JP2023099435A - Semiconductor light emitting element, light emitting device and distance measurement device - Google Patents
Semiconductor light emitting element, light emitting device and distance measurement device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023099435A JP2023099435A JP2022160460A JP2022160460A JP2023099435A JP 2023099435 A JP2023099435 A JP 2023099435A JP 2022160460 A JP2022160460 A JP 2022160460A JP 2022160460 A JP2022160460 A JP 2022160460A JP 2023099435 A JP2023099435 A JP 2023099435A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- light emitting
- emitting device
- semiconductor light
- dbr
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 57
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 10
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 244
- 239000010408 film Substances 0.000 description 67
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 36
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 13
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 6
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 4
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 3
- 229910004205 SiNX Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003087 TiOx Inorganic materials 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- HLLICFJUWSZHRJ-UHFFFAOYSA-N tioxidazole Chemical compound CCCOC1=CC=C2N=C(NC(=O)OC)SC2=C1 HLLICFJUWSZHRJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子、発光装置、及び測距装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device, a light emitting device, and a distance measuring device.
ToF(飛行時間、Time of Flight)方式のLiDAR(光検出と測距、Light Detection and Ranging)用光源として、VCSEL(垂直共振器型面発光レーザ、Vertical Cavity Surface Emitting LASER)が注目されている。 VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) have attracted attention as light sources for ToF (Time of Flight) type LiDARs (Light Detection and Ranging).
測距精度や測距可能距離向上のため、光源の高出力化が求められる。 In order to improve ranging accuracy and measurable distance, a higher output light source is required.
VCSELにおいて高出力を実現する方法として、発光径を増大させることが考えられる。しかしながら、単純に発光径だけを増大させると、発光径の中心付近の電流密度が下がり、周縁部の電流密度が上がってしまう。このため、単純に発光径を増大させるだけでは、遠視野のビーム制御や耐久性に課題が生じる。 As a method for achieving high output in a VCSEL, increasing the emission diameter is conceivable. However, simply increasing the diameter of the emitted light results in a decrease in the current density near the center of the diameter of the emitted light and an increase in the current density in the periphery. For this reason, simply increasing the diameter of the light emission poses problems in far-field beam control and durability.
特許文献1では、酸化狭窄とは異なる電流狭窄構造を基板表面側に設けた基板裏面出射型VCSELを開示する。この構成により、発光径を増大しつつ、周縁部のみではなく発光径の中心付近の電流密度も上げられる。しかしながら、基板裏面出射型VCSELでは、基板による光の吸収があるため、波長によっては実現ができなかったり、高出力化ができなかったりという課題がある。
特許文献2では、拡散やイオン注入により、酸化狭窄とは異なる電流狭窄構造を、光の出射側であるデバイス表面に設けた基板表面出射型のVCSELを開示する。この構成により、発光径を増大させても、周縁部のみではなく発光径の中心付近の電流密度も上げられる。
特許文献2では、基板表面の周辺部分にイオン注入することで周囲を高抵抗化して、中央部分のみに電流が流れる電流狭窄構造を形成する手法が開示されている。このようにして電流狭窄構造を形成する場合に生じる課題を、図13を用いて説明する。
図13に示すVCSELは、電極層701、n-GaAs基板702、n-DBR層704、活性領域706、絶縁層(例えば、酸化物)707、p-DBR層708、p-GaAs層710、上部電極714を有する。このようなVCSELにおいて、p-GaAs層710内の周辺部にイオン注入によって高抵抗化領域712を形成し、更にp-GaAs層710内の上部に、第二電極714から電流注入領域720への電流パスを残す。また、電流注入領域720から開口部716への電流パスをp-DBR708に形成する。これらの理由から、p-GaAs層710の厚さはμmオーダーで形成する必要がある。電流注入領域720の基板垂直方向の距離がμmオーダーと厚くなるので、抵抗が上昇し、その結果、半導体発光素子全体の電圧が上昇する。
The VCSEL shown in FIG. 13 comprises an
本発明は、上記の課題を考慮して、素子全体の電圧上昇を抑えつつ、高出力で遠視野のビーム制御が容易な半導体発光素子を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor light-emitting device capable of suppressing a voltage rise of the entire device and achieving high output and easy beam control in the far field.
本発明の一態様は、基板、第一の反射鏡、活性層を含む共振器部、第二の反射鏡、および透明導電膜がこの順に積層された構造を有する半導体発光素子であって、酸化狭窄層によって構成される第一の電流狭窄部と、前記第二の反射鏡の上面に形成され開口を有する絶縁膜、および、前記透明導電膜と前記透明導電膜が接する半導体層とのコンタクト部によって構成される第二の電流狭窄部と、をさらに備え、前記第二の電流狭窄部の幅d2は、前記第一の電流狭窄部の幅d1よりも小さい、ことを特徴とする。 One aspect of the present invention is a semiconductor light-emitting device having a structure in which a substrate, a first reflector, a resonator section including an active layer, a second reflector, and a transparent conductive film are laminated in this order, A first current constriction portion constituted by a constriction layer, an insulating film formed on the upper surface of the second reflecting mirror and having an opening, and a contact portion between the transparent conductive film and the semiconductor layer in contact with the transparent conductive film. and a width d2 of the second current confinement portion is smaller than the width d1 of the first current confinement portion.
本発明によれば、素子全体の電圧上昇を抑えつつ、高出力で遠視野のビーム制御が容易な半導体発光素子を提供できる。またこの半導体発光素子を使用することで、測距精度や測距可能距離が向上した測距装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor light-emitting element which suppresses the voltage rise of the whole element, and has a high output, and is easy to control a far-field beam can be provided. Further, by using this semiconductor light emitting device, it is possible to provide a distance measuring device with improved distance measurement accuracy and a measurable distance.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対して適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に含まれる。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be appropriately modified based on the ordinary knowledge of those skilled in the art within the scope of the present invention. Any improvements or the like are included in the scope of the present invention.
図1を用いて、本発明の一形態に係る半導体発光素子100について説明する。半導体発光素子100は、基板101、第一のDBR(Distributed Bragg Reflector、ブラッグ分布反射器)102、半導体共振器部103、第二のDBR104を含む。第一のDBR102および第二のDBR104がそれぞれ、本発明の第一の反射鏡および第二の反射鏡に相当する。
A semiconductor
共振器部103の中には、複数の量子井戸層140が配置されている。また、第二のDBR104の一部に、Al組成が他の層よりも高いAlGaAs層が含まれている。これを水蒸気酸化することにより周囲に絶縁性を持たせた酸化狭窄層106が形成されている。酸化狭窄層106が第一の電流狭窄部に相当する。なお、図1では、絶縁性部分のみに引き出し線を記載して、符号106を付与しているが、中央部分の酸化されていない半導
体層の部分も酸化狭窄層106に相当する。
A plurality of
ここで、第二のDBR104は半導体により形成されている。本発明の別の形態として、第二のDBRの上に更に第二のDBRとは異なる第三のDBRを有する構成も可能であるが、その詳細については、後述する実施例5中に記載する。 Here, the second DBR 104 is made of semiconductor. As another form of the present invention, a configuration having a third DBR different from the second DBR on top of the second DBR is also possible, the details of which will be described in Example 5 below. .
共振器部103および第二のDBR104は筒状のメサ状に加工されており、その上から絶縁膜161で覆われている。絶縁膜161の上には透明導電層162が形成されている。
The
上部電極150は、透明導電層162の一部に電気的に接触している。下部電極151は、基板101裏面とオーミックコンタクトしている。
The
図1に示すように、メサ状に加工された第二のDBR104の上面には、中央部分が部分的に除去された絶縁膜161が形成されている。以下、絶縁膜161が除去された部分を絶縁開口と称する。絶縁開口において透明導電層162が第二のDBR104の上面と接している。この絶縁開口によって透明導電層162と第二のDBR104上面とで構成されるコンタクト部が規定されている。絶縁開口の形状は、円形、楕円形、多角形、またはそれに近い形であっても良い。絶縁開口の形状としては、鋭角な部分があると、その部位に電流が集中しやすくなるため、電流プロファイルや耐久性の観点からは好ましくなく、円形に近い形が好ましい。上部電極150から供給されるキャリアは、絶縁開口におけるコンタクト部を通じてのみ第二のDBR104に流入する。すなわち、絶縁開口部を有する絶縁膜161および第二のDBR104と透明導電層162のコンタクト部により、第二の電流狭窄部が形成される。第二の電流狭窄部の大きさは、例えば円形の場合は、その直径がd2である。
As shown in FIG. 1, an
ここで、図1に示すように、絶縁膜161の断面形状が、中央部分ほど薄くなるテーパーを有している形状の場合は、第二の狭窄構造の大きさは、その先端部分の間の距離d2として定義できる。つまり、d2が、第二の狭窄構造により、電流が狭窄される実質の大きさとなる。
Here, as shown in FIG. 1, when the cross-sectional shape of the
図1では、メサ形状は、第二のDBR104から共振器部103まで形成されているが、メサ形状は酸化狭窄層106よりも下まで形成されていれば良い。そのため、メサ形状は、例えば共振器部103の途中までとしても良く、また、第一のDBR102の途中までとしても良い。
In FIG. 1, the mesa shape is formed from the
本実施の形態は、発光素子が筒状のメサ状に加工されている構造について説明しているが、本発明はこれに限定されない。例えば筒状のように周囲を一様に加工するのではなく、同様の深さまで一部をエッチングにより除去し、そこから水蒸気酸化することにより、周囲に絶縁性を持たせた酸化狭窄層106を形成しても良い。
Although this embodiment mode describes the structure in which the light-emitting element is processed into a tubular mesa shape, the present invention is not limited to this. For example, instead of processing the periphery uniformly like a cylinder, a portion is removed by etching to the same depth, and then steam oxidation is performed to form an oxidized constricting
また、図1では透明導電層162を1層としているが、必要に応じてその上に1層または複数層の透明絶縁膜(SiOx、SiNx、TiOx等)を積層しても良い。その場合は、上部電極150下の一部の絶縁膜は除去し、上部電極150と透明導電層162が電気的に接続するように構成する。
In addition, although the transparent
第一のDBR102は光学膜厚がλc/4の高屈折率層と低屈折率層を1ペアとして、そのペアを複数積層して構成されている。λcとは、第一のDBR102の高反射帯域の中心波長である。
The first DBR 102 is constructed by stacking a plurality of pairs of a high refractive index layer and a low refractive index layer each having an optical thickness of λc/4. λc is the center wavelength of the high reflection band of the
量子井戸層140は井戸層を障壁層で挟んだ構成であり、共振器部103の活性層である。
The
第二のDBR104は、基本的には、光学膜厚がλc/4の高屈折率層と低屈折率層を1ペアとして、そのペアを複数積層して構成されている。ただし、最上層の高屈折率層の一部は、キャリア濃度が他よりも高いコンタクト層に置き換わっており、透明導電層162との電気的なコンタクト性を改善している。また、第二のDBR104のうち、量子井戸層(活性層)140に最も近い高屈折率層の一部が、他よりもAl組成の高いAlGaAs層に置き換わっている。このAlGaAs層は、VCSEL100のメサ形成後に、メサ側壁より水蒸気酸化によりメサ側壁から所定の長さを酸化することで、周囲に絶縁性を持たせた酸化狭窄層106が形成されている。
The
絶縁膜161が除去された絶縁開口部分、つまり第二の電流狭窄の幅d2は、第一の電流狭窄である酸化狭窄層106の内側の半導体部分(つまり、電流が流れることが可能な部分、以下、非酸化部分と呼ぶ)の幅d1より小さい。すなわち、d1とd2は下記式(1)を満たす大きさとなっている。
d2 < d1 (1)
The insulating opening portion where the insulating
d2 < d1 (1)
以下、非酸化部分(酸化狭窄層106の内側の半導体部分)と、第二の電流狭窄の形状が円形の場合について記載するが、これらの形状は円形に限定されるものではなく、楕円形、多角形、それらに近い形であっても良い。その場合は、ある断面で切った場合の各幅d1、d2が、式(1)を満たす大きさとなっている。 In the following, the case where the non-oxidized portion (semiconductor portion inside the oxidized constricting layer 106) and the second current confinement have circular shapes will be described, but these shapes are not limited to circular, elliptical, A polygon or a shape close to them may be used. In that case, widths d1 and d2 when cut along a certain cross section are sizes that satisfy formula (1).
上記の構成による効果について、図2(A)の計算結果を元に説明する。なお、この計算モデルとなる素子構成は、後述する実施例1の構成に基づく。 The effect of the above configuration will be described based on the calculation result of FIG. 2(A). Note that the element configuration used as this calculation model is based on the configuration of Example 1, which will be described later.
図2(A)に酸化狭窄径d1が30μmでの、絶縁開口部の直径d2が5μmから29μmまで変わった際の量子井戸層140に流れ込む電流密度の分布を示す。図2(A)の横軸は、メサ中心(つまり非酸化部分の中心でもある)を位置0とした時の半径方向位置である。
FIG. 2A shows the distribution of the current density flowing into the
また、中央部分の電流密度をJc、周縁部(d1の周縁から中央部分に10μmまでの部分)の電流密度の極小値をJeとしたときの変化の様子を図2(B)に実線で示す。 FIG. 2B shows how the current density changes when Jc is the current density in the central portion and Je is the minimum value of the current density in the peripheral portion (the portion extending from the peripheral edge of d1 to the central portion by 10 μm). .
量子井戸層に流れ込む電流密度分布を、周縁部に比べて中央部が高くなるようにすることにより、遠視野像を制御することが出来る。つまり、
Jc > Je (2)
となることが好ましい。
The far-field pattern can be controlled by making the current density distribution flowing into the quantum well layer higher in the central portion than in the peripheral portion. in short,
Jc > Je (2)
It is preferable that
更に、
Jc > 2×Je (3)
となることがより好ましい。
Furthermore,
Jc > 2 x Je (3)
It is more preferable to be
図2(A)(B)より、絶縁開口部分の直径d2が25μmより小さい範囲、つまり式2を満たす範囲であれば、中央に凸型の電流密度分布を作ることが出来ることが分かる。また、d2が15μm程度よりも小さい範囲、つまり式3を満たす範囲では、電流密度プロファイルがより中央部分で凸になることがわかる。
From FIGS. 2A and 2B, it can be seen that if the diameter d2 of the insulating opening is smaller than 25 μm, that is, if the
また、酸化狭窄径の周縁部に集中していた電流密度を中央部に広げることで、周縁部から広がる非発光再結合部の発生等が抑制されるため、素子の耐久性が向上する。ここで非酸化部分における電流密度において、最高値をJmax、最小値をJminとしたときのJmax/Jminの変化の様子を図2(B)に点線で示す。なお、d2が20μmより小さい範囲では、Jmax/Jmin(点線)はJc/Je(実線)とほぼ一致している。 In addition, by expanding the current density concentrated at the periphery of the oxidation confinement diameter to the center, the occurrence of non-radiative recombination portions spreading from the periphery is suppressed, and the durability of the device is improved. The dotted line in FIG. 2B shows how Jmax/Jmin changes when Jmax is the maximum value and Jmin is the minimum value of the current density in the non-oxidized portion. Note that Jmax/Jmin (dotted line) substantially agrees with Jc/Je (solid line) in the range where d2 is less than 20 μm.
耐久性の面からは、
Jmax < 3.3 × Jmin (4)
となることが好ましい。耐久性は、一般的に電流密度の二乗に反比例すると言われるため、式4の条件を満たすことで、非酸化部分における局所耐久性の面内ばらつきを一桁以内に収めることができる。
In terms of durability,
Jmax < 3.3 × Jmin (4)
It is preferable that Since the durability is generally said to be inversely proportional to the square of the current density, by satisfying the condition of
ここで、耐久性よりも遠視野プロファイルを重視する場合は、
Jmax < 10 × Jmin (5)
であってもよい。式(5)の条件を満たすことで、非酸化部分における局所耐久性のばらつきを二桁以内に収めることができる。
Now, if you care more about far-field profile than durability,
Jmax < 10 × Jmin (5)
may be By satisfying the condition of formula (5), the variation in local durability in the non-oxidized portion can be kept within two digits.
好適なデバイス構成、非酸化狭窄径d1、絶縁開口部の直径d2の3つの要素は、お互いに影響を及ぼし、用途あるいは要求に応じて決定される。一例として、図1に示すデバイス構成が、後述する実施例1のように、非酸化狭窄径d1が30μmの場合には、絶縁開口部の直径d2は、耐久性を重視した場合は12~18μmが好適な値となる。また、耐久性よりも遠視野プロファイルを重視する用途に対しては、d2の値は12μm以下であっても良い。 Three factors, the preferred device configuration, non-oxidized constriction diameter d1, and insulating aperture diameter d2, influence each other and are determined according to the application or requirements. As an example, when the device configuration shown in FIG. 1 has a non-oxidized constriction diameter d1 of 30 μm as in Example 1 described later, the diameter d2 of the insulating opening is 12 to 18 μm when emphasis is placed on durability. is a suitable value. Also, for applications where far field profile is more important than durability, the value of d2 may be 12 μm or less.
デバイス構成が変わると、適するd1、d2の範囲はそれに伴い変化するため、用途に応じて好適範囲を選択する。 When the device configuration changes, the suitable ranges of d1 and d2 change accordingly, so suitable ranges are selected according to the application.
第二の電流狭窄構造を形成するために、本発明では、第二のDBR104上に透明導電層162を設けている。透明導電層162は、従来技術(図13)で用いているp-GaAs層よりも薄くすることができるので、第二狭窄構造の抵抗を小さくすることができる。このため、VCSEL100全体に対して、第二の電流狭窄構造部における電圧上昇は、イオン注入による形成法と比較すると一桁程度小さくすることができる。この素子を光源として用いることで、測距精度や測距可能距離の向上のみならず、小型化、軽量化を実現する測距装置を提供することが可能となる。
In order to form the second current confinement structure, the present invention provides a transparent
以下、本発明の実施例について、発光素子の具体的な層構成等を示しながら、より詳細に説明する。 EXAMPLES Hereinafter, examples of the present invention will be described in more detail, showing specific layer structures of light-emitting elements and the like.
(実施例1)
図3を用いて、本実施例に係るVCSEL300の説明を行う。図3は実施例1のVCSEL300の断面図である。VCSEL300は、GaAs基板301、第一のDBR302、半導体共振器部303、第二のDBR304がこの順で積層されて構成されている。なお、図3においてこれらの部材は直接接しているが、間に他の部材が設けられていてもよい。また、上記の記載は、構造を表す説明であり、各部材の製造の順序を限定するものではない。
(Example 1)
A
共振器部303の中には3つの量子井戸層340が配置されている。第二のDBR304の一部に、Al0.98GaAsを水蒸気酸化により酸化することにより周囲に絶縁性を持たせた酸化狭窄層306が形成されている。
Three quantum well layers 340 are arranged in the
共振器部303および第二のDBR304は筒状のメサ状に加工されており、その上から絶縁膜361で覆われている。さらに、絶縁膜361の上にITO(Indium Tin Oxide)層362が形成されている。
The
図3に示すように、メサ状に加工された第二のDBR304の上面には、中央部が部分的に除去された絶縁膜361が設けられ、当該除去された部分においてITO層362が第二のDBR304の上面と接している。絶縁膜361が除去された部分のことを、本開示では絶縁開口と称する。ITO層362は、絶縁開口部分において第二のDBR304の上面と接しているといえる。絶縁開口の形状は本実施例では円形である。また、ITO層362の一部には上部リング電極350が電気的に接触している。下部共通電極351はGaAs基板301裏面とオーミックコンタクトしている。
As shown in FIG. 3, the upper surface of the
第一のDBR302は、光学膜厚がλc/4のAl0.1GaAs層とAl0.9GaAs層を1ペアとして、それが35ペア積層されて構成されている。λcとは、第一のDBR302の高反射帯域の中心波長であり、本実施例では940nmである。
The
量子井戸層340は厚さ8nmのIn0.1GaAs層を10nmのAl0.1GaAs
障壁層で挟んだ構成となっている。本実施例では、共振器部303に3つの量子井戸層を配置している。
The
It is sandwiched between barrier layers. In this embodiment, three quantum well layers are arranged in the
第二のDBR304は、光学膜厚がλc/4のAl0.1GaAs層とAl0.9GaAs層を1ペアとして、それが20ペア積層されて構成されている。そして、最上層のAl0.1
GaAs層の一部は、厚さ50nm、キャリア濃度1x1019cm-3のGaAsコン
タクト層に置き換わっており、透明導電層(ITO層)362との電気的なコンタクト性を改善している。第二のDBR304内の量子井戸層340に最も近いAl0.1GaAs
層の一部は、厚さ30nmのAl0.98GaAs層に置き換わっている。このAl0.98GaAs層には、VCSEL300のメサ形成後に、メサ側壁より水蒸気酸化によりメサ端から所定の長さを酸化することで周囲に絶縁性を持たせた酸化狭窄層306が形成されている。
The
A part of the GaAs layer is replaced with a GaAs contact layer having a thickness of 50 nm and a carrier concentration of 1×10 19 cm −3 to improve electrical contact with the transparent conductive layer (ITO layer) 362 . Al 0.1 GaAs closest to the
Part of the layer is replaced by a 30 nm thick Al 0.98 GaAs layer. In this Al 0.98 GaAs layer, after the formation of the mesa of the
ITO層362の光学膜厚はλc/2とする。
The optical film thickness of the
絶縁膜361が除去された絶縁開口部分の直径d2は10μmであり、酸化狭窄層30
6の内側の半導体部分(つまり、電流が流れることが可能な部分、非酸化部分)の直径d1は30μmとなっている。上記非酸化部分が共振器部103において電流が流れることができる部分であるため、非酸化部分の径がVCSELの発光径となる。これは本実施例及び実施例2以下においても同じである。
The diameter d2 of the insulating opening portion where the insulating
The diameter d1 of the semiconductor portion inside 6 (that is, the portion through which current can flow, the non-oxidized portion) is 30 μm. Since the non-oxidized portion is a portion through which current can flow in the
本実施例では、図2(A)、図2(B)で示したように、量子井戸層340に流れ込む電流密度分布の形状を中央に凸の形状を形成し、遠視野像を制御することが出来る。本実施例の構成では、Jc/Je、Jmax/Jminの値は4.2である。本実施例は短時間での使用を想定しているため、Jmax/Jminの値として、3.3より大きい値を選択した。一方、寿命特性を重要視する場合は、d2を例えば15μmとすることができる。この場合には、Jc/Je、Jmax/Jminの値は2.4となる。
In this embodiment, as shown in FIGS. 2A and 2B, the shape of the current density distribution flowing into the
更に、第二の狭窄構造は、300nm厚程度の薄い透明導電層362を第二のDBR304上に設けることで形成される。このため、VCSEL300全体に対して、第二の狭窄構造における電圧上昇は、イオン注入による形成法と比較すると一桁程度小さくすることができる。そのため、本実施例の発光素子を光源として用いることで、測距精度や測距
可能距離の向上のみならず、小型化、軽量化を実現する測距装置を提供することが可能となる。
Furthermore, a second constriction structure is formed by providing a thin transparent
(実施例2)
図4を用いて、実施例2に係るVCSEL400を説明する。本実施例では、絶縁開口を設けることなく、実施例1と同様のコンタクト領域の制限による第二のDBR上面での電流狭窄機能を実現する。
(Example 2)
A
図4は、実施例2のVCSEL400の断面図である。図4においては、下部共通電極351から第二のDBR304までは実施例1と同様の構成であるので同じ部番を付しており、説明は省略する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a
第二のDBR304の上には、トンネル接合層442が配置されている。トンネル接合層442は図4に示すように第二のDBR304の最表面のうち、メサ中心を含む直径d4の部分のみに存在している。直径d4は酸化狭窄層106の非酸化部分の直径d1よりも小さい。そして、トンネル接合層442の上面、及び第二のDBR304の上面のうち、トンネル接合層442が配置されていない部分には、ITO層462が設けられる。ITO層462の光学厚さは、λc/2の整数倍であれば良いが、ITO層でも多少なりとも光が吸収されるため、基板横方向の導電性に問題がなければ、λc/2であることが好ましい。ITO層462上には上部リング電極450が配置されている。
A
トンネル接合層442は、基板側から、キャリア濃度5x1019cm-3にドープさ
れたp型GaAs層440と、その上にキャリア濃度1x1019cm-3にドープされ
たn型GaAs層441の少なくとも二つの層で構成されている。この二つの層を合わせた光学膜厚は、λc/2の整数倍となるよう設定される。例えば、n型GaAs層441の実厚さを、190nmとする。
The
ハイドープされたp型GaAs層での吸収が問題となる場合は、p型GaAs層440を複数の層で構成しても良い。例えば、基板側の層はキャリア密度1x1018cm-3
にドープし、その上の層(n型GaAs層441と接する層)を、キャリア密度1x1019cm-3の薄い(例えば厚さ20nm)層とする、2層構成としても良い。
If the absorption in the highly doped p-type GaAs layer becomes a problem, the p-
may be doped, and the upper layer (the layer in contact with the n-type GaAs layer 441) may be a thin layer (for example, 20 nm thick) having a carrier density of 1×10 19 cm −3 .
また、トンネル接合層442のパターニングにおいて、エッチングストップ層が必要な場合は、第二のDBR304と、トンネル接合層442との間に、エッチングストップ層を挟んだ構成としても良い。エッチングストップ層の光学膜厚は、λc/2の整数倍となるよう設定する。
If an etching stop layer is required in the patterning of the
このように、トンネル接合層はキャリア濃度が1x1018cm-3を超えるp型層とn型層が接合されているため、いわゆるトンネルダイオードとなっており、トンネル効果によりpn界面に生じる薄い空乏層を介して逆方向にも電流が流れる。そのため、上部リング電極450と下部電極151との間に、上部リング電極450が正となるように電圧を印加すると、上部リング電極450からITO層462、トンネル接合層442を通して第二のDBR304へと電流が流れる。第二のDBR304へと流れ込んだ電流は、実施例1の図3の構成と同様に、第二のDBR304内で電流が拡散し、活性層に注入される電流密度分布は、中央が高い凸状の電流密度分布となる。
Thus, the tunnel junction layer is a so-called tunnel diode because the p-type layer and the n-type layer having a carrier concentration exceeding 1×10 18 cm −3 are joined together, and a thin depletion layer is generated at the pn interface by the tunnel effect. Current also flows in the opposite direction through Therefore, when a voltage is applied between the
このように本実施例の構成によっても、実施例1と同様に遠視野像を制御することが出来る。また、酸化狭窄径の周縁部に集中していた電流密度を中央部に広げることで、周縁部から広がる非発光再結合部の発生等が抑制されるため、素子の耐久性が向上する。 As described above, the configuration of this embodiment can also control the far-field pattern in the same manner as in the first embodiment. In addition, by expanding the current density concentrated at the periphery of the oxidation confinement diameter to the center, the occurrence of non-radiative recombination portions spreading from the periphery is suppressed, and the durability of the device is improved.
更に、第二の狭窄構造は、薄い透明導電膜462とトンネル接合層442を第二のDBR304上に設けることで形成される。トンネル接合層は、p型層もn型層もキャリア濃度が1019オーダーのハイドープ層となっており低抵抗である。このため、VCSEL400全体に対して、第二の狭窄構造における電圧上昇は、イオン注入による形成法と比較すると一桁程度小さくすることができる。そのため、本実施例の発光素子を光源として用いることで、測距精度や測距可能距離の向上のみならず、小型化、軽量化を実現する測距装置を提供することが可能となる。
Furthermore, a second constriction structure is formed by providing a thin transparent
(実施例3)
図5を用いて、実施例3のVCSEL500を説明する。絶縁開口を設ける点で実施例1と共通し、トンネル接合層を設ける点で実施例2と共通する。以下、実施例1,2との相違を主に説明する。
(Example 3)
A
図5は、実施例3のVCSEL500の断面図である。VCSEL500は、GaAs基板301、第一のDBR302、半導体共振器部303、第二のDBR504、トンネル接合層542がこの順で積層されて構成されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a
共振器部303、第二のDBR504、およびトンネル接合層542は筒状のメサ状に加工されており、その上から絶縁層561で覆われている。絶縁層561の上にITO層562が形成されている。
The
図5に示すように、メサ状に加工された第二のDBR504の上面には、中央部が部分的に除去された絶縁層561が設けられ、この絶縁開口においてITO層562がトンネル接合層542の上面と接している。絶縁開口の形状は本実施例では円形である。また、ITO562の一部には上部リング電極550が電気的に接触している。下部共通電極551はGaAs基板501裏面とオーミックコンタクトしている。
As shown in FIG. 5, the upper surface of the
トンネル接合層542は、キャリア濃度5x1019cm-3にドープされたp型Ga
As層540と、キャリア濃度1x1019cm-3にドープされたn型GaAs層54
1で構成されている。このように、トンネル接合層はキャリア濃度が1x1018cm-3を超えるp型層とn型層が接合されているため、いわゆるトンネルダイオードとなっている。したがって、実施例2のトンネル接合層442と同様に、トンネル効果によりpn界面に生じる薄い空乏層を介して逆方向にも電流が流れるようになっている。
As
1. Thus, the tunnel junction layer is a so-called tunnel diode because the p-type layer and the n-type layer having a carrier concentration exceeding 1×10 18 cm −3 are joined. Therefore, as in the
本実施例は、メサ上部の絶縁膜の一部に開口が存在している構成は実施例1と同じであるが、本実施例ではトンネル接合層542が存在しているため、好ましい絶縁開口の直径d6および非酸化部の直径d5が実施例1とは異なる。この効果について以下で説明する。 This embodiment is the same as the first embodiment in that the opening exists in a part of the insulating film above the mesa. The diameter d6 and the diameter d5 of the non-oxidized portion are different from those of the first embodiment. This effect will be explained below.
本実施例において、絶縁層561が除去された絶縁開口部分の直径d6は、20μmであり、酸化狭窄層506の内側の非酸化部分の直径d5は70μmとなっている。
In this embodiment, the diameter d6 of the insulating opening portion where the insulating
これによる効果について、図6(A)の計算結果を元に説明する。図6(A)では、横軸に非酸化部における半径方向の位置を、縦軸に電流密度を、図中の数値に絶縁開口部分の直径d6の値を示している。図6(A)は、d5を70μmに固定して、d5を10μmから69μmの範囲で変化させたときの電流密度の分布を示す。図6(A)より、d6が30μmまでであれば、電流密度分布は中央が凸の形状を維持している。そして、酸化部と非酸化部の境界、つまり図6(A)の横軸35μmの位置まで電流を注入できていることが分かる。 The effect of this will be described based on the calculation result of FIG. 6(A). In FIG. 6A, the horizontal axis indicates the radial position in the non-oxidized portion, the vertical axis indicates the current density, and the numerical values in the figure indicate the diameter d6 of the insulating opening. FIG. 6A shows the current density distribution when d5 is fixed at 70 μm and d5 is varied in the range from 10 μm to 69 μm. From FIG. 6A, the current density distribution maintains a convex shape at the center when d6 is up to 30 μm. It can be seen that the current can be injected to the boundary between the oxidized portion and the non-oxidized portion, that is, the position of 35 μm on the horizontal axis in FIG. 6(A).
図6(B)に、d5を70μmに固定してd6を変化させた場合のJc/Jeの比を実線で示す。図6(B)より、d6が35μm程度より小さい場合に、式3を満たすことがわかる。
The solid line in FIG. 6B shows the ratio of Jc/Je when d5 is fixed at 70 μm and d6 is changed. From FIG. 6B, it can be seen that
また、比較として、実施例1の場合を点線で示す。ここで示す実施例1の場合とは、実施例1の構造において、d1が70μmの場合である。Jmax/Jminについては、d6またはd2が30μm以上でJc/Jeとほぼ一致するため、記載を省略する。 For comparison, the case of Example 1 is indicated by a dotted line. The case of Example 1 shown here is the case where d1 is 70 μm in the structure of Example 1. FIG. Description of Jmax/Jmin is omitted because it substantially matches Jc/Je when d6 or d2 is 30 μm or more.
同様に計算を行うことで、d1またはd5が任意の値をとるときに、式3と式5を同時に満たすd2またはd6の値を求めることができる。表1に、d1またはd5が30、50、70、100μmの時に、式3と式5を同時に満たすd2またはd6の値を記載する。
表1より、実施例1の場合は、d1が30~70μmの間において、好ましいd2の範囲の最小が4μmであり、また、d1が50μmの時に許容されるd2の範囲が最大(6μm)となる。一方、本実施例では、d5が少なくとも50~100μmの間において、好ましいd6の範囲が少なくとも9μm以上あることがわかる。 From Table 1, in the case of Example 1, when d1 is between 30 and 70 μm, the minimum preferable range of d2 is 4 μm, and when d1 is 50 μm, the maximum allowable range of d2 is 6 μm. Become. On the other hand, in this example, it can be seen that the preferred range of d6 is at least 9 μm or more when d5 is at least between 50 and 100 μm.
このように、本実施例では、メサ最上部にトンネル接合層542を設けており、特にトンネル接合層542内のn型GaAs層541により、キャリアが基板と平行な方向に広がる。したがって、実施例1と比較して、発光面積をより大きくしても、望ましい電流密
度分布を実現することができる。
Thus, in this embodiment, the
本実施例によれば、実施例1と比較して、非酸化部の直径を大きく設定することが可能となるため、より高出力となる発光素子が実現できる。 According to the present embodiment, it is possible to set the diameter of the non-oxidized portion larger than that of the first embodiment, so that a light emitting device with higher output can be realized.
なお、本実施例では、トンネル接合層542は、第二のDBR504の上側に位置するよう記載したが、第二のDBR504の最上層である高屈折率層の代わりに、トンネル接合層を配置しても良い。その場合は、トンネル接合層の光学膜厚がλc/4の奇数倍となるよう、膜厚を設定する。本実施例の場合は、n型GaAs層541にて横方向のキャリアが拡散するため、この膜厚をある程度以上厚く設定する必要がある。例えば、190nmとし、トンネル接合層の光学膜厚を、3λc/4とすることができる。
In this embodiment, the
また、本実施例では、トンネル接合層542を、第二のDBR304の上面全体に設けているが、少なくともメサ構造の周辺部にはトンネル接合層542を設けなくてもよい。例えば、トンネル接合層542は、メサ中心を含み直径がd5より大きくして、平面視において酸化狭窄層306の非酸化部分の全体を含むような形成してもよい。
In this embodiment, the
(実施例4)
図7を用いて、実施例4のVCSEL700を説明する。本実施例では、ITO層の膜厚を薄くすることで、ITO層での光の吸収を低減する。
(Example 4)
A
本実施例での説明は上述の実施例1をベースに記載する。実施例1と同様の構成には同じ符号を付し説明は省く。また図7では、第一のDBR302以上の構成のみ記載する。
The description of this embodiment is based on the first embodiment described above. The same reference numerals are given to the same configurations as in the first embodiment, and the description thereof is omitted. Also, in FIG. 7, only the configuration above the
実施例1において、ITO層の吸収が多く、VCSELの発振や出力に影響がある場合は、本実施例のように、ITO層の膜厚をλc/2よりも薄くし、その上に透明絶縁体単層、または複数の層を設置することが可能である。 In Example 1, if the ITO layer absorbs a lot and affects the oscillation and output of the VCSEL, the film thickness of the ITO layer is made thinner than λc/2 as in this example, and a transparent insulating layer is formed thereon. It is possible to install a single layer, or multiple layers.
本実施例で説明するVCSEL700は、メサ状に加工された第二のDBR304の上面には、中央部が部分的に除去された絶縁膜361が設けられ、この絶縁開口においてITO層762が第二のDBR304の上面と接している。ここで、ITO層762の膜厚を100nmとする。その上に透明絶縁膜層763(例えばSiOx)を、ITO層762と透明絶縁膜層763の2層を足した光学膜厚が、λc/2の整数倍となるよう形成する。ITO層762の一部には、透明絶縁膜層763を一部除去した部分において、上部リング電極750が電気的に接続している。
In the
ここで、ITO層762の光学膜厚がλc/2からずれたことにより、絶縁開口部における反射率が低下することが問題となる場合には、透明絶縁膜層763の上に更に複数の透明絶縁膜層を形成しても良い。ITO層762と接する透明絶縁膜の厚さを、ITO層762と合わせてλc/2としたあと、屈折率の異なる2種類の層を、その光学膜厚がλc/4となるように交互積層することにより、絶縁開口部における反射率を向上させることが可能となる。
Here, if the optical film thickness of the
透明絶縁膜層763の上に、さらに透明絶縁膜を形成する場合は、これらの透明絶縁層にも透明絶縁膜層763と同様の開口を形成して、上部リング電極750とITO層762が電気的に接続するようにする。
When further transparent insulating films are formed on the transparent
本実施例によれば、実施例1の効果に加えて、ITOによる吸収を低減できるため、更に発光効率を向上させることができる。また、反射率低減により発振しなくなるリスクを低減することが可能となる。 According to this example, in addition to the effect of Example 1, absorption by ITO can be reduced, so that luminous efficiency can be further improved. In addition, it is possible to reduce the risk of stopping oscillation due to the reduction in reflectance.
なお、本実施例は実施例1をベースに記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の実施例や実施の形態の構成にも適用可能である。 Although the present embodiment has been described based on the first embodiment, the present invention is not limited to this, and can be applied to the configurations of other embodiments and embodiments.
本実施例では、ITO層762の厚さを100nmとしたが、ITO層の厚さは、その電気伝導率により上部リング電極からトンネル接合部までの抵抗値上昇が問題とならない程度まで薄くすることが可能である。一方、絶縁開口部の段差による断線の可能性を考慮すると、10nm以上とすることが好ましい。
In this example, the thickness of the
(実施例5)
図8を用いて、実施例5のVCSEL800を説明する。VCSEL800は実施例1と比較し、ITO層362上に、更に第三のDBR801を有している。第三のDBRは、SiOx、SiNx、TiOx等の誘電体の多層膜により構成されうる。
(Example 5)
A
第一の実施例では、d2の大きさを10μmまたは15μmとした。15μmは、耐久性を重視した場合の設計である。ここで、プロセスの制約等により、d2の大きさを15μm以下にできないことも想定される。このような場合に、Jc/Je、Jmax/Jminの値を大きくするために、本実施例では、第二のDBR804の厚さを、第一の実施例で設定した厚さよりも薄くし、それにより減った反射率を、第三のDBRを設けることで補償する。
In the first example, the size of d2 was set to 10 μm or 15 μm. 15 μm is a design when emphasis is placed on durability. Here, it is assumed that the size of d2 cannot be set to 15 μm or less due to process restrictions or the like. In such a case, in order to increase the values of Jc/Je and Jmax/Jmin, in this embodiment, the thickness of the
具体的には、第二のDBR804の厚さを、実施例1と比較して3/5とすると、d2が15μmであっても、Jc/Je、Jmax/Jminの値として、4.4が得られる。
Specifically, if the thickness of the
なお、第三のDBR801の紙面横方向の大きさとしては、活性層よりも上の共振器として、光学的に十分大きい必要がある。図8では、第三のDBR801の大きさを、上部リング電極350の内径よりも小さくd1よりも大きくしているが、これに限定されるものではない。第三のDBR801の大きさは、上部リング電極350内径と同程度かそれ以上であっても、上部リング電極350に電流供給できるような構成であれば良い。
It should be noted that the size of the
本実施例では、第二のDBR804の厚さを、実施例1よりも薄く設定したが、望ましい電流密度分布を得るために、第二のDBR804の厚さを実施例1よりも厚くしてもよい。その場合は、例えば、第二のDBRのうち1層或いは複数の層を3/4λcとすることができる。
In this example, the thickness of the
(実施例6)
図9を用いて、本発明の実施例6のVCSEL900を説明する。VCSEL900は実施例1と比較し、λcを850nmとする点が異なる。そのため、第一のDBR502、第二のDBR504において、各層の光学膜厚を、λc/4(=212.5nm)となるよう変更する。また、量子井戸層540、共振部503の組成や光学膜厚も適宜調整する。
(Example 6)
A
具体的には、量子井戸層540は、厚さ8nmのGaAs層を、8nmのAl0.3GaAs障壁層で挟んだ構成とする。本実施例では、共振部503に3つの量子井戸層を配置している。
Specifically, the
このようにすることで、基板での吸収率が高く、裏面出射では高出力化が難しい850nm帯の波長に対しても、基板による吸収の影響を抑え、高出力な半導体発光素子を提供できる。 By doing so, even for a wavelength in the 850 nm band, which has a high absorptivity in the substrate and is difficult to achieve high output in the case of back emission, the effect of absorption by the substrate can be suppressed, and a high output semiconductor light emitting device can be provided.
本実施例は、実施例1に対して発振波長を変更した構成としたが、本発明が提供する例としては、実施例2~5記載のどの例に対しても同様に適応可能である。 Although this embodiment has a configuration in which the oscillation wavelength is changed from that of the first embodiment, any of the examples described in the second to fifth embodiments can be similarly applied as an example provided by the present invention.
(実施例7)
図10を用いて、本実施例に係るVCSEL3300の説明を行う。図10は実施例7のVCSEL3300の断面図である。本実施例は、実施例1のVCSEL300とは異なり、第二のDBR304とITO層362の間に厚膜コンタクト層3400が設けられている。本実施例において厚膜コンタクト層3400は、光学膜厚λc/2のp型GaAs層である。
(Example 7)
A
VCSEL3300は、GaAs基板301、第一のDBR302、半導体共振器部303、第二のDBR304、厚膜コンタクト層3400がこの順で積層されて構成されている。なお、図10においてこれらの部材は直接接しているが、間に他の部材が設けられていてもよい。また、上記の記載は、構造を表す説明であり、各部材の製造の順序を限定するものではない。
The
共振器部303の中には3つの量子井戸層340が配置されている。第二のDBR304の一部に、Al0.98GaAsを水蒸気酸化により酸化することにより周囲に絶縁性を持たせた酸化狭窄層306が形成されている。
Three quantum well layers 340 are arranged in the
共振器部303および第二のDBR304、厚膜コンタクト層3400は筒状のメサ状に加工されており、その上から絶縁膜361で覆われている。さらに、絶縁膜361の上にITO(Indium Tin Oxide)層362が形成されている。
The
図10に示すように、メサ状に加工された厚膜コンタクト層3400の上面には、中央部が部分的に除去された絶縁膜361が設けられ、当該除去された部分においてITO層362が厚膜コンタクト層3400の上面と接している。絶縁膜361が除去された部分を、本明細書では絶縁開口と称する。ITO層362は、絶縁開口部分において厚膜コンタクト層3400の上面と接している。すなわち、ITO層362と、ITO層362とが接する半導体層によって、コンタクト部が構成されている。絶縁開口の形状は本実施例では円形である。また、ITO層362の一部には上部リング電極350が電気的に接触している。下部共通電極351はGaAs基板301の裏面とオーミックコンタクトしている。
As shown in FIG. 10, an insulating
ところで、DBRを構成する層はλc/4の奇数倍の光学膜厚を有することが好ましく、光学膜厚がλc/2に近づくと、反射層として機能しなくなる。本実施例の厚膜コンタクト層3400はその光学膜厚がλc/2となっているため、DBRの層とはなっていない。このように、本実施例のVCSEL3300は第一実施例VCSEL300とは異なり、VCSELを構成するDBRとして機能する部分とITO層が直接接していない。しかし、本実施例でも実施例1と同様に、量子井戸層に流れ込む電流分布を好適な形状に制御することが出来る。それは、本発明で量子井戸層に流れ込む電流分布を好適な形状に制御しているのは、2つの電流狭窄層とその間にある半導体層であるためである。本実施例
では酸化狭窄層306と絶縁膜361に構成されている絶縁開口で規定される電流狭窄構造が2つの電流狭窄層であり、その間にある半導体層での電流の広がりを利用している。
そのため、ITO層がDBRとして機能している層と直接接しているか否かを問わず、発明の効果を奏する。
By the way, the layer constituting the DBR preferably has an optical thickness that is an odd multiple of λc/4. Since the thick-
Therefore, the effects of the invention can be obtained regardless of whether or not the ITO layer is in direct contact with the layer functioning as the DBR.
ITOは一般にn型半導体であり、本実施例のITO層362もn型半導体である。そのため、p型半導体層である厚膜コンタクト層3400との界面はp-n接合となってお
り、空乏層が生じることになる。このため、p型の半導体層側の膜厚のうち、正孔が存在する幅は、空乏層の幅だけ狭くなる。さらに、ITO層362との界面に存在する欠陥準位に起因して、界面付近では正孔の減少が生じる。
ITO is generally an n-type semiconductor, and the
したがって、ITO層を用いたコンタクトの場合には、ITO層のキャリア濃度の条件などによっては、通常のp型のコンタクト電極を用いたコンタクトと比較して厚い膜厚を有するコンタクト層が必要となることもある。そのような場合に、本実施例の様に、VCSELの上部反射率を変えずに光学膜厚λc/2の整数倍でコンタクト層の厚膜化が可能な本実施例の構成は有利である。 Therefore, in the case of a contact using an ITO layer, depending on conditions such as the carrier concentration of the ITO layer, a contact layer having a greater thickness than a contact using a normal p-type contact electrode is required. Sometimes. In such a case, the configuration of this embodiment is advantageous in that it is possible to increase the thickness of the contact layer by an integer multiple of the optical thickness λc/2 without changing the top reflectance of the VCSEL. .
また、上記実施例で説明したように、本発明は、2つの電流狭窄構造とその間の半導体
層を利用してキャリアの広がりを制御している。そのため、2つの電流狭窄構造の間の半
導体層の総膜厚も重要なパラメータとなる。例えば、DBRの反射率を確保するという観点から好適なペア数分の膜厚を設定すると、好適なキャリアの広がりに必要な膜厚が不足している場合がある。この場合に、ITO層とDBRとの間にλc/2の整数倍の光学膜厚を有する半導体層を設け、適切な膜厚を有する構成とすることができる。これにより、DBRの反射率確保とキャリアの広がり制御の両立を図ることができる。
Also, as described in the above embodiments, the present invention utilizes two current confinement structures and a semiconductor layer therebetween to control carrier spread. Therefore, the total film thickness of the semiconductor layers between the two current confinement structures is also an important parameter. For example, if the film thickness is set for the number of suitable pairs from the viewpoint of securing the reflectance of the DBR, the film thickness necessary for suitable spread of carriers may be insufficient. In this case, a semiconductor layer having an optical film thickness that is an integral multiple of λc/2 may be provided between the ITO layer and the DBR to obtain a structure having an appropriate film thickness. As a result, it is possible to ensure both the DBR reflectivity and the spread control of carriers.
また、本実施例は、実施例1のVCSELに厚膜コンタクト層3400を設けた構成を示したが、実施例2~6記載のどのVCSELに厚膜コンタクト層3400を設けても構
わない。いずれの場合も、上記で説明したように、DBRの反射率確保とキャリアの広がり制御の両立を実現できる。
Moreover, although this embodiment shows the configuration in which the VCSEL of the first embodiment is provided with the thick-
(実施例8)
図11を用いて、本発明の実施例8であるVCSELアレイ1000を説明する。ここまでの実施例ではVCSEL発光部が1つの場合について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のVCSEL発光部を有するように構成してもよい。
(Example 8)
A
図11に示すように、本実施例のVCSELアレイ1000では、実施例1記載のVCSEL300がアレイ状に複数並んでいる。円910は、上部リング電極の内径を表している。一点鎖線911は、発光エリアを示しており、この内径がd1である。また、点線で示された部分が上部電極のPad部920である。
As shown in FIG. 11, in a
図11に示されるように、複数の発光点が同一電極に接続されており、複数の発光点は同時に発光する。このような構成とすることで、発光素子からの出力を更に高出力とすることができる。 As shown in FIG. 11, multiple light emitting points are connected to the same electrode, and the multiple light emitting points emit light simultaneously. With such a structure, the output from the light emitting element can be further increased.
本実施例は、16点の発光点が4×4に三角格子状に並んでいる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、用途に応じて、発光点の個数や発光点の配置を適宜変更することができる。また、複数の発光点が一括で同時に駆動する例を示したが、用途に応じて、発光点とそれに対応する上部電極を複数のまとまり、または個別に分割し、発光するタイミングを変えても良い。 Although this embodiment shows an example in which 16 light-emitting points are arranged in a 4×4 triangular lattice, the present invention is not limited to this, and the number of light-emitting points and The arrangement of the light emitting points can be changed as appropriate. In addition, although an example in which a plurality of light emitting points are collectively driven at the same time has been shown, depending on the application, the light emitting points and the corresponding upper electrodes may be divided into a plurality of groups or individually, and the timing of light emission may be changed. .
また、本実施例は、実施例1のVCSELをアレイ化した構成を示したが、実施例2~7記載のどのVCSELをアレイ化しても構わない。実施例3を元にしたVCSELを用
いてアレイ化することにより、実施例1、2を元にしたVCSELを用いた場合に比べて、非酸化部の直径を大きく設定することが可能となるため、アレイ化した際により小さい面積で高出力化が実現できる。
Moreover, although this embodiment shows the configuration in which the VCSELs of the first embodiment are arrayed, any of the VCSELs described in the second to seventh embodiments may be arrayed. By forming an array using the VCSEL based on Example 3, it is possible to set the diameter of the non-oxidized portion larger than when using the VCSEL based on Examples 1 and 2. , high output can be realized in a smaller area when arrayed.
(実施例9)
図12に実施例9の測距装置2000を示す。図12は、上述の実施例に記載のVCSELを光源部に使用したレーザ画像検出と測距 (light detection and ranging, LiDAR)
装置である。
(Example 9)
FIG. 12 shows a
It is a device.
図12に示すように、測距装置2000は、全体制御部1010、VCSELドライバ1020、VCSEL1030、発光側光学系1040、受光側光学系1060、受光イメージセンサ1070、距離データ処理部1080で構成されている。
As shown in FIG. 12, the
本実施例では、VCSEL1030は、実施例1で説明したVCSELを用いているが、本発明はこれに限られることはなく、実施例1~8で説明したVCSELあるいはVCSELアレイが適宜適用される。
In this embodiment, the VCSEL described in
VCSEL1030は上記実施例で説明したVCSELがパッケージに実装され構成されたものである。発光側光学系1040、受光側光学系1060は、1枚の凸レンズ形状
の部材であっても、複数のレンズを組み合わせたレンズ群から構成されていてもよい。受光イメージセンサ1070は、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)光センサを2次元アレイ状に配列したイメージセンサである。
The
測距装置2000の動作の概要は以下である。まず、全体制御部1010からVCSELドライバ1020に駆動信号が出る。駆動信号を受けて、VCSELドライバ1020
はVCSEL1030に所定の電流値の電流を注入し、VCSEL1030を発振させる。
An outline of the operation of the
injects a current of a predetermined current value into the
VCSEL1030で発生したレーザ光は発光側光学系1040を通して、測定対象物1200にあたり、測定対象物1200で反射した反射光は受光側光学系1060を通して受光イメージセンサ1070に入射する。このようにして、VCSEL1030から出射した光の反射光が受光イメージセンサ1070の各画素によって検出される。距離データ処理部1080は、受光イメージセンサ1070と電気的に接続されていればよい。そのため、受光イメージセンサ1070と同じパッケージ内に配置されていても、別パッケージに実装されていて、回路基板などで電気的に接続されていても良い。
The laser light generated by the
受光イメージセンサ1070の各画素から出力される電気信号パルスは距離データ処理部1080に入力される。距離データ処理部1080では、受光側光学系1060の各画素から出力される電気信号パルスの時間(検出タイミング)から、光伝搬方向の距離情報を算出し、3次元情報が生成、出力される。
An electric signal pulse output from each pixel of the light receiving
このようにして測距装置2000は3次元情報を取得して出力することができる。
In this manner, the
測距装置2000は、自動車分野において、他の車両と衝突しない制御、他の車両に追従して自動運転する制御などに適用可能である。さらに、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体(移動装置)および、移動体検出システムなどに使用できる。さらに、広く物体を距離情報を含めて3次元的に認識を利用する機器に適用することができる。
3次元情報の用途は上記以外に限定されない。例えば、距離情報を画像処理に利用してもよい。現実空間の画像を取得して仮想物体を重畳して表示する際に、現実空間の三次元情報を使用することで、仮想物体を現実世界の上に違和感なく表示できる。また、画像取得時に3次元情報を合わせて取得することで、撮影後に3次元情報に基づいてボケ味を修正することができる。 Applications of the three-dimensional information are not limited to those described above. For example, distance information may be used for image processing. By using three-dimensional information of the real space when an image of the real space is acquired and the virtual object is superimposed and displayed, the virtual object can be displayed on the real world without a sense of discomfort. Also, by acquiring three-dimensional information when acquiring an image, it is possible to correct blur based on the three-dimensional information after photographing.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist.
(付記)
本開示は以下の構成および方法を含む。
[構成1]
基板、第一の反射鏡、活性層を含む共振器部、第二の反射鏡、および透明導電膜がこの順に積層された構造を有する半導体発光素子であって、
酸化狭窄層によって構成される第一の電流狭窄部と、
前記第二の反射鏡の上面に形成され開口を有する絶縁膜、および、前記透明導電膜と前記透明導電膜が接する半導体層とのコンタクト部によって構成される第二の電流狭窄部と、
を含み、
前記第二の電流狭窄部の幅d2は、前記第一の電流狭窄部の幅d1よりも小さい、
ことを特徴とする、半導体発光素子。
[構成2]
前記第二の電流狭窄部における前記絶縁膜の前記開口は、平面視において、前記第一の電流狭窄部における前記酸化狭窄層の内側の非酸化部分に含まれる、
構成1に記載の半導体発光素子。
[構成3]
前記第一の電流狭窄部の幅d1は、
30 μm ≦ d1 ≦ 70 μm
を満たす、構成1または2に記載の半導体発光素子。
[構成4]
前記第二の反射鏡の最上部にトンネル接合層が設けられ、
当該トンネル接合層の上に、前記絶縁膜および前記透明導電膜が設けられ、前記透明導電膜は前記トンネル接合層を介して前記第二の反射鏡とコンタクトしている、
構成1または2に記載の半導体発光素子。
[構成5]
前記トンネル接合層は、前記第二の反射鏡の最上部のうち平面視において、少なくとも、前記第一の電流狭窄部における前記酸化狭窄層の内側の非酸化部分を含むように設けられる、
構成4に記載の半導体発光素子。
[構成6]
前記第一の電流狭窄部の幅d1は、
50 μm ≦ d1 ≦ 100 μm
を満たす、構成4または5に記載の半導体発光素子。
[構成7]
前記透明導電膜の上に、透明絶縁膜が設けられている、
構成1から6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
[構成8]
前記第二の反射鏡の上に、さらに、誘電体により形成された第三の反射鏡が設けられている、
構成1から7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
[構成9]
構成1から8のいずれか1項に記載の半導体発光素子が複数並べて配置されている、
ことを特徴とする、発光装置。
[構成10]
構成1から8のいずれか1項に記載の半導体発光素子を含む光源と、
前記光源から発生された光の反射光を検出するセンサと、
前記反射光の検出タイミングに基づいて距離情報を取得する処理部と、
を備える、測距装置。
(Appendix)
The present disclosure includes the following configurations and methods.
[Configuration 1]
A semiconductor light emitting device having a structure in which a substrate, a first reflecting mirror, a resonator section including an active layer, a second reflecting mirror, and a transparent conductive film are laminated in this order,
a first current constriction portion constituted by an oxidized constriction layer;
a second current confinement portion composed of an insulating film formed on the upper surface of the second reflecting mirror and having an opening, and a contact portion between the transparent conductive film and a semiconductor layer with which the transparent conductive film is in contact;
including
the width d2 of the second current confinement portion is smaller than the width d1 of the first current confinement portion;
A semiconductor light emitting device characterized by:
[Configuration 2]
The opening of the insulating film in the second current confinement portion is included in a non-oxidized portion inside the oxidized confinement layer in the first current confinement portion in a plan view,
The semiconductor light emitting device according to
[Configuration 3]
The width d1 of the first current confinement portion is
30 µm ≤ d1 ≤ 70 µm
The semiconductor light emitting device according to
[Configuration 4]
A tunnel junction layer is provided on top of the second reflector,
The insulating film and the transparent conductive film are provided on the tunnel junction layer, and the transparent conductive film is in contact with the second reflector via the tunnel junction layer.
3. The semiconductor light emitting device according to
[Configuration 5]
The tunnel junction layer is provided so as to include at least an inner non-oxidized portion of the oxidized constriction layer in the first current confinement portion in a plan view of the uppermost portion of the second reflecting mirror.
The semiconductor light emitting device according to
[Configuration 6]
The width d1 of the first current confinement portion is
50 µm ≤ d1 ≤ 100 µm
The semiconductor light-emitting device according to
[Configuration 7]
A transparent insulating film is provided on the transparent conductive film,
7. The semiconductor light emitting device according to any one of
[Configuration 8]
A third reflector made of a dielectric material is further provided above the second reflector,
8. The semiconductor light emitting device according to any one of
[Configuration 9]
A plurality of semiconductor light emitting devices according to any one of
A light-emitting device characterized by:
[Configuration 10]
A light source including the semiconductor light emitting device according to any one of
a sensor that detects reflected light of the light emitted from the light source;
a processing unit that acquires distance information based on the detection timing of the reflected light;
A ranging device.
101:基板、 102:第一のDBR(第一の反射鏡)、 103:共振基部
104:第二のDBR(第二の反射鏡)、 161:絶縁膜、 162:透明導電膜
101: Substrate 102: First DBR (first reflector) 103: Resonance base 104: Second DBR (second reflector) 161: Insulating film 162: Transparent conductive film
Claims (10)
酸化狭窄層によって構成される第一の電流狭窄部と、
前記第二の反射鏡の上面に形成され開口を有する絶縁膜、および、前記透明導電膜と前記透明導電膜が接する半導体層とのコンタクト部によって構成される第二の電流狭窄部と、
を含み、
前記第二の電流狭窄部の幅d2は、前記第一の電流狭窄部の幅d1よりも小さい、
ことを特徴とする、半導体発光素子。 A semiconductor light emitting device having a structure in which a substrate, a first reflecting mirror, a resonator section including an active layer, a second reflecting mirror, and a transparent conductive film are laminated in this order,
a first current constriction portion constituted by an oxidized constriction layer;
a second current confinement portion composed of an insulating film formed on the upper surface of the second reflecting mirror and having an opening, and a contact portion between the transparent conductive film and a semiconductor layer with which the transparent conductive film is in contact;
including
the width d2 of the second current confinement portion is smaller than the width d1 of the first current confinement portion;
A semiconductor light emitting device characterized by:
請求項1に記載の半導体発光素子。 The opening of the insulating film in the second current confinement portion is included in a non-oxidized portion inside the oxidized confinement layer in the first current confinement portion in a plan view,
The semiconductor light emitting device according to claim 1.
30 μm ≦ d1 ≦ 70 μm
を満たす、請求項1に記載の半導体発光素子。 The width d1 of the first current confinement portion is
30 µm ≤ d1 ≤ 70 µm
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, which satisfies:
当該トンネル接合層の上に、前記絶縁膜および前記透明導電膜が設けられ、前記透明導電膜は前記トンネル接合層を介して前記第二の反射鏡とコンタクトしている、
請求項1に記載の半導体発光素子。 A tunnel junction layer is provided on top of the second reflector,
The insulating film and the transparent conductive film are provided on the tunnel junction layer, and the transparent conductive film is in contact with the second reflector via the tunnel junction layer.
The semiconductor light emitting device according to claim 1.
請求項4に記載の半導体発光素子。 The tunnel junction layer is provided so as to include at least an inner non-oxidized portion of the oxidized constriction layer in the first current confinement portion in a plan view of the uppermost portion of the second reflecting mirror.
5. The semiconductor light emitting device according to claim 4.
50 μm ≦ d1 ≦ 100 μm
を満たす、請求項4に記載の半導体発光素子。 The width d1 of the first current confinement portion is
50 µm ≤ d1 ≤ 100 µm
5. The semiconductor light emitting device according to claim 4, satisfying:
請求項1に記載の半導体発光素子。 A transparent insulating film is provided on the transparent conductive film,
The semiconductor light emitting device according to claim 1.
請求項1に記載の半導体発光素子。 A third reflector made of a dielectric material is further provided above the second reflector,
The semiconductor light emitting device according to claim 1.
ことを特徴とする、発光装置。 A plurality of semiconductor light emitting devices according to any one of claims 1 to 8 are arranged side by side,
A light-emitting device characterized by:
前記光源から発生された光の反射光を検出するセンサと、
前記反射光の検出タイミングに基づいて距離情報を取得する処理部と、
を備える、測距装置。 a light source comprising the semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 8;
a sensor that detects reflected light of the light emitted from the light source;
a processing unit that acquires distance information based on the detection timing of the reflected light;
A ranging device.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220174389A KR20230104519A (en) | 2022-01-01 | 2022-12-14 | Semiconductor light-emitting element, light-emitting device, and ranging device |
DE102022134465.7A DE102022134465A1 (en) | 2022-01-01 | 2022-12-22 | Semiconductor light emitting device, light emitting device and distance measuring device |
US18/090,617 US20230216276A1 (en) | 2022-01-01 | 2022-12-29 | Semiconductor light-emitting element, light-emitting device, and ranging device |
CN202211711928.1A CN116387978A (en) | 2022-01-01 | 2022-12-29 | Semiconductor light emitting element, light emitting device, and distance measuring device |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022000025 | 2022-01-01 | ||
JP2022000025 | 2022-01-01 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023099435A true JP2023099435A (en) | 2023-07-13 |
Family
ID=87103423
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022160460A Pending JP2023099435A (en) | 2022-01-01 | 2022-10-04 | Semiconductor light emitting element, light emitting device and distance measurement device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023099435A (en) |
-
2022
- 2022-10-04 JP JP2022160460A patent/JP2023099435A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10658817B2 (en) | Vertical cavity surface emitting laser | |
US8385381B2 (en) | Vertical cavity surface emitting laser | |
JP5260958B2 (en) | Surface emitting laser element array | |
US7408967B2 (en) | Method of fabricating single mode VCSEL for optical mouse | |
US20030026308A1 (en) | Surface emitting laser device | |
JP7212882B2 (en) | Vertical cavity light emitting device | |
WO2007116659A1 (en) | Surface light-emitting laser | |
JP2010182975A (en) | Surface emitting semiconductor laser and method of manufacturing the same | |
JP2013093571A (en) | Surface emitting semiconductor laser, surface emitting semiconductor laser device, optical transmission device and information processing device | |
US20220393433A1 (en) | Surface emission laser, surface emission laser array, electronic equipment, and surface emission laser manufacturing method | |
US20120034720A1 (en) | Vertical cavity surface emitting laser and method of manufacturing the same | |
US20230006421A1 (en) | Vertical cavity surface emitting laser element, vertical cavity surface emitting laser element array, vertical cavity surface emitting laser module, and method of producing vertical cavity surface emitting laser element | |
JP2018026478A (en) | Light-emitting element, light-emitting element array, and optical transmission device | |
JP2023029501A (en) | Wavelength conversion device and light emitting device | |
CN111313233B (en) | Laser device and manufacturing method and application thereof | |
JP2012009727A (en) | Surface emission semiconductor laser, surface emission semiconductor laser device, optical transmission device, and information processor | |
JP5978669B2 (en) | Surface emitting semiconductor laser, surface emitting semiconductor laser device, optical transmission device, and information processing device | |
JP4087152B2 (en) | Surface emitting semiconductor laser device and laser array | |
KR20230070406A (en) | Vertical cavity surface emitting laser device and manufacturing method thereof | |
CN111799654B (en) | Laser device and manufacturing method and application thereof | |
US9502863B2 (en) | Surface-emitting semiconductor laser, surface-emitting semiconductor laser device, optical transmission device, and information processing device | |
KR102630495B1 (en) | Vertical cavity surface-emitting laser device with monolithically integrated photodiode | |
JP2023099435A (en) | Semiconductor light emitting element, light emitting device and distance measurement device | |
JP2023099396A (en) | Semiconductor light emitting element, light source device, and distance measuring device | |
JP2011155143A (en) | Surface-emitting semiconductor laser, surface-emitting semiconductor laser device, optical transmission device, and information processing device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240912 |