JP2002094180A - 高速垂直共振器面発光レーザー - Google Patents

高速垂直共振器面発光レーザー

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JP2002094180A JP2001229933A JP2001229933A JP2002094180A JP 2002094180 A JP2002094180 A JP 2002094180A JP 2001229933 A JP2001229933 A JP 2001229933A JP 2001229933 A JP2001229933 A JP 2001229933A JP 2002094180 A JP2002094180 A JP 2002094180A
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イー−シング・タン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速動作可能な垂直共振器面発光レーザーを
実現する。 【解決手段】 垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥ
Ｌ）において、導体部分（１８０）、導体部分、内側部
および外側部を画定する開口画定面を備えた絶縁部分
（２４０）、および、絶縁部分を形成させるために、お
よび絶縁部分の外側部から内側部である絶縁部分を絶縁
するためにトレンチ（１０２）を有する絶縁化可能材料
層（１８８）とを含むようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に、半導体
ベースのレーザーに関し、さらに詳しくは、垂直共振器
面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting L
aser,ＶＣＳＥＬ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】光データ通信システムは、大量のデータ
を高速に送ることができる。これらの光データ通信シス
テムにおける手段として、光学的なトランシーバが重要
である。送信側では、この光学的なトランシーバは、電
気信号（１か０かのデジタル情報）の形をした情報を伝
送媒体（例えば、光ファイバーケーブル）を介した伝送
に適した光信号に変換するように機能する。受信側で
は、光学的なトランシーバは、受信した光信号を電気信
号の形態のデータに戻すような変換を行なう。光学的な
トランシーバの設計における重要な構成部品は、光学的
なデータを送信する送信機である。この送信機は、一般
に、メガビット用途のためには発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、ギガビット用途のためには半導体レーザーダイオ
ードにより、実現される。
【０００３】半導体レーザーダイオードは、初期には、
半導体ウェーハの面に平行に形成された光学的な共振器
をもつように作られた。この構造で、光はウェーハのエ
ッジから発光される。不運にも、この構造は、低コスト
の大量生産にもコスト効果のあるレーザーダイオードの
二次元的なアレイの製造にも寄与しない。
【０００４】光学的な共振器が半導体ウェーハの面に直
交するように形成され、光がこの面に垂直に出射するよ
うな構成を持つように作られた、新しい種類のレーザー
ダイオードがある。これらのレーザーダイオードは、通
常、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）と呼ばれ
ている。典型的なＶＣＳＥＬは、光を発光する活性領域
と、異なる屈折率を持つ材料の交互層からなる周囲の反
射鏡とを備えている。これらのレーザーは、アレイの製
造に適しており、光データ通信システムに広く使うこと
ができる。
【０００５】ＶＣＳＥＬの横方向の寸法は、ＶＣＳＥＬ
を上下に流れる電流を閉じ込める目的で、小さく抑えら
れている。初期の設計では、流れる電流を閉じ込めるた
めにエッチングされたメサあるいはイオン注入領域のい
ずれかが使われた。しかしながら、これらの手法は、微
細なデバイスには不満足なものであった。エッチングさ
れたメサについては、光散乱という問題があった。イオ
ン注入については、注入構造中への光学的閉じ込めに問
題があった。
【０００６】このような不具合に対応して、電流を閉じ
込めるとともに光学的な閉じ込めを行なう方法が開発さ
れた。この方法は、酸化物による開口を用いるものであ
り、この開口は、ＶＣＳＥＬ構造内の一つあるいはそれ
以上のアルミニウム含有層を何らかの形態の酸化アルミ
ニウムに変換する湿式酸化処理により作り出される。
【０００７】主要なＶＣＳＥＬ構造は二つ存在し、それ
ぞれ、異なる平面幾何形状を用いて反射鏡スタックの中
の単一あるいは複数のアルミニウム含有層を酸化するこ
とによって電流閉じ込め酸化物開口を形成する、別々の
手法を有している。従来周知の技術であるＶＣＳＥＬの
第１のタイプは、比較的小さな酸化領域を備えた比較的
背が高くエッチングされた「ピラー」メサを備えた、い
わゆるメサ型あるいはピラー型構造を用いるもので、高
速動作を可能にする。このようなタイプのＶＣＳＥＬ
は、Choqutteなどによる“Efficient Semiconductor Li
ght-Emitting Device and Method”という名称の米国特
許第５，４９３，５７７号に開示されている。
【０００８】このメサ型の酸化閉じ込め型ＶＣＳＥＬに
おいて、デバイスの製造時に遭遇する非平面構造が一つ
の問題である。一般的に、メサの底は、酸化物による開
口画定層に十分到達できるように、元のエピタキシャル
面の下方に、普通は数ミクロン（典型的には、４〜７μ
ｍ）エッチングされて深くなっている。酸化された層へ
の到達を可能にするには、デバイスは、まず、メサ構造
を形成するようにエッチングされ、種々の反射鏡層のエ
ッジが露出する。この露出したエッジは、次いで、湿式
酸化処理を受ける。この酸化処理は、層に沿って、エッ
チングされたメサの外側のエッジからメサの中心に向か
って進行する。この処理は層の全部がエッチングされる
前に停止されて、このメサの中心に小さな非酸化領域を
残し、これによってレーザー開口を画定する。このメサ
構造は、一般に、以下に述べるような平面構造による手
法に比べて製造が難しい。
【０００９】第２の問題は、これらのメサ構造が厚い絶
縁性充填部（例えば、ポリイミド）を必要とすることに
ある。これは、ポリイミドあるいは半絶縁基板上に配置
できる上部の金属接点と金属製ボンドパッドをブリッジ
するために設けられる。絶縁層は半導体層における熱膨
張係数とはまったく異なる熱膨張係数を備えているの
で、ポリイミド層は、ＶＣＳＥＬの製造工程および動作
中に半導体に大きな応力をもたらす傾向にある。例え
ば、デバイスが熱応力、つまり電気的な負荷を受けると
き、ポリイミドの熱膨張係数と半導体層の熱膨張係数と
の差は、デバイスを物理的にあるいは構造的に機能でき
なくするおそれがある。その結果、メサ型構造に基づい
て、高い信頼性を備えるとともに高速の酸化閉じ込め型
ＶＣＳＥＬを製造することは、生産という観点からは難
題であった。
【００１０】従来周知の技術であるＶＣＳＥＬの第２の
タイプは、プレーナーの幾何形状を構成するものであ
る。このようなタイプのＶＣＳＥＬは、Cozineなどによ
る“Near planar native-oxide VCSEL Devices and Arr
ays Using Converging Oxide Ringlets”という名称の
米国特許第５，８９６，４０８号に開示されている。こ
の手法は、比較的簡単なウェーハ工程を用いるという利
点があり、低コストの大量生産に適している。この平面
構造では、現在の１Ｇｂ／ｓ〜２Ｇｂ／ｓのデータ伝送
速度に十分な性能を備えていることが証明されている。
しかしながら、隣接する酸化孔から始まった酸化進行面
を接続して、周囲が閉じた周辺酸化物による開口を形成
するためには、酸化処理が長く、従って、酸化面積が大
きく、高速でのデータ伝送における性能を制限しかねな
い。
【００１１】その他の平面型のＶＣＳＥＬが、Proceedi
ngs of the SPIE-The International Society for Opti
cal Engineering、Vol.3627、 p2-13、1999にStrzelecka,
E.M.、Morgan, R.A.、Liu,Y. 、Walterson,B. 、Skoge
n,J. 、Kalweit,E. 、 Bounak,S. 、Chanhvongsak,H.
、Marta,T. 、 Skogman,D. 、Nohava,J. 、Gieske,J.、
Lehman,J. 、Hibbs-Brenner,M.Kによって“VCSEL Based
Modules for Optical Interconnects”という題で記述
されている。この手法は、多数のトレンチあるいはセグ
メントを用いる。不運にも、この手法では、寄生容量の
発生は適切には処理されない。その結果、この手法は、
性能面で問題を抱え、特にデータレートが高いときに顕
著である。
【００１２】［高速設計の検討項目］データ伝送のビッ
トレートが２ギガビット／秒以上になると、このような
データ通信速度を可能にするために、新たな設計検討項
目と機構とが必要となる。不運にも、これらの従来周知
の手法では、高速ＶＣＳＥＬ設計に対しての設計検討項
目を特定できず、取り組みさえできていない。本出願の
発明者達は、２ギガビット／秒以上の速度、特に、１０
ギガビット／秒以上の速度で動作するように設計された
デバイスに関して、ＶＣＳＥＬ構造の寄生容量が重要な
設計上の検討項目であると認識している。
【００１３】不運にも、従来技術の手法は、ＶＣＳＥＬ
構造の寄生容量に適切に対処して、それを減らすような
メカニズムをなんら与えていない。このために、これら
従来技術の構造は、高い寄生容量からの悪影響を受け、
それにより、上述したような高速の伝送レートにおい
て、ＶＣＳＥＬの速度は制限される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】以上に基づき、デバイ
スにおける寄生容量を減少させるとともに同時に上述し
たような不具合に打ち勝てるような高速垂直共振器面発
光レーザーダイオードが望まれている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】一つの実施例において、
本発明は、上部の電極が配置されるほぼ平らな上面を備
えたＶＣＳＥＬである。本発明によるＶＣＳＥＬは、好
ましくはリング接点である上部電極、上面を備えた上部
反射鏡、発光部、および、光を上部反射鏡に向けて反射
させる下部反射鏡を有する。反射鏡の少なくとも一つ
は、異なる屈折率を備えた複数の平らな導電性層を含
む。絶縁化可能材料を備える少なくとも一つの開口画定
層が、下部反射鏡構造および上部反射鏡構造の少なくと
も一方に配置されている。この絶縁化可能材料は、酸化
され、エッチングされ、あるいは、酸化されてから選択
的にエッチングされて、開口の少なくとも一部を形成す
る開口画定面を備えた絶縁領域を形成する。
【００１６】寄生容量を小さくする連続的な形状を備え
た単一のトレンチは、絶縁化可能材料を備えた層を貫通
して、あるいはそれを超えてＶＣＳＥＬの上面から下に
エッチングにより掘り下げられる。これらの絶縁層にお
ける少なくとも一つの層は、開口画定目的で使われる。
このトレンチは、絶縁化可能層を絶縁化剤に対して露出
するように使われ（これにより、絶縁化可能材料を絶縁
領域に変換する）、次いで、この絶縁化可能層を酸化
し、および／あるいは、エッチングする。この層を部分
的に絶縁することは、この層を電気的な絶縁領域によっ
て囲まれた導電性領域を備えた層に変換することであ
り、この導電性領域は、上部電極の下に配置される。
【００１７】好ましくは、開口画定層は、導電性領域
と、導電性領域を画定する開口画定面を備えた絶縁領域
と、絶縁領域を生成するために使われる絶縁領域に隣接
する単一のトレンチとからなる。このトレンチは、ＶＣ
ＳＥＬの寄生容量を減少させるために連続した幾何形状
を有している。
【００１８】本発明の他の実施例において、リング状の
導電性接点は、透明なディスク状の導電性接点で置き換
えられる。透明なディスク状の導電性接点は、接触抵抗
を減らすために第１の実施例に比較してより大きな接触
面積を備えるように構成されている。その上、この実施
例は、酸化深さの最適化を可能とし、それによって、寄
生容量を少なくする。
【００１９】本発明のその他の特徴によれば、ほぼ平面
の上面を備えたあるいは備えないＶＣＳＥＬ構造が、そ
れぞれの層が絶縁領域（例えば、酸化物のリング）を備
えている複数の絶縁化可能な層を含むように製造可能で
ある。この絶縁領域を多数用いることは、ＶＣＳＥＬバ
イアス点における総合的な寄生容量と微分抵抗との積を
小さくするメカニズムを与える。
【００２０】本発明のさらにその他の特徴によれば、ほ
ぼ平面の上面を備えたあるいは備えないＶＣＳＥＬ構造
が、ＶＣＳＥＬバイアス点における総合的な寄生容量と
微分抵抗との積を小さくするその他のメカニズムを与え
る容量抑制注入領域を備えるように製造できる。
【００２１】本発明のその他の特徴によれば、ほぼ平面
の上面を備えたあるいは備えないＶＣＳＥＬ構造が、こ
のデバイスのほぼ平面の上面の少なくとも一部に配置さ
れた絶縁層（例えば、低誘電率（low-k）誘電体層）を
備えるように製造できる。次いで、ボンドパッドを発光
領域に電気的に接続する導電性材料が、絶縁層の少なく
とも一部に成膜される。絶縁層は、半導体面と導電性接
点間の接触によって寄生容量を減じるようなメカニズム
として機能する。本発明は、添付の図面に従って例とし
て説明され、これらに限定されることはない。その際、
各図面において同じ部材には同じ参照数字が用いられ
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】ＶＣＳＥＬにおける寄生容量を少
なくする形状を備えたトレンチを有するＶＣＳＥＬ構造
と、その構造を作る方法とを説明する。さらに、高速の
性能を実現するためのＶＣＳＥＬの寄生容量を少なくす
る、その他のメカニズムを説明する。以下の説明におい
て、本発明の完全な理解のために、説明を目的として非
常に多数の細部が説明される。しかしながら、本発明が
それらの特定のものを使わなくても実施できることは、
当該技術に通常の知識を備えた者には明らかなことであ
ろう。その他の場合において、本発明の本質をいたずら
に覆い隠すことがないよう、周知の処理過程、機器およ
び材料に関する説明を省略する。
【００２３】第１の実施例は、トレンチと不透明な導電
性接点を備えたＶＣＳＥＬ構造を特徴としており、本発
明の図１〜３に基づいて説明する。本発明の第２の実施
例は、トレンチと透明な導電性接点を備えたＶＣＳＥＬ
構造を特徴としており、図４〜６に基づいて説明する。
ＶＣＳＥＬ構造における開口を画定する絶縁化可能な層
に関連する寄生容量を減らすための第１のメカニズム
が、図７Ａ〜７Ｂを参照して説明される。ＶＣＳＥＬ構
造における開口画定絶縁化可能層に関連して寄生容量を
減らすための第２のメカニズムが、図８を参照して説明
される。ＶＣＳＥＬ構造におけるボンドパッド寄生容量
を減らすためのメカニズムが、図９〜１１を参照して説
明される。以下に説明されるように、本発明の新規な特
徴を実現できる半導体レーザー構造は、ｐ型基板に成長
させられたｎアップ構造あるいはｎ型基板に成長させら
れたｐアップ構造のいずれかであり、あるいは、半絶縁
性基板に成長させられたｐアップ構造あるいはｎアップ
構造のいずれかであることができる。
【００２４】［不透明上部電極を備えたＶＣＳＥＬ］図
１〜３は、本発明の第１の実施例にしたがって具体化さ
れた高速平面タイプのＶＣＳＥＬ１００におけるいくつ
かの状況を示すものである。
【００２５】図２において、ＶＣＳＥＬ構造１００は、
トレンチ１０２、上部反射鏡構造２１０、下部反射鏡構
造２２０、第１の注入域である領域２５０、絶縁化可能
層１８８（例えば、酸化可能層あるいはエッチング可能
層）、層１８８に形成された開口１８０、第１の電極１
０５（例えば、リング接点）、第２の電極１５４を含
む。絶縁化可能層１８８は、（１）選択的に酸化され
る、（２）選択的にエッチングされる、（３）選択的に
酸化され、次いで選択的にエッチングされる、あるい
は、それらの組み合わせのいずれかの層であってよい。
【００２６】この実施例において、上部反射鏡構造２１
０の面２８０は、半導体部２５０の面２９０に対して実
質的に（ほとんど）平面であり、この場合は注入により
構成されているが、従来周知であるその他の方法によっ
て補償が可能であることが好ましい。面２８０は、上部
電極１０４と上部反射鏡構造２１０との間の共通界面と
して画定され、上部電極１０４のエッジ２８２から上部
反射鏡構造２１０と注入領域２５０との間の境界２８４
に向かって横方向に延びる。面２９０は、上部電極１０
４と注入領域２５０との間の共通界面として画定され、
上部反射鏡構造２１０と注入領域２５０との間の境界２
８４から上部電極１０４の最右方エッジ２８６に向かっ
て横方向に延びる。
【００２７】「ほぼ平面」という用語は、面２８０が面
２９０に関して１ミクロン以下に形成されていることを
意味することとする。好ましくは、面２８０は、面２９
０に関して３００ｎｍ（３０００オングストローム）以
下である。
【００２８】同様にして、図４〜６に描いた実施例にお
いて、以下に詳細に説明されるように、面２８０は、面
２９０に関してほぼ平面であることが好ましい。面２９
０は、第１の実施例と同じやり方で画定される。しかし
ながら、面２８０Ａは、上部電極４０４と上部反射鏡構
造２１０との間の共通界面として画定され、上部電極４
０４の最左方エッジ２８８から上部反射鏡構造２１０と
注入領域２５０との間の境界２８４に向かって延びる。
【００２９】ＶＣＳＥＬ１００は、多層状の構造であっ
て、光が層の面に直角な方向に出射するものである。第
１の実施例において、ＶＣＳＥＬ１００は、半導体基板
２３０と、半導体基板２３０上に第１の反射鏡スタック
２２０を形成する複数のエピタキシャル成長された化合
物半導体層と、反射鏡スタック２１０、２２０間の光発
生領域２０５（「活性領域」とも称される）、絶縁領域
２４０に開口１８０を形成するように部分的に絶縁され
た一つあるいはそれ以上の絶縁化可能層１８８を含んで
いる。これらの絶縁化可能層１８８は、反射鏡スタック
２１０および２２０のいずれか、あるいは、反射鏡スタ
ック２１０および２２０の両方に配置できる。
【００３０】例えば、絶縁化可能層１８８は、絶縁領域
２４０（例えば、酸化物領域）に酸化閉じ込め開口１８
０を形成するように部分的に酸化される酸化可能な層で
ある。これらの１８８は、光発生領域２０５付近の反射
鏡スタック２１０および２２０のいずれかあるいは両方
に配置できる。
【００３１】以下に説明される実施例での層１８８は、
酸化可能層１８８であることが好ましい。しかしなが
ら、層１８８は、絶縁化可能な材料により構成された任
意の絶縁化可能層であってもよいことに留意すべきであ
る。絶縁化可能層という用語は、絶縁領域２４０が形成
できる任意の材料から構成される任意の層を意味する。
例えば、絶縁化可能な材料は、酸化可能な酸化可能材
料、エッチング可能なエッチング可能材料、あるいは、
部分的に酸化とエッチングが可能な材料であることがで
きる。絶縁領域は、前述したように酸化物絶縁領域を生
成させるために酸化可能材料を酸化させる薬品を導入す
ることによって工程（処理）できることにも注目すべき
である。その代わりに、エッチング可能な材料が用いら
れるときは、絶縁領域は、薬品を用いてエッチング可能
な材料を除去して材料の欠けている絶縁領域（例えば、
空気ギャップ）を形成することにより作り出すことがで
きる。このような絶縁領域は、ボイド領域とも称され
る。さらにその他の実施例において、このようなボイド
領域が生成されると、絶縁層（例えば、ポリイミドある
いはスピンオングラス：塗布絶縁材）が、このボイド領
域を再充填したり埋め戻すように使われる。
【００３２】ＶＣＳＥＬ構造は、上部反射鏡領域２１
０、光発生領域２０５、および、下部反射鏡領域２２０
からなるｐ−ｉ−ｎダイオードと見ることができる。こ
れらの領域は、この実施例ではｎ型の半導体である基板
２３０上に構成される。パワーが電極１０５と１５４と
の間に印加される。用いられている種々の層は、エピタ
キシャル成長その他の成膜方法により構成される。これ
らの層の構成方法はレーザー分野の当業者にとって周知
であるので、ここでは詳細の説明を省略する。
【００３３】光発生領域２０５は、ＩｎＧａＡｓ、Ｇａ
Ａｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＧａＡｓＳｂ、
また、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰあるいはＩ
ｎＡｌＧａＡｓの一以上の量子井戸から構成される。光
発生領域２０５は、スペーサ（図示せず）によって反射
鏡領域２１０および２２０から離されていてよい。材料
は、ＶＣＳＥＬにより発光される必要な光波長に対応し
ての選択されたり、あるいはその他の必要なＶＣＳＥＬ
特性にも依存する。さらに、バルク活性領域に基づいた
デバイスは、従来周知である。活性層２０５は、ｐ−ｉ
−ｎダイオードを順方向バイアスすることによって注入
される電子とホールの再結合を介した誘導放出による光
を発生させる光発生層と見ることができる。
【００３４】反射鏡領域２１０、２２０は、異なる屈折
率を有する交互層により構成される。それぞれの層の厚
さは、それぞれの層内における光の波長の１／４である
ように選択されるのが普通である。スタックが、分布型
ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）反射鏡構造として知られ
ている構造を形成する。必要な反射率を得るために、複
数の対の層が必要となる。この実施例において、上部反
射鏡領域２１０の層は、ｐ型の半導体となるようにドー
プされ、下部反射鏡領域２２０の層は、この実施例にお
いてはｎ型の半導体となるようにドープされ、さらに、
下部電極１５４は、ｎオーミックコンタクトである。し
かしながら、ｎ−ｉ−ｐダイオード構造はｐ基板上に構
造を成長させることによっても構成できる。また、ｐ−
ｉ−ｎおよびｎ−ｉ−ｐダイオード構造の両方は、半絶
縁基板上に構成することができる。
【００３５】電極１０５と１５４間に流れる電流は、以
下に述べるように酸化可能層１８８の一部が、絶縁体へ
変換されて作られる絶縁層２４０により領域１８０に集
中させられる。
【００３６】図１〜３に示されるＶＣＳＥＬでは、光
は、ＶＣＳＥＬの上面から出射する。しかしながら、光
を透明な基板を通過して出射させることは、周知であ
る。以下の議論から、本発明の示唆するところも同様
に、このような透明な基板での設計に適用できるもので
あることは、当該技術分野の通常の知識を備えた者には
明らかなものであろう。
【００３７】前述したように、絶縁領域２４０は、反射
鏡層（例えば、酸化可能層１８８）の一つあるいはそれ
以上の部分（例えば酸化可能層）を絶縁領域（例えば、
酸化領域）に変換することにより作り出すことができ
る。この変換工程は、通常、４００℃以上の高温でキャ
リヤ気体に供給される水蒸気は酸化可能層１８８を酸化
してある形態の電気的な絶縁酸化物を形成するという観
察に基づいている。例えば、アルミニウムを多く含んで
いるＡｌＧａＡｓ層が、酸化アルミニウムへと化学変化
する。層のうちの一つを選択的に横方向に酸化処理する
ことは、水蒸気がＡｌxＧａ1-xＡｓを酸化する速度がｘ
の値に非常に大きく依存するという観察に基づいて行な
われる。この酸化工程は従来周知であるので、ここでは
それ以上の議論は行なわない。実例となるな工程につい
ては、Holonyak,Jr.などによる米国特許第５，２６２，
３６０号、発明の名称“AlGaAs Native Oxide”を参照
されたい。
【００３８】酸化可能層１８８は、これらに限定される
ものではないが、アルミニウムガリウムヒ素化合物（Ａ
ｌＧａＡｓ）、アルミニウムインジウムヒ素化合物（Ａ
ｌＩｎＡｓ）、および、アルミニウムガリウムアンチモ
ン（ＡｌＧａＳｂ）を含むアルミニウム含有材料により
構成されることが好ましい。
【００３９】［トレンチ１０２］図１２Ａにおいて、用
語「トレンチ」は、幅である寸法９７４と任意の長さ
（周辺）である輪郭９７２とを備えた切り欠きあるいは
窪みとして画定される。トレンチ１０２は、発光領域を
ボンドパッド１０７に電気的に接続する導電性の接点
（例えば、金属接点）を受ける開放端を提供する限り、
任意の輪郭、形状および配置を備えたものであることが
できる。トレンチ１０２の幅９７４は特定の用途に合わ
せて、変更される。トレンチ１０２の幅９７４は、約２
ミクロン以上であることが好ましい。しかしながら、こ
の幅９７４は、以下に説明されるように、第１の領域２
４０と第２の領域９５０間で実質的な容量結合を防止す
るのに十分である限り、２ミクロン未満であっても良
い。
【００４０】トレンチ１０２は、好ましくは、第１の絶
縁領域２４０の開口画定面９４４によって周辺あるいは
境界が実質的に形成される最終的な酸化物による閉じ込
め開口１８０をもたらす輪郭９７２を備えている、連続
的なトレンチである（以下「Ｃトレンチ」とする）。用
語「実質的に」は、その周辺あるいは境界の約５０％以
上が、第１の絶縁領域（例えば、酸化領域）２４０の開
口画定面９４４により形成されることを意味するものと
する。更に好ましくは、絶縁領域（例えば、酸化物領
域）の開口画定面９４４は、開口１８０の周辺あるいは
境界の７５％を超えて形成される。
【００４１】第１の絶縁領域２４０の開口画定面９４４
により画定される導電性領域（すなわち、開口１８０）
の周辺あるいは境界の比率は、デバイスの形状、必要な
工程（処理）のロバストネス、および、必要なデバイス
の性能のような因子に対応し、特定の用途に適応するよ
うに調整することができる。
【００４２】図１２Ａは、第１の絶縁領域２４０の開口
画定面９４４により完全に境界を囲われた導電性領域を
備える絶縁体閉じ込め開口１８０を示している（すなわ
ち、開口あるいは導電性領域１８０のすべての境界が、
第１の絶縁領域２４０の開口画定面９４４によって形成
される）。
【００４３】図１２Ｂには、絶縁領域２４０の開口画定
面９４４によって実質的に境界を囲われているとともに
注入領域９４６の開口画定面９４７によって部分的に境
界を囲われている領域を備えた絶縁体閉じ込め開口１８
４が示されている。この実施例では、開口１８４は第１
の絶縁領域２４０（例えば、酸化物層）の開口画定面９
４４によって完全には境界を囲われていないので、注入
領域９４６は、開口の境界あるいは周辺の一部を形成す
るように利用される。注入領域９４６は、好ましくは第
１の絶縁領域２４０と重なり合って開放領域９３４（例
えば、チャネル）からの電流漏洩を抑える開口画定面９
４７を有している。
【００４４】多数のトレンチや孔を用いる手法に比較し
て、本発明によるこの単一連続トレンチを用いる設計
は、低い酸化物寄生容量を備えている。例えば、本発明
による単一連続トレンチを備えた構造では約０．７５ｐ
Ｆの酸化物寄生容量が測定されたが、これと比較して、
多数のセグメントに分割されているトレンチを備えた従
来周知の構造での酸化物寄生容量の測定値は、約１．８
０ｐＦであった。
【００４５】再び図１２Ａにおいて、トレンチ１０２
は、第１の端部９１０と第２の端部９２０で定まる開口
９３０を備えていて、接続部１０６が貫通することを可
能にしている。上部電極１０４の接続部１０６は、ボン
ドパッド接続部をリング接点１０５あるいはディスク接
点４０５に接続している。
【００４６】本発明の一つの特徴は、ＶＣＳＥＬの寄生
容量を減らすために連続的な形状を備えた単一のトレン
チ１０２を提供することにある。トレンチ１０２の形状
は、以下にさらに述べるように絶縁化可能な層１８８に
おいて第１の領域２４０と第２の領域９５０とを効果的
に絶縁して寄生容量を減らすようなものである。
【００４７】例えば、米国特許第５，８９６，４０８号
に記載されているような従来周知の技術において、複数
の孔の配置が、光ファイバーケーブルと非常に簡単に接
続できるほぼ円形の開口をもたらすように作製できる。
しかしながら、従来技術の手法は、ＶＣＳＥＬの速度と
性能を改善するためにＶＣＳＥＬの寄生キャパシタを減
少させる孔の形状を考慮したり、その形を利用したりは
していなかった。
【００４８】本発明は、高速のＶＣＳＥＬの設計に寄生
容量（例えば、酸化物寄生容量）を重要な因子として見
出したばかりでなく、高速動作のために容量を減らすた
めのメカニズムを提供するものである。本発明の一つの
特徴は、トレンチ１０２の形状を利用してＶＣＳＥＬの
寄生容量を減らすことにある。
【００４９】単一の連続トレンチ（Ｃトレンチ）１０２
は、このようなトレンチ形状が第１の領域２４０と第２
の領域９５０との間により良い絶縁を生じ、その他の連
続的でないトレンチに比較して低い寄生容量となるので
望ましい。換言すると、「Ｃトレンチ」は、Ｃトレンチ
の内外で絶縁材料の良好な絶縁を提供し、これによっ
て、速度面で性能が向上することになる。
【００５０】トレンチ１０２は、第１の面９３８と、第
１の面９３８から半径方向内側に延びる第１の領域２４
０とを備えている。さらに、第１の領域２４０を今後は
「内部領域」と呼ぶ。第１の領域２４０は、電流閉じ込
め開口である開口１８０を画定している。電流は、開口
１８０によって画定されているほぼ円形の領域１８２
（今後「導電性領域」と呼ぶ）を流れる。トレンチ１０
２は、第２の面９４８と、この第２の面９４８から半径
方向外側に延びる第２の領域９５０とを備えている。さ
らに、第２の領域９５０を今後は「外部領域」と呼ぶ。
トレンチ１０２は、絶縁化可能層において電流閉じ込め
開口１８０を実質的に包囲していることが好ましい。
【００５１】本発明のその他の特徴は、ほぼ円形の電流
閉じ込め開口を提供するトレンチ形状で使用することに
ある。図１２Ａに示されるように、ほぼ円形の電流閉じ
込め開口は、ほぼ円形の形状を備えた単一の連続したト
レンチを使うことにより実現できる。ほぼ円形の電流閉
じ込め開口は、ほぼ円形の光束を発生させて光ファイバ
ーとの光学的な位置合わせと光の接続を非常に容易にす
るという利点を有する。
【００５２】しかしながら、トレンチの形状は、この形
状が発光領域をボンドパッドに電気的に接続する導電性
接点のための開口を形成する限り、および、この形状が
ＶＣＳＥＬの寄生容量を減らすものである限り、特定の
用途の要求に応じて変化できるものであることがわか
る。ほぼ円形のトレンチ、ほぼ矩形のトレンチ、およ
び、ほぼ三角形のトレンチ（発光の方向から見たとき）
が、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３、および、図１４にそ
れぞれ示されている。その他の形状も利用可能である。
例えば、その他の形状としては、これに限定されるもの
ではないが、ほぼ正方形の形状、ほぼ楕円の形状を含
む。
【００５３】トレンチの形状１５０４は、図１５に示す
ように、ボンドパッド１０７を包囲する部分１５１４を
備えていることもできる。トレンチ１０２は、開口１８
０を実質的に（ほとんど）包囲する連続部１５０８と、
ボンドパッド１０７を包囲するボンドパッド包囲部１５
１４を備えている。ボンドパッド包囲部１５１４は、ト
レンチ１０２と連続的あるいは不連続的である。この実
施例においては、トレンチは、開口のみではなくてＶＣ
ＳＥＬ全体を取り囲むように変更されている。
【００５４】開口を形成する絶縁化可能層１８８におけ
る第１の領域２４０は、一部を酸化によって、一部をエ
ッチングによって、全体を酸化によって、あるいは、全
体をエッチングによって、あるいは、それらの組み合わ
せによって、形成できる。
【００５５】［トレンチ１０２の作製］トレンチ１０２
は、層１８８(例えば、酸化可能な材料の層)に到達でき
る程度の深さまでエッチングされることが重要である。
トレンチ１０２は、ＶＣＳＥＬ構造の上面から少なくと
も層１８８に到達するように延びていなければならな
い。トレンチの深さは、特定の用途に適合するように変
化できることに注目すべきである。例えば、絶縁化可能
層１８８が活性層２０５の上に配置されているとき、ト
レンチは、第１のＤＢＲ反射鏡２１０のみを貫通して絶
縁化可能層１８８に到達できる。同様に、絶縁化可能層
１８８が活性層２０５の下に配置されているとき、トレ
ンチは、第１のＤＢＲ反射鏡２１０および活性層２０５
を貫通して絶縁化可能層１８８に到達できる。好ましく
は、エッチング深さは、絶縁化可能層１８８が空気に接
触する範囲で、デバイスの熱伝導率を改善するために最
小にされる。
【００５６】絶縁化可能層１８８は酸化可能な材料から
構成され、さらに、構造１００が水蒸気にさらされる
と、水蒸気がトレンチ１０２に入って、移動していく酸
化進行面が作りだされる。この進行面は図１２における
矢印に示されるようにトレンチ１０２から半径方向に進
行する。この工程は、電極１０５下に酸化されない開口
１８０を残して、進行面が電極１０５下でくっつくまで
継続される。
【００５７】トレンチ１０２は、ほぼ円形形状(図１お
よび図４参照)を持つように説明した。しかしながら、
このトレンチ１０２が別の幾何学的な形状を備えてもか
まわないことは、当該技術に通常の知識を備えた者であ
れば、容易に理解できることであろう。トレンチ１０２
の全体の形や幾何形状を変化させることで、レーザー開
口１８０の形状が制御される。例えば、トレンチ１０２
の幾何学的な形状は、従来周知のフォトリソグラフィー
技術を用いて定めることができる。トレンチ１０２のエ
ッチングは、さらに高い精度およびより垂直な側壁を持
つように調合した化学薬品によるウエットエッチングあ
るいはドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチ
ング）により、実行可能である。
【００５８】［上部電極１０４］上部電極１０４は、上
部反射鏡スタック２１０をボンドパッド１０７に電気的
に接続するために設けられている。上部電極１０４は、
反射鏡スタックに接続するための反射鏡スタック接点部
１０５と、ボンドパッド１０７に接続するためのボンド
パッド接点部と、反射鏡スタック接点部１０５およびボ
ンドパッド接点部を接続するための接続部１０６とを含
んでいる。接続部１０６は、トレンチ１０２の第１の端
部９１０と第２の端部９２０とによって画定されている
開口９３０を貫通している。
【００５９】この実施例において、上方電極１０４の半
導体部１０５は、発光開口１８０を取り巻いている金属
リングである。電流は、半導体スタック内でこの金属リ
ングから広がり、開口１８０によって結局集中させられ
る。
【００６０】［透明な上部電極層４０４を備えたＶＣＳ
ＥＬ］図４〜６は、透明な上部電極層４０４が使われる
他の実施例によるＶＣＳＥＬ構造を示している。図４
は、透明な上部電極層４０４を用いる本発明のその他の
実施例におけるＶＣＳＥＬの平面図である。図５は、図
４の５′−５′線に沿って見たＶＣＳＥＬの断面図であ
る。図６は、図４の６′−６′線に沿って見た垂直共振
器面発光レーザーの断面図である。
【００６１】図４において、図１におけるリング部１０
５は、透明なディスク部４０５と置き換えられている。
透明なディスク部４０５は、スズドープ酸化インジウム
（Indium Tin Oxide；ＩＴＯ）のような材料から構成で
きる。このディスク形状は、半導体とディスク部４０５
間の接触面積を増加させるので、接触抵抗を減らすこと
ができる。
【００６２】第１の実施例に対してこの実施例のさらに
良い点は、接触面積を増加させることによって、絶縁深
さ（例えば、酸化深さ）が、絶縁材料寄生容量をさらに
減少させるように最適化できることにある。この実施例
に対して、上部電極４０４全体を透明にしても良いし、
ディスク部４０５のみを透明にしても良い。
【００６３】［酸化物寄生容量を減少させる第１のメカ
ニズム］本発明の一つの特徴は、全寄生容量とＶＣＳＥ
Ｌバイアス点における微分抵抗との積を減らすメカニズ
ムを提供することにある。全寄生容量は、例えば、絶縁
体寄生容量と、ボンドパッド寄生容量とを含むことがで
きる。絶縁体寄生容量は、絶縁化可能層中の絶縁体の厚
さに依存することに注目すべきである。一般的に、絶縁
体が厚くなればなるほど、絶縁体寄生容量は小さくな
る。不運にも、絶縁体の厚さが増加すると、この絶縁体
のために、「開口抵抗」として知られている電流がじょ
うご状になることによって生じてしまう抵抗も増加し、
望ましくない。本発明の後述する特徴は、例として絶縁
体、酸化物を用いて説明される。しかしながら、本発明
の原理はどのような絶縁体にも拡張可能であり、これに
関連する絶縁体寄生容量にも適用できることに留意すべ
きである。
【００６４】図７Ａは、本発明の一つの実施例による酸
化物寄生容量を減らすための絶縁領域を備えた複数の容
量抑制層を有する垂直共振器面発光レーザーの一部の断
面図であり、その際、容量抑制層は上部および下部反射
鏡構造の両方に配置されている。ＶＣＳＥＬ構造７００
は、第１の半導体反射鏡スタック２２０（例えば、下部
のＤＢＲ反射鏡スタック）と、活性層２０５と、第１の
半導体反射鏡スタック２１０（例えば、上部のＤＢＲ反
射鏡スタック）とを含んでいる。上部反射鏡構造２１０
および下部反射鏡構造２２０のいずれかに配置されてい
る絶縁化可能な材料を備えた少なくとも一つの開口画定
層１８８が用意される。この場合、それぞれの層１８８
が電流閉じ込め開口１８０を定める第１の長さ７０３を
備えた絶縁領域７０２を有する二つの開口画定層１８８
が配置されている。開口画定層１８８の数は２より多い
ことに注目すべきである。
【００６５】本発明は、少なくとも一つの容量抑制層７
０６を用いることによってＶＣＳＥＬのバイアス点にお
ける全寄生容量と微分抵抗の積を減少させるメカニズム
を提供するものである。この実施例において、容量抑制
層７０６の複数７０４が用意される。それぞれの層７０
６は、第１の寸法（例えば、長さ）を備えた絶縁領域７
０８（例えば、酸化物リング）を備えている。絶縁領域
７０８の長さが電流閉じ込め開口１８８の第１の長さ７
０３よりも小さいことに留意すべきである。容量抑制層
７０６は、第１の半導体反射鏡スタック２２０内のみ、
第２の半導体反射鏡スタック２１０内のみ、あるいは、
第１および第２の半導体反射鏡スタック２２０および２
１０の両方に配置できる。
【００６６】複数からなる絶縁領域７０８は、寄生抵抗
の増加を最小に抑えつつ、ＶＣＳＥＬの寄生容量を減少
させるために、異なる長さを備えることが好ましい。
【００６７】ＶＣＳＥＬ構造７００では、一つあるいは
それ以上の容量抑制層７０６が、活性層（あるいは光発
生層）２０５の上下のいずれかまたは両方に追加でき
る。絶縁層７０８が作り出されることとなる酸化可能層
は、その他の層よりもアルミニウム（Ａｌ）含有量の多
い層から構成できる。その結果、これらの層は、水蒸気
に曝されたときその他の層よりも早く酸化される。さら
に、それぞれの酸化セグメントの長さは、層中のＡｌ含
有量を調節することによって、テーパーのついた異なる
長さを有する絶縁領域７０８となるよう、選択的に調節
される。当業者には、酸化速度は、層のＡｌ含有量を変
化させることによって調節できることは明らかであろ
う。
【００６８】二つの隣接する容量抑制層７０６間の間隔
は、酸化可能層間における半導体中の自由キャリヤの一
部あるいはすべてを空乏にするために２００ｎｍ（２０
００オングストローム）以下であることが好ましい。こ
の結果、特にデバイスがギガビット領域で動作するとき
に、酸化可能層によって挟まれている半導体層は高い抵
抗性を持ち、従って、酸化物寄生容量と直列の半導体容
量とみなすことができる。二つ以上の直列のキャパシタ
における全容量はいずれの単一の容量における個々の容
量よりも小さいので、ＶＣＳＥＬにおける全酸化物寄生
容量は、複数の酸化領域を用いることによって減少させ
ることができる（例えば、セグメントが図７Ａおよび図
７Ｂに記載されているような酸化リング）。
【００６９】この第１のメカニズムは、図１〜図３に記
載されている第１の実施例に合わせて作製されているＶ
ＣＳＥＬ、あるいは、図４〜６に記載されている第２の
実施例に合わせて作製されているＶＣＳＥＬ、あるい
は、以下に詳細に説明される図９〜１１に記載されてい
る第３の実施例に合わせて作製されているＶＣＳＥＬに
採用することができる。
【００７０】図７Ａは、本発明の一つの実施例による酸
化物寄生容量を減らすための絶縁領域７０８を備えた容
量抑制層７０６の複数７０４を有する垂直共振器面発光
レーザーにおける一部７００の断面図であり、その際、
容量抑制層７０６は、上部反射鏡構造２１０および下部
反射鏡構造の両方に配置されている。容量抑制層７０６
のそれぞれは、第１の横方向の寸法の、つまり長さの、
絶縁領域７０８を有している。層の絶縁領域の長さは異
なることが好ましいが、同一でも良い。容量抑制層７０
６の複数７０４は、層の第１の組７１０と、層の第２の
組７２０を含んでいる。この層の第１の組７１０は光発
生層２０５の上に配置されており、層の第２の組は光発
生層２０５の下に配置されている。
【００７１】層の第１の組７１０は、光発生層２０５に
最も近く配置された第１の層７１４を備えている。第１
の層７１４は、所定の長さ７１９の絶縁層７１８を有し
ており、第１の組７１０におけるその他の層は、等しい
長さとなっているか、あるいは、層と光発生層２０５間
の距離が増加すると少なくなるような長さとなってい
る。
【００７２】層の第１の組７２０は、光発生層２０５に
最も近く配置された第１の層７２４を備えている。第１
の層７２４は、所定の長さ７１９の絶縁層７２８を有し
ており、かつ、第１の組７２０におけるその他の層は、
等しい長さとなっているか、あるいは、層と光発生層２
０５間の距離が増加すると少なくなるような長さとなっ
ている。
【００７３】第１の組７１０と第２の組７２０は均一な
間隔で配置されている等しい数の層７０６を備えている
ように示されているが、第１の組７１０と第２の組７２
０における層７０６の数は等しくなくてもよく、均一な
間隔で配置されていなくてもよい。例えば、光発生層２
０５の上または下に位置する層７０６の厳密な数と層７
０６間の間隔は、特定の用途に適合するように調節する
ことができる。第１の組７１０と第２の組７２０におけ
るそれぞれの層７０６は光発生層２０５に関して対称で
あるように示されているが、こうしなくても構わない。
例えば、第１の組７１０と第２の組７２０におけるそれ
ぞれの層７０６における絶縁層７０８の長さは異なって
も良く、特定の用途に適合するように調節することがで
きる。
【００７４】図７Ｂは、本発明のその他の実施例による
酸化物寄生容量を減らすための絶縁領域７７４を備えた
容量抑制層７７２の複数７７０を有する垂直共振器面発
光レーザーにおける一部７６０の断面図であり、その
際、容量抑制層７７２は、上部反射鏡構造２１０にのみ
配置されている。それぞれの容量抑制層７７２は、長さ
であるような第１の横方向の寸法を備えた絶縁領域７７
４を有している。層の絶縁領域の長さは異なっているこ
とに留意すべきである。容量抑制層７７２の複数７７０
は、層の第１の組７８０と層の第２の組７９０とを含ん
でいる。この層の第１の組７８０は開口画定層１８８の
上に配置されており、層の第２の組は開口画定層１８８
の下に配置されている。層の第１の組７８０は、開口画
定層１８８に最も近く配置された第１の層７８４を含ん
でいる。第１の層７８４は、所定の長さ７７８を備えた
絶縁領域７７４を含んでおり、さらに、第１の組７８０
におけるその他の層は、第１の層７８４の長さよりも短
い長さとなっている。追加の容量抑制層７７２が、第１
の組７８０に用いてもよいことに留意すべきである。こ
のような場合、第１の組７８０におけるその他の層は、
等しい長さを有するか、または、この層と開口画定層１
８８の間の距離が増加すると長さが短くなる。
【００７５】層の第２の組７９０は、開口画定層１８８
の最も近くに配置された第１の層７９４を備えている。
第１の層７９４は、所定の長さ７４４を備えた絶縁領域
を含んでおり、さらに、および、第２の組７９０におけ
るその他の層は、第１の層７９４の長さよりも短い長さ
となっている。追加の容量抑制層７７２が、第２の組７
９０に使えることに留意すべきである。このような場
合、第２の組７９０におけるその他の層は、等しい長さ
を有するか、または、この層と開口画定層１８８の間の
距離が増加すると長さが短くなる。
【００７６】複数の容量抑制層７７０は、上部の反射鏡
構造２１０にのみ配置されているように示されている
が、複数の容量抑制層７７０は、下部の反射鏡構造２２
０にのみ配置されても、上部２１０および下部２２０の
反射鏡構造の両方に配置しても良いことに留意すべきで
ある。
【００７７】［酸化物寄生容量を減少させる第２のメカ
ニズム］図８Ａおよび８Ｂは、本発明の特徴によるＶＣ
ＳＥＬバイアス点における全寄生容量と微分抵抗との積
を減少させる第２のメカニズムにおける二つの実施例を
示している。図８Ａは、本発明の一つの実施例による寄
生容量を減らすための第２の注入領域を備えた垂直共振
器面発光レーザーにおける一部８００の断面図であり、
その際第２の注入領域は、本発明の構成であるトレンチ
と協働するように用いられている。図８Ｂは、本発明の
その他の実施例による寄生容量を減らすための第２の注
入領域を備えた垂直共振器面発光レーザーにおける一部
８００Ｂの断面図であり、その際第２の注入領域は、本
発明の特徴の一つであるトレンチなしで用いられてい
る。
【００７８】デバイス構造８００は、第１の半導体反射
鏡スタック８１０（例えば、下部ＤＢＲ反射鏡スタッ
ク）、活性層８２０、第２の半導体反射鏡スタック８３
０（例えば、上部ＤＢＲ反射鏡スタック）、および、第
１の半導体反射鏡スタック８１０か第２の半導体反射鏡
スタック８３０のいずれかに配置されている絶縁体閉じ
込め開口を画定する少なくとも一つの絶縁化可能層を含
んでいる。絶縁化可能層が複数のときは、第１および第
２の半導体反射鏡スタック８１０および８３０の両方に
配置されて、絶縁体閉じ込め開口を画定している。この
実施例においては、デバイス構造８００は、第２の半導
体反射鏡８３０に配置されている絶縁体閉じ込め開口１
８０を画定するための単一の絶縁化可能層８４４を含ん
でいる。
【００７９】平面のデバイスに対して、構造８００は、
また、第１の厚さ８５２を備えた第１の注入領域８５０
を有している。本発明の一つの特徴は、第１の厚さ８５
２よりも薄い第２の厚さ８８５を備えた容量抑制注入領
域８６０を提供することにある。例えば、容量抑制注入
領域８６０は、第１の注入領域８５０における第１の厚
さ８５２に比較して、比較的薄くすることができる。相
対的に厚い（例えば、３ミクロン〜５ミクロンの厚さ）
注入領域８５０が漏れ電流減少を主目的としたデバイス
に使われるのに対して、本発明は、ＶＣＳＥＬデバイス
における寄生容量を減少させるためにさらに薄い容量抑
制注入領域８６０を使う。
【００８０】典型的には、第１の注入領域８５０のエッ
ジは、厚い注入輪郭８５０にデバイスの微分抵抗を大き
く増加させないことを目的として、開口１８０のエッジ
に接近し過ぎないように配置されている。例えば、第１
の注入領域８５０のエッジから開口１８０のエッジまで
の横方向の距離（例えば、図８Ｂにおける距離８８０と
距離８９０の和）は、１０〜２５μｍのオーダといった
非常に長いものである。この特別の間隔はデバイスの微
分抵抗を決めるが、開口画定層８４４から生じる寄生容
量は、高速データレートのいくつかの用途には受け入れ
られないほどに大きくなる。この問題に対処するため
に、本発明は、抵抗の極端な増加を伴わずに、寄生容量
を減少させる目的で、開口１８０に比較的接近して配置
した第２の薄い注入８６０を用いる。
【００８１】容量抑制注入領域８６０は、開口１８０か
ら約０〜約５ミクロンの範囲にすることができる横方向
距離８８０に配置されることが好ましい。容量抑制注入
領域８６０は、また、約５ミクロンから約２０ミクロン
あるいはそれ以上の範囲にすることが好ましい横方向距
離８９０を有する。横方向距離８９０は、寄生抵抗をほ
とんど増加させることなくデバイスの寄生容量を減少さ
せるように選択的に調節できる。
【００８２】容量抑制注入領域８６０は、第１の半導体
反射鏡８１０にのみ、第２の半導体反射鏡８３０にの
み、あるいは、第１および第２の半導体反射鏡８１０お
よび８３０の両方に配置できる。容量抑制注入領域８６
０は、絶縁化可能層８４４の上あるいは下にプロトンの
ようなイオンを注入して製造される。
【００８３】容量抑制注入領域８６０に関係するパラメ
ータは、絶縁化可能層８４４に対する容量抑制注入領域
８６０の配置（例えば、両者の上下方向の距離および／
あるいは重なり）、開口１８０に対する容量抑制注入領
域８６０の配置（例えば、開口のエッジと容量抑制注入
領域８６０のエッジ間の横方向における距離）を含むこ
とができるが、これらに限定されるものではない。さら
に、容量抑制注入領域８６０の厚さ８８５は、絶縁化可
能層８４４の寄生容量が大きく減少できる限り、デバイ
スの微分抵抗を制御しつつ、特定の用途に合わせて調節
可能であるので、容量抑制注入領域８６０を用いること
によって、全寄生容量と微分抵抗の積は改善されること
に注目すべきである。
【００８４】第１の注入領域８５０が距離８８７だけ絶
縁化可能層８４４から離されてもよいことにも注目すべ
きである。また、絶縁化可能層８４４の絶縁領域は、第
１の注入領域８５０の下で距離８８６に延びていてもよ
い。
【００８５】例えば、容量抑制注入領域８６０は、約
０．２ミクロンから約２ミクロンの範囲の厚さ８８５を
有することができる。容量抑制注入領域８６０の厚さ８
８５は、開口１８０を通過する電気抵抗を不必要に増加
させないように約３００ｎｍ（３０００オングストロー
ム）より小さいことが好ましい。
【００８６】容量抑制注入領域８６０は、絶縁化可能層
８４４から距離８９５だけ離れて配置されてもよく、あ
るいは、絶縁化可能層８４４に重ね合わされる形で配置
されてもよい。容量抑制注入領域８６０は、絶縁化可能
層８４４の上から約５０ｎｍ〜約５００ｎｍ（約５００
オングストローム〜約５０００オングストローム）の距
離８９５だけ離したところで止められて、注入ダメージ
を活性層８２０に与える危険性を最小にすることが好ま
しい。容量抑制注入領域８６０の深さは、絶縁化可能層
８４４の深さ以下であることが好ましい。容量抑制注入
領域８６０は、この距離が信頼性に問題を生じない限り
絶縁化可能層８４４に重ね合わせることができる。
【００８７】本発明による容量抑制注入領域８６０を高
速動作（例えば、１Ｇｂ／ｓ以上）で用いることによっ
て、絶縁化可能層８４４と容量抑制注入領域８６０間の
物理的な空間は極めて高い抵抗を与え、さらに、寄生容
量は、絶縁化可能層８４４によってではなく、容量抑制
注入領域８６０によるものが支配的となることが指摘で
きよう。
【００８８】寄生容量を減少させるこの第２のメカニズ
ムは、図１〜３に示されている第１の実施例により作製
されたＶＣＳＥＬに用いられてもよく、図４〜６に示さ
れている第２の実施例により作製されたＶＣＳＥＬに用
いられてもよく、あるいは、以下に詳述される図９〜１
１に示されている第３の実施例により作製されたＶＣＳ
ＥＬに用いられてもよい。
【００８９】寄生容量を減少させるこの第２のメカニズ
ムは、トレンチ形状を備えたＶＣＳＥＬに用いられるこ
とに限定されるものではなく、本発明の特徴である単一
のトレンチを備えないその他のデバイスに用いられても
よいことは、留意する必要がある。図８Ｂにおいて、デ
バイスはトレンチを備えていない。それにもかかわら
ず、本発明の容量抑制注入領域８６０を用いることによ
って、ＶＣＳＥＬのバイアス点寄生容量における全寄生
容量と微分抵抗の積は小さくなる。
【００９０】例えば、容量抑制注入領域８６０は、メサ
型あるいはピラー型ＶＣＳＥＬ設計に用いられる。典型
的なエッチングされたメサは、小さな直径（例えば、約
１０〜３０μｍの直径）を備え、酸化物層付近の上部Ｄ
ＢＲ反射鏡に注入は行われていない。その結果、酸化物
寄生容量は、酸化領域を制限することによってコントロ
ールされ、従って、所定の開口サイズに対するメサ直径
が制限されることになる。従来周知のメサ型あるいはピ
ラー型ＶＣＳＥＬ設計の欠点は、接触幅が狭いために、
接触抵抗が高いことである。本発明による容量抑制注入
領域８６０をメサ構造に用いられることによって、デバ
イスは、容量抑制注入領域８６０を用いて酸化物寄生容
量を減少させ、あるいは制御しつつ、低い微分抵抗を得
るべくメサ直径を大きく保つことができる。
【００９１】［ボンドパッド容量を減少させるメカニズ
ム］図３において、環状のＣトレンチの外側には、半導
体層の表面に接触する金属パッドによる寄生容量を減少
させるために活性層を貫通して十分深くプロトンが注入
されていてもよい。本発明は、また、低い誘電率の誘電
体層（例えば、ＳｉＮ層）を導入することによって半導
体層に接触する金属パッドにより寄生容量をさらに減少
させるメカニズムを提供できる。例えば、任意の低誘電
率誘電体層が、金属接点パッドの半導体面に対する寄生
容量をさらに減少させるために、半導体面と金属接点パ
ッド間に挿入できる。図９〜１０と図１１は、それぞ
れ、図１〜３と図４〜６に示された第１および第２の実
施例におけるＶＣＳＥＬ構造に適用されたように、接点
パッド容量を減少させるこのメカニズムを示している。
【００９２】図９は、図１におけるＶＣＳＥＬ構造に利
用されたメカニズムで、本発明の他の実施例による接点
パッド寄生容量を減少させるものを示している。図１０
は、図９のＶＣＳＥＬにおける他の断面を示している。
【００９３】ここで、低誘電率誘電体層２７０が半導体
面と金属接点パッド間に挿入されて、金属接点パッドが
半導体面に対して接触し、寄生容量をさらに減少させて
いることに注目すべきである。低誘電率誘電体層２７０
は、化学的なあるいは物理的な成膜工程および標準的な
リソグラフィを用いて作製できる。この低誘電率誘電体
層２７０は、窒化シリコン、窒化物、シロキサン、およ
び、高分子等の材料から構成できる。ＶＣＳＥＬにおけ
る寄生容量をさらに減少させることに加え、層２７０
は、また、トレンチをシールする保護層として働く。
【００９４】図１１は、図４のＶＣＳＥＬに用いられ
た、本発明のその他の実施例による接点パッド寄生容量
が減少するメカニズムを示すものである。ここで、低誘
電率誘電体層２７０は、半導体面と上部の電極金属パッ
ド４０４間に挿入されて、半導体面に対する金属パッド
接点部による寄生容量を減少させようとしている。
【００９５】図１〜６に示された単一連続トレンチを備
えた本実施例においてほとんど平面の上面を備えること
は、この半導体デバイスにとって好ましいことではある
が、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂおよび図９〜１１
に示されているメカニズムのような、デバイスの全寄生
容量を減らすように開示されているその他のメカニズム
は、トレンチには関係なく実現でき、しかも、平面のあ
るいは非平面の上面を備えた半導体デバイスに適用でき
ることに注目すべきである。
【００９６】［性能比較］従来周知の平面型酸化ＶＣＳ
ＥＬの全寄生容量は、典型的には、７〜１０ｄＢの減衰
比を有する１〜２ｍＷの標準動作パワーレベルにおい
て、２０％〜８０％下降時間で１２０〜２４０ｐｓとな
る２〜５ｐＦであることが指摘される。これに対して、
図９および図１０における本発明による酸化物寄生容量
抑制トレンチとボンドパッド寄生容量を減少させるメカ
ニズムとを備えるVCSELは、７〜１０ｄＢの減衰比を有
する１〜２ｍＷの標準動作パワーレベルにおいて、２０
％〜８０％下降時間で約４０〜５０ｐｓとなる約０．５
ｐＦ以下の全寄生容量を有している。それだけでなく、
図１６に示すように、本発明によるＶＣＳＥＬの実施例
によって、データレートが約１０Ｇｂ／ｓの動作条件
で、明らかなオープンド・アイ・ダイヤグラム（opened
eye diagram）が達成されている。その上、速度面での
性能の向上が、その他の寄生容量減少メカニズム（例え
ば、図７および図８に示されるとともに既に説明された
ような）がＶＣＳＥＬ設計に含まれるときには実現可能
である。
【００９７】本発明による一つあるいはそれ以上の新規
な構造およびメカニズムを備えたＶＣＳＥＬは、IEEE80
2.3zまたはギガビットイーサネット（登録商標）に使え
る光学的なトランシーバをはじめとする光学的なトラン
シーバに用いることができる。本発明におけるＶＣＳＥ
Ｌの利点を生かして利用できる光データ通信用途は、ス
イッチ・スイッチ界面、スイッチドバックボーン用途、
ファイルサーバ用の高速インターフェース、高性能デス
クトップコンピュータ、および、単一モードおよびマル
チモードギガビットイーサネット用途を含んでいる。
【００９８】多重ＶＣＳＥＬが本発明の方法により構成
されるとき、追加の絶縁領域をＶＣＳＥＬ間の電気的な
および／あるいは光学的なクロストークを防ぐために加
えることができる。このような絶縁領域は、イオン注入
や素子間でエッチングして作製するトレンチによって、
実現できる。これらの技術は従来周知であるので、ここ
での詳細な説明は省略される。図面を簡略にするため
に、このような追加の絶縁領域の図示は省略されてい
る。
【００９９】本発明による上述の実施例は、単一の反射
鏡層の一部を酸化することにより画定されるレーザー開
口を有している。しかしながら、上述の説明から、複数
の反射鏡層が様々な層においてレーザー開口を提供でき
ることは、当該技術に通常の知識を備えた者には明らか
なことであろう。
【０１００】上述の明細書において、本発明は、垂直共
振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の形をした特定の実
施例を参照して説明された。しかしながら、種々の変更
および変形が、本発明の広範な技術的な範囲を外れるこ
となく実行できることは、明らかであろう。
【０１０１】例えば、上述された新規な特徴は、使われ
る半導体の特別な材料および光の波長に関係なくその他
の酸化閉じ込め半導体発光デバイスに適用できる。ＶＣ
ＳＥＬに適用されると、本発明は、赤ＡｌＧａＩｎＰの
ＶＣＳＥＬ、８５０ｎｍＧａＡｓのＶＣＳＥＬ、９８０
ｎｍＩｎＧａＡｓのＶＣＳＥＬ、ＩｎＧａＡｓＰベー
ス、ＩｎＧａＡｓＮベース、および、ＳｂベースのＶＣ
ＳＥＬを含むことができる構造で実施できる。もちろ
ん、光の波長は、特定の用途に適合するように上述した
波長よりも短い（例えば、６５０ｎｍの範囲）あるいは
長い（例えば、１５００ｎｍ以上の範囲）ものであるよ
うに調節できる。従って、明細書および図面は、発明を
限定する意味ではなく、説明のためであるとみなさなく
てはならない。
【０１０２】これだけでなく、本発明に対する種々の変
更は、上述の説明および添付の図面から当該技術に通常
の知識を備えた者には明らかなことであろう。例えば、
本発明の示唆するところは、共鳴共振器面発光ダイオー
ド（ＲＣＬＥＤ）のようなＩＩＩ−ＩＶ族およびＩＩ−
ＶＩ族から構成されるその他の半導体発光デバイスに適
用できる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲に
よってのみ限定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施例による垂直共振器面発光
レーザーの平面図である。
【図２】図１の２′−２′線に沿って見た垂直共振器面
発光レーザーの断面図である。
【図３】図１の３′−３′線に沿って見た垂直共振器面
発光レーザーの断面図である。
【図４】透明な接点を用いる本発明のその他の実施例に
おける垂直共振器面発光レーザーの平面図である。
【図５】図４の５′−５′線に沿って見た垂直共振器面
発光レーザーの断面図である。
【図６】図４の６′−６′線に沿って見た垂直共振器面
発光レーザーの断面図である。
【図７】図７Ａは、本発明の一つの実施例による酸化物
寄生容量を減ずるための絶縁領域を備えた複数の容量抑
制層の第１の構成を備えた垂直共振器面発光レーザーの
一部の断面図である。図７Ｂは、本発明の一つの実施例
による酸化物寄生容量を減ずるための絶縁領域を備えた
複数の容量抑制層の第２の構成を備えた垂直共振器面発
光レーザーの一部の断面図である。
【図８】図８Ａは、本発明の一つの実施例による酸化物
寄生容量を減ずるための第２の注入領域を備えた垂直共
振器面発光レーザーの一部の断面図であり、この第２の
注入領域は、本発明の特徴の一つであるトレンチとの関
連において使われるものである。図８Ｂは、本発明のそ
の他の実施例による酸化物寄生容量を減ずるための第２
の注入領域を備えた垂直共振器面発光レーザーの一部の
断面図であり、この第２の注入領域は、本発明の特徴の
一つであるトレンチとの関連を持たずに使われるもので
ある。
【図９】図１におけるＶＣＳＥＬに関連する本発明にお
けるその他の実施例による接点パッド寄生容量を減ずる
ためのメカニズムを示す。
【図１０】図９の垂直共振器面発光レーザーの断面図で
ある。
【図１１】図４のＶＣＳＥＬに関連する本発明のその他
の実施例における接点パッドの寄生容量を減ずるための
メカニズムを示す断面図である。
【図１２】図１２Ａは、本発明の一つの実施例における
絶縁領域の開口画定面によって完全に画定（形成）され
ている周辺を備えた開口を示している平面図である。図
１２Ｂは、本発明のその他の実施例における絶縁領域の
開口画定面によって部分的に画定（形成）されていると
ともに注入領域の開口画定面によって部分的に画定（形
成）されている周辺を備えた開口を示している平面図で
ある。
【図１３】ほぼ正方形の形状を備えたトレンチを示して
いる平面図である。
【図１４】ほぼ三角形の形状を備えたトレンチを示して
いる平面図である。
【図１５】ボンドパッド領域を取り囲む部分を含む形状
を備えたトレンチを示している平面図である。
【図１６】図１２Ａに示されるような閉じた領域を備え
た連続的な形状のトレンチに構成されている平面タイプ
ＶＣＳＥＬ構造の実施例から得られた１０Ｇｂ／ｓデー
タ伝送アイダイヤグラムを示すとともに図８Ａ−８Ｂお
よび図９Ａ−９Ｂにそれぞれ示されている二つの寄生容
量抑制メカニズムを示す特性図である。
【符号の説明】
１０２ トレンチ １８０ 導体 １８８ 絶縁化可能材料層 ２０５ 光発生領域、活性層 ２１０ 上部反射鏡構造 ２２０ 下部反射鏡構造 ２４０ 絶縁部 ２５０ 半導体部、注入領域 ２８０ 上部反射鏡構造の面 ２９０ 半導体部の面 ９４４ 開口画定面 ＶＣＳＥＬ 垂直共振器面発光レーザー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐ ａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 イー−シング・タン アメリカ合衆国カリフォルニア州95014, カッパーティーノ，プレジディオ・ドライ ブ 8099 (72)発明者 チャング−フン・オー アメリカ合衆国カリフォルニア州95128, サンノゼ，ヒドゥン・クリーク・ドライブ 6563 Ｆターム(参考） 5F073 AA74 AB17 AB28 BA02 CA04 CA05 CA06 CA13 CB22 DA14 DA21 EA14

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥ
    Ｌ）において、 面を備えた上部反射鏡構造と、 光発生部と、 前記上部反射鏡構造に向けて光を反射する下部反射鏡構
    造と、 前記上部反射鏡構造の面とほぼ同一平面に配置された面
    を備えた半導体部と、 前記上部反射鏡構造と前記下部反射鏡構造の少なくとも
    一方に配置された絶縁化可能材料からなる層とを備えて
    おり、前記絶縁化可能材料からなる層は、 導体部と、 前記導体部、内側部および外側部を画定するための開口
    画定面を備えた絶縁部と、 前記絶縁部を形成するため、および前記絶縁部の前記外
    側部から前記絶縁部の内側部を分離するために、前記絶
    縁部に隣接して、ＶＣＳＥＬの寄生容量を小さくするた
    めに連続的な形状を有する単一のトレンチとを有する絶
    縁化可能材料層である、垂直共振器面発光レーザー。
  2. 【請求項２】 前記絶縁部は、酸化部かボイド部のいず
    れかであることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振
    器面発光レーザー。
  3. 【請求項３】 前記絶縁部における前記開口画定面は、
    前記導体部の周辺部の大部分を形成することを特徴とす
    る請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザー。
  4. 【請求項４】 前記絶縁部における前記開口画定面は、
    前記導体部の周辺部の全部を形成することを特徴とする
    請求項１に記載の垂直共振器面発光レーザー。
  5. 【請求項５】 さらに、開口画定面を備えた注入部を含
    み、 前記絶縁部における前記開口画定面は、前記導体部の周
    辺部の一部を形成し、 前記注入部によって形成される前記開口画定面は、前記
    導体部の周辺部の一部を形成し、 前記注入部の周辺部の一部は、前記絶縁部によって形成
    される部分よりも小さいことを特徴とする請求項１に記
    載の垂直共振器面発光レーザー。
  6. 【請求項６】 前記絶縁部における前記開口画定面は、
    前記導体部の周辺部の少なくとも７５％を形成している
    ことを特徴とする請求項３に記載の垂直共振器面発光レ
    ーザー。
  7. 【請求項７】 前記絶縁部における前記開口画定面は、
    ほぼ円形の開口を画定していることを特徴とする請求項
    １に記載の垂直共振器面発光レーザー。
  8. 【請求項８】 前記トレンチにおける前記連続的な形状
    は、ほぼ三角形、ほぼ矩形、ほぼ正方形、ほぼ円形、お
    よび、ほぼ楕円形のいずれかであることを特徴とする請
    求項１に記載の垂直共振器面発光レーザー。
  9. 【請求項９】 さらに、上部面と、 隣接する半導体の誘電率よりも小さい誘電率を備えると
    ともに前記上部面の少なくとも一部に配置されている絶
    縁層と、 ボンドパッドを発光領域に電気的に接続するために前記
    絶縁層の少なくとも一部に配置されている導体材料を含
    み、 その際、前記絶縁層は、前記ＶＣＳＥＬの前記寄生容量
    を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の垂直共
    振器面発光レーザー。
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