JP2002511659A - 光学装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
LEDまたはVCSELのようなソリッドステートの表面発光装置は、下地層（13）の一部に担持された高反射率の分布ブラッグ反射体（DBR）ミラー（14）を覆う光学利得媒体（18）を有する。この利得媒体（18）は、下地層（13）から広がり且つミラー（14）を覆うエピタキシャル層構造（15）の一部である。
Description
【０００１】 本発明は、ソリッドステートの表面発光装置またはその改良に関する。特に、
本発明はInAlGaN四元系に基づく構造を有する表面発光装置、中でも短波長（600 nm未満）の窒化ガリウム縦型キャビティー表面発光レーザ（VCSELs）およびGaN
表面発光ダイオードに関する。
本発明はInAlGaN四元系に基づく構造を有する表面発光装置、中でも短波長（600 nm未満）の窒化ガリウム縦型キャビティー表面発光レーザ（VCSELs）およびGaN
表面発光ダイオードに関する。
【０００２】 本発明の第一の側面に従えば、下地層に担持された高反射率の分布ブラッグ反
射体（DBR）ミラーを覆った光学利得媒体を有するソリッドステートの表面発光
装置が提供される。
射体（DBR）ミラーを覆った光学利得媒体を有するソリッドステートの表面発光
装置が提供される。
【０００３】 ここで、DBRミラーは多層誘電体加工物であり、該多層誘電体加工物は該加工
物における隣接層との間の屈折率比が高い誘電体材料の交互の層を有し、また前
記光学利得媒体は、前記下地層から伸びて前記加工物を覆うエピタキシャル層構
造の一部である。
物における隣接層との間の屈折率比が高い誘電体材料の交互の層を有し、また前
記光学利得媒体は、前記下地層から伸びて前記加工物を覆うエピタキシャル層構
造の一部である。
【０００４】 DBRミラーが誘電体材料で形成されることにより、高屈折率は1.2超、好ましく
は1.3超、有利には1.5超とすることができ、その結果、高度反射率のミラー（こ
れはレーザ装置において典型的なように97％以上のオーダーの反射率を有する）
を製造するために、僅かの周期（好ましくは15周期未満、有利には10周期未満）
しか必要とせず、これは製造プロセスが単純であるという利点を有する。
は1.3超、有利には1.5超とすることができ、その結果、高度反射率のミラー（こ
れはレーザ装置において典型的なように97％以上のオーダーの反射率を有する）
を製造するために、僅かの周期（好ましくは15周期未満、有利には10周期未満）
しか必要とせず、これは製造プロセスが単純であるという利点を有する。
【０００５】 好ましくは、上記加工物は、略50μm未満の横方向寸法を有し且つ略100μm未
満（中心から中心まで）だけ離間し、有利には、略10μm未満の横方向寸法を有
し且つ略20μm未満（中心から中心まで）だけ離間した柱状物の一つのアレイで
ある。或いは、この加工物は100μm以上の長さに延設され、数μm（典型的には1
0μm）だけ分離され、且つこの間隔に匹敵する幅を有するストリップまたはライ
ンの一つのアレイであってもよい。
満（中心から中心まで）だけ離間し、有利には、略10μm未満の横方向寸法を有
し且つ略20μm未満（中心から中心まで）だけ離間した柱状物の一つのアレイで
ある。或いは、この加工物は100μm以上の長さに延設され、数μm（典型的には1
0μm）だけ分離され、且つこの間隔に匹敵する幅を有するストリップまたはライ
ンの一つのアレイであってもよい。
【０００６】 下地層は通常、緩衝層を有する基板である。好ましくは、該基板はサファイア
であり、或いはSiCである。好ましくは、緩衝層は第三族（周期表）の何れかの
窒化物に基づく。もし、高品質の基板が入手可能であれば、下地層は該基板のみ
からなっていてもよい。
であり、或いはSiCである。好ましくは、緩衝層は第三族（周期表）の何れかの
窒化物に基づく。もし、高品質の基板が入手可能であれば、下地層は該基板のみ
からなっていてもよい。
【０００７】 下地層は一方の表面に担持されたDBRミラー加工物を有し、また該表面から広
がるエピタキシャル層構造をもった、典型的にはプレート状部材である。当該表
面は、その平坦表面から直立した柱状物またはストリップの加工されたアレイを
もった平面であってもよい。或いは、該表面は、加工されたミラーアレイが配置
される柱状またはストリップ状の凹部を形成するためにパターンニングされても
よい。何れの場合にも、エピタキシャル層構造は、該表面から広がって前記加工
物を覆う。限られた場合において、前記凹部は前記部材の厚さを通して広がり、
DBRミラー加工物は該部材およびエピタキシャル層構造により担持される。
がるエピタキシャル層構造をもった、典型的にはプレート状部材である。当該表
面は、その平坦表面から直立した柱状物またはストリップの加工されたアレイを
もった平面であってもよい。或いは、該表面は、加工されたミラーアレイが配置
される柱状またはストリップ状の凹部を形成するためにパターンニングされても
よい。何れの場合にも、エピタキシャル層構造は、該表面から広がって前記加工
物を覆う。限られた場合において、前記凹部は前記部材の厚さを通して広がり、
DBRミラー加工物は該部材およびエピタキシャル層構造により担持される。
【０００８】 エピタキシャル構造はInAlGaN四元系からの組合せ、例えば、GaNまたはその合
金によって形成される。好ましくは、エピタキシャル構造は窒化インジウムガリ
ウム（InGaN）に基づく多重量子井戸構造を含む。このようなエピタキシャル構
造は、ホモエピタキシャルおよびヘテロエピタキシャルのように種々に称される
。
金によって形成される。好ましくは、エピタキシャル構造は窒化インジウムガリ
ウム（InGaN）に基づく多重量子井戸構造を含む。このようなエピタキシャル構
造は、ホモエピタキシャルおよびヘテロエピタキシャルのように種々に称される
。
【０００９】 好ましくは、多層誘電体加工物における交互の層の一方は二酸化シリコン（Si
O2）であり、他方の交互の層は二酸化チタン（TiO2）である。このSiO2／TiO2の
組合せは非常に高い屈折率比（略1.8）を有し、吸収の低い450 nm近傍での動作
に特に適している。しかし、他の適切な誘電体層を使用してもよく、これにはMg
F2、CaP、Al2O3、ZnS、AlN、SiC、Si3N4およびZrO2（例えば、SiO2／SiC、SiO2
／Si3N4、CaF2／ZnS、Al2O3／TiO2、SiO2／AlN、およびSiO2／ZrO2の組合せ）が
含まれる。約400 nmの波長での動作にはSiO2／ZrO2の組合せが特に適しており、
約1.4の屈折率比を有している。
O2）であり、他方の交互の層は二酸化チタン（TiO2）である。このSiO2／TiO2の
組合せは非常に高い屈折率比（略1.8）を有し、吸収の低い450 nm近傍での動作
に特に適している。しかし、他の適切な誘電体層を使用してもよく、これにはMg
F2、CaP、Al2O3、ZnS、AlN、SiC、Si3N4およびZrO2（例えば、SiO2／SiC、SiO2
／Si3N4、CaF2／ZnS、Al2O3／TiO2、SiO2／AlN、およびSiO2／ZrO2の組合せ）が
含まれる。約400 nmの波長での動作にはSiO2／ZrO2の組合せが特に適しており、
約1.4の屈折率比を有している。
【００１０】 好ましくは、光学利得媒体の上には導電性ドープ層が配置され、またその下に
はDBRミラー上に形成された導電性ドープ層が配置されており、装置を電気的に
起動するために、これらの導電性ドープ層には電極が接続されている。
はDBRミラー上に形成された導電性ドープ層が配置されており、装置を電気的に
起動するために、これらの導電性ドープ層には電極が接続されている。
【００１１】 好ましくは、エピタキシャル構造が固体光学キャビティーとして機能するよう
に、部分的光透過性の更なるミラーが、DBRミラーに合致した位置で、エピタキ
シャル構造上に配置される。
に、部分的光透過性の更なるミラーが、DBRミラーに合致した位置で、エピタキ
シャル構造上に配置される。
【００１２】 光学装置が発光ダイオードである場合、この更なるミラーは、レーザ発振を開
始させないように略50％〜90％の反射率を有する。光学装置がVCSELである場合
、この更なるミラーは、レーザ発振を開始するように略98％を越える高い反射率
を有し、下地層が透過性であれば、夫々の反射率に従って前記DBRミラーまたは
前記更なるミラーの何れかを通してレーザ出力を取り出すことができる。
始させないように略50％〜90％の反射率を有する。光学装置がVCSELである場合
、この更なるミラーは、レーザ発振を開始するように略98％を越える高い反射率
を有し、下地層が透過性であれば、夫々の反射率に従って前記DBRミラーまたは
前記更なるミラーの何れかを通してレーザ出力を取り出すことができる。
【００１３】 前記の更なるミラーは、半導体、金属および／または誘電体のような如何なる
適宜の材料で作製してもよい。本発明の第二の側面に従えば、改善された分布ブ
ラッグ反射体（DBR）ミラーを組込んだソリッドステートの表面発光装置を製造
する方法であって： 下地層を提供する工程と； 前記下地層の上に、高屈折率誘電体および低屈折率誘電体の交互の層からなる
多層コーティングを成長させる工程と； 前記コーティングの一部を選択的に除去して、自立した誘電体加工物のアレイ
を提供し、これにより隣接する加工物の間で前記下地層の一部を露出させる工程
と； 前記下地層の露出させた部分の上に光学利得媒体を組込んだ半導体層構造をエ
ピタキシャル成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記自立した誘電
体加工物の上に横方向に成長すると共に、前記構造の上部が前記光学利得媒体を
組込み且つ前記加工物の上に配置されて、前記自立した加工物の一つがDBRミラ
ーを提供するようにする工程とを具備した方法が提供される。
適宜の材料で作製してもよい。本発明の第二の側面に従えば、改善された分布ブ
ラッグ反射体（DBR）ミラーを組込んだソリッドステートの表面発光装置を製造
する方法であって： 下地層を提供する工程と； 前記下地層の上に、高屈折率誘電体および低屈折率誘電体の交互の層からなる
多層コーティングを成長させる工程と； 前記コーティングの一部を選択的に除去して、自立した誘電体加工物のアレイ
を提供し、これにより隣接する加工物の間で前記下地層の一部を露出させる工程
と； 前記下地層の露出させた部分の上に光学利得媒体を組込んだ半導体層構造をエ
ピタキシャル成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記自立した誘電
体加工物の上に横方向に成長すると共に、前記構造の上部が前記光学利得媒体を
組込み且つ前記加工物の上に配置されて、前記自立した加工物の一つがDBRミラ
ーを提供するようにする工程とを具備した方法が提供される。
【００１４】 本発明のこの側面によって、少数の周期を有するDBRミラーを組込んだ効率的
な表面発光装置（例えばGaN VCSEL）を製造することができる。前記DBRミラーを
覆って配置された光学利得媒体は、前記ミラーが前記下地層から広がる転移の通
り抜けを停止させるので、実質的に欠陥を含んでいない。通り抜ける転移は垂直
方向に広がるので、前記DBR上の光学利得媒体は下地層から広がる如何なる通り
抜け転移からも横方向にオフセットしている。
な表面発光装置（例えばGaN VCSEL）を製造することができる。前記DBRミラーを
覆って配置された光学利得媒体は、前記ミラーが前記下地層から広がる転移の通
り抜けを停止させるので、実質的に欠陥を含んでいない。通り抜ける転移は垂直
方向に広がるので、前記DBR上の光学利得媒体は下地層から広がる如何なる通り
抜け転移からも横方向にオフセットしている。
【００１５】 当該方法は更に、前記光学利得媒体が前記電極により電気的に起動され得る光
学キャビティーとして機能するようにするように、 前記光学利得媒体上に更なるミラーを成長させる工程と； 前記自立した加工物の一つに合致した位置で、前記光学利得媒体の一方の側に
電気的に接続された第一の電極を提供する工程と； 前記光学利得媒体の反対側に電気的に接続された第二の電極を提供する工程と
を具備する。
学キャビティーとして機能するようにするように、 前記光学利得媒体上に更なるミラーを成長させる工程と； 前記自立した加工物の一つに合致した位置で、前記光学利得媒体の一方の側に
電気的に接続された第一の電極を提供する工程と； 前記光学利得媒体の反対側に電気的に接続された第二の電極を提供する工程と
を具備する。
【００１６】 前記加工物は、下地層の結晶学的方位＜1, -1, 0, 0＞に対して平行に伸びる
個々の柱状物またはストリップ（もしくはライン）のアレイ形態であるのが便宜
である。
個々の柱状物またはストリップ（もしくはライン）のアレイ形態であるのが便宜
である。
【００１７】 好ましくは、前記加工物のアレイはパターンエッチングによって与えられる。
或いは、「リフトオフ」技術を使用してもよい。この技術によれば、多層コーテ
ィングの堆積に先立ってフォトレジスト材料のパターンが堆積され、続いて該パ
ターンを化学的に溶解してその上の多層堆積物を除去し、その間に介在する多層
堆積物の領域を残すことにより、柱状またはストリップ状の加工物を残留させる
。
或いは、「リフトオフ」技術を使用してもよい。この技術によれば、多層コーテ
ィングの堆積に先立ってフォトレジスト材料のパターンが堆積され、続いて該パ
ターンを化学的に溶解してその上の多層堆積物を除去し、その間に介在する多層
堆積物の領域を残すことにより、柱状またはストリップ状の加工物を残留させる
。
【００１８】 本発明の第三の側面に従えば、改善された分布ブラッグ反射体（DBR）ミラー
を組込んだソリッドステートの表面発光装置の製造方法が提供される。この方法
は、 下地層を提供する工程と； 前記下地層の表面を選択的にパターンニングして、前記表面に凹部のアレイを
提供する工程と； 前記凹部内に、高屈折率誘電体および低屈折率誘電体の交互の層からなる誘電
体加工物のアレイを提供すると共に、これら隣接する加工物の間で下地層を露出
させる工程と； 前記下地層の露出させた部分の上に光学利得媒体を組込んだ半導体層構造をエ
ピタキシャル成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記自立した誘電
体加工物の上に横方向に成長すると共に、前記構造の上部が前記光学利得媒体を
組込み且つ前記加工物の上に配置されて、前記自立した加工物の一つがDBRミラ
ーを提供するようにする工程とを具備する。
を組込んだソリッドステートの表面発光装置の製造方法が提供される。この方法
は、 下地層を提供する工程と； 前記下地層の表面を選択的にパターンニングして、前記表面に凹部のアレイを
提供する工程と； 前記凹部内に、高屈折率誘電体および低屈折率誘電体の交互の層からなる誘電
体加工物のアレイを提供すると共に、これら隣接する加工物の間で下地層を露出
させる工程と； 前記下地層の露出させた部分の上に光学利得媒体を組込んだ半導体層構造をエ
ピタキシャル成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記自立した誘電
体加工物の上に横方向に成長すると共に、前記構造の上部が前記光学利得媒体を
組込み且つ前記加工物の上に配置されて、前記自立した加工物の一つがDBRミラ
ーを提供するようにする工程とを具備する。
【００１９】 本発明の第四の側面によれば、改善された分布ブラッグ反射体（DBR）ミラー
を組込んだソリッドステートの表面発光装置の製造方法が提供される。この方法
は、 窒化ガリウムの下地層を提供する工程と； レーザ穿孔で前記下地層の表面をパターンニングする工程と； 前記下地層の表面に、光学利得媒体を組込んだ半導体層構造をエピタキシャル
成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記表面の上に横方向に成長す
ると共に、その中の前記孔を覆うようにする工程と； 前記孔の深さ内に多層コーティングを作製し、前記加工物が前記下地層および
前記孔を覆うエピタキシャル層構造の両者によって担持されるようにする工程と
を具備する。
を組込んだソリッドステートの表面発光装置の製造方法が提供される。この方法
は、 窒化ガリウムの下地層を提供する工程と； レーザ穿孔で前記下地層の表面をパターンニングする工程と； 前記下地層の表面に、光学利得媒体を組込んだ半導体層構造をエピタキシャル
成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記表面の上に横方向に成長す
ると共に、その中の前記孔を覆うようにする工程と； 前記孔の深さ内に多層コーティングを作製し、前記加工物が前記下地層および
前記孔を覆うエピタキシャル層構造の両者によって担持されるようにする工程と
を具備する。
【００２０】 前記光学利得媒体を選択することによって、当該光学装置は、略1μm未満の波
長で動作することができる。特に、InGaNに基づく光学利得媒体を選択すること
によって、当該装置は650 nm未満の波長で動作することができ、略400〜450 nm
での最適特性が期待される。
長で動作することができる。特に、InGaNに基づく光学利得媒体を選択すること
によって、当該装置は650 nm未満の波長で動作することができ、略400〜450 nm
での最適特性が期待される。
【００２１】 本発明のこれらの側面および他の側面は、添付の図面を参照することにより、
実施例に関する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
実施例に関する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００２２】 図１ａは、本発明の一実施例による、電気的に注入されたGaNに基づくソリッ
ドステートの表面発光装置10aを示している。この装置10aは短波長発光ダイオー
ド10aである。該ダイオード10aは、基板12の形態の下地層を有しており、該基板
の上には緩衝層13がエピタキシャル成長され、該緩衝層13の一部の上にはDBRミ
ラー14が配置され、また層状構造15がミラー14および緩衝層13の上に配置されて
いて、ミラーが層状構造15に埋設されている。
ドステートの表面発光装置10aを示している。この装置10aは短波長発光ダイオー
ド10aである。該ダイオード10aは、基板12の形態の下地層を有しており、該基板
の上には緩衝層13がエピタキシャル成長され、該緩衝層13の一部の上にはDBRミ
ラー14が配置され、また層状構造15がミラー14および緩衝層13の上に配置されて
いて、ミラーが層状構造15に埋設されている。
【００２３】 層状構造15は、プレパレーション層（第一の導電性層）16、該プレパレーショ
ン層上に配置された光学利得媒体18、および該利得媒体18上に配置された第二の
導電性層20からなっている。プレパレーション層16は、緩衝層13からミラー14の
側面沿って広がり、且つミラー14の頂面に沿って横方向に広がるように、ミラー
14の上および周囲に配置されている。
ン層上に配置された光学利得媒体18、および該利得媒体18上に配置された第二の
導電性層20からなっている。プレパレーション層16は、緩衝層13からミラー14の
側面沿って広がり、且つミラー14の頂面に沿って横方向に広がるように、ミラー
14の上および周囲に配置されている。
【００２４】 また、ダイオード10aは、プレパレーション16を介して光学利得媒体18の一方
の側に電気的に接続された第一の電極22と、第二の導電性層20を介して光学利得
媒体18の反対側に電気的に接続された第二の電極24を有している。
の側に電気的に接続された第一の電極22と、第二の導電性層20を介して光学利得
媒体18の反対側に電気的に接続された第二の電極24を有している。
【００２５】 使用に際しては、第一および第二の電極22，24を介して、光学利得媒体18に順
方向バイアスが印加される。この電圧は光学利得媒体18中に光子を発生させ、矢
印26で示すように、該媒体18の頂面18aを通してこれらの光子を放出させる。
方向バイアスが印加される。この電圧は光学利得媒体18中に光子を発生させ、矢
印26で示すように、該媒体18の頂面18aを通してこれらの光子を放出させる。
【００２６】 図１ｂは、本発明のもう一つの実施例による、電気的に注入されたGaNに基づ
く固体マイクロキャビティー表面発光装置10bを図示している。この実施例にお
いて、当該装置10bは短波長VCSEL装置であるが、同様の構造はマイクロキャビテ
ィーLEDとして使用してもよい。このVCSEL 10bはダイオード10aと同様であり、
その相違点は、VCSEL 10bが、ミラー14に合致した位置に、第二の導電性層20の
頂面に配置された第二のミラー28（第一のミラーよりも僅かに小さい反射性）を
有していることである。マイクロキャビティーLEDは、典型的には、VCSEL装置が
有するよりも低い反射率の頂部ミラーを有している。
く固体マイクロキャビティー表面発光装置10bを図示している。この実施例にお
いて、当該装置10bは短波長VCSEL装置であるが、同様の構造はマイクロキャビテ
ィーLEDとして使用してもよい。このVCSEL 10bはダイオード10aと同様であり、
その相違点は、VCSEL 10bが、ミラー14に合致した位置に、第二の導電性層20の
頂面に配置された第二のミラー28（第一のミラーよりも僅かに小さい反射性）を
有していることである。マイクロキャビティーLEDは、典型的には、VCSEL装置が
有するよりも低い反射率の頂部ミラーを有している。
【００２７】 使用に際しては、第一および第二の電極22，24を介して光学利得媒体18に順方
向バイアスが印加されたときに、この電圧は光学利得媒体18中でレーザ発振を起
こさせ、矢印30で示すように、第二の（頂部）ミラー28を介してVCSEL 10bの表
面からコヒーレントな短波長放射線を放出させる。勿論、ミラー14がミラー28よ
りも僅かに反射率が小さければ、主要な発光は基板12を通して放出されるであろ
う。
向バイアスが印加されたときに、この電圧は光学利得媒体18中でレーザ発振を起
こさせ、矢印30で示すように、第二の（頂部）ミラー28を介してVCSEL 10bの表
面からコヒーレントな短波長放射線を放出させる。勿論、ミラー14がミラー28よ
りも僅かに反射率が小さければ、主要な発光は基板12を通して放出されるであろ
う。
【００２８】 図１ｃは、本発明のもう一つの実施例に従った、GaNに基づく固体マイクロキ
ャビティー表面発光装置10cを示している。この実施例において、装置10cは短波
長光ポンプVCSEL装置10cである。この光ポンプVCSEL 10cはVCSEL 10bと同様であ
り、その相違は、VCSEL 10cが如何なる第二の電極または第二の導電性層をも有
していないことである（即ち、層構造15はプレパレーション層16および利得媒体
18からなる）。VCSEL 10cは、矢印31で示すように、VCSEL 10cの表面に入射する
光線によってポンプされる。
ャビティー表面発光装置10cを示している。この実施例において、装置10cは短波
長光ポンプVCSEL装置10cである。この光ポンプVCSEL 10cはVCSEL 10bと同様であ
り、その相違は、VCSEL 10cが如何なる第二の電極または第二の導電性層をも有
していないことである（即ち、層構造15はプレパレーション層16および利得媒体
18からなる）。VCSEL 10cは、矢印31で示すように、VCSEL 10cの表面に入射する
光線によってポンプされる。
【００２９】 図２ａ〜２ｈは、種々の製造段階におけるVCSEL 10bの構造を示す模式図であ
る。VCSEL 10bは、400〜450 nmの範囲の或る特定波長の短波長光を放出する。
る。VCSEL 10bは、400〜450 nmの範囲の或る特定波長の短波長光を放出する。
【００３０】 図２ａを参照すると、VCSEL 10bは、サファイア基板12上の層としてエピタキ
シャル成長される。略0.5μmの厚さのGaN緩衝層13が、サファイア基板12上に成
長される。次いで、シリカ（SiO2）42および二酸化チタン（TiO2）44の交互層か
らなる誘電体多層コーティング32が、GaN緩衝層13の上に成長される。
シャル成長される。略0.5μmの厚さのGaN緩衝層13が、サファイア基板12上に成
長される。次いで、シリカ（SiO2）42および二酸化チタン（TiO2）44の交互層か
らなる誘電体多層コーティング32が、GaN緩衝層13の上に成長される。
【００３１】 450 nmでのシリカの屈折率は略1.55であり、450 nmでの二酸化チタンの屈折率
は略2.81であるから、略1.8の屈折率比が与えられる。これらの値は、例えば450 nmにおいて1/4波長のDBRミラーを得るために、シリカ層42およびTiO2層44の夫
々の厚さは略72.5 nmおよび40 nmであるべきことを示しており、これらは多層コ
ーティング32における夫々の成長厚さである。
は略2.81であるから、略1.8の屈折率比が与えられる。これらの値は、例えば450 nmにおいて1/4波長のDBRミラーを得るために、シリカ層42およびTiO2層44の夫
々の厚さは略72.5 nmおよび40 nmであるべきことを示しており、これらは多層コ
ーティング32における夫々の成長厚さである。
【００３２】 図３は、厚さ72.5 nmのSiO2層42および40 nmのTiO2層44からなる多層コーティ
ング32について、計算されたピーク反射率 vs. SiO2/TiO2の周期数のグラフを示
している。非常に大きな屈折率比（1.8）のために該ピーク反射率は迅速に増大
し、5周期のSiO2／TiO2だけで99％の反射率が達成される。充分に高い反射率（
略99％超）が達成されることを保証するために、多層コーティング32には6周期
が使用される（明瞭化のために、図２ａ〜図２ｉには3周期だけが示されている
）。
ング32について、計算されたピーク反射率 vs. SiO2/TiO2の周期数のグラフを示
している。非常に大きな屈折率比（1.8）のために該ピーク反射率は迅速に増大
し、5周期のSiO2／TiO2だけで99％の反射率が達成される。充分に高い反射率（
略99％超）が達成されることを保証するために、多層コーティング32には6周期
が使用される（明瞭化のために、図２ａ〜図２ｉには3周期だけが示されている
）。
【００３３】 図４は、図３の6周期の多層コーティングについての、完全反射率 vs. 波長帯
のグラフである。図４は、425 nm〜475 nmのスペクトル範囲に亘って反射率が非
常に高いことを示している。
のグラフである。図４は、425 nm〜475 nmのスペクトル範囲に亘って反射率が非
常に高いことを示している。
【００３４】 図２ｂおよび図２ｃ（図2bの平面図）を参照すると、自立した柱状物50を形成
するために、従来のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術を使用して、6
周期の多層コーティング32がパターンエッチされており、各柱状物50は略50μm
の横方向寸法を有し、また隣接する柱状物50は略10μm（隣接中心の間）だけ離
間している。柱状物のアレイをパターンニングすることにより、隣接する柱状物
間に緩衝層13の一部が露出される。これら柱状物50の何れか一つを、ミラー14と
して使用するために選択すればよい。
するために、従来のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術を使用して、6
周期の多層コーティング32がパターンエッチされており、各柱状物50は略50μm
の横方向寸法を有し、また隣接する柱状物50は略10μm（隣接中心の間）だけ離
間している。柱状物のアレイをパターンニングすることにより、隣接する柱状物
間に緩衝層13の一部が露出される。これら柱状物50の何れか一つを、ミラー14と
して使用するために選択すればよい。
【００３５】 図２ｄを参照すると、次いで、ｎ型にドープされたGaN層 16の形態のプレパレ
ーション層が、柱状物50間の緩衝層13の領域上に成長され、このｎ型ドープ層16
は柱状物50の頂面に達するまでGaN緩衝層１３から上に成長し、次いで柱状物50
の頂部上で縦方向および横方向に成長して、横方向に成長したGaNが合着して連
続的なｎ型ドープGaN層16が形成される。
ーション層が、柱状物50間の緩衝層13の領域上に成長され、このｎ型ドープ層16
は柱状物50の頂面に達するまでGaN緩衝層１３から上に成長し、次いで柱状物50
の頂部上で縦方向および横方向に成長して、横方向に成長したGaNが合着して連
続的なｎ型ドープGaN層16が形成される。
【００３６】 このｎ型にドープされたGaN層16（プレパレーション層）は、パターンエッチ
ングおよび成長技術の結果として、実質的に欠陥を含まない。特に、柱状物の直
ぐ上の領域は、緩衝層13から縦方向に広がる通り抜け転移を含まない。ｎ型にド
ープされた層16は柱状物50を完全に取囲んでおり、該柱状物50をｎ型ドープ層16
の下に埋設させる。
ングおよび成長技術の結果として、実質的に欠陥を含まない。特に、柱状物の直
ぐ上の領域は、緩衝層13から縦方向に広がる通り抜け転移を含まない。ｎ型にド
ープされた層16は柱状物50を完全に取囲んでおり、該柱状物50をｎ型ドープ層16
の下に埋設させる。
【００３７】 図２ｅを参照すると、次いで、光学キャビティー（マイクロキャビティー）18
がｎ型ドープ層16の上に成長される。このマイクロキャビティー18は、InGaN／G
aN／AlGaN活性領域を有しており、その一例が図５に示されている。該キャビテ
ィー18は、ｎ型ドープされたIn0.1Ga0.9N／GaN層52、ｎ型ドープされたAl0.14Ga 0.86 N／GaN調節ドープされた歪み層超格子（MD-SLS）層54、ｎ型ドープされたGa
N層56、In0.02Ga0.98N／In0.15Ga0.85N多重量子井戸層58、ｐ型ドープされたAl0 .2 Ga0.8N／GaN層60、ｐ型ドープされたGaN層62、およびｐ型ドープされたAl0.14 Ga0.86N／GaN MD-SLS層64からなる。
がｎ型ドープ層16の上に成長される。このマイクロキャビティー18は、InGaN／G
aN／AlGaN活性領域を有しており、その一例が図５に示されている。該キャビテ
ィー18は、ｎ型ドープされたIn0.1Ga0.9N／GaN層52、ｎ型ドープされたAl0.14Ga 0.86 N／GaN調節ドープされた歪み層超格子（MD-SLS）層54、ｎ型ドープされたGa
N層56、In0.02Ga0.98N／In0.15Ga0.85N多重量子井戸層58、ｐ型ドープされたAl0 .2 Ga0.8N／GaN層60、ｐ型ドープされたGaN層62、およびｐ型ドープされたAl0.14 Ga0.86N／GaN MD-SLS層64からなる。
【００３８】 図２ｆを参照すると、次いで、ｐ型GaN層20がマイクロキャビティー18の頂面
上に成長される。その後、図２ｇに示すように、柱状物50Aの一つ（DBRミラー14
として機能するように選択された柱状物）から横方向に離間した領域がエッチン
グ除去され、ｎ型ドープされた層16が露出される。チタンおよびアルミニウムか
らなる電極22がｎ型ドープ層16の露出された部分に被着され、その結果、該電極
22は柱状物50A（ミラー14）から横方向に離間される。この電極22はｎ-電極とし
て使用される。
上に成長される。その後、図２ｇに示すように、柱状物50Aの一つ（DBRミラー14
として機能するように選択された柱状物）から横方向に離間した領域がエッチン
グ除去され、ｎ型ドープされた層16が露出される。チタンおよびアルミニウムか
らなる電極22がｎ型ドープ層16の露出された部分に被着され、その結果、該電極
22は柱状物50A（ミラー14）から横方向に離間される。この電極22はｎ-電極とし
て使用される。
【００３９】 図２ｈを参照すると、次に、シリカ層72がｐ型ドープ層20の上に成長される。
次いで、このシリカ層72をパターンニングおよびエッチングして、金およびニッ
ケルでできた第二の電極24を、シリカがエッチングされた領域の導電性層20の上
に蒸着すればよい。この電極24は、ｐ-電極として使用される。該ｐ-電極には、
ミラー14およびキャビティー18に合致した位置に孔が形成されている。
次いで、このシリカ層72をパターンニングおよびエッチングして、金およびニッ
ケルでできた第二の電極24を、シリカがエッチングされた領域の導電性層20の上
に蒸着すればよい。この電極24は、ｐ-電極として使用される。該ｐ-電極には、
ミラー14およびキャビティー18に合致した位置に孔が形成されている。
【００４０】 ｐ-電極24は、ｐ型ドープ層20を介してマイクロキャビティー18の頂面18aに電
気的に接続されており、またｎ-電極22は、ｎ型ドープ層16への接続によってマ
イクロキャビティー18の底面18bに電気的に接続されている。
気的に接続されており、またｎ-電極22は、ｎ型ドープ層16への接続によってマ
イクロキャビティー18の底面18bに電気的に接続されている。
【００４１】 次いで、上記ミラー14およびマイクロキャビティー18の垂直上方の領域におい
て、ｐ型ドープ層20の頂部に第二のミラー28が蒸着される。この第二のミラー28
は、コーティング32と同様の誘電体ミラーコーティングであるが、ミラー28の反
射率がコーティング32の反射率よりも僅かに小さくなるように、５周期のみを有
している。コーティング32とミラー28との間の第二の相違は、ミラー28がパター
ンエッチされていないことである。
て、ｐ型ドープ層20の頂部に第二のミラー28が蒸着される。この第二のミラー28
は、コーティング32と同様の誘電体ミラーコーティングであるが、ミラー28の反
射率がコーティング32の反射率よりも僅かに小さくなるように、５周期のみを有
している。コーティング32とミラー28との間の第二の相違は、ミラー28がパター
ンエッチされていないことである。
【００４２】 図２ｉは、完成したVCSEL 10bを示しているが、明瞭化のために、柱状物50Aだ
けが示されている。使用においては、ｎ-電極22およびｐ-電極24に電圧を印加す
ることにより、キャリアがマイクロキャビティー18に電気的に注入される。ミラ
ー14，28は非常に高い反射率を与えるので、使用に際には、矢印30で示すように
、波長が略450 nmの高強度のコヒーレント光がVCSEL 10bから放出される。
けが示されている。使用においては、ｎ-電極22およびｐ-電極24に電圧を印加す
ることにより、キャリアがマイクロキャビティー18に電気的に注入される。ミラ
ー14，28は非常に高い反射率を与えるので、使用に際には、矢印30で示すように
、波長が略450 nmの高強度のコヒーレント光がVCSEL 10bから放出される。
【００４３】 図６は、図１ｃの光ポンプVCSEL 10cの構造を示す模式図である。VCSEL 10cは
また、400〜450 nmの特定波長の短波長光を放出する。
また、400〜450 nmの特定波長の短波長光を放出する。
【００４４】 VCSEL 10cはVCSEL 10bと類似しているが、VCSEL 10cには電極が存在しない。V
CSEL 10cは、サファイア基板12、GaN緩衝層13、DBRミラー14（パターンエッチさ
れた6周期のSiO2／TiO2誘電体コーティングで形成される）、ｎ型ドープされたG
aN層16、およびマイクロキャビティー18を有しており、これらは全て図２ｉのも
のと同一である。しかし、第二のミラー28はマイクロキャビティー18の頂面に直
接堆積されている（即ち、中間の導電性層は存在しない）。この実施例では、適
切な波長および強度をもったポンプ光線（矢印31で示されているもの）でVCSEL
10cを照射することにより、マイクロキャビティー内でキャリアが発生される。
CSEL 10cは、サファイア基板12、GaN緩衝層13、DBRミラー14（パターンエッチさ
れた6周期のSiO2／TiO2誘電体コーティングで形成される）、ｎ型ドープされたG
aN層16、およびマイクロキャビティー18を有しており、これらは全て図２ｉのも
のと同一である。しかし、第二のミラー28はマイクロキャビティー18の頂面に直
接堆積されている（即ち、中間の導電性層は存在しない）。この実施例では、適
切な波長および強度をもったポンプ光線（矢印31で示されているもの）でVCSEL
10cを照射することにより、マイクロキャビティー内でキャリアが発生される。
【００４５】 GaN発光ダイオードを製造する場合、LEDの動作には頂部ミラー28は必要とされ
ないので、図２ｉの構造は該ミラー28なしで製造すればよい。或いは、幾らかの
光線は反射によりキャビティー18内に戻されるが、該キャビティー内でのレーザ
発振を生じるには十分でないように、高度に反射性でない（部分的にのみ反射性
の）頂部ミラーを使用してもよい。GaNによるLEDは、例えば略450 nmを中心とす
る短波長の光を放出する。GaNによるLEDは、DBRミラー機能を提供するために２
以上（例えば100のアレイ）の柱状物50を使用してもよい。
ないので、図２ｉの構造は該ミラー28なしで製造すればよい。或いは、幾らかの
光線は反射によりキャビティー18内に戻されるが、該キャビティー内でのレーザ
発振を生じるには十分でないように、高度に反射性でない（部分的にのみ反射性
の）頂部ミラーを使用してもよい。GaNによるLEDは、例えば略450 nmを中心とす
る短波長の光を放出する。GaNによるLEDは、DBRミラー機能を提供するために２
以上（例えば100のアレイ）の柱状物50を使用してもよい。
【００４６】 上記の実施例に対して種々の変形を加えてもよい。例えば、ｐ-電極およびｎ-
電極は、上記で述べたものとは異なる材料を使用して製造してもよい。他の実施
例においては、柱状物は図２ｃに示した六角柱ではなく、ストリップ（ライン）
であってもよい。その場合、ストリップ長さの一部のみを使用してミラーが形成
され、また便宜には、電極22は（層16の実質的に欠陥を含まない領域に位置する
ように）同じストリップの異なった部分に蒸着される。サファイア以外の基板、
例えば炭化シリコンを用いてもよい。表面発光装置のアレイを一つの基板上に作
製し得ることも理解されるであろう。更に、当該製造方法においては、先ず下地
層をパターンニングして該表面に凹部のアレイを形成し、その後に誘電体加工物
をこれら凹部内に堆積すると共に隣接する加工物の間の下地層を露出させ、この
露出した部分にエピタキシャル構造を成長させてもよい。或いは、凹部のパター
ンニングは（円形または細長い）レーザ穿孔の形態を取ってもよく、次いで穿孔
された下地層上にエピタキシャル構造（好ましくは高品質の窒化ガリウム（GaN
））を成長させ、その後に、該孔の中にブラッグミラー加工物を形成して、該加
工物が、下地層および穿孔を覆うエピタキシャル重層構造の両者によって担持さ
れるようにしてもよい。
電極は、上記で述べたものとは異なる材料を使用して製造してもよい。他の実施
例においては、柱状物は図２ｃに示した六角柱ではなく、ストリップ（ライン）
であってもよい。その場合、ストリップ長さの一部のみを使用してミラーが形成
され、また便宜には、電極22は（層16の実質的に欠陥を含まない領域に位置する
ように）同じストリップの異なった部分に蒸着される。サファイア以外の基板、
例えば炭化シリコンを用いてもよい。表面発光装置のアレイを一つの基板上に作
製し得ることも理解されるであろう。更に、当該製造方法においては、先ず下地
層をパターンニングして該表面に凹部のアレイを形成し、その後に誘電体加工物
をこれら凹部内に堆積すると共に隣接する加工物の間の下地層を露出させ、この
露出した部分にエピタキシャル構造を成長させてもよい。或いは、凹部のパター
ンニングは（円形または細長い）レーザ穿孔の形態を取ってもよく、次いで穿孔
された下地層上にエピタキシャル構造（好ましくは高品質の窒化ガリウム（GaN
））を成長させ、その後に、該孔の中にブラッグミラー加工物を形成して、該加
工物が、下地層および穿孔を覆うエピタキシャル重層構造の両者によって担持さ
れるようにしてもよい。
【図１ａ】 図１ａは、本発明の実施例に従う三つの短波長表面発光装置のうちの一つを図
示している。
示している。
【図１ｂ】 図１ｂは、本発明の実施例に従う三つの短波長表面発光装置のうちの一つを図
示している。
示している。
【図１ｃ】 図１ｃは、本発明の実施例に従う三つの短波長表面発光装置のうちの一つを図
示している。
示している。
【図２ａ】 図２ａは、種々の製造段階の後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図２ｂ】 図２ｂは、種々の製造段階の後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図２ｃ】 図２ｃは、種々の製造段階の後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図２ｄ】 図２ｄは、種々の製造段階の後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図２ｅ】 図２ｅは、種々の製造段階の後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図２ｆ】 図２ｆは、種々の製造段階の後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図２ｇ】 図２ｇは、種々の製造段階の後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図２ｈ】 図２ｈは、種々の製造段階の後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図２ｉ】 図２ｉは、製造工程が完了した後における図１ｂの光学装置の模式図である。
【図３】 図３は、図１ａ〜図１ｃの装置に使用されるDBRミラーについての、計算され
たピーク反射率 vs.周期数のグラフである。
たピーク反射率 vs.周期数のグラフである。
【図４】 図４は、図１ａ〜図１ｃの装置に使用されるDBRミラーについての、反射率 vs
.周期数のグラフである。
.周期数のグラフである。
【図５】 図５は、図１ａ〜図１ｃの一部を示す模式図である。
【図６】 図６は、図１ｃの装置の模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーティン ロバート ウィリアム イギリス グラスゴー ジー66 ５ディー エヌ カーキンティロック オーキンロッ ク ラングミュアーヘッド ロード 100 Ｆターム(参考） 5F041 CA05 CA34 CA40 CA46 CA74 CB15 5F073 AA65 AA74 AB17 CA07 CB05 CB07
Claims (10)
- 【請求項１】 下地層に担持された高反射率の分布ブラッグ反射体（DBR）
ミラーを覆う光学利得媒体を有するソリッドステートの表面発光装置であって： 前記ミラーは多層誘電体加工物であり、該多層誘電体加工物は該加工物におけ
る隣接層との間の屈折率比が高い誘電体材料の交互の層を有し、また前記光学利
得媒体は、前記下地層から伸びて前記加工物を覆うエピタキシャル層構造の一部
である装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の装置であって、前記高屈折率比は1.3より
も大きい装置。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の装置であって、前記下地層は、周
期律表第三族の窒化物である緩衝層を備えた基板からなる装置。 - 【請求項４】 請求項１〜３の何れか１項に記載の装置であって、前記エピ
タキシャル構造は、InAlGaN四元系からの組合せにより形成される装置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の装置であって、前記前記エピタキシャル構
造は、窒化インジウムガリウム（InGaN）に基づく多重量子井戸構造を含む装置
。 - 【請求項６】 請求項１〜５の何れか１項に記載の装置であって、前記エピ
タキシャル構造が固体光学キャビティーとして機能するように、部分的に光透過
性の更なるミラーが、DBRミラーに合致した位置で前記エピタキシャル構造上に
配置される装置。 - 【請求項７】 改善された分布ブラッグ反射体（DBR）ミラーを組込んだソ
リッドステートの表面発光装置を製造する方法であって： 下地層を提供する工程と； 前記下地層の上に、高屈折率誘電体および低屈折率誘電体の交互の層からなる
多層コーティングを成長させる工程と； 前記コーティングの一部を選択的に除去して、自立した誘電体加工物のアレイ
を提供し、これにより隣接する加工物の間で前記下地層の一部を露出させる工程
と； 前記下地層の露出させた部分の上に、光学利得媒体を組込んだ半導体層構造を
エピタキシャル成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記自立した誘
電体加工物の上に横方向に成長すると共に、前記構造の上部が前記光学利得媒体
を組込み且つ前記加工物の上に配置されて、前記自立した加工物の一つがDBRミ
ラーを提供するようにする工程とを具備した方法。 - 【請求項８】 請求項７に記載の方法であって：前記光学利得媒体が前記電
極により電気的に起動され得る光学キャビティーとして機能するように、 前記光学利得媒体上に更なるミラーを成長させる工程と； 前記自立した加工物の一つに合致した位置で、前記光学利得媒体の一方の側に
電気的に接続された第一の電極を提供する工程と； 前記光学利得媒体の反対側に電気的に接続された第二の電極を提供する工程と
を具備する方法。 - 【請求項９】 改善された分布ブラッグ反射体（DBR）ミラーを組込んだソ
リッドステートの表面発光装置の製造方法であって： 下地層を提供する工程と； 前記下地層の表面を選択的にパターンニングして、前記表面に凹部のアレイを
提供する工程と； 前記凹部内に、高屈折率誘電体および低屈折率誘電体の交互の層からなる誘電
体加工物のアレイを提供すると共に、これら隣接する加工物の間で下地層を露出
させる工程と； 前記下地層の露出させた部分の上に光学利得媒体を組込んだ半導体層構造をエ
ピタキシャル成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記自立した誘電
体加工物の上に横方向に成長すると共に、前記構造の上部が前記光学利得媒体を
組込み且つ前記加工物の上に配置されて、前記自立した加工物の一つがDBRミラ
ーを提供するようにする工程とを具備する方法。 - 【請求項１０】 改善された分布ブラッグ反射体（DBR）ミラーを組込んだ
ソリッドステートの表面発光装置の製造方法であって： 窒化ガリウムの下地層を提供する工程と； レーザ穿孔で前記下地層の表面をパターンニングする工程と； 前記下地層の表面に、光学利得媒体を組込んだ半導体層構造をエピタキシャル
成長させて、前記構造の下部が上方に成長し且つ前記表面の上に横方向に成長す
ると共に、その中の前記孔を覆うようにする工程と； 前記孔の深さ内に多層コーティングを作製し、前記加工物が前記下地層および
前記孔を覆うエピタキシャル層構造の両者によって担持されるようにする工程と
を具備する。
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