JPH11243257A - 個々の光学および電流ガイドを持つ垂直空胴表面発光レーザ - Google Patents
個々の光学および電流ガイドを持つ垂直空胴表面発光レーザInfo
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Abstract
cal Cavity Surface-Emitting Lasers:VCSE
L)における、特に駆動電流閉じ込めおよび光学的モー
ド閉じ込めの両用を行うレーザに関し、特に電流閉じ込
めおよび光学的閉じ込めの両方を行い、さらにアレイ用
に小型にすることができ、再現することができ、修正す
ることができる技術を提供する。 【解決手段】 本件発明は、複数の層に垂直な共振器の
軸を有する空胴共振器を形成する一組の多層ミラーと、
該共振器内に配置された能動領域と、該軸に沿って伝播
する放射の誘導放出を生じさせるために、電流開口部を
通して該能動領域に電流を流すための電流ガイド手段と
からなり、その放射の一部は該共振器から出力される出
力信号を形成し、該レーザは、該軸を横切り、該ミラー
の一方と該能動領域との間に位置する、比較的高い屈折
率のメサの形をした光学的ガイドを含むことを特徴とす
る。
Description
ネシウム・フッ化物多層ミラー(Optical Devices Havin
g ZnS/Ca-Mg-fluoride Multi-layered Mirrors)」とい
う名称の米国特許出願第08/997,710号、および「横方向
注入VCSEL(Lateral Injection VCSEL)」という名
称の米国特許出願第08/997712と同時に出願されたもの
である。
ーザ(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser
s:VCSEL)に関し、特に駆動電流閉じ込めおよび
光学的モード閉じ込めの両用を行うレーザに関する。
ると、VCSELは、多くの必要な特性が実現できる可
能性を持つ。例えば、VCSELの空胴共振器の長さが
短ければ短いほど、縦方向のモード選択性はますます鋭
敏になり、そのため、ライン幅がますます狭くなる。複
数の層に垂直な空胴共振器を形成するための多層DBR
を使用すれば、複数のエッジ放射レーザに共通の分裂動
作の必要がなくなる。前記共振器の向きにより、またレ
ーザ・アレイの製造および個々のレーザのウェハ・レベ
ルでの試験が容易になる。
計を提案してきた。すなわち、一方の設計は、開口部を
持つ、抵抗率の高いイオン注入領域により、pドーピン
グ半導体DBRミラーで、電流閉じ込め領域を形成する
方法であり(例えば、両方とも引用によって本明細書の
記載に援用した、Y.H.リー(Y.H.Lee) 他の、「エレ
クトロン・レター(Electr.Lett.)」(1990)、第2
6巻、第11号、第710乃至第711頁、およびT.
E.セール(T.E.Sale)の「垂直空胴表面発光レーザ(Ver
tical Cavity Surface Emitting Lasers)」(リサーチ
・プレス(Research Press Ltd) 社発行(1995))
の第117頁乃至第127頁参照)、他方の設計は、開
口部を持つ、抵抗率の高い酸化物層により電流閉じ込め
領域を形成する方法である(例えば、両方とも引用によ
って本明細書の記載に援用した、D.L.ハファカ(D.
L. Huffaker)他の「応用物理レター(Appl Phys.Let
t)」、(1994年)第65巻、第1号、第97頁乃至第9
9頁、およびK.D.チョケット(K.D.Choquette)他の
「エレクトロン・レター(Electr.Lett.)」(1994年)第
30巻、第24号、第2043頁乃至第2044頁参
照)。イオン注入(I−I)法の場合には、光イオン
(例えば、プロトン)は、比較的深いところ(例えば、
約3マイクロメータ)に注入される。しかし、イオン・
ストラグル(ion straggle)および深層注入に関連する他
の問題により、この電流ガイドは比較的大型(例えば、
10マイクロメータ以上)のものでなければならない。
前記二つの要因により、装置を小型化することができな
い。さらに、I−I VCSELは、有意の光学的ガイ
ドを行うことができない。すなわち、種々のモードの案
内は幾分利得は得られるかもしれないが、横方向のレー
ザ放射モード屈折率ガイドを行うことができない。その
結果、前記レーザは、通常、1ミリアンペア以上のしき
い電流および3ミリアンペア以上の動作電流を持つ。そ
れ故、レーザ当たりの電力消費は、少なくとも数ミリワ
ットになる。逆に、酸化物(OX)閉じ込め方法は、大
きさを遙かに小さくする(例えば、電流開口部を3マイ
クロメータまで小さくする)ことができることが分かっ
ていて、それにより、前記しきい値および前記動作電流
を1桁少なくすることができる。さらに、開口部を持つ
酸化物層は、また横方向モード閉じ込めを行う屈折率ガ
イドを形成し、その結果、前記電流の二つの中の少なく
とも他の要因は低減する。それ故、装置当たりの電力消
費は、I−I設計と比較すると、少なくとも1/20だ
け低減し(ミリワットの何分の1)になる。しかし、O
X VCSELは、I−IVCSELほど信頼できるこ
とが証明されていないし、固有ストレス問題が起こる場
合がある。(K.D.チョケット(K.D.Choquette) 他の
「量子エレクトロニクスの選択トピックスのIEEEジ
ャーナル(IEEE journal of Selected Topics in Quantu
m Electronics)」(1997年6月)の第3巻、第3
号、第916頁乃至第925頁の第919頁ページの図
5参照。)さらに、前記酸化プロセスは、再現性がそれ
ほど高いものではなく、高い留まりで行うことができな
い(同上921および924ページ)。より詳しく説明
すると、このプロセスは、必然的に、他の層で覆われた
後で、アルミニウムの含有量が高いIII-Vグループの酸
化を伴う。すなわち、アルミニウムの含有量が高い層の
外縁部が水蒸気に曝され、その結果、中心部に向かっ
て、(例えば、10マイクロメータのオーダのような)比
較的長い距離にわたって、酸化が内側に向かって(すな
わち、横方向に)進行し、直径が非常に短い(例えば、
3マイクロメータ)電流ガイドを腐食から保護するため
に、前記酸化を正確に阻止しなければならない。このプ
ロセスは、必然的に、酸化時間の制御の問題を伴い、酸
化速度の知識が必要になる。しかし、この酸化速度は、
このプロセスのパラメータ、および酸化を受ける材料の
特性を含む多数の要因により異なる。これらすべての要
因を制御することは非常に難しい。
は、電流閉じ込めおよび光学的閉じ込めの両方を行い、
さらにアレイ用に小型にすることができ、再現すること
ができ、修正することができる技術が、依然として必要
である。
ぞれ、独自の形の駆動電流および横方向モード閉じ込め
を行う、独立の電流および光学的ガイドを備えるVCS
ELである。一実施形態の場合、前記光学的ガイドは、
空胴共振器の軸を横切って配置されている、空胴内の屈
折率の高いメサ、および前記ミラーを覆う多層誘電(す
なわち、非エピタキシャル)ミラーを備える。他の実施
形態の場合には、電流ガイドは、横方向にメサを取り巻
いていて、イオン注入形成電流開口部の内径より大きい
内径を持つ環状第1電極を備える。前記電流ガイドによ
り、電流は前記第1の電極から、共振器の軸にほぼ垂直
な第1の通路セグメントに沿って流れ、その後、第1の
セグメントから、前記軸にほぼ平行な第2の通路セグメ
ントに沿って垂直に流れ、最後に、前記電流開口部およ
び前記能動的な領域を通って第2の電極に流れる。
層ミラーを形成する段階と、電流戻り層を形成する段階
と、能動領域を形成する段階と、電流開口部を通して、
前記能動領域に電流を流すための電流ガイドを形成する
段階と、高い屈折率のメサの形をした光学的ガイドを形
成する段階と、前記メサを側面から囲んでいる第1の電
極を形成する段階と、前記電流戻り層に第2の電極を形
成する段階と、その内部に前記メサの少なくとも一部を
埋設するように、第2の多層ミラーを形成する段階とを
含むVCSELの製造方法である。前記ガイドの製造
は、前記ガイド製造後に蒸着される誘電(すなわち、非
エピタキシャル)第2ミラーを使用することにより容易
に行うことができる。
は、前記第1のミラーは、半導体層のエピタキシャル成
長により形成され、前記第2のミラーは、誘電層の電子
ビーム蒸着により形成される。他の実施形態の場合に
は、両方のミラーは、蒸着した誘電層である。
一実施形態のVCSEL10は、層に垂直な軸を持つ光
学的空胴共振器を形成している、第1および第2の多層
ミラー12および14を備える。前記共振器には、能動
領域16および光学的ガイド20が、その軸に垂直な方
向に設置されている。適当にホンプ作業を行うと、前記
能動領域は、(中心波長λのところに)放射の誘導放出
を生じ、この誘導放出は前記共振器軸に沿って伝播し、
前記ミラーの一方(例えば、第2のミラー14)を通し
て、出力信号40として、前記共振器から出力される。
本発明の一つの特徴によれば、比較的高い屈折率を持つ
メサの形をしている前記光学的ガイド20は、レーザ発
光の横方向モードを形成する働きをする。すなわち、別
の見方をすれば、前記発光のビームのくびれた部分を形
成する。本発明の他の特徴によれば、前記能動領域は、
電流閉じ込め回路18.6を含むガイド8によりポンピ
ングされる。
の容易に接触することができる層18.1、前記層1
8.1上に形成された第1の環状電極18.4、前記層
18.1の下の低い導電率の層18.2、および前記層
18.2の下に形成された、高い導電率のイオン注入領
域またはゾーン18.3を備える。前記領域18.3
は、通常、環状をしていて、その中央の開口部は電流閉
じ込め開口部18.6を形成する。第1の電極18.4
の内径は、前記開口部18.6の内径より大きいので、
前記ガイド18の全体的な効果は、次のようになる。す
なわち、前記第1の電極18.4からの電流は、最初、
前記層18.1を貫通する第1の通路セグメントに沿っ
てほぼ水平に(すなわち、前記共振器の軸に垂直に)流
れる。その後、前記イオン注入領域により、電流の向き
が変わり、層18.2の上部を前記開口部18.6へ貫
通する第2の通路セグメントに沿って、ほぼ垂直に(す
なわち、共振器の軸に平行に)流れる。この点で、電流
は前記能動領域16を貫通してほぼ垂直に流れ、前記能
動領域16および前記第1のミラー12の間に設置され
た、高い導電率の電流戻り層22通り、目的地の第2の
環状電極26に到着する。
しくは、高い導電率層18.1の頂部の下の比較的浅い
深さ(例えば、0.1乃至0.2マイクロメータ)に、
比較的重いイオン(例えば、酸素、フッ素)を、領域1
8.3に注入することが好ましい。イオン注入を行った
後で、層18.1および18.2の浅い部分に注入され
たイオンを除去し、領域18.3に高い抵抗をもたせ
る、深い部分に注入されたイオンを保持するために、前
記構造体は適度に焼鈍される。(S.J.ピアトン(S.
J.Pearton) 他の「材質研究協会シンポジウム議事録(Ma
terials researchSociety Symposium Proceedings)」(1
991)、第216巻、第451乃至第457頁参照。前記
文献は引用によって本明細書の記載に援用する。)
Å)高い導電率層18.1上に、第1の電極18.4が
容易に形成されるように、層18.1の代わりに、3つ
のサブ層(図示せず)、すなわち、底のサブ層が比較的
深い部分(例えば、1500Å)に位置し、上のサブ層
が電極が形成される部分に位置している、一組のより高
い導電率の間にサンドイッチ状に挟まれた比較的導電率
の低い層からなる合成層を使用することができる。それ
故、層18.3は、層18.1の頂部の2000Å乃至
3000Åのところに位置する。前記3つの層の厚さお
よび位置は、共振器空胴の定常波のパターンにより決ま
る。すなわち、通常は数百Åの厚さの各導電率の高い層
は、(自由キャリヤ吸収を少なくするために)ノードを
跨いで設置されていて、導電率の低い層の厚さは、各ノ
ードの間隔がNλ/2nになるように選択される。この
場合、Nは正の整数、nは能動領域の実効屈折率であ
る。
の層が交互に配置されている多層DBR反射器である。
図に示すように、ミラー12は、グループIII−Vの化
合物半導体材料の交互に配置されたエピタキシャル層を
備える。各層の厚さは約λ/4ns である。この場合、
ns は半導体ミラー12の対応する層の屈折率である。
通常、一方の組はAlxGa1-xAsの複数の層を備え、他方の
組はAlyGa1-yAsの複数の層を備える。この場合、xおよ
びyは相互に異なる数である。反対に、ミラー14は、
誘電(すなわち、非エピタキシャル)材料の交互に配置
された複数の層を備える。各層の厚さは約λ/4nD で
ある。この場合、nD は誘電ミラー14の対応する層の
屈折率である。通常、一方の組はMgF2 −CaF2 合成物
の複数の層を備え、他方の組はZnSの複数の層を備え
る。(相互間の)層の接着力および光学的散乱から見
て、好ましくは、層中のモル分率が、約95%MgF2お
よび約5%CaF2 である合成材が好ましい。好ましく
は、前記組成を持つフッ化物の複数の層を、約47重量
%のMgF2 および53%重量のCaF2 、または等価に、
モル分率で約53%のMgF2 および約47%のCaF2 か
らなる共融物から、電子ビーム蒸着により製造すること
が好ましい。
ンを製造した後で、基板24を除去する場合には、前記
ミラー12は、ミラー14のところで説明したタイプの
複数の誘電層を含むことができる。この場合、両方のミ
ラーから出力信号を取り出すことができる。または、誘
電ミラーの一方の一つまたはそれ以上の組を高い反射率
の金属(例えば、金または銀)コーティングで置き換え
ることもできる。前記金属コーティングは、また前記装
置の位相プロファイルを小さくする働きをする。本明細
書においては、基板という用語は、その上にレーザの他
の層が形成される、任意のサポート部材を意味する。例
えば、その上でエピタキシャル層の成長が行われる単一
の結晶であってもよいし、または前記基板とエピタキシ
ャル・バッファ層の組み合わせであってもよい。
は、前記ミラー14に埋設されている。すなわち、ミラ
ー14は、前記ガイド20を覆い、直接接触している。
それ故、前記ミラー14の直径は、前記ガイド20の直
径より大きく、それにより、前記ガイド20により形成
されるビームのくびれた部分の外側の任意の発光の、少
なくとも一部を反射する働きをし、図に示すように、電
極18.4の内径より大きくすることができる。図に示
すように、ガイド20は、比較的高い屈折率の層20.
1(例えば、GaAs)により形成されていて、その下のエ
ッチング停止層20.2(例えば、InGaP層)と、その
上の保護層20.3(例えば、ガラス層)を含むことが
できる。前記メサの断面は、図に示すように、長方形で
あってもよいし、湾曲(例えば、中央が厚く、縁部がテ
ーパ状に薄くなっているメサを持つ凸状のように)して
いてもよい。好ましくは、ミラー14の屈折率のより低
い複数の層の一つは、メサの屈折率の高い層20.1
(または、設置されている場合には、前記保護層20.
3)に直接隣接していることが好ましい。また層20.
1の屈折率は、前記ミラーの前記直接隣接する層の屈折
率より大きくなければならない。
の上に電極18.4が形成される、接触を容易にする層
18.1のいくつかの部分を露出するために、エッチン
グを制御することができる。一方、前記保護層20.3
は、確実に、屈折率の高い層20.1の頂面が、種々の
処理ステップ中光学的に平滑に維持され、その内部の前
記Nλ/2nの厚さが維持する。上記目的のために、前
記保護層20.3は、後続の種々の処理ステップ(例え
ば、剥離プロセスに際に使用する現像薬品またはクリー
ニング・ステップの際に使用する化学薬品)で使用す
る、すべての化学薬品に侵されないものでなければなら
ない。さらに、前記保護層は、ミラー14の隣接する屈
折率の低い層の屈折率に類似の屈折率を持つものでなけ
ればならない。厚さ約50乃至150Åのアルミニウム
・ホウケイ酸ガラス(N=1.47)のようなガラスの
複数の薄い層は、この目的のために特に適している。後
者のガラスは、VYCORの商品名で、ニューヨーク
州、コーニングのコーニング・ガラス社が市販している
ソース材(例えば、約1重量%のAl2 O3 、約3重量%
のB2 O3 、および約96重量%のSiO2)から電子ビ
ームで蒸着することができる。
と、前記電流戻り層22の間に配置することができる。
前記能動領域は、単一の層であってもよいが、好ましく
は、異なる禁止帯の幅を持つ交互に配置された複数の層
を含む周知の多重量子井戸(MQW)領域であることが
好ましい。例えば、約0.85マイクロメータの中心波
長で動作するための、AlGaAsの複数のバリヤ層でインタ
ーリーブされたGaAs量子井戸層がある。一方、層22
は、通常、nタイプのGaAsを含む。同様に、電流ガイド
18の複数の半導体層は、GaAsを含むことができるが、
層18.1は、p++タイプであり、層18.2はp- タ
イプである(またπタイプとも呼ばれる)。好ましく
は、層22、能動領域16、層18.1および18.
2、および光学的ガイド20の全体の厚さは、N>1の
場合を除いて、上記のように、Nλ/2nでなければな
らない。自由キャリヤ吸収を少なくするために、導電率
が高い層18.1は、好ましくは、空胴共振器のレーザ
発光の定常波のほぼノードのところに位置することが好
ましい。一方、前記発光の光学的フィールドと、注入少
数キャリヤの間の相互作用を増大するために、好ましく
は、能動領域は定常波のほぼアンチノードのところに位
置することが好ましい。
MQW能動領域は、(例えば、1.3または1.5マイ
クロメータでの動作のために)InPおよびInGaAsPの
ような異なる半導体材料から作られる。同様に、0.9
8マイクロメータでの動作のために、MQW能動領域
を、InGaAsおよびGaAsまたはInGaAsおよびGaAsPから作
ることができる。
は、好ましくは、他のチップまたは回路盤への、レーザ
のフリップ・チップ・ボンディングのような、アプリケ
ーションを容易にするために、図に示すように、レーザ
の同じ側に位置する環状接点であることが好ましい。し
かし、他のアプリケーションのために、ミラー12およ
び基板24が抵抗の低い通路を形成するように適当にド
ーピングされている場合には、接点26の代わりに、基
板24の底部上に位置する広い面積を持つ接点を使用す
ることができる。
イプのVCSELは、従来技術のものよりサイズの小さ
いものにつくり直すことができる、横方向の構造的特徴
を形成し、ミラー14が形成される前に光学的ガイド2
0を形成することができる、プロセス・ステップにより
作ることができる。図に示すように、全体的なプロセス
・シーケンスは、単一の結晶基板24を供給するステッ
プと、前記基板24上にミラー12を形成するステップ
と、電流戻り層22を形成するステップと、MQW能動
領域16を形成するステップと、前記能動領域上にガイ
ド8を形成するステップと、前記ガイド8上に光学的ガ
イド20を形成するステップと、レーザへの電極26お
よび18.4を形成するステップと、前記光学的ガイド
20の頂面上にミラー14を形成するステップとを含
む。本発明の方法の一実施形態の場合には、ミラー12
は、エピタキシャル法により成長し、ミラー14は電子
ビーム蒸着される。他の実施形態の場合には、両方のミ
ラーが電子ビーム蒸着により形成される。さらに他の実
施形態の場合には、ミラー14は環状電極18.4の上
に形成される。
は、多くのエピタキシャル成長技術を使用することがで
きるが、分子線エピタキシ(MBE)および有機金属C
VD法(MOCVD)の両方が、例えば、ミラー12お
よびMQW能動領域16の層のような、極度に薄い多く
の層に必要な厚さ制御によく適している。一方、ミラー
14の誘電(非エピタキシャル)層は、通常、結晶性失
透を避ける条件の下での、単一の結晶源から、電子ビー
ム蒸着により形成される。引用によって本明細書の記載
に援用する、1993年4月27日付のD.G.デッペ
(D.G. Deppe)他の米国特許第5,206,871 号を参照された
い。スパッタリングまたはプラズマ蒸着法のような他の
技術も適している。
18.6およびガイド20を形成するために、マスキン
グ・プロセスを使用することができる。すなわち、イオ
ン注入から前記開口部18.6を遮断するために使用し
たのと同じホトレジスト・マスクを、上の屈折率の高い
層20.1のエッチングを容易にするための、下のエッ
チング停止層20.2を使用して、メサの形にエッチン
グするために使用することができる。しかし、ある場合
には、直径の異なる開口部18.6およびガイド20
(すなわち、自動整合しない構造物)を形成するほうが
有利な場合もある。
うためには、異なるマスキング・プロセスが使用され
る。より詳しく説明すると、前記接点が形成された後
で、ウェハの頂部上にホトレジスト(PhotoResist:P
R)層が形成される。前記PR層の厚さは、ミラー14
の必要な高さより厚くなければならない。PRには、再
入力可能な開口部が形成される。図に示すように、前記
再入力可能な開口部が、ひし形の断面を持ち、前記ひし
形の頂部は、前記開口部の頂部に対応する。その後、誘
電ミラーが前記開口部およびPRの頂部に蒸着される。
最後に、PRが適当なエッチングにより剥離され、VC
SELの頂部上に必要な誘電ミラーが残る。
により説明する。単一の装置の製造法を説明するが、も
ちろん、通常、装置のアレイは単一のウェハ上に形成さ
れることを理解されたい。種々の材料、寸法および他の
パラメータを示したが、これらは例示としてのものに過
ぎず、明示していない限り、それにより本発明の範囲は
制限されない。すべての半導体層を成長させるために、
MBEおよびMOCVDを使用した。本明細書において
は、ドーピングしていないエピタキシャル層という用語
は、一般的に、ある意図でドーピングされていない層を
意味するが、成長室内の背景からの低いレベルのドーピ
ングを受けていることがある。
0.98マイクロメータ、しきい電流が約1ミリアンペ
ア、動作電流が約3乃至5ミリアンペア、消費電力が約
5乃至10ミリワットでの動作用に設計された。この目
的のために、市販のn+ でドーピングされた単一の結晶
GaAs基板;それぞれが、シリコンにより3×1018cm
-3および約696Å/829Åの厚さにドーピングされ
た、28組のn+ でドーピングされたGaAs/AlAs層から
なるDRBミラー12;シリコンにより約1×1018c
m-3にドーピングされたnタイプのGaAs電流戻り層2
2;各層の厚さが約80Åである、ドーピングされてい
ない3組のIn0.2Ga0.8As/GaAs層からなる、MQW能動
領域16、厚さ約3000Åで、Beにより約5×1017
cm-3にドーピングされたπタイプのGaAs層18.2、
層18.1の頂部から約0.1乃至0.2マイクロメー
タの深さまで(100Keボルトで4×1012cm-2の
用量(dose)で)フッ素イオンを注入され、直径約6マイ
クロメータまたは約10マイクロメータの丸い電流開口
部18.6を形成している領域18.3、厚さ約300
Åで、約1020cm-3にドーピングされた、p++タイプ
のGaAs層18.1、厚さ約200Åのドーピングされて
いない、In0.5Ga0.5P層20.2、厚さ約300Åのド
ーピングされていないGaAs層20.1、および厚さ約8
0Åのアルミニウム・ホウケイ酸ガラス保護層20.3
からなるレーザが使用された。
オンを除去するために、前記構造体は、約20分間、約
500℃で焼鈍した。
を形成し、nタイプのオーム接点として電極26を形成
するために、従来の電子ビーム蒸着技術により、両方と
も環状の二つの電極を蒸着した。
ウケイ酸ガラス保護層15を、その上に表面を前記PR
現像薬剤から保護するために、その後誘電ミラー14を
形成した半導体の表面上に蒸着した。厚さ約80Åで、
約1.47の屈折率を持つ前記保護層15を、約1%Al
2 O3 、3%B2 O3 および96%SiO2 からなるソー
スから電子ビーム蒸着した。その後、誘電ミラー14
を、電子ビーム蒸着法により蒸着し、剥離技術により下
記のようにパターン形成した。
ジー州、フランクリンのフューチャーレックス社から入
手したNR8−3000PR)を、ウェハの頂部上で3
000rpmで回転させた。その後、PRをホット・プ
レート上で、約1分間、130℃の低温で加熱した。適
当なシャドー・マスクを通して、PRに385ナノメー
トルの光および150ミリジュールのエネルギーを照射
した。標準写真製版の場合と同じように、開口部が形成
され(ミラーが蒸着される)領域だけが露出された。そ
の後、PRは水性アルカリ性RD2現像液に10分間浸
した。その結果、約1マイクロメータのアンダーカット
を持つ頂部の幅が約6マイクロメータ(他の場合には、
10マイクロメータ)の再入力可能なひし形の開口部が
PRに形成された。前記開口部は、250ミリトルおよ
び50ワットで2分間酸素プラズマで清掃された。その
後、誘電ミラー14が、下記のように蒸着された。
折率を持ち、厚さ約1775ÅのMgF2 −CaF2 層と、
2.30の屈折率と厚さ約1065ÅのZnS層を含む、
6組の層からなる。結晶性失透を避けるために、前者の
層を、50乃至80℃の基盤温度、1×10-6から5×
10-6tollの圧力で、真空室内で電子ビームで蒸着させ
た。蒸着は、47重量%のMgF2 および35重量%のCa
F2 、または等価のモル分率で53%のMgF2 および4
7%のCaF2 からなる単一結晶共融ソース(すなわち、
融解物)から行われた。前記真空室および基板のすべて
の表面から水分を除去するために、蒸着温度(例えば、
62℃)まで温度を下げる前に、15分間100℃(例
えば、108℃)以上の温度で基板を加熱した。
ているアセトンに浸してPRを剥離した。アセトンを吹
き付けてPRの残りの薄片を除去した。
めに考案することができる、多くの可能な特定の実施形
態の単なる例示としてのものに過ぎないことを理解され
たい。当業者なら、本発明の精神および範囲から逸脱す
ることなく、本発明の原理に基づいて、多くのまた種々
の装置を考案することができる。
電層から作ることができる。この設計の場合には、すべ
ての半導体層(例えば、電流戻り層22、能動領域1
6、電流ガイド層18.1および18.2、および光学
的開口部20)を、最初、基板の上で成長させ、ガイド
を形成し、接点を作り、ミラー14を前記方法で蒸着さ
せる。その後、(例えば、適当なエッチング技術によ
り)前記基板を除去し、再び、ミラー12を、前記プロ
セスにより露出した層22の上に蒸着させる。基板全体
を除去する代わりに、前記電流戻り層22の一部を露出
して、その内部に開口部を形成することができる。その
後、ミラー12が前記開口部に蒸着される。
ルのキャリヤ濃度(例えば、層18.1および22)を
持つ半導体層をドーピングするために、周知のデルタ・
ドーピング法を使用することができる。さらに、種々の
導電率のタイプを反転することができる。例えば、電流
ガイド18をpタイプではなく、nタイプにすることが
でき、電流戻り層22をnタイプではなく、pタイプに
することができる。
図である。図面を見やすくし、簡単にするために、この
図は正確な縮尺図ではない。この点に関して、前記VC
SELは、実際には、図に示すより遙かにほとんど平面
に近く、そのため、例えば、他のチップまたは回路盤に
フリップ・チップ・ボンディングするのに適している。
Claims (40)
- 【請求項1】 VCSELであって、 複数の層に垂直な共振器の軸を有する空胴共振器を形成
する一組の多層ミラーと、 該共振器内に配置された能動領域と、 該軸に沿って伝播する放射の誘導放出を生じさせるため
に、電流開口部を通して該能動領域に電流を流すための
電流ガイド手段とからなり、その放射の一部は該共振器
から出力される出力信号を形成し、 該レーザは、該軸を横切り、該ミラーの一方と該能動領
域との間に位置する、比較的高い屈折率のメサの形をし
た光学的ガイドを含むことを特徴とするVCSEL。 - 【請求項2】 請求項1に記載の発明において、該メサ
の少なくとも一部は該一方のミラー内に埋設され、該メ
サの屈折率は該メサに直接隣接する該一方のミラーの一
部の屈折率より大きいことを特徴とする発明。 - 【請求項3】 請求項2に記載の発明において、該一方
のミラーの直径は該メサの直径より大きいことを特徴と
する発明。 - 【請求項4】 請求項1に記載の発明において、該メサ
の断面はほぼ長方形であることを特徴とする発明。 - 【請求項5】 請求項1に記載の発明において、該メサ
の断面は湾曲していることを特徴とする発明。 - 【請求項6】 請求項1に記載の発明において、該メサ
は該電流開口部と整合していることを特徴とする発明。 - 【請求項7】 請求項1に記載の発明において、該電流
ガイド手段は該電流開口部を形成する、その内部に開口
部を持つイオン注入ゾーンを含むことを特徴とする発
明。 - 【請求項8】 請求項7に記載の発明において、該電流
ガイド手段はさらに、該メサの側面を囲み、該電流開口
部の直径より大きい内径を持つ環状の第1電極を含むこ
とを特徴とする発明。 - 【請求項9】 請求項8に記載の発明において、該一方
のミラーは該第1の電極を覆っていることを特徴とする
発明。 - 【請求項10】 請求項8に記載の発明において、該電
流ガイド手段は該第1の電極と該電流開口部との間に設
置された多層スタックを含み、該スタックは、比較的高
い導電率の第1の層とそれより低い導電率の第2の層と
からなり、該イオン注入ゾーンは該第2の層に位置する
ことを特徴とする発明。 - 【請求項11】 請求項10に記載の発明において、該
イオン注入層は該第1の層の下約0.1乃至0.2マイ
クロメータのところに位置することを特徴とする発明。 - 【請求項12】 請求項10に記載の発明において、該
第1の層は該共振器内の該放射の定常波のほぼノードの
ところに位置していることを特徴とする発明。 - 【請求項13】 請求項10に記載の発明において、該
第1の層は一対の比較的高い導電率のサブ層とその間に
位置するそれより低い導電率のサブ層とを含む、少なく
とも3つのサブ層からなることを特徴とする発明。 - 【請求項14】 請求項1に記載の発明において、該能
動領域はInGaAsおよびGaAs層のMQW構造体からなり、
該メサはInGaP層およびGaAs層とからなり、該GaAs層
が、該InGaP層と該一方のミラーとの間に配置されてい
ることを特徴とする発明。 - 【請求項15】 請求項1に記載の発明において、該一
方のミラーは異なる屈折率を持つインターリーブされた
複数の組の誘電層からなることを特徴とする発明。 - 【請求項16】 請求項15に記載の発明において、一
方の組の該各誘電層はMgF2およびCaF2の合成物質から
なり、他方の組の該各誘電層はZnSからなることを特徴
とする発明。 - 【請求項17】 請求項16に記載の発明において、該
一方の組の該各層はモル分率で約95%のMgF2 および
約5%のCaF2 からなることを特徴とする発明。 - 【請求項18】 請求項1に記載の発明においてさら
に、該レーザの該第1の電極と同じ側に位置する第2の
電極を含むことを特徴とする発明。 - 【請求項19】 請求項1に記載の発明においてさら
に、該メサの頂部に位置する保護層を含むことを特徴と
する発明。 - 【請求項20】 請求項19に記載の発明においてさら
に、該保護層はガラスの層を含むことを特徴とする発
明。 - 【請求項21】 請求項20に記載の発明において、該
保護層はアルミニウム・ホウケイ酸ガラス層からなるこ
とを特徴とする発明。 - 【請求項22】 VCSELであって、 異なる屈折率のインターリーブされたGaAsとAlAs層の集
合からなる第1のDBRミラーと、異なる屈折率のイン
ターリーブされた複数の集合の誘電層からなる第2のD
BRミラーとからなり、該ミラーは該層に垂直な共振器
の軸を有する空胴共振器を形成しており、さらに、 該共振器内に位置するMQW能動領域と、 該軸に沿って伝播する放射の誘導放出を生じさせるため
に、電流開口部を通して該能動領域に電流を流す電流ガ
イド手段とからなり、該放射の一部分は該第2のミラー
を通して出力される出力信号を形成し、該電流ガイド手
段は該第2のミラーに隣接する第1の環状電極を含みそ
して該電流開口部の内径より大きい内径を持ち、さら
に、該第1の電極から該軸にほぼ垂直な第1の通路セグ
メントに沿って流れ、該第1のセグメントから該軸にほ
ぼ平行な第2の通路セグメントに沿って流れ、その後、
該電流開口部を通って該能動領域に流れる電流を制御す
る手段とからなり、該制御手段は該第1の電極と該電流
開口部との間に位置する多層スタック信号を含み、該ス
タックは、該共振器内の該放射の定常波のほぼノードの
位置にある比較的高い導電率の第1の層と、該第1の層
に隣接するそれより導電率の低い第2の層と、該第1の
層の頂部の下約0.1乃至0.2マイクロメータのとこ
ろの第2の層に位置した、該電流開口部を形成する窓を
有するイオン注入ゾーンとからなり、さらに該軸を横切
り、該電流開口部を整合している比較的高い屈折率を持
つメサの形の光学的ガイドからなり、該メサはその少な
くとも一部が該一方のミラー内に埋設され、該メサは、
GaAs層と、該GaAs層を覆う該ミラーに隣接する保護ガラ
ス層と、該GaAs層の下のInGaP層とからなり、該第1の
ミラーの直径は該メサの直径より大きいことを特徴とす
るVCSEL。 - 【請求項23】 請求項22に記載の発明において、一
方の組の該各誘電層は、MgF2 およびCaF2 の合成物質
からなり、他方の組の該各誘電層はZnSからなることを
特徴とする発明。 - 【請求項24】 請求項23に記載の発明において、該
一方の組の該各層は、モル分率で約95%のMgF2 およ
び約5%のCaF2 からなることを特徴とする発明。 - 【請求項25】 請求項22に記載の発明において、該
高い導電率の第1の層は、一対の比較的導電率高いサブ
層とその間に位置するそれより低い導電率のサブ層とを
含む少なくとも3つのサブ層からなることを特徴とする
発明。 - 【請求項26】 請求項22に記載の発明において、該
保護層はアルミニウム・ホウケイ酸ガラス層からなるこ
とを特徴とする発明。 - 【請求項27】 VCSELを製造する方法であって、
該方法は、 a)異なる屈折率のインターリーブされた、半導体層の
集合からなる第1のミラーを形成する段階と、 b)該第1の層の上に電流戻り層を形成する段階と、 c)該電流戻り層の上にMQW能動領域を形成する段階
と、 d)電流開口部を通して該能動領域に電流を流す電流ガ
イドを形成する段階と、 e)比較的高い屈折率のメサの形をしている光学的ガイ
ドを形成する段階と、 f)該メサを取り囲む開口部を有する第1の電極を形成
し、該電流戻り層の上に第2の電極を形成する段階と、 g)該メサの頂部の上に第2のミラーを形成する段階と
からなり、該第2のミラーは、異なる屈折率のインター
リーブされた複数の組の誘電層からなり、該2つのミラ
ーは該層に垂直な軸を有する空胴共振器を形成すること
を特徴とする方法。 - 【請求項28】 請求項27に記載の方法において、該
段階(d)が、 d1)比較的低い導電率の第1の層を形成する段階と、 d2)該第1の層にイオンを注入して該電流開口部を形
成する段階と、 d3)該第1の層の上により高い導電率の第2の層を形
成する段階とを含み、該段階(e)において、該メサが
該第2の層の上に形成されることを特徴とする発明。 - 【請求項29】 請求項27に記載の方法において、該
段階(g)において、該第2のミラーはその内部に該メ
サの一部を埋設し、該ミラーに直接隣接する該メサの該
部分の屈折率は該メサに直接隣接する該ミラーの該部分
の屈折率より大きいことを特徴とする方法。 - 【請求項30】 請求項29に記載の方法において、段
階(e)において、該メサが該メサ部分に対応する第1
の光学的に平滑なサブ層から形成されており、第2のサ
ブ層は、該第1のサブ層の下に存在して該メサを形成す
る際にエッチング停止を行い、第3のサブ層は該第1の
サブ層の上を覆ってその光学的な平滑性を保護すること
を特徴とする方法。 - 【請求項31】 請求項30に記載の方法において、該
段階(e)はガラス層としての第3のサブ層の形成を含
むことを特徴とする方法。 - 【請求項32】 請求項31に記載の方法において、該
段階(e)は、Al2O3 、B2 O3 、SiO2 からなるソ
ースから電子蒸着により該ガラス層の形成を含むことを
特徴とする方法。 - 【請求項33】 請求項27に記載の方法において、該
段階(g)は異なる屈折率のインターリーブした誘電層
の集合からなるDBRミラーとしての第2のミラーの蒸
着を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項34】 請求項33に記載の方法において、該
各誘電層の一方の各組はMgF2 およびCaF2 の合成物質
からなり、該各誘電層の他方の各組はZnSからなること
を特徴とする方法。 - 【請求項35】 請求項34に記載の方法において、該
一方の組の該各層はモル分率で約95%のMgF2 および
約5%のCaF2 からなることを特徴とする方法。 - 【請求項36】 請求項28に記載の方法において、該
段階(d2)において、該第2の層の頂部の下約0.1
乃至0.2マイクロメータの深さに該イオンが注入され
ることを特徴とする方法。 - 【請求項37】 請求項28に記載の方法において、該
高い導電率の第2の層は、一組の比較的導電率高いサブ
層とその間に位置するそれより低い導電率のサブ層とを
含む、少なくとも3つのサブ層からなることを特徴とす
る方法。 - 【請求項38】 VCSELの製造方法であって、 a)基板を提供する段階と、 b)該基板上に比較的高い導電率の層を形成する段階
と、 c)該高い導電率の層の上に能動領域を形成する段階
と、 d)電流開口部を通して該能動領域へ電流を流す電流ガ
イドを形成する段階と、 e)比較的高い屈折率のメサの形をしている光学的ガイ
ドを形成する段階と、 f)該メサの側面を囲んでいる第1の環状電極を形成す
る段階と、 g)該メサの頂部の上に、異なる屈折率のインターリー
ブした誘電層の集合からなるミラーを形成する段階とか
らなる方法。 - 【請求項39】 請求項38に記載の方法において、該
方法がさらに、 h)該基板を除去し、それにより該の高い導電率の層を
露出させる段階と、 i)該高い導電率の層の上に他のミラーを形成する段階
とからなり、該ミラーは異なる屈折率のインターリーブ
した誘電層の集合からなり、該2つのミラーが該層に垂
直な軸を有する空胴共振器を形成することを特徴とする
方法。 - 【請求項40】 請求項38に記載の方法において、該
の高い導電率の層は、一対の比較的導電率高いサブ層と
その間に位置するそれより低い導電率のサブ層とを含
む、少なくとも3つのサブ層からなることを特徴とする
方法。
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