JP2008211013A - Surface-emitting semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、面発光半導体レーザ素子に関し、更に詳しくは、フォトニック結晶構造、及び、イオン注入法による電流狭窄構造を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser device, and more particularly to a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device having a photonic crystal structure and a current confinement structure by an ion implantation method.
垂直共振器型面発光半導体レーザ素子(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Semiconductor Laser、以下、単に面発光レーザと称する)は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを始めとして、通信用光源として、或いは、センサー用途などの様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。 Vertical cavity surface emitting semiconductor laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Semiconductor Laser, hereinafter simply referred to as surface emitting laser), as its name suggests, the direction in which light resonates is perpendicular to the substrate surface It has been attracting attention as a light source for communication such as optical interconnection, or as a device for various applications such as sensor applications.
面発光レーザが注目される理由は、面発光レーザが、従来の端面発光型半導体レーザと比較して、素子の2次元配列構造を容易に形成できること、ミラーの形成前に劈開する必要がないので、ウエハレベルのテストができること、活性層の体積が格段に小さいので、極めて低いしきい値電流で発振ができ、消費電力が小さいこと、などの種々の利点を有していることが挙げられる。 The reason why surface emitting lasers are attracting attention is that surface emitting lasers can form a two-dimensional array structure of elements more easily than conventional edge emitting semiconductor lasers, and they do not need to be cleaved before forming a mirror. It is possible to test the wafer level, and because the volume of the active layer is remarkably small, it can oscillate with a very low threshold current and has low power consumption.
面発光レーザでは、共振器長が極端に短いことから、発振スペクトルの縦モードに関しては、容易に基本モード発振が得られる利点がある。しかし、その一方で、横モードに関しては制御機構を有していないため、複数の高次モードが発振してしまう。この複数の高次の横モードによって発振したレーザ光は、光伝送時、特に高速変調時に伝送距離に比例して著しい劣化を引き起こす原因となる。そこで、面発光レーザでは、基本横モードでのレーザ発振を実現する様々な構造が提案されている。 The surface emitting laser has an advantage that the fundamental mode oscillation can be easily obtained with respect to the longitudinal mode of the oscillation spectrum because the cavity length is extremely short. However, on the other hand, since there is no control mechanism for the transverse mode, a plurality of higher order modes oscillate. The laser light oscillated by the plurality of higher-order transverse modes causes significant deterioration in proportion to the transmission distance during optical transmission, particularly during high-speed modulation. Therefore, various structures have been proposed for surface emitting lasers that realize laser oscillation in the fundamental transverse mode.
面発光レーザにおいて、発光面積を広くし、かつ基本横モード発振を得るための手段として、例えば、特許文献1に開示されているような構造が挙げられる。図8は、その従来の面発光レーザの一部断面斜視図である。この面発光レーザは、フォトニック結晶構造と呼ばれる光狭窄構造を持ち、上部反射鏡構造(上部DBRミラー)内に周期的な2次元円孔配列を形成している。2次元円孔配列は、光が感じる屈折率を僅かに低下させ、中央部の円孔が存在しない点欠陥領域に対してクラッドとして働く。この面発光レーザでは、このような弱い屈折率閉じ込めによる横モード制御を行うため、基本横モードのみを発振させる発光領域の面積を大きくすることができる。従って、面発光レーザを高出力化し、且つ、低抵抗化できる可能性があるとして注目されている。この構造の面発光レーザは、フォトニック結晶面発光レーザとも呼ばれている。 In the surface emitting laser, as a means for widening the light emitting area and obtaining the fundamental transverse mode oscillation, for example, a structure as disclosed in Patent Document 1 can be cited. FIG. 8 is a partial sectional perspective view of the conventional surface emitting laser. This surface emitting laser has an optical confinement structure called a photonic crystal structure, and forms a periodic two-dimensional circular hole array in an upper reflecting mirror structure (upper DBR mirror). The two-dimensional circular hole array slightly reduces the refractive index perceived by light, and acts as a clad for a point defect region where no central circular hole exists. In this surface emitting laser, since the transverse mode control by such a weak refractive index confinement is performed, the area of the light emitting region that oscillates only the fundamental transverse mode can be increased. Therefore, attention has been focused on the possibility that the surface-emitting laser can have a high output and a low resistance. A surface emitting laser having this structure is also called a photonic crystal surface emitting laser.
電流狭窄構造としては、主にAlAs選択酸化法(例えば、非特許文献1)やイオン注入法(例えば、非特許文献2)の何れかが用いられる。AlAs選択酸化法は、電流狭窄構造の厚みが例えば20nm程度と小さいので、その狭窄構造に起因する素子抵抗の増大を抑えることが出来る利点がある。しかし、その反面、選択酸化によって応力歪みが発生し、その応力歪みによって素子が発振中に破壊するなど、素子信頼性を損なうという欠点がある。一方、イオン注入法では、そのような応力歪みが発生しない利点がある。
ところが、イオン注入法を用いた場合にも、非特許文献2に記載のように、高電流注入時や高速変調時に高次モードの発振が起こり、発振モードが不安定になり易いという問題があった。 However, even when the ion implantation method is used, as described in Non-Patent Document 2, there is a problem that oscillation of a higher mode occurs during high current implantation or high speed modulation, and the oscillation mode tends to become unstable. It was.
本発明は、上記に鑑み、イオン注入法を用いた電流狭窄構造を有するフォトニック結晶面発光レーザを改良し、高電流注入時や高速変調を採用した場合にも、基本モードで安定した単一横モード発振が容易なフォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention has improved a photonic crystal surface emitting laser having a current confinement structure using an ion implantation method, and has a stable single mode in a basic mode even when high current injection or high-speed modulation is adopted. An object of the present invention is to provide a photonic crystal surface emitting laser that can easily oscillate in a transverse mode.
本発明は上記課題を解決するためになされたものである。すなわち本発明は、基板上に形成された上部反射鏡構造及び下部反射鏡構造と、該上部反射鏡構造と下部反射鏡構造との間に配置された発光層とを備える面発光半導体レーザ素子において、
前記上部反射鏡構造には、空孔が存在しない点欠陥を中央部に有する2次元空孔配列が形成され、前記上部反射鏡構造及び前記下部反射鏡構造の少なくとも一方には、前記発光層の近傍に、中央部に電流開口を残し周囲にイオンが注入された電流狭窄層が形成されており、
前記電流開口の幅(Z)が、前記点欠陥に最も近接する空孔中心を結ぶ円の直径(D)よりも小さいことを特徴とする面発光半導体レーザ素子を提供する。
The present invention has been made to solve the above problems. That is, the present invention relates to a surface emitting semiconductor laser device including an upper reflecting mirror structure and a lower reflecting mirror structure formed on a substrate, and a light emitting layer disposed between the upper reflecting mirror structure and the lower reflecting mirror structure. ,
The upper reflecting mirror structure is formed with a two-dimensional hole array having a point defect in the center of which no hole exists, and at least one of the upper reflecting mirror structure and the lower reflecting mirror structure is provided with the light emitting layer. In the vicinity, a current confinement layer is formed in which ions are implanted around the current leaving a current opening in the center,
The surface emitting semiconductor laser device is characterized in that the width (Z) of the current opening is smaller than the diameter (D) of a circle connecting the hole centers closest to the point defect.
本発明の面発光レーザ素子では、Z<0.7×Dであることが好ましく、0.3×D<Z<0.5×Dであることが更に好ましい。 In the surface emitting laser element of the present invention, Z <0.7 × D is preferable, and 0.3 × D <Z <0.5 × D is more preferable.
また、前記2次元空孔配列の空孔が円孔である構成が採用できる。前記2次元空孔配列は、三角格子であってもよく、或いは、正方格子であってもよい。 Further, it is possible to adopt a configuration in which the holes of the two-dimensional hole array are circular holes. The two-dimensional hole array may be a triangular lattice or a square lattice.
電流狭窄層に注入されたイオンは、水素イオン、酸素イオン、或いは、絶縁領域が形成できれば他のイオンであってもよい。 The ions implanted into the current confinement layer may be hydrogen ions, oxygen ions, or other ions as long as an insulating region can be formed.
前記基板がn型GaAs基板であってもよい。 The substrate may be an n-type GaAs substrate.
前記電流狭窄層は、mを1以上の自然数、媒質内発振波長をλとして、((m/2)+1/4)λの厚みを有する1層の半導体層で構成を採用してもよい。或いは、複数層の半導体層で構成してもよい。 The current confinement layer may be configured as a single semiconductor layer having a thickness of ((m / 2) +1/4) λ, where m is a natural number of 1 or more and the oscillation wavelength in the medium is λ. Alternatively, it may be composed of a plurality of semiconductor layers.
本発明は、特に発振波長が1μm以上で1.6μm以下の面発光レーザ素子に好適に適用できる。 The present invention is particularly applicable to a surface emitting laser element having an oscillation wavelength of 1 μm or more and 1.6 μm or less.
本発明のフォトニック結晶構造を有する面発光レーザでは、イオン注入による絶縁層の開口幅(Z)の大きさが、2次元空孔配列の点欠陥の幅(D)よりも小さい構成(Z<D)を採用することにより、基本モードに比べて電界強度分布の広がりが大きい高次モードに利得が得られ難くなり、従って高電流注入時や高速変調時であっても、基本モードのみの安定した発振が可能となる。 In the surface emitting laser having the photonic crystal structure of the present invention, the opening width (Z) of the insulating layer by ion implantation is smaller than the width (D) of point defects in the two-dimensional vacancy array (Z < By adopting D), it becomes difficult to obtain a gain in a higher-order mode having a wider electric field intensity distribution than in the fundamental mode. Therefore, even in the case of high current injection or high-speed modulation, only the fundamental mode is stable. Oscillation is possible.
フォトニック結晶構造を有しない従来構造の面発光レーザ素子では、酸化狭窄構造を採用する際には、電流開口部と絶縁領域(電流狭窄部)との屈折率差が大きいことに鑑み、基本モードによる単一横モード発振のために、開口部の面積を小さくする努力が払われてきた。一方、従来構造の面発光レーザ素子で、イオン注入法による電流狭窄構造を採用する場合には、素子抵抗の低減のために、開口部の面積を大きくする努力が払われてきた。フォトニック結晶構造を有する面発光レーザ素子では、イオン注入法を用いた電流狭窄構造を形成する際には、上記従来構造との類推から、素子抵抗低減を目的として、開口幅を大きくする構造が採用されていた。本発明では、フォトニック結晶面発光レーザについて、上記Z<Dなる構造を採用し、開口部の面積を抑えることにより、単一横モード発振が安定して得られることを実験により確認し、上記本発明の構成を得たものである。 In a surface emitting laser element having a conventional structure that does not have a photonic crystal structure, when an oxide confinement structure is adopted, a fundamental mode is considered in view of a large difference in refractive index between a current opening and an insulating region (current confinement). Efforts have been made to reduce the area of the opening due to the single transverse mode oscillation by. On the other hand, when a current confinement structure using an ion implantation method is employed in a surface emitting laser element having a conventional structure, efforts have been made to increase the area of the opening in order to reduce element resistance. In a surface emitting laser element having a photonic crystal structure, when forming a current confinement structure using an ion implantation method, there is a structure in which the opening width is increased for the purpose of reducing element resistance, by analogy with the conventional structure. It was adopted. In the present invention, for the photonic crystal surface emitting laser, it was experimentally confirmed that a single transverse mode oscillation was stably obtained by adopting the above-described structure of Z <D and suppressing the area of the opening. The configuration of the present invention is obtained.
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る発光レーザの一部断面斜視図である。この面発光レーザ100は、発振波長が850nmとなるように設計されている。面発光レーザ100は、n型GaAs基板11上に形成されており、下部DBRミラー12と、上部DBRミラー15と、下部DBRミラー12と上部DBRミラー15との間に形成された活性層(発光層)13と、上部DBRミラー15上に形成された上部電極16と、n型GaAs基板11の裏面に形成された下部電極17とを有する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial sectional perspective view of a light emitting laser according to a first embodiment of the present invention. The
上部DBRミラー15内には、フォトニック結晶構造が形成されており、フォトニック結晶構造を構成する2次元円孔配列20の中央部分には、円孔が存在しない点欠陥が形成されている。また、電流狭窄層14が、上部DBRミラー15内に形成されたており、p又はn型の不純物注入によって形成された導電部を成す中央の電流開口と、不純物注入による導電性を打ち消す不純物注入によって絶縁性を有するように形成された周囲の絶縁部(電流狭窄部)とから構成される。電流狭窄層14は、上部DBRミラー15内に形成された層のうち特定の1層又は複数層から成る。
A photonic crystal structure is formed in the
本実施形態では、中央の点欠陥に最も近接する複数の円孔の中心を結んで得られる円の直径Dと、電流狭窄層の電流開口の直径Zとの関係が、
0.3×D<Z<0.5×D
となるように円孔の配列及び電流開口の大きさが決められている。なお、Zは、0.7×D以下であればよい。Zを0.7×Dよりも小さくすることにより、基本モード発振による単一横モード発振が容易になり、更に0.5×D以下とすることにより、単一横モード発振が更に容易になる。また、Zを0.3×Dよりも大きくすることにより、素子抵抗の増大を防止している。
In this embodiment, the relationship between the diameter D of the circle obtained by connecting the centers of the plurality of circular holes closest to the central point defect and the diameter Z of the current opening of the current confinement layer is
0.3 × D <Z <0.5 × D
The arrangement of the circular holes and the size of the current openings are determined so that Z may be 0.7 × D or less. By making Z smaller than 0.7 × D, single transverse mode oscillation by fundamental mode oscillation is facilitated, and by making it less than 0.5 × D, single transverse mode oscillation is further facilitated. . Further, by increasing Z to be larger than 0.3 × D, an increase in element resistance is prevented.
上記実施形態の構造は、例えば以下の製造プロセスにより得られる。まずn型GaAs基板11の上に、MOCVD法で、それぞれの厚みがλ/4n(λは発振波長、nは屈折率)であるn型Al0.8Ga0.2As層とn型AlAs層とを交互に積層して、35ペアの多層膜からなる下部DBRミラー12を形成する。各層のキャリア濃度は、例えば1×1018cm−3とする。次に、その積層上に、図示しない下部クラッド層、4層のGaAs/AlGaAs量子井戸構造の活性層13、図示しない上部クラッド層を順次積層する。
The structure of the said embodiment is obtained by the following manufacturing processes, for example. First, n-type Al 0.8 Ga 0.2 As layers and n-type AlAs layers each having a thickness of λ / 4n (where λ is an oscillation wavelength and n is a refractive index) are alternately formed on the n-
更にその上に、それぞれの厚みがλ/4nのp型Al0.8Ga0.2As層とp型Al0.2Ga0.8As層とを交互に積層して、30ペアからなる上部DBRミラー15を形成する。各層のキャリア濃度は、例えば1×1018cm−3とする。この上部DBRミラー15の最上層の表面に、p型のGaAs層を形成し、全体の層構造を構成している。この状態を図2に示した。
Further thereon, p-type Al 0.8 Ga 0.2 As layers and p-type Al 0.2 Ga 0.8 As layers each having a thickness of λ / 4n are alternately laminated to form an
次に、上記積層構造の表面に、プラズマCVD法を用いSiNx膜21を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにより、フォトレジスト膜9を直径5μm〜7μmの円柱状に加工する。この幅5μm〜7μmは、フォトレジスト膜9をマスクとする周囲のイオン注入により形成される電流開口の直径(Z)、つまり、電流開口幅に相当する。電流開口幅は、2次元空孔配列の中央部分に形成される点欠陥に最も近接する複数の円孔の中心を結ぶ円の直径(Dとする)、10μmよりも小さくしてある。なお、イオン注入マスクには、フォトレジスト膜9に代えて、Au(金)を用いても構わない。
Next, after the
その後、イオン注入装置により、フォトレジスト膜9を注入マスクとして用い、水素イオン(プロトン)を、加速エネルギー400keV、ドーズ量4×1014cm−2にて注入し、電流狭窄層14内に、電流狭窄領域と開口(発光領域)18とを形成する(図3)。なお注入するイオンは水素に限らず、高抵抗な絶縁層を形成可能なものであればよく、酸素などでも構わない。フォトレジストを除去した後、450℃にてアニールを行い、その後SiNx膜21を除去する。
Thereafter, using the photoresist film 9 as an implantation mask by an ion implantation apparatus, hydrogen ions (protons) are implanted at an acceleration energy of 400 keV and a dose amount of 4 × 10 14 cm −2 . A narrowed region and an opening (light emitting region) 18 are formed (FIG. 3). Note that ions to be implanted are not limited to hydrogen, but may be any ion that can form a high-resistance insulating layer, and may be oxygen or the like. After removing the photoresist, annealing is performed at 450 ° C., and then the
次に、上記積層構造の表面に、プラズマCVD法を用いて新たにSiNx膜を成膜したのち、通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE(反応性イオンエッチング)によりSiNxをエッチングし、2次元円孔配列用ハードマスクを形成する。2次元円孔配列は、中央部に円孔が存在しない点欠陥を有し、周期が5μm、各円孔の直径が2μmの三角格子状の2次元円孔配列構造とする。ここで、点欠陥の幅は、この点欠陥に最も隣接する円孔の中心をつないで形成される円の直径として定義し、この点欠陥の直径として10μmを採用する。 Next, after a new SiNx film is formed on the surface of the laminated structure using the plasma CVD method, SiNx is etched by photolithography using an ordinary photoresist and RIE (reactive ion etching). A hard mask for dimensional circular hole arrangement is formed. The two-dimensional circular hole array is a triangular lattice-shaped two-dimensional circular hole array structure having a point defect in which a circular hole does not exist in the center, a period of 5 μm, and a diameter of each circular hole of 2 μm. Here, the width of the point defect is defined as the diameter of a circle formed by connecting the centers of the circular holes closest to the point defect, and the diameter of the point defect is 10 μm.
なお、点欠陥は、本実施形態のように、2次元円孔配列から1つの円孔を除いたものに限らず、複数(例えば7つ)の円孔を除いたものでもよい。次いで、SiNx膜に形成された円孔配列構造をマスクとして、Cl2を用いたICP(誘導結合プラズマ)ドライエッチングにより、SiNx膜の下層の積層構造に、深さ4μm程度の円孔配列構造を形成する。さらに、RIEにより、SiNx膜を全て除去する(図4)。 Note that the point defect is not limited to one in which one circular hole is removed from the two-dimensional circular hole arrangement as in the present embodiment, and may be one in which a plurality of (for example, seven) circular holes are removed. Next, by using the circular hole arrangement structure formed in the SiNx film as a mask, a circular hole arrangement structure having a depth of about 4 μm is formed in the laminated structure under the SiNx film by ICP (inductively coupled plasma) dry etching using Cl 2. Form. Further, the entire SiNx film is removed by RIE (FIG. 4).
次に、上記積層構造の表面に、プラズマCVD法を用いて新たにSiNx膜を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE(反応性イオンエッチング)により、SiNxを除去してリング形状の開口を形成する。SiNx膜を除去した部分に、例えばAuZnを蒸着して、リング形状をした上部電極16を形成する。その後、基板厚さが200μm程度になるように、n型GaAs基板11を裏面から研磨し、その研磨した裏面に、例えばCr/Auを蒸着して、下部電極17を形成する。以上により本実施形態の面発光レーザが得られる。この構造を図5に示した。
Next, after a new SiNx film is formed on the surface of the laminated structure using the plasma CVD method, SiNx is formed thereon by photolithography using a normal photoresist and RIE (reactive ion etching). Remove to form a ring-shaped opening. For example, AuZn is vapor-deposited on the portion from which the SiNx film has been removed to form the ring-shaped
本発明の第2の実施形態に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施形態の面発光レーザ素子は、発振波長が1300nmとなるように設計されており、この発振波長が異なることにより、第1の実施形態とは層構造が異なる。第2の実施形態の面発光レーザ素子の製造プロセスについて、第1の実施形態と同様に、図2〜図5を参照して説明する。 A surface-emitting laser element according to the second embodiment of the present invention will be described. The surface emitting laser element of the present embodiment is designed so that the oscillation wavelength is 1300 nm, and the layer structure differs from that of the first embodiment due to the difference in the oscillation wavelength. A manufacturing process of the surface-emitting laser element according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 5 as in the first embodiment.
まず、n型GaAs基板11の上に、MOCVD法を用いて、それぞれの厚みがλ/4n(λは発振波長、nは屈折率)であるn型Al0.9Ga0.1As層とn型GaAs層とを交互に積層して、35ペアの多層膜からなる下部DBRミラー12を形成する。各層のキャリア濃度は1×1018cm−3とする。次に、その上に、ガスソースMBE法を用いて下部クラッド層、3層のGaInNAsSb/GaNAs量子井戸構造の活性層13、上部クラッド層を順次積層する。更にその上に、再度MOCVD法を用いて、それぞれの厚みがλ/4nのp型Al0.9Ga0.1As層とp型GaAs層とを交互に積層して、21ペアからなる上部DBRミラー15を形成する(図2)。各層のキャリア濃度は1×1018cm−3とする。
First, an n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layer and an n-type GaAs layer each having a thickness of λ / 4n (where λ is an oscillation wavelength and n is a refractive index) are formed on the n-
次に、上記積層構造の表面に、プラズマCVD法を用いてSiNx膜21を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにより、フォトレジスト膜9を、直径5μm〜7μmの円柱状に加工する。この幅5μm〜7μmは、イオン注入により形成される絶縁層の開口の直径(Z)、すなわち電流開口幅に相当する。開口幅Zは、後述する2次元空孔配列中央部の点欠陥に最も近接する円孔中心を結ぶ円の直径(D)10μmよりも小さくしてある。このイオン注入マスクとして用いるフォトレジスト膜に代えて、Au(金)を用いてもよい。その後、イオン注入装置により、フォトレジスト膜9をイオン注入マスクとして用い、水素イオン(プロトン)を加速エネルギー400keV、ドーズ量4×1014cm−2にて注入し、電流狭窄層14と発光領域18とを形成する(図3)。なお注入するイオンは水素に限らず、高抵抗な絶縁層を形成可能なものであれば良く、酸素などでも構わない。フォトレジスト膜9を除去した後に、550℃にてアニールを行い、その後SiNx膜を除去する。
Next, after a
次に、上記積層構造の表面に、プラズマCVD法を用いてSiNx膜を成膜したのち、通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE(反応性イオンエッチング)により、SiNxをエッチングして2次元円孔配列を形成する。2次元円孔配列は、円孔が形成されていない点欠陥を中央部に有し、周期が5μm、円孔直径が2μmの三角格子状の円孔配列構造を有する。この場合、点欠陥の直径は、点欠陥に最も隣接する円孔の中心間をつないだ円の直径として定義され、この直径は10μmとする。なお、点欠陥は、2次元円孔配列のうち1つの円孔が存在しない点欠陥に限らず、複数(例えば7つ)の円孔が存在しない点欠陥でもよい。このSiNx膜からなる円孔配列構造をマスクとして、Cl2を用いたICP(誘導結合プラズマ)ドライエッチングにより、SiNx膜下の積層構造に、深さ4μm程度の円孔配列構造を形成する(図4)。さらにRIEにより、SiNxを全て除去する。 Next, after forming a SiNx film on the surface of the above-mentioned laminated structure using a plasma CVD method, SiNx is etched two-dimensionally by photolithography using a normal photoresist and RIE (reactive ion etching). A circular hole array is formed. The two-dimensional circular hole array has a point defect in which no circular holes are formed in the center, and has a triangular lattice-shaped circular hole array structure with a period of 5 μm and a circular hole diameter of 2 μm. In this case, the diameter of the point defect is defined as the diameter of a circle connecting the centers of the circular holes closest to the point defect, and this diameter is 10 μm. The point defect is not limited to a point defect in which one circular hole is present in the two-dimensional circular hole array, and may be a point defect in which a plurality of (for example, seven) circular holes are not present. Using this circular hole arrangement structure made of SiNx film as a mask, a circular hole arrangement structure having a depth of about 4 μm is formed in the laminated structure under the SiNx film by ICP (inductively coupled plasma) dry etching using Cl 2 (FIG. 4). Further, all SiNx is removed by RIE.
次に、再度これら層構造の表面にプラズマCVD法でSiNx膜を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE(反応性イオンエッチング)により、SiNxを除去してリング形状の開口を形成し、そこに例えばAuZnを蒸着して、リング形状をした上部電極16を形成する。その後、基板を厚さ200μm程度になるように研磨し、裏面に例えばCr/Auを蒸着して、下部電極17を形成する(図5)。以上により本実施形態に係る面発光レーザが完成する。
Next, after a SiNx film is again formed on the surface of these layer structures by plasma CVD, SiNx is removed by photolithography and RIE (reactive ion etching) using a normal photoresist on the SiNx film. An opening having a shape is formed, and, for example, AuZn is vapor-deposited thereon to form an
上記第1の実施形態の面発光レーザと従来の面発光レーザの特性を比較することとした。第1の実施形態の面発光レーザとして、開口幅Zを、点欠陥の幅であるD=10μmに対して、0.7μm及び0.5μmのレーザ素子を作成した。また、従来の面発光レーザとして、開口幅MをM=10μm(=D)とし、その他の構成は、第1の実施形態と同様にした面発光レーザを作製した。 The characteristics of the surface-emitting laser of the first embodiment and the conventional surface-emitting laser were compared. As the surface emitting laser of the first embodiment, laser elements having an opening width Z of 0.7 μm and 0.5 μm with respect to D = 10 μm, which is the width of a point defect, were formed. Further, as a conventional surface emitting laser, a surface emitting laser having an aperture width M of M = 10 μm (= D) and the other configuration similar to that of the first embodiment was manufactured.
特性比較として、隣接モード抑圧比(side mode suppression ratio: SMSR)の電流依存性を評価することとした。SMSRは、図6に示すように、基本モードにおける発振強度と、その基本モードに隣接する高次モードの発振強度との比をdBで示すものであり、単一モードの安定性を示す指標として従来から用いられている。SMSRが注入電流に対して安定であるということは、基本モードによる安定な単一モード発振が可能であることを意味する。図7は、上記第1の実施形態及び従来の面発光レーザについて、実際に測定したSMSRの電流依存性を示す。 As a characteristic comparison, the current dependency of the side mode suppression ratio (SMSR) was evaluated. As shown in FIG. 6, the SMSR indicates the ratio between the oscillation intensity in the fundamental mode and the oscillation intensity of the higher-order mode adjacent to the fundamental mode in dB, and is an index indicating the stability of the single mode. Conventionally used. The fact that the SMSR is stable with respect to the injection current means that stable single mode oscillation in the fundamental mode is possible. FIG. 7 shows the current dependency of the SMSR actually measured for the first embodiment and the conventional surface emitting laser.
図7から理解できるように、電流注入開口幅Zを点欠陥の幅Dと同じである10μmとした従来の面発光レーザ素子では、30mA以上の電流注入で、SMSRが低下し、その結果高次モードの発振が見られた。しかし、第1の実施形態に係る面発光レーザ素子については、電流注入開口幅Zを7μm(0.7×D)とした素子では、30mA以上の電流注入下であっても、高次モードの発振は殆ど見られず、また、5μm(0.5×D)とした面発光レーザ素子では、更に50mA以上の電流注入でも、高次モードの発振は殆ど見られず、結果として安定した単一モード発振が維持される旨が観測された。 As can be seen from FIG. 7, in the conventional surface emitting laser element in which the current injection aperture width Z is 10 μm, which is the same as the point defect width D, the SMSR is reduced by current injection of 30 mA or more, and as a result, higher order Mode oscillation was observed. However, in the surface emitting laser element according to the first embodiment, in the element in which the current injection aperture width Z is 7 μm (0.7 × D), even in the case of current injection of 30 mA or more, the high-order mode In the surface emitting laser element of 5 μm (0.5 × D), there is almost no oscillation in the higher order mode even when a current of 50 mA or more is injected, resulting in a stable single unit. It was observed that mode oscillation was maintained.
上記のように、開口幅Zを点欠陥の幅Dよりも小さく、好ましくは0.7×D以下、より好ましくは0.5×D以下とすることにより、安定した単一モード発振が得られる。なお、開口幅Zは単に小さくすれば良いというものではなく、小さ過ぎると、素子抵抗の上昇、及び、これに伴う基本モードにおける電力損失の増加を招くため、点欠陥の幅Dに対して、0.3×D以上にしておくことが望ましい。 As described above, stable single mode oscillation can be obtained by setting the opening width Z to be smaller than the point defect width D, preferably 0.7 × D or less, more preferably 0.5 × D or less. . Note that the opening width Z is not simply reduced.If the opening width Z is too small, the element resistance increases and the power loss in the fundamental mode increases. It is desirable to set it to 0.3 × D or more.
なお、上記第2の実施形態の面発光レーザ素子についても、本発明の原理に従い、同様な単一モード発振が得られることが容易に推測できる。つまり、本発明の面発光レーザ素子は、イオン注入型のフォトニック結晶面発光レーザにおいて、単一モード発振が安定して得られる効果を奏する。 Note that it can be easily estimated that the single-mode oscillation similar to that of the surface emitting laser element of the second embodiment can be obtained according to the principle of the present invention. That is, the surface emitting laser element of the present invention has an effect that a single mode oscillation can be stably obtained in an ion implantation type photonic crystal surface emitting laser.
電流狭窄構造を構成する電流狭窄層は、上部DBRミラー及び/又は下部DBRミラーを構成する半導体層の内で、活性層に近接する1層以上、任意の層数の特定層で構成できる。例えば、活性層の近傍に配置される特定層として、mを1以上の自然数、媒質内発振波長をλとして、((m/2)+1/4)λの厚みを有する1層の半導体層で構成してもよい。ここで、mとしては、5以上、より好ましくは8以上である。 The current confinement layer constituting the current confinement structure can be composed of one or more specific layers adjacent to the active layer and any number of specific layers among the semiconductor layers constituting the upper DBR mirror and / or the lower DBR mirror. For example, the specific layer disposed in the vicinity of the active layer is a single semiconductor layer having a thickness of ((m / 2) +1/4) λ, where m is a natural number of 1 or more, the oscillation wavelength in the medium is λ. It may be configured. Here, m is 5 or more, more preferably 8 or more.
上記実施形態では、2次元円孔配列の例として、三角格子配置の例を示したが、三角格子に限らず、正方格子配置でも同様な結果が得られる。また、空孔は、円孔に限らず、多角形や楕円などもよい。また、空孔内には、適当な材料から成る媒質を埋め込んでもよい。 In the above embodiment, an example of a triangular lattice arrangement is shown as an example of the two-dimensional circular hole arrangement, but the same result can be obtained not only with a triangular lattice but also with a square lattice arrangement. Further, the holes are not limited to circular holes, but may be polygons or ellipses. Further, a medium made of an appropriate material may be embedded in the holes.
以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザ素子は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。 Although the present invention has been described based on the preferred embodiments, the surface emitting laser element of the present invention is not limited to the configuration of the above embodiments, and various modifications and changes can be made to the configurations of the above embodiments. Changes are also included in the scope of the present invention.
100:面発光レーザ素子
11:基板
12:下部DBRミラー
13:活性層
14:電流狭窄層
15:上部DBRミラー
16:上部電極
17:下部電極
18:発光領域
20:2次元円孔配列
100: surface emitting laser element 11: substrate 12: lower DBR mirror 13: active layer 14: current constricting layer 15: upper DBR mirror 16: upper electrode 17: lower electrode 18: light emitting region 20: two-dimensional circular hole array
Claims (11)
前記上部反射鏡構造には、空孔が存在しない点欠陥を中央部に有する2次元空孔配列が形成され、前記上部反射鏡構造及び前記下部反射鏡構造の少なくとも一方には、前記発光層の近傍に、中央部に電流開口を残し周囲にイオンが注入された電流狭窄部を有する電流狭窄層が形成されており、
前記電流開口の幅(Z)が、前記点欠陥に最も近接する空孔中心を結ぶ円の直径(D)よりも小さいことを特徴とする面発光半導体レーザ素子。 In a surface-emitting semiconductor laser device comprising an upper reflector structure and a lower reflector structure formed on a substrate, and a light emitting layer disposed between the upper reflector structure and the lower reflector structure,
The upper reflecting mirror structure is formed with a two-dimensional hole array having a point defect in the center of which no hole exists, and at least one of the upper reflecting mirror structure and the lower reflecting mirror structure is provided with the light emitting layer. In the vicinity, a current confinement layer having a current confinement portion in which ions are implanted in the periphery while leaving a current opening in the center is formed,
The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, wherein a width (Z) of the current opening is smaller than a diameter (D) of a circle connecting a hole center closest to the point defect.
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09129962A (en) * | 1995-10-27 | 1997-05-16 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Vertical resonator type semiconductor laser element and its manufacture |
JP2004165223A (en) * | 2002-11-08 | 2004-06-10 | Sony Corp | Surface light emitting laser, manufacturing method thereof and electronic equipment |
JP2004521499A (en) * | 2001-03-09 | 2004-07-15 | アライト テクノロジーズ アクティーゼルスカブ | Mode control using transverse bandgap structure in VCSEL |
JP2007502029A (en) * | 2003-05-20 | 2007-02-01 | ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ | Defect structure of photonic crystal for single transverse mode vertical cavity surface emitting laser |
JP2007035994A (en) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Ricoh Co Ltd | Surface-emitting laser, surface-emitting laser array, optical writing system, and optical transmitting system |
-
2007
- 2007-02-27 JP JP2007046823A patent/JP2008211013A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09129962A (en) * | 1995-10-27 | 1997-05-16 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Vertical resonator type semiconductor laser element and its manufacture |
JP2004521499A (en) * | 2001-03-09 | 2004-07-15 | アライト テクノロジーズ アクティーゼルスカブ | Mode control using transverse bandgap structure in VCSEL |
JP2004165223A (en) * | 2002-11-08 | 2004-06-10 | Sony Corp | Surface light emitting laser, manufacturing method thereof and electronic equipment |
JP2007502029A (en) * | 2003-05-20 | 2007-02-01 | ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ | Defect structure of photonic crystal for single transverse mode vertical cavity surface emitting laser |
JP2007035994A (en) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Ricoh Co Ltd | Surface-emitting laser, surface-emitting laser array, optical writing system, and optical transmitting system |
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