JP6098820B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device.
半導体レーザ装置として、近年、基板面に垂直な方向に光を取り出す構成の垂直外部共振器面発光レーザ(Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers:以下、「VECSEL」と略記する。)の開発が進められている(例えば、下記特許文献1、非特許文献1参照)。
In recent years, vertical external cavity surface emitting lasers (hereinafter, abbreviated as “VECSEL”) having a configuration for extracting light in a direction perpendicular to the substrate surface have been developed as semiconductor laser devices. (For example, see
図10は、特許文献1や非特許文献1に開示された従来のVECSEL構造のレーザ装置の模式的断面図である。従来のレーザ装置90は、半導体基板40の上面に、n側多層膜反射鏡11、発光部13、及びp側多層膜反射鏡15を備え、発光部13を一対の反射鏡11及び15が半導体基板40の面に垂直な方向に挟み込む構成である。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a conventional laser device having a VECSEL structure disclosed in
また、p側多層膜反射鏡15の上層には、高濃度のp型コンタクト層17を介してp側電極21が形成されている。一方、発光部13や一対の反射鏡11及び15が形成されていない側において、半導体基板40の面上にはn側電極19が形成されている。
A p-
n側多層膜反射鏡11、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びp型コンタクト層17の多層構造体の外側には絶縁層25が形成されている。この絶縁層25は、p側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧が印加された際、発光効率を高めるべく発光部13を含む上記多層構造体の領域に電流を集中させ、その外側の領域に電流を流さないようにするための高抵抗層(電流狭窄層)を構成する。そして、この絶縁層25の周囲をパッシベーション層27が覆っている。
An
半導体基板40に対して、光取り出し方向d1の向きに離間した位置には、外部出力ミラー3が備えられている。
An
p側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧を印加することにより、発光部13に電流が流れて当該領域が発光する。この光は、外部出力ミラー3、n側多層膜反射鏡11、及びp側多層膜反射鏡15によって形成される共振器で共振され、励起された光がレーザ光5として外部出力ミラー3から放出される。
By applying a bias voltage between the p-
なお、図10に示すレーザ装置90は、n側電極19の形成側がレーザ光5の取り出し面となっているため(取り出し方向d1)、n側電極19は、光の通路を遮らないような形状となっている。図10のレーザ装置90は、n側電極19がドーナツ形状を構成しており、その内側の位置において、半導体基板40のn側電極19が形成されている側の面上に誘電体層29が形成されている。誘電体層29は、共振中の光の損失を抑制するために設けられている。
In the
p型コンタクト層17は、高濃度(例えば、1×1018/cm3以上)の不純物(キャリア)がドープされており、p側電極21との間のコンタクト抵抗値を下げる役割を果たしている。
The p-
ここで、同様に、n側電極19と半導体基板40の間の抵抗値を下げるべく、例えば半導体基板40を高濃度にドープする方法が考えられる。
Here, similarly, in order to lower the resistance value between the n-
しかし、一般的に高濃度にドープされた半導体層は、光を多く吸収することが知られている。図10の構成によれば、発光部13で生成された光は、外部出力ミラー3との間で半導体基板40内を通過しながら反射を繰り返した後、外部へと取り出される構成である。従って、半導体基板40を高濃度でドープした場合、発光部13で生成された光が半導体基板40内で吸収されてしまい、取り出し効率が低下するという問題がある。
However, it is generally known that highly doped semiconductor layers absorb a lot of light. According to the configuration of FIG. 10, the light generated by the
このような点に鑑み、特許文献1や非特許文献1の構成では、半導体基板40として、不純物濃度の低いGaAs基板(例えば、5×1016/cm3以上、5×1017/cm3以下程度)を採用している。
In view of such points, in the configurations of
しかし、半導体基板40として、このような低濃度のGaAs基板を用いると、半導体基板40とn側電極19の間のコンタクト抵抗や、半導体基板40内の抵抗が大きくなる。このため、駆動時にp側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧を印加すると高いジュール熱が発生し、これに起因してレーザ装置90が大きく昇温する。温度が上昇するとレーザ光5の波長が長波長側にシフトするため、所望の発光波長の光の取り出し効率は低下してしまう。
However, when such a low concentration GaAs substrate is used as the
なお、n側電極19と半導体基板40の間の抵抗値を下げるべく、n側電極19と半導体基板40の間に高濃度のn型コンタクト層を形成する方法も考えられる。しかし、この方法を採用した場合、n側電極19と半導体基板40の間のコンタクト抵抗値は低下させられるものの、低濃度の半導体基板40内を電流が通過することには変わりがないため、素子全体の抵抗を低下させることはできない。よって、高いジュール熱が発生してレーザ光5の波長が長波長側にシフトする点において、上記従来構成と同様の課題を有している。
A method of forming a high-concentration n-type contact layer between the n-
本発明は、上記の点に鑑み、従来よりも光取り出し効率の高い半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device having higher light extraction efficiency than conventional ones.
本発明は、半導体基板上に、第1反射鏡、発光部及び第2反射鏡が順に積層されてなる半導体レーザ装置であって、
前記第1反射鏡の、前記発光部の形成側と反対側の面の外縁に位置する第1領域に接触するように形成された第1コンタクト層と、
前記第1反射鏡の、前記発光部の形成側と反対側の面において、前記第1領域よりも内側に位置する第2領域に接触するように形成された、前記第1コンタクト層よりも不純物濃度が低濃度の第1不純物拡散領域と、
前記第1コンタクト層と前記第1不純物拡散領域の境界部分に形成された、絶縁層又は半導体層からなる不純物拡散防止層と
前記第1反射鏡の外側位置において、底面を前記第1コンタクト層の上面と接触して形成された第1電極と、
前記第2反射鏡の上層に形成された第2コンタクト層と、
前記第2コンタクト層の上層に形成された第2電極を備えることを特徴とする。
The present invention is a semiconductor laser device in which a first reflecting mirror, a light emitting unit, and a second reflecting mirror are sequentially laminated on a semiconductor substrate,
A first contact layer formed so as to be in contact with a first region located on an outer edge of a surface of the first reflecting mirror opposite to a side on which the light emitting unit is formed;
Impurities than the first contact layer formed on the surface of the first reflecting mirror opposite to the light emitting portion forming side so as to be in contact with a second region located inside the first region. A first impurity diffusion region having a low concentration;
An impurity diffusion prevention layer formed of an insulating layer or a semiconductor layer formed at a boundary portion between the first contact layer and the first impurity diffusion region; and a bottom surface of the first contact layer at a position outside the first reflector. A first electrode formed in contact with the upper surface;
A second contact layer formed on an upper layer of the second reflecting mirror;
A second electrode formed on an upper layer of the second contact layer is provided.
上記構成によれば、第1反射鏡は、発光部の形成側と反対側の面において、外縁に位置する第1領域が第1コンタクト層に接触し、第1領域よりも内側に位置する第2領域は、第1コンタクト層よりも不純物濃度が低濃度である第1不純物拡散領域に接触している。つまり、発光部から放射された光は、第1反射鏡を介して外部に放射される際、第1コンタクト層よりも不純物濃度が低濃度である第1不純物拡散領域を通過することができる。 According to the above configuration, in the first reflecting mirror, the first region located on the outer edge is in contact with the first contact layer on the surface opposite to the light-emitting portion forming side, and the first reflecting mirror is located on the inner side of the first region. The two regions are in contact with the first impurity diffusion region having an impurity concentration lower than that of the first contact layer. That is, when the light emitted from the light emitting part is emitted to the outside through the first reflecting mirror, it can pass through the first impurity diffusion region having an impurity concentration lower than that of the first contact layer.
つまり、第1反射鏡は、外縁部分のみが高濃度の第1コンタクト層と接触し、その内側の領域は低濃度の第1不純物拡散領域と接触する構成となる。よって、例えば外縁部分の厚みを内側に比べてなるべく薄くしておくことで、第1反射鏡から放射される光は、そのほとんどが低濃度の第1不純物拡散領域を通過して外部へと放射される構成にできる。従って、高濃度領域内を通過する光量は、従来構成と比べて大幅に削減されるため、光が吸収される量も大きく抑制される。 That is, the first reflecting mirror is configured such that only the outer edge portion is in contact with the high concentration first contact layer, and the inner region is in contact with the low concentration first impurity diffusion region. Therefore, for example, by making the thickness of the outer edge portion as thin as possible compared to the inner side, most of the light emitted from the first reflecting mirror radiates to the outside through the first impurity diffusion region having a low concentration. Can be configured. Therefore, the amount of light passing through the high density region is greatly reduced as compared with the conventional configuration, and the amount of light absorbed is greatly suppressed.
そして、第1反射鏡の外縁部分は高濃度の第1コンタクト層と接触しているため、底面が前記第1コンタクト層の上面と接触するように第1電極を形成することで、第1電極と第1コンタクト層の間のコンタクト抵抗は低い値が実現される。また、第1電極と第2電極の間にバイアス電圧を印加した際、第2電極、第2コンタクト層、第2反射鏡、発光部、第1反射鏡、第1コンタクト層、及び第1電極からなる電流経路が形成されるが、この間に低濃度領域を介さない構成とすることができるので、素子全体の抵抗が大きくなることもない。この結果、高いジュール熱が発生して発光波長がシフトすることにより所望の発光波長の光の取り出し効率が低下するという問題も解消する。 Since the outer edge portion of the first reflecting mirror is in contact with the high-concentration first contact layer, the first electrode is formed by forming the first electrode so that the bottom surface is in contact with the upper surface of the first contact layer. A low value of the contact resistance between the first contact layer and the first contact layer is realized. Further, when a bias voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the second electrode, the second contact layer, the second reflecting mirror, the light emitting unit, the first reflecting mirror, the first contact layer, and the first electrode However, since the low-concentration region can be omitted during this period, the resistance of the entire element does not increase. As a result, the problem that the extraction efficiency of light having a desired emission wavelength is reduced due to the generation of high Joule heat and the emission wavelength shifting is also solved.
つまり、上記の構成によれば、素子の低抵抗化と光の取り出し効率の向上という両者を同時に実現することができる。 That is, according to the above configuration, it is possible to simultaneously realize both the reduction of the resistance of the element and the improvement of the light extraction efficiency.
なお、上記構成においては、第1コンタクト層及び第1反射鏡をn型半導体層とし、第2コンタクト層及び第2反射鏡をp型半導体層としても構わないし、逆に、第1コンタクト層及び第1反射鏡をp型半導体層とし、第2コンタクト層及び第2反射鏡をn型半導体層としても構わない。 In the above configuration, the first contact layer and the first reflecting mirror may be n-type semiconductor layers, and the second contact layer and the second reflecting mirror may be p-type semiconductor layers. The first reflecting mirror may be a p-type semiconductor layer, and the second contact layer and the second reflecting mirror may be an n-type semiconductor layer.
具体的な構成例として、前記第1不純物拡散領域を、前記第1コンタクト層よりも不純物濃度が低濃度の前記半導体基板の一部で構成し、
前記不純物拡散防止層を、前記第1コンタクト層と前記半導体基板の境界部分に形成することができる。
As a specific configuration example, the first impurity diffusion region is configured by a part of the semiconductor substrate having an impurity concentration lower than that of the first contact layer,
The impurity diffusion preventing layer may be formed at a boundary portion between the first contact layer and the semiconductor substrate.
別の具体的な構成例として、前記半導体基板を前記第1コンタクト層よりも不純物濃度が低濃度で形成し、
前記不純物拡散防止層を、前記第1コンタクト層と前記第1不純物拡散領域の境界部分及び前記第1コンタクト層と前記半導体基板の境界部分に形成することができる。
As another specific configuration example, the semiconductor substrate is formed with an impurity concentration lower than that of the first contact layer,
The impurity diffusion preventing layer may be formed at a boundary portion between the first contact layer and the first impurity diffusion region and at a boundary portion between the first contact layer and the semiconductor substrate.
なお、上記構成に加えて、前記発光部及び前記第2反射鏡の外側面に側面を接触して形成された高抵抗層を有し、前記高抵抗層の底面が前記第1反射鏡の上面に接触する構成としても構わない。 In addition to the above-described configuration, the light emitting unit and the second reflecting mirror include a high resistance layer formed in contact with the side surface, and the bottom surface of the high resistance layer is the upper surface of the first reflecting mirror. It does not matter even if it is the composition which touches.
この高抵抗層を設けることで、発光に寄与する箇所にのみ電流を供給することができるため、発光効率を高めることができる。更に、上記のように高抵抗層を形成することで、前記第1反射鏡が発光部の径よりも大きく形成されるため、電流経路断面積が増加して電気抵抗が低減する。これにより、更に素子の低抵抗化が実現される。 By providing this high resistance layer, the current can be supplied only to the portion that contributes to light emission, so that the light emission efficiency can be increased. Further, by forming the high resistance layer as described above, the first reflecting mirror is formed to be larger than the diameter of the light emitting portion, so that the current path cross-sectional area increases and the electrical resistance decreases. This further reduces the resistance of the element.
本発明の半導体レーザ装置によれば、コンタクト抵抗及び素子抵抗を低抵抗にしながらも、光の通過経路上に高濃度領域をほとんど又は完全に有さない構成とすることができるので、従来よりも高い光取り出し効率が実現できる。 According to the semiconductor laser device of the present invention, since the contact resistance and the element resistance can be made low, it is possible to have a configuration having little or no high-concentration region on the light passage path. High light extraction efficiency can be realized.
本発明の半導体レーザ装置(以下、適宜「レーザ装置」と略記する。)につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。 A semiconductor laser device of the present invention (hereinafter abbreviated as “laser device” as appropriate) will be described with reference to the drawings. In each figure, the dimensional ratio in the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態のレーザ装置の模式的断面図である。なお、図10と同一の要素に対しては、同一の符号を付している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the laser apparatus of the first embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element same as FIG.
〈構造〉
第1実施形態のレーザ装置1は、半導体基板10、n側多層膜反射鏡11(「第1反射鏡」に対応)、発光部13、p側多層膜反射鏡15(「第2反射鏡」に対応)、n型コンタクト層9(「第1コンタクト層」に対応)、p型コンタクト層17(「第2コンタクト層」に対応)、n側電極19(「第1電極」に対応)、p側電極21(「第2電極」に対応)を有する。
<Construction>
The
半導体基板10の面のうち、発光部13が形成されている側の面(以下「第1面」という。)の上層の一部箇所にはn側多層膜反射鏡11が形成されており、n側多層膜反射鏡11の上層に発光部13が形成され、発光部13の上層にp側多層膜反射鏡15が形成される。p側多層膜反射鏡15の上層にp型コンタクト層17が形成され、p型コンタクト層17の上層にp側電極21が形成される。
An n-
半導体基板10の第1面の上層の別の一部箇所には、絶縁層又は半導体層からなる不純物拡散防止層7が形成され、この不純物拡散防止層7の上層にn型コンタクト層9が形成されている。
An impurity
n型コンタクト層9は、例えばGaAsで構成され、コンタクト抵抗を小さくするために、Siなどのn型不純物が1×1018/cm3以上の高濃度でドープされる。
The n-
不純物拡散防止層7は、半導体層で形成される場合にはアンドープ層又は極めて低濃度の不純物拡散層で形成される。具体的には、アンドープのAlGaAs又はInGaPなどによって形成することができる。不純物拡散防止層7は、高濃度で構成されるn型コンタクト層9内の不純物(キャリア)が、n型コンタクト層9よりも低濃度で構成される半導体基板10側に拡散するのを防止する目的で設けられている。
When the impurity
更に、図1に示すレーザ装置1においては、半導体基板10の面のうち、発光部13が形成されている側の面と反対側の面(以下「第2面」という。)には、光束が拡散するのを抑制するための光束拡散防止部材16が形成されている。この光束拡散防止部材16としては、絶縁層又は金属層で形成される。光束拡散防止部材16を金属層で形成する場合には、この金属層にハンダ付けを行うことで、レーザ装置1を別の装置面上に固着する用途としても利用可能である。
Further, in the
図1では、光取り出し方向d1は半導体基板10の発光部13及び一対の反射鏡11,15が形成されている側と反対側(すなわち、第2面側)であり、半導体基板10とこの方向d1に離間した位置には外部出力ミラー3が形成される。なお、図10に示すレーザ装置90と同様に、図1に示すレーザ装置1も電流狭窄用の絶縁層25、パッシベーション層27、及び誘電体層29を備えている。
In FIG. 1, the light extraction direction d1 is opposite to the side where the
半導体基板10は、例えばGaAs基板で構成される。ここで、本実施形態においては、半導体基板10は、不純物濃度が1×1018/cm3未満、より好ましくは5×1017/cm3以下の低濃度でドープされている。
The
発光部13は、取り出すレーザ光5の波長に応じた材料で構成される。例えば、発光波長が0.8μm〜1μmの場合はGaInAs又はAlGaAsなどが用いられる。
The
n側多層膜反射鏡11及びp側多層膜反射鏡15は、所望の波長に対して吸収が少なく、且つ屈折率の異なる2種類の材料が積層されたもの、例えば、GaAs/AlGaAs又はGaAs/AlAsなどが用いられる。また、各反射鏡11,15を構成する各層の厚さは、材料及び波長に応じた厚さとされる。なお、p側多層膜反射鏡15の反射率を99%以上、n側多層膜反射鏡11の反射率を20%以上90%以下の範囲とするのが好ましい。n側多層膜反射鏡11の反射率をp側多層膜反射鏡15よりも低くしているのは、発光部13からの光が、n側多層膜反射鏡11とp側多層膜反射鏡15の間で反射を繰り返すことで励起された後、n側多層膜反射鏡11を通過して外部へと取り出す必要があるためである。
The n-
また、図1に示すように、n側多層膜反射鏡11は、その底面のうち外縁部分がn型コンタクト層9と接触し、内側部分が半導体基板10と接触するように形成されている。この点については詳細に後述される。
As shown in FIG. 1, the n-
p型コンタクト層17は、p側多層膜反射鏡15の上層に形成される。コンタクト層17は、例えばGaAsで構成され、コンタクト抵抗を小さくするためにCなどのp型不純物が1×1018/cm3以上の高濃度でドープされている。
The p-
図1に示すように、本実施形態のレーザ装置1においては、n側電極19が、p側電極21と同様に、半導体基板10の第1面側に形成されている。n側電極19の材料としては、例えばNi/Ge/Au/Ni/AuやAu/Ge/Ni/Auなどが利用可能である。
As shown in FIG. 1, in the
p側電極21は、p型コンタクト層17の上層に形成される。p側電極21は例えば、Au/Zn/AuやTi/Pt/Auなどで構成することができる。また、n側電極19と同一の材料で形成しても構わない。
The p-
図2は、半導体基板10と接触するn側多層膜反射鏡11の面(底面)を模式的に図示したものである。外縁部分(「第1領域」に対応)11aが、半導体基板10よりも高濃度のn型コンタクト層9に接触し、内側部分(「第2領域」に対応)11bがn型コンタクト層9よりも低濃度である半導体基板10に接触している。
FIG. 2 schematically shows the surface (bottom surface) of the n-
図2では、n側多層膜反射鏡11の底面のハッチングを、当該箇所が接触している層のハッチング(図1参照)と同一のハッチングとしている。すなわち、第1領域11aをn型コンタクト層9と同一のハッチングとし、第2領域11bを半導体基板10と同一のハッチングとしている。なお、n側多層膜反射鏡11の底面のうち、第1領域11aと第2領域11bの境界箇所においては、不純物拡散防止層7と接触しているため、かかる箇所は不純物拡散防止層7と同様に、ハッチングを施していない。
In FIG. 2, the hatching of the bottom surface of the n-
なお、本実施形態では、n型多層膜反射鏡11の底面と接触する位置における半導体基板10の領域が「第1不純物拡散領域」に対応する。
In the present embodiment, the region of the
このような構成の下、p側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧を印加すると、p側電極21、p型コンタクト層17、p側多層膜反射鏡15、発光部13、n側多層膜反射鏡11、n型コンタクト層9、及びn側電極19からなる電流経路が形成される。これにより、発光部13に電流が流れ、当該領域が光を発する。この光は、p側多層膜反射鏡15、n側多層膜反射鏡11、及び外部出力ミラー3にて構成される共振器内を共振しながら励起し、レーザ光5として外部に取り出される。
Under such a configuration, when a bias voltage is applied between the p-
n側電極19は高い不純物濃度のn型コンタクト層9に接触しているためコンタクト抵抗率は小さくなるので、コンタクト抵抗を小さくできる。また、不純物濃度の高いn側コンタクト層9を電流が通過するので電圧降下も小さくできる。さらに、p側電極21は高濃度のp型コンタクト層17と接触しているので、コンタクト抵抗は低く抑えられる。これらにより素子全体の抵抗は低く抑えられる。これにより、高いジュール熱が発生して、発光波長がシフトし、所望の発光波長の光の取り出し効率が低下するという問題は解消する。
Since the n-
また、発光部13からの光は、n側多層膜反射鏡11を介して外部に取り出されるが、n側多層膜反射鏡11の中央部分は不純物濃度の低い半導体基板10(第1不純物拡散領域)と接触している。このため、光の大部分がこの低濃度の半導体基板10内を通過する。これにより、従来構成と比べて半導体基板10内にて光が吸収される量が大きく抑制される。
The light from the
なお、n側多層膜反射鏡11が高濃度のn型コンタクト層19と接触する外縁部分の領域(第1領域)11aの面積を、半導体基板10と接触する内側部分の領域(第2領域)11bの面積よりも十分小さくしておくことで、ほぼ全ての光が低濃度領域、すなわち半導体基板10内を通過できる。これにより、半導体基板10内で光が吸収される量を最大限抑制することができる。
Note that the area of the outer edge portion (first region) 11 a where the n-
また、本実施形態の構成では、低濃度の半導体基板10と高濃度のn型コンタクト層9の境界に不純物拡散防止層7が埋め込まれている。これによりn型コンタクト層9から低濃度の半導体基板10に向かう不純物の拡散が防止できるので、半導体基板10、より詳細にはn側多層膜反射鏡11の底面の直下に位置する第1不純物拡散領域は低濃度状態が維持され、安定して高い光の取り出し効率が実現される。
Further, in the configuration of the present embodiment, the impurity
なお、図1の構成において、誘電体層29を備えない構成としても構わない(図3参照)。
In the configuration shown in FIG. 1, the
また、上記実施形態では、半導体基板10の光取り出し方向d1側をn側、反対側をp側として説明したが、p側とn側の位置を反転させても構わない。以下の実施形態でも同様である。
In the above embodiment, the light extraction direction d1 side of the
〈製造方法〉
以下、図1に示すレーザ装置1の製造方法の一例につき、図4A〜図4Jの各工程断面図を参照して説明する。
<Production method>
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the
(ステップS1)
図4Aに示すように、半導体基板10を準備する。半導体基板10としては、上述したように、不純物濃度が1×1018/cm3未満、より好ましくは5×1017/cm3以下のGaAs基板を採用することができる。
(Step S1)
As shown in FIG. 4A, a
(ステップS2)
図4Bに示すように、半導体基板10の第1面側のうち、レーザ光が通過する経路となる箇所の外周部分に位置する箇所を、ウェットエッチング法又はドライエッチング法によりエッチングして、溝部31を形成する。
(Step S2)
As shown in FIG. 4B, a portion of the first surface side of the
(ステップS3)
図4Cに示すように、溝部31が形成された箇所に、AlGaAs又はInGaPなどで形成される不純物拡散防止層7を、例えば1000nm〜10000nm程度の膜厚で結晶成長させる。
(Step S3)
As shown in FIG. 4C, the impurity
(ステップS4)
図4Dに示すように、ステップS3で形成した不純物拡散防止層7の一部を、ウェットエッチング法又はドライエッチング法によりエッチングして、溝部32を形成する。
(Step S4)
As shown in FIG. 4D, a part of the impurity
(ステップS5)
図4Eに示すように、溝部32が形成された箇所に、GaAsなどで形成されるn型コンタクト層9を例えば10nm〜1000nm程度の膜厚で結晶成長させる。n型コンタクト層9は、例えば、Siなどのn型不純物が1×1018/cm3以上の高濃度でドープされる。
(Step S5)
As shown in FIG. 4E, an n-
(ステップS6)
一部の上面に不純物拡散防止層7及びn型コンタクト層9が形成された半導体基板10の上層に、n側多層膜反射鏡11、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びp型コンタクト層17を下からこの順に結晶成長させる。
(Step S6)
On the upper layer of the
n側多層膜反射鏡11としては、GaAs/AlGaAs又はGaAs/AlAsなどが用いられ、反射率が20%以上90%以下となるように積層数が設定される。発光部13としては、GaInAs又はAlGaAsなどが用いられ、発光波長に応じて採用される材料や組成比が設定される。p側多層膜反射鏡15としては、GaAs/AlGaAs又はGaAs/AlAsなどが用いられ、反射率が99%以上となるように積層数が設定される。なお、積層される膜厚の例としては、n側多層膜反射鏡11が100nm〜2000nm程度、発光部13が50nm〜2000nm程度、p側多層膜反射鏡15が1000nm〜5000nm程度である。
As the n-
また、p型コンタクト層17としては、例えばCなどのp型不純物が1×1018/cm3以上の高濃度でドープされたGaAsが膜厚10nm〜1000nm程度成膜される。
As the p-
(ステップS7)
ステップS6によって形成された、n側多層膜反射鏡11、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びp型コンタクト層17からなる多層構造体のうち、例えば中央付近の領域をマスクしてイオン注入を行うことにより、電流狭窄層としての絶縁層25(高抵抗層)を形成する(図4G参照)。なお、当該箇所を酸化することで絶縁層25を形成してもよい。
(Step S7)
Of the multilayer structure formed in step S6 and including the n-
(ステップS8)
ステップS7で形成された電流狭窄層としての絶縁層25を、ウェットエッチング法又はドライエッチング法によりメサ形状に加工する(図4H参照)。本ステップS8によって、n型コンタクト層9の一部上面が露出される。
(Step S8)
The insulating
(ステップS9)
図4Iに示すように、スパッタ法又はPVD(Physical Vapor Deposition:物理気相成長)法にて、例えばSiNやSiO2などの絶縁材料を膜厚10nm〜2000nm程度成膜し、パッシベーション層27を形成する。
(Step S9)
As shown in FIG. 4I, an insulating material such as SiN or SiO 2 is formed to a thickness of about 10 nm to 2000 nm by sputtering or PVD (Physical Vapor Deposition), and a
(ステップS10)
次に、例えばp型コンタクト層17の上方に係る位置以外をマスクして、ウェットエッチング法又はドライエッチング法により非マスク領域に形成されたパッシベーション層27を除去する。その後、当該領域にスパッタ法又は真空蒸着法によって例えばAu/Zn/AuやTi/Pt/Auなどの電極材料を膜厚100nm〜3000nm程度成膜して、p側電極21を形成する。更に、n側コンタクト層9の露出面に、発光部13が形成されている側と同じ方向から、スパッタ法又は真空蒸着法によって例えばNi/Ge/Au/Ni/AuやAu/Ge/Ni/Auなどの電極材料を膜厚100nm〜3000nm程度成膜して、n側電極19を形成する(図4J参照)。
(Step S10)
Next, the
(ステップS11)
半導体基板10の第2面(発光部2が形成されていない側の面)上に、SiO2、Ta2O5、又はSiNOなどで構成される光学薄膜を、第2面側から、スパッタ法又は真空蒸着法によって膜厚10nm〜1000nm程度成膜し、誘電体層29を形成する。その後、レーザ光路に係る位置以外をマスクして、ウェットエッチング法又はドライエッチング法により非マスク領域に形成された誘電体層29を除去する。
(Step S11)
An optical thin film made of SiO 2 , Ta 2 O 5 , SiNO or the like is sputtered from the second surface side on the second surface (surface on which the light emitting unit 2 is not formed) of the
(ステップS12)
スパッタ法又はPVD法にて、例えばSiNやSiO2などの絶縁材料を膜厚10nm〜2000nm程度成膜し、光束拡散防止部材16を形成する(図1参照)。なお、本ステップS12では、絶縁材料に代えて、Auなどの接合用金属を蒸着法にて膜厚100nm〜5000nm程度成膜することで光束拡散防止部材16を形成しても構わない。
(Step S12)
By sputtering or PVD, for example, an insulating material such as SiN or SiO 2 is formed to a thickness of about 10 nm to 2000 nm to form a light beam diffusion preventing member 16 (see FIG. 1). In step S12, the light beam
上記ステップS1〜S12を経てレーザ装置1を製造する方法は、あくまで一例であり、この方法に限定されるものではない。また、成膜する膜厚の条件や用いられる材料も一例であり、上述した内容に限定されるものではない。以下の実施形態においても同様である。
The method of manufacturing the
[第2実施形態]
レーザ装置の第2実施形態につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
[Second Embodiment]
With respect to the second embodiment of the laser apparatus, only portions different from the first embodiment will be described.
〈構造〉
図5は、第2実施形態のレーザ装置の模式的断面図である。第2実施形態のレーザ装置1においては、レーザ光路上における半導体基板10の第1面側の上面に、n型コンタクト層9より不純物濃度の低い不純物拡散領域8が形成されている点が異なる。本実施形態では、この不純物拡散領域8が「第1不純物拡散領域」に対応する。
<Construction>
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the laser apparatus of the second embodiment. The
この構成においても、第1実施形態のレーザ装置1と同様、p側電極21とn側電極19の間にバイアス電圧を印加すると、p側電極21、p型コンタクト層17、p側多層膜反射鏡15、発光部13、n側多層膜反射鏡11、n型コンタクト層9、及びn側電極19からなる電流経路が形成される。これにより、発光部13に電流が流れ、当該領域が光を発する。この光は、p側多層膜反射鏡15、n側多層膜反射鏡11、及び外部出力ミラー3にて構成される共振器内を共振しながら励起し、レーザ光5として外部に取り出される。
Also in this configuration, as with the
n側電極19は高い不純物濃度のn型コンタクト層9に接触し、p側電極21は高濃度のp型コンタクト層21と接触しているので、n側電極19及びp側電極21共に、コンタクト抵抗は低く抑えられる。これらにより素子全体の抵抗は低く抑えられる。これにより、高いジュール熱が発生して、発光波長がシフトし、所望の発光波長の光の取り出し効率が低下するという問題は解消する。
Since the n-
また、発光部13からの光は、n側多層膜反射鏡11を介して外部に取り出されるが、n側多層膜反射鏡11の中央部分は不純物濃度の低い不純物拡散領域8(第1不純物拡散領域)と接触している。このため、光の大部分がこの低濃度の不純物拡散領域8及び半導体基板10内を通過する。これにより、従来構成と比べて半導体基板10内にて光が吸収される量が大きく抑制される。
In addition, light from the
なお、図6に示すように、不純物拡散領域8の一部が、更に不純物拡散防止層7の底面に接触する位置にも形成されていても構わない。
As shown in FIG. 6, a part of the
〈製造方法〉
以下、図5に示すレーザ装置1の製造方法につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
<Production method>
Hereinafter, only the differences from the first embodiment will be described for the method of manufacturing the
第1実施形態と同様に、半導体基板10を準備する(ステップS1)。
Similar to the first embodiment, the
(ステップS2A)
半導体基板10上のうち、レーザ光路となる位置には、不純物濃度の低い不純物拡散領域8を、その外周位置には不純物拡散防止層7を、それぞれ例えば1000nm〜10000nm程度の膜厚で結晶成長させる。なお、不純物拡散領域8は、不純物濃度が1×1018/cm3未満、より好ましくは5×1017/cm3以下のAlGaAs又はInGaPで形成し、不純物拡散防止層7は、アンドープのAlGaAs又はInGaPで形成することができる(図7A参照)。
(Step S2A)
Crystal growth of an
以下は、第1実施形態のステップS4と同様に、不純物拡散防止層7の一部を、ウェットエッチング法又はドライエッチング法によりエッチングして、溝部32を形成する(図7B参照)。そして、第1実施形態のステップS5と同様に、溝部32が形成された箇所に、GaAsなどで形成されるn型コンタクト層9を例えば10nm〜1000nm程度の膜厚で結晶成長させる(図7C参照)。
Thereafter, as in step S4 of the first embodiment, a part of the impurity
これ以後は、第1実施形態のステップS6〜S12と同様の工程を経て、図5に示すレーザ装置1が形成される。
Thereafter, the
次に、図6に示すレーザ装置1の製造方法につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
Next, regarding the method for manufacturing the
第1実施形態と同様に、半導体基板10を準備する(ステップS1)。
Similar to the first embodiment, the
(ステップS2B)
半導体基板10上に不純物濃度の低い不純物拡散領域8を結晶成長させる。このとき、レーザ光路となる位置の成長膜厚をその外周の位置よりも厚膜とする(図7D参照)。
(Step S2B)
An
(ステップS3B)
ステップS2Bにおいて薄膜で形成された不純物拡散領域8の上面に、不純物拡散防止層7を例えば1000nm〜10000nm程度の膜厚で結晶成長させる。
(Step S3B)
In step S2B, on the upper surface of the
以下は、第1実施形態のステップS4と同様に、不純物拡散防止層7の一部を、ウェットエッチング法又はドライエッチング法によりエッチングして、溝部32を形成する(図7E参照)。そして、第1実施形態のステップS5と同様に、溝部32が形成された箇所に、GaAsなどで形成されるn型コンタクト層9を例えば10nm〜1000nm程度の膜厚で結晶成長させる(図7F参照)。
Thereafter, as in step S4 of the first embodiment, a part of the impurity
これ以後は、第1実施形態のステップS6〜S12と同様の工程を経て、図6に示すレーザ装置1が形成される。
Thereafter, the
[第3実施形態]
レーザ装置の第3実施形態につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
[Third Embodiment]
With respect to the third embodiment of the laser apparatus, only portions different from the first embodiment will be described.
〈構造〉
図8は、第3実施形態のレーザ装置の模式的断面図である。第3実施形態のレーザ装置1においては、n側多層膜反射鏡11を、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びp型コンタクト層17よりも形成面積を拡げている。そして、n側多層膜反射鏡11の上面は電流狭窄層としての絶縁層25(「高抵抗層」に対応)と接触し、底面の一部がn型コンタクト層9と接触している。すなわち、電流狭窄層としての絶縁層25は、発光部13及びp型多層膜反射鏡15の外側位置に形成されている。そして、絶縁層25の側面が発光部13及びp型多層膜反射鏡15の外側面と接触し、絶縁層25の底面がn側多層膜反射鏡11の上面と接触している。
<Construction>
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the laser device of the third embodiment. In the
かかる構成とした場合であっても、第1実施形態のレーザ装置1と同様の理由により、素子抵抗の低減化と光取り出し効率の向上の両立を図ることができる。なお、図8に示すような構成としたことで、n側多層膜反射鏡11が発光部13の径よりも大きく形成されるため、第1実施形態のレーザ装置1と比べて電流経路の断面積が増加し、電気抵抗が低減する。これにより、更に素子の低抵抗化が実現される。
Even in such a configuration, it is possible to achieve both reduction in element resistance and improvement in light extraction efficiency for the same reason as in the
なお、第2実施形態で上述した図5又は図6に示すレーザ装置1に対して、n側多層膜反射鏡11を、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びp型コンタクト層17よりも形成面積を拡げた構成としても構わない。
5 or 6 described above in the second embodiment, the n-
〈製造方法〉
以下、図8に示すレーザ装置1の製造方法につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
<Production method>
Hereinafter, only the differences from the first embodiment will be described for the method of manufacturing the
第1実施形態と同様に、ステップS1〜S6を順次実行する。 As in the first embodiment, steps S1 to S6 are sequentially executed.
(ステップS7A)
ステップS7と同様に、ステップS6によって形成された、n側多層膜反射鏡11、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びp型コンタクト層17からなる多層構造体のうち、例えば中央付近の領域をマスクしてイオン注入を行うことにより、電流狭窄層としての絶縁層25(高抵抗層)を形成する。このとき、イオン注入エネルギーを調整することで、n側多層膜反射鏡11の形成箇所にはイオン注入を行わず、発光部13、p側多層膜反射鏡15及びp型コンタクト層17の形成箇所にのみイオン注入を行う(図9参照)。なお、当該箇所を酸化することで絶縁層25を形成してもよい。
(Step S7A)
As in step S7, among the multilayer structure formed by step S6 and including the n-
これ以後は、第1実施形態のステップS8〜S12と同様の工程を経て、図8に示すレーザ装置1が形成される。
Thereafter, the
1 : 半導体レーザ装置
3 : 外部出力ミラー
5 : レーザ光
7 : 不純物拡散防止層
9 : n型コンタクト層(第1コンタクト層)
10 : 半導体基板
11 : n側多層膜反射鏡(第1反射鏡)
11a : n側多層膜反射鏡の外縁部分(第1領域)
11b : n側多層膜反射鏡の内側部分(第2領域)
13 : 発光部
15 : p側多層膜反射鏡(第2反射鏡)
16 : 光束拡散防止部材
17 : p型コンタクト層(第2コンタクト層)
19 : n側電極(第1電極)
21 : p側電極(第2電極)
25 : 電流狭窄層としての絶縁層
27 : パッシベーション層
29 : 誘電体層
31 : 溝部
32 : 溝部
40 : 半導体基板
90 : 従来のVECSEL構造のレーザ装置
d1 : レーザ光の取り出し方向
1: Semiconductor laser device 3: External output mirror 5: Laser beam 7: Impurity diffusion prevention layer 9: n-type contact layer (first contact layer)
10: Semiconductor substrate 11: n-side multilayer film reflecting mirror (first reflecting mirror)
11a: outer edge portion (first region) of n-side multilayer mirror
11b: Inner part of the n-side multilayer reflector (second region)
13: Light-emitting part 15: P-side multilayer reflector (second reflector)
16: Light beam diffusion preventing member 17: p-type contact layer (second contact layer)
19: n-side electrode (first electrode)
21: p-side electrode (second electrode)
25: Insulating layer as a current confinement layer 27: Passivation layer 29: Dielectric layer 31: Groove portion 32: Groove portion 40: Semiconductor substrate 90: Conventional laser device with VECSEL structure d1: Laser light extraction direction
Claims (4)
前記第1反射鏡の、前記発光部の形成側と反対側の面の外縁に位置する第1領域に接触するように形成された第1コンタクト層と、
前記第1反射鏡の、前記発光部の形成側と反対側の面において、前記第1領域よりも内側に位置する第2領域に接触するように形成された、前記第1コンタクト層よりも不純物濃度が低濃度の第1不純物拡散領域と、
前記第1コンタクト層と前記第1不純物拡散領域の境界部分に形成された、絶縁層又は半導体層からなる不純物拡散防止層と
前記第1反射鏡の外側位置において、底面を前記第1コンタクト層の上面と接触して形成された第1電極と、
前記第2反射鏡の上層に形成された第2コンタクト層と、
前記第2コンタクト層の上層に形成された第2電極を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。 A semiconductor laser device in which a first reflecting mirror, a light emitting unit, and a second reflecting mirror are sequentially laminated on a semiconductor substrate,
A first contact layer formed so as to be in contact with a first region located on an outer edge of a surface of the first reflecting mirror opposite to a side on which the light emitting unit is formed;
Impurities than the first contact layer formed on the surface of the first reflecting mirror opposite to the light emitting portion forming side so as to be in contact with a second region located inside the first region. A first impurity diffusion region having a low concentration;
An impurity diffusion prevention layer formed of an insulating layer or a semiconductor layer formed at a boundary portion between the first contact layer and the first impurity diffusion region; and a bottom surface of the first contact layer at a position outside the first reflector. A first electrode formed in contact with the upper surface;
A second contact layer formed on an upper layer of the second reflecting mirror;
A semiconductor laser device comprising a second electrode formed on an upper layer of the second contact layer.
前記不純物拡散防止層は、前記第1コンタクト層と前記半導体基板の境界部分に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 The first impurity diffusion region is configured by a part of the semiconductor substrate having an impurity concentration lower than that of the first contact layer,
2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the impurity diffusion preventing layer is formed at a boundary portion between the first contact layer and the semiconductor substrate.
前記不純物拡散防止層は、前記第1コンタクト層と前記第1不純物拡散領域の境界部分及び前記第1コンタクト層と前記半導体基板の境界部分に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 The semiconductor substrate has a lower impurity concentration than the first contact layer,
2. The impurity diffusion preventing layer is formed at a boundary portion between the first contact layer and the first impurity diffusion region and at a boundary portion between the first contact layer and the semiconductor substrate. Semiconductor laser device.
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