JP2004523896A - 光電子デバイス用の空間変調された反射器 - Google Patents

光電子デバイス用の空間変調された反射器 Download PDF

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Abstract

光電子デバイス（１０）のモード制御を向上させる、改良型の共振反射器（５４、７０、９０）が提供される。共振反射器（５４、７０）の一部は、モード制御を改善すると共に、著しい追加の処理ステップを必要とせず、商用の応用例にとって理想的である。他の共振反射器（９０）は、光電子デバイス（１０）の光キャビティ上での共振反射器（９０）の反射率の急激な変化を低減し、またはなくし、多くの共振反射器で一般的な望ましくない回折効果を低減し、またはなくすことが可能となる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子デバイスの分野に関し、より詳細には、光電子デバイス用の共振反射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代技術において、例えば、通信システム、レーザプリンタ、コンパクトディスクプレーヤなどの様々な装置のための光源の選択肢として、広範囲にわたる従来型半導体レーザの使用法が発見されてきた。これらの応用例の多くの場合、半導体レーザは、光ファイバリンク又はさらには自由空間を介して、半導体受信機（例えばフォトダイオード）に結合される。この構成により、高速な通信経路を得ることができる。単一モード出力または縮小モード（ｒｅｄｕｃｅｄ ｍｏｄｅ）出力を有するレーザは、とりわけ小さいスポットサイズを実現することができるので、これらの応用例の多くに特に適している。
【０００３】
典型的な端面発光型半導体レーザは、狭バンドギャップの高屈折率層が、対向する主要面上で広バンドギャップの低屈折率層によって囲まれる２重ヘテロ構造である。低バンドギャップ層は、「活性層」と呼ばれ、バンドギャップの差及び屈折率の差が、電荷キャリア及び光エネルギーの双方を、活性層又は活性領域に閉じ込める働きをする。活性層の両端は、レーザ・キャビティを形成するミラー・ファセットを有する。クラッディング層は逆の伝導率タイプを有し、電流がこの構造を通過するとき、電子と正孔が活性層で結合し、光を生成する。
【０００４】
過去１０年間に台頭してきた他のタイプの半導体レーザは、面発光型レーザである。いくつかのタイプの面発光型レーザが開発されている。特に有望なそのようなレーザの１つは、「垂直キャビティ面発光型レーザ」（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と呼ばれる。（このレーザの説明については、例えば「Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｃｈｉｐ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２９、ｐｐ．２１０−２１４、Ｍａｒｃｈ １９９０を参照。）他の例として、参照により本明細書に組み込まれるＹｏｎｇ Ｈ．Ｌｅｅ等による１９９２年５月１９日発行の「Ｔｏｐ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」という名称の米国特許第５,１１５,４４２号、および参照により本明細書に組み込まれる１９９５年１２月１２日にＭａｒｙ Ｋ．Ｈｉｂｂｓ−Ｂｒｅｎｎｅｒに発行された「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｎｉｔｏｒ」という名称の米国特許第５,４７５,７０１号に留意されたい。さらに、「Ｔｏｐ−ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＧａＡｓ ｆｏｕｒ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｌａｓｅｒｓ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ａｔ ０．８５μｍ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２６、ｐｐ．７１０−７１１、Ｍａｙ ２４、１９９０も参照されたい。）
垂直キャビティ面発光型レーザは、従来の端面発光型レーザに勝る、多数の性能上の利点および潜在的製造性上の利点を提供する。これらには、１次元アレイ及び２次元アレイに適用できること、ウェハレベルの適性、および通常は円対称な低発散ビームである望ましいビーム特性など、その幾何形状に関連する多くの利点が含まれる。
【０００５】
ＶＣＳＥＬは、通常、バルク層あるいは１つまたは複数の量子井戸層を有する活性領域を有する。活性領域の両側にはミラー・スタックがあり、ミラー・スタックは、通常、各層が（媒体中の）注目の波長でそれぞれ１／４波長の厚さとなるような特性を有する、交互配置された半導体層によって形成され、それによって、レーザ・キャビティのためのミラーが形成される。活性領域の両側には、逆の伝導率タイプの領域が存在し、レーザは、通常、活性領域を通過する電流を変化させることによって、オンおよびオフされる。
【０００６】
高歩留まりの高性能ＶＣＳＥＬが発表され、製品化において利用されている。頂面放射型のＡｌＧａＡｓベースのＶＣＳＥＬは、半導体集積回路と同様に製造可能であり、低コストで大量に製造しやすく、既存のエレクトロニクス技術プラットフォームと統合しやすい。さらに、ＶＣＳＥＬの一様性および再現可能性が、非常に高いデバイス歩留まりを与える、標準的な未変更の市販の金属有機気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）チャンバおよび分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を使用して、実証されている。
【０００７】
ＶＣＳＥＬは、高速な（例えばＧｂｉｔｓ／ｓ）媒体距離（例えば最大約１０００メートル）の単一チャネル又は多重チャネル・データリンク応用例や、多数の光および／または画像形成応用例で、性能上およびコスト上の利点を提供すると予想される。これは、潜在的に低コスト高性能の送信機に柔軟かつ望ましい特性を与える、ＶＣＳＥＬの固有の幾何形状の結果として得られる。
【０００８】
ほとんどの実用的な寸法のＶＣＳＥＬは、本質的に多（横）モードである。単一モードファイバに結合する際に、単一最低次モードＶＣＳＥＬが好まれ、単一最低次モードＶＣＳＥＬは、自由空間および／または波長感応性システムにとって有利であり、さらには標準的な５０μｍおよび６２．５μｍＧＲＩＮ多モードファイバの帯域距離積の拡張に使用するのにも有益である。しかし、ＶＣＳＥＬの短い光キャビティ（２λ）は、単一縦モード発光に有利であるが、多波長（１０λ）の横方向寸法は、多重横モード動作を容易にする。
【０００９】
高次モードは、通常、光キャビティまたはレイジング（ｌａｓｉｎｇ）・キャビティの中心から離れたところに、より高い横方向エネルギー濃度を有する。したがって、最低次円対称モードだけでレーザを強制的に発振させる最も自明な方法は、活性領域の横方向寸法を、高次モードがしきい値に達するのを防止するのに十分となるように小さく作成することである。しかし、このことにより、典型的なＶＣＳＥＬに対して約５μｍ未満の横方向寸法が必要となる。このような小さいエリアにより、抵抗が過剰となり、従来の製造方法によって得ることができる限界が圧迫される可能性がある。このことは、特に、横方向の散在が限定因子となる可能性のある約１μｍよりも厚い注入深さに対して当てはまる。したがって、ＶＣＳＥＬの現実的な寸法に対して、横モードの制御は、依然として難しい。
【００１０】
ＶＣＳＥＬで横モードを制御する一手法が、Ｈａｄｌｅｙ等の米国特許第５，９０３，５９０号で提案されている。Ｈａｄｌｅｙ等は、ＶＣＳＥＬの光キャビティの周囲に延びるモード制御領域を設けることを提案している。このモード制御領域は、ＶＣＳＥＬの中心付近の光キャビティ長とは異なる光キャビティ長を与える。これは、モード制御領域での反射率を減少させる助けになる。Ｈａｄｌｅｙ等の制限は、モード制御領域が中央の光キャビティの後に形成されることであり、それにより、処理ステップが著しく追加され、デバイスのコストが増大する。加えて、モード制御領域と光キャビティとの間に反射率の急激な変化が存在する。この急激な変化により回折効果が引き起こされる可能性があり、これにより、ＶＣＳＥＬの効率および品質が低下する可能性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の概要）
本発明は、著しい量の追加の処理ステップを必要とせずに、モード制御を向上させる共振反射器を提供することにより、従来技術の欠点の多くを克服する。本発明のいくつかの共振反射器はまた、共振反射器上の反射率の急激な変化を低減し又はなくする。これにより、多くの共振反射器、特に光電子デバイスのモード制御に使用される共振反射器で一般的な、望ましくない回折効果を低減することができる。
【００１２】
本発明の１つの例示的実施形態では、共振反射器が、光電子デバイスの頂部ミラー層の頂部に設けられる。共振反射器を形成する際、第１材料層が、頂部ミラー層上に設けられる。次いで第１材料層は、好ましくは光電子デバイスの所望の光キャビティを取り囲む１つまたは複数の領域中の第１材料層をエッチング除去することによって、パターン形成される。次いで第２材料層が、第１材料層上に設けられる。第２材料層を、第１材料層のエッチング済み領域と非エッチング領域の両方の上に設けることが好ましいが、望むなら非エッチング領域上にだけ設けることもできる。
【００１３】
関連実施形態では、光電子デバイスの頂部ミラー層は、上記で論じた第１材料層として働くことができる。したがって、頂部ミラー層を、好ましくは光電子デバイスの所望の光キャビティを取り囲む１つまたは複数の領域中の頂部ミラー層を少なくとも部分的にエッチングすることによって、パターン形成することができる。一実施形態では、頂部ミラー層の下の層は、エッチング・ストップ層として働くことができる。次いで、第２材料層が、頂部ミラー層上に設けられる。第２材料層を、頂部ミラー層のエッチング済み領域と非エッチング領域の両方の上に設けることが好ましいが、望むなら非エッチング領域上にだけ設けることもできる。
【００１４】
第１材料層（または代替実施形態では頂部ミラー層）は、第２材料層の屈折率よりも大きい屈折率を有することが好ましく、第１材料層および第２材料層は、光電子デバイスの頂部ミラー層（または代替実施形態ではすぐ下の層）の屈折率よりも小さい屈折率を有することが好ましい。これにより、第１材料層（または頂部ミラー層）のエッチング済み領域に対応する領域での共振反射器の反射率が低下する。反射率の差を使用して、光電子デバイスについてのモード制御を実現することができる。
【００１５】
本発明の別の例示的実施形態では、光電子デバイスの頂部ミラー層のうち１つまたは複数を下方にエッチングするが、すべてを貫かないことによって、共振反射器が形成される。好ましくは、エッチングされる領域は、光電子デバイスの所望の光キャビティを取り囲み、λ／４の奇数倍に対応する深さなど、所望の動作波長で共振反射器の反射率を低減する位相ずれを引き起こす深さを有する。いっそうの差別化をもたらすために、光電子デバイスの所望の光キャビティ上などの、頂部ミラー層の選択した非パターン形成領域上に、１つまたは複数の追加の層を有するキャップ・ミラーを設けることができる。頂部ミラー層の選択したパターン形成済み領域上に、金属層を設けることができる。金属層は、頂部接点層として働くことができる。
【００１６】
本発明のさらに別の例示的実施形態では、光電子デバイスの光キャビティ上で屈折率が急激に変化しない共振反射器が提供される。好ましい実施形態では、この共振反射器は、例えば、第１屈折率を有する第１材料と、第２屈折率を有する第２材料との両方からの寄与を含む屈折率を有する少なくとも１つの共振反射器層を有する。好ましい実施形態では、第１材料は、第１領域に閉じ込められ、第２材料は、第２領域に閉じ込められ、第１領域と第２領域は、界面に沿って共に延びる。界面を光電子デバイスの光軸と非平行にすることにより、少なくとも光電子デバイスの光キャビティに沿って横方向から見たとき、共振反射器層の屈折率は、光キャビティ上で急激に変化しない。むしろ、ある屈折率から別の屈折率に滑らかに遷移する。これにより、共振反射器の屈折率の急激な変化によって引き起こされる回折効果を低減することができる。
【００１７】
ある屈折率から別の屈折率への滑らかな遷移を有する共振反射器層を形成するために、いくつかの方法が企図される。１つの例示的方法では、ほぼ平坦な材料の第１層が、設けられ、次いでパターン形成され、所望の光キャビティ上に島が形成される。次いで島は、熱せられ、リフローされる。これにより、非平面の頂面を有する材料の第１層の島が得られる。次いで材料の第２層が、材料の第１層上に設けられる。材料の第１層の島は、非平面の頂面、好ましくは先細りの頂面を含むので、材料の第２層は、光電子デバイスの光軸と非平行な第１材料層との界面を形成する。前述のように、これにより、共振反射器の屈折率の急激な変化によって引き起こされる回折効果を低減することができる。
【００１８】
別の例示的方法では、材料のほぼ平坦な第１層が設けられ、その後にフォトレジスト層が続く。次いでフォトレジスト層は、パターン形成され、好ましくはフォトレジストの島が形成される。次いでフォトレジストの島が、熱せられ、リフローされる。これにより、フォトレジスト層上に、非平面の頂面、好ましくは材料の第１層に向かって先細りになる頂面が得られる。次に、フォトレジスト層および材料の第１層が、指定の期間エッチングされる。エッチング液は、フォトレジスト層と材料の第１層との双方を選択的にエッチングし、それによって、フォトレジスト層の非平面の頂面の形状を、材料の第１層に転写させる。次いで、望むなら材料の第２層が、材料の第１層上に設けられる。材料の第１層は、フォトレジストの島の形状を帯び、したがって先細りの頂面を有するので、材料の第２層は、光電子デバイスの光軸と非平行な第１材料層との界面を形成する。前述のように、これにより、共振反射器の屈折率の急激な変化によって引き起こされる回折効果を低減することができる。
【００１９】
本発明のさらに別の例示的方法では、ほぼ平坦な材料の第１層が設けられ、パターン形成され、材料の第１層の島が得られる。第１材料層の島は、頂部周縁によって画定される頂面まで延びる側面を有することが好ましい。次いでフォトレジスト層が、側面、頂部周縁、および頂面を含む、パターン形成された材料の第１層上に設けられる。頂面から側面に沿う段により、頂部周縁付近でフォトレジスト層が薄くなる。
【００２０】
次いでフォトレジスト層および材料の第１層が、指定の期間エッチングされる。このエッチング工程の間、フォトレジスト層の薄い領域に隣接する材料の第１層の領域は、フォトレジスト層の厚い領域に隣接する領域よりも長い期間、エッチング液にさらされる。したがって、この例示的実施形態では、材料の第１層の頂部周縁は、頂部周縁から離れた領域よりも、多くエッチングされる。エッチング工程の後、材料の第２層を、材料の第１層上に設けることができる。
【００２１】
上記の各実施形態では、材料の第２層を熱してリフローさせることにより、材料の第２層の頂面を平坦化することができる。あるいは、またはそれに加えて、化学機械研磨（ＣＭＰ）工程を使用して、材料の第２層の頂面を平坦化することもできる。あるいは、望むなら材料の第２層の頂面を、本質的に非平面のままにすることもできる。
【００２２】
本発明のその他の目的、及び、本発明の付随的な利点の多くは、添付の図面と共に考慮するときに、以下の詳細な説明によってより良く理解できるので、容易に理解するであろう。添付の図面では、同様の参照符号は、各図全体にわたって同様の部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、従来技術による平面電流ガイド式ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面発光型垂直キャビティレーザ１０の概略図である。ｎドープトガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板１４上に、ｎ接点１２が形成される。基板１４は、第１タイプ（すなわちｎ型）の不純物でドープされる。ｎ型ミラー・スタック１６が、基板１４上に形成される。スタック１６上に、スペーサ１８が形成される。スペーサ１８は、活性領域２２の周りに、底部閉込め層２０と頂部閉込め層２４を有する。ｐ型ミラー・スタック２６が、閉込め層２４上に形成される。ｐ金属層２８が、スタック２６上に形成される。発光領域は、パシベーション層３０を有することができる。
【００２４】
分離領域２９は、活性領域を流れる電流２７の領域を制限する。領域２９は、深いＨ＋イオン注入によって、形成することができる。直径「ｇ」を設定して、所望の活性領域、すなわちＶＣＳＥＬ １０の利得開口を、設けることができる。さらに、ｐ型ミラー・スタック２６の所望の抵抗によって、特に非伝導領域２９を通じて、直径「ｇ」を設定することができる。したがって、非伝導領域２９は、利得導波機能を実施する。直径「ｇ」は、通常、注入ステップ中の横方向の散在などの製造上の制限によって制限される。
【００２５】
スペーサ１８は、ミラー・スタック１６及び２６の間に配置されたバルク領域または量子井戸活性領域を含むことができる。量子井戸活性領域２２は、アルミニウム・ガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）障壁層とＧａＡｓ量子井戸層との交互層を有することができる。特にＧａＡｓが透明である場合に発光波長（例えばλ＝９８０ｎｍ）が望ましい場合、活性領域で、ＩｎＧａＡｓ量子井戸を使用することもできる。スタック１６および２６は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）スタックであり、ドープトＡｌＧａＡｓおよび砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）の周期層を含むことができる。スタック１６のＡｌＧａＡｓは、基板１４と同じタイプ不純物（例えばｎ型）でドープされ、スタック２６のＡｌＧａＡｓは、他の種類の不純物（例えばｐ型）でドープされる。
【００２６】
金属接点層１２および２８は、レーザ・ダイオード１０の適切な電気的バイアスを可能にするオーム接触である。接点１２よりも高い正電圧が、接点２８に与えられて、レーザ・ダイオード１０に順方向バイアスがかけられるとき、活性領域２２は、光３１を放出し、光３１は、スタック２６を通過する。
【００２７】
ほとんどの実用的な寸法のＶＣＳＥＬは、本質的に、多（横）モードである。単一モードファイバに結合する際に、単一最低次モードＶＣＳＥＬが好まれ、単一最低次モードＶＣＳＥＬは、自由空間および／または波長感応性システムにとって有利であり、さらには標準的な５０μｍおよび６２．５μｍＧＲＩＮ多モードファイバの帯域距離積の拡張に使用するのにも有益である。しかし、ＶＣＳＥＬの短い光キャビティ（２λ）は、単一縦モード発光に有利であるが、多波長（１０λ）の横方向寸法は、多重横モード動作を容易にする。
【００２８】
前述のように、高次モードは、通常、光キャビティまたはレイジング・キャビティの中心から離れたところに、より高い横方向エネルギー濃度を有する。したがって、最低次円対称モードだけでレーザを強制的に発振させる最も自明な方法は、活性領域の横方向寸法「ｇ」を、高次モードがしきい値に達するのを防止するのに十分となるように小さく作成することである。しかし、このことにより、典型的なＶＣＳＥＬに対して約５μｍ未満の横方向寸法が必要となる。このような小さいエリアの結果、抵抗が過剰となり、従来の製造方法によって得ることができる限界が圧迫される可能性がある。このことは、特に、横方向の散在が限定因子となる可能性のある約１μｍよりも厚い注入深さに対して、当てはまる。したがって、ＶＣＳＥＬの現実的な寸法に対して、横モードの制御は、依然として難しい。
【００２９】
光電子デバイスの横モードを制御する１つの例示的手法を図２に示す。図２は、頂部装着モード制御共振反射器５０を備える、図１と同様の平面電流ガイド式ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面発光型垂直キャビティレーザの概略側断面図である。共振反射器５０は、ＶＣＳＥＬ ５４の頂部ミラー層５２の頂部に配置された、パターン形成済み第１材料層５６を含む。図示するように、第２材料層５８が、パターン形成済み第１材料層５６上に、設けられる。
【００３０】
第１材料層５６は、第２材料層５８の屈折率よりも大きい屈折率を有することが好ましく、第１材料層５６および第２材料層５８は、光電子デバイス５４の頂部ミラー層５２の屈折率よりも小さい屈折率を有することが好ましい。一例として、第１材料層５６は、ＳｉＯ2であり、第２材料層５８は、Ｓｉ3Ｎ4またはＴｉＯ2であり、頂部ミラー層５２は、ＡｌＧａＡｓであるが、他の適切な材料系も、企図される。各層は、１／４波長（λ／４）の偶数倍の厚さであることが好ましい。これにより、第１材料層５６中のエッチング済み領域６０（図３Ｂ参照）に対応する領域、すなわち第２材料層５８で充填される領域での共振反射器５０の反射率が減少する。エッチング済み領域が所望の光キャビティを取り囲むように設計することにより、この反射率の差を使用して、ＶＣＳＥＬ ５４についてのモード制御を実現する助けとすることができる。
【００３１】
次に図３Ａを参照すると、共振反射器５０を形成する際に、第１材料層５６が、頂部ミラー層５２上に設けられる。図３Ｂに示すように、第１材料層５６は、好ましくはＶＣＳＥＬ ５４の所望の光キャビティを取り囲む１つまたは複数の領域中の第１材料層５６をエッチング除去することによって、パターン形成される。図３Ｃに示すように、第２材料層５８が、第１材料層５６上に設けられる。第２材料層５８を、第１材料層５６のエッチング済み領域６０と非エッチング領域との両方の上に設けることが好ましいが、望むなら非エッチング領域上にだけ、設けることもできる。次いで第２材料層５８の領域６２ａおよび６２ｂなどの選択領域を、除去して、頂部ミラー層５２へのアクセスを設けることができる。次いで、図３Ｄに示すように、接点層６４を、頂部ミラー層５２の露出領域上に設けることができる。接点層６４は、頂部ミラー層５２への電気的接点を提供することができる。
【００３２】
関連実施形態では、光電子デバイスの頂部ミラー層は、上記で論じた第１材料層５６として、働くことができる。したがって、頂部ミラー層を、好ましくは光電子デバイスの所望の光キャビティを取り囲む１つまたは複数の領域中の頂部ミラー層を少なくとも部分的にエッチングすることによって、パターン形成することができる。一実施形態では、頂部ミラー層の下の層５２は、エッチング・ストップ層として、働くことができる。次いで、第２材料層５８が、頂部ミラー層上に設けられる。第２材料層を、頂部ミラー層のエッチング済み領域と非エッチング領域との両方の上に設けることが好ましいが、望むなら非エッチング領域上にだけ、設けることもできる。この実施形態では、図２〜図３で５６と符号を付けた領域は、層５３と同じ網目パターンを有するべきであり、これらの領域の屈折率は、層５２の屈折率よりも低くなるべきである。
【００３３】
光電子デバイスの横モードを制御する別の例示的手法を図４に示す。図４は、別の例示的な頂部装着モード制御共振反射器７０を備える、図１と同様の平面電流ガイド式ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面発光型垂直キャビティレーザの概略側断面図である。この実施形態では、共振反射器７０は、光電子デバイスの頂部ミラー層７２のうち１つまたは複数を下方にエッチングするが、すべてを貫かないことによって形成される。好ましくは、７４に一般的に示すエッチング済み領域は、光電子デバイスの所望の光キャビティを取り囲み、λ／４の奇数倍に対応する深さなど、所望の動作波長で共振反射器７０の反射率を低減する位相ずれを引き起こす深さを有する。いっそうの差別化をもたらすために、光電子デバイスの所望の光キャビティ上などの、頂部ミラー層７２の選択した非パターン形成領域上に、１つまたは複数の追加の層を有するキャップ・ミラー７６を設けることができる。キャップ・ミラー７０は、従来の半導体ＤＢＲミラーの１つまたは複数の周期を含むことができ、またはより好ましくは、ナローバンド誘電体反射フィルタを含むことができる。頂部ミラー層７２の選択した領域上に、金属層を設けることができる。金属層は、頂部接点層として、働くことができる。
【００３４】
次に図５Ａ〜５Ｂを参照すると、共振反射器７０を形成する際に、頂部ミラー層７２（または何らかの他の最上層）がパターン形成され、エッチングされ、１つまたは複数のエッチング済み領域７４が形成される。エッチング済み領域７４は、光電子デバイスの所望の光キャビティを取り囲むように形成することが好ましい。さらに、入射光中の位相ずれを引き起こす深さまで、エッチング領域７４を下方にエッチングし、それによって、その領域中での共振反射器７０の反射率を低減することが好ましい。
【００３５】
次に、図５Ｃに示すように、キャップ・ミラー７６が、パターン形成済み頂部ミラー層７２上に、形成される。前述のように、頂部ミラー層７２は、１つまたは複数の半導体ＤＢＲミラー周期および／またはナローバンド誘電体反射フィルタを含むことができる。いずれの場合でも、反射率のいっそうの差別化をもたらすために、光電子デバイスの所望の光キャビティに対応するエリア上を除いて、キャップ・ミラー７６をエッチング除去することができる。このことを図５Ｄに示す。あるいは、周知のリフトオフ技法を使用してパターン形成済みキャップ・ミラー７６を、形成することもできる。その後で、頂部ミラー層７２の選択した領域上に、接点層８０を設けることができる。接点層８０は、頂部ミラー層７２に対する電気的接点を提供することができる。
【００３６】
光電子デバイスの横モードを制御する別の例示的手法を図６に示す。図６は、さらに別の例示的な頂部装着モード制御共振反射器９０を備える、図１と同様の平面電流ガイド式ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面発光型垂直キャビティレーザの概略側断面図である。この例示的実施形態では、共振反射器９０が有する屈折率は、光電子デバイスの光キャビティ上で、急激に変化しない。
【００３７】
好ましい実施形態は、共振反射器９０は、屈折率を有する少なくとも１つの共振反射器層９２を有する。屈折率は、例えば第１屈折率を有する第１材料９４と、第２屈折率を有する第２材料９６との両方からの寄与を含むことができる。好ましい実施形態では、第１材料９４は、第１領域に閉じ込められ、第２材料は、第２領域に閉じ込められ、第１領域と第２領域は、界面９８に沿って共に延びる。界面９８を光電子デバイスの光軸１００と非平行にすることにより、少なくとも光電子デバイスの光キャビティに沿って横方向から見たとき、共振反射器層の屈折率は、光キャビティ上で急激に変化しない。むしろ、ある屈折率から別の屈折率に滑らかに遷移する。これにより、共振反射器の屈折率の急激な変化によって引き起こされる回折効果が低減される。図示するように、従来の半導体ＤＢＲミラーの１つまたは複数の周期、またはより好ましくはナローバンド誘電体反射フィルタ１０６を、共振反射器９０の頂部に設けることができることも企図される。最後に、接点層１０２を、光キャビティの周囲に設けることができる。図示する実施形態では、接点層１０２は、頂部ミラー層１０４と直接接触し、頂部ミラー層１０４への電気的接点を提供する。
【００３８】
ある屈折率から別の屈折率への滑らかな遷移をチャート１１０にさらに示す。チャート１１０のＸ軸は、チャートの上に示したデバイスの、光キャビティに沿った横方向の位置を表す。チャート１１０のＹ軸は、共振反射器９０と、従来の半導体ＤＢＲミラーまたは誘電体反射フィルタ１０６とを含む頂部ミラーの反射率「Ｒ」に対応する。頂部ミラーの反射率「Ｒ」は、少なくとも共振反射器９０の領域中では、共振反射器層９０の屈折率に依存する。
【００３９】
光電子デバイスの光キャビティに沿って横方向に左から右に移動すると、反射率は、第１の値１１２で始まる。共振反射器９０、及び、従来の半導体ＤＢＲミラーまたは誘電体反射フィルタ１０６は、この領域まで延びないので、第１の値１１２を比較的小さく示す。接点層１０２もまた、この領域での反射率を低下させる可能性がある。
【００４０】
共振反射器９０の縁部では、反射率が値１１４まで増加する。値１１４は、共振反射器層９０の第２材料９６からの寄与と、従来の半導体ＤＢＲミラーまたは誘電体反射フィルタ１０６からの寄与とを含む。さらに右側に移動すると、第１材料９４と第２材料９６との相対的寄与により、共振反射器９０の屈折率が、変化し始める。これにより、共振反射器９０の反射率が、図示するように所望の光キャビティの中心に向かって滑らかに増加する。共振反射器９０の反射率は、所望の光キャビティの中心またはその周りで最大値１１６に達することが好ましい。次いで共振反射器９０の反射率は、所望の光キャビティの中心の右側に対して、上記と逆の形で減少する。図からわかるように、共振反射器９０の屈折率、すなわち反射率は、光キャビティ上で急激に変化しない。むしろ、ある屈折率から別の屈折率に滑らかに遷移する。これにより、共振反射器の屈折率の急激な変化によって引き起こされる回折効果が低減される。
【００４１】
図７Ａ〜図７Ｄは、図６の共振反射器を作成する第１の例示的方法を示す概略側断面図である。この例示的実施形態では、ほぼ平坦な材料の第１層９４が、例えば従来のＤＢＲミラーの頂部ミラー層１０４上に、設けられる。頂部ミラー層１０４は、材料の第１層９４の屈折率よりも高い屈折率を有することが好ましい。頂部ミラー層１０４は、例えばＡｌＧａＡｓでよく、材料の第１層９４は、例えばＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、あるいはポリアミドまたはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などのポリマーでよい。
【００４２】
次いで図７Ａに示すように、材料の第１層が、パターン形成される。これは、通常、従来のエッチング工程を用いて行われる。図７Ｂに示すように、次いでパターン形成された材料の第１層１０４が、熱せられ、リフローされる。これにより、非平面の頂面９８が得られる。次いで図７Ｃに示すように、材料の第２層９６が、材料の第１層９４上に設けられる。材料の第２層９６の頂面１０５は、ほぼ平面であることが好ましいが、望むなら非平面でもよい。材料の第２層９６は、材料の第１層９４の屈折率よりも低い屈折率を有することが好ましい。材料の第２層９６は、例えばＳｉＯ２、ポリマー、またはその他の任意の適切な材料でよい。望むなら、材料の第２層９６の頂面１０５を、例えば材料の第２層９６のリフローイング、材料の第２層９６の機械研磨、化学研磨、または化学機械研磨（ＣＭＰ）などを含む任意の適切な方法を用いて、平坦化することができる。ある実施形態では、頂面１０５は、非平面のままにされる。
【００４３】
好ましくは、材料の第２層９６が、共振反射器の頂面全体に設けられ、頂部接点１０２が望まれる領域で、材料の第２層９６がエッチング除去される。材料の第２層９６をエッチングした後、接点層１０２が、頂部ミラー層１０４の露出領域上に、設けられる。接点層１０２は、頂部ミラー層１０４に対する電気的接点を提供する。図７Ｄに示すように、次いでキャップ・ミラー１０６を、材料の第２層９６の上に設けることができる。キャップ・ミラー１０６は、従来の半導体ＤＢＲミラーの１つまたは複数の周期を含むことができ、またはより好ましくは、ナローバンド誘電体反射フィルタを含むことができる。
【００４４】
図８Ａ〜８Ｅは、図６の共振反射器を作成する別の例示的方法を示す概略側断面図である。この例示的実施形態では、図８Ａに示すように、ほぼ平坦な材料の第１層９４が、例えば従来のＤＢＲミラーの頂部ミラー層１０４上に、設けられる。頂部ミラー層１０４は、材料の第１層９４の屈折率よりも高い屈折率を有することが好ましい。頂部ミラー層１０４は、例えばＡｌＧａＡｓでよく、材料の第１層９４は、例えばＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、またはその他の任意の適切な材料でよい。次に、フォトレジスト層１１０が、材料の第１層９４上に設けられ、パターン形成され、好ましくは光電子デバイスの所望の光キャビティの上にフォトレジストの島が形成される。
【００４５】
図８Ｂに示すように、次いでフォトレジスト層１１０が、熱せられ、リフローされる。これにより、フォトレジスト層１１０上に、非平面の頂面が得られる。すなわち、フォトレジスト層１１０の頂面は、材料の第１層９４に向かって先細りになる部分を有することができる。次に、図８Ｃに示すように、フォトレジスト層１１０および材料の第１層９４が、指定の期間、エッチングされる。エッチング液が、フォトレジスト層１１０と材料の第１層９４との双方を、選択的にエッチングすることが好ましい。これにより、フォトレジスト層１１０の非平面の頂面の形状が、材料の第１層９４に転写される。
【００４６】
図８Ｄに示すように、次いで材料の第２層９６が、材料の第１層９４上に設けられる。材料の第２層９６は、材料の第１層９４の屈折率よりも低い屈折率を有することが好ましい。好ましくは、材料の第２層９６が、共振反射器の頂面全体に設けられ、頂部接点１０２が望まれる領域で、材料の第２層９６が、エッチング除去される。材料の第２層９６をエッチングした後は、接点層１０２が、頂部ミラー層１０４の露出領域上に設けられる。接点層１０２は、頂部ミラー層１０４に対する電気的接点を提供する。材料の第２層９６の頂面は、ほぼ平面であることが好ましい。図８Ｅに示すように、望むならキャップ・ミラー１０６を、材料の第２層９６の上に設けることができる。キャップ・ミラー１０６は、従来の半導体ＤＢＲミラーの１つまたは複数の周期を含むことができ、またはより好ましくは、ナローバンド誘電体反射フィルタを含むことができる。
【００４７】
図９Ａ〜９Ｅは、図６の共振反射器を作成するさらに別の例示的方法を示す概略側断面図である。この例示的実施形態では、図９Ａに示すように、ほぼ平坦な材料の第１層９４が、例えば従来のＤＢＲミラーの頂部ミラー層１０４上に、設けられる。上記と同様に、頂部ミラー層１０４は、材料の第１層９４の屈折率よりも高い屈折率を有することが好ましい。
【００４８】
次に、図９Ｂに示すように、材料の第１層９４が、パターン形成され、好ましくは光電子デバイスの所望の光キャビティの上に島が形成される。これにより、頂部周縁１２０によって画定される頂面１１６まで延びる側面１１８を有する材料の第１層９４が得られる。次いでフォトレジスト層１１４が、側面１１８、頂部周縁１２０、および頂面１１６を含む、パターン形成された材料の第１層９４上に設けられる。頂面１１６と側面１１８の間の段により、図示するように、パターン形成された材料の第１層９４の側面１１８または頂面１１６沿いよりも、頂部周縁１２０付近で、フォトレジスト層１１４が薄くなる。
【００４９】
図９Ｃに示すように、次いでフォトレジスト層１１４および材料の第１層９４が、指定の期間、エッチングされる。このエッチング・ステップの間、フォトレジスト層１１４の薄い領域に隣接する材料の第１層９４の領域は、フォトレジスト層１１４の厚い領域に隣接する領域よりも長期間、エッチング液にさらされる。したがって、図９Ｃに示すように、材料の第１層９４の頂部周縁１２０は、頂部周縁１２０から離れた領域よりも多くエッチングされ、結果として先細りの縁部１２２が得られる。
【００５０】
エッチング・ステップの後、図９Ｄに示すように、材料の第１層９４上に、材料の第２層９６を設けることができる。上記と同様に、材料の第２層９６は、材料の第１層９４の屈折率よりも低い屈折率を有することが好ましい。好ましくは、材料の第２層９６が、共振反射器の頂面全体に設けられ、頂部接点１０２が望まれる領域で、材料の第２層９６が、エッチング除去される。材料の第２層９６をエッチングした後、接点層１０２が、頂部ミラー層１０４の露出領域上に設けられる。接点層１０２は、頂部ミラー層１０４に対する電気的接点を提供する。材料の第２層９６の頂面は、ほぼ平面であることが好ましい。
【００５１】
図９Ｅに示すように、望むならキャップ・ミラー１０６を材料の第２層９６の上に設けることができる。キャップ・ミラー１０６は、従来の半導体ＤＢＲミラーの１つまたは複数の周期を含むことができ、またはより好ましくは、ナローバンド誘電体反射フィルタを含むことができる。
【００５２】
図１０は、図５Ａ〜５Ｄに示すのと類似の、本発明の別の例示的実施形態を示す概略側断面図である。この実施形態では、最上層１１０は、光電子デバイスの頂部ＤＢＲミラー・スタックの頂部ミラー層または頂部ミラー層の頂部上の追加の層でよく、下方にエッチングすることができるが、すべてを貫かない。好ましくは、エッチングされる領域は、光電子デバイスの所望の光キャビティを取り囲み、λ／４の奇数倍に対応する深さなど、所望の動作波長で共振反射器の反射率を低減する位相ずれを引き起こす深さを有する。図５Ａ〜５Ｄと同様に、いっそうの反射率の差別化をもたらすために、光電子デバイスの所望の光キャビティ上などの、層１１０の選択した非パターン形成領域上に、１つまたは複数の追加の層を有するキャップ・ミラー１１２を設けることができる。次いで層１１０のエッチング済み領域上に、金属層１１４を設けることができる。金属層は頂部接点として働くことができる。金属層１１４をキャップ・ミラー１１２まですべて、またはキャップ・ミラー１１２付近まで延長することにより、光電子デバイスについてのより良好な電流拡散を達成することができる。
【００５３】
図１１は、図５Ａ〜５Ｄに示すのと類似の、本発明の別の例示的実施形態を示す概略側断面図である。この実施形態は、図１０の実施形態と類似しているが、ここでは１１６と符号を付けた金属層が、層１１０のエッチング済み領域上と、キャップ・ミラー１１２上に延びる。後方照明デバイスでは、これにより、光電子デバイスについてのさらに良好な電流拡散を実現することができる。
【００５４】
図１２は、図８Ａ〜８Ｅに示すのと類似の、本発明の別の例示的実施形態を示す概略側断面図である。光電子デバイスの光キャビティ上で急激に変化しない屈折率を有する共振反射器が提供される。この例示的共振反射器は、例えば第１屈折率を有する第１材料１２０と第２屈折率を有する第２材料１２２との両方からの寄与を含む屈折率を有する少なくとも１つの共振反射器層を含む。図示する実施形態では、第１材料１２０は、第１領域に閉じ込められ、第２材料１２２は、第２領域に閉じ込められ、第１領域と第２領域は、界面に沿って共に延びる。次いで金属層１２４が、構造全体の上に設けられる。後方照明デバイスでは、金属層１２４は、図８Ａ〜８Ｅに示すデバイスと比較したとき、電流拡散を向上させることができる。
【００５５】
本発明の好ましい実施形態を説明したので、本明細書から得られる教示を、頭記の特許請求の範囲内のさらに別の実施形態に適用できることを当業者は容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】従来技術による平面電流ガイド式ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面発光型垂直キャビティレーザの概略図である。
【図２】本発明によるモード制御を向上させるための第１の例示的共振反射器を備える平面電流ガイド式ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面発光型垂直キャビティレーザの概略側断面図である。
【図３】図３Ａは、図２の共振反射器を作成する例示的方法を示す概略側断面図である。
図３Ｂは、図２の共振反射器を作成する例示的方法を示す概略側断面図である。
図３Ｃは、図２の共振反射器を作成する例示的方法を示す概略側断面図である。
図３Ｄは、図２の共振反射器を作成する例示的方法を示す概略側断面図である。
【図４】本発明によるモード制御を向上させるための第２の例示的共振反射器を備える平面電流ガイド式ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面発光型垂直キャビティレーザの概略側断面図である。
【図５】図５Ａは、図４の共振反射器を作成する例示的方法を示す概略側断面図である。
図５Ｂは、図４の共振反射器を作成する例示的方法を示す概略側断面図である。
図５Ｃは、図４の共振反射器を作成する例示的方法を示す概略側断面図である。
図５Ｄは、図４の共振反射器を作成する例示的方法を示す概略側断面図である。
【図６】本発明によるモード制御を向上させるためのさらに別の例示的共振反射器を備える平面電流ガイド式ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面発光型垂直キャビティレーザの概略側断面図である。
【図７】図７Ａは、図６の共振反射器を作成する第１の例示的方法を示す概略側断面図である。
図７Ｂは、図６の共振反射器を作成する第１の例示的方法を示す概略側断面図である。
図７Ｃは、図６の共振反射器を作成する第１の例示的方法を示す概略側断面図である。
図７Ｄは、図６の共振反射器を作成する第１の例示的方法を示す概略側断面図である。
【図８】図８Ａは、図６の共振反射器を作成する別の例示的方法を示す概略側断面図である。
図８Ｂは、図６の共振反射器を作成する別の例示的方法を示す概略側断面図である。
図８Ｃは、図６の共振反射器を作成する別の例示的方法を示す概略側断面図である。
図８Ｄは、図６の共振反射器を作成する別の例示的方法を示す概略側断面図である。
図８Ｅは、図６の共振反射器を作成する別の例示的方法を示す概略側断面図である。
【図９】図９Ａは、図６の共振反射器を作成するさらに別の例示的方法を示す概略側断面図である。
図９Ｂは、図６の共振反射器を作成するさらに別の例示的方法を示す概略側断面図である。
図９Ｃは、図６の共振反射器を作成するさらに別の例示的方法を示す概略側断面図である。
図９Ｄは、図６の共振反射器を作成するさらに別の例示的方法を示す概略側断面図である。
図９Ｅは、図６の共振反射器を作成するさらに別の例示的方法を示す概略側断面図である。
【図１０】図５Ａ〜５Ｄに示すのと類似の、本発明の別の例示的実施形態を示す概略側断面図である。
【図１１】図５Ａ〜５Ｄに示すのと類似の、本発明の別の例示的実施形態を示す概略側断面図である。
【図１２】図８Ａ〜８Ｅに示すのと類似の、本発明の別の例示的実施形態を示す概略側断面図である。

Claims (13)

  1. 光電子デバイス（５４）用の共振反射器（５０）であって、
    第１屈折率を有する第１材料層（５６）であって、第１材料層（５６）が、第１材料層（５６）中に延びる１つまたは複数のパターン形成済み領域（６０）を有し、選択されたパターン形成済み領域（６０）が、第２屈折率を有する第２材料（５８）で充填される、第１材料層（５６）と、
    第１材料層（５６）に隣接して配置されたミラーであって、第３の屈折率を有する隣接ミラー層（５２）を有するミラーと、
    によって特徴付けられる共振反射器（５０）。
  2. 請求項１に記載の共振反射器（５０）であって、第１屈折率が、第２屈折率よりも大きく、第１屈折率および第２屈折率が、第３屈折率よりも小さい、共振反射器（５０）。
  3. 請求項１に記載の共振反射器（５０）であって、１つまたは複数のパターン形成済み領域（６０）が、領域中の共振反射器（５０）の反射率を低減する、共振反射器（５０）。
  4. 請求項３に記載の共振反射器（５０）であって、１つまたは複数のパターン形成済み領域（６０）が、光電子デバイス（５４）に対するモード制御を実現するように配置される、共振反射器。
  5. 光電子デバイス用（５４）の共振反射器（５０）を形成する方法であって、光電子デバイス（５４）が頂部ミラーを有し、該方法は、
    頂部ミラー（５２）の上に、第１材料層（５６）を設けるステップと、
    第１材料層（５６）中のパターンをエッチングして、１つまたは複数のパターン形成済み領域（６０）を得るステップと、
    １つまたは複数のパターン形成済み領域（６０）上を含む第１材料層（５６）上に、第２材料層（５８）を設けるステップと、
    によって特徴付けられる方法。
  6. 光電子デバイス（５４）用の共振反射器（５０）を形成する方法であって、光電子デバイス（５４）が頂部ミラーを有し、該方法は、
    頂部ミラーの頂部ミラー層（５２）中のパターンをエッチングして、１つまたは複数のパターン形成済み領域を得るステップと、
    １つまたは複数のパターン形成済み領域上を含む頂部ミラー層（５２）上に、材料層（５８）を設けるステップと、
    によって特徴付けられる方法。
  7. 光電子デバイス用の共振反射器（７０）であって、
    頂部ミラー層（７２）を有する第１ミラー領域であって、前記頂部ミラー層が、前記頂部ミラー層（７２）中に延びるがすべてを貫かない１つまたは複数のパターン形成済み領域（７４）と、１つまたは複数の非パターン形成領域（７８）とを有する、第１ミラー領域と、
    頂部ミラー層（７４）の選択された非パターン形成領域（７８）上に形成された第２ミラー領域（７６）と、
    によって特徴付けられる共振反射器（７０）。
  8. 光軸（１００）を有する光キャビティを有する光電子デバイス（１０）用の共振反射器（９０）であって、
    光電子デバイス（１０）の光キャビティの少なくとも一部にわたって延在する共振反射器層（９２）であって、共振反射器層（９２）が、第１屈折率を有する第１領域（９４）と第２屈折率を有する第２領域（９６）とを有し、第１領域（９４）および第２領域（９６）が、界面（９８）に沿って共に延び、界面（９８）の少なくとも一部が、光軸（１００）と平行でない、共振反射器層（９２）、
    によって特徴付けられる共振反射器（９０）。
  9. 請求項８に記載の共振反射器（９０）であって、前記第１領域（９４）が、光キャビティの中心に向かって配置され、光軸（１００）と平行でない側縁を有し、前記第２領域（９６）が、前記第１領域の側縁に沿って共に延在する側縁を有する、共振反射器（９０）。
  10. 光電子（１０）デバイス用の共振反射器（９０）を形成する方法であって、
    ほぼ平面の材料の第１層（９４）を設けるステップと、
    材料の第１層（９４）上にフォトレジスト層（１１０）を設けて、パターン形成するステップと、
    フォトレジスト層（１１０）を熱してリフローさせ、非平面であるフォトレジスト層（１１０）の頂面を得るステップと、
    フォトレジスト層（１１０）および材料の第１層（９４）をエッチングして、フォトレジスト層（１１０）の非平面頂面の形状を材料の第１層（９４）に転写するステップと、
    材料の第１層（９４）上に材料の第２層（９６）を設けるステップと、
    によって特徴付けられる方法。
  11. 光電子デバイス（１０）用の共振反射器（９０）を形成する方法であって、
    ほぼ平面の材料の第１層（９４）を設けるステップと、
    材料の第１層（９４）をパターン形成するステップと、
    材料の第１層（９４）を熱してリフローさせ、非平面である頂面（９８）を得るステップと、
    材料の第１層（９４）上に材料の第２層（９６）を設けるステップと、
    によって特徴付けられる方法。
  12. 請求項１１に記載の方法であって、該方法はさらに、材料の第２層（９６）を熱してリフローさせ、ほぼ平面である頂面を得るステップを含む方法。
  13. 光電子デバイス（１０）用の共振反射器（９０）を形成する方法であって、
    ほぼ平面である材料の第１層（９４）を設けるステップと、
    材料の第１層（９４）をパターン形成し、頂部コーナ（１２０）まで上方に延びる側縁（１１８）を得るステップと、
    側縁（１１８）上および頂部コーナ（１２０）上を含むパターン形成済みの材料の第１層（９４）上にフォトレジスト層（１１４）を設けるステップであって、フォトレジスト層（１１４）が、頂部コーナ（１２０）付近で薄くなる、ステップと、
    フォトレジスト層（１１４）および材料の第１層（９４）をエッチングするステップであって、まず頂部コーナ（１２０）付近のフォトレジスト層（１１４）をエッチングし、その結果、材料の第１層（９４）の頂部コーナ（１２０）が、頂部コーナ（１２０）から離れた領域よりも多くエッチングされる（１２２）、ステップと、
    材料の第１層（９４）上に材料の第２層（９６）を設けるステップと、
    によって特徴付けられる方法。
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