JP4087152B2 - Surface emitting semiconductor laser device and laser array - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ素子及びレーザアレイに関し、更に詳細には、温度特性の良好な、つまりレーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定して動作する面発光半導体レーザ素子及びレーザアレイに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
面発光半導体レーザ素子は、基板面に対して直交方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、同一基板上に2次元的に多数のレーザ素子を集積できる特長を備えていて、光インターコネクションや光コンピューティングなどの光の並列性を生かした並列光情報処理、或いは大容量並列光伝送などへの適用に適している。また、同一基板上に2次元的に多数の面発光半導体レーザ素子を集積したレーザアレイが最近になって注目されている。
面発光半導体レーザ素子として、近年、GaAs基板上に形成された相互にAl組成の異なるAlGaAs/AlGaAs等のペアからなる一対の半導体多層膜反射鏡と、その一対の半導体多層膜反射鏡の間に設けられ、発光領域となるGaAs活性層とを有する、850nm帯面発光半導体レーザ素子が、データ通信分野で使用する光通信装置の光源として、特に注目されている。
【0003】
上記面発光半導体レーザ素子は、例えばn型のGaAs基板の上面に形成されたn型の半導体多層膜反射鏡(Distributed Bragg Reflector、以下、DBRと言う)と、n型のDBR上にメサポスト構造として形成された活性層及びp型のDBRとを備えている。
DBRを備えた面発光半導体レーザ素子として、メサポスト内のDBRの一部に他のいずれの化合物半導体層よりもAl組成が高い一層または複数層のAlGaAs層を形成し、その高いAl組成の層の一部領域のみを選択的に酸化して電気抵抗の高いAl酸化層を形成し、電流経路を限定するようにした電流狭窄構造を設けることにより、発光効率を高め、しきい値電流を低くした、レーザ特性の良好な面発光半導体レーザ素子が実現している。
【0004】
ここで、図5及び図6を参照して、n型GaAs基板上に形成されたn型DBRと、n型DBR上にメサポスト構造として形成された活性層及びp型DBRとを備え、かつAl酸化層による電流狭窄構造を有する、発光波長850nmの従来の面発光半導体レーザ素子の構成を説明する。図5は従来の面発光半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図で、図6は従来の面発光半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す断面図である。
従来の発光波長850nmの面発光半導体レーザ素子10は、図5及び図6に示すように、基板厚さ約100μmのn−GaAs基板12上に、順次、形成されたn型半導体多層膜からなる下部反射鏡14、AlAs層17の所定領域に電流狭窄構造として形成されたAl酸化層16、ノンドープAlGaAs下部クラッド層18、GaAs量子井戸発光構造20、ノンドープAlGaAs上部クラッド層22、p型多層膜からなる上部反射鏡24、及びp−GaAsキャップ層26からなる積層構造を備えている。
【0005】
積層構造のうち、p−GaAsキャップ層26、上部反射鏡24、ノンドープAlGaAs上部クラッド層22、GaAs量子井戸発光構造20、ノンドープAlGaAs下部クラッド層18、及びAl酸化層16/AlAs層17は、円筒状溝28を設けることによって直径40〜45μmのメサポスト構造30として形成されている。
Al酸化層16は、メサポスト構造30の側壁に沿うAlAs層17中のAlを選択的に酸化することにより形成されている。AlAs層17の中央領域は、酸化されることなくそのままAlAs層として存在し、電流注入経路を構成している。
【0006】
下部反射鏡14は、図6に示すように、n−Al0.9Ga0.1As膜50とn−Al0.2Ga0.8As膜46とが組成傾斜層を介して積層された35.5ペアの多層膜によって構成されている。
上部反射鏡24はp−Al0.9Ga0.1As膜54とp−Al0.2Ga0.8As膜56とが組成傾斜層を介して積層された30ペアの多層膜によって構成されている。
また、Al0.2Ga0.8As膜46(56)及びAl0.9Ga0.1As膜50(54)の膜厚は、それぞれ、40nm及び50nmである。
【0007】
また、上部反射鏡24の最上層は、図5に示すように、n−Al0.9Ga0.1As膜54に代えて、円筒状溝28の溝壁に沿ってAl酸化層16を形成した膜厚50nmのn−AlAs膜17が成膜されている。
つまり、Al酸化層16は、p−AlAs層17の円筒状溝28に面する外側領域のAlが選択的に酸化された層であって、電気抵抗の高い電流狭窄領域として機能する。一方、メサポスト構造30内部にあって酸化され無かったp−AlAs層17は、直径15μmから20μmの円形領域であって、電流注入経路を構成する。
【0008】
円筒状溝28の溝壁、メサポスト構造30上を含めて、全面にシリコン窒化膜32が成膜されている。
そして、メサポスト構造30上面のシリコン窒化膜32は、直径30μmの円形状に除去されて、p−GaAsキャップ層26を露出させている。そこには、内径20μm、外径30μmのリング状のAuZn金属積層膜がp側電極34として形成されている。更に、中央に円形開口を有するようにしてp側電極34を覆って接続したTi/Pt/Au積層金属パッドが、p側電極34の引き出し用電極36として形成されている。
また、n−GaAs基板12の裏面には、AuGeNi/Au膜がn側電極38として形成されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の発光波長850nmの面発光半導体レーザ素子は、光出力の熱飽和特性が良好でないという問題があった。
すなわち、高温の動作環境では、面発光半導体レーザ素子の最大光出力が、飽和状態に達し、それ以上の光出力を出すことが出来なくなるために、最大光出力が低いということである。例えば、図4(b)に示すように、50℃の動作環境で、光出力−電流特性が飽和に近づき、70℃の動作環境では、光出力−電流特性が約8.5mWで飽和し、注入電流を増加しても、光出力が増大しないという問題である。
発光波長850nmの面発光半導体レーザ素子を例に挙げて、光出力の熱飽和特性の問題を説明したが、この問題は発光波長のいかんを問わず、面発光半導体レーザ素子の普遍的な問題である。
【0010】
そこで、本発明の目的は、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定して動作する面発光半導体レーザ素子及びレーザアレイを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の面発光半導体レーザ素子の光出力の熱飽和特性を改善するためには、活性層部分の温度上昇を抑制することが重要であると認識して、研究を重ね、種々の実験を行った結果、次に実験例1及び実験例2として要約する事実を見い出した。
実験例1
本実験では、面発光半導体レーザ素子の熱抵抗Rth(K/W)に注目した。
熱抵抗Rthは、簡単には、各材料の熱伝導率σthと構造寸法(長さl、面積S)により、次にように表される。
Rth=l/(σthS)=ρthl/S
活性層における消費電力をQとすれば、活性層の温度上昇ΔTは、
ΔT=Rth・Q
で表され、熱抵抗Rthが大きいほど、活性層の温度上昇が大きくなる。
【0012】
そこで、面発光半導体レーザ素子の熱抵抗Rth(K/W)を低下させ、活性層部分の温度上昇を抑制することを意図して、熱抵抗Rthを低下させる因子を研究し、次のことが判った。
(1)下部反射鏡の熱伝導率を大きくすると、図7及び図8にそれぞれ示すように、熱抵抗Rthが低下して、活性層部分の温度上昇ΔTを抑制する効果が大きい。
(2)上部反射鏡の熱伝導率を大きくしても、活性層部分の温度上昇を抑制する効果は小さい。
(3)また、実験によれば、AlXGa1-XAs混晶の熱伝導率は、図9に示すように、Al組成(X)に対して非線形性を示し、Xが0近傍で比較的大きく、0.5近傍で極小値を取り、再び大きくなって、1.0で極大になる。
更に、以上の結果を整理すると、図10に示すように、熱抵抗値が低下するにつれて、面発光半導体レーザ素子の最大光出力が増加する。
【0013】
以上の結果から、下部反射鏡の熱伝導率を大きくすることにより、面発光半導体レーザ素子の光出力の熱飽和特性を改善できることが判った。
【0014】
例えば、下部反射鏡の半導体多層膜を構成するAlGaAsのペアは、従来、Al0.9Ga0.1AsとAl0.2Ga0.8Asなどの組み合わせを用いている。そして、Al被酸化層の組成をAl0.98Ga0.02Asやそれ以上の高Al組成、例えばAlAs層にすることにより、Alを選択的に酸化してAl酸化層を形成している。
しかし、Al0.9Ga0.1AsやAl0.2Ga0.8Asは、熱伝導率がそれぞれ25.8W/Km及び15W/Kmであって、AlAsの91.0W/Kmに比べて著しく低い。
【0015】
そこで、低屈折率層として熱伝導率の高いAlAsとAl0.2Ga0.8Asとのペアからなる下部反射鏡を形成することにより、半導体レーザ素子の光出力の熱飽和特性を向上させることを着想し、実験により確認して、本発明を発明するに到った。尚、GaAs基板の熱伝導率は54.0W/Kmであって、Al0.9Ga0.1AsやAl0.2Ga0.8Asの熱伝導率に比べて十分に高い。
【0016】
実験例2
本実験例では、下部反射鏡を構成するに当たり、熱抵抗を低下させるために、下部反射鏡の総ペア数と、AlAs/Al0.2Ga0.8Asのペアのペア数との関係を調べる実験を行った。
AlAs/Al0.2Ga0.8Asのペア数mのペアと、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8Asのペア数nのペアとを有する半導体多層膜(m+n=35)からなり、mを0から35に変えた種々の下部反射鏡を備える半導体レーザ素子試料を試作し、AlAs/Al0.2Ga0.8Asとのペア数mの多寡と熱抵抗の大小及び活性層の温度上昇の大小の関係を調べた。そして、以下の結果を得た。
【0017】
【0018】
実験例2の結果から、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8Asのペア数nが、AlAs/Al0.2Ga0.8Asのペア数mとAl0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8Asのペア数nとの和(m+n)に対して20/35以下であれば、活性層部分の温度上昇をほぼ20℃以下に抑えることができることが判った。
【0019】
上記目的を達成するために、上述の実験例1で得た知見に基づいて、本発明に係る面発光半導体レーザ素子は、基板と、該基板上に設けられ夫々が低屈折率層及び高屈折率層から成るペア層を複数形成した上部及び下部半導体多層膜反射鏡と、該半導体多層膜反射鏡の間に配設された活性層と、前記上部半導体多層膜反射鏡中に設けられた、特定半導体層の一部領域を選択的に酸化してなる電流狭窄層とを有し、電流注入により前記基板と垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザ素子において、
前記下部半導体多層膜反射鏡が、第1の領域と、該第1の領域と前記活性層との間に配設される第2の領域とを備え、前記第1の領域中の前記低屈折率層がAlAs層からなり、前記第2の領域中の前記低屈折率層がAlGaAs層からなることを特徴としている。
【0020】
低屈折率層にAlAs層を採用することにより、下部半導体多層膜反射鏡の熱伝導率が向上し、活性層部分の温度上昇を抑制し、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定して動作する面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
AlAs層よりも酸化速度の遅い材料からなる低屈折率層を有する第2の領域が、前述のように介在することにより、特定半導体層の酸化工程の際に、前述のAlAs層の酸化が防止され、製造工程でのレーザ素子の劣化を効果的に防止することができる。
本発明で、特定半導体層とはAlを含む被酸化層であって、例えばAlyGa1-yAs(0.95≦y≦1.0)層を使用する。
【0021】
前述の第2の領域の構成には制約はないが、好適には、相互にAl組成が異なるAlx1Ga1-x1As(0.5≦x1≦0.92)/Alx2Ga1-x2As(0.15≦x2≦0.5、x1>x2)ペア層として設けられ、下部半導体多層膜反射鏡の一部を構成するようにする。
つまり、前記特定半導体層がAlyGa1-yAs(0.95≦y≦1.0)層であり、前記下部半導体多層膜反射鏡を、AlAs層を低屈折率層として有するペアからなる第1の領域と、前記第1の領域と前記活性層との間に形成され、相互にAl組成が異なるAlx1Ga1-x1As(0.5≦x1≦0.92)/Alx2Ga1-x2As(0.15≦x2≦0.5、x1>x2)ペア層からなる第2の領域とで構成する。
第2の領域を設けることにより、第1の領域のAlAs層が前記エッチングの際に露出して前記AlAs層が酸化してしまうことを防止する酸化防止層として機能する。第2の領域を構成するAlGaAs/AlGaAsのペアは、下部半導体多層膜反射鏡、活性層、クラッド層等をエッチングしてメサポスト構造を形成する際のエッチング深さのマージン層として機能する。
【0022】
更には、上述の実験例2で得た知見に基づいて、m、nを整数とし、前記第1の領域のペア数をm、前記第2の領域のペア数をnとするとき、n/(m+n)≦4/7の関係が成立するようにする。
前述の関係を有することにより、一層確実に、活性層部分の温度上昇を抑制して、レーザ光出力の熱飽和特性を改善することができる。
本発明は特にGaAs基板上に成長する面発光半導体レーザ素子に適用することによって、良好な結果が得られている。
【0023】
本発明は特に前記基板がn型半導体であり、前記下部半導体多層膜反射鏡がn型半導体であり、前記上部半導体多層膜反射鏡がp型半導体である面発光半導体レーザ素子に適用することによって、良好な結果が得られている。
本発明は前記基板がn型半導体であり、前記下部半導体多層膜反射鏡及び前記上部半導体多層膜反射鏡が真性半導体である面発光半導体レーザ素子に適用することによって、特に1300nm帯で高出力な面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
【0024】
本発明は前記基板が半絶縁性基板であり、前記下部半導体多層膜反射鏡がn型半導体であり、前記上部半導体多層膜反射鏡がp型半導体である面発光半導体レーザ素子に適用することによって、電極を同一面上に形成し、フリップチップボンディング等に対応する装置として製造することができる。
本発明は前記基板が半絶縁性基板であり、前記下部半導体多層膜反射鏡及び前記上部半導体多層膜反射鏡が真性半導体である面発光半導体レーザ素子に適用することによって、特に1300nm帯で高出力な面発光半導体レーザ素子で、且つ、電極を同一面上に形成し、フリップチップボンディング等に対応する装置として製造することができる。
【0025】
また、本発明は、発振波長の長短にかかわらず、半導体多層膜反射鏡の材料にAlを含む材料系の面発光半導体レーザ素子に適用できるが、特に発振波長が600〜1600nmの面発光半導体レーザ素子に適用することによって、良好な結果が得られている。
【0026】
また、本発明に係るレーザアレイは、本発明に係る面発光半導体レーザ素子を同一基板上に複数備え、該面発光半導体レーザ素子を1次元又は2次元のアレイ状に集積したことを特徴としている。前述と同様の効果が得られ、これにより用途が拡大する。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る面発光半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図1は本実施形態例の面発光半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図で、図2は本実施形態例の面発光半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す断面図である。図1及び図2に示すもののうち、図5及び図6に示したものと同じものには、同じ符号を付して説明を省略する。
面発光半導体レーザ素子40は、発光波長850nmの面発光型の半導体レーザ素子であって、図1及び図2に示すように、下部反射鏡42の構成が従来の面発光半導体レーザ素子10の下部反射鏡14の構成と異なることを除いて、面発光半導体レーザ素子10と同じ構成を備えている。
【0028】
本実施形態例の下部反射鏡42は、図2に示すように、低屈折率膜として設けられたn−AlAs膜44と、高屈折率膜として設けられたn−Al0.2Ga0.8As膜46の25.5ペアからなる下部多層膜48と、下部多層膜48上に形成され、n−Al0.2Ga0.8As膜46とn−Al0.9Ga0.1As膜50の10ペアからなる上部多層膜52とから構成されている。
n−AlAs膜44の膜厚は、約50nmであり、n−Al0.2Ga0.8As膜46及びn−Al0.9Ga0.1As膜50の膜厚は、それぞれ、約40nm及び約50nmである。
また、上部反射鏡24の最下層は、p−Al0.9Ga0.1As膜54に代えて膜厚50nmのp−AlAs膜17が成膜され、かつAlAs層17中のAlを選択的に酸化することにより、円筒状溝28の側壁に沿ってAl酸化層16が形成されている。Al酸化層16は電流ブロッキング層となり、AlAs層17の中央領域は、酸化されることなくそのままAlAs層として存在し、電流注入経路を構成している。
【0029】
次に、図1及び図2を参照して、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子40の作製方法を説明する。
先ず、有機金属気相成長法(MOCVD法)により、図2に示すように、n−GaAs基板12上に、25.5ペアのn−AlAs膜44/n−Al0.2Ga0.8As膜46からなる下部多層膜48、続いて10ペアのn−Al0.2Ga0.8As膜46/n−Al0.9Ga0.1As膜50からなる上部多層膜52を成長させ、下部反射鏡42を形成する。
【0030】
次いで、上部多層膜52上に、膜厚93nmのノンドープAl0.3Ga0.7As下部クラッド層18、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸構造20、及び膜厚93nmのノンドープAl0.3Ga0.7As上部クラッド層22を成長させる。
GaAs量子井戸発光層3層を含む、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸構造20は、3層の膜厚7nmのGaAs量子井戸層と、膜厚10nmのAl0.2Ga0.8As障壁層とから構成されている。
【0031】
更に、上部クラッド層22上に、p型ドーピングしたp−Al0.9Ga0.1As膜54とp−Al0.2Ga0.8As膜56の30ペアからなる多層膜を成長させて上部反射鏡24を形成する。上部反射鏡24の形成の際、上部反射鏡24の最下層は、p−Al0.9Ga0.1As膜54に代えて、膜厚50nmのp−AlAs層17を成膜する。
続いて、上部反射鏡24の最上層のp−Al0.2Ga0.8As膜56上に膜厚10nmのp−GaAsキャップ層26を成長させる。
【0032】
尚、下部反射鏡42及び上部反射鏡24をそれぞれ構成するn型及びp型多層膜の成膜に際し、各層の界面には、厚さ20nmの組成傾斜層を形成するように成膜する。
また、Al0.2Ga0.8As膜46(56)及びAl0.9Ga0.1As膜50(54)の膜厚は、それぞれ、40nm及び50nmとする。
以上の工程により、図2に示す化合物半導体積層構造体58を形成することができる。
【0033】
次に、化合物半導体積層構造体58のp−GaAsキャップ層26上にプラズマCVD法によりシリコン窒化膜薄膜(図示せず)を成膜し、更にその上にフォトレジスト膜(図示せず)を成膜する。
次いで、直径約40〜45μmの円形パターンをフォトリソグラフィ技術でフォトレジスト膜に転写し、円形レジスト・エッチングマスク(図示せず)を形成する。
【0034】
続いて、円形レジスト・エッチングマスクを用い、CF4ガスをエッチングガスとする反応性イオンエッチング(RIE)法によりシリコン窒化膜薄膜をエッチングする。
更に、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング(RIBE)法を用いて下部反射鏡42の多層膜に到達するまで、上部反射鏡24、上部クラッド層22、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸構造20、及び下部クラッド層18、p−AlAs層17をエッチングして、円筒状溝28を形成する。これにより、柱状のメサポスト構造30ができる。
尚、エッチングの際には、選択酸化層であるp−AlAs膜17と、下部反射鏡42のAlAs/Al0.2Ga0.8Asペアからなる下部多層膜48の間、つまり上部多層膜52で、エッチングの進行を停止させる。つまり、10ペアのn−Al0.2Ga0.8As膜46/n−Al0.9Ga0.1As膜50からなる上部多層膜52をエッチング深さの制御層として機能させる。
【0035】
次に、メサポスト構造30を有する化合物半導体積層構造体58を水蒸気雰囲気中で400℃に加熱し、約25分放置する。
これにより、p−AlAs膜17を選択的に酸化して、図1に示すように、円筒状溝28の溝壁からAl酸化層16を生成すると共にメサポスト構造30の中央領域を元のp−AlAs層17のままとする。
この酸化工程で酸化されなかったメサポスト構造30の中央領域のp−AlAs層17は、直径約15〜20μmの円形領域であって、電流注入経路を構成する。
尚、選択酸化の際、10ペアのn−Al0.2Ga0.8As膜46/n−Al0.9Ga0.1As膜50からなる上部多層膜52の途中でエッチングが停止するため、下部多層膜48中のn−AlAs膜44が酸化してAl酸化層に転化するのを防止することができる。また、これにより製造上の歩留まりを向上させることができる。
【0036】
次いで、シリコン窒化膜薄膜(図示せず)をRIE法により完全に除去した後に、改めて、プラズマCVD法によってシリコン窒化膜薄膜32を全面に成膜する。
メサポスト構造30の上面のシリコン窒化膜32を直径30μmの円形に除去し、そこにp側電極34として内径20μm、外径30μmのリング状のAuZn電極を形成する。更に、p側電極引き出し用電極36としてTi/Pt/Auパッドを形成する。
また、n−GaAs基板12の裏面を研磨して基板厚さを100μm程度に調整した後、裏面にAuGeNi/Au電極を蒸着してn側電極38とする。
最後に、窒素雰囲気中で約400℃でアニール処理を施すと、図1に示す発振波長が約850nmの面発光半導体レーザ素子40を完成することができる。
【0037】
試験例1
本実施形態例の構成を備え、電流経路面積が様々に異なる面発光半導体レーザ素子試料を同一ウェハ上に形成して、実施形態例試料の面発光半導体レーザ素子とした。
次いで、実施形態例試料の電流経路面積と熱抵抗との関係を調べたところ、図3の○に示すような結果を得た。熱抵抗は、発光面積(電流経路面積)が広くなるにつれて小さくなっている。
下部反射鏡にAlAs層を低屈折率膜とする下部多層膜を備えていないことを除いて実施形態例試料と同じ構成を備えた面発光半導体レーザ素子、つまり前述した従来の面発光半導体レーザ素子10と同じ構成の従来例試料を実施形態例試料と同様に作製し、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子に対する比較試料とした。
上述の実施形態例試料と同様にして、比較例試料の電流経路面積と熱抵抗との関係を調べたところ、図3の●に示すような結果を得た。
【0038】
実施形態例試料及び従来例試料の面発光半導体レーザ素子の試験結果の比較から、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子の熱抵抗(K/W)は、従来例の面発光半導体レーザ素子に比べて、電流経路面積約200μm2 から約400μm2 にわたって300K/W程度低い値を示した。
【0039】
試験例2
本実施形態例の面発光半導体レーザ素子を評価するために、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子と同じ構成を備え、発光面積が300μm2 の面発光半導体レーザ素子を上述の実施形態例の方法に従って作製し、実施形態例試料とした。
続いて、動作温度、つまり環境温度をパラメータにして実施形態例試料の電流−光出力特性を測定し、電流−光出力特性の温度依存性を調べたところ、図4(a)に示すような結果を得た。
【0040】
また、下部反射鏡にAlAs層を低屈折率膜とする下部多層膜を備えていないことを除いて実施形態例試料と同じ構成を備えた面発光半導体レーザ素子、つまり前述した従来の面発光半導体レーザ素子10と同じ構成の従来例試料を実施形態例試料と同様に作製し、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子に対する比較試料とした。
続いて、実施形態例試料と同様にして、動作温度、つまり環境温度をパラメータにして従来例試料の電流−光出力特性を測定し、電流−光出力特性の温度依存性を調べたところ、図4(b)に示すような結果を得た。
【0041】
図4(a)と図4(b)との比較から判る通り、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子は、従来例試料に対して、20℃から30℃の室温では光出力特性に顕著な差はないものの、70℃の温度では、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子は、室温での光出力の90%程度の光出力を得ることができ、しかも注入電流を増加させることによって光出力を更に増大させることができる。
一方、従来例の面発光半導体レーザ素子の光出力は、約8.5mWで飽和し、注入電流を増加してもそれ以上の光出力を出すことはできない。
【0042】
以上の試験例1及び2の結果から、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子40は、従来の面発光半導体レーザ素子10に比べて、光出力の熱飽和特性が著しく良好であって、高温の動作環境でも高出力で安定して動作することが実証された。
【0043】
本実施形態例では、活性層20とAlAs/Al0.2Ga0.8Asからなる下部多層膜48との間に10ペアのAl0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8Asからなる上部多層膜52を介在させている。
上部多層膜52は、下部多層膜48の酸化防止層として、またメサポスト形成時のエッチング深さの制御性を良好にするためのエッチング制御層として設けたものであり、AlAs被酸化層17の直下の層でエッチングを停止させることができれば、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8Asのペア数を減らす、もしくはなくすことにより、下部反射鏡の熱抵抗を更に一層低減することができる。
【0044】
本実施形態例では、発振波長850nmの面発光半導体レーザ素子を例にして説明したが、本発明は、発振波長の長短にかかわらず、半導体多層膜反射鏡の材料としてAlを含む材料系であれば適用可能である。
例えば、GaAs基板上に形成した波長900nm以上で発振するGaInAs歪量子井戸活性層を有する面発光半導体レーザ素子や、更にはGaInNAs系量子井戸活性層を有する面発光半導体レーザ素子、量子ドット活性層を有する面発光半導体レーザ素子やGaAs(Sb)系量子井戸活性層を有する面発光半導体レーザ素子などにも適用可能である。
また、本発明は、本実施形態例のような面発光半導体レーザ素子を同一基板上に1次元的又は2次元的に集積したレーザアレイにも適用可能である。
その他、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した面発光半導体レーザ素子も、本発明の範囲に含まれる。
【0045】
【発明の効果】
本発明によれば、下部半導体多層膜反射鏡を構成する低屈折率AlAs層と活性層との間に酸化防止層を設けることにより、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定して動作する面発光半導体レーザ素子及びレーザアレイを歩留まり良く実現している。
本発明により、ペルチェフリー動作が可能な面発光半導体レーザ素子及びレーザアレイが実現でき、データ通信分野で使用する光通信装置の光源などへの応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例の面発光半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。
【図2】実施形態例の面発光半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す断面図である。
【図3】電流経路面積と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図4】図4(a)及び(b)は、それぞれ、動作環境温度をパラメータとした実施形態例試料及び従来例試料の注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
【図5】従来の面発光半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。
【図6】従来の面発光半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す断面図である。
【図7】下部反射鏡の熱伝導率と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図8】下部反射鏡の熱伝導率と活性層部分の温度上昇との関係を示すグラフである。
【図9】AlGaAs混晶の混晶比と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図10】熱抵抗値と面発光半導体レーザ素子の最大光出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10 従来の発光波長850nmの面発光半導体レーザ素子
12 n−GaAs基板
14 n型多層膜からなる下部反射鏡
16 Al酸化層
17 p−AlAs層
18 ノンドープAlGaAs下部クラッド層
20 GaAs量子井戸発光構造
22 ノンドープAlGaAs上部クラッド層
24 p型多層膜からなる上部反射鏡
26 p−GaAsキャップ層
28 円筒状溝
30 メサポスト構造
32 シリコン窒化膜
34 p側電極
36 p側電極の引き出し用電極
38 n側電極
40 実施形態例の発光波長850nmの面発光半導体レーザ素子
42 n型多層膜からなる下部反射鏡
44 n−AlAs膜
46 n−Al0.2Ga0.8As膜
48 下部多層膜
50 n−Al0.9Ga0.1As膜
52 上部多層膜
54 p−Al0.9Ga0.1As膜
56 p−Al0.2Ga0.8As膜
58 化合物半導体積層構造体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser device and a laser array. More specifically, the present invention has good temperature characteristics, that is, good thermal saturation characteristics of laser light output, and operates stably at high output even in a high temperature operating environment. The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser element and a laser array.
[0002]
[Prior art]
A surface-emitting semiconductor laser element is a semiconductor laser element that emits laser light in a direction orthogonal to the substrate surface, and has the feature that a large number of laser elements can be integrated two-dimensionally on the same substrate. It is suitable for parallel optical information processing that makes use of parallelism of light such as connections and optical computing, or for large-capacity parallel optical transmission. Recently, a laser array in which a large number of two-dimensional surface emitting semiconductor laser elements are integrated on the same substrate has been attracting attention recently.
As a surface emitting semiconductor laser element, a pair of semiconductor multilayer mirrors made of a pair of AlGaAs / AlGaAs having different Al compositions formed on a GaAs substrate and a pair of semiconductor multilayer mirrors in recent years are used. An 850-nm band surface emitting semiconductor laser element, which is provided and has a GaAs active layer serving as a light emitting region, is particularly attracting attention as a light source of an optical communication device used in the data communication field.
[0003]
The surface-emitting semiconductor laser element includes, for example, an n-type semiconductor multilayer mirror (hereinafter referred to as DBR) formed on the upper surface of an n-type GaAs substrate, and a mesa post structure on the n-type DBR. The formed active layer and the p-type DBR are provided.
As a surface emitting semiconductor laser device having a DBR, one or a plurality of AlGaAs layers having a higher Al composition than any other compound semiconductor layer are formed in a part of the DBR in the mesa post, and the layer having the higher Al composition is formed. By selectively oxidizing only a part of the region to form an Al oxide layer with high electrical resistance and providing a current confinement structure that limits the current path, the luminous efficiency is increased and the threshold current is lowered. Thus, a surface emitting semiconductor laser element having good laser characteristics has been realized.
[0004]
Here, referring to FIGS. 5 and 6, an n-type DBR formed on an n-type GaAs substrate, an active layer formed as a mesa post structure on the n-type DBR, and a p-type DBR are provided, and Al The structure of a conventional surface emitting semiconductor laser element having an emission wavelength of 850 nm and having a current confinement structure by an oxide layer will be described. FIG. 5 is a perspective sectional view showing a configuration of a conventional surface emitting semiconductor laser element, and FIG. 6 is a sectional view schematically showing a layer structure of the conventional surface emitting semiconductor laser element.
As shown in FIGS. 5 and 6, the conventional surface emitting
[0005]
Of the laminated structure, the p-
The
[0006]
As shown in FIG. 6, the lower reflecting
The
Al0.2Ga0.8As film 46 (56) and Al0.9Ga0.1The film thickness of the As film 50 (54) is 40 nm and 50 nm, respectively.
[0007]
Further, the uppermost layer of the upper reflecting
That is, the
[0008]
A
Then, the
Further, an AuGeNi / Au film is formed as an n-
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional surface emitting semiconductor laser element having an emission wavelength of 850 nm has a problem that the thermal saturation characteristic of the optical output is not good.
That is, in a high-temperature operating environment, the maximum light output of the surface emitting semiconductor laser element reaches a saturated state and cannot output any more light output, so the maximum light output is low. For example, as shown in FIG. 4B, the optical output-current characteristic approaches saturation in an operating environment of 50 ° C., and the optical output-current characteristic is saturated at about 8.5 mW in an operating environment of 70 ° C. Even if the injection current is increased, the light output does not increase.
Taking the surface emitting semiconductor laser device having an emission wavelength of 850 nm as an example, the problem of thermal saturation characteristics of the optical output has been described. This problem is a universal problem of surface emitting semiconductor laser devices regardless of the emission wavelength. is there.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser element and a laser array which have good thermal saturation characteristics of laser light output and can stably operate at high output even in a high temperature operating environment.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has recognized that it is important to suppress the temperature rise of the active layer part in order to improve the thermal saturation characteristic of the light output of the conventional surface emitting semiconductor laser element, As a result of conducting the above experiments, the facts summarized as Experimental Examples 1 and 2 were found.
Experimental example 1
In this experiment, the thermal resistance R of the surface emitting semiconductor laser elementthWe focused on (K / W).
Thermal resistance RthIn simple terms, the thermal conductivity of each material σthAnd the structural dimensions (length l, area S).
Rth= L / (σthS) = ρthl / S
If the power consumption in the active layer is Q, the temperature rise ΔT of the active layer is
ΔT = Rth・ Q
And the thermal resistance RthThe larger the is, the greater the temperature rise of the active layer.
[0012]
Therefore, the thermal resistance R of the surface emitting semiconductor laser elementthThe thermal resistance R is intended to reduce (K / W) and suppress the temperature rise of the active layer portion.thThe following factors were found by studying the factors that decrease
(1) When the thermal conductivity of the lower reflecting mirror is increased, the thermal resistance R as shown in FIGS.thDecreases, and the effect of suppressing the temperature rise ΔT of the active layer portion is large.
(2) Even if the thermal conductivity of the upper reflecting mirror is increased, the effect of suppressing the temperature rise of the active layer portion is small.
(3) Also, according to the experiment, AlXGa1-XAs shown in FIG. 9, the thermal conductivity of the As mixed crystal shows non-linearity with respect to the Al composition (X), and X is relatively large near 0, takes a minimum value near 0.5, and increases again. It becomes maximum at 1.0.
Furthermore, when the above results are arranged, as shown in FIG. 10, the maximum light output of the surface emitting semiconductor laser element increases as the thermal resistance value decreases.
[0013]
From the above results, it was found that the thermal saturation characteristics of the light output of the surface emitting semiconductor laser element can be improved by increasing the thermal conductivity of the lower reflecting mirror.
[0014]
For example, a pair of AlGaAs that constitutes a semiconductor multilayer film of a lower reflector is conventionally Al0.9Ga0.1As and Al0.2Ga0.8A combination such as As is used. And the composition of the Al oxidized layer is changed to Al0.98Ga0.02Al is selectively oxidized to form an Al oxide layer by using an Al or higher Al composition, for example, an AlAs layer.
However, Al0.9Ga0.1As and Al0.2Ga0.8As has a thermal conductivity of 25.8 W / Km and 15 W / Km, respectively, which is significantly lower than 91.0 W / Km of AlAs.
[0015]
Therefore, AlAs and Al having high thermal conductivity as the low refractive index layer.0.2Ga0.8It was conceived to improve the thermal saturation characteristics of the optical output of the semiconductor laser device by forming a lower reflecting mirror made of a pair with As, and the present invention was invented after confirming by experiments. The thermal conductivity of the GaAs substrate is 54.0 W / Km, and Al0.9Ga0.1As and Al0.2Ga0.8It is sufficiently higher than the thermal conductivity of As.
[0016]
Experimental example 2
In this experimental example, in order to reduce the thermal resistance in configuring the lower reflector, the total number of pairs of lower reflectors and AlAs / Al0.2Ga0.8An experiment was conducted to examine the relationship between the number of pairs of As.
AlAs / Al0.2Ga0.8A pair of m pairs of As and Al0.9Ga0.1As / Al0.2Ga0.8A semiconductor laser device sample including various lower reflectors made of a semiconductor multilayer film (m + n = 35) having As pairs of n and m changed from 0 to 35 was fabricated, and AlAs / Al0.2Ga0.8The relationship between the number of pairs with As, the magnitude of the thermal resistance, and the temperature rise of the active layer was investigated. The following results were obtained.
[0017]
[0018]
From the results of Experimental Example 2, Al0.9Ga0.1As / Al0.2Ga0.8The number n of As is AlAs / Al0.2Ga0.8As pairs m and Al0.9Ga0.1As / Al0.2Ga0.8It was found that when the sum (m + n) of the number of As pairs with n is 20/35 or less, the temperature rise of the active layer portion can be suppressed to approximately 20 ° C. or less.
[0019]
In order to achieve the above object, based on the knowledge obtained in Experimental Example 1, the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention is provided with a substrate, a low refractive index layer and a high refractive index provided on the substrate, respectively. An upper and lower semiconductor multilayer film reflecting mirror formed with a plurality of pair layers composed of an index layer, an active layer disposed between the semiconductor multilayer film mirrors, and provided in the upper semiconductor multilayer film mirror, In a surface emitting semiconductor laser element having a current confinement layer formed by selectively oxidizing a partial region of a specific semiconductor layer and emitting laser light perpendicular to the substrate by current injection,
The lower semiconductor multilayer mirror includes a first region and a second region disposed between the first region and the active layer, and the low refraction in the first region The refractive index layer is an AlAs layer, and the low refractive index layer in the second region isAlGaAs layerIt is characterized by consisting of.
[0020]
By adopting the AlAs layer as the low refractive index layer, the thermal conductivity of the lower semiconductor multilayer film reflector is improved, the temperature rise of the active layer portion is suppressed, the thermal saturation characteristics of the laser light output are good, and the high temperature It is possible to realize a surface emitting semiconductor laser element that operates stably at a high output even in an operating environment.
Since the second region having the low refractive index layer made of a material having a slower oxidation rate than the AlAs layer is interposed as described above, the oxidation of the AlAs layer is prevented during the oxidation process of the specific semiconductor layer. In addition, it is possible to effectively prevent the deterioration of the laser element in the manufacturing process.
In the present invention, the specific semiconductor layer is an oxidized layer containing Al, for example, AlyGa1-yAs (0.95 ≦ y ≦ 1.0) layer is used.
[0021]
AboveAlthough there is no restriction on the configuration of the second region, it is preferable that the Al compositions differ from each other.x1Ga1-x1As (0.5 ≦ x1 ≦ 0.92) / Alx2Ga1-x2It is provided as an As (0.15 ≦ x2 ≦ 0.5, x1> x2) pair layer, and constitutes a part of the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror.
That is, the specific semiconductor layer is made of Al.yGa1-yAn As (0.95 ≦ y ≦ 1.0) layer, wherein the lower semiconductor multilayer reflector is formed of a pair of first regions having an AlAs layer as a low refractive index layer; the first region; Al formed between the active layers and having different Al compositions from each otherx1Ga1-x1As (0.5 ≦ x1 ≦ 0.92) / Alx2Ga1-x2The second region is composed of an As (0.15 ≦ x2 ≦ 0.5, x1> x2) pair layer.
Providing the second region functions as an antioxidant layer that prevents the AlAs layer in the first region from being exposed during the etching and oxidizing the AlAs layer. The AlGaAs / AlGaAs pair constituting the second region functions as a margin layer having an etching depth when the mesa post structure is formed by etching the lower semiconductor multilayer reflector, the active layer, the cladding layer, and the like.
[0022]
Furthermore, on the basis of the knowledge obtained in Experimental Example 2 described above, when m and n are integers, the number of pairs in the first region is m, and the number of pairs in the second region is n, n / The relationship (m + n) ≦ 4/7 is established.
By having the above-mentioned relationship, it is possible to more reliably suppress the temperature increase of the active layer portion and improve the thermal saturation characteristics of the laser light output.
Good results have been obtained by applying the present invention to a surface emitting semiconductor laser device grown on a GaAs substrate.
[0023]
The present invention is particularly applicable to a surface emitting semiconductor laser device in which the substrate is an n-type semiconductor, the lower semiconductor multilayer reflector is an n-type semiconductor, and the upper semiconductor multilayer reflector is a p-type semiconductor. Good results have been obtained.
The present invention is applied to a surface emitting semiconductor laser device in which the substrate is an n-type semiconductor, and the lower semiconductor multilayer reflector and the upper semiconductor multilayer reflector are intrinsic semiconductors. A surface emitting semiconductor laser element can be realized.
[0024]
The present invention is applied to a surface emitting semiconductor laser device in which the substrate is a semi-insulating substrate, the lower semiconductor multilayer reflector is an n-type semiconductor, and the upper semiconductor multilayer reflector is a p-type semiconductor. The electrodes can be formed on the same surface and manufactured as a device corresponding to flip chip bonding or the like.
The present invention is applied to a surface emitting semiconductor laser device in which the substrate is a semi-insulating substrate, and the lower semiconductor multilayer reflector and the upper semiconductor multilayer reflector are intrinsic semiconductors. The surface emitting semiconductor laser device can be manufactured as a device corresponding to flip chip bonding or the like by forming electrodes on the same surface.
[0025]
In addition, the present invention can be applied to a surface emitting semiconductor laser element of a material system containing Al as a material for a semiconductor multilayer mirror regardless of the length of the oscillation wavelength, and in particular, a surface emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 600 to 1600 nm. Good results have been obtained by applying the device.
[0026]
A laser array according to the present invention is characterized in that a plurality of surface emitting semiconductor laser elements according to the present invention are provided on the same substrate, and the surface emitting semiconductor laser elements are integrated in a one-dimensional or two-dimensional array. . The same effect as described above can be obtained, thereby expanding the application.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below specifically and in detail with reference to the accompanying drawings.
Example embodiment
This embodiment is an example of an embodiment of a surface emitting semiconductor laser device according to the present invention. FIG. 1 is a perspective sectional view showing the configuration of the surface emitting semiconductor laser device of this embodiment, and FIG. It is sectional drawing which shows typically the layer structure of the surface emitting semiconductor laser element of the example of an embodiment. 1 and FIG. 2 that are the same as those shown in FIG. 5 and FIG.
The surface emitting
[0028]
As shown in FIG. 2, the lower reflecting
The film thickness of the n-AlAs
The lowermost layer of the
[0029]
Next, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, a method for manufacturing the surface emitting
First, as shown in FIG. 2, 25.5 pairs of n-AlAs
[0030]
Next, a non-doped Al film having a thickness of 93 nm is formed on the upper multilayer film 52.0.3Ga0.7As
GaAs / Al containing three GaAs quantum well light-emitting layers0.2Ga0.8The As multiple
[0031]
Further, p-type doped p-Al on the upper cladding layer 22.0.9Ga0.1As
Subsequently, p-Al on the uppermost layer of the
[0032]
When forming the n-type and p-type multilayer films constituting the lower reflecting
Al0.2Ga0.8As film 46 (56) and Al0.9Ga0.1The film thickness of the As film 50 (54) is 40 nm and 50 nm, respectively.
Through the above steps, the compound
[0033]
Next, a silicon nitride thin film (not shown) is formed on the p-
Next, a circular pattern having a diameter of about 40 to 45 μm is transferred to the photoresist film by a photolithography technique to form a circular resist / etching mask (not shown).
[0034]
Subsequently, using a circular resist / etching mask, CFFourThe silicon nitride thin film is etched by reactive ion etching (RIE) using a gas as an etching gas.
Further, the upper reflecting
At the time of etching, the p-AlAs
[0035]
Next, the compound
As a result, the p-AlAs
The p-AlAs
In selective oxidation, 10 pairs of n-Al0.2Ga0.8As
[0036]
Next, after the silicon nitride film thin film (not shown) is completely removed by the RIE method, the silicon nitride film
The
Further, after polishing the back surface of the n-
Finally, when annealing is performed at about 400 ° C. in a nitrogen atmosphere, the surface emitting
[0037]
Test example 1
A surface emitting semiconductor laser element having the configuration of this embodiment example and having different current path areas was formed on the same wafer to obtain a surface emitting semiconductor laser element of the embodiment example sample.
Next, when the relationship between the current path area and the thermal resistance of the sample of the embodiment example was examined, a result as indicated by ◯ in FIG. 3 was obtained. The thermal resistance decreases as the light emitting area (current path area) increases.
A surface emitting semiconductor laser device having the same structure as the sample of the embodiment except that the lower reflecting mirror does not include a lower multilayer film having an AlAs layer as a low refractive index film, that is, the conventional surface emitting semiconductor laser device described above. A conventional sample having the same configuration as that of Example 10 was produced in the same manner as the sample of the embodiment, and used as a comparative sample for the surface emitting semiconductor laser device of this embodiment.
When the relationship between the current path area and the thermal resistance of the comparative example sample was examined in the same manner as the above-described embodiment example sample, the result shown by ● in FIG. 3 was obtained.
[0038]
From the comparison of the test results of the surface emitting semiconductor laser element of the embodiment example sample and the conventional example sample, the thermal resistance (K / W) of the surface emitting semiconductor laser element of this embodiment example is the same as that of the surface emitting semiconductor laser element of the conventional example. Compared with current path area of about 200μm2About 400μm2A value as low as about 300 K / W was exhibited.
[0039]
Test example 2
In order to evaluate the surface emitting semiconductor laser device of this embodiment, the surface emitting semiconductor laser device has the same configuration as that of the surface emitting semiconductor laser device of this embodiment and has a light emitting area of 300 μm.2The surface-emitting semiconductor laser device was manufactured according to the method of the above-described embodiment example, and used as an embodiment example sample.
Subsequently, the current-light output characteristics of the sample of the embodiment were measured using the operating temperature, that is, the environmental temperature as a parameter, and the temperature dependence of the current-light output characteristics was examined. As shown in FIG. The result was obtained.
[0040]
A surface emitting semiconductor laser device having the same configuration as the sample of the embodiment except that the lower reflecting mirror does not include a lower multilayer film having an AlAs layer as a low refractive index film, that is, the conventional surface emitting semiconductor described above. A conventional sample having the same configuration as that of the
Subsequently, the current-light output characteristics of the conventional sample were measured using the operating temperature, that is, the environmental temperature as a parameter, in the same manner as the embodiment sample, and the temperature dependence of the current-light output characteristics was examined. The result as shown in 4 (b) was obtained.
[0041]
As can be seen from a comparison between FIG. 4A and FIG. 4B, the surface-emitting semiconductor laser device of this embodiment has a remarkable light output characteristic at room temperature of 20 ° C. to 30 ° C. compared to the conventional sample. Although there is no significant difference, at a temperature of 70 ° C., the surface emitting semiconductor laser element of this embodiment can obtain an optical output of about 90% of the optical output at room temperature, and by increasing the injection current. The light output can be further increased.
On the other hand, the optical output of the conventional surface emitting semiconductor laser element is saturated at about 8.5 mW, and even if the injection current is increased, no further optical output can be produced.
[0042]
From the results of Test Examples 1 and 2 above, the surface emitting
[0043]
In the present embodiment example, the
The
[0044]
In the present embodiment example, the surface emitting semiconductor laser element having an oscillation wavelength of 850 nm has been described as an example. However, the present invention may be a material system including Al as the material of the semiconductor multilayer reflector regardless of the length of the oscillation wavelength. If applicable.
For example, a surface emitting semiconductor laser element having a GaInAs strained quantum well active layer that oscillates at a wavelength of 900 nm or more formed on a GaAs substrate, a surface emitting semiconductor laser element having a GaInNAs quantum well active layer, and a quantum dot active layer The present invention is also applicable to a surface emitting semiconductor laser device having a surface emitting semiconductor laser device having a GaAs (Sb) -based quantum well active layer.
The present invention can also be applied to a laser array in which surface-emitting semiconductor laser elements as in this embodiment are integrated one-dimensionally or two-dimensionally on the same substrate.
In addition, a surface emitting semiconductor laser element in which various modifications and changes are made from the configuration of the above embodiment is also included in the scope of the present invention.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention, by providing an antioxidant layer between the low refractive index AlAs layer constituting the lower semiconductor multilayer reflector and the active layer, the thermal saturation characteristic of the laser light output is good and the operating environment is high. However, a surface emitting semiconductor laser element and a laser array that operate stably at a high output are realized with a high yield.
According to the present invention, a surface emitting semiconductor laser element and a laser array capable of Peltier-free operation can be realized, and application to a light source of an optical communication device used in the data communication field is expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective sectional view showing a configuration of a surface emitting semiconductor laser element according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a layer structure of a surface emitting semiconductor laser element according to an embodiment.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between current path area and thermal resistance.
FIGS. 4A and 4B are graphs showing the relationship between the injection current and light output of the example embodiment sample and the conventional example sample, respectively, using the operating environment temperature as a parameter.
FIG. 5 is a perspective sectional view showing a configuration of a conventional surface emitting semiconductor laser element.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a layer structure of a conventional surface emitting semiconductor laser element.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between thermal conductivity and thermal resistance of the lower reflecting mirror.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thermal conductivity of the lower reflecting mirror and the temperature rise of the active layer portion.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the mixed crystal ratio of AlGaAs mixed crystal and thermal conductivity.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the thermal resistance value and the maximum light output of the surface emitting semiconductor laser element.
[Explanation of symbols]
10 Conventional surface emitting semiconductor laser device having an emission wavelength of 850 nm
12 n-GaAs substrate
14 Lower reflector made of n-type multilayer film
16 Al oxide layer
17 p-AlAs layer
18 Non-doped AlGaAs lower cladding layer
20 GaAs quantum well light emitting structure
22 Non-doped AlGaAs upper cladding layer
24 Upper reflector made of p-type multilayer film
26 p-GaAs cap layer
28 Cylindrical groove
30 Mesa post structure
32 Silicon nitride film
34 p-side electrode
36 Lead electrode for p-side electrode
38 n-side electrode
40 Surface-emitting semiconductor laser device having an emission wavelength of 850 nm according to the embodiment
42 Lower reflector made of n-type multilayer film
44 n-AlAs film
46 n-Al0.2Ga0.8As film
48 Lower multilayer film
50 n-Al0.9Ga0.1As film
52 Upper multilayer film
54 p-Al0.9Ga0.1As film
56 p-Al0.2Ga0.8As film
58 Compound Semiconductor Multilayer Structure
Claims (10)
前記下部半導体多層膜反射鏡が、第1の領域と、該第1の領域と前記活性層との間に配設される第2の領域とを備え、前記第1の領域中の前記低屈折率層がAlAs層からなり、前記第2の領域中の前記低屈折率層がAlGaAs層からなることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。A substrate, and upper and lower semiconductor multilayer reflectors formed on the substrate, each of which is formed with a plurality of pair layers composed of a low refractive index layer and a high refractive index layer, are disposed between the semiconductor multilayer reflectors. An active layer, and a current confinement layer provided in the upper semiconductor multilayer film reflector by selectively oxidizing a partial region of the specific semiconductor layer, and a laser perpendicular to the substrate by current injection. In a surface emitting semiconductor laser device that emits light,
The lower semiconductor multilayer mirror includes a first region and a second region disposed between the first region and the active layer, and the low refraction in the first region 2. A surface emitting semiconductor laser device comprising: a refractive index layer made of an AlAs layer; and the low refractive index layer in the second region made of an AlGaAs layer .
Priority Applications (1)
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