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JP2018125404A - Surface emitting laser element - Google Patents

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JP2018125404A
JP2018125404A JP2017016264A JP2017016264A JP2018125404A JP 2018125404 A JP2018125404 A JP 2018125404A JP 2017016264 A JP2017016264 A JP 2017016264A JP 2017016264 A JP2017016264 A JP 2017016264A JP 2018125404 A JP2018125404 A JP 2018125404A
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JP
Japan
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compound semiconductor
layer
nitride compound
emitting laser
semiconductor layer
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JP2017016264A
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Japanese (ja)
Inventor
上西 盛聖
Morimasa Kaminishi
盛聖 上西
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase light emission efficiency in a surface emitting laser element in which a nitride semiconductor is used for an active layer.SOLUTION: A surface emitting laser element in which a nitride semiconductor is used for an active layer has: a laminate including a lower Bragg reflector, the active layer and an upper Bragg reflector; and a tunnel junction structure provided between the active layer and the upper Bragg reflector. The tunnel junction structure includes a first nitride compound semiconductor layer doped with a p-type dopant at 5×10atoms/cmor more, a non-doped second nitride compound semiconductor layer, and a third nitride compound semiconductor layer doped with an n-type dopant at 5×10atoms/cmor more and having a band gap larger than that of the first nitride compound semiconductor layer, which are laminated from a side closer to the active layer in turn. Further, the surface emitting laser element has a current constriction structure between the active layer and the tunnel junction structure.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、面発光レーザ素子に関する。   The present invention relates to a surface emitting laser element.

面発光レーザ素子(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting LASER)は、光を発生する活性層を含んだ半導体層の上下に反射鏡を配置することで共振器構造を形成し、レーザ発振した所定の波長の光を基板に対して垂直方向に取り出すレーザ素子である。   A surface emitting laser element (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER) forms a resonator structure by arranging reflectors above and below a semiconductor layer including an active layer that generates light, and has a predetermined wavelength of laser oscillation. It is a laser element that extracts light in a direction perpendicular to the substrate.

近年半導体発光素子として、窒化物半導体発光素子が広く用いられるようになってきており、窒化物半導体を用いた面発光レーザ素子の開発も進んできている。窒化ガリウム(GaN)単結晶基板やサファイア基板上にMOCVD法を用いてp型のGaNを成長する際には、主にMgをアクセプタとしてドープすることが一般的である。   In recent years, nitride semiconductor light emitting devices have been widely used as semiconductor light emitting devices, and surface emitting laser devices using nitride semiconductors have been developed. When growing p-type GaN on a gallium nitride (GaN) single crystal substrate or sapphire substrate using MOCVD, it is common to dope mainly with Mg as an acceptor.

このとき、原料ガスとしては、アンモニア等の水素を含むものを用いることが多い。水素を含む原料ガスは成長の際に分解され、その際に生じた水素がMgを不活性化し、結果としてp型GaNの高抵抗化の要因になる。又、熱アニールにより水素を除去してMgを活性化させても、p型GaNの抵抗率はGaAs等のp型の化合物半導体に比べてきわめて高い。   At this time, as the source gas, a gas containing hydrogen such as ammonia is often used. The source gas containing hydrogen is decomposed during the growth, and the hydrogen generated at that time inactivates Mg, resulting in high resistance of p-type GaN. Also, even if hydrogen is removed by thermal annealing to activate Mg, the resistivity of p-type GaN is extremely higher than that of a p-type compound semiconductor such as GaAs.

面発光レーザ素子は一般に電流注入領域を何らかの方法で狭窄させた電流狭窄構造を有することで効率の向上を図っている。GaAs系の面発光レーザ素子においては、AlGaAs系の化合物半導体からなるDBR(ブラッグ反射鏡)構造を用いた共振器構造が用いられており、DBRに適切なドーピングを行い電流経路として利用することで素子全体としての抵抗が高くなる影響を最低限に抑えることに成功している。   A surface emitting laser element generally has a current confinement structure in which a current injection region is constricted by some method to improve efficiency. In a GaAs surface emitting laser element, a resonator structure using a DBR (Bragg reflector) structure made of an AlGaAs compound semiconductor is used. By appropriately doping the DBR and using it as a current path, It has succeeded in minimizing the effect of increasing the resistance of the entire device.

しかしながら、窒化物半導体を活性層に用いた面発光レーザ素子においては、現状、適切な抵抗の通電型DBRを実現できていない。又、GaAs系の面発光レーザ素子で有効な電流狭窄構造であるp側での酸化狭窄構造も実現できていない。   However, in a surface emitting laser element using a nitride semiconductor as an active layer, a current-carrying DBR having an appropriate resistance cannot be realized at present. Also, an oxide confinement structure on the p side, which is a current confinement structure effective in a GaAs surface emitting laser element, has not been realized.

窒化物半導体を用いた面発光レーザ素子においては、例えば、下部DBRにAlInN/GaNからなる半導体DBRを用いるが、この半導体DBRは通電させるようにはなっていない。又、n側の電極は、半導体DBRと活性層との間に設けられたn−GaNキャビティ層を用いて横方向からの取り出しになっている。   In a surface emitting laser element using a nitride semiconductor, for example, a semiconductor DBR made of AlInN / GaN is used for the lower DBR, but this semiconductor DBR is not energized. The n-side electrode is taken out from the lateral direction using an n-GaN cavity layer provided between the semiconductor DBR and the active layer.

又、電流狭窄は活性層と上部DBRの間にあるp−GaNキャビティの一部を誘電体で通電部分以外をパッシベーションし、通電部分を介してITO膜と接合している。上部DBRはITO膜上に形成されている。   In the current confinement, a part of the p-GaN cavity between the active layer and the upper DBR is passivated with a dielectric other than the energized part and joined to the ITO film via the energized part. The upper DBR is formed on the ITO film.

又、上部DBRは誘電体DBRとなっており、これも通電は担わない構造になっている。p側の電流注入はITO膜を通じて横方向からの電流注入構造を用いている。このようにp側の電流注入構造は通電型DBRが実現されないため横方向からの電流注入構造となり、かつp−GaNが高抵抗であることからITO膜を用いて電流経路とする方法が現在主流である(例えば、非特許文献1参照)。   The upper DBR is a dielectric DBR, which also has a structure that does not carry electricity. Current injection on the p side uses a current injection structure from the lateral direction through the ITO film. As described above, the current injection structure on the p side has a current injection structure from the lateral direction because a current-carrying DBR is not realized, and since p-GaN has a high resistance, a method of using an ITO film as a current path is currently mainstream. (For example, see Non-Patent Document 1).

しかしながら、ITO膜は窒化物半導体レーザで用いられる近紫外光から青色にかけての光をわずかではあるが吸収する。これはレーザデバイスとして無視できない吸収であり、窒化物面発光レーザ素子において発光効率を低下させる要因となっていた。   However, the ITO film absorbs a small amount of light from near ultraviolet light to blue light used in nitride semiconductor lasers. This is absorption that cannot be ignored as a laser device, and has been a factor of lowering light emission efficiency in the nitride surface emitting laser element.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、窒化物半導体を活性層に用いた面発光レーザ素子において、発光効率を向上させることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to improve the light emission efficiency in a surface emitting laser element using a nitride semiconductor as an active layer.

本面発光レーザ素子は、窒化物半導体を活性層に用いた面発光レーザ素子であって、下部ブラッグ反射鏡、活性層、及び上部ブラッグ反射鏡を含む積層体を有し、前記活性層と前記上部ブラッグ反射鏡との間にトンネル接合構造が設けられ、前記トンネル接合構造は、前記活性層に近い側から順に積層された、p型からなる5×1019atom/cm以上のドーピングがなされた第1窒化物化合物半導体層と、アンドープの第2窒化物化合物半導体層と、n型からなる5×1019atom/cm以上のドーピングがなされ、前記第1窒化物化合物半導体層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する第3窒化物化合物半導体層と、を備え、前記活性層と前記トンネル接合構造の間に電流狭窄構造を有することを要件とする。 The surface-emitting laser element is a surface-emitting laser element using a nitride semiconductor as an active layer, and includes a laminated body including a lower Bragg reflector, an active layer, and an upper Bragg reflector, the active layer and the A tunnel junction structure is provided between the upper Bragg reflector and the tunnel junction structure is doped with p-type doping of 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more, which are sequentially stacked from the side close to the active layer. The first nitride compound semiconductor layer, the undoped second nitride compound semiconductor layer, and n-type doping of 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more are made, and the band gap of the first nitride compound semiconductor layer A third nitride compound semiconductor layer having a larger band gap, and having a current confinement structure between the active layer and the tunnel junction structure .

開示の技術によれば、窒化物半導体を活性層に用いた面発光レーザ素子において、発光効率を向上させることができる。   According to the disclosed technique, the emission efficiency can be improved in a surface emitting laser element using a nitride semiconductor as an active layer.

本実施の形態に係るトンネル接合構造について説明する図である。It is a figure explaining the tunnel junction structure concerning this Embodiment. 第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the surface emitting laser element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を例示する図(その1)である。FIG. 6 is a diagram (part 1) illustrating a manufacturing process of the surface emitting laser element according to the first embodiment; 第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を例示する図(その2)である。FIG. 6 is a diagram (part 2) illustrating a manufacturing process of the surface emitting laser element according to the first embodiment; 第1の実施の形態の変形例1に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the surface emitting laser element which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の変形例2に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the surface emitting laser element which concerns on the modification 2 of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の変形例2に係る面発光レーザ素子の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the surface emitting laser element which concerns on the modification 2 of 1st Embodiment.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.

(トンネル接合構造)
図1は、本実施の形態に係るトンネル接合構造について説明する図である。通常のトンネル構造は、高ドープのp層と高ドープのn層とが接していることにより空乏層が薄くなり、その薄くなった空乏層を通してトンネル電流が流れるという特性を示す。
(Tunnel junction structure)
FIG. 1 is a diagram for explaining a tunnel junction structure according to the present embodiment. The normal tunnel structure has a characteristic that the depletion layer becomes thin due to the contact between the highly doped p layer and the highly doped n layer, and a tunnel current flows through the thinned depletion layer.

これに対して、図1(a)に示すように、本実施の形態に係るトンネル接合構造120は、高ドープのp型窒化物化合物半導体層108(第1窒化物化合物半導体層)と、薄いアンドープ層109(第2窒化物化合物半導体層)と、高ドープのn型窒化物化合物半導体層110(第3窒化物化合物半導体層)との積層構造からなる。すなわち、本実施の形態に係るトンネル接合構造120では、p型窒化物化合物半導体層108とn型窒化物化合物半導体層110との間にアンドープ層109が設けられている。   On the other hand, as shown in FIG. 1A, the tunnel junction structure 120 according to the present embodiment is thinner than the highly doped p-type nitride compound semiconductor layer 108 (first nitride compound semiconductor layer). It has a stacked structure of an undoped layer 109 (second nitride compound semiconductor layer) and a highly doped n-type nitride compound semiconductor layer 110 (third nitride compound semiconductor layer). That is, in tunnel junction structure 120 according to the present embodiment, undoped layer 109 is provided between p-type nitride compound semiconductor layer 108 and n-type nitride compound semiconductor layer 110.

p型窒化物化合物半導体層108としては、例えば、p−GaNを用いることができる。アンドープ層109としては、例えば、GaNを用いることができる。n型窒化物化合物半導体層110としては、例えば、n−AlGaNを用いることができる。   As the p-type nitride compound semiconductor layer 108, for example, p-GaN can be used. As the undoped layer 109, for example, GaN can be used. As the n-type nitride compound semiconductor layer 110, for example, n-AlGaN can be used.

図1(b)は、トンネル接合構造のバンド図を簡易的に示したものである。トンネル接合構造120において、上記の材料を用いた場合、GaN系材料の極性面であるc面上で、n型窒化物化合物半導体層110を構成するn−AlGaNと、n−AlGaNよりバンドギャップの小さいGaNのアンドープ層109を隣接させると、その界面においてピエゾ分極によるバンドの曲がりが大きく生じ、図1(b)に示すように2次元電子ガスGが生じる。   FIG. 1B simply shows a band diagram of the tunnel junction structure. In the tunnel junction structure 120, when the above materials are used, n-AlGaN constituting the n-type nitride compound semiconductor layer 110 on the c-plane which is a polar surface of the GaN-based material, and a band gap of n-AlGaN. When the small undoped layer 109 of GaN is adjacent, a band bending due to piezoelectric polarization occurs at the interface, and a two-dimensional electron gas G is generated as shown in FIG.

2次元電子ガスGは、アンドープ層109中ではほぼ抵抗無しに移動できるため、横方向に極めて低抵抗に電流が流れ得る。ここで、アンドープ層109を比較的薄く(例えば、10〜20nm程度)し、アンドープ層109の下側に高ドープのp型窒化物化合物半導体層108を設けると、通常のトンネル接合よりも空乏層が広くなる。そのため、アンドープ層109を設けない構造よりトンネル電流に対する抵抗は上昇するが、トンネル接合中に2次元電子ガスGを有する構造を得ることができる。   Since the two-dimensional electron gas G can move in the undoped layer 109 with almost no resistance, a current can flow with a very low resistance in the lateral direction. Here, when the undoped layer 109 is relatively thin (for example, about 10 to 20 nm) and the highly doped p-type nitride compound semiconductor layer 108 is provided below the undoped layer 109, the depletion layer is more than a normal tunnel junction. Becomes wider. Therefore, although the resistance against the tunnel current is higher than the structure without the undoped layer 109, a structure having the two-dimensional electron gas G in the tunnel junction can be obtained.

ここで、高ドープとは、p型窒化物化合物半導体層又はn型窒化物化合物半導体層に5×1019atom/cm以上のドーピングがなされたことを意味する。p型窒化物化合物半導体層又はn型窒化物化合物半導体層に5×1019atom/cm以上のドーピングが必要な理由は、トンネル接合を形成し、トンネル電流を流すために、空乏層を十分に薄くしなければならないためである。5×1019atom/cm未満のドーピングでは空乏層が広くなるため、十分なトンネル電流が流れなくなる。 Here, the high doping means that the p-type nitride compound semiconductor layer or the n-type nitride compound semiconductor layer is doped with 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more. The reason why the p-type nitride compound semiconductor layer or the n-type nitride compound semiconductor layer requires doping of 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more is that a depletion layer is sufficient to form a tunnel junction and flow a tunnel current. This is because it must be made thinner. When the doping is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , the depletion layer becomes wide, so that a sufficient tunnel current does not flow.

トンネル接合構造120では、トンネル電流によりc面に垂直に電流を流しうると同時に、水平方向に半導体層を用いながら低抵抗に電流が流れるため、トータルで素子の抵抗を低減できる。又、トンネル接合構造120を面発光レーザ素子に適用することにより、ITO等の吸収のある材料を用いない、窒化物半導体を活性層に用いた面発光レーザ素子を実現できる。   In the tunnel junction structure 120, a current can flow perpendicularly to the c-plane by a tunnel current, and at the same time, a current flows with low resistance while using a semiconductor layer in the horizontal direction, so that the resistance of the element can be reduced in total. Further, by applying the tunnel junction structure 120 to a surface emitting laser element, a surface emitting laser element using a nitride semiconductor as an active layer without using an absorbing material such as ITO can be realized.

すなわち、窒化物半導体を活性層に用いた面発光レーザ素子における横方向の電流注入の低抵抗化を図ることができると共に、ITO等による吸収の低減を図ることが可能になり、面発光レーザ素子のよりいっそうの発光効率の向上が可能となる。   That is, it is possible to reduce the resistance of lateral current injection in a surface emitting laser element using a nitride semiconductor as an active layer, and to reduce absorption by ITO or the like. It is possible to further improve the luminous efficiency.

以下、トンネル接合構造120を備えた面発光レーザ素子の具体的な実施の形態について説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the surface emitting laser element including the tunnel junction structure 120 will be described.

〈第1の実施の形態〉
(面発光レーザ素子の概要)
図2は、第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。図2に示すように、面発光レーザ素子10は、柱状構造のメサ150を有している。面発光レーザ素子10の上部から視たメサ150の形状は、円形であってもよく、楕円形、正方形、長方形等であってもよい。面発光レーザ素子10では、基板101と反対側(図1の矢印L方向)にレーザ光が出射される。面発光レーザ素子10の発振波長λは、例えば、近紫外光から青色の波長帯域とすることができる。
<First Embodiment>
(Outline of surface emitting laser element)
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the surface emitting laser element according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the surface emitting laser element 10 has a mesa 150 having a columnar structure. The shape of the mesa 150 viewed from the top of the surface emitting laser element 10 may be a circle, an ellipse, a square, a rectangle, or the like. In the surface emitting laser element 10, laser light is emitted on the side opposite to the substrate 101 (in the direction of arrow L in FIG. 1). The oscillation wavelength λ of the surface emitting laser element 10 can be, for example, a wavelength band from near ultraviolet light to blue.

面発光レーザ素子10において、基板101上には、下部ブラッグ反射鏡である半導体ブラッグ反射鏡102(以下、半導体DBR102とする)が形成されている。なお、DBRとは、Distributed Bragg Reflectorの略である。   In the surface emitting laser element 10, a semiconductor Bragg reflector 102 (hereinafter referred to as a semiconductor DBR 102) that is a lower Bragg reflector is formed on a substrate 101. DBR is an abbreviation for Distributed Bragg Reflector.

基板101としては、例えば、GaN基板を用いることができる。半導体DBR102は、例えば、AlInN/GaNからなる構造を有しており、後述の活性層105の発振波長に合わせた膜厚に設計されている。   As the substrate 101, for example, a GaN substrate can be used. The semiconductor DBR 102 has a structure made of, for example, AlInN / GaN, and is designed to have a film thickness that matches the oscillation wavelength of an active layer 105 described later.

半導体DBR102上には、下部キャビティ103が形成されている。下部キャビティ103は、例えば、n−GaNから形成することができる。メサ150の周辺部に露出する下部キャビティ103の外縁部には、第1n側電極104が形成されている。   A lower cavity 103 is formed on the semiconductor DBR 102. The lower cavity 103 can be formed from, for example, n-GaN. A first n-side electrode 104 is formed on the outer edge of the lower cavity 103 exposed at the periphery of the mesa 150.

下部キャビティ103の上には、窒化物半導体を用いた活性層105が形成されている。活性層105としては、例えば、InGaN/GaNの多重量子井戸構造を用いることができる。InGaNは、青色レーザの活性層として好適であり、組成を調整することで波長をある程度調整可能である。   An active layer 105 using a nitride semiconductor is formed on the lower cavity 103. As the active layer 105, for example, an InGaN / GaN multiple quantum well structure can be used. InGaN is suitable as an active layer of a blue laser, and the wavelength can be adjusted to some extent by adjusting the composition.

活性層105の上には、上部キャビティ106が形成されている。上部キャビティ106は、例えば、p−GaNから形成することができる。上部キャビティ106の上側の周辺部分には、電流狭窄層113が形成されている。電流狭窄層113は高抵抗領域であり、電流狭窄層113の内側は、低抵抗領域となる。   An upper cavity 106 is formed on the active layer 105. The upper cavity 106 can be formed of, for example, p-GaN. A current confinement layer 113 is formed in the upper peripheral portion of the upper cavity 106. The current confinement layer 113 is a high resistance region, and the inside of the current confinement layer 113 is a low resistance region.

電流狭窄層113の上及び電流狭窄層113の内側に位置する上部キャビティ106の上には、キャリアブロック層107が形成されている。キャリアブロック層107としては、例えば、AlN/GaNの超格子構造等を用いることができる。キャリアブロック層107は、活性層105からのキャリアオーバーフローを抑制し活性層105での再結合確率を上げる機能を有している。   A carrier block layer 107 is formed on the current confinement layer 113 and on the upper cavity 106 located inside the current confinement layer 113. As the carrier block layer 107, for example, a superlattice structure of AlN / GaN or the like can be used. The carrier block layer 107 has a function of suppressing carrier overflow from the active layer 105 and increasing the recombination probability in the active layer 105.

キャリアブロック層107の上には、トンネル電流が流れ得るトンネル接合構造120が形成されている。トンネル接合構造120は、活性層105に近い側から順に積層された、p型窒化物化合物半導体層108と、アンドープ層109と、n型窒化物化合物半導体層110とを備えている。   A tunnel junction structure 120 through which a tunnel current can flow is formed on the carrier block layer 107. The tunnel junction structure 120 includes a p-type nitride compound semiconductor layer 108, an undoped layer 109, and an n-type nitride compound semiconductor layer 110, which are sequentially stacked from the side close to the active layer 105.

p型窒化物化合物半導体層108は、例えば、Mgを高濃度にドープしたp−GaNにより形成することができる。Mgのドーピング量は5×1019atom/cm以上とすることが好ましく、例えば1×1020atom/cmとすることができる。 The p-type nitride compound semiconductor layer 108 can be formed of, for example, p-GaN doped with Mg at a high concentration. The doping amount of Mg is preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more, for example, 1 × 10 20 atoms / cm 3 .

アンドープ層109は、例えば、GaNから形成することができる。アンドープ層109の厚さは、例えば、10nm程度とすることができる。なお、アンドープ層109を薄くし過ぎると2次元電子ガスの形成が難しくなる。そのため、アンドープ層109の厚さは、5nm以上とする必要があり、10nm以上とすることが好ましい。アンドープ層109の厚さが5nm以上必要であることは、簡易的なバンド計算から見積もることができる。   The undoped layer 109 can be formed from, for example, GaN. The thickness of the undoped layer 109 can be, for example, about 10 nm. If the undoped layer 109 is too thin, it is difficult to form a two-dimensional electron gas. Therefore, the thickness of the undoped layer 109 needs to be 5 nm or more, and preferably 10 nm or more. That the thickness of the undoped layer 109 is required to be 5 nm or more can be estimated from a simple band calculation.

但し、アンドープ層109を厚くし過ぎると空乏層が厚くなるため抵抗が高くなる。そのため、アンドープ層109の厚さは、不必要に厚くすることは望ましくない。抵抗は前後の層のドーピング濃度により異なるが、抵抗を不必要に高くしないためにはアンドープ層109の厚さを100nm以下とすることが好ましい。   However, if the undoped layer 109 is made too thick, the depletion layer becomes thick and the resistance becomes high. Therefore, it is not desirable to unnecessarily increase the thickness of the undoped layer 109. Although the resistance varies depending on the doping concentration of the front and rear layers, the thickness of the undoped layer 109 is preferably 100 nm or less in order not to increase the resistance unnecessarily.

n型窒化物化合物半導体層110は、p型窒化物化合物半導体層108のバンドギャップより大きなバンドギャップを有している。n型窒化物化合物半導体層110は、例えば、Siを高濃度にドープしたn−AlGaNにより形成することができる。Siのドーピング量は5×1019atom/cm以上とすることが好ましく、例えば1×1020atom/cmとすることができる。 The n-type nitride compound semiconductor layer 110 has a band gap larger than that of the p-type nitride compound semiconductor layer 108. The n-type nitride compound semiconductor layer 110 can be formed of, for example, n-AlGaN doped with Si at a high concentration. The doping amount of Si is preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more, for example, 1 × 10 20 atoms / cm 3 .

又、n型窒化物化合物半導体層110を構成するn−AlGaNにおけるAl組成は0.2程度とすることが好ましい。Al組成が高すぎるとn型窒化物化合物半導体層110が高抵抗になりやすく、GaNに対する歪が大きくなるため、格子整合で成長できる範囲に組成や膜厚を調整する必要がある。   Further, the Al composition in n-AlGaN constituting the n-type nitride compound semiconductor layer 110 is preferably about 0.2. If the Al composition is too high, the n-type nitride compound semiconductor layer 110 tends to have a high resistance and the strain on GaN increases, so it is necessary to adjust the composition and film thickness within a range that allows growth by lattice matching.

トンネル接合構造120において、アンドープ層109とn型窒化物化合物半導体層110との界面近傍には、例えば1×1020atom/cm程度のキャリア密度を有する2次元電子ガスが形成できる。 In the tunnel junction structure 120, a two-dimensional electron gas having a carrier density of about 1 × 10 20 atoms / cm 3 can be formed in the vicinity of the interface between the undoped layer 109 and the n-type nitride compound semiconductor layer 110, for example.

n型窒化物化合物半導体層110の上の外縁部には、第2n側電極111が形成されている。   A second n-side electrode 111 is formed on the outer edge of the n-type nitride compound semiconductor layer 110.

n型窒化物化合物半導体層110の上の第2n側電極111よりも中央側には、上部ブラッグ反射鏡である誘電体DBR112が形成されている。誘電体DBR112は、例えば、TiO/SiOの多層膜構造とすることができる。但し、誘電体DBR112を他も材料から形成しても構わない。 A dielectric DBR 112, which is an upper Bragg reflector, is formed on the center side of the second n-side electrode 111 on the n-type nitride compound semiconductor layer 110. The dielectric DBR 112 can have, for example, a TiO 2 / SiO 2 multilayer structure. However, the dielectric DBR 112 may be made of other materials.

(面発光レーザ素子の製造方法)
図3及び図4は、第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を例示する図である。まず、図3(a)に示す工程では、基板101(ウェハ)上に、半導体層の積層体を形成する。積層体は、例えば、MOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)を用いて基板101上に成長させることができる。
(Method for manufacturing surface-emitting laser element)
3 and 4 are diagrams illustrating a manufacturing process of the surface emitting laser element according to the first embodiment. First, in the step shown in FIG. 3A, a stacked body of semiconductor layers is formed on a substrate 101 (wafer). The laminated body can be grown on the substrate 101 using, for example, MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy).

具体的には、例えば、GaNからなる基板101(ウェハ)上に半導体DBR102を成長する。半導体DBR102は、例えば、AlInN/GaNから形成することができる。半導体DBR102の帯域は、活性層105の発振波長に合わせて設計した膜厚で成長させる。   Specifically, for example, the semiconductor DBR 102 is grown on a substrate 101 (wafer) made of GaN. The semiconductor DBR 102 can be formed from, for example, AlInN / GaN. The band of the semiconductor DBR 102 is grown with a thickness designed in accordance with the oscillation wavelength of the active layer 105.

更に、半導体DBR102の上に、例えばn−GaNからなる下部キャビティ103を成長し、その後、下部キャビティ103の上に、例えばInGaN/GaNの多重量子井戸構造の活性層105を成長する。更に、活性層105の上に、例えばp−GaNからなる上部キャビティ106を成長する。   Further, a lower cavity 103 made of, for example, n-GaN is grown on the semiconductor DBR 102, and then an active layer 105 having, for example, an InGaN / GaN multiple quantum well structure is grown on the lower cavity 103. Further, an upper cavity 106 made of, for example, p-GaN is grown on the active layer 105.

その後、いったん成長を中断し、上部キャビティ106の上側の周辺部分に、電流狭窄層113を選択的に形成する。電流狭窄層113は、例えば、上部キャビティ106にB原子を過剰に注入して高抵抗化することにより形成できる。但し、電流狭窄層113は、原子の注入には限定されず、他の方法で形成しても構わない。   Thereafter, the growth is temporarily stopped, and the current confinement layer 113 is selectively formed in the peripheral portion on the upper side of the upper cavity 106. The current confinement layer 113 can be formed, for example, by increasing the resistance by injecting B atoms excessively into the upper cavity 106. However, the current confinement layer 113 is not limited to atom implantation, and may be formed by other methods.

次に、図3(b)に示す工程では、電流狭窄層113の上及び電流狭窄層113の内側に位置する上部キャビティ106の上に、例えばAlN/GaNの超格子構造等のキャリアブロック層107を形成する。そして、キャリアブロック層107の上に、p型窒化物化合物半導体層108、アンドープ層109、及びn型窒化物化合物半導体層110が順次積層されたトンネル接合構造120を形成する。p型窒化物化合物半導体層108及びn型窒化物化合物半導体層110のドーピング量や、アンドープ層109の厚さは、前述の通りである。   Next, in the step shown in FIG. 3B, a carrier block layer 107 such as an AlN / GaN superlattice structure is formed on the current confinement layer 113 and on the upper cavity 106 located inside the current confinement layer 113. Form. Then, a tunnel junction structure 120 in which a p-type nitride compound semiconductor layer 108, an undoped layer 109, and an n-type nitride compound semiconductor layer 110 are sequentially stacked is formed on the carrier block layer 107. The doping amount of the p-type nitride compound semiconductor layer 108 and the n-type nitride compound semiconductor layer 110 and the thickness of the undoped layer 109 are as described above.

p型窒化物化合物半導体層108及びn型窒化物化合物半導体層110のドーピングは、例えば、MOCVD法ではp型の場合はCp2Mg、n型の場合はモノシランなどのドーパント原料を各層の成長中に必要な濃度で導入することでなされる。ドーパント原料、濃度に関しては必要に応じて変更することが可能である。   The doping of the p-type nitride compound semiconductor layer 108 and the n-type nitride compound semiconductor layer 110 requires, for example, a dopant source such as Cp2Mg for p-type and monosilane for n-type during growth of MOCVD. It is done by introducing at a proper concentration. The dopant raw material and concentration can be changed as necessary.

次に、図4(a)に示す工程では、メサ150を形成する。具体的には、まず、n型窒化物化合物半導体層110の上に、メサ150を形成するためのマスクパターンを形成する。マスクパターンは、例えば、n型窒化物化合物半導体層110の上面全体にCVD法等によりSiO膜、SiN膜等を成膜し、フォトレジスト等でパターニング後、不要部をエッチングにより除去することで形成できる。 Next, in the step shown in FIG. 4A, the mesa 150 is formed. Specifically, first, a mask pattern for forming the mesa 150 is formed on the n-type nitride compound semiconductor layer 110. For example, the mask pattern is formed by forming a SiO 2 film, a SiN film or the like on the entire upper surface of the n-type nitride compound semiconductor layer 110 by a CVD method or the like, patterning with a photoresist or the like, and then removing unnecessary portions by etching. Can be formed.

その後、マスクパターンをエッチングマスクとし、例えば、反応性イオンビームエッチング法、誘導結合プラズマエッチング法等のドライエッチング法によりメサ150を形成する。例えば、メサ150のエッチングを下部キャビティ103内で止める。この場合、メサ150の周囲に下部キャビティ103が露出する。メサ150のエッチング後、マスクパターンを除去する。   Thereafter, using the mask pattern as an etching mask, the mesa 150 is formed by a dry etching method such as a reactive ion beam etching method or an inductively coupled plasma etching method. For example, the etching of the mesa 150 is stopped in the lower cavity 103. In this case, the lower cavity 103 is exposed around the mesa 150. After the mesa 150 is etched, the mask pattern is removed.

次に、図4(b)に示す工程では、熱アニールを行ってp−GaNを活性化する。そして、メサ150の周辺部に露出する下部キャビティ103の外縁部に、第1n側電極104を形成する。又、n型窒化物化合物半導体層110の上の外縁部に、第2n側電極111を形成する。更に、n型窒化物化合物半導体層110の上の第2n側電極111よりも中央側に、例えばTiO/SiOを交互に積層し、多層膜構造の誘電体DBR112を形成する。以上の工程により、面発光レーザ素子10が完成する。 Next, in the step shown in FIG. 4B, thermal annealing is performed to activate p-GaN. Then, the first n-side electrode 104 is formed on the outer edge of the lower cavity 103 exposed at the periphery of the mesa 150. A second n-side electrode 111 is formed on the outer edge of the n-type nitride compound semiconductor layer 110. Further, for example, TiO 2 / SiO 2 is alternately laminated on the center side of the second n-side electrode 111 on the n-type nitride compound semiconductor layer 110 to form a dielectric DBR 112 having a multilayer structure. Through the above steps, the surface emitting laser element 10 is completed.

面発光レーザ素子10においては、活性層105へのキャリア注入は以下の通りに行われる。第1n側電極104から下部キャビティ103に電子が供給され、更に、下部キャビティ103を介して活性層105に電子が供給される。   In the surface emitting laser element 10, carrier injection into the active layer 105 is performed as follows. Electrons are supplied from the first n-side electrode 104 to the lower cavity 103, and further electrons are supplied to the active layer 105 via the lower cavity 103.

一方、第2n側電極111からn型窒化物化合物半導体層110に電子が供給され、更に、n型窒化物化合物半導体層110から2次元電子ガスを形成したアンドープ層109に電子が注入される。   On the other hand, electrons are supplied from the second n-side electrode 111 to the n-type nitride compound semiconductor layer 110, and further, electrons are injected from the n-type nitride compound semiconductor layer 110 into the undoped layer 109 in which a two-dimensional electron gas is formed.

アンドープ層109に注入された電子は横方向に移動し、電流狭窄層113のない部分でトンネル接合を介してp型窒化物化合物半導体層108側にキャリア注入される。形成されたキャリアはホールとなり、電流狭窄層113のない部分を通じて上部キャビティ106に注入され、更に活性層105に注入される。このようにして、活性層105でキャリアの発光を行うことができる。   The electrons injected into the undoped layer 109 move in the lateral direction, and carriers are injected into the p-type nitride compound semiconductor layer 108 side through a tunnel junction at a portion where the current confinement layer 113 is not present. The formed carriers become holes and are injected into the upper cavity 106 through a portion where the current confinement layer 113 is not provided, and further injected into the active layer 105. In this way, carriers can be emitted from the active layer 105.

このように、窒化物半導体を活性層105に用いた面発光レーザ素子10において、2次元電子ガスを形成できるトンネル接合構造120を用いることで、上部キャビティ106へのキャリア注入を低抵抗に行うことが可能となるため、発光効率を向上することができる。又、面発光レーザ素子10の構造では、ITO等の吸収の多い材料を用いる必要がないため、この点でも発光効率を向上することができる。   As described above, in the surface emitting laser element 10 using the nitride semiconductor as the active layer 105, the tunnel junction structure 120 capable of forming a two-dimensional electron gas is used, so that carriers are injected into the upper cavity 106 with low resistance. Therefore, the luminous efficiency can be improved. Further, in the structure of the surface emitting laser element 10, it is not necessary to use a material having high absorption such as ITO, so that the light emission efficiency can be improved also in this respect.

なお、本実施の形態において、発光効率とは、デバイスに注入されるエネルギーに対するレーザの出力の比率であり、発光効率が高いほど好ましい。   Note that in this embodiment mode, the light emission efficiency is the ratio of the laser output to the energy injected into the device, and the higher the light emission efficiency, the better.

〈第1の実施の形態の変形例1〉
第1の実施の形態の変形例1では、n型窒化物化合物半導体層の上にコンタクト層を設ける例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例1において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Variation 1 of the first embodiment>
Modification 1 of the first embodiment shows an example in which a contact layer is provided on an n-type nitride compound semiconductor layer. In the first modification of the first embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.

図5は、第1の実施の形態の変形例1に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。図5に示す面発光レーザ素子10Aは、n型窒化物化合物半導体層110の上にコンタクト層214が設けられ、コンタクト層214の上に第2n側電極111が設けられた点が面発光レーザ素子10(図2参照)と相違する。コンタクト層214は、例えば、p−GaNにより形成することができる。   FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a surface emitting laser element according to Modification 1 of the first embodiment. The surface emitting laser element 10A shown in FIG. 5 is the surface emitting laser element in that the contact layer 214 is provided on the n-type nitride compound semiconductor layer 110, and the second n-side electrode 111 is provided on the contact layer 214. 10 (see FIG. 2). The contact layer 214 can be formed by, for example, p-GaN.

n型窒化物化合物半導体層110をn−AlGaNで形成した場合、Al組成によっては、n型窒化物化合物半導体層110の上に第2n側電極111を形成することが難しい場合がある。そこで、n型窒化物化合物半導体層110の上に、例えばp−GaNをドーピング量1×1019atom/cm程度で形成し、その上に第2n側電極111を設けている。この場合、pn接合の順方向を通じてからトンネル接合構造120にキャリア注入することとなる。 When the n-type nitride compound semiconductor layer 110 is formed of n-AlGaN, it may be difficult to form the second n-side electrode 111 on the n-type nitride compound semiconductor layer 110 depending on the Al composition. Therefore, on the n-type nitride compound semiconductor layer 110, for example, p-GaN is formed with a doping amount of about 1 × 10 19 atoms / cm 3 , and the second n-side electrode 111 is provided thereon. In this case, carriers are injected into the tunnel junction structure 120 after passing through the forward direction of the pn junction.

このように、n型窒化物化合物半導体層110の上にコンタクト層214を設けることにより、n型窒化物化合物半導体層110の組成の自由度(例えば、Al組成の自由度)を向上することができる。   Thus, by providing the contact layer 214 on the n-type nitride compound semiconductor layer 110, the composition degree of freedom of the n-type nitride compound semiconductor layer 110 (for example, the degree of freedom of Al composition) can be improved. it can.

〈第1の実施の形態の変形例2〉
第1の実施の形態の変形例2では、下部DBRとして半導体DBRに代えて誘電体DBRを設ける例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例2において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Modification 2 of the first embodiment>
The second modification of the first embodiment shows an example in which a dielectric DBR is provided as the lower DBR instead of the semiconductor DBR. In the second modification of the first embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiment may be omitted.

図6は、第1の実施の形態の変形例2に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。図6に示す面発光レーザ素子10Bは、基板101が放熱用基板301に置換され、半導体DBR102が誘電体DBR302に置換された点が面発光レーザ素子10(図2参照)と相違する。   FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a surface emitting laser element according to Modification 2 of the first embodiment. The surface emitting laser element 10B shown in FIG. 6 differs from the surface emitting laser element 10 (see FIG. 2) in that the substrate 101 is replaced with a heat dissipation substrate 301 and the semiconductor DBR 102 is replaced with a dielectric DBR 302.

放熱用基板301としては、例えば、放熱特性に優れたSiC等の基板を用いることができる。放熱用基板はサファイアより熱伝導率が高く、放熱特性に優れた基板なら他の材料でも可能である。誘電体DBR302は、例えば、TiO/SiOの多層膜構造とすることができる。放熱用基板301は、誘電体DBR302の直下に配置されている。 As the heat dissipation substrate 301, for example, a substrate such as SiC having excellent heat dissipation characteristics can be used. The heat dissipation substrate has a higher thermal conductivity than sapphire, and other materials can be used as long as the substrate has excellent heat dissipation characteristics. The dielectric DBR 302 can have, for example, a TiO 2 / SiO 2 multilayer structure. The heat dissipation substrate 301 is disposed directly below the dielectric DBR 302.

面発光レーザ素子10Bを製造するには、まず、図7(a)に示すように、サファイア基板451の上に、例えばn−GaNからなる下部キャビティ103を成長し、その後、第1の実施の形態と同様にして各層を形成する。   In order to manufacture the surface emitting laser element 10B, first, as shown in FIG. 7A, a lower cavity 103 made of, for example, n-GaN is grown on a sapphire substrate 451, and then the first embodiment is performed. Each layer is formed in the same manner as the form.

次に、図7(b)に示すように、保持基板452を準備する。そして、保持基板452の上に、ワックス453を用いて図7(a)に示す構造体を上下反転させた状態で固定し、サファイア基板451を除去する。サファイア基板451の除去は、例えば、レーザリフトオフ等で行うことができる。   Next, as shown in FIG. 7B, a holding substrate 452 is prepared. Then, the structure shown in FIG. 7A is fixed on the holding substrate 452 using the wax 453 in an upside down state, and the sapphire substrate 451 is removed. The removal of the sapphire substrate 451 can be performed by, for example, laser lift-off.

その後、下部キャビティ103の表面を平坦化し、下部キャビティ103の上に誘電体DBR302を形成する。誘電体DBR302は、例えば、下部キャビティ103の上にTiO/SiOを交互に積層して形成できる。その後、誘電体DBR302に放熱用基板301を接着し、ワックス453を除去することにより、面発光レーザ素子10B(図6参照)が完成する。 Thereafter, the surface of the lower cavity 103 is planarized, and a dielectric DBR 302 is formed on the lower cavity 103. The dielectric DBR 302 can be formed by, for example, alternately stacking TiO 2 / SiO 2 on the lower cavity 103. Thereafter, the heat radiation substrate 301 is bonded to the dielectric DBR 302, and the wax 453 is removed, thereby completing the surface emitting laser element 10B (see FIG. 6).

面発光レーザ素子10Bでは、上下のDBRを何れも誘電体DBRとしているため、一方に半導体DBRを用いた場合よりも反射帯域を広くすることが可能となる。これにより、一方に半導体DBRを用いた場合よりも安定な特性の面発光レーザ素子10Bを作製できる。ここで言う特性とは、例えば、発振波長、出力、しきい電流等である。   In the surface emitting laser element 10B, since the upper and lower DBRs are both dielectric DBRs, the reflection band can be made wider than when a semiconductor DBR is used on one side. Thereby, the surface emitting laser element 10B having a more stable characteristic than the case where the semiconductor DBR is used for one side can be manufactured. The characteristics referred to here are, for example, an oscillation wavelength, an output, a threshold current, and the like.

又、面発光レーザ素子10Bでは、誘電体DBR302は放熱用基板301の上に直接形成されているそのため、誘電体DBR302から放熱用基板301に直接放熱することが可能となり、基板101を介して放熱する場合よりも放熱特性が向上し、面発光レーザ素子10Bの特性を向上することができる。ここで言う特性とは、例えば、出力やしきい電流等である。   In the surface emitting laser element 10B, the dielectric DBR 302 is directly formed on the heat dissipation substrate 301. Therefore, heat can be directly radiated from the dielectric DBR 302 to the heat dissipation substrate 301. Therefore, the heat radiation characteristics can be improved as compared with the case where the surface emitting laser element 10B is improved. The characteristics referred to here are, for example, output and threshold current.

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。   The preferred embodiments and the like have been described in detail above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope described in the claims. Variations and substitutions can be added.

10、10A、10B 面発光レーザ素子
101 基板
102 半導体ブラッグ反射鏡(半導体DBR)
103 下部キャビティ
104 第1n側電極
105 活性層
106 上部キャビティ
107 キャリアブロック層
108 p型窒化物化合物半導体層(第1窒化物化合物半導体層)
109 アンドープ層(第2窒化物化合物半導体層)
110 n型窒化物化合物半導体層(第3窒化物化合物半導体層)
111 第2n側電極
112 誘電体DBR
113 電流狭窄層
120 トンネル接合構造
150 メサ
214 コンタクト層
301 放熱用基板
302 誘電体DBR
10, 10A, 10B Surface emitting laser element 101 Substrate 102 Semiconductor Bragg reflector (semiconductor DBR)
103 lower cavity 104 first n-side electrode 105 active layer 106 upper cavity 107 carrier block layer 108 p-type nitride compound semiconductor layer (first nitride compound semiconductor layer)
109 Undoped layer (second nitride compound semiconductor layer)
110 n-type nitride compound semiconductor layer (third nitride compound semiconductor layer)
111 2nd n-side electrode 112 Dielectric DBR
113 Current confinement layer 120 Tunnel junction structure 150 Mesa 214 Contact layer 301 Heat dissipation substrate 302 Dielectric DBR

APPLIED PHYSICS LETTERS 101, 151113 (2012)APPLIED PHYSICS LETTERS 101, 151113 (2012)

Claims (5)

窒化物半導体を活性層に用いた面発光レーザ素子であって、
下部ブラッグ反射鏡、活性層、及び上部ブラッグ反射鏡を含む積層体を有し、
前記活性層と前記上部ブラッグ反射鏡との間にトンネル接合構造が設けられ、
前記トンネル接合構造は、前記活性層に近い側から順に積層された、
p型からなる5×1019atom/cm以上のドーピングがなされた第1窒化物化合物半導体層と、
アンドープの第2窒化物化合物半導体層と、
n型からなる5×1019atom/cm以上のドーピングがなされ、前記第1窒化物化合物半導体層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する第3窒化物化合物半導体層と、を備え、
前記活性層と前記トンネル接合構造の間に電流狭窄構造を有することを特徴とする面発光レーザ素子。
A surface-emitting laser element using a nitride semiconductor as an active layer,
Having a laminate comprising a lower Bragg reflector, an active layer, and an upper Bragg reflector;
A tunnel junction structure is provided between the active layer and the upper Bragg reflector;
The tunnel junction structure is laminated in order from the side close to the active layer,
a first nitride compound semiconductor layer made of p-type and doped with 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more;
An undoped second nitride compound semiconductor layer;
a third nitride compound semiconductor layer having a n-type doping of 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more and having a band gap larger than the band gap of the first nitride compound semiconductor layer,
A surface emitting laser element having a current confinement structure between the active layer and the tunnel junction structure.
前記第1窒化物化合物半導体層はGaNにより形成され、
前記第2窒化物化合物半導体層はGaNにより形成され、
前記第3窒化物化合物半導体層はAlGaNにより形成されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ素子。
The first nitride compound semiconductor layer is formed of GaN;
The second nitride compound semiconductor layer is formed of GaN;
2. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the third nitride compound semiconductor layer is made of AlGaN.
前記第2窒化物化合物半導体層は5nm以上の厚さを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の面発光レーザ素子。   The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the second nitride compound semiconductor layer has a thickness of 5 nm or more. 前記第3窒化物化合物半導体層に接してp−GaNからなるコンタクト層が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の面発光レーザ素子。   4. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein a contact layer made of p-GaN is provided in contact with the third nitride compound semiconductor layer. 5. 前記下部ブラッグ反射鏡及び前記上部ブラッグ反射鏡は誘電体から形成され、
前記下部ブラッグ反射鏡はサファイアより熱伝導率が高い基板の上に直接形成されている請求項1乃至4の何れか一項に記載の面発光レーザ素子。
The lower Bragg reflector and the upper Bragg reflector are formed of a dielectric,
The surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 4, wherein the lower Bragg reflector is directly formed on a substrate having a higher thermal conductivity than sapphire.
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