JP4224981B2 - Surface emitting semiconductor laser device and method for manufacturing the same - 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およびその製造方法に関し、特に、垂直共振器型の面発光半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザでは、特開平8−139412号公報や、特開2000−174340号公報に開示されているような面発光半導体レーザ素子や、特開平11−54843号公報に開示されているような端面発光半導体レーザ素子がある。
【0003】
面発光半導体レーザ素子のうち、垂直共振器型の面発光半導体レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL) 素子では、断面が円形の光ビームを得ることができるだけでなく、複数の発光部分を二次元的に単一基板上に高密度に集積することもできる。また、VCSELは、低い消費電力で動作し、低コストで製造することができる。
このような特徴のため、VCSELは次世代の通信および光情報処理のための光源として注目され、これまでに様々な研究が行なわれている。
【0004】
上記の面発光半導体レーザ素子は、基板の垂直方向に光共振器を持っており、DBR(Distributed Bragg Reflector )ミラーと称される100%近い反射率をもつ高反射多層膜を反射鏡として、素子の発光領域においてレーザ光を増幅させる。
【0005】
このDBRミラーは、屈折率(n)が異なり、厚さがλ/4(λ:波長)からなる2つの薄い層をペアとして、それを20〜40層にも積み重ねることによって反射率を100%近くにしている。
【0006】
しかし組成差を大きく取るとDBRミラーを構成する2層間の接合部分に存在するヘテロ接合バリアが大きくなり、素子抵抗を大きくしてしまう。また、逆に、組成差を小さくすると、所望の反射率を確保するためにDBRミラーのペア数を増やす必要があり、ヘテロ接合バリアは小さくなるが、ミラー厚が厚くなることから素子抵抗を大きくする原因となってしまう。
【0007】
このDBRミラーに起因する素子抵抗は、100Ωから200Ωと非常に高く、これからの光通信等に必要な高速動作にとって不利なものとなってしまう。
上記のDBRミラーの欠点を改善するため、従来の面発光半導体レーザ素子には、いくつかの構造があり、その代表的な例について以下に説明する。
【0008】
図12(a)は、従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図12(a)に示す面発光半導体レーザ素子は、n型GaAs基板101上に、n型DBRミラー102、n型クラッド層103、活性層104、p型クラッド層105、p型DBRミラー106が積層されており、当該p型DBRミラー106上にp型キャップ層107を介してp側電極109が形成され、また、n型GaAs基板101のn型DBRミラー102の積層側とは反対側にn側電極111が形成されている。
【0009】
n型DBRミラー102は、屈折率の異なる2種の半導体材料として、例えば、n型のAlAs層およびn型のGaAs層が交互に積層された多層構造を有している。
【0010】
p型DBRミラー106は、図12(b)の拡大断面図に示すように、ミラーを構成するアルミニウムの組成比が小さく厚さd1のAlx Ga1-x As(x=0〜0.2)層106aと、アルミニウムの組成比が大きく厚さd2のAlx Ga1-x As(x=0.8〜1.0)層106bとの間に、アルミニウムの組成比がAlx Ga1-x As層106a,106bの中間程度で厚さd3のAlx Ga1-x As(x=0.4〜0.6)層106cが中間層として挿入されて一つの組を構成しており、上記の組を何十層も積み重ねることにより形成されている。
【0011】
このとき、p型DBRミラー106におけるp型不純物のドーピング濃度は、p型DBRミラー106の中間層の部分のみを1×1018atoms/cm3 以上にする高濃度ドーピングを行なうことが好ましい。p型DBRミラー106に均一にp型不純物をドーピングすると、p型DBRミラー106全体に非発光再結合中心が発生してしまい無効電流が大きくなってしまうからである。
【0012】
図12(a)および(b)に示す面発光半導体レーザ素子では、組成比を大きくとった層の間に中間の組成比をもつ中間層を挿入することにより、ヘテロ接合バリアが急峻となるのを防止することができることから、素子抵抗を低減することができる。
【0013】
図13は、他の従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図13に示す面発光半導体レーザ素子は、n型GaAs基板201上に、n型DBRミラー202、n型クラッド層203、活性層204、p型クラッド層205、p型DBRミラー206が積層されており、p型DBRミラー206を避けた領域におけるp型クラッド層205上に、p型キャップ層207を介してp側電極209が形成され、また、n型GaAs基板201のn型DBRミラー202の積層側とは反対側にn側電極211が形成されている。
【0014】
n型DBRミラー202は、屈折率の異なる2種の半導体材料として、例えば、n型のAlAs層およびn型のGaAs層が交互に積層された多層構造を有しており、p型DBRミラー206も同様に、例えば、p型のAlAs層およびp型のGaAs層が交互に積層された多層構造を有している。
【0015】
図13に示す構造では、p型DBRミラー206を避けた領域におけるp型クラッド層205上に、p型キャップ層207を介してp側電極209が形成されていることから、p型DBRミラー206の抵抗を考慮する必要はなく、活性層204へ電流を注入することができることから、素子抵抗を低減することができる。
【0016】
図12および図13に示す面発光半導体レーザ素子の構造により、面発光半導体レーザ素子の素子抵抗は10〜15Ωとなり、飛躍的な素子の低抵抗化に成功している。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の面発光半導体レーザ素子にはそれぞれに問題がある。
図12(a)および(b)に示す面発光半導体レーザ素子では、p型DBRミラー106を形成するために、アルミニウム組成比の小さいAlGaAs層106aとアルミニウム組成比の大きいAlGaAs層106bとの間に、中間的なアルミニウム組成比をもつAlGaAs層106cを挿入しなければならず、エピタキシャルプロファイルが今までよりもずっと複雑化してしまい、エピタキシャル層の組成、膜厚、不純物のドーピングプロファイル等に精密な制御をほどこさなければならない。その結果、安定した構造を有する面発光レーザ素子を安価に製造することへの妨げとなる。
【0018】
また、図13に示す面発光半導体レーザ素子では、p側電極209がp型DBRミラー206から離れて形成されるため、電流注入領域が、活性層204の発光領域から10数μm以上離れてしまい、p側電極209の直下の活性層204へ最短経路で流れる電流成分が大きくなり、活性層204の発光領域内で中央部よりも周辺部において発光が集中する。
このため、外部より観察される発光強度は、中央部が低く、周辺部が強い不均一なものになってしまっていた。また、さらに、従来技術では、しきい値電流低減やp型クラッド層205上への電極形成のために、p型DBRミラー206を10数μmに微細加工する必要があったため、このp型DBRミラー206の物理強度は非常に低くなってしまうという問題があった。
【0019】
また、特開平2000−261088号公報等に示すように、一般に温度の変化によって出力特性が変動することから端面発光半導体レーザ素子において放熱特性を改善することが行なわれており、このことは面発光半導体レーザ素子においても同様であり、活性層の発光領域の発光により発生した熱を外部へ放散させて温度特性に優れた面発光半導体レーザ素子を作製することが望まれている。
【0020】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、素子抵抗が低く温度特性に優れ、安定した構造を有する面発光半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の面発光半導体レーザ素子は、第1の反射多層膜と、前記第1の反射多層膜に形成された第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層に形成され、発光領域をもつ活性層と、前記活性層の発光領域に形成された第2のクラッド層と、前記第2のクラッド層に形成された第2の反射多層膜とが積層されて構成され、積層方向において前記第1の反射多層膜を貫通して前記第1のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に形成された第1の電極と、前記積層方向において前記活性層および前記第1のクラッド層を挟んで前記第1の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第2の反射多層膜の外周に、前記第2のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第2の電極とが形成され、前記発光領域、前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層、前記第1の反射多層膜および前記第2の反射多層膜が光共振器を構成している
【0022】
上記の本発明の面発光半導体レーザ素子によれば、第1および第2の電極の一部が、光共振器の光共振エリアを除く光共振エリアの近傍において、活性層に近づくように光共振器内に埋め込まれて形成されていることから、電極から活性層の発光領域へ電流注入する経路が短くなる。また、活性層の発光領域に電極が近づくことにより、活性層の発光領域において発光により発生した熱が当該電極に伝達され、電極を介して素子外へ放散される。さらに、活性層の発光領域に電極が近づくことにより、光共振エリアから外れた光が当該電極によって反射された場合に、再び活性層の発光領域へ戻されることとなる。
【0023】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、第1の反射多層膜と、前記第1の反射多層膜に第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層に、発光領域をもつ活性層と第2のクラッド層と第2の反射多層膜とを順次積層する工程と、積層方向において前記活性層および前記第1のクラッド層を挟んで前記第1の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第2の反射多層膜の外周に、前記第2のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第2の電極用の溝を形成する工程と、前記第2の電極用の溝内を埋め込んで前記第2の反射多層膜上に第2の電極を形成する工程と、前記積層方向において前記第1の反射多層膜を貫通して前記第1のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に第1の電極用の溝を形成する工程と、前記第1の電極用の溝内を埋め込んで前記第1の反射多層膜上に第1の電極を形成する工程とを有する。
【0024】
上記の本発明の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、第1および第2の電極を形成する際に、光共振器用層の光共振エリアを除く光共振エリアの近傍において、光共振器用層に溝を形成し、溝内を埋め込んで反射多層膜上に電極を形成することにより、上述した作用を有する面発光半導体レーザ素子が製造される。そして、電極から活性層の発光領域へ電流注入する経路が短くなることから、反射多層膜の製造において抵抗値による制限が緩和される。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の面発光半導体レーザ素子およびその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0026】
第1実施形態
図1は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図1に示す面発光半導体レーザ素子では、n型GaAs基板1上に、n型反射多層膜2、n型クラッド層3、活性層4、p型クラッド層5、p型反射多層膜6およびp型キャップ層7からなるエピタキシャル成長層が形成されている。
【0027】
n型反射多層膜2より活性層4側のエピタキシャル成長層には、素子形成領域を除いてプロトンあるいは酸素イオン等がイオン注入されることで絶縁化されており、これによって素子分離絶縁膜8が形成されている。
【0028】
n型GaAs基板1上に形成されたn型反射多層膜2、n型クラッド層3、活性層4、p型クラッド層5、p型反射多層膜6が光共振器を構成しており、素子分離絶縁膜8に囲まれたエピタキシャル成長層の中央部が光共振エリアArとなり、当該光共振エリアArにおける活性層4が実質的に発光する発光領域となる。光共振エリアArの径は、例えば、2〜5μm程度である。
【0029】
上記のp型キャップ層7からn型クラッド層3におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアArを避け、かつ光共振エリアArの近傍から外側へと複数の溝が形成されており、当該溝内に埋め込まれて断面が櫛状のp側電極9が形成されている。エピタキシャル成長層においてp側電極9と接続する部分には、p側電極9とのオーミック接触を達成するための亜鉛が導入された拡散領域10が形成されている。
【0030】
上記の溝は、光共振エリアArから同心円状に形成されており、図2の上面図に示すように、このエピタキシャル成長層内に埋め込まれたp側電極9の埋め込み部91は、レーザ光出射口Cを中心として、同心円状に形成されている。
【0031】
p型キャップ層7およびp側電極9は、レーザ光出射口Cにおいて除去されており、また、n型GaAs基板1のn型反射多層膜2の積層側とは反対側にn側電極11が形成されている。
以下に、上記積層構造の構成の一例を詳細に説明する。
【0032】
n型反射多層膜2は、屈折率の異なる2種の半導体材料、例えば、n型AlAs層とn型GaAs層をペアーとして繰り返し積層された構造を有しており、分布反射器(Distributed Bragg Reflector:DBR)を構成している。DBRは、屈折率(n)が異なり、厚さがλ/4(λ:波長)からなる2つの薄い層をペアーとして、それを何十層(20〜40)にも積み重ねることによって反射率を100%近くにしたミラーである。なお、n型反射多層膜2は、例えばSiO2 とTi2 Oをペアーとして誘電体層を複数積層させるような誘電体ミラーであってもよい。
【0033】
活性層4は、例えば、ウェル層として機能するIn0.2 Ga0.8 Asと、バリア層として機能するGaAsとを含む歪量子井戸構造を有し、この活性層4を挟み込んでn型クラッド層3およびp型クラッド層5が形成され、例えば、n型クラッド層3はn型のAl0.5 Ga0.5 Asからなり、p型クラッド層5は、p型のAl0.5 Ga0.5 Asからなる。
【0034】
p型反射多層膜6は、例えば、p型AlAs層と、p型GaAs層をペアーとして繰り返し積層された構造を有しており、上側の分布反射器(DBR)として機能する。なお、p型反射多層膜6は、上述した誘電体ミラーにより構成されていてもよい。
【0035】
p型キャップ層7は、p側電極9とオーミック接触を形成するために設けられており、例えば、p型の不純物であるZnが高濃度に導入されたp型GaAsにより構成され、そのレーザ光出射口Cにおいて開口が形成されている。
【0036】
p側電極9は、例えば、p型キャップ層7側から例えばTi層/Pt層/Au層が順に積層されて形成されており、n側電極11は、例えば、n型GaAs基板1側からAuGe合金層/Ni層/Au層が順に積層されて形成されている。
【0037】
次に、上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造方法について、図3〜図5を参照して説明する。
【0038】
まず、図3(a)に示すように、n型GaAs基板1上に、n型反射多層膜2、n型クラッド層3、活性層4、p型クラッド層5、p型反射多層膜6、p型キャップ層7を構成する複数の半導体層を、MBE法(分子線エピタキシー法)やMOCVD法(有機金属気相成長法)等によってエピタキシャル成長させる。
【0039】
次に、図3(b)に示すように、p型キャップ層7上に、レジストを塗布し、リソグラフィ技術により素子形成領域を保護するレジストマスク20を形成し、当該レジストマスク20をマスクとして、酸素イオンやプロトン等をイオン注入することにより、n型クラッド層3までのエピタキシャル成長層を絶縁化させて、素子分離絶縁膜8を形成する。その後、レジストマスク20を除去する。
【0040】
次に、図4(c)に示すように、p型キャップ層7上に再度レジストを塗布し、リソグラフィ技術により光共振エリアArを保護しかつ溝形成領域に開口をもつパターンでレジストマスク21を形成し、当該レジストマスク21をエッチングマスクとして、RIE(Reactive Ion Etching) 等の異方性エッチングを行なうことにより、p型キャップ層7から活性層4を突き抜ける溝Mを形成する。その後、レジストマスク21を除去する。
【0041】
次に、図4(d)に示すように、p型キャップ層7上に再度レジストを塗布し、リソグラフィ技術により光共振エリアArを保護するパターンのレジストマスク22を形成し、当該レジストマスク22をマスクとして、エピタキシャル成長層に亜鉛を拡散させることにより、拡散領域10を形成する。
【0042】
次に、図5(e)に示すように、p側電極となる電極材料を溝M内に完全に埋め込んだ後、リフトオフ法により、レジストマスク22上に堆積した金属材料とともにレジストマスク22を除去して、溝Mに埋め込まれレーザ光出射口Cに開口を有するp側電極9を形成する。
【0043】
最後に、図5(f)に示すように、n型GaAs基板1上に、電極材料を堆積させて所定のパターンを形成することでn側電極11を形成し、p側電極9をマスクとしてレーザ光出射口Cに露出したp型キャップ層7をエッチングにより除去することにより、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子が製造される。
【0044】
上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子では、上記のようにp側電極9の一部をp型反射多層膜6内に埋め込むことにより、電流注入は、活性層4の発光領域近傍におけるp型クラッド層5に直接行なわれる。このことは、p型反射多層膜6内を電流が通らなくなることから、低抵抗化のためのp型反射多層膜6への不純物の注入が必要無くなり、不純物注入によるp型反射多層膜6内の非発光再結合中心の発生を抑制し、当該非発光再結合中心による無効電流を低減することができる。
【0045】
同時にp型反射多層膜6内を電流が通らなくなることは、従来、低抵抗化に不可欠であったDBRミラーのヘテロ接合バリア対策が不必要となるため、DBRミラーを構成する半導体材料の組成比を大きくとることができ、より小さいペア数で反射率を確保することができる等、DBRミラーの作製のための自由度を向上させることができ、簡易で制御しやすいDBRミラーを製造することができる。
【0046】
また、p側電極9等の金属材料は、一般に面発光半導体レーザ素子を構成するGaAsやAlGaAs等の半導体材料に比べて熱抵抗が小さいことから、この熱抵抗の小さいp側電極9が、光共振エリアArにおける活性層4の発光領域に数μm程度に近づくことにより、発光領域において発光により発生した熱がp側電極9に伝達されて、素子外へ放散されることとなるから、従来よりも効率的に放熱することができ、温度特性を向上させることができる。
【0047】
また、光共振エリアArにおける活性層4の発光領域を取り囲むように同心円状にp側電極9が複数埋め込まれていることから、この共振エリアArの周囲に形成された複数層の埋め込み部91により、p型反射多層膜6の光共振エリアArから漏れた光を反射させ、再び活性層4の発光領域に戻すことができ、漏れ光の再利用化により電流効率向上を図ることができ、その結果、しきい値や動作電流の低減を図ることができる。
【0048】
また、本実施形態では、数十μmから数百μm程度のp型反射多層膜6に埋め込まれたp側電極9の埋め込み部91によって光共振エリアArが形成されることから、p型反射多層膜6の物理的強度を向上させることができ、製造におけるハンドリング性向上と歩留り向上を図ることができる。
【0049】
第2実施形態
図6は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【0050】
図6に示す面発光半導体レーザ素子では、p型キャップ層7からn型クラッド層3におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアArを避けた領域において、光共振エリアArの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてp側電極9が形成されている。p側電極9は、図2に示したレーザ光出射口Cに最も近い埋め込み部91のみが形成されているような形状を有する。
【0051】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第1実施形態において、図4(c)に示す溝形成工程におけるレジストマスク21の形状を変更することにより製造される。
【0052】
上記構成の面発光半導体レーザ素子によれば、光共振エリアAr周囲を囲む一つの埋め込み部91しか有さないが、第1実施形態と比較して、活性層4の発光領域で発生した熱の放散、漏れ光の再利用の効果に関しては低下するものの、素子抵抗や物理強度の点においては同等の効果を得ることができると考えられる。
【0053】
第3実施形態
図7は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【0054】
図7に示す面発光半導体レーザ素子では、第2実施形態と同様に、p型キャップ層7からn型クラッド層3におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアArを避けた領域において、光共振エリアArの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてp側電極9が形成されている。p側電極9は、図2に示したレーザ光出射口Cに最も近い埋め込み部91のみが形成されているような形状を有する。
【0055】
そして、本実施形態ではさらに、p型キャップ層7の表面に例えば第1実施形態と同様の同心円状の複数の溝が形成されており、当該p型キャップ層7に形成された溝に埋め込まれてp側電極9が形成されることで、p型キャップ層7内にも埋め込み部92を有する。
【0056】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第1実施形態において、図4(c)に示す溝形成工程におけるレジストマスク21による溝Mの形成工程の前あるいは後に、同様にしてレジストマスクを用いてp型キャップ層7に埋め込み部92の形成のための溝をエッチングによりパターン形成することにより、製造される。
【0057】
上記構成の面発光半導体レーザ素子においては、第2実施形態と同様の効果を得るとともに、p型キャップ層7上に形成されたp型電極において電流の流れる断面積を大きくすることができることから、第2実施形態に比して、低抵抗化を図ることができる。
【0058】
第4実施形態
図8は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【0059】
図8に示す面発光半導体レーザ素子では、第2実施形態と同様に、エピタキシャル成長層には、光共振エリアArを避けた領域において、光共振エリアArの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてp側電極9が形成されている。
【0060】
本実施形態では、第2実施形態と異なり、溝内に埋め込まれたp型電極9の埋め込み部91aが、活性層4を貫かないでp型クラッド層5の途中まで埋め込まれて形成されている。
【0061】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第1実施形態において、図4(c)に示す溝形成工程におけるレジストマスク21の形状およびエッチング深さを変更することにより製造される。
【0062】
上記構成の面発光半導体レーザ素子においては、第2実施形態に比して、埋め込み部91aと活性層4の発光領域との距離が遠ざかり、また、活性層4の発光領域の周囲は埋め込み部91aによって囲まれていないことから、活性層4の発光領域で発生した熱の放散、漏れ光の再利用に関しては第2実施形態に比して低下するものの、素子抵抗や物理強度の点においては同等の効果を得ることができると考えられる。
【0063】
第5実施形態
図9は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【0064】
図9に示す面発光半導体レーザ素子では、n型GaAs基板1からn型クラッド層3にかけて、光共振エリアArを避けた領域において、光共振エリアArの近傍を取り囲む溝が形成されており、当該溝内に埋め込まれて断面が櫛状のn側電極11が形成されており、n側電極11側にも埋め込み部11aを有する。
n型GaAs基板1からn型クラッド層3において、n側電極11と接続する部分には、n側電極11とのオーミック接触を達成するためn型不純物が導入された拡散領域12が形成されている。
また、本実施形態では、第4実施形態と同様の深さを有する埋め込み部91aが複数形成され、断面が櫛状のp側電極9が形成されている。
【0065】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第1実施形態において、図5(f)に示すn側電極堆積工程前にn型GaAs基板1からn型クラッド層3の途中まで達する溝を形成した後に、n側電極を堆積させることにより製造される。
【0066】
上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子では、上記のようにn側電極11の一部をもn型反射多層膜2内に埋め込むことにより、電流注入は、活性層4の発光領域近傍におけるn型クラッド層3に直接行なわれることから、第1実施形態に比してさらに低抵抗化を図ることができる。
また、n側電極11の埋め込み部11aが、活性層4の発光領域に近づいていることから、発光領域において発光により発生した熱の素子外への放散にn側電極11も機能することができ、さらに放熱特性を向上させることができる。
また、n側電極11の埋め込み部11aが、光共振エリアArにおけるn型反射多層膜2およびn型クラッド層3の一部を取り囲んでいることから、n型反射多層膜2の光共振エリアArから漏れた光をも反射させて、再び活性層4の発光領域に戻すことができることから、第1実施形態に比してさらに、漏れ光の再利用化により電流効率向上を図ることができ、その結果、しきい値や動作電流の低減を図ることができる。
【0067】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本実施形態において、p側電極9が同心円状に埋め込まれた例について説明したが、これに限られるものでなく、図10に示すように正方形状に埋め込まれていてもよく、図11に示すように長方形状に埋め込まれいてよい。このように電極を円形でなく、矩形にすることで、偏光を制御することが可能になる。
また、p側電極9やn側電極11の埋め込み部の深さや数は、様々なバリエーションがあり、上記の実施形態において説明したものに限定されるものではない。
【0068】
また、本実施形態では、p側電極9とのオーミック接触を実現するためp側電極の堆積前に亜鉛を拡散する工程を有する例について説明したが、これに限られず、例えば、p側電極9の材料として亜鉛と金の積層膜を用いた場合には、p側電極の堆積後に熱処理を行なうことで、亜鉛が拡散して、上記の処理と同様の効果を得ることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【0069】
【発明の効果】
本発明によれば、素子抵抗が低減く温度特性に優れ、安定した構造を有する面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図2】第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の上面図である。
【図3】第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図4】第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図5】第1実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図6】第2実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図7】第3実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図8】第4実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図9】第5実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図10】本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の電極形状の他の例を示す上面図である。
【図11】本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の電極形状の他の例を示す上面図である。
【図12】図12(a)は従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図であり、図12(b)は図12(a)に示すp型DBRミラーの拡大断面図である。
【図13】他の従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
1…n型GaAs基板、2…n型反射多層膜、3…n型クラッド層、4…活性層、5…p型クラッド層、6…p型反射多層膜、7…p型キャップ層、8…素子分離絶縁膜、9…p側電極、91,91a,92…埋め込み部、10…拡散領域、11…n側電極、11a…埋め込み部、12…拡散領域、20,21,22…レジストマスク、101…n型GaAs基板、102…n型DBRミラー、103…n型クラッド層、104…活性層、105…p型クラッド層、106…p型DBRミラー、107…p型キャップ層、109…p側電極、111…n側電極、201…n型GaAs基板、202…n型DBRミラー、203…n型クラッド層、204…活性層、205…p型クラッド層、206…p型DBRミラー、207…p型キャップ層、209…p側電極、211…n側電極、C…レーザ光出射口、Ar…光共振エリア。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In the semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser element as disclosed in JP-A-8-139412 and JP-A-2000-174340, or edge emission as disclosed in JP-A-11-54843 is disclosed. There is a semiconductor laser element.
[0003]
Among the surface emitting semiconductor laser elements, a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) element can not only obtain a light beam having a circular cross section but also two-dimensionally emit a plurality of light emitting portions. In other words, it can be integrated at a high density on a single substrate. The VCSEL operates with low power consumption and can be manufactured at low cost.
Due to these features, VCSELs have attracted attention as light sources for next-generation communication and optical information processing, and various studies have been conducted so far.
[0004]
The surface-emitting semiconductor laser device has an optical resonator in the vertical direction of the substrate, and a high-reflection multilayer film having a reflectivity close to 100% called a DBR (Distributed Bragg Reflector) mirror is used as a reflecting mirror. The laser light is amplified in the light emitting region.
[0005]
This DBR mirror has a refractive index (n) different from each other, and two thin layers each having a thickness of λ / 4 (λ: wavelength) are paired and stacked on 20 to 40 layers to achieve a reflectance of 100%. It is close.
[0006]
However, if the compositional difference is increased, the heterojunction barrier existing at the junction between the two layers constituting the DBR mirror becomes large, and the element resistance increases. Conversely, if the composition difference is reduced, it is necessary to increase the number of pairs of DBR mirrors in order to ensure a desired reflectivity, and the heterojunction barrier is reduced, but the mirror thickness is increased, so that the element resistance is increased. Will cause.
[0007]
The element resistance caused by the DBR mirror is very high, from 100Ω to 200Ω, which is disadvantageous for high-speed operation required for future optical communication and the like.
In order to improve the drawbacks of the DBR mirror described above, conventional surface emitting semiconductor laser elements have several structures, and typical examples will be described below.
[0008]
FIG. 12A is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser element according to a conventional example.
12A includes an n-type DBR mirror 102, an n-type cladding layer 103, an active layer 104, a p-type cladding layer 105, and a p-type DBR mirror 106 on an n-type GaAs substrate 101. The p-side electrode 109 is formed on the p-type DBR mirror 106 via the p-type cap layer 107, and the n-type GaAs substrate 101 is on the opposite side of the n-type DBR mirror 102 from the lamination side. An n-side electrode 111 is formed.
[0009]
The n-type DBR mirror 102 has, for example, a multilayer structure in which n-type AlAs layers and n-type GaAs layers are alternately stacked as two types of semiconductor materials having different refractive indexes.
[0010]
As shown in the enlarged cross-sectional view of FIG. 12B, the p-type DBR mirror 106 is made of Al with a small composition ratio of aluminum constituting the mirror and a thickness d1.x Ga1-x As (x = 0 to 0.2) layer 106a and Al having a large composition ratio of aluminum and thickness d2x Ga1-x Between the As (x = 0.8 to 1.0) layer 106b, the composition ratio of aluminum is Al.x Ga1-x Al with a thickness of d3 between the As layers 106a and 106b.x Ga1-x An As (x = 0.4 to 0.6) layer 106c is inserted as an intermediate layer to form one set, and is formed by stacking dozens of the above sets.
[0011]
At this time, the doping concentration of the p-type impurity in the p-type DBR mirror 106 is 1 × 10 5 only for the intermediate layer portion of the p-type DBR mirror 106.18atoms / cmThree It is preferable to perform high concentration doping as described above. This is because when the p-type impurity is uniformly doped into the p-type DBR mirror 106, non-radiative recombination centers are generated in the entire p-type DBR mirror 106, and the reactive current increases.
[0012]
In the surface emitting semiconductor laser elements shown in FIGS. 12A and 12B, the heterojunction barrier becomes steep by inserting an intermediate layer having an intermediate composition ratio between layers having a large composition ratio. Therefore, element resistance can be reduced.
[0013]
FIG. 13 is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to another conventional example.
In the surface emitting semiconductor laser device shown in FIG. 13, an n-type DBR mirror 202, an n-type cladding layer 203, an active layer 204, a p-type cladding layer 205, and a p-type DBR mirror 206 are laminated on an n-type GaAs substrate 201. A p-side electrode 209 is formed on the p-type cladding layer 205 in a region avoiding the p-type DBR mirror 206 via a p-type cap layer 207, and the n-type DBR mirror 202 of the n-type GaAs substrate 201 is formed. An n-side electrode 211 is formed on the side opposite to the stacked side.
[0014]
The n-type DBR mirror 202 has, for example, a multilayer structure in which n-type AlAs layers and n-type GaAs layers are alternately stacked as two types of semiconductor materials having different refractive indexes, and a p-type DBR mirror 206. Similarly, for example, it has a multilayer structure in which p-type AlAs layers and p-type GaAs layers are alternately stacked.
[0015]
In the structure shown in FIG. 13, since the p-side electrode 209 is formed on the p-type cladding layer 205 in the region avoiding the p-type DBR mirror 206 via the p-type cap layer 207, the p-type DBR mirror 206 is formed. It is not necessary to consider this resistance, and since current can be injected into the active layer 204, the element resistance can be reduced.
[0016]
Due to the structure of the surface emitting semiconductor laser element shown in FIGS. 12 and 13, the element resistance of the surface emitting semiconductor laser element is 10 to 15Ω, and the resistance of the element has been dramatically reduced.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, each of the above conventional surface-emitting semiconductor laser devices has problems.
In the surface emitting semiconductor laser device shown in FIGS. 12A and 12B, in order to form the p-type DBR mirror 106, an AlGaAs layer 106b having a small aluminum composition ratio and an AlGaAs layer 106b having a large aluminum composition ratio are formed. The AlGaAs layer 106c having an intermediate aluminum composition ratio must be inserted, and the epitaxial profile becomes much more complicated than before, and the epitaxial layer composition, film thickness, impurity doping profile, etc. are precisely controlled. Must be done. As a result, it is an obstacle to manufacturing a surface emitting laser element having a stable structure at low cost.
[0018]
Further, in the surface emitting semiconductor laser element shown in FIG. 13, since the p-side electrode 209 is formed away from the p-type DBR mirror 206, the current injection region is separated from the light emitting region of the active layer 204 by more than a few tens μm. The current component flowing in the shortest path to the active layer 204 immediately below the p-side electrode 209 increases, and light emission concentrates in the peripheral portion rather than the central portion in the light emitting region of the active layer 204.
For this reason, the emitted light intensity observed from the outside has become non-uniform in that the central part is low and the peripheral part is strong. Furthermore, in the prior art, the p-type DBR mirror 206 has to be finely processed to a few tens of μm in order to reduce the threshold current and form the electrode on the p-type cladding layer 205. There was a problem that the physical strength of the mirror 206 would be very low.
[0019]
Further, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-261088, etc., since the output characteristics generally fluctuate due to changes in temperature, the heat dissipation characteristics are improved in the edge emitting semiconductor laser element. The same applies to a semiconductor laser device, and it is desired to produce a surface emitting semiconductor laser device having excellent temperature characteristics by dissipating heat generated by light emission in the light emitting region of the active layer to the outside.
[0020]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser element having a low element resistance, excellent temperature characteristics, and a stable structure, and a method for manufacturing the same.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the surface emitting semiconductor laser device of the present invention isFirstA reflective multilayer film;A first reflection layer formed on the first reflective multilayer film;A cladding layer;Formed in the first cladding layer;An active layer having a light emitting region;A second clad layer formed in the light emitting region of the active layer and a second reflective multilayer film formed in the second clad layer are laminated, and the first reflective multilayer is formed in the laminating direction. A first layer formed in an outer peripheral region centering on the light emitting region in a direction perpendicular to the stacking direction through the film to the first cladding layer.Electrodes,In a position facing the first electrode across the active layer and the first cladding layer in the stacking direction, and in a direction orthogonal to the stacking direction, the outer periphery of the second reflective multilayer film has the first A second electrode having a plurality of electrodes formed concentrically or concentrically up to two cladding layers, the light emitting region, the first cladding layer, the second cladding layer, the second cladding layer, The reflective multilayer film 1 and the second reflective multilayer film constitute an optical resonator..
[0022]
  According to the surface-emitting semiconductor laser device of the present invention described above,First and secondSince a part of the electrode is embedded in the optical resonator so as to approach the active layer in the vicinity of the optical resonant area excluding the optical resonant area of the optical resonator, the light emitting region from the electrode to the active layer is formed. The path for injecting current into the is reduced. Further, when the electrode approaches the light emitting region of the active layer, heat generated by light emission in the light emitting region of the active layer is transmitted to the electrode and is dissipated out of the element through the electrode. Furthermore, when the electrode approaches the light emitting region of the active layer, when light deviated from the optical resonance area is reflected by the electrode, it is returned to the light emitting region of the active layer again.
[0023]
  Furthermore, in order to achieve the above object, a method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser device of the present invention includes:FirstA reflective multilayer film;The first reflective multilayer film has a firstA cladding layer;In the first cladding layer,An active layer having a light emitting region;The second cladding layer and the second reflective multilayer film are sequentially formedLaminating steps;In the stacking direction, the second reflective multilayer film is disposed on the outer periphery of the second reflective multilayer film at a position facing the first electrode across the active layer and the first cladding layer and in a direction perpendicular to the stacking direction. For the second electrode having a plurality of electrodes formed concentrically or concentrically to the cladding layerForming a groove; andFor second electrodeEmbedded in the groove of theSecondOn reflective multilayerSecondForming an electrode;Grooves for the first electrode in the outer peripheral region centering on the light emitting region in the direction perpendicular to the stacking direction through the first reflective multilayer film in the stacking direction to the first cladding layer And forming a first electrode on the first reflective multilayer film by filling the groove for the first electrodeAnd have.
[0024]
  According to the manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser device of the present invention,First and secondWhen forming the electrode, a groove is formed in the optical resonator layer in the vicinity of the optical resonance area excluding the optical resonance area of the optical resonator layer, and the electrode is formed on the reflective multilayer film by filling the groove. Thus, the surface emitting semiconductor laser element having the above-described action is manufactured. Since the path for injecting current from the electrode to the light emitting region of the active layer is shortened, the restriction due to the resistance value is eased in the production of the reflective multilayer film.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a surface emitting semiconductor laser device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0026]
First embodiment
FIG. 1 is a sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to this embodiment.
In the surface-emitting semiconductor laser device shown in FIG. 1, an n-type reflective multilayer film 2, an n-type cladding layer 3, an active layer 4, a p-type cladding layer 5, a p-type reflective multilayer film 6 and p are formed on an n-type GaAs substrate 1. An epitaxial growth layer composed of the mold cap layer 7 is formed.
[0027]
The epitaxial growth layer on the active layer 4 side of the n-type reflective multilayer film 2 is insulated by ion implantation of protons or oxygen ions except for the element formation region, thereby forming the element isolation insulating film 8. Has been.
[0028]
The n-type reflective multilayer film 2, the n-type clad layer 3, the active layer 4, the p-type clad layer 5, and the p-type reflective multilayer film 6 formed on the n-type GaAs substrate 1 constitute an optical resonator. The central portion of the epitaxial growth layer surrounded by the isolation insulating film 8 serves as an optical resonance area Ar, and the active layer 4 in the optical resonance area Ar serves as a light emitting region that substantially emits light. The diameter of the optical resonance area Ar is, for example, about 2 to 5 μm.
[0029]
A plurality of grooves are formed in the epitaxial growth layer from the p-type cap layer 7 to the n-type cladding layer 3 so as to avoid the optical resonance area Ar and from the vicinity of the optical resonance area Ar to the outside. A p-side electrode 9 which is embedded and has a comb-like cross section is formed. A diffusion region 10 into which zinc for achieving ohmic contact with the p-side electrode 9 is introduced is formed in a portion connected to the p-side electrode 9 in the epitaxial growth layer.
[0030]
The groove is formed concentrically from the optical resonance area Ar. As shown in the top view of FIG. 2, the embedded portion 91 of the p-side electrode 9 embedded in the epitaxial growth layer has a laser beam exit opening. It is formed concentrically around C.
[0031]
The p-type cap layer 7 and the p-side electrode 9 are removed at the laser beam exit C, and an n-side electrode 11 is provided on the side opposite to the laminated side of the n-type reflective multilayer film 2 of the n-type GaAs substrate 1. Is formed.
Below, an example of a structure of the said laminated structure is demonstrated in detail.
[0032]
The n-type reflective multilayer film 2 has a structure in which two types of semiconductor materials having different refractive indexes, for example, an n-type AlAs layer and an n-type GaAs layer are repeatedly stacked as a pair, and a distributed reflector (Distributed Bragg Reflector). : DBR). The DBR has a refractive index (n) different from each other, and two thin layers each having a thickness of λ / 4 (λ: wavelength) are paired, and the reflectance is obtained by stacking them in dozens of layers (20 to 40). The mirror is close to 100%. The n-type reflective multilayer film 2 is made of, for example, SiO.2 And Ti2 A dielectric mirror in which a plurality of dielectric layers are stacked with O as a pair may be used.
[0033]
The active layer 4 is made of, for example, In that functions as a well layer.0.2 Ga0.8 It has a strained quantum well structure including As and GaAs functioning as a barrier layer, and an n-type cladding layer 3 and a p-type cladding layer 5 are formed with the active layer 4 interposed therebetween. n-type Al0.5 Ga0.5 It is made of As, and the p-type cladding layer 5 is made of p-type Al.0.5 Ga0.5 It consists of As.
[0034]
The p-type reflective multilayer film 6 has, for example, a structure in which a p-type AlAs layer and a p-type GaAs layer are repeatedly laminated as a pair, and functions as an upper distributed reflector (DBR). Note that the p-type reflective multilayer film 6 may be constituted by the above-described dielectric mirror.
[0035]
The p-type cap layer 7 is provided to form an ohmic contact with the p-side electrode 9, and is made of, for example, p-type GaAs into which Zn, which is a p-type impurity, is introduced at a high concentration. An opening is formed at the emission port C.
[0036]
The p-side electrode 9 is formed, for example, by sequentially stacking, for example, a Ti layer / Pt layer / Au layer from the p-type cap layer 7 side, and the n-side electrode 11 is formed, for example, from the n-type GaAs substrate 1 side by AuGe. An alloy layer / Ni layer / Au layer is laminated in order.
[0037]
Next, a method for manufacturing the surface-emitting semiconductor laser device according to this embodiment having the above-described configuration will be described with reference to FIGS.
[0038]
First, as shown in FIG. 3A, on an n-type GaAs substrate 1, an n-type reflective multilayer film 2, an n-type cladding layer 3, an active layer 4, a p-type cladding layer 5, a p-type reflective multilayer film 6, A plurality of semiconductor layers constituting the p-type cap layer 7 are epitaxially grown by MBE (molecular beam epitaxy), MOCVD (organic metal vapor phase epitaxy), or the like.
[0039]
Next, as shown in FIG. 3B, a resist is applied on the p-type cap layer 7 to form a resist mask 20 that protects the element formation region by lithography, and the resist mask 20 is used as a mask. By ion-implanting oxygen ions, protons, etc., the epitaxial growth layer up to the n-type cladding layer 3 is insulated, and the element isolation insulating film 8 is formed. Thereafter, the resist mask 20 is removed.
[0040]
Next, as shown in FIG. 4C, a resist is applied again on the p-type cap layer 7, and the resist mask 21 is formed in a pattern that protects the optical resonance area Ar by lithography and has an opening in the groove formation region. Then, by performing anisotropic etching such as RIE (Reactive Ion Etching) using the resist mask 21 as an etching mask, a groove M penetrating the active layer 4 from the p-type cap layer 7 is formed. Thereafter, the resist mask 21 is removed.
[0041]
Next, as shown in FIG. 4D, a resist is applied again on the p-type cap layer 7, and a resist mask 22 having a pattern for protecting the optical resonance area Ar is formed by lithography, and the resist mask 22 is formed. As a mask, the diffusion region 10 is formed by diffusing zinc in the epitaxial growth layer.
[0042]
Next, as shown in FIG. 5E, after the electrode material to be the p-side electrode is completely buried in the groove M, the resist mask 22 is removed together with the metal material deposited on the resist mask 22 by a lift-off method. Then, the p-side electrode 9 embedded in the groove M and having an opening at the laser beam emission port C is formed.
[0043]
Finally, as shown in FIG. 5F, an n-side electrode 11 is formed by depositing an electrode material on the n-type GaAs substrate 1 to form a predetermined pattern, and using the p-side electrode 9 as a mask. By removing the p-type cap layer 7 exposed at the laser beam exit C by etching, the surface emitting semiconductor laser device according to the present embodiment is manufactured.
[0044]
In the surface emitting semiconductor laser device according to the present embodiment having the above-described configuration, the current injection is performed in the vicinity of the light emitting region of the active layer 4 by embedding a part of the p-side electrode 9 in the p-type reflective multilayer film 6 as described above. Directly on the p-type cladding layer 5 in FIG. This is because current does not pass through the p-type reflective multilayer film 6, so that it is not necessary to inject impurities into the p-type reflective multilayer film 6 to reduce the resistance. Generation of non-radiative recombination centers can be suppressed, and reactive current due to the non-radiative recombination centers can be reduced.
[0045]
At the same time, the fact that current does not pass through the p-type reflective multilayer film 6 makes it unnecessary to take measures against the heterojunction barrier of the DBR mirror, which has been indispensable for reducing the resistance, so that the composition ratio of the semiconductor material constituting the DBR mirror The degree of freedom for manufacturing the DBR mirror can be improved, for example, the reflectance can be secured with a smaller number of pairs, and a DBR mirror that is simple and easy to control can be manufactured. it can.
[0046]
Further, since the metal material such as the p-side electrode 9 generally has a smaller thermal resistance than the semiconductor material such as GaAs or AlGaAs constituting the surface emitting semiconductor laser element, the p-side electrode 9 having a small thermal resistance is By approaching the light emitting region of the active layer 4 in the resonance area Ar to about several μm, heat generated by light emission in the light emitting region is transferred to the p-side electrode 9 and dissipated out of the element. Can also efficiently dissipate heat and improve temperature characteristics.
[0047]
In addition, since a plurality of p-side electrodes 9 are embedded concentrically so as to surround the light emitting region of the active layer 4 in the optical resonance area Ar, a plurality of embedded portions 91 formed around the resonance area Ar are used. The light leaked from the optical resonance area Ar of the p-type reflective multilayer film 6 can be reflected and returned to the light emitting region of the active layer 4 again, and the current efficiency can be improved by reusing the leaked light. As a result, the threshold value and operating current can be reduced.
[0048]
In the present embodiment, since the optical resonance area Ar is formed by the embedded portion 91 of the p-side electrode 9 embedded in the p-type reflective multilayer film 6 of about several tens μm to several hundreds μm, the p-type reflective multilayer is formed. The physical strength of the film 6 can be improved, and the handling property and the yield in manufacturing can be improved.
[0049]
Second embodiment
FIG. 6 is a cross-sectional view of the surface emitting semiconductor laser device according to this embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as the surface emitting semiconductor laser element which concerns on 1st Embodiment, The description is abbreviate | omitted here.
[0050]
In the surface emitting semiconductor laser device shown in FIG. 6, only one groove surrounding the vicinity of the optical resonance area Ar is formed in the epitaxial growth layer from the p-type cap layer 7 to the n-type cladding layer 3 in a region avoiding the optical resonance area Ar. The p-side electrode 9 is formed by being embedded in the groove. The p-side electrode 9 has such a shape that only the embedded portion 91 closest to the laser beam emission port C shown in FIG. 2 is formed.
[0051]
As a manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser device having the above-described configuration, in the first embodiment, it is manufactured by changing the shape of the resist mask 21 in the groove forming step shown in FIG.
[0052]
According to the surface emitting semiconductor laser device having the above configuration, there is only one embedded portion 91 surrounding the periphery of the optical resonance area Ar, but compared with the first embodiment, the heat generated in the light emitting region of the active layer 4 is reduced. Although the effect of diffusion and reuse of leaked light is reduced, it is considered that the same effect can be obtained in terms of element resistance and physical strength.
[0053]
Third embodiment
FIG. 7 is a cross-sectional view of the surface emitting semiconductor laser device according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as the surface emitting semiconductor laser element which concerns on 1st Embodiment, The description is abbreviate | omitted here.
[0054]
In the surface-emitting semiconductor laser device shown in FIG. 7, as in the second embodiment, the epitaxial growth layer from the p-type cap layer 7 to the n-type cladding layer 3 has an optical resonance area Ar in a region avoiding the optical resonance area Ar. Only one groove surrounding the vicinity of the electrode is formed, and the p-side electrode 9 is formed in the groove. The p-side electrode 9 has such a shape that only the embedded portion 91 closest to the laser beam emission port C shown in FIG. 2 is formed.
[0055]
In this embodiment, a plurality of concentric grooves similar to those of the first embodiment, for example, are formed on the surface of the p-type cap layer 7 and embedded in the grooves formed in the p-type cap layer 7. By forming the p-side electrode 9, the buried portion 92 is also provided in the p-type cap layer 7.
[0056]
As a method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser device having the above-described configuration, in the first embodiment, a resist mask is similarly formed before or after the formation step of the groove M by the resist mask 21 in the groove formation step shown in FIG. The p-type cap layer 7 is manufactured by patterning a groove for forming the buried portion 92 by etching.
[0057]
In the surface emitting semiconductor laser device having the above configuration, the same effect as that of the second embodiment can be obtained, and the cross-sectional area through which current flows can be increased in the p-type electrode formed on the p-type cap layer 7. The resistance can be reduced as compared with the second embodiment.
[0058]
Fourth embodiment
FIG. 8 is a cross-sectional view of the surface emitting semiconductor laser device according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as the surface emitting semiconductor laser element which concerns on 1st Embodiment, The description is abbreviate | omitted here.
[0059]
In the surface-emitting semiconductor laser device shown in FIG. 8, as in the second embodiment, only one groove surrounding the vicinity of the optical resonance area Ar is formed in the epitaxial growth layer in a region avoiding the optical resonance area Ar. The p-side electrode 9 is formed so as to be embedded in the groove.
[0060]
In the present embodiment, unlike the second embodiment, the embedded portion 91 a of the p-type electrode 9 embedded in the trench is formed so as to be embedded partway through the p-type cladding layer 5 without penetrating the active layer 4. .
[0061]
As a manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser device having the above-described configuration, in the first embodiment, it is manufactured by changing the shape and etching depth of the resist mask 21 in the groove forming step shown in FIG.
[0062]
In the surface-emitting semiconductor laser device having the above configuration, the distance between the embedded portion 91a and the light emitting region of the active layer 4 is longer than that of the second embodiment, and the periphery of the light emitting region of the active layer 4 is embedded in the embedded portion 91a. Since the heat dissipation generated in the light emitting region of the active layer 4 and the reuse of leaked light are lower than those in the second embodiment, the element resistance and physical strength are the same. It is thought that the effect of can be acquired.
[0063]
Fifth embodiment
FIG. 9 is a cross-sectional view of the surface emitting semiconductor laser device according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as the surface emitting semiconductor laser element which concerns on 1st Embodiment, The description is abbreviate | omitted here.
[0064]
In the surface emitting semiconductor laser element shown in FIG. 9, a groove surrounding the vicinity of the optical resonance area Ar is formed in a region avoiding the optical resonance area Ar from the n-type GaAs substrate 1 to the n-type cladding layer 3. An n-side electrode 11 having a comb-like cross section is formed so as to be embedded in the groove, and an embedded portion 11a is also provided on the n-side electrode 11 side.
In the n-type cladding layer 3 from the n-type GaAs substrate 1, a diffusion region 12 into which an n-type impurity is introduced is formed in a portion connected to the n-side electrode 11 in order to achieve ohmic contact with the n-side electrode 11. Yes.
In the present embodiment, a plurality of embedded portions 91a having the same depth as in the fourth embodiment are formed, and the p-side electrode 9 having a comb-like cross section is formed.
[0065]
As a method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser device having the above-described configuration, in the first embodiment, a groove reaching from the n-type GaAs substrate 1 to the middle of the n-type cladding layer 3 before the n-side electrode deposition step shown in FIG. After forming, the n-side electrode is deposited.
[0066]
In the surface emitting semiconductor laser device according to this embodiment having the above-described configuration, the current injection is performed in the light emitting region of the active layer 4 by embedding a part of the n-side electrode 11 in the n-type reflective multilayer film 2 as described above. Since it is directly performed on the n-type cladding layer 3 in the vicinity, the resistance can be further reduced as compared with the first embodiment.
Further, since the embedded portion 11a of the n-side electrode 11 is close to the light emitting region of the active layer 4, the n-side electrode 11 can also function to dissipate heat generated by light emission in the light emitting region to the outside of the element. Further, the heat dissipation characteristics can be improved.
Further, since the embedded portion 11a of the n-side electrode 11 surrounds part of the n-type reflective multilayer film 2 and the n-type cladding layer 3 in the optical resonance area Ar, the optical resonance area Ar of the n-type reflective multilayer film 2 Since the light leaked from the light can be reflected and returned to the light emitting region of the active layer 4 again, the current efficiency can be improved by reusing the leaked light as compared with the first embodiment. As a result, the threshold value and operating current can be reduced.
[0067]
The present invention is not limited to the description of the above embodiment.
For example, in the present embodiment, an example in which the p-side electrode 9 is concentrically embedded has been described. However, the present invention is not limited to this, and may be embedded in a square shape as shown in FIG. It may be embedded in a rectangular shape as shown in FIG. In this way, it is possible to control the polarization by making the electrodes rectangular instead of circular.
Further, the depth and number of the buried portions of the p-side electrode 9 and the n-side electrode 11 have various variations, and are not limited to those described in the above embodiment.
[0068]
In the present embodiment, an example in which the step of diffusing zinc before the deposition of the p-side electrode in order to achieve ohmic contact with the p-side electrode 9 has been described. However, the present invention is not limited to this example. When a laminated film of zinc and gold is used as the material, zinc is diffused by performing heat treatment after the deposition of the p-side electrode, and the same effect as the above treatment can be obtained.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to realize a surface-emitting semiconductor laser device having reduced element resistance, excellent temperature characteristics, and a stable structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a top view of the surface emitting semiconductor laser element according to the first embodiment.
FIG. 3 is a process sectional view in the manufacture of the surface emitting semiconductor laser element according to the first embodiment.
FIG. 4 is a process sectional view in the manufacture of the surface emitting semiconductor laser element according to the first embodiment.
FIG. 5 is a process sectional view in the manufacture of the surface emitting semiconductor laser element according to the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to a second embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to a third embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to a fifth embodiment.
FIG. 10 is a top view showing another example of the electrode shape of the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment.
FIG. 11 is a top view showing another example of the electrode shape of the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment.
12A is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to a conventional example, and FIG. 12B is an enlarged cross-sectional view of a p-type DBR mirror shown in FIG. 12A.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to another conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... n-type GaAs substrate, 2 ... n-type reflective multilayer film, 3 ... n-type clad layer, 4 ... Active layer, 5 ... p-type clad layer, 6 ... p-type reflective multilayer film, 7 ... p-type cap layer, 8 ... element isolation insulating film, 9 ... p-side electrode, 91, 91a, 92 ... buried portion, 10 ... diffusion region, 11 ... n-side electrode, 11a ... buried portion, 12 ... diffusion region, 20, 21, 22 ... resist mask , 101 ... n-type GaAs substrate, 102 ... n-type DBR mirror, 103 ... n-type cladding layer, 104 ... active layer, 105 ... p-type cladding layer, 106 ... p-type DBR mirror, 107 ... p-type cap layer, 109 ... p-side electrode, 111 ... n-side electrode, 201 ... n-type GaAs substrate, 202 ... n-type DBR mirror, 203 ... n-type cladding layer, 204 ... active layer, 205 ... p-type cladding layer, 206 ... p-type DBR mirror, 207 ... p-type cap , 209 ... p-side electrode, 211 ... n-side electrode, C ... laser emitting port, Ar ... optical resonator area.

Claims (6)

第1の反射多層膜と、
前記第1の反射多層膜に形成された第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層に形成され、発光領域をもつ活性層と、
前記活性層の発光領域に形成された第2のクラッド層と、
前記第2のクラッド層に形成された第2の反射多層膜と
が積層されて構成され、
積層方向において前記第1の反射多層膜を貫通して前記第1のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に形成された第1の電極と、
前記積層方向において前記活性層および前記第1のクラッド層を挟んで前記第1の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第2の反射多層膜の外周に、前記第2のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第2の電極と
が形成され、
前記発光領域、前記第1のクラッド層、前記第2のクラッド層、前記第1の反射多層膜および前記第2の反射多層膜が光共振器を構成している
面発光半導体レーザ素子。
A first reflective multilayer film;
A first cladding layer formed on the first reflective multilayer film ;
An active layer formed in the first cladding layer and having a light emitting region;
A second cladding layer formed in the light emitting region of the active layer;
A second reflective multilayer film formed on the second cladding layer;
Is composed of stacked layers,
A first electrode formed in an outer peripheral region centering on the light emitting region in a direction perpendicular to the stacking direction through the first reflective multilayer film in the stacking direction to the first cladding layer; ,
In a position facing the first electrode across the active layer and the first cladding layer in the stacking direction, and in a direction orthogonal to the stacking direction, the outer periphery of the second reflective multilayer film has the first A second electrode having a plurality of electrodes formed concentrically or concentrically up to two cladding layers;
Formed,
A surface emitting semiconductor laser device in which the light emitting region, the first cladding layer, the second cladding layer, the first reflective multilayer film, and the second reflective multilayer film constitute an optical resonator .
前記光共振器における前記第1の電極との接触部位および前記第2の電極との接触部位に、導電性不純物が導入されている
請求項記載の面発光半導体レーザ素子。
Wherein the contact portion between the contact portion and the second electrode of the first electrode, the surface emitting semiconductor laser device according to claim 1 wherein the conductive impurity is introduced in the optical resonator.
前記第1および第2の反射多層膜が、誘電体による多層膜、あるいは半導体によるブラッグリフレクタにより形成されている
請求項記載の面発光半導体レーザ素子。
It said first and second reflection multilayer films, multilayer surface-emitting semiconductor laser element according to claim 2, wherein is formed by the Bragg reflector or by a semiconductor, according to the dielectric.
第1の反射多層膜と、前記第1の反射多層膜に第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層に、発光領域をもつ活性層と第2のクラッド層と第2の反射多層膜とを順次積層する工程と、
積層方向において前記活性層および前記第1のクラッド層を挟んで前記第1の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第2の反射多層膜の外周に、前記第2のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第2の電極用の溝を形成する工程と、
前記第2の電極用の溝内を埋め込んで前記第2の反射多層膜上に第2の電極を形成する工程と、
前記積層方向において前記第1の反射多層膜を貫通して前記第1のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に第1の電極用の溝を形成する工程と、
前記第1の電極用の溝内を埋め込んで前記第1の反射多層膜上に第1の電極を形成する工程とを有する
面発光半導体レーザ素子の製造方法。
A first reflective multilayer film; a first clad layer on the first reflective multilayer film; an active layer having a light emitting region on the first clad layer; a second clad layer; and a second reflective multilayer film. And sequentially laminating
In the stacking direction, the second reflective multilayer film is disposed on the outer periphery of the second reflective multilayer film at a position facing the first electrode across the active layer and the first cladding layer and in a direction perpendicular to the stacking direction. Forming a groove for a second electrode having a plurality of electrodes formed concentrically or concentrically up to the cladding layer ,
Forming a second electrode on the second of said embedded in the trench of the electrode second reflection multilayer film,
Grooves for the first electrode in the outer peripheral region centering on the light emitting region in the direction perpendicular to the stacking direction through the first reflective multilayer film in the stacking direction to the first cladding layer Forming a step;
And a step of forming a first electrode on the first reflective multilayer film by filling the groove for the first electrode .
前記第1の電極用の溝を形成する工程の後、前記第1の電極を形成する工程の前に、前記第1の電極用の溝内を含む前記光共振器用層における前記第1の電極との接触部分に、導電性不純物を拡散させる工程と、
前記第2の電極用の溝を形成する工程の後、前記第2の電極を形成する工程の前に、前記第2の電極用の溝内を含む前記光共振器用層における前記第2の電極との接触部分に、導電性不純物を拡散させる工程とをさらに有する
請求項4記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法。
After the step of forming the groove for the first electrode, before the step of forming the first electrode, the first electrode in the optical resonator layer including the inside of the groove for the first electrode Diffusing conductive impurities in contact parts with
After the step of forming the groove for the second electrode and before the step of forming the second electrode, the second electrode in the optical resonator layer including the inside of the groove for the second electrode The method of manufacturing a surface-emitting semiconductor laser device according to claim 4, further comprising a step of diffusing conductive impurities in a contact portion with the substrate.
前記第1および第2の反射多層膜は、誘電体による多層膜、あるいは半導体によるブラッグリフレクタにより形成される
請求項5記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法。
6. The method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser device according to claim 5, wherein the first and second reflective multilayer films are formed of a dielectric multilayer film or a semiconductor Bragg reflector.
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