JP3243772B2 - Surface emitting semiconductor laser - Google Patents
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、基板に垂直方向に光を
出射させる面発光半導体レーザの偏波面制御に関するも
のであり、本発明の面発光半導体レーザにより、偏波面
の固定された安定な光源を提供することが可能となる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polarization control of a surface emitting semiconductor laser for emitting light in a direction perpendicular to a substrate. It is possible to provide a light source.
【0002】[0002]
【従来の技術】周知のように、面発光レーザは、低しき
い値で動作し、高速変調および大規模二次元集積化が可
能であり、光通信、光情報処理システムを構成するデバ
イスとして期待されている。2. Description of the Related Art As is well known, a surface emitting laser operates at a low threshold, is capable of high-speed modulation and large-scale two-dimensional integration, and is expected as a device constituting an optical communication and optical information processing system. Have been.
【0003】従来の面発光レーザの概略の断面構造を図
6に示す。図6(a)は半導体多層膜を反射膜として使
用している場合を、(b)は誘電体多層膜を反射膜とし
て使用している場合を、(c)は金属膜を反射鏡として
使用している場合を、それぞれ示している。すなわち、
図6(a)に示す構造は、活性層2を半導体多層膜1お
よび3で挟んだ構造である。また、図6(b)に示す構
造は、上から順にコンタクト層5、クラッド層6、活性
層7、クラッド層8およびInGaAsP層9からなる
積層の上下を誘電体多層膜4および10で挟んだ構造で
ある。さらに、図6(c)に示す構造は、同様に上から
順にコンタクト層12、クラッド層13、活性層14、
クラッド層15およびInGaAsP層16からなる積
層の上下を金属膜11および17で挟んだ構造を有す
る。また、これらの反射鏡の組み合わせで構成される面
発光レーザも存在する。FIG. 6 shows a schematic sectional structure of a conventional surface emitting laser. 6A shows a case where a semiconductor multilayer film is used as a reflection film, FIG. 6B shows a case where a dielectric multilayer film is used as a reflection film, and FIG. 6C shows a case where a metal film is used as a reflection mirror. Are shown, respectively. That is,
The structure shown in FIG. 6A is a structure in which an active layer 2 is sandwiched between semiconductor multilayer films 1 and 3. In the structure shown in FIG. 6B, the dielectric multilayer films 4 and 10 sandwich the stack of the contact layer 5, the clad layer 6, the active layer 7, the clad layer 8, and the InGaAsP layer 9 in this order from the top. Structure. Further, the structure shown in FIG. 6C also has a contact layer 12, a cladding layer 13, an active layer 14,
It has a structure in which a metal film 11 and 17 sandwich the upper and lower portions of a stack composed of the cladding layer 15 and the InGaAsP layer 16. There is also a surface emitting laser composed of a combination of these reflecting mirrors.
【0004】しかし、これらの面発光レーザは、偏波面
を制御する構造はなにもなく、チップごと、あるいは同
じチップにおいても電流注入レベルによって偏波面が変
化していた。従って、偏波面依存性のある測定系での使
用や、アレイ状での使用が困難であった。However, these surface-emitting lasers have no structure for controlling the plane of polarization, and the plane of polarization has changed depending on the current injection level for each chip or even in the same chip. Therefore, it has been difficult to use it in a measurement system having polarization plane dependency and to use it in an array.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記欠点を
改善するために提案されたもので、その目的は、任意の
方向に偏波面を固定でき、注入電流レベルに影響されず
に安定な偏波面を持つ面発光半導体レーザを提供するこ
とにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed in order to improve the above-mentioned drawbacks. It is an object of the present invention to fix a polarization plane in an arbitrary direction and to obtain a stable polarization without being influenced by an injection current level. An object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser having a polarization plane.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、基板面に対し、垂直方向の共振器を有
し、活性層の上下を反射鏡で挟んだ構造の面発光半導体
レーザにおいて、前記反射鏡の一方あるいは双方の内
部、または前記反射鏡と前記活性層の間、および前記反
射鏡の外部のいずれかの位置に、所定の第1の方向には
連続であるが、それと垂直な第2の方向には離散的な格
子状金属膜を有していることを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a surface emitting device having a structure in which a resonator is provided in a direction perpendicular to a substrate surface and an active layer is sandwiched between reflectors above and below an active layer. In the semiconductor laser, a position is continuous in a predetermined first direction inside one or both of the reflecting mirrors, between the reflecting mirror and the active layer, and at any position outside the reflecting mirror. And a discrete grid-like metal film in a second direction perpendicular thereto.
【0007】すなわち、本発明の請求項1の面発光半導
体レーザは、基板面に対し垂直方向の共振器を有し、活
性層の上下を反射鏡で挟んだ構造の面発光半導体レーザ
であり、所定の第1の方向には連続であるが、該第1の
方向と垂直な第2の方向には離散的である格子状の金属
体が、発振光の光路に位置する前記反射鏡の内部に配置
されていることを特徴とする。That is, a surface emitting semiconductor laser according to a first aspect of the present invention is a surface emitting semiconductor laser having a resonator perpendicular to a substrate surface and having a structure in which an active layer is sandwiched between upper and lower reflectors. A grid-like metal body that is continuous in a predetermined first direction but is discrete in a second direction perpendicular to the first direction is located inside the reflecting mirror located in the optical path of the oscillation light. Characterized by being arranged in
【0008】また、請求項2の面発光半導体レーザは、
基板面に対し垂直方向の共振器を有し、活性層の上下を
反射鏡で挟んだ構造の面発光半導体レーザであり、所定
の第1の方向には連続であるが、該第1の方向と垂直な
第2の方向には離散的である格子状の金属体が、発振光
の光路に位置する前記反射鏡と前記活性層との間に配置
されていることを特徴とする。Further, the surface emitting semiconductor laser according to claim 2 is
A surface emitting semiconductor laser having a resonator perpendicular to a substrate surface and having a structure in which an active layer is sandwiched between reflectors above and below an active layer. The semiconductor laser is continuous in a predetermined first direction. And a lattice-shaped metal body that is discrete in a second direction perpendicular to the active layer is disposed between the reflector and the active layer located in the optical path of the oscillation light.
【0009】[0009]
【0010】[0010]
【0011】請求項3の面発光半導体レーザは、前記各
構成において、金属体が格子状の金属薄膜であることを
特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the above structure, the metal body is a lattice-shaped metal thin film.
【0012】請求項4の面発光半導体レーザは、請求項
1または2の構成において、金属体が所望の層上に溝を
配列してなる凹凸形状における凸部の頭頂部と凹部の底
部に堆積した金属薄膜であることを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the first or second aspect, the metal body is deposited on the top of the convex portion and the bottom of the concave portion in the concavo-convex shape in which grooves are arranged on a desired layer. Characterized in that it is a metal thin film.
【0013】請求項5の面発光半導体レーザは、請求項
3の構成において、格子状の金属薄膜の幅と間隔が、発
光波長程度かそれよりも小さいことを特徴とする。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the surface emitting semiconductor laser according to the third aspect, wherein the width and the interval of the lattice-shaped metal thin film are about the emission wavelength or smaller.
【0014】そして、請求項6の面発光半導体レーザ
は、請求項4の構成において、溝の幅と深さおよび間隔
が、発光波長程度かそれよりも小さいことを特徴とす
る。According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth aspect, the width, depth, and interval of the groove are about the emission wavelength or smaller.
【0015】[0015]
【作用】本発明の面発光半導体レーザでは、前記したよ
うに、片側あるいは両側の反射鏡の内部、または反射鏡
と活性層の間、または反射鏡の外部に、発光波長程度あ
るいはそれよりも細い幅と間隔を持つ格子状金属体を有
している。そのため、格子状金属体の格子方向に電場を
持つ偏波は、吸収または反射される。一方、格子と垂直
方向に電場を持つ偏波は、吸収も反射もされない。つま
り、格子方向とその他の方向での反射率が異なるので、
格子状金属体の方向により偏波面が決定されることにな
る。According to the surface emitting semiconductor laser of the present invention, as described above, the emission wavelength is about the emission wavelength or thinner inside the reflector on one or both sides, between the reflector and the active layer, or outside the reflector. It has a grid-like metal body with a width and an interval. Therefore, polarized waves having an electric field in the lattice direction of the lattice-shaped metal body are absorbed or reflected. On the other hand, polarized light having an electric field perpendicular to the grating is neither absorbed nor reflected. In other words, the reflectance in the grating direction is different from that in other directions,
The plane of polarization is determined by the direction of the lattice-shaped metal body.
【0016】[0016]
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
【0017】(実施例1)図1(a)は、本発明による
面発光半導体レーザの第1の実施例を示す基本構造の断
面図である。同図において、符号18は単結晶InPの
半導体基板、19はこの半導体基板18上に形成された
単結晶InPと単結晶InGaAsPからなる半導体多
層膜反射鏡であり、その厚さは、屈折率をn、発振波長
をλで表せば、λ/(4・n)である。また、符号20
は発光波長のピークが1.55μmである単結晶InG
aAsPからなる発光層であり、21は発光層20にキ
ャリアを閉じ込めるための単結晶InPからなるクラッ
ド層、22は単結晶InGaAsPからなるコンタクト
層である。また、符号24は、電子ビーム露光装置によ
り形成した、金属膜の格子状パターンであり、25は屈
折率の異なる2種の誘電体からなる多層膜反射鏡であ
る。さらに、符号23はコンタクト層22にオーミック
電極を形成するための金属であり、27、28は電流を
狭窄するためp型およびn型InPからなる電流ブロッ
ク層である。(Embodiment 1) FIG. 1A is a sectional view of a basic structure showing a first embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the present invention. In the figure, reference numeral 18 denotes a semiconductor substrate of single crystal InP, 19 denotes a semiconductor multilayer film reflecting mirror made of single crystal InP and single crystal InGaAsP formed on the semiconductor substrate 18, and its thickness has a refractive index. If n and the oscillation wavelength are represented by λ, it is λ / (4 · n). Also, reference numeral 20
Is a single crystal InG having an emission wavelength peak of 1.55 μm.
A light emitting layer made of aAsP, 21 is a cladding layer made of single crystal InP for confining carriers in the light emitting layer 20, and 22 is a contact layer made of single crystal InGaAsP. Reference numeral 24 denotes a lattice pattern of a metal film formed by an electron beam exposure apparatus, and reference numeral 25 denotes a multilayer film reflecting mirror made of two kinds of dielectric materials having different refractive indexes. Further, reference numeral 23 denotes a metal for forming an ohmic electrode on the contact layer 22, and reference numerals 27 and 28 denote current blocking layers made of p-type and n-type InP for constricting current.
【0018】図1(b)は、この素子の上面図であり、
この図では、誘電体多層膜25を除いて示してある。図
中、符号29は発光領域を示す。FIG. 1B is a top view of the device.
In this figure, the dielectric multilayer film 25 is not shown. In the figure, reference numeral 29 indicates a light emitting area.
【0019】次に、図に示した素子の各部について詳細
に説明する。Next, each part of the device shown in the figure will be described in detail.
【0020】n型InP基板18上に、禁制帯幅が波長
にして1.4μmに対応するn型InGaAsP(厚さ
0.112μm)とn型InP(厚さ0.122μm)
を34対積層して、半導体多層膜反射鏡19とする。次
いで、発光層20であるInGaAsPを、光学波長で
2波長分(約0.875μm)の厚さで積層するととも
に、p型InPクラッド層21を、光学波長の9/4倍
分(約1.1μm)の厚さで積層する。コンタクト層2
2は、禁制帯幅が波長にして1.4μmに対応するp型
InGaAsPコンタクト層とする。コンタクト層22
上の発光領域29を避けた部分に、Au,Zn,Ni等
の金属を使って、オーミック電極23を形成する。その
上に、幅100nm、間隔100nm、厚さ30nmの
金の格子状パターン24を、電子ビーム露光装置を用い
て形成する。そして、発光領域29の上部に誘電体膜S
iO2 とTiO2 を交互に積層して誘電体多層膜25を
形成するが、ここでは発振に必要な反射率以下の反射率
を与える6対分を積層する。コンタクト層に接触する最
下層が低屈折率のSiO2 であり、最上層はTiO2 に
なる。SiO2 の厚さは約0.26μm、TiO2 の厚
さは約0.16μmである。電流はp型コンタクト層2
2に形成されたオーミック電極23とn型基板に形成さ
れたオーミック電極26を通して流れる。この場合、格
子と垂直方向に電場を持つ光は、格子状金属膜24での
反射を受けないので、誘電体多層膜25で与えられる反
射率のみで反射される。これに対し、格子方向に電場を
持つ光は、そのうちのほとんどは金属膜24で反射され
る。反射されなかった光は、金属膜が薄いため、金属膜
による強い吸収を受けず透過していく。透過した光はそ
の上にある誘電体の多層膜25で反射される。従って、
格子方向に電場を持つ光は、それに垂直方向に電場を持
つ光より高い反射率を感じることになる。よって、この
方向での発振が生じることになる。On the n-type InP substrate 18, n-type InGaAsP (0.112 μm thick) and n-type InP (0.122 μm thick) whose forbidden band width corresponds to 1.4 μm in wavelength are provided.
Are stacked to form a semiconductor multi-layer film reflecting mirror 19. Next, InGaAsP, which is the light emitting layer 20, is laminated with a thickness of two optical wavelengths (about 0.875 μm), and the p-type InP cladding layer 21 is 9/4 times the optical wavelength (about 1. (1 μm). Contact layer 2
Reference numeral 2 denotes a p-type InGaAsP contact layer whose forbidden bandwidth corresponds to a wavelength of 1.4 μm. Contact layer 22
An ohmic electrode 23 is formed using a metal such as Au, Zn, or Ni in a portion other than the upper light emitting region 29. A gold lattice pattern 24 having a width of 100 nm, an interval of 100 nm, and a thickness of 30 nm is formed thereon using an electron beam exposure apparatus. Then, a dielectric film S is formed on the light emitting region 29.
The dielectric multilayer film 25 is formed by alternately laminating iO 2 and TiO 2. Here, six pairs for providing a reflectance equal to or lower than the reflectance required for oscillation are laminated. A SiO 2 bottom layer of low refractive index in contact with the contact layer, the top layer becomes TiO 2. The thickness of SiO 2 is about 0.26 μm, and the thickness of TiO 2 is about 0.16 μm. The current is the p-type contact layer 2
2 and an ohmic electrode 26 formed on the n-type substrate. In this case, light having an electric field in a direction perpendicular to the lattice is not reflected by the lattice metal film 24, and is reflected only by the reflectance given by the dielectric multilayer film 25. On the other hand, most of the light having an electric field in the lattice direction is reflected by the metal film 24. The light not reflected passes through the metal film without being strongly absorbed by the metal film because the metal film is thin. The transmitted light is reflected by the dielectric multilayer film 25 thereon. Therefore,
Light having an electric field in the lattice direction will perceive a higher reflectivity than light having an electric field in the vertical direction. Therefore, oscillation occurs in this direction.
【0021】(実施例2)図2は、本発明の第2の実施
例を示す断面図である。上記の実施例と異なり、基板側
の反射鏡も格子状金属膜24と屈折率の異なる2種の誘
電体からなる多層膜反射鏡25にしたものである。この
場合、n型InPクラッド層30の厚さは光学波長の9
/4倍分(約1.1μm)であり、このクラッド層30
の下の層31は禁制帯幅が波長にして1.4μmに対応
するn型InGaAsP層である。この素子の構成で
は、InP基板18を選択性のあるエッチング液でエッ
チングしてInGaAsP層31の表面を露出し、その
上に幅100nm、間隔100nm、厚さ30nmの金
の格子状パターンの金属膜24を電子ビーム露光装置を
用いて形成する。その上にSiO2 とTiO2 からなる
誘電体多層膜25を6対積層する。InGaAsP層3
1に接触する方が低屈折率のSiO2 であり、最下層は
TiO2 になる。(Embodiment 2) FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention. Unlike the above embodiment, the substrate-side reflecting mirror is also a multi-layered film reflecting mirror 25 made of a lattice-like metal film 24 and two kinds of dielectrics having different refractive indexes. In this case, the thickness of the n-type InP cladding layer 30 is 9 optical wavelengths.
/ 4 times (approximately 1.1 μm).
The lower layer 31 is an n-type InGaAsP layer whose band gap corresponds to a wavelength of 1.4 μm. In this device configuration, the InP substrate 18 is etched with a selective etching solution to expose the surface of the InGaAsP layer 31, and a metal film of a gold lattice pattern having a width of 100 nm, a spacing of 100 nm, and a thickness of 30 nm is formed thereon. 24 is formed using an electron beam exposure apparatus. Six pairs of dielectric multilayer films 25 made of SiO 2 and TiO 2 are stacked thereon. InGaAsP layer 3
The one in contact with 1 is SiO 2 having a lower refractive index, and the lowermost layer is TiO 2 .
【0022】また、前記第1、第2の実施例において、
格子状金属膜24を幅400nm、間隔300nmのタ
ングステンの格子状パターンとし、その厚さを、電場の
振幅が1/e(eは自然対数の底)になる厚さ(表皮の
深さ)よりも厚い200nmとし、格子方向に電場を持
つ光がほとんど透過しないようにすると、格子の方向に
電場を持つ光は、大きな吸収損失を受け、反射率は大き
くならない。一方、格子と垂直方向の光は、格子状金属
膜24での吸収を受けないので、誘電体多層膜で与えら
れる大きな反射率で反射される。従って、この格子と垂
直な方向での発振が生じることになる。この場合、誘電
体多層膜は発振に必要な反射率を与えるようにしなけれ
ばならないのは言うまでもない。In the first and second embodiments,
The lattice-shaped metal film 24 is a tungsten lattice pattern having a width of 400 nm and a spacing of 300 nm, and the thickness thereof is determined by the thickness (depth of the skin) at which the amplitude of the electric field is 1 / e (e is the base of natural logarithm). If the thickness is set to 200 nm and light having an electric field in the lattice direction is hardly transmitted, light having an electric field in the lattice direction receives a large absorption loss, and the reflectance does not increase. On the other hand, light in the direction perpendicular to the lattice is not absorbed by the lattice-like metal film 24, and is reflected at a large reflectance given by the dielectric multilayer film. Therefore, oscillation occurs in a direction perpendicular to the lattice. In this case, it is needless to say that the dielectric multilayer film must provide a reflectance necessary for oscillation.
【0023】(参考例1) 図3は、本発明の第1の参考例を示す断面図である。n
型InP基板18上に、禁制帯幅が波長にして1.4μ
mに対応するn型InGaAsP(厚さ0.112μ
m)とn型InP(厚さ0.122μm)とを34対積
層して、半導体多層膜(反射鏡)19を形成する。次い
で、発光層20であるInGaAsを光学波長で2波長
分(約0.875μm)の厚さに形成する。さらに、そ
の上に、p型InP(厚さ0.122μm)と禁制帯幅
が波長にして1.4μmに対応するp型InGaAsP
(厚さ0.112μm)とを25対積層して、半導体多
層膜(反射鏡)32を形成する。この多層膜32の最終
のp型InGaAsP層上の発光領域を避けた部分に、
Au、Zn、Ni等の金属を使って、オーミック電極2
3を形成する。さらに、その上に、幅100nm、間隔
100nm、厚さ30nmの金の格子状パターン24を
電子ビーム露光装置を用いて形成する。(First Embodiment) FIG. 3 is a sectional view showing a first embodiment of the present invention. n
The band gap is 1.4 μm in wavelength on the InP substrate 18.
n-type InGaAsP (thickness: 0.112 μm)
m) and n-type InP (thickness: 0.122 μm) are stacked in 34 pairs to form a semiconductor multilayer film (reflection mirror) 19. Next, InGaAs, which is the light emitting layer 20, is formed with a thickness of two optical wavelengths (about 0.875 μm). Furthermore, on top of this, p-type InP (thickness: 0.122 μm) and a p-type InGaAsP whose band gap corresponds to a wavelength of 1.4 μm
(Thickness: 0.112 μm) are laminated to form a semiconductor multilayer film (reflecting mirror) 32. In a portion of the multilayer film 32 on the final p-type InGaAsP layer except for the light emitting region,
An ohmic electrode 2 made of a metal such as Au, Zn, Ni, etc.
Form 3 Further, a gold lattice pattern 24 having a width of 100 nm, an interval of 100 nm, and a thickness of 30 nm is formed thereon using an electron beam exposure apparatus.
【0024】この場合、格子と垂直方向に電場を持つ光
は、格子状金属膜での反射を受けないので、半導体多層
膜で与えられる反射率のみで反射される。この反射率の
値は発振には不十分であるため発振はしない。これに対
し、格子方向に電場を持つ光は、半導体多層膜による反
射と、金属膜による反射の両方を受ける。この反射率
は、発振のために必要とされる反射率を越えているた
め、発振が可能となる。従って、格子方向に電場を持つ
光のみが選択的に発振することになる。In this case, light having an electric field perpendicular to the lattice is not reflected by the lattice metal film, and is reflected only by the reflectance given by the semiconductor multilayer film. Oscillation does not occur because the value of the reflectance is insufficient for oscillation. On the other hand, light having an electric field in the lattice direction receives both reflection by the semiconductor multilayer film and reflection by the metal film. Since the reflectance exceeds the reflectance required for oscillation, oscillation is possible. Therefore, only light having an electric field in the lattice direction selectively oscillates.
【0025】上記実施例では、コンタクト層と反射鏡の
間に格子状金属膜を形成し、参考例では、反射鏡の外部
に形成したが、本発明では、これら実施例または参考例
において、反射鏡の内部に格子状金属膜を形成した構成
が可能である。In the above embodiment, the lattice-like metal film is formed between the contact layer and the reflecting mirror, and in the reference example, the metal film is formed outside the reflecting mirror. A configuration in which a lattice-like metal film is formed inside a mirror is possible.
【0026】上記実施例1または2では、発光層が長波
長系InGaAsPのバルクであったが、他の材料系あ
るいは量子井戸構造、歪構造などでも適用できる。さら
に、上記実施例1または2では半導体による埋込み構造
で電流狭窄を行っているが、イオン注入等による電流狭
窄でも良いし、電流狭窄構造になっていなくても良い。
また、格子状金属膜としては金以外の銀やアルミニウム
等の高反射率を得ることのできる材料でも同様な効果が
期待できる。一方、タングステン以外のニッケル、白金
などの金属や合金等の吸収損失の多い材料を使っても、
偏波面の制御が可能である。また、格子状金属の格子の
幅と間隔は、波長に比べ十分細い場合が最も効果が大き
いが、波長程度にしても同様の効果が期待できる。In the first or second embodiment, the light emitting layer is made of a long-wavelength InGaAsP bulk material. However, the present invention can be applied to other material systems, quantum well structures, strained structures and the like. Further, in the first or second embodiment, the current confinement is performed by the buried structure made of the semiconductor. However, the current confinement may be performed by ion implantation or the like, or the current confinement may not be performed.
In addition, similar effects can be expected with a material that can obtain a high reflectance, such as silver or aluminum, other than gold, as the lattice-like metal film. On the other hand, even if a material with a large absorption loss such as a metal or alloy such as nickel and platinum other than tungsten is used,
The polarization plane can be controlled. The effect is greatest when the width and interval of the lattice of the lattice-shaped metal are sufficiently narrower than the wavelength, but the same effect can be expected even when the width is about the wavelength.
【0027】(参考例2) 図4(a)は、本発明の第2の参考例を示す基本構造の
断面図である。同図において、符号18は単結晶InP
の半導体基板であり、19はこの半導体基板18上に形
成された単結晶InPと単結晶InGaAsPからなる
半導体多層膜反射鏡であり、その厚さは、屈折率をn、
発振波長をλで表すと、λ/(4・n)である。また、
符号20は発光波長のピークが1.55μmである単結
晶InPと単結晶InGaAsPからなる活性層であ
る。符号22は発光領域の上部に凹凸のついたInGa
AsP結晶であり、23はオーミック電極を形成するた
めの金属であり、24は金属膜である。また、符号2
7、28は電流を狭窄するためのp型およびn型InP
からなる電流ブロック層である。(Embodiment 2) FIG. 4A is a sectional view of a basic structure showing a second embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 18 denotes a single crystal InP
Is a semiconductor multi-layer reflector made of single-crystal InP and single-crystal InGaAsP formed on the semiconductor substrate 18, and has a thickness of n, a refractive index of n,
When the oscillation wavelength is represented by λ, it is λ / (4 · n). Also,
Reference numeral 20 denotes an active layer composed of single-crystal InP and single-crystal InGaAsP having an emission wavelength peak of 1.55 μm. Reference numeral 22 denotes InGa with an unevenness on the upper part of the light emitting region.
23 is a metal for forming an ohmic electrode, and 24 is a metal film. Also, reference numeral 2
7 and 28 are p-type and n-type InPs for confining current.
It is a current block layer composed of:
【0028】次に、上記構成の素子の各部について詳細
に説明する。Next, each part of the element having the above configuration will be described in detail.
【0029】n型InP基板18上に、禁制帯幅が波長
にして1.4μmに対応するn型InGaAsP(0.
112μm)とn型InP(0.122μm)を34対
積層する。次いで、活性層20の発光層であるInGa
AsPを光学波長で2波長分(約0.875μm)積層
し、さらにその上にp型InP(0.112μm)と禁
制帯幅が波長にして1.4μmに対応するP型InGa
AsP(0.112μm)とを20対積層する。InG
aAsP層22上の発光領域を避けた部分に、Au、Z
n、Ni等の金属を使って、オーミック電極23を形成
する。その後、電子ビーム露光装置を用いて幅100n
mレジストパターンを形成する。そして、硫酸系のエッ
チャントを用いてInGaAsP層をエッチングし、そ
の後、レジストを除去する。そして、全面に金を蒸着す
ることでレーザ構造が完成する。電流はオーミック電極
23とn型基板18に形成されたオーミック電極26を
通して流される。図4(b)は、前記InGaAsPコ
ンタクト層22上の凹凸の溝部分の拡大図である。凹凸
の溝の深さ方向に垂直な方向に電場を持つ光は、半導体
多層膜で与えられる反射率のみで反射される。これに対
し、凹凸の溝の深さ方向に電場を持つ光は、半導体多層
膜による反射と溝を形成している凹部上の金属膜による
反射、さらに、溝を形成している凸部上の金属膜による
反射を受ける。従って、溝の深さ方向に電場を持つ光
は、それに垂直方向に電場を持つ光より高い反射率を感
じることになる。よって、この方向での発振が生じるこ
とになる。On an n-type InP substrate 18, an n-type InGaAsP (0 .0) having a band gap corresponding to a wavelength of 1.4 μm is formed.
112 μm) and 34 pairs of n-type InP (0.122 μm). Next, InGa which is a light emitting layer of the active layer 20 is used.
AsP is laminated for two optical wavelengths (approximately 0.875 μm), and p-type InP (0.112 μm) and P-type InGa whose forbidden bandwidth corresponds to a wavelength of 1.4 μm are further formed thereon.
20 pairs of AsP (0.112 μm) are laminated. InG
Au and Z are formed on the portion of the aAsP layer 22 other than the light emitting region.
The ohmic electrode 23 is formed using a metal such as n or Ni. Thereafter, the width is 100 n using an electron beam exposure apparatus.
An m resist pattern is formed. Then, the InGaAsP layer is etched using a sulfuric acid-based etchant, and thereafter, the resist is removed. Then, a laser structure is completed by depositing gold on the entire surface. The current flows through the ohmic electrode 23 and the ohmic electrode 26 formed on the n-type substrate 18. FIG. 4B is an enlarged view of a groove portion having irregularities on the InGaAsP contact layer 22. Light having an electric field in a direction perpendicular to the depth direction of the concave and convex grooves is reflected only by the reflectance given by the semiconductor multilayer film. On the other hand, light having an electric field in the depth direction of the concave and convex grooves is reflected by the semiconductor multilayer film, reflected by the metal film on the concave portion forming the groove, and further reflected on the convex portion forming the groove. It is reflected by the metal film. Therefore, light having an electric field in the depth direction of the groove has a higher reflectivity than light having an electric field in the vertical direction. Therefore, oscillation occurs in this direction.
【0030】(参考例3) 図5は、本発明の第3の参考例を示すものであり、上記
の参考例2において、活性層20上部の反射鏡を、屈折
率の異なる2種の誘電体からなる多層膜反射鏡25にし
たものである。この場合、p型InPクラッド層21の
厚さは、光学波長の9/4倍分(約1.1μm)であ
り、このクラッド層21上の層22は禁制帯幅が波長に
して1.4μmに対応するp型InGaAsP層(約
0.3μm)である。発光領域を避けた部分に、Au、
Zn、Ni等の金属を使ってオーミック電極23を形成
し、全面にSiO2 とTiO2 からなる誘電体多層膜
25を6対積層する。InGaAsPに接触する方が低
屈折率のSiO2 であり、最終層はTiO2 になる。
この誘電体多層膜を発光領域の上部を覆うように残し、
かつオーミック電極が露出するようにフッ素系のガスを
用いてエッチングする。そして、発光領域上に残った誘
電体多層膜上に幅100nm、間隔100nmのレジス
トパターンを形成し、フッ素系のガスを用いて表面のT
iO2 膜をエッチングする。その後、レジストを酸素
プラズマ中で除去し、表面全体に金を30nm蒸着す
る。(Embodiment 3) FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention. In the above-mentioned Embodiment 2, the reflecting mirror on the active layer 20 is replaced with two kinds of dielectric materials having different refractive indexes. This is a multi-layer reflecting mirror 25 made of a body. In this case, the thickness of the p-type InP cladding layer 21 is 9/4 times the optical wavelength (about 1.1 μm), and the layer 22 on this cladding layer 21 has a forbidden band width of 1.4 μm in wavelength. Is a p-type InGaAsP layer (about 0.3 μm). Au, in the part avoiding the light emitting area,
An ohmic electrode 23 is formed using a metal such as Zn or Ni, and a dielectric multilayer film 25 made of SiO2 and TiO2 is laminated in six pairs on the entire surface. The one that comes into contact with InGaAsP is SiO2 having a lower refractive index, and the final layer is TiO2.
This dielectric multilayer film is left so as to cover the upper part of the light emitting region,
Etching is performed using a fluorine-based gas so that the ohmic electrode is exposed. Then, a resist pattern having a width of 100 nm and an interval of 100 nm is formed on the dielectric multilayer film remaining on the light emitting region, and the surface of the resist is etched using a fluorine-based gas.
Etch the iO2 film. Thereafter, the resist is removed in oxygen plasma, and gold is deposited to a thickness of 30 nm on the entire surface.
【0031】上記参考例2、3では、反射鏡の上部の層
に凹凸を形成し、この凹部底面と凸部上面の金属を堆積
させたが、本発明では、反射鏡の内部に凹凸を形成して
金属を堆積させるか、あるいは、コンタクト層と反射鏡
の間に凹凸を形成して金属を堆積させる。In the above Reference Examples 2 and 3, irregularities are formed on the upper layer of the reflecting mirror, and the metal on the concave bottom surface and the convex upper surface is deposited. In the present invention, however, the irregularities are formed inside the reflecting mirror. To deposit the metal, or to form the unevenness between the contact layer and the reflector to deposit the metal.
【0032】上記参考例2、3において、反射鏡の内部
に凹凸を形成して金属を堆積させるか、あるいは、コン
タクト層と反射鏡の間に凹凸を形成して金属を堆積させ
た本発明の実施例では、発光層が長波長系InGaAs
Pのバルクとする代わりに、他の材料系あるいは量子井
戸構造、歪構造などでも適用できる。さらに、半導体に
よる埋込み構造で電流狭窄を行う代わりに、イオン注入
等による電流狭窄でも良いし、電流狭窄構造になってい
なくても良い。また、凹凸部に堆積させる金属としては
金以外の銀やアルミニウム等の高反射率を得ることので
きる材料でも同様な効果が期待できる。In the above-mentioned Reference Examples 2 and 3, a metal is deposited by forming irregularities inside the reflecting mirror, or a metal is deposited by forming irregularities between the contact layer and the reflecting mirror. In the embodiment, the light emitting layer is made of a long wavelength system InGaAs.
Instead of using P bulk, another material system, a quantum well structure, a strain structure, or the like can be applied. Further, instead of performing the current confinement by the embedded structure of the semiconductor, the current may be confined by ion implantation or the like, or the current confinement may not be performed. Further, as a metal deposited on the concave and convex portions, a material other than gold, such as silver or aluminum, which can obtain a high reflectance, can expect the same effect.
【0033】凹凸の幅と間隔および深さは、発光波長に
比べ十分細い場合が最も効果が大きいが、発光波長程度
にしても同様の効果が期待できる。The effect is greatest when the width, interval and depth of the unevenness are sufficiently narrower than the emission wavelength, but the same effect can be expected even when the emission wavelength is about the same.
【0034】[0034]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の面発光半
導体レーザは、片側あるいは両側の反射鏡の内部、また
は反射鏡と活性層の間、または反射鏡の外部に、格子状
金属体を有しているため、使用する金属体の性質によ
り、格子方向と平行あるいは垂直方向に偏波面が固定さ
れ、注入電流レベルを変えても同じ偏波面を維持する。
また、アレイ構造を形成しても全てが同じ偏波面で発振
する。As described above, the surface emitting semiconductor laser of the present invention has a lattice-like metal body provided inside one or both reflecting mirrors, between the reflecting mirror and the active layer, or outside the reflecting mirror. Because of this, the plane of polarization is fixed parallel or perpendicular to the lattice direction depending on the properties of the metal body used, and the same plane of polarization is maintained even when the level of the injected current is changed.
Even if an array structure is formed, all oscillate on the same plane of polarization.
【図1】本発明による面発光半導体レーザの第1の実施
例を示すもので、(a)は断面構造図、(b)は上面図
である。FIGS. 1A and 1B show a first embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the present invention, wherein FIG. 1A is a sectional structural view and FIG. 1B is a top view.
【図2】本発明による面発光半導体レーザの第2の実施
例の断面構造図である。FIG. 2 is a sectional structural view of a surface emitting semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1の参考例の断面構造図である。FIG. 3 is a sectional structural view of a first reference example of the present invention.
【図4】本発明の第2の参考例を示すものであり、
(a)は断面構造図、(b)は(a)の凹凸溝部分の拡
大図である。FIG. 4 shows a second reference example of the present invention;
(A) is a sectional structural view, and (b) is an enlarged view of the concave and convex groove portion of (a).
【図5】本発明の第3の参考例の断面構造図である。FIG. 5 is a sectional structural view of a third reference example of the present invention.
【図6】従来の面発光半導体レーザの断面構造を示すも
ので、(a)は半導体多層膜を反射鏡として使用してい
る面発光半導体レーザの断面構造図、(b)は誘電体多
層膜を反射鏡として使用している面発光半導体レーザの
断面構造図、(c)は金属膜を反射鏡として使用してい
る面発光半導体レーザの断面構造図である。6A and 6B show a cross-sectional structure of a conventional surface-emitting semiconductor laser, in which FIG. 6A is a cross-sectional structure diagram of a surface-emitting semiconductor laser using a semiconductor multilayer film as a reflecting mirror, and FIG. Is a cross-sectional structure diagram of a surface-emitting semiconductor laser using as a reflecting mirror, and (c) is a cross-sectional structure diagram of a surface-emitting semiconductor laser using a metal film as a reflecting mirror.
1 半導体多層膜 2 活性層 3 半導体多層膜 4 誘電体多層膜 5 コンタクト層 6 クラッド層 7 活性層 8 クラッド層 9 InGaAsP層 10 誘電体多層膜 11 金属膜 12 コンタクト層 13 クラッド層 14 活性層 15 クラッド層 16 InGaAsP層 17 金属膜 18 InP半導体基板 19 半導体多層膜 20 活性層 21 クラッド層 22 コンタクト層 23 オーミック電極 24 格子状金属 25 誘電体多層膜 26 オーミック電極 27 p−InP埋込み層 28 n−InP埋込み層 29 発光領域 30 クラッド層 31 InGaAsP層 32 半導体多層膜 REFERENCE SIGNS LIST 1 semiconductor multilayer film 2 active layer 3 semiconductor multilayer film 4 dielectric multilayer film 5 contact layer 6 cladding layer 7 active layer 8 cladding layer 9 InGaAsP layer 10 dielectric multilayer film 11 metal film 12 contact layer 13 cladding layer 14 active layer 15 cladding Layer 16 InGaAsP layer 17 Metal film 18 InP semiconductor substrate 19 Semiconductor multilayer film 20 Active layer 21 Cladding layer 22 Contact layer 23 Ohmic electrode 24 Lattice metal 25 Dielectric multilayer film 26 Ohmic electrode 27 p-InP embedded layer 28 n-InP embedded Layer 29 light emitting region 30 cladding layer 31 InGaAsP layer 32 semiconductor multilayer film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−21889(JP,A) 特開 平5−21890(JP,A) 特表 平8−503816(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/183 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-5-21889 (JP, A) JP-A-5-21890 (JP, A) Table 8-8-503816 (JP, A) (58) Survey Field (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/183
Claims (6)
活性層の上下を反射鏡で挟んだ構造の面発光半導体レー
ザにおいて、 所定の第1の方向には連続であるが、該第1の方向と垂
直な第2の方向には離散的である格子状の金属体が、発
振光の光路に位置する前記反射鏡の内部に配置されてい
ることを特徴とする面発光半導体レーザ。1. A resonator having a resonator perpendicular to a substrate surface,
In a surface emitting semiconductor laser having a structure in which a top and a bottom of an active layer are sandwiched between reflectors, a grating that is continuous in a predetermined first direction but is discrete in a second direction perpendicular to the first direction. A surface-emitting semiconductor laser, wherein a metal body in a shape of a circle is arranged inside the reflecting mirror located in the optical path of oscillation light.
活性層の上下を反射鏡で挟んだ構造の面発光半導体レー
ザにおいて、 所定の第1の方向には連続であるが、該第1の方向と垂
直な第2の方向には離散的である格子状の金属体が、発
振光の光路に位置する前記反射鏡と前記活性層との間に
配置されていることを特徴とする面発光半導体レーザ。2. A resonator having a resonator perpendicular to a substrate surface.
In a surface emitting semiconductor laser having a structure in which a top and a bottom of an active layer are sandwiched between reflectors, a grating that is continuous in a predetermined first direction but is discrete in a second direction perpendicular to the first direction. A surface-emitting semiconductor laser, comprising: a metal body disposed between the reflector and the active layer located in an optical path of oscillation light.
とを特徴とする請求項1または2に記載の面発光半導体
レーザ。3. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein said metal body is a lattice-shaped metal thin film.
なる凹凸形状における凸部の頭頂部と凹部の底部に堆積
した金属薄膜であることを特徴とする請求項1または2
に記載の面発光半導体レーザ。4. The metal body according to claim 1, wherein the metal body is a metal thin film deposited on the top of the convex portion and the bottom of the concave portion in an uneven shape in which grooves are arranged on a desired layer.
4. The surface emitting semiconductor laser according to item 1.
光波長程度かそれよりも小さいことを特徴とする請求項
3に記載の面発光半導体レーザ。5. The surface emitting semiconductor laser according to claim 3, wherein the width and the interval of the lattice-shaped metal thin film are about the emission wavelength or smaller.
長程度かそれよりも小さいことを特徴とする請求項4に
記載の面発光半導体レーザ。6. The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the width, depth, and interval of the groove are about the emission wavelength or smaller.
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