JPH11354881A - Vertical resonator surface light emitting laser device and manufacture thereof - Google Patents

Vertical resonator surface light emitting laser device and manufacture thereof

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JPH11354881A
JPH11354881A JP15770898A JP15770898A JPH11354881A JP H11354881 A JPH11354881 A JP H11354881A JP 15770898 A JP15770898 A JP 15770898A JP 15770898 A JP15770898 A JP 15770898A JP H11354881 A JPH11354881 A JP H11354881A
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JP
Japan
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mesa
dbr mirror
layer
etching
emitting laser
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Application number
JP15770898A
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Japanese (ja)
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Virahampal Sing
シング・ビラハムパル
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Advantest Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To greatly reduce the series resistance of a vertical resonator surface light emitting laser device, by providing the upper layer portion of a first DBR mirror and an active layer with a first mesa that is formed on the first DBR mirror, by providing a second DBR mirror with a second mesa that is formed on the active layer, and by arranging waveguides within each mesa. SOLUTION: A resonator surface light emitting structure is formed on an n substrate 1, and an n-DBR mirror 2 is formed on a buffer layer. Then, an SCH layer 4, an active layer 5, an SCH layer 6, and a p-DBR mirror 8 are sequentially formed on the mirror 2. A quantum well is included in the layer 5 between the mirrors 2 and 8 of this AlAs/AlGaAs laminated structure. A mesa 10 is formed by etching. While exposing the resultant substrate to a high- temperature water vapor, the AlAs layer that tends to be easily oxidized is oxidized sideways from the outside toward the interior of the mesa 10, thereby forming waveguides 12 in the mesa 10. Next, p-electrodes are formed on the exposed portion of the layer 6 on the layer 5, and n-electrodes are formed on the mirror 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な構造の垂直
共振器面発光レーザ装置およびその製造方法に関する。
さらに特定すると、本発明は、光(フォトン)のみなら
ず電流(キャリア)の閉じ込め効果が高い、垂直共振器
面発光レーザおよびその製造方法に関する。
The present invention relates to a vertical cavity surface emitting laser device having a novel structure and a method of manufacturing the same.
More specifically, the present invention relates to a vertical cavity surface emitting laser having a high effect of confining not only light (photons) but also current (carrier) and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】周知の様に、垂直共振器面発光レーザ装
置(以下VCSEL装置と略す)は光通信において多く
の応用が期待される重要な光学素子である。しかしなが
ら、このSEL装置の駆動電流/電圧のしきい値を低下
させて、高出力、低抵抗の光源として用い、非常に短い
光パルスを高出力で生成するためには、種々の問題が存
在する。
2. Description of the Related Art As is well known, a vertical cavity surface emitting laser device (hereinafter abbreviated as a VCSEL device) is an important optical element expected to have many applications in optical communication. However, there are various problems in lowering the threshold value of the drive current / voltage of this SEL device and using it as a high-output, low-resistance light source to generate a very short light pulse with a high output. .

【0003】特に、電流/光を効率的に閉じ込めるため
の製造技術と同様、VCSEL装置およびその電極を高
品質にエピタキシャル成長させる技術が重要である。即
ち、製造方法が変化する事によって、特性変化が生じる
ものと考えられる。VCSEL装置は、高い出力(数百
mW)の非常に短い光パルス(数ピコ秒)を低い駆動し
きい電流値(数十μA)で生成する可能性を有し、かつ
基板(ウエファ)の前面上にp型およびn型電極を形成
する事によって、基板上(オンウエファ)でレーザ駆動
のテストが可能となると言う効果を有している。この事
は、チップ製造プロセスの完了後であってかつこのレー
ザ装置をパッケージに収納する前に、レーザの駆動テス
トが可能である事を意味する。
In particular, a technique for epitaxially growing a VCSEL device and its electrodes with high quality is important, as is a manufacturing technique for efficiently confining current / light. That is, it is considered that a change in the manufacturing method causes a change in characteristics. VCSEL devices have the potential to generate very short light pulses (several picoseconds) of high power (hundreds of mW) at low drive threshold current values (tens of μA) and to the front of the substrate (wafer). Forming the p-type and n-type electrodes on the substrate has the effect that a laser drive test can be performed on the substrate (on wafer). This means that a laser drive test can be performed after the chip manufacturing process is completed and before the laser device is housed in a package.

【0004】電極の構造を、電流が活性領域の特定の経
路に沿って流れるようなものとする事、即ち電流閉じ込
めを可能とするためには、幾つかの製造プロセス上の工
夫が必要である。この電流閉じ込めは、円形メサエッチ
ングと、出力ウインドウの周りに(即ち活性領域上に)
陽極(Cr/Au)を形成する事、および陰極(AuG
e/Ni/Au)をn−DBRミラー上に(即ち活性領
域の下に)形成する事によって、可能となる。
In order to make the structure of the electrode such that a current flows along a specific path of the active region, that is, to enable the current to be confined, it is necessary to devise some manufacturing process. . This current confinement is due to the circular mesa etch and around the output window (ie on the active area).
Forming anode (Cr / Au) and cathode (AuG
This is made possible by forming (e / Ni / Au) on the n-DBR mirror (ie, below the active region).

【0005】SEL(面発光レーザ)構造をエピタキシ
ャル成長によって形成した後、その電気的なポンピング
のテストをオンウエファで行うためには、このテスト以
前に電極の製造を完了している必要がある。レーザ共振
器内への光の閉じ込めは、p−DBRミラーの円形メサ
および活性領域とその周辺(空気中)との間で屈折率に
急激な低下が起こる事によってもたらされる。活性領域
の屈折率がその周囲および上下の層よりも大きい場合、
電磁波の伝搬は、層界面に平行方向にガイドされる。S
ELの場合、空気よりもメサ領域の屈折率が非常に大き
いため、電磁波は層界面によってよりもメサにそってよ
り強く閉じ込められる。活性領域の上下に高反射率DB
Rミラーが形成されているため、VCSEL装置におけ
る閉じ込め因子Γは、活性領域内部および外部の光強度
の合計に対する活性領域内の光強度の割合として定義さ
れる。
After an SEL (surface emitting laser) structure is formed by epitaxial growth, the production of electrodes must be completed before this test in order to conduct an electrical pumping test on-wafer. Light confinement in the laser cavity is provided by the circular mesa of the p-DBR mirror and the sharp drop in refractive index between the active region and its periphery (in air). If the active region has a higher refractive index than its surroundings and the layers above and below,
The propagation of the electromagnetic wave is guided in a direction parallel to the layer interface. S
In the case of EL, since the refractive index of the mesa region is much larger than that of air, the electromagnetic wave is more strongly confined along the mesa than by the layer interface. High reflectivity DB above and below the active area
Due to the formation of the R mirror, the confinement factor に お け る in the VCSEL device is defined as the ratio of the light intensity in the active region to the sum of the light intensity inside and outside the active region.

【0006】即ち、閉じ込め因子Γは、 Γ=1−exp(−CΔnd) …(1) として定義される。なおCは定数、Δnは屈折率の差、
dはメサの直径である。式(1)は、Δnおよびdが増
加すると、Γが増加する事を示している。注入電流が低
い場合、自然発光が全ての方向において発生する。しか
しながら電流の増加に伴って利得が増加し、レーザ発振
のしきい値に到達する。即ち、利得は、光波が減衰する
事なく共振器内を完全に横断する条件を満足するまで、
増加する。即ち、 Rexp〔( Γg-α) L〕=1 …(2) または Γg (しきい値利得)=α+(1/L)ln〔1/R〕 …(3) である。なお、αは単位長当たりの(吸収およびその他
の散乱メカニズムによる)損失であり、Lは共振器長で
ある。またRは共振器のDBRミラーの反射率を示す。
That is, the confinement factor Γ is defined as follows: Γ = 1−exp (−CΔnd) (1) Where C is a constant, Δn is the difference in refractive index,
d is the diameter of the mesa. Equation (1) indicates that Δ increases as Δn and d increase. When the injection current is low, spontaneous emission occurs in all directions. However, the gain increases as the current increases, and reaches the threshold value of laser oscillation. That is, until the condition that the light wave completely traverses inside the resonator without attenuation is satisfied,
To increase. That is, Rexp [(Γg-α) L] = 1 (2) or Γg (threshold gain) = α + (1 / L) ln [1 / R] (3). Where α is the loss per unit length (due to absorption and other scattering mechanisms) and L is the cavity length. R indicates the reflectance of the DBR mirror of the resonator.

【0007】しきい電流値密度は、 Jth(A/cm2 )=J0 d/η+J0 (d/g0 ηΓ)× 〔α+(1/L)ln(1/R)〕…(4) で与えられる。なお、J0 はしきい値に達する以前の初
期電流密度、ηは量子効率(電子からフォトンへの変換
効率)およびg0 は活性層の利得を示す。
The threshold current density is J th (A / cm 2 ) = J 0 d / η + J 0 (d / g 0 ηΓ) × [α + (1 / L) ln (1 / R)] (4) ). Here, J 0 is the initial current density before reaching the threshold, η is the quantum efficiency (conversion efficiency from electrons to photons), and g 0 is the gain of the active layer.

【0008】従って、Jthを減少させるためには、η、
Γ、LおよびRを増加し、dおよびαを減少させる必要
がある。
Therefore, in order to reduce J th , η,
It is necessary to increase Γ, L and R and decrease d and α.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上に述べたように、
理想的でかつ実用的なVCSEL装置を得るためには種
々のアプローチがあるが、本発明では、特にVCSEL
装置の直列抵抗値に着目し、これを減少する事によって
レーザ発光のしきい電圧/電流値が低いVCSEL装置
が得られることから、直列抵抗値を大幅に減少すること
が可能な新規な構造のVCSEL装置およびその効率的
な製造方法を得る事を目的としてなされたものである。
As described above, as described above,
Although there are various approaches to obtaining an ideal and practical VCSEL device, the present invention particularly focuses on VCSEL devices.
Focusing on the series resistance of the device, a VCSEL device with a low threshold voltage / current value for laser emission can be obtained by reducing this, and a new structure with a greatly reduced series resistance can be obtained. The purpose of the present invention is to obtain a VCSEL device and an efficient manufacturing method thereof.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、半導体基板と、この基板上に形成した
第1のDBRミラーと、この第1のDBRミラー上に形
成した利得領域である活性層と、この活性層上に形成し
た第2のDBRミラーとを有する垂直共振器面発光レー
ザ装置において、第1のDBRミラーの上層部および活
性層は第1のDBRミラー上に第1のメサを形成し、第
2のDBRミラーは活性層上で第1のメサよりも小さい
第2のメサを形成し、第1および第2のメサは横方向の
酸化処理によって少なくともその一部が酸化されること
により内部に狭い導波路有し、かつ第1のDBRミラー
上に第1の電極を形成し、第1のメサ上の第2のメサの
側面周囲に第2の電極を形成した、垂直共振器面発光レ
ーザ装置を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a semiconductor substrate, a first DBR mirror formed on the substrate, and a gain region formed on the first DBR mirror. In the vertical cavity surface emitting laser device having an active layer as described above and a second DBR mirror formed on the active layer, the upper layer and the active layer of the first DBR mirror are disposed on the first DBR mirror. One mesa, the second DBR mirror forms a second mesa on the active layer that is smaller than the first mesa, and the first and second mesas are at least partially formed by a lateral oxidation process. Has a narrow waveguide inside by being oxidized, and forms a first electrode on the first DBR mirror, and forms a second electrode around the side surface of the second mesa on the first mesa. Vertical cavity surface emitting laser device .

【0011】また、上記目的を達成するために、本発明
は、半導体基板上に第1のDBRミラー、活性層、第2
のDBRミラーをこの順で形成するために複数の層を積
層してエピタキシャル成長させる工程と、第1のDBR
ミラーの上部数層を含んで活性層および第2のDBRミ
ラーをメサエッチングして第1のメサを形成する工程
と、形成された第1のメサを有する半導体基板を酸化雰
囲気中に配置しこの第1のメサをその中心部を残して外
周から酸化させる工程と、第1のメサの第2のDBRミ
ラー部分を選択的にメサエッチングして第1のメサより
も底面積が小さい第2のメサを形成する工程と、第1の
メサエッチングによって露出した第1のDBRミラー上
面に第1の電極を形成する工程と、第2のメサエッチン
グによって露出した活性層上面に第2の電極を形成する
工程、とを含む垂直共振器面発光レーザの製造方法を提
供する。
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a first DBR mirror; an active layer;
Stacking a plurality of layers and epitaxially growing a plurality of layers to form a DBR mirror in this order;
Forming a first mesa by mesa-etching the active layer and the second DBR mirror including the upper several layers of the mirror; and placing the semiconductor substrate having the formed first mesa in an oxidizing atmosphere. A step of oxidizing the first mesa from the outer periphery while leaving its center, and a step of selectively mesa-etching the second DBR mirror portion of the first mesa to form a second mesa having a smaller bottom area than the first mesa. Forming a mesa, forming a first electrode on the upper surface of the first DBR mirror exposed by the first mesa etching, and forming a second electrode on the upper surface of the active layer exposed by the second mesa etching And a method for manufacturing a vertical cavity surface emitting laser.

【0012】上記構造によれば、レーザ装置の駆動電流
が上下のDBRミラーを流れないので、高い電流閉じ込
め(電流閉じ込め)の効果が期待できる。また、特に抵
抗値の高いp−DBRミラーを電流が流れないことによ
りこの装置の直列抵抗が大幅に低下し、その結果しきい
電流/電圧値の低いレーザ装置が得られる。また上記製
造方法によれば、上記の様な構造のレーザ装置を高い精
度でかつ比較的簡単に製造する事ができる。
According to the above structure, since the driving current of the laser device does not flow through the upper and lower DBR mirrors, an effect of high current confinement (current confinement) can be expected. Also, the current does not flow through the high resistance p-DBR mirror, so that the series resistance of the device is greatly reduced. As a result, a laser device having a low threshold current / voltage value is obtained. Further, according to the manufacturing method, a laser device having the above-described structure can be manufactured with high accuracy and relatively easily.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】メサエッチングのためにドライエ
ッチングが使用されているが、通常ドライあるいはウエ
ットエッチングの何れであっても、SEL駆動のために
は、電流はp−DBRミラーおよびn−DBRミラーの
両者を通って、上面から底面に流れる。光閉じ込めは、
上述したようなメサ構造によって達成される。しかしな
がら、電流がDBRミラーを通る事を防止する事が望ま
しい。これによって直列抵抗が減少しその結果しきい電
流値が低下しSELデバイスの発熱が少なくなる。従っ
てSELデバイスの構造は、電流および光の閉じ込めを
可能な限り高くし且つ直列抵抗値を削減する事によりデ
バイスの発熱を防止するように、構成される必要があ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Although dry etching is used for mesa etching, current is usually applied to a p-DBR mirror and an n-DBR for SEL driving regardless of either dry or wet etching. It flows from the top to the bottom through both mirrors. Light confinement is
This is achieved by the mesa structure as described above. However, it is desirable to prevent current from passing through the DBR mirror. This reduces the series resistance and consequently the threshold current, which reduces the heat generated by the SEL device. Therefore, the structure of the SEL device needs to be configured so that the confinement of current and light is as high as possible and the series resistance is reduced to prevent device heating.

【0014】SEL構造の効果は、サイズをコンパクト
に出来る事および面発光である事と同時に、出力開口部
の構造設計に融通性がある事である。出力開口部の設計
における融通性とは、この開口部を4角形、長円形また
は円形とする事が可能である事を意味し、更にその大き
さを目的に応じて1μmから100μm程度まで変える
事が出来る事を意味する。このような長所によって、S
ELは光データ通信において理想的な選択となる。
The advantages of the SEL structure are that the size can be made compact and the surface emission is achieved, and at the same time, the structure of the output opening has flexibility. The flexibility in the design of the output aperture means that this aperture can be made square, oval or circular, and its size can be changed from 1 μm to about 100 μm according to the purpose. Means that you can do it. With these advantages, S
EL is an ideal choice in optical data communications.

【0015】形状が小さい(特に直径5から20μmに
おいて)事によって、駆動しきい値が減少し、SELを
数mアンペア程度の低電力で駆動する事ができる。しき
い値が低いレーザは、変調が容易であると言う効果を有
している。また、形状が小さいためにSELの容量が減
少し、その結果高速駆動が可能となる。しかしながらこ
のようなSELの製造は容易ではなく、多くの研究を待
たねばならない。SELを実用化するために多くのチャ
レンジがなされている。例えば、垂直方向の電流が小さ
な開口部を介して流れるようにする事によって、多層半
導体DBRの駆動電圧を減少させる事、かつエピタキシ
ャル成長技術をSELの特別な要求に会うように改良す
る事などである。このようなチャレンジに対して満足す
る結果が得られるか否かは、希望する駆動波長に強く依
存している。駆動波長は、SELの製造のためにどのよ
うな材料を使用するかによって決まる。例えば波長が7
80−980nmのウインドウを得るには、アルミニウ
ム−インジウム−ガリウム−砒素系が適している。
Due to the small shape (particularly at diameters of 5 to 20 μm), the driving threshold value is reduced, and the SEL can be driven with a low power of several milliamps. A laser having a low threshold has an effect that modulation is easy. Further, since the shape is small, the capacity of the SEL is reduced, and as a result, high-speed driving is possible. However, the production of such a SEL is not easy and has to wait for much research. Many challenges have been made to put SEL to practical use. For example, by allowing a vertical current to flow through a small opening, the drive voltage of the multi-layer semiconductor DBR can be reduced, and the epitaxial growth technique can be improved to meet the special requirements of the SEL. . Whether a satisfactory result is obtained for such a challenge depends strongly on the desired drive wavelength. The driving wavelength depends on what material is used for the manufacture of the SEL. For example, if the wavelength is 7
To obtain a window of 80-980 nm, the aluminum-indium-gallium-arsenic system is suitable.

【0016】本発明で提案するVCSEL装置の構造お
よび製造方法は、光と同様電流の閉じ込めに対して非常
に有効である。本発明では、VCSEL装置の直列抵抗
を減少させるために、電流が特にp−DBRミラーを流
れない様に構成した事をその大きな特徴とする。p−D
BRミラーは、n−DBRミラーに比べてドーピング濃
度が低いために、VCSEL装置の主な直列抵抗源とな
る。従って、駆動電流がこのp−DBRミラーを流れな
いようにする事によって、装置全体の直列抵抗は大幅に
削減され、その結果このレーザ装置のしきい電流値も大
幅に減少する。
The structure and manufacturing method of the VCSEL device proposed in the present invention are very effective for confining current as well as light. The major feature of the present invention is that a current is prevented from flowing particularly through the p-DBR mirror in order to reduce the series resistance of the VCSEL device. p-D
BR mirrors have a lower doping concentration than n-DBR mirrors, and thus are the main series resistance sources in VCSEL devices. Therefore, by preventing the drive current from flowing through the p-DBR mirror, the series resistance of the entire device is greatly reduced, and as a result, the threshold current value of the laser device is also greatly reduced.

【0017】本発明の一実施形態では、メサのためのド
ライエッチングは、高周波誘導結合プラズマ(HF−I
CP)によって実施される。このプラズマ法は、非常に
精密なエッチング制御が可能であり、かつ再現性があ
る。以下に本発明の一実施形態におけるVCSEL装置
およびその製造方法について、図面を参照して説明す
る。
In one embodiment of the present invention, the dry etching for the mesa is performed by a high frequency inductively coupled plasma (HF-I
CP). This plasma method enables very precise etching control and has reproducibility. Hereinafter, a VCSEL device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0018】先ず第1段階において、図1に示すよう
に、SEL構造をn−GaAs基板1上にエピタキシャ
ル成長法によって形成する。n−GaAs基板1上には
500μm厚のn−GaAsバッファ層が形成される
が、図1ではこの層は基板1中に含めて記載されてい
る。バッファ層上には、n−DBRミラー2が形成され
る。ミラー2は、n−AlAs層21とn−Alx Ga
(1-x) As層22が交互に例えば20対形成されたもの
から成る。
First, in a first stage, as shown in FIG. 1, a SEL structure is formed on an n-GaAs substrate 1 by an epitaxial growth method. An n-GaAs buffer layer having a thickness of 500 μm is formed on the n-GaAs substrate 1, and this layer is included in the substrate 1 in FIG. An n-DBR mirror 2 is formed on the buffer layer. The mirror 2 includes an n-AlAs layer 21 and n-Al x Ga
The (1-x) As layer 22 is formed by alternately forming, for example, 20 pairs.

【0019】ミラー2上には、n−Alx Ga(1-x)
sのスペーサ層3、ノンドープのAlx Ga(1-x) As
からなるSCH(Separate Confinem
ent Heterostructure)層4が形成
され、更に3対のGaAs−Alx Ga(1-x) Asから
なる活性層(利得領域)5が形成される。活性層5上に
は、層4と同じ構造のSCH層6およびp−Alx Ga
(1-x) Asによって構成されるスペーサ層7を介して、
p−DBRミラー8が形成される。このミラー8は、例
えば交互に形成された20対のp−AlAs層とp−A
x Ga(1-x) As層からなる。ミラー8上にはp−G
aAsのキャップ層9が形成される。なお、以下の表に
各層の混晶比および膜厚を示す。
On the mirror 2, n-AlxGa(1-x)A
s spacer layer 3, non-doped AlxGa(1-x)As
SCH (Separate Confinem)
ent Heterostructure) layer 4 is formed
And three pairs of GaAs-AlxGa(1-x)From As
An active layer (gain region) 5 is formed. On the active layer 5
Is a SCH layer 6 having the same structure as the layer 4 and p-AlxGa
(1-x)Through a spacer layer 7 composed of As,
A p-DBR mirror 8 is formed. This mirror 8 is an example
For example, 20 pairs of p-AlAs layers and p-A
l xGa(1-x)It consists of an As layer. P-G on mirror 8
An aAs cap layer 9 is formed. In the table below,
The mixed crystal ratio and film thickness of each layer are shown.

【0020】 SELのエピタキシャル成長膜 材料 混晶比 膜厚(μm) p−GaAs(9) 60 p−Alx Ga(1-x) As(8) x=0.1 59.8 p−AlAs(8) 71.2 p−Alx Ga(1-x) As(7) x=0.45 Alx Ga(1-x) As(6) x=0.3 150 〜0.45 GaAs(5) 9 Alx Ga(1-x) As(5) x=0.3 7 GaAs(5) 9 Alx Ga(1-x) As(4) x=0.45 150 〜0.3 n−Alx Ga(1-x) As(3) x=0.45 n−AlAs(2) 71.2 n−Alx Ga(1-x) As(2) x=0.1 59.8 n−AlAs(2) 71.2 n−GaAs(バッファ層) 500 以上に述べたように、本実施形態にかかるレーザ装置
は、例えば20対のAlAs/AlGaAs積層構造の
n−DBRミラーおよびp−DBRミラー間にサンドウ
ィッチされた利得媒体である活性層5中に、3個の量子
井戸を含んだ構造を有している。また活性領域がGaA
s/Alx Ga(1-x) Asを材料としているため、約8
50nmの波長の光を発する。
SEL epitaxial growth film material mixed crystal specific film thickness (μm) p-GaAs (9) 60 p-Al x Ga (1-x) As (8) x = 0.1 59.8 p-AlAs (8 ) 71.2 p-Al x Ga ( 1-x) As (7) x = 0.45 Al x Ga (1-x) As (6) x = 0.3 150 ~0.45 GaAs (5) 9 Al x Ga (1-x) As (5) x = 0.3 7 GaAs (5) 9 Al x Ga (1-x) As (4) x = 0.45 150 ~0.3 n-Al x Ga (1-x) As (3 ) x = 0.45 n-AlAs (2) 71.2 n-Al x Ga (1-x) As (2) x = 0.1 59.8 n-AlAs (2 71.2 n-GaAs (Buffer Layer) 500 As described above, the laser device according to the present embodiment is, for example, an n-D having a 20-layer AlAs / AlGaAs stacked structure. The active layer 5 is a gain medium sandwiched between a BR mirror and a p-DBR mirror, and has a structure including three quantum wells. The active region is GaAs
s / Al x Ga (1-x) As
It emits light with a wavelength of 50 nm.

【0021】第2段階では、図1に示すSEL構造をフ
ォトレジストをマスクに用いてHF−ICP法によりド
ライエッチングし、メサ10(図2参照)を形成する。
このメサ10の形状は、長方形である。またドライエッ
チングは、活性層5の下側のn−DBRミラー2におけ
る上部数層を含んで行われる。上述したように、HF−
ICP法は、エッチングの精密なコントロールが可能で
あるため、n−DBRミラー2の上部数層を含むメサエ
ッチングが可能である。
In the second stage, the SEL structure shown in FIG. 1 is dry-etched by HF-ICP using a photoresist as a mask to form a mesa 10 (see FIG. 2).
The shape of the mesa 10 is rectangular. The dry etching is performed including the upper several layers in the n-DBR mirror 2 under the active layer 5. As described above, HF-
Since the ICP method enables precise control of etching, mesa etching including the upper several layers of the n-DBR mirror 2 is possible.

【0022】その後、この基板を350℃の水蒸気中に
1分間晒すことにより、酸化されやすいAlAs層が、
メサの外側から内部に向かって横方向に酸化され、図2
に示す構造が得られる。なお図2において濃いハッチン
グ部分がAlAs層の酸化部分11を示す。酸化された
部分11のAlAs層は、酸化されない部分のAlAs
層に比べて光の屈折率が低いため、その結果図2に示す
導波路12が、メサ10中に形成される。同時にAlA
s層が酸化されることにより、絶縁体となるため、キャ
リア(電流)はこの導波路12内に効果的に閉じ込めら
れることになる。この様にして、光および電流の閉じ込
めが行われる。なお、AlAs層の酸化はn−DBRミ
ラーの上部数層に及んでいるため、p−DBRミラーと
同様にn−DBRミラー内でも光および電流の閉じ込め
が行われる。
Thereafter, the substrate is exposed to water vapor at 350 ° C. for 1 minute, so that the AlAs layer which is easily oxidized becomes
It is oxidized laterally from the outside to the inside of the mesa,
The structure shown in FIG. In FIG. 2, the dark hatched portion indicates the oxidized portion 11 of the AlAs layer. The AlAs layer of the oxidized portion 11 is replaced with the AlAs layer of the non-oxidized portion.
Since the refractive index of light is lower than that of the layer, the waveguide 12 shown in FIG. 2 is formed in the mesa 10 as a result. At the same time AlA
Since the s layer is oxidized to become an insulator, carriers (current) are effectively confined in the waveguide 12. In this way, light and current are confined. Since the oxidation of the AlAs layer extends to several layers above the n-DBR mirror, light and current are confined in the n-DBR mirror as well as in the p-DBR mirror.

【0023】第3段階では、再度ドライエッチングによ
ってp−DBRミラー9を円筒状にメサエッチングす
る。このメサエッチングは、40μm、20μm、10
μmの径を有する円形パターンのフォトレジスト(例え
ば1400−27)を使用して実行され、最終的に10
μm径の円筒状メサ13が得られる。またドライエッチ
ングは、BCl3 (20sccm)およびCl2 (40
sccm)ガスを用いた上述のHF−ICP法によって
実行される。このメサエッチングの高さは、上端からp
−DBRミラー9の殆どの層にまで達する。
In the third stage, the p-DBR mirror 9 is again mesa-etched into a cylindrical shape by dry etching. This mesa etching is performed at 40 μm, 20 μm, and 10 μm.
Performed using a circular pattern of photoresist (eg, 1400-27) having a diameter of μm,
A cylindrical mesa 13 having a diameter of μm is obtained. In dry etching, BCl 3 (20 sccm) and Cl 2 (40
(sccm) by the above-mentioned HF-ICP method using gas. The height of this mesa etching is p
Reaching to most layers of the DBR mirror 9;

【0024】ドライエッチングによる損傷は、ウエット
エッチングによってサブμmのオーダーまで除去され
る。このウエットエッチングには、H3 PO4 :H2
2 :H 2 O=3:1:50のエッチング液が使用され
る。この様にしてメサ領域13(図3参照)をクリーン
エッチングしたのち、基板全面を厚さ約300nmのS
iO2 層14で被覆する。SiO2 層14の形成には、
スパッタリング法を使用する。
Damage due to dry etching is wet
Removed to the order of sub-μm by etching
You. In this wet etching, HThreePOFour: HTwoO
Two: H TwoO = 3: 1: 50 etchant is used
You. Thus, the mesa region 13 (see FIG. 3) is cleaned.
After etching, the entire surface of the substrate is
iOTwoCover with layer 14. SiOTwoFor the formation of the layer 14,
A sputtering method is used.

【0025】次に、SiO2 層14をHF(40%):
フッ化アンモニア(40%)=1:7のエッチング液で
選択エッチングして、活性領域5上のSCH層6の一部
15を露出し、図3に示す構造を得る。第4段階では、
この露出部15上にp−電極16を図4に示すように形
成する。p−電極16は、スパッタリングおよびリフト
オフプロセスによって形成したCr/Au層である。
Next, the SiO 2 layer 14 is HF (40%):
Selective etching is performed with an etching solution of ammonium fluoride (40%) = 1: 7 to expose a part 15 of the SCH layer 6 on the active region 5 to obtain a structure shown in FIG. In the fourth stage,
A p-electrode 16 is formed on the exposed portion 15 as shown in FIG. The p-electrode 16 is a Cr / Au layer formed by a sputtering and lift-off process.

【0026】最後に、電子ビーム蒸着によってAuG
e:Ni:Au=50:50:250μm厚のn−電極
17を、n−DBRミラー2上に形成し、図5に示す構
造を得る。各電極のオーミックコンタクトを取るため
に、電極形成後、基板を約30秒間410℃でアニール
する。以上によって、オンウエファでの特性テストが可
能な、パッケージに収納される前のVCSEL装置が完
成する。
Finally, AuG is deposited by electron beam evaporation.
e: Ni: Au = 50: 50: 250 μm thick n-electrode 17 is formed on the n-DBR mirror 2 to obtain the structure shown in FIG. After forming the electrodes, the substrate is annealed at 410 ° C. for about 30 seconds to make ohmic contacts for each electrode. As described above, the VCSEL device before being housed in the package, which can perform the characteristic test on the wafer, is completed.

【0027】以上に示した構造の垂直共振器面発光レー
ザ装置では、p−電極16がp−DBRミラー8の出力
ウインドウ上ではなく活性層上に設けられているので、
このレーザ装置を駆動するための電流はp−DBRミラ
ー8を流れることはない。p−DBRミラー8は、その
p型不純物の濃度が低いためにレーザ装置全体の主な直
列抵抗源となっており、従ってミラー8を駆動電流が流
れないことによってこのレーザ装置の直列抵抗値が大幅
に減少する。その結果、この装置のしきい電圧値が低下
する。
In the vertical cavity surface emitting laser device having the structure described above, the p-electrode 16 is provided not on the output window of the p-DBR mirror 8 but on the active layer.
The current for driving this laser device does not flow through the p-DBR mirror 8. Since the p-DBR mirror 8 has a low concentration of p-type impurities, it serves as a main series resistance source of the entire laser device. Therefore, when a driving current does not flow through the mirror 8, the series resistance value of the laser device is reduced. Dramatically reduced. As a result, the threshold voltage of the device decreases.

【0028】また活性層の下側のn−DBRミラー2の
上部数層がメサエッチングされ、その一部分が除去され
ており、n−電極17はこの除去された部分上に形成さ
れている。従って、駆動電流はn−DBRミラーの殆ど
の部分を流れることはなく、さらに直列抵抗値が低下す
る。同時に、メサエッチングされたn−DBRミラー2
の上部数層を含めてp−DBRミラー全体が横方向の酸
化処理を受けることによって、導波路および電流経路が
狭められている。その結果、光および電流の閉じ込め効
果が向上する。
The upper several layers of the n-DBR mirror 2 below the active layer are mesa-etched, and a part thereof is removed, and the n-electrode 17 is formed on the removed part. Therefore, the drive current does not flow through most of the n-DBR mirror, and the series resistance further decreases. At the same time, the mesa-etched n-DBR mirror 2
The entire p-DBR mirror including the upper several layers is subjected to the lateral oxidation treatment, so that the waveguide and the current path are narrowed. As a result, the effect of confining light and current is improved.

【0029】また、上述したように直列抵抗値が減少
し、さらに電流がn−DBRミラーを横方向に流れるよ
うに強制されているので、その結果しきい電流値が低下
する。このことはこのレーザ装置の駆動電流が低下する
事を意味し、その結果高速駆動が可能となる。駆動電流
が低下する事によって、駆動時の発熱量も低下し、その
結果装置の寿命が向上する。同時に発熱量の低下によ
り、p−DBRミラーにおける屈折率変化が防止され、
高い光閉じ込めが維持される。
Further, as described above, the series resistance value is reduced, and the current is forced to flow laterally through the n-DBR mirror. As a result, the threshold current value is reduced. This means that the driving current of the laser device is reduced, and as a result, high-speed driving is possible. When the drive current is reduced, the amount of heat generated during drive is also reduced, and as a result, the life of the device is improved. At the same time, a decrease in the calorific value prevents a change in the refractive index of the p-DBR mirror,
High light confinement is maintained.

【0030】なお以上の効果を、前記式(4)において
考察すると、p−DBRミラーおよびn−DBRミラー
の上部数層の横方向酸化処理により、光の閉じ込め効果
が向上し、その結果前記式(4)における変数α(吸収
または散乱による単位長当たりの損失)が低下する。ま
た同時に電流の閉じ込め効果も向上するので、量子効率
η(電子−フォトン変換効率)も向上し、その結果しき
い電流値Jthが低下するものと考えられる。
Considering the above effects in the above equation (4), the lateral confinement of the upper layers of the p-DBR mirror and the n-DBR mirror improves the light confinement effect. The variable α (loss per unit length due to absorption or scattering) in (4) decreases. At the same time, the current confinement effect is also improved, so that the quantum efficiency η (electron-photon conversion efficiency) is also improved, and as a result, the threshold current value J th is considered to decrease.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上、実施形態を示して説明したよう
に、本発明の垂直共振器面発光レーザ装置およびその製
造方法によれば、レーザの駆動電流が上下のDBRミラ
ーを流れないので直流抵抗値が大幅に減少し、しきい電
圧/電流値が大幅に低下する。また、高い光閉じ込め効
果と共に高い電流閉じ込めが期待される。その結果、非
常に短い光パルスを高速でかつ高出力で得ることがで
き、またレーザ装置の寿命も改善されるので、その実用
上の効果は大きい。
As described above, according to the vertical cavity surface emitting laser device and the method of manufacturing the same according to the embodiment, the laser drive current does not flow through the upper and lower DBR mirrors, so that the DC resistance is reduced. The value is greatly reduced, and the threshold voltage / current value is greatly reduced. In addition, high current confinement is expected together with high light confinement effect. As a result, a very short light pulse can be obtained at high speed and high output, and the life of the laser device is also improved, so that its practical effect is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の垂直共振器面発光レーザ装置のエピタ
キシャル成長による層構造を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a layer structure by epitaxial growth of a vertical cavity surface emitting laser device of the present invention.

【図2】図1に示す層構造をメサエッチングして酸化処
理した状態を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a state where the layer structure shown in FIG. 1 is subjected to mesa etching and oxidation treatment.

【図3】図2に示す構造をさらにメサエッチングしてp
−電極形成のための露出処理を行った状態を示す図。
FIG. 3 shows the structure shown in FIG.
-The figure which shows the state which performed the exposure process for electrode formation.

【図4】図3に示す構造においてp−電極を形成した状
態を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a state where a p-electrode is formed in the structure shown in FIG. 3;

【図5】図4に示す構造においてさらにn−電極を形成
した状態を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a state in which an n-electrode is further formed in the structure shown in FIG. 4;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…n−GaAs基板 2…n−DBRミラー 3、7…スペーサ層 4、6…SCH層 5…活性層 8…p−DBRミラー 9…キャップ層 10…メサ構造 11…酸化部分 12…導波路 13…円筒上メサ 14…SiO2 層 16…p−電極 17…n−電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... n-GaAs substrate 2 ... n-DBR mirror 3, 7 ... spacer layer 4, 6 ... SCH layer 5 ... active layer 8 ... p-DBR mirror 9 ... cap layer 10 ... mesa structure 11 ... oxide part 12 ... waveguide 13: Mesa on cylinder 14: SiO 2 layer 16: p-electrode 17: n-electrode

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、該基板上に形成した第1
のDBRミラーと、該第1のDBRミラー上に形成した
利得領域である活性層と、該活性層上に形成した第2の
DBRミラーとを有する垂直共振器面発光レーザ装置に
おいて、 前記第1のDBRミラーの上層部および前記活性層は前
記第1のDBRミラー上に第1のメサを形成し、前記第
2のDBRミラーは前記活性層上で前記第1のメサより
も小さい第2のメサを形成し、前記第1および第2のメ
サは横方向の酸化処理によって少なくともその一部が酸
化されることにより内部に狭い導波路を有し、前記第1
のDBRミラー上に第1の電極を形成し、さらに前記第
1のメサ上の前記第2のメサの側面周囲に第2の電極を
形成したことを特徴とする、垂直共振器面発光レーザ装
置。
1. A semiconductor substrate and a first substrate formed on the semiconductor substrate.
A vertical cavity surface emitting laser device having a DBR mirror, an active layer serving as a gain region formed on the first DBR mirror, and a second DBR mirror formed on the active layer. The upper layer portion of the DBR mirror and the active layer form a first mesa on the first DBR mirror, and the second DBR mirror has a second mesa on the active layer that is smaller than the first mesa. Forming a mesa, wherein the first and second mesas have a narrow waveguide therein by being oxidized at least in part by a lateral oxidation treatment;
A first electrode is formed on the DBR mirror, and a second electrode is formed around a side surface of the second mesa on the first mesa. .
【請求項2】 前記第2のDBRミラーは、注入不純物
濃度が低く比較的大きな抵抗値を有するものである、請
求項1に記載の垂直共振器面発光レーザ装置。
2. The vertical cavity surface emitting laser device according to claim 1, wherein the second DBR mirror has a relatively low resistance value with a low impurity concentration.
【請求項3】 前記第1および第2のDBRミラーは、
組成の異なる第1および第2の層を複数回交互に繰り返
してエピタキシャル成長させることにより形成されてい
る事を特徴とする請求項1または2に記載の垂直共振器
面発光レーザ装置。
3. The first and second DBR mirrors,
3. The vertical cavity surface emitting laser device according to claim 1, wherein the vertical cavity surface emitting laser device is formed by alternately repeating first and second layers having different compositions a plurality of times and epitaxially growing the layers.
【請求項4】 半導体基板上に第1のDBRミラー、活
性層、第2のDBRミラーをこの順で形成するために複
数の層を積層してエピタキシャル成長させる工程と、 前記第1のDBRミラーの上部数層を含んで前記活性層
および前記第2のDBRミラーをメサエッチングして第
1のメサを形成する工程と、 前記形成された第1のメサを有する半導体基板を酸化雰
囲気中に配置し該第1のメサをその中心部を残して外周
から酸化させる工程と、 前記第1のメサの前記第2のDBRミラー部分を選択的
にメサエッチングして前記第1のメサよりも底面積が小
さい第2のメサを形成する工程と、 前記第1のメサエッチングによって露出した前記第1の
DBRミラー上面に第1の電極を形成する工程と、 前記第2のメサエッチングによって露出した前記活性層
上面に第2の電極を形成する工程、とを含む垂直共振器
面発光レーザの製造方法。
4. A step of laminating and epitaxially growing a plurality of layers to form a first DBR mirror, an active layer, and a second DBR mirror on a semiconductor substrate in this order; Forming a first mesa by mesa-etching the active layer and the second DBR mirror including upper several layers; and placing the semiconductor substrate having the formed first mesa in an oxidizing atmosphere. Oxidizing the first mesa from the outer periphery while leaving the center thereof, and selectively mesa-etching the second DBR mirror portion of the first mesa so that the first mesa has a bottom area smaller than that of the first mesa. Forming a small second mesa; forming a first electrode on the upper surface of the first DBR mirror exposed by the first mesa etching; and exposing the second electrode by the second mesa etching Forming a second electrode on the serial active layer top surface, a vertical cavity surface emitting laser manufacturing method, including capital.
【請求項5】 前記第1のメサエッチングは、エッチン
グの精密な制御が可能である高周波誘導結合プラズマ法
によって実施される事を特徴とする、請求項4に記載の
垂直共振器面発光レーザの製造方法。
5. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 4, wherein the first mesa etching is performed by a high-frequency inductively coupled plasma method capable of precisely controlling the etching. Production method.
【請求項6】 前記第1のメサの酸化工程は、約1分間
前記基板を約350℃の水蒸気雰囲気中にさらす事によ
って実施されることを特徴とする請求項4または5に記
載の垂直共振器面発光レーザの製造方法。
6. The vertical resonance according to claim 4, wherein the step of oxidizing the first mesa is performed by exposing the substrate to a water vapor atmosphere at about 350 ° C. for about 1 minute. Manufacturing method of surface emitting laser.
【請求項7】 前記第2のメサエッチングは、エッチン
グの精密な制御が可能である高周波誘導結合プラズマ法
によって実施される事を特徴とする、請求項4乃至6の
何れか1項に記載の垂直共振器面発光レーザの製造方
法。
7. The method according to claim 4, wherein the second mesa etching is performed by a high-frequency inductively coupled plasma method capable of precisely controlling the etching. A method for manufacturing a vertical cavity surface emitting laser.
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