JP3876918B2 - Surface emitting semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に関し、更に詳細には高次モードで安定したレーザ光を出射する面発光型半導体レーザ素子に関するものである。 The present invention relates to a surface-emitting type semiconductor laser device, and more particularly to a surface-emitting type semiconductor laser device that emits a stable laser beam in a higher-order mode.
面発光型半導体レーザ素子は、基板面に対して直交方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、実装上の利点から種々の分野の光源として注目されている半導体レーザ素子である。
面発光型半導体レーザ素子は、相互に屈折率が異なる化合物半導体のペア層からなる上部及び下部の一対の反射鏡(DBR:Diffractive Bragg Reflector)と、その一対のDBRの間に設けられ、発光領域となる活性層とを半導体基板上に有する。
面発光型半導体レーザ素子は、一般には、上部DBRが電流狭窄領域を有するポスト型メサ構造になっていて、ドライエッチングなどの方法で上部DBRをエッチングしてメサ径30μφ程度の円形ポスト型メサ構造に加工し、活性層への電流高効率注入のためにAlAs層の選択酸化による電流狭窄構造を円形ポスト型メサ構造内に設けることが多い(例えば特許文献1参照。)。
A surface-emitting type semiconductor laser element is a semiconductor laser element that emits laser light in a direction orthogonal to a substrate surface, and is a semiconductor laser element that is attracting attention as a light source in various fields because of mounting advantages.
A surface-emitting type semiconductor laser device is provided between a pair of upper and lower reflecting mirrors (DBR: Diffractive Bragg Reflector) composed of a pair of compound semiconductor layers having different refractive indexes, and a pair of DBRs. And an active layer to be formed on the semiconductor substrate.
The surface emitting semiconductor laser device generally has a post-type mesa structure in which the upper DBR has a current confinement region, and a circular post-type mesa structure having a mesa diameter of about 30 μφ by etching the upper DBR by a method such as dry etching. In many cases, a current confinement structure by selective oxidation of an AlAs layer is provided in a circular post-type mesa structure for high-efficiency injection of current into the active layer (see, for example, Patent Document 1).
ここで、上記特許文献1及び図12を参照して、ポスト型メサ構造を有する従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。図12は前掲公報に開示されている、つまり従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
前掲公報によれば、面発光型半導体レーザ素子80は、図12に示すように、n型GaAs基板82上に、順次、形成された、n型半導体多層膜からなる下部反射鏡層構造(以下、下部DBRと言う)84、ノンドープAlGaAsからなる下部クラッド層86、発光層(活性層)88、ノンドープAlGaAsからなる上部クラッド層90、p型半導体多層膜からなる上部反射鏡層構造(以下、上部DBRと言う)92、及びp型GaAsキャップ層94の積層構造を備えている。
Here, the configuration of a conventional surface emitting semiconductor laser element having a post-type mesa structure will be described with reference to
According to the above-mentioned publication, the surface emitting
下部DBR84は、n型Al0.2Ga0.8As層とn型Al0.9Ga0.1As層とを、ヘテロ界面に組成傾斜層を介在させ積層した30.5ペアの半導体多層膜として構成され、上部DBR92は、p型Al0.2Ga0.8As層とp型Al0.9Ga0.1As層とを、ヘテロ界面に組成傾斜層を介在させ積層した25ペアの半導体多層膜として構成されている。
The
キャップ層94、上部DBR92、上部クラッド層90、活性層88、下部クラッド層86、及び下部DBR84の上部は、エッチングされて、円柱状の柱状構造(メサポスト)96に加工されている。
また、上部DBR92の活性層88に最も近い化合物半導体層は、p型Al0.9Ga0.1As層に代えてp型AlAs層が成膜され、中央の円形領域を除いて、その周囲のAlAs層はAlが選択的に酸化されてAl酸化層に転化した、酸化狭窄型の電流狭窄層98になっている。
中央の円形領域は、元のp型AlAs層のままであって、電流注入経路(電流注入領域)98Aとして機能する一方、Al酸化層は電気抵抗の高い酸化狭窄型の絶縁領域(電流狭窄領域)98Bとして機能する。
The
The compound semiconductor layer closest to the
The central circular region remains the original p-type AlAs layer and functions as a current injection path (current injection region) 98A, while the Al oxide layer is an oxide confinement type insulating region (current confinement region) having high electrical resistance. ) It functions as 98B.
メサポスト96の上面、側面及び両脇の下部DBR84上には、SiNX 膜100が成膜されている。
また、メサポスト96の上面のSiNX 膜100は、円形に除去されてp型GaAsキャップ層94を露出させる開口を有し、開口の周縁部に沿って円環状のp側電極(上部電極)102が形成されている。n型GaAs基板82の裏面には、n側電極(下部電極)104が形成されている。尚、106はp側電極102の引き出し電極である。
A SiN X
Further, the SiN X film 100 on the upper surface of the
前掲公報に開示の面発光型半導体レーザ素子80の製造方法について、図13(a)、(b)を参照して説明する。図13(a)、(b)は、それぞれ、従来の面発光型半導体レーザ素子80の各製造工程を示す断面図である。
先ず、図13(a)に示すように、n型基板82上に、順次、下部DBR84、ノンドープAlGaAsからなる下部クラッド層86、活性層88、ノンドープAlGaAsからなる上部クラッド層90、上部DBR92、及びp型GaAsキャップ層94を積層して積層構造を形成する。
A method for manufacturing the surface-emitting type
First, as shown in FIG. 13A, on an n-
下部DBR84を積層する際には、ヘテロ界面に組成傾斜層を介在させた30.5ペアのn型Al0.2Ga0.8As層とn型Al0.9Ga0.1As層とを積層し、上部DBR92を積層する際には、ヘテロ界面に組成傾斜層を介在させた25ペアのp型Al0.2Ga0.8As層とp型Al0.9Ga0.1As層とを積層する。
また、上部DBR92を積層する際には、活性層88に最も近い構成層、または活性層88近傍の構成層は、p型Al0.9Ga0.1As層に代えて、p型AlAs層108を積層する。
When the
When the
次いで、図13(b)に示すように、SiNX 膜マスク110を用いたエッチングにより、下部DBR84の上面近傍に到達するまで、p型GaAsキャップ層94、上部DBR92、AlAs層108、上部クラッド層90、活性層88、下部クラッド層86の一部をエッチングして、メサポスト96を形成する。
続いて、メサポスト96を有する積層構造を水蒸気雰囲気中で温度400℃で約25分間加熱し、メサポスト96の側面より中心に向かって、p型AlAs層108のみを選択酸化する。
これにより、メサポスト96の側面に囲まれた、Al酸化層からなる円環状の電流狭窄領域98Bと、電流狭窄領域98Bに囲まれた、p型AlAs層108が酸化されずに残った円形の電流注入領域98Aとを有する電流狭窄層98を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 13B, the p-type
Subsequently, the laminated structure having the
Thereby, an annular
続いて、全面にSiNX 膜100を成膜した後、メサポスト96の上面のSiNX 膜100を円形に除去してp型GaAs層94を露出させ、そこに円環状のp側電極102を形成する。また、n型GaAs基板82の裏面に、n側電極104を形成する等の工程を経ることにより、従来の面発光型半導体レーザ素子80を完成することができる。
Subsequently, after forming a SiN X film 100 on the entire surface, the SiN X film 100 on the upper surface of the
このようなポスト型メサ構造を有する面発光型半導体レーザ素子では、電流狭窄層98により、活性層88に注入される電流経路の断面を規定できるので、電流注入領域98Bの付近の活性層88の領域に電流が集中して注入され、効率の良いレーザ発振を実現できる。
In the surface emitting semiconductor laser device having such a post-type mesa structure, the
ところで、従来の面発光型半導体レーザ素子は、一般に、ビーム遠視野像(FFP:Far Field Pattern)で見ると、横モードが複数のピークを持った多モードで発振する。
一方、通信などの分野で、面発光型半導体レーザ素子を光導波路、例えば光ファイバにレンズ結合させる際には、光結合効率を高めるために、面発光型半導体レーザ素子の出射レーザ光は、単峰性のガウシャン分布形状のビーム、いわゆる、シングル横モードのレーザ光であることが望ましい。
By the way, the conventional surface-emitting type semiconductor laser device generally oscillates in a multimode in which the transverse mode has a plurality of peaks when viewed in a far field pattern (FFP).
On the other hand, when a surface-emitting type semiconductor laser device is lens-coupled to an optical waveguide, for example, an optical fiber, in the field of communication or the like, the emitted laser light of the surface-emitting type semiconductor laser device is simply used to increase the optical coupling efficiency. A beam having a ridged Gaussian distribution shape, that is, a so-called single transverse mode laser beam is desirable.
酸化狭窄型の電流狭窄構造では、励振するレーザ光のモードの数が、概略、電流狭窄径の大きさに比例しているので、電流狭窄層の電流注入領域をある程度絞れば、自ずと活性層の狭いエリアに励起される単一のモードを出力光として得ることが可能である。
そこで、酸化狭窄型の電流狭窄構造を備えた従来の面発光型半導体レーザ素子では、Al酸化層からなる電流狭窄構造の電流狭窄径(電流注入領域の径)を小さくして、活性層の発光領域を縮小し、単峰性のシングル横モードを選択発振させるようにしている。
In the current confinement structure of the oxide confinement type, the number of excited laser light modes is roughly proportional to the size of the current confinement diameter. Therefore, if the current injection region of the current confinement layer is narrowed to some extent, the active layer itself A single mode excited in a narrow area can be obtained as output light.
Therefore, in a conventional surface emitting semiconductor laser device having an oxide confinement type current confinement structure, the current confinement diameter (current injection region diameter) of the current confinement structure made of an Al oxide layer is reduced to emit light from the active layer. The area is reduced, and the single transverse single transverse mode is selectively oscillated.
ところで、電流狭窄構造の電流狭窄径を小さくして横モードをシングル横モードに制御しようとすると、IEEE. Photon Tech. Lett. Vol.9 No.10 p1304 M.Grabherr他などに報告されているように、電流狭窄径として4μmφ以下と極めて小さい狭窄径が必要になる。しかし、電流狭窄径を4μmφ以下にすると、以下のような問題が生じる。 By the way, when trying to control the transverse mode to the single transverse mode by reducing the current confinement diameter of the current confinement structure, it seems to be reported to IEEE. Photon Tech. Lett. Vol.9 No.10 p1304 M. Grabherr et al. In addition, a very small constriction diameter of 4 μmφ or less is required as a current confinement diameter. However, when the current confinement diameter is 4 μmφ or less, the following problems occur.
第1には、そのような小さい電流狭窄径を有する面発光型半導体レーザ素子を実際に製造しようとしても、電流狭窄径が極めて小さいために、製造誤差の許容幅が小さくなり、制御性良く製造することが難しく、また、ウエハ面内均一性が悪くなって、歩留まりが極めて悪化するという問題である。
第2には、通常のデバイスと比べて一桁小さい面積の電流注入領域(AlAs層領域)に電流を絞って流すために、素子抵抗が高くなる、例えば100Ω以上に高くなる。この結果、出力、電流・光出力効率が低くなるといる問題である。換言すれば、シングル横モード性が出力に依存するために、面発光型半導体レーザ素子の単一横モードでの高出力化が難しいことである。
第3には、電流狭窄による抵抗上昇に起因するインピーダンス不整合の結果、通信に必要な高周波駆動で面発光型半導体レーザ素子を動作させようとしても、高周波特性の著しい劣化傾向が見られ、通信分野で必要な高周波駆動の光伝送に適用するのが難しいことである。
First, even if an attempt is made to actually manufacture a surface emitting semiconductor laser device having such a small current confinement diameter, since the current confinement diameter is extremely small, the allowable range of manufacturing errors is small and the controllability is manufactured. This is a problem that it is difficult to perform, and the uniformity within the wafer surface is deteriorated, so that the yield is extremely deteriorated.
Secondly, since the current is squeezed and flowed through the current injection region (AlAs layer region) having an area one digit smaller than that of a normal device, the element resistance becomes high, for example, higher than 100Ω. As a result, the output, current / light output efficiency is lowered. In other words, since the single transverse mode property depends on the output, it is difficult to increase the output in the single transverse mode of the surface emitting semiconductor laser element.
Third, as a result of impedance mismatch due to resistance increase due to current confinement, even if an attempt is made to operate a surface-emitting type semiconductor laser device with high-frequency driving necessary for communication, there is a significant tendency to deteriorate high-frequency characteristics. It is difficult to apply to optical transmission of high frequency drive required in the field.
面発光型半導体レーザ素子のレーザ光の横モード制御として、例えば発光面に加工を施して横モードの安定化を図る方法が提案されているが、横モードのうちの高次モードの安定化を目的としていて、横モードのシングルモード化とは目的が異なる(例えば特許文献2参照。)。
また、発光面と反対側の反射面に反射率分布を設け、横モード安定化を図ることが提案されているが、基板出射型であるために、面発光型半導体レーザ素子には適用が難しく、プロトン注入型を前提にしているので、酸化狭窄型への適用も難しい(例えば特許文献3参照。)。
更には、レーザ構造内部に円形回折格子によるレンズ構造を設け、横モードの安定化を図る方法が提案されているが、化合物半導体層の再成長が必要になるためにプロセスが複雑で、技術的及び経済的な問題がある(例えば特許文献4参照。)。
As a lateral mode control of the laser light of the surface emitting semiconductor laser element, for example, a method of stabilizing the lateral mode by processing the light emitting surface has been proposed. The purpose is different from that of the single mode of the transverse mode (see, for example, Patent Document 2).
In addition, it has been proposed to provide a reflectance distribution on the reflective surface opposite to the light emitting surface to stabilize the transverse mode. However, since it is a substrate emission type, it is difficult to apply to a surface emitting semiconductor laser device. Since it is premised on the proton injection type, it is difficult to apply to the oxidized constriction type (see, for example, Patent Document 3).
Furthermore, a method has been proposed in which a lens structure using a circular diffraction grating is provided inside the laser structure to stabilize the transverse mode, but the process is complicated and technical due to the necessity of regrowth of the compound semiconductor layer. And there is an economic problem (see, for example, Patent Document 4).
上述のように、従来の技術により面発光型半導体レーザ素子のレーザ光の単峰性横モード化を図ることは難しく、また高次モードで安定したレーザ光を出射することは難しい。
そこで、本発明の目的は、高次モードで安定したレーザ光を出射する面発光型半導体レーザ素子を提供することである。
As described above, it is difficult to convert the laser light of the surface-emitting type semiconductor laser element into a single-peak transverse mode by the conventional technique, and it is difficult to emit a stable laser light in a higher-order mode.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser element that emits a stable laser beam in a higher-order mode.
本発明者は、研究過程で実験を繰り返すことにより、面発光型半導体レーザ素子の発振横モードは、従来注目されていた電流狭窄径のみならず、発光面となるメサ上面の光学的な構成、例えばメサ上面の屈折率分布及び電極形状等のメサ上面の構成によって極めて大きく影響されることを見出した。
そして、メサ上面の構成、形状が様々に異なる面発光型半導体レーザ素子を試作し、メサ上面の構成と横モードの関係を調べた結果、横モードは、メサ上面の半導体層、例えばコンタクト層の形状、屈折率、膜厚だけでなく、コンタクト層上の電極の構造にも大きく影響を受けていることが判った。
The present inventor repeated experiments in the research process, so that the oscillation lateral mode of the surface-emitting type semiconductor laser element is not only the current confinement diameter that has been attracting attention in the past, but also the optical configuration of the mesa upper surface that becomes the light emitting surface, For example, the present inventors have found that the structure of the mesa upper surface such as the refractive index distribution of the mesa upper surface and the electrode shape is greatly influenced.
Then, surface emitting semiconductor laser elements having different configurations and shapes on the mesa upper surface were manufactured as prototypes, and the relationship between the mesa upper surface configuration and the transverse mode was examined. It was found that not only the shape, refractive index, and film thickness, but also the structure of the electrode on the contact layer was greatly affected.
更に、研究を進めた結果、図14(a)に示すように、上部DBR上で、上部DBRを露出させる第1の開口部を備えて上部DBR上に延在するコンタクト層と、第1の開口部の内側に上部DBRを露出させる第2の開口部を備えてコンタクト層上に環状に延在する金属膜からなる電極と、第1の開口部の外側のコンタクト層を露出させる第3の開口部を備えてコンタクト層と電極との間に介在する絶縁膜を備える構造で、かつ電流注入領域の不純物濃度が高く、しかもその領域での電流注入密度の均一性を高めた構造が、単峰性横モードの面発光型半導体レーザ素子の実現に寄与することを見出した。 As a result of further research, as shown in FIG. 14A, a contact layer extending on the upper DBR with a first opening exposing the upper DBR on the upper DBR, An electrode made of a metal film having a second opening that exposes the upper DBR inside the opening and extending annularly on the contact layer, and a third that exposes the contact layer outside the first opening A structure having an insulating film provided with an opening and interposed between the contact layer and the electrode, having a high impurity concentration in the current injection region, and improving the uniformity of the current injection density in that region is a simple structure. The present inventors have found that this contributes to the realization of a ridged transverse mode surface emitting semiconductor laser device.
以上のような上部DBR上の構成により、電極の第2の開口部の周辺領域、コンタクト層の第1の開口部の周辺領域、及び絶縁膜の第3の開口部の周辺領域は、第2の開口部の中心から外方向に等方的に複素屈折率が変化する複素屈折率分布構造を構成する。そして、この複素屈折率分布構造によって、横モードを単峰性に制御できることを見出した。
また、コンタクト層と電極とでも、複素屈折率分布構造を構成することも見出した。
尚、図14(a)は第1の発明に係る面発光型半導体レーザ素子の主要部の構成を示す模式的断面図、及び図14(b)は図14(a)に対応して主要部の機能を説明する模式的断面図である。
With the configuration on the upper DBR as described above, the peripheral region of the second opening of the electrode, the peripheral region of the first opening of the contact layer, and the peripheral region of the third opening of the insulating film are the second region. A complex refractive index distribution structure is formed in which the complex refractive index isotropically changes from the center of the opening to the outside. The present inventors have found that the transverse mode can be controlled to be unimodal by this complex refractive index distribution structure.
It has also been found that the contact layer and the electrode constitute a complex refractive index distribution structure.
14A is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the main part of the surface emitting semiconductor laser device according to the first invention, and FIG. 14B corresponds to FIG. 14A. It is a typical sectional view explaining the function.
上述の知見に基づいて、本発明による面発光型半導体レーザ素子に先立って、横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子について説明する。この例においては、基板上に、順次、半導体多層膜からなる下部反射鏡、活性層、及び半導体多層膜からなる上部反射鏡を備え、上部又は下部反射鏡の活性層近傍の領域に電流狭窄層を有するメサポストとして形成されている面発光型半導体レーザ素子において、上部反射鏡を露出させる第1の開口部を備えて上部反射鏡上に延在する化合物半導体層と、第1の開口部の内側に上部反射鏡を露出させる第2の開口部を備えて環状に化合物半導体層上に延在する金属膜とを備え、金属膜と化合物半導体層とが、第2の開口部の中心から外方向に複素屈折率が変化する複素屈折率分布構造を構成する。 Based on the above knowledge, a surface emitting semiconductor laser element capable of controlling the transverse mode to be unimodal before the surface emitting semiconductor laser element according to the present invention will be described. In this example, a lower reflecting mirror made of a semiconductor multilayer film, an active layer, and an upper reflecting mirror made of a semiconductor multilayer film are sequentially provided on a substrate. In a surface-emitting type semiconductor laser device formed as a mesa post having a first semiconductor substrate, a compound semiconductor layer having a first opening exposing the upper reflecting mirror and extending on the upper reflecting mirror, and an inner side of the first opening And a metal film extending in a ring shape on the compound semiconductor layer, the metal film and the compound semiconductor layer extending outward from the center of the second opening. A complex refractive index distribution structure in which the complex refractive index changes is formed.
この面発光型半導体レーザ素子は、好適には、複素屈折率分布構造は、複素屈折率が第2の開口部の中心から外方向に等方的に変化している構造である。これにより、横モードの単峰性化が一層容易になる。 In the surface emitting semiconductor laser element, preferably, the complex refractive index distribution structure is a structure in which the complex refractive index isotropically changes from the center of the second opening to the outside. This further facilitates the unimodality of the transverse mode.
そして、高次モードを制御できる面発光型半導体レーザ素子として、本発明の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、順次、半導体多層膜からなる下部反射鏡、活性層、及び半導体多層膜からなる上部反射鏡を備え、上部又は下部反射鏡の活性層近傍の領域に電流狭窄層を有するメサポストとして形成された面発光型半導体レーザ素子において、上部反射鏡を露出させる第1の開口部を備えて上部反射鏡上に延在する化合物半導体層と、第1の開口部の内側に上部反射鏡を露出させる第2の開口部を備えて環状に化合物半導体層上に延在する環状膜と、第2の開口部内の上部反射鏡上に島状に孤立して配置された島状膜とからなる金属膜とを備えることを特徴としている。 As a surface emitting semiconductor laser element capable of controlling a higher-order mode, the surface emitting semiconductor laser element of the present invention is sequentially formed on a substrate from a lower reflector made of a semiconductor multilayer film, an active layer, and a semiconductor multilayer film. In a surface-emitting type semiconductor laser device formed as a mesa post having a current confinement layer in a region in the vicinity of the active layer of the upper or lower reflector, a first opening for exposing the upper reflector is provided. A compound semiconductor layer extending on the upper reflecting mirror, and a ring film extending in a ring shape on the compound semiconductor layer with a second opening exposing the upper reflecting mirror inside the first opening, It is characterized in that it comprises a metal film and a second upper reflector on the arranged isolated like islands islets shaped film in the opening.
本発明の好適な実施形態では、第1の開口部の外側の化合物半導体層を露出させる第3の開口部を備えて、化合物半導体層と金属膜との間に介在する絶縁膜を有し、金属膜、化合物半導体層、及び絶縁膜が、第2の開口部の中心から外方向に複素屈折率が変化する複素屈折率分布構造を構成している。 In a preferred embodiment of the present invention, the semiconductor device includes a third opening that exposes the compound semiconductor layer outside the first opening, and has an insulating film interposed between the compound semiconductor layer and the metal film, The metal film, the compound semiconductor layer, and the insulating film form a complex refractive index distribution structure in which the complex refractive index changes outward from the center of the second opening.
本発明の具体的な実施形態では、化合物半導体層が金属膜とオーミックコンタクトするコンタクト層を構成する。また、電流狭窄層の中央に設けてある電流注入領域が、第1の開口部の下方に位置する。 In a specific embodiment of the present invention, the compound semiconductor layer constitutes a contact layer in ohmic contact with the metal film. In addition, a current injection region provided in the center of the current confinement layer is located below the first opening.
上述した横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子では、図14(a)に示すように、上部DBR上の発光面で、化合物半導体層、例えばコンタクト層、絶縁層、電極の3要素で構成された電気的構造で構成されている。この電気的構造は、更に光学的機能も兼ね備えている。
上部DBR上の構造を光学的要素に分解すると、図14(b)に示すように、第1には、第1の開口部を有してリング状に延在するコンタクト層、第3の開口部を有してコンタクト層上にリング状に延在する絶縁層が、階段状に形成されている。これにより、複素屈折率が第1の開口部の中心、つまり発光面の中心から外方に大きくなるので、凹レンズの作用を行う複素屈折率分布構造を構成している。
第2には、発光面上に形成され、第1の開口部より小さい第2の開口部を備えた金属膜からなる電極は、光に対してアパーチャ機能を有し、金属の複素屈折率を考慮すると、凸レンズと吸収性開口とを合成した複素屈折率分布構造と等価になっている。
In the surface-emitting type semiconductor laser device capable of controlling the above-described transverse mode to be unimodal, as shown in FIG. 14A, a compound semiconductor layer such as a contact layer or an insulating layer is formed on the light emitting surface on the upper DBR. It consists of an electrical structure composed of three elements: a layer and an electrode. This electrical structure also has an optical function.
When the structure on the upper DBR is disassembled into optical elements, as shown in FIG. 14B, first, a contact layer having a first opening and extending in a ring shape, a third opening An insulating layer having a portion and extending in a ring shape on the contact layer is formed in a step shape. As a result, the complex refractive index increases outward from the center of the first opening, that is, the center of the light emitting surface, thereby forming a complex refractive index distribution structure that acts as a concave lens.
Second, an electrode made of a metal film formed on the light emitting surface and having a second opening smaller than the first opening has an aperture function with respect to light, and has a complex refractive index of the metal. Considering this, it is equivalent to a complex refractive index distribution structure in which a convex lens and an absorptive aperture are combined.
つまり、この面発光型半導体レーザ素子では、凸レンズと吸収性開口とを合成した光学的構造と凹レンズとを併せてなる複合光学系が、発光面に構成されていることになる。しかも、面発光型半導体レーザ素子の共振器構造に接して配置されているので、この複合光学系が共振器構造の一部として機能する。 That is, in this surface-emitting type semiconductor laser device, a composite optical system that combines an optical structure in which a convex lens and an absorptive aperture are combined and a concave lens is formed on the light emitting surface. In addition, the composite optical system functions as a part of the resonator structure because it is disposed in contact with the resonator structure of the surface emitting semiconductor laser element.
以上の構成による横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子では、図14(b)に示すように、電流狭窄層によってある程度選択されたレーザ共振モードのうち、出射角が広い高次のモードは凹レンズ構造で散乱し、吸収性開口で吸収され、更に凸レンズで収束されるという作用効果が、共振器内の共振条件として取り込まれ、電流狭窄層のアパーチャ効果との組み合わせの作用、効果で、ほぼ一つのモードが強制的に選択され、単峰性で発振するにいたると考えられる。 In the surface-emitting type semiconductor laser device capable of controlling the transverse mode to be unimodal with the above configuration, as shown in FIG. 14B, out of the laser resonance modes selected to some extent by the current confinement layer, Higher-order modes with wide angles are scattered by the concave lens structure, absorbed by the absorptive aperture, and further converged by the convex lens, which is taken in as a resonance condition in the resonator, and the aperture effect of the current confinement layer It is thought that almost one mode is forcibly selected by the action and effect of the combination, resulting in unimodal oscillation.
この技術的思想は、面発光型半導体レーザ素子の更に多様な横モードの制御を可能としていて、高次モードを制御することができる。
即ち、本発明では、島状の金属膜を環状の金属膜内に設け、上述の横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子と同じ技術的思想に基づいて島状膜の形状を変えることにより複素屈折率分布を調整し、所望の高次モードの横モードで面発光型半導体レーザ素子を発振させることができる。
This technical idea makes it possible to control more various transverse modes of the surface-emitting type semiconductor laser device, and to control higher-order modes.
That is, according to the present invention, an island-shaped metal film is provided in an annular metal film, and the island mode is based on the same technical idea as the surface-emitting type semiconductor laser device capable of controlling the above-mentioned transverse mode to be unimodal. By changing the shape of the film, the complex refractive index distribution can be adjusted, and the surface emitting semiconductor laser element can be oscillated in the desired transverse mode of the higher order mode.
また、化合物半導体層は、不純物濃度が相互に異なる複数層の化合物半導体層で構成され、各化合物半導体層に設けられている開口部は、複数層の上層から下層に向かって層毎に階段状に開口径が順次小さくなる開口部として形成され、各化合物半導体層の不純物濃度は、複数層の上層から下層に向かって層毎に階段状に順次減少するようにして、複素屈折率分布構造を形成してもよい。 The compound semiconductor layer is composed of a plurality of compound semiconductor layers having different impurity concentrations, and the opening provided in each compound semiconductor layer is stepped from top to bottom of each layer. The compound refractive index distribution structure is formed in such a manner that the impurity concentration of each compound semiconductor layer decreases step by step from the upper layer to the lower layer in a stepwise manner. It may be formed.
一般には、化合物半導体層が金属膜とオーミックコンタクトするコンタクト層を構成する。
また、好適には、電流狭窄層の中央領域に設けてある非酸化の電流注入領域が、第1の開口部の下方に位置し、電流注入領域の不純物濃度が5×1018cm−3以上で、電流注入領域の電流注入密度が領域全域にわたり均一である。これにより、前述の複合光学系が共振器構造の一部として機能する効果を更に高めることができる。
In general, the compound semiconductor layer constitutes a contact layer in ohmic contact with the metal film.
Preferably, the non-oxidized current injection region provided in the central region of the current confinement layer is located below the first opening, and the impurity concentration of the current injection region is 5 × 10 18 cm −3 or more. Thus, the current injection density of the current injection region is uniform over the entire region. Thereby, the effect that the above-mentioned compound optical system functions as a part of the resonator structure can be further enhanced.
上述の横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、順次、半導体多層膜からなる下部反射鏡、活性層、高Al含有層を有する半導体多層膜からなる上部反射鏡、及びコンタクト層を形成する工程と、高Al含有層を含む上部反射鏡をエッチングして、メサポストを形成する工程と、メサポストの高Al含有層を水蒸気酸化して、高Al含有層の中央領域を非酸化の高Al含有層からなる第1の電流注入領域として残すと共に、電流注入領域を囲むAl酸化層からなる電流狭窄領域を形成する工程と、メサポストのコンタクト層上及びメサポストの側面に絶縁膜を成膜する工程と、コンタクト層上の絶縁膜に開口を設け、コンタクト層を露出させる工程と、絶縁膜の開口より小さい開口をコンタクト層に設け、上部反射鏡を露出させる工程と、電極を構成する金属膜を上部反射鏡上及びコンタクト層上に設け、かつコンタクト層の開口より小さい開口を金属膜に設け、上部反射鏡を露出させる工程とにより製造することができる。 The surface-emitting type semiconductor laser device capable of controlling the above-described transverse mode to be unimodal is a semiconductor multilayer film having a lower reflector made of a semiconductor multilayer film, an active layer, and a high Al content layer sequentially on a substrate. Forming a top reflecting mirror and a contact layer, etching a top reflecting mirror including a high Al content layer to form a mesa post, and steam oxidizing the high Al content layer of the mesa post to form a high Al Leaving a central region of the containing layer as a first current injection region made of a non-oxidized high Al-containing layer and forming a current confinement region made of an Al oxide layer surrounding the current injection region; and on the contact layer of the mesa post and Forming an insulating film on the side surface of the mesa post, providing an opening in the insulating film on the contact layer, exposing the contact layer, and opening an opening smaller than the insulating film in the contact layer A step of exposing the upper reflecting mirror, and a step of providing a metal film constituting the electrode on the upper reflecting mirror and the contact layer, and providing an opening smaller than the opening of the contact layer in the metal film to expose the upper reflecting mirror. And can be manufactured.
また、上部反射鏡上にコンタクト層を形成する工程では、不純物濃度が上層から下層に向かって層毎に階段状に順次、又は連続的に減少している複数層のコンタクト層を形成し、絶縁膜の開口より小さい開口をコンタクト層に設け、上部反射鏡を露出させる工程では、複数層のコンタクト層の不純物濃度が上層から下層に向かって層毎に階段状に順次、又は連続的に減少していることによるエッチングレートの違いを利用して、上層から下層に向かって層毎に開口径が階段状に順次、又は連続的に小さくなる開口部を各コンタクト層に開口する。
各コンタクト層の不純物濃度が上層から下層に向かって層毎に階段状に順次、又は連続的に減少しているようにコンタクト層を成膜して、上層から下層に向かって層毎に開口径が階段状に順次小さくなる、又は連続的に小さくなる開口部を形成することにより、複素屈折率分布構造を容易に形成することができる。
Further, in the step of forming a contact layer on the upper reflector, a plurality of contact layers whose impurity concentration is sequentially or continuously decreased stepwise from layer to layer from the upper layer to the lower layer are formed to insulate In the process of providing an opening smaller than the opening of the film in the contact layer and exposing the upper reflector, the impurity concentration of the contact layers of the plurality of layers decreases stepwise from layer to layer sequentially or continuously. Using the difference in the etching rate due to the above, openings are formed in each contact layer in such a manner that the opening diameter decreases stepwise sequentially or continuously from layer to layer from the upper layer to the lower layer.
A contact layer is formed so that the impurity concentration of each contact layer decreases stepwise from layer to layer in a stepwise manner from the upper layer to the lower layer, and the opening diameter of each layer from the upper layer to the lower layer By forming openings that gradually decrease in a stepwise manner or continuously decrease, a complex refractive index distribution structure can be easily formed.
更には、上部反射鏡上にコンタクト層を形成する工程では、Al組成が上層から下層に向かって層毎に階段状に順次、又は連続的に減少している複数層のコンタクト層を形成し、絶縁膜の開口より小さい開口をコンタクト層に設け、上部反射鏡を露出させる工程では、複数層のコンタクト層のAl組成が上層から下層に向かって層毎に階段状に順次、又は連続的に減少していることによるエッチングレートの違いを利用して、上層から下層に向かって層毎に開口径が階段状に順次、又は連続的に小さくなる開口部を各コンタクト層に開口する。
各コンタクト層のAl組成が上層から下層に向かって層毎に階段状に順次、又は連続的に減少しているようにコンタクト層を成膜して、上層から下層に向かって層毎に開口径が階段状に順次小さくなる、又は連続的に小さくなる開口部を形成することにより、複素屈折率分布構造を容易に形成することができる。
Furthermore, in the step of forming a contact layer on the upper reflector, a plurality of contact layers are formed in which the Al composition decreases sequentially or continuously stepwise from layer to layer from the upper layer to the lower layer, In the process of providing an opening smaller than the opening of the insulating film in the contact layer and exposing the upper reflecting mirror, the Al composition of the multiple contact layers decreases stepwise from layer to layer sequentially from the upper layer to the lower layer By utilizing the difference in the etching rate due to this, openings are formed in each contact layer in such a manner that the opening diameter decreases stepwise sequentially or continuously from layer to layer from the upper layer to the lower layer.
A contact layer is formed so that the Al composition of each contact layer decreases stepwise from layer to layer in a stepwise manner from the upper layer to the lower layer, and the opening diameter of each layer from the upper layer to the lower layer By forming openings that gradually decrease in a stepwise manner or continuously decrease, a complex refractive index distribution structure can be easily formed.
以上説明したように、本発明によれば、環状の金属膜及び島状の金属膜、並びに環状の化合物半導体層によって環状の金属膜の開口部の中心から外方向に複素屈折率が変化する複素屈折率分布構造を上部反射鏡上に構成することにより、横モードを所望の高次モードに制御できる面発光型半導体レーザ素子を実現できる。 As described above, according to the present invention, the complex refractive index is changed outward from the center of the opening of the annular metal film by the annular metal film, the island-shaped metal film, and the annular compound semiconductor layer. By constructing the refractive index distribution structure on the upper reflecting mirror, it is possible to realize a surface emitting semiconductor laser element capable of controlling the transverse mode to a desired higher-order mode.
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子の一例
先ず本発明による面発光型半導体レーザ素子の説明に先立って、上述した横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子の一例について説明する。図1はこの面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図、図2は図1の面発光型半導体レーザ素子の上面図、及び図3(a)はこの面発光型半導体レーザ素子の主要部の構成を示す模式的断面図、及び図3(b)は図3(a)に対応して主要部の機能を説明する模式的断面図である。
この面発光型半導体レーザ素子10は、図1に示すように、n型GaAs基板12上に、順次、形成された、n型半導体多層膜からなる下部反射鏡(以下、下部DBRと言う)14、Al0.3 Ga0.7 As下部クラッド層16、GaAs発光層(活性層)18、Al0.3 Ga0.7 As上部クラッド層20、p型半導体多層膜からなる上部反射鏡層(以下、上部DBRと言う)22、及び膜厚が150nmで不純物濃度が5×1018cm−3のp型GaAsコンタクト層24の積層構造を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the conductivity type, film type, film thickness, film forming method, and other dimensions shown in the following embodiments are examples for facilitating understanding of the present invention, and the present invention is limited to these examples. Is not to be done.
An example of a surface emitting semiconductor laser device capable of controlling the transverse mode to be unimodal First, prior to the description of the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention, it is possible to control the above-described transverse mode to be unimodal. An example of a possible surface emitting semiconductor laser element will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the surface emitting semiconductor laser element, FIG. 2 is a top view of the surface emitting semiconductor laser element of FIG. 1, and FIG. FIG. 3B is a schematic cross-sectional view illustrating the function of the main part corresponding to FIG. 3A.
As shown in FIG. 1, the surface-emitting type
下部DBR14は、n型AlAs層とn型GaAs層とを積層した35ペアの総膜厚4μm程度の半導体多層膜として構成され、上部DBR22は、p型Al0.9Ga0.1As層とp型Al0.1Ga0.9As層とを積層した25ペアの総膜厚3μm程度の半導体多層膜として構成されている。
コンタクト層24、上部DBR22、上部クラッド層20、活性層18、下部クラッド層16、及び下部DBR14の上部は、図1及び図2に示すように、エッチング加工によりメサ径40μmの円柱状のメサポスト26として形成されている。
The
As shown in FIGS. 1 and 2, the
また、上部DBR22の活性層18に最も近い層は、p型Al0.9Ga0.1As層に代えて、中央に設けられた直径12μmの円形のAlAs層領域26Aと、円形のAlAs層領域の周囲に環状に設けられたAl酸化層領域26Bとから構成されている酸化狭窄型の電流狭窄層26になっていて、AlAs層領域26Aの膜厚は30nmである。
AlAs層領域26Aは、p型Al0.9Ga0.1As層に代えて成膜されたp型AlAs層のままであって、Al酸化層領域26Bはp型AlAs層のAlが選択的に酸化されて、Al酸化層に転化したものである。Al酸化層領域26Bは、電気抵抗の高い領域であって電流狭窄領域として機能する一方、中央の円形のAlAs層領域26Aは、元のp型AlAs層のままであって、電気抵抗が電流狭窄領域26Bより低い電流注入領域として機能する。
The layer closest to the
The AlAs
メサポスト26の上面で、コンタクト層24は、中央領域に内径20μmの円形の第1の開口部30を開口し、第1の開口部30を介して上部DBR22を露出させている環状層として形成されている。
コンタクト層24の周縁部上、メサポスト26の側面、及び両脇の下部DBR14上には、絶縁膜、例えば膜厚300nmのSiO2 膜32が延在している。コンタクト層24上のSiO2 膜32は、第1の開口部30より大きな内径35μmの円形の第3の開口部34を有して、コンタクト層24を環状に露出させている。
On the upper surface of the
An insulating film, for example, a 300 nm-thickness SiO 2 film 32 extends on the peripheral edge of the
膜厚500nmのTi/Pt/Au金属積層膜からなるp側電極36が、コンタクト層24の第1の開口部30の内周部の上部DBR22上からコンタクト層24上に、次いでSiO2 膜32上に延在し、かつ上部DBR22上で内径14μmの円形の第2の開口部38を形成し、第2の開口部38から上部DBR22を露出させている。
電流狭窄層28のAlAs層領域(電流注入領域)28Aの直径(12μm)は、図2に示すように、p側電極36の第3の開口部38の内径(14μm)より僅かに小さい。
n型GaAs基板12の裏面には、AuGe/Ni/Auからなるn側電極40が形成されている。
A p-
The diameter (12 μm) of the AlAs layer region (current injection region) 28A of the
An n-
図3を参照して、この例の上部DBR22上の光学的要素を模式的に説明する。この面発光型半導体レーザ素子10では、上部DBR22上のコンタクト層24、SiO2 膜32、及びp側電極36が、電気的機能と光学的機能とを兼ね備えている。
With reference to FIG. 3, the optical elements on the
上述の構造を光学的要素に分解すると、図3(a)に示すように、第1には、第1の開口部30を有してリング状に延在するコンタクト層24、第3の開口部34を有してコンタクト層24上にリング状に延在するSiO2 膜32が階段状に形成されている。これにより、複素屈折率が第1の開口部30の中心、つまり発光面の中心から外方に等方的に大きくなるので、図3(b)に示すように、凹レンズ42の作用を行う複素屈折率分布構造を構成している。
第2には、第2の開口部38を備えたp側電極36は、光に対してアパーチャ機能を有し、p側電極36の金属の複素屈折率を考慮すると、図3(b)に示すように、吸収性開口44と凸レンズ46とを合成した複素屈折率分布構造と等価な光学的機能を有する。
例えば、金(Au)の複素屈折率は、波長0.85μmのレーザ光に対して屈折率実部が0.2、虚部(吸収係数)が5.6である。
When the structure described above is disassembled into optical elements, as shown in FIG. 3A, first, a
Second, the p-
For example, the complex refractive index of gold (Au) is 0.2 for the real part of the refractive index and 5.6 for the imaginary part (absorption coefficient) for the laser light having a wavelength of 0.85 μm.
つまり、この面発光型半導体レーザ素子10では、第1の開口部30を有するコンタクト層24の屈折率が開口領域の屈折率より大きい。また、第2の開口部38を有するp側電極36の吸収係数は開口領域の吸収係数より大きい。
これにより、上述の凸レンズ42と吸収性開口44とを合成した光学的構造と凹レンズ46とを併せてなる複合光学系が発光面に構成されていることになる。しかも、複合光学系が面発光型半導体レーザ素子10の共振器構造に接して配置されているので、この構造が共振器構造の一部として機能する。
That is, in this surface emitting
As a result, a composite optical system including the optical structure obtained by combining the
以上の構成により、面発光型半導体レーザ素子10では、図3(b)に示すように、電流狭窄層28の電流狭窄作用によってある程度選択されたレーザ共振モードのうち、出射角が広い高次のモードは凹レンズ42で散乱し、吸収性開口44で吸収され、更に凸レンズ46で収束されるという作用効果が生じる。
また、これらの作用効果が、共振器内の共振条件として取り込まれ、電流狭窄層28の均一発光アパーチャ効果との組み合わせの作用で、ほぼ一つの横モードが強制的に選択され、単峰性で発振するにいたる。
よって、光出力を上げた際、多モードの横モードで光が発振しても、凹レンズ42、アパーチャ44及び凸レンズ46の作用により、電流狭窄層28のアパーチャ効果と相まって、ほぼ一つの横モードが強制的に選択されるので、多モードの横モードが単峰化され、シングル横モードとなる。
With the above configuration, in the surface-emitting type
In addition, these functions and effects are taken in as a resonance condition in the resonator, and in combination with the uniform light emission aperture effect of the
Therefore, when the light output is increased, even if light oscillates in the multimode transverse mode, due to the action of the
後述の方法によって上述の構成による面発光型半導体レーザ素子10を作製し、FFP半値全幅を測定したところ、図4に示すように、5.5°である。これは、狭窄径を4μm程度にした従来の面発光型半導体レーザ素子に比べて半分以下の値であって、単峰性横モードと評価できる。図4はこの面発光型半導体レーザ素子10のFFP(遠視野像)を示すグラフである。ここで、H波形及びV波形は相互に直交する面内における出射ビームの強度分布である。
つまり、この例では、コンタクト層24、SiO2 膜32、p側電極40の階段状の構成により、第2の開口部38の中心、つまり発光面の中心から外方に変化する複屈折率分布が形成され、横モードがシングルモード化される。
The surface-emitting type
That is, in this example, the birefringence distribution that changes outward from the center of the
上述の構成による面発光型半導体レーザ素子10は、従来の多モードの面発光型半導体レーザ素子と同程度の光出力を出力することができ、従来の多モードの面発光型半導体レーザ素子と同じ電気的構造であるから、抵抗、インピーダンスも同等値である。
この面発光型半導体レーザ素子10は単峰性横モードでレーザ光を出射するので、この面発光型半導体レーザ素子10を高い光結合効率で実際の光ファイバに光結合することができる。
The surface-emitting type
Since the surface emitting
面発光型半導体レーザ素子の製造方法の一例
この例は上述の横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子の製造方法の一例である。図5(a)と(b)、図6(c)と(d)、及び図7(e)と(f)は、それぞれ、この例の方法に従って面発光型半導体レーザ素子10を製造する際の各工程を説明する断面図である。
先ず、図5(a)に示すように、n型GaAs基板12上に、MOCVD法等により、順次、下部DBR14、下部クラッド層16、発光層(活性層)18、上部クラッド層20、上部DBR22、及びp型GaAsコンタクト層24の積層構造を形成する。
上部DBR22の形成に際しては、上部DBR22の活性層18に最も近い層は、p型Al0.9Ga0.1As層に代えて、膜厚30nmのAlAs層26を成膜する。
Example of Manufacturing Method of Surface Emitting Semiconductor Laser Device This example is an example of a manufacturing method of a surface emitting semiconductor laser device capable of controlling the above-described transverse mode to be unimodal. FIGS. 5 (a) and 5 (b), FIGS. 6 (c) and (d), and FIGS. 7 (e) and 7 (f) show the surface emitting
First, as shown in FIG. 5A, a
When the
次いで、図5(b)に示すように、塩素系ガスを用いたドライエッチング方法により、コンタクト層24、上部DBR22、上部クラッド層20、活性層18、下部クラッド層16、及び下部DBR14の上部をエッチングして、メサ径40μmの円柱状のメサポスト26を形成する。
次いで、温度400℃で水蒸気酸化を行い、メサポスト26の外周から内方にAlAs層26中のAlを選択的に酸化して、直径12μmの円形のAlAs層領域26Aを中央に残すと共にAlAs層領域26Aの周囲にAl酸化層領域26Bを環状に設けて、酸化狭窄型の電流狭窄層を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, the
Next, steam oxidation is performed at a temperature of 400 ° C. to selectively oxidize Al in the AlAs layer 26 from the outer periphery of the mesa post 26 to leave a circular AlAs
次いで、図6(c)に示すように、メサポスト26のコンタクト層24上、メサポスト26の側面、及びメサポスト26脇の下部DBR14上にSiO2 膜32を成膜する。
次に、図6(d)に示すように、SiO2 膜32をエッチングして、内径35μmの開口部34を開口する。
Next, as shown in FIG. 6C, an SiO 2
Next, as shown in FIG. 6D, the SiO 2
続いて、図7(e)に示すように、開口部34から露出するコンタクト層24をエッチングして、内径20μmの開口部36を形成する。
次いで、図7(f)に示すように、メサポスト26の上面にTi/Pt/Au金属積層膜39を成膜する。
更に、金属積層膜39をエッチングして開口部38を設けてp側電極34を形成し、n型GaAs基板12を所定基板厚さに研磨した後、n側電極38をn型GaAs基板12の裏面に設けて、図1に示す面発光型半導体レーザ素子10の構造を作製することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 7E, the
Next, as shown in FIG. 7F, a Ti / Pt / Au metal laminated
Further, the metal laminated
上述のように、コンタクト層24及びp側電極36の加工寸法を変えるだけで、従来の面発光型半導体レーザ素子とまったく同じ作製工程で、面発光型半導体レーザ素子10を作製することができる。
As described above, the surface-emitting type
横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子の他の例
図8は、横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子の他の例の構成を示す断面図である。
この面発光型半導体レーザ素子の要部50は、コンタクト層52の構成が異なること、及びそれによってp側電極54の構成が異なることを除いて、上述の図1に示す面発光型半導体レーザ素子の一例と同じ構成を備えている。
FIG. 8 shows another example of a surface-emitting type semiconductor laser device capable of controlling the transverse mode to be unimodal. It is sectional drawing which shows this structure.
The main part 50 of the surface emitting semiconductor laser element is the surface emitting semiconductor laser element shown in FIG. 1 except that the configuration of the
この例のコンタクト層52は、図8に示すように、不純物濃度が段階的に低くなる上層、中間層、及び下層の3層のコンタクト層52A、52B、52Cとから構成されている。
下層のコンタクト層52Cは、例えば不純物濃度が5×1018cm−3で、不純物濃度が3層のうちで最も低い層であって、かつ3層のうちで最も大きい開口部56Cを備えている。中間層のコンタクト層52Bは、例えば不純物濃度が1×1019cm−3で、不純物濃度が下層より高く、上層より低い層であって、かつ下層の開口部56Cより小さく、上層の開口部56Aより大きい開口部56Bを備えている。上層のコンタクト層52Aは、例えば不純物濃度が3×1019cm−3で、不純物濃度が3層のうちで最も高い層であって、かつ3層のうちで最も小さい開口部56Aを備えている。
p側電極54は、コンタクト層52A、52B、52C及びそれぞれの開口部56A、56B、56Cの形状に従って、階段状に形成されている。
As shown in FIG. 8, the
The
The p-
上述のようなコンタクト層52及びp側電極54の構成により、効果的な複素屈折率分布構造が構成され、光の集束効果が高まるので、単峰性化が一層容易になる。
With the configuration of the
上述のコンタクト層52の3段開口を形成するには、図9に示すように、不純物濃度が段階的に低くなる上層コンタクト層52A上にエッチングマスク58を設け、不純物濃度の違いによりエッチング速度が異なることを利用して、3層のコンタクト層52A、52B、及び52Cを同じエッチング条件でドライエッチングすることにより、3層のコンタクト層52A、52B、及び52Cに所望の大きさの開口部56A、56B、及び56Cを開口することができる。
In order to form the above-described three-stage opening of the
この例で、不純物濃度に代えて、コンタクト層のAl組成が、段階的に低くなる上層、中間層、及び下層の3層のAlを含有するコンタクト層を形成し、次いでAl組成の違いによりエッチング速度が異なることを利用して、3層のコンタクト層を同じエッチング条件でドライエッチングすることにより、3層のコンタクト層に開口径が上層から下層に順次小さくなる開口部を開口することもできる。 In this example, instead of the impurity concentration, a contact layer containing three layers of Al, an upper layer, an intermediate layer, and a lower layer, in which the Al composition of the contact layer decreases stepwise, is formed, and then etched due to the difference in Al composition By utilizing the difference in speed and dry etching the three contact layers under the same etching conditions, it is also possible to open openings in the three contact layers, the opening diameter of which gradually decreases from the upper layer to the lower layer.
本発明による面発光型半導体レーザ素子の実施形態例
上述の横モードを単峰性に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子では、横モードのシングルモード化を実現しているが、本発明の技術的思想は、面発光型半導体レーザ素子の更に多様な横モード制御を可能にしていて、高次モードも制御することができる。
本実施形態例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図10(a)から(c)は、それぞれ、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図、平面図、及び横モードの波形図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子は、TE01モード(ドーナツ状発光パターン)を発光させる面発光型半導体レーザ素子であって、その要部60として、図10(a)及び(b)に示すように、円形の金属膜より成る島状膜64と、環状の出射窓66を介して実施形態例1と同様に設けられた環状の金属膜より成る環状膜68から構成されているp側電極62を備えている。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子は、円形の島状膜64が設けられることを除いて、前述の図1に示す面発光型半導体レーザ素子10の構成と同じ構成を備えている。
Embodiment of Surface Emitting Semiconductor Laser Device According to the Present Invention Although the surface emitting semiconductor laser device capable of controlling the above-described transverse mode to be unimodal, the transverse mode is made to be a single mode. The technical idea of the invention enables more various transverse mode control of the surface emitting semiconductor laser element, and can also control higher-order modes.
The present embodiment is an example of an embodiment of a surface emitting semiconductor laser element according to the present invention. FIGS. 10A to 10C show the surface emitting semiconductor laser element of the present embodiment, respectively. It is sectional drawing which shows a structure, a top view, and the wave form diagram of transverse mode.
The surface-emitting type semiconductor laser device of this embodiment is a surface-emitting type semiconductor laser device that emits a TE 01 mode (doughnut-like light emitting pattern), and its main part 60 is shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). As shown in FIG. 5, p is composed of an island-shaped
The surface-emitting type semiconductor laser device according to this embodiment has the same configuration as that of the surface-emitting type
本実施形態例のコンタクト層24及び金属膜より成る環状膜68からなるp側電極62の効果は、シングルモードの面発光型半導体レーザ素子10で説明した複素屈折率分布構造の効果と同じであって、所望の高次モードより低次のシングル基本モードを抑圧すると同時に、所望の高次モードより更に高次のモードを抑圧している。
本実施形態例では、発光面中央領域に設けた円形の金属膜(金)より成る島状膜64で基本モードを吸収抑圧し、電流狭窄層28(図1参照)によるアパーチャ効果と、コンタクト層24の複素屈折率分布による凹レンズ効果とによってTE01モードより高次のモードを散乱して、TE01モードを選択的に出射する。
本実施形態例では、電流狭窄層の酸化狭窄径をTE01モードの以外の横モードのカットオフ条件を満たすようにしておけば、更にTE01モードの選択効果が高くなる。
The effect of the p-
In this embodiment, the fundamental mode is absorbed and suppressed by the island-shaped
In this example embodiment, if the oxide confinement diameter of the current confinement layer in TE 01 mode transverse mode cutoff condition is satisfied except for, the higher the more TE 01 mode selection effect.
高次モード制御に関する従来例では、例えば特開2002−35432号公報が、メサ表面に深さが半波長、または1/4波長となる溝(または凹凸形状)を形成し、不要な励起モードを干渉によって打ち消し、または必要なモードをエンハンスすることによってモード選択することを提案している。
しかし、この方法は、イオンビームエッチングなどの後加工プロセスでメサに機能を付与できる反面、デバイスを一個ずつ加工するために、作業性が悪く、仮にパターニングでエッチングする場合でも、干渉光路差となる溝の溝深さの要求精度を高くする必要があるので、実用デバイスに応用するためには困難と考えられる。
In a conventional example related to higher-order mode control, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-35432 discloses a groove (or uneven shape) having a half-wavelength or a quarter-wave depth on the mesa surface, and an unnecessary excitation mode. It proposes to select a mode by canceling by interference or by enhancing a required mode.
However, this method can provide a function to the mesa in a post-processing process such as ion beam etching, but the workability is poor because each device is processed one by one, and even if etching is performed by patterning, it becomes an interference optical path difference. Since it is necessary to increase the required accuracy of the groove depth, it is considered difficult to apply to practical devices.
一方、本実施形態例では、共振器構造の最上部に複素屈折率分布構造を付与することで、レーザ共振に寄与するモードを選択できる。しかも、メサ上面の化合物半導体層、絶縁膜、及び電極の形状や屈折率による複素屈折率分布構造を、通常の作製プロセスを適用し、従来の製造工程に対する追加工程無しで加工できる。また、複素屈折率分布構造の各部の作製精度も、通常の面発光型半導体レーザ素子の製造精度と同等であって、高精度は必要なく、現在用いている汎用のプロセス加工精度で十分であり、作製再現性も良い。 On the other hand, in this embodiment, a mode contributing to laser resonance can be selected by providing a complex refractive index distribution structure at the top of the resonator structure. In addition, the complex refractive index distribution structure based on the shape and refractive index of the compound semiconductor layer, the insulating film, and the electrode on the top surface of the mesa can be processed without applying an additional process to the conventional manufacturing process. In addition, the fabrication accuracy of each part of the complex refractive index distribution structure is equivalent to the manufacturing accuracy of ordinary surface-emitting semiconductor laser elements, and high accuracy is not necessary, and the general-purpose process processing accuracy currently used is sufficient. Also, production reproducibility is good.
比較例
本比較例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態例に対する比較例であって、図11は本比較例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本比較例の面発光型半導体レーザ素子の要部70は、図11に示すように、メサ上面に光をランダムに散乱する散乱構造、微細な凹凸面を有するコンタクト層72を備えている。
これにより、コンタクト層72の表面の凹凸による散乱によって、発振モードが影響をうけ、非常に多くのモードがランダムで発振する。この発光は、かなり多くのモードを含み、ランダムなパターン発光が得られる。
Comparative Example This comparative example is a comparative example of the embodiment of the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention, and FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the surface emitting semiconductor laser device of this comparative example.
As shown in FIG. 11, the main part 70 of the surface-emitting type semiconductor laser device of this comparative example includes a contact layer 72 having a scattering structure for scattering light randomly on the upper surface of the mesa and a fine uneven surface.
As a result, the oscillation mode is affected by scattering due to unevenness on the surface of the contact layer 72, and a large number of modes oscillate at random. This light emission includes a considerable number of modes, and a random pattern light emission can be obtained.
10……面発光型半導体レーザ素子、12……n型GaAs基板、14……下部DBR、16……下部クラッド層、18……発光層(活性層)、20……上部クラッド層、22……上部DBR、24……p型GaAsコンタクト層、26……メサポスト、28……電流狭窄層、28A……AlAs層領域、28B……Al酸化層領域、30……開口部、32……SiO2 膜、34……開口部、36……p側電極、38……開口部、39……金属積層膜、40……n側電極、42……凹レンズ、44……アパーチャ、46……凸レンズ、50……面発光型半導体レーザ素子の要部、52……コンタクト層、54……p側電極、56……開口部、60……実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の要部、62……p側電極、64……島状膜、66……環状の出射窓、68……環状膜、70……比較例の面発光型半導体レーザ素子の要部、72……コンタクト層、80……従来の面発光型半導体レーザ素子、82……n型GaAs基板、84……下部DBR、86……下部クラッド層、88……発光層(活性層)、90……上部クラッド層、92……上部DBR、94……p型GaAsキャップ層、96……メサポスト、98……電流狭窄層、98A……電流注入領域、98B……電流狭窄領域、100……SiNX 膜、102……p側電極、104……n側電極、106……引き出し電極
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記上部反射鏡を露出させる第1の開口部を備えて前記上部反射鏡上に延在する化合物半導体層と、
前記第1の開口部の内側に前記上部反射鏡を露出させる第2の開口部を備えて環状に前記化合物半導体層上に延在する環状膜と、前記第2の開口部内の前記上部反射鏡上に島状に孤立して配置された島状膜とからなる金属膜と
を備えてなる
ことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。 In a surface-emitting type semiconductor laser device comprising a lower reflecting mirror made of a semiconductor multilayer film, an active layer, and an upper reflecting mirror made of a semiconductor multilayer film on a substrate in order,
A compound semiconductor layer having a first opening exposing the upper reflector and extending on the upper reflector;
An annular film having a second opening that exposes the upper reflector inside the first opening and extending annularly on the compound semiconductor layer, and the upper reflector in the second opening the surface-emitting type semiconductor laser element characterized by comprising a metal film consisting of island-shaped arranged isolated islets like membrane on top.
前記金属膜、前記化合物半導体層、及び前記絶縁膜が、前記第2の開口部の中心から外方向に複素屈折率が変化する複素屈折率分布構造を構成してい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。 A third opening that exposes the compound semiconductor layer outside the first opening; and an insulating film interposed between the compound semiconductor layer and the metal film made of the annular film,
The metal film, the compound semiconductor layer, and the insulating film form a complex refractive index distribution structure in which a complex refractive index changes outward from the center of the second opening. 2. The surface emitting semiconductor laser device according to 1.
前記各化合物半導体層に設けられている開口部は、複数層の上層から下層に向かって層毎に階段状に開口径が順次小さくなる開口部として形成され、
前記各化合物半導体層の不純物濃度は、複数層の上層から下層に向かって層毎に階段状に順次減少してい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。 The compound semiconductor layer is composed of a plurality of compound semiconductor layers having different impurity concentrations,
The opening provided in each compound semiconductor layer is formed as an opening in which the opening diameter is gradually reduced stepwise for each layer from the upper layer to the lower layer of the plurality of layers,
2. The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, wherein the impurity concentration of each of the compound semiconductor layers is sequentially decreased step by step from the upper layer to the lower layer of the plurality of layers.
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