JP2003508928A - 結合空洞アンチガイデッド垂直共振器表面発光レーザ（ｖｃｓｅｌ） - Google Patents

結合空洞アンチガイデッド垂直共振器表面発光レーザ（ｖｃｓｅｌ）

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JP2003508928A
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ジョンソン，ラルフ・ハーバート
クラーク，アンドリュー
ガンター，ジェイムズ
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ハネウェル・インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】 レーザ構造（１０、６０）および垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を製造する方法。レーザ構造（１０、６０）は、第１のミラー・スタック（１４）、第１のミラー・スタック（１４）上に配設された活性領域（１８）、および活性領域（１８）上に配設された第２のミラー・スタック（２２）を含む。第２のミラー・スタック（２２）は、その中に移相領域（２４）を備える複数の交番ミラー層対（ａ、ｂ）を含む。移相領域（２４）は、光開口（２５）の外側に配置され、少なくとも１つのミラー層対によって活性領域（１８）から離れ、移相領域（２４）の光学的厚さが１／４λの倍数であり、移相領域（２４）が酸化されて、開口内部と比べて開口の外側の第２のミラー・スタック（２２）の反射率が減少する。移相領域（２４）は、活性領域（１８）の上に配置された結合空洞（２５、６８）を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は、一般に半導体レーザに関し、より詳細には、単一横モード垂直共振
器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を製造するためのレーザ構造および方法に関す
る。
【０００２】 （発明の背景） 半導体ダイオード・レーザを製造するための様々な方式が当技術分野で知られ
ている。従来のエッジ発光ダイオード・レーザは、のこ引き（ｓａｗｉｎｇ）ま
たはクリービング（ｃｌｅａｖｉｎｇ）によって多くのレーザ・ダイス（ｌａｓ
ｅｒ ｄｉｃｅ）（またはチップ）がそれから製造されるウェーハの表面に平行
な光共振器（ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ）を備える。レーザ放射は、エッジ
発光レーザ中のダイの側から抽出される。対照的に、表面発光レーザは、ダイの
上端または下端から、半導体基板平面に対して垂直に放射する。垂直共振器表面
発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、光共振器をその間に形成し、格納するウェーハ表
面に平行に配設されたミラーを有する表面発光レーザである。最近、エッジ発光
レーザと比べてサイズが小さく、性能が高く、製造が容易であるために、ＶＣＳ
ＥＬに対する関心が高まってきている。ＶＣＳＥＬは、多重モード動作に対して
、具体的には現代の高速で短波長の通信システムで使用することに対して有用で
あることがわかっている。
【０００３】 ＶＣＳＥＬは、通常、第１のミラー・スタックおよび第２のミラー・スタック
がその上に配設され、それらの間に量子井戸活性領域を備える基板を有する。Ｖ
ＣＳＥＬではパスあたりの利得がエッジ発光レーザよりもずっと低く、より良好
なミラー反射率が必要である。このため、ＶＣＳＥＬ中のミラー・スタックは、
一般に、反射率９９．７％以上を有することのできる、複数の分散ブラッグ反射
器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（ＤＢＲ）ミ
ラーを備える。電気的接触は第２のミラー・スタック上に配置され、別の接触が
基板と接触する反対側の端に提供される。電流が２つの接触の間を流れるように
誘導されるとき、レージング（ｌａｓｉｎｇ）が活性領域から誘導され、ＶＣＳ
ＥＬの上面または底面のどちらかを介して放出される。
【０００４】 ＶＣＳＥＬは、多重横モードと単一横モードに大別することができ、各カテゴ
リは異なる状況で有利となる。単一モードＶＣＳＥＬを製造する際の目標は、他
の性能特性を損なうことなく、すべての動作条件にわたって単一モード挙動を仮
定することである。一般に、単一横モードＶＣＳＥＬの活性領域は、小さい横方
向の寸法を必要とし、直列抵抗およびビーム拡散角を増加する傾向がある。さら
に、ある動作条件で単一モードである装置は、別の動作条件では多重モードとな
る可能性があり、ＶＣＳＥＬの放射のスペクトル幅およびビーム拡散を劇的に増
大させる効果をもたらす可能性がある。
【０００５】 良好なモード制御と、高性能な特性を有するＶＣＳＥＬを製造することは挑戦
となる。最低次モード（単一モード）で効率的に動作するＶＣＳＥＬを製造する
ことは難しい。大部分の従来技術のＶＣＳＥＬは、高次横モードでレーザを発す
る傾向にあるが、センサなど一部の応用例に対しては、単一横モード・レージン
グが好ましい。
【０００６】 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．６の１９９１年６月号の、Ｊｅｗｅｌｌ他の「Ｖｅｒｔ
ｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ：
Ｄｅｓｉｇｎ，Ｇｒｏｗｔｈ，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉ
ｚａｔｉｏｎ」と題する論文は、ＶＣＳＥＬの設計上の問題、分子線エピタキシ
アル（ＭＢＥ）成長、製造方法、およびレージング特性を一般に論じている。
【０００７】 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ
ｏｌ．１０，Ｎｏ．８の１９９８年８月号の、Ｏｈ他の「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄ
ｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ Ａｎｔｉｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａ
ｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｕｓｉｎ
ｇ ａ Ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇｒｏｗｎ ＡｌＧａＡｓ Ｄｉｅ
ｌｅｃｔｒｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ」と題する論文は、高抵抗ＡｌＧａＡｓ誘電
体開口の低温度成長の使用を論じている。開口周囲にわたってスムースな境界を
得るために、還元再成長温度が必要とされている。
【０００８】 Ｇｕｅｎｔｅｒ他の、１９９９年５月１１日発行の米国特許第５９０３５８８
号、「Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｈａｎｇｅｄ
Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ Ｌａｙｅｒ」は、酸化剤の存在下で酸化
を受ける材料の２つの電流閉じ込め層を有するレーザ構造を開示している。非酸
化層部分は、レーザの活性領域の事前選択部分を通過することによって１つの電
気的接触パッド（ｃｏｎｔａｃｔ ｐａｄ）から直接電流を送るために、電流を
酸化し、電気抵抗のあるポートによって囲まれる。
【０００９】 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ
Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．２の１９９５年
６月号の、Ｗｅ他の「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ，Ｐａｓｓｉｖｅ Ａｎｔｉｇｕ
ｉｄｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ
Ｌａｓｅｒ」と題する論文は、高電流で単一安定モードを達成するための、活
性領域を囲む受動アンチガイド領域の使用を論じている。この設計は、メサ構造
が形成され、次いで単結晶特性を維持しながら、材料をその側の周りに再成長さ
せなければならないので不利である。
【００１０】 ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．１０の１９９７年１０月号の、Ｇｒａｂｈｅｒｒ他の
「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｏｘｉｄｅ−Ｃｏｎｆｉｎｅ
ｄ ＧａＡｓ ＶＣＳＥＬｓ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ８５０−ｎｍ
Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｒｅｇｉｍｅ」と題する論文は、単一モード酸化物閉
じ込めＶＣＳＥＬを開示している。酸化電流開口は、ＶＣＳＥＬの活性領域に隣
接して配置される。
【００１１】 ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．
８３，Ｎｏ．７の１９９８年４月１日の発行物、Ｈｕａｎｇの「Ｅｆｆｅｃｔ
ｏｆ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ａｔ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ
Ｏｘｉｄｅ Ｌａｙｅｒ ｏｎ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒ
ｏｌ ｉｎ Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ
Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ」では、一様な導波路、お
よび酸化物層の余分な反射率として誘電体開口をモデル化することによって横モ
ード制御を実証している。Ｈｕａｎｇｕは、光共振器にすぐ隣接する３／４波長
層を有するＤＢＲ第１の層を置換し、３／４波層内部に酸化物層を挿入し、低屈
折率ステップおよび低しきい値電流を得ることを示している。
【００１２】 通常、ＶＣＳＥＬを製造するためには、低直列抵抗および高電力出力を達成す
るために比較的大きな電流開口サイズが必要である。大きな電流開口に伴う問題
は、高次のレージング・モードが導入され、その結果、もしあったとしても、し
きい値のすぐ上の単一モード・レージングだけが発生することである。より確実
に単一モード挙動を得るために、より小さな電流開口を有するＶＣＳＥＬを製造
することは、いくつかの問題を引き起こす。すなわち、直列抵抗およびビーム拡
散各が大きくなり、達成可能な出力が小さくなることである。従来技術のアンチ
ガイド構造は、これらの欠点のいくつかを防止するが、製造の困難、特にエピタ
キシアル成長、パターニング・ステップ、および後続の追加のエピタキシでの中
断を必要とする困難がある。他の大きな単一モードＶＣＳＥＬは、製造するため
に、複数ステップのＭＢＥまたはＭＢＥ／ＭＯＣＶＤの組み合わせを必要とし、
アライメントおよび歩留まりの問題を生み出す。
【００１３】 改良型のモード制御を備え、製造が容易であり、可能な限り大きな開口を有し
、直列抵抗およびビーム拡散を最小にするＶＣＳＥＬが当技術分野で求められて
いる。
【００１４】 （発明の概要） 本発明は、単一モード動作用に設計されたＶＣＳＥＬとしての技術的利点を達
成し、それによって結合空洞（ｃｏｕｐｌｅｄ ｃａｖｉｔｙ）を生成する移相
領域が、１つのミラー・スタック（ｍｉｒｒｏｒ ｓｔａｃｋ）内に配設される
。この結合空洞は活性領域から見たときに反射率を減少させる。この移相領域は
、名目上、光開口の外側に配置される。得られる反射率は、基本モードと比べて
より高次のモードに対する損失を増加させる。より高次のモードは、より大きな
空間範囲を有するからである。ＶＣＳＥＬの光電場のノードに移相領域を心合わ
せすることにより、基本モードと比べてより高次のモードに対する損失が最大と
なる。損失が高まることに加えて、本発明はアンチガイドも生成する。
【００１５】 第１の実施形態によれば、波長ラムダのレーザを発するように適合されたレー
ザ構造が開示される。このレーザ構造は、第１のミラー・スタック、第１のミラ
ー・スタック上に配設された活性領域、および活性領域上に配設された第２のミ
ラー・スタックを含む。第２のミラー・スタックは、活性領域の量子井戸層の外
側の、その中に配設された電流開口の周りに移相領域を有する共振層を備える複
数のミラー層対を含む。移相領域は、光開口の外側に配置された結合空洞を生成
し、活性領域の上の少なくとも１つのミラー期間に配置される。移相領域の光学
的厚さは、電流開口内部の平行光路長から、１／４λの奇数倍だけ異なることが
好ましい。動作波長では、光開口外側の第２のミラー・スタックの反射率が、本
発明によって減少する。
【００１６】 第１のミラー・スタック、第１のミラー・スタック上に配設された活性領域、
および活性領域上に配設された第２のミラー・スタックを含む、活性領域波長ラ
ムダのレーザを発するように適合されたレーザ構造も開示される。第２のミラー
・スタックは複数の半導体層を含み、名目上光開口の外側の、その中に配設され
た移相領域を備える共振層を有する。移相領域は、活性層近くであるが、光開口
の外側に垂直に配置される結合空洞を生成する。複数の半導体層のうちの少なく
とも１つは、移相領域と活性領域との間に配設され、移相領域は、活性領域近く
に隣接する半導体層よりも低い屈折率を有する。移相領域の厚さは１／４ラムダ
の関数であり、隣接する半導体層の屈折率と、移相領域の屈折率との差の関数で
ある。
【００１７】 波長ラムダのレーザを発するように適合された垂直共振器表面発光レーザ（Ｖ
ＣＳＥＬ）も開示される。ＶＣＳＥＬは、第１の半導体ミラー・スタック、第１
の半導体ミラー・スタック上に配設された活性領域、および活性領域上に配設さ
れた第２の半導体ミラー・スタックを有する。第２の半導体ミラー・スタックは
、その中の電流開口の周りに配設された移相領域を備える、複数の半導体ミラー
層対を有する。位相ずれは、活性領域の近くであるが、間隔を置いて配置された
結合空洞を生成する。移相領域は、第２のミラー・スタックの反射率が減少する
ように、名目上、光開口の外側に配置され、公式 ｄ＝（１＋２ｊ）＊λ／（ｎsemi−ｎoxide）＊４ によって定義される厚さを有する。上式で、ｄは移相領域の厚さであり、ｊは
整数であり、ｎsemiは、移相領域に水平方向に隣接する半導体層のレージング波
長λでの屈折率であり、ｎoxideは、移相領域のレージング波長λでの屈折率で
ある。
【００１８】 さらに、垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を製造するための方法が開
示される。この方法は、第１の半導体ミラー・スタックを提供するステップと、
第１の半導体ミラー・スタック上に活性領域を形成するステップと、活性領域の
上に第２の半導体ミラー・スタックの第１の部分を形成するステップとを含む。
第２の半導体ミラー・スタックの第１の部分は、少なくとも１つのミラー層対を
有する。第２の半導体ミラー・スタックの第１の部分の上の電流開口の周りに配
設される移相領域と、結合空洞を形成する移相領域の上および下の移相領域およ
びミラー領域とを形成するステップも含まれ、その後に第２の半導体ミラー・ス
タックの第２の部分が移相領域の上に形成される。
【００１９】 本発明の利点には、結合領域中の第２の半導体ミラー・スタックの反射率を減
少させ、それによって、より高次のモードに対する損失を引き起こし、レーザの
単一モード性能を高めることが含まれる。本発明の移相領域は、単一ステップＭ
ＯＣＶＤを使用して酸化物層を形成することによって作成することができ、酸化
ステップと組み合わせて、製造性を改善し、歩留まりを向上させることができる
。
【００２０】 本発明の上記の特徴は、以下の説明を添付の図面と共に考慮することによって
明確に理解されよう。 異なる図での対応する番号および符号は、特に示さない場合、対応する部分を
指す。
【００２１】 （好ましい実施形態の説明） 単一モードＶＣＳＥＬを製造する従来技術の方法は、光共振器に隣接するＶＣ
ＳＥＬ構造内のアルミニウムを含む１つまたは複数の層を酸化して電流が通過で
きる開口を囲む絶縁領域を作成する処理を含む。絶縁領域は、初期の単一モード
の性能を改善または低減する可能性がある光共振器の周囲に配置されミラーの反
射力を変化させる。酸化物が薄く光電場のノードに位置する場合、光学的効果は
ほとんどない。酸化物を用いて電流開口の直径を減らすことで、より大きいサイ
ズの高次モードに優先してより小さいサイズの基本モードを選択することができ
る。これは電流開口内の光ゲインが高次モードよりもより小さい基本モードに重
なるからである。サイズが増大するにつれて選択感度が消滅し、高次モードがよ
り優勢になる。この方法を用いて、サイズが小さいためにビーム角がより大きく
抵抗が大きい、直径がわずか数ミクロンの単一モード・デバイスが製作されてい
る。より悪いケースとして、電流開口外の反射力を増加させる酸化物の厚さを使
用することで、実際に開口外のレージングを促進し、基本モードに優先して高次
モードが選択される。
【００２２】 本発明はパフォーマンスが改善され製造が容易になった単一モードＶＣＳＥＬ
を提供する。まず図１を参照すると、本発明の第１の実施形態によるＶＣＳＥＬ
の断面図が示されている。好ましくはガリウム砒素を含むが他の適した材料を含
むこともできる基板１２が提供され、基板１２上に第１の半導体ミラー・スタッ
ク１４が配置されている。基板１２は例えば１０18／ｃｍ3でドーピングされた
ｎ型基板を含むことができる。底部または第１の半導体ミラー・スタック１４は
ＤＢＲミラーの分野で知られているように低屈折率と高屈折率が交互する材料の
一対のミラー材料を含み、例えば、ｎ型ドーピングが可能である。第１のスペー
サ層１６が第１の半導体ミラー・スタック１４上部に配置され、その上に能動領
域１８が配置されている。能動領域１８は２つの７０Å井戸の間に挟まれたＡｌ 0.25 Ｇａ0.75などのクラッド材料の中規模の１００Å井戸であってもよいガリウ
ム砒素井戸を含む。好ましは能動領域１８はλ／２ｎactiveより小さい厚さ（た
だしλは所望の動作レージング光波長に等しく、２ｎactiveは能動領域１８内の
屈折率）を有する。第２のスペーサ層２０が能動領域１８の上部に配置されてい
る。第１のスペーサ層１６と第２のスペーサ層２０は両方共例えばＡｌ0.6Ｇａ0 .4 などの材料を含むことができる。
【００２３】 第２のまたは最上部のＤＢＲ半導体ミラー・スタック２２の第１の部分２１が
第２のスペーサ層２０の上部に配置されている。第１の部分２１は少なくとも１
対のミラーを含み、いくつかのミラー層を含んでいてもよい。厚さがλ（１＋２
ｊ）４ｎsemi（ｊは整数、ｎsemiは層２７の屈折率）でよい共振層２７は第２の
半導体ミラー・スタック２２の第１の部分２１の上部に配置されている。層２７
は能動領域１８付近に位置するがそこからは離れている光開口２５を有する中央
領域を含んでいる。図１に示す実施形態では、光開口２５も電流開口と同じ直径
と面積である。移相領域２４は開口２５の周囲に画定され、層２７の一部を形成
する。移相領域２４の材料は隣接する材料よりも屈折率が低く、機械的な厚さを
ほとんど変更することなく、材料２４によって形成される部分層の付近の層２７
の光学的厚さを約ｍλ／４（ｍは奇数の整数）で低減する。領域２４によって画
定される開口２５と領域３５の間の光学的厚さの差によってこれらの領域にまた
がる耐電界波パターン内の位相差が引き起こされる。したがって、領域２４を移
相領域と呼ぶ。第２の半導体ミラー・スタック２２の第２の部分２３は共振層２
７の上部に配置され、ガリウム砒素の薄いキャップ２６を第２のミラー・スタッ
ク２２の上部に配置することができる。第２の半導体ミラー・スタック２２は当
技術分野で知られているように低屈折率と高屈折率が交互する材料のミラーの複
数対を含み、例えば、ｐ型ドーピングが可能である。
【００２４】 ＶＣＳＥＬ１０からのレーザ放射３６は薄いキャップ２６に結合された最上部
の電極２８と基板１２に結合された底部の電極３０間に印加された電圧によって
発生する。図示されているように、この電圧によって電流３４がＶＣＳＥＬ１０
のさまざまな層を流れて基板１２に達する。誘電体電流拘束開口２５（領域２４
内にあってもよく構造内の他の場所にあってもよい）は電流が領域３２内で流れ
るように拘束し、そこでレーザ放射が生成されＶＣＳＥＬ１０の最上面から外に
向けられる。開口２５は好ましくは環状であるが、楕円形、正方形、矩形、星形
または他のいすれかの形でもよい。
【００２５】 本発明は第２の半導体ミラー・スタック２２内に配置された移相領域２４が移
相領域２４内の第２のミラー・スタック２２の反射力を大幅に低減し、高次モー
ドでの高い損失を引き起こし、より効率的な単一モード放射を生成するという技
術的な利点を引き出す。第２の半導体ミラー・スタック２２内の移相領域２４の
厚さと位置がこの効果を制御する。移相領域２４の厚さｄは好ましくは次式で定
義される。
【００２６】 ｄ＝λ＊（１＋２ｊ）／４＊（ｎsemi−ｎoxide） 上式で、ｄは移相領域の厚さ、ｊは整数、ｎsemiは移相領域に隣接する半導体
層の屈折率、ｎoxideは移相領域の屈折率である。ｎoxideはｎsemi／２にほぼ等
しい場合が多いので、上式を次式に簡略化することができる。
【００２７】 ｄ＝λ＊（１＋２ｊ）／２ｎsemi 移相領域２４は好ましくは１／４λの光学的厚さを有し、より好ましくなくは
、３／４λの光学的厚さを有する。移相領域２４の最適な位置は半導体内の光電
場のゼロ位に集中する。これについては本明細書で後述する 好ましくは、層２７は単一ステップＭＯＣＶＤ処理を用いて処理され形成され
る。この層の形成は処理チャンバからＶＣＳＥＬ１０を除去することなく達成さ
れ、その結果、そのような除去とチャンバ内への再挿入とから発生する問題を最
小限にできる。その後、移相領域２４が単一の酸化処理で形成される。移相領域
２４は好ましくはＡｌＧａ酸化物などの酸化物で酸化処理で砒素を除去したもの
であるが、第２のミラー・スタック２２の低い方の屈折率の層の屈折率より低い
屈折率を有するいずれかの材料でかまわない。ただし、移相領域２４が適当な位
置にあり、領域２５と３５の間で１／４λの位相ずれが可能なように厚さが調整
されれば、第２のミラー・スタック２２の低い方の屈折率の層の屈折率より高い
屈折率を備えた材料を使用することもできる。
【００２８】 図２ａは、各々が「ａ」および「ｂ」の層を含むミラーの対のいくつかの層か
らなる図１の第２の半導体ミラー・スタック２２の詳細図である。好ましくは、
層２７は図示のように第１の部分２１の少なくとも１対のミラー層「ａ」および
「ｂ」、場合によっては数対ミラー層の上部に位置する。より好ましくは、層２
７は第１の部分から３ミラー周期の上部に位置する。各層「ａ」は１／４λのＡ
ｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ、層「ｂ」は１／４λのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓでよく、例えば
厚さが約６００Åある。第２の半導体ミラー・スタック内の能動領域１８から離
れた所望の距離に移相領域２４を形成するには、低屈折率の層の一方の「ａ」は
好ましくは他方の「ａ」および「ｂ」層の厚さであるエピタキシャル成長の１／
４波長ではなく３／４波長である。この３／４λ層はレージング波長の反射力に
有意な影響を与えない。その後、３／４λ層２７の周辺部が約１／２λの光学的
な厚さに酸化されて移相領域２４を形成する。この処理で、酸化された材料の反
射率は約２分の１に低下する。その結果、元の３／４λ層の周辺部の光学的厚さ
は層２７の移相領域２４付近で１／２λ（領域２４内の１／４λの酸化されてい
ない材料と１／４λに酸化された１／２λの半導体）に低減される。上記の化学
量論では、移相領域２４は本発明に従って１／４λに酸化された１／２λのＡｌ 0.97 Ｇａ0.03Ａｓを含むことができる。本発明によって、移相領域２４の中央部
と縁部での反射力の明確な違いが達成される。
【００２９】 層２７の材料は電流伝導光開口２５内の光学的厚さは３／４λのままである。
層２７内に埋め込まれた層２４の正確な厚さは酸化前には半導体の正確に１／２
λ酸化後には１／４λでなくてもよい。逆に、酸化領域および非酸化領域の間の
１／４波長のずれが生まれるように材料特性に基いて層２４の厚さを調整するこ
とができる。
【００３０】 さらに、位相ずれはλ／４でなくてもよい。別の実施形態では、位相ずれはλ
／８〜３λ／８の範囲で、本発明の光学的な利点を引き出す。例えば、酸化され
た層は、４５度の位相ずれを生むλ／８のような、３／４λ層内で異なる厚さで
あってもよい。好ましくは位相ずれを（λ／８〜３λ／８）＋λｊ／２（ｊは整
数）として、本発明の反射力低減の利点を最適化できる。本発明では９０度の位
相ずれが得られるが、６０度などのその他の位相ずれも有利であり、本発明で達
成可能である。
【００３１】 図１を再度参照すると、上部および下部ミラーの間に配置された層１６、１８
、および２０は第１のファブリ−ペロー共振器２９を含む。１／２λの光学的厚
さを有する移相領域２４付近の層２７の部分と、隣接する３／４λの光開口２５
が共振器２９の上部のミラー周期またはミラー層の対の間に配置され、したがっ
て、層２７は、第１のファブリ−ペロー共振器と上部および下部ミラーは同じで
あるが光開口２５の内部と外部でミラーの光学的厚さが異なる第２のファブリ−
ペロー共振器を含む。上記のように光学的厚さを選択すると、ファブリ−ペロー
共振器２９に結合されたファブリ−ペロー共振器２７の内部は周辺部、すなわち
、光開口２５の外部とは対照的に極めて大きい反射力を生む。これに反して、移
相領域２４を備えた層２７の周辺部のファブリ−ペロー共振器は共振器２９と結
合して２５の中央部よりはるかに小さい反射力を生成する。結合された２つの異
なる共振器の組による極めて大きい反射力の対照は結合共振器アンチガイディン
グＶＣＳＥＬ（ｃｏｕｐｌｅｄ−ｃａｖｉｔｙ ａｎｔｉｇｕｉｄｉｎｇ ＶＣ
ＳＥＬ）としてのその結果生まれた装置の説明に続く。
【００３２】 図２ｂに、あたかも単一層のように光学的に扱われる本発明の共振層２７の展
開図を示す。共振層２７は３つの層を含むことができ、中間層が移相領域２４お
よび開口２５を含む。底部層３１および上部層３３は、例えばＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａ
ｓを含むことができ、移相領域２４は、Ａｌ0.97Ｇａ0.03Ａｓを含むことができ
る。底部層３１かまたは上部層３３は、両方ではないが、光学的であり、厚さゼ
ロとすることができる。好ましくは、底部層３１は厚さゼロである。また、共振
層２７は（図２ａからの）「ａ」層が通常位置する場所に配置されるが、共振層
２７は規則的な「ａ」層よりも大きい物理的厚さを有する。
【００３３】 図３に、ＶＣＳＥＬ１０の様々な層（ｘ軸）を介して上面に入射する光から発
生する本発明の電界強度（ｙ軸）を分析する光学シミュレータからのグラフを示
す。電界４１および４２はピークおよび谷を有し、開口２５中を進行する光の電
界４２は開口外を進行する光の電界４０よりも大きい強度を有する。グラフの領
域４８によって示される、開口の内部光４２に対する本発明の位相領域２４を通
過した後の、開口４０外の光の、グラフの領域４４において移相が示されている
。この移相は、より高いモードの損失の増大を引き起こし、反射率を低減する。
領域４８は、開口中を進行する、内部光４２の経路中の３／４λ光学厚さと比較
した、移相領域２４中を通過した後の開口の外部光４０の経路中の１／２λ光学
厚さを示す。
【００３４】 第２の半導体ミラー・スタック２２内の移相領域２４の最適配置は、領域４４
の中心に示される、電界中のゼロに中心が置かれる。移相領域２４を第２の半導
体ミラー・スタック２２内に配置すると光学妨害が起こり、移相領域を電界中の
ゼロに配置すると妨害は最小限に抑えられ、まだ所望の反射率が生じる。移相領
域２４の最適位置は好ましくは、領域５０内に示される、量子井戸に比較的近接
するが、そこから離間する。例えば、移相領域２４は好ましくは、活性領域１８
内の量子井戸５０から離れた１〜５のミラー対（図２からの「ａ」または「ｂ」
）である。図３に図式的に示されるシミュレーションでは、光は、ＶＣＳＥＬ１
０の上部（グラフの層番号１００）から入り、したがって移相はＶＣＳＥＬ１０
の下部層に認められる。しかしながら、同様に、シミュレーションがウエハの底
部（グラフの層番号２００）を介した輝く光を含む場合、移相はＶＣＳＥＬ１０
の上部層に認められる。本発明の移相領域２４は、単一モード・レーザを生成す
るために、特定のＶＣＳＥＬ１０設計に必要とされる、上部または底部半導体ミ
ラー・スタック内、または両方に配置することができる。
【００３５】 図４に、本発明の第２の実施形態の断面図を示す。ＶＣＳＥＬ６０は、機能的
および構造的に第１の実施形態のＶＣＳＥＬ１０と同様であり、同じ参照番号同
じ要素を示し、移相領域２４のエッジに沿って中心を置かれ、電流開口６８に向
かって内部に延びている横方向に延びる環状突出部６２が追加されている。突出
部６２は電流開口６８を狭くすることによって電流３４閉じ込めを強化する。電
流開口６８は、開口内の突出部６２のために光学開口２５よりも小さい。環状突
出部６２は電界ゼロに位置することができ、より厚い層のみの最適配置よりも光
学妨害を一層低減する。共振層２７は、底部層がゼロ厚さを有する状態で示され
ている。
【００３６】 また、２つの層を含む上部電極２８の好ましい構成が図４に示されている。底
部層６６は好ましくは、約５００Åのチタン、より好ましくは最低２００Åのチ
タンからなり、上部層６４は約８０００Åの金からなる。ＶＣＳＥＬ６０は、移
相領域２４において第１の実施形態に記載のように機能し、移相領域２４に下の
層の反射率を低減する。
【００３７】 図５では、本発明の第２の半導体ミラー・スタック２２中の２つの領域２５お
よび３５の反射率を比較する。７０に示される線は、開口２５または６８内に見
られるような、移相領域２４なしの従来技術のＶＣＳＥＬの量子井戸３２から見
た上部ミラー・スタック２２の反射率を示す。７２に示される線は、開口外の、
移相領域２４をもつ量子井戸３２から見た上部半導体ミラー・スタック２２の反
射率を示す。移相領域２４は、波長λ＝８４６ｎｍにおける本発明のミラー・ス
タック２２の反射率の低減を示すディップ７４を生成する。
【００３８】 本発明の利点には、移相領域内の第２のミラー・スタックの反射率を低減する
とともに、高次モードに対して損失を引き起こすことが含まれる。その結果、単
一モードで動作可能な高性能ＶＣＳＥＬが得られる。移相領域２４を上部ミラー
・スタック２２中に上述の位置および厚さにおいて配置すると、上部ミラー・ス
タック２２の反射率が低減され、レーザ放出３６から高次モードが出る。本発明
の移相領域２４は、酸化物層を形成し、単一のステップＭＯＣＶＤを使用するこ
とによって生成し、製造可能性の容易さおよび収量改善を得ることができる。本
発明の移相領域２４は１／４λ公称ミラー層よりも大きい厚い層を配置し、従来
技術において必要とされる複雑な再成長技法を回避する必要がある。本発明によ
れば、従来技術において使用されるものとは異なる構造を使用して、優れた単一
モード動作が達成され、他の点では他の構造と光学的に見分けがつかない。高め
られた損失の他に、本発明はまたアンチガイドを生成する。
【００３９】 以上、本発明について特定の好ましい実施形態に関して説明したが、当業者な
ら本出願を読めば多数の変更および修正が明らかになろう。本発明の結合空洞共
振器は、ＶＣＳＥＬにおいて使用するのに特に適しているが、他の半導体レーザ
における使用も企図される。本発明は、本明細書では、移相領域２４がミラー・
スタック２２内に配置された状態で示されている。しかしながら、共振層は、底
部ミラー・スタック１４内に配置するか、または１つの共振層を上部ミラー・ス
タック２２と底部ミラー・スタック１４の両方に配置することができる。同様に
、移相領域２４は上部発光または底部発光ＶＣＳＥＬとともに使用することがで
きる。さらに、好ましい実施形態は、光学空洞２９から離れた１つまたは複数の
ミラー期間となるように移相領域を変位させるが、所望の結合空洞挙動を生じる
のに十分な反射率差が得られるように材料屈折率差に依拠して、移相領域を空洞
２９内に配置することが可能である。本発明は主として単一モードＶＣＳＥＬに
焦点を当てているが、本発明は多モードＶＣＳＥＬのスペクトル特性を改善する
ためにも使用することができる。さらに、１つの移相領域が示されているが、い
くつかの用途では複数の移相領域を複数の層中に配置することができることが想
起される。全移相は個別の移相領域の合計となる。本発明は、エミッタの移相ア
レイを生成するために互いに移相される複数の横方向に変位されるが緊密に結合
される活動要素とともに、実際的なアンチガイド構造として移相アレイにおいて
使用するのに有益であろうことが予想される。したがって、首記の特許請求の範
囲は、そのような変更および修正を含むように従来技術を考慮してできる限り広
く解釈すべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態である、電流閉込めを供給し、第２のミラー・スタッ
クから結合空洞を生成する移相領域を備える共振層を有するＶＣＳＥＬの断面図
である。
【図２】 ａは、統合移相領域を備える共振層を有する第２のミラー・スタックの詳細な
断面図である。ｂは、第２のミラー・スタックの共振層内の移相領域の詳細な断
面図である。
【図３】 レーザの上面に向けられた光源から得られる、本発明のＶＣＳＥＬの光開口の
内側と外側の両方の光電場の光シミュレーションの結果である。
【図４】 移相領域が光開口中に向かって内側に延びる突出部を有し、より小さい電流開
口および閉じ込め電流を生成する、本発明の第２の実施形態の断面図である。
【図５】 酸化境界内部の非酸化ミラーの反射率と比較した、内部酸化境界の外側に移相
領域を有する第２の半導体ミラー・スタックの反射率のグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ガンター，ジェイムズ アメリカ合衆国テキサス州75044，ガーラ ンド，コラル・リッジ・ドライブ 214 Ｆターム(参考） 5F073 AA65 AA74 AB17 EA18

Claims (34)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 波長ラムダ（λ）のレーザを発するように適合されたレーザ
    構造であって、 第１のミラー・スタックと、 前記第１のミラー・スタック上に配設された活性領域と、 前記活性領域上に配設された第２のミラー・スタックであって、複数のミラー
    層対を備え、その中に配設された共振層を有し、前記共振層が移相領域および電
    流開口を含み、前記移相領域が、少なくとも１つの前記ミラー層対によって前記
    活性領域から離れて配置され、名目上、前記電流開口の外側に配置され、前記開
    口の外側の前記第２のミラー・スタックの反射率が減少する第２のミラー・スタ
    ックとを備えるレーザ構造。
  2. 【請求項２】 前記移相領域が、電流開口内部よりも光学的に１／４ラムダ
    だけ光学的に薄い請求項１に記載のレーザ構造。
  3. 【請求項３】 前記移相領域の光学的厚さが、前記開口内部の平行光路長か
    ら、１／４λの奇数倍だけ異なり、前記移相領域が酸化物部分を有する請求項１
    に記載のレーザ構造。
  4. 【請求項４】 前記移相領域厚さが、名目上、等式 ｄ＝λ（１＋２ｊ）／４（ｎsemi−ｎoxide） によって定義され、上式で、ｄが前記移相領域の厚さであり、ｊが整数であり
    、ｎsemiが前記移相領域に横方向に隣接する半導体層の屈折率であり、ｎoxide
    が前記移相領域の屈折率である請求項１に記載のレーザ構造。
  5. 【請求項５】 前記移相領域が、前記レーザ構造の電流開口より下の光電場
    のノードの前記第２のミラー・スタック内に、垂直に配設される請求項４に記載
    のレーザ構造。
  6. 【請求項６】 前記電流開口が、等しい幅を有する光開口でもある請求項３
    に記載のレーザ構造。
  7. 【請求項７】 前記酸化物部分の部分が、内側に延びる領域中で減少し、光
    開口よりも小さい電流開口を生成する請求項６に記載のレーザ構造。
  8. 【請求項８】 前記移相領域によって生成される位相ずれが、ｊを整数とし
    て（λ／８〜３λ／８）＋λｊ／２の範囲にある請求項１に記載のレーザ構造。
  9. 【請求項９】 波長ラムダのレーザを発するように適合されたレーザ構造で
    あって、 第１のミラー・スタックと、 前記第１のミラー・スタック上に配設された活性領域と、 前記活性領域上に配置された第２のミラー・スタックであって、複数の半導体
    層を備え、その中に配設された共振層を有し、前記共振層が、電流開口の周りに
    配設された移相領域を含み、少なくとも１つの前記複数の半導体層が前記移相領
    域に隣接し、前記移相領域が、前記隣接する半導体層よりも低い屈折率を有し、
    前記移相領域の厚さが、前記ラムダの１／４、ならびに前記隣接する半導体層の
    屈折率と前記移相領域の屈折率との差の関数であり、前記移相領域が、前記活性
    領域近くの前記第２のミラー中に配置される共振結合空洞を生成し、前記共振結
    合空洞が、前記第２のミラー・スタックの反射率を減少させる第２のミラー・ス
    タック。
  10. 【請求項１０】 前記移相領域が、電流開口内部よりも光学的に１／４ラム
    ダだけ光学的に薄い請求項１に記載のレーザ構造。
  11. 【請求項１１】 前記複数の半導体層が、ミラー対の組を備え、前記移相領
    域が、ミラー対の少なくとも１つの組によって前記活性領域から離れて配置され
    る請求項９に記載のレーザ構造。
  12. 【請求項１２】 前記移相領域が、ミラー対の２つの組によって前記活性領
    域から離れて配置される請求項１１に記載のレーザ構造。
  13. 【請求項１３】 前記レーザ構造が、前記第２のミラー・スタック内にノー
    ドを有する光電場を生成するように適合され、前記移相領域が、前記ノードのう
    ちの１つに垂直に配置される請求項９に記載のレーザ構造。
  14. 【請求項１４】 前記移相領域が酸化物部分を有する請求項９に記載のレー
    ザ構造。
  15. 【請求項１５】 前記酸化物部分の部分が、前記結合空洞に向かって内側に
    延びる領域中で減少し、光開口よりも小さい電流開口を生成する請求項１４に記
    載のレーザ構造。
  16. 【請求項１６】 前記第１のミラー・スタック内に第２の共振層をさらに備
    え、前記第２の共振層が、第２の電流開口の周りに第２の移相領域を含み、前記
    第２の電流開口の外側の前記第１のミラー・スタックで反射率が減少する請求項
    ９に記載のレーザ構造。
  17. 【請求項１７】 前記第２のミラー・スタック内に第２の共振層をさらに備
    え、前記第２の共振層が、第２の電流開口の周りに第２の移相領域を含む請求項
    ９に記載のレーザ構造。
  18. 【請求項１８】 波長ラムダのレーザを発するように適合された垂直共振器
    表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、 第１の半導体ミラー・スタックと、 前記第１の半導体ミラー・スタック上に配設された活性領域と、 前記活性領域上に配設された第２の半導体ミラー・スタックであって、複数の
    半導体ミラー層対を有し、その中の電流開口の周りに配設された移相領域を有し
    、前記移相領域が、前記活性領域近くに結合空洞を生成し、前記移相領域が、前
    記第２のミラー・スタックの反射率が減少するように配置され、前記移相領域厚
    さが、等式 ｄ＝（１＋２ｊ）＊λ／（ｎsemi−ｎoxide）＊４ によって定義され、上式で、ｄが前記移相領域の厚さであり、ｊが整数であり
    、ｎsemiが、前記移相領域に横方向に隣接する半導体層の屈折率であり、ｎoxid e が前記移相領域の屈折率である垂直共振器表面発光レーザ。
  19. 【請求項１９】 前記移相領域が、前記ミラー対の少なくとも１つの組によ
    って前記活性領域から離れて配置される請求項１８に記載のＶＣＳＥＬ。
  20. 【請求項２０】 前記第１の半導体ミラー・スタック上に配設された基板と
    、 前記基板上に配設された第１の電極と、 前記第２の半導体ミラー・スタック上に配設された第２の電極とをさらに備え
    、 前記第１の電極と第２の電極との間に印加される電圧が電流を生成し、活性領
    域中で光利得を生成し、レージングを引き起こす請求項１８に記載のＶＣＳＥＬ
    。
  21. 【請求項２１】 前記第２の電極が複数の層を備え、ある前記層が少なくと
    も２００Åのチタンを有し、別の前記層が約８０００Åの金を有する請求項２０
    に記載のＶＣＳＥＬ。
  22. 【請求項２２】 前記移相領域が酸化物部分を有する請求項１８に記載のＶ
    ＣＳＥＬ。
  23. 【請求項２３】 前記ミラー・スタックがＡｌＧａＡｓを有し、前記酸化物
    部分が１／４λ光波長である請求項２２に記載のＶＣＳＥＬ。
  24. 【請求項２４】 前記酸化物部分が、低屈折率半導体層中に配置される請求
    項２２に記載のＶＣＳＥＬ。
  25. 【請求項２５】 前記第１および第２のミラー・スタックのうちの一方の中
    に配設された第２の移相領域をさらに備え、第２の移相領域が第２の電流開口の
    周りに配設され、第２の移相領域が結合空洞を生成し、第２の電流開口の外側の
    関連するスタックの反射率を減少させる請求項１８に記載のＶＣＳＥＬ。
  26. 【請求項２６】 前記酸化物部分の部分が、前記結合空洞に向かって内側に
    延びる領域中で減少し、光開口よりも小さい電流開口を生成する請求項１８に記
    載のＶＣＳＥＬ。
  27. 【請求項２７】 前記移相領域範囲によって生成される位相ずれが、ｊを整
    数として（λ／８〜３λ／８）＋λｊ／２の範囲にある請求項１８に記載のＶＣ
    ＳＥＬ。
  28. 【請求項２８】 垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を製造するため
    の方法であって、 第１の半導体ミラー・スタックを提供するステップと、 前記第１の半導体ミラー・スタック上に活性領域を形成するステップと、 前記活性領域の上に第２の半導体ミラー・スタックの第１の部分を形成するス
    テップであって、前記第２の半導体ミラー・スタックの前記第１の部分が、少な
    くとも１つのミラー層対を有するステップと、 前記第２の半導体ミラー・スタックの前記第１の部分の上の電流開口の周りに
    配置された移相領域を形成するステップと、 前記活性領域近くに、前記移相領域を使用して結合空洞を形成するステップと
    、 前記移相領域の上に第２の半導体ミラー・スタックの第２の部分を形成するス
    テップとを含む方法。
  29. 【請求項２９】 前記移相領域の厚さが、等式 ｄ＝（１＋２ｊ）＊λ／（ｎsemi−ｎoxide）＊４ によって定義され、上式で、ｄが前記移相領域の厚さであり、λがレーザ波長
    であり、ｊが整数であり、ｎsemiが、横方向に隣接する半導体層の屈折率であり
    、ｎoxideが前記移相領域の屈折率である請求項２８に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 付着した半導体についての前記形成するステップが、プロ
    セス・チャンバから除去せずに実行される請求項２８に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 前記移相領域が高アルミニウム材料で形成され、酸化され
    た部分を有する請求項２８に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 前記結合空洞に向かって内側に延びる、前記酸化された部
    分の還元部分を形成するステップをさらに含む請求項３１に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 前記ＶＣＳＥＬが、波長λのレーザ光を発するように適合
    され、前記酸化部分が１／４λの光学的厚さであり、横方向に隣接する前記移相
    領域の前記非酸化部分が、１／２λの光学的厚さである請求項３１に記載の方法
    。
  34. 【請求項３４】 移相領域を形成する前記ステップが、単一ＭＯＣＶＤ工程
    ステップおよび酸化である請求項２８に記載の方法。
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