JP4494704B2

JP4494704B2 - Manufacturing method of surface emitting laser element

Info

Publication number: JP4494704B2
Application number: JP2002104393A
Authority: JP
Inventors: 泰一椎名; 威濱; 則広岩井
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: JP2003304032A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体多層膜反射鏡内にＡｌＡｓ層を含ませた面発光レーザ素子の製造方法に関し、特に、下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の両方にＡｌＡｓ層が含まれている面発光レーザ素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、単に面発光レーザ素子と称する。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを初め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。
【０００３】
その理由として面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の２次元配列を容易に形成できること、ミラーを設けるために劈開する必要がないのでウエハレベルでテストできること、活性層のボリュームが格段に小さいので極低閾値で発振できるため消費電力が小さいこと等の利点を有していること等が挙げられる。
【０００４】
図７は、従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図８は、後述する下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。なお、図８において、図７と共通する部分には同一の符号を付している。図７に示す面発光レーザ素子１００を作製するには、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）により、下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）１１２を形成する。ここで、下部半導体多層膜反射鏡１１２は、図８に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｎ型高屈折率領域１４１とｎ型低屈折率領域１４２との積層構造を１ペアとして、それを例えば３５ペア分積層している。なお、ｎ型高屈折率領域１４１は、例えばｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓで形成し、ｎ型低屈折率領域１４２は、例えばｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓで形成する。
【０００５】
そして、その下部半導体多層膜反射鏡１１２上に、上下をクラッド層３１および３３で挟まれた量子井戸活性層３２を形成し、これらからなる活性領域１３の上に、後の工程において電流狭窄領域を形成するためのＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５を形成する。通常、電流狭窄層としてはＡｌＡｓを用いることが多い。さらに、このＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の上に、上部半導体多層膜反射鏡１１６（上部ＤＢＲミラー）を形成する。ここで、上部半導体多層膜反射鏡１１６は、図８に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｐ型高屈折率領域１４５とｐ型低屈折率領域１４６との積層構造を１ペアとして、それを例えば２５ペア分積層している。なお、ｐ型高屈折率領域１４５は、例えばｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓで形成し、ｐ型低屈折率領域１４６は、例えばｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓで形成する。また、上部半導体多層膜反射鏡１１６上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７を形成する。
【０００６】
次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、上部半導体多層膜反射鏡１１６とＡｌＡｓ層１５とクラッド層３３と量子井戸活性層３２とクラッド層３１と下部半導体多層膜反射鏡１１２の一部とからなる積層構造の外縁部を除去し、これにより例えば直径３０μｍの円形のメサポストを形成する。
【０００７】
次に、水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行ない、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５をメサポストの側壁から選択的に酸化させ、Ａｌ酸化層１４を形成する。例えばメサポストの直径が３０μｍであって、Ａｌ酸化層１４が１０μｍの帯幅を有するリング形状である場合には、中心のＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は約８０μｍ²（直径１０μｍ）になる。
【０００８】
そして、上記したメサポストの上面および側面と露出した下部半導体多層膜反射鏡１１２の上面に、保護膜として機能するシリコン窒化膜１９を形成し、続いて、ポリイミド２２によって、シリコン窒化膜１９が形成されたメサポストの周囲を埋め込む。そして、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１９を、直径３０μｍの円形状に除去して露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上に、内径２０μｍ、外径３０μmのリング状のｐ型電極１８を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には、基板の厚さを例えば２００μｍ厚に研磨した後、ｎ型電極２１を形成する。また、ポリイミド２２上にはワイヤをボンディングする電極パッド２０を、上記したｐ型電極１８に接触するように形成する。
【０００９】
以上に説明した面発光レーザ素子の構造において、特に、量子井戸活性層３２の中央部分上に、周囲のＡｌ酸化層１４よりも抵抗値の低いＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５が配置されることで、活性領域１３の狭い部分にのみ集中して電流を流すことが可能となっている点が特徴的である。このような構造を酸化狭窄型面発光レーザと呼んでおり、これにより、レーザ発振閾値などのレーザ特性を大幅に向上させている。
【００１０】
また、面発光レーザ素子では、上記した電流狭窄構造も重要であるが、発振波長の選択や熱伝導率の向上などの観点から、活性領域１３を上下に挟む下部半導体多層膜反射鏡１１２と上部半導体多層膜反射鏡１１６の構造も非常に重要である。下部半導体多層膜反射鏡１１２および上部半導体多層膜反射鏡１１６において、高屈折率領域と低屈折率領域との間のＡｌ組成の差が大きくなるほど屈折率差が大きくなり、良好な反射率が得られることが知られている。また、熱伝導率もＡｌ組成差が大きいものほど大きくなることが知られている（Afromowitz M A等 Journal of Applied Physics 44,pp1292,(1973)）。反射率が大きいと、半導体多層膜反射鏡のペア数を少なくでき、エピタキシャル成長の時間が短縮できる。また、熱伝導は、図９に示すように、５０℃の動作環境で、電流−光出力特性が飽和に近づき、７０℃の動作環境では、電流−光出力特性が約８．５ｍＷで飽和し、注入電流を増加しても光出力は増大しない。逆にいえば、熱伝導が大きいと、光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定して動作する面発光レーザ素子を作製することができる。
【００１１】
ところが、Ａｌ酸化層１４を形成するためにＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）が用いられていることからもわかるように、大きな屈折率差と高熱伝導性を得るために、下部半導体多層膜反射鏡および／または上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域であるＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ層（ｘ＜ｙ＜１）の組成ｙを１に近づけると、当該低屈折率領域が容易に酸化される状態を作り出すことにもなる。特に、上部半導体多層膜反射鏡１１６中において組成ｙをあまり大きくしてしまうと、Ａｌ酸化層１４を得るために水蒸気雰囲気中で酸化処理を行なうと、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５と一緒に上部半導体多層膜反射鏡１１６の低屈折率領域であるＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ層（ｘ＜ｙ＜１）が酸化してしまうことがある。下部半導体多層膜反射鏡１１２または上部半導体多層膜反射鏡１１６内に必要以上に酸化膜が形成されると、発振閾値が上がったり、転位が多く発生するなど、特性が悪化してしまう。すなわち、反射率や温度特性の向上と、閾値の低下や転位不良の低減とはトレードオフの関係になってしまい、双方を満足させることは難しい。そのため、下部半導体多層膜反射鏡１１２または上部半導体多層膜反射鏡１１６を構成する各ペアのうち、低屈折率側層には、通常、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．７≦ｙ≦０．９５）が用いられる。また、電流狭窄層であるＡｌ_zＧａ_1-ZＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５は、通常ＡｌＡｓが用いられる。そして、ｙの値はｚの値より０．１以上小さくすることが多い。
【００１２】
その一方で、上記した酸化の問題を回避しつつ、ＡｌＡｓ層を下部半導体多層膜反射鏡に含めた面発光レーザ素子が提案されている。例えば、特願２０００−３６１３１７に開示の「面発光半導体レーザ素子」は、下部半導体多層膜反射鏡のうち、メサポスト形成のためにエッチングされていない部分、すなわち側壁が酸化されない部分をＡｌＡｓミラー層としたことを特徴としている。また、他の例としては、米国特許５４０８１０５号に開示の「Optoelectronics Semiconductor Device with Mesa」は、下部半導体多層膜反射鏡全体をＡｌＡｓミラー層とし、かつ下部半導体多層膜をエッチングしないことを特徴としている。さらに、他の例として、特開平１０−１２５９９９号公報に開示の「面発光半導体レーザ素子およびその製造方法」は、少なくともいずれかの半導体多層膜反射鏡をＡｌＡｓミラーとし、該ＡｌＡｓミラーの周囲に保護膜を作成した後に、酸化したい場所のみをエッチングによって露出させ酸化させることを特徴としている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特願２０００−３６１３１７に開示の「面発光半導体レーザ素子」は、温度特性が不十分であったり、ＡｌＡｓミラー層までエッチングしてしまわないように精度よくエッチングしなければならないなどの問題を有している。また、前記米国特許５４０８１０５号に開示の「Optoelectronics Semiconductor Device with Mesa」でも、エッチング精度を極めて厳しくしなければならないという問題を有している。
【００１４】
加えて、前記特開平１０−１２５９９９号公報に開示の「面発光半導体レーザ素子およびその製造方法」では、エッチングを２回行なわなければならず、保護膜の作成や除去等、非常に工程が複雑になるという問題を有している。また、エッチングの精度も極めて厳しく、工業化する上では非常に困難であるという問題も有している。
【００１５】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、従来のようにＡｌの組成の差で酸化速度を制御するのではなく、半導体多層膜反射鏡内のＡｌＡｓ層の膜厚制御によって、容易に酸化しないＡｌＡｓ層を半導体多層膜反射鏡の内部に存在させることによって、従来よりも反射率や温度特性を向上させた面発光レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明にかかる面発光レーザ素子は、半導体基板上に、高屈折率領域と低屈折率領域との対を１ペアとして複数のペアから構成される下部半導体多層膜反射鏡と、前記下部半導体多層膜反射鏡の上方に配置されるとともに上下をクラッド層で挟まれた活性層と、周縁部に酸化領域を有したＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）電流狭窄層と、高屈折率領域と低屈折率領域との対を１ペアとして複数のペアから構成される上部半導体多層膜反射鏡と、を備えた面発光レーザ素子において、前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域が、前記電流狭窄層よりも厚みの小さいＡｌＡｓ層を含んでいることを特徴としている。
【００１７】
この発明によれば、容易に酸化されない薄い厚みのＡｌＡｓ層を、下部半導体多層膜反射鏡および／または上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域に含ませているので、ＡｌＡｓ層が有する低屈折率と高熱伝導性という特性を半導体多層膜反射鏡に取り入れることができる。
【００１８】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡が、基板側の第１の半導体多層膜部分と活性層側の第２の半導体多層膜部分とによって構成され、前記第１の半導体多層膜部分の低屈折率領域は、任意の厚さのＡｌＡｓ層を含み、前記第２の半導体多層膜部分の低屈折率領域は、前記電流狭窄層よりも厚みの小さいＡｌＡｓ層を含んでいることを特徴としている。
【００１９】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記ＡｌＡｓ層が一つの低屈折率領域に複数層含まれていることを特徴としている。
【００２０】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記上部半導体多層膜反射鏡内または前記第２の半導体多層膜部分に含まれるＡｌＡｓ層の一層当たりの厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴としている。
【００２１】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の高屈折率領域が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）層を含んでおり、前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域は、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）層を含んでいることを特徴としている。
【００２２】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡が、前記Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）層と前記Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）層に挟まれ、Ａｌ組成ｉがｙからｘまで緩やかに傾斜するＡｌ_iＧａ_1-iＡｓ傾斜組成層を含んでいることを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる面発光レーザ素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡内に、酸化されにくい薄い膜厚のＡｌＡｓ層を含ませることで、従来よりも反射率や温度特性を向上させたことを特徴としている。
【００２５】
まず、ＡｌＡｓ層の厚みと酸化レートとの関係について説明する。ＡｌＡｓの酸化の容易さは、文献IEEE Journal of Selected topics in Quantum Electronics Vol3,3,June 1997 p916のＦｉｇ８（ｂ）に示すように、膜厚が増加するに従って急激に増加することが知られている。発明者らは、このＡｌＡｓの膜厚と酸化レートとの関係についてさらに詳しく実験した結果、エピタキシャル成長の条件や酸化条件によって酸化レートは様々に変わるが、膜厚１０ｎｍ以下であるとほぼ安定してほとんど酸化されないことを見出した。すなわち、半導体多層膜反射鏡内に、膜厚１０ｎｍ以下のＡｌＡｓ層を含ませることで、高反射率と良好な温度特性を有し、かつ従来と同じ簡便な工程での作製が可能な面発光レーザ素子を提供することができるという知見を得るに至った。
【００２６】
図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図２は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。なお、図１において、図７と共通する部分には同一の符号を付し、図２において、図１と共通する部分には同一の符号を付している。
【００２７】
図１に示す面発光レーザ素子１０において、図７に示した従来の面発光レーザ素子と異なるのは、下部半導体多層膜反射鏡１２と上部半導体多層膜反射鏡１６の各層構造である。よって、その大きな違いは、図２において説明される。図１に示す面発光レーザ素子１０を作製するには、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）１２を形成する。ここで、下部半導体多層膜反射鏡１２は、図２に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｎ型高屈折率領域４１とｎ型低屈折率領域４２との積層構造を１ペアとして、それを３５ペア分積層した層である。
【００２８】
なお、ｎ型高屈折率領域４１は、従来通りにｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓで形成するが、ｎ型低屈折率領域４２は、第１のｎ型ＡｌＡｓ層５１、ｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層５２、第２のｎ型ＡｌＡｓ層５３の３つの層で構成される。特に、第１のｎ型ＡｌＡｓ層５１および第２のｎ型ＡｌＡｓ層５３の厚みは、それぞれ５ｎｍ程度であり、ｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層５２の厚みは、λ／４ｎから第１のｎ型ＡｌＡｓ層５１および第２のｎ型ＡｌＡｓ層５３の厚みの総計を減算した値である。
【００２９】
そして、その下部半導体多層膜反射鏡１２上に、上下をクラッド層３１および３３で挟まれた量子井戸活性層３２を形成し、これらの層からなる活性領域１３の上に、後の工程において電流狭窄領域を形成するためのＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５を形成する。また、さらに、このＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の上に、上部半導体多層膜反射鏡１６（上部ＤＢＲミラー）を形成する。ここで、上部半導体多層膜反射鏡１６は、図２に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｐ型高屈折率領域４５とｐ型低屈折率領域４６との積層構造を１ペアとして、それを２５ペア分積層した層である。
【００３０】
なお、ｐ型高屈折率領域４５は、従来通りにｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓで形成するが、ｐ型低屈折率領域４６は、上記したｎ型低屈折率領域４２と同様に、第１のｐ型ＡｌＡｓ層５６、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層５７、第２のｐ型ＡｌＡｓ層５８の３つの層で構成される。特に、第１のｐ型ＡｌＡｓ層５６および第２のｐ型ＡｌＡｓ層５８の厚みは、それぞれ５ｎｍ程度であり、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層５７の厚みは、λ／４ｎから第１のｐ型ＡｌＡｓ層５６および第２のｐ型ＡｌＡｓ層５８の厚みの総計を減算した値である。また、上部半導体多層膜反射鏡１６上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７を形成する。
【００３１】
次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、上部半導体多層膜反射鏡１６とＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５とクラッド層３３と量子井戸活性層３２とクラッド層３１と下部半導体多層膜反射鏡１２の一部とからなる積層構造の外縁部を除去し、これにより例えば直径３０μｍの円形のメサポストを形成する。
【００３２】
次に、水蒸気雰囲気中にて、例えば４１０℃で２０分間の酸化処理を行ない、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５をメサポストの側壁から選択的に約１０μｍ酸化させ、Ａｌ酸化層１４を形成する。例えばＡｌ酸化層１４が１０μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心のＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は約８０μｍ²（直径１０μｍ）になる。ここで特に、下部半導体多層膜反射鏡１２の中の第１のｎ型ＡｌＡｓ層５１および第２のｎ型ＡｌＡｓ層５３と上部半導体多層膜反射鏡１６の中の、第１のｐ型ＡｌＡｓ層５６、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層５７、第２のｐ型ＡｌＡｓ層５８の酸化量は、周辺からわずか０．２μｍであった。
【００３３】
そして、上記したメサポストの上面および側面と露出した下部半導体多層膜反射鏡１１２の上面に、保護膜として機能するシリコン窒化膜１９を形成し、続いて、ポリイミド２２によって、シリコン窒化膜１９が形成されたメサポストの周囲を埋め込む。そして、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１９を、直径３０μｍの円形状に除去し、これによって露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上に、さらに内径２０μｍ、外径３０μmのリング状のｐ型電極１８を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には、基板の厚さを例えば２００μｍ厚に研磨した後、ｎ型電極２１を形成する。また、ポリイミド２１上にはワイヤをボンディングする電極パッド１０を、上記したｐ型電極１８に接触するように形成する。
【００３４】
図３は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の電流−光出力特性を示す図であり、特に図７に示した従来の面発光レーザ素子と比較可能な条件の下で測定された実験結果である。図３に示すように、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、従来の面発光レーザ素子と比較して、熱伝導が大きくなり光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定して動作することがわかる。なお、発明者らの他の実験によれば、発振閾値も良好で、転位欠陥も見られなかった。
【００３５】
また、上述した説明では、ｎ型低屈折率領域４２およびｐ型低屈折率領域４６内にそれぞれ、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層を挟み込むように２つのＡｌＡｓ層を配置するとしたが、このＡｌＡｓ層は、１０ｎｍ以下の厚みであれば、低屈折率領域内に一つだけ配置するようにしてもよい。図４は、その場合の半導体多層膜反射鏡の１ペアの構造を示す図である。すなわち、ｐ型低屈折率領域４６を、図４（ａ）に示すように、１０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＡｓ層５９とｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層５７で構成し、ｎ型低屈折率領域４２を、図４（ｂ）に示すように、１０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＡｓ層５４とｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層５２で構成することもできる。なお、この場合のＡｌＡｓ層は、製造工程の簡略化の観点から、高屈折率領域に隣接する位置に形成されることが好ましいが、低屈折率領域の中央部付近に配置してもよい。さらに、これらに限らず、ＡｌＡｓ層が１０ｎｍ以下の厚みを有するという条件を満たせば、同一の低屈折率領域内に３つ以上のＡｌＡｓ層を配置してもよい。また、下部半導体多層膜反射鏡１２と上部半導体多層膜反射鏡１６を構成するすべてのペアにＡｌＡｓ層を含ませるのが好ましいが、一部であってもよい。
【００３６】
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子によれば、容易に酸化されない１０ｎｍ以下の厚みのＡｌＡｓ層を、活性領域１３を挟んだ下部半導体多層膜反射鏡１２と上部半導体多層膜反射鏡１６の両方に含ませているので、ＡｌＡｓ層が有する低屈折率と高熱伝導性という特性を半導体多層膜反射鏡に取り入れることができ、結果的に、反射率や温度特性が向上して安定した高出力のレーザ発振が可能となる。
【００３７】
なお、効果は薄まるが、下部半導体多層膜反射鏡１２と上部半導体多層膜反射鏡１６のいずれか一方のみが、ＡｌＡｓ層を含んだペアで構成されるように設計することもできる。
【００３８】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、上部半導体多層膜反射鏡および上部半導体多層膜反射鏡内に、酸化されにくい薄い膜厚のＡｌＡｓ層を含ませるとともに、ＡｌＡｓ層に隣接する層として傾斜組成層を配置したことを特徴としている。
【００３９】
図５は、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図６は、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。なお、図５において、図１と共通する部分には同一の符号を付し、図６において、図５と共通する部分には同一の符号を付している。
【００４０】
図５に示す面発光レーザ素子において、図１に示した実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と異なるのは、下部半導体多層膜反射鏡が第１の下部半導体多層膜反射鏡６１と第２の下部半導体多層膜反射鏡６２の２つの領域に分かれた点と、上部半導体多層膜反射鏡６３の層構造である。よって、その大きな違いは、図６において説明される。図５に示す面発光レーザ素子６０を作製するには、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、第１の下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）６１を形成する。
【００４１】
第１の下部半導体多層膜反射鏡６１は、図６に示すように、ｎ型低屈折率領域とｎ型高屈折率領域との積層からなる半導体層７０を１ペアとして２０ペア分積層している。第１の傾斜組成層７１は、Ａｌ組成が２０％から１００％へと緩やかに増加するｎ型Ａｌ_iＧａ_1-iＡｓ（ｉ＝０．２→１．０）で形成される。その膜厚は通常１０〜３０ｎｍであり、本実施の形態２では２０ｎｍである。また、ｎ型低屈折率領域７２はｎ型ＡｌＡｓで形成される。
【００４２】
また、第２の傾斜組成層７３は、Ａｌ組成が１００％から２０％へと緩やかに減少するｎ型Ａｌ_jＧａ_1-jＡｓ（ｊ＝１．０→０．２）で形成される。なお、第２の傾斜組成層７３の厚さは、上記した第１の傾斜組成層７１と同じである。また、ｎ型高屈折率領域７４はｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓで形成される。ｎ型低屈折率領域（ｎ型ＡｌＡｓ）７２の厚さはλ／４ｎから第１の傾斜組成層７１の半分の厚みを減算し、さらに第２の傾斜組成層７３の半分の厚みを減算した値になる。よって例えば第１の傾斜組成層７１の厚みが２０ｎｍ、第２の傾斜組成層７３の厚みが２０ｎｍの場合、ｎ型低屈折率領域（ｎ型ＡｌＡｓ）７２の厚さは、（λ／４ｎ−１０−１０）ｎｍとなる。また高屈折率領域７４の厚みも同様に計算し、この場合は、（λ／４ｎ−１０−１０）ｎｍとなる。なお、本実施の形態におけるｎ型低屈折率領域（ｎ型ＡｌＡｓ）７２は後の工程でもエッチングによって露出することはないため、厚さは１０ｎｍ以上になってもかまわない。ここで上記した第１の傾斜組成層７１や第２の傾斜組成層７３のような傾斜組成層は、電気抵抗を下げる効果が得られる構造として公知である。
【００４３】
一方、第２の下部半導体多層膜反射鏡６２は、図６に示すように、ｎ型低屈折率領域とｎ型高屈折率領域との積層からなる半導体層８０を１ペアとして１５ペア分積層した層である。第１の傾斜組成層８１は、Ａｌ組成が２０％から１００％へと緩やかに増加するｎ型Ａｌ_iＧａ_1-iＡｓ（ｉ＝０．２→１．０）で形成される。また、上記ｎ型低屈性率領域は、第１のｎ型ＡｌＡｓ層８２とｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層８３と第２のｎ型ＡｌＡｓ層８４の３層で構成される。なお、第１のｎ型ＡｌＡｓ層８２および第２のｎ型ＡｌＡｓ層８４の厚さは実施の形態１で説明したように１０ｎｍ以下とする必要があり、ここでは、それぞれ５ｎｍとする。
【００４４】
第２の傾斜組成層８５は、Ａｌ組成が１００％から２０％へと緩やかに減少するｎ型Ａｌ_jＧａ_1-jＡｓ（ｊ＝１．０→０．２）で形成される。なお、第２の傾斜組成層８５の厚さは、上記した第１の傾斜組成層８１と同じである。またｎ型低屈折率領域８６はｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層で形成される。ｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ８３の厚さは、λ/４ｎから第１の傾斜組成層８１の半分の厚みを減算し、さらに第１のＡｌＡｓ層８２の厚みを減算し、さらに第２のＡｌＡｓ層８４の厚みを減算し、さらに第２の傾斜組成層８５の厚みを減算した値となる。この場合は、（λ／４ｎ−１０−５−５−１０）ｎｍとなる。また、ｎ型低屈折率領域（ＡｌＡｓ）８６の厚さはλ／４ｎから第１の傾斜組成層８１の半分の厚みを減算し、さらに第２の傾斜組成層８５の半分の厚みを減算した値になる。
【００４５】
次に、上記した第２の下部半導体多層膜反射鏡６２上に、上下をクラッド層３１および３３で挟まれた量子井戸活性層３２を形成し、これらの層からなる活性層１３の上に、後の工程において電流狭窄領域を形成するためのＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５を形成する。また、さらに、このＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の上に、上部半導体多層膜反射鏡６３（上部ＤＢＲミラー）を形成する。
【００４６】
上部半導体多層膜反射鏡６３は、図６に示すように、ｐ型低屈折率領域とｐ型高屈折率領域との積層からなる半導体層９０を１ペアとして１５ペア分積層した層である。第１の傾斜組成層９１は、Ａｌ組成が２０％から１００％へと緩やかに増加するｐ型Ａｌ_iＧａ_1-iＡｓ（ｉ＝０．２→１．０）で形成される。また、上記ｐ型低屈性率領域は、第１のｐ型ＡｌＡｓ層９２とｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層９３と第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の３層で構成される。なお、第１のｐ型ＡｌＡｓ層９２および第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の厚さは実施の形態１で説明したように１０ｎｍ以下とする必要があり、ここでは、それぞれ５ｎｍとする。
【００４７】
第２の傾斜組成層９５は、Ａｌ組成が１００％から２０％へと緩やかに減少するｐ型Ａｌ_jＧａ_1-jＡｓ（ｊ＝１．０→０．２）で形成される。なお、第２の傾斜組成層９５の厚さは、上記した第１の傾斜組成層９１と同じである。また低屈折率領域９６はｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層で形成される。ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ９３の厚さは、λ/４ｎから傾斜組成層９１の半分の厚みを減算し、さらにＡｌＡｓ層９２の厚みを減算し、さらに第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の厚みを減算し、さらに傾斜組成層９５の厚みを減算した値となる。この場合は、（λ／４ｎ−１０−５−５−１０）ｎｍとなる。また、ｐ型ＡｌＡｓ９６の厚さはλ／４ｎから傾斜組成層９１の半分の厚みを減算し、さらに傾斜組成層９５の半分の厚みを減算した値になる。上部半導体多層膜反射鏡６３は、図６に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｐ型低屈折率領域とｐ型高屈折率領域との積層からなる半導体層９０を１ペアとして２５ペア分積層した層である。半導体層９０のうち、上記ｐ型低屈性率層は、第１の傾斜組成層９１と第１のｐ型ＡｌＡｓ層９２とｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層９３と第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の４層で構成される。ここで特に、第１の傾斜組成層９１は、Ａｌ組成が２０％から１００％へと緩やかに増加するｐ型Ａｌ_iＧａ_1-iＡｓ（ｉ＝０．２→１．０）で形成される。なお、第１のｐ型ＡｌＡｓ層９２および第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の厚さは実施の形態１で説明したように１０ｎｍ以下とする必要があり、ここでは、それぞれ５ｎｍとする。よって、例えば第１の傾斜組成層９１の厚さを２０ｎｍとした場合、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層９３の厚さは、λ／４ｎから３０ｎｍを減算した値となる。
【００４８】
そして、この上部半導体多層膜反射鏡６３上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７を形成する。次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、上部半導体多層膜反射鏡６３とＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５とクラッド層３３と量子井戸活性層３２とクラッド層３１と下部半導体多層膜反射鏡６２の一部とからなる積層構造の外縁部を除去し、これにより例えば直径３０ｎｍの円形のメサポストを形成する。
【００４９】
次に、水蒸気雰囲気中にて、例えば４１０℃で２０分間の酸化処理を行ない、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５をメサポストの側壁から選択的に約１０μｍ酸化させ、Ａｌ酸化層１４を形成する。例えばＡｌ酸化層１４が１０μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心のＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は約８０μｍ²（直径１０μｍ）になる。
【００５０】
そして、上記したメサポストの上面および側面と露出した下部半導体多層膜反射鏡１１２の上面に、保護膜として機能するシリコン窒化膜１９を形成し、続いて、ポリイミド２２によって、シリコン窒化膜１９が形成されたメサポストの周囲を埋め込む。そして、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１９を、直径３０μｍの円形状に除去し、これによって露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上に、さらに内径２０μｍ、外径３０μmのリング状のｐ型電極１８を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には、基板の厚さを例えば２００μｍ厚に研磨した後、ｎ型電極２１を形成する。また、ポリイミド２１上にはワイヤをボンディングする電極パッド１０を、上記したｐ型電極１８に接触するように形成する。
【００５１】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子によれば、容易に酸化されない１０ｎｍ以下の厚みのＡｌＡｓ層を、第２の下部半導体多層膜反射鏡６２と上部半導体多層膜反射鏡６３のそれぞれに含ませているので、実施の形態１と同様な効果を享受することができるとともに、傾斜組成層の導入によって、半導体多層膜反射鏡の電気抵抗をより低下させ、一層の高出力化が可能となる。
【００５２】
なお、以上に説明した実施の形態１および２では、ＭＯＣＶＤ法で各層を作成するとしたが、ＭＢＥ法などで作成してもかまわない。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に各層を形成して面発光レーザ素子を得るとしたが、ｎ型ＧａＡｓ基板１１に換えてｐ型ＧａＡｓ基板を用いることもできる。この場合、下部半導体多層膜反射鏡はｐ型、上部半導体多層膜反射鏡はｎ型のものを用い、電極材料もそれに対応することになる。さらに、上述した面発光レーザ素子は、発振波長を限定するものではなく、例えば７００ｎｍ〜１６００ｎｍ帯、具体的には７８０ｎｍ、８５０ｎｍ、９８０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍなどの波長を発振する構造に適用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる面発光レーザ素子によれば、下部半導体多層膜反射鏡および／または上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域に含ませているので、ＡｌＡｓ層が有する低屈折率と高熱伝導性という特性を半導体多層膜反射鏡に取り入れることができ、結果的に、反射率や温度特性が向上して安定した高出力のレーザ発振が可能となるという効果を奏する。
【００５４】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子によれば、低屈折領域のＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）層と高屈折領域のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）層との間に傾斜組成層が配置されるので、半導体多層膜反射鏡の電気抵抗をより低下させ、一層の高出力化が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。
【図３】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の電流−光出力特性を示す図である。
【図４】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子において、ＡｌＡｓ層の他の配置例での半導体多層膜反射鏡の１ペアの構造を示す図である。
【図５】実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図６】実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。
【図７】従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図８】従来の面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。
【図９】従来の面発光レーザ素子の電流−光出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１０，１００面発光レーザ素子
１１ｎ型ＧａＡｓ基板
１２下部半導体多層膜反射鏡
１３活性領域
１４Ａｌ酸化層
１５Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層
１６上部半導体多層膜反射鏡
１７ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１８ｐ型電極
１９シリコン窒化膜
２０電極パッド
２１ｎ型電極
２２ポリイミド
３１，３３クラッド層
３２量子井戸活性層
１２，１１２下部半導体多層膜反射鏡
１６，６３，１１６上部半導体多層膜反射鏡
４１，１４１ｎ型高屈折率領域
４２，１４２ｎ型低屈折率領域
４５，１４５ｐ型高屈折率領域
４６，１４６ｐ型低屈折率領域
５１，８２第１のｎ型ＡｌＡｓ層
５２，８３ｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層
５３，８４第２のｎ型ＡｌＡｓ層
５４ｎ型ＡｌＡｓ層
５６，９２第１のｐ型ＡｌＡｓ層
５７，９３ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層
５８，９４第２のｐ型ＡｌＡｓ層
５９ｐ型ＡｌＡｓ層
６１第１の下部半導体多層膜反射鏡
６２第２の下部半導体多層膜反射鏡
７０，８０，９０半導体層
７１，８１，９１第１の傾斜組成層
７２，７４，７８ｎ型低屈折率領域
７３，８５，９５第２の傾斜組成層
９６ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting laser device including an AlAs layer in a semiconductor multilayer reflector. Manufacturing method In particular, a surface emitting laser element in which an AlAs layer is included in both the lower semiconductor multilayer reflector and the upper semiconductor multilayer reflector Manufacturing method About.
[0002]
[Prior art]
As indicated by the name, a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser, hereinafter simply referred to as a surface emitting laser element) has a light resonating direction perpendicular to the substrate surface. It has been attracting attention as a light source for communication including optical interconnection, and as a device for various other applications.
[0003]
The reason is that the surface emitting laser element can be easily formed in a two-dimensional array of elements as compared with the conventional edge emitting laser element, and can be tested at the wafer level because it does not need to be cleaved to provide a mirror. Since the volume of the layer is remarkably small, it can be oscillated at an extremely low threshold value, and thus has advantages such as low power consumption.
[0004]
FIG. 7 is a perspective sectional view of a conventional surface emitting laser element. FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the structures of a lower semiconductor multilayer mirror and an upper semiconductor multilayer reflector, which will be described later. In FIG. 8, parts that are the same as those in FIG. In order to fabricate the surface emitting laser element 100 shown in FIG. 7, first, the lower semiconductor multilayer mirror (lower DBR mirror) 112 is formed on the n-type GaAs substrate 11 by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Form. Here, as shown in FIG. 8, the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 112 has an n-type high refractive index region 141 and an n-type each having a thickness of λ / 4n (where λ is an oscillation wavelength and n is a refractive index). A laminated structure with the low refractive index region 142 is a pair, and for example, 35 pairs are laminated. The n-type high refractive index region 141 is, for example, n-type Al. _0.2 Ga _0.8 The n-type low refractive index region 142 is made of, for example, n-type Al. _0.9 Ga _0.1 As is formed.
[0005]
Then, the quantum well active layer 32 sandwiched between the upper and lower clad layers 31 and 33 is formed on the lower semiconductor multilayer mirror 112, and the current confinement region is formed on the active region 13 composed of these in a later step. Al to form _z Ga _1-z The As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 is formed. Usually, AlAs is often used as the current confinement layer. Furthermore, this Al _z Ga _1-z On the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15, an upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 116 (upper DBR mirror) is formed. Here, as shown in FIG. 8, the upper semiconductor multilayer reflector 116 has a p-type high refractive index region 145 and a p-type each having a thickness of λ / 4n (where λ is an oscillation wavelength and n is a refractive index). A laminated structure with the low refractive index region 146 is a pair, and for example, 25 pairs are laminated. The p-type high refractive index region 145 is, for example, p-type Al. _0.2 Ga _0.8 The p-type low refractive index region 146 is made of, for example, p-type Al. _0.9 Ga _0.1 As is formed. A p-type GaAs contact layer 17 is formed on the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 116.
[0006]
Next, the upper semiconductor multilayer reflector 116, the AlAs layer 15, the cladding layer 33, the quantum well active layer 32, the cladding layer 31, and the lower semiconductor multilayer film are reflected through a photolithography process and an etching process (dry etching or wet etching). The outer edge portion of the laminated structure composed of a part of the mirror 112 is removed, thereby forming, for example, a circular mesa post having a diameter of 30 μm.
[0007]
Next, oxidation treatment is performed at a temperature of about 400 ° C. in a water vapor atmosphere. _z Ga _1-z The As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 is selectively oxidized from the side wall of the mesa post to form an Al oxide layer 14. For example, if the mesa post has a diameter of 30 μm and the Al oxide layer 14 has a ring shape with a band width of 10 μm, the center Al _z Ga _1-z The area of the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15, that is, the area of the aperture into which current is injected is about 80 μm. ² (Diameter 10 μm).
[0008]
Then, a silicon nitride film 19 functioning as a protective film is formed on the upper surface and side surfaces of the above-mentioned mesa post and the exposed upper surface of the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 112. Subsequently, the silicon nitride film 19 is formed by polyimide 22. Embed around the mesa post. A ring-shaped p-type electrode 18 having an inner diameter of 20 μm and an outer diameter of 30 μm is formed on the exposed p-type GaAs contact layer 17 by removing the silicon nitride film 19 formed on the upper surface of the mesa post into a circular shape having a diameter of 30 μm. Form. An n-type electrode 21 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 11 after polishing the substrate to a thickness of, for example, 200 μm. An electrode pad 20 for bonding a wire is formed on the polyimide 22 so as to be in contact with the p-type electrode 18 described above.
[0009]
In the surface emitting laser element structure described above, in particular, Al having a lower resistance value than the surrounding Al oxide layer 14 is formed on the central portion of the quantum well active layer 32. _z Ga _1-z It is characteristic that the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 is arranged so that a current can flow only in a narrow portion of the active region 13. Such a structure is called an oxidized constriction type surface emitting laser, which greatly improves laser characteristics such as a laser oscillation threshold.
[0010]
In the surface emitting laser element, the above-described current confinement structure is also important. From the viewpoint of selecting the oscillation wavelength and improving the thermal conductivity, the lower semiconductor multilayer reflector 112 and the upper semiconductor multilayer reflector 112 sandwiching the active region 13 vertically. The structure of the semiconductor multilayer mirror 116 is also very important. In the lower semiconductor multilayer mirror 112 and the upper semiconductor multilayer reflector 116, the difference in refractive index increases as the difference in Al composition between the high refractive index region and the low refractive index region increases, and good reflectance is obtained. It is known that It is also known that the thermal conductivity increases as the Al composition difference increases (Afromowitz MA et al. Journal of Applied Physics 44, pp1292, (1973)). When the reflectance is large, the number of pairs of semiconductor multilayer film reflectors can be reduced, and the time for epitaxial growth can be shortened. In addition, as shown in FIG. 9, the current-light output characteristics approach saturation in the operating environment at 50 ° C., and the current-light output characteristics saturate at about 8.5 mW in the operating environment at 70 ° C. Even if the injection current is increased, the light output does not increase. Conversely, if the thermal conductivity is large, the surface-emission laser device having good thermal saturation characteristics of light output and operating stably at high output even in a high temperature operating environment can be manufactured.
[0011]
However, in order to form the Al oxide layer 14, Al _z Ga _1-z As can be seen from the fact that As (0.95 ≦ z ≦ 1) is used, in order to obtain a large refractive index difference and high thermal conductivity, the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror is used. Al, which is a low refractive index region of _y Ga _1-y When the composition y of the As layer (x <y <1) is brought close to 1, a state where the low refractive index region is easily oxidized is also created. In particular, if the composition y is too large in the upper semiconductor multilayer reflector 116, if an oxidation treatment is performed in a water vapor atmosphere in order to obtain the Al oxide layer 14, Al _z Ga _1-z Al which is a low refractive index region of the upper semiconductor multilayer reflector 116 together with the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 _y Ga _1-y The As layer (x <y <1) may be oxidized. If an oxide film is formed more than necessary in the lower semiconductor multilayer mirror 112 or the upper semiconductor multilayer reflector 116, the characteristics are deteriorated, for example, the oscillation threshold value is increased and a number of dislocations are generated. That is, the improvement in reflectance and temperature characteristics and the reduction in threshold value and reduction in dislocation failure are in a trade-off relationship, and it is difficult to satisfy both. Therefore, among the pairs constituting the lower semiconductor multilayer reflector 112 or the upper semiconductor multilayer reflector 116, the low refractive index side layer is usually made of Al. _y Ga _1-y As (0.7 ≦ y ≦ 0.95) is used. Moreover, Al which is a current confinement layer _z Ga _1-Z The As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 is usually made of AlAs. In many cases, the value of y is smaller than the value of z by 0.1 or more.
[0012]
On the other hand, a surface emitting laser element in which an AlAs layer is included in a lower semiconductor multilayer reflector while avoiding the above-described oxidation problem has been proposed. For example, in the “surface emitting semiconductor laser device” disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-361317, a portion of a lower semiconductor multilayer reflector that is not etched for forming a mesa post, that is, a portion in which a side wall is not oxidized is defined as an AlAs mirror layer. It is characterized by that. As another example, “Optoelectronics Semiconductor Device with Mesa” disclosed in US Pat. No. 5,408,105 is characterized in that the entire lower semiconductor multilayer reflector is an AlAs mirror layer and the lower semiconductor multilayer film is not etched. . Furthermore, as another example, “surface emitting semiconductor laser device and method for manufacturing the same” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-125999 discloses that at least one of the semiconductor multilayer mirrors is an AlAs mirror and around the AlAs mirror. After the protective film is formed, only a portion to be oxidized is exposed by etching and oxidized.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the “surface emitting semiconductor laser element” disclosed in the Japanese Patent Application No. 2000-361317 has problems such as insufficient temperature characteristics and accurate etching so that the AlAs mirror layer is not etched. have. Also, “Optoelectronics Semiconductor Device with Mesa” disclosed in the above-mentioned US Pat. No. 5,408,105 has a problem that the etching accuracy must be extremely strict.
[0014]
In addition, in the “surface emitting semiconductor laser device and method for manufacturing the same” disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-125999, the etching must be performed twice, and the process is very complicated, such as the creation and removal of a protective film. Have the problem of becoming. In addition, the etching accuracy is extremely strict, and there is a problem that it is very difficult to industrialize.
[0015]
The present invention has been made in view of the above, and does not control the oxidation rate by the difference in the Al composition as in the prior art, but easily by controlling the film thickness of the AlAs layer in the semiconductor multilayer reflector. By having an unoxidized AlAs layer inside the semiconductor multilayer mirror , Obedience Surface emitting laser device with improved reflectivity and temperature characteristics Manufacturing method The purpose is to provide.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above objective, This invention The surface-emitting laser element according to the present invention includes a lower semiconductor multilayer reflector that includes a plurality of pairs of a high refractive index region and a low refractive index region on a semiconductor substrate, and the lower semiconductor multilayer film reflection An active layer placed above the mirror and sandwiched between upper and lower clad layers, and an Al region with an oxidized region at the periphery _z Ga _1-z A surface provided with an As (0.95 ≦ z ≦ 1) current confinement layer, and an upper semiconductor multilayer film reflecting mirror composed of a plurality of pairs, each pair of a high refractive index region and a low refractive index region In the light emitting laser element, the lower refractive index region of the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror includes an AlAs layer having a thickness smaller than that of the current confinement layer.
[0017]
According to the present invention, since the thin AlAs layer that is not easily oxidized is included in the low refractive index region of the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror, the low refractive index of the AlAs layer is low. The characteristics of rate and high thermal conductivity can be incorporated into a semiconductor multilayer mirror.
[0018]
Also, This invention In the surface emitting laser element according to the present invention, in the above invention, the lower semiconductor multilayer film reflector is constituted by a first semiconductor multilayer film portion on a substrate side and a second semiconductor multilayer film portion on an active layer side, The low refractive index region of the first semiconductor multilayer film portion includes an AlAs layer having an arbitrary thickness, and the low refractive index region of the second semiconductor multilayer film portion includes an AlAs layer having a smaller thickness than the current confinement layer. It is characterized by including.
[0019]
Also, This invention The surface emitting laser device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, a plurality of the AlAs layers are included in one low refractive index region.
[0020]
Also, This invention The surface emitting laser element according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the thickness per layer of the AlAs layer included in the upper semiconductor multilayer reflector or in the second semiconductor multilayer film portion is 10 nm or less. .
[0021]
Also, This invention The surface emitting laser element according to the present invention is the above invention, wherein the lower refractive index region of the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror is Al. _x Ga _1-x An As (0 ≦ x <1) layer, and the low refractive index region of the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror is Al _y Ga _1-y It is characterized by including an As (x <y <1) layer.
[0022]
Also, This invention The surface emitting laser device according to the present invention is the above-described invention, wherein the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror is the Al _y Ga _1-y As (x <y <1) layer and the Al _x Ga _1-x Al sandwiched between As (0 ≦ x <1) layers and Al composition i is gently inclined from y to x _i Ga _1-i It is characterized by including an As gradient composition layer.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a surface emitting laser element according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
[0024]
(Embodiment 1)
First, the surface emitting laser element according to the first embodiment will be described. The surface-emitting laser element according to the first embodiment includes a lower thickness of the AlAs layer that is hard to be oxidized in the upper semiconductor multilayer reflector and the lower semiconductor multilayer reflector, thereby allowing the reflectance and temperature to be increased as compared with the conventional case. It is characterized by improved characteristics.
[0025]
First, the relationship between the thickness of the AlAs layer and the oxidation rate will be described. It is known that the ease of oxidation of AlAs increases rapidly as the film thickness increases, as shown in FIG. 8 (b) of the literature IEEE Journal of Selected topics in Quantum Electronics Vol 3, 3, June 1997 p916. . The inventors conducted more detailed experiments on the relationship between the AlAs film thickness and the oxidation rate. As a result, although the oxidation rate varied depending on the epitaxial growth conditions and the oxidation conditions, the film thickness was 10 nm or less and almost stable. It was found that it was not oxidized. In other words, by including an AlAs layer with a film thickness of 10 nm or less in the semiconductor multilayer mirror, surface light emission that has high reflectivity and good temperature characteristics and can be fabricated in the same simple process as before. It came to the knowledge that a laser element could be provided.
[0026]
FIG. 1 is a perspective sectional view of the surface emitting laser element according to the first embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the structures of the lower semiconductor multilayer mirror and the upper semiconductor multilayer reflector of the surface emitting laser element according to the first embodiment. In FIG. 1, the same reference numerals are given to the parts common to FIG. 7, and the same reference numerals are given to the parts common to FIG. 1 in FIG. 2.
[0027]
The surface emitting laser element 10 shown in FIG. 1 is different from the conventional surface emitting laser element shown in FIG. 7 in the layer structure of the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 12 and the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16. Thus, the major difference is illustrated in FIG. In order to manufacture the surface emitting laser element 10 shown in FIG. 1, first, a lower semiconductor multilayer mirror (lower DBR mirror) 12 is formed on an n-type GaAs substrate 11 by MOCVD. Here, as shown in FIG. 2, the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 12 has an n-type high refractive index region 41 and an n-type each having a thickness of λ / 4n (where λ is an oscillation wavelength and n is a refractive index). This is a layer obtained by stacking 35 pairs of laminated structures with the low refractive index region 42 as one pair.
[0028]
The n-type high refractive index region 41 is n-type Al in the conventional manner. _0.2 Ga _0.8 Although formed of As, the n-type low refractive index region 42 includes the first n-type AlAs layer 51, the n-type Al _0.9 Ga _0.1 The As layer 52 and the second n-type AlAs layer 53 are composed of three layers. In particular, the thicknesses of the first n-type AlAs layer 51 and the second n-type AlAs layer 53 are about 5 nm, respectively. _0.9 Ga _0.1 The thickness of the As layer 52 is a value obtained by subtracting the total thickness of the first n-type AlAs layer 51 and the second n-type AlAs layer 53 from λ / 4n.
[0029]
Then, the quantum well active layer 32 sandwiched between the upper and lower clad layers 31 and 33 is formed on the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 12, and the current is formed in the later process on the active region 13 composed of these layers. Al for forming a constricted region _z Ga _1-z The As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 is formed. In addition, this Al _z Ga _1-z On the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15, an upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 (upper DBR mirror) is formed. Here, as shown in FIG. 2, the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 has a p-type high refractive index region 45 and a p-type each having a thickness of λ / 4n (where λ is an oscillation wavelength and n is a refractive index). The laminated structure with the low refractive index region 46 is a pair, and 25 pairs are laminated.
[0030]
Note that the p-type high refractive index region 45 is a p-type Al in the conventional manner. _0.2 Ga _0.8 Although formed of As, the p-type low refractive index region 46 is formed of the first p-type AlAs layer 56, the p-type Al, like the n-type low refractive index region 42 described above. _0.9 Ga _0.1 It is composed of three layers, an As layer 57 and a second p-type AlAs layer 58. In particular, the thicknesses of the first p-type AlAs layer 56 and the second p-type AlAs layer 58 are about 5 nm, respectively. _0.9 Ga _0.1 The thickness of the As layer 57 is a value obtained by subtracting the total thickness of the first p-type AlAs layer 56 and the second p-type AlAs layer 58 from λ / 4n. A p-type GaAs contact layer 17 is formed on the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16.
[0031]
Next, through the photolithography process and the etching process (dry etching or wet etching), the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 16 and Al _z Ga _1-z The outer edge portion of the laminated structure including the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15, the cladding layer 33, the quantum well active layer 32, the cladding layer 31, and a part of the lower semiconductor multilayer mirror 12 is removed. Thus, for example, a circular mesa post having a diameter of 30 μm is formed.
[0032]
Next, an oxidation treatment is performed in a water vapor atmosphere at 410 ° C. for 20 minutes, for example. _z Ga _1-z The As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 is selectively oxidized by about 10 μm from the side wall of the mesa post to form an Al oxide layer 14. For example, when the Al oxide layer 14 has a ring shape having a band width of 10 μm, the center Al _z Ga _1-z The area of the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15, that is, the area of the aperture into which current is injected is about 80 μm. ² (Diameter 10 μm). Here, in particular, the first n-type AlAs layer 51 and the second n-type AlAs layer 53 in the lower semiconductor multilayer reflector 12 and the first p-type AlAs layer in the upper semiconductor multilayer reflector 16. 56, p-type Al _0.9 Ga _0.1 The oxidation amount of the As layer 57 and the second p-type AlAs layer 58 was only 0.2 μm from the periphery.
[0033]
Then, a silicon nitride film 19 functioning as a protective film is formed on the upper surface and side surfaces of the above-mentioned mesa post and the exposed upper surface of the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 112. Subsequently, the silicon nitride film 19 is formed by polyimide 22. Embed around the mesa post. Then, the silicon nitride film 19 formed on the upper surface of the mesa post is removed in a circular shape having a diameter of 30 μm, and a ring-shaped p-type having an inner diameter of 20 μm and an outer diameter of 30 μm is further formed on the exposed p-type GaAs contact layer 17. The electrode 18 is formed. An n-type electrode 21 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 11 after polishing the substrate to a thickness of, for example, 200 μm. An electrode pad 10 for bonding a wire is formed on the polyimide 21 so as to be in contact with the p-type electrode 18 described above.
[0034]
FIG. 3 is a diagram showing current-light output characteristics of the surface emitting laser element according to the first embodiment, and in particular, an experiment measured under conditions comparable to those of the conventional surface emitting laser element shown in FIG. It is a result. As shown in FIG. 3, the surface emitting laser element according to the first embodiment has higher thermal conduction and better light output thermal saturation characteristics than the conventional surface emitting laser element, and even in a high temperature operating environment. It can be seen that it operates stably at high output. According to other experiments by the inventors, the oscillation threshold was good and no dislocation defect was observed.
[0035]
In the above description, each of the n-type low refractive index region 42 and the p-type low refractive index region 46 has Al. _0.9 Ga _0.1 Although two AlAs layers are arranged so as to sandwich the As layer, only one AlAs layer may be arranged in the low refractive index region as long as the thickness is 10 nm or less. FIG. 4 is a diagram showing a structure of one pair of semiconductor multilayer film reflecting mirrors in that case. That is, as shown in FIG. 4A, the p-type low refractive index region 46 is made of a p-type AlAs layer 59 having a thickness of 10 nm and a p-type Al. _0.9 Ga _0.1 As shown in FIG. 4B, the n-type low refractive index region 42 is composed of an As layer 57 and a p-type AlAs layer 54 having a thickness of 10 nm and an n-type Al. _0.9 Ga _0.1 The As layer 52 can also be used. In this case, the AlAs layer is preferably formed at a position adjacent to the high refractive index region from the viewpoint of simplifying the manufacturing process, but may be disposed near the center of the low refractive index region. Furthermore, not limited to these, three or more AlAs layers may be arranged in the same low refractive index region as long as the condition that the AlAs layer has a thickness of 10 nm or less is satisfied. Moreover, it is preferable that all pairs constituting the lower semiconductor multilayer mirror 12 and the upper semiconductor multilayer reflector 16 include an AlAs layer, but a part thereof may be included.
[0036]
As described above, according to the surface emitting laser element according to the first embodiment, the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 12 and the upper semiconductor multilayer film with the active region 13 sandwiched between the AlAs layer having a thickness of 10 nm or less that is not easily oxidized. Since it is included in both of the film reflectors 16, the characteristics of the low refractive index and high thermal conductivity of the AlAs layer can be incorporated into the semiconductor multilayer film reflector, resulting in improved reflectivity and temperature characteristics. And stable high-power laser oscillation.
[0037]
Although the effect is reduced, it can be designed such that only one of the lower semiconductor multilayer reflector 12 and the upper semiconductor multilayer reflector 16 is formed of a pair including an AlAs layer.
[0038]
(Embodiment 2)
Next, a surface emitting laser element according to the second embodiment will be described. The surface emitting laser element according to the second embodiment includes an upper semiconductor multilayer reflector and an upper semiconductor multilayer reflector that includes a thin AlAs layer that is difficult to be oxidized and is inclined as a layer adjacent to the AlAs layer. The composition layer is arranged.
[0039]
FIG. 5 is a perspective sectional view of the surface emitting laser element according to the second embodiment. FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the structures of the lower semiconductor multilayer reflector and the upper semiconductor multilayer reflector of the surface emitting laser element according to the second embodiment. In FIG. 5, the same reference numerals are given to the portions common to FIG. 1, and the same reference numerals are assigned to the portions common to FIG. 5 in FIG. 6.
[0040]
The surface-emitting laser element shown in FIG. 5 differs from the surface-emitting laser element according to the first embodiment shown in FIG. 1 in that the lower semiconductor multilayer reflector has a first lower semiconductor multilayer reflector 61 and a second The lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 62 is divided into two regions, and the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 63 has a layer structure. Thus, the major difference is illustrated in FIG. In order to manufacture the surface emitting laser element 60 shown in FIG. 5, first, a first lower semiconductor multilayer mirror (lower DBR mirror) 61 is formed on the n-type GaAs substrate 11 by MOCVD.
[0041]
As shown in FIG. 6, the first lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 61 is formed by stacking 20 pairs of semiconductor layers 70 each including a stack of an n-type low refractive index region and an n-type high refractive index region. Yes. The first graded composition layer 71 has an n-type Al whose Al composition gradually increases from 20% to 100%. _i Ga _1-i As (i = 0.2 → 1.0). The film thickness is usually 10 to 30 nm, and in the second embodiment, it is 20 nm. The n-type low refractive index region 72 is formed of n-type AlAs.
[0042]
The second graded composition layer 73 has an n-type Al in which the Al composition gradually decreases from 100% to 20%. _j Ga _1-j As (j = 1.0 → 0.2). The thickness of the second gradient composition layer 73 is the same as that of the first gradient composition layer 71 described above. The n-type high refractive index region 74 is n-type Al. _0.2 Ga _0.8 It is made of As. The thickness of the n-type low refractive index region (n-type AlAs) 72 is obtained by subtracting half the thickness of the first graded composition layer 71 from λ / 4n and further subtracting the half thickness of the second graded composition layer 73. Value. Therefore, for example, when the thickness of the first gradient composition layer 71 is 20 nm and the thickness of the second gradient composition layer 73 is 20 nm, the thickness of the n-type low refractive index region (n-type AlAs) 72 is (λ / 4n− 10-10) nm. Further, the thickness of the high refractive index region 74 is calculated in the same manner, and in this case, (λ / 4n−10−10) nm. Note that the n-type low refractive index region (n-type AlAs) 72 in the present embodiment is not exposed by etching even in a later step, and thus the thickness may be 10 nm or more. The graded composition layers such as the first graded composition layer 71 and the second graded composition layer 73 described above are known as structures that have the effect of reducing the electrical resistance.
[0043]
On the other hand, as shown in FIG. 6, the second lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 62 is formed by stacking 15 pairs of semiconductor layers 80 each composed of a stack of an n-type low refractive index region and an n-type high refractive index region. Layer. The first graded composition layer 81 has an n-type Al in which the Al composition gradually increases from 20% to 100%. _i Ga _1-i As (i = 0.2 → 1.0). The n-type low refractive index region includes the first n-type AlAs layer 82 and the n-type Al. _0.9 Ga _0.1 It is composed of three layers, an As layer 83 and a second n-type AlAs layer 84. Note that the thickness of the first n-type AlAs layer 82 and the second n-type AlAs layer 84 needs to be 10 nm or less as described in the first embodiment, and is 5 nm here.
[0044]
The second graded composition layer 85 is an n-type Al whose Al composition gradually decreases from 100% to 20%. _j Ga _1-j As (j = 1.0 → 0.2). The thickness of the second gradient composition layer 85 is the same as that of the first gradient composition layer 81 described above. The n-type low refractive index region 86 is n-type Al. _0.2 Ga _0.8 The As layer is formed. n-type Al _0.9 Ga _0.1 The thickness of As 83 is obtained by subtracting half the thickness of the first graded composition layer 81 from λ / 4n, further subtracting the thickness of the first AlAs layer 82, and subtracting the thickness of the second AlAs layer 84. Further, the value is obtained by subtracting the thickness of the second gradient composition layer 85. In this case, (λ / 4n-10-5-5-10) nm is obtained. Further, the thickness of the n-type low refractive index region (AlAs) 86 is obtained by subtracting half the thickness of the first gradient composition layer 81 from λ / 4n and further subtracting the half thickness of the second gradient composition layer 85. Value.
[0045]
Next, on the second lower semiconductor multilayer reflector 62 described above, the quantum well active layer 32 sandwiched between the upper and lower clad layers 31 and 33 is formed, and on the active layer 13 composed of these layers, Al for forming a current confinement region in a later process _z Ga _1-z The As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 is formed. In addition, this Al _z Ga _1-z On the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15, an upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 63 (upper DBR mirror) is formed.
[0046]
As shown in FIG. 6, the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 63 is a layer in which 15 pairs of semiconductor layers 90 each formed by stacking a p-type low refractive index region and a p-type high refractive index region are stacked. The first graded composition layer 91 is a p-type Al whose Al composition gradually increases from 20% to 100%. _i Ga _1-i As (i = 0.2 → 1.0). The p-type low refractive index region includes the first p-type AlAs layer 92 and the p-type Al. _0.9 Ga _0.1 It is composed of three layers, an As layer 93 and a second p-type AlAs layer 94. Note that the thickness of the first p-type AlAs layer 92 and the second p-type AlAs layer 94 needs to be 10 nm or less as described in the first embodiment, and is 5 nm here.
[0047]
The second graded composition layer 95 is a p-type Al whose Al composition gradually decreases from 100% to 20%. _j Ga _1-j As (j = 1.0 → 0.2). The thickness of the second gradient composition layer 95 is the same as that of the first gradient composition layer 91 described above. The low refractive index region 96 is p-type Al. _0.2 Ga _0.8 The As layer is formed. p-type Al _0.9 Ga _0.1 The thickness of As 93 is obtained by subtracting half the thickness of the graded composition layer 91 from λ / 4n, further subtracting the thickness of the AlAs layer 92, further subtracting the thickness of the second p-type AlAs layer 94, and further producing a graded composition. This is a value obtained by subtracting the thickness of the layer 95. In this case, (λ / 4n-10-5-5-10) nm is obtained. The thickness of the p-type AlAs 96 is a value obtained by subtracting half the thickness of the gradient composition layer 91 from λ / 4n and further subtracting the half thickness of the gradient composition layer 95. As shown in FIG. 6, the upper semiconductor multilayer reflector 63 has a p-type low-refractive index region and a p-type high-refractive index region each having a thickness of λ / 4n (where λ is an oscillation wavelength and n is a refractive index). The semiconductor layer 90 is a layer in which 25 pairs are stacked as one pair. Among the semiconductor layers 90, the p-type low-refractive-index layer includes the first graded composition layer 91, the first p-type AlAs layer 92, and the p-type Al. _0.9 Ga _0.1 It is composed of four layers, an As layer 93 and a second p-type AlAs layer 94. Here, in particular, the first graded composition layer 91 has a p-type Al in which the Al composition gradually increases from 20% to 100%. _i Ga _1-i As (i = 0.2 → 1.0). Note that the thickness of the first p-type AlAs layer 92 and the second p-type AlAs layer 94 needs to be 10 nm or less as described in the first embodiment, and is 5 nm here. Therefore, for example, when the thickness of the first gradient composition layer 91 is 20 nm, p-type Al _0.9 Ga _0.1 The thickness of the As layer 93 is a value obtained by subtracting 30 nm from λ / 4n.
[0048]
Then, a p-type GaAs contact layer 17 is formed on the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 63. Next, through the photolithography process and the etching process (dry etching or wet etching), the upper semiconductor multilayer film reflecting mirror 63 and Al _z Ga _1-z The outer edge portion of the laminated structure composed of the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15, the cladding layer 33, the quantum well active layer 32, the cladding layer 31, and a part of the lower semiconductor multilayer reflector 62 is removed. Thus, for example, a circular mesa post having a diameter of 30 nm is formed.
[0049]
Next, an oxidation treatment is performed in a water vapor atmosphere at 410 ° C. for 20 minutes, for example. _z Ga _1-z The As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15 is selectively oxidized by about 10 μm from the side wall of the mesa post to form an Al oxide layer 14. For example, when the Al oxide layer 14 has a ring shape having a band width of 10 μm, the center Al _z Ga _1-z The area of the As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer 15, that is, the area of the aperture into which current is injected is about 80 μm. ² (Diameter 10 μm).
[0050]
Then, a silicon nitride film 19 functioning as a protective film is formed on the upper surface and side surfaces of the above-mentioned mesa post and the exposed upper surface of the lower semiconductor multilayer film reflecting mirror 112. Subsequently, the silicon nitride film 19 is formed by polyimide 22. Embed around the mesa post. Then, the silicon nitride film 19 formed on the upper surface of the mesa post is removed in a circular shape having a diameter of 30 μm, and a ring-shaped p-type having an inner diameter of 20 μm and an outer diameter of 30 μm is further formed on the exposed p-type GaAs contact layer 17. The electrode 18 is formed. An n-type electrode 21 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 11 after polishing the substrate to a thickness of, for example, 200 μm. An electrode pad 10 for bonding a wire is formed on the polyimide 21 so as to be in contact with the p-type electrode 18 described above.
[0051]
As described above, according to the surface emitting laser element according to the second embodiment, the AlAs layer having a thickness of 10 nm or less that is not easily oxidized is formed by using the second lower semiconductor multilayer reflector 62 and the upper semiconductor multilayer reflector. 63, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the introduction of the gradient composition layer further reduces the electrical resistance of the semiconductor multilayer film reflector, thereby further increasing the output. Can be realized.
[0052]
In the first and second embodiments described above, each layer is created by the MOCVD method. However, it may be created by the MBE method or the like. Further, although each layer is formed on the n-type GaAs substrate 11 to obtain a surface emitting laser element, a p-type GaAs substrate can be used instead of the n-type GaAs substrate 11. In this case, the lower semiconductor multilayer mirror is a p-type and the upper semiconductor multilayer mirror is an n-type, and the electrode material is also corresponding thereto. Further, the above-described surface-emitting laser element does not limit the oscillation wavelength, and may be applied to a structure that oscillates a wavelength of 700 nm to 1600 nm, specifically 780 nm, 850 nm, 980 nm, 1300 nm, 1550 nm, and the like. it can.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the surface emitting laser element of the present invention, the AlAs layer has the low refractive index region of the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror. The characteristics of low refractive index and high thermal conductivity can be incorporated into the semiconductor multilayer reflector, and as a result, the reflectance and temperature characteristics are improved, and stable and high-output laser oscillation can be achieved.
[0054]
Further, according to the surface emitting laser element according to the present invention, Al in the low refractive region is used. _y Ga _1-y As (x <y <1) layer and Al in high refractive region _x Ga _1-x Since the graded composition layer is disposed between the As (0 ≦ x <1) layer, the electrical resistance of the semiconductor multilayer film reflecting mirror is further reduced, and the effect of further increasing the output is achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective sectional view of a surface emitting laser element according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the structures of a lower semiconductor multilayer mirror and an upper semiconductor multilayer reflector of the surface emitting laser element according to the first embodiment;
FIG. 3 is a graph showing current-light output characteristics of the surface emitting laser element according to the first embodiment.
4 is a diagram showing a structure of one pair of semiconductor multilayer mirrors in another arrangement example of an AlAs layer in the surface emitting laser element according to the first embodiment. FIG.
FIG. 5 is a perspective sectional view of a surface emitting laser element according to a second embodiment.
6 is an explanatory diagram for explaining structures of a lower semiconductor multilayer reflector and an upper semiconductor multilayer reflector of a surface emitting laser element according to a second embodiment; FIG.
FIG. 7 is a perspective sectional view of a conventional surface emitting laser element.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the structures of a lower semiconductor multilayer reflector and an upper semiconductor multilayer reflector of a conventional surface emitting laser element.
FIG. 9 is a diagram showing current-light output characteristics of a conventional surface emitting laser element.
[Explanation of symbols]
10,100 surface emitting laser element
11 n-type GaAs substrate
12 Lower semiconductor multilayer reflector
13 Active region
14 Al oxide layer
15 Al _z Ga _1-z As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer
16 Upper semiconductor multilayer reflector
17 p-type GaAs contact layer
18 p-type electrode
19 Silicon nitride film
20 electrode pads
21 n-type electrode
22 Polyimide
31, 33 Clad layer
32 Quantum well active layer
12,112 Lower semiconductor multilayer film reflector
16, 63, 116 Upper semiconductor multilayer reflector
41,141 n-type high refractive index region
42,142 n-type low refractive index region
45,145 p-type high refractive index region
46,146 p-type low refractive index region
51, 82 First n-type AlAs layer
52,83 n-type Al _0.9 Ga _0.1 As layer
53, 84 Second n-type AlAs layer
54 n-type AlAs layer
56, 92 First p-type AlAs layer
57,93 p-type Al _0.9 Ga _0.1 As layer
58, 94 Second p-type AlAs layer
59 p-type AlAs layer
61 1st lower semiconductor multilayer film reflective mirror
62 Second Lower Semiconductor Multilayer Reflector
70, 80, 90 semiconductor layer
71, 81, 91 First gradient composition layer
72, 74, 78 n-type low refractive index region
73, 85, 95 Second graded composition layer
96 p-type Al _0.2 Ga _0.8 As layer

Claims

A lower semiconductor multilayer film reflecting mirror composed of a plurality of pairs of a pair of a high refractive index region and a low refractive index region as a pair on a semiconductor substrate, and disposed above the lower semiconductor multilayer film reflector An active layer sandwiched between upper and lower clad layers, an Al _z Ga _{1 -z} As (0.95 ≦ z ≦ 1) layer, a high refractive index region and an Al _y Ga _{1 -y} As (0.7 ≦ y ≦ 0.95, y ≦ z−0.1) as a pair with a low refractive index region, and forming a laminated structure including an upper semiconductor multilayer film reflecting mirror composed of a plurality of pairs. The structure is formed in a mesa post shape until reaching a part of the lower semiconductor multilayer reflector, the side wall of the mesa post laminated structure is oxidized, and the Al _z Ga _1-z As layer is oxidized in the peripheral portion. production side of the surface emitting laser element including a step of the Al _z Ga _1-z as current blocking layer having a region In,
A method of manufacturing a surface-emitting laser device, wherein an AlAs layer having a thickness of 10 nm or less per layer is included in the low refractive index region of the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror .

The lower semiconductor multilayer film reflecting mirror is constituted by a first semiconductor multilayer film part on the substrate side and a second semiconductor multilayer film part on the active layer side,
An AlAs layer having an arbitrary thickness is included in the low refractive index region of the first semiconductor multilayer film portion,
An AlAs layer having a thickness of 10 nm or less per layer is included in the low refractive index region of the second semiconductor multilayer film portion, and at least a part of the second semiconductor multilayer film portion is formed in a mesa post shape. The method of manufacturing a surface emitting laser element according to claim 1.

3. The method of manufacturing a surface emitting laser element according to claim 1, wherein a plurality of the AlAs layers are included in one low refractive index region.

An Al _x Ga _1-x As (0 ≦ x <1) layer is included in the high refractive index region of the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror;
2. The Al _y Ga _1-y As (x <y <1) layer is included in the low refractive index region of the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror. The manufacturing method of the surface emitting laser element as described in any one of -3.

In the lower semiconductor multilayer mirror and / or the upper semiconductor multilayer mirror, the Al _y Ga _1-y As (x <y <1) layer and the Al _x Ga _1-x As (0 ≦ x <1) are provided. 5) A method of manufacturing a surface emitting laser device according to claim 4, further comprising an Al _i Ga _1-i As graded composition layer that is sandwiched between layers and the Al composition i is gently graded from y to x.