JPH11340582A - 青色垂直キャビティ面発光レ―ザ - Google Patents

青色垂直キャビティ面発光レ―ザ

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JPH11340582A
JPH11340582A JP12519899A JP12519899A JPH11340582A JP H11340582 A JPH11340582 A JP H11340582A JP 12519899 A JP12519899 A JP 12519899A JP 12519899 A JP12519899 A JP 12519899A JP H11340582 A JPH11340582 A JP H11340582A
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ディー フロイド フィリップ
Daniel Hofstetter
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 青色垂直キャビティ面発光レーザにおいて
は、ＧａＮ半導体層に適当に格子適合する基板がなく、
窒化物層の中に欠陥が高い濃度で広がるため、コヒーレ
ントな青色レーザを効率良く出射することができなかっ
た。 【解決手段】 ガリウム窒化物を主体にしたレーザ構造
体２００において、レーザヘテロ構造２３０は、ｎ−Ｇ
ａＮ層２１０の終端部２１６に形成される。レーザは、
量子井戸活性層２２２より出射される。ｎ−ＧａＮ層２
１０は、ＤＢＲ２０６上で、横方向のエピタキシャル成
長で形成されており、結晶欠陥が低い領域であるため、
効率の高い青色垂直キャビティ面発光レーザを出射する
ことが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はモノリシック半導体
レーザの構造に関するものであり、さらに詳細には、独
立にアドレス可能な、青色波長範囲の垂直キャビティ面
発光レーザ（「ＶＣＳＥＬ」）に関する。
【０００２】
【従来の技術】モノリシック固体半導体レーザは、高速
レーザプリント、光ファイバー通信および他の用途に極
めて好ましい光源である。エッジ発光レーザが現在極め
て広い用途に使用されているが、最近では、垂直キャビ
ティ面発光レーザに関心が増えてきている。一般的なレ
ーザの構造は、いわゆる「エッジ発光レーザ」であり、
このエッジ発光レーザでは、光は半導体層のモノリシッ
ク構造体のエッジから出射する。「ＶＣＳＥＬ」は、半
導体層のモノリシック構造体の表面から光が出射するレ
ーザ構造である。
【０００３】ＶＣＳＥＬの構造に関心がある理由は、エ
ッジ発光レーザは発散角度が大きいビームを発生するた
め、出射ビームを効率的に収集することを一層困難にす
るからである。他方、ＶＣＳＥＬのビームの発散角度は
小さいだけでなく、ＶＣＳＥＬは光をウェハーの表面に
直角に出射する。
【０００４】従来技術の量子井戸垂直キャビティ面発光
レーザは、波長範囲が約６００〜６５０ｎｍ（赤色の範
囲）または６５０ｎｍ以上（赤外の範囲）の光を出射で
きる。しかしながら、波長範囲がほぼ４００ｎｍ（青色
の範囲）周辺で発光するレーザ装置についての重要な用
途がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般に、青色レーザに
ついての１つの進行中の問題は、ガリウム窒化物ならび
にそのインジウムおよびアルミニウムとの合金が青色レ
ーザの構造体における半導体層として使用されることで
ある。ＧａＮ自体は、実際的な基板として使用できな
い。この問題は、ＧａＮ半導体層に対する適当な格子適
合した基板がないことである。ＧａＮの格子定数に近い
格子定数を持つ基板がない場合、窒化物層の中に欠陥が
高い濃度で広がることになる。格子適合が乏しい基板上
のＧａＮおよびその合金の活性層は、コヒーレントな青
色光を、出射したとしても、わずかに効率悪く出射する
だけである。
【０００６】最も一般的に使用されかつ最も容易に入手
できる基板は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）である。しかし
ながら、サファイアの結晶構造は、ＧａＮと同様であ
る。サファイア基板とＧａＮ合金の半導体レーザの構造
との間の近いエピタキシャル関係は、特定の結晶方位を
適合させることによって得ることができる。しかしなが
ら、約１５％の格子不適合は、そのような半導体の構造
に起因する。
【０００７】本発明の目的は、３９０〜４３０ｎｍの範
囲（青色の範囲）の光を出射する、独立にアドレス可能
な、モノリシック垂直キャビティ面発光レーザの構造を
提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、３９０〜４３
０ｎｍの青色波長範囲の、独立にアドレス可能な、垂直
キャビティ面発光レーザ（「ＶＣＳＥＬ」）を提供す
る。ガリウム窒化物をベースとしたレーザ構造体は、選
択された領域でのエピタキシャル成長および横方向のマ
スク過度成長によって成長させられる。誘電体のマスク
をサファイア基板のガリウム窒化物層上に適切にパター
ン形成することによって、第２のガリウム窒化物層内の
領域の欠陥密度を小さくすることができ、この領域にレ
ーザ構造体の残りの部分を形成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は、本発明による垂直キャビ
ティ面発光レーザで使用する、ガリウム窒化物（Ｇａ
Ｎ）結晶構造体１００を図示する。
【００１０】この構造体１００は、サファイア（Ａｌ2
Ｏ3）基板１０２を含み、この基板上に従来技術で周知
の金属・有機化学気相成長法（「ＭＯＣＶＤ」）として
知られているエピタキシャル付着形成法を用いて、ｎ型
ガリウム窒化物（ｎ−ＧａＮ）のベース層１０４を最初
に成長させる。
【００１１】次に、厚さが２００ｎｍの二酸化シリコン
（ＳｉＯ2）の誘電体フィルム１０６を、プラズマ強化
化学蒸着法（「ＰＥＣＶＤ」）または電子ビーム蒸着法
によって、ＧａＮのベース層１０４上に付着形成させ
る。次に、標準的なフォトリソグラフィ処理およびフッ
化水素酸（ＨＦ）によるエッチングを用いて、この誘電
体フィルム１０６をパターン形成する。
【００１２】細い直線のストライプ１０８を誘電体フィ
ルム１０６内で下方にエッチングして、ＧａＮのベース
層１０４の表面を露出させる。次に、横幅が１６μｍ
で、厚さが４μｍの第２のｎ型ガリウム窒化物（ｎ−Ｇ
ａＮ）層１１０を、細い露出したストライプ１０８から
始めて横方向に成長させる。ｎ−ＧａＮ層１１０が、高
温と高い濃度のアンモニアのフローのもとで、誘電体フ
ィルム１０６上に横方向に成長する。成長は露出したＧ
ａＮ領域（ストライプ１０８の領域）においてのみ選択
的に開始するが、誘電体フィルム１０６の上面では開始
しない。ｎ−ＧａＮ層１１０が一層厚くなるにつれて、
この層は誘電体フィルム１０６の上に横方向に成長を開
始する。この横方向に成長した材料が下側のＧａＮのベ
ース層１０４に一方の側でのみ接着されるので、歪みな
しで、またこのため転位なしで成長する。第２のｎ−Ｇ
ａＮ層１１０は、ストライプ１０８の両側のＧａＮのベ
ース層１０４上および誘電体フィルム１０６上で横方向
に成長する。
【００１３】ｎ−ＧａＮ層１１０は３つの部分、すなわ
ち、誘電体フィルム１０６の一方の部分の上部にある第
１の部分すなわち終端部１１２、ＧａＮベース層１０４
の露出したストライプ１０８の上部にある第２の部分す
なわち中間部１１４および誘電体フィルム１０６の他方
の部分の上部にある第３の部分すなわち終端部１１６か
ら構成される。２つの終端部１１２および１１６は、誘
電体フィルム１０６の上部に付着形成されているので、
ｎ−ＧａＮ層１１０の欠陥密度の低い領域に存在する。
中間部１１４は、別の第１のＧａＮベース層１０４上に
付着形成されているので、第２のｎ−ＧａＮ層１１０の
欠陥密度の高い領域に存在する。
【００１４】レーザのヘテロ構造は、誘電体フィルム１
０６上のｎ−ＧａＮ層１１０の横方向に成長した一部分
上およびＧａＮベース層１０４の直線ストライプ１０８
上にエピタキシャル成長によって成長させられる。次に
行われるパターン形成されたｎ−ＧａＮ層１１０上のＧ
ａＮベースのレーザヘテロ構造の成長は、高い結晶欠陥
領域である中間部１１４を避けて、低い結晶欠陥領域で
ある終端部１１２および１１６で行われる。
【００１５】ＧａＮのベース層１０４上に付着形成され
た誘電体フィルム１０６は、代替例においては、シリコ
ン窒化物（ＳｉＮX）または酸化シリコン窒化物（Ｓｉ
ＯＮ）であってもよい。
【００１６】図２の青色垂直キャビティ面発光レーザ
「ＶＣＳＥＬ」のレーザ構造体２００は、本発明に基づ
いて製造される。図３は、図２の青色ＶＣＳＥＬ半導体
構造２００の平面図である。
【００１７】この青色ＶＣＳＥＬレーザ構造体２００
は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板２０２を含み、この基
板上に従来技術で周知の金属・有機化学気相成長法
（「ＭＯＣＶＤ」）として知られているエピタキシャル
付着形成法を用いて、ｎ型ガリウム窒化物（ｎ−Ｇａ
Ｎ）のベース層２０４を最初に成長させる。
【００１８】次に、ｎ−ＳｉＯ2およびｎ−ＴｉＯ2など
の誘電体フィルム材料の約８〜１２の交番層から成る帯
域幅が狭い分散形ブラッグリフレクタ（「ＤＢＲ」）２
０６を、プラズマ強化化学蒸着法（「ＰＥＣＶＤ」）ま
たは電子ビーム蒸着法によって、ＧａＮのベース層２０
４上に付着形成する。
【００１９】例えば、このレーザ構造体２００に対し
て、青色スペクトルの発光波長では、下側のＤＢＲ２０
６は１０個組みの４分の１波長スタックでよい。発光波
長が４００ｎｍの場合は、ｎ−ＳｉＯ2層およびｎ−Ｔ
ｉＯ2層の厚さは波長の４分の１であり、これらの波長
はｎ−ＳｉＯ2では公称６９ｎｍであり、ｎ−ＴｉＯ2で
は公称４５ｎｍである。下側のＤＢＲ２０６の厚さは約
１．１４μｍである。
【００２０】次に、誘電体フィルムＤＢＲ２０６は、標
準的なフォトリソグラフィ処理およびフッ化水素酸（Ｈ
Ｆ）によるエッチングを用いてパターン形成される。
【００２１】細い直線のストライプ２０８を、誘電体フ
ィルムＤＢＲ２０６内で下方にエッチングして、ＧａＮ
のベース層２０４の表面を露出させる。次に、横幅が１
６μｍで、厚さが４μｍの第２のｎ型ガリウム窒化物
（ｎ−ＧａＮ）層２１０を、誘電体フィルムＤＢＲ２０
６およびＧａＮのベース層２０４の細い露出したストラ
イプ２０８上に選択的に付着形成する。この第２のｎ−
ＧａＮ層２１０は、ストライプ２０８の両側のＧａＮの
ベース層２０４および誘電体フィルムＤＢＲ２０６上に
横方向に成長する。
【００２２】ｎ−ＧａＮ層２１０は３つの部分、すなわ
ち、誘電体フィルムＤＢＲ２０６の一方の部分の上部に
ある第１の部分すなわち終端部２１２、ＧａＮベース層
２０４の露出したストライプ２０８の上部にある第２の
部分すなわち中間部２１４および誘電体フィルムＤＢＲ
２０６の他方の部分の上部にある第３の部分すなわち終
端部２１６から構成される。２つの終端部２１２および
２１６は、誘電体フィルムＤＢＲ２０６の上部に付着形
成されているので、ｎ−ＧａＮ層２１０の欠陥密度の低
い領域に存在する。中間部２１４は、ＧａＮベース層２
０４上に付着形成されているので、第２のｎ−ＧａＮ層
２１０の欠陥密度の高い領域に存在する。
【００２３】次に、レーザのヘテロ構造体が、このｎ−
ＧａＮ層２１０上に付着形成される。
【００２４】有機金属気相エピタキシャル成長法（「Ｏ
ＭＰＶＥ」）を用いて、下側のｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ
アルミニウムガリウム窒化物のクラッド層２１８を、ｎ
−ＧａＮ層２１０上に付着形成する。このｎ−Ａｌ0.08
Ｇａ0.92Ｎアルミニウムガリウム窒化物のクラッド層２
１８の厚さは、０．５μｍであり、５×１０17ｃｍ-3の
濃度にシリコンがドープされている。第１の下側のｎ−
ＧａＮ制限層２２０が、下側のクラッド層２１８上に付
着形成される。このｎ−ＧａＮ制限層２２０の厚さは１
００ｎｍであり、１０18ｃｍ-3の濃度にシリコンがドー
プされている。Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／ＧａＮマルチプル
量子井戸活性層２２２が、制限層２２０上に付着形成さ
れる。このＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／ＧａＮマルチプル量子
井戸活性層２２２はドープされておらず、またその厚さ
は１２０ｎｍである。第２の上側ｐ−ＧａＮ制限層２２
４が、マルチプル量子井戸活性層２２２上に付着形成さ
れる。このｐ−ＧａＮ制限層２２４の厚さは１００ｎｍ
であり、１０18ｃｍ-3の濃度にマグネシウムがドープさ
れている。上側ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎアルミニウムガ
リウム窒化物のクラッド層２２６が、制限層２２４上に
付着形成される。このｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎアルミニ
ウムガリウム窒化物クラッド層２２６の厚さは０．５μ
ｍであり、５×１０17ｃｍ-3の濃度にマグネシウムがド
ープされている。第３のｐ−ＧａＮ接点層２２８が、上
側のクラッド層２２６上に付着形成される。この接点層
２２８の厚さは１２０ｎｍであり、５×１０17ｃｍ-3の
濃度にマグネシウムがドープされている。
【００２５】マルチプル量子井戸層２２２は、３９０〜
４３０ｎｍの青色波長の光を出射する活性領域を形成す
る。
【００２６】レーザヘテロ構造体は、ガリウム窒化物半
導体層およびそのアルミニウムおよび／またはインジウ
ムとの合金から形成される。
【００２７】レーザ構造体２００をドライエッチングす
ることによって、誘電体フィルムＤＢＲ２０６上の第１
の部分２１２とｎ−ＧａＮ層２１０上の中間部２１４上
のエピタキシャル層の部分を取り除いて、誘電体フィル
ムＤＢＲ２０６上の終端部２１６上にメサ型レーザヘテ
ロ構造体２３０を残す。要求されてはいないが、中間部
２１４の小さな部分（図示せず）がメサの側部に付着し
て残り、絶縁と分離の機能を果たす。さらに、このエッ
チングステップを使用して、ＡｌＧａＮの成長の間に、
誘電体マスクに集まるすべての多結晶物質を取り除くこ
とができる。
【００２８】２つの終端部２１２および２１６は、誘電
体フィルムＤＢＲ２０６上に付着形成されているため、
ｎ−ＧａＮ層２１０の欠陥密度が低い領域に存在する。
このため、メサ型レーザ構造体を代わりに第１の部分す
なわち終端部２１２の上部にもエッチング形成できる
（図示せず）。
【００２９】Ｃｒ−ＡｕまたはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕの環状
のｐ型接点２３２が、接点層２２８上に金属蒸着法によ
って形成される。あるいは、ＩｎＧａＮ接点層（図示せ
ず）を先ず最初に接点層２２８上に付着形成して、次に
環状ｐ型接点２３２を形成することもできる。
【００３０】環状ｐ型接点２３２の中に、上側ｐ−ＤＢ
Ｒ２３４を接点層２２８の表面上に形成する。
【００３１】帯域幅が狭い分散形ブラッグリフレクタ
（「ＤＢＲ」）２３４は、ｎ−ＳｉＯ2およびｎ−Ｔｉ
Ｏ2などの誘電体フィルム材料から成る約８〜１２の交
番層を含む。これらの交番層は、プラズマ強化化学蒸着
法（「ＰＥＣＶＤ」）または電子ビーム蒸着法によっ
て、ＧａＮ接点層２２８上に付着形成される。
【００３２】例えば、このレーザヘテロ構造体２３０に
対して、青色スペクトルの発光波長では、上側のｐ−Ｄ
ＢＲ２３４は１０個組みの４分の１波長スタックでよ
い。ｎ−ＳｉＯ2層およびｎ−ＴｉＯ2層の厚さは波長の
４分の１であり、これらの波長はＳｉＯ2では公称６９
ｎｍであり、ＴｉＯ2では公称４５ｎｍである。上側の
ＤＢＲ ２３４の厚さは約１．１４μｍである。
【００３３】Ｃｒ−ＡｕまたはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕのエア
ブリッジ２３６は、環状ｐ型接点２３２を、サファイア
基板２０２の表面上にあるはるかに大きい接点パッド２
３８に接続する。
【００３４】Ｃｒ−ＡｕまたはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕのｎ型
接点２４０が、金属蒸着法によって、ｎ−ＧａＮ層２１
０の第１の部分すなわち終端部２１２上に形成される。
【００３５】ｎ−ＧａＮ層２１０の第３の部分すなわち
終端部２１６によるレーザ構造体２００の垂直方向の特
性によって、レーザにおける横方向の光学的また電気的
制限が与えられる。
【００３６】電流は従来の電極を通り、ｐ型接点２３２
から、接点層２２８、上部クラッド層２２６、制限層２
２４、青色波長の光を出射するために順方向バイアスを
かけるマルチプル量子井戸活性層２２２、制限層２２
０、クラッド層２１８、ｎ−ＧａＮ層２１０の第３の部
分すなわち終端部２１６、ｎ−ＧａＮ層２１０の第２の
部分すなわち中間部２１４、およびｎ−ＧａＮ層２１０
の第１の部分すなわち終端部２１２を通り、ｎ型接点２
４０に流れる。
【００３７】活性領域は、下側ＤＢＲ２０６または上部
ＤＢＲ２３４のいずれかを通り、レーザヘテロ構造体の
表面から発光する。
【００３８】また、ＤＢＲで使用する誘電体フィルム
は、ＳｉＮとＳｉＯ2または他の好適な誘電体材料の交
番層であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体構造の基板およびバッファ層
の半導体層の横断面図である。
【図２】 本発明の青色ＶＣＳＥＬ半導体構造の半導体
層の横断面図である。
【図３】 図２の青色ＶＣＳＥＬ半導体構造の平面図で
ある。
【符号の説明】
１００ ガリウム窒化物（ＧａＮ）結晶構造体、１０２
サファイア基板、１０４ ｎ型ガリウム窒化物（ｎ−
ＧａＮ）のベース層、１０６ 誘電体フィルム、１０８
ストライプ、１１０ 第２のｎ型ガリウム窒化物（ｎ
−ＧａＮ）層、２００ レーザ構造体、２０２ サファ
イア基板、２０４ ｎ型ガリウム窒化物（ｎ−ＧａＮ）
のベース層、２０６，２３４ 分散形ブラッグリフレク
タ（ＤＢＲ）、２０８ ストライプ、２１０ 第２のｎ
型ガリウム窒化物（ｎ−ＧａＮ）層、２２２ 量子井戸
活性層、２３２ 環状Ｐ型接点、２４０ ｎ型接点。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダニエル ホフステッター アメリカ合衆国 カリフォルニア州 サニ ーベール パシト テラス 110 アパー トメント 220

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ３９０ｎｍから４３０ｎｍの波長範囲の
    コヒーレント光を発光する面発光レーザであって、 サファイア基板と、 前記サファイア基板上に形成された第１のガリウム窒化
    物の半導体層と、 前記第１のガリウム窒化物の半導体層の表面の一部を露
    出させるストライプを有する、前記第１のガリウム窒化
    物の半導体層上に形成された誘電体材料の第１のリフレ
    クタと、 前記第１のリフレクタおよび前記ストライプ上に形成さ
    れた第２のガリウム窒化物の半導体層と、 前記第１のリフレクタ上に形成された前記第２のガリウ
    ム窒化物の半導体層の一部の上に形成された複数の半導
    体層と、 活性領域を形成する前記複数の半導体層のうちの１つ以
    上の半導体層と、 前記複数の半導体層上に形成された誘電体材料の第２の
    リフレクタであって、少なくとも前記第１または第２の
    リフレクタが前記活性領域によって出射した光の部分的
    な伝搬を可能にする第２のリフレクタと、 前記活性領域をバイアスして３９０から４３０ｎｍの波
    長範囲のコヒーレント光を出射することを可能にする第
    １および第２の電極と、を含み、 前記複数の半導体層がガリウム窒化物またはガリウム窒
    化物のインジウムおよびアルミニウムとの合金であるこ
    とを特徴とする面発光レーザ。
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