JP3666444B2 - Surface emitting semiconductor laser and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の垂直方向にレーザ光を発振する面発光型半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【0002】
【背景技術】
本願出願人は、特願平2−242000号において、II−VI族化合物半導体で光共振器を埋め込んだ面発光型の半導体レーザを提案している。
【0003】
この面発光型半導体レーザにおいては、図13に示したように、先ず、(702)n型GaAs基板に(703)n型GaAsバッファ層、(704)分布反射型多層膜ミラー、(705)n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層、(706)p型GaAs活性層、(707)p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層および(708)p型Al0.1Ga0.9Asコンタクト層を順次成長させ、その後、(707)p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層および(708)p型Al0.1Ga0.9Asコンタクト層を円柱状の領域を残して垂直にエッチングし、さらに、この円柱状領域の周囲に(709)ZnS0.06Se0.94を形成して埋め込み、しかる後に、(708)p型Al0.1Ga0.9Asコンタクト層の上面の、円柱径よりもやや小さい領域に(711)誘電体多層膜ミラーを蒸着し、最後に(710)p型オーミック電極、(701)n型オーミック電極を形成することにより構成されている。埋め込み層に用いた(709)ZnS0.06Se0.94層は高抵抗かつ低屈折率であるため、電流および光の閉じ込めが効率よく行われ、高性能な面発光型半導体レーザとなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
さて、この従来技術では、図13に示すように、電流を活性層に注入するためのp型オーミック電極が光共振器の上にリング状に形成される。そして、このリング状の(710)p型オーミック電極の存在により、以下のような2つの問題が生じることが判明した。
【0005】
まず、この(710)p型オーミック電極の反射率は、光が出射する側の(711)誘電体多層膜ミラーの反射率よりも小さい。従って、(710)p型オーミック電極下での光共振器内部では光の多重反射の効率が下がってしまうという事態が生じる。そして、かかる事態を解決するためには、(708)p型Al0. 1Ga0.9Asコンタクト層と(710)p型オーミック電極とが接触する部分の面積を小さくする必要がある。ところが、この部分の接触面積を小さくすると、今度は、接触不良等を原因として(710)p型オーミック電極と(708)p型Al0.1Ga0.9Asコンタクト層との間の接触抵抗が極めて高くなり、この部分の抵抗により発生する熱が極めて大きなものとなってしまう。この結果、供給される電力がこの部分で消費されてしまい、光共振器内での効率の低下、入力電流対光出力特性の更なる向上が図れない等の新たな問題が生じた。更に、かかる熱の発生は信頼性の上でも好ましいものではない。
【0006】
次に、このリング状の(710)p型電極の存在により、図14に示すような複数の定在波の発生を原因とする効率の低下という問題も生じた。
【0007】
通常、面発光型半導体レーザでは光共振器長が小さいため、1つの波長の定在波しか作り出すことしかできない。そのため素子の体積を全て有効にレーザ共振器として機能させるには光共振器内での定在波の波長が一様である必要がある。
【0008】
ところが、図14(a)に示すように(10)誘電体と(14)半導体の界面、(12)金属と(14)半導体の界面とでは光の境界条件が異なる。これは、境界面での反射光の位相のずれ方の違いによる。半導体中を進行してきた光が屈折率の小さい誘電体界面で反射するとき、界面での反射波の位相が入射波の位相と同じになるため、定在波の腹は境界面に形成されることになる。一方、金属界面で反射するときは、反射波の位相が変化(0〜πの間のある値)するので、疑似的に金属内部で光が反射したように見える(仮想反射面)。その結果、定在波の腹は境界面部にできないことになる。
【0009】
そのため、図14(b)に示す面発光型半導体レーザのように、リング状の(710)p型オーミック電極を用いた構造では、電極下に生じる定在波と(711)誘電体多層膜ミラーの下に生じる定在波ではその状態が異なるので共振波長が一致しない。よって共振器の体積のうちリング状の(710)p型オーミック電極の下にある部分は、図14(c)に示すように、レーザ共振器として役立っていないことになる。これは大きな無効電流を発生させ、また発熱源ともなり、しきい値電流上昇、光共振器内での効率の低下、温度特性悪化を引き起こしている。
【0010】
本発明はこのような課題を解決するものであり、この目的とするところは、高効率かつ信頼性の高い面発光型半導体レーザおよびこれを簡単な工程で作製できる製造方法を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決するため、本発明は、基板に垂直な方向に光を出射する面発光型半導体レーザにおいて、
一対の反射ミラーとそれらの間の複数層の半導体層とを有し、前記半導体層のうちの少なくとも1層が1本または複数本の柱状に形成されている光共振器と、
柱状の前記半導体層の周囲に埋め込まれたII−VI族化合物半導体エピタキシャル層と、を含み、
前記反射ミラーのうちの光出射側反射ミラーは、III−V族化合物半導体からなる第1の層と、該第1の層と屈折率の異なるIII−V族化合物半導体からなる第2の層とを交互に積層し、該第2の層上に光出射口を設けた金属電極を形成し、かつ該光出射口上に誘電体からなる第3の層と、該第3の層と屈折率の異なる誘電体からなる第4の層とを交互に積層して構成される複合型多層膜反射ミラーであることを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、基板に垂直な方向に光を出射する面発光型半導体レーザの製造方法において、
半導体もしくは誘電体からなる基板上に、光共振器を構成する一対の反射ミラーおよびそれらの間の少なくとも1層の半導体層を有機金属気相成長法もしくは分子線エピタキシャル成長法により形成する工程と、
前記半導体層上にフォトレジストマスクを形成し、前記半導体層のうちの少なくとも1層を前記フォトレジストマスクを用いてエッチングして、1本または複数本の柱状に形成する工程と、
前記柱状の半導体層の周囲にII−VI族化合物半導体をエピタキシャル成長させて埋め込み層を形成する工程と、を含み、
前記反射ミラーのうちの光出射側反射ミラーは、基板から連続的にIII−V族化合物半導体からなる第1の層と、該第1の層と屈折率の異なるIII−V族化合物半導体からなる第2の層を交互に積層成長させたのち、該第2の層上に光出射口を設けた金属電極を形成し、かつ該光出射口上に誘電体からなる第3の層と、該第3の層と屈折率の異なる誘電体からなる第4の層とを交互に積層させることを特徴とする。
【0013】
また、この場合、前記II−VI族化合物半導体エピタキシャル層は、II族有機化合物およびVI族有機化合物からなる付加体と、VI族水素化合物とを原料として有機金属化学気相成長法により形成されることが望ましい。
【0014】
また、本発明は、基板に垂直な方向に光を出射する面発光型半導体レーザにおいて、
一対の反射ミラーとそれらの間の複数層の半導体層とを有し、前記半導体層のうちの少なくとも1層が1本または複数本の柱状に形成されている光共振器と、
柱状の前記半導体層の周囲に埋め込まれたII−VI族化合物半導体エピタキシャル層と、
前記半導体層上に形成され光出射口を有する金属電極と、
少なくとも前記光出射口内に設けられた位相シフト層と、を含み、
前記位相シフト層の材質は、発振周波数に対する吸収係数が少なく、位相シフト層との境界に接する前記半導体層と略等しい屈折率をもつ材質であることを特徴とする。
【0015】
また、本発明は、基板に垂直な方向に光を出射する面発光型半導体レーザにおいて、
一対の反射ミラーとそれらの間の複数層の半導体層とを有し、前記半導体層のうちの少なくとも1層が1本または複数本の柱状に形成されている光共振器と、
柱状の前記半導体層の周囲に埋め込まれたII−VI族化合物半導体エピタキシャル層と、
前記半導体層上に形成され光出射口を有する金属電極と、
少なくとも前記光出射口内に設けられた位相シフト層と、を含み、
前記位相シフト層の膜厚は、前記光出射口の下において発生する定在波の波長を前記金属電極の下において発生する定在波の波長と略等しくなる厚さに設定されていることを特徴とする。
【0016】
この場合、前記位相シフト層の材質は、この位相シフト層に連続的に誘電体材料からなる光出射側の反射ミラーを形成できる誘電体材料であることが好ましい。
【0017】
また、前記位相シフト層の材質は、前記半導体層を連続的に再成長させて形成できる前記半導体層と同一材料であってもよい。
【0018】
また、前記位相シフト層の材質は、前記光共振器の表面の少なくとも光出射口内に塗布形成できる有機材料であってもよい。
【0019】
【作用】
本発明に係る面発光型半導体レーザによれば、光出射側の反射ミラーを光共振器径と同じ大きさの半導体多層膜と金属電極、および光出射口を覆う誘電体多層膜ミラーで構成することにより、電極下に半導体多層膜ミラーが存在するため、電極下の光共振器の反射率を増加させることが可能となり、これにより光共振器内の効率が落ちないので、高効率な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【0020】
また、本発明に係る製造方法においては、光出射側の反射ミラーのうち、半導体多層膜ミラーは、光共振器を構成する活性層などといっしょに基板から連続して結晶成長可能であることから、作製が極めて簡単であり、非常に安定に、再現性よく上記の面発光型半導体レーザを実施できる製造方法である。
【0021】
また、本発明に係る面発光型半導体レーザによれば、金属電極の光出射口内には位相シフト層が設けられており、これにより、金属電極の下と光出射口の下に発生する定在波の波長を略等しくできる。従って、光共振器内に発生する定在波を一様にでき、光共振器内の全ての領域を有効なレーザ共振器として機能させることができるため、高効率な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
【0023】
(1)実施例1〜3
実施例1〜3は、光出射側の反射ミラーを、半導体多層膜と金属電極、および光出射口を覆う誘電体多層膜ミラーで構成した場合の実施例である。これらの実施例では、p型オーミック電極の下に、分布反射型多層膜ミラーが配置されるため、電極下の光共振器の反射率を増加させることが可能となり、高効率な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【0024】
(a)実施例1
図1は本発明の第1の実施例における(100)半導体レーザの発光部の断面を示す斜視図であり、また、図2(a)〜(f)は当該実施例における半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【0025】
以下、本実施例に係わる(100)半導体レーザの構成および製造工程について、図2(a)〜(f)に従って説明する。
【0026】
▲1▼まず、(102)n型GaAs基板上に、(103)n型GaAsバッファ層を形成し、さらに、n型Al0.7Ga0.3As層とn型Al0.1Ga0.9As層からなり波長870nm付近の光に対し98%以上の反射率を持つ30ペアの(104)分布反射型多層膜ミラーを形成する。
【0027】
続いて、(105)n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層、(106)p型GaAs活性層、(107)p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層、そして、p型Al0.7Ga0.3As層とp型Al0.1Ga0.9As層からなり波長870nm付近の光に対し75%以上の反射率を持つ5ペアの(114)分布反射型多層膜ミラーと(108)p型Al0.1Ga0.9Asコンタクト層を、順次、MOCVD法でエピタキシャル成長させる(図2(a))。このとき、本実施例では、成長温度を700℃とし、成長圧力を150Torrとし、III族原料としてはTMGa(トリメチルガリウム)およびTMAI(トリメチルアルミニウム)の有機金属を、V族原料としてはAsH3を、n型ドーパントとしてはH2Seを、p型ドーパントとしてはDEZn(ジエチルジンク)を、それぞれ用いる。
【0028】
▲2▼上記エピタキシャル成長後、熱CVD法によって、表面に(112)SiO2層を形成し、さらに、反応性イオンビームエッチング法(以下、「RIBE法」と記す)により、(113)レジストで覆われた柱状の発光部を残して、(107)p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層の途中まで、エッチングを行う(図2((b))。この際、本実施例では、エッチングガスとしては塩素とアルゴンの混合ガスを用いることとし、ガス圧を1×10-3Torrとし、引出し電圧を400Vとする。ここで、(107)p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層の途中までしかエッチングしないのは、活性層の水平方向の注入キャリアと光を閉じ込めるための構造を、リブ導波路型の屈折率導波構造とするためである。
【0029】
▲3▼次に、この(107)p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層上に、埋め込み層を形成する。このために、本実施例では、まず、(113)レジストを取り除き、次に、MBE法域はMOCVD法などにより、(109)ZnS0.06Se0.94層を埋め込み成長させる(図2(c))。
【0030】
例えば、DMZn−DMSeの付加体(ジメチル亜鉛とジメチルセレンの付加体)とH2Se(セレン化水素)を原料に用いたMOCVD法で成長温度275℃、成長圧力70Torrで埋め込み成長を行った。
【0031】
▲4▼更に、(112)SiO2層を除去し、続いて、(108)コンタクト層の表面に発光部の径よりもやや小さい領域を(113)レジストで形成する(図2(d))。
【0032】
▲5▼その後、この表面に(110)p型オーミック電極を蒸着し、リフトオフ法を用いて、発光部表面に出射口を開ける(図2(e))。
【0033】
▲6▼しかる後に、(110)p型オーミック電極のない発光部の上を覆うように2ペアの(111)SiO2/a−Si誘電体多層膜ミラーを電子ビーム蒸着により形成し、さらに(102)n型GaAs基板側に(101)n型オーミック電極を蒸着する(図2(f))。そして、最後に、N2雰囲気中で、400℃のアロイングを行う。
【0034】
このように作成した本実施例の(100)面発光型半導体レーザは、埋め込みに用いたZnS0.06Se0.94層がIGΩ以上の抵抗を有し、(109)埋め込み層への注入電流の漏れが起こらないため、極めて有効な電流狭窄が達成される。また、(109)埋め込み層は多層構造にする必要が無いため容易に成長させることができ、バッチ間の再現性も高い。
【0035】
また、この面発光半導体レーザはリブ導波路構造となるので、ZnS0.06Se0.94層の下方の活性層と共振器部の活性層の屈折率差が大きくなり、有効な光閉じ込めも同時に達成される。
【0036】
また、埋め込み層としてのII−VI族化合物半導体がII族有機化合物およびVI族有機化合物からなる付加体とVI族水素化物とを原料とすることにより、従来と比較して非常に低い温度で埋め込み層を形成することが可能となる。したがって、埋め込み層を形成する際の熱によって共振器を形成する各層の結晶性が悪化することを防止でき、同時に、結晶性に優れ、十分な均一性を有する埋め込み層を得ることができる。II族原料とVI族原料とを使用して一般の手法でMOCVD法を実施すると、埋め込み層を形成する際の温度が非常に高温(600℃以上)となる。このため、このときの熱によって、共振器を形成する各層に転移や欠陥が生じて結晶性が悪化すること、これらの各層と埋め込み層との界面で相互拡散が生じてしまうこと、また、埋め込み層自体の結晶性が悪く、十分な均一性を得ることができないことなどの幾つかの問題があった。しかし、前記付加体およびVI族水素化物を用いることにより、MOCVDにおける温度を500℃以下、好ましくは300℃以下と低くすることができ、これらの問題を解消することができた。
【0037】
また、本実施例では、図2(f)に示すように、光出射側の反射ミラーは、(110)p型オーミック電極の下に半導体多層膜ミラーからなる(114)分布反射型多層膜ミラーが配置されるような構成となっている。従って、電極下の光共振器の反射率を増加させることが可能となり、高効率な面発光型半導体レーザを提供することができる。そして、これにより、(110)p型オーミック電極と半導体層との接触面積を大きくすることが可能となるため、この部分での抵抗を少なくすることができる。この結果、この部分での熱の発生を抑えることができ、半導体レーザの高効率化、信頼性の向上を図ることができる。
【0038】
また、本実施例に係る製造方法では、光出射側の反射ミラーのうち、(114)分布反射型多層膜ミラーは、光共振器を構成する活性層などといっしょに基板から連続して結晶成長可能である。従って、作製が極めて簡単であり、非常に安定に、再現性よく面発光型半導体レーザを提供でき、信頼性、歩留まり等を向上させることができる。
【0039】
なお、本実施例では、発光部上の反射ミラーの反射率は、半導体多層膜ミラーからなる(114)分布反射型多層膜ミラーと(111)誘電体多層膜ミラーが合わさることにより、発振波長870nmで96%以上とすることができる。
【0040】
また、出射口側の反射ミラーを半導体多層膜ミラーからなる(114)分布反射型多層膜ミラーと、(111)誘電体多層膜ミラーで構成したのは、すべて半導体多層膜ミラーにすると96%以上の反射率を得るためには40層以上の半導体層を制御よく形成する必要があり、また、40層以上の半導体層の垂直方向の電気抵抗は非常に大きくなり、面発光半導体レーザ自体の素子抵抗を大きくしてしまう問題が発生したためである。
【0041】
(b)実施例2
図3は本発明の第2の実施例における半導体レーザ(200)の発光部の断面を示す斜視図であり、また、図4(a)〜(f)は当該実施例における半導体レーザ(200)の製造工程を示す断面図である。
【0042】
本実施例の半導体レーザ(200)は、発光部を(208)p型Al0.1Ga0.9Asコンタクト層から(205)n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層の一部までを柱状に形成した点で、上述の実施例1と異なる。
【0043】
以下、本実施例の構成および製造工程について、図4(a)〜(f)にしたがって説明する。
【0044】
▲1▼まず、(202)n型GaAs基板上に、(203)n型GaAsバッファ層を形成し、さらに、n型AlAs層とn型Al0.1Ga0.9As層からなり波長870nm付近の光に対し98%以上の反射率を持つ30ペアの(204)分布半導体多層膜ミラーを形成する。続いて、(205)n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層、(206)p型GaAs活性層、(207)p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層と成長させ、さらに、p型AlAs層とp型Al0.1Ga0.9As層からなり波長870nm付近の光に対し75%以上の反射率を持つ5ペアの(214)分布反射型多層膜ミラーを形成し、その上に(208)p型Al0.1Ga0.9Asコンタクト層を、順次、MOCVD法でエピタキシャル成長させる(図4(a))。このとき、本実施例では、成長温度を700℃とし、成長圧力を150Torrとし、III族原料としてはTMGa(トリメチルガリウム)およびTMAI(トリメチルアルミニウム)の有機金属を、V族原料としてはAsH3を、n型ドーパントとしてはH2Seを、p型ドーパントとしてはDEZn(ジエチルジンク)を、それぞれ用いる。
【0045】
前記、(204)および(214)分布反射型多層膜ミラーの形成においては、層形成中に(204)分布反射型多層膜ミラーではH2Se供給量を、また(214)分布反射型多層膜ミラーではDEZn供給量を制御することにより、層の界面近傍のドーパント濃度を高める。
【0046】
▲2▼次にRIBE法により、(213)レジストで覆われた柱状の発光部を残して、(205)n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層の途中まで、エッチングを行う(図4(b))。この際、本実施例では、エッチングガスとしては塩素とアルゴンの混合ガスを用いることとし、ガス圧を1×10-3Torrとし、引出し電圧を400Vとする。
【0047】
▲3▼次に、このエッチング領域上に、埋め込み層を形成する。このために、本実施例では、まず、(213)レジストを取り除き、次に、MBE法或はMOCVD法などにより、(209)ZnS0.06Se0.94層を埋め込み成長させる(図4(c))。
【0048】
▲4▼更に、(212)SiO2層を除去し、続いて、(208)コンタクト層の表面に発光部の径よりもやや小さい領域をレジストで形成する(図4(d))。
【0049】
▲5▼しかる後に、この表面に(210)p型オーミック電極を蒸着し、リフトオフ法を用いて、発光部表面に出射口を開ける(図4(e))。
【0050】
▲6▼その後、出射口の上を覆うように2ペアの(211)SiO2/a−Si誘電体多層膜ミラーを電子ビーム蒸着により形成する。さらに(202)n型GaAs基板側に(201)n型オーミック電極を蒸着する(図4(f))。そして、最後に、N2雰囲気中で、400℃のアロイングを行う。
【0051】
以上の工程により、図3に示したような、埋め込み構造を持つ(200)面発光半導体レーザを得ることができる。
【0052】
このように作成した本実施例の(200)面発光半導体レーザにおいても、埋め込みに用いたZnS0.06Se0.94層がIGΩ以上の抵抗を有し、(209)埋め込み層への注入電流の漏れが起こらないため、極めて有効な電流狭窄が達成される。また、(209)埋め込み層は多層構造にする必要が無いため容易に成長させることができ、バッチ間の再現性も高い。さらに、GaAsに比べ屈折率が十分に小さいZnS0.06Se0.94層を用い、(206)活性層を埋め込んだ埋め込み型の屈折率導波路構造により、より効果的な光の閉じ込めが実現される。
【0053】
また(204)および(214)分布反射型多層膜ミラーを構成する層の界面近傍のキャリア濃度を高めているため、伝導帯の障壁が薄くなり、電子がトンネル伝導しやすくなり、また価電子帯のバンド急峻性もなだらかになるため、正孔も電導しやすくなるため、多層膜に垂直な方向の電気抵抗が小さい。
【0054】
また、ここでドーピングによってキャリア濃度を高めているのは層の界面近傍のみであることから、高濃度ドーピングによる膜質の悪化はない。
【0055】
(c)実施例3
図5は本発明の第3の実施例における半導体レーザ(300)の発光部の断面を示す斜視図であり、図6(a)〜(f)は当該実施例における半導体レーザ(300)の製造工程を示す断面図である。
【0056】
本実施例の半導体レーザ(300)は、(307)p型Al0.5Ga0.5Asクラッド層を、互いに分離溝で分離された複数の柱状部で発光部を形成した点で、上述の実施例1および実施例2と異なる。
【0057】
以下、本実施例の構成および製造工程について図6(a)〜(f)にしたがって説明する。
【0058】
▲1▼まず、(302)n型GaAs基板上に、(303)n型GaAsバッファ層を形成し、さらに、n型Al0.9Ga0.1As層とn型Al0.2Ga0.8As層からなり波長780nmを中心に±30nmの光に対して98%以上の反射率を持つ25ペアの(304)半導体多層膜ミラーを形成する。続いて、(305)n型Al0.5Ga0.5Asクラッド層、(306)p型Al0.13Ga0.87As活性層、(307)p型Al0.5Ga0.5Asクラッド層、そして、p型Al0.9Ga0.1As層とp型Al0.2Ga0.8As層からなり波長780nm付近の光に対し75%以上の反射率を持つ5ペアの(315)分布反射型多層膜ミラーと(308)p型Al0.15Ga0.85Asコンタクト層を順次MOCVD法でエピタキシャル成長させる(図6(a))。本実施例では、このときの成長条件を、成長温度を720℃、成長圧力150Torrとするとともに、III族原料にはTMGa(トリメチルガリウム)およびTMAI(トリメチルアルミニウム)の有機金属を、V族原料にはAsH3、n型ドーパントにTMSi(テトラメチルシラン)、p型ドーパントにDEZn(ジエチルジンク)を、それぞれ用いる。
【0059】
また、(304)半導体多層膜ミラー成長時に、成長表面に紫外光を断続的に照射し、ミラーを形成しているn型Al0.9Ga0.1As層とn型Al0.2Ga0.8As層の界面近傍のキャリア濃度を上げて、(304)半導体多層膜ミラーの抵抗を低減している。
【0060】
▲2▼次に、表面に常圧熱CVD法により(312)SiO2層を形成し、さらにその上にフォトレジストを塗布、フォトリソグラフィー工程を施し、必要なパターンを作製する。その際、レジストパターンの側面が基板面に対して、垂直になるようなパターン作製条件で行ない、作製後は、側面のだれの原因となる温度加熱を行なわない。
【0061】
▲3▼その後、このパターンをマスクにして、CF4ガスをエッチングガスにした反応性イオンエッチング(RIE)を行い(312)SiO2層を除去する。以上のようにして、必要なパターン形状を持ちながら、更に基板に対して垂直な側面を持った(313)レジストと(312)SiO2層によるパターンが作成できる(図6(b))。
【0062】
▲4▼続いて、この垂直な側面を持った(313)レジストをマスクにして、RIBE法を用いて、柱状の発光部を残してエッチングを行う。この時、発光部を形成する複数の柱状部の間は(307)p型Al0.5Ga0.5Asクラッド層の途中まで、エッチングを行う(図6(c))。この際、本実施例では、エッチングガスには塩素とアルゴンの混合ガスを用い、ガス圧力5×10-4Torr、プラズマ引出し電圧400V、エッチング試料上でのイオン電流密度400μA/cm2、試料温度を20℃に保って行うこととする。
【0063】
ここで、発光部を(307)p型Al0.5Ga0.5Asクラッド層の途中までしかエッチングしないのは、活性層の水平方向の注入キャリアと光の閉じ込めを、屈折率導波型のリブ導波路構造にして、活性層内の光の一部を活性層水平方向に伝達できるようにするためである。
【0064】
また、レジストとして垂直な側面を持った(313)レジストを使用し、さらに、エッチング方法としてエッチング試料に対して垂直にイオンをビーム状に照射してエッチングを行なうRIBE法を用いることにより、近接した(320)発光部を、基板に垂直な(314)分離溝で分離させることができるとともに、面発光型半導体レーザの特性向上に必要な垂直光発振器を作製することが可能となっている。
【0065】
▲5▼次に、この(307)p型Al0.5Ga0.5Asクラッド層上に、埋め込み層を形成する。このために、本実施例では、まず(313)レジストを取り除き、次に、MBE法あるいはMOCVD法などにより、(309)ZnS0.06Se0.94層を埋め込み成長させる(図6(d))。
【0066】
▲6▼さらに、(312)SiO2層とその上にできた多結晶状のZnSSeを除去し、続いて、(303)コンタクト層の表面に発光部の径よりやや小さい領域をレジストで形成する。この表面に(310)p型オーミック電極を蒸着し、リフトオフ法を用いて、発光部表面に出射口を開ける(図6(e))。ここで、出射側の(310)p型オーミック電極は、各(320)発光部の各(308)コンタクト層に導通するように形成される。
【0067】
▲7▼その後、出射口の上を覆うように2ペアの(311)SiO2/a−Si誘電体多層膜ミラーを電子ビーム蒸着により形成する。さらに(302)n型GaAs基板側に(301)n型オーミック電極を蒸着する(図6(f))。そして、最後に、N2雰囲気中で、400℃のアロイングを行う。
【0068】
ここで、本実施例の(300)半導体レーザではZnS0.06Se0.94で埋め込んだ(314)分離溝上にも(311)誘電体多層膜ミラーを作製することとしたので、発光部に挾まれた領域にも垂直共振器構造が形成され、したがって、(314)分離溝にもれた光も有効にレーザ発振に寄与し、また、漏れた光を利用するので、(320)発光部の位相に同期した発光となる。
【0069】
以上のように、図5に示したような(320)発光部を持った(300)面発光型半導体レーザを得ることができる。
【0070】
このように作成した本実施例の(300)面発光半導体レーザにおいても、埋め込みに用いたZnS0.06Se0.94層がIGΩ以上の抵抗を有し、(309)埋め込み層への注入電流の漏れが起こらないため、極めて有効な電流狭窄が達成される。また、(209)埋め込み層は多層構造にする必要がないため容易に成長させることができ、バッチ間の再現性も高い。また、この面発光半導体レーザはリブ導波路構造となるので、ZnS0.06Se0.94層の下方の活性層と共振器部の活性層の屈折率差が大きくなり、有効な光閉じ込めも同時に達成される。
【0071】
また、本実施例の(300)面発光半導体レーザではZnS0.06Se0.94で埋め込んだ(314)分離溝上にも(311)誘電体多層膜ミラーを作成することとしたので、発光部に挾まれた領域にも垂直共振器構造が形成され、従って、(314)分離溝に漏れた光も有効にレーザ発振に寄与し、また漏れた光を利用するので(320)発光部の位相が同期した発光となる。
【0072】
(2)実施例4〜6
実施例4〜6は、図7(a)に示すように、(431)光出射口に(430)位相シフト層を設けた実施例である。
【0073】
具体的には、(431)光出射口に適当な厚さの(430)位相シフト層を設け、その上に(411)誘電体多層膜ミラーを形成することにより、(431)光出射口の下に発生する定在波の実効共振器長を変化させ、(411)誘電体多層膜ミラーの反射面を、(410)p型オーミック電極の内部の(16)仮想反射面と同じ位置にする。
【0074】
これにより、図7(b)に示すように、(431)光出射口の下に発生する定在波の波長λ1と、(410)p型オーミック電極の下に発生する定在波の波長λ2が等しくなるため、波光共振器内に生じる定在波を素子内で一様にすることができ、素子体積の全てを有効にレーザ共振器として機能させることが可能となる。
【0075】
このような位相シフト層の材質の条件としては、発振波長に対してほぼ透明であること、屈折率が半導体に近い材質であることが必要である。半導体界面との境界面での反射の影響を無視できることが望ましいからである。
【0076】
更に、より性能が良く、信頼性の高い半導体レーザを提供するためには、(430)位相シフト層の作製の際に半導体表面にダメージを与えないような形成方法を用いることが好ましい。このためには、200℃以下の低温で位相シフト層を形成でき、レジストを用いたリフトオフ法を用いることができるプロセスが望まれる。
【0077】
(a)実施例4
本実施例は、位相シフト層の材質として、誘電体材料、例えばアモルファスシリコン(以下、a−Siと称する)を用いた場合の実施例であり、図8(a)〜(e)には、本実施例に係る半導体レーザの製造工程の断面図が示される。
【0078】
なお、本実施例は、実施例2において、半導体多層膜ミラーからなる(204)分布反射型多層膜ミラーを設ける代わりに、位相シフト層を設けて、リング状のp型オーミック電極の存在により生じる問題点を解決するものである。従って、図8には、図4(e)に示すp型オーミック電極を蒸着し光出射口を開けた後の工程のみが示されており、その前の工程は省略している。
【0079】
以下、本実施例の構成および製造工程について、図8(a)〜(e)にしたがって説明する。
【0080】
▲1▼まず、(410)p形オーミック電極を形成し(431)光出射口を開けた後(図8(a))、(433)レジストで、位相シフト層を形成する以外の部分に、(431)光出射口が露出するようにパターンを形成する(図8(b))。
【0081】
▲2▼次に、(430)位相シフト層となるa−Siを、所定の膜厚dの厚さにEB蒸着法等を用いて蒸着する(図8(c))。即ち、この後に形成する(411)誘電体多層膜ミラーの反射面が、(410)p型オーミック電極の内部の仮想反射面と同じ位置になるような膜厚の(430)位相シフト層を形成する。この場合、同図に示すように、半導体層およびp型オーミック電極の上のみならず、(433)レジストの上にもa−Siが蒸着されることとなる。
【0082】
▲3▼次に、このまま、即ち、同じ炉内で連続的に4ペアの(411)SiO2/a−Si誘電体多層膜ミラーを蒸着する(図8(d))。このように本実施例では、位相シフト層と誘電体多層膜ミラーを同じ炉内で連続して形成できるため、レーザー特性、プロセスの歩留まり、信頼性の向上等を図ることができる。
【0083】
▲4▼次に、これをアセトン液に入れ超音波振動を加えてリフトオフする。即ち、(433)レジストおよび、このレジストの上に堆積された(430)位相シフト層、(411)誘電体多層膜ミラーをリフトオフにより除去し、その後、(402)n型GaAs基板側に(401)n型オーミック電極を蒸着する(図8(e))。最後に、N2雰囲気下で、400℃のアロイングを行う。
【0084】
以上の工程により、図8(e)に示すように、(431)光出射口の上に、(430)位相シフト層と(411)誘電体多層膜ミラーとがサンドウイッチされた構造の上部反射ミラーを形成することができる。なお、この場合、(430)位相シフト層は、少なくとも(431)光出射口内にあればよく、同図に示すように、(410)p型オーミック電極を覆うような構造であってもよいし、覆わずに(431)光出射口内にのみ存在する構造であってもよい。
【0085】
さて、本実施例では、(430)位相シフト層の材質として、a−Siを使用している。a−Siの屈折率は、(430)位相シフト層の下に形成される(408)p型Al0.15Ga0.85Asコンタクト層の屈折率と比較的近い。また、a−Siは、780nm付近で光吸収が少し存在するが、それ以外の領域、例えば870nm付近での光吸収係数が少ない。従って、この領域での発振周波数をもつ半導体レーザに使用される位相シフト層の材質として好適なものとなる。
【0086】
また、a−Si等の誘電体材料を用いることで、前記したように、(430)位相シフト層の形成に連続して、同じ炉内で(411)誘電体多層膜ミラーを形成できるので、プロセスが複雑にならず工程が少なく、簡易な製造方法を得ることができ、また、信頼性、レーザ特性の向上等を図ることができる。
【0087】
更に、a−Siを使用した(430)位相シフト層は、室温で形成できるため、レジストマスクを用いたリフトオフ法によるパターニングが可能となる。従って、ドライエッチング等の手法を用いてパターニングする場合に比べて、半導体レーザの表面がエッチング中にダメージを受けにくく、また、工程を簡易にすることができる等の有利点がある。
【0088】
なお、本実施例の位相シフト層に使用される誘電体材料としては、a−Siに限らず、SixNy、TiO2、CeO2、ZnSSe、GaAs、CdS等の各種の誘電体材料を使用することができる。
【0089】
例えば、SixNy、TiO2、CeO2は、前記したa−Siと同様に、幅広い範囲で光吸収係数が少なく、また、位相シフト層の下に形成される(408)p型Al0.15Ga0.85Asコンタクト層と屈折率が比較的近い。従って、本実施例の位相シフト層として好適なものとなる。また、200℃以下の温度にて成長させることが可能であるため、前記したリフトオフ法を用いてパターニングすることができ、半導体レーザの表面がダメージを受けにくいという有利点をもっている。
【0090】
これに対し、ZnSSe、GaAs、CdSは、200℃以下の温度にて成長させることが難しい。従って、成長の際に(433)レジストが変形してしまい、リフトオフ法を用いてパターニングすることは困難である。しかし、これらの誘電体材料は前記のa−Siに比べて、より幅広い範囲で光吸収係数が少なく、例えば780nmにおいての光吸収がほとんどない点で有利点をもつ。
【0091】
このように、位相シフト層のパターニングに際して、リフトオフ法を用いることができない誘電体材料に対しては、図9(a)〜(e)に示す製造工程により、ドライエッチング法を用いて所望のパターニングを行う。
【0092】
▲1▼まず、(410)p形オーミック電極を形成し(431)光出射口を開けた後(図9(a))、MOCVD法、MBE法を用いて、ZnSSe、GaAs等からなる(430)位相シフト層を、所定の膜厚dの厚さになるように半導体レーザの表面の全面に形成する(図9(b))。
【0093】
▲2▼次に、エッチングを行いたい部分以外の領域に、(435)レジストを形成する(図9(c))。
【0094】
▲3▼次に、ドライエッチング法を用いて、(430)位相シフト層をエッチングする(図9(d))。
【0095】
▲4▼次に、(433)レジストを形成し、その後、半導体レーザの全面に4ペアの(411)SiO2/a−Si誘電体多層膜ミラーを蒸着する(図9(e))。
【0096】
▲5▼次に、これをアセトン液に入れ超音波振動を加えてリフトオフし、その後、(402)n型GaAs基板側に(401)n型オーミック電極を蒸着する(図9(f))。最後に、N2雰囲気下で、400℃のアロイングを行う。
【0097】
(b)実施例5
本実施例は、MBE法、MOCVD法等を用いて、半導体層を再成長させて位相シフト層を形成した場合の実施例であり、図10(a)〜(c)には、本実施例に係る半導体レーザの製造工程の断面図が示される。
【0098】
なお、前記の実施例4と同様に、図10には、p型オーミック電極を蒸着し光出射口を開けた後の工程のみが示されており、その前の工程は省略されている。
【0099】
以下、本実施例の構成および製造方法について説明する。
【0100】
▲1▼まず、本実施例では、(510)p形オーミック電極を形成し、(531)光出射口を開けた後(図10(a))、MBE法、MOCVD法などを用いて半導体層を再成長させ、所望の膜厚dになるように(530)位相シフト層を形成する(図10(b))。即ち、比較的低温、例えば400℃以下で半導体層が成長可能な結晶方法を用いて、光共振器表面に、(508)p型Al0.15Ga0.85Asコンタクト層と同じ組成の半導体層を形成し、これを(530)位相シフト層とする。
【0101】
▲2▼その後、(531)光出射口の上を覆うように、2ペアの(511)SiO2/a−Si誘電体多層膜ミラーを電子ビーム蒸着により形成する。さらに(502)n型GaAs基板側に(501)n型オーミック電極を蒸着する(図10(c))。そして、最後に、N2雰囲気中で、400℃のアロイングを行う。
【0102】
本実施例によれば、(530)位相シフト層は、その下にある(508)p型Al0.15Ga0.85Asコンタクト層を再成長させることにより形成でき、これらを同一材料で形成することができることとなる。従って、(530)位相シフト層と(508)p型Al0.15Ga0.85Asコンタクト層との境界における光の界面反射、光吸収など光に関する問題を無視することができる。この結果、(530)位相シフト層を挿入したことによるレーザー特性の悪化をほとんど無視することができ、優れた性能の半導体レーザを提供できることとなる。
【0103】
また、この半導体層の再成長を行う工程は、下にあるクラッド層、活性層等の半導体層と同様のプロセスにより行うことができ、このプロセスでは、通常、MBE法、MOCVD法を用いて、数オングストローム単位で膜厚dを制御できる。従って、(531)光出射口の下と(510)p型オーミック電極の下とに発生する定在波の波長λ1、λ2がほとんど等しくなるように、膜厚dを制御することが可能となる。この結果、光共振器内に生じる定在波を素子内で一様にすることができ、レーザ特性を大幅に向上させることが可能となる。
【0104】
(c)実施例6
本実施例は、p型オーミック電極を形成後、ポリイミド、PMMA等の有機材料を、半導体レーザの表面上にスピンコート等の塗布方法を用いて位相シフト層を形成した実施例であり、図11(a)〜(e)には、本実施例に係る半導体レーザの製造工程の断面図が示される。
【0105】
なお、前記の実施例4、5と同様に、図11には、p型オーミック電極を蒸着し光出射口を開けた後の工程のみが示されており、その前の工程は省略されている。
【0106】
以下、本実施例の構成および製造方法について説明する。
【0107】
▲1▼まず、本実施例では、(610)p形オーミック電極を形成し(631)光出射口を開けた後(図11(a))、スピンコート等の塗布方法により、所望の膜厚dになるように、ポリイミド、PMMA等の有機材料からなる(630)位相シフト層を、半導体レーザの全面に形成する(図11(b))。
【0108】
▲2▼次に、(610)p型オーミック電極上の(630)位相シフト層を、ウエットエッチングまたはドライエッチングによりエッチングして、(630)位相シフト層のパターニングを行う(図11(c))。
【0109】
▲3▼次に、(633)レジストを形成し、その後、半導体レーザの全面に4ペアの(611)SiO2/a−Si誘電体多層膜ミラーを蒸着する(図11(e))。
【0110】
▲4▼次に、これをアセトン液に入れ超音波振動を加えてリフトオフし、その後、(602)n型GaAs基板側に(601)n型オーミック電極を蒸着する(図11(f))。最後に、N2 雰囲気下で、400℃のアロイングを行う。
【0111】
本実施例によれば、(630)位相シフト層を、スピンコート等の塗布工程により形成できるために、製造方法を非常に簡易なものとすることができる。
【0112】
また、ここに挙げたポリイミド、PMMAなどの有機材料は、幅広い範囲で光吸収係数が少なく、例えば870nmにおいての光吸収がほとんどない。また、屈折率も、下にある半導体層と比較的近い。従って、本実施例における位相シフト層の材質として好適なものとなる。但し、上記したポリイミド、PMMA以外の有機材料であっても、少なくとも、(1)発振波長に対して透明であること、(2)屈折率が下にある半導体層と比較的近いこと、という2つの条件を満たせば、本実施例における位相シフト層の材質として使用することができる。
【0113】
(d)位相シフト層の膜厚dの制御
金属と半導体の界面における反射波の位相変化は、金属の材質や膜厚によって変動するものである。従って、位相シフト層の膜厚dは、例えば、以下に述べる手法によりこれを求めて制御することが好ましい。以下、この手法を図12(a)、(b)を用いて説明する。なお、図12では、設計波数がm=1(1/2)の場合について示されている。
【0114】
まず、上部反射膜、位相シフト層のない半導体レーザを作製し、そのLEDスペクトルを測定する。図12(a)には、この測定結果の一例が示されており、同図に示すように、光出射口の下に生じる定在波の波長のピークλ1とp型オーミック電極の下の定在波の波長のピークλ2が測定できる。
【0115】
次に、図12(b)に示すように、設計波数mに、この測定されたλ1を乗算することにより実効共振器長L1が求められる。
【0116】
L1=m×λ1
また、同図に示されるように、設計波数mに、この測定されたλ2を乗算することにより最終的に必要な実効共振器長L2が求められる。
【0117】
L2=m×λ2
そして、このL1とL2の差ΔLが実効共振器長の変化分となる。
【0118】
ΔL=L2−L1
最後に、このΔLを、位相シフト層を形成する材質の屈折率nで除算することにより、形成すべき位相シフト層の膜厚dが求まることとなる。
【0119】
d=ΔL/n
位相シフト層を形成する際には、位相シフト層の膜厚が、以上のようにして求められた膜厚dとなるように、プロセスの制御を行うこととなる。
【0120】
なお、位相シフト層の膜厚dを安定して制御できない場合、あるいは、より高精度に膜厚dの制御を行いたい場合は、以下のような手法により膜厚dの制御を行う。
【0121】
即ち、所定の膜厚をもつ位相シフト層を設けた半導体レーザを作製し、上記した手法と同様に、LEDスペクトルにより波長λ1、λ2を測定する。そして、下記に示す式により、設定すべき膜厚との差Δd(λ1とλ2が等しくするためのΔd)を求める。
【0122】
Δd=m×(λ2ーλ1)/n
そして、このΔdを逐次プロセスにフィードバックして、このΔdが0となるように、膜厚dのプロセス条件を変化させる。これにより、膜厚dを安定して制御することができ、より高精度に膜厚dを制御することが可能となる。
【0123】
なお、金属−半導体界面での反射波の位相シフトφを、外部からレーザ光を与えるなどの方法により直接に測定し、この測定値より、実効共振器長の変化分ΔL、および位相シフト層の膜厚dを近似して、膜厚dの制御を行うことも可能である。
【0124】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【0125】
例えば、上述の各実施例では、GaAlAs系面発光型半導体レーザについて説明したが、本発明はこれに限らず、その他のIII−V族系の面発光型半導体レーザにも好適に適用でき、特に活性層はAlの組成を替えることで発振波長を変更することもできる。
【0126】
また、埋め込み層もZnSSe混晶に限らずZnS−ZnSe超格子、他の
II−VI族化合物半導体、例えばZnSeやZnSやCdTeおよびその結晶またはこれらの材料系による超格子を埋め込み層に選んでも同様な効果が得られる。
【0127】
また、実施例1において、有機金属付加体としてジメチル亜鉛−ジメチルセレンを、水素化合物としてH2S(セレン化水素)を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば表1に示す組み合わせにより、それぞれの埋め込み層を形成することもできる。
【0128】
また、位相シフト層も、a−Siなどの単体のみならず、混晶でもよい。
【0129】
また、基板もGaAsにとらわれず、SiやInPなどの半導体基板やサファイヤのような誘電体基板でも同様な効果が得られた。
【0130】
また、実施例4〜6は、実施例2に対応した埋め込み型の屈折率導波路構造の半導体レーザを例にとり説明したが、本発明はこれに限らず、例えば実施例1に対応したリブ導波路構造の半導体レーザや、実施例3に対応した複数の柱状の半導体層を有する面発光型半導体レーザにも当然に適用できる。第3実施例に示すような複数の柱状の半導体層を有する位相同期型レーザに、位相シフト層を形成する場合には、複数の柱状の半導体層の表面および各柱状半導体層間の埋め込み層と対向する領域にわたって、位相シフト層を設けることができる。
【0131】
また、本発明を構成する光共振器は複数層の半導体層を有するが、ここにおける”複数層”の意味は、違う極性の層が複数あるという意味である。即ち、本発明を構成する光共振器は、少なくともp型の半導体層とn型の半導体層を有していればよく、例えば、半導体層を全て同じ材質のGaAs(極性だけ異なる)により形成する構造とすることも可能である。
【0132】
また、本発明を構成する一対の反射ミラーとしては、前述した実施例のように、光共振器と対向する両側の位置に、それぞれ一枚の反射ミラーを設けたものに限らない。例えば、光共振器と対向する位置に設けた出射側のミラーを複数枚のミラーで構成するもの、入射側のミラーを複数枚のミラーで構成するもの、出射側、入射側のミラーを共に複数枚のミラーで構成するものも含まれる。
【0133】
また、本発明の面発光型半導体レーザの応用範囲は、プリンタ、複写機などの印刷装置のみならず、ファクシミリ、ディスプレイ、通信機器にても全く同様な効果を有することは言うまでもない。
【0134】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る面発光型半導体レーザによれば、光出射側の反射ミラーを共振器径と同じ大きさの半導体多層膜とリング状電極、および光出射口を覆う誘電体多層膜ミラーで構成することにより、電極下に半導体多層膜ミラーが存在するため、電極下の共振器の反射率を増加させることが可能となりこれにより共振器内の効率が落ちないので、高効率な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【0135】
また、本発明に係る製造方法においては、光出射側の反射ミラーのうち、半導体多層膜ミラーは、共振器を構成する活性層などといっしょに基板から連続して結晶成長可能であるため、非常に安定に、再現性よく面発光半導体レーザを作成できる製造方法である。
【0136】
また、本発明に係る面発光型半導体レーザによれば、金属電極の下と光出射口の下に発生する定在波の波長を略等しくでき、光共振器内に発生する定在波を一様にできるため、高効率な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1に関わる半導体レーザの断面を示す斜視図である。
【図2】(a)〜(f)ともに、実施例1に関わる半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例における半導体レーザの断面を示す斜視図である。
【図4】(a)〜(f)ともに、実施例2に関わる半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図5】本発明の第3の実施例における半導体レーザの断面を示す斜視図である。.
【図6】(a)〜(f)ともに、実施例3に関わる半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図7】(a)、(b)は、位相シフト層を用いた実効共振器長の延長を説明する概略説明図である。
【図8】(a)〜(e)ともに、実施例4に関わる半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図9】(a)〜(f)ともに、位相シフト層のパターンニングにドライエッチングを用いた場合の実施例4に関わる半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図10】(a)〜(c)ともに、実施例5に関わる半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図11】(a)〜(e)ともに、実施例6に関わる半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図12】(a)、(b)ともに、位相シフト層の膜厚制御を行う手法について説明する概略説明図である。
【図13】改良前の半導体レーザの断面を示す斜視図である。
【図14】(a)〜(c)ともに、リング状のp型オーミック電極の存在により発生する定在波の波長の一様性の問題について説明する概略説明図である。
【符号の説明】
101、201、301、401、501、601、701 n型オーミック電極
102、202、302、402、502、602、702 n型GaAs基板
103、203、303、403、503、603、703 n型GaAsバッファ層
104、114、204、214、304、315、404、504、604、704 分布反射型多層膜ミラー
105、205、405、505、605、705 n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
106、206、406、506、606、706 p型GaAs活性層
107、207、407、507、607、707 p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層
108、208、408、508、608、708 p型Al0.1Ga0.9 Asコンタクト層
109、209、309、409、509、609、709 ZnS0.06Se0.94埋め込み層
110、210、310、410、510、610、710 p型オーミック電極
111、311、411、511、611、711 誘電体多層膜ミラー
112、212、312 SiO2層
113、213、313 レジスト
305 n型Al0.5Ga0.5Asクラッド層
306 p型Al0.13Ga0.87As活性層
307 p型Al0.5Ga0.5 Asクラッド層
308 p型Al0.15Ga0.85Asコンタクト層
314 分離溝
430、530、630、730 位相シフト層
431、531、631、731 光出射口
433、533、633、733 レジスト
435 レジスト
120、220、320 発光部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser that oscillates laser light in a direction perpendicular to a substrate and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Background]
In Japanese Patent Application No. 2-242000, the present applicant has proposed a surface emitting semiconductor laser in which an optical resonator is embedded with a II-VI group compound semiconductor.
[0003]
In this surface-emitting type semiconductor laser, as shown in FIG. 13, first, a (702) n-type GaAs substrate has a (703) n-type GaAs buffer layer, (704) a distributed reflection type multilayer mirror, and (705) n. Type Al0.4Ga0.6As cladding layer, (706) p-type GaAs active layer, (707) p-type Al0.4Ga0.6As cladding layer and (708) p-type Al0.1Ga0.9As contact layers are grown sequentially, then (707) p-type Al0.4Ga0.6As cladding layer and (708) p-type Al0.1Ga0.9The As contact layer is etched vertically leaving a cylindrical region, and (709) ZnS is formed around the cylindrical region.0.06Se0.94Then, (708) p-type Al is formed.0.1Ga0.9Constructed by depositing a (711) dielectric multilayer mirror in a region slightly smaller than the cylindrical diameter on the upper surface of the As contact layer, and finally forming a (710) p-type ohmic electrode and (701) an n-type ohmic electrode. Has been. (709) ZnS used for buried layer0.06Se0.94Since the layer has a high resistance and a low refractive index, current and light are efficiently confined, resulting in a high-performance surface-emitting semiconductor laser.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In this prior art, as shown in FIG. 13, a p-type ohmic electrode for injecting current into the active layer is formed on the optical resonator in a ring shape. It has been found that the presence of the ring-shaped (710) p-type ohmic electrode causes the following two problems.
[0005]
First, the reflectance of the (710) p-type ohmic electrode is smaller than the reflectance of the (711) dielectric multilayer mirror on the light emitting side. Therefore, there occurs a situation in which the efficiency of multiple reflection of light is reduced inside the optical resonator under the (710) p-type ohmic electrode. And to solve this situation, (708) p-type Al0. 1Ga0.9It is necessary to reduce the area of the contact portion between the As contact layer and the (710) p-type ohmic electrode. However, if the contact area of this part is reduced, this time, due to poor contact, etc., (710) p-type ohmic electrode and (708) p-type Al0.1Ga0.9The contact resistance with the As contact layer becomes extremely high, and the heat generated by this portion of resistance becomes extremely large. As a result, the supplied power is consumed in this portion, and new problems such as a decrease in efficiency in the optical resonator and a further improvement in the input current vs. optical output characteristics occur. Further, such heat generation is not preferable in terms of reliability.
[0006]
Next, due to the presence of the ring-shaped (710) p-type electrode, there also arises a problem that efficiency is lowered due to generation of a plurality of standing waves as shown in FIG.
[0007]
Usually, a surface emitting semiconductor laser has a small optical resonator length, and therefore can only produce a standing wave of one wavelength. Therefore, the wavelength of the standing wave in the optical resonator needs to be uniform in order for all the element volumes to function effectively as a laser resonator.
[0008]
However, as shown in FIG. 14 (a), the boundary conditions of light differ between (10) the interface between the dielectric and (14) the semiconductor, and (12) the interface between the metal and (14) the semiconductor. This is due to the difference in the phase shift of the reflected light at the boundary surface. When light traveling through a semiconductor is reflected at a dielectric interface with a low refractive index, the phase of the reflected wave at the interface is the same as the phase of the incident wave, so the antinode of the standing wave is formed at the interface It will be. On the other hand, when the light is reflected at the metal interface, the phase of the reflected wave changes (a value between 0 and π), so that it appears that light is reflected in the metal in a pseudo manner (virtual reflection surface). As a result, the antinodes of standing waves cannot be formed at the boundary surface.
[0009]
Therefore, in the structure using the ring-shaped (710) p-type ohmic electrode as in the surface emitting semiconductor laser shown in FIG. 14B, the standing wave generated under the electrode and the (711) dielectric multilayer mirror The standing wave generated below the state is different, so the resonance wavelengths do not match. Therefore, the portion under the ring-shaped (710) p-type ohmic electrode in the volume of the resonator does not serve as a laser resonator as shown in FIG. This generates a large reactive current and also serves as a heat source, causing an increase in threshold current, a decrease in efficiency in the optical resonator, and a deterioration in temperature characteristics.
[0010]
The present invention solves such problems, and an object of the present invention is to provide a highly efficient and highly reliable surface emitting semiconductor laser and a manufacturing method capable of manufacturing the same by a simple process. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a surface emitting semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate.
An optical resonator having a pair of reflecting mirrors and a plurality of semiconductor layers therebetween, wherein at least one of the semiconductor layers is formed in one or more columnar shapes;
An II-VI compound semiconductor epitaxial layer embedded around the columnar semiconductor layer,
Of the reflection mirrors, the light-emitting side reflection mirror includes a first layer made of a III-V group compound semiconductor, and a second layer made of a group III-V compound semiconductor having a refractive index different from that of the first layer. Are stacked alternately to form a metal electrode having a light exit port on the second layer, and a third layer made of a dielectric on the light exit port, and a refractive index of the third layer and the third layer. It is a composite multilayer film reflecting mirror constituted by alternately laminating fourth layers made of different dielectrics.
[0012]
The present invention also relates to a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to the substrate.
Forming a pair of reflecting mirrors constituting an optical resonator and at least one semiconductor layer between them on a substrate made of a semiconductor or a dielectric by metal organic chemical vapor deposition or molecular beam epitaxy;
Forming a photoresist mask on the semiconductor layer and etching at least one of the semiconductor layers using the photoresist mask to form one or more pillars;
Forming a buried layer by epitaxially growing a II-VI group compound semiconductor around the columnar semiconductor layer, and
The light emitting side reflection mirror of the reflection mirrors includes a first layer made of a III-V group compound semiconductor continuously from the substrate, and a group III-V compound semiconductor having a refractive index different from that of the first layer. After alternately laminating and growing the second layers, a metal electrode having a light exit opening is formed on the second layer, a third layer made of a dielectric is formed on the light exit opening, and the second layer 3 layers and fourth layers made of dielectrics having different refractive indexes are alternately stacked.
[0013]
In this case, the II-VI group compound semiconductor epitaxial layer is formed by metalorganic chemical vapor deposition using an adduct composed of a group II organic compound and a group VI organic compound and a group VI hydrogen compound as raw materials. It is desirable.
[0014]
The present invention also relates to a surface emitting semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to the substrate.
An optical resonator having a pair of reflecting mirrors and a plurality of semiconductor layers therebetween, wherein at least one of the semiconductor layers is formed in one or more columnar shapes;
A II-VI group compound semiconductor epitaxial layer embedded around the columnar semiconductor layer;
A metal electrode formed on the semiconductor layer and having a light exit;
Including at least a phase shift layer provided in the light exit port,
The material of the phase shift layer is a material having a small absorption coefficient with respect to the oscillation frequency and a refractive index substantially equal to that of the semiconductor layer in contact with the boundary with the phase shift layer.
[0015]
The present invention also relates to a surface emitting semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to the substrate.
An optical resonator having a pair of reflecting mirrors and a plurality of semiconductor layers therebetween, wherein at least one of the semiconductor layers is formed in one or more columnar shapes;
A II-VI group compound semiconductor epitaxial layer embedded around the columnar semiconductor layer;
A metal electrode formed on the semiconductor layer and having a light exit;
Including at least a phase shift layer provided in the light exit port,
The thickness of the phase shift layer is set such that the wavelength of the standing wave generated under the light exit port is substantially equal to the wavelength of the standing wave generated under the metal electrode. Features.
[0016]
In this case, it is preferable that the material of the phase shift layer is a dielectric material capable of continuously forming a reflection mirror on the light emitting side made of a dielectric material on the phase shift layer.
[0017]
Further, the material of the phase shift layer may be the same material as the semiconductor layer that can be formed by continuously re-growing the semiconductor layer.
[0018]
In addition, the material of the phase shift layer may be an organic material that can be applied and formed at least in the light exit port of the surface of the optical resonator.
[0019]
[Action]
According to the surface-emitting type semiconductor laser of the present invention, the reflection mirror on the light emitting side is composed of the semiconductor multilayer film having the same size as the optical resonator diameter, the metal electrode, and the dielectric multilayer film mirror covering the light emitting port. This makes it possible to increase the reflectivity of the optical resonator under the electrode because the semiconductor multilayer mirror exists under the electrode, and this does not reduce the efficiency in the optical resonator. Type semiconductor laser can be provided.
[0020]
Further, in the manufacturing method according to the present invention, the semiconductor multilayer mirror among the reflecting mirrors on the light emitting side can continuously grow crystals from the substrate together with the active layer constituting the optical resonator. This is a manufacturing method that is extremely simple to manufacture, and that can implement the above-described surface-emitting semiconductor laser in a very stable and reproducible manner.
[0021]
Further, according to the surface emitting semiconductor laser according to the present invention, the phase shift layer is provided in the light emitting port of the metal electrode, and thereby, the standing generated under the metal electrode and under the light emitting port. Wave wavelengths can be made approximately equal. Therefore, the standing wave generated in the optical resonator can be made uniform, and all regions in the optical resonator can function as an effective laser resonator, so that a highly efficient surface emitting semiconductor laser is provided. can do.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0023]
(1) Examples 1 to 3
Examples 1 to 3 are examples in which the reflection mirror on the light output side is configured by a semiconductor multilayer film, a metal electrode, and a dielectric multilayer film mirror that covers the light output port. In these embodiments, since the distributed reflection type multilayer mirror is disposed under the p-type ohmic electrode, it becomes possible to increase the reflectance of the optical resonator under the electrode, and a highly efficient surface emitting semiconductor. A laser can be provided.
[0024]
(A) Example 1
FIG. 1 is a perspective view showing a cross section of a light emitting portion of a (100) semiconductor laser in the first embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 2F are semiconductor laser manufacturing steps in the embodiment. FIG.
[0025]
Hereinafter, the configuration and manufacturing process of the (100) semiconductor laser according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0026]
(1) First, a (103) n-type GaAs buffer layer is formed on a (102) n-type GaAs substrate.0.7Ga0.3As layer and n-type Al0.1Ga0.930 pairs of (104) distributed reflection type multilayer mirrors which are composed of As layers and have a reflectance of 98% or more with respect to light having a wavelength of about 870 nm are formed.
[0027]
Subsequently, (105) n-type Al0.4Ga0.6As cladding layer, (106) p-type GaAs active layer, (107) p-type Al0.4Ga0.6As clad layer and p-type Al0.7Ga0.3As layer and p-type Al0.1Ga0.95 pairs of (114) distributed reflection type multilayer mirrors and (108) p-type Al having a reflectance of 75% or more with respect to light having a wavelength of about 870 nm and comprising an As layer.0.1Ga0.9The As contact layer is sequentially epitaxially grown by MOCVD (FIG. 2A). At this time, in this example, the growth temperature is set to 700 ° C., the growth pressure is set to 150 Torr, the organic metals of TMGa (trimethylgallium) and TMAI (trimethylaluminum) are used as the group III material, and AsH is used as the group V material.ThreeAs an n-type dopant2Se and DEZn (diethyl zinc) are used as p-type dopants, respectively.
[0028]
(2) After the above epitaxial growth, (112) SiO 2 is formed on the surface by thermal CVD.2Then, a reactive ion beam etching method (hereinafter referred to as “RIBE method”) is used to leave (113) a columnar light-emitting portion covered with a resist, and (107) p-type Al.0.4Ga0.6Etching is performed halfway through the As cladding layer (FIG. 2 (b)) In this example, a mixed gas of chlorine and argon is used as the etching gas, and the gas pressure is 1 × 10.-3Torr, and the extraction voltage is 400V. Where (107) p-type Al0.4Ga0.6The reason for etching only halfway through the As clad layer is that the structure for confining injected carriers and light in the horizontal direction of the active layer is a rib waveguide type refractive index waveguide structure.
[0029]
(3) Next, this (107) p-type Al0.4Ga0.6A buried layer is formed on the As cladding layer. Therefore, in this embodiment, first, (113) the resist is removed, and then the MBE region is formed by (109) ZnS by MOCVD method or the like.0.06Se0.94A layer is embedded and grown (FIG. 2C).
[0030]
For example, an adduct of DMZn-DMSe (an adduct of dimethyl zinc and dimethyl selenium) and H2Embedded growth was performed by MOCVD using Se (hydrogen selenide) as a raw material at a growth temperature of 275 ° C. and a growth pressure of 70 Torr.
[0031]
(4) Furthermore, (112) SiO2Subsequently, the layer is removed, and (108) a region slightly smaller than the diameter of the light emitting portion is formed on the surface of the contact layer (113) with a resist (FIG. 2D).
[0032]
(5) Thereafter, a (110) p-type ohmic electrode is vapor-deposited on this surface, and an emission port is opened on the surface of the light emitting portion by using a lift-off method (FIG. 2 (e)).
[0033]
{Circle around (6)} After that, two pairs of (111) SiO so as to cover the light emitting part without the (110) p-type ohmic electrode2A / a-Si dielectric multilayer mirror is formed by electron beam evaporation, and a (101) n-type ohmic electrode is evaporated on the (102) n-type GaAs substrate side (FIG. 2 (f)). And finally, N2Alloying is performed at 400 ° C. in an atmosphere.
[0034]
The (100) surface-emitting type semiconductor laser of this example produced in this way is the ZnS used for embedding.0.06Se0.94Since the layer has a resistance of IGΩ or more and (109) leakage of the injection current into the buried layer does not occur, extremely effective current confinement is achieved. Further, since the (109) buried layer does not need to have a multilayer structure, it can be easily grown, and the reproducibility between batches is high.
[0035]
Since this surface emitting semiconductor laser has a rib waveguide structure, ZnS0.06Se0.94The refractive index difference between the active layer below the active layer and the active layer in the resonator portion is increased, and effective optical confinement is achieved at the same time.
[0036]
Further, the II-VI group compound semiconductor as the buried layer is made of an adduct composed of a group II organic compound and a group VI organic compound and a group VI hydride as a raw material, so that the buried layer can be buried at a much lower temperature than before. A layer can be formed. Therefore, it is possible to prevent the crystallinity of each layer forming the resonator from being deteriorated by heat when forming the buried layer, and at the same time, a buried layer having excellent crystallinity and sufficient uniformity can be obtained. When the MOCVD method is performed by a general method using a Group II material and a Group VI material, the temperature at which the buried layer is formed becomes very high (600 ° C. or higher). For this reason, the heat at this time causes dislocations and defects in each layer forming the resonator to deteriorate the crystallinity, interdiffusion occurs at the interface between each of these layers and the buried layer, and There were several problems such as poor crystallinity of the layer itself and inability to obtain sufficient uniformity. However, by using the adduct and the Group VI hydride, the temperature in MOCVD can be lowered to 500 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or lower, and these problems can be solved.
[0037]
In this embodiment, as shown in FIG. 2 (f), the reflection mirror on the light emitting side is a (114) distributed reflection type multilayer mirror comprising a semiconductor multilayer film mirror under a (110) p-type ohmic electrode. Is arranged. Therefore, the reflectance of the optical resonator under the electrode can be increased, and a highly efficient surface emitting semiconductor laser can be provided. As a result, the contact area between the (110) p-type ohmic electrode and the semiconductor layer can be increased, and the resistance at this portion can be reduced. As a result, the generation of heat at this portion can be suppressed, and the semiconductor laser can be made highly efficient and reliable.
[0038]
In the manufacturing method according to the present embodiment, among the reflecting mirrors on the light emitting side, the (114) distributed reflection type multilayer mirror is continuously grown from the substrate together with the active layer constituting the optical resonator. Is possible. Accordingly, the surface-emitting type semiconductor laser can be provided with extremely simple fabrication, very stably and with good reproducibility, and reliability, yield, and the like can be improved.
[0039]
In this embodiment, the reflectance of the reflection mirror on the light emitting portion is such that the (114) distributed reflection type multilayer mirror made of a semiconductor multilayer mirror and the (111) dielectric multilayer mirror are combined, resulting in an oscillation wavelength of 870 nm. 96% or more.
[0040]
Further, when the reflection mirror on the exit side is composed of a (114) distributed reflection type multilayer mirror composed of a semiconductor multilayer mirror and a (111) dielectric multilayer mirror, it is 96% or more when all of the semiconductor multilayer mirrors are used. In order to obtain a reflectance of 40 or more, it is necessary to form 40 or more semiconductor layers with good control, and the electrical resistance in the vertical direction of the 40 or more semiconductor layers becomes very large, and the element of the surface emitting semiconductor laser itself This is because the problem of increasing the resistance has occurred.
[0041]
(B) Example 2
FIG. 3 is a perspective view showing a cross section of a light emitting portion of a semiconductor laser (200) in a second embodiment of the present invention, and FIGS. 4 (a) to 4 (f) are semiconductor lasers (200) in the embodiment. It is sectional drawing which shows this manufacturing process.
[0042]
In the semiconductor laser (200) of this example, the light emitting part is (208) p-type Al.0.1Ga0.9From the As contact layer, (205) n-type Al0.4Ga0.6It differs from Example 1 described above in that a part of the As cladding layer is formed in a columnar shape.
[0043]
Hereinafter, the configuration and manufacturing process of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0044]
(1) First, a (203) n-type GaAs buffer layer is formed on a (202) n-type GaAs substrate, and an n-type AlAs layer and an n-type Al layer are further formed.0.1Ga0.9Thirty pairs of (204) distributed semiconductor multilayer mirrors having a reflectance of 98% or more with respect to light having a wavelength of about 870 nm are formed of As layers. Subsequently, (205) n-type Al0.4Ga0.6As cladding layer, (206) p-type GaAs active layer, (207) p-type Al0.4Ga0.6Growing with an As cladding layer, and p-type AlAs layer and p-type Al0.1Ga0.95 pairs of (214) distributed reflection type multilayer mirrors composed of an As layer and having a reflectance of 75% or more with respect to light having a wavelength of about 870 nm are formed, and (208) p-type Al is formed thereon.0.1Ga0.9The As contact layer is sequentially epitaxially grown by MOCVD (FIG. 4A). At this time, in this example, the growth temperature is set to 700 ° C., the growth pressure is set to 150 Torr, the organic metals of TMGa (trimethylgallium) and TMAI (trimethylaluminum) are used as the group III material, and AsH is used as the group V material.ThreeAs an n-type dopant2Se and DEZn (diethyl zinc) are used as p-type dopants, respectively.
[0045]
In the formation of the (204) and (214) distributed reflection type multilayer mirrors described above, the (204) distributed reflection type multilayer mirror is H during the layer formation.2The dopant concentration near the interface of the layer is increased by controlling the Se supply amount and (214) the DEZn supply amount in the distributed reflection type multilayer mirror.
[0046]
(2) Next, (205) n-type Al is left by the RIBE method, leaving (213) a columnar light-emitting portion covered with resist.0.4Ga0.6Etching is performed halfway through the As cladding layer (FIG. 4B). At this time, in this embodiment, a mixed gas of chlorine and argon is used as the etching gas, and the gas pressure is 1 × 10.-3Torr, and the extraction voltage is 400V.
[0047]
(3) Next, a buried layer is formed on the etching region. Therefore, in this embodiment, first, (213) the resist is removed, and then (209) ZnS is formed by MBE method or MOCVD method.0.06Se0.94A layer is embedded and grown (FIG. 4C).
[0048]
(4) Furthermore, (212) SiO2Subsequently, the layer is removed, and (208) a region slightly smaller than the diameter of the light emitting portion is formed on the surface of the contact layer with a resist (FIG. 4D).
[0049]
{Circle around (5)} Thereafter, a (210) p-type ohmic electrode is vapor-deposited on this surface, and an emission port is opened on the surface of the light emitting portion by using a lift-off method (FIG. 4E).
[0050]
(6) After that, two pairs of (211) SiO so as to cover the exit port2/ A-Si dielectric multilayer mirror is formed by electron beam evaporation. Further, a (201) n-type ohmic electrode is deposited on the (202) n-type GaAs substrate side (FIG. 4F). And finally, N2Alloying is performed at 400 ° C. in an atmosphere.
[0051]
Through the above steps, a (200) surface emitting semiconductor laser having a buried structure as shown in FIG. 3 can be obtained.
[0052]
Also in the (200) surface emitting semiconductor laser of this example produced in this way, ZnS used for embedding was used.0.06Se0.94Since the layer has a resistance of IGΩ or more and (209) no leakage of the injected current into the buried layer occurs, extremely effective current confinement is achieved. In addition, since the (209) buried layer is not required to have a multilayer structure, it can be easily grown and the reproducibility between batches is high. Furthermore, ZnS whose refractive index is sufficiently smaller than that of GaAs.0.06Se0.94More effective light confinement is realized by the embedded refractive index waveguide structure using the layer and (206) the active layer embedded therein.
[0053]
In addition, since the carrier concentration in the vicinity of the interface of the layers constituting the (204) and (214) distributed reflection type multilayer mirrors is increased, the barrier of the conduction band becomes thinner, the electrons are easily tunneled, and the valence band. Since the band steepness of the film becomes gentle, holes are also easily conducted, and the electric resistance in the direction perpendicular to the multilayer film is small.
[0054]
Here, the carrier concentration is increased by doping only in the vicinity of the interface of the layers, so that the film quality is not deteriorated by the high concentration doping.
[0055]
(C) Example 3
FIG. 5 is a perspective view showing a cross section of a light emitting portion of a semiconductor laser (300) in a third embodiment of the present invention, and FIGS. 6 (a) to 6 (f) show the manufacture of the semiconductor laser (300) in the embodiment. It is sectional drawing which shows a process.
[0056]
The semiconductor laser (300) of this example is (307) p-type Al.0.5Ga0.5The As clad layer is different from the above-described Example 1 and Example 2 in that the light emitting part is formed by a plurality of columnar parts separated from each other by separation grooves.
[0057]
Hereinafter, the configuration and manufacturing process of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0058]
(1) First, a (303) n-type GaAs buffer layer is formed on a (302) n-type GaAs substrate, and n-type Al is further formed.0.9Ga0.1As layer and n-type Al0.2Ga0.825 pairs of (304) semiconductor multilayer mirrors having a reflectance of 98% or more with respect to light of ± 30 nm centered on a wavelength of 780 nm are formed. Subsequently, (305) n-type Al0.5Ga0.5As cladding layer, (306) p-type Al0.13Ga0.87As active layer, (307) p-type Al0.5Ga0.5As clad layer and p-type Al0.9Ga0.1As layer and p-type Al0.2Ga0.85 pairs of (315) distributed reflective multilayer mirrors and (308) p-type Al that have an As layer and have a reflectance of 75% or more for light in the vicinity of a wavelength of 780 nm.0.15Ga0.85As contact layers are epitaxially grown sequentially by MOCVD (FIG. 6A). In the present embodiment, the growth conditions at this time are a growth temperature of 720 ° C. and a growth pressure of 150 Torr, and the group III source material is made of TMGa (trimethylgallium) and TMAI (trimethylaluminum) organometallics. Is AsHThree, TMSi (tetramethylsilane) is used as an n-type dopant, and DEZn (diethyl zinc) is used as a p-type dopant.
[0059]
Also, (304) n-type Al forming a mirror by intermittently irradiating the growth surface with ultraviolet light during semiconductor multilayer mirror growth0.9Ga0.1As layer and n-type Al0.2Ga0.8The carrier concentration in the vicinity of the interface of the As layer is increased to reduce the resistance of the (304) semiconductor multilayer mirror.
[0060]
(2) Next, the surface is subjected to (312) SiO 2 by atmospheric pressure CVD.2A layer is formed, a photoresist is further applied thereon, and a photolithography process is performed to produce a necessary pattern. At that time, the resist pattern is subjected to a pattern preparation condition such that the side surface of the resist pattern is perpendicular to the substrate surface. After the preparation, temperature heating that causes the side surface to sag is not performed.
[0061]
(3) Then, using this pattern as a mask,FourPerform reactive ion etching (RIE) using gas as etching gas (312) SiO2Remove the layer. As described above, (313) resist and (312) SiO having a side surface perpendicular to the substrate while having a necessary pattern shape.2A pattern by layers can be created (FIG. 6B).
[0062]
(4) Subsequently, etching is performed using the RIBE method with the resist having the vertical side surface (313) as a mask, leaving the columnar light emitting portion. At this time, the space between the plurality of columnar parts forming the light emitting part is (307) p-type Al.0.5Ga0.5Etching is performed halfway through the As cladding layer (FIG. 6C). At this time, in this embodiment, a mixed gas of chlorine and argon is used as the etching gas, and the gas pressure is 5 × 10.-FourTorr, plasma extraction voltage 400 V, ion current density 400 μA / cm on the etching sample2The sample temperature is kept at 20 ° C.
[0063]
Here, the light emitting part is (307) p-type Al.0.5Ga0.5The etching is performed only halfway through the As cladding layer because the horizontal direction injection carrier and light confinement of the active layer are made into a refractive index waveguide type rib waveguide structure, and a part of the light in the active layer is made active layer This is to enable transmission in the horizontal direction.
[0064]
Further, a (313) resist having a vertical side surface is used as a resist, and further, an etching is performed by using an RIBE method in which etching is performed by irradiating ions perpendicularly to an etching sample. The (320) light emitting portion can be separated by a (314) separation groove perpendicular to the substrate, and a vertical optical oscillator necessary for improving the characteristics of the surface emitting semiconductor laser can be manufactured.
[0065]
(5) Next, this (307) p-type Al0.5Ga0.5A buried layer is formed on the As cladding layer. To this end, in this embodiment, (313) the resist is removed first, and then (309) ZnS is obtained by MBE or MOCVD.0.06Se0.94A layer is embedded and grown (FIG. 6D).
[0066]
(6) In addition, (312) SiO2The layer and the polycrystalline ZnSSe formed thereon are removed, and (303) a region slightly smaller than the diameter of the light emitting portion is formed on the surface of the contact layer with a resist. A (310) p-type ohmic electrode is vapor-deposited on this surface, and an emission port is opened on the surface of the light emitting part using a lift-off method (FIG. 6E). Here, the (310) p-type ohmic electrode on the emission side is formed to be electrically connected to each (308) contact layer of each (320) light emitting section.
[0067]
(7) After that, two pairs of (311) SiO so as to cover the exit port2/ A-Si dielectric multilayer mirror is formed by electron beam evaporation. Further, a (301) n-type ohmic electrode is deposited on the (302) n-type GaAs substrate side (FIG. 6F). And finally, N2Alloying is performed at 400 ° C. in an atmosphere.
[0068]
Here, in the (300) semiconductor laser of this example, ZnS0.06Se0.94Since the (311) dielectric multilayer mirror is fabricated also on the (314) separation groove embedded in (3), a vertical resonator structure is formed also in the region sandwiched between the light emitting portions, and therefore (314) the separation groove. The leaked light also contributes to the laser oscillation effectively, and since the leaked light is used, the emitted light is synchronized with the phase of the (320) light emitting unit.
[0069]
As described above, the (300) surface-emitting type semiconductor laser having the (320) light emitting section as shown in FIG. 5 can be obtained.
[0070]
Also in the (300) surface emitting semiconductor laser of this example produced in this way, ZnS used for embedding was used.0.06Se0.94Since the layer has a resistance equal to or higher than IGΩ and (309) no leakage of injected current into the buried layer occurs, extremely effective current confinement is achieved. In addition, since the (209) buried layer does not need to have a multilayer structure, it can be easily grown and the reproducibility between batches is high. Since this surface emitting semiconductor laser has a rib waveguide structure, ZnS0.06Se0.94The refractive index difference between the active layer below the active layer and the active layer in the resonator portion is increased, and effective optical confinement is achieved at the same time.
[0071]
In the (300) surface emitting semiconductor laser of this example, ZnS is used.0.06Se0.94Since the (311) dielectric multilayer mirror is formed also on the (314) separation groove embedded in (3), a vertical resonator structure is formed also in the region sandwiched between the light emitting portions. Therefore, (314) the separation groove is formed. The light leaked into the light effectively contributes to the laser oscillation, and since the leaked light is used, the light emitted from the light emitting unit is synchronized (320).
[0072]
(2) Examples 4 to 6
In Examples 4 to 6, as shown in FIG. 7A, (431) a light output port is provided with a (430) phase shift layer.
[0073]
Specifically, (431) the light emitting port is provided with a (430) phase shift layer having an appropriate thickness, and (411) a dielectric multilayer mirror is formed thereon, thereby (431) the light emitting port. The effective resonator length of the standing wave generated below is changed, and the reflection surface of the (411) dielectric multilayer film mirror is set to the same position as the (16) virtual reflection surface inside the (410) p-type ohmic electrode. .
[0074]
As a result, as shown in FIG. 7B, (431) the wavelength λ of the standing wave generated below the light exit port.1And (410) the wavelength λ of the standing wave generated under the p-type ohmic electrode2Therefore, the standing wave generated in the wave optical resonator can be made uniform in the element, and the entire element volume can be effectively functioned as a laser resonator.
[0075]
As a condition of the material of such a phase shift layer, it is necessary that the phase shift layer is almost transparent with respect to the oscillation wavelength, and the material has a refractive index close to that of a semiconductor. This is because it is desirable to be able to ignore the influence of reflection at the interface with the semiconductor interface.
[0076]
Furthermore, in order to provide a semiconductor laser with better performance and higher reliability, it is preferable to use a (430) formation method that does not damage the semiconductor surface when the phase shift layer is formed. For this purpose, a process capable of forming a phase shift layer at a low temperature of 200 ° C. or lower and using a lift-off method using a resist is desired.
[0077]
(A) Example 4
This embodiment is an embodiment in the case where a dielectric material, for example, amorphous silicon (hereinafter referred to as a-Si) is used as the material of the phase shift layer, and FIGS. Sectional drawing of the manufacturing process of the semiconductor laser concerning a present Example is shown.
[0078]
This embodiment is caused by the presence of a ring-shaped p-type ohmic electrode by providing a phase shift layer instead of providing the (204) distributed reflection type multilayer mirror made of a semiconductor multilayer mirror in the second embodiment. It solves the problem. Therefore, FIG. 8 shows only the process after depositing the p-type ohmic electrode shown in FIG. 4 (e) and opening the light exit port, and the previous process is omitted.
[0079]
Hereinafter, the configuration and manufacturing process of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0080]
(1) First, (410) after forming a p-type ohmic electrode (431) after opening the light exit (FIG. 8 (a)), (433) with resist, except for forming the phase shift layer, (431) A pattern is formed so that the light exit port is exposed (FIG. 8B).
[0081]
(2) Next, (430) a-Si to be a phase shift layer is vapor-deposited to a predetermined film thickness d using an EB vapor deposition method or the like (FIG. 8C). That is, a (430) phase shift layer having a film thickness is formed so that the reflective surface of the (411) dielectric multilayer mirror to be formed later is in the same position as the virtual reflective surface inside the (410) p-type ohmic electrode. To do. In this case, as shown in the figure, a-Si is deposited not only on the semiconductor layer and the p-type ohmic electrode but also on the (433) resist.
[0082]
(3) Next, as it is, that is, four pairs of (411) SiO in succession in the same furnace.2A / a-Si dielectric multilayer mirror is deposited (FIG. 8D). As described above, in this embodiment, since the phase shift layer and the dielectric multilayer mirror can be continuously formed in the same furnace, it is possible to improve laser characteristics, process yield, reliability, and the like.
[0083]
(4) Next, this is put into an acetone solution and lifted off by applying ultrasonic vibration. That is, (433) the resist, (430) phase shift layer and (411) dielectric multilayer mirror deposited on the resist are removed by lift-off, and then (402) (401) on the n-type GaAs substrate side. ) An n-type ohmic electrode is deposited (FIG. 8 (e)). Finally, N2Alloying is performed at 400 ° C. in an atmosphere.
[0084]
Through the above steps, as shown in FIG. 8E, (431) a top reflection having a structure in which (430) a phase shift layer and (411) a dielectric multilayer mirror are sandwiched on the light exit port. A mirror can be formed. In this case, the (430) phase shift layer may be at least in the (431) light emission port, and may have a structure covering the (410) p-type ohmic electrode as shown in FIG. The structure may exist without being covered (431) only in the light exit.
[0085]
In this embodiment, a-Si is used as the material of the (430) phase shift layer. The refractive index of a-Si is (408) p-type Al formed under the (430) phase shift layer.0.15Ga0.85It is relatively close to the refractive index of the As contact layer. Moreover, although a-Si has a little light absorption in the vicinity of 780 nm, the light absorption coefficient in other regions, for example, around 870 nm is small. Therefore, it is suitable as a material for a phase shift layer used for a semiconductor laser having an oscillation frequency in this region.
[0086]
In addition, by using a dielectric material such as a-Si, as described above, (411) a dielectric multilayer mirror can be formed in the same furnace in succession to the formation of the phase shift layer. The process is not complicated and there are few steps, a simple manufacturing method can be obtained, and reliability and laser characteristics can be improved.
[0087]
Furthermore, since the (430) phase shift layer using a-Si can be formed at room temperature, patterning by a lift-off method using a resist mask becomes possible. Therefore, compared to patterning using a technique such as dry etching, there are advantages such that the surface of the semiconductor laser is less likely to be damaged during etching and the process can be simplified.
[0088]
In addition, as a dielectric material used for the phase shift layer of a present Example, it is not restricted to a-Si, SixNy, TiO2, CeO2Various dielectric materials such as ZnSSe, GaAs, and CdS can be used.
[0089]
For example, SixNy, TiO2, CeO2Has a small light absorption coefficient in a wide range as in the above-described a-Si, and is formed under the phase shift layer (408) p-type Al.0.15Ga0.85The refractive index is relatively close to the As contact layer. Therefore, it becomes suitable as the phase shift layer of this embodiment. Further, since it can be grown at a temperature of 200 ° C. or less, it can be patterned using the lift-off method described above, and it has an advantage that the surface of the semiconductor laser is hardly damaged.
[0090]
On the other hand, ZnSSe, GaAs, and CdS are difficult to grow at a temperature of 200 ° C. or lower. Therefore, the resist is deformed during growth (433), and it is difficult to pattern using the lift-off method. However, these dielectric materials have an advantage in that they have a small light absorption coefficient in a wider range than the above-mentioned a-Si, for example, there is almost no light absorption at 780 nm.
[0091]
As described above, for the dielectric material that cannot use the lift-off method when patterning the phase shift layer, a desired patterning is performed using the dry etching method by the manufacturing process shown in FIGS. I do.
[0092]
(1) First, (410) a p-type ohmic electrode is formed, (431) a light exit port is opened (FIG. 9A), and then composed of ZnSSe, GaAs, etc. by using MOCVD method or MBE method (430) ) A phase shift layer is formed on the entire surface of the semiconductor laser so as to have a predetermined thickness d (FIG. 9B).
[0093]
(2) Next, (435) a resist is formed in a region other than the portion to be etched (FIG. 9C).
[0094]
(3) Next, using a dry etching method, (430) the phase shift layer is etched (FIG. 9D).
[0095]
(4) Next, (433) resist is formed, and then 4 pairs of (411) SiO are formed on the entire surface of the semiconductor laser.2A / a-Si dielectric multilayer mirror is deposited (FIG. 9E).
[0096]
(5) Next, this is put into an acetone solution and lifted off by applying ultrasonic vibration, and then a (401) n-type ohmic electrode is deposited on the (402) n-type GaAs substrate side (FIG. 9 (f)). Finally, N2Alloying is performed at 400 ° C. in an atmosphere.
[0097]
(B) Example 5
This embodiment is an embodiment in which a phase shift layer is formed by regrowth of a semiconductor layer by using MBE method, MOCVD method or the like. FIGS. 10A to 10C show this embodiment. Sectional drawing of the manufacturing process of the semiconductor laser concerning is shown.
[0098]
As in the fourth embodiment, FIG. 10 shows only the process after depositing the p-type ohmic electrode and opening the light exit port, and the previous process is omitted.
[0099]
Hereinafter, the structure and manufacturing method of the present embodiment will be described.
[0100]
(1) First, in this embodiment, after forming a (510) p-type ohmic electrode and (531) opening a light exit (FIG. 10 (a)), a semiconductor layer is formed using MBE, MOCVD, or the like. Is regrown, and a phase shift layer is formed (530) so as to obtain a desired film thickness d (530). That is, using a crystal method capable of growing a semiconductor layer at a relatively low temperature, for example, 400 ° C. or less, (508) p-type Al is formed on the surface of the optical resonator.0.15Ga0.85A semiconductor layer having the same composition as that of the As contact layer is formed and used as a (530) phase shift layer.
[0101]
(2) After that, (531) 2 pairs of (511) SiO so as to cover the light exit port2/ A-Si dielectric multilayer mirror is formed by electron beam evaporation. Further, a (501) n-type ohmic electrode is deposited on the (502) n-type GaAs substrate side (FIG. 10C). And finally, N2Alloying is performed at 400 ° C. in an atmosphere.
[0102]
According to this example, the (530) phase shift layer is located under (508) p-type Al.0.15Ga0.85The As contact layer can be formed by regrowth, and these can be formed of the same material. Therefore, (530) phase shift layer and (508) p-type Al0.15Ga0.85Light-related problems such as light interface reflection and light absorption at the boundary with the As contact layer can be ignored. As a result, the deterioration of the laser characteristics due to the insertion of the (530) phase shift layer can be almost ignored, and a semiconductor laser with excellent performance can be provided.
[0103]
Further, the step of regrowing the semiconductor layer can be performed by a process similar to that of the underlying semiconductor layer such as the cladding layer and the active layer. In this process, the MBE method and the MOCVD method are usually used. The film thickness d can be controlled in units of several angstroms. Therefore, the wavelengths λ1, λ of standing waves generated under the (531) light exit and under the (510) p-type ohmic electrode.2It is possible to control the film thickness d so that they are almost equal. As a result, the standing wave generated in the optical resonator can be made uniform in the element, and the laser characteristics can be greatly improved.
[0104]
(C) Example 6
In this example, after forming a p-type ohmic electrode, an organic material such as polyimide or PMMA is formed on the surface of the semiconductor laser by using a coating method such as spin coating, and a phase shift layer is formed. In (a) to (e), sectional views of the manufacturing process of the semiconductor laser according to the present example are shown.
[0105]
In addition, like the said Example 4, 5, only the process after vapor-depositing a p-type ohmic electrode and opening a light-projection opening is shown by FIG. 11, The previous process is abbreviate | omitted. .
[0106]
Hereinafter, the structure and manufacturing method of the present embodiment will be described.
[0107]
(1) First, in this example, after forming a (610) p-type ohmic electrode and (631) opening a light exit port (FIG. 11 (a)), a desired film thickness is applied by a coating method such as spin coating. A phase shift layer (630) made of an organic material such as polyimide or PMMA is formed on the entire surface of the semiconductor laser so as to be d (FIG. 11B).
[0108]
(2) Next, (610) the (630) phase shift layer on the p-type ohmic electrode is etched by wet etching or dry etching, and (630) the phase shift layer is patterned (FIG. 11C). .
[0109]
(3) Next, (633) resist is formed, and then four pairs of (611) SiO are formed on the entire surface of the semiconductor laser.2A / a-Si dielectric multilayer mirror is deposited (FIG. 11E).
[0110]
(4) Next, this is put into an acetone solution and lifted off by applying ultrasonic vibration, and then (602) an n-type ohmic electrode is deposited on the (602) n-type GaAs substrate side (FIG. 11 (f)). Finally, N2 Alloying is performed at 400 ° C. in an atmosphere.
[0111]
According to this example, since the (630) phase shift layer can be formed by a coating process such as spin coating, the manufacturing method can be greatly simplified.
[0112]
In addition, organic materials such as polyimide and PMMA listed here have a small light absorption coefficient in a wide range, and hardly absorb light at, for example, 870 nm. Also, the refractive index is relatively close to the underlying semiconductor layer. Therefore, it is suitable as a material for the phase shift layer in this embodiment. However, even organic materials other than the above polyimide and PMMA are at least (1) transparent to the oscillation wavelength, and (2) relatively close to the semiconductor layer having a refractive index below. If one condition is satisfied, it can be used as the material of the phase shift layer in this embodiment.
[0113]
(D) Control of the thickness d of the phase shift layer
The phase change of the reflected wave at the interface between the metal and the semiconductor varies depending on the metal material and film thickness. Accordingly, the film thickness d of the phase shift layer is preferably obtained and controlled by, for example, the method described below. Hereinafter, this method will be described with reference to FIGS. FIG. 12 shows the case where the design wave number is m = 1 (1/2).
[0114]
First, a semiconductor laser without an upper reflective film and a phase shift layer is produced, and its LED spectrum is measured. FIG. 12 (a) shows an example of the measurement result. As shown in FIG. 12, the peak λ of the wavelength of the standing wave generated under the light exit port.1And the wavelength peak λ of the standing wave under the p-type ohmic electrode2Can be measured.
[0115]
Next, as shown in FIG. 12 (b), the measured wavenumber m is set to the measured λ.1Is multiplied by the effective resonator length L1Is required.
[0116]
L1= M × λ1
In addition, as shown in the figure, the measured λ2The effective resonator length L finally required by multiplying by2Is required.
[0117]
L2= M × λ2
And this L1And L2The difference ΔL is a change in the effective resonator length.
[0118]
ΔL = L2-L1
Finally, by dividing ΔL by the refractive index n of the material forming the phase shift layer, the film thickness d of the phase shift layer to be formed is obtained.
[0119]
d = ΔL / n
When forming the phase shift layer, the process is controlled so that the film thickness of the phase shift layer becomes the film thickness d obtained as described above.
[0120]
If the thickness d of the phase shift layer cannot be stably controlled, or if it is desired to control the thickness d with higher accuracy, the thickness d is controlled by the following method.
[0121]
That is, a semiconductor laser provided with a phase shift layer having a predetermined film thickness is manufactured, and the wavelength λ is determined by the LED spectrum in the same manner as described above.1, Λ2Measure. Then, the difference Δd (λ from the film thickness to be set is calculated by the following formula.1And λ2Δd) for equalizing.
[0122]
Δd = m × (λ2ー λ1) / N
Then, this Δd is fed back to the sequential process, and the process condition of the film thickness d is changed so that this Δd becomes zero. Thereby, the film thickness d can be stably controlled, and the film thickness d can be controlled with higher accuracy.
[0123]
The phase shift φ of the reflected wave at the metal-semiconductor interface is directly measured by a method such as applying a laser beam from the outside. From this measured value, the change ΔL in the effective resonator length and the phase shift layer It is also possible to control the film thickness d by approximating the film thickness d.
[0124]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention.
[0125]
For example, in each of the above-described embodiments, a GaAlAs surface emitting semiconductor laser has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be suitably applied to other III-V group surface emitting semiconductor lasers. The active layer can also change the oscillation wavelength by changing the composition of Al.
[0126]
In addition, the buried layer is not limited to the ZnSSe mixed crystal, but also a ZnS-ZnSe superlattice,
The same effect can be obtained even when a II-VI group compound semiconductor such as ZnSe, ZnS, CdTe and crystals thereof, or a superlattice of these material systems is selected as the buried layer.
[0127]
In Example 1, dimethylzinc-dimethylselenium as an organometallic adduct and H as a hydrogen compound.2Although the case where S (hydrogen selenide) is used has been described, the present invention is not limited to this. For example, each embedded layer can be formed by a combination shown in Table 1.
[0128]
Further, the phase shift layer may be a mixed crystal as well as a simple substance such as a-Si.
[0129]
Further, the substrate is not limited to GaAs, and a similar effect was obtained even with a semiconductor substrate such as Si or InP or a dielectric substrate such as sapphire.
[0130]
In the fourth to sixth embodiments, the semiconductor laser having a buried refractive index waveguide structure corresponding to the second embodiment has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and for example, a rib waveguide corresponding to the first embodiment is used. Of course, the present invention can also be applied to a semiconductor laser having a waveguide structure and a surface emitting semiconductor laser having a plurality of columnar semiconductor layers corresponding to the third embodiment. When a phase shift layer is formed in a phase-locked laser having a plurality of columnar semiconductor layers as shown in the third embodiment, it faces the surface of the plurality of columnar semiconductor layers and the buried layers between the columnar semiconductor layers. A phase shift layer can be provided over the region.
[0131]
The optical resonator constituting the present invention includes a plurality of semiconductor layers, and the meaning of “multiple layers” herein means that there are a plurality of layers having different polarities. That is, the optical resonator constituting the present invention only needs to have at least a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. For example, the semiconductor layers are all formed of the same material GaAs (different in polarity). A structure is also possible.
[0132]
Further, the pair of reflection mirrors constituting the present invention is not limited to the one in which a single reflection mirror is provided at each position on both sides facing the optical resonator as in the above-described embodiment. For example, the output side mirror provided at the position facing the optical resonator is composed of a plurality of mirrors, the incident side mirror is composed of a plurality of mirrors, and the output side and the incident side mirrors are both plural Also included are those composed of one mirror.
[0133]
Needless to say, the application range of the surface-emitting type semiconductor laser of the present invention has exactly the same effect not only in printing apparatuses such as printers and copiers, but also in facsimiles, displays and communication devices.
[0134]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention, the reflection mirror on the light emitting side covers the semiconductor multilayer film having the same size as the resonator diameter, the ring electrode, and the light emitting port. By configuring with a dielectric multilayer mirror, since there is a semiconductor multilayer mirror under the electrode, it is possible to increase the reflectivity of the resonator under the electrode, thereby not reducing the efficiency in the resonator, A highly efficient surface emitting semiconductor laser can be provided.
[0135]
Further, in the manufacturing method according to the present invention, among the reflection mirrors on the light emitting side, the semiconductor multilayer film mirror can be continuously grown from the substrate together with the active layer constituting the resonator, etc. It is a manufacturing method capable of producing a surface emitting semiconductor laser with high reproducibility.
[0136]
Further, according to the surface emitting semiconductor laser of the present invention, the wavelength of the standing wave generated under the metal electrode and under the light exit port can be made substantially equal, and the standing wave generated in the optical resonator can be reduced. Therefore, a highly efficient surface emitting semiconductor laser can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a cross section of a semiconductor laser according to Example 1. FIG.
FIGS. 2A to 2F are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor laser according to the first embodiment.
FIG. 3 is a perspective view showing a cross section of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 4A to 4F are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the semiconductor laser according to the second embodiment.
FIG. 5 is a perspective view showing a cross section of a semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention. .
6 (a) to 6 (f) are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor laser according to Example 3;
FIGS. 7A and 7B are schematic explanatory views for explaining the extension of the effective resonator length using the phase shift layer. FIGS.
FIGS. 8A to 8E are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor laser according to Example 4; FIGS.
FIGS. 9A to 9F are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor laser according to Example 4 when dry etching is used for patterning a phase shift layer. FIGS.
FIGS. 10A to 10C are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor laser according to Example 5. FIGS.
FIGS. 11A to 11E are cross-sectional views showing manufacturing steps of a semiconductor laser according to Example 6. FIGS.
FIGS. 12A and 12B are schematic explanatory diagrams for explaining a method of controlling the film thickness of the phase shift layer.
FIG. 13 is a perspective view showing a cross section of a semiconductor laser before improvement.
FIGS. 14A to 14C are schematic explanatory diagrams for explaining the problem of wavelength uniformity of a standing wave generated due to the presence of a ring-shaped p-type ohmic electrode.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301, 401, 501, 601, 701 n-type ohmic electrode
102, 202, 302, 402, 502, 602, 702 n-type GaAs substrate
103, 203, 303, 403, 503, 603, 703 n-type GaAs buffer layer
104, 114, 204, 214, 304, 315, 404, 504, 604, 704 Distributed reflection type multilayer mirror
105, 205, 405, 505, 605, 705 n-type Al0.4Ga0.6As cladding layer
106, 206, 406, 506, 606, 706 p-type GaAs active layer
107, 207, 407, 507, 607, 707 p-type Al0.4Ga0.6As cladding layer
108, 208, 408, 508, 608, 708 p-type Al0.1Ga0.9 As contact layer
109, 209, 309, 409, 509, 609, 709 ZnS0.06Se0.94Embedded layer
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710 p-type ohmic electrode
111, 311, 411, 511, 611, 711 Dielectric multilayer mirror
112, 212, 312 SiO2layer
113, 213, 313 resist
305 n-type Al0.5Ga0.5As cladding layer
306 p-type Al0.13Ga0.87As active layer
307 p-type Al0.5Ga0.5 As cladding layer
308 p-type Al0.15Ga0.85As contact layer
314 Separation groove
430, 530, 630, 730 Phase shift layer
431, 531, 631, 731 Light exit
433, 533, 633, 733 resist
435 resist
120, 220, 320 Light emitting part
Claims (5)
一対の反射ミラーとそれらの間の複数層の半導体層とを有し、前記半導体層のうちの少なくとも1層が1本または複数本の柱状に形成されている光共振器と、
柱状の前記半導体層の周囲に埋め込まれた層と、を含み、
前記反射ミラーのうちの光出射側反射ミラーは、半導体からなる第1の層と、該第1の層と屈折率の異なる半導体からなる第2の層とを交互に積層し、該第2の層上に光出射口を設けた金属電極を形成し、かつ該光出射口および該金属電極上に、誘電体からなる第3の層と、該第3の層と屈折率の異なる誘電体からなる第4の層とを交互に積層して構成される複合型多層膜反射ミラーであり、
前記第1の層と前記第2の層とを交互に積層した反射ミラーは、前記基板に垂直な方向からみて、前記柱状の前記半導体層と同じ大きさを有し、
前記光出射口は、前記基板に垂直な方向からみて、前記柱状の前記半導体層より小さく、かつ、
前記基板に垂直な方向からみて、前記金属電極の前記光出射口側の端部と、前記第1の層、前記第2の層、前記第3の層および前記第4の層とが重なっている、ことを特徴とする面発光型半導体レーザ。In a surface emitting semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to the substrate,
An optical resonator having a pair of reflecting mirrors and a plurality of semiconductor layers therebetween, wherein at least one of the semiconductor layers is formed in one or more columnar shapes;
Embedded in the periphery of the columnar semiconductor layer,
Of the reflection mirrors, the light emission side reflection mirror is formed by alternately laminating a first layer made of a semiconductor and a second layer made of a semiconductor having a refractive index different from that of the first layer. A metal electrode provided with a light exit on the layer, and a third layer made of a dielectric on the light exit and the metal electrode, and a dielectric having a refractive index different from that of the third layer. A composite type multilayer film reflecting mirror constituted by alternately laminating the fourth layer,
The reflection mirror in which the first layer and the second layer are alternately stacked has the same size as the columnar semiconductor layer when viewed from a direction perpendicular to the substrate.
The light exit port is smaller than the columnar semiconductor layer when viewed from a direction perpendicular to the substrate, and
When viewed from the direction perpendicular to the substrate, the end of the metal electrode on the light exit side overlaps the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer. A surface-emitting type semiconductor laser characterized by that.
前記埋め込まれた層は、II−VI族化合物半導体のエピタキシャル層であることを特徴とする面発光型半導体レーザ。In claim 1,
2. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the buried layer is an II-VI compound semiconductor epitaxial layer.
前記反射ミラーのうちの光出射側反射ミラーにおいて、前記第1の層はIII−V族化合物半導体からなる層であり、前記第2の層は該第1の層と屈折率の異なるIII−V族化合物半導体からなる層であることを特徴とする面発光型半導体レーザ。In claim 1 or 2,
In the light emitting side reflecting mirror of the reflecting mirrors, the first layer is a layer made of a III-V group compound semiconductor, and the second layer is a III-V having a refractive index different from that of the first layer. A surface emitting semiconductor laser characterized in that it is a layer made of a group compound semiconductor.
半導体もしくは誘電体からなる基板上に、光共振器を構成する一対の反射ミラーおよびそれらの間の少なくとも1層の半導体層を有機金属気相成長法もしくは分子線エピタキシャル成長法により形成する工程と、
前記半導体層上にフォトレジストマスクを形成し、前記半導体層のうちの少なくとも1層を前記フォトレジストマスクを用いてエッチングして、1本または複数本の柱状に形成する工程と、
前記柱状の半導体層の周囲に埋め込み層を形成する工程と、を含み、
前記反射ミラーのうちの光出射側反射ミラーは、基板から連続的に、半導体からなる第1の層と、該第1の層と屈折率の異なる半導体からなる第2の層を交互に積層成長させたのち、該第2の層上に光出射口を設けた金属電極を形成し、かつ該光出射口および該金属電極上に、誘電体からなる第3の層と、該第3の層と屈折率の異なる誘電体からなる第4の層とを交互に積層させ、
前記第1の層と前記第2の層とを交互に積層した反射ミラーは、前記基板に垂直な方向からみて、前記柱状の前記半導体層と同じ大きさを有するように形成され、
前記光出射口は、前記基板に垂直な方向からみて、前記柱状の前記半導体層より小さく形成され、かつ、
前記基板に垂直な方向からみて、前記金属電極の前記光出射口側の端部と、前記第1の層、前記第2の層、前記第3の層および前記第4の層とが重なるように形成される、
ことを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。In a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate,
Forming a pair of reflecting mirrors constituting an optical resonator and at least one semiconductor layer between them on a substrate made of a semiconductor or a dielectric by metal organic chemical vapor deposition or molecular beam epitaxy;
Forming a photoresist mask on the semiconductor layer and etching at least one of the semiconductor layers using the photoresist mask to form one or more pillars;
Forming a buried layer around the columnar semiconductor layer,
Of the reflecting mirrors, the light emitting side reflecting mirror is formed by alternately laminating a first layer made of a semiconductor and a second layer made of a semiconductor having a refractive index different from that of the first layer, continuously from the substrate. And forming a metal electrode having a light exit on the second layer, a third layer made of a dielectric on the light exit and the metal electrode, and the third layer. And fourth layers made of dielectrics having different refractive indexes are alternately laminated,
The reflection mirror in which the first layer and the second layer are alternately stacked is formed to have the same size as the columnar semiconductor layer when viewed from a direction perpendicular to the substrate.
The light emission port is formed smaller than the columnar semiconductor layer when viewed from a direction perpendicular to the substrate, and
When viewed from the direction perpendicular to the substrate, the end of the metal electrode on the light exit side overlaps the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer. Formed into,
A method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser.
前記反射ミラーのうちの光出射側反射ミラーにおいて、前記第1の層はIII−V族化合物半導体であり、前記第2の層は該第1の層と屈折率の異なるIII−V族化合物半導体からなる層であることを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。In claim 4,
In the light emitting side reflecting mirror of the reflecting mirrors, the first layer is a group III-V compound semiconductor, and the second layer is a group III-V compound semiconductor having a refractive index different from that of the first layer. A method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser, comprising: a layer comprising:
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