JP2005354061A

JP2005354061A - 熱伝導率の高い垂直共振器型面発光レーザ

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Publication number: JP2005354061A
Application number: JP2005166540A
Authority: JP
Inventors: Yoon K Song; ヨン・ケイ・ソン; Michael H Leary; マイケル・エイチ・レアリー; Michael R T Tan; マイケル・アール・ティー・タン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2005-12-22
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Abstract

【課題】熱の分布特性を改善することにより、熱が及ぼす悪影響を軽減又は解消することのできる発光装置を提供する。
【解決手段】本発明の光装置は、既知の波長の光を発生するように適合されている発光層（40）と、発光層（40）の上方の上部反射器（20）と、発光層（40）の下方の下部反射器（30）と、発光層（40）と下部反射器（30）の間及び発光層（40）と上部反射器（20）の間の少なくともどちらか一方の高熱伝導率（HTC）層（102）とからなることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明はレーザに関する。より詳細には、本願発明は、改良された垂直共振器型面発光レーザに関する。

レーザのような発光装置は、通信及びデータ記憶装置のような種々の用途においてますますよく利用されるようになっている。レーザの１つの形式として垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）を挙げることができる。図１は、例示的な先行技術によるVCSEL 10の切断側面図を示す。例示的なVCSEL 10は、従来の酸化物で密閉された上面発光VCSEL 10である。VCSEL 10には、活性領域40を間に挟む上部反射器20及び下部反射器30が含まれている。反射器20及び30と、活性領域40は、基板50上に形成されている。下部電極52は基板に接続され、一方上部電極54は上部反射器20に接続されている。

基板50は、シリコンをドープしたｎ型ガリウム砒素（GaAs）とすることができる。下部電極52は、基板50に対してオーミック接触を形成し、一般に金-ゲルマニウム（AuGe）合金のような導電性金属から形成されている。

活性領域40には、一般に、InGaAs（インジウムガリウム砒素）、GaAs（ガリウム砒素）、AlGaAs（アルミニウムガリウム砒素）、又はInAlGaAs（インジウムアルミニウムガリウム砒素）からなる１つ又はそれ以上の量子井戸より構成される発光層42が含まれている。発光層42は、上部スペーサ44によって上部反射器20から隔置され、下部スペーサ46によって下部反射器30から隔置されている。発光層42は、所定の又は既知の波長を有する光を発生するように構成されている。所定の波長は、例えば約650ナノメートル（nm）から約1400ナノメートルの範囲にわたって広く変化することがある。スペーサ層44及び46は、例えばAlGaAsを利用して製造することができる。

活性領域40は、上部反射器20と下部反射器30の間に挟まれている。上部反射器20及び下部反射器30は、例えば、アルミニウム砒素（AlAs）、ガリウム砒素（GaAs）、又はアルミニウムとガリウムの比率が異なるアルミニウムガリウム砒素（AlGaAs）のような、光の屈折率が異なる材料による波長の四分の一の厚みの交互層を含む分布ブラッグ反射器（DBR）である。このため、上部反射器20及び下部反射器30は、DBRミラー20及び30とも称される。

従来、DBRミラー20及び30の各層は、活性領域40によって生じる光の波長の四分の一（1/4）の厚みを有する。簡略化のため、図１には、DBRミラー20及び30のそれぞれについて、８層（４対の層）のみを示す。実際の実施においては、DBRミラー20及び30のそれぞれに、20対又は30対の層のようなより多くの層が含まれる。

半導体レーザの動作に必要とされる光学利得を生じさせるために、活性領域40は、p-n接合から構成され、電流がそれに注入される。VCSEL 10を介する電流の流れを促進するために、DBRミラー20及び30は、バルク材料の導電性を改善し、かつ交互の四分の一波長層の間の界面に形成されている多くのヘテロ障壁における電圧降下を最小限に抑えるように、慎重に設計された分布によってｎ型又はｐ型のドーパントがドープされる。

導電性DBRミラーにおいてバルク抵抗及びヘテロ障壁の電圧降下のために生じる熱は、ドーパント分布（ドーピングプロファイル）を慎重に設計することによって軽減することができるが、活性領域のp-n接合において発生する熱は、装置の動作に固有のものであり、完全に排除することはできない。通常、一方のDBRがｎ型ドープされ、もう一方がｐ型ドープされ、活性領域40にp-n接合が形成され、それに関連した熱放散が生じる。例えば、上部DBRミラー20は、ｐ型ドープGaAs、AlAs又はAlGaAsの層を含み、一方下部DBRミラー30は、ｎ型ドープGaAs、AlAs又はAlGaAs層を含む。ｎ型ドーパントをシリコンとし、ｐ型ドーパントを炭素とすることができる。

この例示的なVCSEL 10の場合、上部反射器20の層は、ｐ型半導体としてドープされ、下部反射器30の層は、ｎ型半導体としてドープされている。基板50にドープして、ｎ型接触が形成される。

このような構造のVCSEL 10及びその動作は、当該技術において既知である。レーザ光（発振効果、レージング効果）を生じさせるため、電流が、電極52及び54を介して、VCSEL 10に導入される。電流が活性領域40を介して流れると、発光層42の量子井戸によって光子（光粒子）が発生される。十分な電流が活性領域40を介して流れると、DBRミラー20と30により反射され、DBRミラー20と30の間で行きつ戻りつし、光がコヒーレント（可干渉）に増幅される光学利得が生じる。光の一部は、DBRミラー20及び30を透過し、一般に、上部電気接触の開口部56を利用して、透過光は装置10から抜け出る。この抜け出た光を矢印58で示す。

電流閉じ込め障壁60が利用され、電流が概して活性領域40の中央に送られる場合が多い。使用時、電流閉じ込め障壁60は、一般に、直径が接触開口部の幅57と同様か、又はそれより小さい円形領域又は多角形領域（上から見ての形状、図示せず）を除く全ての領域を絶縁する。電流の大部分が、発光層42の一部43に向けて送られるので、光の大部分は、本明細書において活性部分43と称されるこの部分43内において発生する。

VCSEL 10からより多くの光を発生させるために、より多くの電流がVCSEL 10に供給される。電流が増大すると、光が結果として増加するだけではなく、活性領域40で発生する熱も多くなる。この熱が、VCSEL 10に悪影響を及ぼし、VCSEL 10によって発生可能な光量が制限される。

VCSELの過熱によっていくつかの悪影響がもたらされるが、その悪影響には、波長のシフト、利得の低下、吸収の増大、屈折率のシフトと関連する光学的損失及びDBRミラーの反射率変化、漏洩電流、熱レンズ効果、効率の低下が含まれる。これらの影響とそれらの空間変動の組み合わせによって、最終的には、VCSEL 10が実現可能な最大出力、最大単一横方向モード出力、最大変調帯域幅、最大効率が制限される。さらに、これらのパラメータの全てが、商業的に重要である。例えば、長波長（放射光の波長が1300 nmの）のVCSELは、大都市地域の10キロメートル（km）又はそれ以上のリンク長にわたって極めて高いビットレートで動作する光通信リンクにおける光源として商業的に有利であるが、VCSELにおける発熱のために、このようなリンクの変調速度、光出力及び単一モード光出力要件を同時に満たすことは極めて困難である。

図２は、詳細な有限要素モデリングによって得られる結果と同様の、活性領域40に沿った横方向温度分布曲線70を示す。ここで、層間隔42iは、図１のVCSEL 10の発光層42の範囲を表し、それに対応し、活性間隔43iは、光子の大部分が発生する発光層42の活性部分43の範囲を表し、それに対応する。図２に示すように、温度は活性間隔43iにおいて最高になり、活性間隔43iの縁部において急激に降下する。活性間隔43iにおける温度と活性間隔43iの範囲外における温度との差72は、比較的大きい。横方向温度分布曲線70は、熱が、VCSEL 10の活性部分43内に有効に閉じ込められ、有効に分布又は放散せず、したがって図１のVCSEL 10の熱問題が悪化することを示唆している。

熱は、主として、DBRミラー20及び30の光学的な高コントラスト、高導電率及び高熱伝導率という通常相反する要件のために、活性部分43内に閉じ込められる。DBRミラーは、一般に光学的な高コントラスト及び低電気損失となるように設計されている。さらに、DBRミラーは、通常、熱伝導率が低く、その結果、活性部分43で発生した熱が閉じ込められて、図２の曲線70によって示されるような、高いピーク温度を生じる。高いピーク温度によって、効率が制限されるというような、過熱に関連した問題が悪化するだけではなく、熱の閉じ込めによって生じる狭い空間分布によって、熱レンズ効果のような横方向熱分布に関連した問題が悪化する。

したがって本発明は、熱分布特性が改善されて、その結果、熱が発光装置に及ぼす悪影響の軽減又は解消された改良型レーザの提供を課題とする。

上記課題は、本発明によって解決される。本発明の一実施態様において、発光装置は、発光層、上部反射器、下部反射器、発光層と上部反射器の間及び発光層と下部反射器の間の少なくとも１つの高熱伝導率（HTC）層を含む。HTC層は、発光層と下部反射器の間、発光層と上部反射器の間、又はその両方に配置される。発光層は、第１の波長の光を発生するように適合されている。発光層で生じる熱は、HTC層が存在するため、より効率よく放散される。

本発明の他の実施態様において、発光装置は、発光層、上部反射器及び高熱伝導率（HTC）下部反射器を含む。発光層は、既知の周波数の光を発生するように適合されている。発光層で生じる熱は、下部反射器がHTC反射器であるという事実のため、より効率よく放散される。

本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理の一例として示す添付の図面に関連してなされる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、発光層（40）、上部反射器（20）、下部反射器（30）、発光層と下部反射器（30）の間の高熱伝導率（HTC）層（102）を含む垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）のような発光装置（100）に関する。発光層（40）は、第１の波長の光を発生するように適合されている。発光層において生じた熱は、HTC層（102）の存在によって、より効率的に放散される。代替的に、本発明は、発光層（40）、上部反射器（20）、高熱伝導率（HTC）下部反射器（120）を含むVCSELのような発光装置（100d）に関する。発光層（40）において生じた熱は、下部反射器（120）が従来のDBR反射器よりも低い熱抵抗率を有するという事実によって、より効率的に放散される。

さらに本発明の種々の実施態様を示す図１〜図８Ｃに関連して、本発明の説明を行う。図において、構造又は部分の寸法は、例示を目的として、他の構造又は部分の寸法に対して強調されているものもあり、したがって本発明の大まかな構造を明らかにするものである。さらに本発明の種々の態様を、他の構造、部分又は双方に対して「上側に」又は「真上に」配置されている構造又は部分に関連して解説する。当業者には明らかであるように、「上側に」又は「真上に」のような相対的な用語及び言い回しを、本明細書では、図に示す他の構造又は部分に対するある構造又は部分の関係を表わすために利用する。このような相対的な用語は、図に描かれている配向に加えて、装置のさまざまな配向を包含することを意図したものであると理解される。例えば、図の装置が、反転、回転又はその双方が行われると、他の構造又は部分の「上方に」又は「真上に」と説明された構造又は部分が、今や他の構造又は部分の「下方に」又は「真下に」配向される。同様の参照番号は、本明細書全体を通じて同様の構成要素を表わす。

例示を目的として図に示すように、本発明の実施態様は、既知の波長の光を発生するように適合されている発光層、発光層の上方の上部反射器、発光層の下方の下部反射器及びそれらの間の少なくとも１つの高熱伝導率（HTC）層を有する発光装置によって具現化される。HTC層は、発光層と下部反射器の間、発光層と上部反射器の間又はその双方に配置される。発光層で発生する熱は、HTC層の存在によって、より効率的に放散される。HTC層は、上部及び下部反射器と比較して相対的に高い熱伝導率の材料から製造されている。この設計によって、発光層で生じる熱は、より効率的に取り除かれ、放散される。

本発明は、部分的に、発光層の近くに熱伝導率の高い材料を配置すると、熱放散が促進されるという認識に基づく。しかしながらこのような材料は、高い光学的透明度、許容レベルの導電率及び既知の工程を利用して容易に製造できることのような他のいくつかの要件を満たす必要がある。

図１を再度参照すると、所望の反射率を達成するため、一般に上部反射器20及び下部反射器30は、対をなす層を利用して構成され、各対は、Al_XGa_(1-X)Asの第１の組成からなる第１の層と、Al_XGa_(1-X)Asの第２の組成からなる第２の層を備えている。第１の層及び第２の層は、互いに異なる屈折率を有する。各層の厚みは、発生する光の波長の四分の一に等しい厚みである。層は、共にブラッグ反射器を形成している。層は、一般にAlAs、GaAs又は種々の組成のAlGaAsからなる対をなす層から構成されている。

種々の組成のAlGaAsは、以下の関係式でしばしば表現される。
Al_XGa_(1-X)As
ここで、Xはアルミニウムとガリウムの組成比を画定する。例えば、Xが零（０）の場合、構成にアルミニウムが含まれず、組成はGaAsに限定される。Xが１の場合、構成にガリウムが含まれず、組成はAlAsに限定される。例えば、Xが0.3の場合、構成はAl_(0.3)Ga_(0.7)Asと表わすことができる。図１において、層が対をなして形成される層対の形成を、下部反射器30内の単一の層対32を利用して示す。層対32は、Al_(0.2)Ga_(0.8)（0.2の組成比を有する）の第１の層31と、Al_(0.9)Ga_(0.1)（0.9の組成比を有する）の第２の層33を含む。

アルミニウムとガリウムの比率が異なるため、これらの層のそれぞれは、光学的な屈折率及び熱伝導率が他の層と異なっている。図３は、さまざまな組成のAl_XGa_(1-X)Asの熱抵抗率の概略を表す熱抵抗率曲線80を示す。熱抵抗率は熱伝導率の逆数である。図３において、横軸（ｘ軸）は、アルミニウム（X）とガリウムの組成比を表し、縦軸（ｙ軸）は、センチメートルケルビン／ワット（cm・K/W）で表される熱抵抗率を表している。熱抵抗率が１cm・K/Wである材料が厚み１センチメートル（cm）の層をなす場合には、層の両側に１ケルビン（K）の温度差を維持するのに、１ワットの熱流が必要である。

図１及び図２を参照すると、熱抵抗率曲線80によって示すように、0.2の組成比で、Al_(0.2)Ga_(0.8)Asの第１の層31は、参照番号31rによって示すように、ほぼ6.0 cm・K/Wをわずかに超える程度の熱抵抗率を有する。0.9の組成比で、Al_(0.9)Ga_(0.1)Asの第２の層33は、参照番号33rによって示すように、ほぼ4.0 cm・K/Wの熱抵抗率を有する。

熱抵抗率曲線80によって示すように、組成Al_XGa_(1-X)Asに関して、熱抵抗が最低になる（したがって熱伝導率が最高になる）のは、組成比Xが１に等しくなる場合である。組成比Xが１の場合、組成Al_XGa_(1-X)Asは、図３に参照番号82で示すように、約１cm・K/Wの比較的低い熱抵抗（高い熱伝導率）を示すAlAsに限定される。すなわちAlAsは、熱伝導率が比較的高く、光学的な透明度及び導電率が許容レベルであり、既知の工程を利用して製造することが比較的容易である。したがってAlAs層を、発光層40の近くの高熱伝導率（HTC）層として利用することができる。

図４は、VCSEL 100のような本発明の発光装置100の一実施態様を示す。図４のVCSEL 100は、図１のVCSEL 10の対応する部分と同じか又は同様の多くの部分が含まれている。便宜上、図１のVCSEL 10の対応する部分と同じか又は同様である図４のVCSEL 100の部分には、図１の参照番号と同じ参照番号を割り当て、異なる部分には、異なる参照番号を割り当てている。さらに、混乱を回避するため、対応する部分が図１に示されているとしても、図１のVCSEL 10に関して示す全ての参照番号を、図４のVCSEL 100に関して再現するわけではない。

図４を参照すると、VCSEL 100は、第１の既知の波長の光を発生するように適合されている発光層40を含む。例えば、発光層40は、約1.3ミクロン（μm）の波長の光を発生する。発光層40は、発光層40の上方の上部反射器20と、発光層40の下方の下部反射器30の間に挟まれている。発光層40によって生じる熱の放散を促進するため、発光層40と、反射器20及び30の一方との間に、高熱伝導率（HTC）層102が設けられている。例示する実施態様において、例えばHTC層102は、発光層40と下部反射器30との間に配置されている。またHTC層102を、発光層40と上部反射器20の間に配置することができることは云うまでもない。

図１のVCSEL 10と同様、図４のVCSEL 100は基板50の上に製造されている。電極52及び54は、それぞれ基板50及び上部反射器20に接続し、電気接触を形成する。上部反射器20及び下部反射器30は、交互層、すなわち対をなす各層が対をなすもう一方の層と比較して異なる屈折率を有する層対を繰り返すことによって形成される分布ブラッグ反射器（DBR）である。やはり、この実施態様でも、上部DBRミラー20にｐ型ドーパントがドープされ、下部DBRミラー30にｎ型ドーパントがドープされている。

HTC層102は、光学的な透明度が高く、熱伝導率が反射器20及び30に比べて相対的に高い（又は熱抵抗率が低い）。さらに、この場合、HTC層102は、熱の大部分を直接発生する発光層40と熱接触している。したがってHTC層102は、発光層40から熱を取り除き、及び放熱することを促進する。HTC層102の厚み104は、用途に応じて広い範囲に及び得るが、一般に半波長の整数倍に等しい厚みである。

半波長の整数倍に等しい厚みの半波長層は、全く存在しないかのような光学的な挙動、作用をほぼ示す。したがってVCSELに半波長層のHTC層を挿入すると、HTCの利点が付加されるが、光学的な副作用はほとんどない。半波長層は、さらに、周囲の材料の屈折率が高いか低いかによって、その光学的な特性が左右されないという利点がある。DBRにおいて見られるような波長の四分の一に等しい厚みを有する四分の一波長層は、光学的に反射性であり、その挙動、作用は、周囲の材料によって左右される。四分の一波長層は、本発明のHTC層に利用可能であるが、半波長層は特に柔軟性に富んでいるため、現時点において、本発明に選択される可能性が相対的に高い。

例えば、波長が1.3ミクロン（μm）の場合、HTC層102は、わずか0.1ミクロンの薄さにすることもできるし、数ミクロン又はそれ以上の厚みとすることも可能である。HTC層の厚みが増すと、熱を取り除く熱除去に関してはより有効になるが、空洞共振器のモード容量も大きくなり、その結果、場合によっては、VCSELの最大変調速度又は効率が低下することがある。したがってHTC層102の最適厚104は、特定のVCSEL設計及び用途の詳細な要件によって決定される。HTC層102は、任意の適切な材料を利用して製造することができる。例示する実施態様において、HTC層102は、上述のように、また図３に関連して示すように、熱伝導率が比較的高い、アルミニウム砒素を利用して製造される。

図５は、図４のVCSEL 100の活性領域40に沿った横方向温度分布曲線110を示す。この場合、層間隔42iは、発光層42（図４のVCSEL 100の）の範囲を表し、対応し、活性領域43iは、光子のほとんどが発生する発光層42（図４のVCSEL 100の）の活性領域43の範囲を表し、対応する。

図５に、横方向温度分布曲線110との比較のため、図２からの横方向温度分布曲線70を再現して示す。

横方向温度分布曲線110に関して、予測どおり、温度は、活性領域43iにおいて最高となり、活性領域43iの縁部で降下する。しかしながら温度分布曲線110によって示されている最高温度は、温度分布曲線70によって示されている最高温度よりも低く、したがって図４のVCSEL 100の活性部分43は、図１のVCSEL 10の対応する活性部分43よりも低温で動作することが示されている。

さらに、活性領域43iにおける温度と活性領域43iの範囲外における温度の差112（曲線110に関する）は、温度差72（曲線70に関する）よりも相対的に小さい。また活性領域43iにおける温度から活性領域43iの範囲外における温度への温度の変化、遷移は、曲線70に関する対応する温度降下と比較してより滑らかである。

これらの知見は、VCSEL 100のHTC層102が、発光層40内で発生した熱の放散を助け、VCSEL 100（図４の）がより低い温度で動作可能になり、したがってVCSEL 100においては、VCSEL 10（図１の）の発光層40内における高温及び急な温度勾配に関連した問題が軽減又は解消されることを示唆する。

高い反射率及び光学的な透明度が要求されるだけではなく、DBRミラーは、電圧降下が小さくなるように設計して、装置の動作中にそれ自体の寄生熱がほとんど発生しないようにするのが望ましい。DBRスタックの導電率を改善するための１つの方法は、ドーパントの空間的に異なる分布を統合して、電流の流れを促進することである。第１のやり方に通常組み合わせられたもう１つのやり方によって、DBRミラーの各交互層対の間に組成的に漸変する遷移層が挿入される。漸変する遷移層は、有限の距離にわたってバンドギャップの変化を広げる機能をもたらし、このため、慎重に設計されたドーパントの分布によって、ほとんど電気抵抗のない経路を形成することが可能になる。漸変する遷移層の厚みは、一般に10 nm〜30 nm（100〜300オングストローム）である。しかしながら漸変する遷移層は、必然的に、交互DBR層の各交互層対間の材料組成から構成される。図３を参照すると、DBRミラーがAlGaAsの交互層から構成されている場合、これらの漸変する遷移層は、熱伝導率が最高であるAlGaAs組成から構成されているそれらの厚みの一部を含む。したがって、漸変する遷移層、漸変層は、DBRミラーの熱抵抗の一因になる。

図６は、VCSEL 100aのような本発明の発光装置100aのもう１つの実施態様を示す。図６のVCSEL 100aは、図４のVCSEL 100の対応する部分と同じか、又は同様の部分を多く含む。便宜上、図４のVCSEL 100の対応する部分と同じか、又は同様である図６のVCSEL 100aの部分には、図４のVCSEL 100の部分と同じ参照番号を割り当て、同様であるが変更された部分には、英字「a」が付加された同じ参照番号を割り当て、異なる部分には、異なる参照番号を割り当てている。さらに、混乱を回避するため、対応する部分が図４に示されているとしても、図４のVCSEL 100に関して示す全ての参照番号を、図６のVCSEL 100aに関して再現するわけではない。

図６を参照すると、VCSEL 100aは、以下の変更を除いて、図４のVCSEL 100と実質上同じ構造を有する。まず、VCSEL 100aは、ドープされていないノンドープ下部DBRミラー30aを含むが、その上部DBRミラー20には、ｐ型ドーパントがドープされている。したがって、上部電極54からの電流は、下流に流れ、ｐ型ドープDBRミラー20及び発光層40を介して、さらに接触層106を横方向に通って、最後に下方接触52aから出る。

接触層106は、導電性で、光学的に透明にすることが可能であり、質の高い発光層を成長又は付着させることが可能な任意の材料を利用して製造することができる。一般的な選択対象として、GaAs（ガリウム砒素）、AlGaAs（アルミニウムガリウム砒素）、InGaP（インジウムガリウムリン）、InGaAs（インジウムガリウム砒素）、InP（インジウムリン）、AlInGaP（アルミニウムインジウムガリウムリン）又は関連材料、あるいはそれらの材料の組み合わせを挙げることができる。接触層は、例えば10 nm（100オングストローム）〜数ミクロン（μm）の任意の厚みとすることが可能であるが、典型的な多量にドープされる接触層は、光損失を最小限に抑えるために、わずか数十nm（数百オングストローム）の厚みしかなく、一般により少なめにドープされる厚み数百nm（数千オングストローム）の電流拡散（波及）領域と組み合わせられて、全体層106を構成する。

実施態様によっては、HTC層102は、接触層の横方向導電性を助長する電流拡散層として機能する。下方のｎ型接触を構造の下部から本実施例における活性領域の真下の接触層まで移動させ、下方のDBRミラーをドープせず、漸変しないようにすることができる。交互DBR層の界面における漸変層を不要にすることによって、ミラー自体の熱伝導率をはるかに高めることが可能となる。しかしながら漸変層を除去することによって、それらの界面における電圧降下が極めて大きくなり、対応する寄生熱が発生するので、この導電経路では、接触層106及び拡散層102によってもたらされるようなDBRミラーが無効になる、阻止される。さらに基板50aは、図１の基板50のようにドープする必要がない。

接触層106は、エッチング停止層108を利用して発光層40から分離することもできる。エッチング停止層108は、InGaAs、InGaP、InP、AlInGaPのような多種多様の材料を利用して、あるいはGaAs又はAlAs又は関連材料さえ利用して製造することができる。エッチング停止層の目的は、上方層20及び40を除去し、正確に接触層106で停止する処理の信頼性を高めることにある。したがってエッチング停止層は、通常極めて薄く、一般にわずか数十nm（数百オングストローム）の厚みしかない。実施態様によっては、層108、106及び102の機能を組み合わせて、１つ又は２つの層にすることもできる。

図７Ａは、VCSEL 100bのような、本発明の発光装置100bのもう１つの実施態様を示す。図７ＡのVCSEL 100bは、図４のVCSEL 100の対応する部分と同じか又は同様の部分を多く含む。便宜上、図４のVCSEL 100の対応する部分と同じか又は同様である図７ＡのVCSEL 100bの部分には、図４のVCSEL 100と同じ参照番号を割り当て、同様であるが変更された部分には、英字「b」が付加された同じ参照番号を割り当て、異なる部分には、異なる参照番号を割り当てている。さらに、混乱を回避するため、対応する部分が図４に示されているとしても、図４のVCSEL 100に関して示す全ての参照番号を、図７ＡのVCSEL 100bに関して再現するわけではない。

図７Ａを参照すると、VCSEL 100bでは、そのHTC層102bが発光層40と上部DBRミラー20の間に配置されているという点を除いて、VCSEL 100bは、図４のVCSEL 100と実質上同じ構造を有する。HTC層102bは、図４のHTC層102と同じか又は同様の材料から製造され、同様の構成及び構造を有する。

図７Ｂは、VCSEL 100cのような、本発明の発光装置100cのもう１つの実施態様を示す。図７ＢのVCSEL 100cは、図６のVCSEL 100a及び図７ＡのVCSEL 100bの対応する部分と同じか又は同様の部分を多く含む。便宜上、図６のVCSEL 100a及び／又は図７ＡのVCSEL 100bの対応する部分と同じか又は同様である図７ＢのVCSEL 100cの部分には、同じ参照番号を割り当て、同様であるが変更された部分には、英字「c」が付加された同じ参照番号を割り当て、異なる部分には、異なる参照番号を割り当てている。さらに、混乱を回避するため、対応する部分が図６、図７Ａ又は双方に示されているとしても、図６のVCSEL 100a及び／又は図７ＡのVCSEL 100bに関して示す全ての参照番号を、図７ＢのVCSEL 100cに関して再現するわけではない。

図７Ｂを参照すると、VCSEL 100cは、以下の変更を除いて、図７ＡのVCSEL 100bと実質上同じ構造である。まずVCSEL 100cは、ドープされていないノンドープ下部DBRミラー30aを含むが、その上部DBRミラー20には、ｐ型ドーパントがドープされている。したがって、上部電極54からの電流は、ｐ型ドープDBRミラー20、HTC層102b、発光層40及びｎ型ドーパントがドープされた接触層106を介して流れる。接触層106は、VCSEL 100aにおける対応する層106と同様であり、同様の組成及び厚みを有する。接触層106は、電極と発光層40の間に電気接触をもたらすように適合されている。

接触層106は、一般にエッチング停止層108を利用して発光層40から分離されている。エッチング停止層108は、図６のVCSEL 100aにおける対応する層と同様の特性を有する。

図８Ａは、VCSEL 100dのような本発明の発光装置100dのもう１つの実施態様を示す。図８ＡのVCSEL 100dは、図１のVCSEL 10の対応する部分と同じか又は同様の部分を多く含む。便宜上、図１のVCSEL 10の対応する部分と同じか又は同様である図８ＡのVCSEL 100dの部分には、同じ参照番号を割り当て、同様であるが変更された部分には、英字「d」が付加された同じ参照番号を割り当て、異なる部分には、異なる参照番号を割り当てている。さらに、混乱を回避するため、対応する部分が図１に示されているとしても、図１のVCSEL 10に関して示す全ての参照番号を、図８ＡのVCSEL 100dに関して再現するわけではない。

図８Ａを参照すると、VCSEL 100dは、第１の既知の波長の光を発生するように適合されている発光層40を含む。例えば発光層40は、約1.3ミクロン（μm）の波長の光を発生する。発光層40は、発光層40の上方の上部反射器20と、発光層40の下方の高熱伝導率（HTC）下部反射器120の間に挟まれている。

図１のVCSEL 10と同様、図８ＡのVCSEL 100dは、基板50の真上に製造されている。電極52及び54は、それぞれ基板50及び上部反射器20に接続し、電気接触を形成する。上部反射器20及び高熱伝導率（HTC）下部反射器120は、交互層、すなわち対をなす各層が対をなすもう一方の層と比較すると異なる屈折率を有する層対を繰り返すことによって形成される分布ブラッグ反射器（DBR）である。やはり、この実施態様では、上部DBRミラー20にｐ型ドーパントがドープされ、下部DBRミラー30にｎ型ドーパントがドープされている。

図８ＡのVCSEL 100dの上部反射器20は、図１のVCSEL 10の上部反射器20として構成されている。しかしながらHTC下部反射器120は、各対の第１の層が、第１の熱伝導率及び第１の厚みを有し、各対の第２の層が、第２の熱伝導率及び第２の厚みを有する層対を含む。HTC下部反射器120は、例えば第１の層対122を含む。

第１の層対122は、第１の熱伝導率及び第１の厚みを有する第１の層121と、第２の熱伝導率及び第２の厚みを有する第２の層123を含む。この場合、第１の層121を、例えば、前述のように、ほぼ６cm・K/Wをほんのわずかに超える程度の熱抵抗率を有するAl_(0.2)Ga_(0.8)Asとすることができる。第１の層の厚みを、四分の一波長（四分の一波長の１倍）を含む波長の四分の一の奇数倍に等しい厚みとすることができる。第２の層123を、例えば、前述のように、約４cm・K/Wの熱抵抗率を有するAl_(0.9)Ga_(0.1)Asとするか、又は図３に示すような約４cm・K/Wの熱抵抗率を有するAlAsとすることさえ可能である。第２の層の厚みを、例えば、四分の一波長の３倍という波長の四分の一の奇数倍である第２の厚みとすることができる。

ここで、VCSEL 100dの設計に関して根底にある概念は、相対的に低い熱伝導率（高い熱抵抗率）を有する材料に比較して、相対的に高い熱伝導率（低い熱抵抗率）を有する材料の比率が高くなるように、HTC下部反射器120を製造することである。結果得られるHTC下部反射器120は、全体として、熱伝導率が、図１の下部反射器30の熱伝導率に比べて高くなる（熱抵抗率は低くなる）。

HTC下部反射器120は、一様なHTC層対を有する。すなわち図８Ａに示すように、HTC下部反射器120の各層対は、各対の第１の層の厚みが波長の四分の一と等しくなり、各対の第２の層の厚みが波長の四分の一の同じ奇数倍、例えば波長の四分の一の３倍（3/4波長）と等しくなるように同様に構成されている。

図８Ｂ及び図８Ｃは、HTC下部反射器120b及び120cとして、図８ＡのHTC下部反射器120の代替的な実施態様を示す。図８Ｂにおいて、HTC下部反射器120bは一様ではないHTC層対を含む。すなわち図８Ｂに示すように、HTC下部反射器120bの層の第１のHTC層対122は、図８Ａに示し、上記した第１の対122として構成されている。すなわち第１の層対122は、第１の熱伝導率及び第１の厚みを有する第１の層121と、第２の熱伝導率及び第２の厚みを有する第２の層123を含む。この場合、第１の層121を、例えば、前述のように、ほぼ６cm・K/Wをほんのわずかに超える程度の熱抵抗率を有するAl_(0.2)Ga_(0.8)Asとすることができる。第１の層の厚みを、四分の一波長（四分の一波長の１倍）を含む波長の四分の一の奇数倍と等しい厚みとすることができる。第２の層123を、例えば、前述のように、約４cm・K/Wの熱抵抗率を有するAl_(0.9)Ga_(0.1)Asとするか、又は図３に示すような約４cm・K/Wの熱抵抗率を有するAlAsとすることさえ可能である。第２の層の厚みを、例えば、四分の一波長の３倍という波長の四分の一の奇数倍である第２の厚みとすることができる。

またHTC下部反射器120bは、図１のVCSEL 10の層対32と同様に構成されている層からなる第２のHTC層対32を含む。第２の層対32は、第１の層121と同じ熱伝導率（第１の熱伝導率）及び第１の層121と同じ厚み（第１の厚み）を有する第３の層31を含む。さらに第２の層対32は、第２の層123と同じ熱伝導率（第２の熱伝導率）を有するが、第１の層121と同じ厚み（第１の厚み）を有する第４の層33を含む。

図８Ｃにおいて、HTC下部反射器120cは、一様でないHTC層対のもう１つの構成を含む。この場合、図８Ｃに示すように、HTC下部反射器120cの層の第１のHTC層対122は、図８Ａに示し、上記した第１の対122として構成されている。またHTC下部反射器120cは、図８Ｂに示し、上記した層対32と同様に構成されている第２のHTC層対32を含む。さらにHTC下部反射器120cは、第１の層121と同じ熱伝導率（第１の熱伝導率）及び第１の層121と同じ厚み（第１の厚み）を有する第５の層125からなる第３のHTC層対126を含む。また第３の層対126は、第２の層123と同じ熱伝導率（第２の熱伝導率）を有するが、例えば、四分の一波長の５倍の厚みという波長の四分の一の奇数倍である第３の厚みを有する第６の層127を含む。

この論考は、電気的にポンピングを施される半導体垂直共振器型レーザに焦点を絞って行ってきたが、本発明の概念及び利点は、他の形式のレーザ及び光学装置に対してより広く適用可能である。例えば、光学的にポンピングを施されるレーザは、通常、本明細書で電気的にポンピングを施されるVCSELに関して解説したものと極めてよく似た温度分布及び熱流を生じる発光層において熱を発生し、同様に、同じ形式のHTC層の構成が役立つ。第２の例は、共振空洞発光ダイオード（LED）であり、本明細書で記載するVCSELと類似の電気的にポンピングを施されるが、レーザ状態を達成しない半導体装置である。しかしながら共振空洞LEDの最大出力は、VCSELのように、熱発生によって制限され、その装置は、本明細書に記載するHTC層の構成と同形式のものと同様の利点をもつ。

以上から明らかなように、本発明は、新規性があり、現行の技術を超える利点を提供する。上記では、本発明の特定の実施態様について解説し、示してきたが、本発明は、そのように解説され、示された部分の特定の形態又は構成に制限されるものではない。例えば、HTC反射器を、HTC下部反射器120の代わりに、又はそれに加えて、上部反射器20として製造することができる。さらに種々の組成のAlGaAsの代わりに、又はそれに加えて、異なる材料を利用することも可能であり、これらは、やはり本発明の範囲内にある。本発明は添付の特許請求の範囲によって制限される。

従来技術の例示的なVCSELの切断側面図である。図１のVCSELの一部に沿った横方向温度分布曲線を示す図である。さまざまな組成のAl_XGa_(1-X)Asの概略的な熱抵抗率を表す熱抵抗率曲線を示す図である。本発明の発光装置の一実施態様を示す図である。図４のVCSEL 100の一部に沿った横方向温度分布曲線を示す図である。本発明の発光装置の他の実施態様を示す図である。本発明の発光装置の他の実施態様を示す図である。本発明の発光装置の他の実施態様を示す図である。本発明の発光装置の他の実施態様を示す図である。図８Ａの発光装置の一部の代替的な実施態様を示す図である。図８Ａの発光装置の一部の代替的な実施態様を示す図である。

符号の説明

２０上部反射器
３０下部反射器
４０活性領域
４２発光層
４３活性部分
５０基板
５２電極
５４電極
５６開口部
５８光
６０電流閉じ込め障壁
１００発光装置
１０２ HTC層
１０６接触層
１２０ HTC下部反射器

Claims

既知の波長の光を発生するように適合されている発光層（40）と、
前記発光層（40）の上方の上部反射器（20）と、
前記発光層（40）の下方の下部反射器（30）と、
前記発光層（40）と前記下部反射器（30）の間及び前記発光層（40）と前記上部反射器（20）の間の少なくともどちらか一方の高熱伝導率（HTC）層（102）と
からなる発光装置。
前記上部反射器（20）が分布ブラッグ反射器（DBR）である請求項１に記載の発光装置。
前記HTC層（102）の厚みが半波長の整数倍である請求項１又は２に記載の発光装置。
前記HTC層（102）が、アルミニウム砒素、ガリウム砒素及びインジウムリンからなる群より選択された要素を含む請求項１又は２に記載の発光装置。
さらに、電極（52a）と前記発光層（40）の間に電気的接触をもたらすように適合されている接触層（106）を含む請求項１に記載の発光装置。
さらに、前記接触層（106）に関連したエッチング停止層を含む請求項５に記載の発光装置。
既知の波長の光を発生するように適合されている発光層（40）と、
前記発光層（40）の上方の上部反射器（20）と、
前記発光層（40）の下方の高熱伝導率（HTC）下部反射器（30a）と
からなる発光装置。
前記HTC下部反射器（120）が、少なくとも１つの分布ブラッグ反射器（DBR）層対を含む請求項７に記載の発光装置。
前記分布ブラッグ反射器（DBR）対が高熱伝導率材料を含む請求項８に記載の発光装置。