaller, the laser having a waveguide with a smaller diameter oscillates at a shorter wavelength.

【0019】具体的な計算例を、図8に示す。横軸には
導波路の直径、縦軸には直径が無限に大きい場合の漸近
波長(850nm)からの短波長側へのシフト量を取っ
ている。なお、neff =3.38とした。この図から分
かるように、通常のフォトリソグラフィで作製可能な直
径1μmのレーザで10nm以上の波長シフトが可能で
ある。
FIG. 8 shows a specific calculation example. The horizontal axis shows the waveguide diameter, and the vertical axis shows the shift amount from the asymptotic wavelength (850 nm) to the short wavelength side when the diameter is infinitely large. Note that n eff = 3.38. As can be seen from this figure, a wavelength shift of 10 nm or more is possible with a laser having a diameter of 1 μm that can be manufactured by ordinary photolithography.

【0020】一方、直径が異なることによる個々のレー
ザ素子間のしきい値及び動作電流のばらつきを抑えるた
めには、次のようにすればよい。活性層のゲイン(マテ
リアルゲイン)gm は電流密度の関数である。従って、
直径が異なるレーザに対して同じ電流注入を行うと、各
々のレーザの活性層での電流密度が異なるために生じる
ゲインも異なり、図9(a)に示すように出力光強度に
ばらつきが生じる。
On the other hand, in order to suppress variations in threshold value and operating current between individual laser elements due to different diameters, the following method may be used. The gain (material gain) g m of the active layer is a function of the current density. Therefore,
When the same current injection is performed for lasers having different diameters, the gains caused by the different current densities in the active layers of the respective lasers also differ, and the output light intensity varies as shown in FIG. 9A.

【0021】このばらつきを抑えるためには、各々のレ
ーザに電流狭窄構造を設け、活性領域の面積が等しくな
るようにすればよい。しかし、これだけでは電流狭窄部
での吸収損失の増加や光閉じ込め係数の減少が素子毎に
異なるため、やはり出力強度のばらつきが生じる。従っ
て、電流狭窄によるゲインの増大と、吸収損失の増加や
光閉じ込め係数の減少の両方を考慮して狭窄構造を決定
する必要がある。そのための条件は、
To suppress this variation, a current confinement structure may be provided for each laser so that the active regions have the same area. However, this alone causes an increase in the absorption loss in the current confining portion and a decrease in the optical confinement coefficient for each element, so that the output intensity also varies. Therefore, it is necessary to determine a constriction structure in consideration of both an increase in gain due to current confinement, an increase in absorption loss, and a decrease in optical confinement coefficient. The conditions for that are:

【0022】 ξηgm (I/A,λ)−ξ(1−η)α=const. … (4)Ξηg m (I / A, λ) −ξ (1-η) α = const. … (Four)

【0023】という式で表される。ここで、Iは注入電
流、Aは活性領域の面積、ηは光閉じ込め係数、αは電
流狭窄部の吸収係数、ξは定在波効果によるゲインの増
大係数である。なお、この条件は、適当な近似をするこ
とによって簡単な表式で表される。まず、ゲインの増大
係数が導波路の断面積に依存しないと仮定する。波長に
依存しないリニアゲインを考えると、
It is expressed by the following equation. Here, I is the injection current, A is the area of the active region, η is the light confinement coefficient, α is the absorption coefficient of the current confinement portion, and ξ is the gain increase coefficient due to the standing wave effect. Note that this condition can be expressed by a simple expression by performing appropriate approximation. First, assume that the gain increase factor does not depend on the cross-sectional area of the waveguide. Considering the linear gain that does not depend on the wavelength,

【0024】 gm =g0 (I/A−Jt ) … (5) G m = g 0 (I / A−Jt) (5)

【0025】である。ここで、g0 は定数、Jt は活性
層に反転分布が生じるために必要な電流密度である。ま
た、電流狭窄部の吸収係数はαは−gm (0) に等しいか
ら、
## EQU1 ## Here, g 0 is a constant, and Jt is a current density required for inversion of the active layer to occur. Also, since the absorption coefficient α of the current constriction is equal to −g m (0),

【0026】 α=g0 ×Jt … (6)Α = g 0 × Jt (6)

【0027】である。これらの関係式より、## EQU1 ## From these relations,

【0028】 η/A=const. … (7)Η / A = const. … (7)

【0029】という関係式が得られる。即ち、活性領域
の面積Aと光閉じ込め係数ηの比を個々の素子間で等し
くすることによって、図9(b)に示すように均一な発
振特性を得ることができる。
The following relational expression is obtained. That is, by making the ratio between the area A of the active region and the light confinement coefficient η equal between the individual elements, uniform oscillation characteristics can be obtained as shown in FIG. 9B.

【0030】以下、本発明の実施例を図面を参照して説
明する。図1は本発明の第1の実施例に係わる多波長半
導体レーザアレイの概略構成を示す平面図で、図2は図
1の矢視A−A′断面図である。本実施例は、直径12
μm,9μm,7μm,6μmの円形断面の面発光レー
ザ1を組み合わせた素子で、0.1nm間隔で発振す
る。側面は基板4に達するまで垂直にエッチングされ、
ポリイミド2によって平坦化されている。各々のレーザ
1の上面はp電極兼反射膜3で覆われている。基板4の
底部には光ファイバ6を保持するための穴が掘られ、レ
ーザ光との結合を容易にしている。光ファイバ用穴の周
囲にはn型電極5が付けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a multi-wavelength semiconductor laser array according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA 'of FIG. In this embodiment, the diameter 12
A device combining surface emitting lasers 1 having a circular cross section of μm, 9 μm, 7 μm, and 6 μm, and oscillates at intervals of 0.1 nm. The sides are etched vertically until they reach the substrate 4,
It is planarized by polyimide 2. The upper surface of each laser 1 is covered with a p-electrode / reflection film 3. A hole for holding the optical fiber 6 is dug in the bottom of the substrate 4 to facilitate coupling with the laser light. An n-type electrode 5 is provided around the optical fiber hole.

【0031】各々のレーザの断面構造の詳細を図3
(a)に示す。活性層17は8nm厚のIn0.2 Ga
0.8 As量子井戸で、p,n各クラッド層(バリア層)
16,18は、光学長で発振波長の半波長厚のGaAs
である。p,n各DBR11,12は、光学長で発振波
長の4分の1厚さのAlAs層15とGaAs層14と
を交互に積層して形成される。活性層17に対し基板4
と反対側(上部)のDBR11の上面には、光学長で発
振波長の0.3倍の厚さの位相整合層13が積まれ、電
極兼反射膜による反射の際に生じる位相ズレを補償して
いる。発振波長は基板4に対して透明な980nmであ
るので、出力光は基板側から取り出す。なお、本実施例
素子は、図3(b)に示すようなDBR12の一部まで
でエッチングを停止した構造にも適用できる。さらに、
DBR11のみを柱状にエッチングした構造に適用する
ことも可能である。
FIG. 3 shows details of the sectional structure of each laser.
(A). The active layer 17 is made of In 0.2 Ga having a thickness of 8 nm.
0.8 As quantum well, p and n cladding layers (barrier layers)
Reference numerals 16 and 18 denote GaAs having an optical length and a half wavelength thickness of the oscillation wavelength.
It is. The p and n DBRs 11 and 12 are formed by alternately laminating AlAs layers 15 and GaAs layers 14 each having an optical length and a thickness of a quarter of the oscillation wavelength. Substrate 4 for active layer 17
On the upper surface of the DBR 11 on the opposite side (upper side), a phase matching layer 13 having an optical length and a thickness of 0.3 times the oscillation wavelength is stacked to compensate for a phase shift generated at the time of reflection by the electrode / reflection film. ing. Since the oscillation wavelength is 980 nm which is transparent to the substrate 4, the output light is extracted from the substrate side. The device of this embodiment can be applied to a structure in which etching is stopped up to a part of the DBR 12 as shown in FIG. further,
It is also possible to apply to a structure in which only the DBR 11 is etched in a column shape.

【0032】次に、第1の実施例素子の製造方法につい
て説明する。まず、図4(a)に示すように、n型Ga
As基板4上に、分子ビームエピタキシー法(MBE)
又は有機金属気相成長法(MOCVD)により、n型D
BR12,n型クラッド層18,活性層17,p型クラ
ッド層16,p型DBR11及び位相整合層13を順次
積層する。続いて、常圧化学気層成長法(CVD)等に
より、位相整合層13上に二酸化珪素(SiO2 )膜2
1を形成する。そして通常のフォトリソグラフィにより
直径の異なる円形パターンをレジスト20に転写し、こ
のレジスト20をマスクとしてフッ化アンモニウム溶液
によりSiO2膜21をエッチングする。
Next, a method of manufacturing the device of the first embodiment will be described. First, as shown in FIG.
Molecular beam epitaxy (MBE) on As substrate 4
Or n-type D by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD)
The BR 12, the n-type cladding layer 18, the active layer 17, the p-type cladding layer 16, the p-type DBR 11, and the phase matching layer 13 are sequentially stacked. Subsequently, the silicon dioxide (SiO 2 ) film 2 is formed on the phase matching layer 13 by the atmospheric pressure chemical vapor deposition (CVD) or the like.
Form one. Then, circular patterns having different diameters are transferred to the resist 20 by ordinary photolithography, and the SiO 2 film 21 is etched with an ammonium fluoride solution using the resist 20 as a mask.

【0033】次いで、上記のレジストマスクを有する基
板表面に銀,ニッケルの順に電極を蒸着し、アセトンで
円形パターン以外の部分をリフトオフにより取り除き、
フッ化アンモニウム溶液により残ったSiO2 膜21を
エッチングすると、図4(b)に示すように、金属膜2
2の円形パターンが残る。ここで、銀は高反射率の反射
膜として、ニッケルは次のドライエッチング用のマスク
として作用する。
Next, electrodes are deposited on the surface of the substrate having the resist mask in the order of silver and nickel, and portions other than the circular pattern are removed by lift-off with acetone.
When the remaining SiO 2 film 21 is etched by the ammonium fluoride solution, as shown in FIG.
Two circular patterns remain. Here, silver functions as a reflective film having a high reflectance, and nickel functions as a mask for the next dry etching.

【0034】次いで、金属膜22をマスクとして、反応
性イオンエッチング(RIE)或いは反応性イオンビー
ムエッチング(RIBE)により位相整合層13〜n型
DBR12をエッチングし、円柱構造を作製する。続い
て、図4(c)に示すように、エッチングによって除去
された部分にポリイミド2を充填して平坦化し、酸素を
用いた反応性イオンエッチングにより金属膜22の頭出
しを行う。
Next, using the metal film 22 as a mask, the phase matching layer 13 to the n-type DBR 12 are etched by reactive ion etching (RIE) or reactive ion beam etching (RIBE) to form a columnar structure. Subsequently, as shown in FIG. 4C, the portion removed by etching is filled with polyimide 2 to flatten it, and the metal film 22 is caught by reactive ion etching using oxygen.

【0035】次いで、前述したリフトオフプロセスと同
様にして、金属膜22に接続される金のp型電極3を形
成し、基板裏面に金−ゲルマニウム合金,金の順に積層
されたn型電極5を形成し、最後に基板裏面にRIE又
はRIBE或いは通常のウェットエッチングにより光フ
ァイバ用の穴を形成してプロセスが完了する。
Next, in the same manner as in the lift-off process described above, a gold p-type electrode 3 connected to the metal film 22 is formed, and an n-type electrode 5 in which a gold-germanium alloy and gold are laminated in this order on the back surface of the substrate is formed. After that, a hole for an optical fiber is finally formed on the back surface of the substrate by RIE or RIBE or ordinary wet etching, and the process is completed.

【0036】このように本実施例によれば、基板4上に
波長の異なる複数の半導体レーザを集積化することがで
きる。そしてこの場合、フォトリソグラフィにおけるマ
スクの大きさを変えるのみで、各々のレーザの波長を変
えることができる。つまり、1回のリソグラフィで複数
のレーザの発振波長を決定することができ、製造プロセ
スが容易となり、生産性の向上をはかることができる。
しかも、半導体レーザを2次元に集積していることか
ら、高集積化した場合にも光ファイバとの結合が容易に
なる利点がある。
As described above, according to this embodiment, a plurality of semiconductor lasers having different wavelengths can be integrated on the substrate 4. In this case, the wavelength of each laser can be changed only by changing the size of the mask in photolithography. That is, the oscillation wavelengths of a plurality of lasers can be determined by one lithography, so that the manufacturing process can be facilitated and the productivity can be improved.
In addition, since the semiconductor lasers are integrated two-dimensionally, there is an advantage that the coupling with the optical fiber becomes easy even when the integration is high.

【0037】図5は、本発明の第2の実施例に係わる多
波長半導体レーザアレイの概略構成を説明するためのも
ので、(a)は平面図、(b)は(a)の矢視B−B′
断面図である。なお、図1,図2と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。本実施例は、
基本的には第1の実施例と同様であるが、これに加えて
電流狭窄構造19が設けられている。電流狭窄はプロト
ン打ち込みによる活性層の高抵抗化で達成している。
FIGS. 5A and 5B are views for explaining a schematic configuration of a multi-wavelength semiconductor laser array according to a second embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A is a plan view, and FIG. BB '
It is sectional drawing. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment,
Basically, it is the same as the first embodiment, except that a current confinement structure 19 is provided. Current confinement is achieved by increasing the resistance of the active layer by proton implantation.

【0038】このような構成であれば、第1の実施例と
同様な効果が得られるのは勿論のこと、直径が異なるこ
とによる各々のレーザ素子間のしきい値及び動作電流の
ばらつきを抑制することができ、出力光強度を均一化す
ることができる。図6は、本発明の第3の実施例に係わ
る多波長半導体レーザアレイの概略構成を説明するため
のもので、(a)は平面図、(b)は(a)の矢視C−
C′断面図である。なお、図1,図2と同一部分には同
一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
With such a configuration, it is possible to obtain the same effects as those of the first embodiment, as well as to suppress variations in the threshold current and the operating current between the laser elements due to the difference in diameter. And the output light intensity can be made uniform. 6A and 6B are views for explaining a schematic configuration of a multi-wavelength semiconductor laser array according to a third embodiment of the present invention, wherein FIG. 6A is a plan view, and FIG.
It is C 'sectional drawing. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0039】この実施例は、16個の異なる波長で発振
するレーザを集積化した素子である。本実施例では、素
子面積が比較的大きいために基板側のファイバ用穴の底
面にレンズ構造が設けられ、レーザの発振光を集光して
ファイバ6に導くようになっている。ここで、直径の小
さいレーザから放出される発振光は回折の効果で放射角
が広がるため、直径の小さいレーザを中心部に、直径の
大きいレーザを周辺部に配置してファイバ6への結合が
均一に行われるようにした。他の部分の構造は第1の実
施例と同じである。
This embodiment is an element in which lasers oscillating at 16 different wavelengths are integrated. In this embodiment, since the element area is relatively large, a lens structure is provided on the bottom surface of the fiber hole on the substrate side, so that laser oscillation light is condensed and guided to the fiber 6. Here, since the emission angle of the oscillation light emitted from the laser having a small diameter is widened due to the effect of diffraction, the laser having a small diameter is arranged at the center and the laser having a large diameter is arranged at the periphery to couple the laser 6 with the fiber 6. It was performed uniformly. The structure of other parts is the same as that of the first embodiment.

【0040】なお、本実施例に対して第2の実施例のよ
うな電流狭窄構造を適用することもできる。さらに、第
1〜第3の実施例において、DBRを構成する各層の厚
さは必ずしも発振波長の4分の1の光学長である必要は
なく、図7におけるβ=β0と3つの曲線との交点がゲ
イン帯域からはみ出さない程度に厚くしたり(βを小さ
くする)、薄くしたりする(βを大きくする)ことも可
能である。また、発光領域は活性層をクラッド層で挟ん
だダブルヘテロ構造に限定されるものではなく、シング
ルヘテロ,量子井戸、その他の構造に適宜変更可能であ
る。
It is to be noted that the current confinement structure as in the second embodiment can be applied to this embodiment. Further, in the first to third embodiments, the thickness of each layer constituting the DBR does not necessarily have to be one-fourth the optical length of the oscillation wavelength, and β = β 0 and three curves in FIG. Can be made thicker (to decrease β) or thinner (to increase β) so that the intersection of does not protrude from the gain band. Further, the light emitting region is not limited to the double hetero structure in which the active layer is sandwiched by the cladding layers, but can be appropriately changed to a single hetero structure, a quantum well, or another structure.

【0041】次に、本発明の別の実施例について説明す
る。面発光レーザは高密度な2次元集積化が可能である
ことから、光通信や光配線の多重化,光演算の並列化等
を目的とした発光素子として適している。半導体のDB
R反射鏡を有する面発光レーザは、膜厚制御性が良いM
BE等の結晶成長装置で連続的に形成することができる
ため、設計通りのDBR反射鏡構造が容易に作製できる
(K.Tai et al.,Appl.Phys.Lett.55,2473(1989)。
Next, another embodiment of the present invention will be described. Since a surface emitting laser can be integrated at a high density and two-dimensionally, it is suitable as a light emitting element for the purpose of optical communication, multiplexing of optical wiring, parallelization of optical operation, and the like. Semiconductor DB
A surface emitting laser having an R reflecting mirror has an excellent film thickness controllability.
Since it can be continuously formed by a crystal growth apparatus such as BE, a DBR reflector structure as designed can be easily manufactured (K. Tai et al., Appl. Phys. Lett. 55, 2473 (1989)).

【0042】面発光レーザの素子構造は、図15に示す
ように、その層構造としてn型GaAs基板301上
に、n型Al0.3 Ga0.7 Asエッチストップ層30
2,n型AlAs/Al0.1 Ga0.9 Asの下部DBR
反射鏡層303,n型Al0.3 Ga0.7 Asキャリア閉
じ込め層304,p型GaAs活性層305,p型Al
0. 3 Ga0.7 Asキャリア閉じ込め層306,p型Al
0.1 Ga0.9 As/Al0. 7 Ga0.3 Asの上部DBR
層307,Al0.3 Ga0.7 As位相整合層308,p
型GaAsコンタクト層309をMBE中で形成したも
のとなっている。
As shown in FIG. 15, an element structure of the surface emitting laser is such that an n-type Al 0.3 Ga 0.7 As etch stop layer 30 is formed on an n-type GaAs substrate 301 as a layer structure.
2, Lower DBR of n-type AlAs / Al 0.1 Ga 0.9 As
Reflector layer 303, n-type Al 0.3 Ga 0.7 As carrier confinement layer 304, p-type GaAs active layer 305, p-type Al
0. 3 Ga 0.7 As carrier confinement layer 306, p-type Al
0.1 Ga 0.9 As / Al 0. 7 Ga 0.3 As upper DBR
Layer 307, Al 0.3 Ga 0.7 As phase matching layer 308, p
The GaAs contact layer 309 is formed in MBE.

【0043】その後の素子製造プロセスは以下のように
なる。100μm程度にGsAs基板301を薄く研磨
した後、Ge(40nm)/Au(120nm)電極3
10を蒸着しコンタクトを取る。次に、フォトレジスト
リフトオフにより直径15μmのAg(100nm)/
Au(10nm)電極311をp型GaAsコンタクト
層309上に形成し、さらに硫酸系エッチャントを用い
て、深さ0.7μm(p型Al0.3 Ga0.7 Asキャリ
ア閉じ込め層306迄)、内径15μm,外径60μm
のリング状メサエッチングを行う。さらに、厚さ150
nmのSiO2絶縁層312とAuコンタクトパッド3
13を形成する。GaAs基板301上には光取り出し
のための穴を、アンモニア系のエッチャントで開ける。
The subsequent device manufacturing process is as follows. After the GsAs substrate 301 is thinly polished to about 100 μm, the Ge (40 nm) / Au (120 nm) electrode 3 is polished.
10 is deposited and contacts are made. Next, Ag (100 nm) of 15 μm diameter /
An Au (10 nm) electrode 311 is formed on the p-type GaAs contact layer 309, and a depth of 0.7 μm (to the p-type Al 0.3 Ga 0.7 As carrier confinement layer 306), an inner diameter of 15 μm, Diameter 60 μm
Is performed. In addition, the thickness 150
nm SiO 2 insulating layer 312 and Au contact pad 3
13 is formed. A hole for extracting light is formed on the GaAs substrate 301 with an ammonia-based etchant.

【0044】こうした構造により、面発光レーザの室温
での発振が可能となっているが、DBR層を通して電流
を注入する構造のために、半導体ヘテロ構造が本質的に
有する高抵抗性を避けることが難しい。つまり、レーザ
発振のための電流を多く必要とすることや熱の発生が大
きいことなどの集積化に対しては大きな問題を引き起こ
していた。DBR層の抵抗を下げるために、AlGaA
sの組成を段階的に変えていく構造等も提案されている
(K.Tai et al,.Appl.Phys.Lett. 56,2496(199019))
が、結晶成長が非常に複雑になることや十分には抵抗を
下げられないことなどの欠点があった。
With such a structure, the surface emitting laser can oscillate at room temperature. However, since the current is injected through the DBR layer, it is necessary to avoid the high resistance inherent in the semiconductor heterostructure. difficult. In other words, a large problem has been caused with respect to integration such as a large amount of current required for laser oscillation and large heat generation. To lower the resistance of the DBR layer, AlGaAs
A structure in which the composition of s is changed stepwise has been proposed (K. Tai et al., Appl. Phys. Lett. 56, 2496 (199019)).
However, there are drawbacks such as that the crystal growth becomes very complicated and the resistance cannot be sufficiently reduced.

【0045】このように従来の結晶によるDBR反射鏡
を有する面発光レーザでは、比較的抵抗の高いDBR層
を通して電流を注入するために、しきい値電流の増大や
発熱量の増大といった問題を抱えていた。本実施例の主
眼は、電流の注入を抵抗の高いDBR層を通して行うの
ではなく、2次元電子ガス等の半導体中の高移動度キャ
リアを用いて行うことにある。そのためには、キャリア
の高速性の利点を失わないように面発光レーザの活性層
をキャリアの伝導層の近傍に配置すると共に、キャリア
が活性層に有効に閉じ込められるようなヘテロ構造の工
夫を行う。さらに、連続的な結晶成長で形成した半導体
層において、面発光レーザ部分以外でキャリアが発光再
結合することによる損失が生じないような工夫も行って
いる。また、光の閉じ込めのためのパターニングと電流
の閉じめのためのパターニングを単一のリソグラフィプ
ロセスで容易に行うために、無機レジスト,集束イオン
ビーム露光,ドライエッチング現像というリソグラフィ
法を用いる。
As described above, in the conventional surface emitting laser having a DBR reflecting mirror made of a crystal, since current is injected through a DBR layer having a relatively high resistance, there are problems such as an increase in threshold current and an increase in heat generation. I was The main point of the present embodiment is that the injection of current is performed not by using a high-resistance DBR layer but by using a high mobility carrier in a semiconductor such as a two-dimensional electron gas. To this end, the active layer of the surface emitting laser is arranged near the conductive layer of the carrier so as not to lose the advantage of the high speed of the carrier, and a heterostructure is devised so that the carrier is effectively confined in the active layer. . Furthermore, in the semiconductor layer formed by continuous crystal growth, a device is devised so that a loss due to the radiative recombination of carriers in portions other than the surface emitting laser portion does not occur. In order to easily perform patterning for confining light and patterning for confining current with a single lithography process, a lithography method of inorganic resist, focused ion beam exposure, and dry etching development is used.

【0046】本発明を実施することにより製造すること
が出来る素子の基本構造の一例は、図10に示す如く、
上下にDBR反射鏡層を有する面発光レーザ領域101
と2次元電子ガス(2DEG)のチャネル層を有する配
線領域102からなる。その半導体多層膜の層構造は、
半絶縁性GaAs基板103上に、アンドープのAlA
sとGaAsからなる下部DBR104,n型Al0.3
Ga0.7 As電子供給層105,アンドープAl0.3
0.7 Asスペーサ層106,アンドープGaAsチャ
ネル兼クラッド層107,アンドープInGaAs活性
層108,アンドープAlAsエッチストップ層10
9,p型GaAsクラッド層110,アンドープのAl
AsとGaAsからなる上部DBR反射鏡層111,ア
ンドープGaAsキャップ層112(107nm)を形
成したものとなっている。
One example of the basic structure of a device that can be manufactured by implementing the present invention is shown in FIG.
Surface emitting laser region 101 having DBR reflector layers above and below
And a wiring region 102 having a channel layer of two-dimensional electron gas (2DEG). The layer structure of the semiconductor multilayer film is
Undoped AlA is formed on a semi-insulating GaAs substrate 103.
lower DBR 104 made of s and GaAs, n-type Al 0.3
Ga 0.7 As electron supply layer 105, undoped Al 0.3 G
a 0.7 As spacer layer 106, undoped GaAs channel / cladding layer 107, undoped InGaAs active layer 108, undoped AlAs etch stop layer 10
9, p-type GaAs cladding layer 110, undoped Al
An upper DBR reflector layer 111 made of As and GaAs and an undoped GaAs cap layer 112 (107 nm) are formed.

【0047】2DEGのチャネル層として働くアンドー
プGaAs層107は、アンドープInGaAs活性層
108と隣接しており、コンダクションバンドの下端が
InGaAsよりも大きいエネルギーを持つために活性
層108への電子の閉じ込めが有効に行われる。また、
配線領域ではアンドープGaAsチャネル層での発光再
結合が起こり難いように、上部のp型GaAsクラッド
層110迄を除去している。
The undoped GaAs layer 107 serving as a 2DEG channel layer is adjacent to the undoped InGaAs active layer 108, and the lower end of the conduction band has a larger energy than that of InGaAs, so that electrons are confined in the active layer 108. Effectively done. Also,
In the wiring region, the portion up to the upper p-type GaAs cladding layer 110 is removed so that light emission recombination in the undoped GaAs channel layer hardly occurs.

【0048】図10に示した基本構造を持つ素子の製造
方法を以下に説明する。まず、図11(a)に示すよう
に、MBEやMO−CVD法を用いて半絶縁性GaAs
基板103上に、アンドープのAlAs(76.5n
m、19層)/GaAs(63.4nm、18層)から
なる下部DBR反射鏡層104を形成し、さらにn型A
0.3 Ga0.7 As電子供給層105(121.7n
m、n=1×1018cm-3),アンドープAlGaAs
スペーサ層106(2nm),アンドープGaAsチャ
ネル兼クラッド層107(20nm),アンドープIn
0.15Ga0.85As活性層108(10nm),アンドー
プAlAsエッチストップ層109(1.4nm),p
型GaAsクラッド層110(120.3nm、p=1
×1018cm-3)を形成し、さらにアンドープのAlA
s(76.5nm、10層)/GaAs(63.4n
m、9層)からなる上部DBR反射鏡層111とアンド
ープGaAsキャップ層112(107nm)を形成す
る。
A method for manufacturing an element having the basic structure shown in FIG. 10 will be described below. First, as shown in FIG. 11A, semi-insulating GaAs is formed by MBE or MO-CVD.
On the substrate 103, undoped AlAs (76.5n
m, 19 layers) / GaAs (63.4 nm, 18 layers) to form a lower DBR reflector layer 104, and furthermore, an n-type A
l 0.3 Ga 0.7 As electron supply layer 105 (121.7 n
m, n = 1 × 10 18 cm −3 ), undoped AlGaAs
Spacer layer 106 (2 nm), undoped GaAs channel / cladding layer 107 (20 nm), undoped In
0.15 Ga 0.85 As active layer 108 (10 nm), undoped AlAs etch stop layer 109 (1.4 nm), p
Type GaAs cladding layer 110 (120.3 nm, p = 1
× 10 18 cm -3 ) and undoped AlA
s (76.5 nm, 10 layers) / GaAs (63.4 n
An upper DBR reflector layer 111 composed of (m, 9 layers) and an undoped GaAs cap layer 112 (107 nm) are formed.

【0049】次いで、図11(b)に示すように、プラ
ズマCVD(P−CVD)法を用いてGaAsキャップ
層112上の全面にSi酸化膜マスク層113(400
nm)を形成し、集束イオンビーム(FIB)を用いて
Si酸化膜113の面発光レーザ用の直径1μmの円形
パターンにGaを注入し、CF4 ガスを用いた反応性イ
オンビームエッチング(RIBE)により注入領域以外
のSi酸化膜113を除去する。FIBによりGaを注
入した領域は、F系ガスのドライエッチングの際にエッ
チング速度が大きく低下するため、Si酸化膜113を
ネガレジストとしてパターニングすることができる。
Then, as shown in FIG. 11B, a Si oxide mask layer 113 (400) is formed on the entire surface of the GaAs cap layer 112 by using a plasma CVD (P-CVD) method.
nm), using a focused ion beam (FIB), injecting Ga into a circular pattern having a diameter of 1 μm for a surface emitting laser of the Si oxide film 113, and reactive ion beam etching (RIBE) using CF 4 gas. By this, the Si oxide film 113 other than the implantation region is removed. Since the etching rate of the region into which Ga is injected by the FIB is greatly reduced during the dry etching of the F-based gas, the Si oxide film 113 can be patterned as a negative resist.

【0050】次いで、図12(a)に示すように、Cl
2 ガスとArガスを用いたRIBE法により、p型Ga
Asクラッド層110の途中まで面発光レーザ領域10
1以外をエッチング除去する。さらに、CCl2 2
用いた反応性イオンエッチング(RIE)の選択エッチ
ングにより、p型GaAsクラッド層110を完全に除
去すると同時にアンドープAlAsエッチストップ層1
11でエッチングを止める。
Next, as shown in FIG.
P-type Ga by the RIBE method using two gases and Ar gas.
Surface emitting laser region 10 halfway through As cladding layer 110
Other than 1 is removed by etching. Further, the p-type GaAs cladding layer 110 is completely removed by selective etching of reactive ion etching (RIE) using CCl 2 F 2 , and at the same time, the undoped AlAs etch stop layer 1 is removed.
At 11 the etching is stopped.

【0051】このとき、第1のエッチングでは、AlA
s/GaAsからなる厚いDBR層を垂直に滑らかにエ
ッチングするために、イオンエッチング性を強くした、
選択性の少なくかつエッチング速度の大きいドライエッ
チングが有効である。そのため、エッチングマスクとし
てCl系のイオン性の強いエッチングに対して耐性のあ
るSi酸化膜を用いている。また、第2のエッチングで
は、極薄いAlAs層でエッチングを止めるための大き
なGaAs/AlAsエッチング選択比を得ることがで
き、さらに下地にエッチングダメージを与えることの少
ない反応性の強いエッチングが、残ったp型GaAsク
ラッド層110の除去には重要である。
At this time, in the first etching, AlA
In order to vertically and smoothly etch a thick DBR layer composed of s / GaAs, ion etching was strengthened.
Dry etching with low selectivity and high etching rate is effective. Therefore, a Si oxide film that is resistant to Cl-based ionic etching is used as an etching mask. In the second etching, a large GaAs / AlAs etching selectivity for stopping the etching with an extremely thin AlAs layer can be obtained, and a highly reactive etching that causes less etching damage to the base remains. This is important for removing the p-type GaAs cladding layer 110.

【0052】次いで、図12(b)に示すように、面発
光レーザ領域のSi酸化膜マスク113をFラジカルに
よるドライエッチングを用いて除去した後、P−CVD
装置を用いて全面にSi窒化膜マスク層114(400
nm)を形成し、FIBを用いて面発光レーザ領域及び
配線領域のパターンにSi窒化膜114中にGaイオン
を注入し、CF4 ガスを用いたRIBEにより注入部以
外のSi窒化膜114を除去する。このRIBEの際
に、Si窒化膜114が除去された領域の下部では、照
射されるイオンによるダメージにより2DEGを含む高
抵抗領域115が形成される。その結果として、電子が
伝導する領域は、面発光レーザ領域101と、配線領域
102に制限される。
Next, as shown in FIG. 12B, the Si oxide film mask 113 in the surface emitting laser region is removed by dry etching using F radicals, and then P-CVD.
The entire surface of the silicon nitride mask layer 114 (400
nm), Ga ions are implanted into the Si nitride film 114 in the pattern of the surface emitting laser region and the wiring region using FIB, and the Si nitride film 114 other than the implanted portion is removed by RIBE using CF 4 gas. I do. At the time of this RIBE, a high resistance region 115 containing 2DEG is formed below the region where the Si nitride film 114 has been removed due to damage by the irradiated ions. As a result, the region through which electrons conduct is limited to the surface emitting laser region 101 and the wiring region 102.

【0053】次いで、図13に示すように、Fラジカル
のドライエッチングによりSi窒化膜114を除去した
後、再びプラズマCVDを用いて全面にSi窒化膜絶縁
層116(100nm)を堆積し、CF4 を用いた等方
性ドライエッチングにより円柱形状の側面に堆積したS
i窒化膜のみを完全に除去し、全面にp型電極117を
蒸着してp−GaAsクラッド層108とコンタクトを
取ることにより、集積化面発光素子の基本構造は完成す
る。
Next, as shown in FIG. 13, after removing the Si nitride film 114 by dry etching of F radicals, an Si nitride film insulating layer 116 (100 nm) is again deposited on the entire surface by plasma CVD, and CF 4 Deposited on the cylindrical side surface by isotropic dry etching using
By completely removing only the i-nitride film, depositing a p-type electrode 117 on the entire surface and making contact with the p-GaAs cladding layer 108, the basic structure of the integrated surface emitting device is completed.

【0054】本実施例における2DEGの配線領域を、
電子のフェルミ波長程度のキャリアの閉じ込め幅を有す
るいわゆる量子細線状に形成すれば、不純物散乱のよう
な弾性散乱の散乱方向の自由度を大幅に減らすことがで
きるために、散乱の効果を大きく抑制することができ
る。その結果、不純物散乱が支配的な低温における電子
の移動度が飛躍的に向上し、キャリアのより高速な制
御、つまりはより高速な素子動作が可能となる。配線領
域を量子細線化した場合には注入キャリアの減少が起こ
るが、量子細線を複数並列に配した多重量子細線構造と
すれば、量子細線の特長を保ったまま注入キャリアを増
大することができる。さらに、多重量子細線による配線
には、量子細線に特徴的に現われる普遍的なタンダクタ
ンスの揺らぎを打ち消す効果があり、それによりキャリ
ア注入の制御性を増大することができる。
In this embodiment, the wiring area of 2DEG is
If it is formed in a so-called quantum wire shape with a carrier confinement width of about the electron Fermi wavelength, the degree of freedom in the scattering direction of elastic scattering such as impurity scattering can be greatly reduced, so the scattering effect is greatly suppressed. can do. As a result, the mobility of electrons at low temperatures at which impurity scattering is dominant is significantly improved, and higher-speed control of carriers, that is, higher-speed device operation becomes possible. In the case where the wiring region is formed into a quantum wire, the number of injected carriers decreases. However, if a multiple quantum wire structure in which a plurality of quantum wires are arranged in parallel can be used, the number of injected carriers can be increased while maintaining the features of the quantum wire. . Furthermore, the wiring using multiple quantum wires has the effect of canceling out the universal fluctuation of the conductance characteristically appearing in the quantum wires, thereby increasing the controllability of carrier injection.

【0055】また、本実施例で述べた2DEGの配線領
域はGaAs/AlGaAsヘテロ構造による典型的な
HEMT構造と同様な層構造をなしているため、配線領
域の一部をスイッチング素子として用いることができ、
簡単な作成プロセスの送信用光電子集積回路を設計する
ことが可能である。さらに、DBRを有する半導体レー
ザは、波長フィルターを有する受光素子としても用いる
ことができるため、同様に簡単な作成プロセスの受信用
光電子集積回路も設計できる。
Since the 2DEG wiring region described in this embodiment has a layer structure similar to a typical HEMT structure of a GaAs / AlGaAs heterostructure, a part of the wiring region may be used as a switching element. Can,
It is possible to design a transmitting optoelectronic integrated circuit with a simple fabrication process. Further, since the semiconductor laser having a DBR can be used as a light receiving element having a wavelength filter, a receiving optoelectronic integrated circuit having a simple manufacturing process can be similarly designed.

【0056】アンドープGaAsチャネル層の2DEG
からInGaAs活性層に電子が注入されるには、バン
ドの曲がりによるポテンシャルの山を越える必要がある
が、面発光レーザ領域のみ適度なバイアス電圧を印加す
ることにより、より効率的に電子の注入を行うことがで
きる。また、ホールの注入に対してAlAsエッチスト
ップ層はポテンシャルバリアとして働くが、膜厚が数原
子層程度と薄いために、抵抗の増大は無視できるほど小
さい。
2DEG of undoped GaAs channel layer
In order to inject electrons into the InGaAs active layer from, it is necessary to cross the potential peak due to the bending of the band, but by applying an appropriate bias voltage only to the surface emitting laser region, the electrons can be injected more efficiently. It can be carried out. Although the AlAs etch stop layer functions as a potential barrier against hole injection, the increase in resistance is negligibly small since the film thickness is as thin as several atomic layers.

【0057】本実施例ではn型キャリアの注入を高移動
度の2DEGで行う例を述べたが、比較的高移動度の2
次元ホールガス(2DHG)も同様にアンドープGaA
s層とp型AlGaAs層(アンドープAlGaAsス
ペーサ層も含めて)のヘテロ界面に形成することが可能
であるため、p型のキャリア注入もより高速な2DHG
による配線で行うことができる。
In this embodiment, an example in which n-type carriers are injected by 2DEG with high mobility has been described.
Dimensional hole gas (2DHG) is also undoped GaAs
Since 2DHG can be formed at the hetero interface between the s layer and the p-type AlGaAs layer (including the undoped AlGaAs spacer layer), p-type carrier injection can be performed at a higher speed.
Wiring.

【0058】本実施例には数種類のドライエッチングプ
ロセスが含まれているが、エッチングダメージの点から
見たエッチング条件(装置,エッチングガス等)の選択
も重要である。つまり、2DEG層に選択的に高抵抗領
域を形成するためのCF4 のRIBEでは、エッチング
に寄与するイオン種が軽く基板中に深く侵入するため
に、200eV程度のイオンエネルギーで2DEG層を
高抵抗化することができる。また、上部DBR層等をエ
ッチングするにはCl2 とArの混合ガスによるRIB
Eを用いるが、イオン種が重いために400eVのイオ
ンエネルギーでも6nm程度しかダメージがいらず、下
地の2DEG層には殆ど影響を与えない。さらに、CC
2 2 のRIEによる選択エッチングのプロセスは、
イオンエネルギーの低いエッチングにより下地の2DE
G層にダメージを与えることなくp型GaAsクラッド
層を除去できるため、配線領域へのp型キャリアの注入
を防ぐことを可能にする。また、FIBのGa注入によ
るSi酸化膜やSi窒化膜へのパターン形成は、30k
eV〜100keVの高エネルギーイオンによって行わ
れるが、400nm程度の膜厚があれば、殆どの注入イ
オンはSi酸化膜やSi窒化膜中に止まり、下地にダメ
ージを与えることはない。
Although this embodiment includes several types of dry etching processes, it is important to select the etching conditions (apparatus, etching gas, etc.) from the viewpoint of etching damage. In other words, in the CF 4 RIBE for selectively forming a high-resistance region in the 2DEG layer, ion species contributing to etching penetrate lightly and deeply into the substrate. Can be To etch the upper DBR layer and the like, a RIB using a mixed gas of Cl 2 and Ar is used.
E is used, but the heavy ion species causes damage of only about 6 nm even at an ion energy of 400 eV, and hardly affects the underlying 2DEG layer. Furthermore, CC
The process of selective etching by RIE of l 2 F 2 is as follows.
2DE of base by etching with low ion energy
Since the p-type GaAs cladding layer can be removed without damaging the G layer, it is possible to prevent injection of p-type carriers into the wiring region. The pattern formation on the Si oxide film or the Si nitride film by the FIB Ga implantation is 30k.
It is performed by high energy ions of eV to 100 keV, but if the film thickness is about 400 nm, most of the implanted ions remain in the Si oxide film or Si nitride film and do not damage the base.

【0059】本実施例のような、活性層がInGaA
s、DBRがAlAs/GaAs、基板がGaAsであ
る面発光レーザは、上側だけでなく基板側からも光を取
り出すことができる。しかし、従来の基板に電極を形成
しキャリアを注入する方法では、基板側電極に光取り出
し用の大きな穴を形成する必要があり、微細な面発光レ
ーザに有効なキャリア注入を行うことが難しい。本実施
例では光取り出しに関する問題なしに、有効なキャリア
注入を行うことができる。そのため、ファイバとの光結
合のための開口構造や、空間的な光結合のためのレンズ
構造を自由に基板に形成することも可能である。
The active layer is made of InGaAs as in this embodiment.
In a surface emitting laser in which s and DBR are AlAs / GaAs and the substrate is GaAs, light can be extracted not only from the upper side but also from the substrate side. However, according to the conventional method of forming an electrode on a substrate and injecting carriers, it is necessary to form a large hole for extracting light in a substrate-side electrode, and it is difficult to perform effective carrier injection for a fine surface emitting laser. In this embodiment, effective carrier injection can be performed without any problem relating to light extraction. Therefore, an aperture structure for optical coupling with a fiber and a lens structure for spatial optical coupling can be freely formed on the substrate.

【0060】かくして本実施例によれば、キャリアの高
速性を生かした面発光素子の高速動作が可能となり、ま
た低抵抗化による消費電力及び発熱量の低減が期待でき
るため、集積化面発光素子の高性能化をはかることがで
きる。さらに、高性能な集積化面発光素子を簡単なプロ
セスで製造することができるため、生産性の向上をはか
ることができる。
As described above, according to the present embodiment, high speed operation of the surface light emitting element utilizing the high speed of the carrier becomes possible, and reduction in power consumption and heat generation due to low resistance can be expected. Performance can be improved. Furthermore, since a high-performance integrated surface emitting device can be manufactured by a simple process, productivity can be improved.

【0061】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be implemented in various modifications without departing from the scope of the invention.

【0062】[0062]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、発光
領域の上下に分布反射膜を有する垂直共振器型面発光の
半導体レーザを利用し、共振器の断面積を変えることに
よってレーザの発振波長を変えているので、1回のリソ
グラフィ・プロセスで複数のレーザの発振波長を決定す
ることができ、かつ高集積化した場合にも光ファイバと
の結合が容易な多波長の半導体レーザアレイを実現する
ことが可能となる。
As described above, according to the present invention, a vertical cavity surface emitting semiconductor laser having distributed reflection films above and below a light emitting region is used, and the cross section of the resonator is changed to change the laser. Since the oscillation wavelength is changed, the oscillation wavelength of a plurality of lasers can be determined by one lithography process, and even when highly integrated, a multi-wavelength semiconductor laser array that can be easily coupled to an optical fiber. Can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施例に係わる半導体レーザアレイの概
略構成を示す図、
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor laser array according to a first embodiment;

【図2】図1の矢視A−A′断面図、FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1;

【図3】レーザ断面の詳細を示す図、FIG. 3 is a diagram showing details of a laser cross section;

【図4】第1の実施例素子の製造工程を示す、FIG. 4 shows a manufacturing process of the first embodiment element.

【図5】第2の実施例に係わる半導体レーザアレイの概
略構成を示す図、
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor laser array according to a second embodiment;

【図6】第3の実施例に係わる半導体レーザアレイの概
略構成を示す図、
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor laser array according to a third embodiment;

【図7】発振波長と導波路の直径との関係を示す図、FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an oscillation wavelength and a diameter of a waveguide;

【図8】直径を変えた時の発振波長の変化量を示す図、FIG. 8 is a diagram showing a change amount of an oscillation wavelength when a diameter is changed;

【図9】電流狭窄構造がない場合とある場合の発振特性
を示す図、
FIG. 9 is a diagram showing oscillation characteristics with and without a current confinement structure;

【図10】別の実施例に係わる集積化面発光素子の概略
構成を示す図、
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of an integrated surface light emitting device according to another embodiment;

【図11】集積化面発光素子の製造工程を示す図、FIG. 11 is a diagram showing a manufacturing process of the integrated surface-emitting element.

【図12】集積化面発光素子の製造工程を示す図、FIG. 12 is a diagram showing a manufacturing process of the integrated surface-emitting element.

【図13】集積化面発光素子の製造工程を示す図、FIG. 13 is a view showing a manufacturing process of the integrated surface-emitting element.

【図14】従来のDFBレーザアレイを示す図、FIG. 14 is a diagram showing a conventional DFB laser array;

【図15】従来の面発光素子の概略構成を示す図。FIG. 15 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional surface emitting element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…面発光レーザ、 2…ポリイミド、 3…p型電極兼反射膜、 4…基板、 5…n型電極、 6…光ファイバ、 11…p型DBR(上部の分布反射膜)、 12…n型DBR(下部の分布反射膜)、 13…位相整合層、 16…p型クラッド層(バリア層)、 17…活性層、 18…n型クラッド層(バリア層)、 20…レジスト、 21…SiO2 膜、 22…金属膜。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Surface emitting laser, 2 ... Polyimide, 3 ... P-type electrode and reflection film, 4 ... Substrate, 5 ... N-type electrode, 6 ... Optical fiber, 11 ... p-type DBR (upper distributed reflection film), 12 ... n DBR (lower distributed reflection film), 13: phase matching layer, 16: p-type cladding layer (barrier layer), 17: active layer, 18: n-type cladding layer (barrier layer), 20: resist, 21: SiO 2 film 22 metal film.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に上下2つの分布反射膜により挟ま
れ、それぞれ電気的に独立した半導体発光領域が複数個
形成され、少なくとも上部の分布反射膜がそれぞれの発
光領域毎に分割され、前記基板表面に対して方線方向に
出力光を放出する複数の半導体レーザからなり、 前記発光領域の前記基板と平行な面の断面積が前記半導
体レーザ毎に異なり、且つ所定の動作電流に対して各々
の半導体レーザの光出力を一定化するように、各々の半
導体レーザの発光領域の一部に電流を狭窄する構造を設
けてなることを特徴とする半導体レーザアレイ。
A plurality of electrically independent semiconductor light-emitting regions sandwiched between two upper and lower distributed reflection films on a substrate, wherein at least an upper distributed reflection film is divided for each light-emitting region; a plurality of semiconductor laser emitting an output light in a square line direction with respect to the substrate surface, Unlike the cross-sectional area of the substrate parallel to the plane of the light emitting region for each of the semiconductor laser, to and a predetermined operating current Each
Of each semiconductor laser to keep the optical output of the semiconductor laser constant.
A structure for confining current is provided in a part of the emission region of a semiconductor laser.
The semiconductor laser array, characterized in that only composed.
【請求項2】前記発光領域の一部に設ける電流狭窄構造
は、前記発光領域の活性層の一部をプロトン打ち込みに
より高抵抗化することにより形成されることを特徴とす
る請求項1記載の半導体レーザアレイ。
2. A current confinement structure provided in a part of the light emitting region.
Is used to implant a part of the active layer in the light emitting region with protons.
It is characterized by being formed by increasing the resistance.
The semiconductor laser array according to claim 1.
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