JP2005514796A - 垂直キャビティ表面放射レーザに関する非対称分散ブラッグ反射器 - Google Patents

垂直キャビティ表面放射レーザに関する非対称分散ブラッグ反射器 Download PDF

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Abstract

垂直キャビティ表面放射レーザに使用するのに適した非対称分散ブラッグ反射器(DBR)。非対称DBRは、遷移領域内の遷移ステップが、異なる材料組成、異なるドーピングレベル、及び、異なる層の厚さを備えた非対称の遷移領域によって接合された、異なる屈折率を有するスタック材料層からなる。更に、隣接する遷移領域は、異なる厚さと異なるドーピングレベルを備えた遷移領域を有する。隣接する遷移領域が異なる全層厚を有するのが好ましく、より薄い遷移領域が相対的に高くドープされ、DBR内の光定在波が低い電界強度を有し、より厚い遷移領域が相対的に軽くドープされ、光定在波が相対的に高い電界強度を有する。AlxGa1-xAs材料系では、スタック材料層は、AlAsとGaAsの交互の層からなるのが好ましい。他の材料系は、他の交互の層を使用しうる。

Description

関連出願のクロスリファレンス
なし
発明の分野
本発明はレーザミラー構造に関する。特に、垂直キャビティ表面放射レーザで使用するのに適したミラー構造に関する。
垂直キャビティ表面放射レーザ(VCSELs)は、比較的新しいクラスの半導体レーザである。奥の種類のVCSELsがあるけれども、一つの共通の特徴は、ウェハの表面に垂直に光を放射することである。有利なことに、VCSELsは、特定の特徴と作り出すために広いレンジの材料から作られる。特に、種々の材料系が、1550nm,1310nm、850nm、670nmなどのような異なるレーザ波長を作り出すように仕立てられ得る。
VCSELsは、半導体活性領域、分散ブラッグ反射(DBR)ミラー、電流制限構造、基板及び電極を含む。これらの複雑な構造のため及びそれらの材料要求のために、VCSELsは通常は有機金属気相成長(MOCVD)又は分子線エピタキシー(MBE)を用いて成長される。図1は、典型的にはVCSELsである。示したように。nドープガリウムヒ素(GaAs)基板12は、n型電極14を有する。nドープ下方ミラースタック16(DBR)は、GaAs基板12上にあり、n型グレードインデックス下方スペーサ18は下方ミラースタック16の上に配置される。通常、複数の量子井戸を備えた活性領域20は、下方スペーサ18の上に形成される。p型グレードインデックス頂部スペーサ22は、活性領域20の上に配置され、p型頂部ミラースタック24(別のDBR)は、頂部スペーサ22の上に配置される。頂部ミラースタック24の上にp型導電層9、p型GaAsキャップ層8及びp型電極26がある。
また図1を参照すると、下方スペーサ18及び頂部スペーサ22は、光キャビティが形成されるように、下方ミラースタック16を頂部ミラースタック24から分離する。光キャビティが特定の波長で共鳴するとき、ミラー分離は所定の波長(又は複数のもの)で共鳴するように制御される。少なくとも、頂部ミラースタック24の一部は、電流制限を提供する絶縁領域40を含む。絶縁領域40は、頂部ミラースタック24にプロトンを注入することにより、又は、酸化層を形成することにより通常形成される。絶縁領域40は、絶縁領域40を通過して電気的伝導を形成する伝導感情中央開口40を構成する。
作動中、外部バイアスにより、p型電極26からn型電極14に向かって流れるように電流21が生じる。電流21が活性領域20に向かって電流中央開口を通って流れるとき、絶縁領域40及び伝導中央開口42は電流21を制限する。電流21のいくつかの電子は、活性領域20でフォトンに変換される。これらのフォトンは、下方ミラースタック16及び頂部ミラースタック24の間で前後に弾む(共鳴する)。下方ミラースタック16及び頂部ミラースタック24が非常に良好な反射器のとき、フォトンのいくつかは光23として漏れ出し、光パスに沿って移動する。図1を参照すると、光23は、p型伝導層9を通り、p型GaAsキャップ層8を通り、p型電極26のアパーチャ30を通り、垂直キャビティ表面放射レーザ10の表面の外に出る。
図1は、典型的なVCSELを示しており、種々の変形が可能であることは理解されるべきである。例えば、ドーピングは変更されることがあり(すなわち、p型基板12を提供するように変更されうる)、異なる材料系が使用されうることがあり、操作の詳細は、最高の性能を出すように変更され、トンネルジャンクションのような追加の構造が加えられることもあり得る。
全体的にうまくいっているとき、VCSELsは問題を有している。特に、いくつかの用途において、入手可能な従来技術の分散ブラッグ反射器(DBR)は、光学的に著しく低い。これを理解するために、DBRの利点をより詳細に検討する。
多くの用途では、DBRは、高反射及び高伝導性の両方を有している。実際に、VCSELを使用するとき、レーザ操作が可能である程度まで光損失を低下させるように、DBRは特に反射する必要がある。反射率は、例えば、AlAs及びGaAsの交互積層によって、著しく異なる屈折率を有するスタッキング材料層によって達成される。かかるスタック層は、DBR内で光定在波を作り出す。
スタックされたAlAs及びGaAsの光特性が非常に良好なとき、AlAs層及びGaAs層の間の階段型接合は、電流に対して高い障壁を形成する。かかる障壁を低下させるために、AlAs及びGaAsの層は、材料組成がAlAsからGaAsに徐々に変化する遷移領域を用いて接合される。更にほとんどのVCSELsでは、DBR層は、電気抵抗を低下させる自由キャリアを提供するようにドープされる。その結果、構造は理想的には、低い光吸収及び低い電気抵抗を備えた高い反射率を有することになる。
実際問題として、電界強度の増加、波長の増大、及びドーピングレベルの増加により、光吸収は増加する。更に、p型ドーパントは、n型ドーパントよりも光吸収が大きくなりやすい。一方、電気抵抗は、電界強度及び波長によっては比較的影響を受けず、ドーピングレベルの増加により低下する。p型キャリア(正孔)は、n型キャリア(電子)よりも非常に移動度が低い。それ故、1300,1310又は1550nmで光を出力するVCSELのように、波長が増加するとき、低い光吸収及び低い電気抵抗の両方を得ることは困難である。これは、長い光波長が、電気抵抗を低下させる自由キャリアによって多く吸収される傾向にあるからである。これにより、通常はp型ドープされた、頂部DBRでは著しく正しい。p型キャリアの低い移動度及びp型ドーパントの大きな光吸収は、頂部DBRの性能を低下させる傾向にある。それ故、従来の長波長VCSELでは矛盾が生じ、電気抵抗を低下させるために、自由キャリア濃度が高くされ、光吸収を低下させるために、自由キャリア濃度が低くされた。
更に、DBRは、電界に空間的に依存することにより特徴づけられる光定在波を作り出すことを理解すべきである。即ち、電界強度は、DBRの厚さにわたって変化する。更に、DBRを作る材料は、VCSELの熱的特徴に強く影響を与える。AlAsとGaAsのような2元系材料は、非常に良好な熱伝導を有する。従って、熱は、AlAsとGaAsスタックにわたって非常に良好に流れる。しかしながら、3つの材料によって特徴づけられる遷移領域は、著しく低い熱伝導を有する。これは、遷移領域の結晶構造が大きく歪んでいるからであり、熱伝導を低下させる。
上述のため、従来技術のVCSELで使用されるDBRは、特に、長い波長の光を生成する際に、過度の光吸収、比較的低い熱伝導、及び、比較的高い電気抵抗という問題を有していた。それ故、頂部DBRの特に長い波長での比較的低い光吸収及び比較的低い電気抵抗を備えた新しい分散ブラッグ反射器は有用である。頂部DBRで特に長い波長で、比較的低い光吸収及び比較的低い電気抵抗、相対的に良好な熱伝導を備えたatらしい分散ブラッグ反射器もまた有用である。
本発明の原理は、低光吸収及び低電気抵抗を備えた新しい分散ブラッグ反射器(DBR)に指向する。かかるDBRが良好な熱伝導を生じるような仕方で実装されるのが好ましい。
本発明の原理による分散ブラッグ反射器は、遷移領域内の遷移ステップが、異なる材料組成、異なるドーピングレベル、及び、異なる層の厚さを備えた非対称の遷移領域によって接合された、異なる屈折率を有するスタック材料層からなる。更に、隣接する遷移領域は、異なる厚さと異なるドーピングレベルを備えた遷移領域を有する。隣接する遷移領域が異なる全層厚を有するのが好ましく、より薄い遷移領域が相対的に高くドープされ、DBR内の光定在波が低い電界強度を有し、より厚い遷移領域が相対的に軽くドープされ、光定在波が相対的に高い電界強度を有する。より薄い遷移領域は、電気伝導及び熱伝導の両方を改善する。
スタック材料層は、AlAsとGaAsの交互の層からなるのが好ましい。スタック材料層は、長い波長VCSELのような、VCSELのp型ドープ頂部ミラーを形成するのが好ましい。
本発明の新規な特徴は、以下に示した実験によって当業者には明らかであろう。しかしながら、本発明の詳細な説明及び示した特定の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは理解されるべきである。
本発明の実施形態を、例示として添付した図面を参照して詳細にみる。
本発明の原理は、非対称分散ブラッグ反射器(DBR)及び、非対称DBRを使用したVCSELに関する。
本発明の原理による垂直キャビティ表面放射レーザ(VCSEL)を図示した図2を参照する。図2は、図1に示したような全体的な構成のVCSELを概略的に簡略化された記載であることを理解すべきである。従って、図1で使用されたものと同じエレメント番号が、図2でも同様に使用される。しかしながら、VCSEL100は、新規で有用な頂部及び底部分散ブラッグ反射器(DBR)を含む。
図2に示したように、VCSEL100は、n型電極14を有するn型ガリウムヒ素(GaAs)を含む。nドープ下方ミラースタック160(DBR)は、GaAs基板12上にあり、n型グレードインデックス下方スペーサ18は、下方ミラースタック160の上方に配置される。下方ミラースタック160は、次により詳細に記載する。
多数の量子井戸を備えたP−N接合構造を有する活性領域20は、下方スペーサ18よりも上に形成される。活性領域20の組成は、活性領域20を形成する異なる層において変化する特定のアルミニウム含有で、AlGaAsであるのが好ましい。例えば、ある層は20及び30パーセントのアルミニウムの間であり、隣の層は0及び5パーセントのアルミである。多くの交互の層があり、量子井戸が活性層20に存在する。
ある活性領域20は、p型グレードインデックス頂部スペーサ22である。p型頂部ミラースタック240(別のDBR)は、頂部スペーサ22の上に配置される。上方ミラースタック240は、次により詳細に記載する。
頂部ミラースタック240の上は、p型伝導層、p型GaAsキャップ層、及びp型電極があり、すべて260として示されている。VCSEL10(図1参照)のように、下方スペーサ18及び頂部スペーサ22は、特定の波長で共鳴がする光キャビティが生成されるように頂部ミラースタック240から下方ミラースタック160を分離する。
図2を参照すると、頂部ミラースタック240は、高アルミニウム含有(97乃至98%)を有するAlGaAs層を備えた頂部ミラースタック240を形成し、次いで、環状リングに沿って高アルミニウム含有で酸化することにより作り出されるのが有益である絶縁領域140を含む。次いで、酸化は酸化絶縁領域140を作り出す。
作動中、外部バイアスにより、電流21は、VCSEL100に流れる。絶縁領域140は、いくつかの電子がフォトンに変換される活性領域20内に電流ガイドを形成する。これらのフォトンは、下方ミラースタック160と頂部ミラースタック240との間で前後に弾む(共鳴する)。下方ミラースタック160と頂部ミラースタック240とが旅行な反射器であるとき、いくつかのフォトンは、光パスに沿って移動する光23として漏れる。図2を参照すると、光23は、エレメント260の開口300を通過し、垂直キャビティ表面放射レーザ100の表面から出る。
図2のVCSEL100は、頂部ミラースタック240と下方ミラースタック160が非対称であることが、図1のVCSEL10と著しく異なる。それらのミラースタックは、AlxGa1-xAsの異なる組成の層から構成されるのが有益である。本発明の原理がp型頂部ミラースタックに使用するのに特に適しているとき(p型ドープ材料は、光学的により吸光性であり、それらの材料は本発明からより適している)、それらの原理は、いずれのタイプのドーピングでも使用するのに適している。更に、図示した実施形態がAlxGa1-xAs材料系に基づいているが、本発明の原理は、広い範囲の化合物半導体材料系に適用可能である。
図3は、下方ミラースタック160又は頂部ミラースタック240のいずれか(又は両方)で使用するの非適した分散ブラッグ反射器400を図示する。作動中、定在波は、分散ブラッグ反射器内に生成される。本発明の特定の実施形態の光学的シミュレーションによって計算された、かかる定在波の正規化されたパワー波形402が、分散ブラッグ反射器400に挿入されている。図3はまた、垂直線の間の間隔によって示された各層の相対的な厚さで、分散ブラッグ反射器400を含む個々の層の相対的な厚さを図示する。図3に示したように、分散ブラッグ反射器400は、少なくとも層280から320までを含む。特に、かかる層の複数のセットであって良い(従って、所定の分散ブラッグ反射器が個々の数百の層からなって良い)。
図3を参照すると、最も近い垂直線間隔は、電界が最小(ゼロに近い)であり、層300のあたりである。これは、(100%AlAsから100%GaAsまで組成が変化する)AlAs−GaAs接合を形成する層の比較的小さな厚みを含む。その接合を形成する層は、比較的高いドーピングレベルであり、AlAs−GaAs遷移領域にわたって電気抵抗が小さくなる。しかしながら、電界がその遷移領域で低くなるので、光ドーピングレベルにもかかわらず、光吸収も低くなる。
しかしながら、図3を参照すると、電界は高く(層290あたり)、垂直線間隔は比較的大きく、比較的太い個々の層が示されている。是は、GaAs(0%Al)組成がAlAs(0%Ga)に変化したインターフェース接合を表す。その領域は、局所的に高い電界の光吸収を低下させるために役立つように相対的に軽くドープされている。比較的大きな厚さのGaAs−AlAs遷移領域は、光吸収を著しく増加させることなく電気抵抗を低下させるのに役立つ。
従って、本発明の原理によるDBRは、インターフェース接合厚さとインターフェース接合ドーピングプロファイルの両方で非対称である。ドーピングプロファイルと組成プロファイルの結合の使用はまた、本発明の改良された性能に寄与する。
0%乃至100%Al組成レンジを有するAlxGa1-xAs材料系の1310nmで使用するための非対称p型ドープDBRの実施形態を、表1に示す。特定の層の厚さ、ドーピング濃度、及び材料組成を示す。表1の第1のインターフェース接合は、行1乃至行10の層からなるAlAs(100%Al組成)とGaAs(0%Al組成)ヘテロ接合である。同様に、第2のインターフェース接合の層、GaAs(0%Al組成)とAlAs(100%Al組成)のヘテロ接合は、行13乃至行22にリスとされている。
この実施形態の非対称は、第2のインターフェース接合40nmと第1のインターフェース接合20nmの合計厚さを比較することにより見ることができ得る。この非対称はまた、右端上方遷移の切り立った平均勾配と比較して図4における材料組成における左端下方遷移の切り立った平均勾配として見られる。第1のインターフェース接合のドーピング濃度は、2.86E+18cm-3乃至6.17E+18cm-3の範囲であり、第2のインターフェース接合では、6.65E+17cm-3乃至1.93E+18cm-3の範囲である。インターフェース接合厚の非対称とドーピング範囲の非対称とは、別々よりも低い光吸収と低い電気抵抗とを一緒に提供する。
表1
Figure 2005514796
0%乃至100%の材料組成変化が望まれない状況がある。それ故、表2は本発明の原理による別の実施形態のDBRを提供する。そのDBRは、1310nmVCSELに使用するのに適したp型ドープAlxGa1-xAs DBRである。そのDBRは、0%乃至85%の制限されたAl組成範囲を有する。
表2
Figure 2005514796
本発明のドーピング濃度範囲とインターフェース接合厚とのトータルの2つ折り非対称は、表2から明らかである。更に、表2の行と表1の対応する行とを比較することにより、ドーピング濃度範囲が材料組成範囲に加えて異なっていることがわかる。従って本発明の最良の実施形態は、多数のステップ、個々のステップサイズ、トータルヘテロ接合厚、ドーピング濃度範囲、及び材料組成範囲を含む多くの方法において変化しうる。
本発明は、特許請求の範囲のみに基づいて判断されるものであり、実施形態に限定されるものではない。本発明は異なる特徴と有するコンポーネントを含み得る。本発明は特許請求の範囲に加え均等の範囲も範囲に含むものである。
典型的な垂直キャビティ表面放射レーザを図示する。 本発明の原理による垂直キャビティ表面放射レーザを図示する。 本発明の原理による分散ブラッグ反射器による、光定在波を有する分散ブラッグ反射器を図示する。

Claims (26)

  1. 分散ブラッグ反射器が、
    2元系組成の第1のものを含み、第1の屈折率を有する、ドープされた第1の半導体層と、
    2元系組成の第2のものを含み、前記第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有する、ドープされた第2の半導体層と、
    前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間に挿入された第1の遷移領域と、を有し、前記第1の遷移領域が、複数の厚さと複数のドーピングレベルを備えた複数のドープされた第1の遷移半導体層を含む、
    ことを特徴とする分散ブラッグ反射器。
  2. 前記第1の2元系組成を含むドープされた第3の半導体層と、
    前記第2の半導体層と前記第3の半導体層との間に挿入された第2の遷移領域とを更に有し、前記第2の遷移領域が、複数の厚さと複数のドーピングレベルを備えた複数のドープされた第2の遷移半導体層を含み、前記第2の遷移領域が、前記第1の遷移領域とは異なることを特徴とする請求項1に記載の分散ブラッグ反射器。
  3. 前記第1の半導体層がAlAsを含むことを特徴とする、請求項1に記載の分散ブラッグ反射器。
  4. 前記第2の半導体層がGaAsを含み、前記ドープされた第1の遷移半導体層がAl,Ga及びAsを含むことを特徴とする請求項3に記載の分散ブラッグ反射器。
  5. レーザが、
    ドープされた基板と、
    前記基板に隣接した活性領域とを有し、前記活性領域が、印加された電流に応じて所定の波長で光を放射し、
    前記活性領域と前記基板との間に、ドープされた第1の分散ブラッグ反射器ミラーとを有し、前記第1の分散ブラッグ反射器ミラーが、前記活性領域によって放射された光を前記活性領域の後ろに向かって反射し、
    前記活性領域に隣接した、ドープされた第2の分散ブラッグ反射器ミラーとを有し、前記第2の分散ブラッグ反射器ミラーが、前記活性領域により放射された光を前記活性領域の後ろに向かって反射し、
    前記第2の分散ブラッグ反射器が
    ドープされた第1のミラー半導体層は、2元系組成の第1のものを含み、第1の屈折率を含み、
    ドープされた第2のミラー半導体層が、前記第1の屈折率とは異なり、前記第2の屈折率を備え、
    前記第1のミラー半導体層と前記第2のミラー半導体層との間に第1の遷移ミラー領域を含み、前記第1の遷移ミラー領域が、複数の厚さと複数のドーピングレベルを有する複数の、ドープされた第1の遷移ミラー半導体層を含む、
    ことを特徴とするレーザ。
  6. 前記レーザ高出力が、前記基板に対して垂直に放射したことを特徴とする請求項5に記載のレーザ。
  7. 前記2元系組成の第1のものを含み、前記第1の屈折率を有する、ドープされた第3のミラー半導体層と、
    前記第2のミラー半導体層と前記第3のミラー半導体層との間に第2の遷移ミラー領域とを含み、
    前記第2の遷移ミラー領域が、複数の厚さと、複数のドーピングレベルとを備えた複数のドープされた第2の遷移ミラー半導体層を含み、前記第2の遷移ミラー領域が前記第1の遷移ミラー領域とは異なることを特徴とする請求項6に記載のレーザ。
  8. 前記所定の波長で前記活性領域によって放射された光が、前記第1の遷移ミラー領域で最小の電界を生成することを特徴とする請求項7に記載のレーザ。
  9. 前記第1の遷移ミラー半導体層が、前記第2の遷移ミラー半導体層よりも多くドープされたことを特徴とする請求項8に記載のレーザ。
  10. 前記第2の遷移ミラー領域が、前記第1の遷移ミラー領域とは異なることを特徴とする請求項8に記載のレーザ。
  11. 前記2元系組成の第1のものがAlAsであることを特徴とする請求項7に記載のレーザ。
  12. 前記2元系組成の第2のものがGaAsであることを特徴とする請求項11に記載のレーザ。
  13. 前記第1の遷移ミラー半導体層が、Al,Ga及びAsを含むことを特徴とする請求項12に記載のレーザ。
  14. 前記活性層が、少なくとも一つの量子井戸を含むことを特徴とする請求項5に記載のレーザ。
  15. 前記第2の分散ブラッグ反射器ミラーがp型ドープされていることを特徴とする請求項5に記載のレーザ。
  16. 前記第2の分散ブラッグ反射器ミラーが、レーザ内の電流を制限するための絶縁領域を含むことを特徴とする請求項5に記載のレーザ。
  17. 前記第2の分散ブラッグ反射器ミラーと前記活性領域との間にスペーサを更に含むことを特徴とする請求項5に記載のレーザ。
  18. 前記第1の分散ブラッグ反射器ミラーが、
    前記2元系組成の第1のものを含むn型ドープされた第1の底部ミラー半導体層と、
    前記2元系組成の第2のものを含むn型ドープされた第2の底部ミラー半導体層と、
    前記第1の底部ミラー半導体層と前記第2の底部ミラー半導体層との間に第1の遷移底部ミラー領域とを含み、
    前記第1の遷移底部ミラー領域が、複数のn型ミラー半導体層を含み、複数の厚さ及び複数のドーピングレベルを有する、ことを特徴とする請求項5に記載のレーザ。
  19. 垂直キャビティ表面放射レーザが、
    n型ドープ基板と、
    前記基板に隣接した活性領域とを有し、前記活性領域が、印加されat電流に応じて所定の波長の光を放射し、
    前記活性領域によって放射された光を前記活性領域の後ろの方に向かって反射させるn型ドープ底部分散ブラッグ反射器ミラーとを有し、
    前記頂部分散ブラッグ反射器ミラーが、
    AlAsを含む、ドープされた第1のミラー半導体層と、
    GaAsを含む、ドープされた第1のミラー半導体層と、
    前記第1のミラー半導体層と前記第2のミラー半導体層との間に第1の遷移領域とを含み、前記第1の遷移ミラー領域が、複数の厚さ、複数のドーピングレベル、及び複数の塑性を備えた複数のドープされたAlxGa1-xAs層を含む、ことを特徴とする垂直キャビティ表面放射レーザ。
  20. 前記第1の遷移ミラー領域が、0%と85%の間のAl組成を有するAlxGa1-xAs層を有することを特徴とする請求項19に記載の垂直キャビティ表面放射レーザ。
  21. 前記複数のドープされた第1の遷移半導体層の各々が、互いに異なる厚さと異なるドーピングレベルを有することを特徴とする請求項1に記載の分散ブラッグ反射器。
  22. 前記複数のドープされた第2の遷移半導体層の各々が、互いに異なる厚さと異なるドーピングレベルを有することを特徴とする請求項2に記載の分散ブラッグ反射器。
  23. 前記複数のドープされた第1の遷移半導体層の各々が、互いに異なる厚さと異なるドーピングレベルを有することを特徴とする請求項5に記載のレーザ。
  24. 前記複数のドープされた第2の遷移半導体層の各々が、互いに異なる厚さと異なるドーピングレベルを有することを特徴とする請求項7に記載のレーザ。
  25. 前記複数のn型ドープされたミラー半導体層の各々が、互いに異なる厚さと異なるドーピングレベルを有することを特徴とする請求項18に記載のレーザ。
  26. 前記複数のドープされたAlxGa1-xAs層の各々が、互いに異なる厚さ、異なるドーピングレベル、及び異なる組成を有することを特徴とする請求項19に記載のレーザ。
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