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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formed
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mesa
dbr
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JP15770898A
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Japanese (ja)
Inventor
Virahampal Sing
シング・ビラハムパル
Original Assignee
Advantest Corp
株式会社アドバンテスト
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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.
COPYRIGHT: (C)1999,JPO

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。 The present invention relates to relates to a vertical cavity surface emitting laser device and a manufacturing method thereof novel structure.
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。 More particularly, the present invention is a light confinement effect (photons) not only current (carrier) is high, about a vertical cavity surface emitting laser and a manufacturing method thereof.

【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。 BACKGROUND OF THE INVENTION known manner, (hereinafter referred to as VCSEL device) vertical cavity surface emitting laser device is an important optical element in which many applications are expected in optical communications. 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。 However, by lowering the threshold value of the drive current / voltage of the SEL device, used as a high-output, low-resistance source, a very short light pulses in order to generate a high output, there are various problems .

【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。 In particular, similarly to the manufacturing techniques for confining current / light efficiently, techniques for epitaxial growth of high quality a VCSEL device and its electrodes are important. 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。 That is, by the manufacturing method is changed, it is considered that the characteristics change occurs. 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。 VCSEL device has the potential to generate a high output (hundreds mW) of very short light pulses (several picoseconds) and low driving threshold current (several tens .mu.A), and the front surface of the substrate (wafer) by forming the p-type and n-type electrodes on top and has a effect that the test of the laser driving becomes possible on the substrate (On'uefa). 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。 This is before even after the completion of the chip manufacturing process and for accommodating the laser device to the package, which means that is drivable test of the laser.

【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。 [0004] The structure of the electrode, the current be as flowing along a particular path of the active region, i.e., in order to enable the current confinement is necessary to devise on several production processes . 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) The current confinement, a circular mesa etching, (in other words active region) around the output window
陽極(Cr/Au)を形成する事、および陰極(AuG Possible to form an anode (Cr / Au), and a cathode (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。 e / Ni / Au) and on the n-DBR mirror by (i.e. below the active region) be formed, becomes possible.

【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。 [0005] After forming the SEL (surface emitting laser) structure epitaxial growth, in order to test the electrical pumping in On'uefa needs to have completed the production of the electrode in the test before. 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。 Confinement of light into the laser cavity is caused by a rapid decrease in the refractive index between the circular mesa and the active region of the p-DBR mirror and its surrounding (in air) occurs. 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、 If the refractive index of the active region is larger than its surroundings and the upper and lower layers,
電磁波の伝搬は、層界面に平行方向にガイドされる。 Propagation of the electromagnetic wave is guided in the direction parallel to the layer interfaces. 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。 For EL, very large refractive index mesa region than air, the electromagnetic wave is confined more strongly along the mesa than the layer interfaces. 活性領域の上下に高反射率DB High reflectivity DB and below the active region
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。 Since R mirror is formed, factor containment of VCSEL device Γ is defined as the ratio of light intensity in the active region to the total of active regions inside and outside of the light intensity.

【0006】即ち、閉じ込め因子Γは、 Γ=1−exp(−CΔnd) …(1) として定義される。 [0006] In other words, the confinement factor Γ, is defined as Γ = 1-exp (-CΔnd) ... (1). なおCは定数、Δnは屈折率の差、 Note C is a constant, [Delta] n is the difference in refractive index,
dはメサの直径である。 d is the diameter of the mesa. 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。 Equation (1), when Δn and d is increased, indicating that Γ increases. 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。 If the injection current is low, the emission occurs in all directions nature. 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。 However gain increases with increasing current, to reach the threshold of laser oscillation. 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、 That is, until the gain satisfies the condition that light waves completely across the inside of it without resonator for attenuating,
増加する。 To increase. 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。 That is, Rexp [(.GAMMA.g-alpha) L] = 1 ... (2) or .GAMMA.g + (threshold gain) = alpha (1 / L) ln [1 / R] ... (3). 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。 Incidentally, alpha is the loss (due to absorption and other scattering mechanisms) per unit length, L is the resonator length. またRは共振器のDBRミラーの反射率を示す。 The R represents the reflectance of the DBR mirror of the resonator.

【0007】しきい電流値密度は、 J th (A/cm 2 )=J 0 d/η+J 0 (d/g 0 ηΓ)× 〔α+(1/L)ln(1/R)〕…(4) で与えられる。 [0007] threshold current density, J th (A / cm 2 ) = J 0 d / η + J 0 (d / g 0 ηΓ) × [α + (1 / L) ln (1 / R) ] ... (4 It is given by). なお、J 0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g 0は活性層の利得を示す。 Incidentally, J 0 is and g 0 (conversion efficiency from the electron to photon) previous initial current density reaches the threshold, eta is the quantum efficiency indicates the gain of the active layer.

【0008】従って、J thを減少させるためには、η、 Accordingly, in order to reduce J th is, eta,
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。 Gamma, increases the L and R, it is necessary to reduce the d and alpha.

【0009】 [0009]

【発明が解決しようとする課題】以上に述べたように、 As described above [0008],
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 To obtain a ideal and practical VCSEL device There are various approaches, but in the present invention, in particular 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。 Focusing on the series resistance of the device, since the threshold voltage / current value of the laser emission by decreasing it to obtain a low VCSEL device having a novel structure capable of reducing the series resistance significantly VCSEL device and to obtain the efficient production method has been made for the purpose of.

【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 In order to solve the above problems SUMMARY OF THE INVENTION In the present invention, a semiconductor substrate, a first DBR mirror formed on the substrate, the gain region formed on the first DBR mirror and the active layer is, in the vertical cavity surface emitting laser device and a second DBR mirror formed on the active layer, the upper layer portion and the active layer of the first DBR mirror first on the first DBR mirror forming a first mesa, the second DBR mirror forms a small second mesa than the first mesa on the active layer, the first and second mesas at least partially by oxidation of the lateral form but has narrow waveguide therein by being oxidized, and the first electrode is formed on the first DBR on the mirror, a second electrode around the sides of the second mesa on the first mesa It was, to provide a 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 [0011] To achieve the above object, the present invention is, first DBR mirror on a semiconductor substrate, an active layer, a second
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 Epitaxially growing by stacking a plurality of layers of DBR mirrors to form in this order, the first 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。 Place a step of forming a first mesa active layer and a second DBR mirror includes an upper number layers of the mirror by mesa etching, the semiconductor substrate having a first mesa formed in an oxidizing atmosphere this a step of oxidizing the first mesa from the outer periphery, leaving the center bottom area than the first mesa is selectively mesa etching a second DBR mirror portion of the first mesa is smaller second forming a step of forming a mesa, and forming a first electrode on the first DBR mirror upper surface exposed by the first mesa etching, the second electrode into the active layer upper surface exposed by the second mesa etching a step of, providing a method for manufacturing a vertical cavity surface emitting laser including a city.

【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。 According to the above structure, since the driving current of the laser device does not flow through the upper and lower DBR mirror can be expected the effect of confining a high current (current confinement). 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。 Moreover, decreased particularly series resistance of the device significantly by the high p-DBR mirror resistance value current does not flow, resulting threshold current / voltage lower laser device of values ​​are obtained. 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 manufacturing method, it can be produced at a relatively easy high-precision laser device of the above kind of structure.

【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。 While the dry etching is used for PREFERRED EMBODIMENTS mesa etching, be any of ordinary dry or wet etching, for SEL driving, the current p-DBR mirrors and n-DBR through both mirrors, flowing from top to bottom. 光閉じ込めは、 Light confinement,
上述したようなメサ構造によって達成される。 It is achieved by mesa structure as described above. 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。 However, it is desirable to prevent the current through the DBR mirror. 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。 This series resistance is reduced as a result the threshold current is reduced exotherm decreased SEL device. 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。 Structure of SEL device therefore, to prevent heating of the device by reducing the raised and series resistance as possible confinement of current and light, need to be configured.

【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。 [0014] Effect of the SEL structure, it at the same time it is possible and surface emission can be the size compact, is that there is flexibility in structural design of the output aperture. 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。 The flexibility in the design of the output aperture, the opening square, means that it is possible to oval or circular, further changing from 1μm depending on the purpose to about 100μm its size It means that can be. このような長所によって、S With such advantages, S
ELは光データ通信において理想的な選択となる。 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。 [0015] The shape is small (particularly in 20μm diameter 5) that drive the threshold is reduced, can be driven at a low power of about several m amperes SEL. 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。 Laser threshold is low, has a effect that the modulation is easy. 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。 Also, the capacity of the SEL is reduced because the shape is small, it is possible to result high-speed driving. 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。 However, the production of such SEL is not easy, it must wait a lot of research. 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。 Many challenges to commercialize SEL have been made. 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。 For example, by the vertical current to flow through a small opening, it is such that to improve it reduces the driving voltage of the multi-layer semiconductor DBR, and the epitaxial growth technique to meet the special requirements of the SEL . 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。 Whether results to satisfy for such challenge is strongly dependent on the driving desired wavelength. 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。 Driving wavelength is determined by either use any material for the production of SEL. 例えば波長が7 For example, the wavelength is 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。 To obtain a window 80-980Nm, aluminum - indium - gallium - arsenic are 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。 The structure and manufacturing method of the VCSEL device proposed by the present invention is very effective for confinement of light and similar current. 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。 In the present invention, in order to reduce the series resistance of the VCSEL device, that the current is constructed in particular so as not flow the p-DBR mirror and its major feature. p−D 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。 BR mirror, due to the lower doping concentration than the n-DBR mirror, a major series resistance source of the VCSEL device. 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。 Therefore, the drive current by which to prevent flow through the p-DBR mirror, the series resistance of the entire apparatus is greatly reduced, resulting also threshold current of the laser device is 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 [0017] In one embodiment of the present invention, the dry etching for mesa, inductively coupled plasma (HF-I
CP)によって実施される。 Is carried out by CP). 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。 The plasma method is capable of very precise etching control and reproducible. 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。 For VCSEL device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will now be described with reference to the accompanying 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。 [0018] First, in the first stage, as shown in FIG. 1, it is formed by epitaxial growth method SEL structure on an n-GaAs substrate 1. 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。 Although n-GaAs buffer layer of 500μm thickness on an n-GaAs substrate 1 is formed, in Fig. 1 the layer is described to include into the substrate 1. バッファ層上には、n−DBRミラー2が形成される。 On the buffer layer, n-DBR mirror 2 is formed. ミラー2は、n−AlAs層21とn−Al x Ga Mirror 2, n-AlAs layer 21 and the n-Al x 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。 Consisting (1-x) shall As layer 22 is alternately example 20 pairing.

【0019】ミラー2上には、n−Al x Ga (1-x) [0019] On the mirror 2, n-Al x Ga (1 -x) A
sのスペーサ層3、ノンドープのAl x Ga (1-x) As s spacer layer 3, a non-doped Al x Ga (1-x) As
からなるSCH(Separate Confinem Consisting of SCH (Separate Confinem
ent Heterostructure)層4が形成され、更に3対のGaAs−Al x Ga (1-x) Asからなる活性層(利得領域)5が形成される。 ent Heterostructure) layer 4 is formed, further active layer composed of GaAs-Al x Ga (1- x) As three pairs (gain region) 5 are formed. 活性層5上には、層4と同じ構造のSCH層6およびp−Al x Ga On the active layer 5, the same structure as the layer 4 SCH layer 6 and p-Al x Ga
(1-x) Asによって構成されるスペーサ層7を介して、 Through the spacer layer 7 composed of (1-x) As,
p−DBRミラー8が形成される。 p-DBR mirror 8 is formed. 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 The mirror 8 is, for example p-AlAs layer of 20 pairs of alternately formed with p-A
l x Ga (1-x) As層からなる。 consisting x Ga (1-x) As layer. ミラー8上にはp−G On top mirror 8 p-G
aAsのキャップ層9が形成される。 Cap layer 9 of aAs is formed. なお、以下の表に各層の混晶比および膜厚を示す。 Incidentally, illustrating the mixed crystal ratio and the thickness of each layer in the following table.

【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−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(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−D The epitaxial growth film material mixed crystal ratio thickness of SEL (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 (as mentioned buffer layer) 500 or more, the laser device according to this embodiment, for example, 20 pairs of AlAs / AlGaAs laminate structure n-D BR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。 BR in the active layer 5 is a mirror and p-DBR sandwich is gain medium between mirrors, it has a structure including three quantum wells. また活性領域がGaA The active region is GaA
s/Al x Ga (1-x) Asを材料としているため、約8 s / Al x Ga (1- x) for which the material As, about 8
50nmの波長の光を発する。 Emit light having a wavelength of 50nm.

【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。 [0021] In the second step, and dry etching by HF-ICP method using the SEL structure shown in FIG. 1 the photoresist as a mask to form a mesa 10 (see FIG. 2).
このメサ10の形状は、長方形である。 The shape of the mesa 10 is rectangular. 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。 The dry etching is performed includes an upper number layer in n-DBR mirror 2 of the lower active layer 5. 上述したように、HF− As mentioned above, 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。 ICP method, since it is possible to precisely control the etching, it is possible mesa etching including upper number layer of n-DBR mirror 2.

【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、 [0022] Thereafter, by exposing for 1 minute the substrate during 350 ° C. in steam, easily oxidized AlAs layer,
メサの外側から内部に向かって横方向に酸化され、図2 Oxidized laterally inwardly from the outside of the mesa 2
に示す構造が得られる。 Structure shown in is obtained. 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。 Incidentally dark hatched portion in FIG. 2 shows the oxidation part 11 of the AlAs layer. 酸化された部分11のAlAs層は、酸化されない部分のAlAs AlAs layer portion 11 which is oxidized, AlAs portion unoxidized
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。 Since the refractive index of the light is lower than the layers, waveguide 12 shown in the results Figure 2 is formed in the mesa 10. 同時にAlA At the same time 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。 By s layer is oxidized, since an insulator, carriers (current) will be used effectively confined to the waveguide 12. この様にして、光および電流の閉じ込めが行われる。 In this manner, light confinement and current is performed. 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。 Incidentally, oxidation of the AlAs layer because it extends to the top few layers of n-DBR mirror, p-DBR confinement of light and currents in the mirror as well as the n-DBR mirror is performed.

【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。 [0023] In the third stage, mesa etched p-DBR mirror 9 into a cylindrical shape by dry etching again. このメサエッチングは、40μm、20μm、10 The mesa etching, 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 Using a photoresist circular pattern (e.g., 1400-27) with a diameter of μm is performed, and finally 10
μm径の円筒状メサ13が得られる。 Cylindrical mesa 13 μm diameter are obtained. またドライエッチングは、BCl 3 (20sccm)およびCl 2 (40 The dry etching, BCl 3 (20sccm) and Cl 2 (40
sccm)ガスを用いた上述のHF−ICP法によって実行される。 sccm) is performed by the above described HF-ICP method using gas. このメサエッチングの高さは、上端からp The height of the mesa etching, p from the top
−DBRミラー9の殆どの層にまで達する。 Reach most of the layers of -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。 The damage due to dry etching is removed to the order of sub-μm by wet etching. このウエットエッチングには、H 3 PO 4 :H 2 The wet etching, H 3 PO 4: H 2 O
2 :H 2: H 2 O=3:1:50のエッチング液が使用される。 2 O = 3: 1: etchant 50 is used. 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 After clean etched mesa region 13 (see FIG. 3) in this manner, S having a thickness of about 300nm the entire surface of the substrate
iO 2層14で被覆する。 coated with iO 2 layer 14. SiO 2層14の形成には、 The formation of the SiO 2 layer 14,
スパッタリング法を使用する。 Using a sputtering method.

【0025】次に、SiO 2層14をHF(40%): Next, the SiO 2 layer 14 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。 Ammonium fluoride (40%) = 1: 7 in etchant by selective etching to expose a portion 15 of the SCH layer 6 on the active region 5, the structure shown in FIG. 第4段階では、 In the fourth stage,
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。 The p- electrode 16 on the exposed portion 15 is formed as shown in FIG. 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。 p- electrode 16 is Cr / Au layer formed by sputtering and lift-off process.

【0026】最後に、電子ビーム蒸着によってAuG [0026] Finally, AuG by electron beam evaporation
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。 e: Ni: Au = 50: 50: the 250μm thick n- electrode 17, is formed on the n-DBR mirror 2, a structure shown in FIG. 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。 For the ohmic contact of the electrodes, after the electrode formation, the substrate is annealed at about 30 seconds 410 ° C.. 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。 Or by, capable characteristic test in On'uefa be completed before the VCSEL device housed in a package.

【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、 [0027] In a vertical cavity surface emitting laser device having the structure shown above, since the p- electrode 16 is provided on the active layer rather than on the output window p-DBR mirror 8,
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。 Current for driving the laser device does not flow through the p-DBR mirror 8. 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。 p-DBR mirror 8 is the major series resistance source of the entire laser device for concentration of the p-type impurity is low, thus the series resistance of the laser device by the mirror 8 without drive current flows greatly reduced. その結果、この装置のしきい電圧値が低下する。 As a result, the threshold voltage value of the device is reduced.

【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。 Further the lower top few layers of n-DBR mirror 2 of the active layer is mesa-etched, a portion has been removed, n- electrode 17 is formed on the removed portion. 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。 Therefore, the drive current is not flow the most part of the n-DBR mirror further series resistance is lowered. 同時に、メサエッチングされたn−DBRミラー2 At the same time, n-DBR mirror 2, which is mesa-etched
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。 p-DBR entire mirror including an upper number layer by undergoing oxidation treatment in the transverse direction, the waveguide and the current path is narrowed in. その結果、光および電流の閉じ込め効果が向上する。 As a result, light confinement effect and current can be 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。 Further, the series resistance is decreased as described above, since it is forced to further current flows through the n-DBR mirror laterally, so that the threshold current value decreases. 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。 This means that the driving current of the laser device is reduced, it is possible to result high-speed driving. 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。 By driving current is decreased, the amount of heat generated during operation is also reduced, thereby improving the life of the resulting device. 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、 By lower heating value at the same time, the refractive index change in the p-DBR mirror is prevented,
高い光閉じ込めが維持される。 High light confinement can be 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。 [0030] Note that more effect, when considered in the formula (4), the lateral oxidation of the p-DBR mirrors and n-DBR top few layers of the mirror, a light confinement effect is enhanced, as a result the formula (loss per unit length due to absorption or scattering) the variable α in (4) is lowered. 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J thが低下するものと考えられる。 Since also improve the current confinement effect at the same time, the quantum efficiency eta (electronic - photon conversion efficiency) is also increased, resulting threshold current J th is believed 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。 Effect of the Invention] As has been described with reference to embodiments, according to the vertical cavity surface emitting laser device and the manufacturing method thereof of the present invention, the DC resistance because the laser drive current does not flow through the upper and lower DBR mirrors value decreases considerably, the threshold voltage / current value is significantly reduced. 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。 Also, high current confinement is expected with a high optical confinement effect. 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 a result, very short light pulses can be obtained at high speed and high output, and because the life of the laser device is improved, the effect of the practical large.

【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。 It shows the layer structure by epitaxial growth of a vertical cavity surface emitting laser device of the present invention; FIG.

【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。 Figure 2 is a diagram of the layer structure shown in FIG. 1 shows a state in which oxidation treatment by mesa etching.

【図3】図2に示す構造をさらにメサエッチングしてp [Figure 3] was further mesa etching the structure shown in FIG. 2 p
−電極形成のための露出処理を行った状態を示す図。 - diagram showing a state of performing the exposure process for forming electrodes.

【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。 Figure 4 is a diagram showing a state of forming a p- electrode in the structure shown in FIG.

【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。 5 is a diagram showing a state of forming a further n- electrode in the structure shown in FIG.

【符号の説明】 DESCRIPTION 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…SiO 2層 16…p−電極 17…n−電極 1 ... n-GaAs substrate 2 ... n-DBR mirrors 3,7 ... spacer layer 4, 6 ... SCH layer 5 ... active layer 8 ... p-DBR mirror 9 ... cap layer 10 ... mesa structure 11 ... oxide portion 12 ... waveguide 13 ... cylinder on the mesa 14 ... SiO 2 layer 16 ... p-electrode 17 ... n-electrode

Claims (7)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 半導体基板と、該基板上に形成した第1 1. A semiconductor substrate, first formed on the substrate
    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 And the DBR mirror, an active layer is a gain region formed on the first DBR mirror, the vertical cavity surface emitting laser device having a second DBR mirror formed on the active layer, the first the upper layer portion and the active layer of the DBR mirror form a first mesa on the first DBR mirror, the second DBR mirror is smaller second than the first mesa on said active layer forming a mesa, said first and second mesas have a narrow waveguide therein by at least part by the oxidation treatment in the transverse direction is oxidized, the first
    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。 A first electrode formed on the DBR mirror, characterized in that further a second electrode formed in the periphery of the side surface of said second mesas on said first mesa, vertical cavity surface emitting laser device .
  2. 【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。 Wherein said second DBR mirror, implanted impurity concentration and has a relatively large resistance value lower, vertical cavity surface emitting laser device according to claim 1.
  3. 【請求項3】 前記第1および第2のDBRミラーは、 Wherein the first and second DBR mirror,
    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。 Vertical cavity surface emitting laser device according to claim 1 or 2, characterized in that is formed by epitaxial growth by repeating first and second layers of different compositions to a plurality of times alternately.
  4. 【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 First DBR mirror 4. A semiconductor substrate, an active layer, and epitaxially growing by stacking a plurality of layers to a second DBR mirror formed in this order, the first DBR mirror forming a first mesa said active layer and said second DBR mirror includes an upper number layer by mesa etching, the semiconductor substrate having a first mesa that is the form is placed in an oxidizing atmosphere a step of oxidizing the first mesa from the outer periphery, leaving the center portion, the first of the bottom area than the second DBR mirror portion selectively mesa etching said first mesa mesas forming a small second mesa, forming a first electrode on the first DBR mirror upper surface exposed by the first mesa etching, exposed by said second mesa etching 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。 Forming a second electrode on the serial active layer top surface, a vertical cavity surface emitting laser manufacturing method, including capital.
  5. 【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。 Wherein said first mesa etching is characterized in that is carried out by a possible precise control of etching inductively coupled plasma method, a vertical cavity surface emitting laser according to claim 4 Production method.
  6. 【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 oxidation step of the first mesa, vertical cavity according to claim 4 or 5, characterized in that it is carried out by exposing the substrate to about 1 minute in a water vapor atmosphere at about 350 ° C. vessel surface emitting laser manufacturing method.
  7. 【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。 Wherein said second mesa etching is characterized in that is carried out by inductively coupled plasma method are possible precise control of the etch, according to any one of claims 4 to 6 VCSEL manufacturing method.
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