JP2003204117A - 湿気に対してパッシベートされた垂直空洞面発光レーザ - Google Patents
湿気に対してパッシベートされた垂直空洞面発光レーザInfo
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Abstract
前記上部ミラー14と前記底部ミラー16との間に配置
され、活性発光領域20を含む空洞領域12とを含み、
上部ミラー14と底部ミラー16との少なくとも一方
が、酸化剤にさらされた結果として電気絶縁体内まで酸
化された周辺領域28を備えた層を有している、ほぼ平
面の上部表面を備えた垂直スタック構造を含む、垂直空
洞面発光レーザ10であって、前記ほぼ平面の上部表面
から酸化された周辺領域28までそれぞれ延びる2つ以
上のエッチング加工された穴26が、前記垂直スタック
構造を形成し、エッチング加工された穴26のそれぞれ
が、かぶせられた湿気浸透防護壁40によって湿気に対
してパッシベートされている垂直空洞面発光レーザ10
を提供する。
Description
ックス・ガイド式(planar index-guided)の酸化物垂
直空洞面発光レーザ(oxide vertical cavity surface
emitting laser:以下、「VCSEL」とよぶ)及びその
製造方法に関する。
または、エピタキシャル成長半導体材料から形成するこ
とでき、1対の反射率の高いミラー・スタック間に挟ま
れている光学的に活性の半導体層(例えば、AlInG
aAsまたはInGaAsP等)から形成されたレーザ
・デバイスである。一般に、ミラー・スタック間の光学
的に活性の半導体層に形成された、共振空洞内で生じる
コヒーレント光の一部をレーザ・デバイスから放出する
ことができるように、ミラー・スタックの一方は、反射
率がもう一方より低くなっている。一般に、VCSEL
は、共振空洞の上部表面または底部表面からビームの発
散度が比較的に小さいレーザ光を放出する。一重項の1
次元アレイまたは2次元アレイをなすようにVCSEL
を構成したり、ウェーハ上でVCSELをテストした
り、光ファイバ・ケーブルに結合可能な光トランシーバ
・モジュールへと簡単に組み込んだりすることができ
る。
uided VCSEL)またはインデックス・ガイド式VCSE
L(index-guided VCSEL)としてVCSELを特徴づける
ことができる。インプラントVCSEL(implant VCSE
L)は、最も広く市販されている利得ガイド型VCSE
Lである。インプラントVCSELは、電流の閉じ込め
と寄生減少とに対する1以上の抵抗の大きいインプラン
ト領域を含む。一方、酸化物VCSELは、最も一般的
な側方インデックス・ガイド式VCSEL(laterally i
ndex-guided VCSEL)である。酸化物VCSELは、電流
閉じ込めと光閉じ込めとの両方に対する酸化物層(ある
いはインプラント領域)を含む。
えば、650nmと850nmと980nmと1300
nmと1550nm等の)さまざまな異なる波長におけ
る単一モード動作用及びマルチモード動作用に首尾よく
開発された。しかし、VCSELテクノロジの市場にお
ける成功は、高性能で高信頼性を特徴とするVCSEL
構造の開発に大部分が依存するであろう。
の技法が提案されている。例えば、リッジVCSEL及
びインプラントVCSELを物理的損傷及び化学的損傷
に対してパッシベートする(passivate:保護あるいは
不動態化する)ための方式について、例えば、特許文献
1に記載されている。この方式によれば、発光開口領域
及びその周囲の上部金属電極を含むVCSEL構造全体
が、絶縁材料層によって被覆される。絶縁材料の光学的
な厚さは、VCSELが放出するように設計された光の
二分の一波長の整数倍である。物理的損傷及び化学的損
傷からVCSELデバイスを保護するために、パッシベ
ート層により、VCSELデバイス構造全体が被覆され
る。
ればインデックス・ガイド式閉じ込め領域の形成に用い
られるエッチング穴へと浸入する湿気により生じうる損
傷に対するこれらのデバイス固有の影響されやすさに対
処した、プレーナ・インデックス・ガイド式VCSEL
をパッシベートする仕方(システム及び方法)を特徴と
する。
の上部表面を持つ垂直スタック構造を含むVCSELを
特徴とする。垂直スタック構造は、上部ミラーと、底部
ミラーと、上部ミラーと底部ミラーとの間に配置された
空洞領域とを含み、活性発光領域を含む。上部ミラーと
底部ミラーとの少なくとも一方は、酸化剤にさらされた
結果、電気絶縁体内まで酸化されている周辺領域を備え
た層を有する。ほぼ平面の上部表面から酸化した周辺領
域までそれぞれ延びる2つ以上のエッチング加工された
穴が、垂直スタック構造により形成されている。かぶせ
られた湿気浸透防護壁(overlying moisture penetrati
on barrier)によって、エッチング加工された穴のそれ
ぞれが湿気に対してパッシベートされている。
を含みうる。
された穴に対する湿気の垂直方向の浸入をほぼ阻止する
ように選択されている。実施態様においては、約300
nm以上の厚さを有する窒化珪素層を湿気浸透防護壁が
含んでいる。
十分な側部表面積を有する、かぶせられる湿気浸透防護
壁によって、エッチング加工された穴のそれぞれが湿気
に対してパッシベートされる。
って、複数のエッチング加工された穴を湿気に対してパ
ッシベートすることができる。
上に配置され、かぶせられる湿気浸透防護壁材料がほと
んどない発光領域を囲む上部電極をVCSELは含みう
る。実施態様においては、湿気浸透防護壁が、垂直スタ
ック構造の上部表面における上部電極と発光領域以外の
大部分とを覆っているものもある。
気浸透界面で垂直スタック構造の上部表面と交差する周
辺エッジを含む。垂直スタック構造の上部表面におい
て、かなりの部分がエッチング加工された穴に対して側
方の湿気の浸入をほぼ阻止するのに十分な距離だけ湿気
浸透界面から離隔されたそれぞれの周辺エッジによっ
て、エッチング加工されたそれぞれの穴を囲むことがで
きる。例えば、実施態様において、エッチング加工され
た穴の周辺エッジのそれぞれのかなりの部分を、湿気浸
透界面から約15μm以上離隔することができる。
SELの2つ以上からなるアレイを特徴とする。
SELの製造方法を特徴とする。
求項を含む下記の説明から明らかになるであろう。
番号は、同様の構成要素を識別するために用いられる。
さらに、図面は、典型的な実施態様の主たる特徴の概要
を例示することを意図したものである。これらの図面
は、実際の実施態様の全ての特徴を描くことを意図した
ものでもなければ、描かれた実施態様の相対的な寸法を
示すものでもなく、一定の縮小率で描かれているもので
もない。
つの実施態様において、プレーナ・インデックス・ガイ
ド式VCSEL10は、第1のミラー・スタック(mirr
or stack)14と基板18の上に形成された第2のミラ
ー・スタック16との間に挟まれた空洞領域(cavity re
gion)12を含む。空洞領域12は、1対のスペーサ層
22と層24との間に挟まれた(例えば、量子井戸また
は1つ以上の量子ドット等の)1つ以上の活性層20を
含む。他の実施態様では、単一スペーサ層の上または下
に活性層20を配置することができる。図示のように、
この実施態様の場合には、VCSEL10が、第一のミ
ラー・スタック14の酸化されるいくつかのそれぞれの
側部領域を露出させる、いくつかの穴26を含むプレー
ナ構造を備えている。第1のミラー・スタック14の少
なくとも一部分28は、露出した側部領域から中心に位
置する開口領域30に向かって内側に酸化される。この
実施態様の場合には、第1の電気接点32の中心から等
しい距離の位置に4つの穴26があいている。穴26
は、第1のミラー・スタック14の上部表面から、少な
くとも酸化部分28に対応する1つの層(または複数の
層)まで下方に延びている。VCSEL構造が熱い水蒸
気にさらされると、熱い水蒸気が穴26に浸入して穴2
6から遠ざかる半径方向に部分28を酸化させる。酸化
プロセスは、それぞれの穴26からの酸化最前部33が
合わせられて、非酸化開口領域30を形成するまで続行
される。他のVCSEL実施態様は、より多いあるいは
より少ない露出穴26、または、分割された円弧や環の
ような他の形状を備えた露出領域のものを含みうる。
に配置される第2の電気接点34と共に、適合する駆動
回路によるVCSEL10の駆動を可能にする。動作時
において、電気接点32と34との両端に動作電圧が印
加されると、VCSEL10に電流が生じる。一般に、
電流は、VCSEL構造の中心領域を流れ、レイジング
(lasing)が空洞領域12(以下、「活性領域」とよ
ぶ)の中心部分に生じる。第1のミラー・スタック14
の酸化部分28は、キャリヤ及び光子を側方に閉じ込め
る酸化物閉じ込め領域を形成する。キャリヤの閉じ込め
は、閉じ込め領域の比較的に高い電気抵抗率によって生
じ、この結果、電流は、VCSEL10の中心に位置す
る領域を優先的に流れることになる。光の閉じ込めは、
空洞領域12内に発生する光子を導く側方の屈折率プロ
ファイルを生成する閉じ込め領域の屈折率が大幅に低下
することによって結果として生じる。キャリヤ及び光の
側方閉じ込めによって、活性領域内におけるキャリヤ及
び光子の密度が増し、結果として活性領域内における発
光効率が高くなる。
ち、AlInGaAsと、GaAsと、AlGaAs
と、InGaAs)、InGaAsP(すなわち、In
GaAsPと、GaAsと、InGaAsと、GaAs
Pと、GaP)、GaAsSb(すなわち、GaAsS
bと、GaAsと、GaSb)、InGaAsN(すな
わち、InGaAsNと、GaAsと、InGaAs
と、GaAsNと、GaN)、または、AlInGaA
sP(すなわち、AlInGaAsPと、AlInGa
Asと、AlGaAsと、InGaAsと、InGaA
sPと、GaAsと、InGaAsと、GaAsPと、
GaP)から形成することができる。他の量子井戸層の
組成を利用することもできる。第1のスペーサ層22と
第2のスペーサ層24とは、活性層の材料組成に基づい
て選択された材料から形成することができる。所望の動
作レーザ波長(例えば、650nm〜1650nmの範
囲内の波長)に合わせて設計された、分布型ブラッグ・
リフレクタ(distributed Bragg reflector:以下、「D
BR」とよぶ)を形成する屈折率の異なる材料による交
互層のシステムを、第1のミラー・スタック14と第2
のミラー・スタック16とはそれぞれ含んでいる。例え
ば、第1のミラー・スタック14と第2のミラー・スタ
ック16とは、アルミニウムの含有量が多いAlGaA
sとアルミニウムの含有量が少ないAlGaAsとの交
互層から形成することができる。第1のミラー・スタッ
ク14と第2のミラー・スタック16との層は、動作レ
ーザ波長の約四分の一波長の有効な光学的厚さ(つま
り、層の厚さに層の屈折率をかけた値)を備えることが
望ましい。基板18は、GaAs、InP、サファイア
(Al 2O3)、または、InGaAsから形成すること
ができ、アンドープ品、(例えば、Si等の)n型ドー
プ品、または、(例えば、Zn等の)p型ドープ品とす
ることができる。VCSEL10の形成前に、基板18
上に緩衝層36を成長させることができる。図1の例証
となる表示において、第1のミラー・スタック14と第
2のミラー・スタック16とは、レーザ光がVCSEL
10の上部表面から放出されるように設計されている。
他の実施態様の場合には、ミラー・スタック14及び1
6は、レーザ光が基板18の底部表面から放出されるよ
うに設計されている。
(MOCVD)や分子線エピタキシ(MBE)等の従来
のエピタキシャル成長プロセスによって形成することが
できる。
CSEL10は、エッチング加工された穴26のそれぞ
れにかぶせられて、パッシベートされる湿気浸透防護壁
40を含む。湿気浸透防護壁40は、別の方法であれば
エッチング穴26に浸入する湿気によって生じうる損傷
に対するこれらのデバイスに固有の影響されやすさに対
処する。特に、パッシベート及び気密封止が施されてい
ないプレーナ・インデックス・ガイド式VCSELは、
湿潤環境において壊滅的な故障を被る割合が高くなるこ
とが観測されている。高湿度条件下において、このよう
なVCSELデバイスの寿命は、ほぼ数百時間程度に制
限される場合があるが、これは、標準的な高温での過酷
なエージング条件下における同様のVCSELデバイス
について観測される105時間の寿命に比べてかなり短
い。例証となる実施態様の場合には、湿気浸透防護壁4
0は、4つで1組の矩形パッチをなすようにパターン化
された薄膜層に相当する。各パッチは、それぞれのエッ
チング加工された穴26の上に延びて、エッチング加工
された穴26に浸入する湿気を減少させ、それによっ
て、VCSEL10に対する湿気に関連した損傷を大幅
に遅らせるか、または有効に阻止する。湿気浸透防護壁
40は、(例えば、窒化珪素等の)窒化物材料と、(例
えば、酸化窒化珪素等の)酸化窒化物材料と、(例え
ば、二酸化珪素等の)酸化物材料とを含む、VCSEL
10の製作に用いられるプロセス・テクノロジに適合す
る任意の電気絶縁材料及び耐湿性材料から形成すること
ができる。
に、湿気浸透防護壁40は、エッチング加工された穴2
6への湿気の垂直方向における浸入42をほぼ阻止する
のに十分な厚さ(t)を備えることが望ましい。図5の
概念的なグラフに示すように、高湿度環境におけるVC
SELの故障率は、パッシベート層の厚さが第1のしき
い値(T1)に達した後に、パッシベート層の厚さに応
じて劇的に低下することが観測されている。しかし、第
2のしきい値(T2)を超えると、故障率の低下はあま
り顕著ではなくなる。実施態様の1つでは、湿気浸透防
護壁40が、従来の低応力窒化珪素堆積プロセスに従っ
て堆積させた窒化珪素によって形成されている。この実
施態様では、第1のしきい値の厚さ(T1)が約300
nmであり、第2のしきい値の厚さ(T2)が約500
nmである。他の実施態様では、しきい値の厚さT1及
び厚さT2の実際の値は、湿気浸透防護壁の材料特性を
含むいくつかの要素に依存するであろう。
透防護壁40は、エッチング加工された穴26に対する
側方への湿気の浸透をほぼ阻止するのに十分な距離(d
1、d2)だけエッチング加工された穴26のエッジを越
えて延びるのが望ましい。エッチング加工された穴から
第1のミラー・スタック14の上部表面と湿気浸透防護
壁40の周辺エッジとの交差部に形成された湿気浸透界
面46まで延びる経路に沿った漏れにより、側方湿気浸
透が結果として生じうる。窒化珪素の湿気浸透防護壁を
備えた実施態様の場合には、湿気浸透防護壁の周辺エッ
ジと第1のミラー・スタック14の上部表面におけるエ
ッチング加工された穴の周辺エッジとの離隔距離
(d1、d2)は約15μm以上である。もちろん、湿気
浸透防護壁の周辺エッジとエッチング加工された穴の周
辺エッジとの離隔距離は、第1のミラー・スタック14
の上部表面における他のデバイス構造によって決まる1
つ以上の方向において制限される場合がある。例えば、
実施態様によっては、発光領域にかぶせられる湿気浸透
防護壁材料がほとんどないこともあり、その場合には、
この離隔距離は、エッチング加工された穴と発光領域と
の間の離隔距離を超えることはできない。
っては、側方湿気浸透が、第1のミラー・スタック14
の上部表面からの湿気浸透防護壁40の剥離によって主
として生じる場合がある。図6の概念的なグラフに示す
ように、湿気浸透防護壁40が第1のミラー・スタック
14の上部表面から剥離する確率と相関関係にある、湿
気浸透防護壁40の全薄膜応力は、表面積に応じて急激
に低減する。従って、エッチング加工された穴26への
湿気の側方浸入を減少させるには、湿気浸透防護壁の剥
離をほぼ回避するレベルまで、単位面積当たりの薄膜応
力を低減するのに十分な側方表面積をそれぞれ有するパ
ッチへと湿気浸透防護壁40をパターン化するのが望ま
しい。図7に示すように、いくつかの実施態様において
は、エッチング加工された穴26のそれぞれを含む、第
1のミラー・スタック14の上部表面のかなりの部分を
覆う単一の連続する薄膜材料として湿気浸透防護壁40
を形成することができる。これらの実施態様では、湿気
浸透防護壁40は、湿気浸透防護壁40の剥離をほぼ回
避するのに十分な面積を有しており、従って、エッチン
グ加工された穴26への側方の湿気浸入は大幅に減少す
る。一般に、湿気浸透防護壁40は、第1のミラー・ス
タック14の上部表面の上に、求めに応じられる限り延
ばすことができる。図7の実施態様の場合には、電極3
2から湿気浸透防護壁40上に配置されたボンディング
・パッド54及び56まで、湿気浸透防護壁40の上に
金属ライン50及び52を延ばすことができる。
が500nmの窒化珪素による湿気浸透防護壁40を備
えたVCSELデバイスの寿命は、湿潤環境におけるパ
ッシベートが施されていないデバイスの寿命よりも10
倍長くなることが示されている。
内に含まれる。例えば、上記実施態様の説明は、AlG
aAsミラー・スタック・システムに関連して記載され
ているが、他の半導体合金組成または誘電体層を利用し
て、DBRミラー構造を形成することもできる。
られた湿気浸透防護壁によって湿気に対してパッシベー
トされるプレーナVCSELの略平面図である。Bは、
図1Aの線1B−1Bに沿って描かれた図1Aのプレー
ナVCSELの略側断面図である。
ナVCSELの略側断面図である。
によって、4つのエッチング加工された穴が湿気に対し
てパッシベートされるプレーナVCSELの略平面図で
ある。
部表面領域の略側断面図である。
VCSEL故障率のグラフである。
たパッシベート層の全薄膜応力のグラフである。
エッチング加工された穴が湿気に対してパッシベートさ
れるプレーナVCSELの略平面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 上部ミラーと、 底部ミラーと、 該上部ミラーと該底部ミラーとの間に配置され、活性発
光領域を含む空洞領域とを含んで、前記上部ミラーと前
記底部ミラーとの少なくとも一方が、酸化剤にさらされ
た結果、電気絶縁体内まで酸化された周辺領域を備えた
層を有しており、ほぼ平面の上部表面を備えた垂直スタ
ック構造を含む垂直空洞面発光レーザであって、 前記ほぼ平面の上部表面から前記酸化した周辺領域まで
それぞれ延びる2つ以上のエッチング加工された穴を前
記垂直スタック構造が有し、かぶせられた湿気浸透防護
壁によって該エッチング加工された穴のそれぞれが湿気
に対してパッシベートされている垂直空洞面発光レー
ザ。 - 【請求項2】 上部ミラーと、 底部ミラーと、 該上部ミラーと該底部ミラーとの間に配置され、活性発
光領域を含む空洞領域とを含んで、前記上部ミラーと前
記底部ミラーとの少なくとも一方が、酸化剤にさらされ
た結果、電気絶縁体内まで酸化された周辺領域を備えた
層を有しており、ほぼ平面の上部表面を備えた垂直スタ
ック構造を形成するステップを含む垂直空洞面発光レー
ザの製造方法であって、 前記ほぼ平面の上部表面から前記酸化された周辺領域ま
でそれぞれ延びる2つ以上のエッチング加工された穴を
有する前記垂直スタック構造を形成するステップと、 かぶせられる湿気浸透防護壁によって、前記エッチング
加工された穴のそれぞれをパッシベートするステップと
を含んでなる方法。 - 【請求項3】 前記湿気浸透防護壁が、前記エッチング
加工された穴への垂直方向の湿気の浸入をほぼ阻止する
ように選択された厚さを有している請求項1に記載の垂
直空洞面発光レーザ。 - 【請求項4】 前記湿気浸透防護壁が、厚さが約300
nm以上の窒化珪素層を含む請求項2に記載の方法。 - 【請求項5】 前記湿気浸透防護壁が、厚さが約500
nm以上の窒化珪素層を含む請求項3に記載の垂直空洞
面発光レーザ。 - 【請求項6】 前記湿気浸透防護壁の剥離をほぼ阻止す
るのに十分な側部表面積を備えるかぶせられた前記湿気
浸透防護壁によって、前記エッチング加工された穴のそ
れぞれが湿気に対してパッシベートされている請求項1
に記載の垂直空洞面発光レーザ。 - 【請求項7】 複数のエッチング加工された穴が、湿気
浸透防護壁材料の単一の連続薄膜によって、湿気に対し
てパッシベートされている請求項1に記載の垂直空洞面
発光レーザ。 - 【請求項8】 前記垂直スタック構造の前記ほぼ平面の
上部表面の上に配置され、前記かぶせられる湿気浸透防
護壁材料がほとんどない発光領域を囲む上部電極をさら
に含む請求項1に記載の垂直空洞面発光レーザ。 - 【請求項9】 前記湿気浸透防護壁が、前記垂直スタッ
ク構造の上部表面における前記上部電極と、前記発光領
域以外の大部分とにかぶせられている請求項7に記載の
垂直空洞面発光レーザ。 - 【請求項10】 前記湿気浸透防護壁が、湿気浸透界面
において前記垂直スタック構造の上部表面と交差する周
辺エッジを含むことと、前記垂直スタック構造の上部表
面において、前記エッチング加工された穴のそれぞれ
が、そのかなりの部分が前記エッチング加工された穴に
対する側方湿気浸入をほぼ阻止するのに十分な距離だけ
前記湿気浸透界面から離隔された、それぞれの周辺エッ
ジによって囲まれている請求項1に記載の垂直空洞面発
光レーザ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10/013,108 US6680964B2 (en) | 2001-12-07 | 2001-12-07 | Moisture passivated planar index-guided VCSEL |
US10/013108 | 2001-12-07 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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