JP2000077772A - 半導体レ―ザ装置 - Google Patents

半導体レ―ザ装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】低抵抗で造りやすい新規なVCSEL構造を提
供する。 【解決手段】活性層(25)を挟んで、該活性層(2
5)の一方の側に配置されて、(i)第1の屈折率を備
え、第1のドーパントを含む第1の半導体化合物から造
られた第1の層(33)、及び、(ii)第2の屈折率
を備え、第2のドーパントを含む第2の半導体化合物か
ら造られた第2の層(35)を含む反射構造(27)が
含まれている半導体レーザ装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、半導体装
置及びその製造に関し、特に、半導体レーザ装置などの
発光素子に関するものである。そして、本発明は、とり
わけ、垂直空洞面発光レーザ(VCSEL)装置に適用
可能なものである。
【0002】
【従来の技術】VCSEL装置等の半導体レーザ装置
は、電流を流すと単色のコヒーレント光を発生する。基
本的に、VCSELは、2つの反射層の間に挟まれた発
光材料の層から構成される。
【0003】熱放散は、VCSELの設計者が対処しな
ければならない難題の1つである。発生する熱の量は、
VCSELの抵抗、及び、VCSELを流れる電流の量
に関連している。抵抗は、電流が直列層を流れるので、
一般に、「直列抵抗」と呼ばれる。VCSELは、でき
るだけ多くの電流を通すことによって、レーザ光の出力
強度を最大にできることが望ましいが、加熱により通電
量が制限される。
【0004】従来のアプローチを利用すると、VCSE
L構造の熱放散効率が低下した。例えば、図1に関連し
て後述する、Kish,Jr.他に対する米国特許第
5,724,376号の明細書には、活性層に近接した
ヒート・シンクを用いる構造の解説がある。
【0005】反射構造を構成する層の抵抗は、ドーピン
グによって小さくすることが可能であることも分かって
いる。これによって、所定の量の加熱に関して、より多
くの電流を流すことが可能になるので、光出力強度が増
大する。例えば、K.L.Lear他による「Low
Threshold Voltage Vertica
l Cavity Surface−Emitting
Laser」,Electronics Lette
rs,Vol.29,No.7,(April1,19
93),pp584−6を参照されたい。
【0006】また、P.Zhou他による「Low S
eries ResistanceHigh−Effi
ciency GaAs/AlGaAs Vertic
al−Cavity Surface−Emittin
g Lasers with Continuousl
y Graded Mirrors Grownby
MOCVD」,IEEE Photonics Tec
hnologyLetters,Vol.3,No.7
(July 1991)には、反射層間の傾斜インター
フェイスによって直流抵抗を小さくする技法が解説され
ている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、通電
能力をいっそう向上させ、同時に、抵抗を制限して、良
好な製造性をもたらす新規なVCSEL構造を提供する
ことにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、直列抵
抗が小さく、製造が容易な半導体レーザ装置が得られ
る。
【0009】こうした半導体レーザ装置には、活性層
と、活性層の両側に配置された第1と第2の反射構造が
含まれている。第1と第2の反射構造は、それぞれ、分
布ブラッグ反射装置(DBR)であり、各DBRには、
それぞれ、(i)第1の屈折率を備えた第1の層と、
(ii)第2の屈折率を備えた第2の層が含まれてい
る。
【0010】2つのDBRの一方にはpタイプ、もう一
方には、nタイプのドーピングが施される。各DBR毎
に、ドーピング・タイプは、一貫しているが、所定のD
BRの異なる層には、異なるドーパントが用いられる。
【0011】望ましい実施例の場合、反射構造は、Al
GaAsから造られたDBRであるが、層の屈折率を変
えるため、Al含有量は変更される。pタイプDBRの
2つの層には、それぞれ、低屈折率層及び高屈折率層が
得られるようにマグネシウムと炭素によるドーピングを
施すのが望ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明によれば、有機金属気相エ
ピタキシ(OMVPE)によって、半導体VCSEL用
のpタイプDBRを作製するために開発された協調ドー
ピング・プロセスが得られる。この協調ドーピング・プ
ロセスを利用することによって、これらの装置で、低直
列抵抗及び低動作電圧を実現し、良好な製造性を得られ
る。
【0013】図1には、全体が10で表示された従来の
VCSELの一例が示されている。図1のVCSELに
ついては、後述するKish,Jr他に対する米国特許
第5,724,376号の明細書に詳細な記載がある。
【0014】VCSEL10などの半導体レーザでは、
通電により発光する材料の層11が、活性材料として利
用される。当該技術者には、この発光特性を備えた各種
材料が知られている。
【0015】対向する反射表面は、活性層の上方及び下
方に製作される。上方反射構造13及び下方反射構造1
5が示されている。活性層11は、反射構造13、15
の間に位置する。反射構造13及び15は、一般に、屈
折率の異なる材料の層を順次堆積させることによって得
られる。こうした構造は、分布ブラッグ反射装置(DB
R)と呼ばれる。DBR間の間隙(活性層11によって
占められる)は、ファブリ・ペロー空洞と呼ばれる。上
記構造は、基板17上に形成される。
【0016】VCSEL設計において、2つの反射構造
13、15に互いに逆極性のドーピングを施すのが一般
的である。すなわち、反射構造の一方には、nタイプの
ドーピングが施され、もう一方には、pタイプのドーピ
ングが施される。従って、VCSELは、pn接合ダイ
オードに匹敵する特性を備えることが可能である。VC
SELを用いた回路は、VCSELの2つの端子間に順
バイアス電圧を印加してVCSELを駆動し、発光させ
る。
【0017】半導体材料層の屈折率を設定する既知の方
法がある。例えば、アルミニウム・ガリウム・砒素(A
lGaAs)層を形成する場合、アルミニウム含有量を
変えることが可能でアルミニウムの含有量が増すほど、
屈折率は低下する。
【0018】一般的なやり方に従って、nタイプまたは
pタイプになるように、層にドーピングを施すことが可
能である。例えば、炭素(C)またはマグネシウム(M
g)ドーパントを利用して、AlGaAsをpタイプに
することが可能である。
【0019】上述の半導体構造に電流を供給して、活性
層11を活性化するため、該構造の両側に電気接点1
9、21が設けられる。上部接点19は、レーザ光がV
CSEL装置10から出射するための間隙が得られるよ
うに構成されている。図1に概略が示されている、可能
性のある構成の1つでは、上部接点19には、レーザ光
が通過する開口が設けられている。図1には、上昇し
て、上部接点19の開口を通るレーザ光が示されてい
る。
【0020】VCSEL10などのVCSEL装置は、
接点19と21の間に特性抵抗を備えている。電流がV
CSEL10を流れると、熱が発生する。熱は、ハンダ
・ダイ・アタッチで取り付けられたヒート・シンク23
によって放散される。
【0021】図2は、本発明によるVCSEL装置の一
部に関する概略図である。図2に示す構造は、図1の構
造11、13、及び、15に対応する。図1の残りの部
分には、本発明にとってあまり重要ではない構成要素が
含まれている。従って、これらの補助的要素は、図2か
ら省かれている。
【0022】図1の活性層11と同様の活性層25は、
2つの反射構造27及び29の間にVCSEL空洞を形
成する。反射構造27及び29は、それぞれ、pタイプ
DBR及びnタイプDBRとして示されている。
【0023】DBR27及び29には、屈折率の異なる
2つの材料の交互層が含まれている。上述のように、材
料がAlGaAsの場合、低Al組成のAlGaAs層
は、高屈折率材料の働きをし、高Al組成のAlGaA
s層は、低屈折率材料の働きをする。場合により、層間
に不図示の傾斜インターフェイスを用いることも可能で
ある。
【0024】DBR内の1対の層は、単位下部構造とみ
なすことができる。そして、該下部構造を必要数用いて
DBRを構成することが可能である。図2において、p
タイプDBR27には、低屈折率層33及び高屈折率層
35を含む、単位下部構造31が含まれている。
【0025】DBR毎に1つのこうした単位下部構造
は、理論的には最少であるが、実際には、DBRには、
2つ以上の単位下部構造が含まれる。図示のように、単
位下部構造をN1回繰り返すことによって、pタイプD
BR27全体が形成される。同様に、nタイプDBR2
9には、N2回繰り返された単位下部構造37が含まれ
ている。N1及びN2は、単位下部構造の総数を表す整
数である。望ましい実施例の場合、N1及びN2は、約
50にすることが可能である。
【0026】全ての層を順次通過するポンプ電流は、構
造の全抵抗に関連した熱を発生する。本発明によれば、
全抵抗を小さくするため、層及びインターフェイスに十
分なドーピングが施される。それによって、好都合なこ
とには、DBR27及び29の両端間における電圧降
下、及び、電流によって発生する熱が減少する。pタイ
プDBRは、nタイプDBRよりも抵抗が大きくなりが
ちである。従って、本発明は、とりわけ、pタイプDB
Rに適用するのに有利である。
【0027】本発明によれば、「協調ドーピング」にお
いて、DBRまたはDBR単位下部構造の2つの層に異
なるドーパントが用いられる。
【0028】図2の構造には、Al含有量を変えること
によって屈折率が変更される、望ましい材料AlGaA
sから造られたDBRが含まれている。pタイプのAl
GaAsによるDBRにおいて一般に用いられるドーパ
ントのうちの2つは、MgとCである。pタイプDBR
27の場合、Cは、層33のようなAl含有量の多いA
lGaAs層のドーパントとして利用され、Mgは、層
35のようなAl含有量の少ないAlGaAsに利用さ
れる。
【0029】ちなみに、本発明の他の望ましい実施例の
場合、Al含有量の多いAlGaAs層(例えば、層3
3)に、CとMgの組み合わせによるドーピング、並び
に、Cだけのドーピングを施すことが可能である点に留
意されたい。
【0030】Mgは、AlGaAs材料のアルミニウム
含有量に関係なくドーパントとして利用される。OMV
PEによるMgドーピングは、既知のMgドーパント源
を用いて実施される。
【0031】しかし、Al組成の高いAlGaAsとイ
ンターフェイス層の場合、Mgには、活性化されるドー
パント・イオンの可能性のある最高の濃度(すなわち、
実現可能なキャリヤ濃度)が、あいにく、1018/cm
3という低い値に制限される欠点がある。結果として、
MgをドープしたpタイプDBRを利用して成長したV
CSELは、直列抵抗が高くなるので、通常、動作電圧
が高くなる。
【0032】一方、炭素は、極めて高いレベルで、Al
GaAs層に取り入れることが可能である。しかし、炭
素をドーパントにしたOMVPEガスは、不都合な腐食
性を備える傾向がある。周囲炭素ドーパント源ガスから
ドーピングを行うステップを含む製作プロセスの場合、
炭素ドーパント源ガスによって、炭素をドープしたエピ
タキシャル層が堆積させられるAlGaAs層に対して
バック・エッチが生じる。
【0033】CBr4ドーパント・ガスが、Al含有量
の少ないAlGaAsに用いられる場合、バック・エッ
チは、通常の成長速度の30%を超える速度で生じる。
しかし、バック・エッチ速度は、AlAsのとって取る
に足りないものである。AlとGaの両方を含む中間調
合物の場合、バック・エッチ速度も中間である。さら
に、バック・エッチ速度は、温度と、ウェーハを横切る
気流パターンの変動に影響されやすい。
【0034】結果として、CドープしたpタイプのDB
Rのウェーハ全域にわたる厚さの分布は、均一にならな
い傾向がある。対照的に、nタイプDBR構造の製作で
は、バック・エッチを生じる物質は用いられない。従っ
て、nタイプDBRの製作は制御が容易であるが、pタ
イプDBRの製作には、DBRの厚さの不整合を生じ
る、均一性の問題がある。
【0035】nタイプとpタイプのDBRが両方とも必
要な従来のVCSELの場合、それらの間における厚さ
の不整合が、ウェーハ全域にわたる装置の性能の均一性
を劣化させることになる。
【0036】しかし、本発明によれば、アルミニウムの
含有量が多く、従って、バック・エッチ及び結果生じる
均一性の問題の影響を受けにくい材料の層だけに炭素の
ドーピングを利用することによって、より優れた均一性
が得られる。炭素のドーピングは、Alの含有量が少な
く、屈折率の高いAlGaAs層よりもAlの含有量が
多く、屈折率の低いAlGaAs層に適している。
【0037】よりバック・エッチの影響を受けやすい低
Al層の場合、Mgドーピングは高Al材料に対する1
cm3当たり1×1018という制限を受けない。こうし
て、バック・エッチの問題を生じることなく、両方の層
において3×1018cm-3を超える高ドーピング濃度を
容易に実現することが可能である。従って、Al含有量
の少ない層のMgドーピングによって、バック・エッチ
及び結果生じる不均一性を伴うことなく、構造全体に関
して小さいことが望ましい抵抗と、及び、良好な製造性
が得られる。
【0038】本発明の望ましい実施例の1つでは、高A
l層のドーピングに炭素だけしか用いないが、Mg及び
Cの混合物でドープすることも可能である。Alの含有
量が多いので、ドーパント・ガスの炭素含有量によっ
て、不利になるほどの量のバック・エッチが生じること
はない。図2の実施例、及び、技術者が以上の説明から
認識するであろう関連実施例は、第1のクラスの実施例
とみなすことができる。
【0039】さらに2つの追加クラスの実施例(「第
2」及び「第3」のクラス)が存在する。第2のクラス
には、VCSEL空洞と前述の層の間にあるか、前記層
に隣接するか、あるいは、前記層の間にある比較的狭い
インターフェイス層も含まれる。これらのタイプの層を
区別するため、「通常の」層という用語を用いて、上述
の層を表すことにする。
【0040】インターフェイス層によって、Al含有量
の多い層からAl含有量の少ない層への組成の鋭い遷移
が平滑になる。好都合なことには、これによって、直列
抵抗が小さくなる。
【0041】一般に、直列抵抗を十分に低減するには、
インターフェイス層にかなりのドーピングを施すことが
必要になる。このインターフェイス層における協調ドー
ピング設計(C+Mg、または、C単独)によって、好
都合なことには、この抵抗の低減が実現する。
【0042】第3のクラスの実施例の場合、層には、A
l組成が連続変化するか、または、離散的なセクション
への分割、及び/または、異なるセクションへの協調ド
ーピングが施される。これは、通常の層で実施可能であ
る。インターフェイス傾斜層も、セクションに分割し、
それに従って協調ドーピングを施すことが可能である。
【0043】インターフェイス層が設けられる場合、セ
クション化された協調ドーピングが、とりわけ有効であ
ることが分かった。望ましいセクション化インターフェ
イスは、通常の層間で連結する役目をするAlGaAs
のインターフェイス層が含まれている。1つまたは複数
のインターフェイス層が、そのセクションに従ってコ・
ドープされる。
【0044】セクション・協調ドーピングは、多種多様
なやり方で実施可能である。例えば、インターフェイス
層は、2つのセクションを備えることが可能であり、そ
のうちの一方だけが協調ドーピングを施される。
【0045】高Al層と低Al層が、それぞれ、インタ
ーフェイス層を備えている場合、協調ドーピングは低A
l層の後インターフェイス層には施さず、高Al層の後
のインターフェイス層に施すことが可能である。さら
に、この層構成の場合、2つの通常の層自体は、協調ド
ーピングを施しても、施さなくてもかまわない。
【0046】図3は、半導体レーザ装置の一例のpタイ
プDBRを示す断面図である。図3の装置は、第2のク
ラスの実施例によるインターフェイス層を備えており、
このインターフェイス層は、第3のクラスの実施例によ
るセクション化協調ドーピングの一例を示している。
【0047】図3には、全体が41で表示されたVCS
EL空洞39及びpタイプDBRが示されている。簡略
化のため、2つの単位下部構造43及び45が示されて
いるが、もっと多くの単位下部構造が存在する可能性が
ある。単位下部構造43及び45には、それぞれ、Al
含有量の多い通常の層(それぞれ、47及び49)と、
Al含有量の少ない通常の層(それぞれ、51及び5
3)が含まれている。
【0048】通常の層の間及び/または通常の層とVC
SEL空洞39との間のインターフェイス層が、本発明
の第2と第3の実施例を例示している。個々の例につい
ては、個別に論じることにする。
【0049】第2のクラスの実施例に従って、インター
フェイス層55は、VCSEL空洞39とAl含有量の
多い通常層49との間に示されている。
【0050】第3クラスの実施例に従って、セクション
57及び59からなるインターフェイス層が、Al含有
量の多い通常の層49とAl含有量の少ない通常の層5
3の間に示されている。以下の説明において、57及び
59のような層は、互いに隣接する個別インターフェイ
ス層、または、インターフェイス層全体のセクションと
呼ぶことにする。どれがどちらの呼称になるかは、文脈
から明らかになるであろう。
【0051】図示のように、インターフェイス層55、
57、及び、59は、通常の層53及び49よりも薄
い。上述のように、55、57、及び、59のようなイ
ンターフェイス層が相対的に薄いことは、望ましい特徴
である。
【0052】また、インターフェイス層には、その相対
的Al含有量を反映した説明もついている。Al含有量
の説明は、直観的に分かる意味を有している。低Al
(すなわち、Al含有量が最も少ない)から、準低A
l、及び、準高Alを経て、高Al(すなわち、Al含
有量が最も多い)に至るものと理解されたい。
【0053】インターフェイス層の正確なAl組成は、
用途に応じて変動する可能性があるが、本発明の第2と
第3のクラスの実施例の望ましい実施例では、そのAl
含有量が隣接するインターフェイス層または通常の層の
Al含有量との中間値である層を備えている。例えば、
順次隣接層が、49(高Al)から59(準高Al)及
び57(準低Al)を経て53(低Al)に及んでい
る。
【0054】全体として捉えた図3の構造には、インタ
ーフェイス層が、pタイプDBR構造全体に組み込まれ
る望ましいやり方が示されている。すなわち、通常の層
のそれぞれが、両側にインターフェイス層を備えてい
る。
【0055】例えば、下部構造45について詳細に検討
することにする。インターフェイス層55及び59が、
高Al通常層49の両側において隣接している。インタ
ーフェイス層55及び59は、それぞれ、準高Al含有
量であるため、Al含有量は、層境界を越える際、比較
的緩やかに変化する。また、低Al通常層53は、両側
が、インターフェイス層57及びインターフェイス層6
1と隣接している。インターフェイス層57及び61
は、準低Al含有量であり、従って、やはり、これらの
層の境界を越えても、Al含有量は急激には変化しな
い。また、層57から層59への境界によって、Al含
有量は準低から準高に変化するだけである。
【0056】インターフェイス層の協調ドーピングは、
やはり、本発明に従って行われる。例えば、個々のイン
ターフェイス層のAl絶対含有量に従って、準低Al含
有量インターフェイス層57及び61は、Mgをドープ
することが可能であり、一方、準高Al含有量インター
フェイス層55及び59は、C、または、C+Mgをド
ープすることが可能である。
【0057】従って、本発明によれば、直列抵抗を最小
にするためのドーピングを施されたDBR構造、及び、
その製造にあたりバック・エッチの問題が回避される装
置という、矛盾する要求が解決される。協調ドーピング
を施されたDBRを備えるVCSELは、直列抵抗が小
さく、動作電圧が低く、ウェーハ全域にわたって比較的
均一性に優れるものと予測される。本発明の広汎な応用
に鑑み、以下に本発明の実施態様の一端を例示して参考
に供する。
【0058】(実施態様1):両側を備える活性層(2
5)と、該活性層(25)の一方の側に配置されて、
(i)第1の屈折率を備え、第1のドーパントを含む第
1の半導体化合物から造られた第1の層(33)、及
び、(ii)第2の屈折率を備え、第2のドーパントを
含む第2の半導体化合物から造られた第2の層(35)
を含む反射構造(27)が含まれている半導体レーザ装
置。
【0059】(実施態様2):第1と第2の反射構造
(27、29)のそれぞれについて、第1の層(33)
が、第1のIII−V半導体化合物から造られ、第2の
層(35)が、第2のIII−V半導体化合物から造ら
れていることを特徴とする、実施態様1に記載の半導体
レーザ装置。
【0060】(実施態様3):第1のIII−V半導体
化合物(33)が、第1のAl組成のAlGaAsであ
り、第2のIII−V半導体化合物(35)が、第1の
Al組成より低い第2のAl組成のAlGaAsである
ことを特徴とする実施態様2に記載の半導体レーザ装
置。
【0061】(実施態様4):第1と第2の反射構造
(27、29)のそれぞれについて、第1の層(33)
に、(i)炭素と、(ii)炭素及びマグネシウムから
なるグループからの選択したドーパントがドープされ、
第2の層(35)に、マグネシウムがドープされている
ことを特徴とする実施態様2に記載の半導体レーザ装
置。
【0062】(実施態様5):第1と第2の反射構造
(27、29)のそれぞれに、さらに、それぞれ、
(i)第1の屈折率を有し、第1のドーパントを含む第
1の半導体化合物から造られた第3の層と、(ii)第
2の屈折率を有し、第2のドーパントを含む第2の半導
体化合物から造られた第4の層が含まれていることを特
徴とする、実施態様1に記載の半導体レーザ装置。
【0062】(実施態様6):さらに、第1の層と第2
の層の一方に隣接したインターフェイス層(57、5
9)が含まれていることを特徴とする、実施態様1に記
載の半導体レーザ装置。 (実施態様7):インターフェイス層が、第1のセクシ
ョン(57)と第2のセクション(59)を備えてお
り、第1と第2のセクションの化学的構成が異なること
を特徴とする、実施態様6に記載の半導体レーザ装置。 (実施態様8):第1と第2の層(33、35)の一方
が、第1と第2のセクションを備えており、第1と第2
のセクションの化学的構成が異なることを特徴とする、
実施態様1に記載の半導体レーザ装置。
【0063】(実施態様9):さらに、活性層の(2
5)の前記一方の側に対向する側に配置された第2の反
射構造(29)が含まれ、第2の反射構造(29)に、
(i)第1の屈折率を有し、第1のドーパントを含む第
1の半導体化合物から造られた第1の層と、(ii)第
2の屈折率を有し、第2のドーパントを含む第2の化合
物から造られた第2の層が含まれることを特徴とする、
実施態様2に記載の半導体レーザ装置。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の半導体レーザ装置の概略図である。
【図2】本発明の第1のクラスの実施例による半導体レ
ーザ装置の概略図である。
【図3】本発明の第2、3のクラスの実施例による半導
体レーザ装置の概略図である。
【符号の説明】
25 活性層 27 第1の反射構造 29 第2の反射構造 33 第1の層 35 第2の層 57 インターフェイス層 59 インターフェイス層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シャオツォン・ワン アメリカ合衆国カリフォルニア州サニーベ イル アイリス・アベニュー・ナンバー 39 611 (72)発明者 チュン・レイ アメリカ合衆国カリフォルニア州サニー・ ベイル アルカディア・テラス ナンバー 202 614

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】両側を備える活性層と、該活性層の一方の
    側に配置されて、(i)第1の屈折率を備え、第1のド
    ーパントを含む第1の半導体化合物から造られた第1の
    層、及び、(ii)第2の屈折率を備え、第2のドーパ
    ントを含む第2の半導体化合物から造られた第2の層と
    を含む反射構造が含まれている半導体レーザ装置。
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