TWI515984B - Vertical resonant surface luminous lasers - Google Patents

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Ippei Matsubara
Takayuki Kona
Hiroshi Watanabe
Masashi Yanagase
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Murata Manufacturing Co
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Description

垂直諧振面發光雷射
本發明係關於一種垂直諧振面發光雷射。
現在，作為半導體雷射之一種，垂直諧振面發光雷射(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting LASER)已實用化。
垂直諧振面發光雷射之概略構造，如專利文獻1所示，在底基板之上層形成有第1DBR(多層分布布拉格反射器)層，該底基板在背面形成有陰極電極且由N型半導體構成。在第1DBR層之上層形成有第1間隔層。在第1間隔層之上層形成有具備量子井之活性層。在活性層之上層形成有第2間隔層。在第2間隔層之上層形成有第2DBR層。在第2DBR層之上層形成有陽極電極。此外，藉由對陽極電極與陰極電極間施加驅動訊號，產生往與基板垂直(與積層方向平行)之方向具有敏銳指向性之雷射光。
專利文獻1：日本特表2003-508928號公報
非專利文獻1：Jpn. J. Appl. Phys. Vol.32(1993)pp.614-617
非專利文獻2：Appl. Phys. Lett. 52(7).543
一般而言，在半導體雷射，如專利文獻1所揭示，N型半導體基板係用為底基板。其原因在於，在使用N型半導體基板之情形，藉由導入原子半徑不同之雜質造成之雜質硬化效果，可降低缺陷密度。底基板 中之缺陷亦傳遞至在基板上磊晶成長後之半導體層中，對雷射之特性或可靠性會造成不良影響。
然而，在底基板使用N型半導體之專利文獻1中，由於不易取得較泛用性高之半絕緣性半導體大徑之基板，因此會有成本變高之問題。另一方面，在底基板使用半絕緣性半導體之情形，基板之缺陷密度相較於使用N型半導體之情形變高。因此，傳遞至在基板上成長後之半導體層之轉位密度上升。在雷射中，在基板上成長後之半導體層一般含有活性層，是以，若在活性層產生缺陷，則會有作為雷射之特性或可靠性劣化之問題。
另一方面，作為抑制往基板上之半導體層之轉位之傳遞之技術，亦提案有插入應變超晶格層(Strained-layer Super lattice)之方法。根據非專利文獻1，提案有在N型GaAs基板上形成晶格未匹配較大之InP時，將具有2.5%之晶格未匹配之In0.65Ga0.35P層導入為應變層以抑制轉位之傳遞之端面發光雷射。然而，此種應變層之追加會有導致半導體基板之成本上升之問題。
又，在非專利文獻2揭示即使是晶格未匹配較少之AlAs-GaAs超晶格亦可抑制半絕緣性GaAs基板之轉位之傳遞。亦即，揭示摻雜於AlAs層且未摻雜於GaAs層之構造可有效地抑制轉位之傳遞。然而，由於未摻雜之層為高電阻，因此會有作為半導體元件之特性劣化之問題。
因此，本發明之目的在於提供一種可抑制成本並同時抑制傳遞至在基板上磊晶成長後之半導體層之轉位，其結果可抑制缺陷產生之垂直諧振面發光雷射。
本發明之垂直諧振面發光雷射，具備：底基板，由半絕緣性半導體構成；發光區域多層部，形成在該底基板表面，且分別包含N型半導體多層膜反射層、具備量子井之活性層、及P型半導體多層膜反射層；陽極用電極，係連接於P型半導體多層膜反射層；以及陰極用電極，係連接於N型半導體多層膜反射層；該N型半導體多層膜反射層，積層有15組以上之組成不同之層。
在此構成，藉由15組以上積層之N型半導體多層膜反射層，可抑制起因於底基板之晶體缺陷造成之雷射特性劣化之產生。
該底基板由GaAs構成；該N型半導體多層膜反射層、該活性層、及該P型半導體多層膜反射層，係由以該GaAs為基本且使Al之組成比不同而形成之層構成；藉由異質接合型之半導體形成之構成亦可。
在此構成，可實現雷射特性佳之垂直諧振面發光雷射。
在該N型半導體多層膜反射層之組成不同之層之積層數為40組以下亦可。
在此構成，可實現大徑基板利用取得容易之半絕緣性半導體基板且抑制轉位之傳遞造成之產率降低之低成本之垂直諧振面發光雷射。
根據本發明，可實現低成本且具有優異發光特性及可靠性之垂直諧振面發光雷射。
1‧‧‧垂直諧振面發光雷射
11‧‧‧底基板
21‧‧‧N型半導體接觸層
22‧‧‧N型DBR層
23‧‧‧P型半導體DBR層
31‧‧‧N型半導體包覆層
32‧‧‧P型半導體包覆層
50‧‧‧氧化狹窄層
50A‧‧‧非形成部
911‧‧‧陰極用電極
912‧‧‧陰極用墊電極
921‧‧‧陽極用電極
922‧‧‧陽極用墊電極
圖1係實施形態1之垂直諧振面發光雷射之俯視圖。
圖2係圖1之A-A’線之垂直諧振面發光雷射之剖面圖。
圖3係圖1之B-B’線之垂直諧振面發光雷射之剖面圖。
圖4係將第1半導體多層膜反射層之剖面之一部分放大之示意圖。
圖5係顯示構成N型半導體DBR層之AlGaAs層之組數與轉位之傳遞方向之關係之圖。
以下，參照圖式說明本發明之垂直諧振面發光雷射之較佳實施形態。
圖1係實施形態1之垂直諧振面發光雷射之俯視圖。圖2係圖1之A-A’線之垂直諧振面發光雷射之剖面圖。圖3係圖1之B-B’線之垂直諧振面發光雷射之剖面圖。
垂直諧振面發光雷射1由異質接合型之半導體構成，具備以GaAs為材料之底基板11。底基板11為以GaAs為材料之半絕緣性半導體基板。底基板11，較佳為，電阻率為1.0×107Ω‧cm以上。
在底基板11之表面積層形成有N型半導體接觸層21。N型半導體接觸層21由具有N型導電性之化合物半導體構成。
在N型半導體接觸層21之表面積層形成有N型DBR(多層分布布拉格反射器)層22。此N型DBR層相當於本案請求項之N型半導體多層膜反射層。N型半導體DBR層22由AlGaAs材料構成，將相對於Ga之Al之組成比率不同之層積層複數層而成。亦即，N型半導體DBR層係以具有較振盪波長之能量大之帶隙之材料之組合構成。具體而言，以Al組成為0.9程度之高Al組成層與0.1程度之低Al組成層為一組，具有相對於雷射之振盪波長λ、高Al層、低Al層分別成為1/4 λ之光學膜厚之組積層形 成有15組以上。本實施例中，λ係設計成850nm。藉由上述層構成，形成用以有效率地反射既定波長之雷射光之第1反射器。此外，N型半導體DBR層22兼具N型半導體接觸層21亦可。亦即，N型半導體接觸層21並非必要。
在N型DBR層22之表面積層形成有由AlGaAs材料構成之N型半導體包覆層31。在N型半導體包覆層31之表面形成有活性層40。活性層40由GaAs材料與AlGaAs材料構成。以AlGaAs層為帶隙高之封光層，以夾於其間之方式形成GaAs層。藉由此構成，活性層40為具有被帶隙高之封光層夾著之單一或複數個量子井之層。
在各活性層40之表面形成有由AlGaAs材料構成之P型半導體包覆層32。在P型半導體包覆層32之表面形成有P型半導體DBR層23。此P型DBR層相當於本案請求項之P型半導體多層膜反射層。P型半導體DBR層23由AlGaAs材料構成，將相對於Ga之Al之組成比率不同之層積層複數層而成。亦即，P型半導體DBR層係以具有較振盪波長之能量大之帶隙之材料之組合構成。P型半導體DBR層23，與N型半導體DBR層22同樣地，高Al層、低Al層分別成為1/4λ之光學膜厚之組積層形成有複數層。藉由此構成，形成用以有效率地反射既定波長之雷射光之第2反射器。
P型半導體DBR層23，係形成為反射率較N型半導體DBR層22低一些。此處，雖以夾著活性層之方式設有半導體包覆層，但並不限於此構成。將使諧振產生之膜厚之層設置在活性層亦可。又，包覆層不進行摻雜亦可。
在P型半導體包覆層32與P型半導體DBR層23之邊界面形成有氧化狹窄層50。氧化狹窄層50由AlGaAs材料構成，相對於Ga之Al之組成比率設定成較其他各層高。氧化狹窄層50並未形成在P型半導體包覆層32與P型半導體DBR層23之邊界面之整面，在形成區域之大致中央以既定面積存在非形成部50A。
在P型半導體DBR層23之表面積層形成有P型半導體接觸層24。P型半導體接觸層24由具有P型導電性之化合物半導體構成。此外，P型半導體DBR層兼具P型半導體接觸層亦可。亦即，P型半導體接觸層並非必要。
由上述N型半導體接觸層21、N型半導體DBR層22、N型半導體包覆層31、活性層40、P型半導體包覆層32、P型半導體DBR層23、及P型半導體接觸層24構成之構成相當於本發明之發光區域多層部。
在上述構成，以配置在光駐波分布之中心之腹之位置具有一個發光頻譜峰值波長之複數個量子井之方式，對各層之厚度設定相對於Ga之Al之組成比率。藉此，發光區域多層部作用為垂直諧振面發光雷射1之發光部。再者，藉由具備上述氧化狹窄層50，可將電流高效率地注入活性區域，且亦獲得透鏡效果，因此可實現低耗電。
在P型半導體接觸層24之表面形成有陽極用電極921。陽極用電極921，如圖1所示，為俯視環狀之電極。此外，陽極用電極並不一定要環狀，為例如環狀之一部分開啟之C型形狀或矩形亦可。
在N型半導體接觸層21之表面設有未形成N型半導體DBR層22之區域。此等區域係形成於在N型半導體DBR層22之積層形成有N 型半導體包覆層31之區域之附近。
在此等區域形成有陰極用電極911。陰極用電極911係形成為與N型半導體接觸層21導通。陰極用電極911，如圖1所示，為俯視圓弧狀之電極。
在底基板11之表面側，以覆蓋構成發光區域多層部之各構成要素之外面之方式形成有絕緣膜60。絕緣膜60係形成為不被覆陰極用電極911及陽極用電極921之至少一部分。絕緣膜60以例如氮化矽(SiNx)為材料。
於在N型DBR層22之形成有N型半導體包覆層31之區域之附近，在絕緣膜60之表面積層形成有絕緣層70。絕緣層70以例如聚醯亞胺為材料形成。
在絕緣層70之表面，陰極用墊電極912及陽極用墊電極922分離形成。絕緣層70係形成在垂直諧振面發光雷射1之發光區域多層部附近。在絕緣層70之表面，陰極用墊電極912及陽極用墊電極922分離形成。
陰極用墊電極912係透過陰極配線電極913連接於陰極用電極911。陽極用墊電極922係透過陽極用配線電極923連接於陽極用電極921。
藉由上述構成，本實施形態之垂直諧振面發光雷射可達成下述作用效果。
如上述，本實施形態之垂直諧振面發光雷射，在N型半導體DBR層22之組成及晶格常數不同之層之層數為15組以上。藉由上述構成，可抑制從由半絕緣性半導體構成之底基板11產生之在活性層40之轉位密度上升。
圖4係將第1半導體多層膜反射層之剖面之一部分放大之示意圖。圖5係顯示構成N型半導體DBR層之AlGaAs層之組數與轉位之傳遞方向之關係之圖。
圖4中，在底基板上作為接觸層使GaAs層成長後，形成N型半導體DBR層。本申請發明人積極調查之結果，確認了構成N型半導體DBR層之組成不同之AlGaAs層之各組，轉位之成長方向相對於基板面往水平方向平均逐次變化約6°，15組以上成為大致與基板面水平方向(約180度)。亦即，如圖5所示，在N型半導體DBR層之組成不同之層之層數為15組以上之情形，底基板中之缺陷停留在N型半導體DBR層內，不會傳遞至形成在N型半導體DBR層上之例如活性層等。
在起因於底基板中之缺陷之轉位到達活性層之情形，對雷射施加電流時，會引起非發光再耦合，誘發更多缺陷，導致發光停止。因此，可靠性顯著地降低。然而，根據本實施形態，可抑制起因於底基板中之缺陷之轉位到達活性層，因此可實現具有雷射特性與可靠性之垂直諧振面發光雷射。
如圖5所示，藉由使構成N型半導體DBR層22之組成不同之層之層數為15組以上，可大幅地降低不良產生。如上述，若使用本實施形態之構成，則即使底基板11使用半絕緣性半導體，亦可大幅地抑制活性層之轉位密度上升造成之不良產生。再者，本發明之實施形態中，N型半導體DBR層抑制底基板之轉位之傳遞。亦即，N型半導體DBR層兼具抑制底基板之轉位傳遞之層，因此不需額外設置轉位抑制層。因此，可抑制半導體基板之成本。
是以，能使用泛用性高且低價之半絕緣性半導體，且能以簡單構造實現雷射特性優異之垂直諧振面發光雷射。
此外，N型半導體DBR層之層數上限，可依據垂直諧振面發光雷射之特性適當地設定，但為例如40組以下即可。藉此，可實現上述效果且實現成本不會無謂上升之垂直諧振面發光雷射。
1‧‧‧垂直諧振面發光雷射
60‧‧‧絕緣膜
70‧‧‧絕緣層
911‧‧‧陰極用電極
912‧‧‧陰極用墊電極
913‧‧‧陰極配線電極
921‧‧‧陽極用電極
922‧‧‧陽極用墊電極
923‧‧‧陽極用配線電極

Claims (3)

  1. 一種垂直諧振面發光雷射，具備：底基板，由半絕緣性半導體構成；發光區域多層部，形成在該底基板表面，且分別包含N型半導體多層膜反射層、具備量子井之活性層、及P型半導體多層膜反射層；陽極用電極，係連接於P型半導體多層膜反射層；以及陰極用電極，係連接於N型半導體多層膜反射層；該N型半導體多層膜反射層，積層有15組以上之組成不同之層；底基板之轉位之成長方向，在N型半導體多層膜反射層內相對於基板面往水平方向改變。
  2. 如申請專利範圍第1項之垂直諧振面發光雷射，其中，該底基板由GaAs構成；該N型半導體多層膜反射層、該活性層、及該P型半導體多層膜反射層，係由以該GaAs為基本且使Al之組成比不同而形成之層構成；藉由異質接合型之半導體形成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之垂直諧振面發光雷射，其中，在該N型半導體多層膜反射層之組成不同之層之積層數為40組以下。
TW102131511A 2012-12-28 2013-09-02 Vertical resonant surface luminous lasers TWI515984B (zh)

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JP2012286537 2012-12-28

Publications (2)

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