JPH01308091A - Surface emission type semiconductor laser device - Google Patents
Surface emission type semiconductor laser deviceInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、光コンピュータや、デジタル光情報処理９画
像処理の分野で望まねている、２次元アレイ化や集積化
に適した面発光型半導体レーザに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention is directed to a surface-emitting device suitable for two-dimensional arraying and integration, which is desired in the fields of optical computers and digital optical information processing and image processing. Regarding semiconductor lasers.
（従来の技術）
第１θ図と第１１図に、従来研究されている面発光型半
導体レーザの一例を示す。(Prior Art) FIG. 1θ and FIG. 11 show an example of a surface-emitting semiconductor laser that has been studied in the past.
第１０図は、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａ
ｎｔｕｍ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓのＱε−２３Ｎｏ、
８（＋９８７）に報告されたものであり、Ｇａ＾ＩＡｓ
／ＧａＡｓ系材料で構成されている。Figure 10 shows the IEEE Journal of Qua
ntum Electronics Qε-23No,
8 (+987), Ga^IAs
/GaAs-based material.
１０１は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板であり、該基板に
は一生面から他主面側に連通する２０μＩφの連通孔が
設けである。ｐ−ＧａＡｓからなる活性層１０２は、第
１クラツド層ｎ−Ｇａｏ、 ７ＡＩ０．３＾５１０３と
第２クラツド層ＩＰ−Ｇａｏ、 ７＾１ｏ３Ａｓ １０
４とではさまれており、更に活性層１０２は、閉じ込め
層ｐ−Ｇａ０． ｓ＾１０．４Ａｓ １０５で埋め込
まれている。活性領域はおよそ直径６μＩφ、厚さ２．
５μｍである。第２クラット層１０４ とキャップ層ｐ
−Ｇａ、） ９Ａ１．、 、Ａｓ １０Ｂは電流狭窄層
ｎ型ＧａＡｓ八ｌ。、八ｓ １０７で囲まれ、その電流
狭窄層と絶縁層Ｓｉｎ、 １０９との間はｐ−Ｇａｏ、
ｎＡｌｏ、 ４八５１０８で隔てられている。下部Ｐ
側の電極Ａｕ／Ｚｎ１１０は、反射１１Ｑｓｉｏ、を残
しながら電流注入するためにリング状に形成されており
、反射率は９７％以上となっている。上部ｎ側の電極は
＾ｕ／Ｇｅ ＩＩＩがらなりＧａＡｓ基板とオーミック
コンタクトをとる。Reference numeral 101 denotes a substrate made of n-type GaAs, and the substrate is provided with a communication hole of 20 μIφ that communicates from one surface to the other main surface. The active layer 102 made of p-GaAs has a first cladding layer n-Gao, 7AI0.3^5103 and a second cladding layer IP-Gao, 7^1o3As 10
4, and the active layer 102 further includes a confinement layer p-Ga0. It is embedded in s^10.4As 105. The active region has a diameter of approximately 6 μIφ and a thickness of 2.
It is 5 μm. Second crat layer 104 and cap layer p
-Ga, ) 9A1. , , As 10B is a current confinement layer made of n-type GaAs. , eights 107, and between the current confinement layer and the insulating layer Sin, 109 are p-Gao,
nAlo, separated by 485108. Lower P
The side electrode Au/Zn 110 is formed in a ring shape in order to inject a current while leaving a reflection 11Qsio, and has a reflectance of 97% or more. The upper n-side electrode is made of u/Ge III and makes ohmic contact with the GaAs substrate.
ヒ部共振面はＳ ｉｏ２／ＴｉＯ２からなる誘電体多層
ブラッグ反射ＷＡ１１２で反射率９５％程度である。こ
のような半導体レーザでは、上下電極間に順方向バイア
スを印加すると、連通孔直下の活性層内で発振が生じ、
基板に重直に上部ヘレーザ光が出力されることとなる。The hollow resonance surface is a dielectric multilayer Bragg reflection WA112 made of Sio2/TiO2 and has a reflectance of about 95%. In such a semiconductor laser, when a forward bias is applied between the upper and lower electrodes, oscillation occurs within the active layer directly below the communicating hole.
The upper laser beam is output directly to the substrate.
第１１図は、電子通信学会技術研究報告０（ｌＥ８５−
５０（＋９８５）で報告されているＣｏａｘｉａｌ Ｔ
ｒａｎｓｖｅｒｓｅＪｕｎｃｔｉｏｎ（ＣＴＪ）型半導
体レーザの基本的構造を示す。Figure 11 shows the IEICE technical research report 0 (lE85-
Coaxial T reported at 50 (+985)
The basic structure of a transverse junction (CTJ) type semiconductor laser is shown.
ｎ−ＧａＡｓ １１３ ／ ｎ−へｌＧａへｓ
１＋４／ ｎ−ＧａＡｓ １１５ 基板からな
るＤＨウェハを図の様に円柱状に加工し、Ｚｎ拡散によ
ってｐ−ｎ接合を円柱内部に同軸状に形成してあり、こ
のｐ−ｎ接合部分が活性領域となっている。この構成で
は、電流は横方向から注入され、活性領域の長さは円柱
部分の高さに対応することから、基板に垂直な方向に十
分大きな増幅利得を持たせることができるという利点が
ある。共振器として、上側と下側にファブリ・ベロー形
のミラーを有するもののほかに、分布ブラッグ反射形や
分布帰還形の構造も考えられており、基板面に垂直方向
にレーザ光出力を取り出すことが可能である。n-GaAs 113/n- to lGas
A DH wafer consisting of a 1+4/n-GaAs 115 substrate is processed into a cylinder shape as shown in the figure, and a p-n junction is formed coaxially inside the cylinder by Zn diffusion, and this p-n junction part forms the active region. It becomes. In this configuration, current is injected laterally and the length of the active region corresponds to the height of the cylindrical portion, so there is an advantage that a sufficiently large amplification gain can be provided in the direction perpendicular to the substrate. In addition to the resonator that has Fabry-Bello mirrors on the upper and lower sides, distributed Bragg reflection type and distributed feedback type structures are also being considered, which make it possible to extract the laser light output perpendicular to the substrate surface. It is possible.
しかしながら、上記ｉ１０図の従来例は、活性領域の膜
に垂直に光が共振するため、増幅利得領域を通過する距
離は短いので、発振状態に達するまでの光強度を得るの
が難しく、高反射率の膜を共振面に設ける必要があり、
高出力を得られないという欠点がある。さらに電流注入
は、円柱状活性領域の上下面から行なうが、活性領域の
厚さは２６５μＩと厚いために高効率なキャリアの再結
合が不可能であり、一方、利得を得るためには、共振し
ている光にとって大きい利得領域が必要であるという相
反する問題が生じる。また、活性領域は厚さ２．５μｍ
、直径６μｍの円柱であるために放熱が悪いという欠点
もある。However, in the conventional example shown in the i10 diagram above, since the light resonates perpendicularly to the film in the active region, the distance to pass through the amplification gain region is short, making it difficult to obtain the light intensity to reach the oscillation state, resulting in high reflection. It is necessary to provide a film with a certain ratio on the resonant surface.
The drawback is that high output cannot be obtained. Furthermore, current injection is performed from the upper and lower surfaces of the cylindrical active region, but since the active region is as thick as 265 μI, highly efficient carrier recombination is impossible. A conflicting problem arises in that a large gain area is required for the light that is being used. In addition, the active region has a thickness of 2.5 μm.
Since it is a cylinder with a diameter of 6 μm, it also has the disadvantage of poor heat dissipation.
第１１図の面発光レーザでは、活性領域の長さは円柱部
分の高さに対応することから、基板に垂直な力向で、十
分大きな増幅利得を持たせることができ、電流も横方向
から注入するために均一にキャリアの再結合が行われる
という点では優れている。しかし、活性領域は、Ｚｎ拡
散によるｐ−ｎホモ接合であるためにキャリアの集中が
悪いという問題がある。また、活性領域が基板上部にあ
るために、放熱は空気中への放射が主体となるために、
熱特性が悪く、室温での発振には成功していない。In the surface-emitting laser shown in Figure 11, the length of the active region corresponds to the height of the cylindrical part, so a sufficiently large amplification gain can be achieved in the direction of force perpendicular to the substrate, and the current can also be applied in the lateral direction. It is superior in that carriers are uniformly recombined for injection. However, since the active region is a pn homojunction due to Zn diffusion, there is a problem that carrier concentration is poor. In addition, since the active region is located on the top of the substrate, heat is mainly radiated into the air.
It has poor thermal characteristics and has not succeeded in oscillating at room temperature.
本発明の面発光型半導体レーザ装置は、活性層内におい
て注入されたキャリアを再結合させ、生じた光を共振増
幅し、結晶成長方向にレーザ光を出射する面発光型半導
体レーザ装置において、
前記活性層の結晶成長方向に沿う縦断面形状は、一旦第
１の方向に曲折した後、前記第１の方向とは反対の第２
の方向に曲折して構成される屈曲形態部分を有し、＃活
性層はコア層とクラッド層とで挟まれており、該クラッ
ド層は１１丁ｆ記第１の方向側に設けられ、前記コア層
は前記第２の方向側に設けられており、注入されたキャ
リアは活性層の前記第１の方向に屈曲した部分および第
２の方向に屈曲した部分において再結合し、この結果発
生した光は、活性層の前記第１の方向に屈曲した部分お
よび前記第２の方向に屈曲した部分間に存在する前記コ
ア層の位置において第１および第２の方向に沿って共振
増幅され、前記第１または第２の方向にレーザ光が出射
されることを特徴とする。A surface-emitting semiconductor laser device of the present invention is a surface-emitting semiconductor laser device that recombines carriers injected into an active layer, resonantly amplifies the generated light, and emits laser light in the crystal growth direction, comprising: The vertical cross-sectional shape of the active layer along the crystal growth direction is once bent in the first direction, and then bent in the second direction opposite to the first direction.
The active layer is sandwiched between a core layer and a cladding layer, the cladding layer is provided on the first direction side of item 11f, and the active layer is sandwiched between a core layer and a cladding layer. The core layer is provided on the second direction side, and the injected carriers are recombined in the portion of the active layer bent in the first direction and the portion bent in the second direction. The light is resonantly amplified along the first and second directions at a position of the core layer existing between the portion of the active layer bent in the first direction and the portion bent in the second direction, and It is characterized in that laser light is emitted in the first or second direction.
本発明によれば、活性領域を筒状に基板に垂直に埋込む
ことによって、光の共振方向と活性領域の側面は゛ト行
になり、共振する光にとっての増幅利得領域の長さか増
え、高出力を得られるようになった。According to the present invention, by embedding the active region vertically into the substrate in a cylindrical shape, the resonance direction of light and the side surface of the active region are aligned, and the length of the amplification gain region for the resonant light increases. Now you can get output.
注入した電子とホールはダブルへテロ構造の筒状活性領
域へ、外側からと内側から注入されて再結合するため、
筒の厚さをサブミクロン程度にすることもｉｒ（能とな
り、高効率な再結合が行われ、また光の自由キャリア吸
収により生じた熱の放出については、活性領域の体積に
対する表面積の比が増えることによって、また、基板を
通しての熱拡散が主体となっているために、熱特性がよ
くなり改善された。The injected electrons and holes are injected into the cylindrical active region of the double heterostructure from the outside and the inside and recombine.
Reducing the thickness of the tube to a submicron level also increases IR (irradiation) performance, and highly efficient recombination occurs, and the ratio of the surface area to the volume of the active region increases with regard to the release of heat generated by free carrier absorption of light. Due to the increased amount of heat, and because heat is mainly diffused through the substrate, the thermal characteristics are improved.
さらに、筒状活性領域に量子井戸構造を用いることも可
能となり、活性領域中のドーピングも不要にでき、高効
率・低損失・低発熱の面発光型半導体レーザが得られた
。Furthermore, it became possible to use a quantum well structure in the cylindrical active region, eliminating the need for doping in the active region, resulting in a surface-emitting semiconductor laser with high efficiency, low loss, and low heat generation.
（実施例）
欠胤■ユ
第１図は、本発明の第１の実施例であるＡｌＧａＡｓ系
材料からなる面発光型半導体レーザの断面図である。(Embodiment) FIG. 1 is a cross-sectional view of a surface-emitting semiconductor laser made of AlGaAs-based material, which is a first embodiment of the present invention.
図中１０はｎ”−Ａｌｏ５Ｇａａ、 ！１八５基板１７
にエツチングにより形成した直径３μＩφ、深さＩＦｌ
μＩの円筒状の穴であり、ｐ−ＧａＡｓ活性領域１５は
、その外側をｎ−Ａｌ。３Ｇａ６フ八Ｓクラッド層１６
、その内側をｐ＋−＾１（１，０５Ｇａ０．９１ｉ八Ｓ
コア層１４ではさまれており、キャリアの再結合は、上
記円筒状領域でおこり、光が発生する。活性領域やコア
領域に比べてクラッド領域は実効屈折率が小さいため光
は円筒の中心に集光する。In the figure, 10 is n”-Alo5Gaa, !185 substrate 17
A diameter of 3μIφ and a depth of IFl were formed by etching.
It is a cylindrical hole of μI, and the p-GaAs active region 15 is covered with n-Al on the outside. 3Ga6F8S cladding layer 16
, its inside is p+-^1(1,05Ga0.91i8S
It is sandwiched between core layers 14, and carrier recombination occurs in the cylindrical region, generating light. Since the cladding region has a smaller effective refractive index than the active region and the core region, light is focused at the center of the cylinder.
第１図中の基板に平行な２点破線＾−への断面における
直径方向の実効屈折率分布を第２図（ａ）に示す。実際
は屈折率の２乗の差が光の閉じ込めに直接関係があるた
め、第２図（ａ）の縦軸は屈折率の２乗を示した。この
図からも分かるように、光はコア及び活性領域に閉じ込
められる。FIG. 2(a) shows the effective refractive index distribution in the diametrical direction in a cross section taken along a two-dot broken line ^- parallel to the substrate in FIG. In reality, the difference in the square of the refractive index is directly related to the confinement of light, so the vertical axis in FIG. 2(a) shows the square of the refractive index. As can be seen from this figure, light is confined in the core and active region.
さらに付記すれば、キャリアの閉じ込めを良くするため
には、活性層はダブルへテロ構造で、両側のバンドギャ
ップが活性層のそれよりもより大きい方が良い。第２図
（ｂ）は活性層とコアの間に、さらに１層のｐ＋−＾１
ｏ２Ｇａ０８八ｓを加えた場合のＡ−Ａに対応する屈折
率プロファイルである。第２図（ｂ）は第２図（ａ）よ
りも、キャリアの閉じ込めが良いために高屈折率であり
、光の閉じ込めはほとんど第２図（ａ）とかわらない。Additionally, in order to improve carrier confinement, it is preferable that the active layer has a double heterostructure and the band gap on both sides is larger than that of the active layer. Figure 2(b) shows one more layer of p+-^1 between the active layer and the core.
This is a refractive index profile corresponding to A-A when o2Ga088s is added. FIG. 2(b) has a higher refractive index than FIG. 2(a) due to better carrier confinement, and light confinement is almost the same as FIG. 2(a).
このように、ダブルへテロ構造で、その材料を最適に設
計することによって、高効率の半導体レーザが得られる
。In this way, a highly efficient semiconductor laser can be obtained by optimally designing the material of the double heterostructure.
第１図において、電流の流れについてはｐ側電極１１か
ら注入されたホールは、 ｌ）”−Ａｌｏ、 ｏｓＧａ
ｏ、 ｓｃ八へキャップ層１２を通ってｎ−＾！。３Ｇ
ａＯ，？＾Ｓ電流狭窄層１３で狭窄されて電流注入窓２
１からｐｌ−＾１０．０５Ｇａｏ、 ｔ’ｓ＾Ｓコア層
に入り、活性層へ向う。一方電子は、ｎ側電極１８から
注入され、 ｎ”−Ａｌｏ、 ５Ｇａｏ、 ５Ａｓ基板
１７を通って円筒状の穴の底面及び側面からクラッド層
に入り、活性層でホールと再結合する。In FIG. 1, regarding the current flow, the holes injected from the p-side electrode 11 are: l)"-Alo, osGa
o, through the cap layer 12 to sc8 n-^! . 3G
aO,? ^S Current injection window 2 is constricted by current confinement layer 13
1 to pl-^10.05Gao, t's^S enters the core layer and heads to the active layer. On the other hand, electrons are injected from the n-side electrode 18, pass through the n''-Alo, 5Gao, 5As substrate 17, enter the cladding layer from the bottom and side surfaces of the cylindrical hole, and recombine with holes in the active layer.
また、光は、コア部の屈折率を活性層のそれよりもわず
かに低く設定しているが、発振した光は、コア部を中心
に集光し、上部共振多層膜１９とＦ部共振多層膜２０と
の間で共振する。光共振領域３０は、図中−点破線で示
される。基板は、ｎ”−ＡＩ、８Ｇａｏ、 ｓＡｓ材料
なので、光の吸収はほとんどない。また、電流狭窄層１
３はキャップ層１２やコア層１４よりも低屈折率である
ため、出射喘面近くにおいて集光させ、出射光がリング
状になるのを低減している。In addition, although the refractive index of the core part is set slightly lower than that of the active layer, the oscillated light is focused around the core part, and is connected to the upper resonant multilayer film 19 and the F part resonant multilayer film 19. It resonates with the membrane 20. The optical resonance region 30 is indicated by a dotted line in the figure. Since the substrate is made of n''-AI, 8Gao, and sAs materials, there is almost no absorption of light.
3 has a lower refractive index than the cap layer 12 and the core layer 14, so the light is condensed near the exit surface to reduce the ring-shape of the exit light.
第１図に示した本実施例の面発光型半導体レーザの作製
プロセスを第３図に示す。FIG. 3 shows the manufacturing process of the surface-emitting semiconductor laser of this example shown in FIG. 1.
先ず、ＧａＡｓ基板２２上にｎ４ｐ−＾１．．５Ｇａｏ
、 ！、Ａｓ １７をエピタキシャル成長させた （Ｏ
ｏ＋）面の基板を用い、その上にレジストを塗付し露光
後エツチングにより、直径３μｍφ、深さ１０μｍの円
柱の穴を形成し、レジストを除去する（第３図 （ａ）
）。次に、基板加工後、気相エピタキシャル成長により
、ｎ”−ＡＩｏ、 ３Ｇａｏ 、Ａｓ層（０，５μｍ）
１Ｂ、 ｐ−ＧａＡｓ活性層（０，２μｍ） １５を
成膜する（第３図（ｂ））、次に、液相エピタキシャル
成長により、 ｐ”−Ａ１．。、Ｇａｏ、 ’ｌ５Ａｓ
コア層１４を穴に埋め込み、その上に、ｎ−Ａ１０．３
Ｇａ０．７へＳ電流狭窄層１３を成膜する（第３図（Ｃ
））。次に、電流狭窄層上に７オトレジストを塗布し、
エツチングし、電流注入用の直径２μｍの穴をあけ、そ
の上にｐ＋−＾１Ｇ、 ｏｓｃａｏ、 ’）Ｓ＾Ｓキャ
ップ層１２をＬＰＥ （液層エピタキシャル成長法）に
より成１模する（第３図（ｄ））。次に、基板上面にｐ
制電Ｍ４（Ａｕ１０ｒ） ＋１を蒸着し、直径４μｍφ
の共振反射面用の窓部を通常のフォトリソ・エツチング
で形成する（第３図（ｅ））。この後、誘電体多層Ｍ
（Ｓｉ０２． ＡＩ□０３等）＋９を蒸着し、反射率９
０％を得るようにする（第３図（ｆ））。First, n4p-^1. ．． 5Gao
, ! , As 17 was epitaxially grown (O
Using a substrate with an o+) surface, a resist is applied on it, and after exposure, etching is performed to form a cylindrical hole with a diameter of 3 μmφ and a depth of 10 μm, and the resist is removed (Figure 3 (a)).
). Next, after substrate processing, n”-AIo, 3Gao, and As layers (0.5 μm) were formed by vapor phase epitaxial growth.
1B, a p-GaAs active layer (0.2 μm) 15 is formed (Fig. 3(b)), and then p''-A1.., Gao, 'l5As is formed by liquid phase epitaxial growth.
The core layer 14 is embedded in the hole, and on top of it, n-A10.3
An S current confinement layer 13 is formed on Ga0.7 (Fig. 3 (C)
)). Next, apply 7 photoresist on the current confinement layer,
A hole with a diameter of 2 μm is made for current injection by etching, and a p+-^1G, oscao, ')S^S cap layer 12 is formed on it by LPE (liquid layer epitaxial growth method) (see Fig. 3). d)). Next, p
Antistatic M4 (Au10r) +1 is deposited, diameter 4μmφ
A window portion for the resonant reflection surface is formed by ordinary photolithography and etching (FIG. 3(e)). After this, dielectric multilayer M
(Si02. AI□03, etc.) +9 is deposited, and the reflectance is 9.
0% (Fig. 3(f)).
次に、電極上部の誘電体膜をフォトレジストをマスクと
して用いてエツチングにより除去する。Next, the dielectric film above the electrode is removed by etching using a photoresist as a mask.
（第３図（ｇ））。この後Ｇａ八へ基板をラッピング。(Figure 3(g)). After this, wrap the board on Ga8.
エツチングにより除去し、第３図（ｅ）〜（ｇ）と同様
に、ｎ側電極（Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ） １８を蒸着し、共
振窓を除去後、誘電体膜２０を反射率９５％以−トにな
るように形成し、電極との誘電体膜を除去する（第３図
（ｈ））。After removing it by etching, depositing the n-side electrode (Au-Ge/Au) 18 in the same manner as in FIGS. - the dielectric film between the electrode and the electrode is removed (FIG. 3(h)).
犬施■ユ
第４図は、第１図で電流狭窄層として用いたｎ−Ａ１０
． 、、Ｇａｏ、 ？ＡＳ層１３の代わりに、異なる手
段により電流狭窄を行った場合の本発明の実施例である
。Figure 4 shows the n-A10 layer used as the current confinement layer in Figure 1.
．． ,,Gao, ? This is an example of the present invention in which current confinement is performed by a different means instead of the AS layer 13.
活性層！５がクラッド層１６とコア層１４にはさまれて
はいるが、この場合、活性層１５とコア層１４の間に、
Ｂｅ（ベリリウム）をドープしたＩ）−ＡＩＯ０５Ｇａ
ｏ、 ＱＳＡＳ層２４上２４をドープしたＡＩｏ、 ｏ
ｓＧａｏ９５Ａｓ層２３が加えられている。Active layer! 5 is sandwiched between the cladding layer 16 and the core layer 14, but in this case, between the active layer 15 and the core layer 14,
I)-AIO05Ga doped with Be (beryllium)
o, AIo doped on QSAS layer 24, o
A sGao95As layer 23 is added.
（００１）＾１ＧａＡｓ基板を用い、それに、第４図の
ような加工が施されていると、（００１）面と３１”以
上の角度をなす順メサ斜面上にＳｉをドープして成長を
行ったＡｌＧａＡｓはｐ型となる。ここで、順メサとは
、（ｏｏＢ面基板基板上山帽方向に平行にエツチングを
行ったときに生じるメサ形状で［１１０］方向にできる
メサ形状は、逆メサとなる。When a (001)^1 GaAs substrate is used and processed as shown in Figure 4, Si is doped and grown on the forward mesa slope that makes an angle of 31" or more with the (001) plane. The AlGaAs formed in the [110] direction is a p-type. Here, a forward mesa is a mesa shape that is formed when etching is performed parallel to the cap direction on the ooB surface of the substrate, and a mesa shape that is formed in the [110] direction is called an inverted mesa. Become.
上記Ｓｉをドープした＾１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ膜におけ
る傾斜角とｐ−ｎ反転の関係は、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ。The relationship between the tilt angle and pn inversion in the Si-doped ^1GaAs/GaAs film is
s Letters.
Ｖｏｌ、２３． Ｎｏ、１（１９８７）に報告されてお
り、（１００）基板と傾斜角θをなす斜面では５０°く
θ〈２ピではｎ形、３１°〈θではｐ形が確認されてい
る。したがって、（００１）基板に第４図のような円柱
のたて穴をエツチングにより形成して成膜した場合、Ｓ
ｉドープ＾ｌＧａ八へｌ膜の順メサにほぼ平行な領域、
つまり、円柱の側面の一部だけｐ形となり、残りはｎ形
または、高抵抗層となるので、ホールは円柱の側面のＰ
影領域を通ることになる。よって、第４図中、２５の斜
面の一部においてはＰ形、 （００１）基板に平行な（
２６）においてはｎ形となるので、２６の部分において
はｐ−ｎ−ｐとなり電流は流れないが、２５ではｐ−ｐ
−ｐとなり結果的に２３層の穴の側面の一部分のみから
ホールが注入され、活性層の穴の側面が利得領域となる
。穴の側面では、２３層が平坦であるか、基板との角度
が３１”以下であればｎ形となり、電流は流れないので
、この場合は、基板トの加工の直径を小さくして、層２
３の底面積がなるべく小さくなるように成膜した方が発
振効率は上がる。Vol, 23. No. 1 (1987), and it has been confirmed that on a slope forming an inclination angle θ with the (100) substrate, the n-type is confirmed at 50° θ<2 pi, and the p-type is confirmed at 31°<θ. Therefore, if a film is formed by etching a cylindrical vertical hole as shown in FIG. 4 on a (001) substrate, S
A region almost parallel to the normal mesa of the i-doped ^lGa8hel film,
In other words, only a part of the side surface of the cylinder becomes p-type, and the rest becomes n-type or a high-resistance layer.
It will pass through the shadow area. Therefore, in Fig. 4, part of the slope 25 has a P shape, (001) parallel to the substrate (
26) is n-type, so in the part 26 it is p-n-p and no current flows, but in the part 25 it is p-n-p.
-p, and as a result, holes are injected from only a part of the side surface of the hole in the 23rd layer, and the side surface of the hole in the active layer becomes a gain region. On the side of the hole, if the 23rd layer is flat or the angle with the substrate is less than 31", it will be n-type and no current will flow. 2
The oscillation efficiency increases if the film is formed so that the base area of 3 is as small as possible.
火ｍ
第５図は、本発明を利用した分布反射型面発光半導体レ
ーザの一例である。Figure 5 shows an example of a distributed reflection type surface emitting semiconductor laser using the present invention.
ＧａＡｌＡｓ／＾ＩＡｓ半導体多層膜反射鏡の面発光レ
ーザへの応用に関する研究は、１９８７年春季応用物理
学会予稿集３０ａ−Ｚｌ＋−３に報告されており、１５
対のＧａｏ、 、Ａ１．、 ＋Ａｓ／ＡｌＡｓ多層Ｉ＋
！；！を用い、波長λが０．８８μｌかつ反射率９７％
が得られ、また、多層膜を通しての電流注入が可能であ
ることも公知である。このＧａＡ ＩＡｓハＩ八ｓへ導
体多層膜を用いれば、第５図に示すように、基板の上面
だけに反射鏡を形成すればよく、結果的に、ＧａＡｓ基
板を用いて本発明を実施できる。まず、ｎ”−ＧａＡｓ
基板に直径５μｍφ、深さ１０μｍの穴を加工する。そ
の上に、ｎ”−Ｇａ□、 ５Ａｌｏ、 ＋Ａｓ／ｎ”−
＾ＩＡｓの多層膜を０．２２μｍの周期で１５対、有機
金属化学堆積法により成膜し、穴の底面に均一で平坦な
反射多層膜を形成する。その後は第１図の構造と同様に
作製できる。Research on the application of GaAlAs/^IAs semiconductor multilayer mirrors to surface-emitting lasers was reported in 1987 Spring Proceedings of the Japan Society of Applied Physics 30a-Zl+-3, 15
Pair of Gao, , A1. , +As/AlAs multilayer I+
! ;! using a wavelength λ of 0.88 μl and a reflectance of 97%.
It is also known that current injection through the multilayer film is possible. If a conductor multilayer film is used for this GaA IAs substrate, as shown in FIG. . First, n”-GaAs
A hole with a diameter of 5 μmφ and a depth of 10 μm is formed in the substrate. On top of that, n”-Ga□, 5Alo, +As/n”-
A multilayer film of ^IAs is deposited in 15 pairs at a period of 0.22 μm by an organometallic chemical deposition method to form a uniform and flat reflective multilayer film on the bottom of the hole. After that, the structure can be manufactured in the same manner as the structure shown in FIG.
電子は半導体多層膜を通って流れ、活性領域でホールと
再結合を行ない、発光する。光は半導体多層膜２７の回
折格子で反射され、基板上面の誘電体膜との間で共振し
、基板上面からのみ出射する。Electrons flow through the semiconductor multilayer film, recombine with holes in the active region, and emit light. The light is reflected by the diffraction grating of the semiconductor multilayer film 27, resonates with the dielectric film on the upper surface of the substrate, and is emitted only from the upper surface of the substrate.
実」ｄ汁４
第６図は、本発明の一部ではあるが、加工基板の柱状の
穴の内へクラッド層と活性層を埋込んでコア部を形成し
ないで作製した面発光型半導体レーザの一例である。Figure 6 shows a surface-emitting semiconductor laser manufactured by burying a cladding layer and an active layer into a columnar hole of a processed substrate without forming a core part, although this is a part of the present invention. This is an example.
第６図は第１図とほとんど同じであるが、穴の内にコア
部のかわりにｐ”−ＧａＡｓ活性領域が埋まっており、
ホールは、参照番号２１の部分で狭窄され、■二部ｐ”
−Ａ１００５Ｇａｏ、 ０５ＡＳクラッド層１４を通っ
て活性領域に達するが、第１図と異なる点は、活性領域
のドープ量を高くしておく点にあり、これによって、活
性領域全域を利得領域にする。この第６図の実施例にお
いて、基板加工の穴の形状は、直径２μｌφ、潔さ１０
μｍ程度であり、 ＬＰＥ法で活性領域を埋込むために
、針状に細長く作製できる。この例の面発光型半導体レ
ーザでは出射光はリング状にならずに、点光源となる。Figure 6 is almost the same as Figure 1, but a p''-GaAs active region is buried in the hole instead of the core.
The hole is narrowed at the part with reference number 21, and ■two parts p”
-A1005Gao, 05AS The active region is reached through the cladding layer 14, but the difference from FIG. 1 is that the active region is doped in a high amount, thereby making the entire active region a gain region. In the example shown in FIG. 6, the shape of the hole for substrate processing is 2 μlφ in diameter and 10 mm in diameter.
It has a diameter of approximately μm, and can be made into a long and thin needle shape in order to bury the active region using the LPE method. In the surface emitting type semiconductor laser of this example, the emitted light does not have a ring shape but becomes a point light source.
ここで、第１図や第４図のような構造であれば、レーザ
光は基板の上面からも下面からも出射するので、それぞ
れの反射率を調整することによって、どちらから出射す
るレーザ光でも使用することができる。また、第１図や
第４図のように＾ｌＧａＡｓ基板を用いるときは、通常
ＧａＡｓ基板が下に付いているので最後にこれをとり除
く必要がある。If the structure is as shown in Figure 1 or Figure 4, the laser beam will be emitted from both the top and bottom surfaces of the substrate, so by adjusting the reflectance of each, the laser beam can be emitted from either side. can be used. Further, when a GaAs substrate is used as shown in FIGS. 1 and 4, the GaAs substrate is usually attached to the bottom and must be removed at the end.
実施１ 第７図は第５の実施例の断面図である。Implementation 1 FIG. 7 is a sectional view of the fifth embodiment.
本実施例では、ＧａＡｓ基板側に穴をあけて誘電体膜を
成膜しである。In this example, a dielectric film is formed by making a hole on the GaAs substrate side.
以上、いくつかの実施例を用いて本発明を説明したが、
これら実施例に限定されるものでなく種々変形可能であ
る。すなわち、基板に穴の加工を行ってその上にエピタ
キシャル成長し、穴の内部に活性層を形成する際の穴は
、第８図に示すように、円柱（第８図（ａ））、円すい
台（同図（ｂ） ） 、円すい（同図（Ｃ））のように
、深さ方向にその断面の大きさおよび形状が変化してい
ても良い。あるいは、四角柱（同図（ｄ））、六角柱（
同図（ｅ））、八角柱（同図（ｆ））のような多角形で
あってもよい。また、近視野像および遠視野像の制御の
ために、断面形状が非対称のものでも、レーザ発振すれ
ば利用可能である。The present invention has been described above using several examples, but
The invention is not limited to these embodiments and can be modified in various ways. That is, when a hole is formed in a substrate and an active layer is formed inside the hole by epitaxial growth on the hole, the hole is formed into a cylinder (FIG. 8(a)) or a conical pedestal, as shown in FIG. The size and shape of the cross section may change in the depth direction, as in the case of a cone (FIG. 2(B)) or a cone (FIG. 1(C)). Alternatively, a square prism (Figure (d)), a hexagonal prism (
It may be a polygon such as (e) in the same figure or an octagonal prism ((f) in the same figure). Further, in order to control the near-field pattern and the far-field pattern, even a structure with an asymmetric cross-sectional shape can be used by laser oscillation.
火胤画玉
第９図は、本発明において、基板への加工を柱を残して
まわりを取り除くような形で行った場合の実施例であり
、第１１図のＣＴＪ形面光面発光レーザているが、活性
層はダブルへテロ構造を成すように気相成長で成膜した
点が異なっている。膜構成は、はとんど第１図の本発明
の実施例と同じである。このように、基板上に柱状のコ
アを形成した後に活性層を成■ｑシても本発明を実施で
きる。Figure 9 shows an example of the present invention in which the substrate is processed in such a way that the pillars are left and the surroundings are removed. However, the difference is that the active layer is formed by vapor phase growth to form a double heterostructure. The membrane configuration is essentially the same as the embodiment of the invention shown in FIG. In this way, the present invention can be practiced even if the active layer is formed after forming the columnar core on the substrate.
なお、本発明の面発光型半導体レーザの材料は、ＧａＡ
Ｉへｓ／ＧａＡｓ系化合物ばかりでなく、Ｇａ１ｎＡ
ｓＰ／ｌｎＰ″ｉｆ−化合物その他に有効である。The material of the surface emitting semiconductor laser of the present invention is GaA.
Not only s/GaAs compounds but also Ga1nA
It is effective for sP/lnP''if-compounds and others.
以上説明したように、活性領域を筒状にして基板に押込
んでその回りを屈折率の低いクラッド層、内部をコア領
域とすることにより、キャリアの１１１結合の効率か良
くなり、また、光をコア部に集光できるようになった。As explained above, by making the active region cylindrical and pushing it into the substrate, surrounding it with a cladding layer with a low refractive index, and using the inside as a core region, the efficiency of 111 bonding of carriers is improved, and light is Light can now be focused on the core.
その結果、内部量子効率が増加し、熱的特性が改善され
、臨界光出力を増加することが可能となった。As a result, the internal quantum efficiency has increased, the thermal properties have been improved, and it has become possible to increase the critical light output.
第１図は、本発明を実施した面発光型半導体レーザ装置
の一例の断面図、
第２図（ａ） 、 （ｂ）は、第１図の八−＾の直径方
向の屈折率２乗分布図、
第３図（ａ）〜（ｈ）は、第１図のレーザの作製プロセ
ス、
第４図は、本発明を実施した面発光型半導体レーザ装置
の他の例の断面図、
第５図は、本発明を実施した分布反射型面発光半導体レ
ーザの断面図、
第６図は、本発明を実施した円柱状活性領域をもつ面発
光型半導体レーザ装置の断面図、第７図は、第１図の構
造で、ＧａＡｓ基板に穴を開けて残した場合の半導体レ
ーザ装置の断面図、第８図（ａ）〜（ｆ）は、基板に加
工を施すときの穴の形状の例を示す斜視図、
第９図は、本発明を実施した柱状共振領域を基板状にも
つ面発光型半導体レーザ装置の断面図、第１Ｏ図は、従
来の面発光型番導体レーザ装置の断面図、
第１１図はＣＴＪ形面光面発光型半導体レーザ装置面図
である。
１０・・・・・・基板に加工した穴、
１１・・・・・・ｐ側電極、
１２・・・・・・キャップ層、
１３・・・・・・電流狭窄層、
１４・・・・・・コア層、
１５・・・・・・活性層、
１６・・・・・・クラッド層、
１７・・・・・・基板、
１８・・・・・・ｎ側電極、
１９．２０・・誘電体反射膜、
２１・・・・・・電流注入窓、
２２・・・・・・ＧａＡｓ基板
２３・・−−−−５ｔド一プ層八１０． ｏｓｃａｏ、
ｅｓＡｓ、２４＊＋＋＋＋＋ｐ−−ＡＩｏ、０１ｉｃ
ａＯ，（ｌｓ＾５１２５＝ｐ−−Ａ１０ｏｓａａｏ、
ｅｓＡｓ、２６＝ｎ−−＾１ｏ、ｏｓｃａｏ、！Ｉｓ八
Ｓ ｓ２７・−・−ｎ”−八ｌ。、 ＩＧａｏ９Ａｓ／
ＡｌＡｓ多層膜。
特許出願人 キャノン株式会゛社
代 理 人 弁理士 若 林 忠
第１図
ｒ刈ｍｌ
中Ｉし力゛５０臣離
第２図（ａ）
菌２図（ｂ）
第６（２）
第７図
（ａ） （ｂ） （ｃ）（ｄ
’） （ｅ ）（ｆ ）第１１図FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of a surface-emitting semiconductor laser device embodying the present invention, and FIGS. 2(a) and (b) show the squared refractive index distribution in the diametrical direction of 8-^ in FIG. 3(a) to 3(h) show the manufacturing process of the laser shown in FIG. 1, FIG. 4 is a sectional view of another example of a surface-emitting semiconductor laser device embodying the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view of a surface-emitting semiconductor laser device with a cylindrical active region, and FIG. A cross-sectional view of a semiconductor laser device with the structure shown in Figure 1 when a hole is left in the GaAs substrate, and Figures 8 (a) to (f) show examples of the shape of the hole when processing the substrate. 9 is a cross-sectional view of a surface-emitting semiconductor laser device having a columnar resonant region on a substrate according to the present invention; FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional surface-emitting type conductor laser device; The figure is a plan view of a CTJ type surface emitting type semiconductor laser device. 10... Hole machined in the substrate, 11... P-side electrode, 12... Cap layer, 13... Current confinement layer, 14... ... core layer, 15 ... active layer, 16 ... cladding layer, 17 ... substrate, 18 ... n-side electrode, 19.20 ... Dielectric reflective film, 21...Current injection window, 22...GaAs substrate 23...5t doped layer 810. oscao,
esAs, 24*++++++p--AIo, 01ic
aO, (ls^5125=p--A10osaao,
esAs,26=n--^1o,oscao,! Is8S s27・-・-n”-8l., IGao9As/
AlAs multilayer film. Patent Applicant Canon Co., Ltd. Representative Patent Attorney Tadashi Wakabayashi Figure 1 Figure 2 (a) Figure 2 (b) Figure 6 (2) Figure 7 (a) (b) (c) (d
') (e) (f) Figure 11
Claims (1)
、生じた光を共振増幅し、結晶成長方向にレーザ光を出
射する面発光型半導体レーザ装置において、 前記活性層の結晶成長方向に沿う縦断面形状は、一旦第
１の方向に曲折した後、前記第１の方向とは反対の第２
の方向に曲折して構成される屈曲形態部分を有し、該活
性層はコア層とクラッド層とで挟まれており、該クラッ
ド層は前記第１の方向側に設けられ、前記コア層は前記
第２の方向側に設けられており、注入されたキャリアは
活性層の前記第１の方向に屈曲した部分および第２の方
向に屈曲した部分において再結合し、この結果発生した
光は、活性層の前記第１の方向に屈曲した部分および前
記第２の方向に屈曲した部分間に存在する前記コア層の
位置において第１および第２の方向に沿って共振増幅さ
れ、前記第１または第２の方向にレーザ光が出射される
ことを特徴とする面発光型半導体レーザ装置。 ２、前記コア層の屈折率は活性層の屈折率よりも小さい
請求項１記載の面発光型半導体レーザ装置。 ３、前記コア層側から注入されたキャリアを、前記活性
層の前記第１の方向に屈曲した部分および前記第２の方
向に屈曲した部分間に存在するコア層部分に狭窄するた
めの電流狭窄層を有する請求項１または２記載の面発光
型半導体レーザ装置。 ４、前記屈曲形態の活性層を含み前記光共振領域の少な
くとも一部を構成する活性領域が、柱状形状を有してい
る請求項１から３までのいずれかに記載の面発光型半導
体レーザ装置。 ５、前記屈曲形態の活性層を含み前記光共振領域の少な
くとも一部を構成する活性領域が、筒状形状を有してい
る請求項１から３までのいずれかに記載の面発光型半導
体レーザ装置。[Claims] 1. In a surface-emitting semiconductor laser device that recombines carriers injected into an active layer, resonantly amplifies the generated light, and emits laser light in the crystal growth direction, the active layer comprises: The vertical cross-sectional shape along the crystal growth direction is once bent in the first direction, and then curved in the second direction opposite to the first direction.
The active layer is sandwiched between a core layer and a cladding layer, the cladding layer is provided on the first direction side, and the core layer is bent in the first direction. The injected carriers are recombined in the portion of the active layer bent in the first direction and the portion bent in the second direction, and the light generated as a result is Resonance is amplified along the first and second directions at a position of the core layer existing between the portion of the active layer bent in the first direction and the portion bent in the second direction, and the first or second direction is amplified by resonance. A surface emitting semiconductor laser device characterized in that a laser beam is emitted in a second direction. 2. The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, wherein the refractive index of the core layer is smaller than the refractive index of the active layer. 3. Current confinement for confining carriers injected from the core layer side into a core layer portion existing between a portion of the active layer bent in the first direction and a portion bent in the second direction. 3. The surface-emitting semiconductor laser device according to claim 1, further comprising a layer. 4. The surface-emitting semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein the active region including the bent active layer and forming at least a part of the optical resonance region has a columnar shape. . 5. The surface-emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the active region including the bent active layer and forming at least a part of the optical resonance region has a cylindrical shape. Device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13842088A JPH01308091A (en) | 1988-06-07 | 1988-06-07 | Surface emission type semiconductor laser device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13842088A JPH01308091A (en) | 1988-06-07 | 1988-06-07 | Surface emission type semiconductor laser device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01308091A true JPH01308091A (en) | 1989-12-12 |
Family
ID=15221547
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13842088A Pending JPH01308091A (en) | 1988-06-07 | 1988-06-07 | Surface emission type semiconductor laser device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01308091A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06350191A (en) * | 1993-06-08 | 1994-12-22 | Nec Corp | Surface light emitting element |
| JPH0722699A (en) * | 1993-07-05 | 1995-01-24 | Nec Corp | Solid resonator type surface emitting laser |
-
1988
- 1988-06-07 JP JP13842088A patent/JPH01308091A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06350191A (en) * | 1993-06-08 | 1994-12-22 | Nec Corp | Surface light emitting element |
| JPH0722699A (en) * | 1993-07-05 | 1995-01-24 | Nec Corp | Solid resonator type surface emitting laser |
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