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JP2004281969A - Surface-emitting semiconductor laser element - Google Patents

Surface-emitting semiconductor laser element Download PDF

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Publication number
JP2004281969A
JP2004281969A JP2003074905A JP2003074905A JP2004281969A JP 2004281969 A JP2004281969 A JP 2004281969A JP 2003074905 A JP2003074905 A JP 2003074905A JP 2003074905 A JP2003074905 A JP 2003074905A JP 2004281969 A JP2004281969 A JP 2004281969A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type
semiconductor laser
strain
emitting semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003074905A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiro Hayakawa
利郎 早川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Photo Film Co Ltd filed Critical Fuji Photo Film Co Ltd
Priority to JP2003074905A priority Critical patent/JP2004281969A/en
Publication of JP2004281969A publication Critical patent/JP2004281969A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a highly reliable surface-emitting semiconductor laser element by compensating the strain produced in a semiconductor layer on the side opposite to the substrate of an active layer in the laser element. <P>SOLUTION: This surface-emitting semiconductor laser element is provided with an n-type Al<SB>0.9</SB>Ga<SB>0.1</SB>As/Al<SB>0.3</SB>Ga<SB>0.7</SB>As lower multilayered semiconductor reflection film 13, a quantum well active layer 15 composed of an undoped Al<SB>0.12</SB>Ga<SB>0.88</SB>As quantum well layer and an undoped Al<SB>0.3</SB>Ga<SB>0.7</SB>As barrier layer, and a current constricting layer formed by oxidizing the area 19a of a p-type AlAs layer 19 other than a current injecting area, and a p-type Al<SB>0.9</SB>Ga<SB>0.1</SB>As/Al<SB>0.3</SB>Ga<SB>0.7</SB>As upper multilayered semiconductor reflection film 21 successively laminated upon an n-type GaAs substrate 11 in this order. In this laser element, an undoped InGaAsP tensile-strain spacer layer 17 is provided between the active layer 15 and the current constricting layer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、短距離高速通信用の光リンクの光源としては、GaAs基板上に作製した発振波長850nmのAlGaAs系の面発光型半導体レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser;VCSEL)が用いられている。この波長帯の半導体レーザ素子が用いられている理由は、主に、AlGaAs系の材料であって作製し易く、かつ現在主に用いられている石英ファイバの伝搬損失が低いためである。
【0003】
一方、家庭や装置内、装置間、自動車等の短距離通信では、コア径が大きく安価で取り扱いが容易なPOF(Plastic Optical Fiber)を用いることが可能になってきている。POFは、コア直径が100〜1000μmと大きいため、アライメントが容易で送受信モジュールやファイバコネクタを安価にすることができる。先端加工や施工の容易さもPOFの特徴である。
【0004】
POFの素材としてはPMMAが一般的である。PMMA−POFの低損失な波長域は限定され、特に高速な通信が可能な半導体レーザが実現されている波長として、650、780、850nmの3波長に限定される。中でも、780nmと850nmでは、共振器形成から動作試験までをウェハレベルで実施でき、光ファイバとの結合が容易なVCSELを光源として用いることが可能である。VCSELとしては、850nmの素子の方が製造し易く、780nmでは850nmの素子と比較して信頼性が低下する傾向があると言われている。しかし、780nm帯の素子の方が、850nm帯の素子よりPMMA−POFの損失が低く、より長距離の伝送が可能である。
【0005】
そこで、このような780nm帯の信頼性低下を改善するため、Alを活性領域に含まない短波長域のリッジ構造のVCSELが提案されている(例えば、特許文献1参照)。上記文献1には、短波長化を実現するために、活性領域にAlを含むAlGaAsを用いると、結晶成長や素子製造プロセスでのAlGaAsへの酸素の混入による非発光再結合センターの増加により、レーザ発振効率の低下を招くとして、活性領域にAlを含まないGaAs量子井戸とGaInP障壁層とを導入している。ここで、GaAsPはGaAs基板を格子整合しないため引張り歪となるが、GaInPを圧縮歪としてトータルの歪を低減している。
【0006】
一方、Fabry−Perot共振器を有する端面発光型のストライプレーザは、CDやCD−Rの光源として、AlGaAsを活性領域に用いたものが広く用いられており、最近ではCD−R等の記録速度の向上のために150mWを超える高出力の素子も用いられるようになっている。端面発光型のストライプレーザの信頼性は活性層にAlを含まない素子が有利であることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。端面発光型レーザの信頼性は、へき開端面の安定性に依存しており、端面は酸化され易いことが最も大きな原因と考えられる。そこで、更に、短波長のAlGaInP系半導体レーザでは、端面の光吸収を抑制したNAM(Non−Absorbing Mirror)構造が高出力レーザでは一般的に用いられている。ところが、最近の結晶成長装置や原材料の純度向上により、AlGaAs結晶の品位は極めて高く、結晶品位が劣化の第一原因とは考え難い。また、VCSELはへき開端面を有しないため、端面起因の劣化もない。ただし、上記特許文献1に記載されているようなリッジ型のVCSELでは活性領域がエッチングで除去されるため、この表面での酸化の影響がある可能性がある。これに対して最近では活性領域をエッチング除去しないイオン注入型や選択酸化型のVCSELが一般的となっている。前者は、活性領域上部までプロトン等をイオン注入して絶縁化して電流を中央の発振領域に狭窄する。後者は、積層したAlAsあるいは高Al組成のAlGaAsを周囲から選択酸化することにより絶縁化して電流狭窄を行う。この際周囲をエッチング除去する必要があるが、エッチングで活性層が露出した部分から電流狭窄する選択酸化部が奥深くまで存在するため、活性層露出部での非発光再結合の影響はほとんど無い。また、選択酸化のためのエッチングを活性層上部で止めて、活性層を露出させないプロセスあるいは構造をとることも可能である。
【0007】
【特許文献1】
特開平9−1017153号公報
【0008】
【非特許文献1】
D.Botez、Proceeding of SPIE、1999、Vol.3628、p.7
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなVCSEL構造においてもAlGaAsを活性層に用いた場合、780nmと850nmとでは、Alを多く含むAlGaAs活性層を有する780nmの素子のほうが、素子劣化が早いという問題がある。
【0010】
また、現在主流になりつつある選択酸化型の電流狭窄構造を有する素子では、AlAsや高Al組成のAlGaAsを、側面エッチングで露出した部分から選択的に電流注入領域以外の領域を酸化させて電流狭窄層を形成するが、酸化された層はAl等を含み、周辺の結晶と結晶状態が異なるため周辺の結晶へ歪を生じさせる。また、電流狭窄層を半導体層の電流注入領域以外の領域にイオン注入して形成した場合においても、注入量やイオンの加速電圧等のプロセス条件によって結晶性が劣化し歪を有する。
【0011】
本発明は上記事情に鑑みて、信頼性の高い面発光型半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の面発光型半導体レーザ素子は、GaAs基板上に下部半導体多層膜からなる光共振器ミラー、活性層、選択酸化型あるいはイオン注入型の電流狭窄層および上部半導体多層反射膜からなる光共振器ミラーをこの順に積層してなる半導体層と、活性層に電流を注入する一対の電極とを備えてなり、半導体層の積層面に平行な端面から光を発する面発光型半導体レーザ素子において、活性層と上部半導体多層反射膜との間に、電流狭窄層の歪を補償する歪補償層を設けたことを特徴とするものである。
【0013】
なお、歪補償層は、活性層と電流狭窄層のとの間に設けられていてもよいし、電流狭窄層と上部半導体多層反射膜との間に設けられていてもよいし、電流狭窄層の上下に設けられていてもよい。活性層と電流狭窄層との間に設けられている方が、活性層に近い領域で歪が補償された状態となるので好ましい。
【0014】
あるいは、選択酸化型の電流狭窄層の場合、電流狭窄層が複数の選択酸化された層からなり、歪補償層が、該複数の選択酸化された層に挟まれた領域に設けられている構造であってもよい。すなわち選択酸化した後、複数の選択酸化された層の合計歪が選択酸化された層の間に設けられた歪補償層で補償されている構造である。この場合、電流狭窄層が単層の選択酸化された層からなる場合より、電流狭窄層全体の厚さを薄くすることができるので、歪補償を効果的に行うことができる。
【0015】
歪補償層は、InGaP、InGaAsP、AlGaInAsP、AlGaInP、GaAsPおよびAlGaAsPの少なくとも1つからなることが望ましい。
【0016】
レーザ光の発振波長帯は730nmから820nmまでの範囲であることが望ましい。さらには、770nmから800nmまでの範囲であることが望ましい。
【0017】
前記「電流狭窄層の歪を補償する」とは、電流狭窄層の歪と逆の歪を有し、電流狭窄層の歪を打ち消すことを示す。
【0018】
【発明の効果】
本発明の面発光型半導体レーザ素子によれば、活性層と上部半導体多層反射膜との間に電流狭窄層の歪を補償する歪補償層を設けることにより、電流狭窄層の結晶性変化による歪を補償することができるので、歪が活性層へ影響を及ぼすのを防止することができ、高い信頼性を得ることができる。
【0019】
歪補償層として、InGaP、InGaAsP、GaAsP、AlGaInAsP、AlGaInPおよびAlGaAsPの少なくとも1つからなるものとすることにより、良好に電流狭窄層の歪を補償することができる。上記組成においては、引張り歪を有するGaAsPおよびAlGaAsPを除き、元素の組成比を調整することにより圧縮歪または引張り歪のどちらにもすることができる。また、InGaP、InGaAsP、GaAsP等のAlを含まない組成とすれば、バンドギャップの大きいAl元素を含まないので、キャリアを効率良く活性層に注入するために良好なバンドギャップを有するため、良好なレーザ特性を得ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【0021】
本発明の第1の実施の形態の面発光型半導体レーザについて製造方法と共に説明する。その半導体レーザの断面図を図1に示す。
【0022】
本実施の形態の面発光型半導体レーザは、図1に示すように、n型GaAs基板11上に、n型GaAsバッファ層12(厚さ200nm、Si=1×1018cm−3)、n型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体多層反射膜13(1/4波長相当の厚みの高反射膜と低反射膜を1周期として39.5周期積層したもの、Si=1×1018cm−3)、アンドープAl0.6Ga0.4Asスペーサ層14、アンドープAl0.12Ga0.88As量子井戸層(10nmを3層、発振波長780nm)とアンドープAl0.3Ga0.7As障壁層(厚さ5nmの層を2層)とからなる量子井戸活性層15、アンドープAl0.6Ga0.4Asスペーサ層16、アンドープInGaAsP引張り歪スペーサ層17、p型Al0.6Ga0.4Asスペーサ層18(C=8×1017cm−3)、p型AlAs層19(1/4波長相当の厚み、C=2×1018cm−3)、p型Al0.6Ga0.4Asスペーサ層20、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜21(1/4波長相当の厚みの高反射膜と低反射膜を1周期として29周期積層したもの、C=2×1018cm−3)、およびp型GaAsコンタクト層22(厚さ10nm、C=5×1019cm−3)を順次MOCVD法により積層する。
【0023】
次に、p型GaAsコンタクト層22を発光領域の上部をエッチング除去する。発振領域を形成するために、直径55μm(r)の円柱状の領域を残し、その周辺を下部半導体多層反射膜13の一部まで除去する。加熱水蒸気を導入した炉中にて熱処理(390℃、10分間)することにより、p型AlAs層19の電流注入領域以外の領域19aを選択酸化して電流狭窄層を形成し、直径15μm(r)の非酸化領域、すなわち電流注入領域を形成する。エッチングで円柱状に残した領域上にSiOによる保護膜23を形成し、電流注入領域の保護膜23を除去し、Ti/Pt/Auをこの順に積層してなるp側電極24を形成する。次にn型GaAs基板11の裏面にAuGe/Ni/Auをこの順に積層してなるn側電極25を形成する。
【0024】
上記のようにして作製された本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子は、GaAs基板上にn型GaAsバッファ層12、n型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体多層反射膜13、アンドープAl0.6Ga0.4Asスペーサ層14、アンドープAl0.12Ga0.88As量子井戸層とアンドープAl0.3Ga0.7As障壁層とからなる量子井戸活性層15、アンドープAl0.6Ga0.4Asスペーサ層16、アンドープInGaAsP引張り歪スペーサ層17、p型Al0.6Ga0.4Asスペーサ層18、p型AlAs層19の電流注入領域以外の領域19aを酸化してなる電流狭窄層、p型Al0.6Ga0.4Asスペーサ層20、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜21およびp型GaAsコンタクト層22をこの順に積層してなる半導体層と、一対の電極(n側電極25とp側電極24)とを備えてなり、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜21の表面からレーザ光を発するものである。n型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体多層反射膜13およびp型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜21はそれぞれ光共振器ミラーであり、2つのミラーで光共振器を構成している。
【0025】
本実施の形態においては、アンドープInGaAsP引張り歪スペーサ層17により、p型AlAs層19の選択酸化により形成された電流狭窄層の圧縮歪を補償することができるので、歪が活性層に伝わるのを防止することができる。
【0026】
活性層は、AlGaAsとしたが、GaAsに格子整合するInGaAsPからなるものとしてもよい。
【0027】
また、GaAs基板裏面にn側電極を形成したが、円柱状の領域を形成するためにエッチングする際にn型層の一部までエッチングして、エッチングにより露出されたn型層上にn側電極を形成してもよい。例えば、本実施の形態では、露出した、n型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体多層反射膜13上にn側電極を形成してもよい。
【0028】
スペーサ層は、下部半導体多層反射膜と上部半導体多層反射膜とで挟まれた層の光学的な厚みを調整して、定在波の腹の部分が活性層と重なるように設定することにより、低しきい値化することができる。
【0029】
p型Al0.5Ga0.5Asスペーサ層18およびp型Al0.5Ga0.5Asスペーサ層20の間にAlAs層19を配置して、このAlAs層19を酸化することにより、AlAs層とAlGaAs層との界面での選択酸化特性が良好であるので、高精度な電流狭窄を行うことができる。
【0030】
また、MOCVD法による結晶成長を用いて説明したが、固体あるいはガスソースを使ったMBE法を用いることもできる。
【0031】
また、量子井戸の層数は3個としたが、1個の単一量子井戸でも2個以上の多重量子井戸でもよい。またさらに、量子井戸の数をn個として、障壁層の数をn+1個としてもよい。
【0032】
また、保護膜としては、SiO以外に、Al、またはSi等を用いることが可能である。
【0033】
また、p側電極としてはCr/Auをこの順に積層してなるもの、AuZn/Auをこの順に積層してなるもの等、n側電極としてはAuGe/Auをこの順に積層してなるもの等を用いることもできる。
【0034】
また、電流狭窄構造として、p型AlAs層19の電流注入領域以外の領域を酸化させる選択酸化型を示したが、電流注入領域以外の領域にプロトンイオン等の注入することによる電流狭窄構造を有する素子においても、同様に本発明を適用することにより、電流狭窄層から活性層へかかる歪を補償することができる。
【0035】
また、選択酸化により形成される電流狭窄層は1層としたが、複数のAlAs層を設け、AlAs層の間にアンドープInGaAsP引張り歪スペーサ層が配置されるように設けて、複数のAlAs層が選択酸化されてなる電流狭窄層の合計歪を、アンドープInGaAsP引張り歪スペーサ層によって補償するようにしてもよい。
【0036】
本実施の形態では、発光領域が円柱状に突出した形状としたが、図2に示すように、例えば内径(r)55μm、外径(r)85μmのドーナツの溝を形成して、溝外側の高さと発光領域を有する面の円柱状の領域高さが同じになるような素子としてもよい。これにより、その後の製造工程での取扱い、素子を実装する際のワイヤボンディング等に有利となる。
【0037】
なお、本実施の形態では、発光領域が1つの場合について説明したが、1素子内に複数の円柱状の発光領域を有する素子としてもよい。
【0038】
次に、本発明の第2の実施の形態の半導体レーザについて製造方法と共に説明する。その半導体レーザの断面図を図3に示す。
【0039】
本実施の形態による半導体レーザは、図3に示すように、n型GaAs基板31上に、n型GaAsバッファ層32(厚さ120nm、Si=1×1018cm−3)、n型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体多層反射膜33(1/4波長相当の厚みの高反射膜と低反射膜を1周期として40.5周期積層したもの、Si=1×1018cm−3)、アンドープInGaPスペーサ層34、アンドープInGaAsP量子井戸層(8nmを4層、発振波長780nm)とアンドープInGaP障壁層(厚さ5nmの層を3層)とからなる量子井戸活性層35、アンドープInGaPスペーサ層36、アンドープ引張り歪InGaPスペーサ層37、p型AlAs層38(1/4波長相当の厚み、C=2×1018cm−3)、p型Al0.5Ga0.5Asスペーサ層39、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜40(1/4波長相当の厚みの高反射膜と低反射膜を1周期として29周期積層したもの、C=2×1018cm−3)、およびp型GaAsコンタクト層41(厚さ10nm、C=1×1020cm−3)を順次MOCVD法により積層する。
【0040】
次に、p型コンタクト層41を発光領域の上部をエッチング除去する。発振領域を形成するために、直径30μmの円柱状の領域を残し、その周辺をアンドープ引張り歪InGaPスペーサ層37が露出するまで除去する。加熱水蒸気を導入した炉中にて熱処理(390℃、8分間)することにより、p型AlAs層38の電流注入領域以外の領域38aを選択酸化して電流狭窄層を形成し、直径8μm(r)の非酸化領域、すなわち電流注入領域を形成する。エッチングで円柱状に形成した領域上にSiOによる保護膜42を形成し、発光領域に対応する領域の保護膜42を除去し、Ti/Pt/Auをこの順に積層してなるp側電極43、AuGe/Ni/Auをこの順に積層してなるn側電極44を形成する。
【0041】
上記のようにして作製された本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子は、n型GaAs基板31上にn型GaAsバッファ層32、n型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体多層反射膜33、アンドープInGaPスペーサ層34、アンドープInGaAsP量子井戸層とアンドープInGaP障壁層とからなる量子井戸活性層35、アンドープInGaPスペーサ層36、アンドープ引張り歪InGaPスペーサ層37、p型AlAs層38の電流注入領域以外の領域38aを酸化させてなる電流狭窄層、p型Al0.5Ga0.5Asスペーサ層39、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜40およびp型GaAsコンタクト層41をこの順に積層してなる半導体層と、一対の電極(n側電極44とp側電極43)とを備えてなり、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜40の表面からレーザ光を発するものである。n型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体多層反射膜33およびp型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜40はそれぞれ光共振器ミラーであり、2つのミラーで光共振器を構成している。
【0042】
本実施の形態における面発光型半導体レーザ素子においても、上記第1の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と同様に、アンドープ引張り歪InGaPスペーサ層37により選択酸化により形成された電流狭窄層の圧縮歪を補償することができるので、活性層は電流狭窄層の歪の影響を受けることがないため、高い信頼性を得ることができる。
【0043】
上記2つの実施の形態において、歪補償層として、引張り歪InGaPを用いたが、InGaAsP、AlGaInAsP、AlGaInP、GaAsPおよびAlGaAsPの少なくとも1つからなるものであってもよい。なお、電流狭窄層の歪に応じて、上記半導体から電流狭窄層の歪と逆の歪を有する組成のものとする。また、Alを含有するものにおいては、電子障壁となるようなバンドギャップにならない程度のAl含有量とすることが望ましい。
【0044】
上記2つの実施の形態による面発光型半導体レーザ素子によれば、POFの低伝搬損失波長域である780nm帯域において、高い信頼性を実現することができる。
【0045】
また、活性層の組成をAlGaAsあるいはInGaAsPとし適当な元素組成比とすることにより、発振波長を730〜820nmの範囲、さらには770〜800nm帯の波長域で選択することが可能であり、これらの素子においても本発明を適用することにより高い信頼性を得ることができる。
【0046】
また、本発明の面発光型半導体レーザ素子によれば、性能および量産性に優れた選択酸化型あるいはイオン注入型の電流狭窄構造を有するVCSELにおいて高信頼性化することができることから、自動車、家庭、HDTV等における1Gbpsを超える高速光ファイバー通信の実用化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による面発光型半導体レーザ素子の断面図
【図2】第1の実施の形態による面発光型半導体レーザ素子の変形例を示す断面図
【図3】本発明の第2の実施の形態による面発光型半導体レーザ素子の断面図
【符号の説明】
11 n型GaAs基板
12 n型GaAsバッファ層
13 n型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As下部半導体多層反射膜
14 アンドープInGaPスペーサ層
15 アンドープAl0.12Ga0.88As量子井戸層とアンドープAl0.3Ga0.7As障壁層とからなる量子井戸活性層
16 アンドープAl0.6Ga0.4Asスペーサ層
17 アンドープInGaAsP引張り歪スペーサ層
18 p型Al0.6Ga0.4Asスペーサ層
19 p型AlAs層
19a 電流狭窄層
20 p型Al0.6Ga0.4Asスペーサ層
21 p型Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As上部半導体多層反射膜
22 p型GaAsコンタクト層
23 SiO保護膜
24 Ti/Pt/Auからなるp側電極
25 AuGe/Ni/Auからなるn側電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser element.
[0002]
[Prior art]
Generally, as a light source for an optical link for short-distance high-speed communication, an AlGaAs surface emitting semiconductor laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)) having an oscillation wavelength of 850 nm manufactured on a GaAs substrate is used. The reason why the semiconductor laser element of this wavelength band is used is mainly because it is an AlGaAs-based material and can be easily manufactured, and the propagation loss of the currently used silica fiber is low.
[0003]
On the other hand, in short-distance communications such as homes, in-devices, between devices, and automobiles, it has become possible to use POF (Plastic Optical Fiber) that has a large core diameter and is inexpensive and easy to handle. Since the POF has a large core diameter of 100 to 1000 μm, alignment is easy and the cost of the transmission / reception module and fiber connector can be reduced. The ease of tip processing and construction is also a feature of POF.
[0004]
PMMA is generally used as a POF material. The low-loss wavelength region of PMMA-POF is limited, and is limited to three wavelengths of 650, 780, and 850 nm as wavelengths for realizing a semiconductor laser capable of high-speed communication. In particular, at 780 nm and 850 nm, from the resonator formation to the operation test can be performed at the wafer level, and a VCSEL that can be easily coupled to an optical fiber can be used as a light source. As a VCSEL, it is said that an element of 850 nm is easier to manufacture, and reliability at 780 nm tends to be lower than that of an element of 850 nm. However, the device in the 780 nm band has a lower loss of PMMA-POF than the device in the 850 nm band, and transmission over a longer distance is possible.
[0005]
Therefore, a ridge structure VCSEL having a short wavelength region in which Al is not included in the active region has been proposed in order to improve such reliability degradation in the 780 nm band (see, for example, Patent Document 1). In the above document 1, when AlGaAs containing Al is used in the active region in order to realize a shorter wavelength, the increase in non-radiative recombination centers due to the incorporation of oxygen into AlGaAs in the crystal growth or device manufacturing process, In order to reduce the laser oscillation efficiency, a GaAs quantum well and a GaInP barrier layer not containing Al are introduced in the active region. Here, GaAsP causes tensile strain because it does not lattice-match the GaAs substrate, but the total strain is reduced by using GaInP as compression strain.
[0006]
On the other hand, edge-emitting stripe lasers having Fabry-Perot resonators are widely used as light sources for CDs and CD-Rs using AlGaAs in the active region. Recently, recording speeds for CD-Rs and the like are being used. In order to improve this, an element having a high output exceeding 150 mW is also used. It is known that the reliability of the edge-emitting type stripe laser is advantageous for an element that does not contain Al in the active layer (for example, see Non-Patent Document 1). The reliability of the edge-emitting laser depends on the stability of the cleaved end face, and the end face is likely to be oxidized, which is considered to be the biggest cause. Therefore, a NAM (Non-Absorbing Mirror) structure in which light absorption at the end face is suppressed is generally used in high-power lasers in short wavelength AlGaInP semiconductor lasers. However, due to recent improvements in crystal growth equipment and purity of raw materials, the quality of AlGaAs crystals is extremely high, and crystal quality is unlikely to be the primary cause of deterioration. Further, since the VCSEL does not have a cleaved end face, there is no deterioration due to the end face. However, since the active region is removed by etching in the ridge-type VCSEL as described in Patent Document 1, there is a possibility that this surface may be affected by oxidation. On the other hand, recently, ion implantation type and selective oxidation type VCSELs that do not remove the active region by etching have become common. In the former, protons or the like are ion-implanted up to the upper part of the active region to insulate the current and confine the current in the central oscillation region. The latter performs current confinement by insulating the laminated AlAs or high Al composition AlGaAs by selective oxidation from the surroundings. At this time, the periphery needs to be removed by etching. However, since there is a deep selective oxidation portion where the current is confined from the portion where the active layer is exposed by etching, there is almost no influence of non-radiative recombination in the active layer exposed portion. It is also possible to adopt a process or structure in which etching for selective oxidation is stopped at the upper part of the active layer and the active layer is not exposed.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-1017153 [0008]
[Non-Patent Document 1]
D. Botez, Proceeding of SPIE, 1999, Vol. 3628, p. 7
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, even in such a VCSEL structure, when AlGaAs is used for the active layer, the 780 nm device having the AlGaAs active layer containing a large amount of Al has a problem that the device deterioration is faster at 780 nm and 850 nm.
[0010]
In addition, in an element having a selective oxidation type current confinement structure that is becoming mainstream, AlAs and AlGaAs having a high Al composition are selectively oxidized from the exposed portion by side etching to oxidize regions other than the current injection region. Although the constriction layer is formed, the oxidized layer contains Al 2 O 3 and the like, and the crystal state is different from that of the peripheral crystal, so that the peripheral crystal is distorted. Even when the current confinement layer is formed by ion implantation in a region other than the current injection region of the semiconductor layer, the crystallinity is deteriorated and distorted depending on the process conditions such as the implantation amount and the ion acceleration voltage.
[0011]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a highly reliable surface emitting semiconductor laser element.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The surface emitting semiconductor laser device according to the present invention includes an optical resonator mirror comprising a lower semiconductor multilayer film on a GaAs substrate, an active layer, a selective oxidation type or ion implantation type current confinement layer, and an optical resonance comprising an upper semiconductor multilayer reflection film. In a surface-emitting type semiconductor laser device comprising a semiconductor layer formed by stacking mirrors in this order and a pair of electrodes for injecting current into the active layer, and emitting light from an end face parallel to the stacked surface of the semiconductor layer, A strain compensation layer for compensating for the strain of the current confinement layer is provided between the active layer and the upper semiconductor multilayer reflective film.
[0013]
The strain compensation layer may be provided between the active layer and the current confinement layer, or may be provided between the current confinement layer and the upper semiconductor multilayer reflective film, or the current confinement layer. It may be provided above and below. It is preferable to provide it between the active layer and the current confinement layer because the strain is compensated in a region near the active layer.
[0014]
Alternatively, in the case of a selective oxidation type current confinement layer, the current confinement layer is composed of a plurality of selectively oxidized layers, and the strain compensation layer is provided in a region sandwiched between the plurality of selectively oxidized layers. It may be. That is, after selective oxidation, the total strain of a plurality of selectively oxidized layers is compensated by a strain compensation layer provided between the selectively oxidized layers. In this case, since the thickness of the entire current confinement layer can be made thinner than in the case where the current confinement layer is composed of a single-layer selectively oxidized layer, distortion compensation can be effectively performed.
[0015]
The strain compensation layer is preferably made of at least one of InGaP, InGaAsP, AlGaInAsP, AlGaInP, GaAsP, and AlGaAsP.
[0016]
The oscillation wavelength band of the laser beam is preferably in the range from 730 nm to 820 nm. Furthermore, it is desirable that the range is from 770 nm to 800 nm.
[0017]
The “compensating for the distortion of the current confinement layer” means that the distortion of the current confinement layer has a distortion opposite to that of the current confinement layer and cancels out the distortion of the current confinement layer.
[0018]
【The invention's effect】
According to the surface-emitting type semiconductor laser device of the present invention, a strain compensation layer for compensating for the strain of the current confinement layer is provided between the active layer and the upper semiconductor multilayer reflective film, so that the distortion due to the crystallinity change of the current confinement layer is provided. Therefore, the strain can be prevented from affecting the active layer, and high reliability can be obtained.
[0019]
By using at least one of InGaP, InGaAsP, GaAsP, AlGaInAsP, AlGaInP, and AlGaAsP as the strain compensation layer, the strain of the current confinement layer can be compensated satisfactorily. In the above composition, except for GaAsP and AlGaAsP having tensile strain, it can be either compression strain or tensile strain by adjusting the composition ratio of elements. Further, if the composition does not contain Al, such as InGaP, InGaAsP, and GaAsP, it does not contain an Al element having a large band gap, so that it has a good band gap in order to efficiently inject carriers into the active layer. Laser characteristics can be obtained.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
A surface-emitting type semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention will be described together with a manufacturing method. A cross-sectional view of the semiconductor laser is shown in FIG.
[0022]
As shown in FIG. 1, the surface emitting semiconductor laser according to the present embodiment has an n-type GaAs buffer layer 12 (thickness: 200 nm, Si = 1 × 10 18 cm −3 ), n, Type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 13 (39.5 periods with a high reflection film and a low reflection film having a thickness corresponding to a quarter wavelength as one period) Stacked layer, Si = 1 × 10 18 cm −3 ), undoped Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 14, undoped Al 0.12 Ga 0.88 As quantum well layer (3 layers of 10 nm, oscillation wavelength quantum well active layer 15 consisting of 780 nm) and undoped Al 0.3 Ga 0.7 as barrier layer (having a thickness of 5nm layer two layers) and an undoped Al 0.6 Ga 0.4 as spacer layer 16, an undoped InGa sP tensile strained spacer layer 17, p-type Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 18 (C = 8 × 10 17 cm -3), p -type AlAs layer 19 (quarter wavelength equivalent thickness, C = 2 × 10 18 cm −3 ), p-type Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 20, p-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As upper semiconductor multilayer reflective film 21 (A high-reflection film having a thickness corresponding to a quarter wavelength and a low-reflection film with 29 periods stacked as one period, C = 2 × 10 18 cm −3 ), and a p-type GaAs contact layer 22 (thickness 10 nm, C = 5 × 10 19 cm −3 ) are sequentially stacked by MOCVD.
[0023]
Next, the p-type GaAs contact layer 22 is removed by etching the upper part of the light emitting region. In order to form the oscillation region, a cylindrical region having a diameter of 55 μm (r 2 ) is left, and the periphery thereof is removed to a part of the lower semiconductor multilayer reflective film 13. By performing heat treatment (390 ° C., 10 minutes) in a furnace into which heated steam is introduced, the region 19a other than the current injection region of the p-type AlAs layer 19 is selectively oxidized to form a current confinement layer, and the diameter is 15 μm (r 1 ) A non-oxidized region, that is, a current injection region is formed. A protective film 23 made of SiO 2 is formed on the region left in the cylindrical shape by etching, the protective film 23 in the current injection region is removed, and a p-side electrode 24 is formed by laminating Ti / Pt / Au in this order. . Next, an n-side electrode 25 formed by laminating AuGe / Ni / Au in this order on the back surface of the n-type GaAs substrate 11 is formed.
[0024]
The surface-emitting type semiconductor laser device of the present embodiment manufactured as described above has an n-type GaAs buffer layer 12 and an n-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0 on a GaAs substrate. .7 As lower semiconductor multilayer reflective film 13, undoped Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 14, undoped Al 0.12 Ga 0.88 As quantum well layer and undoped Al 0.3 Ga 0.7 As barrier layer Quantum well active layer 15, undoped Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 16, undoped InGaAsP tensile strain spacer layer 17, p-type Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 18, p-type AlAs layer 19 current confinement layer formed by oxidizing the regions 19a other than the current injection region, p-type Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 20, p-type Al 0.9 Ga 0 And 1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As upper semiconductor multilayer reflection film 21 and the p-type GaAs contact layer 22 semiconductor layer are laminated in this order, a pair of electrodes (n-side electrode 25 and the p-side electrode 24) And emits laser light from the surface of the p-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As upper semiconductor multilayer reflective film 21. n-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 13 and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As upper part Each of the semiconductor multilayer reflective films 21 is an optical resonator mirror, and the two mirrors constitute an optical resonator.
[0025]
In the present embodiment, the undoped InGaAsP tensile strain spacer layer 17 can compensate the compressive strain of the current confinement layer formed by selective oxidation of the p-type AlAs layer 19, so that the strain is transmitted to the active layer. Can be prevented.
[0026]
The active layer is made of AlGaAs, but may be made of InGaAsP lattice-matched with GaAs.
[0027]
In addition, an n-side electrode is formed on the back surface of the GaAs substrate, but when etching is performed to form a cylindrical region, a part of the n-type layer is etched, and the n-side electrode is exposed on the n-type layer exposed by the etching. An electrode may be formed. For example, in the present embodiment, an n-side electrode may be formed on the exposed n-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 13.
[0028]
By adjusting the optical thickness of the layer sandwiched between the lower semiconductor multilayer reflective film and the upper semiconductor multilayer reflective film, the spacer layer is set so that the antinode portion of the standing wave overlaps the active layer, The threshold can be lowered.
[0029]
By disposing the AlAs layer 19 between the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As spacer layer 18 and the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As spacer layer 20, and oxidizing the AlAs layer 19, Since the selective oxidation characteristic at the interface between the AlAs layer and the AlGaAs layer is good, highly accurate current confinement can be performed.
[0030]
In addition, the crystal growth by the MOCVD method has been described, but the MBE method using a solid or gas source can also be used.
[0031]
Although the number of quantum well layers is three, one single quantum well or two or more multiple quantum wells may be used. Furthermore, the number of quantum wells may be n, and the number of barrier layers may be n + 1.
[0032]
In addition to SiO 2 , Al 2 O 3 , Si x N y , or the like can be used as the protective film.
[0033]
Also, the p-side electrode is formed by stacking Cr / Au in this order, the Au-Zn / Au is stacked in this order, the n-side electrode is stacked by AuGe / Au in this order, etc. It can also be used.
[0034]
Further, as the current confinement structure, a selective oxidation type in which a region other than the current injection region of the p-type AlAs layer 19 is oxidized is shown. However, the current confinement structure has a current confinement structure by injecting proton ions or the like into a region other than the current injection region. Similarly, by applying the present invention to the element, it is possible to compensate for the strain from the current confinement layer to the active layer.
[0035]
Although the current confinement layer formed by selective oxidation is one layer, a plurality of AlAs layers are provided, and an undoped InGaAsP tensile strain spacer layer is provided between the AlAs layers. The total strain of the current confinement layer that is selectively oxidized may be compensated by the undoped InGaAsP tensile strain spacer layer.
[0036]
In the present embodiment, the light emitting region has a shape protruding in a cylindrical shape, but as shown in FIG. 2, for example, a donut groove having an inner diameter (r 2 ) of 55 μm and an outer diameter (r 3 ) of 85 μm is formed, An element in which the height outside the groove is the same as the columnar region height of the surface having the light emitting region may be used. This is advantageous for handling in subsequent manufacturing processes, wire bonding when mounting elements, and the like.
[0037]
Note that although a case where there is one light-emitting region has been described in this embodiment mode, an element having a plurality of columnar light-emitting regions in one element may be used.
[0038]
Next, a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention will be described together with a manufacturing method. A sectional view of the semiconductor laser is shown in FIG.
[0039]
As shown in FIG. 3, the semiconductor laser according to the present embodiment has an n-type GaAs buffer layer 32 (thickness 120 nm, Si = 1 × 10 18 cm −3 ), n-type Al 0 on an n-type GaAs substrate 31. .9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 33 (a stack of 40.5 periods with a high reflection film and a low reflection film having a thickness corresponding to a quarter wavelength as one period) , Si = 1 × 10 18 cm −3 ), undoped InGaP spacer layer 34, undoped InGaAsP quantum well layer (4 layers of 8 nm, oscillation wavelength 780 nm), and undoped InGaP barrier layer (3 layers of 5 nm thickness). Quantum well active layer 35, undoped InGaP spacer layer 36, undoped tensile strained InGaP spacer layer 37, p-type AlAs layer 38 (thickness corresponding to ¼ wavelength, C = × 10 18 cm -3), p-type Al 0.5 Ga 0.5 As spacer layer 39, p-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As upper semiconductor multilayer reflection film 40 (A high-reflection film having a thickness corresponding to a quarter wavelength and a low-reflection film with 29 periods stacked as one period, C = 2 × 10 18 cm −3 ), and a p-type GaAs contact layer 41 (thickness 10 nm, C = 1 × 10 20 cm −3 ) are sequentially stacked by MOCVD.
[0040]
Next, the p-type contact layer 41 is removed by etching the upper part of the light emitting region. In order to form the oscillation region, a cylindrical region having a diameter of 30 μm is left, and its periphery is removed until the undoped tensile strained InGaP spacer layer 37 is exposed. By performing heat treatment (390 ° C., 8 minutes) in a furnace into which heated steam is introduced, the region 38a other than the current injection region of the p-type AlAs layer 38 is selectively oxidized to form a current confinement layer, and the diameter is 8 μm (r 1 ) A non-oxidized region, that is, a current injection region is formed. A protective film 42 made of SiO 2 is formed on a region formed into a cylindrical shape by etching, the protective film 42 in a region corresponding to the light emitting region is removed, and a p-side electrode 43 in which Ti / Pt / Au is laminated in this order. Then, the n-side electrode 44 formed by stacking AuGe / Ni / Au in this order is formed.
[0041]
The surface-emitting type semiconductor laser device of the present embodiment manufactured as described above has an n-type GaAs buffer layer 32, an n-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0. 3 Ga 0.7 as lower semiconductor multilayer reflection film 33, an undoped InGaP spacer layer 34, a quantum well active layer 35 made of undoped InGaAsP quantum well layer and an undoped InGaP barrier layer, an undoped InGaP spacer layer 36, an undoped tensile strain InGaP spacer layer 37, a current confinement layer formed by oxidizing the region 38a other than the current injection region of the p-type AlAs layer 38, a p-type Al 0.5 Ga 0.5 As spacer layer 39, and a p-type Al 0.9 Ga 0.1 As. / Al 0.3 Ga 0.7 As the product of the upper semiconductor multilayer reflection film 40 and the p-type GaAs contact layer 41 in this order A semiconductor layer formed by, becomes a pair of electrodes (n-side electrode 44 and the p-side electrode 43), p-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As upper semiconductor Laser light is emitted from the surface of the multilayer reflective film 40. n-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 33 and p-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As upper part Each of the semiconductor multilayer reflective films 40 is an optical resonator mirror, and the two mirrors constitute an optical resonator.
[0042]
Also in the surface emitting semiconductor laser element according to the present embodiment, the current confinement layer formed by selective oxidation by the undoped tensile strained InGaP spacer layer 37, as in the surface emitting semiconductor laser element according to the first embodiment. Since the compressive strain can be compensated, the active layer is not affected by the strain of the current confinement layer, so that high reliability can be obtained.
[0043]
In the above two embodiments, tensile strained InGaP is used as the strain compensation layer, but it may be composed of at least one of InGaAsP, AlGaInAsP, AlGaInP, GaAsP, and AlGaAsP. Note that the semiconductor has a composition having a strain opposite to the strain of the current confinement layer from the semiconductor according to the strain of the current confinement layer. In addition, in the case of containing Al, it is desirable to set the Al content so as not to form a band gap that becomes an electron barrier.
[0044]
According to the surface emitting semiconductor laser elements according to the above two embodiments, high reliability can be realized in the 780 nm band which is the low propagation loss wavelength region of POF.
[0045]
In addition, by setting the composition of the active layer to AlGaAs or InGaAsP to an appropriate elemental composition ratio, it is possible to select the oscillation wavelength in the range of 730 to 820 nm, and further in the wavelength range of 770 to 800 nm. High reliability can be obtained also by applying the present invention to the element.
[0046]
Further, according to the surface emitting semiconductor laser device of the present invention, it is possible to achieve high reliability in a VCSEL having a selective oxidation type or ion implantation type current confinement structure excellent in performance and mass productivity. It is possible to promote the practical use of high-speed optical fiber communication exceeding 1 Gbps in HDTV and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a surface-emitting semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a modification of the surface-emitting semiconductor laser device according to the first embodiment. Sectional view of a surface emitting semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention
11 n-type GaAs substrate 12 n-type GaAs buffer layer 13 n-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.3 Ga 0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 14 undoped InGaP spacer layer 15 undoped Al 0.12 Ga Quantum well active layer 16 consisting of 0.88 As quantum well layer and undoped Al 0.3 Ga 0.7 As barrier layer Undoped Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 17 Undoped InGaAsP tensile strain spacer layer 18 p-type Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 19 p-type AlAs layer 19a Current confinement layer 20 p-type Al 0.6 Ga 0.4 As spacer layer 21 p-type Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0. 3 Ga 0.7 As upper semiconductor multilayer reflective film 22 p-type GaAs contact layer 23 SiO 2 protective film 24 Ti / Pt / Au P-side electrode 25 made of n-side electrode made of AuGe / Ni / Au

Claims (5)

GaAs基板上に下部半導体多層膜からなる光共振器ミラー、活性層、選択酸化型あるいはイオン注入型の電流狭窄層および上部半導体多層反射膜からなる光共振器ミラーをこの順に積層してなる半導体層と、前記活性層に電流を注入する一対の電極とを備えてなり、前記半導体層の積層面に平行な端面から光を発する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層と前記上部半導体多層反射膜との間に、前記電流狭窄層の歪を補償する歪補償層を設けたことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
A semiconductor layer in which an optical resonator mirror made of a lower semiconductor multilayer film, an active layer, a selective oxidation type or ion implantation type current confinement layer, and an optical resonator mirror made of an upper semiconductor multilayer reflective film are laminated in this order on a GaAs substrate. And a pair of electrodes for injecting current into the active layer, and a surface emitting semiconductor laser element that emits light from an end face parallel to the laminated surface of the semiconductor layer,
A surface emitting semiconductor laser device comprising a strain compensation layer for compensating for the strain of the current confinement layer between the active layer and the upper semiconductor multilayer reflective film.
前記歪補償層が、InGaP、InGaAsP、AlGaInAsP、AlGaInP、GaAsPおよびAlGaAsPの少なくとも1つからなることを特徴とする請求項1記載の面発光型半導体レーザ素子。2. The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, wherein the strain compensation layer is made of at least one of InGaP, InGaAsP, AlGaInAsP, AlGaInP, GaAsP, and AlGaAsP. 前記電流狭窄層が複数の選択酸化された層からなり、
前記歪補償層が、該複数の選択酸化された層に挟まれた領域に設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の面発光型半導体レーザ素子。
The current confinement layer comprises a plurality of selectively oxidized layers;
3. The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, wherein the strain compensation layer is provided in a region sandwiched between the plurality of selectively oxidized layers.
前記レーザ光の発振波長帯が730nmから820nmまでの範囲であることを特徴とする請求項1、2または3記載の面発光型半導体レーザ素子。4. The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, wherein an oscillation wavelength band of the laser beam is in a range from 730 nm to 820 nm. 前記レーザ光の発振波長帯が770nmから800nmまでの範囲であることを特徴とする請求項1、2または3記載の面発光型半導体レーザ素子。4. The surface emitting semiconductor laser element according to claim 1, wherein an oscillation wavelength band of the laser beam is in a range from 770 nm to 800 nm.
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