JP4411040B2 - Surface emitting semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、面発光型半導体レーザに関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser.
図1に示すようなVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)すなわち面発光型半導体レーザは、半導体基板(GaAs基板)上に、下部DBR(Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ反射器)と、スペーサ層と、活性層と、スペーサ層と、上部DBRとが順次積層され、上部DBRから少なくとも下部DBRの表面までが柱状積層構造(メサ構造)にエッチング加工され、メサ構造の側面には絶縁層(SiO2)を介してメサ側面を保護するための保護膜(ポリイミド)が設けられている。また、上部DBR上および保護膜上には、光出力部となる開口部を除いて、上部電極が形成されている。また、GaAs基板の裏面には、下部電極が形成されている。 A VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), that is, a surface emitting semiconductor laser as shown in FIG. 1, is provided on a semiconductor substrate (GaAs substrate), a lower DBR (Distributed Bragg Reflector), a spacer layer, and an active layer. A layer, a spacer layer, and an upper DBR are sequentially stacked, and the upper DBR to at least the surface of the lower DBR are etched into a columnar stacked structure (mesa structure). An insulating layer (SiO 2 ) is formed on the side surface of the mesa structure. A protective film (polyimide) for protecting the mesa side surface is provided. An upper electrode is formed on the upper DBR and on the protective film except for an opening serving as a light output portion. A lower electrode is formed on the back surface of the GaAs substrate.
ここで、メサ構造周囲を埋め込むための保護膜としてはポリイミド保護膜が良く用いられている。 Here, a polyimide protective film is often used as a protective film for embedding the periphery of the mesa structure.
面発光型半導体レーザは、しきい値電流Ithが端面発光型半導体レーザよりも小さく、また、ビーム広がり角が小さいなどの特徴がある。しかし、端面発光型半導体レーザに比べて、素子の熱抵抗が大きく放熱性が悪いという欠点があった。半導体レーザでは、素子が高温になると、その特性が変化し、出力が低下する。また、高温での動作は素子の経時変化も問題になってくる。そのため、より放熱効率の高い素子構造が望まれる。 The surface-emitting type semiconductor laser has the characteristics that the threshold current Ith is smaller than that of the edge-emitting type semiconductor laser and the beam divergence angle is small. However, as compared with the edge-emitting semiconductor laser, there is a drawback that the thermal resistance of the element is large and the heat dissipation is poor. In the semiconductor laser, when the element becomes high temperature, its characteristics change and the output decreases. In addition, when the operation is performed at a high temperature, the temporal change of the element becomes a problem. Therefore, an element structure with higher heat dissipation efficiency is desired.
面発光型半導体レーザの熱抵抗は1000(K/W)以上に対して、端面発光型半導体レーザの熱抵抗は数十から数100(K/W)と小さい。これは、面発光型半導体レーザがその構造上、活性層面積を大きくできないことと、活性層が熱伝導率の悪いDBR層で挟み込まれた構造となっていることが大きな原因であった。 The thermal resistance of the surface emitting semiconductor laser is 1000 (K / W) or more, whereas the thermal resistance of the edge emitting semiconductor laser is as small as several tens to several hundreds (K / W). This is mainly due to the fact that the surface-emitting type semiconductor laser cannot have a large active layer area due to its structure and that the active layer is sandwiched between DBR layers having poor thermal conductivity.
従来、面発光型半導体レーザでは、放熱特性を改善する方法が数多く提案されている。図10は特許文献1に開示されている面発光型半導体レーザを示す図である。図10を参照すると、特許文献1に開示されている面発光型半導体レーザでは、メサ構造部を金属で埋め込んだ構造とすることで、熱抵抗を減少させ、放熱性を向上させている。その他多くの放熱性を改善した面発光型半導体レーザ構造として、メサ構造周囲に熱伝導性の良好な部材、たとえばSiNなどを埋め込んだ構造が提案されている。
しかし、上述した従来技術のようにメサ構造の周囲に高熱伝導物質を埋め込んだだけでは、放熱性はあまりあがらない。つまり、熱を逃がすためには熱伝導材料の一部は活性層よりの低い温度にしなければならず、図10に示すような状態では熱の移動が発生しないので、活性層の温度を下げることはできない。 However, just by embedding a high thermal conductivity material around the mesa structure as in the prior art described above, the heat dissipation is not so much improved. In other words, in order to release heat, a part of the heat conductive material must be at a temperature lower than that of the active layer, and heat transfer does not occur in the state shown in FIG. 10, so the temperature of the active layer is lowered. I can't.
本発明は、上記従来技術の欠点を解決し、放熱効果の高い面発光型半導体レーザを提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser that solves the above-described drawbacks of the prior art and has a high heat dissipation effect.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、半導体基板上に、少なくとも、下部DBRと活性層と上部DBRとが積層され、上部DBRから少なくとも下部DBRの表面までがメサ構造であって、前記半導体基板の裏面に下部電極が形成され、前記メサ構造の上部に上部電極が形成された面発光型半導体レーザにおいて、前記下部DBRから半導体基板底部に貫通孔が形成され、前記貫通孔には高熱伝導部材が充填されており、
前記高熱伝導部材は、導電性部材であって、前記上部電極と電気的に接続され、さらに半導体基板裏面に下部電極とは電気的に絶縁されて露出されていることを特徴としている。
To achieve the above object, an invention according to claim 1, on a semiconductor substrate, at least, a lower DBR and an active layer and an upper DBR is laminated to the surface of at least a lower DBR from the upper DBR is met mesa structure In the surface emitting semiconductor laser in which the lower electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate and the upper electrode is formed on the mesa structure , a through hole is formed from the lower DBR to the bottom of the semiconductor substrate, and the through hole Is filled with high thermal conductivity members ,
The high heat conductive member is a conductive member, and is electrically connected to the upper electrode, and is further exposed to be electrically insulated from the lower electrode on the back surface of the semiconductor substrate .
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性層の材料としてGaInNAs系の材料が用いられていることを特徴としている。
The invention of
請求項1、請求項2記載の発明によれば、下部DBRから半導体基板底部まで貫通孔を配置して下部DBRからの放熱を行うので、より熱抵抗を低減することができる。 According to the first and second aspects of the present invention, since the through holes are arranged from the lower DBR to the bottom of the semiconductor substrate to radiate heat from the lower DBR, the thermal resistance can be further reduced.
特に、請求項1記載の発明では、上部電極を放熱用ヒートパスが兼ねた構造で、さらに貫通孔を通してサブマウントに接続されているので、熱抵抗を低減するばかりでなく実装を容易にすることもできる。 In particular, the invention according to claim 1 has a structure in which the upper electrode also serves as a heat path for heat dissipation, and is further connected to the submount through the through hole, so that not only the thermal resistance can be reduced but also the mounting can be facilitated. it can.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
本願の発明者らは、VCSEL構造の熱伝導を詳細に考察することで、従来よりも熱抵抗を低減できるVCSEL構造を案出した。以下に、検討結果を述べる。 The inventors of the present application have devised a VCSEL structure capable of reducing the thermal resistance as compared with the prior art by considering the heat conduction of the VCSEL structure in detail. The results of the study are described below.
図1の従来構造のVCSELにおいて、活性層で発生した熱が各層を熱伝導して銅(Cu)製のヒートシンクに逃げる場合を考える。解析では、熱の広がりを45度と仮定して検討した。 In the VCSEL having the conventional structure shown in FIG. 1, a case is considered in which heat generated in the active layer conducts through each layer and escapes to a copper (Cu) heat sink. In the analysis, the heat spread was assumed to be 45 degrees.
図2は熱抵抗を考察するための板状の熱伝導部材の断面を示す図である。図中、THは発熱源温度、TLは基板底部の温度で、TH>TLの条件にする。図2に示すような円形のφ2aなる発熱源からの45°の広がりで熱が厚さhの基板裏面側に逃げると仮定して、斜線部の熱抵抗を考察すれば、次式(数1)が導かれる。 FIG. 2 is a view showing a cross section of a plate-like heat conducting member for considering thermal resistance. In the drawing, T H is the heat source temperature, T L is the temperature at the bottom of the substrate, and T H > T L. Assuming that the heat escapes to the back side of the substrate having a thickness h with a 45 ° spread from a circular φ2a heat source as shown in FIG. ) Is guided.
数1において、λは熱伝導率、aは発熱源の半径、hは層の厚さである。数1から、熱の広がりを考慮した場合には、その熱抵抗は発熱源の径aに逆比例することが判る。 In Equation 1, λ is the thermal conductivity, a is the radius of the heat source, and h is the thickness of the layer. It can be seen from Equation 1 that the thermal resistance is inversely proportional to the diameter a of the heat source when the spread of heat is taken into consideration.
図1に示すような面発光型半導体レーザ構造において、その熱抵抗を計算するには、上記数1を各層に適用して計算すればよい。以下に、1.3μm波長の面発光型半導体レーザの熱抵抗を試算する。活性層を発熱源として、GaAsスペーサ層が厚さ0.162(μm)で熱伝導率44(W/(m・K))であり、Al0.9Ga0.1As/GaAs下部DBR層が厚さ6.9(μm)で熱伝導率29.7(W/(m・K))であり、n−GaAs基板が厚さ200(μm)で熱伝導率44(W/(m・K))であり、AuSnハンダ層が厚さ3(μm)で熱伝導率251(W/(m・K))であり、AlNサブマウントが厚さ200(μm)で熱伝導率190(W/(m・K))であり、銅のヒートシンクが熱伝導率393(W/(m・K))である積層構造において、電流狭窄層開口部(電流注入部)の直径が15μmである素子の熱抵抗は、1153(K/W)と試算される。 In the surface emitting semiconductor laser structure as shown in FIG. 1, the thermal resistance can be calculated by applying the above equation 1 to each layer. Below, the thermal resistance of a 1.3 μm wavelength surface emitting semiconductor laser is estimated. Using the active layer as a heat source, the GaAs spacer layer has a thickness of 0.162 (μm), a thermal conductivity of 44 (W / (m · K)), and an Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs lower DBR layer. Has a thickness of 6.9 (μm) and a thermal conductivity of 29.7 (W / (m · K)), and an n-GaAs substrate has a thickness of 200 (μm) and a thermal conductivity of 44 (W / (m · K). K)), the AuSn solder layer has a thickness of 3 (μm) and a thermal conductivity of 251 (W / (m · K)), the AlN submount has a thickness of 200 (μm) and a thermal conductivity of 190 (W / (M · K)), and in a stacked structure in which the heat sink of copper is thermal conductivity 393 (W / (m · K)), the diameter of the current confinement layer opening (current injection portion) is 15 μm Is estimated to be 1153 (K / W).
さらに、電流狭窄層開口部(電流注入部)の直径Dに対する熱抵抗Rthの変化を計算すれば、図3に示すような関係となり、狭窄層開口部(電流注入部)の径が小さくなると、急激に熱抵抗Rthが増加することが判る。これは、実験結果をよく説明している。 Further, if the change in the thermal resistance Rth with respect to the diameter D of the current confinement layer opening (current injection portion) is calculated, the relationship shown in FIG. 3 is obtained, and the diameter of the confinement layer opening (current injection portion) decreases. It can be seen that the thermal resistance Rth increases abruptly. This explains the experimental results well.
次に、活性層の温度上昇を見積もる。例えば、駆動電流Iop=10(mA)、フォワード電圧VF=2(V)で、光出力PO=0.8(mW)の面発光型半導体レーザの場合では、熱に変換される電力PL=19.2(mW)であるから、熱抵抗Rth=1153(K/W)の場合、活性層は環境温度(ヒートシンクの温度)よりも、Rth×PL=22.1(deg)だけ温度が上昇していることが予測される。図4には、銅ヒートシンク表面からのVCSEL活性層までの距離での温度プロファイルをプロットしたものが示されている。図4から判るように、熱抵抗の大きなGaAs基板および下部DBRで温度が大きく変わっている。 Next, the temperature rise of the active layer is estimated. For example, in the case of a surface emitting semiconductor laser having a driving current I op = 10 (mA), a forward voltage V F = 2 (V), and an optical output P O = 0.8 (mW), the power converted into heat Since P L = 19.2 (mW), when the thermal resistance R th = 1153 (K / W), the active layer is R th × P L = 22.1 (rather than the ambient temperature (heat sink temperature)). deg) is expected to increase in temperature. FIG. 4 shows a plot of the temperature profile over the distance from the copper heat sink surface to the VCSEL active layer. As can be seen from FIG. 4, the temperature varies greatly between the GaAs substrate and the lower DBR, which have a large thermal resistance.
上記熱解析の結果、VCSELの熱抵抗を低減するためには、
(1)活性層のメサ半径を大きくすること、
(2)下部DBRの熱抵抗を低減すること、
(3)GaAs半導体基板の熱抵抗を低減すること、
の3つの方法が有効であることがわかった。
As a result of the thermal analysis, in order to reduce the thermal resistance of the VCSEL,
(1) increase the mesa radius of the active layer;
(2) reducing the thermal resistance of the lower DBR;
(3) reducing the thermal resistance of the GaAs semiconductor substrate;
These three methods were found to be effective.
上記3つの方法のうち、(1)の方法はデバイス特性から制限があるので、(2)と(3)の熱抵抗低減策を検討した。 Among the above three methods, since the method (1) is limited due to device characteristics, the thermal resistance reduction measures (2) and (3) were examined.
まず、GaAs基板の熱抵抗を低減するためには、基板を薄くすることが有効である。基板を薄くすることで機械的強度が低下するのを防ぐために、本願の発明者は、活性層直下のGaAs基板を溝状に薄くし、その溝に高熱伝導率部材を充填した構造を案出した。 First, in order to reduce the thermal resistance of the GaAs substrate, it is effective to make the substrate thinner. In order to prevent the mechanical strength from being reduced by making the substrate thinner, the inventors of the present application have devised a structure in which the GaAs substrate immediately below the active layer is thinned into a groove shape and the groove is filled with a high thermal conductivity member. did.
図5には、活性層直下のGaAs基板を溝状に薄くし、その溝に高熱伝導率部材を充填した構造での熱抵抗RthのGaAs基板厚さ依存性が示されている。図5の例では、200(μm)のGaAs基板の厚さを薄くし、削った厚さ分は高熱伝導率部材の金を充填した構造で熱抵抗を計算している。200(μm)のGaAs基板厚さでの熱抵抗は1153(K/W)であったのが、基板厚さ50μm、金充填分厚さ150μmでは熱抵抗Rthが1085(K/W)となり、さらに、GaAs基板を全て取り除いた場合(基板厚さ50μm、金充填分厚さ150μm)では、その熱抵抗Rthは754(K/W)まで低減できる可能性が予測された。
FIG. 5 shows the dependence of the thermal resistance Rth on the thickness of the GaAs substrate in a structure in which the GaAs substrate immediately below the active layer is thinned into a groove shape and the groove is filled with a high thermal conductivity member. In the example of FIG. 5, the thickness of a 200 (μm) GaAs substrate is reduced, and the thermal resistance is calculated with a structure in which the shaved thickness is filled with gold of a high thermal conductivity member. The thermal resistance at a GaAs substrate thickness of 200 (μm) was 1153 (K / W), but at a substrate thickness of 50 μm and a gold filling thickness of 150 μm, the thermal resistance Rth was 1085 (K / W), Furthermore, when all the GaAs substrates were removed (
このように、活性層直下のGaAs基板を溝状に薄くし、その溝に高熱伝導率部材を充填した構造とすることで、機械的強度の低下を抑えながら、熱抵抗の低減が可能になる。 In this way, by making the GaAs substrate immediately below the active layer thin into a groove shape and filling the groove with a high thermal conductivity member, the thermal resistance can be reduced while suppressing a decrease in mechanical strength. .
また、本願の発明者は、下部DBRの熱抵抗を低下させる手段として、メサ構造周囲に熱の経路(ヒートパス)を高熱伝導部材で形成し、さらにそのヒートパスを、下部DBRおよびGaAs基板を貫通させてサブマウントに熱的に接続させたVCSEL構造を案出した。 In addition, as a means of reducing the thermal resistance of the lower DBR, the inventor of the present application forms a heat path (heat path) around the mesa structure with a high thermal conductive member, and further passes the heat path through the lower DBR and the GaAs substrate. And devised a VCSEL structure thermally connected to the submount.
このように、新たに熱の経路を設けたことで、VCSELの熱抵抗を低下させることが可能になる。 Thus, by newly providing a heat path, the thermal resistance of the VCSEL can be reduced.
以上のように、本発明は、その第1の形態として、半導体基板上に、少なくとも、下部DBRと活性層と上部DBRとが積層され、上部DBRから少なくとも下部DBRの表面までがメサ構造となっている面発光型半導体レーザにおいて、前記メサ構造直下の半導体基板に溝が形成されており、該溝に高熱伝導部材が充填されていることを特徴としている。これにより、放熱効果の高い面発光型半導体レーザを提供することができる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, at least the lower DBR, the active layer, and the upper DBR are stacked on the semiconductor substrate, and the mesa structure is formed from the upper DBR to at least the surface of the lower DBR. In the surface emitting semiconductor laser, a groove is formed in the semiconductor substrate immediately below the mesa structure, and the groove is filled with a high thermal conductive member. Thereby, a surface emitting semiconductor laser having a high heat dissipation effect can be provided.
上述第1の形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記高熱伝導部材は、例えば、導電性部材である。 In the surface-emitting type semiconductor laser according to the first embodiment, the high thermal conductive member is, for example, a conductive member.
あるいは、上述第1の形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記高熱伝導部材は、例えば、絶縁性部材である。 Alternatively, in the surface-emitting type semiconductor laser according to the first embodiment, the high thermal conductivity member is, for example, an insulating member.
また、上述第1の形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記溝の幅は、メサ寸法2aの活性層から半導体基板底部までの厚さがhであるとき、2a+2h以上であるのが好ましい。 In the surface-emitting type semiconductor laser according to the first embodiment, the width of the groove is preferably 2a + 2h or more when the thickness from the active layer having a mesa dimension 2a to the bottom of the semiconductor substrate is h.
また、本発明は、その第2の形態として、半導体基板上に、少なくとも、下部DBRと活性層と上部DBRとが積層され、上部DBRから少なくとも下部DBRの表面までがメサ構造となっている面発光型半導体レーザにおいて、前記下部DBRから半導体基板底部に貫通孔が形成され、前記貫通孔には高熱伝導部材が充填されていることを特徴としている。このように、下部DBRから半導体基板底部まで貫通孔を配置して下部DBRからの放熱を行うので、より熱抵抗を低減することができる。 As a second mode of the present invention, at least a lower DBR, an active layer, and an upper DBR are stacked on a semiconductor substrate, and a mesa structure is formed from the upper DBR to at least the surface of the lower DBR. In the light emitting semiconductor laser, a through hole is formed from the lower DBR to the bottom of the semiconductor substrate, and the through hole is filled with a high thermal conductive member. As described above, since the through holes are arranged from the lower DBR to the bottom of the semiconductor substrate to dissipate heat from the lower DBR, the thermal resistance can be further reduced.
上述第2の形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記高熱伝導部材は、例えば、導電性部材である。 In the surface-emitting type semiconductor laser according to the second embodiment, the high thermal conductive member is, for example, a conductive member.
あるいは、上述第2の形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記高熱伝導部材は、例えば、絶縁性部材である。 Alternatively, in the surface-emitting type semiconductor laser according to the second embodiment, the high thermal conductivity member is, for example, an insulating member.
また、上述第2の形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記高熱伝導部材は、例えば、導電性部材であり、上部電極と電気的に接続され、さらに半導体基板裏面に、下部電極とは電気的に絶縁されて露出するように構成できる。 In the surface-emitting type semiconductor laser according to the second embodiment, the high thermal conductivity member is, for example, a conductive member, and is electrically connected to the upper electrode. Further, the lower electrode is electrically connected to the back surface of the semiconductor substrate. It can be configured to be insulated and exposed.
また、上述第1または第2の形態の面発光型半導体レーザにおいて、活性層の材料としてGaInNAs系の材料が用いられることが好ましい。 In the surface-emitting semiconductor laser of the first or second embodiment, a GaInNAs-based material is preferably used as the material of the active layer.
図6は本発明の実施例1の面発光型半導体レーザ(GaAs基板を薄くして熱抵抗を低減させた面発光型半導体レーザ)を示す図である。具体的に、この面発光型半導体レーザは、1.3μm波長のGaInNAs面発光レーザとして構成されている。 FIG. 6 is a view showing a surface emitting semiconductor laser (surface emitting semiconductor laser in which the thermal resistance is reduced by thinning a GaAs substrate) of Example 1 of the present invention. Specifically, this surface emitting semiconductor laser is configured as a 1.3 μm wavelength GaInNAs surface emitting laser.
図6を参照すると、厚さLが200μm程度のn−GaAs基板の裏面の一部に、深さdの溝が形成されており、この溝には、少なくともGaAs基板の熱伝導率よりも高い熱伝導部材(例えば、金(Au))が埋め込まれている。GaAs基板上には,それぞれの媒質内における発振波長の1/4倍の厚さでn−AlxGa1−xAs(x=0.9)とn−GaAsとを交互に35周期積層した周期構造からなるn−半導体分布ブラッグ反射鏡(下部半導体分布ブラッグ反射鏡:単に、下部反射鏡(下部DBR)ともいう)が形成されている。そして、下部DBR上には、アンドープ下部GaAsスペーサ層,4層のGaInNAs井戸層と5層のGaNPAs障壁層とからなる多重量子井戸活性層,アンドープ上部GaAsスペーサ層、p−半導体分布ブラッグ反射鏡(上部半導体分布ブラッグ反射鏡:単に、上部反射鏡(上部DBR)ともいう)が形成されている。 Referring to FIG. 6, a groove having a depth d is formed in a part of the back surface of an n-GaAs substrate having a thickness L of about 200 μm, and at least the thermal conductivity of the GaAs substrate is higher in this groove. A heat conductive member (for example, gold (Au)) is embedded. On the GaAs substrate, 35 cycles of n-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) and n-GaAs were alternately stacked with a thickness of ¼ times the oscillation wavelength in each medium. An n-semiconductor distributed Bragg reflector having a periodic structure (lower semiconductor distributed Bragg reflector: simply referred to as a lower reflector (lower DBR)) is formed. On the lower DBR, an undoped lower GaAs spacer layer, a multi-quantum well active layer composed of four GaInNAs well layers and five GaNPAs barrier layers, an undoped upper GaAs spacer layer, a p-semiconductor distributed Bragg reflector ( Upper semiconductor distributed Bragg reflector: simply upper reflector (also referred to as upper DBR) is formed.
ここで、上部DBRは、Cドープのp−AlxGa1−xAs(x=0.9)とp−GaAsとをそれぞれの媒質内における発振波長の1/4倍の厚さで交互に積層した周期構造(例えば、25周期)で構成されている。なお、図6の例では、上部DBR中の活性層に近い位置には、AlAsからなる被選択酸化層が例えば30nm厚さで設けられている。また、上部DBRの最上部のp−GaAs層は電極とコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。 Here, the upper DBR is made of C-doped p-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) and p-GaAs alternately with a thickness of 1/4 times the oscillation wavelength in each medium. It is composed of a stacked periodic structure (for example, 25 periods). In the example of FIG. 6, a selective oxidation layer made of AlAs is provided with a thickness of, for example, 30 nm at a position near the active layer in the upper DBR. The uppermost p-GaAs layer of the upper DBR also serves as a contact layer that contacts the electrode.
また、活性層内の井戸層のIn組成xは33%,窒素組成は1.0%とし、井戸層の厚さは7nmとし、井戸層は、GaAs基板に対して約2.1%の圧縮歪(高歪)を有している。また、GaNPAs障壁層は、N組成0.8%、P組成4%、厚さは20nmとし、GaAs基板に対して0.3%の引っ張り歪みを有している。 The In composition x of the well layer in the active layer is 33%, the nitrogen composition is 1.0%, the thickness of the well layer is 7 nm, and the well layer is compressed to about 2.1% with respect to the GaAs substrate. Has strain (high strain). The GaNPAs barrier layer has an N composition of 0.8%, a P composition of 4%, a thickness of 20 nm, and a tensile strain of 0.3% with respect to the GaAs substrate.
次に、この実施例1の1.3μm波長の面発光型半導体レーザの製造方法を説明する。 Next, a manufacturing method of the 1.3 μm wavelength surface emitting semiconductor laser of Example 1 will be described.
n−GaAs基板上に、MOCVDあるいはMBEなどを用いて、それぞれの媒質内における発振波長の1/4倍の厚さでn−AlxGa1−xAs(x=0.9)とn−GaAsとを交互に35周期積層した周期構造からなる下部DBR層と、アンドープ下部GaAsスペーサ層と、4層のGaInNAs井戸層と5層のGaNPAs障壁層からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ上部GaAsスペーサ層と、被選択酸化層のAlAs層を含むp−AlxGa1−xAs(x=0.9)とp−GaAsを交互に25周期積層した周期構造からなる上部DBR層と、p−GaAs層とを順次成長させる。 the n-GaAs substrate by using a MOCVD or MBE, 1/4 times the thickness of the oscillation wavelength in the respective medium n-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) and n- A lower DBR layer having a periodic structure in which 35 cycles of GaAs are alternately stacked, an undoped lower GaAs spacer layer, a multi-quantum well active layer including four GaInNAs well layers and five GaNPAs barrier layers, and an undoped upper GaAs An upper DBR layer having a periodic structure in which p-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) including an AlAs layer as a selective oxidation layer and p-GaAs are alternately stacked for 25 periods; -GaAs layers are grown sequentially.
次に、p−GaAs層から下部DBR表面までをRIEなどでドライエッチングしてメサ構造を形成し、AlAs被選択酸化層の側面を露出させる。 Next, the mesa structure is formed by dry etching from the p-GaAs layer to the lower DBR surface by RIE or the like, and the side surface of the AlAs selective oxidation layer is exposed.
次に、水蒸気雰囲気中において、露出したAlAs層を加熱してAlAsを酸化し、絶縁性AlOからなる電流狭窄層を形成する。電流狭窄層は、活性層領域での電流密度を局部的に高め、しきい値電流を低下させる働きをする。 Next, in the water vapor atmosphere, the exposed AlAs layer is heated to oxidize AlAs, thereby forming a current confinement layer made of insulating AlO. The current confinement layer serves to locally increase the current density in the active layer region and lower the threshold current.
次に、表面に絶縁層としてプラズマCVDを用いてSiO2膜を成膜する。 Next, an SiO 2 film is formed on the surface as an insulating layer using plasma CVD.
次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、p−GaAsコンタクト層の光出射部のポリイミドを除去し、前記SiO2膜をエッチングにより取り除く。 Next, the etched portion is filled with polyimide and planarized, the polyimide in the light emitting portion of the p-GaAs contact layer is removed, and the SiO 2 film is removed by etching.
次に、p−GaAsコンタクト層上の一部にTi/Pt/Auを順次成膜してなるp側電極を形成する。 Next, a p-side electrode formed by sequentially depositing Ti / Pt / Au on a part of the p-GaAs contact layer is formed.
その後、表面を保護して、メサ構造直下のGaAs基板をレジストをマスクにして、全てあるいはその一部を除去する。 Thereafter, the surface is protected, and the GaAs substrate immediately below the mesa structure is used as a mask to remove all or a part thereof.
次に、レジストを残したまま、薄くTi/Auを蒸着して、GaAs基板溝底部にメッキ用下地金属膜を形成する。その後、裏面レジストを除去し、金を無電解メッキにより所定の厚さまで成長させる。 Next, Ti / Au is thinly deposited while leaving the resist, and a base metal film for plating is formed on the bottom of the GaAs substrate groove. Thereafter, the back resist is removed, and gold is grown to a predetermined thickness by electroless plating.
最後に、n−GaAs基板の裏面全面にTi/Pt/Auを順次成膜してなるn側電極を形成し、表面のレジストを除去して、実施例1の面発光型半導体レーザが完成する。 Finally, an n-side electrode formed by sequentially depositing Ti / Pt / Au is formed on the entire back surface of the n-GaAs substrate, and the resist on the surface is removed to complete the surface emitting semiconductor laser of Example 1. .
図6の構造において、GaAs基板底部に形成する溝の幅は重要である。溝の幅は、活性層からの熱の広がりを考慮して選定される。その結果、溝の幅Wとしては、メサ寸法2aの発熱源(活性層)からの熱の広がりを考慮して、活性層からGaAs基板底部までの厚さがhの場合、2a+2h以上となるような寸法を選ぶ必要がある。 In the structure of FIG. 6, the width of the groove formed at the bottom of the GaAs substrate is important. The width of the groove is selected in consideration of the spread of heat from the active layer. As a result, the width W of the groove is 2a + 2h or more when the thickness from the active layer to the bottom of the GaAs substrate is h in consideration of the spread of heat from the heat source (active layer) having the mesa size 2a. It is necessary to select a suitable dimension.
そして、GaAs基板エッチング後の溝の充填部材として例えば金を用いて、溝を充填することができる。なお、充填部材としては、金以外の金属、例えば銀,銅,錫,マグネシウム,ニッケルなどを用いることもでき、これらの金属でも同様な効果が得られる。また、充填部材としては、高熱伝導率の絶縁性部材を用いることもでき、この場合にも同様な効果が得られる。なお、このような絶縁性部材としては、AlN,BN,BeO,SiCなどが利用できる。 The groove can be filled using, for example, gold as a groove filling member after etching the GaAs substrate. In addition, as a filling member, metals other than gold, for example, silver, copper, tin, magnesium, nickel, etc. can also be used, and the same effect is acquired even with these metals. In addition, as the filling member, an insulating member having a high thermal conductivity can be used. In this case, the same effect can be obtained. As such an insulating member, AlN, BN, BeO, SiC, or the like can be used.
図7は本発明の実施例2の面発光型半導体レーザを示す図である。この実施例2の面発光型半導体レーザは、実施例1におけるGaAs基板をすべて取り除き、そこに、少なくともGaAs基板の熱伝導率よりも高い熱伝導部材(例えば、金(Au))が埋め込まれた構造となっており、これにより、さらに放熱効果を向上させることが可能となる。 FIG. 7 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser according to Example 2 of the present invention. In the surface-emitting type semiconductor laser of Example 2, all the GaAs substrate in Example 1 was removed, and a heat conductive member (eg, gold (Au)) higher than the thermal conductivity of the GaAs substrate was embedded therein. Thus, the heat dissipation effect can be further improved.
図8は本発明の実施例3の面発光型半導体レーザを示す図である。この実施例3の面発光型半導体レーザは、下部DBRの熱抵抗を低減する構造となっている。すなわち、実施例3の面発光型半導体レーザでは、GaAs基板上の構造は実施例1と同じであるが、下部DBRの熱抵抗を低減させるために、メサ構造の周囲の下部DBR上に高熱伝導部材からなるヒートパスを形成し、さらに、下部DBRからGaAs基板裏面までの貫通孔が形成され、この貫通孔に高熱伝導部材が充填された構造となっている。 FIG. 8 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser according to Example 3 of the present invention. The surface-emitting type semiconductor laser of Example 3 has a structure that reduces the thermal resistance of the lower DBR. That is, in the surface emitting semiconductor laser of Example 3, the structure on the GaAs substrate is the same as that of Example 1, but in order to reduce the thermal resistance of the lower DBR, high thermal conductivity is provided on the lower DBR around the mesa structure. A heat path made of a member is formed, and a through hole from the lower DBR to the back surface of the GaAs substrate is formed, and the through hole is filled with a high heat conductive member.
このように、高熱伝導率部材を下部DBR上に配置し、さらに貫通孔を通してサブマウントに接続することで、活性層で発生した熱を下部DBR上のヒートパスを通してサブマウントに放熱することが可能となるので、従来よりも素子の熱抵抗を低減することができる。 Thus, by disposing the high thermal conductivity member on the lower DBR and connecting it to the submount through the through hole, it is possible to dissipate the heat generated in the active layer to the submount through the heat path on the lower DBR. Therefore, the thermal resistance of the element can be reduced as compared with the conventional case.
次に、この実施例3の1.3μm波長の面発光型半導体レーザの製造方法を説明する。 Next, a manufacturing method of the 1.3 μm wavelength surface emitting semiconductor laser of Example 3 will be described.
n−GaAs基板上に、MOCVDあるいはMBEなどを用いて、それぞれの媒質内における発振波長の1/4倍の厚さでn−AlxGa1−xAs(x=0.9)とn−GaAsとを交互に35周期積層した周期構造からなる下部DBR層と、アンドープ下部GaAsスペーサ層と、4層のGaInNAs井戸層と5層のGaNPAs障壁層からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ上部GaAsスペーサ層と、被選択酸化層のAlAs層を含むp−AlxGa1−xAs(x=0.9)とp−GaAsを交互に25周期積層した周期構造からなる上部DBR層と、p−GaAs層とを順次成長させる。 the n-GaAs substrate by using a MOCVD or MBE, 1/4 times the thickness of the oscillation wavelength in the respective medium n-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) and n- A lower DBR layer having a periodic structure in which 35 cycles of GaAs are alternately stacked, an undoped lower GaAs spacer layer, a multi-quantum well active layer including four GaInNAs well layers and five GaNPAs barrier layers, and an undoped upper GaAs An upper DBR layer having a periodic structure in which p-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) including an AlAs layer as a selective oxidation layer and p-GaAs are alternately stacked for 25 periods; -GaAs layers are grown sequentially.
次に、p−GaAs層から下部DBR表面までをRIEによりドライエッチングしてメサ構造を形成し、AlAs被選択酸化層の側面を露出させる。 Next, the mesa structure is formed by dry etching from the p-GaAs layer to the lower DBR surface by RIE, and the side surface of the AlAs selective oxidation layer is exposed.
次に、水蒸気雰囲気中において、露出したAlAs層を加熱してAlAsを酸化し、絶縁性AlO酸化層として電流狭窄層を形成する。電流狭窄層は、活性層領域での電流密度を局部的に高め、しきい値電流を低下させる働きをする。 Next, in a water vapor atmosphere, the exposed AlAs layer is heated to oxidize AlAs to form a current confinement layer as an insulating AlO oxide layer. The current confinement layer serves to locally increase the current density in the active layer region and lower the threshold current.
次に、基板表面の一部を開口するようなレジストパターンを形成し、レジストをマスクとしてRIEによりドライエッチングを行い、下部DBRからGaAs基板裏面までの貫通孔を形成する。 Next, a resist pattern that opens a part of the substrate surface is formed, and dry etching is performed by RIE using the resist as a mask to form a through hole from the lower DBR to the back surface of the GaAs substrate.
次に、メサ構造部をレジストでマスクし、メッキ用下地金属のTi/Auを順次スパッタリングにより成膜する。 Next, the mesa structure portion is masked with a resist, and Ti / Au as a plating base metal is sequentially formed by sputtering.
次に、熱伝導部材として金を電解あるいは無電解メッキにより所定の厚さまで成膜して、熱の経路となるヒートパスを形成する。 Next, gold is formed into a predetermined thickness by electrolysis or electroless plating as a heat conducting member to form a heat path serving as a heat path.
次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、p−GaAsコンタクト層の光出射部のポリイミドを除去し、前記SiO2膜をエッチングにより取り除く。 Next, the etched portion is filled with polyimide and planarized, the polyimide in the light emitting portion of the p-GaAs contact layer is removed, and the SiO 2 film is removed by etching.
次に、p−GaAsコンタクト層上の一部にTi/Pt/Auを順次成膜してなるp側電極を形成する。 Next, a p-side electrode formed by sequentially depositing Ti / Pt / Au on a part of the p-GaAs contact layer is formed.
最後に、基板裏面全面にTi/Pt/Auを順次成膜してなるn側電極を形成し、表面のレジストを除去して、実施例3の面発光型半導体レーザが完成する。 Finally, an n-side electrode formed by sequentially depositing Ti / Pt / Au is formed on the entire back surface of the substrate, and the surface resist is removed to complete the surface emitting semiconductor laser of Example 3.
上述の例では、ヒートパスとして金を用いたが、その他の金属、例えば銀,銅,錫,マグネシウム,ニッケルなどを用いることもでき、これらの金属でも同様な効果が得られる。また、ヒートパスとして高熱伝導率の絶縁性部材を用いることもでき、この場合にも同様な効果が得られる。なお、このような絶縁性部材としては、AlN,BN,BeO,SiCなどが利用できる。 In the above example, gold is used as the heat path, but other metals such as silver, copper, tin, magnesium, nickel, etc. can be used, and the same effect can be obtained with these metals. In addition, an insulating member having high thermal conductivity can be used as the heat path, and the same effect can be obtained in this case. As such an insulating member, AlN, BN, BeO, SiC, or the like can be used.
図9は本発明の実施例4の面発光型半導体レーザを示す図である。この実施例4の面発光型半導体レーザも、実施例3と同様に、下部DBRの熱抵抗を低減する構造となっている。すなわち、実施例4の面発光型半導体レーザでは、GaAs基板上の構造は実施例1と同じであるが、実施例3と同様に、下部DBRからGaAs基板までの貫通孔が形成され、この貫通孔に高熱伝導部材が充填されている。さらに実施例4では、下部DBR上および貫通孔に充填された高熱伝導部材が導電性のもの(例えば金)であり、この高熱伝導部材が上部電極(p側電極)を兼ねたものとなっている。 FIG. 9 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser according to Example 4 of the present invention. The surface emitting semiconductor laser of this Example 4 also has a structure that reduces the thermal resistance of the lower DBR, as in Example 3. That is, in the surface-emitting type semiconductor laser of Example 4, the structure on the GaAs substrate is the same as that of Example 1, but as in Example 3, a through hole from the lower DBR to the GaAs substrate is formed, and this through-hole is formed. The hole is filled with a high thermal conductivity member. Furthermore, in Example 4, the high heat conductive member filled on the lower DBR and in the through hole is conductive (for example, gold), and this high heat conductive member also serves as the upper electrode (p-side electrode). Yes.
次に、この実施例4の1.3μm波長の面発光型半導体レーザの製造方法を説明する。 Next, a manufacturing method of the 1.3 μm wavelength surface emitting semiconductor laser of Example 4 will be described.
n−GaAs基板上に、MOCVDあるいはMBEなどを用いて、それぞれの媒質内における発振波長の1/4倍の厚さでn−AlxGa1−xAs(x=0.9)とn−GaAsとを交互に35周期積層した周期構造からなる下部DBR層と、アンドープ下部GaAsスペーサ層と、4層のGaInNAs井戸層と5層のGaNPAs障壁層からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ上部GaAsスペーサ層と、被選択酸化層のAlAs層を含むp−AlxGa1−xAs(x=0.9)とp−GaAsを交互に25周期積層した周期構造からなる上部DBR層と、p−GaAs層とを順次成長させる。 the n-GaAs substrate by using a MOCVD or MBE, 1/4 times the thickness of the oscillation wavelength in the respective medium n-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) and n- A lower DBR layer having a periodic structure in which 35 cycles of GaAs are alternately stacked, an undoped lower GaAs spacer layer, a multi-quantum well active layer including four GaInNAs well layers and five GaNPAs barrier layers, and an undoped upper GaAs An upper DBR layer having a periodic structure in which p-Al x Ga 1-x As (x = 0.9) including an AlAs layer as a selective oxidation layer and p-GaAs are alternately stacked for 25 periods; -GaAs layers are grown sequentially.
次に、p−GaAs層から下部DBR表面までをエッチングしてメサ構造を形成し、AlAs被選択酸化層の側面を露出させる。エッチングはレジストをマスクにして、塩素ガスを用いたRIEにて行う。 Next, a mesa structure is formed by etching from the p-GaAs layer to the lower DBR surface, and the side surface of the AlAs selectively oxidized layer is exposed. Etching is performed by RIE using chlorine gas using a resist as a mask.
次に、水蒸気雰囲気中において、露出したAlAs層を加熱してAlAsを酸化し、絶縁性AlO酸化層として電流狭窄層を形成する。電流狭窄層は、活性層領域での電流密度を局部的に高め、しきい値電流を低下させる働きをする。 Next, in a water vapor atmosphere, the exposed AlAs layer is heated to oxidize AlAs to form a current confinement layer as an insulating AlO oxide layer. The current confinement layer serves to locally increase the current density in the active layer region and lower the threshold current.
次に、基板表面の一部を開口するようなレジストパターンを形成し、レジストをマスクとしてドライエッチングを行い、下部DBRからGaAs基板裏面までの貫通孔を形成する。 Next, a resist pattern that opens a part of the substrate surface is formed, and dry etching is performed using the resist as a mask to form a through hole from the lower DBR to the back surface of the GaAs substrate.
次に、メサ構造部をレジストでマスクし、メッキ用下地金属のTi/Auを順次スパッタリングにより成膜する。 Next, the mesa structure portion is masked with a resist, and Ti / Au as a plating base metal is sequentially formed by sputtering.
次に、熱伝導部材として金を電解あるいは無電解メッキにより所定の厚さまで成膜して、ヒートパスを形成する。 Next, gold is formed as a heat conductive member to a predetermined thickness by electrolysis or electroless plating to form a heat path.
次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、p−GaAsコンタクト層の光出射部のポリイミドを除去し、前記SiO2膜をエッチングにより取り除く。 Next, the etched portion is filled with polyimide and planarized, the polyimide in the light emitting portion of the p-GaAs contact layer is removed, and the SiO 2 film is removed by etching.
次に、光出射部のあるp−GaAs層上の光出射部以外にp側電極を形成する。 Next, a p-side electrode is formed in addition to the light emitting part on the p-GaAs layer having the light emitting part.
最後に、基板裏面全面にTi/Pt/Auを順次成膜してなるn側電極を形成し、表面のレジストを除去して、実施例4の面発光型半導体レーザが完成する。 Finally, an n-side electrode formed by sequentially depositing Ti / Pt / Au on the entire back surface of the substrate is formed, and the resist on the surface is removed to complete the surface emitting semiconductor laser of Example 4.
実施例4の面発光型半導体レーザでは、下部DBR上に配置した導電性ヒートパスが、p側電極を兼ねた構造となっているので、p側電極をn側電極と同様にGaAs基板裏面に配置することが可能になり、その結果、電極の取出しが容易になるという利点がある。 In the surface-emitting type semiconductor laser of Example 4, the conductive heat path disposed on the lower DBR has a structure also serving as the p-side electrode. Therefore, the p-side electrode is disposed on the back surface of the GaAs substrate in the same manner as the n-side electrode. As a result, there is an advantage that the electrode can be easily taken out.
上述の例では、ヒートパスとして金を用いたが、その他の金属、例えば銀,銅,錫,マグネシウム,ニッケルでも同様な効果が得られる。また、ヒートパスとして高熱伝導率の絶縁性部材を用いることもでき、この場合にも同様な効果が得られる。なお、このような絶縁性部材としては、AlN,BN,BeO,SiCなどが利用できる。
In the above example, gold is used as the heat path, but the same effect can be obtained with other metals such as silver, copper, tin, magnesium, and nickel. In addition, an insulating member having high thermal conductivity can be used as the heat path, and the same effect can be obtained in this case. As such an insulating member, AlN, BN, BeO, SiC, or the like can be used.
Claims (2)
前記高熱伝導部材は、導電性部材であって、前記上部電極と電気的に接続され、さらに半導体基板裏面に下部電極とは電気的に絶縁されて露出されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。 At least a lower DBR, an active layer, and an upper DBR are stacked on a semiconductor substrate, a mesa structure is formed from the upper DBR to at least the surface of the lower DBR , a lower electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate, and the mesa In a surface emitting semiconductor laser having an upper electrode formed on the upper part of the structure, a through hole is formed from the lower DBR to the bottom of the semiconductor substrate, and the through hole is filled with a high thermal conductivity member ,
The high thermal conductive member is a conductive member, and is electrically connected to the upper electrode, and is further exposed on the back surface of the semiconductor substrate electrically insulated from the lower electrode. Semiconductor laser.
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