JP4999070B2 - Surface emitting laser - Google Patents
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Description
本発明は、面発光レーザに関し、更に詳しくは、電流狭窄構造を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser, and more particularly to a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device having a current confinement structure.
垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Semiconductor Laser、以下、単に面発光レーザと称する)は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを始め、通信用光源として、或いは、センサー用途などの様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。 A vertical cavity surface emitting semiconductor laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Semiconductor Laser, hereinafter simply referred to as a surface emitting laser) has a light resonating direction perpendicular to the substrate surface. It has been attracting attention as a light source for communication, including optical interconnection, or as a device for various applications such as sensor applications.
面発光レーザが注目される理由は、面発光レーザが、従来の端面発光型半導体レーザと比較して、素子の2次元配列構造を容易に形成できること、ミラーの形成前に劈開する必要がないので、ウエハレベルのテストができること、活性層の体積が格段に小さいので、極めて低いしきい値電流で発振ができ、消費電力が小さいこと、などの種々の利点を有していることが挙げられる。 The reason why surface emitting lasers are attracting attention is that surface emitting lasers can form a two-dimensional array structure of elements more easily than conventional edge emitting semiconductor lasers, and they do not need to be cleaved before forming a mirror. It is possible to test the wafer level, and because the volume of the active layer is remarkably small, it can oscillate with a very low threshold current and has low power consumption.
面発光レーザでは、低しきい値電流での発振を実現するため、電流狭窄構造が形成されている。この電流狭窄構造の作製には、AlAs層を選択的に酸化する選択酸化法(例えば、特許文献1参照)や、電流開口部を残してイオン注入を行うイオン注入法(例えば、特許文献2参照)などが知られている。
In the surface emitting laser, a current confinement structure is formed in order to realize oscillation with a low threshold current. For producing this current confinement structure, a selective oxidation method for selectively oxidizing an AlAs layer (for example, see Patent Document 1) or an ion implantation method for performing ion implantation while leaving a current opening (for example, see
選択酸化法は、電流狭窄構造の厚みが例えば20nm程度と小さいので、その狭窄構造に起因する素子抵抗の増大を抑えることが出来る利点がある。しかし、その反面、選択酸化によって応力歪みが発生し、その応力歪みによって素子が発振中に破壊するなど、素子信頼性を損なうという欠点がある。一方、イオン注入法では、そのような応力歪みが発生しない利点がある。 The selective oxidation method has an advantage that an increase in element resistance due to the constriction structure can be suppressed because the thickness of the current confinement structure is as small as about 20 nm, for example. However, on the other hand, there is a disadvantage that the device reliability is impaired, for example, stress strain is generated by selective oxidation, and the device is broken during oscillation by the stress strain. On the other hand, the ion implantation method has an advantage that such stress strain does not occur.
図7は、イオン注入法により形成される電流狭窄構造を有する従来の面発光レーザを示す。面発光レーザ100は、GaAs基板11上に順次に形成される、下部分布ブラッグ反射鏡(DBRミラー)12、量子井戸構造を有する活性層13、及び、上部DBRミラー15から成る半導体材料から成る積層構造を有する。上部DBRミラー15の上部には上部電極16が、また、GaAs基板11の裏面には下部電極17が形成され、上部電極16と下部電極17との間に電源電圧が印加される。
FIG. 7 shows a conventional surface emitting laser having a current confinement structure formed by an ion implantation method. The
上部電極16から注入された電流は、電流狭窄構造14によって活性層13の中央部の発光領域18に導かれ、上部DBRミラー15と下部DBRミラー12との間でレーザ発振が発生する。発振したレーザは、図の場合には上部電極16の内側の領域から上方に発射される。
The current injected from the
図7のイオン注入型の面発光レーザ素子とは別に、発光面積を広くし、かつ基本横モード発振を得るための手段として、非特許文献1に示されるような構造のフォトニック結晶面発光レーザが提案されている。この構造の一例を図8に示す。この構造では、上部DBRミラー15の積層内に、2次元アレイ状に配列された円孔から成る円孔配列20が形成されている。周期的な2次元円孔配列20により、光が感じる屈折率が僅かに低下し、この2次元円孔配列20は、中央の円孔がない点欠陥領域に対してクラッドとして働く。このように弱い屈折率閉じ込め効果による横モード制御を行うため、基本横モードのみを発振させるための発光領域の面積を大きくすることができる。この面発光レーザにおいても、例えばイオン注入型の電流狭窄構造14が形成される。
ところで、イオン注入法で作製される電流狭窄構造では、イオンが有する注入エネルギーの分布のため、注入深さの制御が困難である。このため、電流狭窄構造の厚みが1.5μm程度と大きくなり、DBRミラーの複数層にまたがって電流狭窄構造が形成される。この電流狭窄構造が形成される領域では、注入電流が分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector : DBR)の界面である多数のヘテロ障壁を通過するため、素子抵抗が増大するという問題がある。この問題は、基本横モード発振を得るため、発光領域の開口径を小さくすると、すなわち電流狭窄領域を広くすると、特に顕著であった。 By the way, in the current confinement structure manufactured by the ion implantation method, it is difficult to control the implantation depth due to the distribution of implantation energy of ions. For this reason, the thickness of the current confinement structure becomes as large as about 1.5 μm, and the current confinement structure is formed across a plurality of layers of the DBR mirror. In the region where the current confinement structure is formed, there is a problem in that the element resistance increases because the injected current passes through a number of hetero barriers that are interfaces of a distributed Bragg reflector (DBR). This problem is particularly remarkable when the aperture diameter of the light emitting region is reduced, that is, when the current confinement region is widened in order to obtain fundamental transverse mode oscillation.
本発明は、上記に鑑み、イオン注入法で作製される電流狭窄構造を有する従来の面発光レーザを改良し、もって、素子抵抗が低く且つ基本横モード発振が容易に得られる面発光レーザ素子を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention improves a conventional surface emitting laser having a current confinement structure manufactured by an ion implantation method, and thereby provides a surface emitting laser device having low element resistance and easily obtaining fundamental transverse mode oscillation. The purpose is to provide.
本発明は上記目的を達成するためになされたものである。すなわち本発明の面発光レーザは、上部分布ブラッグ反射鏡(DBRミラー)と、下部DBRミラーと、前記上部DBRミラーと前記下部DBRミラーとの間に配置された活性層と、イオン注入法により形成された電流狭窄構造とを含む半導体材料の積層構造を基板上に備える面発光レーザにおいて、前記電流狭窄構造は、前記上部又は下部DBRミラーを構成する積層のうち、前記活性層の近傍に配置される単一の特定層で形成され、前記特定層が、mを1以上の自然数、媒質内発振波長をλ、空気中の屈折率をnとして、(2m+1)λ/4nの厚みを有すると共に、当該特定層がイオン注入で形成される絶縁領域層の厚さとほぼ等しくなるようにmを定め、前記特定層に選択的にイオンが注入されるように加速エネルギーを定めて電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする。
The present invention has been made to achieve the above object. That is, the surface emitting laser according to the present invention is formed by an ion implantation method , an upper distributed Bragg reflector (DBR mirror), a lower DBR mirror, an active layer disposed between the upper DBR mirror and the lower DBR mirror. In a surface emitting laser including a semiconductor material stack structure including a current confinement structure formed on a substrate, the current confinement structure is disposed in the vicinity of the active layer in the stack constituting the upper or lower DBR mirror. that is formed of a single specific layer, the specific layer, an
本発明に係る面発光レーザでは、イオン注入が主として活性層近傍の特定層である1層になされており、この特定層の厚みがmを1以上の自然数として(2m+1)λ/4nであるため、イオン注入領域を構成する層数が従来の面発光レーザに比して少なくなり、電流狭窄領域において電流が通過するヘテロ障壁の数が減少する。このため素子抵抗が低い面発光レーザの実現が可能となる。 In the surface emitting laser according to the present invention, ion implantation is mainly performed in one layer which is a specific layer near the active layer, and the thickness of the specific layer is (2m + 1) λ / 4n , where m is a natural number of 1 or more. The number of layers constituting the ion implantation region is smaller than that of the conventional surface emitting laser, and the number of hetero barriers through which current passes in the current confinement region is reduced. Therefore, it is possible to realize a surface emitting laser having a low element resistance.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、各図面で同様な要素には、同じ符号を付している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in order to understand easily, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in each drawing.
第1の実施形態
本実施形態による面発光レーザ素子の断面斜視図を図1に示す。この面発光レーザ素子10は、発振波長850nmとなるように設計されている。面発光レーザ素子10は、以下の製造プロセスによって作製される。製造プロセスを図2〜図4に示した。まず、n型GaAs基板11の上に、MOCVD法でそれぞれ厚みがλ/4n(λは空気中の発振波長、nは屈折率)のn型Al0.8Ga0.2Asとn型Al0.2Ga0.8Asを交互に積層して、35ペアの多層膜からなる下部分布ブラッグ反射鏡構造(DBRミラー)12を形成する。各層のキャリア濃度は1×1018cm-3とする。
First Embodiment FIG. 1 is a sectional perspective view of a surface emitting laser device according to the present embodiment. This surface emitting
次に、下部DBRミラー12上に、図示しない下部クラッド層、4層のGaAs/AlGaAs量子井戸構造の活性層13、図示しない上部クラッド層を順次に積層する。更にその上に、厚みがλ/4nのp型Al0.8Ga0.2Asと、厚みが25λ/4n(m=12に相当し、膜厚は1520nm)と厚くしたp型Al0.2Ga0.8Asを成長する。更に、その上にそれぞれ厚みがλ/4nのp型Al0.8Ga0.2Asと、型Al0.2Ga0.8Asを交互に積層して、29ペアからなる上部DBRミラー15を形成する。各層のキャリア濃度は1×1018cm-3とする。厚みが25λ/4nとした上部DBRミラー15の2層目のp型Al0.2Ga0.8Asの厚さは、後述するイオン注入で形成される絶縁領域層の厚さ約1500nmとほぼ等しくなるように設計される。この上部DBRミラー15の最上層の表面には、p型のGaAs層が形成され、全体の層構造を構成している。この状態の積層を図2に示した。厚みが25λ/4nのp型Al0.2Ga0.8As層は、符号14Aで示されている。
Next, a lower cladding layer (not shown), an
次に、図2の層構造の表面に、プラズマCVD法でSiNx膜21を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにより、フォトレジスト19を直径10μmの円柱状に加工する。ここでイオン注入マスクとして用いるフォトレジスト19に代えて、Au(金)を用いてもよい。その後、イオン注入装置により、水素イオン(プロトン)を加速エネルギー400keV、ドーズ量4×1014cm-2にて注入し、25λ/4n厚みのp型AlGaAs層14Aの外周部分を、注入領域14Bに変える。これによって、注入されなかった部分14Aを発光領域18とする電流狭窄構造14が形成される。この状態を図3に示した。なお注入するイオンは、水素に限らず、高抵抗な絶縁層を形成可能な材料であれば良く、例えば酸素などでもよい。フォトレジスト19を除去した後に、温度450℃にてアニールを行い、その後SiNx膜21を除去する。
Next, after a SiNx film 21 is formed on the surface of the layer structure of FIG. 2 by plasma CVD, the photoresist 19 is processed into a cylindrical shape having a diameter of 10 μm by photolithography using a normal photoresist thereon. To do. Here, Au (gold) may be used in place of the photoresist 19 used as an ion implantation mask. Thereafter, hydrogen ions (protons) are implanted by an ion implantation apparatus at an acceleration energy of 400 keV and a dose of 4 × 10 14 cm −2 , and the outer peripheral portion of the 25λ / 4n-thick p-
次に、上記層構造の表面に、再度プラズマCVD法でSiNx膜22を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE(反応性イオンエッチング)により、SiNx膜22を選択的にエッチングして、リング状(環状)の開口を形成する。形成した開口内に、例えばAuZnを蒸着して、リング形状の上部電極16を形成する。その後、基板11を厚さ200μm程度になるように研磨し、その裏面に例えばCr/Auを蒸着して、下部電極17を形成する。この状態を図4に示した。
Next, after the
上記の面発光レーザ素子の特性を計算シミュレーションにより評価したところ、素子抵抗は80Ω程度と見積もられた。一方、上部DBRミラーの2層目のp型Al0.2Ga0.8Asの厚さをλ/4nとした従来型の素子では、素子抵抗は140Ω程度と高かった。以上のように、イオン注入型の面発光レーザ素子において、電流狭窄構造を形成するイオン注入層の厚みを大きくすることにより、素子抵抗が大幅に低減できることが判った。なお、本発明は、イオン注入型に限らず、全ての面発光レーザ素子に適用できる。 When the characteristics of the surface emitting laser element were evaluated by calculation simulation, the element resistance was estimated to be about 80Ω. On the other hand, in the conventional element in which the thickness of the p-type Al 0.2 Ga 0.8 As of the second layer of the upper DBR mirror is λ / 4n, the element resistance is as high as about 140Ω. As described above, it has been found that in the ion implantation type surface emitting laser element, the element resistance can be significantly reduced by increasing the thickness of the ion implantation layer forming the current confinement structure. The present invention is not limited to the ion implantation type, and can be applied to all surface emitting laser elements.
なお、上記実施形態では、イオン注入は大きな厚みを有する上部DBRミラー内の1層についてのみなされているが、イオン注入される層は、その大きな厚みを有する1層に接する又は近接する他の1以上の層にイオンが注入されていてもよい。このような例を図5に示した。 In the above embodiment, the ion implantation is performed only for one layer in the upper DBR mirror having a large thickness. However, the layer to be ion-implanted is another one in contact with or close to the one layer having the large thickness. Ions may be implanted into the above layers. Such an example is shown in FIG.
第2の実施形態
本実施形態は、非特許文献1に記載されたフォトニック結晶面発光レーザに本発明を適用した例である。本実施形態に係る面発光レーザの断面斜視図を図6に示す。面発光レーザは、発振波長が1300nmとなるように設計されている。作製方法は、2次元円孔配列を形成する点以外においては,第1の実施形態とほぼ同様に行うことができる。
Second Embodiment The present embodiment is an example in which the present invention is applied to a photonic crystal surface emitting laser described in
まず、n型GaAs基板11の上に、MOCVD法でそれぞれ厚みλ/4n(λは発振波長、nは屈折率)のn型Al0.9Ga0.1Asとn型GaAsとを交互に積層して、35ペアの多層膜からなる下部DBRミラー12を形成する。各層のキャリア濃度は、1×1018cm-3とする。次に、その上に、ガスソースMBE法により、図示しない下部クラッド層、3層のGaInNAsSb/GaNAs量子井戸構造の活性層13、及び、図示しない上部クラッド層を順次に積層する。
First, n-type Al 0.9 Ga 0.1 As and n-type GaAs having a thickness of λ / 4n (where λ is an oscillation wavelength and n is a refractive index) are alternately stacked on the n-
次いで、その上に、MOCVD法で厚みがλ/4nのp型Al0.9Ga0.1As層と、厚みが17λ/4n(m=8に相当、膜厚は1540nm)のp型GaAs層24Aとを積層する。更に、その上にそれぞれの厚みがλ/4nのp型Al0.9Ga0.1As層とp型GaAs層とを交互に積層して、20ペアからなる上部DBRミラー15を形成する。各層のキャリア濃度は1×1018cm-3とする。
Next, a p-type Al 0.9 Ga 0.1 As layer having a thickness of λ / 4n and a p-
次に、上記積層構造の表面に、プラズマCVD法でSiNx膜を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにより、イオン注入マスクとして用いるフォトレジストを、直径10μmの円柱状に加工する。なお、フォトレジストの代りにAu(金)を用いてもよい。その後、イオン注入装置により、水素イオン(プロトン)を加速エネルギー400keV、ドーズ量4×1014cm-2にて注入し、17λ/4nのp型GaAs層24Aの外周部分を、注入領域24Bに変える。これによって、注入されなかった部分24Aを発光領域18とする電流狭窄構造24が形成される。フォトレジストを除去した後に、温度550℃にてアニールを行い、その後SiNx膜を除去する。
Next, after a SiNx film is formed on the surface of the laminated structure by a plasma CVD method, a photoresist used as an ion implantation mask is formed into a cylindrical shape having a diameter of 10 μm by photolithography using a normal photoresist on the SiNx film. To process. Note that Au (gold) may be used instead of the photoresist. Thereafter, hydrogen ions (protons) are implanted by an ion implantation apparatus at an acceleration energy of 400 keV and a dose of 4 × 10 14 cm −2 , and the outer peripheral portion of the 17λ / 4n p-
次に、上記積層構造の表面に、プラズマCVD法でSiNx膜22を成膜したのち、通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE(反応性イオンエッチング)とにより、SiNx膜に、周期が5μm、円孔直径が2μmである三角格子状の円孔配列構造を形成する。このSiNx膜中に形成した円孔配列構造をマスクとして、Cl2を用いたICP(誘導結合プラズマ)ドライエッチングにより、積層構造に深さ4μm程度の2次元円孔配列20を形成する。さらにRIEにより、SiNxマスクを除去する。
Next, after a
次に、2次元円孔配列20を形成した積層構造の表面に、プラズマCVD法でSiNx膜22を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE(反応性イオンエッチング)とにより、SiNx膜22を選択的にエッチングして、リング状開口を形成する。その開口内に例えばAuZnを蒸着して、リング形状の上部電極16を形成する。その後、基板11を厚さ200μm程度になるように裏面から研磨し、その裏面に例えばCr/Auを蒸着して、下部電極17を形成する。
Next, after a
上記フォトニック結晶構造を有する面発光レーザの特性を、計算シミュレーションにより評価したところ、素子抵抗は90Ω程度と見積もられた。上部反射鏡構造の2層目のp型Al0.2Ga0.8Asの厚さをλ/4nとした従来型のフォトニック結晶面発光レーザでは、素子抵抗は150Ω程度と高かった。従って、本実施形態のイオン注入型のフォトニック結晶面発光レーザ素子では、素子抵抗が大幅に低減できることがわかった。 When the characteristics of the surface emitting laser having the photonic crystal structure were evaluated by calculation simulation, the element resistance was estimated to be about 90Ω. In the conventional photonic crystal surface emitting laser in which the thickness of the p-type Al 0.2 Ga 0.8 As of the second layer of the upper reflector structure is λ / 4n, the element resistance is as high as about 150Ω. Therefore, it was found that the element resistance can be greatly reduced in the ion implantation type photonic crystal surface emitting laser element of this embodiment.
なお、従来のフォトニック結晶面発光レーザでは、AlAs選択酸化層を用いた電流狭窄構造が採用されていた。この従来構造では、AlAsと、AlAsが酸化したAlOxとの間で屈折率差が大きいため、高電流の注入時や高速変調時にはモードが不安定になることがあった。一方、本発明の構造によると、電流狭窄構造を形成するにあたり、屈折率差を生じないイオン注入法を用い、フォトニック結晶面発光レーザのDBRミラー内の主として1層の部分にイオン注入を行い、この1層の厚さを媒質内発振波長の(2m+1)/4n倍としているので、モードが安定で、かつ素子抵抗の低いフォトニック結晶面発光レーザ素子を得ることができる。 In the conventional photonic crystal surface emitting laser, a current confinement structure using an AlAs selective oxide layer has been adopted. In this conventional structure, since the refractive index difference between AlAs and AlOx oxidized by AlAs is large, the mode may become unstable during high current injection or high-speed modulation. On the other hand, according to the structure of the present invention, in forming a current confinement structure, an ion implantation method that does not cause a difference in refractive index is used, and ion implantation is performed mainly on one layer portion in a DBR mirror of a photonic crystal surface emitting laser. Since the thickness of this one layer is (2m + 1) / 4n times the oscillation wavelength in the medium, a photonic crystal surface emitting laser element having a stable mode and low element resistance can be obtained.
以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザは、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。 Although the present invention has been described based on the preferred embodiment, the surface emitting laser of the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various modifications and changes can be made from the configuration of the above embodiment. Those subjected to are also included in the scope of the present invention.
10:面発光レーザ
11:基板
12:下部DBRミラー
13:活性層
14:電流狭窄構造
14A:p型Al0.2Ga0.8As層
14B:注入領域
15:上部DBRミラー
16:上部電極
17:下部電極
18:発光領域
19:フォトレジスト
21:SiNx膜
22:SiNx膜
24:電流狭窄構造
24A:p型GaAs層
24B:注入領域
10: surface emitting laser 11: substrate 12: lower DBR mirror 13: active layer 14:
Claims (6)
下部DBRミラーと、
前記上部DBRミラーと前記下部DBRミラーとの間に配置された活性層と、
イオン注入法により形成された電流狭窄構造とを含む半導体材料の積層構造を基板上に備える面発光レーザにおいて、
前記電流狭窄構造は、前記上部又は下部DBRミラーを構成する積層のうち、前記活性層の近傍に配置される単一の特定層で形成され、
前記特定層が、mを1以上の自然数、媒質内発振波長をλ、空気中の屈折率をnとして、(2m+1)λ/4nの厚みを有すると共に、当該特定層がイオン注入で形成される絶縁領域層の厚さとほぼ等しくなるようにmを定め、前記特定層に選択的にイオンが注入されるように加速エネルギーを定めて電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする面発光レーザ。 An upper distributed Bragg reflector (DBR mirror);
A lower DBR mirror,
An active layer disposed between the upper DBR mirror and the lower DBR mirror ;
In a surface emitting laser comprising a laminated structure of a semiconductor material including a current confinement structure formed by an ion implantation method on a substrate,
The current confinement structure is formed of a single specific layer disposed in the vicinity of the active layer in the stack constituting the upper or lower DBR mirror ,
The specific layer has a thickness of (2m + 1) λ / 4n , where m is a natural number greater than or equal to 1, λ is the oscillation wavelength in the medium, and n is the refractive index in the air, and the specific layer is formed by ion implantation. A surface-emitting laser characterized in that a current confinement structure is formed by determining m so as to be substantially equal to the thickness of the insulating region layer and by determining acceleration energy so that ions are selectively implanted into the specific layer. .
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