JP7406244B2 - Vertical cavity surface emitting laser and its manufacturing method - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 令和元年7月16にウェブサイトで公開された「2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会のウェブプログラム」に発表 〔刊行物等〕 令和元年9月4日に発行の「2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会予稿集」に発表 〔刊行物等〕 令和元年9月20に開催された「2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会」に発表Application of
本発明は、垂直共振器面発光レーザに関する。 The present invention relates to vertical cavity surface emitting lasers.
半導体レーザのひとつとして、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)がある。VCSELは、半導体基板と垂直方向に形成された共振器を有し、基板と垂直方向にビームを出射する。VCSELは、他の半導体レーザに比べて安価であるため、その用途、市場規模は年々拡大している。 One type of semiconductor laser is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). A VCSEL has a resonator formed perpendicularly to a semiconductor substrate, and emits a beam perpendicularly to the substrate. Since VCSEL is cheaper than other semiconductor lasers, its applications and market size are expanding year by year.
図1は、従来のVCSELの断面図である。VCSEL100rは、基板102、下部DBR(Distributed Bragg Reflector)層104、活性層106、上部DBR層108、下部電極110、上部電極112を備える。活性層106の上側には、酸化狭窄層114が形成されている。酸化狭窄層114によって規定される電流注入領域Aに、電流が流れる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional VCSEL. The VCSEL 100r includes a
VCSELの効率を高めるために、半導体層のドーピング濃度を高め、電極間の抵抗を低減するアプローチを採ることができる。しかしながら、ドーピング濃度を高めると、光の吸収が増加し、効率の改善を妨げる方向に作用する。したがって従来のVCSELでは、効率の改善に限界があった。 To increase the efficiency of a VCSEL, an approach can be taken to increase the doping concentration of the semiconductor layer and reduce the resistance between the electrodes. However, increasing the doping concentration increases light absorption, which works against improving efficiency. Therefore, conventional VCSELs have limited efficiency improvement.
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、効率を改善した面発光レーザの提供にある。 It is in this context that the present invention has been made, and one exemplary object of certain aspects thereof is to provide a surface emitting laser with improved efficiency.
本発明のある態様は、垂直共振器面発光レーザに関する。垂直共振器面発光レーザは、下部DBR(Distributed Bragg Reflector)層と、下部DBR層の上に形成される活性層と、活性層の上に形成される上部DBR層と、を備える。上部DBR層は、活性層の電流注入領域とオーバーラップする部分に、プロトン注入領域を含む。 Certain aspects of the present invention relate to vertical cavity surface emitting lasers. A vertical cavity surface emitting laser includes a lower DBR (Distributed Bragg Reflector) layer, an active layer formed on the lower DBR layer, and an upper DBR layer formed on the active layer. The upper DBR layer includes a proton injection region in a portion that overlaps the current injection region of the active layer.
なお本明細書における上部、下部(上下)は便宜的なものに過ぎず、プロトン注入領域が形成される上部DBR層は、駆動電流が流れるDBR層と把握することができる。 Note that the terms "upper" and "lower" (upper and lower) in this specification are merely for convenience, and the upper DBR layer in which the proton injection region is formed can be understood as the DBR layer through which the drive current flows.
電流注入領域は、高抵抗領域と高抵抗領域により囲まれた低抵抗領域を含む電流狭窄構造により規定されてもよい。 The current injection region may be defined by a current confinement structure including a high resistance region and a low resistance region surrounded by the high resistance region.
本発明の別の態様は、垂直共振器面発光レーザの製造方法に関する。製造方法は、上部DBR層の、活性層の電流注入領域とオーバーラップする部分に、プロトンを注入するステップを備える。 Another aspect of the invention relates to a method of manufacturing a vertical cavity surface emitting laser. The manufacturing method includes the step of injecting protons into a portion of the upper DBR layer that overlaps with a current injection region of the active layer.
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that arbitrary combinations of the above components, or expressions of the present invention converted between methods, devices, etc., are also effective as aspects of the present invention.
本発明のある態様によれば、垂直共振器面発光レーザの効率を改善できる。 According to certain aspects of the present invention, the efficiency of vertical cavity surface emitting lasers can be improved.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. Identical or equivalent components, members, and processes shown in each drawing are designated by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted as appropriate. Further, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
図2は、実施の形態に係るVCSEL100の断面図である。VCSEL100は、基板102、下部DBR層104、活性層106、上部DBR層108、下部電極110、上部電極112を備える。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
VCSEL構造および材料は公知技術を用いればよく、特に限定されないが、一例を説明する。たとえば基板102は、III-V族半導体でありGaAs基板であってもよい。基板102の裏面には、n型電極である下部電極110が形成される。下部DBR層104は、n型不純物がドープされたAl0.92Ga0.08As層とAl0.16Ga0.84As層(AlGaAs=アルミニウムガリウムヒ素)の積層構造となっており、100%近い反射率を有する。n型不純物としては、たとえばシリコン(Si)、セレン(Se)などを用いることができる。
Known techniques may be used for the VCSEL structure and materials, and although there are no particular limitations, an example will be described. For example, the
活性層106は、In0.2Ga0.8As/GaAs(インジウムガリウムヒ素/ガリウムヒ素)の多重量子井戸構造を有する。たとえば活性層106は、3層量子井戸構造を有してもよい。多重量子井戸構造の両側には、必要に応じてアンドープのAl0.3Ga0.7As層である下部スペーサ層および上部スペーサ層が形成される。上部DBR層108は、p型不純物がドープされたAl0.92Ga0.08As層とAl0.16Ga0.84As層(AlGaAs=アルミニウムガリウムヒ素)の積層構造であってもよい。p型不純物としては、炭素(C)や亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)もしくはベリリウム(Be)などを用いることができる。
The
上部DBR層108は、活性層106の電流注入領域Aとオーバーラップする部分Bに、プロトンが注入され、プロトン注入領域120が形成されている。活性層106の電流注入領域Aは、高抵抗領域Xと高抵抗領域Xにより囲まれた低抵抗領域Yを含む電流狭窄構造により規定され、具体的には低抵抗領域Yが、電流注入領域Aに対応する。
In the
VCSEL100は、AlAsを含む酸化狭窄層114を含んでもよい。この酸化狭窄層114を、メサの側面から選択的に酸化させることで、高抵抗領域Xが形成され、電流狭窄構造が生成される。
VCSEL 100 may include an
P型電極である上部電極112は、上部DBR層108の上側に形成される。
The
以上がVCSEL100の構造である。 The above is the structure of the VCSEL 100.
続いてその動作を説明する。上部電極112から注入される駆動電流IDは、上部DBR層108では、一点鎖線で示すように、プロトン注入領域120の外側のキャリア濃度が高い領域に流れ、酸化狭窄層114の付近から、活性層106の電流注入領域Aに向かって流れはじめる。
Next, its operation will be explained. In the
活性層106の電流注入領域Aに駆動電流IDが流れることにより、活性層106に反転分布が形成され、レーザ発振する。レーザ光は、下部DBR層104と上部DBR層108の間で、電流注入領域Aとオーバーラップする部分において往復して増幅され、その一部が上部DBR層108から取り出される。
When the drive current ID flows through the current injection region A of the
上部DBR層108の電流注入領域Aとオーバーラップする部分Bに、プロトンを注入することにより、この部分Bのキャリア濃度が低下し、したがって光の吸収、すなわち損失が小さくなる。これにより、VCSEL100の効率を改善することができる。
By injecting protons into the portion B of the
なお、上部DBR層108のプロトン注入領域120のキャリア濃度が低下することにより、その部分の抵抗は高くなるが、駆動電流IDは、一点鎖線で示すように、プロトン注入領域120の外側のキャリア濃度が高い経路を流れることができるため、プロトン注入領域120を形成したことによる、抵抗の増加は無視することができる。あるいは、抵抗の増加が無視できなかったとしても、光吸収の低下による効率の改善が、抵抗増加による効率の低下を上回れば、VCSEL100全体としての効率を改善することができる。
Note that as the carrier concentration in the
さらに、プロトン注入により、光路であるプロトン注入領域120のキャリア濃度を、駆動電流の経路である非注入領域のキャリア濃度と独立に制御できるため、プロトン注入前のキャリア濃度、すなわち非注入領域のキャリア濃度を、従来のそれよりも高め、したがって電流経路の抵抗をさらに下げることも可能である。したがって光吸収の低下の効果に加えて、電流経路の抵抗の効果の組み合わせによって、効率を改善できる。
Furthermore, by proton injection, the carrier concentration in the
またプロトン注入は、電流狭窄構造の作製に用いられた実績があることから分かるように、半導体レーザの製造プロセスへの導入が容易である。したがって、プロトン注入領域120を形成するための技術的なハードルは低く、またそのコストの増加は非常に小さい。
In addition, proton injection can be easily introduced into the manufacturing process of semiconductor lasers, as can be seen from the fact that it has been used in the production of current confinement structures. Therefore, the technical hurdles for forming the
本実施の形態では、プロトン注入を、VCSELの積層構造の製造後に行っているが、比較技術として、VCSELの積層構造の製造段階において、上部DBR層108の中央部と、外周部において、不純物のドーピング濃度を変化させる手法を採ることもできる。しかしながら、トランジスタに比べて巨大な構造を有するVCSELデバイスでは、領域毎にドーピング濃度を選択的に変化させるためには、結晶成長とリソグラフィ、エッチングを複数回組み合わせる必要があり、コスト増は避けられない。これに対して、実施の形態で用いるプロトン注入は、複雑なプロセスを必要としないため、半導体レーザという大きなデバイスに適しているといえる。
In this embodiment, proton implantation is performed after manufacturing the VCSEL stacked structure, but as a comparative technique, impurities are implanted in the center and outer periphery of the
図3は、プロトン注入領域120の深さと、抵抗値および光吸収の関係(シミュレーション結果)を示す図である。プロトン注入領域120のキャリア濃度は、5×1016(cm-3)、1×1017(cm-3)、2×1017(cm-3)、5×1017(cm-3)、1×1018(cm-3)としている。プロトン注入領域120は、深さ方向について、0~2.5μmの範囲に形成することとした。上部DBR層108におけるプロトン注入領域120以外(非注入領域)のキャリア濃度は2×1018(cm-3)としている。プロトン注入領域のキャリア濃度を下げ過ぎると、抵抗値が過剰に増加することから、プロトン注入領域のキャリア濃度は、2×1017~1×1018(cm-3)程度が好ましい。これは、非注入領域のキャリア濃度の1/10~1/2程度に相当する。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship (simulation results) between the depth of the
実際に作製したVCSEL100のサンプルについて説明する。図4は、サンプルの構造を示す図である。設計パラメータは以下の通りである。
メサの高さ h=3.45μm
メサ直径 φ1=30μm
出射窓径 φ2=15μm
選択酸化アパーチャ径 φ3=10μm
プロトン注入径φ4=10μm
A sample of the
Mesa height h=3.45μm
Mesa diameter φ 1 = 30μm
Output window diameter φ2 = 15μm
Selective oxidation aperture diameter φ 3 = 10μm
Proton injection diameter φ 4 = 10 μm
同じ構造で、プロトン注入領域120を形成しないサンプルAと、プロトン注入領域120を形成したサンプルBを作製し、それらの特性を比較した。プロトン注入に関して、注入エネルギーは310keV、ドーズ量は1×1012(cm-2)であり、深さ2.0~2.5μmに、プロトン注入領域120が形成されている。なお、イオン注入(プロトン注入)では注入エネルギーに応じた深さにピーク濃度を持つ注入分布となり、深さ方向にある程度広がりのある濃度分布が形成され、2.0~2.5μmというのは、ある有意な濃度のプロトンが注入された領域を意味する。したがってその深さの範囲ではプロトン注入濃度(より本質的な意義の点からはキャリア濃度)は必ずしも均一ではない。なお、シミュレーションでは、指定した深さ範囲にわたり、キャリア濃度が均一であることを仮定している。
Sample A with the same structure but without the
図5(a)、(b)は、サンプルAとサンプルBの、I-V特性および出力パワーの電流依存性(測定結果)を示す図である。プロトン注入領域120を形成したサンプルBでは、形成しないサンプルAと比較して、同じ駆動電流を与えたときの出力パワーが飛躍的に増大していることが分かる。
FIGS. 5(a) and 5(b) are diagrams showing the IV characteristics and current dependence of output power (measurement results) of sample A and sample B. It can be seen that in sample B in which the
図6は、サンプルAとサンプルBの、出力パワーの分布図である。横軸はスロープ効率SEを表す。 FIG. 6 is an output power distribution diagram of sample A and sample B. The horizontal axis represents slope efficiency SE.
なお、実験で作成したサンプルAは、従来の構成において良好な特性が得られるように、上部DBR層のキャリア濃度を決めたものであり、サンプルBは、サンプルAと同条件のデバイスに、プロトンを注入したものである。 In addition, sample A created in the experiment has the carrier concentration of the upper DBR layer determined so that good characteristics can be obtained in a conventional configuration, and sample B is a device with the same conditions as sample A, but with protons. It is injected with.
ここで従来構造(つまりサンプルA)では、キャリア濃度を高くしすぎると、光吸収が増えるため、それらのトレードオフを考慮して、キャリア濃度を定める必要があった。これに対して、実施の形態に係るVCSEL100では、非注入領域のキャリア濃度を高くしても、光吸収は増加しない。つまり、上部DBR層のキャリア濃度を従来よりもさらに高めることが可能となる。したがって、最適化設計をしたときの特性は、サンプルBよりもさらに改善される余地がある。
Here, in the conventional structure (that is, sample A), if the carrier concentration is made too high, light absorption increases, so it was necessary to determine the carrier concentration in consideration of these trade-offs. In contrast, in the
続いて、プロトン注入領域120の深さ方向の形成位置に関する検討結果を説明する。図7(a)~(d)は、VCSEL100の構成例1~4を示す図である。図7(a)の構成例1では、0-2μmの深さにプロトン注入領域120が形成される。図7(b)の構成例2では、0-1μmの深さにプロトン注入領域120が形成される。図7(c)の構成例3では、0.5-1.5μmの深さにプロトン注入領域120が形成される。図7(d)の構成例4では、1-2μmの深さにプロトン注入領域120が形成される。
Next, the results of the study regarding the formation position of the
図8(a)、(b)は、図7(a)~(d)の構成例1~4における、電気抵抗と光吸収の解析結果を示す図である。iはプロトン注入無し、iiは図7(b)の構成例、iiiは図7(c)の構成例、ivは図7(d)の構成例、vは図7(a)の構成の解析結果を示す。 FIGS. 8(a) and 8(b) are diagrams showing analysis results of electrical resistance and light absorption in configuration examples 1 to 4 shown in FIGS. 7(a) to 7(d). i is no proton injection, ii is the configuration example of FIG. 7(b), iii is the configuration example of FIG. 7(c), iv is the configuration example of FIG. 7(d), v is the analysis of the configuration of FIG. 7(a) Show the results.
この解析結果から、デバイスの表面近傍の近い領域に注入せず、より深い位置に注入した構造を採用すれば、さらに特性が改善されることが分かる。 From this analysis result, it can be seen that the characteristics can be further improved by adopting a structure in which the implantation is performed at a deeper position rather than in a region close to the surface of the device.
なおこの解析例は、通常のVCSELのドーピング濃度に対してプロトン注入を行った想定であり、プロトン注入を行うことで必ず高抵抗領域が多くなっており、基準の試料(i)よりも必ず抵抗が高くなっている。
本実施の形態では、プロトン注入により、光路であるプロトン注入領域120のキャリア濃度を、駆動電流の経路である非注入領域のキャリア濃度と独立に制御できるため、プロトン注入前のキャリア濃度、すなわち非注入領域のキャリア濃度を、従来のそれよりも高め、したがって電流経路の抵抗をさらに下げることも可能である。このような構造は、上の解析例の対象となっておらず、この解析よりもさらに特性を改善する余地がある。
Note that this analysis example assumes that proton implantation is performed for the doping concentration of a normal VCSEL, and as a result of proton implantation, there will always be more high resistance regions, and the resistance will always be higher than that of the reference sample (i). Is high.
In this embodiment, by proton injection, the carrier concentration in the
続いてVCSEL100の製造方法を説明する。図9(a)~(f)は、VCSEL100の製造方法を示す図である。はじめに図9(a)に示すように、基板102、下部DBR層104、活性層106、上部DBR層108、保護膜109を含む積層構造101を形成する。積層構造101の製造方法は公知技術を用いればよい。保護膜109は、半導体表面の保護のために形成される。その限りでないが、保護膜109は、除去が容易であり、半導体への負荷、浸食が少ないSiO2(ガラス)を含んでもよい。
Next, a method for manufacturing the
続いて、図9(b)に示すように、プロトン注入領域120が形成される。続いて図9(c)に示すように、メサ構造130が形成される。続いて、図9(d)に示すように、選択的酸化プロセスにより、酸化狭窄層114を形成する。そして図9(e)に示すように、メサ構造130にポリマー132を塗布する。そして、図9(f)に示すように、上部電極112および下部電極110を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 9(b), a
図10(a)~(d)は、図9(b)のプロトン注入プロセスを示す図である。図10(a)に示すように、VCSELの積層構造101の上に、レジスト140が塗布される。続いて、図10(b)に示すように、レジスト140が露光、現像され、パターニングされ、開口142が形成される。そして、図10(c)では、レジスト140の上からプロトンが照射され、レジスト140の開口142から、上部DBR層108にプロトンが注入され、プロトン注入領域120が形成される。そして図10(d)では、レジスト140が除去され、さらに保護膜109も除去され、図9(c)の状態となる。
FIGS. 10(a) to 10(d) are diagrams showing the proton injection process of FIG. 9(b). As shown in FIG. 10(a), a resist 140 is applied on the VCSEL stacked
なお図9(a)~(f)の製造方法では、メサを形成する前に、プロトンを注入したが、その限りでなく、プロトンの注入の順番は限定されない。たとえばプロトン注入を、メサ形成後に行ってもよいし、さらに酸化狭窄層114の形成後に行ってもよい。
Note that in the manufacturing method of FIGS. 9A to 9F, protons are injected before forming the mesa, but this is not the case, and the order of proton injection is not limited. For example, proton implantation may be performed after mesa formation or even after formation of oxidized
また、図10(a)~(d)ではレジストを用いてプロトン注入を行ったが、メタルマスクを用いてプロトン注入を行ってもよい。 Further, in FIGS. 10A to 10D, proton implantation was performed using a resist, but proton implantation may be performed using a metal mask.
実施の形態では、下部電極(n型電極)110を基板102の裏面に形成したが、その限りでない。たとえば、基板102と下部DBR層104の間、もしくは下部DBR層の上側にn型コンタクト層を挿入し、メサ部において露出したn型コンタクト層の上側に、n型電極を形成してもよい。下部DBR層として、誘電体DBR層を採用してもよい。
In the embodiment, the lower electrode (n-type electrode) 110 is formed on the back surface of the
上部DBR層108は、半導体DBR層と、その上に設けられた誘電体DBR層の積層構造であってもよい。この場合、半導体DBR層に、プロトン注入領域を形成すればよい。
The
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific words and phrases based on the embodiments, the embodiments merely illustrate the principles and applications of the present invention, and the embodiments do not include the scope of the claims. Many modifications and changes in arrangement are possible without departing from the spirit of the present invention.
100 VCSEL
102 基板
104 下部DBR層
106 活性層
108 上部DBR層
110 下部電極
112 上部電極
114 酸化狭窄層
120 プロトン注入領域
130 メサ構造
132 ポリマー
100 VCSEL
102
Claims (2)
前記下部DBR層の上に形成される活性層と、
前記活性層の上に形成される上部DBR層と、
を備え、
前記上部DBR層は、
高抵抗領域および前記高抵抗領域により囲まれた低抵抗領域を含み、前記活性層の電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、
前記電流狭窄構造よりも浅い位置に形成されたプロトン注入領域と、
を含み、
前記プロトン注入領域は、基板に対して垂直方向に平面視したときに前記電流注入領域とオーバーラップし、かつ出射窓の中心を含んで連続した領域であることを特徴とする垂直共振器面発光レーザ。 a lower DBR (Distributed Bragg Reflector) layer;
an active layer formed on the lower DBR layer;
an upper DBR layer formed on the active layer;
Equipped with
The upper DBR layer is
a current confinement structure that includes a high resistance region and a low resistance region surrounded by the high resistance region and defines a current injection region of the active layer;
a proton injection region formed at a shallower position than the current confinement structure;
including;
The proton injection region overlaps the current injection region when viewed from above in a direction perpendicular to the substrate, and is a continuous region including the center of the exit window. laser.
上部DBR(Distributed Bragg Reflector)層内に、高抵抗領域および前記高抵抗領域により囲まれた低抵抗領域を含み、活性層の電流注入領域を規定する電流狭窄構造を形成するステップと、
前記上部DBR層内の、前記電流狭窄構造よりも浅い領域にプロトンを注入するステップと、
を備え、
前記プロトンが注入される領域は、基板に対して垂直方向に平面視したときに前記電流注入領域とオーバーラップし、かつ出射窓の中心を含む連続した領域であることを特徴とする製造方法。 A method for manufacturing a vertical cavity surface emitting laser, the method comprising:
forming a current confinement structure in an upper DBR (Distributed Bragg Reflector) layer that includes a high resistance region and a low resistance region surrounded by the high resistance region and defines a current injection region of the active layer;
Injecting protons into a region shallower than the current confinement structure in the upper DBR layer;
Equipped with
A manufacturing method characterized in that the region into which protons are injected is a continuous region that overlaps the current injection region and includes the center of the exit window when viewed from above in a direction perpendicular to the substrate.
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-
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