JPWO2005074080A1 - Surface emitting laser and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
基板(1)上に第1のDBR層(2)、第1クラッド層(3)、活性層(4)、第2クラッド層(5)、酸化電流狭窄部形成層(6)、第2のDBR層(7)が順次積層された積層構造(20)と、上部電極(8)及び下部電極(9)とを有する。また、光軸(10)から所定の距離以上離れた積層構造(20)の一部領域に、基板(1)上に形成された段差(11)付近から伸びる構造変調領域(12)が存在する。この構造変調領域(12)は、層厚、界面平坦性及び界面の基板面に対する傾き等のパラメータの少なくとも1つが他の領域と異なり、光軸(10)を含む発光の中心部に比べて反射率が低い。構造変調領域(12)に囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅(A)を、ほぼ基本横モード光の幅に等しく設定する。一方、電流狭窄部の非酸化領域の直径(B)を、これより広めに設定する。このような構成とすることにより、簡単な構造で、工程を著しく増加させることなく、単一モード発振特性の優れた面発光レーザを得ることができる。On the substrate (1), the first DBR layer (2), the first cladding layer (3), the active layer (4), the second cladding layer (5), the oxidation current confinement portion forming layer (6), the second It has a stacked structure (20) in which DBR layers (7) are sequentially stacked, and an upper electrode (8) and a lower electrode (9). In addition, a structure modulation region (12) extending from the vicinity of the step (11) formed on the substrate (1) exists in a partial region of the laminated structure (20) that is separated from the optical axis (10) by a predetermined distance or more. . This structural modulation region (12) differs from other regions in at least one of parameters such as layer thickness, interface flatness, and inclination of the interface with respect to the substrate surface, and is reflected in comparison with the central portion of light emission including the optical axis (10). The rate is low. The effective width (A) of the inner high reflection region surrounded by the structure modulation region (12) is set substantially equal to the width of the fundamental transverse mode light. On the other hand, the diameter (B) of the non-oxidized region of the current confinement portion is set wider than this. With such a configuration, a surface emitting laser having a simple structure and excellent single mode oscillation characteristics can be obtained without significantly increasing the number of steps.
Description
本発明は、基本横モード光を出力する垂直共振器型面発光レーザ、及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a vertical cavity surface emitting laser that outputs fundamental transverse mode light and a method of manufacturing the same.
垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL、以下、VCSELと略す)は、端面型レーザに比べて、製造コストが低い、製造の歩留りが高い、二次元アレイ化が容易であるなど、多くの利点を有しており近年活発に、開発が進められている。 A vertical cavity surface emitting laser (VCSEL, hereinafter abbreviated as VCSEL) is lower in manufacturing cost, higher in manufacturing yield, and easier to form a two-dimensional array than an end surface laser. In recent years, it has been actively developed.
面発光レーザにおいては、高出力の単一基本横モードレーザが求められている。しかし、例えば酸化電流狭窄型の面発光レーザにおいて、単一基本横モードを得るためには、電気抵抗が低い電流狭窄領域を約5μmφ以下に小さくしなければならない。電流狭窄領域を小さくすると、素子抵抗、熱抵抗ともに大きくなってしまい、発熱の影響で十分な出力が得られないという問題がある。 As the surface emitting laser, a high-power single fundamental transverse mode laser is required. However, for example, in an oxidation current confinement type surface emitting laser, in order to obtain a single fundamental transverse mode, the current confinement region having a low electric resistance must be reduced to about 5 μmφ or less. When the current confinement region is reduced, both the element resistance and the thermal resistance increase, and there is a problem that a sufficient output cannot be obtained due to the influence of heat generation.
基本横モードで高出力を有する従来の面発光レーザとして、図8に示すような面発光レーザがある。この装置は、下部電極1111、基板1011、下部反射鏡構造1021、下部クラッド層1031、発光層1041、上部クラッド層1051、上部反射鏡構造1061、イオン打ち込み等により形成した低反射率ゾーン1071、損失決定素子1081及び上部電極1101からなる構造となっており、光軸1091に沿ってレーザ光が出射される。損失決定素子1081は、光軸1091と直交する方向において、光軸1091からの距離が増大するのに従って共振器の光学損失を漸進的に増大させるために、凹状の形状に加工されている。この損失決定素子1081により、光軸1091と直交する方向における光軸1091からの距離が増大するのに従って光の反射方向が発光層1041の中央部から離れ共振器損失が増大する。この面発光レーザにおける基本横モード発振は光軸1091に近接して生じ、それに対して高次横モード発振は光軸1091から離れた位置において生じるため、高次横モードの共振器損失が増大する結果、基本横モード光出力が大幅に増加することになる(例えば、特開平10-56233号公報を参照)。
As a conventional surface emitting laser having a high output in the basic transverse mode, there is a surface emitting laser as shown in FIG. This device includes a
また、従来の面発光レーザとして、図9に示すような面発光レーザがある。この装置は、電極1112、基板1012、多層膜ミラー1022、活性層1042、酸化層1062、多層膜ミラー1072、スペーサ層1082、多層膜ミラー1092及び電極1102が順次積層された構造となっている。電流狭窄構造は酸化層1062が一部酸化されることにより形成される。また、スペーサ層1082も酸化層1062と同時に酸化されている。このスペーサ層1082は高次横モードの光に共振器損失を与えるため、出射中心領域の周辺部における高次横モードを抑制できる。つまり電流狭窄構造を大きめに形成しておき、スペーサ層1082により横モード制御を実現する構造となっている(例えば、特開2002-353562号公報を参照)。
As a conventional surface emitting laser, there is a surface emitting laser as shown in FIG. This device has a structure in which an
しかしながら、図8に示された従来の面発光レーザでは、凹部を形成するためのプロセスが複雑になるという欠点がある。また、発光層中心と凹部中心のずれや、凹部の曲率半径のばらつきによって、レーザ特性が大きく影響を受けるために歩留りの向上には限界がある。また、凹部の中心から少しでも外れた光に対しても反射率の低下を引き起こすため、基本横モード光に対しても閾値上昇を招いてしまう。 However, the conventional surface emitting laser shown in FIG. 8 has a drawback that the process for forming the recesses is complicated. In addition, the laser characteristics are greatly affected by the deviation between the center of the light emitting layer and the center of the recess and the variation in the radius of curvature of the recess, so that there is a limit to improving the yield. Further, since the reflectance is lowered even for light slightly deviated from the center of the recess, the threshold value is also increased for the fundamental transverse mode light.
一方、図9に示された構造の場合、電極間の電流経路に電流狭窄層である酸化層1062のみならず、高次横モードを抑制するために酸化されたスペーサ層1082が存在するため、素子抵抗が増大し、動作電圧の増大及び発熱の問題が生じる場合がある。また、より効率的に基本横モード光のみを選択して発振させるために図9のスペーサ層1082における非酸化領域の幅を酸化層1062の非酸化領域の幅より狭く設定すると、電流経路(図10中の実線矢印)が狭くなり、素子抵抗の増大の影響がさらに大きくなってしまう。
On the other hand, in the structure shown in FIG. 9, not only the
素子抵抗が増大すると、動作電圧が増大すると共に、発熱の影響で十分な出力が得られなくなってしまう。このため、図9の構造では最大光出力(約2mW〜5mW程度)が得られているにもかかわらず、図10の構造にした場合には同程度の出力は得られない。従って、高出力を目的とする場合には、図10のようにスペーサ層1082の中央領域での非酸化領域を狭めることができなかった。即ち、高次横モード光を抑圧して基本横モードを出力する課題と高出力達成の課題はトレードオフの関係にあった。
When the element resistance increases, the operating voltage increases and a sufficient output cannot be obtained due to the influence of heat generation. Therefore, although the maximum optical output (about 2 mW to about 5 mW) is obtained in the structure of FIG. 9, the same level of output cannot be obtained in the structure of FIG. Therefore, in the case of aiming at high output, the non-oxidized region in the central region of the
上記の課題を解決するため、本発明では、高次横モードを抑制して基本横モード光を高出力で出射することを目的としている。 In order to solve the above problems, an object of the present invention is to emit a fundamental transverse mode light at a high output while suppressing a higher order transverse mode.
上記目的を達成するため、本発明のVCSELは、基板上に少なくとも第1導電型のブラッグ反射鏡層、活性層及び第2導電型のブラッグ反射鏡層が順次積層された積層構造と、前記積層構造を流れる電流を前記活性層の発光領域に集中させる電流狭窄構造と、前記積層構造における光軸から離間した領域に形成され、前記光軸を含む発光の中心部に比べて反射率が低い構造変調領域とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the VCSEL of the present invention includes a laminated structure in which at least a first conductivity type Bragg reflector layer, an active layer, and a second conductivity type Bragg reflector layer are sequentially laminated on a substrate, A current confinement structure that concentrates the current flowing through the structure in the light emitting region of the active layer, and a structure that is formed in a region separated from the optical axis in the stacked structure and has a lower reflectance than the central portion of light emission including the optical axis And a modulation region.
また、本発明のVCSELの製造方法は、基板上に、少なくとも第1導電型のブラッグ反射鏡層、活性層、第2導電型のブラッグ反射鏡層を順次積層して積層構造を形成する工程と、前記積層構造における中心軸から離間した領域に、前記中心軸を含む中心部に比べて反射率が低い構造変調領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。 The VCSEL manufacturing method of the present invention includes a step of sequentially laminating at least a first conductivity type Bragg reflector layer, an active layer, and a second conductivity type Bragg reflector layer on a substrate to form a laminated structure. And a step of forming a structure modulation region having a lower reflectance than a central portion including the central axis in a region separated from the central axis in the laminated structure.
本発明によれば、簡単な構造で、工程を著しく増加させることなく単一モード発振特性の優れた、面発光レーザを得ることができる。 According to the present invention, a surface emitting laser having a simple structure and excellent single mode oscillation characteristics can be obtained without significantly increasing the number of steps.
本発明は、積層構造の一部に反射率の低下した構造変調領域を形成することで、高次横モードの抑制効果を高めつつ高出力を得るものである。 In the present invention, a structure modulation region having a reduced reflectivity is formed in a part of the laminated structure, thereby obtaining a high output while enhancing the effect of suppressing the high-order transverse mode.
積層構造の場合、層厚または界面平坦性または界面の基板面に対する傾きの分布が異なることにより反射率の低下が生じる。本発明の1つの最良の形態は、光軸と直交する方向に光軸から離間して、この反射率が低下した構造変調領域を電流狭窄部の非電流狭窄領域内に設けることで高次横モードの抑制効果を高めつつ高出力を得るものである。 In the case of a laminated structure, the reflectance decreases due to the difference in layer thickness, interface flatness, or the distribution of the inclination of the interface with respect to the substrate surface. One best mode of the present invention is to provide a high-order lateral width by providing a structural modulation region having a reduced reflectivity in the non-current confinement region of the current confinement portion, away from the optical axis in a direction orthogonal to the optical axis. High output is obtained while enhancing the mode suppression effect.
本発明の他の最良の形態は、第2導電型のブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:DBR)層の周辺部に、相互拡散あるいは高濃度の不純物拡散によって、発光の中心部に比べて反射率が低下した構造変調領域を設けることを特徴とする。 According to another preferred embodiment of the present invention, the reflectance is higher than that of the central portion of the light emission due to mutual diffusion or high-concentration impurity diffusion at the periphery of the second conductivity type Bragg reflector (DBR) layer. It is characterized in that a structure modulation region in which the resistance is lowered is provided.
以上の結果、反射率が低下した構造変調領域の内側にある高反射率領域の幅を、高次モードが抑制され、単一基本横モード発振に最適な幅まで自由に狭めることができるため、高次モードの抑制効果を最大限に高めることができる。 As a result of the above, the width of the high reflectivity region inside the structural modulation region where the reflectivity is reduced, the higher order mode is suppressed, and can be freely narrowed to the optimum width for single fundamental transverse mode oscillation, The suppression effect of higher order modes can be maximized.
また、電流狭窄部の幅を広めに設定できることで、電流経路の抵抗も低減でき、熱による飽和を抑えることができる。 In addition, since the width of the current confinement portion can be set wider, the resistance of the current path can be reduced and saturation due to heat can be suppressed.
さらに、基本横モードレーザ光を得るために出射表面の複雑なエッチング工程なども必要としないので、比較的簡単なプロセスで製造できる。 Furthermore, since a complicated etching process or the like on the emission surface is not required to obtain the fundamental transverse mode laser beam, it can be manufactured by a relatively simple process.
(第1の実施例)
図1A及び図1Bを用いて本発明によるVCSELの第1の実施例を説明する。このレーザは、基板1上に第1のDBR(Distributed Bragg Reflector)層2、第1クラッド層3、活性層4、第2クラッド層5、酸化電流狭窄部形成層6、第2のDBR層7が順次積層された積層構造20と、上部電極8及び下部電極9とを有している。さらに、光軸10に対して直交する方向に光軸10から所定の距離以上離れた積層構造20の一部領域に、基板1上に形成された段差11付近から伸びる構造変調領域12が存在することを特徴の一つとしている。本実施例では、構造変調領域12は、層厚、界面平坦性及び界面の基板面に対する傾き等、反射率に影響を与えるパラメータの少なくとも1つの分布が他の領域(光軸10を含む発光の中心部)と異なり、他の領域に比べて反射率が低い。(First embodiment)
A first embodiment of a VCSEL according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. This laser includes a first DBR (Distributed Bragg Reflector)
図1Aに示したVCSELの製法につき図2A〜図2Dを用いて説明する。なお、以下の説明は、短波長レーザ装置の例であり、発振波長約0.85μmとなる材質を選択している。 The manufacturing method of the VCSEL shown in FIG. 1A will be described with reference to FIGS. 2A to 2D. The following description is an example of a short wavelength laser device, and a material having an oscillation wavelength of about 0.85 μm is selected.
まず、図2Aに示すように、n型GaAs基板1上に、フォトリソグラフィ及びエッチングの手法を用いて、0.1μm程度の段差11で囲まれた平面形状が円形で直径約3μmのメサを形成する(工程1)。中心軸10aから所定の距離以上離れた位置に段差11がくるようにする。
First, as shown in FIG. 2A, a mesa having a circular planar shape and a diameter of about 3 μm is formed on the n-
上記メサの平面形状は単純な円形パターンとしたが、円形に限定されるものではなく、目的に応じて任意の形状を用いることができる。例えば偏波制御のため楕円形や矩形など異方性を持たせたりすることも出来る。また段差11は0.1μm程度としたが、これに限られるものではない。エピタキシャル成長中の平坦化作用が強い場合はもっと大きくても良く、逆に僅かな段差でも程度の差こそあれ効果は得られる。また必ずしも急峻な段差である必要はなく、基板面の法線方向に対して緩やかに傾斜する斜面を有する段差や、さらに斜面の傾斜角が変化する段差でも良い。
Although the planar shape of the mesa is a simple circular pattern, it is not limited to a circular shape, and any shape can be used according to the purpose. For example, anisotropy such as an ellipse or a rectangle can be given for polarization control. Moreover, although the level |
次に図2Bに示すように、段差11を形成したn型GaAs基板1上に、n型Al0.2Ga0.8As層2−2とn型Al0.9Ga0.1As層2−1の一対を基本単位とするDBR(n型半導体ミラー層)を複数積層した第1のDBR層2、n型Al0.3Ga0.7Asの第1クラッド層3、ノンドープGaAs量子井戸とAl0.2Ga0.8As障壁層からなる活性層4、p型Al0.3Ga0.7Asの第2クラッド層5、p型AlxGa1-xAs(ただし0.9<x<1)の酸化電流狭窄部形成層6及びp型Al0.2Ga0.8As層とp型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位とするDBR(p型半導体ミラー層)を複数積層した第2のDBR層7を、有機金属気相成長(MOCVD)法にて順次積層し、積層構造20を形成する(工程2)。もちろん、分子線エピタキシー成長(MBE)法など他の方法を用いてもよい。Next, as shown in FIG. 2B, on the n-
各々のDBR層2,7では、高屈折率のAl0.2Ga0.8As層2−2と低屈折率のAl0.9Ga0.1As層2−1とのそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ1/4となるように設定してある。または、Al0.2Ga0.8As層2−2の厚みとAl0.9Ga0.1As層2−1の厚みの合計の膜厚(DBR単位の膜厚)を、光路長が発振波長の1/2となるように設定してもよい。なお酸化電流狭窄部形成層6のAl組成xを高い組成(0.9<x)に設定したのは、0.9以下ではほとんど酸化が生じないためである。一方、DBR層2,7の低屈折率Al0.9Ga0.1As層2−1は酸化がほとんど生じない低いAl組成に設定されており、これによって酸化電流狭窄部形成層6の選択的な酸化が可能となる。In each
工程2において、段差11付近では図1Bの拡大図中に示すように、主に段の高さが低い側(ここでは積層構造20の中心軸10aから見て外側)で、Al0.9Ga0.1As層2−1の層厚増加や結晶面の傾斜などが起き、これがさらに上層に順次引継がれることで、反射率の低下した構造変調領域12が積層方向の主に段の高さが低い側(ただし成長条件に依存)に形成される。In
次に、図2Cに示すように、フォトレジスト13を第2のDBR層7上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する(工程3)。ついで、ドライエッチングにより、第2のクラッド層5の表面が露出するまでエッチングを行い、直径約30μmの円柱状構造を形成し(工程4)、酸化電流狭窄部形成層6の側面を露出させる。その後、フォトレジスト13を除去する(工程5)。
Next, as shown in FIG. 2C, a
次に、図2Dに示すように、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約400℃で約10分間加熱を行う(工程6)。これにより、酸化電流狭窄部形成層6の外側周縁部のみが円環状に選択的に酸化され、酸化領域が形成される。同時に、酸化電流狭窄部形成層6の光軸10を含む中心部には直径が約8μmの非酸化領域が形成される。この工程においては、非酸化領域の幅Bが、構造変調領域12に囲まれる中心部の幅Aより狭くなる前に、加熱を停止することに注意する。
Next, as shown in FIG. 2D, heating is performed at a temperature of about 400 ° C. for about 10 minutes in a furnace in a steam atmosphere (step 6). As a result, only the outer peripheral edge of the oxidation current confinement
次に、上部電極8形成のため、所定位置にフォトレジストマスクを形成(工程7)、全面に電極としてチタン(Ti)及び金(Au)を蒸着(工程8)した後、フォトレジストを除去してリフトオフすることにより上部電極8が形成される(工程9)。最後に、基板裏面全面にAuGe(ゲルマニウム)合金を蒸着し、加熱してアロイすることで、下部電極9を形成する(工程10)。
Next, in order to form the
酸化電流狭窄部形成層6に形成された、酸化領域と非酸化領域からなる構成を電流狭窄部(電流狭窄構造)という。外側周縁部の酸化領域は電気抵抗が高く、中心部の非酸化領域は電気抵抗が低い。したがって、非酸化領域の幅を活性層4で光る発光領域とほぼ同じ幅にすることにより、発光領域に電流を集中して流すことができる。なお、酸化領域を「非電流狭窄領域」、非酸化領域を「電流狭窄領域」または「開口部」ともいう。
A configuration formed of the oxidized region and the non-oxidized region formed in the oxidized current confinement
以上、図2A〜図2Dの製法により得られた図1AのVCSELは、電流狭窄部の非酸化領域の直径(図1A中の矢印B)が約8μmと広いため抵抗及び熱抵抗を抑えることができる。 As described above, the VCSEL of FIG. 1A obtained by the manufacturing method of FIGS. 2A to 2D suppresses resistance and thermal resistance because the diameter of the non-oxidized region (arrow B in FIG. 1A) of the current confinement portion is as wide as about 8 μm. it can.
一方、n型GaAs基板1上に設けた段差11で囲まれた円形メサの直径は十分に小さい約3μmに設定されており、従って反射率の低下した構造変調領域12が電流狭窄部の非酸化領域の内側にも形成されていることにより高次横モードを抑制できる。
On the other hand, the diameter of the circular mesa surrounded by the
本実施例では、さらに構造変調領域12で囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅(図1A中の矢印A)がほぼ基本横モード光の幅(約5μm)に等しいことで、単一基本横モードを維持したまま高出力化を可能とする面発光レーザ装置を提供でき、約5mW以上の高出力で、単一基本横モード発振を実現することができた。
In this embodiment, the effective width (arrow A in FIG. 1A) of the inner high reflection region surrounded by the
基本横モード光は、その強度が光軸の中心で最大となり、外周では弱くなる。ここで、基本横モード光の幅とは、光の強度が全体の約75%になる幅としている。素子の要求される特性により、60%〜90%の間で適宜決定される。 The fundamental transverse mode light has a maximum intensity at the center of the optical axis and is weak at the outer periphery. Here, the width of the fundamental transverse mode light is a width at which the light intensity is about 75% of the whole. It is appropriately determined between 60% and 90% depending on the required characteristics of the element.
図2Aの工程1では、n型GaAs基板1上に直接段差11を形成したが、例えばバッファ層を成長してから段差11を形成する、あるいは第1のDBR層2の積層を途中で中断し、その後段差11を形成し、引き続き残りを積層することもできる。
In
後者の場合、プロセスは増えるが活性層4により近い領域で反射率の低下した構造変調領域12を有効に生成することができるため、より大きな高次横モードの抑制効果が期待できる。
In the latter case, although the number of processes is increased, the
また図2Aの工程1では、n型GaAs基板1上に、単一のメサを形成したが、プロセスは増えるがメサを2重、3重に形成して多段の階段状に段差を形成しても良く、これによってより広い範囲に渡って反射率の低下した構造変調領域12を、その分布を制御して形成することが出来る。
In
さらに段差11は光軸10から外側に向かって低くなるように形成したが、この方が構造変調領域12の影響が活性層4の発光領域に及びにくいためである。しかし段差11と活性層4とが大きく離れている場合、段差を低めに設定すれば積層中に十分平坦化するため影響はほとんど活性層4に及ばなくなる。この場合は逆に内側で低くなるように形成したり混在させたりすることも可能である。
Further, the
また図2A〜図2Dでは、1つのVCSELが形成される様子が示されているが、大面積基板を用いて、多数のVCSELをマトリックス状に同時に形成することができる。従って、1つの装置ごとに切り出して使用することのみならず、所望のアレイ状(例えば1個×10個、100個×100個など)に基板から切り出して使用することができる。 2A to 2D show how one VCSEL is formed, but a large number of VCSELs can be simultaneously formed in a matrix using a large-area substrate. Accordingly, not only can each apparatus be cut out and used, but also can be cut out from the substrate into a desired array (for example, 1 × 10, 100 × 100, etc.).
(第2の実施例)
図3A〜図3Cを用いて本発明によるVCSELの第2の実施例を説明する。(Second embodiment)
A second embodiment of the VCSEL according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3C.
第1の実施例で示した図1A及び図1Bと異なる点は、次のとおりである。即ち、本実施例は、第1の実施例とほぼ同じ製法を採用するものであるが、第1の実施例の図2Aで示された工程1では、n型GaAs基板1上に、段差11で囲まれた平面形状が円形のメサを形成したのに対して、本実施例では図3Aに示すように、n型GaAs基板1上に、平面形状が同心円状の凹凸14を形成した点が異なっている。なお凹凸であれば同心円状に限られるものではなく、環状に形成された多重の楕円形や矩形でも良い。また図3Cに示した複数の島状の凹凸14aでも良い。さらに、規則的でも非規則的でも良い。
Differences from FIG. 1A and FIG. 1B shown in the first embodiment are as follows. That is, the present embodiment employs substantially the same manufacturing method as that of the first embodiment, but in
このように構成することで、第1の実施例に比べ、より簡単なプロセスで広い範囲に構造変調領域12の分布を制御して形成することができる(例えば第1の実施例で段差を複数設けるにはフォトリソグラフィを何度も繰り返す必要がある)。
With this configuration, it is possible to control and form the distribution of the
従って、本実施例においては第1の実施例の効果を有するのみならず、より適切な反射率分布制御が容易にできるため、より効率的に高出力の単一基本横モード光を出力することができる。 Therefore, in this embodiment, not only has the effect of the first embodiment, but also more appropriate reflectance distribution control can be easily performed, so that high-output single fundamental transverse mode light can be output more efficiently. Can do.
また本実施例でも、第1の実施例と同様に、n型GaAs基板1上に直接凹凸14,14aを形成するのではなく、例えばバッファ層を成長してから、あるいは第1のDBR層2の積層を途中中断してから凹凸14,14aを形成し、引き続き残りを積層することもできる。後者の場合、第1の実施例と同様に、プロセスは増えるが活性層4により近い領域で反射率の低下した構造変調領域12を有効に生成することができるため、より大きな高次横モードの抑制効果が期待できる。
Also in this embodiment, as in the first embodiment, the
(第3の実施例)
図4を用いて本発明によるVCSELの第3の実施例を説明する。(Third embodiment)
A third embodiment of the VCSEL according to the present invention will be described with reference to FIG.
図4の構成と第1の実施例である図1A及び図1Bの構成との相違点は、図1A及び図1Bでは段差11はn型GaAs基板1上に形成されているのに対して、本実施例では酸化電流狭窄部形成層6の上部に設けたスペーサ層15に段差11が形成されている点である。従って、図1Aでは構造変調領域12は主に第1のDBR層2の内部に存在するのに対して、本実施例では構造変調領域12は第2のDBR層7の内部に存在する。本実施例においても第1の実施例と同様の効果を奏するが、構造変調領域12の影響が活性層4に及ぶことはない。
The difference between the configuration of FIG. 4 and the configuration of the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B is that the
本実施例の製造方法は、第1の実施例における製造方法を示す図2A〜図2Dにおいて、段差11を形成する工程を挿入する位置を変えたものである。即ち、図2Aで段差11を形成する工程1は行わずに、n型GaAs基板1上に直接、図2Bの工程2における第1のDBR層2、第1クラッド層3、活性層4、第2クラッド層5、酸化電流狭窄部形成層6まで積層し、次の第2のDBR層7の積層初期の適当な段階で積層を一旦中断する。その中断表面に段差11を形成する新たな工程を追加した後に、第2のDBR層7の積層を再開して残りの部分を形成する。この場合、図4におけるスペーサ層15は、この第2のDBR層7の積層初期部分に相当する。
The manufacturing method of the present embodiment is obtained by changing the position where the step of forming the
本実施例では、スペーサ層15を酸化電流狭窄部形成層6の上部に設けたが、酸化電流狭窄部形成層6の下部に設け、そこに段差11を形成しても良い。また第2のDBR層7をさらに厚く積層した段階で中断し、段差11を形成しても良い。
In this embodiment, the
(第4の実施例)
図5を用いて本発明によるVCSELの第4の実施例を説明する。(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the VCSEL according to the present invention will be described with reference to FIG.
本実施例の構成と、第2の実施例である図3A〜図3Cの構成との違いは、第3の実施例である図4の構成と、第1の実施例である図1A及び図1Bの構成との違いとほぼ同様である。即ち、図3A〜図3Cでは凹凸14,14aがn型GaAs基板1上に形成されているのに対して、本実施例では酸化電流狭窄部形成層6の下部に設けたスペーサ層15に凹凸14,14aが形成されている。従って、図3Aでは構造変調領域12は主に第1のDBR層2の内部に存在するのに対して、本実施例では構造変調領域12は第2のDBR層7の内部に存在する。本実施例においても第3の実施例と同様に構造変調領域12の影響が活性層4に及ぶことはない。
The difference between the configuration of this embodiment and the configurations of FIGS. 3A to 3C as the second embodiment is the same as the configuration of FIG. 4 as the third embodiment and FIGS. 1A and 1B as the first embodiment. It is almost the same as the difference from the configuration of 1B. 3A to 3C, the
製造方法も、第3の実施例とほぼ同様であり、第3の実施例での段差11に対して、本実施例では凹凸14,14aを形成する点、またスペーサ層15の位置を、第3の実施例では酸化電流狭窄部形成層6の上部としたのに対して、本実施例では酸化電流狭窄部形成層6の下部とした点のみ異なる。なおスペーサ層15は第3の実施例と同様に、酸化電流狭窄部形成層6の上部に設けても良く、また第2のDBR層7をさらに厚く積層した段階で中断し、凹凸14,14aを形成しても良い。
The manufacturing method is also almost the same as that of the third embodiment. In this embodiment, the
(第5の実施例)
図6を用いて本発明によるVCSELの第5の実施例を説明する。図6の構成と第3の実施例である図4の構成との相違点は、図6では酸化電流狭窄部形成層6が無く、第2のDBR層7の円柱状構造の直径を約10μm程度と小さくすることで電流狭窄を実現している点である。このように、電流狭窄を実現するために第2のDBR層7の直径を小さくした構造を、電流狭窄構造30という。(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the VCSEL according to the present invention will be described with reference to FIG. The difference between the configuration of FIG. 6 and the configuration of FIG. 4 which is the third embodiment is that in FIG. 6 there is no oxidation current confinement
本実施例では構造変調領域12によって横モード制御を行うため、相対的に電流狭窄の幅は大きくすることができる。従って本実施例のように電気抵抗の大幅な上昇を招かない現実的な直径で第2のDBR層7による円柱状構造を形成し、直接電流狭窄を実現することもでき、選択酸化プロセスを省略することができる。
In this embodiment, since the transverse mode control is performed by the
本実施例ではスペーサ層15を第2クラッド層5の直上に設けているが、第2のDBR層7をさらに厚く積層した段階で中断して段差11を形成しても良い。また段差11の代わりに第4の実施例のように凹凸14,14aを形成しても良い。
In this embodiment, the
また段差11または凹凸14,14aを形成する位置としては、第1または第2の実施例と同様に、n型GaAs基板1上、またはバッファ層を成長した表面、あるいは第1のDBR層2の積層を途中で中断した表面としても良い。
Further, the position where the
以上の第1〜第5の実施例では、第1のDBR層2または第2のDBR層7のいずれか一方には少なくとも構造変調領域12が形成され、この構造変調領域12で囲まれた内側の高反射領域の幅Aが、電流狭窄領域の幅Bよりも狭い部分を有している。このため、高出力で単一基本横モードを維持したVCSELが得られる。
特に、出射側の第2のDBR層7に構造変調領域12が形成されていることが好ましい。更に、第2のDBR層7に形成された構造変調領域12で囲まれた内側の高反射領域の幅Aが、電流狭窄領域の幅Bよりも狭いことがより好ましい。
また、第1または第2のDBR層2,7に形成された構造変調領域12で囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅Aが、基本横モードの光の幅と等しいことが好ましい。In the first to fifth embodiments described above, at least the
In particular, the
The effective width A of the inner high reflection region surrounded by the
(第6の実施例)
図7を用いて本発明によるVCSELの第6の実施例について説明する。(Sixth embodiment)
A sixth embodiment of the VCSEL according to the present invention will be described with reference to FIG.
本実施例では、基板101上に第1のDBR層102、第1クラッド層103、活性層104、第2ラッド層105、酸化電流狭窄部形成層106、第2のDBR層107が順次積層された積層構造120と、第1の電極109及び第2の電極111とを有している。第1のDBR層102は低屈折率層102−1と高屈折率層102−2の多層膜から構成される。第2のDBR層107についても同様である。出射側の第2のDBR層107のペア数は、第1のDBR層102より反射率を小さくするため、通常第1のDBR層102のペア数より少なく設定される。
In this embodiment, a
共振部は第1クラッド層103、活性層104及び第2クラッド層105から構成される。活性層104は、共振部の電界強度の腹にあたる部分に配置される。酸化電流狭窄部形成層106は、共振部と第1または第2のDBR層102,107との間に配置されるる。特に、電流狭窄部が酸化膜により形成される場合には、半導体と酸化膜の屈折率差が大きく光閉じこめ効果が大きくなりすぎないように、酸化電流狭窄部形成層106は電界強度が節となる位置に配置される。
The resonance part is composed of a
高次横モードの発生を抑制するために、第2のDBR層107の周辺部に、相互拡散あるいは高濃度の不純物拡散によって、発光の中心部に比べて反射率が低下した構造変調領域108を形成する。この構造変調領域108の開口幅113は、電流狭窄部の開口幅112より狭くなっている。電流注入時に活性層で光る発光領域は、電流狭窄部の開口幅112から、楕円の領域114のようになる。
In order to suppress the occurrence of the high-order transverse mode, the
楕円の発光領域114から出た光は、上下のDBR層102、107により構成された光共振器によりフィードバックがかかりレーザ発振が生じる。しかし、本実施例では低反射率である構造変調領域108が形成されているため、発光の周辺部では十分なフィードバックがかからない。このため発光の中心部に最大の光強度がある基本横モードでは発振するが、周辺部に最大光強度がある高次横モードは発振しにくくなる。
The light emitted from the elliptical
反射率の低下した構造変調領域108を形成する方法として、本実施例では第2のDBR層107を構成する多層膜の相互拡散、あるいは高濃度の不純物拡散による周期構造の破壊作用を用いている。
As a method for forming the
多層膜の相互拡散とは、多層膜を構成している原子が、互いの層に拡散する現象をいう。例えば、24周期のGaAs/AlAsからなるDBR膜の反射率は99%以上である。このDBR膜に対し、発光中心部のDBRは相互拡散させないように、外周囲だけ電子線照射を行い、この電子線照射が行われた領域の異常拡散を用い、多層膜の相互拡散を行なう。こうしてAlGaAs(Al:0.4)/AlGaAs(Al:0.6)のDBRに変えると、反射率は77%に低下する。 Interdiffusion of multilayer films refers to a phenomenon in which atoms constituting a multilayer film diffuse into each other's layers. For example, the reflectance of a DBR film made of GaAs / AlAs with 24 periods is 99% or more. The DBR film is irradiated with an electron beam only in the outer periphery so that the DBR in the light emission center portion is not diffused, and the multilayer film is diffused by using the abnormal diffusion in the region where the electron beam is irradiated. When the DBR is changed to AlGaAs (Al: 0.4) / AlGaAs (Al: 0.6) in this way, the reflectance decreases to 77%.
一方、不純物拡散により構造変調領域108を形成すると、キャリア吸収も起こる。上記の例の多層膜構造で各層中の吸収係数が100cm-1とすると、DBR全体での吸収率は約4%になり、反射率もその分下がって約74%になる。On the other hand, when the
次に本実施例によるVCSELについて、製造工程も含めて詳細に説明する。なお、以下の説明は、短波長レーザ装置の例であり、発振波長約0.85μmとなる材質を選択している。 Next, the VCSEL according to the present embodiment will be described in detail including the manufacturing process. The following description is an example of a short wavelength laser device, and a material having an oscillation wavelength of about 0.85 μm is selected.
まず、図7に示すように、Siドープn型GaAs基板101上に、n型Al0.2Ga0.8As層からなる高屈折率層102−2とn型Al0.9Ga0.1As層からなる低屈折率層102−1の一対を基本単位とするn型のDBR(n型半導体ミラー層)を複数積層した第1のDBR層102、n型Al0.3Ga0.7Asの第1クラッド層103、ノンドープGaAs量子井戸とAl0.2Ga0.8As障壁層からなる活性層104、p型Al0.3Ga0.7Asの第2クラッド層105、p型AlxGa1-xAs(ただし0.9<x<1)の酸化電流狭窄部形成層106、p型Al0.2Ga0.8As層とp型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位とするDBR(p型半導体ミラー層)を複数積層した第2のDBR層107を、有機金属気相成長(MOCVD)法にて順次積層し、積層構造120を形成する。分子線エピタキシー成長(MBE)法等の他の成長方法を用いてもよい。この工程は、図2(B)の工程に相当する。First, as shown in FIG. 7, on a Si-doped n-
各々のDBR層102,107では、高屈折率のAl0.2Ga0.8Asと低屈折率のAl0.9Ga0.1Asとのそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長約0.85μmのほぼ1/4となるように設定してある。または、Al0.2Ga0.8Asの厚みとAl0.9Ga0.1Asの厚みの合計の膜厚(DBR単位の膜厚)を、光路長を発振波長である約0.85μmの1/2となるように設定してもよい。In each of the DBR layers 102 and 107, the film thicknesses of Al 0.2 Ga 0.8 As having a high refractive index and Al 0.9 Ga 0.1 As having a low refractive index are such that the respective optical path lengths in these media have an oscillation wavelength of about 0. It is set to be approximately 1/4 of 85 μm. Alternatively, the total film thickness (thickness in units of DBR) of the thickness of Al 0.2 Ga 0.8 As and the thickness of Al 0.9 Ga 0.1 As is set to be half of the oscillation wavelength of about 0.85 μm. It may be set.
次に、フォトレジストをエピタキシャル成長膜上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する。ついで、ドライエッチングにより、第2クラッド層105の表面が露出するまでエッチングを行い、直径約30μmの円柱状構造を形成する。この工程により、酸化電流狭窄部形成層106の側面が露出する。その後、フォトマスクを除去する。この工程は、図2(C)の工程に相当する。
Next, a photoresist is applied on the epitaxial growth film to form a circular resist mask. Next, etching is performed by dry etching until the surface of the
次に、再びメサ上面における、内径が約8μm〜10μmで、外径は直径約12〜14μmであるメサと同心円の円環部を除く面をフォトレジストで覆う。その後、メサ最上層上にZnO膜(不純物層)をスパッタで円環状に形成し、580℃、10分のアニールを行う。この結果、光軸の中心部を除く周縁部に、深さ約2μm程度までZn(第2導電型の不純物)が拡散し、第2のDBR層107の破壊が生じる。これにより高屈折率のAl0.2Ga0.8As層と低屈折率のAl0.9Ga0.1As層の界面はなだらかになり、その領域の反射率は低下する。この結果、第2のDBR層107の一部に発光の中心部に比べて低反射率である構造変調領域108が形成される。Next, the surface of the upper surface of the mesa is covered with a photoresist except for the concentric annular portion having an inner diameter of about 8 μm to 10 μm and an outer diameter of about 12 to 14 μm. Thereafter, a ZnO film (impurity layer) is formed in an annular shape by sputtering on the uppermost layer of the mesa and annealed at 580 ° C. for 10 minutes. As a result, Zn (second conductivity type impurity) diffuses to a peripheral portion excluding the central portion of the optical axis to a depth of about 2 μm, and the
最上層は、GaAsのλ/2層を設けても良い。更に、この工程は、上述のメサを形成する工程の前に行っても良く、更に、後述の電流狭窄部形成の選択酸化の工程の後で行っても良いことは言うまでもない。 The uppermost layer may be a GaAs / 2 layer. Furthermore, it goes without saying that this step may be performed before the above-described mesa forming step and further after a selective oxidation step for forming a current confinement portion described later.
その後、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約400℃で約10分間加熱を行う。これにより、酸化電流狭窄部形成層106が円環状に選択的に酸化され、酸化領域が形成される。同時に、酸化電流狭窄部形成層106の中心部には直径が約8μmの非酸化領域が形成される。
Thereafter, heating is performed at a temperature of about 400 ° C. for about 10 minutes in a furnace in a steam atmosphere. As a result, the oxidation current confinement
酸化電流狭窄部形成層106に形成された、酸化領域と非酸化領域からなる構成を電流狭窄部という。電流狭窄部は、電流を非酸化領域とほぼ同じ幅の活性層領域に集中して流すために設けている。
A configuration formed of the oxidized region and the non-oxidized region formed in the oxidized current confinement
その後、メサ上の外周にチタン(Ti)/金(Au)のリング状の上部電極109、基板裏面全面にAuGe合金の下部電極111を形成する。 この工程は、図2(D)に相当する。
構造変調領域108は、上記電流狭窄部と同一の中心軸で、構造変調領域108が囲う内径113は、前記電流狭窄部の開口幅112より小さくなっている。このため、電流狭窄部の開口幅112を約8μmと大きくとっても単一基本モードが維持され、約5mW以上の高出力動作が可能となる。Thereafter, a titanium (Ti) / gold (Au) ring-shaped
The
本実施例におけるVCSELでは、構造変調領域108の形状が円環状となっているため、出力光の断面も円環状となるが、必要に応じて楕円型などの所望の断面形状をもつ出力光を出射するようにしてもよい。
In the VCSEL of the present embodiment, the shape of the
上述した実施例においては、活性層4,104の材料としてノンドープGaAsやノンドープAl0.2Ga0.8Asを用いたが、活性層4,104の材料としてはこれらに限られず、GaAsまたはInGaAsを用いて近赤外用のVCSELを構成することもできるし、また、InGaP、AlGaInPなどの可視VCSELにも適用できる。In the embodiment described above, non-doped GaAs or non-doped Al 0.2 Ga 0.8 As is used as the material of the
更に、InP基板上のInGaAsPや、GaAs基板上のGaInNAs、GaInNAsSb、GaAsSbなどを用いて長波帯の単一モードVCSELを構成することもできる。これらのVCSELは単一モードファイバを用いた比較的長距離の通信に非常に有効である。さらには、GaN系やZnSe系等を用いて青色または紫外線用のVCSELを構成することができる。 Furthermore, a long-wave single-mode VCSEL can be configured using InGaAsP on an InP substrate, GaInNAs, GaInNAsSb, GaAsSb, or the like on a GaAs substrate. These VCSELs are very effective for relatively long distance communications using single mode fiber. Furthermore, a VCSEL for blue or ultraviolet light can be configured using a GaN system, a ZnSe system, or the like.
また、これらの活性層4,104の材料に応じて、DBR層2,7,102,107を含めたその他の層の材料・組成や、DBR層2,7,102,107の周期数を含めたそれぞれの層の厚みを適宜選択、設定できることはいうまでもない。
In addition, depending on the material of these
第1〜4、6の実施例におけるVCSELでは、電流狭窄部の酸化領域はアルミニウム(Al)が酸化する構成となっているが、Alに限るものではなく、酸化した場合に非酸化領域に比べ電気抵抗が大幅に増大(絶縁体となれば望ましい)する物質であればよい。
また、上述した実施例で第1と第2の導電性を逆に、即ち、n型をp型に、かつp型をn型に変更してもよい。この場合には、電流狭窄部は活性層4,104と第1のDBR層2,102との間に形成するのが望ましい。あるいは、何れの場合も、電流狭窄部は、活性層4,104と第1のDBR層2,102との間、及び、活性層4,104と第2のDBR層7,107との間の両方に形成してもよい。In the VCSELs in the first to fourth and sixth embodiments, the oxidized region of the current confinement portion is configured to oxidize aluminum (Al), but is not limited to Al, and when oxidized, compared to the non-oxidized region. Any substance can be used as long as the electrical resistance is greatly increased (desired to be an insulator).
In the above-described embodiment, the first and second conductivity may be reversed, that is, the n-type may be changed to the p-type and the p-type may be changed to the n-type. In this case, it is desirable to form the current confinement portion between the
また、上述した実施例と組み合わせて十分機能しさえすれば、必ずしも選択酸化による電流狭窄である必要もなく、第5の実施例で示した方法以外にも、例えばプロトン注入による方法などを適用することも出来る。 Moreover, as long as it functions sufficiently in combination with the above-described embodiment, current confinement is not necessarily required due to selective oxidation. For example, a method using proton injection is applied in addition to the method shown in the fifth embodiment. You can also
また、上述した実施例では導電性基板1,101上にVCSELを形成していたが、p型及びn型両電極とも表面側に形成する場合などは必ずしも導電性基板1,101に限定されず、例えばノンドープ基板または半絶縁性基板を用いても良い。さらに上述した実施例では基板1,101上に積層した全ての層にドーピングした場合について説明したが、電流経路となり動作上必須な範囲に少なくともドーピングすれば良い。
In the above-described embodiments, the VCSEL is formed on the
本発明は、これら実施例に具体的に示した構成、方法に限定されるものではなく、発明の趣旨に沿うものであれば種々のバリエーションが考えられる。
The present invention is not limited to the configurations and methods specifically shown in these examples, and various variations are conceivable as long as they are within the spirit of the invention.
Claims (26)
前記積層構造を流れる電流を前記活性層の発光領域に集中させる電流狭窄構造と、
前記積層構造における光軸から離間した領域に形成され、前記光軸を含む発光の中心部に比べて反射率が低い構造変調領域と
を備えることを特徴とする面発光レーザ。A laminated structure in which at least a first conductivity type Bragg reflector layer, an active layer, and a second conductivity type Bragg reflector layer are sequentially laminated on a substrate;
A current confinement structure that concentrates the current flowing through the stacked structure in the light emitting region of the active layer;
A surface-emitting laser comprising: a structure modulation region formed in a region separated from the optical axis in the stacked structure and having a lower reflectance than a central portion of light emission including the optical axis.
前記構造変調領域は、前記段差を起点に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ。It further comprises a step formed on the surface of any one of the layers included in the substrate and the laminated structure,
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the structure modulation region is formed starting from the step.
前記積層構造における中心軸から離間した領域に、前記中心軸を含む中心部に比べて反射率が低い構造変調領域を形成する工程と
を備えることを特徴とする面発光レーザの製造方法。Forming a laminated structure by sequentially laminating at least a first conductivity type Bragg reflector layer, an active layer, and a second conductivity type Bragg reflector layer on a substrate;
Forming a structural modulation region having a lower reflectance than a central portion including the central axis in a region spaced apart from the central axis in the laminated structure.
前記積層構造を形成する工程の後に、前記電流狭窄部形成層の周縁部を酸化する工程を更に備えることを特徴とする請求項17に記載の面発光レーザの製造方法。The step of forming the laminated structure includes oxidizing between the first conductive type Bragg reflector layer and the active layer and between the second conductive type Bragg reflector layer and the active layer. A step of forming a current confinement portion forming layer made of a material that increases electrical resistance by
The method of manufacturing a surface emitting laser according to claim 17, further comprising a step of oxidizing a peripheral portion of the current confinement portion forming layer after the step of forming the stacked structure.
前記基板及び前記積層構造に含まれる層のいずれかの表面の前記中心軸から離間した領域に、段差を形成する工程と、
前記段差を形成した表面上に前記積層構造の残りの層を形成する工程と
を備えることを特徴とする請求項17に記載の面発光レーザの製造方法。The step of forming the structure modulation region includes:
Forming a step in a region separated from the central axis of the surface of any one of the layers included in the substrate and the laminated structure;
The method of manufacturing the surface emitting laser according to claim 17, further comprising: forming a remaining layer of the laminated structure on the surface on which the step is formed.
前記第2導電型のブラッグ反射鏡層における前記中心軸から離間した領域の上に、前記中心軸を取り囲むように第2導電型の不純物を含む不純物層を形成する工程と、
前記不純物層から前記第2導電型のブラッグ反射鏡層に不純物を拡散させる工程と
を備えることを特徴とする請求項17に記載の面発光レーザの製造方法。
The step of forming the structure modulation region includes:
Forming an impurity layer containing a second conductivity type impurity so as to surround the central axis on a region separated from the central axis in the second conductivity type Bragg reflector layer;
The method of manufacturing a surface emitting laser according to claim 17, further comprising a step of diffusing impurities from the impurity layer to the Bragg reflector layer of the second conductivity type.
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