JP2002510869A - 選択エリアエピタキシーで製造された縦型光学キャビティー - Google Patents

選択エリアエピタキシーで製造された縦型光学キャビティー

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Abstract

(57)【要約】 モノリシックな縦型光学キャビティー装置（100）は、低部分布ブラッグ反射体（DBR）、活性層が垂直方向に対して直交する水平面内で少なくとも一つの物理的パラメータの辺かを示すように、選択エリアエピタキシー（SAE）マスクを使用して底部DBRの頂面に成長された少なくとも一つの活性層からなる量子井戸（QW）領域、およびQW領域（70）の頂部に堆積された頂部DBRを有している。この装置は、底部DBR（50）と頂部DBR（76）との間に垂直方向に沿って定義される可変ファブリ-ペロ距離（82）、および活性層の可変物理パラメータを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願の相互参照】
本発明は、1998年3月30日に出願された米国特許出願09/050,657号の優先権を
主張するものであり、これを本明細書の一部として援用する。
【０００２】
【技術分野】
本発明は、一般的には、選択エリアエピタキシー（SAE）を用いて成長した縦
型キャビティー表面発光レーザー（VCSELs）および検出器（VCDETs）のような縦
型光学キャビティー構造に関し、特にかかる構造のアレイに関する。
【０００３】
【背景】
二酸化シリコンまたは窒化シリコンのパターン化された窓を有する基板上にエ
ピタキシャル層（例えば、InGaAs）を成長させるエピタキシー技術として、有機
金属化学的気相成長（metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD）を使
用すると、基板上での局部的な成長速度が増大する。これは、一般に選択エリア
エピタキシー（SAE）と称される。この増大の理由は、酸化物領域または窒化物
領域の頂面上では成長が阻害されるという事実によるものである。従って、余分
の原料（例えばトリエチルガリウムおよびトリメチルインジウム）が非被覆領域
に移動し、局部的な成長速度を高める。この増大因子は、利用可能な成長エリア
に対する酸化物（窒化物）エリアの比率および有機金属源の拡散係数に依存する
。
【０００４】 SAEの先の出願は全て、エッジ発光レーザーおよび集積光電子装置に向けられ
ている。例えば、ジョイナーに発行された米国特許第5,659,640号において、発
明者は、光格子を有する集積導波路を製造するためのSAEの使用を教示している
。堆積プロセスによって所望の光学構造、即ち、光格子または量子井戸領域（QW
s）が確実に製造されるように、適切なマスク形状が選択される。米国特許第5,4
18,183号において、ジョイナー等は、デジタル的に調節可能な反射性レーザーを
製造するための、SAEの使用を教示している。SAEを用いて成長させたもう一つの
タイプの多重ＱＷ分布フィードバック半導体レーザー(multiple QW distributed
feedback semiconductor laser)が、Shim等によって米国特許第5,614,436号に
教示されている。同じ平面に複数の装置を同時に成長させるためのSAEの使用を
説明している更なる参照文献は、Joyner et al.,「SiO2でマスクされた基板上で
の選択エピタキシーによる、MQW構造のための極端に大きいバンドギャップシフ
ト」, IEEE Phot, Tech. Lett., Vol.4, No.9 (Sept. 1992), pp. 1006-9；およ
びCaneau et al.,「GaおよびIn化合物の選択的有機金属気相エピタキシー；TMI
ｎおよびTEGa vs. TMInおよびTMGaの比較」, J.Crystal Growth, Vol.132 (1993
), pp.364-370の論文に見られる。
【０００５】 これら先行技術装置および同様の先行技術装置は、典型的にはそれらの活性領
域にInGaAsのQWsを有している。これらのQWsは、二つの酸化物ストリップ間に異
なる開口を有するパターン化された基板上で再成長される。QWsの厚さは、SAEに
起因して、酸化物ストリップの開口部に反比例する。更に、InについてのSAE増
大因子はGa増大因子よりも大きいから、QWのIn含量もまた、酸化物ストリップの
開口部の関数である。従って、アレイにおける各レーザーの発光波長は、酸化物
ストリップ開口によって調節することができる。
【０００６】 従来技術の光学素子は全て、SAEが行なわれる平面内に位置する。換言すれば
、SAEは光学素子間の平面アラインメントを与える表面上で行なわれる。従って
、得られる装置は、例えばエッジ発光レーザにおいて遭遇するように平面素子分
布に制限される。
【０００７】
【目的および利点】
本発明の主な目的は、縦型光学キャビティーに対して選択エリアエピタキシー
（SAE）の技術を適用することである。特に、本発明の目的は、SAEを使用するこ
とにより、変化する発光波長および吸収波長をもった、縦型キャビティー表面発
光レーザー（VCSEL）および縦型キャビティー検出器（VCDET）を提供することで
ある。
【０００８】 本発明の更なる目的は、このような縦型キャビティー装置において、量子井戸
領域（QWs）のバンドギャップ、および反射体間のファブリ-ペロ距離の簡単な調
節を提供することである。
【０００９】 本発明の追加の目的は、縦型光学キャビティー装置を製造する方法が簡単で且
つコスト的に効率的であることを保証することである。
【００１０】 本発明のもう一つの目的は、縦型光学キャビティー装置がモノリシックに、且
つ素子のアレイとして成長できることを保証することである。
【００１１】 更なる目的および利点は、明細書を読むことにより明らかになるであろう。
【００１２】
【概要】
これらの目的および利点は、縦型光学キャビティーが垂直方向に沿って組込ま
れたモノリシック装置によって達成される。この装置は、多くの底部反射体また
は交互のλ／４層からなる底部分布ブラッグ反射体（DBR）を有している。少な
くとも一つの活性層からなる量子井戸（QW）領域が、選択エリアエピタキシー（
SAE）マスクまたは成長パターンを使用することにより、底部DBRの頂部上に成長
される。QWの適正なSAE成長を保証するために、マスクは誘電体、即ち、窒化物
または酸化物で形成される。SAE条件に依存して、QW領域は一以上の歪んだQWsを
有することができる。加えて、一以上の活性層は水平面、即ち、垂直方向に対し
て直行する平面内において、少なくとも一つの物理的パラメータの変化を示す。
多くの頂部反射体からなる頂部DBRが、QW領域の頂部に堆積される。また、QW領
域に隣接して、例えばQW領域の下および／または上にスペーサが堆積される。該
スペーサーはその表面湾曲に変化を示してもよく、或いは水平面内において変化
する厚さを有することができる。該スペーサもまた、好ましくはSAEによって成
長される。
【００１３】 本発明の装置は、底部DBRおよび頂部DBRの間の垂直方向に沿って定義されるフ
ァブリ-ペロ距離を有する。このファブリ-ペロ距離もまた、水平面内の位置に依
存して変化する。例えば、ファブリー-ペロー距離は、QWまたはスペーサの厚さ
変化によって変化する。
【００１４】 活性層の変化する物理的パラメータは、それらの表面湾曲および／またはバン
ドギャップの何れかである。これらパラメータの両者は、SAEによって調節され
る。バンドギャップは、好ましくは、SAEに従って活性層の材料または元素の相
対的濃度を変化させることにより調節される。
【００１５】 最も単純な場合のSAEマスクは、間隙により離間された二つのストリップを含
んでおり、該キャップの中にQWおよびスペーサが成長される。このマスクはまた
、必要に応じて円形ストリップ、半円形ストリップ、楔形ストリップおよび楕円
形ストリップのような多くの形状から選択することができる。マスクの形状は、
活性層の厚さおよび構成材料の相対濃度、並びに光学キャビティーにより支持さ
れる発光の偏光を制御するために調節される。
【００１６】 活性層は第一の屈折率を有し、また第一の活性層に隣接した第一の頂部反射体
は、第一の屈折率よりも大きいかまたは小さい第二の屈折率を有するのが好まし
い。この屈折率の差は、光学キャビティー内における電磁気放射線に対するレン
ズ効果を与え、これをガイドまたはアンチガイドするために使用することができ
る。より良好な特性のために、活性層は所定の表面湾曲を示すべきである。
【００１７】 好ましい実施例において、QWは多くの活性層を有し、また各活性層の表面湾曲
は制御される。例えば、底部活性層の曲面は最大の湾曲を示すことができ、頂部
活性層の曲面は最小の湾曲を有することができる。
【００１８】 本発明による縦型キャビティー装置は、縦型キャビティー表面発光レーザ（VC
SEL）または縦型キャビティー検出器（VCDET）として使用することができる。第
一のケースでは、電磁放射線を生じるように活性層を誘導するために、電流の供
給が与えられる。第二のケースでは、吸収される入射電磁放射線に対して吸収層
を感受性にするために、適切な回路が与えられる。
【００１９】 本発明の方法は、SAE条件を適切に調節することにより、縦型光学キャビティ
ーを構築することを可能にする。本発明の更なる詳細および説明は、添付の図面
を参照いした以下の詳細な記述に含まれている。
【００２０】
【詳細な記述】
本発明の縦型光学キャビティー装置およびこれを成長させるために必要とされ
る工程は、選択エリアエピタキシー（SAE）の公知の技術を使用すること依存す
る。図１は、基板10、例えばGaAs基板上で有機金属化学的気相成長（MOCVD）、
分子線エピタキシー（MBE）または有機金属分子線エピタキシー（MOMBE）による
エピタキシャル成長を行うときの、最も関連する側面を図示している。
【００２１】 成長パターン、またはエッジ14をもったSAEマスク12が基板10の頂面に堆積さ
れる。マスク12の材料は誘電性の窒化物、酸化物、または堆積される材料16のエ
ピタキシャル成長を支持しない他の何れかの適切な材料である。従って、マスク
12の上では、材料16の前駆体（例えばトリメチルGa）は成長されずに、むしろ基
板10の表面に移動される。従って、基板10の表面、特にエッジ14の近傍において
材料16の成長が増大する。これは、エッジ14からの距離が増大するに伴って、材
料16の厚さが減少することにより証明される。
【００２２】 エッジ14から遠ざかると材料16の厚さが減少することに加えて、材料16の個々
の成分18A，18B，18C（この場合はIn、GaおよびAs）は異なった拡散長を有する
。説明の目的のために、図１において、成分18A（即ちGa）および成分18B（即ち
In）は円および正方形で示されている。Gaの拡散長（DL1）は、Inの拡散長（DL2 ）よりも小さい。従って、GaおよびInの相対的濃度は、エッジ14からの距離と共
に変化する。
【００２３】 また、材料16のSAE成長は、成長した材料の表面20にも影響する。特に、表面2
0はSAEによる自然の曲面または湾曲面を有している。この湾曲面は一般には凹面
であり、エッジ14からの距離の増大と共にエピタキシャル成長が減少し、また成
分18A，18Bの拡散長が変化する上記効果から生じる。
【００２４】 SAEを適用して縦型光学キャビティーを成長させる基本が、図２〜図３に示さ
れている。図２において、SAEにより底部分布ブラッグ反射体32上に成長した活
性層30は、交互反射体またはλ／４層34からなる。マスク36は間隙38を有し、そ
の中に活性層30が堆積される。活性層30は凹状表面39を有する。図３は、マスク
36を除去し且つ追加の層40を成長させた結果を示しており、この場合、スペーサ
42および頂部DBR 44は、活性層30の頂部上のSAEを伴わないλ／４層46からなっ
ている。各連続層の表面の湾曲はより小さくなり、頂部DBRの最頂部の層46にお
ける湾曲は略ゼロである。
【００２５】 図４Ａ〜図４Ｆの等角図は、上記のSAE成長の原理を使用して、好ましい縦型
光学キャビティー装置100（図４Ｆ参照）を製造する方法を示している。装置100
は、垂直方向またはｚ方向に沿って成長される。先ず、図４Ａに示すように、底
部反射体またはλ／４層52からなる底部DBR 50が、MOCVDまたはMBEのような標準
エピタキシー技術によって成長される。層52は、実際には対の層52A，52B、例え
ばGaAs／AlAsの対である。GaAs／AlAs層の数は、望ましい反射率に依存し、また
周知の原理に基づいて設計者が決定するであろう。例えば、装置100を縦型キャ
ビティー表面発光レーザー（VCSEL）として使用するときは、GaAs／AlAs層の数
は、高反射体として機能するようにDBR 50の充分に高い反射率を保証するために
、30〜40以上の範囲とすることができる。
【００２６】 スペーサー54もまた、底部DBR 50の上に成長される。この場合のスペーサー54
は、例えばAl0.2Ga0.8AsおよびGaAsからなる二つの層56，58で作製される。当業
者は、スペーサー54の必要な厚さおよび組成を決定できるであろう。
【００２７】 次のステップでは、SAEマスク60を作製するために、層58の表面がパターン化
される。図４Ｂに示すように、マスク60は、両者の間に間隙66を含む二つのスト
リップ62，64からなっている。ストリップ62，64は窒化シリコンでできており、
それらの幅wは、ｙ方向に沿ってテーパしている。なお、間隙66の幅ｄは一定の
ままである。このパターンニング工程の後、層58およびストリップ62，64の表面
は再成長のために清浄化される。
【００２８】 二つのストリップでできた如何なるマスクについても、材料ｘについてのSAE
増大因子Ｅxは、次の線形の関係によって特徴付けられる。
【００２９】 Ｅx ∝ ｗ／ｄ 従ってマスク60の場合、GaおよびInの増大因子、即ちＥGaおよびＥInは両者とも
ｙ方向に沿って減少する。
【００３０】 次の工程の際に、SAEによってGaAsの層68が間隙66の中に成長される。この結
果は図４Ｃに示されている。層68は、上記で説明したSAE成長条件による湾曲表
面59を有し、また層68の厚さは、SAE増大が減少するためにｙ方向に沿ってテー
パしている。
【００３１】 その後、図４Ｄに示すように、SAEによって、ストリップ62，64間の間隙の中
に三つの量子井戸（QWs）または活性層70が成長される。典型的には、必要に応
じて薄い中間層（図示せず）も成長される。活性層70は、幾つかの中間層と共に
量子井戸（QW）領域72を形成する。活性層70は、活性材料またはレーザ発光媒体
でできている。例えば、適切なレーザ発光材料はIn0.17Ga0.53Asである。勿論、
QW領域72は、QWｓのより大きなスタックを形成するように層70のような更に多く
の活性層でできていてもよく、或いは一つだけの活性層70でできていてもよい。
【００３２】 Gaの拡散長はInの拡散長よりも小さいから、活性層70の表面は湾曲し、且つIn
およびGaの相対的濃度は、ｘ方向に沿ったストリップ62，64からの距離に依存し
て変化する。また、活性層の全体の厚さは、減少するSAE増大のため、ｙ方向に
変化する。従って、二つの物理的パラメータ、即ち、InおよびGaの相対濃度およ
び活性層70の厚さは水平面、特にｘ−ｙ平面で変化する。
【００３３】 これらの二つの物理的パラメータは、ｘ−ｙ平面における全ての位置で、活性
層70の局部的なバンドギャップに影響する。換言すれば、装置100のゲインポジ
ションはQW領域72、特に活性層７２の厚さおよび組成によって制御される。これ
ら物理的パラメータは両方とも、上記で述べたようにSAE増大の関数である。活
性層70および層68の厚さおよび組成が臨界厚さを越えないように、SAE増大因子
Ｅxが大きくなり過ぎないことを保証するように注意しなければならない。そう
しないと結晶格子が緩んで欠陥が発生し、これは最終装置が機能するのを妨げる
であろう。当業者はこの問題に精通しており、従って確実に臨界厚さを越えない
ようにすることができるであろう。
【００３４】 活性層70は、不活性材料、例えば（GaAs）の層74によって覆われている。図４
Ｄでは、層74は存在するストリップ62および64と共に成長され、従って、SAE成
長の利益を受けるが、ストリップ62および64は層74の成長の何れの時点でも除去
することが可能である。次いで、層74の残部は通常のMOCVD技術で成長させるこ
とができる。合計厚さ（ｔ）は、SAEを用いて得られる成長の厚さを示す。
【００３５】 マスク60のストリップ62，64を除去した後に残る構造が、図４Ｅに示されてい
る。この除去は、バッファー酸化物エッチ（BOE）のような周知の方法によって
行なわれる。QW領域72における不活性層68および活性層70の、ｙ方向に沿った厚
さの減少を明瞭に見ることができる。この図には明瞭に示されてはいないが、SA
E成長による中性の湾曲または凹面もまた存在する（図２参照）。この湾曲は、
ｘ軸に沿った厚さの変化に翻訳される。特に、活性層70の厚さは、ストリップ62
，64の間の正確に中間位置で最も小さく、ストリップ62，64に近づくに伴って徐
々に大きくなる。
【００３６】 QW領域72における活性層70の厚さ変化、および活性層70におけるInおよびGaの
相対濃度の変化のために、活性層70のバンドギャップはｘ−ｙ平面において変化
する。ｙ方向に沿った変化は、主に層70の減少する厚さ、並びにGaおよびInの濃
度変化によるものである。ｘ方向に沿った変化は、主に層70の表面湾曲の変化に
よるものであり、また層68，70および74におけるInおよびGaの相対濃度の変化に
起因するものである。
【００３７】 当該方法の最後の工程は、図４Ｆおよび図５に示すように、頂部スペーサ75（
これは別々の二つの層（図示せず）、例えばGaAsおよびAl0.2Ga0.8Asからなる）
および頂部DBR 76を成長させることを含む。底部DBR 50と同様に、頂部DBR 76は
、頂部反射体または層の対78A，78Bで形成される。これらは層52A，52Bと同様に
調節することができ、また層52A，52Bと同じ組成を有することができる。頂部DB
R 76の反射率は、装置100がVCSELまたはVCDETの何れであるべきかに基づいて選
択される。前者の場合は、頂部DBR 76の低反射率を保証して、それが出力カプラ
−として機能できるように、層78A，78Bの数を、層52A，52Bの数よりも小さくす
べきである。
【００３８】 最終工程には、頂部DBR 76の最上層78Bの頂部表面80を加工して、ｙ方向に沿
って出力窓またはファセット81のアレイ83を製造することが含まれる。層68、QW
s 70および頂部スペーサ75の減少する厚さのために、底部DBA 50および頂部DBR
76の間のファブリ-ペロ距離82は、図５の対応する断面図に定義したように、ｙ
方向に沿って減少する。周知のように、距離82はファブリ-ペロ型レーザ発生キ
ャビティー84の長さを決定し、これは電磁放射線86の如何なる波長λがキャビテ
ィー84内で発振されるかを決定する。明らかに、ファブリ-ペロ距離によって許
容される放射線86の波長λは、ｙ方向に沿って減少する。
【００３９】 なお、QWs 70のゲイン位置もまた、上記で述べたようにｙ方向に沿って変化す
る。特に、このゲイン位置は、ｙ方向に沿った夫々の点において、ファブリ-ペ
ロ距離82により指定される波長λでのゲインを生じるように、ｙ方向に沿って減
少する。従って、アレイ83の各窓81は、異なる波長λ1、λ2、…λnの放射線を
放出する。この場合、装置100は多重波長VCSELである。底部DBR 50は高反射体で
あるのに対して、頂部DBR 76は出力カプラ−である。
【００４０】 図６は、多重波長VCDET 101またはVCDETsのアレイとして機能するように設計
された、装置100に本質的に類似する装置101を示している。装置101を製造する
方法もまた、装置100を製造する方法に類似している。しかし、この場合、頂部D
BR 76は底部DBRと略同じ反射率を有する。加えて、入射光線67（そのλはファブ
リ-ペロ距離82により決定される共鳴λに合致する）を吸収するために、底部p-i
-n吸収領域88が設けられる。検出すべき波長λの放射線87は、表面80を通してVC
DET 101に入る。QW領域72の代わりに、受動フィルタ層71がフィルタースペーサ
を形成し、これはSAEによるｘ−ｙ平面での厚さ、湾曲および組成変化を示す。
また、放射線87が吸収されるときに層88で発生した電気パルスを検出するために
、標準検出回路（図示せず）が設けられる。
【００４１】 ファブリ-ペロ距離82はｘ−ｙ平面内、特にｙ方向に沿って変化するから、VCD
ET 101によって検出できる放射線87の波長λもまた、ｙ方向に沿って変化する。
VCDET 101を製造するためにVCSEL 100と同じマスクが使用されるとすれば、検出
可能な放射線87の波長λはｙ方向に沿って減少するであろう。従って、ｙ位置の
関数としてのλまたはファブリ-ペロ距離82のマップを用いれば、VCDET 101は、
放射線87の全体のバンド幅を検出するために使用することができる。更に、VCDE
T 101は連続的な波長検出のために、VCSEL 100と丁度同じような入力窓またはフ
ァセット81を有することができ、または一つの連続的な面を有することができる
。
【００４２】 上記の説明から、SAEマスク60、特に間隙66の形状がバンドギャップおよびフ
ァブリ-ペロ距離82を調節するために決定的に重要であることが、当業者には明
らかであろう。一般的なマスク90が図7に示されている。マスク90は二つのスト
リップ92，94を有しており、それらの間に間隙96を形成している。ストリップ92
の幅は長さLに沿って変化し、f1(L)によって表される。同様に、ストリップ94の
幅は長さLと共に変化し、f2(L)によって表される。本件の場合、ストリップ92お
よび94の幅の変化は対称であるが、そうである必要はない。また、間隙96の幅は
一定であるが、それは変化してもよい。再度言うが、ストリップ92，94の幅ｗお
よび間隙96の幅ｄは、次式の関係に従って、望ましいSAE増大因子Ｅxによって指
定される。
【００４３】 Ｅx ∝ ｗ／ｄ SAEに精通した者であれば、この情報に基づいて、ｘ−ｙ平面内でx方向および
ｙ方向に沿った望ましい濃度変化、表面湾曲および全体の厚さ変化をもった活性
層を製造するように、間隙96における適切な成長増大を生じさせるための適切な
関数f1(L)およびf2(L)を選択する仕方が分かるであろう。
【００４４】 図８Ａ〜８Ｅは、特に有用なマスク形状を示している。例えば、図８Ａに示し
たマスクは、装置100および101を作製するために使用したマスク60と同様である
。それは、一定幅の間隙108を形成する二つのストリップ104，106からなる。ス
トリップ104，106は、その狭い端部でよりもその広い端部において、間隙108に
おけるSAE成長を広げ且つ増大させる。図８Ｂは、一定幅の間隙116をもった三角
形のストライプ112および114からなるマスク110を示している。マスク110は、三
角形112および114の幅広の端部において、そのコーナー部でよりもSAE成長を増
大させる。図８Ｃは、階段状の二つの三角形ストリップ122および124の間に形成
された、間隙126を有するマスクを示している。マスク120についてのSAE成長増
大因子は各ステップにおいて一定であり、各ステップにおけるストリップ122お
よび124の幅の広い端部に向かって不連続な増大を受ける。図８Ｄのマスク130は
、幅が変化しない二つのストリップ132，134を有するが、それらは幅が変化する
間隙136を形成するように相互に傾斜してセットされている。マスク130は、上記
で述べたマスク60と同様である。
【００４５】 マスク120は、最終装置における出力ファセットの整列ミスに対する許容度が
大きいので、大規模製造に有用である。これは、SAE増大が階段状に変化し、フ
ァブリ-ペロ距離およびQWゲイン位置も同様であるという事実によるものである
。他方、マスク120のステップは、非常に精密にサイジングされなければならな
い。これとは対照的に、マスク102、110および130は、SAE増大、ファブリペロ距
離およびQWゲイン位置において連続的な変化を示す。従って、所望の波長λ1、
λ2、…λnを決定するファブリ-ペロ距離が所望の出力ファセットと整列するよ
うに、出力ファセットの位置における連続的な調節を提供する。
【００４６】 図８Ｅは、四つの円形マスク140，142，144および146を図示しており、これら
はSAE成長が増大される間隙に対応した、中心開口部150，152，154および156を
有する本質的に円形のストライプである。マスク140，142，144および146の幅は
細いものから太いものまで徐々に変化するが、中央開口部150，152，154および1
56は同じである。SAE成長は、マスク140により開口部150内では最小に増大され
、マスク146により開口部156内では最大に増大される。第一の近似のために、円
形マスクについてのSAE増大因子Ｅxは次式の関係によって与えられる。
【００４７】 Ｅx ∝ MA／QA ここで、MAはマスクの表面積であり、QAは開口部の面積である。
【００４８】 本発明の追加の側面に従えば、SAE成長による本来の曲線は更に、放出された
放射線、例えば装置100における放射線86の偏光を制御するために使用される。
これは、層74における場合と同様に非対称マスクを使用することにより、SAE成
長層68，70に非対称性を導入することによって行なわれる。非対称マスクは、SA
Eにより成長した層の一つの結晶配向に沿った歪みおよび／または厚さの差を生
じる。適切な非対称SAEマスクパターンには、図８Ｄの不等辺四辺形、図９Ａ〜
９Ｃに示したマスク160，170および180が含まれる。
【００４９】 InGaAs量子井戸と共に上記の非対称マスクの何れかを用いたときには、上記で
述べたInおよびGaの差動成長速度増大によって、歪み非対称性が追加的に導入さ
れるであろう。従って、この場合のSAE成長は異なる方向に沿った（例えばマス
ク160の長軸および短軸に沿った）差動歪みを生じるであろう。
【００５０】 本発明の方法は、組込み型の正および負のレンズ作用、並びに屈折率のガイデ
ィングおよびアンチガイディングを備えた装置の製造を可能にする。図３に戻る
と、活性層30が層40（特に隣接層42）の有効屈折率よりも大きい屈折率の材料で
できているときは、電磁放射線は、表面39の湾曲および屈折率差による発散レン
ズ効果を受けるであろう。或いは、活性層30の屈折率が層40（特に層42）の屈折
率よりも小さいときは、放射線は収束レンズ効果を受けるであろう。このレンズ
効果は、表面39の湾曲が著しく且つ屈折率差が大きいときに特に大きい。例えば
、SAEによって層30を形成することにより、能力のある量子井戸を製造しながら
、層30の中心とその縁部との間で4％の厚さの差を達成することができる。
【００５１】 加えて、正および負のレンズ効果は、周知の原理に従って屈折率のガイディン
グおよびアンチガイディングを生じる。従って、本発明の方法は、装置における
単一モード動作を向上するために使用することができ、それは小さい屈折率ガイ
ド領域および何等かの屈折率アンチガイド領域を生じる。
【００５２】
【実施例】
以下の例は、本発明の特定の実施例を例示するためのものであり、限定するこ
とを目的としたものではない。930〜980nmのλをもった出力放射線を発生するこ
とができる実際的なVCSELアレイが、二つの近接して離間された不等辺四辺形（
図８Ａ参照）からなるマスクを使用して製造される。先ず、適切なチャンバー内
においてMOCVDまたはMBEを用い、35対のGaAs／AlAs分布ブラッグ反射体、52 nm
のAl0.2Ga0.8Asおよび24.8 nmのGaAsからなる底部DBRを成長させる。
【００５３】 次いで、ウエハーを100 nmの窒化シリコンでパターン化し、図８Ｂに示すよう
なSAEマスクを製造する。該マスクの幅ｗは0〜100μmで変化し、その厚さは1,00
0オングストロームである。このウエハーを、再成長のためにHClで洗浄し、チャ
ンバー内に再配置する。SAE成長の間に、10 nmの分離または中間層を伴う4.2 nm
の三つのIn0.17Ga0.83As量子井戸で覆われたGaAsの26.5 nm層、およびもう一つ
の厚さ26.5 nmのGaAs層を製造する。
【００５４】 この時点でウエハーをチャンバーから取り出し、窒化シリコンをBOEで除去す
る。次いで、このウエハーを再度チャンバー内に配置して、SAE増大を伴わない2
4.8 nmのGaAs、52 nmのAl0.2Ga0.8As、および26対のGaAs／Al0.7Ga0.3As DBRを
再成長させる。SAEで成長した材料の全膜厚ｔは、好ましくはｔ＝855 nmである
。
【００５５】 最終工程の際に、VCSELアレイがSAEマスクの中心線に沿って作製される。仕上
った装置は、図４Ｆに示した装置100と類似している。
【００５６】 仕上げられたVCSELアレイの特性は図１０のプロットによって特徴付けられ、
該プロットは、SAEストリップの幅（w）の関数としてのQWゲイン位置およびファ
ブリ-ペロ位置をグラフ化している。このプロットは、好ましいSAE成長厚さ（t=
85.5nm）および比較のための他の二つの厚さ（t=65.3nmおよびt=112.7nm）で、
上記のようにして成長されたVCSELについてのデータ点を含んでいる。好ましい
厚さでは、ファブリ-ペロ距離はゲイン位置とマッチし、従ってVCSELアレイの適
正な機能が保証される。
【００５７】 上記の実施例は、本発明の範囲を逸脱することなく多くの方法で変更し得るこ
とは、当業者には明らかであろう。例えば、本発明の方法は、本発明による装置
を製造するためにInGaP、InGaAs、InGaAsPおよびAlGaAs材料系を用いることがで
きる。なお、AlGaAsを用いた本発明による装置を成長させると、QWsは自動的に
予め歪みを加えられる。
【００５８】 上記を考慮すれば、本発明の範囲は請求項およびその法的均等物によって決定
されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、選択エリアエピタキシー（SAE）による成長の幾つかの基本的側面を
示す断面図である。
【図２】 図２は、SAEにより成長された活性層を示す断面図である。
【図３】 図３は、SAEにより成長された多くの活性層およびスペーサーを示す断面図で
ある。
【図４Ａ】 図４Ａは、縦型光学キャビティーを作製する好ましいプロセスを示す等角図で
ある。
【図４Ｂ】 図４Ｂは、縦型光学キャビティーを作製する好ましいプロセスを示す等角図で
ある。
【図４Ｃ】 図４Ｃは、縦型光学キャビティーを作製する好ましいプロセスを示す等角図で
ある。
【図４Ｄ】 図４Ｄは、縦型光学キャビティーを作製する好ましいプロセスを示す等角図で
ある。
【図４Ｅ】 図４Ｅは、縦型光学キャビティーを作製する好ましいプロセスを示す等角図で
ある。
【図４Ｆ】 図４Ｆは、縦型光学キャビティーを作製する好ましいプロセスを示す等角図で
ある。
【図５】 図５は、好ましいプロセスにより作製された縦型光学キャビティーを示す断面
図である。
【図６】 図６は、縦型キャビティー検出器（VCDET）として使用される縦型光学キャビ
ティー装置の断面図である。
【図７】 図７は、一般的なSAEマスクの等角図である。
【図８Ａ】 図８Ａは、特定のSAEマス区の平面図である。
【図８Ｂ】 図８Ｂは、特定のSAEマス区の平面図である。
【図８Ｃ】 図８Ｃは、特定のSAEマス区の平面図である。
【図８Ｄ】 図８Ｄは、特定のSAEマス区の平面図である。
【図８Ｅ】 図８Ｅは、特定のSAEマス区の平面図である。
【図９Ａ】 図９Ａは、偏光制御を備えた活性層のためのSAEマスクの平面図である。
【図９Ｂ】 図９Ｂは、偏光制御を備えた活性層のためのSAEマスクの平面図である。
【図９Ｃ】 図９Ｃは、偏光制御を備えた活性層のためのSAEマスクの平面図である。
【図１０】 図１０は、本発明に従うSAEを用いて製造された縦型キャビティー表面発光レ
ーザー（VCSEL）の、量子井戸ゲイン位置およびファブリ-ペロ位置のプロットで
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャン ハスナイン コンスタンス ジェ イ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94587 ユニオン シティー レモラ ド ライヴ 4387 Ｆターム(参考） 5F073 AA21 AA44 AA65 AA74 AB02 AB06 AB17 AB26 CA07 DA05 DA06 DA07

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 垂直方向に沿って延びるモノリシック縦型光学キャビティー
    において： ａ）複数の底部反射体を有する底部分布ブラッグ反射体と； ｂ）選択エリアエピタキシーマスクを使用して前記底部分布ブラッグ反射体の
    頂部に成長された量子井戸領域であって、該量子井戸領域が、水平面内での変化
    を示す少なくとも一つの物理的パラメータを有する少なくとも一つの活性層を含
    む量子井戸領域と； ｃ）前記量子井戸領域の頂部に堆積され、且つ複数の頂部反射体を有する頂部
    分布ブラッグ反射体とを具備し、 前記底部分布ブラッグ反射体と前記頂部分布ブラッグ反射体との間で前記垂直
    方向に沿って定義されるファブリ-ペロ距離が、前記水平面内において変化する
    モノリシック縦型光学キャビティー。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであっ
    て、前記少なくとも一つの物理的パラメータは、前記少なくとも一つの活性層の
    表面湾曲および前記少なくとも一つの活性層のバンドギャップからなるパラメー
    タから選択されるモノリシック縦型光学キャビティー。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであっ
    て、前記選択エリアエピタキシーマスクは二つのストリップを有するモノリシッ
    ク縦型光学キャビティー。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであっ
    て、前記選択エリアエピタキシーマスクは、円形ストリップ、半円形ストリップ
    、楔形ストリップおよび楕円形ストリップからなる群から選択される形状を有す
    るモノリシック縦型光学キャビティー。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであっ
    て、前記選択エリアエピタキシーマスクは、誘電体、窒化物および酸化物からな
    る群から選択される材料を含むモノリシック縦型光学キャビティー。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであっ
    て、前記活性層は第一の屈折率を有し、前記活性層に隣接した第一の頂部反射体
    は前記第一の屈折率よりも大きい第二の屈折率を有するモノリシック縦型光学キ
    ャビティー。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであっ
    て、前記少なくとも一つの物理的パラメータは前記活性層の表面湾曲を包含する
    モノリシック縦型光学キャビティー。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであっ
    て、前記活性層は第一の屈折率を有し、前記活性層に隣接した第一の頂部反射体
    は前記第一の屈折率よりも小さい第二の屈折率を有するモノリシック縦型光学キ
    ャビティー。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであっ
    て、前記少なくとも一つの物理的パラメータは前記活性層の表面湾曲を包含する
    モノリシック縦型光学キャビティー。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであ
    って、前記量子井戸領域は、前記ファブリ-ペロ距離が前記水平面内で変化する
    ように、前記水平面内において変化する厚さを有するモノリシック縦型光学キャ
    ビティー。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであ
    って、更に、前記少なくとも一つの活性領域に隣接して堆積されたスペーサを具
    備するモノリシック縦型光学キャビティー。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーで
    あって、前記スペーサは前記水平面内で変化する厚さを有するモノリシック縦型
    光学キャビティー。
  13. 【請求項１３】 請求項１１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーで
    あって、前記スペーサーは変化する湾曲を有するモノリシック縦型光学キャビテ
    ィー。
  14. 【請求項１４】 請求項１１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーで
    あって、前記スペーサの少なくとも一部は前記選択エリアエピタキシーマスクを
    使用して成長されるモノリシック縦型光学キャビティー。
  15. 【請求項１５】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであ
    って、前記少なくとも一つの物理的パラメータは前記活性層のバンドギャップで
    あり、また前記変化は前記少なくとも一つの活性層を構成する成分の相対濃度の
    変化であるモノリシック縦型光学キャビティー。
  16. 【請求項１６】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであ
    って、前記量子井戸領域は歪んだ量子井戸領域であるモノリシック縦型光学キャ
    ビティー。
  17. 【請求項１７】 請求項１に記載のモノリシック縦型光学キャビティーであ
    って、前記少なくとも一つの活性層はｎ層の活性層を含むモノリシック縦型光学
    キャビティー。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載のモノリシック縦型光学キャビティーで
    あって、前記前記少なくとも一つの物理的パラメータは、前記ｎ層の活性層の夫
    々の表面湾曲であるモノリシック縦型光学キャビティー。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載のモノリシック縦型光学キャビティーで
    あって、前記表面湾曲は前記ｎ層の活性層の夫々において異なるモノリシック縦
    型光学キャビティー。
  20. 【請求項２０】 垂直方向に沿って延びるモノリシック縦型光学キャビティ
    ーを作製する方法であって： ａ）複数の底部反射体を堆積して、底部分布ブラッグ反射体を形成する工程と
    ； ｂ）前記底部分布ブラッグ反射体の頂部に、選択エリアエピタキシーマスクを
    形成する工程と； ｃ）前記底部分布ブラッグ反射体の頂面に量子井戸領域を成長させるために前
    記選択エリアエピタキシーマスクを使用する工程であって、前記量子井戸は、水
    平面内において変化を示す少なくとも一つの物理的パラメータを有する少なくと
    も一つの活性層を含む工程と； ｄ）複数の頂部反射体を堆積して頂部分布ブラッグ反射体を形成する工程であ
    って、その際に、前記底部分布ブラッグ反射体と前記頂部分布ブラッグ反射体と
    の間で前記垂直方向に沿ってファブリ-ペロ距離が定義され、該ファブリ-ペロ距
    離は前記水平面内で変化する工程とを具備する方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の方法であって、前記少なくとも一つの
    物理的パラメータは前記少なくとも一つの活性層の表面湾曲であり、また前記方
    法は更に、前記表面湾曲を決定する工程を具備する方法。
  22. 【請求項２２】 請求項２１に記載の方法であって、前記湾曲を決定する工
    程は、前記選択エリアエピタキシーマスクを変化させることによって行なわれる
    方法。
  23. 【請求項２３】 請求項２０に記載の方法であって、前記少なくとも一つの
    物理的パラメータは、前記少なくとも一つの活性層のバンドギャップであり、ま
    た前記方法は更に、前記バンドギャップを変更する工程を具備する方法。
  24. 【請求項２４】 請求項２３に記載の方法であって、前記バンドギャップを
    変更する工程は、前記少なくとも一つの活性層を構成する成分の相対濃度を変更
    することにより行われる方法。
  25. 【請求項２５】 請求項２０に記載の方法であって、更に、前記量子井戸領
    域に隣接したスペーサを成長させる工程を具備する方法。
  26. 【請求項２６】 垂直方向に沿って延びるモノリシック縦型光学キャビティ
    ーを備えた縦型キャビティー検出器であって： ａ）複数の底部反射体を有する底部分布ブラッグ反射体と； ｂ）選択エリアエピタキシーマスクを使用して前記底部分布ブラッグ反射体の
    頂部に成長された量子井戸領域であって、該量子井戸領域が、水平面内での変化
    を示す少なくとも一つの物理的パラメータを有する少なくとも一つの活性層を含
    む量子井戸領域と； ｃ）前記量子井戸領域の頂部に堆積され、且つ複数の頂部反射体を有する頂部
    分布ブラッグ反射体とを具備し、 前記底部分布ブラッグ反射体と前記頂部分布ブラッグ反射体との間で前記垂直
    方向に沿って定義されるファブリ-ペロ距離が、前記水平面内において変化する
    縦型キャビティー検出器。
  27. 【請求項２７】 請求項２６に記載の縦型キャビティー検出器であって、前
    記量子井戸領域は、レーザ発光することができる少なくとも一つの活性層を具備
    する縦型キャビティー検出器。
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