JP2009032716A - Surface emitting laser, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は選択酸化構造を有する面発光レーザに関する。 The present invention relates to a surface emitting laser having a selective oxidation structure.
面発光レーザは低閾値、低消費電力であり、またスポット形状が円形で光学素子とのカップリングが容易であり、アレイ化が可能である、等の多くの利点を有しており、光通信、光記録、また電子写真用の光源として応用が期待されている。
このような面発光レーザの中でも、多層膜反射鏡を構成している一部の層を選択酸化することにより作製された電流狭窄構造を備えた選択酸化型面発光レーザが、とりわけ低閾値電流で、高い電力変換効率を達成するものとして知られている。
Surface emitting lasers have many advantages such as low threshold and low power consumption, circular spot shape, easy coupling with optical elements, and arraying. Applications are expected as a light source for optical recording and electrophotography.
Among such surface-emitting lasers, a selective oxidation surface-emitting laser having a current confinement structure manufactured by selectively oxidizing a part of the layers constituting the multilayer mirror is particularly low in threshold current. Known to achieve high power conversion efficiency.
このような選択酸化型面発光レーザの一つとして、特許文献1では、AlxGa1-xAs酸化層を電流狭窄および横モード制御のために用いたものが開示されている。
これは、具体的には図5に示すような構造を有している。
図5において、5110は共振器、5112は活性層、5114は上部スペーサー層、5116は下部スペーサー層、5120はp型半導体多層膜反射ミラー、5122は非酸化層である。
5160はn型半導体多層膜反射ミラー、5162は高屈折率、5164は低屈折率層である。
ここでは、面発光レーザを構成するp−半導体多層膜反射ミラー5120の層構造内に酸化層5250を形成し、該酸化層の絶縁性を利用して活性層5112に流れる電流を制御する構成が採られている。
Specifically, this has a structure as shown in FIG.
In FIG. 5, 5110 is a resonator, 5112 is an active layer, 5114 is an upper spacer layer, 5116 is a lower spacer layer, 5120 is a p-type semiconductor multilayer reflecting mirror, and 5122 is a non-oxidized layer.
Here, an
ところで、上記従来例である特許文献1の選択酸化型面発光レーザのように、AlxGa1-xAs酸化層を電流狭窄に用いた場合、製造工程の観点から、Al組成比Xは、0.98程度、厚さは20nm〜30nm程度が適している。
一方で、この酸化層を横モード制御層として捉えると、酸化層と周囲のレーザ材料の屈折率差が非常に大きくなっていることがわかる。
光ファイバーなどの光導波路では、コア、クラッドの比屈折率差が大きい場合に、全反射角が大きくなることで、基本横モードの光伝搬が得られるコア径が小さくなることが知られている。
同様に、上記選択酸化型面発光レーザにおいても、酸化層と周囲材料の比屈折率差が大きくなると、コア径すなわちレーザ導波路径は小さくなる。
そのため、レーザの光出力が制限されるという課題が生じる。
By the way, when the Al x Ga 1-x As oxide layer is used for current confinement as in the selective oxidation surface emitting laser of Patent Document 1 as the conventional example, from the viewpoint of the manufacturing process, the Al composition ratio X is: A thickness of about 0.98 and a thickness of about 20 nm to 30 nm are suitable.
On the other hand, when this oxide layer is regarded as a transverse mode control layer, it can be seen that the refractive index difference between the oxide layer and the surrounding laser material is very large.
In an optical waveguide such as an optical fiber, it is known that when the relative refractive index difference between the core and the clad is large, the core diameter at which the fundamental transverse mode light propagation is obtained becomes small by increasing the total reflection angle.
Similarly, also in the selective oxidation surface emitting laser, when the relative refractive index difference between the oxide layer and the surrounding material increases, the core diameter, that is, the laser waveguide diameter decreases.
Therefore, the subject that the optical output of a laser is restrict | limited arises.
本発明は、上記課題に鑑み、電流狭窄構造を構成する酸化領域と非酸化領域との屈折率差を小さくすることにより、基本横モード光伝搬が得られる導波路径を大きくすることができ、
光出力を増大させることが可能となる面発光レーザおよびその製造方法の提供を目的とするものである。
In view of the above problems, the present invention can increase the waveguide diameter at which the fundamental transverse mode light propagation can be obtained by reducing the difference in refractive index between the oxidized region and the non-oxidized region constituting the current confinement structure,
An object of the present invention is to provide a surface emitting laser capable of increasing the light output and a manufacturing method thereof.
本発明は、つぎのように構成した面発光レーザおよびその製造方法を提供するものである。
本発明の面発光レーザは、半導体多層膜反射ミラーを備え、該半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるAlxGa1-xAs層を選択酸化して形成した、酸化領域と非酸化領域とによる電流狭窄構造を有する面発光レーザであって、
前記酸化領域は、加熱処理によってGa濃度を上昇させて高屈折率化され、前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を有していることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記酸化領域の加熱処理による高屈折率化は、前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われ、該隣接領域のみが高屈折率化されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記加熱処理による領域のGa濃度は、非加熱処理による領域と比較して5倍以上、25倍以下のGa濃度を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記半導体多層膜反射ミラーを構成する、前記電流狭窄構造におけるAlxGa1-xAs層と他の半導体層との界面に、
Znが5×1018cm-3から5×1019cm-3、添加されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、半導体多層膜反射ミラーを構成する半導体層に、電流狭窄構造を形成した面発光レーザの製造方法であって、
前記電流狭窄構造を形成するため、前記半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるAlxGa1-xAs層を選択酸化し、酸化領域と非酸化領とによる電流狭窄構造を形成する工程と、
前記酸化領域に対して加熱処理を行い、周辺部の半導体層との相互拡散によりGa濃度を上昇させ、高屈折率化により前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記加熱処理がランプを用いる選択的加熱処理であって、該ランプによる加熱処理が前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われることを特徴とする。また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記加熱処理がパルスレーザを用いる選択的加熱処理であって、該パルスレーザによる加熱処理が前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記半導体多層膜反射ミラーを構成する、前記電流狭窄構造におけるAlxGa1-xAs層と他の半導体層との界面に、
Znを5×1018cm-3から5×1019cm-3、添加して、前記相互拡散を増速させる工程を、更に含むことを特徴とする。
The present invention provides a surface emitting laser configured as follows and a method for manufacturing the same.
The surface emitting laser according to the present invention includes an oxide region formed by selectively oxidizing an Al x Ga 1-x As layer, which is a semiconductor layer constituting one of the semiconductor multilayer reflection mirrors, including a semiconductor multilayer reflection mirror And a surface emitting laser having a current confinement structure with a non-oxidized region,
The oxidized region has a structure in which the Ga concentration is increased by heat treatment to increase the refractive index, and the difference in refractive index from the non-oxidized region is reduced.
Further, in the surface emitting laser of the present invention, the increase in the refractive index by the heat treatment of the oxidized region is selectively performed on a region adjacent to the non-oxidized region constituting a partial region of the oxidized region, Only the adjacent region has a high refractive index.
The surface emitting laser of the present invention is characterized in that the Ga concentration in the region by the heat treatment has a Ga concentration of 5 to 25 times that of the region by the non-heat treatment.
Further, the surface emitting laser of the present invention, the interface between the Al x Ga 1-x As layer and the other semiconductor layer in the current confinement structure, constituting the semiconductor multilayer reflection mirror,
Zn is added in an amount of 5 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 19 cm −3 .
The method for manufacturing a surface-emitting laser according to the present invention is a method for manufacturing a surface-emitting laser in which a current confinement structure is formed in a semiconductor layer constituting a semiconductor multilayer reflective mirror,
In order to form the current confinement structure, an Al x Ga 1-x As layer, which is a semiconductor layer constituting one of the semiconductor multilayer film reflection mirrors, is selectively oxidized to form a current confinement structure by an oxidized region and a non-oxidized region. Forming, and
Performing a heat treatment on the oxidized region, increasing a Ga concentration by interdiffusion with a peripheral semiconductor layer, and forming a structure in which a difference in refractive index from the non-oxidized region is reduced by increasing the refractive index; ,
It is characterized by having.
In the surface emitting laser manufacturing method of the present invention, the heat treatment may be a selective heat treatment using a lamp, and the heat treatment using the lamp may be performed with the non-oxidized region constituting a partial region of the oxidized region. It is characterized in that it is selectively performed on adjacent areas. In the method of manufacturing a surface emitting laser according to the present invention, the heat treatment is a selective heat treatment using a pulse laser, and the heat treatment by the pulse laser forms the partial region of the oxidized region. It is characterized in that it is selectively performed on the adjacent region.
Further, in the method of manufacturing the surface emitting laser according to the present invention, the interface between the Al x Ga 1-x As layer and another semiconductor layer in the current confinement structure, which constitutes the semiconductor multilayer reflection mirror,
The method further includes a step of adding 5 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 19 cm −3 of Zn to accelerate the mutual diffusion.
本発明によれば、電流狭窄構造を構成する酸化領域と非酸化領域との屈折率差を小さくすることにより、基本横モード光伝搬が得られる導波路径を大きくすることができ、光出力を増大させることが可能となる。 According to the present invention, by reducing the difference in refractive index between the oxidized region and the non-oxidized region constituting the current confinement structure, the waveguide diameter capable of obtaining fundamental transverse mode light propagation can be increased, and the light output can be increased. It can be increased.
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
図1に、本実施形態の選択酸化型面発光レーザの一例として、電流狭窄構造を構成する酸化領域全体を、加熱処理によってGa濃度を上昇させて高屈折率化し、非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を有する構成例について説明する模式図を示す。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
In FIG. 1, as an example of the selective oxidation surface emitting laser of this embodiment, the entire oxidized region constituting the current confinement structure is increased in refractive index by increasing the Ga concentration by heat treatment, and the refractive index with respect to the non-oxidized region. The schematic diagram explaining the structural example which has the structure which made the difference small is shown.
図1において、110は共振器、112は活性層、114は上部スペーサー層、116は下部スペーサー層、120はp型半導体多層膜反射ミラー、122は非酸化層、124は加熱処理酸化層である。
160はn型半導体多層膜反射ミラー、162は高屈折率層、164は低屈折率層である。
In FIG. 1, 110 is a resonator, 112 is an active layer, 114 is an upper spacer layer, 116 is a lower spacer layer, 120 is a p-type semiconductor multilayer reflective mirror, 122 is a non-oxidized layer, and 124 is a heat-treated oxide layer. .
本実施形態における選択酸化型面発光レーザは、p型半導体多層膜反射ミラー120、n型半導体多層膜反射ミラー160の2枚の高反射ミラーで活性層112を含むレーザ共振器110で挟んだ基本構造を備えている。
さらに、レーザ発振を低閾値電流で行うための電流狭窄構造が、半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるAlxGa1-xAs層を選択酸化して形成した酸化領域と非酸化領域とによって構成されている。
具体的には、この電流狭窄構造が、Al0.98Ga0.02Asで構成される非酸化層122をメサ周囲から横方向に水蒸気酸化して形成された酸化層を、さらに加熱処理して得られた加熱処理酸化層124を備えた構成とされている。
この加熱処理酸化層124は、後に詳述するように周囲の材料と相互拡散することで得られている。
また、発振波長の制御は、共振器110の上下に設けられたスペーサー層114、116により調整される。
さらに、p型半導体多層膜反射ミラー120、n型半導体多層膜反射ミラー160の反射率はアルミニウムを多く含む高屈折率側の1/4波長膜(高屈折率層)162で制御され、
また、アルミニウムの少ない低屈折率側の1/4波長膜(低屈折率層)164の屈折率や枚数で制御される。
The selective oxidation surface emitting laser according to the present embodiment is basically a structure in which two high reflection mirrors, a p-type semiconductor
Furthermore, a current confinement structure for performing laser oscillation with a low threshold current has an oxide region formed by selectively oxidizing an Al x Ga 1-x As layer, which is a semiconductor layer constituting one of the semiconductor multilayer reflection mirrors, and And a non-oxidized region.
Specifically, this current confinement structure was obtained by further heat-treating an oxide layer formed by steam-oxidizing the
The heat-treated
The oscillation wavelength is controlled by
Furthermore, the reflectivity of the p-type semiconductor multilayer
Further, it is controlled by the refractive index and the number of quarter wavelength films (low refractive index layers) 164 on the low refractive index side with less aluminum.
この加熱処理酸化層124で電流狭窄および横モード制御を同時に行う上で重要なパラメータは、
加熱処理酸化層124の屈折率、加熱処理酸化層124の厚さ、加熱処理酸化層の位置、加熱処理酸化層の抵抗率、非酸化層のアパーチャ径、非酸化層の屈折率などである。
電流狭窄の観点からは、加熱処理酸化層の位置は活性層に近いほど望ましいが、横モード制御の観点から、等価屈折を重視する必要がある。
すなわち、加熱処理酸化層の屈折率と非酸化層の屈折率、それぞれの厚さだけでなく、共振器長で決まる発振軸方向の強度分布を考慮したVCSEL特有の等価屈折率を求め、
基本モードが維持できる最大のアパーチャ径を設定することで、VCSELの高出力化を実現できる。
An important parameter for simultaneously performing current confinement and transverse mode control in this heat-treated
The refractive index of the heat-treated
From the viewpoint of current confinement, the position of the heat-treated oxide layer is preferably closer to the active layer, but from the viewpoint of transverse mode control, it is necessary to emphasize equivalent refraction.
That is, the VCSEL-specific equivalent refractive index considering the refractive index of the heat-treated oxide layer and the refractive index of the non-oxidized layer, the respective thicknesses, as well as the intensity distribution in the oscillation axis direction determined by the resonator length, is obtained.
By setting the maximum aperture diameter that can be maintained in the basic mode, it is possible to realize high output of the VCSEL.
従来の選択酸化型面発光レーザにおける電流狭窄では、非酸化層の屈折率は3.3、酸化層の屈折率は1.6程度であり、その結果、比屈折率差は48%程度となり、これから計算される最大アパーチャ径は7μmφ程度となる。
これに対して、本実施形態の選択酸化型面発光レーザにおいては、次の実施例で説明するように、例えば、非酸化層の屈折率3.3に対して、加熱処理酸化層の屈折率を最大2.5程度として、屈折率差を小さくすることができる。
これにより、基本横モード光伝搬が得られる導波路径を大きくすることができ、レーザの光出力を増大させることが可能となる。
なお、以上の説明では、電流狭窄構造を構成する酸化領域全体を高屈折率化した構成例について説明したが、本発明はこのような構成例に限定されるものではない。
例えば、酸化領域の加熱処理による高屈折率化を、前記酸化領域の一部領域を構成する非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行い、該隣接領域のみを高屈折率化して非酸化領域との屈折率差を小さくするように構成してもよい。
In the current confinement in the conventional selective oxidation surface emitting laser, the refractive index of the non-oxidized layer is 3.3 and the refractive index of the oxidized layer is about 1.6. As a result, the relative refractive index difference is about 48%. The maximum aperture diameter calculated from this is about 7 μmφ.
On the other hand, in the selective oxidation type surface emitting laser of this embodiment, as described in the next example, for example, the refractive index of the heat-treated oxide layer is different from that of the non-oxidized layer. Can be reduced to a maximum of about 2.5 to reduce the refractive index difference.
As a result, the diameter of the waveguide from which the fundamental transverse mode light propagation can be obtained can be increased, and the light output of the laser can be increased.
In the above description, a configuration example in which the entire oxidized region constituting the current confinement structure is increased in refractive index has been described, but the present invention is not limited to such a configuration example.
For example, a high refractive index by heat treatment of the oxidized region is selectively performed on a region adjacent to a non-oxidized region that constitutes a partial region of the oxidized region, and only the adjacent region is increased in refractive index to increase the refractive index. You may comprise so that the refractive index difference with an oxidation area | region may be made small.
以下に、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
実施例1においては、電流狭窄構造を構成する酸化領域全体を高屈折率化し、非酸化領域との屈折率差を小さくするようにした選択酸化型面発光レーザについて説明する。
本実施例の基本構造は、上記した本実施形態の選択酸化型面発光レーザと基本的に異ならないものであるから、図1を用いて説明する。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
In Example 1, a selective oxidation type surface emitting laser in which the entire oxidized region constituting the current confinement structure is increased in refractive index and the difference in refractive index from the non-oxidized region is reduced will be described.
Since the basic structure of the present example is not fundamentally different from the selective oxidation surface emitting laser of the present embodiment described above, it will be described with reference to FIG.
本実施例の面発光レーザは、活性層112が量子井戸活性層により構成され、その上下にスペーサー層114、116、そしてそれらの上下にp型半導体多層膜反射ミラー120、n型半導体多層膜反射ミラー160が積層して構成されている。
また、スペーサー層114、116としてAlInGaPを用い、一波長の光学的厚さを有する共振器となるように厚さが調整されている。
なお、必要に応じて発光波長、井戸数、あるいはスペーサー層の調整を行うことが可能である。
ここで用いられる量子井戸活性層112は、例えば3個のInGaP井戸層を含む。この場合、実施例では、発光中心波長は660nm、共振器110の共振波長を670nmに設定した。
In the surface emitting laser of this embodiment, the
In addition, AlInGaP is used as the spacer layers 114 and 116, and the thickness is adjusted so that a resonator having an optical thickness of one wavelength is obtained.
Note that the emission wavelength, the number of wells, or the spacer layer can be adjusted as necessary.
The quantum well
多層膜反射ミラーは、低屈折率層164と高屈折率層162とが交互に積層されている。
低屈折率層164は、Al0.9Ga0.1Asで構成されており、高屈折率層162はAl0.5Ga0.5Asで構成される。
これらの低屈折率および高屈折率層の光学的厚さは、ともにそれぞれ1/4波長の光学的厚さになっている。
そのペア数は、基板側および出射側で発振波長における反射率が99.98%および99.6%となるように設定した。具体的には60ペアおよび36ペアとされている。
In the multilayer film reflection mirror, low refractive index layers 164 and high refractive index layers 162 are alternately stacked.
The low
The optical thicknesses of the low refractive index layer and the high refractive index layer are both 1/4 wavelength optical thicknesses.
The number of pairs was set so that the reflectance at the oscillation wavelength was 99.98% and 99.6% on the substrate side and the emission side. Specifically, 60 pairs and 36 pairs are set.
電流狭窄は、124で示したAl0.98Ga0.02Asの酸化物(Al2O3)領域と、122で示したAl0.98Ga0.02Asの非酸化領域で構成されている。
厚みとしてAl0.98Ga0.02Asは30nmであり、多層反射ミラーの一部として構成され、上記1/4波長の条件になるように低屈折率層164や高屈折率層162と合わせて構成される。
The current confinement is composed of an Al 0.98 Ga 0.02 As oxide (Al 2 O 3 ) region indicated by 124 and a non-oxidized region of Al 0.98 Ga 0.02 As indicated by 122.
The thickness of Al 0.98 Ga 0.02 As is 30 nm, is configured as a part of the multilayer reflective mirror, and is combined with the low
また、電流狭窄を行う加熱処理酸化層124の位置は共振器110から上部半導体多層膜反射ミラー120の境界から上部半導体多層膜反射ミラーに向かって1層目に位置している。
酸化後の電流狭窄層の主たる成分はAlxOyになるため、屈折率がAl0.98Ga0.02As層122の約3.3から1.6程度まで大幅に減少する。
したがって、この電流狭窄層は、電流狭窄の効果だけでなく、実効的な屈折率変化により光導波路特性に大きな影響を与える。
In addition, the position of the heat-treated
Since the main component of the current confinement layer after oxidation is Al x O y , the refractive index is greatly reduced from about 3.3 to about 1.6 in the Al 0.98 Ga 0.02 As
Therefore, the current confinement layer has a great influence not only on the current confinement effect but also on the optical waveguide characteristics due to an effective refractive index change.
これまでの酸化型VCSELでは、このような大きな屈折率差により、大口径での単一横モード(0次)伝搬が困難であり、光出力も赤色での典型的な値は1mW以下と小さい。
本実施例では酸化した電流狭窄層の一分の領域である先端部、すなわち光分布が大きくなる領域のみ周囲のAlxGa1-xAs層200,220,230からのAlxOy層内へのGa,As拡散により屈折率を上げている。
これにより、電流注入層200との屈折率差を小さくし、上記した課題を改善する。
Conventional oxide VCSELs are difficult to propagate in a single transverse mode (0th order) at a large aperture due to such a large refractive index difference, and the light output is also typically less than 1 mW in red. .
In the present embodiment, the tip portion which is a part of the oxidized current confinement layer, that is, only the region where the light distribution becomes large, is within the Al x O y layer from the surrounding Al x Ga 1-x As
Thereby, the difference in refractive index from the
本実施例では、電流狭窄層は活性層からから距離を約110nm、開口部の大きさを約4〜10μmφ、拡散領域の長さを2〜5μm、厚みを30nm〜100nmと設計した。
本実施例では、酸化層全体の屈折率を上げる方法として、Zn拡散を用いた酸化層とその周囲部との相互拡散の増速を行うこともできる。
熱処理により酸化層と周辺部のAlxGa1-xAs層が相互拡散を起こすことで酸化層の屈折率が上がる。
例えば、650℃〜900℃で1〜60分間程度の熱処理を加えた場合、加熱処理による領域のAs、Ga濃度は、非加熱処理による領域と比較して5倍以上、25倍以下の程度の濃度を有することが期待できる。
In this example, the current confinement layer was designed to have a distance of about 110 nm from the active layer, an opening size of about 4 to 10 μmφ, a diffusion region length of 2 to 5 μm, and a thickness of 30 nm to 100 nm.
In the present embodiment, as a method of increasing the refractive index of the entire oxide layer, it is possible to increase the speed of mutual diffusion between the oxide layer using Zn diffusion and its peripheral portion.
The refractive index of the oxide layer is increased by causing mutual diffusion between the oxide layer and the peripheral Al x Ga 1-x As layer by heat treatment.
For example, when heat treatment is performed at 650 ° C. to 900 ° C. for about 1 to 60 minutes, the As and Ga concentrations in the region by heat treatment are about 5 times or more and 25 times or less compared to the region by non-heat treatment. It can be expected to have a concentration.
さらに、相互拡散を増速させる方法としてZnを用いるようにしてもよい。
本実施例では、例えば加熱酸化領域200およびその直上のAlxGa1-xAs層270,230の界面を中心にして幅10nmの領域に5×1018cm-3から5×1019cm-3のZnを選択的に添加することで上記した結果を期待できる。
上記加熱条件の場合、屈折率は加熱処理酸化層124と非酸化層122の濃度差が無い状態まで相互拡散が進む場合、
加熱処理酸化層124の屈折率を1.6、非酸化層122の屈折率を3.3として線形近似が期待できるとすると、加熱領域の屈折率は最大2.5となる。
その結果、単一横モード伝搬の最大径を従来比40%、面積で196%大きくでき、光出力が面積に比例すると仮定すると単一横モード光出力は従来比で196%となる。
Furthermore, Zn may be used as a method for increasing the mutual diffusion.
In the present embodiment, for example, a region having a width of 10 nm centering on the interface between the
In the case of the above heating conditions, the refractive index is such that the mutual diffusion proceeds to a state where there is no difference in concentration between the heat-treated
If the refractive index of the heat-treated
As a result, the maximum diameter of single transverse mode propagation can be increased by 40% compared to the conventional case, and the area can be increased by 196%, and assuming that the optical output is proportional to the area, the single transverse mode light output is 196% compared with the conventional case.
つぎに、図1に示した選択酸化面発光レーザの具体的な作製方法について説明する。
本実施例において、結晶成長の方法として、ここでは有機金属化合物気相成長法(MOCVD法)を用いる。
高品質な半導体結晶が精度良く製作できる方法があれば、上記MOCVD法に限定されず、分子線エピタキシー法などを用いることができる。
電流狭窄構造の形成としてAlxGa1-xAsの選択的水蒸気酸化法を用いる。
上記結晶成長後にドライエッチングにより図1に示すメサを形成する。
Next, a specific manufacturing method of the selective oxidation surface emitting laser shown in FIG. 1 will be described.
In this embodiment, an organic metal compound vapor phase growth method (MOCVD method) is used here as a crystal growth method.
If there is a method capable of producing a high-quality semiconductor crystal with high accuracy, the method is not limited to the MOCVD method, and a molecular beam epitaxy method or the like can be used.
As the formation of the current confinement structure, a selective steam oxidation method of Al x Ga 1-x As is used.
After the crystal growth, the mesa shown in FIG. 1 is formed by dry etching.
その後、水蒸気中で加熱することにより、Al0.98Ga0.02As層をメサ側面より酸化する。
これにより、この酸化領域(AlxOy)が絶縁性であることを利用して、面発光レーザに注入する電流をメサ中央部に集中させることが可能な構成を得ることができる。
また、酸化速度はAlxGa1-xAs中に含まれるアルミニウムの量に比例するため、上部半導体多層膜反射ミラー120の特定の一層に、Al濃度が周囲より高い領域を作ることで、選択的に酸化領域を形成することが可能となる。
上記の選択酸化を行った後、結晶表面にAs抜け防止用の保護膜を形成し、熱処理炉を用いて、窒素雰囲気中に650℃〜900℃で1分〜60分の加熱処理を行う。
これにより、Ga濃度を上昇させて高屈折率化して前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を形成する。
Thereafter, the Al 0.98 Ga 0.02 As layer is oxidized from the side surface of the mesa by heating in water vapor.
This makes it possible to obtain a configuration capable of concentrating the current injected into the surface emitting laser in the central portion of the mesa by utilizing the fact that the oxidized region (Al x O y ) is insulative.
In addition, since the oxidation rate is proportional to the amount of aluminum contained in Al x Ga 1-x As, it is selected by creating a region where the Al concentration is higher than the surrounding area in a specific layer of the upper semiconductor multilayer
After performing the above selective oxidation, a protective film for preventing As loss is formed on the crystal surface, and a heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 650 ° C. to 900 ° C. for 1 minute to 60 minutes.
As a result, a structure in which the Ga concentration is increased to increase the refractive index and the difference in refractive index from the non-oxidized region is reduced is formed.
[実施例2]
実施例2においては、電流狭窄構造を構成する酸化領域の一分のみを高屈折率化して非酸化領域との屈折率差を小さくするようにした選択酸化型面発光レーザの構成例について説明する。
図2に、本実施例における選択酸化型面発光レーザの構成例を説明する模式図を示す。
図2において、200はAlxGa1-xAs層、230はAlxGa1-xAs層、250は酸化層、270はAlxGa1-xAs層である。
[Example 2]
In the second embodiment, a configuration example of a selective oxidation type surface emitting laser in which only a portion of the oxidized region constituting the current confinement structure is increased in refractive index to reduce the difference in refractive index from the non-oxidized region will be described. .
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the selective oxidation surface emitting laser according to the present embodiment.
In FIG. 2,
本実施例の選択酸化型面発光レーザにおいて、加熱酸化領域200は非酸化層122に比べ、Ga、As原子が増加し、酸素原子が減少している。
これは加熱酸化領域200と周辺部122、270、230のAlxGa1-xAs層が加熱により相互拡散を起こすことで生じたものである。
例えば、650℃〜900℃で1〜60分間程度の熱処理を加えた場合、加熱酸化領域200では酸化層250との濃度差としてAs、Gaが5倍〜25倍程度が期待できる。
さらに、相互拡散を増速させる方法としてZnを用いることもできる。
In the selective oxidation surface emitting laser of the present embodiment, the
This is what Al x Ga 1-x As layer of the heating oxidized
For example, when a heat treatment is performed at 650 ° C. to 900 ° C. for about 1 to 60 minutes, As and Ga can be expected to be about 5 to 25 times as a concentration difference from the
Furthermore, Zn can also be used as a method for increasing interdiffusion.
つぎに、本実施例の選択的加熱領域の形成方法について説明する。
図3に、反射膜マスクによるランプ加熱を用いた選択的加熱処理によって、酸化領域の一部領域を構成する非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行い、選択的加熱領域を形成する方法を説明する模式図を示す。
図4に、パルスレーザを用いた選択的加熱処理によって、酸化領域の一部領域を構成する非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行い、選択的加熱領域を形成する方法を説明する模式図を示す。
Next, a method for forming the selective heating region of this embodiment will be described.
In FIG. 3, the selective heating process using the lamp heating by the reflective film mask is performed selectively on the adjacent area to the non-oxidized area constituting the partial area of the oxidized area, thereby forming the selectively heated area. The schematic diagram explaining the method is shown.
FIG. 4 illustrates a method of forming a selective heating region by performing selective heating processing using a pulse laser selectively on a region adjacent to a non-oxidized region constituting a partial region of the oxidized region. A schematic diagram is shown.
本実施例において、選択的加熱領域の形成方法として、反射膜マスク310を用いたランプ加熱およびパルスレーザ加熱を用いることができる。
ランプ加熱を用いた選択的加熱処理の場合には、図3に示すように、ランプ300からの熱線を反射膜マスクの形成領域で反射し、保護膜330を形成した反射膜マスクの無い領域320のみを選択的に加熱する。
加熱の条件として、窒素、アルゴンなど不活性ガスの雰囲気中で、400〜900℃で1分〜60分程度加熱する。
また、パルスレーザを用いた加熱処理の場合には、図4に示すように、まず、加熱領域の位置、深さを制御するためX−Y−Zステージ400により位置合わせを行う。
そして、GaAs基板を用いる場合、結晶層に吸収されない波長860nm以上の光源410を光学系420で集光し、430で過熱を行う。
例えば100フェムト秒パルスでピークパワー密度が(0.1〜1GW/cm2)で1回〜10回の照射で相互拡散の効果を期待できると考えている。
また、円状の照射パターンの場合、10μmの酸化アパーチャで15箇所程度行う。
In this embodiment, lamp heating and pulsed laser heating using the
In the case of the selective heat treatment using lamp heating, as shown in FIG. 3, the heat ray from the
As a heating condition, heating is performed at 400 to 900 ° C. for about 1 to 60 minutes in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon.
In the case of heat treatment using a pulse laser, as shown in FIG. 4, first, alignment is performed by an
When a GaAs substrate is used, the
For example, it is considered that the effect of interdiffusion can be expected with irradiation of 1 to 10 times at a peak power density of (0.1 to 1 GW / cm 2 ) with 100 femtosecond pulses.
In the case of a circular irradiation pattern, about 15 spots are formed with a 10 μm oxidation aperture.
110:共振器
112:活性層
114:上部スペーサー層
116:下部スペーサー層
120:p型半導体多層膜反射ミラー
122:非酸化層
124:加熱処理酸化層
160:n型半導体多層膜反射ミラー
162:高屈折率層
164:低屈折率層
200:AlxGa1-xAs層(加熱酸化領域)
230:AlxGa1-xAs層
250:酸化層
270:AlxGa1-xAs層
300:熱源ランプ
310:反射膜マスク
320:反射膜のない領域
330:保護膜
400:X−Y−Zステージ
410:パルスレーザ光源
420:光学系
430:加熱領域
110: Resonator 112: Active layer 114: Upper spacer layer 116: Lower spacer layer 120: p-type semiconductor multilayer reflection mirror 122: Non-oxidized layer 124: Heat-treated oxide layer 160: n-type semiconductor multilayer reflection mirror 162: High refractive index layer 164: low refractive index layer 200: Al x Ga 1-x As layer (thermal oxidation region)
230: Al x Ga 1-x As layer 250: Oxide layer 270: Al x Ga 1-x As layer 300: Heat source lamp 310: Reflective film mask 320: Area without reflective film 330: Protective film 400: X—Y— Z stage 410: pulsed laser light source 420: optical system 430: heating region
Claims (8)
前記酸化領域は、加熱処理によってGa濃度を上昇させて高屈折率化され、前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を有していることを特徴とする面発光レーザ。 Current narrowing by an oxidized region and a non-oxidized region formed by selectively oxidizing an Al x Ga 1-x As layer, which is a semiconductor layer constituting one of the semiconductor multilayered film reflecting mirrors, including a semiconductor multilayered film reflecting mirror A surface emitting laser having a structure,
The surface-emitting laser characterized in that the oxidized region has a structure in which the Ga concentration is increased by heat treatment to increase the refractive index, and the difference in refractive index from the non-oxidized region is reduced.
Znが5×1018cm-3から5×1019cm-3、添加されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の面発光レーザ。 At the interface between the Al x Ga 1-x As layer and the other semiconductor layer in the current confinement structure that constitutes the semiconductor multilayer film reflection mirror,
4. The surface emitting laser according to claim 1, wherein Zn is added in an amount of 5 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 19 cm −3 .
前記電流狭窄構造を形成するため、前記半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるAlxGa1-xAs層を選択酸化し、酸化領域と非酸化領とによる電流狭窄構造を形成する工程と、
前記酸化領域に対して加熱処理を行い、周辺部の半導体層との相互拡散によりGa濃度を上昇させ、高屈折率化により前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。 A method of manufacturing a surface emitting laser in which a current confinement structure is formed in a semiconductor layer constituting a semiconductor multilayer reflection mirror,
In order to form the current confinement structure, an Al x Ga 1-x As layer, which is a semiconductor layer constituting one of the semiconductor multilayer film reflection mirrors, is selectively oxidized to form a current confinement structure by an oxidized region and a non-oxidized region. Forming, and
Performing a heat treatment on the oxidized region, increasing a Ga concentration by interdiffusion with a peripheral semiconductor layer, and forming a structure in which a difference in refractive index from the non-oxidized region is reduced by increasing the refractive index; ,
A method for manufacturing a surface emitting laser, comprising:
Znを5×1018cm-3から5×1019cm-3、添加して、前記相互拡散を増速させる工程を、更に含むことを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の面発光レーザの製造方法。 At the interface between the Al x Ga 1-x As layer and the other semiconductor layer in the current confinement structure that constitutes the semiconductor multilayer film reflection mirror,
8. The method according to claim 5, further comprising the step of adding 5 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 19 cm −3 of Zn to accelerate the interdiffusion. The manufacturing method of the surface emitting laser of description.
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