JP3944677B2 - Manufacturing method of surface emitting semiconductor laser - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に対して垂直にレーザ光を出射する面発光型半導体レーザの製造方法に関する。
【0002】
【背景技術】
面発光型半導体レーザは、半導体基板に対して垂直にレーザ光を出射する半導体レーザであり、半導体基板上に垂直方向に共振器が設けられている。この共振器は、レーザ光を発振させた後出射させるものであり、反射層、活性層、反射層が順に堆層されることにより構成される。
【0003】
面発光型半導体レーザは、アレイ化(同一半導体基板上に多数のレーザを配置すること)が容易、しきい値電流が小さい、発振波長が安定、端面レーザに比べてレーザ放射角が等方的で、かつ小さい等の優れた特徴を有する。よって、面発光型半導体レーザは、2次元集積化が可能な半導体レーザとして、光並列通信や光並列演算、レーザビームプリンタ等のへの応用が期待されている。
【0004】
一方、半導体レーザを用いて光学装置を構築する場合、偏光子やビームスプリッタなどの機器を使用することが多い。偏光子やビームスプリッタなどの機器は、反射率が偏光方向に依存する。このため、半導体レーザを光学装置に組み込んで使用する場合、レーザ光の偏光方向の制御が不十分であると、方向により光の強度が変化する等の問題が発生するため、レーザ光の偏光方向を制御することが重要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、面発光型半導体レーザは、共振器が等方的な構造を有することから、共振器から出射されるレーザ光の放射角が等方的であるため、レーザ光の偏光方向の制御が困難であった。このため、面発光型半導体レーザにおいて、レーザ光の偏光方向を制御しようとする試みがなされており、例えば、特開平8−116130号公報や、特開平6−224515号公報に面発光型半導体レーザの偏光方向の制御に関する技術が開示されている。
【0006】
本発明の目的は、レーザ光の偏光方向の制御が可能である面発光型半導体レーザの製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる面発光型半導体レーザは、
共振器が半導体基板上に垂直方向に形成され、該共振器より該半導体基板に垂直な方向へレーザ光を出射する面発光型半導体レーザであって、
前記半導体基板および前記共振器が、レーザ光の偏光方向を制御する機能を有する。
【0008】
この面発光型半導体レーザによれば、本来、面発光レーザにおいてレーザ光の発光に寄与している活性層のみでなく、半導体基板および共振器にレーザ光の偏光方向を制御する機能をもたせることにより、活性層におけるレーザ光の偏光方向の制御をより確実に行うことができる。
【0009】
(1)この場合、前記半導体基板および前記共振器が異方的な歪みを有し、該異方的な歪みにより前記レーザ光の偏光方向を制御することが望ましい。
【0010】
ここで、本発明にいう異方的な歪みとは、特定の一方向への歪みをいう。したがって、本発明の面発光型半導体レーザが、前記半導体基板および前記共振器が異方的な歪みを有し、かかる異方的な歪みが活性層にも加わり、異方的な歪みによるレーザ光の利得の異方性が発現する。すなわち、半導体基板や共振器における異方的な歪みにより前記レーザ光の偏光方向を制御する。この結果、特定の偏光方向のレーザ光を優先的に増幅させて発振させることができるため、レーザ光の偏光方向を特定方向に制御することができる。
【0011】
(2)さらに、この場合、前記半導体基板および前記共振器が湾曲を有し、前記異方的な歪みは、前記湾曲に起因したものであることが望ましい。
【0012】
ここで、本発明にいう湾曲とは、前記半導体基板および前記共振器がレーザ光出射方向に凸状または凹状となるような曲率を有し、かつ前記半導体基板および前記共振器がレーザ光出射方向に瓦状に曲がっていることをいう。したがって、本発明の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板および前記共振器が湾曲を有し、前記異方的な歪みは、前記湾曲に起因したものであることにより、異方的な歪みが活性層に確実に加わるため、レーザ光の偏光方向を特定方向に厳密に制御することができる。
【0013】
前記面発光型半導体レーザの好ましい態様としては、
共振器が半導体基板上に垂直方向に形成され、該共振器より該半導体基板に垂直な方向へレーザ光を出射する面発光型半導体レーザであって、
前記半導体基板および前記共振器は、湾曲を有し、
前記湾曲に起因して前記半導体基板および前記共振器中に生じた異方的な歪みにより、レーザ光の偏光方向を制御することができる面発光型半導体レーザがある。
【0014】
この面発光型半導体レーザによれば、前述した効果を奏することができる。
【0015】
本発明にかかる面発光型半導体レーザは、以下の工程(a)〜工程(c)を含む製造方法によって得ることができる。
【0016】
(a)半導体基板の裏面にストライプ状の凹凸部を形成する工程、
(b)前記半導体基板の表面に、少なくとも活性層を含む半導体堆積層を所定温度にて形成する工程、および
(c)前記半導体堆積層から、前記半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する共振器を形成する工程。
【0017】
本発明にいう半導体基板の裏面とは、第一義的には、半導体基板において、後の工程で共振器を形成する側の面と反対側の面をいう。また、本発明にいう半導体基板の表面とは、半導体基板において共振器を形成する側の面をいう。
【0018】
この製造方法によれば、半導体基板および共振器に湾曲をもたせることができることから、半導体基板および共振器に異方的な歪みが生じ、その状態で活性層を形成しているため、活性層にも異方的な歪みが加わり、その結果、レーザ光の光学利得に異方性が発現し、特定の偏光方向のレーザ光を優先的に増幅させて発振させることができるため、レーザ光の偏光方向を特定方向に厳密に制御することができる面発光型半導体レーザを得ることができる。
【0019】
ここで、工程(a)としては、以下に示す工程(1)または工程(2)であることが好ましい。
【0020】
(1)前記半導体基板の裏面をエッチングしてストライプ状の溝を設けることにより、前記凹凸部を形成する工程。
【0021】
前記工程(1)によると、半導体基板上に形成される前記凹凸部を構成する溝の幅または深さ、もしくは間隔を変えることによって、半導体基板および共振器に加える異方的な歪みの度合いを制御することができる。
【0022】
(2)前記半導体基板の裏面に、ストライプ状の凸部を設けることにより前記凹凸部を形成する工程。
【0023】
前記工程(2)によると、工程(1)による効果に加えて、半導体基板の裏面に、半導体基板と別の材料で凸部を形成することによりストライプ状の凹凸部を形成するため、凹凸部を構成する凸部の材質を適宜変えて凸部を形成することができる。これにより、凸部を形成するために用いる材料を変えることによっても、半導体基板および共振器に加える異方的な歪みを調節することができる。
【0024】
また、工程(2)において、前記凸部は、酸化膜または窒化膜からなることが望ましい。これらの材料は、後の半導体堆積層を形成する工程に耐え、凸部の形状を保持することができる。このため、前記凸部が酸化膜または窒化膜からなることにより、半導体基板および共振器に湾曲を付与することができ、レーザ光の偏光方向を制御する機能を有する面発光型半導体レーザを得ることができる。この場合、前記凸部は、二酸化珪素、二酸化チタン、窒化珪素のうち少なくとも1種を含む材料からなることがより望ましい。
【0025】
また、本発明にかかる面発光型半導体レーザは、以下の工程(d)および工程(e)を含む製造方法によって得ることができる。
【0026】
(d)半導体基板を湾曲させた状態で、前記半導体基板の表面に、少なくとも活性層を含む半導体堆積層を所定温度にて形成する工程、および
(e)前記半導体堆積層から、前記半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する共振器を形成する工程。
【0027】
この製造方法によれば、半導体基板および共振器を湾曲させることができることから、半導体基板および共振器に異方的な歪みが生じるため、活性層にも異方的な歪みが加わり、その結果、レーザ光の光学利得に異方性が発現し、特定の偏光方向のレーザ光を優先的に増幅させて発振させることができる。このため、レーザ光の偏光方向を特定方向に厳密に制御することができる面発光型半導体レーザを得ることができる。また、半導体基板に、特別な処理を施すことなく、半導体堆積層および半導体基板を湾曲させることができるため、製造工程の短縮化を図ることができる。これにより、製造コストを低減することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0029】
(第1の実施の形態)
(デバイスの構造)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ100(以下、「面発光レーザ」という)を、図2のA−A線に沿って切断した断面図である。図2は、図1に示される面発光レーザを、レーザ光の出射口に対向する側から見た平面の要部を模式的に示す図である。
【0030】
図1および図2に示す面発光レーザ100の構造について説明する。面発光レーザ100は、半導体基板101、半導体基板101上に形成されたn型GaAsからなるバッファ層102、垂直共振器(以下、「共振器」とする)120、および共振器120上に形成されたp型GaAsからなるコンタクト層109を含み構成される垂直共振器型面発光レーザである。
【0031】
共振器120は、バッファ層102上に形成され、n型AlAs層とn型Al0.15Ga0.85As層とを交互に積層した30.5ペアの分布反射型多層膜ミラー(以下、「下部ミラー」という)103、n型Al0.5Ga0.5Asからなるn型クラッド層104、GaAsウエル層とAl0.3Ga0.7Asバリア層からなり、ウエル層が3層で構成される多重井戸構造の活性層105、Al0.5Ga0.5Asからなるp型クラッド層106、およびp型Al0.89Ga0.11As層とp型Al0.15Ga0.85As層とを交互に積層した25ペアの分布反射型多層膜ミラー(以下、「上部ミラー」という)108が順次積層されて構成される。また、上部ミラー108を構成する層のうち1の層が、p型AlAsからなる電流狭窄部層107ならびに電流狭窄部層107の周囲に形成された誘電体層111に置き換えられている。
【0032】
上部ミラー108は、Znがドーピングされることによりp型にされ、下部ミラー103は、Seがドーピングされることによりn型にされている。したがって、上部ミラー108、不純物がドーピングされていない活性層105、および下部ミラー103により、pinダイオードが形成される。
【0033】
また、面発光レーザ100のレーザ光出射側からp型クラッド層106の表面直上にかけて、レーザ光出射側からから見て円形の形状にエッチングされて、柱状部110が形成されている。本実施の形態では、柱状部110の平面形状を円形としたが、この形状は任意の形状をとることが可能である。さらに、柱状部110の側面の一部分および下部ミラー103の上面を覆うようにして、シリコン酸化膜(SiO2膜)からなる絶縁層112が形成されている。
【0034】
さらに、柱状部110および絶縁層112の上面には、上部電極113が形成されている。柱状部110上面の中央部には、レーザ光の出射口となる開口部116が形成されている。また、半導体基板101において、共振器120が形成されている側と反対側の面には、下部電極115が形成されている。
【0035】
そして、上部電極113からの電流を柱状部110の中央部分に集中させるために、電流狭窄部層107の周囲から数μm程度の領域に、酸化アルミニウムからなる誘電体層111が形成されている。
【0036】
(デバイスの動作)
上部電極113と下部電極115とで、pinダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層105において、電子と正孔との再結合が起こり、前記再結合による発光が生じる。そこで生じた光が上部ミラー108と下部ミラー103との間を往復する際、誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。ここで、光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、上部電極113の開口部から半導体基板101に対して垂直方向にレーザ光が出射される。
【0037】
(効果)
図1および図2を参照して、第1の実施の形態にかかる面発光レーザの効果を説明する。
【0038】
(1)本実施の形態にかかる面発光レーザにおいては、半導体基板101および共振器120は、レーザ光の偏光方向を制御する機能を有する。面発光レーザにおいてレーザ光の発光に寄与しているのは活性層105であるが、半導体基板101および共振器120にレーザ光の偏光方向を制御する機能をもたせることにより、活性層105におけるレーザ光の偏光方向の制御をより確実に行うことができる。
【0039】
例えば、半導体基板101および共振器120に異方的な歪みを付加することによって、半導体基板101および共振器120に、レーザ光の偏光方向を制御する機能を付与することができる。ここで、異方的な歪みとは、特定の一方向への歪みをいう。半導体基板101および共振器120が異方的な歪みを有することにより、かかる異方的な歪みが共振器120中の活性層105にも加わり、異方的な歪みによるレーザ光の利得の異方性が発現する。この結果、特定の偏光方向のレーザ光を優先的に増幅させて発振させることができるため、レーザ光の偏光方向を特定方向に制御することができる。
【0040】
半導体基板101および共振器120に異方的な歪みを付加する一手段として、半導体基板101において、共振器120が形成されている面を湾曲させることが挙げられる。この場合、湾曲とは、半導体基板101および共振器120がレーザ光出射方向に凸状または凹状となるように曲率を有し、かつ瓦状に曲がっていることをいう。半導体基板101および共振器120が、前記湾曲に起因した異方的な歪みを有することから、異方的な歪みが、特にその形成過程でより確実に活性層105に加わる。その結果、活性層105に加わった異方的な歪みによってレーザ光の光学利得に異方性が発現し、特定の偏光方向のレーザ光を優先的に増幅させて発振させることができるため、レーザ光の偏光方向を特定方向に厳密に制御することができる。なお、本実施の形態においては、半導体基板101および共振器120がレーザ光出射方向に凸状となるように瓦状に曲がっている場合を示したが、凹状となるように瓦状に曲がっている場合も同様の効果が得られる。
【0041】
(2)また、本実施の形態にかかる面発光レーザにおいては、活性層105に異方的な歪みをもたせるだけでなく、活性層105以外の層、例えば、共振器120における活性層105以外の層や、半導体基板101に異方的な歪みをもたせた面発光レーザを得ることができる。このように、共振器120における活性層105以外の層、特に分布反射型多層膜ミラー(上部ミラー108、下部ミラー103)に一定方向の歪みを加えた場合、歪みが加わった方向には屈折率の変化が生じ、歪みが加わった方向とそれに直交する方向との間には屈折率差が生じる。このような屈折率分布を有する媒体中では、屈折率差により一定の偏波成分を持った光だけが伝播され得る。したがって、本実施の形態にかかる面発光レーザにおいては、例えば、偏波面保持ファイバの一種である楕円径コアファイバ(コアの平面形状を楕円形とすることで、かかる楕円の長軸方向と短軸方向との間に屈折率差を生じさせたファイバ)と同様の効果が得られる。
【0042】
(デバイスの製造プロセス)
次に、本実施の形態にかかる面発光レーザ100の製造方法について、図3〜7を用いて説明する。
【0043】
図3および図5〜7は、本実施の形態にかかる面発光レーザ100の製造方法の工程を模式的に示す断面図である。図4は、本実施の形態にかかる面発光レーザ100の製造方法の工程を模式的に示す斜視図である。
【0044】
(a)まず、図3に示されるn型GaAsからなる半導体基板101の裏面にフォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィによってフォトレジストをパターニングすることにより、ストライプ状のパターンを有するレジスト(図示しない)を塗布し、続いて該レジストをマスクとして半導体基板101の裏面に対してエッチングを行い、半導体基板101のうちレジストを塗布していない部分を選択的に除去した後、レジストを除去することにより、図4に示されるように、、半導体基板101の裏面にストライプ状の溝140を形成することにより、ストライプ状の凹凸部142が形成される。ここで、半導体基板101の裏面とは、半導体基板101において、後の工程で共振器120を形成する側の面と反対側の面をいう。また、ストライプ状の凹凸部142とは、溝140および凸部141からなり、同一方向に並列するように形成された凹凸をいう。
【0045】
(b)次に、図5に示されるように、半導体基板101の表面に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより半導体堆積層150を形成する。ここで、半導体堆積層150とは、n型GaAsからなるバッファ層102、n型AlAs層とn型Al0.15Ga0.85As層とが交互に積層された下部ミラー103、n型Al0.5Ga0.5Asからなるn型クラッド層104、GaAsウエル層とAl0.3Ga0.7Asバリア層からなり、ウエル層が3層で構成される多重井戸構造の活性層105、Al0.5Ga0.5Asからなるp型クラッド層106、p型Al0. 89Ga0.11As層とp型Al0.15Ga0.85As層とが交互に積層され、AlAs層を含む上部ミラー108、およびp型GaAsからなるコンタクト層109をいい、これらの層を順に半導体基板101上に堆層させて、半導体堆積層150を形成する。ここで、上部ミラー108を構成するp型AlAs層を電流狭窄部層107とし、後の工程において、電流狭窄部層107の一部から誘電体層111を形成する。また、半導体基板101の表面とは、半導体基板101において、後の工程で共振器120を形成する側の面をいう。
【0046】
エピタキシャル成長を行う際の温度は、半導体基板101の種類、あるいは形成する半導体堆積層150の種類や厚さによって適宜決定されるが、一般に、700℃〜800℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長(MOVPE:Metal−Organic Vapor Phase Epitaxy)法や、MBE法(Molecular Beam Epitaxy)法、あるいはLPE法(Liquid Phase Epitaxy)を用いることができる。
【0047】
(c)続いて、コンタクト層109上に、フォトレジスト(図示しない)を塗布した後フォトリソグラフィにより該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層(図示しない)を形成する。次いで、このレジスト層をマスクとして反応性イオンエッチングを行うことにより、図6に示されるように、コンタクト層109、上部ミラー108、および電流狭窄部層107をエッチングし、柱状部110を形成する。
【0048】
次いで、p型AlAs層からなる電流狭窄部層107を、400℃程度の水蒸気雰囲気下に、例えば20〜90分の範囲の適切な時間さらすことにより、AlAs層がその露出面から内側へと酸化されていき、誘電体である酸化アルミニウムが形成される。すなわち、電流狭窄部層107の外周部が酸化されて、図7に示されるように、酸化アルミニウムからなる誘電体層111が形成される。以上により、半導体基板101上に共振器120が形成される。
【0049】
続いて、得られた共振器120に上部電極113および下部電極115を設置する。
【0050】
まず、モノシランガスと酸素ガスを用い、窒素ガスをキャリアガスとする常圧熱CVD法により、下部ミラー103、ならびに柱状部110の側面および上面にシリコン酸化膜を形成する。その後、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、柱状部110の側面の一部、および柱状部110の上面のシリコン酸化膜を除去することにより、絶縁層112を形成する。
【0051】
次に、後の工程において半導体基板101の裏面に下部電極116を設置するために、半導体基板101の裏面に形成されている凹凸部142をエッチングにより削除し、半導体基板101の裏面を平坦にする。
【0052】
続いて、真空蒸着法により、絶縁層112、柱状部110の側面、および柱状部110の上面に、金および亜鉛から構成される合金層を形成した後、フォトリソグラフィ法を用いて合金層をパターニングすることにより、開口部116を形成する。以上の工程により上部電極113が形成される。続いて、半導体基板101の裏面に、真空蒸着法により、金およびゲルマニウムから構成される合金層からなる下部電極115を形成する。以上のプロセスを経て、図1および図2に示される面発光レーザ100が形成される。
【0053】
(効果)
次に、第1の実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法における効果を説明する。
【0054】
(1)図4に示されるように、半導体基板101の裏面に溝140を形成した後、半導体基板101の表面に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより半導体堆積層150を形成する。エピタキシャル成長による半導体堆積層150の形成は、前述したように、一般に、700℃〜800℃の高温条件下で行われるため、エピタキシャル成長中において、半導体基板101は、ストライプ状の凹凸部142の長手方向(図4におけるY方向)と、凹凸部142と直交する方向(図4におけるX方向)とでは、熱膨張する度合いが異なる。すなわち、凹凸部142が形成されていることから、半導体基板101の膨張は、凹凸部142の長手方向よりも、凹凸部142と直交する方向へのほうが大きい。
【0055】
さらに、半導体堆積層150を形成した後、基板を放冷させると基板全体が収縮することにより、基板全体が、レーザ光の出射口に凸状に湾曲することととなる。半導体基板101は、凹凸部142の長手方向よりも、凹凸部142と直交する方向へと多く膨張していたため、かかる基板の収縮により、凹凸部142の長手方向よりも、凹凸部142と直交する方向への収縮が大きくなる。このため、レーザ光の出射方向に凸状の湾曲を有することとなり、凹凸部142と直交する方向への異方的な歪みが半導体基板101に生じる。この異方的な歪みが半導体堆積層150にも加わり、中でも、この異方的な歪みが活性層105に加わることにより、レーザ光の利得に異方性が発現する。これにより、特定の偏光方向のレーザ光を優先的に増幅させて発振させることができるため、レーザ光の偏光方向を特定方向に制御することができる。したがって、本実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法によれば、以上の方法により、レーザ光の偏光方向が特定方向に制御された面発光レーザを簡易に得ることができる。
【0056】
(2)本実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法においては、活性層105に異方的な歪みをもたせるだけでなく、活性層105以外の層、例えば、半導体堆積層150における活性層105以外の層や、半導体基板101に異方的な歪みをもたせた面発光レーザを得ることができる。
【0057】
(3)半導体基板101上に形成される溝140の幅、深さ、あるいは間隔を変えることによって、半導体基板101および共振器120に加える異方的な歪みの度合いを制御することができる。
【0058】
(第2の実施の形態)
(デバイスの構造および動作)
本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構造および動作は、第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構造および動作と同様である。よって、その説明を省略する。
【0059】
(デバイスの製造プロセス)
第2の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法は、第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法における(b)および(c)の工程は基本的に同じであり、工程(a)のかわりに以下の工程(a’)を用いることにより、面発光型半導体レーザを製造することができる。すなわち、第1の実施の形態においては、半導体基板101の裏面をエッチングすることにより、半導体基板101の裏面に直接凹凸部142を形成したが、第2の実施の形態においては、半導体基板101の裏面に別の材料を用いて凹凸部242を形成する。
【0060】
図8は、第2の実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法の工程を模式的に示す斜視図である。
【0061】
(a’)まず、図3に示されるn型GaAsからなる半導体基板101の裏面に、溝形成用の層(図示しない)を形成し、かかる溝形成用の層上にフォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィによってフォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト(図示しない)を形成する。続いて、反応性イオンエッチング等を行った後、レジストを除去することにより、ストライプ状の凸部241を形成する。以上により、半導体基板101の裏面に凹凸部242を設ける。以降の工程は、第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法と同様であり、半導体基板101の表面に共振器120を形成した後、半導体基板101の裏面に下部電極115を設置する前に、凹凸部242はエッチングにより削除される。
【0062】
凸部241を形成するための材料としては、後の半導体堆積層150を形成する工程に耐え得るものであればよく、例えば、二酸化珪素、二酸化チタン、窒化珪素を用いることができる。
【0063】
(効果)
第2の実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法における効果は、第1の実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法における効果と同様である。さらに、第2の実施の形態においては、半導体基板101の裏面に、半導体基板101と別の材料でストライプ状の凸部241を形成して凹凸部242を設けることにより、凸部241の材質を適宜変えて凹凸部242を形成することができる。したがって、凸部241に用いる材質を変えることによっても、半導体基板101および共振器120に加える異方的な歪みを調節することができる。
【0064】
(第3の実施の形態)
(デバイスの構造および動作)
本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構造および動作は、第1の実施の形態および第2の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構造および動作と同様である。よって、その説明を省略する。
【0065】
(デバイスの製造プロセス)
第3の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法は、第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法における工程(a)および工程(b)のかわりに以下に示す工程(d)を用い、工程(d)に引き続いて工程(e)を用いる。ここで、工程(e)は第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法における工程(c)と同様の工程であるため、説明は省略する。
【0066】
図9は、第3の実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法の一工程で用いる装置を模式的に示す平面図であり、図10は、図9の装置をB−B線に沿った断面図である。
【0067】
(d)まず、図9および図10に示されるように、凸状に湾曲した基板設置面191を有するホルダ190の基板設置面191に半導体基板101を設置した状態で、半導体基板101の表面に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより半導体堆積層150を形成する。以降の工程は、第1の実施の形態および第2の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法と同様である。
【0068】
(効果)
第3の実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法における効果は、活性層105のみならず、半導体堆積層150および半導体基板101に異方的な歪みをもたせた面発光レーザを得ることができる点で、第1の実施の形態および第2の実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法における効果と同様である。また、第1の実施の形態および第2の実施の形態においては、半導体基板101の裏面にそれぞれ凹凸部142および242を形成したのち半導体基板101表面にエピタキシャル成長により半導体堆積層150を形成する工程により、半導体堆積層150および半導体基板101に異方的な歪みをもたせていたが、第3の実施の形態においては、第1の実施の形態および第2の実施の形態のように半導体基板101に特別な処理を施すことなく、半導体堆積層150および半導体基板101に異方的な歪みをもたせることができるため、製造工程の短縮化を図ることができる。これにより、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの断面を模式的に示す図である。
【図2】図1に示す面発光型半導体レーザを、レーザ光の出射口に対向する側から見た平面の要部を模式的に示す図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法の第1の工程を模式的に示す斜視図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法の第2の工程を模式的に示す断面図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法の第3の工程を模式的に示す断面図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法の第4の工程を模式的に示す断面図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法の第5の工程を模式的に示す断面図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法の一工程を模式的に示す斜視図である。
【図9】本発明の第3の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造方法の一工程で用いる装置を模式的に示す平面図である。
【図10】図9に示される装置をB−B線に沿って切断した部分の断面図である。
【符号の説明】
100 面発光型半導体レーザ
101 半導体基板
102 バッファ層
103 下部ミラー
104 n型クラッド層
105 活性層
106 p型クラッド層
107 電流狭窄部層
108 上部ミラー
109 コンタクト層
110 柱状部
111 誘電体層
112 絶縁層
113 上部電極
115 下部電極
116 開口部
120 共振器
140・240 溝
141・241 凸部
142・242 凹凸部
150 半導体堆積層
190 ホルダ
191 基板設置面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser that emits laser light perpendicular to a semiconductor substrate.
[0002]
[Background]
A surface emitting semiconductor laser is a semiconductor laser that emits laser light perpendicular to a semiconductor substrate, and a resonator is provided on the semiconductor substrate in a vertical direction. This resonator emits laser light after being oscillated, and is configured by sequentially stacking a reflective layer, an active layer, and a reflective layer.
[0003]
Surface-emitting semiconductor lasers can be easily arrayed (a large number of lasers can be placed on the same semiconductor substrate), have a small threshold current, have a stable oscillation wavelength, and have an isotropic laser emission angle compared to edge lasers. And has excellent characteristics such as small size. Therefore, the surface emitting semiconductor laser is expected to be applied to optical parallel communication, optical parallel computation, a laser beam printer, and the like as a semiconductor laser capable of two-dimensional integration.
[0004]
On the other hand, when an optical device is constructed using a semiconductor laser, devices such as a polarizer and a beam splitter are often used. In devices such as a polarizer and a beam splitter, the reflectance depends on the polarization direction. For this reason, when a semiconductor laser is incorporated in an optical device and used, if the control of the polarization direction of the laser beam is insufficient, problems such as a change in the light intensity depending on the direction may occur. It is important to control.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the surface emitting semiconductor laser, since the resonator has an isotropic structure, the radiation angle of the laser beam emitted from the resonator is isotropic, so it is difficult to control the polarization direction of the laser beam. Met. For this reason, attempts have been made to control the polarization direction of laser light in surface emitting semiconductor lasers. For example, surface emitting semiconductor lasers are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-116130 and 6-224515. A technique relating to the control of the polarization direction of the light is disclosed.
[0006]
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser capable of controlling the polarization direction of laser light.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The surface emitting semiconductor laser according to the present invention is
A surface emitting semiconductor laser in which a resonator is formed in a vertical direction on a semiconductor substrate and emits laser light in a direction perpendicular to the semiconductor substrate from the resonator,
The semiconductor substrate and the resonator have a function of controlling the polarization direction of laser light.
[0008]
According to this surface-emitting type semiconductor laser, not only the active layer that contributes to the emission of laser light in a surface-emitting laser, but also the function of controlling the polarization direction of the laser light is provided to the semiconductor substrate and the resonator. The polarization direction of the laser light in the active layer can be controlled more reliably.
[0009]
(1) In this case, it is desirable that the semiconductor substrate and the resonator have an anisotropic strain, and the polarization direction of the laser light is controlled by the anisotropic strain.
[0010]
Here, the anisotropic distortion referred to in the present invention refers to distortion in a specific direction. Therefore, in the surface emitting semiconductor laser of the present invention, the semiconductor substrate and the resonator have an anisotropic strain, and the anisotropic strain is also added to the active layer. The gain anisotropy is manifested. That is, the polarization direction of the laser light is controlled by anisotropic distortion in the semiconductor substrate or the resonator. As a result, since the laser beam having a specific polarization direction can be preferentially amplified and oscillated, the polarization direction of the laser beam can be controlled to a specific direction.
[0011]
(2) Further, in this case, it is desirable that the semiconductor substrate and the resonator have a curvature, and the anisotropic strain is caused by the curvature.
[0012]
Here, the curvature referred to in the present invention means that the semiconductor substrate and the resonator have a curvature that is convex or concave in the laser beam emission direction, and the semiconductor substrate and the resonator have a laser beam emission direction. It means that it is bent like a tile. Therefore, in the surface-emitting type semiconductor laser of the present invention, the semiconductor substrate and the resonator have a curvature, and the anisotropic strain is caused by the curvature. Since the active layer is reliably added, the polarization direction of the laser light can be strictly controlled in a specific direction.
[0013]
As a preferred embodiment of the surface emitting semiconductor laser,
A surface emitting semiconductor laser in which a resonator is formed in a vertical direction on a semiconductor substrate and emits laser light in a direction perpendicular to the semiconductor substrate from the resonator,
The semiconductor substrate and the resonator have a curvature,
There is a surface-emitting type semiconductor laser capable of controlling the polarization direction of laser light by anisotropic distortion generated in the semiconductor substrate and the resonator due to the bending.
[0014]
According to this surface emitting semiconductor laser, the above-described effects can be obtained.
[0015]
The surface emitting semiconductor laser according to the present invention can be obtained by a manufacturing method including the following steps (a) to (c).
[0016]
(A) forming a stripe-shaped uneven portion on the back surface of the semiconductor substrate;
(B) forming a semiconductor deposition layer including at least an active layer on the surface of the semiconductor substrate at a predetermined temperature; and
(C) forming a resonator that emits laser light in a direction perpendicular to the semiconductor substrate from the semiconductor deposition layer;
[0017]
The back surface of the semiconductor substrate referred to in the present invention primarily means a surface of the semiconductor substrate opposite to a surface on which a resonator is formed in a later step. Further, the surface of the semiconductor substrate referred to in the present invention refers to a surface of the semiconductor substrate on which the resonator is formed.
[0018]
According to this manufacturing method, since the semiconductor substrate and the resonator can be curved, anisotropic distortion occurs in the semiconductor substrate and the resonator, and the active layer is formed in that state. As a result, anisotropy appears in the optical gain of the laser beam, and the laser beam in a specific polarization direction can be preferentially amplified and oscillated. A surface emitting semiconductor laser capable of strictly controlling the direction to a specific direction can be obtained.
[0019]
Here, as the step (a), the following step (1) or step (2) is preferable.
[0020]
(1) A step of forming the concavo-convex portion by etching a back surface of the semiconductor substrate to provide a stripe-shaped groove.
[0021]
According to the step (1), the degree of anisotropic strain applied to the semiconductor substrate and the resonator is changed by changing the width, depth, or interval of the groove forming the uneven portion formed on the semiconductor substrate. Can be controlled.
[0022]
(2) The process of forming the said uneven part by providing a stripe-shaped convex part in the back surface of the said semiconductor substrate.
[0023]
According to the step (2), in addition to the effect of the step (1), the protrusions and depressions are formed on the back surface of the semiconductor substrate by forming the protrusions with a material different from that of the semiconductor substrate. The convex portion can be formed by appropriately changing the material of the convex portion constituting the. As a result, the anisotropic strain applied to the semiconductor substrate and the resonator can also be adjusted by changing the material used for forming the convex portion.
[0024]
In the step (2), it is preferable that the convex portion is made of an oxide film or a nitride film. These materials can withstand the process of forming a semiconductor deposition layer later and can maintain the shape of the convex portion. For this reason, a surface emitting semiconductor laser having a function of controlling the polarization direction of the laser beam can be obtained by forming the convex portion from an oxide film or a nitride film so that the semiconductor substrate and the resonator can be curved. Can do. In this case, the convex portion is more preferably made of a material containing at least one of silicon dioxide, titanium dioxide, and silicon nitride.
[0025]
The surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention can be obtained by a manufacturing method including the following steps (d) and (e).
[0026]
(D) forming a semiconductor deposition layer including at least an active layer at a predetermined temperature on the surface of the semiconductor substrate in a curved state; and
(E) forming a resonator that emits laser light in a direction perpendicular to the semiconductor substrate from the semiconductor deposition layer;
[0027]
According to this manufacturing method, since the semiconductor substrate and the resonator can be curved, an anisotropic strain is generated in the semiconductor substrate and the resonator, so that an anisotropic strain is also applied to the active layer. Anisotropy appears in the optical gain of the laser beam, and the laser beam having a specific polarization direction can be preferentially amplified and oscillated. Therefore, it is possible to obtain a surface emitting semiconductor laser capable of strictly controlling the polarization direction of the laser light in a specific direction. In addition, since the semiconductor deposition layer and the semiconductor substrate can be curved without performing any special treatment on the semiconductor substrate, the manufacturing process can be shortened. Thereby, manufacturing cost can be reduced.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
(First embodiment)
(Device structure)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a surface-emitting type semiconductor laser 100 (hereinafter referred to as “surface-emitting laser”) according to the first embodiment of the present invention, cut along line AA in FIG. FIG. 2 is a diagram schematically showing a principal part of a plane when the surface emitting laser shown in FIG. 1 is viewed from the side facing the laser beam exit.
[0030]
The structure of the
[0031]
The
[0032]
The
[0033]
Further, a
[0034]
Further, an
[0035]
In order to concentrate the current from the
[0036]
(Device operation)
When a forward voltage is applied to the pin diode between the
[0037]
(effect)
With reference to FIG. 1 and FIG. 2, the effect of the surface emitting laser according to the first embodiment will be described.
[0038]
(1) In the surface emitting laser according to the present embodiment, the
[0039]
For example, by adding anisotropic strain to the
[0040]
One means for applying anisotropic strain to the
[0041]
(2) In the surface emitting laser according to the present embodiment, not only the
[0042]
(Device manufacturing process)
Next, a method for manufacturing the
[0043]
3 and 5 to 7 are cross-sectional views schematically showing the steps of the method for manufacturing the
[0044]
(A) First, after applying a photoresist on the back surface of the
[0045]
(B) Next, as shown in FIG. 5, a
[0046]
The temperature at which the epitaxial growth is performed is appropriately determined depending on the type of the
[0047]
(C) Subsequently, a photoresist (not shown) is applied on the
[0048]
Next, the
[0049]
Subsequently, the
[0050]
First, a silicon oxide film is formed on the side surfaces and upper surfaces of the
[0051]
Next, in order to install the
[0052]
Subsequently, an alloy layer made of gold and zinc is formed on the insulating
[0053]
(effect)
Next, effects in the method for manufacturing the surface emitting laser according to the first embodiment will be described.
[0054]
(1) As shown in FIG. 4, after forming the
[0055]
Further, when the substrate is allowed to cool after the
[0056]
(2) In the method of manufacturing the surface emitting laser according to the present embodiment, not only the
[0057]
(3) The degree of anisotropic strain applied to the
[0058]
(Second Embodiment)
(Device structure and operation)
The structure and operation of the surface emitting semiconductor laser according to the present embodiment are the same as the structure and operation of the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment. Therefore, the description is omitted.
[0059]
(Device manufacturing process)
The manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser according to the second embodiment is basically the same as the steps (b) and (c) in the manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment. Yes, a surface emitting semiconductor laser can be manufactured by using the following step (a ′) instead of the step (a). That is, in the first embodiment, the concavo-
[0060]
FIG. 8 is a perspective view schematically showing the steps of the method for manufacturing the surface emitting laser according to the second embodiment.
[0061]
(A ′) First, a groove forming layer (not shown) is formed on the back surface of the n-type
[0062]
As a material for forming the
[0063]
(effect)
The effect of the surface emitting laser manufacturing method according to the second embodiment is the same as the effect of the surface emitting laser manufacturing method according to the first embodiment. Furthermore, in the second embodiment, the
[0064]
(Third embodiment)
(Device structure and operation)
The structure and operation of the surface emitting semiconductor laser according to the present embodiment are the same as the structure and operation of the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment and the second embodiment. Therefore, the description is omitted.
[0065]
(Device manufacturing process)
The surface emitting semiconductor laser manufacturing method according to the third embodiment is shown below in place of steps (a) and (b) in the method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment. Step (d) is used, and step (e) is used subsequent to step (d). Here, since the step (e) is the same as the step (c) in the method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0066]
FIG. 9 is a plan view schematically showing an apparatus used in one step of the method of manufacturing the surface-emitting laser according to the third embodiment, and FIG. 10 shows the apparatus of FIG. 9 along the line BB. It is sectional drawing.
[0067]
(D) First, as shown in FIGS. 9 and 10, the
[0068]
(effect)
The effect of the surface emitting laser manufacturing method according to the third embodiment is that a surface emitting laser in which not only the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a surface emitting semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a diagram schematically showing a main part of a plane when the surface-emitting type semiconductor laser shown in FIG. 1 is viewed from the side facing a laser beam emission port.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a first step of the method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a cross sectional view schematically showing a second step of the method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
FIG. 5 is a cross sectional view schematically showing a third step of the method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
FIG. 6 is a cross sectional view schematically showing a fourth step of the method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
FIG. 7 is a cross sectional view schematically showing a fifth step of the method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
FIG. 8 is a perspective view schematically showing one step of the method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to the second embodiment of the invention.
FIG. 9 is a plan view schematically showing an apparatus used in one step of a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
10 is a cross-sectional view of a portion of the device shown in FIG. 9 cut along line BB. FIG.
[Explanation of symbols]
100 Surface emitting semiconductor laser
101 Semiconductor substrate
102 Buffer layer
103 Lower mirror
104 n-type cladding layer
105 Active layer
106 p-type cladding layer
107 Current confinement layer
108 Upper mirror
109 Contact layer
110 Columnar part
111 Dielectric layer
112 Insulating layer
113 Upper electrode
115 Lower electrode
116 opening
120 resonator
140 ・ 240 groove
141 ・ 241 Convex
142 ・ 242 Concavity and convexity
150 Semiconductor deposition layer
190 Holder
191 Substrate installation surface
Claims (7)
(a)半導体基板の裏面にストライプ状の凹凸部を形成する工程、
(b)前記半導体基板の表面に、少なくとも活性層を含む半導体堆積層を所定温度にて形成する工程、および
(c)前記半導体堆積層から、前記活性層を含み、前記半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射し、かつ、該半導体基板と垂直に共振する共振器を形成する工程。A method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser including the following steps (a) to (c).
(A) forming a stripe-shaped uneven portion on the back surface of the semiconductor substrate;
(B) forming a semiconductor deposition layer including at least an active layer on the surface of the semiconductor substrate at a predetermined temperature; and (c) a direction including the active layer and perpendicular to the semiconductor substrate from the semiconductor deposition layer. Forming a resonator that emits laser light and resonates perpendicularly to the semiconductor substrate.
前記工程(a)は、前記半導体基板の裏面をエッチングしてストライプ状の溝を設けることにより、前記凹凸部を形成する工程である、面発光型半導体レーザの製造方法。In claim 1,
The method (a) is a method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser, wherein the uneven portion is formed by etching a back surface of the semiconductor substrate to provide a stripe-shaped groove.
前記工程(a)は、前記半導体基板の裏面に、ストライプ状の凸部を設けることにより前記凹凸部を形成する工程である、面発光型半導体レーザの製造方法。In claim 1 or 2,
The method (a) is a method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser, which is a step of forming the concavo-convex portion by providing a stripe-shaped convex portion on the back surface of the semiconductor substrate.
前記凸部は、酸化膜または窒化膜からなる、面発光型半導体レーザの製造方法。In claim 3,
The method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser, wherein the convex portion is made of an oxide film or a nitride film.
前記凸部は、二酸化珪素、二酸化チタン、窒化珪素のうち少なくとも1種を含む材料からなる、面発光型半導体レーザの製造方法。In claim 4,
The method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser, wherein the convex portion is made of a material containing at least one of silicon dioxide, titanium dioxide, and silicon nitride.
(d)凸状に湾曲したホルダに半導体基板を設置して、該半導体基板と垂直な方向に凸になるように該半導体基板を湾曲させた状態で、前記半導体基板の表面に、少なくとも活性層を含む半導体堆積層を所定温度にて形成する工程、および
(e)前記半導体堆積層から、前記活性層を含み、前記半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射し、かつ、該半導体基板と垂直に共振する共振器を形成する工程。A method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser including the following steps (d) and (e):
(D) A semiconductor substrate is placed on a convexly curved holder, and the semiconductor substrate is curved so as to be convex in a direction perpendicular to the semiconductor substrate, and at least an active layer is formed on the surface of the semiconductor substrate. And (e) emitting a laser beam in a direction perpendicular to the semiconductor substrate, including the active layer, and from the semiconductor substrate, and Forming a vertically resonating resonator.
以下の工程(f)をさらに含む、面発光型半導体レーザの製造方法。
(f)前記工程(a)〜(c)を行なった後、前記半導体基板から前記凹凸部を削除する工程。In any of claims 1 to 5,
A method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser, further comprising the following step (f):
(F) A step of removing the concavo-convex portion from the semiconductor substrate after performing the steps (a) to (c).
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