JP4409484B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光装置に関し、特に面発光型半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a surface emitting semiconductor laser device.
近年、光記録や光通信などの光源として、半導体レーザ装置等の半導体発光装置の需要が高まっている。中でも面発光型半導体レーザ装置は、閾値電流が低い、ビームスポットが円形であり光ファイバとの直接結合が容易である及びウエハ状態での検査が可能であるといった特徴を有しており、低消費電力で且つ低コストの発光装置として期待されている。 In recent years, demand for semiconductor light emitting devices such as semiconductor laser devices has increased as light sources for optical recording and optical communication. Among these, the surface emitting semiconductor laser device has features such as a low threshold current, a circular beam spot, easy direct coupling with an optical fiber, and inspection in a wafer state. It is expected as a light emitting device with low power and low cost.
面発光型レーザ装置としては、n型の半導体積層膜からなるn型ミラーとp型の半導体積層膜からなるp型ミラーとの間に、多重量子井戸構造の活性層が挟まれた構造を有しているものが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。活性層において生じた発光光は、n型ミラー及びp型ミラーによって構成される共振器の内部で発信し、p型ミラーの側に設けられた開口部から外部へ出射される。
しかしながら、従来の面発光型半導体レーザ装置においては、偏波モードが安定しないという問題がある。半導体レーザ装置から放射される光には縦モード、横モード及び偏波モードの3つのモードがある。このうち、面発光型レーザ装置を光通信に適用する際には、偏波モードの安定化が非常に重要である。しかし、従来の面発光型半導体レーザ装置においては、デバイス構造が対称であるため、直交偏波間の利得差が得られない。このため、偏波モードが安定しないので、温度や駆動電流などの外部条件の微妙な変化によって、容易に偏波方向のスイッチングが生じる。その結果、光通信を行う際に過剰雑音及びモード競合が生じやすくなり、エラーの増加や伝送帯域の制限を引き起こすことになる。 However, the conventional surface emitting semiconductor laser device has a problem that the polarization mode is not stable. The light emitted from the semiconductor laser device has three modes: a longitudinal mode, a transverse mode, and a polarization mode. Among these, stabilization of the polarization mode is very important when the surface emitting laser device is applied to optical communication. However, in the conventional surface-emitting type semiconductor laser device, since the device structure is symmetric, a gain difference between orthogonally polarized waves cannot be obtained. For this reason, since the polarization mode is not stable, switching in the polarization direction easily occurs due to subtle changes in external conditions such as temperature and drive current. As a result, excessive noise and mode contention are likely to occur during optical communication, resulting in an increase in errors and a limitation on the transmission band.
また、従来の面発光型半導体レーザ装置においては、p型ミラーがヘテロ接合を有する半導体積層膜によって形成されているため、ヘテロ接合界面に生じる価電子帯のスパイクが正孔の電気伝導を制限し、面発光レーザを動作させるために非常に大きな印加電圧が必要となるという問題がある。特に、p型ミラーはポスト構造に形状加工する必要があり、断面積が小さくなるので、素子の直列抵抗が非常に大きくなる。素子の直列抵抗が大きくなると、レーザの変調帯域が制限され、高速光通信に用いる際の障害となる。また、高い抵抗はp型ミラーにおいて熱が発生するという問題につながる。p型ミラーの断面積は小さいため、発生した熱は十分に放出されず、その結果、レーザの発光効率が低下し、高速変調動作が困難となる。 In the conventional surface emitting semiconductor laser device, since the p-type mirror is formed of a semiconductor laminated film having a heterojunction, the valence band spike generated at the heterojunction interface restricts the electric conduction of holes. There is a problem that a very large applied voltage is required to operate the surface emitting laser. In particular, the p-type mirror needs to be processed into a post structure, and the cross-sectional area becomes small, so that the series resistance of the element becomes very large. When the series resistance of the element increases, the modulation band of the laser is limited, which becomes an obstacle when used for high-speed optical communication. Further, the high resistance leads to a problem that heat is generated in the p-type mirror. Since the cross-sectional area of the p-type mirror is small, the generated heat is not released sufficiently. As a result, the light emission efficiency of the laser is lowered and high-speed modulation operation becomes difficult.
本発明は、前記従来の問題を解決し、出射光の偏波モードが安定で且つレーザの変調帯域が広い、高速の光通信に用いる半導体発光装置を実現できるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to realize a semiconductor light emitting device used for high-speed optical communication in which the polarization mode of emitted light is stable and the modulation band of the laser is wide.
前記従来の目的を達成するため、本発明は半導体発光装置を、開口部が設けられた金属膜とメサ部を平坦化する樹脂膜とを備える構成とする。 In order to achieve the above-described conventional object, the present invention has a configuration in which a semiconductor light emitting device includes a metal film provided with an opening and a resin film for flattening a mesa.
具体的に本発明の半導体発光装置は、基板の上に形成され、周囲が掘り込まれてなる凹部によって絶縁され、活性層を含むメサ部を有する共振器と、凹部を埋める樹脂層と、共振器における活性層からの発光光を取り出す光取り出し面に設けられ、発光光の発光波長よりも径が小さい開口部が形成された金属膜とを備えていることを特徴とする。 Specifically, the semiconductor light emitting device of the present invention includes a resonator having a mesa portion including an active layer formed on a substrate and insulated by a recess formed in the periphery, a resin layer filling the recess, and a resonance And a metal film provided on a light extraction surface for extracting emitted light from the active layer in the vessel and having an opening having a diameter smaller than the emission wavelength of the emitted light.
本発明の半導体発光装置によれば、発光光の発光波長よりも径が小さい開口部が形成された金属膜を備えているため、TM偏波成分の比率が高い出射光が得られる。また、発光装置の抵抗値を低くすることができるので、動作電圧を低減することが可能となる。さらに凹部を埋める樹脂層を備えているため、発光装置の寄生容量を小さくすることができるので、高速な変調動作が可能となる。その結果、偏波モードが安定化された高速の光通信に用いる半導体装置を実現できる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, since the metal film having the opening having a diameter smaller than the emission wavelength of the emitted light is provided, the emitted light having a high TM polarization component ratio can be obtained. In addition, since the resistance value of the light emitting device can be reduced, the operating voltage can be reduced. Furthermore, since the resin layer that fills the concave portion is provided, the parasitic capacitance of the light emitting device can be reduced, so that a high-speed modulation operation is possible. As a result, a semiconductor device used for high-speed optical communication in which the polarization mode is stabilized can be realized.
本発明の半導体発光装置において、開口部は複数形成され且つ周期的に配列されていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that a plurality of openings are formed and periodically arranged.
本発明の半導体発光装置において、開口部の径は発光波長の2分の1以下であることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the diameter of the opening is preferably less than or equal to one half of the emission wavelength.
本発明の半導体発光装置において、光取り出し面から取り出される光は、レーザ光であり、レーザ光のTE偏波成分の強度に対するTM偏波成分の強度の比の値は、2以上であることが好ましい。このような構成とすることにより、温度及び駆動電流等の外部条件の変化が生じた場合にも、偏波方向が安定な半導体発光装置を確実に実現することができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the light extracted from the light extraction surface is laser light, and the value of the ratio of the TM polarization component intensity to the TE polarization component intensity of the laser light is 2 or more. preferable. With such a configuration, a semiconductor light emitting device with a stable polarization direction can be reliably realized even when changes in external conditions such as temperature and driving current occur.
本発明の半導体発光装置において、金属膜には開口部が格子状に配置されていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the openings are arranged in a lattice shape in the metal film.
本発明の半導体発光装置において、開口部の開口周期をP、金属膜の誘電率をε1、金属膜と接する部材の誘電率をε2、i及びjを負でない整数としたときに、PがP=λ×(i2+j2)0.5/(ε1ε2/(ε1+ε2))0.5の関係を満たすことが好ましい。このような構成とすることにより、光と表面プラズモンとの間のエネルギー変換を効率良く行うことができるので、半導体発光装置の光出力を増大させることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, when the opening period of the opening is P, the dielectric constant of the metal film is ε 1 , the dielectric constant of the member in contact with the metal film is ε 2 , and i and j are non-negative integers, P Preferably satisfies the relationship P = λ × (i 2 + j 2 ) 0.5 / (ε 1 ε 2 / (ε 1 + ε 2 )) 0.5 . With such a configuration, energy conversion between light and surface plasmon can be performed efficiently, so that the light output of the semiconductor light emitting device can be increased.
本発明の半導体発光装置において、金属膜には開口部が三角格子状又は六角格子状に配置されていることが好ましい。このような構成とすることにより、開口部の密度を高くすることができるので、金属膜の光透過率を向上させることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the metal film preferably has openings arranged in a triangular lattice shape or a hexagonal lattice shape. With such a configuration, the density of the openings can be increased, so that the light transmittance of the metal film can be improved.
本発明の半導体発光装置において、開口部の開口面の形状は、異方性を有する形状であることが好ましい。このような構成とすることにより、屈折率分布が光出射面において非対称となる。従って、偏波方向によって共振器の利得が変化するため、偏波制御が容易となる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the shape of the opening surface of the opening is preferably an anisotropic shape. By adopting such a configuration, the refractive index distribution becomes asymmetric at the light exit surface. Therefore, since the gain of the resonator changes depending on the polarization direction, the polarization control becomes easy.
本発明の半導体発光装置において、金属膜は膜厚が100nm以上且つ500nm以下であることが好ましい。このような構成とすることによりTM偏波成分の透過率を高く保ちながら、TE偏波成分の減衰率を向上させることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the metal film preferably has a thickness of 100 nm or more and 500 nm or less. By adopting such a configuration, it is possible to improve the attenuation factor of the TE polarization component while keeping the transmittance of the TM polarization component high.
本発明の半導体発光装置において、金属膜は銀、金又はアルミニウムからなることが好ましい。また、金属膜は互いに異なる材料からなる2つの層により形成されていることが好ましい。この場合において、金属膜の2つの層のうち上側の層は下側の層よりも薄く、下側の層は銀、金又はアルミニウムからなることが好ましい。また、金属膜の2つの層のうち、下側の層は銀からなり、上側の層は金からなることが好ましい。このような構成とすることにより、光の表面プラズモンへの変換が容易となる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the metal film is preferably made of silver, gold or aluminum. The metal film is preferably formed of two layers made of different materials. In this case, of the two layers of the metal film, the upper layer is preferably thinner than the lower layer, and the lower layer is preferably made of silver, gold, or aluminum. Of the two layers of the metal film, the lower layer is preferably made of silver, and the upper layer is preferably made of gold. With such a configuration, conversion of light into surface plasmon is facilitated.
本発明の半導体発光装置において、金属膜の活性層側の面に形成された中間層をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、金属膜の形成工程等において半導体層がダメージを受けることを防止できる。 The semiconductor light emitting device of the present invention preferably further includes an intermediate layer formed on the surface of the metal film on the active layer side. By adopting such a configuration, it is possible to prevent the semiconductor layer from being damaged in the metal film forming process or the like.
本発明の半導体発光装置において、中間層は発光光が金属膜において反射される際の位相変化を補正する膜厚を有していることが好ましい。このような構成とすることにより、金属膜からの反射光の位相ずれが抑制され、高い反射率の反射鏡を実現することが可能となる。この場合において、中間層の膜厚は中間層の膜厚をd、中間層の屈折率をn、発光光の波長をλ、iを負でない整数としたときにdが0.6×λ/n×(1/4+1/2i)≦d≦λ/n×(1/4+1/2i)の関係を満たすことが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the intermediate layer preferably has a film thickness that corrects a phase change when the emitted light is reflected by the metal film. By adopting such a configuration, the phase shift of the reflected light from the metal film is suppressed, and a reflecting mirror having a high reflectance can be realized. In this case, the thickness of the intermediate layer is such that d is 0.6 × λ / when the thickness of the intermediate layer is d, the refractive index of the intermediate layer is n, the wavelength of the emitted light is λ, and i is a non-negative integer. It is preferable that the relationship of n × (1/4 + 1 / 2i) ≦ d ≦ λ / n × (1/4 + 1 / 2i) is satisfied.
本発明の半導体発光装置において、中間層は誘電体膜であることが好ましい。この場合において、誘電体は酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン及び酸化タンタルのうちのいずれかからなる単層膜又は2つ以上からなる積層膜であることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the intermediate layer is preferably a dielectric film. In this case, the dielectric is preferably a single layer film made of any one of silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, titanium oxide and tantalum oxide, or a laminated film made of two or more.
本発明の半導体発光装置において、中間層は透明導電膜であることが好ましい。このような構成とすることにより、発光効率を低下させることなくコンタクト抵抗を低減することができる。この場合において、透明導電膜はスズドープ酸化インジウム(ITO)、酸化亜鉛又は酸化スズであることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the intermediate layer is preferably a transparent conductive film. With such a configuration, the contact resistance can be reduced without reducing the light emission efficiency. In this case, the transparent conductive film is preferably tin-doped indium oxide (ITO), zinc oxide, or tin oxide.
本発明の半導体発光装置において、中間層は半導体の積層膜であることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the intermediate layer is preferably a semiconductor laminated film.
本発明の半導体発光装置は、活性層の光取り出し面側及び光取り出し面と反対の側に設けられた2つの反射鏡をさらに備え、金属膜は光取り出し面側に設けられた反射鏡として機能することが好ましい。 The semiconductor light emitting device of the present invention further includes two reflecting mirrors provided on the light extraction surface side and the side opposite to the light extraction surface of the active layer, and the metal film functions as a reflection mirror provided on the light extraction surface side. It is preferable to do.
本発明の半導体発光装置において、光取り出し面側に設けられた反射鏡は、金属膜の活性層側の面に形成された第1の半導体多層膜を含むことが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the reflecting mirror provided on the light extraction surface side preferably includes a first semiconductor multilayer film formed on the active layer side surface of the metal film.
本発明の半導体発光装置において、金属膜の反射率に応じて第1の半導体多層膜の積層周期が調整されていることが好ましい。この場合において、第1の半導体多層膜の積層周期は9周期以上且つ22周期以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、反射鏡の反射率を高くすると共に、装置の抵抗値を低く抑えることが可能となる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the stacking period of the first semiconductor multilayer film is adjusted according to the reflectance of the metal film. In this case, the stacking cycle of the first semiconductor multilayer film is preferably 9 cycles or more and 22 cycles or less. With such a configuration, it is possible to increase the reflectance of the reflecting mirror and to keep the resistance value of the device low.
本発明の半導体発光装置において、反射鏡の反射率は99.4%以上且つ99.9%以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、光出力を向上させることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the reflectance of the reflecting mirror is preferably 99.4% or more and 99.9% or less. With such a configuration, the light output can be improved.
本発明の半導体発光装置において、光取り出し面と反対側の面に設けられた反射鏡は、第2の半導体多層膜からなる反射鏡であることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the reflecting mirror provided on the surface opposite to the light extraction surface is preferably a reflecting mirror made of a second semiconductor multilayer film.
本発明の半導体発光装置において、金属膜の活性層側の面と反対側の面に形成された上部層をさらに備えていることが好ましい。
このような構成とすることにより、金属膜と上部層との界面においても表面プラズモン共鳴を生じさせることができ、表面プラズモンから光への再変換を効率良く行うことができる。また、金属膜を保護することも可能となる。
The semiconductor light emitting device of the present invention preferably further comprises an upper layer formed on the surface of the metal film opposite to the surface on the active layer side.
With such a configuration, surface plasmon resonance can be generated also at the interface between the metal film and the upper layer, and re-conversion from surface plasmon to light can be performed efficiently. In addition, the metal film can be protected.
本発明の半導体発光装置において、樹脂層と凹部の側面及び底面との間に形成された第1の保護層と、樹脂層の上面を覆う第2の保護層と、第2の保護層の上に形成され、活性層に電流を注入する電極とをさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、電極とによる寄生容量を確実に低減できる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the first protective layer formed between the resin layer and the side and bottom surfaces of the recess, the second protective layer covering the upper surface of the resin layer, and the second protective layer And an electrode for injecting current into the active layer. By adopting such a configuration, it is possible to reliably reduce the parasitic capacitance due to the electrodes.
本発明の半導体発光装置において、樹脂層は第1の保護層及び第2の保護層により完全に囲まれていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the resin layer is completely surrounded by the first protective layer and the second protective layer.
本発明の半導体発光装置において、第1の保護層及び第2の保護層はSiO2、SiN、SiON、Nb2O5、ZrO2及びTa2O5のうちのいずれかであることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the first protective layer and the second protective layer are preferably any of SiO 2 , SiN, SiON, Nb 2 O 5 , ZrO 2, and Ta 2 O 5 .
本発明の半導体発光装置において、樹脂層の少なくとも一部は、メサ部の上面よりも高い位置にあることが好ましい。このような構成とすることにより、樹脂層の厚さを厚くすることができ、寄生容量をさらに小さくすることが可能となる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that at least a part of the resin layer is located higher than the upper surface of the mesa portion. By adopting such a configuration, the thickness of the resin layer can be increased, and the parasitic capacitance can be further reduced.
本発明の半導体発光装置において、樹脂層の上面とメサ部の上面とは、平坦に接続されていることが好ましい。このような構成とすることにより、金属膜に微細開口部を形成する際の加工精度を向上させることが可能となる。また、電極の断線を防止することもできる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the upper surface of the resin layer and the upper surface of the mesa portion are connected flat. With such a configuration, it is possible to improve the processing accuracy when forming the fine opening in the metal film. In addition, disconnection of the electrode can be prevented.
本発明の半導体発光装置において、樹脂層の比誘電率は3以下であることが好ましい。この場合において、樹脂層はベンゾシクロブテン樹脂であることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the relative dielectric constant of the resin layer is preferably 3 or less. In this case, the resin layer is preferably a benzocyclobutene resin.
本発明の半導体発光装置は、メサ部における活性層と金属膜との間に設けられており、選択的に酸化された領域又はプロトンが選択的に注入された注入された領域である高抵抗領域と、高抵抗領域に囲まれてなる電流狭窄領域とを含む電流狭窄層をさらに備えていることが好ましい。この場合において、電流狭窄領域の径は、10μm以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、緩和振動周波数を高くすることができ、変調帯域を向上させることが可能となる。 The semiconductor light emitting device of the present invention is provided between the active layer and the metal film in the mesa portion, and is a high resistance region which is a selectively oxidized region or a region where protons are selectively implanted. And a current confinement layer including a current confinement region surrounded by the high resistance region. In this case, the diameter of the current confinement region is preferably 10 μm or less. With such a configuration, the relaxation oscillation frequency can be increased and the modulation band can be improved.
本発明の半導体発光装置において、メサ部の容量は装置全体の容量の2分の1以上となるようにメサ部の径が調整されていることが好ましい。
このような構成とすることにより、メサ部以外の寄生容量の影響が相対的に低減されるため、装置全体の容量値と抵抗値との積の値を小さくすることができるので、高速変調が可能となる。
In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the diameter of the mesa portion is adjusted so that the capacity of the mesa portion is equal to or more than half of the capacity of the entire device.
By adopting such a configuration, the influence of the parasitic capacitance other than the mesa portion is relatively reduced, so that the product value of the capacitance value and the resistance value of the entire device can be reduced, so that high-speed modulation can be performed. It becomes possible.
本発明の半導体発光装置において、メサ部の側面は傾斜していることが好ましい。このような構成とすることにより、メサ部の側面に形成された第1の保護層と接する樹脂層に加わる応力が均一となるため、樹脂層とメサ部との間に空隙が発生することを防止できる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the side surface of the mesa portion is preferably inclined. By adopting such a configuration, since the stress applied to the resin layer in contact with the first protective layer formed on the side surface of the mesa portion is uniform, it is possible that a void is generated between the resin layer and the mesa portion. Can be prevented.
本発明の半導体発光装置によれば、出射光の偏波モードが安定で且つレーザの変調帯域が広い、高速の光通信に用いる半導体発光装置を実現できる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, it is possible to realize a semiconductor light emitting device used for high-speed optical communication in which the polarization mode of the emitted light is stable and the modulation band of the laser is wide.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置について図面を参照しながら説明する。図1(a)及び(b)は第1の実施形態に係る半導体発光装置であり、(a)は平面構成を示し、(b)は(a)のIb−Ib線における断面構成を示している。
(First embodiment)
A semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show a semiconductor light emitting device according to the first embodiment. FIG. 1A shows a planar configuration, and FIG. 1B shows a cross-sectional configuration taken along line Ib-Ib in FIG. Yes.
図1に示すようにn型のGaAsからなる基板10の上にn型の半導体多層膜からなる第1の反射鏡11、下部スペーサ層12、量子井戸層13、上部スペーサ層14、電流狭窄層16、p型の半導体多層膜からなる第2の反射鏡17及びp型コンタクト層18が順次積層されている。
As shown in FIG. 1, on a
第1の反射鏡11は、n型のAl0.12Ga0.88As層とn型のAl0.90Ga0.10As層とが交互に積層された多層膜であり、n型不純物にはシリコンが用いられている。各層の膜厚はλ/4n(λ:レーザ発振波長、n:媒質の屈折率)であり、34.5周期積層されている。
The first reflecting
量子井戸層13は、ノンドープのGaAsからなる井戸層と、Al0.30Ga0.70Asからなる障壁層とが交互に3周期積層されて形成されている。下部スペーサ層12及び上部スペーサ層14は、それぞれAl0.30Ga0.70As層であり、量子井戸層13、下部スペーサ層12及び上部スペーサ層14により構成された量子井戸活性層15全体の膜厚はλ/n(λ:レーザ発振波長、n:媒質の屈折率)である。
The
電流狭窄層16は、p型のAl0.98Ga0.02As層からなり、酸化により形成された高抵抗領域16bが電流が流れる電流狭窄領域16aを囲むように形成されている。第2の反射鏡17は、p型の不純物としてカーボンがドーピングされた、Al0.12Ga0.88As層とAl0.90Ga0.10As層とが交互に9周期積層された多層膜である。p型コンタクト層18は、p型のGaAs層からなり、上部コンタクト電極27との接触抵抗を低減するため、p型不純物であるカーボンを1×1019cm-3以上の濃度でドーピングしている。
The
第1の反射鏡11、活性層15、電流狭窄層16、第2の反射鏡17及びp型コンタクト層18からなる素子形成領域の一部は、第1の反射鏡11が露出するまで選択的にエッチングされて形成された凹部によって他の領域と隔てられ、活性層15、電流狭窄層16、第2の反射鏡17及びp型コンタクト層18からなるメサ部30が形成されている。
A part of the element formation region composed of the first reflecting
メサ部30においてp型コンタクト層18の上には、酸化シリコン(SiO2)からなる厚さが113nmの中間層21が形成され、中間層21の上には金(Au)又は銀(Ag)等からなる厚さが200nmの金属膜23が形成されている。金属膜23には、それぞれがレーザ光の発振波長よりも直径が小さい複数の開口部23aが周期的に形成されている。金属膜23は、厚さが200nmの窒化シリコン(SiN)からなる上部層22に覆われており、金属膜23の劣化を防止すると共に、金属膜23の上面と上部層22との界面においても表面プラズモンの励起条件が満たされることとなる。従って、表面プラズモンから光へのエネルギーの再変換が効率良く行われることとなる。
In the
本実施形態の半導体発光装置においては、金属膜23が第2の反射鏡17と共に上部反射鏡として機能し、第1の反射鏡11と金属膜23との間に活性層15が挟まれたメサ部30を有する共振器領域31が形成されている。
In the semiconductor light emitting device of this embodiment, the
メサ部30を取り囲む凹部の側壁及び底面を覆うように第1の保護膜24が形成されており、第1の保護膜24はSiO2膜、SiN膜、SiON膜、Nb2O5膜、ZrO2膜又はTa2O5膜の無機絶縁膜である。第1の保護膜24に覆われた凹部を埋めるようにベンゾシクロブテン(BCB)樹脂からなる樹脂膜25が形成されている。メサ部30の中央部を除いて、樹脂膜25の上面及び素子形成領域の上面を覆うように第2の保護膜26が形成されており、樹脂膜25は、第1の保護膜24及び第2の保護膜26に囲まれている。
A first
第2の保護膜26の上面には、p型コンタクト層18と一部が接するようにして上部コンタクト電極27が形成されており、基板10の下面には下部コンタクト電極28が形成されている。上部コンタクト電極27と下部コンタクト電極28との間にバイアス電圧を印加すると、上部コンタクト電極27のうちp型コンタクト層18に接する部分から注入された電流は、電流狭窄層16において電流狭窄部16aに狭窄された後、量子井戸層13に注入され、量子井戸層13においてキャリアの再結合が生じる。その結果、量子井戸層13において生じた発光が、第1の反射鏡11からなる下部反射鏡と第2の反射鏡17及び金属膜23からなる上部反射鏡との間に形成された共振器領域31内においてレーザ発振してレーザ光となる。なお、本実施形態の半導体発光装置においては、発振波長は約850nmとなる。
An
本実施形態の半導体発光装置においては、金属膜23には開口部23aが周期的に設けられているため、共振器領域31の内部から金属膜23に到達した光は表面プラズモンに変換されやすい状態にある。励起された表面プラズモンは再び光に変換され共振器領域31の外部に出射される。その結果、開口部23aの面積で決定される透過率に比べ桁違いに大きい光透過が生じるので、金属膜23から外部へのレーザ光の出射が可能となる。
In the semiconductor light emitting device of this embodiment, since the
図2は開口部を設けた金属膜からの光の出射について検討した結果を示している。図2において横軸は金属膜に入射した光の波長を示し、縦軸は金属膜を透過した光の強度を示している。図2において用いた金属膜はAgであり、石英基板の上に形成した厚さが113nmのSiO2膜の上に形成した。金属膜には、電子線(EB)リソグラフィとエッチングにより円形状の開口部を正方格子状に形成した。また、金属膜を保護するために厚さが200nmのSiN膜により被覆した。なお、金属膜の膜厚は200nmであり、開口部の直径は200nmである。また、隣接する開口部同士の中心間距離である開口周期は550nmとした。 FIG. 2 shows a result of studying light emission from a metal film provided with an opening. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the wavelength of light incident on the metal film, and the vertical axis indicates the intensity of light transmitted through the metal film. The metal film used in FIG. 2 was Ag, and was formed on a SiO 2 film having a thickness of 113 nm formed on a quartz substrate. In the metal film, circular openings were formed in a square lattice pattern by electron beam (EB) lithography and etching. Further, in order to protect the metal film, it was covered with a SiN film having a thickness of 200 nm. The metal film has a thickness of 200 nm and the opening has a diameter of 200 nm. Moreover, the opening period which is the distance between the centers of adjacent openings was 550 nm.
図2に示すように開口部の直径よりも波長が長い光においても、金属膜を透過する現象が認められた。開口部が正方格子状に配置された場合において、表面プラズモンを励起する開口部の開口周期Pは以下の式1により求められることが知られている。
P=λ×(i2+j2)0.5/(ε1ε2/(ε1+ε2))0.5 ・・・ 式1
ここでi及びjは0以上の整数であり、ε1は開口部が形成された金属の誘電率、ε2は金属に接する媒質の誘電率である。
As shown in FIG. 2, the phenomenon of transmitting through the metal film was observed even with light having a wavelength longer than the diameter of the opening. When the openings are arranged in a square lattice shape, it is known that the opening period P of the openings that excite the surface plasmons can be obtained by the following
P = λ × (i 2 + j 2 ) 0.5 / (ε 1 ε 2 / (ε 1 + ε 2 )) 0.5
Here, i and j are integers of 0 or more, ε 1 is the dielectric constant of the metal in which the opening is formed, and ε 2 is the dielectric constant of the medium in contact with the metal.
図2において波長1150nmにおいて透過光の強度が最も強くなっている。波長1150nmにおけるAgの誘電率は−49であり、SiNの誘電率は4であることから、i2+j2を1とすると、波長1150nmにおける表面プラズモン共鳴が生じる開口周期Pは式1より550nmとなる。これは、測定に用いた金属膜に形成した開口部の開口周期と一致する。従って、波長1150nmにおける透過光強度のピークはAgとSiNとの界面における表面プラズモン共鳴を起源とするものであることが明らかである。
In FIG. 2, the intensity of transmitted light is strongest at a wavelength of 1150 nm. Since the dielectric constant of Ag at a wavelength of 1150 nm is −49 and the dielectric constant of SiN is 4, assuming that i 2 + j 2 is 1, the aperture period P at which surface plasmon resonance occurs at a wavelength of 1150 nm is 550 nm from
また、図2において波長886nmにもピークが認められるが、これは、波長886nmにおけるAgの誘電率が−33.5であり、SiO2の誘電率が2.25であることから、AgとSiO2との界面における表面プラズモン共鳴を起源としたものであることが明らかである。さらに、金属膜に入射する光の入射角を変化させた際のピーク波長の変化を詳細に検討したが、このような光の透過に表面プラズモン共鳴が関与していることを裏付ける結果が得られた。 In FIG. 2, a peak is also observed at a wavelength of 886 nm. This is because Ag has a dielectric constant of −33.5 at a wavelength of 886 nm and SiO 2 has a dielectric constant of 2.25. It is clear that it originated from surface plasmon resonance at the interface with 2 . Furthermore, we examined in detail the change in peak wavelength when the incident angle of the light incident on the metal film was changed, but we obtained results supporting that surface plasmon resonance is involved in the transmission of such light. It was.
図3は本実施形態の半導体発光装置について開口部の開口周期と半導体発光装置の出力との関係を測定した結果を示している。図3において横軸は開口部の開口径と発光波長との比である開口比を示し、縦軸は装置から取り出された光の出力を示している。なお、測定に用いた半導体発光装置は、発光波長が約850nmであり、金属膜23には厚さが200nmの銀からなる膜を用い、金属膜23を覆う厚さが200nmのSiNからなる上部層22を設けている。なお、注入電流は5mAとした。
FIG. 3 shows the result of measuring the relationship between the opening period of the opening and the output of the semiconductor light emitting device for the semiconductor light emitting device of this embodiment. In FIG. 3, the horizontal axis indicates an aperture ratio which is the ratio between the aperture diameter of the aperture and the emission wavelength, and the vertical axis indicates the output of light extracted from the apparatus. The semiconductor light emitting device used for the measurement has an emission wavelength of about 850 nm, a film made of silver having a thickness of 200 nm is used as the
図3に示すように開口部の開口周期が450nm及び550nmの場合には、開口周期が650nm及び750nmの場合と比べて2倍程度光出力が大きくなっている。波長850nmにおけるAgとSiNとの界面及びAgとSiO2との界面における表面プラズモン共鳴を満たす開口部の開口周期は、式1からそれぞれ450nm及び550nmである。従って、表面プラズモン共鳴により光出力が向上することが明らかである。
As shown in FIG. 3, when the aperture period of the aperture is 450 nm and 550 nm, the light output is about twice as large as when the aperture period is 650 nm and 750 nm. The opening periods of the openings that satisfy the surface plasmon resonance at the interface between Ag and SiN and the interface between Ag and SiO 2 at a wavelength of 850 nm are 450 nm and 550 nm, respectively, from
共振器領域31と金属膜23との界面における電束密度の連続条件から、表面プラズモンを励起することが可能な光の偏波成分はTM偏波(Transverse Magnetic Wave)のみであり、TE偏波(Transverse Electric Wave)は表面プラズモンを励起することができない。このため、TE偏波成分に関しては、一般的に知られているように金属膜中において大きな減衰を受ける。本実施形態のように厚さが200nmのAu又はAg等からなる金属膜の場合、金属膜23の光透過率は10-7cm-3以下と極めて小さいため、共振器領域31の外部へTE偏波成分の光はほとんど出射されない。また、開口部を通じての光透過に関しても、波長より開口部の直径が小さい場合には、開口の直径をdとすると光透過率が(d/λ)4に比例することが知られており、本実施形態のように開口径が波長に対して小さい場合は、光透過率も小さくなる。従って、TE偏波光は外部へほとんど出射されず、表面プラズモンを励起できるTM偏波光のみが金属膜23から外部に出射される。
From the continuous condition of the electric flux density at the interface between the
以上のように、開口部23が周期的に設けられた金属膜23により、レーザ光のTM偏波を選択的に共振器領域31の外へ取り出すことが可能となり、面発光型レーザ装置から出射されるレーザ光の偏波モードを制御することが可能となる。
As described above, the
図4はガラス基板の上に形成された開口部を有する金属膜の光透過率をシミュレーションした結果である。シミュレーションにはFDTD(Finite Difference Time Domain)法を用いた。なお、金属膜は膜厚が200nmのAuとし、開口周期を550nmとした。励起光がTE偏波及びTM偏波の場合のそれぞれに対し、開口径を変化させて透過率を計算し、光透過率の開口比依存性を求めた。 FIG. 4 shows the result of simulating the light transmittance of a metal film having an opening formed on a glass substrate. An FDTD (Finite Difference Time Domain) method was used for the simulation. Note that the metal film was Au having a thickness of 200 nm, and the opening period was 550 nm. For each of the cases where the excitation light is TE polarized light and TM polarized light, the transmittance was calculated by changing the aperture diameter, and the dependency of the light transmittance on the aperture ratio was obtained.
図4に示すように、TE偏波光に対しては開口比を小さくすると光透過率が急激に低下し、開口比が0.4より小さい場合にはTE偏波光がカットオフされている。一方TM偏波光に対しては開口比の低減に伴い光透過率は減少するものの、開口比が0.2程度の場合においても光透過が可能である。この結果は、TM偏波光において表面プラズモンを介した光透過が生じていることを示している。 As shown in FIG. 4, when the aperture ratio is reduced with respect to the TE polarized light, the light transmittance is rapidly reduced. When the aperture ratio is less than 0.4, the TE polarized light is cut off. On the other hand, for TM polarized light, although the light transmittance decreases as the aperture ratio decreases, light transmission is possible even when the aperture ratio is about 0.2. This result shows that light transmission through the surface plasmon occurs in the TM polarized light.
図5は、TM偏波の光の強度とTE偏波の光の強度の比である偏光比(TM/TE)の開口径依存性をシミュレーションにより求めた結果を表したものである。図5に示すように、開口径を小さくすることにより大きな偏光比が得られることが明らかである。これは開口径が小さいほど開口部を通じた光透過が減少し、表面プラズモンを介した光透過の効果が顕著になるためである
以上の結果から、開口部の開口径を発光波長以下とすることにより、TM偏波成分の強度がTM偏波成分の強度よりも高くなるように偏波モードを制御することができる。また、開口径を発光波長の2分の1以下とすることにより一般的に光通信に適した偏向比が2以上の半導体発光装置が得られる。
FIG. 5 shows a result obtained by simulating the aperture diameter dependence of the polarization ratio (TM / TE), which is the ratio of the intensity of the TM polarized light and the intensity of the TE polarized light. As shown in FIG. 5, it is clear that a large polarization ratio can be obtained by reducing the aperture diameter. This is because the light transmission through the opening decreases as the opening diameter becomes smaller, and the effect of light transmission through the surface plasmon becomes remarkable. From the above results, the opening diameter of the opening should be less than the emission wavelength. Thus, the polarization mode can be controlled so that the intensity of the TM polarization component is higher than the intensity of the TM polarization component. In addition, by setting the aperture diameter to ½ or less of the emission wavelength, a semiconductor light emitting device having a deflection ratio of 2 or more generally suitable for optical communication can be obtained.
一般に面発光レーザは共振器長が短いため、レーザ発振を得るためには光出射面側においても99%以上の高い反射率を有する反射鏡が必要である。図6は本実施形態における半導体発光装置の光出力をシミュレーションにより求めた結果である。なお、注入電流は5mAとして計算している。図6に示すように光出射面側の反射鏡の反射率を増加させることにより高い光出力を得られることが明らかである。例えば、5mAの電流注入時に1mW以上の光出力を得るためには光出射面側の反射強の反射率を99.4%以上とする必要がある。一方、図6によると光出力は99.9%の反射率で極大となり、これ以上の反射率では逆に光出力が減少する。 In general, since a surface emitting laser has a short resonator length, a reflecting mirror having a high reflectance of 99% or more is required on the light emitting surface side in order to obtain laser oscillation. FIG. 6 shows the result of obtaining the light output of the semiconductor light emitting device in this embodiment by simulation. The injection current is calculated as 5 mA. As shown in FIG. 6, it is clear that a high light output can be obtained by increasing the reflectance of the reflecting mirror on the light exit surface side. For example, in order to obtain a light output of 1 mW or more when a current of 5 mA is injected, it is necessary to set the reflectance of the reflection intensity on the light emitting surface side to 99.4% or more. On the other hand, according to FIG. 6, the light output becomes maximum at a reflectance of 99.9%, and the light output decreases conversely at a reflectance higher than this.
このような反射率を得るためには、金属膜による反射鏡と半導体多層膜による反射鏡とを組み合わせることが効果的である。半導体多層膜からなる反射鏡のみによりこのような高い反射率を得るためには周期を20周期以上且つ25周期以下とする必要がある。このように多周期の半導体多層膜からなる反射鏡を設けた場合には、半導体発光装置の素子抵抗が上昇してしまう。しかし、本実施形態の半導体発光装置においては、金属膜23と半導体多層膜からなる第2の反射鏡17とが組み合わされているため、第2の反射鏡17の積層周期は9周期程度あればよい。従って、半導体発光装置の素子抵抗の上昇を抑えることができ、素子を高速に動作させることが可能となる。また、金属の熱抵抗は極めて小さいため、金属膜23において発生した熱を外部に効率良く放出させることができるので、素子の放熱性を向上させることもできる。
In order to obtain such a reflectance, it is effective to combine a reflecting mirror made of a metal film and a reflecting mirror made of a semiconductor multilayer film. In order to obtain such a high reflectivity by using only a reflector made of a semiconductor multilayer film, the period must be 20 cycles or more and 25 cycles or less. Thus, when the reflective mirror which consists of a multi-cycle semiconductor multilayer film is provided, the element resistance of a semiconductor light-emitting device will rise. However, in the semiconductor light emitting device of this embodiment, since the
なお、金属膜23の反射率は金属膜23の材質及び開口部23aの直径等の構造パラメータにより変化するため、それに応じて第2の反射鏡17の周期を適切に設定すればよい。具体的には第2の反射鏡17の積層周期を9周期以上且つ22周期以下にすればよい。
Since the reflectance of the
本実施の形態において中間層21の膜厚は113nmとした。中間層21の膜厚を発光波長λの4n分の1(nは中間層の屈折率)のおよそ0.8倍とすることにより、金属膜23、中間層21及び上部電極17により形成された反射鏡のブラッグ条件を満足させることができる。従って、金属膜23の光吸収に起因する位相変化を補償することが可能となり、金属膜23、中間層21及び上部電極17により形成された反射鏡の反射率を最も高くすることができる。
In the present embodiment, the thickness of the
図7はAu、SiO2、及び9周期の半導体多層膜により構成された反射鏡にブラッグ波長の光が入射した場合の反射率及び位相変化のSiO2の膜厚依存性を計算した結果である。図7に示すように膜厚が113nmの場合、すなわち0.8×λ/(4n)において反射率が最大となる。また、SiO2の膜厚が85nm(0.6×λ/(4n))以上且つ142nm(λ/(4n))以下の領域においては反射光の位相変化が抑制されており、高い反射率が得られる。 FIG. 7 shows the result of calculating the dependence of the reflectance and phase change on the SiO 2 film thickness when light with a Bragg wavelength is incident on a reflector composed of Au, SiO 2 , and a nine-layer semiconductor multilayer film. . As shown in FIG. 7, when the film thickness is 113 nm, that is, 0.8 × λ / (4n), the reflectance becomes maximum. In addition, in the region where the film thickness of SiO 2 is 85 nm (0.6 × λ / (4n)) or more and 142 nm (λ / (4n)) or less, the phase change of reflected light is suppressed, and the high reflectance is obtained. can get.
また、中間層21をITO(スズドープ酸化インジウム)、酸化亜鉛又は酸化スズ等の透明導電材料により形成してもよい。このようにすることにより、メサ部30の上にも電極を形成することができるため、コンタクト抵抗の低い半導体発光装置を実現することができる。また、中間層21を誘電体の多層膜又は半導体の多層膜として、反射膜の機能を持たせてもよい。
Further, the
本実施形態の半導体発光装置においては、第2の反射鏡17の厚さを薄くしているため、メサ部30の高さが低くなっている。一般に、上部コンタクト電極27と第1の反射鏡11との間の間隔が狭くなると、素子の寄生容量が大きくなる。しかし、本実施形態の半導体発光装置においては、メサ部30を形成する凹部が誘電率の低いBCB樹脂からなる樹脂膜25によって埋め込まれているため、上部コンタクト電極27第1の反射鏡11との間に形成される寄生容量を低減することができる。
In the semiconductor light emitting device of this embodiment, since the thickness of the second reflecting
また、凹部を樹脂膜25により埋め込むことにより、メサ部30の周囲の段差構造を解消することができるので、金属膜23に開口部23aを形成する際に、平坦なレジストを形成することが可能となる。その結果、開口部23aの開口径及び開口周期の精度及び再現性が優れた金属膜23を形成することができる。また、上部コンタクト電極27が段差部において断線することを防止できる。
Moreover, since the step structure around the
図8は寄生容量と直列抵抗で制限されるレーザ装置の変調帯域を見積もった結果を示している。3dB変調帯域は従来のレーザ装置では10GHz程度であるのに対し、本発明の半導体発光装置では上部多層膜反射鏡を設けていないことによる直列抵抗の低減と、低誘電率材料の埋め込みによる寄生容量の低減により、変調帯域が4倍以上に向上されている。図8によれば、メサ部の幅が22μm以上の場合において40GHzを越える高い変調帯域が得られている。メサ部の直径を大きくすると変調帯域が向上されるのは、メサ部以外の寄生容量の影響が相対的に低減され、素子全体の容量と抵抗の積が小さくなるためである。 FIG. 8 shows the result of estimating the modulation band of the laser device limited by the parasitic capacitance and the series resistance. The 3 dB modulation band is about 10 GHz in the conventional laser device, whereas in the semiconductor light emitting device of the present invention, the series resistance is reduced by not providing the upper multilayer reflector and the parasitic capacitance by embedding the low dielectric constant material. As a result of this reduction, the modulation band is improved by a factor of four or more. According to FIG. 8, a high modulation band exceeding 40 GHz is obtained when the width of the mesa portion is 22 μm or more. The reason why the modulation band is improved when the diameter of the mesa portion is increased is that the influence of the parasitic capacitance other than the mesa portion is relatively reduced, and the product of the capacitance and resistance of the entire element is reduced.
ところで、レーザの変調帯域を制限する要因として、緩和振動周波数を考慮する必要がある。緩和振動周波数はレーザ共振器体積の2分の1乗に反比例するため、電流狭窄層16における電流狭窄部16aの幅(酸化アパーチャ径)を低減するとが好ましい。図9は緩和振動周波数により制限される変調帯域の酸化アパーチャ径の依存性を見積もった結果を示している。なお、光出力は2mWに設定している。酸化アパーチャ径を小さくすることにより変調帯域が向上している。図9に示すように酸化アパーチャ径を10μm以下とすることにより、15GHz以上の高い変調帯域が得られる。
By the way, it is necessary to consider the relaxation oscillation frequency as a factor for limiting the modulation band of the laser. Since the relaxation oscillation frequency is inversely proportional to the half power of the laser resonator volume, it is preferable to reduce the width (oxidized aperture diameter) of the
なお、金属膜23として金又は銀を用いる例を示したが、アルミニウム等を用いてもよい。また、金属膜23を積層膜としてもよい。例えば、厚さが50nmのAgからなる第1の金属膜と厚さが150nmのAlからなる第2の金属膜とを順次積層して金属膜23を形成してもよい。第1の金属膜にAgを用いることにより表面プラズモンを効率良く発生させることができると共に、上部にAlからなる第2の金属膜を設けることによりAgの酸化を防止することができる。また、AuとAg等の組み合わせであってもよい。この場合には上側の層を下側の層よりも薄くすることが好ましい。
In addition, although the example which uses gold | metal | money or silver as the
また、金属膜23の膜厚を200nmとする例を示したが、膜厚が100nm以上あれば、TE偏波成分を十分に減衰させることが可能であり、TM偏波成分の減衰を防止するためには膜厚を500nm以下とすることが好ましい。
Further, the example in which the film thickness of the
金属膜23に設ける開口部23aの開口面の平面形状は円形状だけでなく、異方性を有する、楕円形状又は長方形状等としてもよい。開口部23aの開口面の平面形状を異方性を有する形状とすることにより、金属膜23における屈折率の分布を非対称とすることができる。従って、偏波方向によって共振器利得を変化させることができるので、偏波制御が容易となる。
The planar shape of the opening surface of the opening 23 a provided in the
また、開口部23aの配置は、正方格子状以外に、三角格子状又は六角格子状としてもよい。三角格子状又は六角格子状とすることにより、開口部の密度を高くすることが可能となるので、光透過率を高くすることができる。
Further, the arrangement of the
また、本実施形態において、金属膜23とp型コンタクト層18との間に中間層21を設けたが、中間層21を設けずp型コンタクト層18の上に直接金属膜23を形成してもよい。この場合には、金属膜と接する媒質はGaAsとなるため、開口部23の開口周期を変更する必要がある。
In the present embodiment, the
例えば、発光波長が850nmの場合には、GaAsの誘電率が13.3となるため、開口周期Pは180nmとすればよい。 For example, when the emission wavelength is 850 nm, the dielectric constant of GaAs is 13.3, so the aperture period P may be 180 nm.
また、金属膜23を覆う上部層22を形成する例を示したが、上部層22は必ずしも設ける必要はない。また、上部層22と中間層21とは同一の材料により形成してもよい。また、金属膜23と上部層22との界面において表面プラズモン共鳴を生じさせるためには、上部層22が金属膜23の側面を覆っている必要はない。
Moreover, although the example which forms the
本実施形態において、樹脂膜25をBCB樹脂により形成したが、SiLK(登録商標)又はフッ素化ポリアリーレンエーテル系の樹脂等を用いてもよい。また、メサ部30を形成する場合に、メサ部30の斜面が傾斜を有するようにすることが好ましい。メサ部30の側面に傾斜を設けることにより、メサ部30の側面に形成された第1の保護膜24と接する樹脂膜25に加わる応力を均一とすることができる。これにより、メサ部30と樹脂膜25との間に空隙が生じることを防止できるので、半導体発光装置の信頼性を向上させることができる。
In the present embodiment, the
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光装置について図面を参照して説明する。図10は第2の実施形態に係る半導体発光装置の断面構成を示している。図10において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Second Embodiment)
A semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 10 shows a cross-sectional configuration of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. In FIG. 10, the same components as those in FIG.
本実施形態の半導体発光装置には、第2の反射鏡17が設けられておらず、金属膜23のみによって上部反射鏡が形成されている。本実施形態の半導体発光装置は、第2の反射鏡17を有していないため、素子の抵抗を大幅に低減することができる。
In the semiconductor light emitting device of this embodiment, the second reflecting
一方、本実施形態の半導体発光装置においては、メサ部30の高さが非常に低くなるため、寄生容量が増加する恐れがある。この場合には、必要に応じて樹脂膜25を厚く形成し、メサ部30の上面よりも突出させることにより、寄生容量を低減することが可能である。
On the other hand, in the semiconductor light emitting device of the present embodiment, the height of the
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装置について図面を参照して説明する。図11は第3の実施形態に係る半導体発光装置の断面構成を示している。図11において図10と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Third embodiment)
A semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 11 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor light emitting device according to the third embodiment. In FIG. 11, the same components as those of FIG.
図11に示すように本実施形態の半導体発光装置においては、金属膜23の下に誘電体多層膜41が形成されている。金属膜23と誘電体多層膜41とにより反射鏡が形成されているため、金属膜23のみの場合に比べて、反射鏡の反射率を向上させることができる。また、金属膜23が半導体層の上に形成されていないため、金属膜23の合金化を防止する効果も得られる。
As shown in FIG. 11, in the semiconductor light emitting device of this embodiment, a
(第4の実施形態)
以下に、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光装置について図面を参照して説明する。図12は第4の実施形態に係る半導体発光装置の断面構成を示している。図12において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Fourth embodiment)
The semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 12 shows a cross-sectional configuration of the semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment. In FIG. 12, the same components as those in FIG.
図12に示すように本実施形態の半導体発光装置においては、基板10を露出するコンタクトホールが形成され、下部コンタクト電極28が素子の上面に引き出されている。このため、基板の同一面に配線を形成することができるので、半導体発光装置の実装効率を高めることができる。
As shown in FIG. 12, in the semiconductor light emitting device of this embodiment, a contact hole exposing the
なお、コンタクトホールを形成することにより半導体発光装置に生じる凹凸が大きくなるが、樹脂膜25の膜厚を調整することにより、上部コンタクト電極27及び下部コンタクト電極28を平坦化することが可能である。
The unevenness generated in the semiconductor light emitting device is increased by forming the contact hole, but the
なお、各実施形態においては、金属膜を面発光型半導体レーザに設ける例に用いて説明したが、例えばファブリペロー型半導体レーザ、固体レーザ又はガスレーザ等の他のレーザ装置においても同様に金属膜を設けることができ、これらの場合においても各実施形態において示したものと同様の効果が得られる。 In each of the embodiments, the metal film is described as an example in which the metal film is provided in the surface emitting semiconductor laser. However, the metal film is similarly applied to other laser devices such as a Fabry-Perot semiconductor laser, a solid-state laser, or a gas laser. In these cases, the same effects as those shown in each embodiment can be obtained.
(第5の実施形態)
以下に、第5の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図13は第5の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を工程順に示している。
(Fifth embodiment)
The method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment will be described below with reference to the drawings. FIG. 13 shows a method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment in the order of steps.
図13(a)に示すように例えば有機金属気相成長(MOCVD)法を用いて、n型GaAs基板10の上に第1の反射鏡11と、下部スペーサ層12、量子井戸層13及び上部スペーサ層14からなる量子井戸活性層15と、電流狭窄層16と、第2の反射鏡17と、p型コンタクト層18とを順次結晶成長する。続いて、CVD法又はスパッタリング法を用いてシリコン酸化膜(SiO2膜)を基板表面全体に形成した後、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて所定のパターン形状のSiO2膜を形成する。
As shown in FIG. 13A, the first reflecting
次に、図13(b)に示すようにSiO2膜をエッチングマスクとして用いたドライエッチング法により、p型コンタクト層18、第2の反射鏡17、電流狭窄層16、量子井戸活性層15及び第1の反射鏡11の一部までをエッチングしてメサ部30を形成する。この工程は電流狭窄層16をメサ部30の側面に露出することを目的としているため、必ずしも第1の反射鏡11に至るまでエッチングする必要はない。
Next, as shown in FIG. 13B, the p-
メサ部30を形成した後、400℃の水蒸気雰囲気中に約15分間晒すことにより、メサ部30を外周部から酸化する。このときの酸化速度は各層のAl含有量により異なり、Al含有量が大きいほど酸化速度は速くなる。ここで、電流狭窄層16のAl含有量を他の層よりも大きくしておくことにより、電流狭窄層16が他の層よりも高速に酸化される。従って、電流狭窄層16はメサ部30の中央部を除いて酸化されるので、メサ部30の中心部に電流狭窄部分16aを有し、メサ部30の周縁部に酸化された高抵抗部分16bを有する電流狭窄層16を容易に形成することができる。
After the
次に、図13(c)に示すようにメサ部30の上面及び第1の反射鏡11の表面にSiO2からなる第1の保護膜24を形成する。続いて、BCB樹脂からなる樹脂膜25を第1の保護膜24の上に塗布した後、窒素雰囲気中で熱処理を行い樹脂膜25を硬化させる。次に、樹脂膜25の上面とメサ部30の上面とを覆うようにSiO2よりなる第2の保護膜26を形成する。その後、上部コンタクト電極27とp型コンタクト層18を接触させるために必要となるコンタクト窓を形成するために、メサ部30の上面に形成された第2の保護膜26の一部をウェットエッチングにより除去する。
Next, as shown in FIG. 13C, a first
次に、図14(a)に示すようにメサ状構造物の中心部にフォトレジストを用いて所定の形状のマスクを形成し、Ti、Pt及びAuを順次形成した後、リフトオフ法によりフォトレジストを除去し、所定の形状の上部コンタクト電極27を形成する。
Next, as shown in FIG. 14A, a mask having a predetermined shape is formed at the center of the mesa structure using a photoresist, Ti, Pt and Au are sequentially formed, and then the photoresist is formed by a lift-off method. The
次に図14(b)に示すようにp型コンタクト層18の上に、厚さが113nmのSiO2からなる中間層21を形成した後、中間層21の上に開口部23aを有する金からなる金属膜23を電子線蒸着とリソグラフィを用いて形成する。
Next, as shown in FIG. 14B, an
開口部23aの開口径及び開口周期は正確に形成する必要があるため、リソグラフィに用いるレジストの平坦性が要求される。従来はレジストの平坦性を確保するために、メサ部の形成前に開口部を有する金属膜の形成を行う必要があった。しかし、本実施形態の製造方法においては、メサ部30の周囲の凹部が樹脂膜25により埋め込まれており、メサ部が形成されている領域の表面は平坦化されている。従って、レジストの平坦性を確保することが可能であり、開口径及び開口周期が正確な金属膜23を形成できる。これにより、メサ部30を形成する工程において金属膜23が損傷を受けることを防止することもできる。
Since the opening diameter and opening period of the
次に図14(c)に示すように金属膜23を覆うSiNからなる上部層22を形成する。続いて、研磨及びエッチングを用いて基板10の厚さを任意の厚さに調整した後、基板10の下面に下部コンタクト電極28としてAu、Ge及びNiの合金等からなる膜を形成する。続いて、窒素雰囲気中で約400℃で10分間の熱処理を行い、下部コンタクト電極28と基板10と及び上部コンタクト電極27とp側コンタクト層18とをオーミック接触させる。
Next, as shown in FIG. 14C, an
なお、本実施形態においては第1の実施形態に示した半導体発光装置の製造方法を示したが、同様にして他の実施形態に示した半導体発光装置を製造することができる。また、電流狭窄層16の高抵抗領域16bを熱酸化により形成したが、プロトン注入により形成してもよい。
In the present embodiment, the method for manufacturing the semiconductor light emitting device shown in the first embodiment has been described. However, the semiconductor light emitting device shown in other embodiments can be manufactured in the same manner. Further, although the
また、本実施形態においては、樹脂膜25の上面がp型コンタクト層18の上面と一致するように形成する例を示したが、樹脂膜25とメサ部30とが段差なく形成されていれば、金属膜23の加工精度を向上させることが可能であり、樹脂膜25の中央部が突出した形状としてもよい。
In the present embodiment, the example in which the upper surface of the
この場合には、以下のようにして樹脂膜25を形成すればよい。メサ部30を形成した後、メサ部30の上面、メサ部30の側面及び第1の反射鏡11表面にSiO2からなる第1の保護膜24を形成する。続いて、BCB樹脂からなる樹脂膜25の一部を第1の保護膜24の上に塗布した後、窒素雰囲気中で熱処理を行い樹脂を硬化させる。硬化した樹脂の上に、再度BCB樹脂を塗布する。
In this case, the
次に、メサ部30の上面以外の樹脂膜25を露光し、現像を行うことにより、メサ部30の上面から未硬化の樹脂膜25を除去する。これにより、メサ部30の上面における樹脂膜25の表面がメサ部30の周辺部における樹脂膜25の表面より低くなるように加工する。
Next, the
メサ部30の上面に第1の保護膜24が露出されるように、樹脂膜25をドライエッチング法により除去する。エッチングを行うガスにはCF4とO2との混合ガスを用いることができる。また、メサ部30の表面に形成した第1の保護膜24をドライエッチング時の保護膜として用いる。その後、窒素雰囲気中で樹脂膜25の硬化を行う。
The
このようにすることにより、樹脂膜25とメサ部30との間に段差が生じないようにして、メサ部30の上面より突出した樹脂膜25を形成することができる。
By doing so, the
本発明の半導体発光装置は、出射光の偏波モードが安定で且つレーザの変調帯域が広い、高速の光通信に用いる半導体発光装置を実現できるという効果を有し、面発光型レーザ装置を含む半導体発光装置等として有用である。 The semiconductor light-emitting device of the present invention has the effect of realizing a semiconductor light-emitting device used for high-speed optical communication in which the polarization mode of outgoing light is stable and the modulation band of the laser is wide, and includes a surface-emitting laser device. It is useful as a semiconductor light emitting device.
10 基板
11 第1の反射鏡
12 下部スペーサ層
13 量子井戸層
14 上部スペーサ層
15 活性層
16 電流狭窄層
16a 電流狭窄領域
16b 高抵抗領域
17 第2の反射鏡
18 p型コンタクト層
21 中間層
22 上部層
23 金属膜
23a 開口部
24 第1の保護膜
25 樹脂膜
26 第2の保護膜
27 上部コンタクト電極
28 下部コンタクト電極
30 メサ部
31 共振器領域
41 誘電体多層膜
51 コンタクトホール
10
Claims (35)
前記凹部を埋める樹脂層と、
前記共振器における前記活性層からの発光光を取り出す光取り出し面に設けられ、前記発光光の発光波長よりも径が小さい複数の開口部が形成された金属膜とを備え、
前記複数の開口部は、三角格子又は六角格子状に配置され且つ前記金属膜を貫通していることを特徴とする半導体発光装置。 A resonator having a mesa portion formed on a substrate, insulated by a recess formed by digging the periphery, and including an active layer;
A resin layer filling the recess;
A metal film provided on a light extraction surface for extracting emitted light from the active layer in the resonator, and having a plurality of openings having a diameter smaller than the emission wavelength of the emitted light;
The plurality of openings are arranged in a triangular lattice or a hexagonal lattice and penetrate the metal film .
前記レーザ光のTE偏波成分の強度に対するTM偏波成分の強度の比の値は、2以上であることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装置。 The light extracted from the light extraction surface is a laser beam,
3. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the value of the ratio of the intensity of the TM polarization component to the intensity of the TE polarization component of the laser light is 2 or more.
P=λ×(i2+j2)0.5/(ε1ε2/(ε1+ε2))0.5
の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。 When the opening period of the opening is P, the dielectric constant of the metal film is ε1, the dielectric constant of the member in contact with the metal film is ε2, i and j are non-negative integers, P is
P = λ × (i 2 + j 2 ) 0.5 / (ε1ε2 / (ε1 + ε2)) 0.5
The semiconductor light emitting device according to claim 1 , wherein:
該下側の層は、銀、金又はアルミニウムからなることを特徴とする請求項8に記載の半導体発光装置。 Of the two layers of the metal film, the upper layer is thinner than the lower layer,
9. The semiconductor light emitting device according to claim 8 , wherein the lower layer is made of silver, gold, or aluminum.
0.6×λ/n×(1/4+1/2i)≦d≦λ/n×(1/4+1/2i)
の関係を満たすことを特徴とする請求項12に記載の半導体発光装置。 The thickness of the intermediate layer is such that d is 0.6 × λ when the thickness of the intermediate layer is d, the refractive index of the intermediate layer is n, the wavelength of the emitted light is λ, and i is a non-negative integer. / N × (1/4 + 1 / 2i) ≦ d ≦ λ / n × (1/4 + 1 / 2i)
The semiconductor light emitting device according to claim 12 , wherein the relationship is satisfied.
前記金属膜は、前記光取り出し面側に設けられた反射鏡として機能することを特徴とする請求項1から17のいずれか1項に記載の半導体発光装置。 Further comprising two reflecting mirrors provided on the light extraction surface side and the side opposite to the light extraction surface of the active layer,
The metal film, the semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 17, characterized in that the function as a reflecting mirror provided on the light extraction face side.
前記樹脂層の上面を覆う第2の保護層と、
前記第2の保護層の上に形成され、前記活性層に電流を注入する電極とをさらに備えていることを特徴とする請求項1から24のいずれか1項に記載の半導体発光装置。 A first protective layer formed between the resin layer and the side and bottom surfaces of the recess;
A second protective layer covering the upper surface of the resin layer;
Wherein formed on the second protective layer, the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 24, characterized by further comprising an electrode for injecting current into said active layer.
選択的に酸化された領域又はプロトンが選択的に注入された領域である高抵抗領域と、
前記高抵抗領域に囲まれてなる電流狭窄領域とを含む電流狭窄層をさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。 Provided between the active layer and the metal film in the mesa portion;
A high resistance region that is a selectively oxidized region or a region into which protons are selectively implanted;
The semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising a current confinement layer including a current confinement region surrounded by the high resistance region.
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