JPH09199793A - 縦型空洞表面放射レーザ - Google Patents

縦型空洞表面放射レーザ

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JPH09199793A
JPH09199793A JP9014497A JP1449797A JPH09199793A JP H09199793 A JPH09199793 A JP H09199793A JP 9014497 A JP9014497 A JP 9014497A JP 1449797 A JP1449797 A JP 1449797A JP H09199793 A JPH09199793 A JP H09199793A
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mirror
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Wenbin Jiang
ウェンビン・ジャン
Michael S Lebby
マイケル・エス・レビー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な装置構成で効率の高い可視光縦型空洞
表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）を実現する。 【解決手段】 可視光を放射するためのＶＣＳＥＬ（１
０）は、第１のエピタキシャル成長された材料系の第１
の部分（１５）および第２のエピタキシャル成長された
材料系の第２の部分（１６）を有する第１のミラースタ
ック（１４）、該第１のミラースタック（１４）上に配
置された活性領域（２０）、および該活性領域（２０）
の上に配置された第２のミラースタック（２２）を含
む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は縦型空洞表面放射
レーザ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａ
ｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ）に関し、かつ
より特定的には可視光を放射するための高効率の縦型空
洞表面放射レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】縦型空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）
は、ミラースタックまたはミラー層とも称される、半導
体製造技術によって基板の頭部上に形成された第１の分
布型ブラッグ反射器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａ
ｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）、前記第１のミラースタッ
クの頭部上に形成された活性領域（ａｃｔｉｖｅ ｒｅ
ｇｉｏｎ）、および前記活性領域の頭部上に形成された
第２のミラースタックを含む。ＶＣＳＥＬは、活性領域
を通して電流を流すことによりドライブされ、典型的に
は基板の反対側の第１のコンタクトおよび前記第２のミ
ラースタックの頭部上の第２のコンタクトを提供するこ
とによって達成される。
【０００３】ＶＣＳＥＬにおいてミラースタックを使用
することは技術的に充分確立されている。典型的には、
ミラースタックはしばしばミラー対とも称される複数対
の層から形成される。これらの対の層は異なる屈折率を
有しかつＶＣＳＥＬの他の部分に容易にラティスまたは
格子整合される２つの材料から一般に構成される材料系
（ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｙｓｔｅｍ）で形成される。例
えば、ＧａＡｓをベースとしたＶＣＳＥＬは典型的には
ＡｌＡｓ／ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓ材料
系を使用し、１つの対の各層の異なる屈折率は各層のア
ルミニウム含有量を変えることによって達成される。伝
統的な装置においては、スタックごとのミラー対の数
は、各層の屈折率の間の差に応じて、高いパーセンテー
ジの反射率を達成するため２０〜４０の範囲におよぶ。
多数の対は反射光のパーセンテージを増大する。
【０００４】効率を増大しかつ必要な対の数を低減する
上で、誘電体層を使用するミラースタックが開発されて
いる。誘電体層は半導体材料よりも屈折率に大きな差を
持たせて製造できる。その結果、有効なミラースタック
を形成するのに必要な層の数がより少なくなる。しかし
ながら、誘電体層の使用はそれらの非導電性および形成
する場合に使用される製造技術のため制約を受ける。Ｖ
ＣＳＥＬは第１および第２のコンタクトの間、すなわち
ほぼ装置全体、を通る電流によってドライブされるか
ら、誘電体層の使用は、電流が誘電体層を避けるよう
に、コンタクトを移動することのような、装置の変更を
必要とする。これは一般に誘電体層の使用を頭部ミラー
スタックに制限する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】伝統的なＶＣＳＥＬに
おいては、伝統的な材料系で適切に機能する。しかしな
がら、可視光の波長で光を放射するＶＣＳＥＬを必要と
する新しい製品が開発されてきている。高い効率を達成
するために、ミラースタックは、一般に９９％より多く
の、極めて高いパーセンテージの光を反射しなければな
らない。これは各ミラースタックにおいて数多くのミラ
ー対を必要とする。ＶＣＳＥＬが可視光波長で動作して
いる場合、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ材料系の数多くのミラー
対を使用することは該材料系におけるひ化物（ａｒｓｅ
ｎｉｄｅ）による光子（ｐｈｏｔｏｎ）の吸収により光
学的量子効率を大幅に低下させる。
【０００６】可視光を吸収しない他の材料系も使用でき
るが、これは一般にＶＣＳＥＬの動作および寿命に悪影
響を与え得るラティス不整合を生じる結果となる。
【０００７】したがって、従来技術に固有の前述のおよ
び他の欠点を改善することが極めて好都合である。
【０００８】したがって、本発明の目的は新しいかつ改
善されたＶＣＳＥＬを提供することにある。
【０００９】本発明の他の目的は高い効率の可視光ＶＣ
ＳＥＬを提供することにある。
【００１０】本発明のさらに他の目的は、ＶＣＳＥＬに
おいて使用するための新しいかつ改善されたミラースタ
ックを提供することにある。
【００１１】本発明のさらに他の目的は可視光ＶＣＳＥ
Ｌに関して使用するための効率のよいミラースタックを
提供することにある。
【００１２】本発明のさらに他の目的は可視光ＶＣＳＥ
Ｌにおけるミラー成長の複雑さを低減することにある。
【００１３】本発明のさらに他の目的はラティス整合で
きるミラースタックを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】要約すれば、本発明の好
ましい実施形態によれば、本発明の所望の目的を達成す
るため、可視光を放射するためのＶＣＳＥＬが提供され
る。該ＶＣＳＥＬは第１のエピタキシャル成長された材
料系の第１の部分および第２のエピタキシャル成長され
た材料系の第２の部分を含む第１のミラースタック、該
第１のミラースタックの上に配置された活性領域、およ
び該活性領域の上に配置された第２のミラースタックを
含む。
【００１５】より特定的な実施形態では、前記ＶＣＳＥ
Ｌは基板、該基板上に配置された第１のミラースタッ
ク、第１のエピタキシャル成長された材料系の第１の部
分および第２のエピタキシャル成長された材料系の第２
の部分を含む第１のミラースタック、該第１のミラース
タック上に配置された活性領域、および該活性領域上に
配置された第２のミラースタックを含む。
【００１６】より特定的な実施形態は前記第１のミラー
スタックの第１および第２の部分の中間に配置された除
々に変化する（ｇｒａｄｅｄ）整合層を含む。
【００１７】別のより特定の実施形態では、ＶＣＳＥＬ
は第１のミラースタックに隣接する第１のクラッド層と
第２のミラースタックに隣接する第２のクラッド層の間
にはさまれた活性層を含み、前記第１および第２のクラ
ッド層は前記活性層をそれぞれ前記第１のミラースタッ
クおよび前記第２のミラースタックとラティス結合する
ために除々に変化している。
【００１８】さらに別の実施形態では、前記ＶＣＳＥＬ
は第１のミラースタックの第３の部分を含み、該第３の
部分は前記第１および第２の部分の中間に位置しかつ第
３の材料系で形成されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の上記および他のかつさら
に特定的な目的および利点は添付の図面と共に以下の好
ましい実施形態の詳細な説明から当業者にとってより明
らかなものとなるであろう。
【００２０】次に図面に移ると、各図においては、同じ
参照文字はいくつかの図にわたり対応する要素を示して
いる。始めに、包括的に１０で示される可視光縦型空洞
表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）を示す図１に注目する。
ＶＣＳＥＬ１０は、この特定の実施形態では、ＧａＡｓ
である基板１２上に形成されている。ＧａＡｓはほぼ５
９０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の可視光波長で光を放出す
るＶＣＳＥＬ１０の構成要素のエピタキシャル成長を可
能にするために好適に使用される。ＧａＡｓは１つの例
として使用されており、かつ他の半導体材料も基板１２
として使用できることが理解されるべきである。
【００２１】基板１２は上部面１３を有し、該上部面１
３上にミラースタック１４が配置されている。ミラース
タック１４は第１のエピタキシャル成長された材料系の
部分１５および第２のエピタキシャル成長された材料系
の部分１６を含む。活性領域２０がミラースタック１４
の上に配置され、かつ第２のミラースタック２２が活性
領域２０の上に配置されている。
【００２２】ミラースタック１４は基板１２上に各層を
エピタキシャル的に被着することにより成長される。ミ
ラースタック１４を基板１２に結晶格子整合させるた
め、適切な半導体材料系が被着されなければならない。
この特定の例では、基板１２はＧａＡｓでありかつ、し
たがって、部分１５のためにＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材
料系が使用される。この材料系のほぼ２０〜３０のミラ
ー対が基板１２上に被着される。部分１６が次に部分１
５上に被着され可視光を反射する上で効率のよい材料系
からのミラー対によって構成される。この例では、Ａｌ
ＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ材料系が使用されほぼ５〜１０
のミラー対を備えている。
【００２３】ミラースタック１４は、より小さなスタッ
クのミラーにより反射光のパーセンテージを増大し、可
視光の光子吸収を低減することによって光学的量子効率
を増大しかつミラースタック１４およびＶＣＳＥＬ１０
内の格子整合を達成するために、１つより多くの材料系
を使用したハイブリッドミラーである。部分１６は活性
領域２０により放射される光子の内の大きなパーセンテ
ージを反射するために活性領域２０に隣接して配置され
ている。使用される材料系の性質により、光子の大きな
吸収はなく、それによって光学的な効率を増大する。も
し単独で使用されれば、前記材料系（この例ではＡｌＩ
ｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ）は必要な高い反射率を達成する
ため多数のミラー対を必要とすることになる。多数のこ
れらのミラー対を使用することは効率を劇的に低減しか
つ装置の機能に悪影響を与えるが、それはこれらの材料
は一様に成長するのが困難なためである。ほぼ５〜１０
のミラー対を使用することにより、一様性の問題は発生
せず、かつ光の多くの部分、ほぼ８５％、が反射され
る。部分１６は光を吸収しないから、光学的な効率は高
くなる。
【００２４】反射光のパーセンテージを所望のレベルま
で増大するため、基板１２に隣接してミラースタック１
４に部分１５が含まれている。使用される材料系の性質
により、前記各層と基板１２との間に格子整合が容易に
達成される。比較的単純な手順および格子整合の容易さ
のため多数のミラー対を形成することができ、したがっ
て反射光のパーセンテージを所望のレベルに増大する。
【００２５】部分１５および部分１６の間の適切な格子
整合を保証し、ひずみ（ｓｔｒａｉｎ）を低減し、かつ
製造を単純化するために、ミラースタック１４の部分１
５および部分１６の中間に除々に変化する（ｇｒａｄｅ
ｄ）整合層２４が形成される。上で使用した例で説明を
続けると、除々に変化する整合層２４はＡｌＧａＩｎＰ
／ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰを含む材料系で形成されかつ
一般に１つのミラー対の厚さより薄い。除々に変化する
整合層２４はＧａＡｓＰ材料の隣接部分１５からＡｌＧ
ａＩｎＰ隣接部分１６へと除々に変化している。
【００２６】活性領域２０は好ましくはクラッド層２６
および２７の間にはさまれた活性層２５を含む。活性層
２５は単一のまたは複数の量子ウェル構造とすることが
でき、複数の量子ウェル構造はよく知られた方法でバリ
ア層によって分離された量子ウェル層を含む。可視光を
生成するためには、適切な材料を使用すべきである。こ
の特定の実施形態では、前記量子ウェル層はＧａＩｎＰ
で形成され、かつ前記バリア層はＧａＡｌＩｎＰで形成
される。クラッド層２６は活性層２５をミラースタック
１４と結晶格子整合させるため除々に変化する。この特
定の例について説明を続けると、クラッド層２６はＡｌ
ＩｎＰ／ＧａＡｌＩｎＰ材料系で形成され、部分１６に
隣接するＡｌＩｎＰおよび活性層２５に隣接するＧａＡ
ｌＩｎＰを備えている。
【００２７】ミラースタック２２は実質的にミラースタ
ック１４について上に述べたようにして形成することが
でき、部分３０および部分３１は除々に変化する整合層
３２によって分離される。部分３０は活性領域２０に近
接して配置され、かつ部分３１は活性領域２０から離れ
て配置される。部分３０および３１はミラースタック１
４について前に述べたのと同じ材料系で形成でき、かつ
同様に動作する。
【００２８】当業者はミラースタック１４および２２の
内の一方または他方は上に述べたようなハイブリッドミ
ラースタックとし、他方は伝統的なミラースタック、例
えばＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系を使用した複数対の
層を含むものとすることができることを容易に理解する
であろう。この場合、ほぼ５９０ｎｍ〜７００ｎｍの、
可視光波長の動作において光子の吸収を低減するためア
ルミニウムの含有量を０．６より低く維持することが望
ましい。
【００２９】次に図２に移ると、包括的に１１０で示さ
れた可視光縦型空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）の別
の実施形態が示されている。ＶＣＳＥＬ１１０はＶＣＳ
ＥＬにおいてハイブリッドミラーを使用する可能な変形
をさらに示すために図示されている。ＶＣＳＥＬ１１０
は基板１１２上に形成され、該基板１１２は前の実施形
態と同様に、ＧａＡｓである。ＧａＡｓはほぼ５９０ｎ
ｍ〜７００ｎｍの範囲の可視光波長で光を放射するＶＣ
ＳＥＬ１１０の構成要素のエピタキシャル成長を可能に
するために使用されるのが好ましい。基板１１２として
他の半導体材料も使用できることが理解されるべきであ
り、そのような他の材料は当業者に理解されるであろ
う。
【００３０】基板１１２はミラースタック１１４が上に
配置される上部面１１３を有する。ミラースタック１１
４は前に述べたミラースタック１４とほぼ同じであり、
かつ第１のエピタキシャル成長された材料系の部分１１
５および第２のエピタキシャル成長された材料系の部分
１１６を含む。活性領域１２０はミラースタック１１４
の上に配置され、かつミラースタック１２２は活性領域
１２０の上に配置される。
【００３１】ミラースタック１１４は当業者によく知ら
れた方法で基板１１２上に各層をエピタキシャル的に被
着することにより成長される。部分１１５および部分１
１６の適切な結晶格子整合を保証するため、部分１１５
および部分１１６の中間に除々に変化する（ｇｒａｄｅ
ｄ）整合層１２４が形成される。ミラースタック１１４
はミラースタック１４と同様のものであるから、詳細に
は説明しない。
【００３２】ミラースタック１１４はハイブリッドミラ
ーであり、小さな（または実用的な）数のミラー対によ
って反射光のパーセンテージを増大し、可視光の光子吸
収を低減することによって光学的量子効率を増大しかつ
ミラースタック１１４およびＶＣＳＥＬ１１０内の結晶
格子整合を達成するために１つより多くの材料系を使用
している。
【００３３】活性領域１２０はクラッド層１２６および
１２７の間にはさまれた活性層１２５を含むのが好まし
い。活性領域１２０は単一のまたは複数の量子ウェルを
含むことができかつ前に述べた活性領域２０と同じもの
であり、したがって詳細には説明しない。
【００３４】ミラースタック１２２は活性領域１２０に
隣接して配置された第１のエピタキシャル成長された材
料系の部分１３０および第２の材料系の部分１３１を含
む。この特定の実施形態では、ミラースタック１２２の
第１の材料系の部分１３０は活性領域１２０に近接した
ＩｎＡｌＧａＰ層１３３、およびＧａＩｎＰ電気的コン
タクト層１３４を含む。クラッド層１２７は前に述べた
ように除々に変化する構成（ｇｒａｄｉｎｇ）を提供
し、これは部分１３０を活性層１２０に格子整合する。
第２の材料系の部分１３１は誘電体材料の交代層（ａｌ
ｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒｓ）を含む。誘電体ミ
ラーのスタックは技術的によく知られておりかつここで
は詳しく説明しない。誘電体材料が部分１３１のために
使用されているから、部分１３０は電流が通るコンタク
ト層１３４を持たなければならない。部分１３１はコン
タクト層１３４の表面への好適なアクセスを可能にする
ためにメサ構造へと形成されている。
【００３５】したがって、ＶＣＳＥＬ１１０は、最も効
率的な動作および製造のために低減された光吸収および
結晶整合を提供する一方で、最も少ない数のミラー対に
よって最適の反射量を提供するよう設計された２つの異
なる材料系から形成されるハイブリッドミラーを含むよ
うに、ミラースタック１１４を構成することにより可視
光波長で光を放射するよう構成される。さらに、ミラー
スタック１２２は小型であり、容易に製造でき、かつ高
い反射率を提供する誘電体ミラーを導入する一方で、容
易にアクセス可能な電気的コンタクトを備えて形成され
る。
【００３６】図３を参照すると、包括的に１４０で示さ
れたハイブリッドミラースタックの一実施形態の部分的
断面図が示されている。当業者はハイブリッドミラース
タック１４０は頭部ミラースタック、底部ミラースタッ
クまたは両方として使用できることを理解すると思われ
るが、方向付けのため、基板１４１上に形成されものと
して説明する。ハイブリッドミラースタック１４０は第
１のエピタキシャル成長された材料系の部分１４２、第
２のエピタキシャル成長された材料系の部分１４３、お
よび部分１４２および部分１４３の中間に配置されかつ
第３の材料系で形成された部分１４４を含む。
【００３７】ミラースタック１４０を基板１４１に結晶
格子整合するため、適切な半導体材料系が使用される。
この例では、基板１４１はＧａＡｓである。したがっ
て、部分１４２のためにはＡｌＡｓ／ＡｌｘＧａＡｓ材
料系が使用される。部分１４４は部分１４２上にエピタ
キシャル成長され、かつ好ましくはＡｌｘ１ＧａＩｎＰ
およびＡｌｘ２ＧａＩｎＰの交代層からなる材料系から
形成されたミラー対によって構成される。部分１４３は
次に部分１４４の上にエピタキシャル成長され、可視光
を反射する上で効率のよい材料系からのミラー対で構成
される。この例では、ＡｌＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ材料
系が使用される。この実施形態では、部分１４２の材料
系は基板１４１に結晶格子整合されるよう選択される。
部分１４４の材料系は実質的に部分１４２および部分１
４３に対し受入れ可能な量のひずみ（ｓｔｒａｉｎ）と
共に結晶格子整合され、それによって部分１４２が最大
量の反射率（ほぼ８５％）を提供できかつ部分１４４お
よび１４３が残りの必要な反射率を提供でき、一方最小
量の光吸収および比較的容易な製造方法によって、ハイ
ブリッドミラーを合理的な数のミラー対で終わらせるこ
とができるようになる。
【００３８】当業者にはここで説明の目的のために選択
された実施形態に対し種々の変更および修正を行なうこ
とは容易に可能であろう。例えば、単一のハイブリッド
ミラーをＶＣＳＥＬに使用しあるいは両方のミラーをハ
イブリッドとすることもできることは容易に理解される
であろう。さらに、ｐおよびｎドーパントの双方に対し
ＶＣＳＥＬ構造の対称性が存在し、さらに電気的に反転
された構造設計も存在することが理解されるべきであ
る。そのような修正および変更が本発明の精神から離れ
ることのない程度において、それらは添付の特許請求の
範囲の公正な解釈によってのみ評価される本発明の範囲
内に含まれるものと考えられる。
【００３９】以上本発明を当業者が理解しかつ実施でき
るように明瞭かつ簡潔な表現で完全に説明したが、本発
明の範囲は添付の特許請求の範囲に示される通りであ
る。
【００４０】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、簡単な
装置構成で高い効率の可視光ＶＣＳＥＬが得られる。ま
た、本発明によれば、このような可視光ＶＣＳＥＬで使
用するための効率のよいミラースタックが提供され、ミ
ラー成長の複雑さも低減されると共に、的確に格子整合
できるミラースタックが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＶＣＳＥＬの第１の実施形態を
示す断面図である。
【図２】本発明に係わるＶＣＳＥＬのさらに他の実施形
態を示す等角投影図である。
【図３】ハイブリッドミラースタックのさらに他の実施
形態を示す部分的断面図である。
【符号の説明】
１０ 可視光縦型空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ） １２ 基板 １３ 基板の上部面 １４ ミラースタック １５，１６ ミラースタック１４の部分 ２０ 活性領域 ２２ 第２のミラースタック ２４ 除々に変化する整合層 ２５ 活性層 ２６，２７ クラッド層 ３０，３１ ミラースタック２２の部分 ３２ 除々に変化する整合層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・エス・レビー アメリカ合衆国アリゾナ州85219、アパッ チ・ジャンクション、ノース・ラバージ・ ロード 30

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 可視光を放射するための縦型空洞表面放
    射レーザであって、 第１のエピタキシャル成長された材料系の第１の部分
    （１５）および第２のエピタキシャル成長された材料系
    の第２の部分（１６）を含む第１のミラースタック（１
    ４）、 該第１のミラースタック（１４）上に配置された活性領
    域（２０）、そして該活性領域（２０）上に配置された
    第２のミラースタック（２２）、 を具備することを特徴とする可視光を放射するための縦
    型空洞表面放射レーザ。
  2. 【請求項２】 可視光を放射するための縦型空洞表面放
    射レーザであって、 基板（１２）、 該基板（１２）上に配置された第１のミラースタック
    （１４）であって、該第１のミラースタック（１４）は
    第１のエピタキシャル成長された材料系の第１の部分
    （１５）および第２のエピタキシャル成長された材料系
    の第２の部分（１６）を含むもの、 前記第１のミラースタック（１４）上に配置された活性
    領域（２０）、そして前記活性領域（２０）上に配置さ
    れた第２のミラースタック（２２）、 を具備することを特徴とする可視光を放射するための縦
    型空洞表面放射レーザ。
  3. 【請求項３】 可視光を放射するための縦型空洞表面放
    射レーザであって、 ＧａＡｓ基板、 前記基板上に配置されたＡｌＡｓおよびＡｌＧａＡｓの
    複数の交代層および前記ＡｌＡｓおよびＡｌＧａＡｓの
    層の上に配置されたＡｌＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰの
    交代層を含む第１のミラースタック、 前記第１のミラースタック上に配置された活性領域、そ
    して前記活性領域上に配置された第２のミラースタッ
    ク、 を具備することを特徴とする可視光を放射するための縦
    型空洞表面放射レーザ。
JP9014497A 1996-01-16 1997-01-10 縦型空洞表面放射レーザ Pending JPH09199793A (ja)

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