JP2007173802A - 光学式マウスのための単一モードvcselの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上面及び底面を有する基板と、基板の上面に配置された交互の屈折率の第1ミラー層スタックと、第1スタック上に配置された活性層とを有する表面発光レーザである。表面発光レーザはまた、活性層上に配置された交互の屈折率の第2ミラー層スタックと、活性層とは反対側の第2スタック側において第2スタックの中央部から外方に延びる表面発光レーザの光学的開口部を形成する第2スタックの減少された直径のミラー延長部とを有する。
【選択図】図2
Description
VCSELの開口部を形成する際の酸化性物質の拡散速度は、酸化性物質の拡散に用いられる炉の温度、酸化時間、及び炉に供給される酸素の量に対して非常に敏感である。高い再現性を要求する大量生産の際には、及び特定の寸法の開口部を形成する際には、拡散速度の変動は深刻な問題である。
注入型VCSELは、非常に信頼できるものであることが証明されている。しかしながら、注入型VCSELの作動速度は、普通は、2Gb/秒より低い作動速度を要求する用途のために制限される。酸化物型VCSELは、より高い速度(23Gb/秒より高くに実証される)及びより高い効率を含む、多くの優れたVCSEL性能特性を与える。しかしながら、酸化物型VCSELを用いるSAN及びLAN用途の分野での時間は、注入型VCSELほど長くはない。
IEEE Photonics Technology Letters、第9巻、第9号、p1193−1195は、ミラー反射率が局所的に変化するようにエッチングすることによりポストの上面に円形キャビティが形成される構成を有するVCSELを開示している。この文献は、モード抑制効果をもたらすために、このデバイスのスペクトル線幅が、キャビティをもたないデバイスのスペクトル線幅の半分に減少されることを報告している。しかしながら、電流注入量が増加するのに伴って、振動スペクトルが変化することが観測される。これは、特定の振動モードが常に支配的であるわけではない、言い換えれば、モードが安定していないことを明らかに示す。
米国特許第6,990,128号は、単一モードVCSELを製造する方法を開示している。しかしながら、これがサポートする単一モードは、基本モードではなく高オーダー横方向モードである。
米国特許第6,990,128号は、共振器を提供することを記載し、発光領域が形成される第1領域と、活性層と、第1反射層と第2反射層との間に活性層を挟むように形成された第2反射層とを有し、発光領域が、特定の振動モード以外の振動モードの発光を抑制するための境界領域、特に、境界領域により実質的に分割されて特定の振動モードに対応する発光スポットをもたらす複数の分割領域を含む、構造体を開示する。
1.単一モードがほとんど抑制されるので、デバイスの全出力パワーは低い。米国特許第6,990,128号の図5は、L1カーブ「孔あり」及び「孔なし」を示す。全出力パワーは、ほとんど50%だけ減少され、L1カーブは、モード選択が用いられたときに低い駆動電流においてロールオーバーする。したがって、低い出力パワーは、こうした設計を使用するいずれかのオプティカル・リンクの長さをも制限する。
2.前述の特許(例えば、図3A、図3B、図7A、図7B、図8A、図8B...)に詳述されるように、単一の高オーダーモードを選択するために、レーザの製作の際に複雑かつ正確なパターンが用いられなければならない。さらに、前述の特許は、酸化物開口部へのパターンの位置合わせがデバイス性能にどのように影響を及ぼすかを説明していない。
さらに別の問題は、レーザが変調される際のACM及びAEMモードの交互支配に起因する、マルチモードVCSELの変調の際のモード競合に起因する、ジッター及びアンダーシュートの問題である。AEMモードと比較すると、ACMモードは電流変調にゆっくり応答する。第1に、キャリアは、開口部の中心に到達するのにより遠くに拡散しなければならない。第2に、AEMモードは、酸化物開口部による散乱に起因する付加的な損失を有する。最終的には、レーザが変調される際に光学的モードが駆動電流を良好に追跡することを可能にする光学的寿命が減少する。
本発明より以前に、長い伝送距離にわたる高いデータ転送速度の用途に適した、狭いスペクトル幅を有する商業上実用的な酸化型VCSELはなかった。
本発明の別の目的は、狭いスペクトル幅を有する改善された垂直キャビティ表面発光レーザ(VCSEL)を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、モード制御を有し、駆動電流及び周囲温度に対してあまり敏感でない、改善されたVCSELを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、モード制御のために上側ミラー層の一部が除去されたメサを有するVCSEL構造体を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、VCSEL構造体の放出領域の一部を除去するためのエッチング・プロセスを提供し、それにより、モード制御と、狭いスペクトル幅を有するVCSELデバイスの一貫した製造、試験及び信頼性を提供することである。
本発明の別の態様は、AEMを抑制し又は減少させて半径電流注入に起因するモデル競合を最小にし又は無くすことである。
図1aを参照すると、従来技術において公知の酸化物閉じ込めVCSELの半導体構造体の断片的な断面図である。特に、VCSEL100は、第1ミラー・スタックを形成する第1半導体領域102と第2ミラー・スタックを形成する第2半導体領域103との間に定められたレーザ・キャビティ領域105を含む。半導体領域102及び103は、典型的にp型ガリウム砒化物とすることができる基板104上に配置される。キャビティ領域105は、1つ又はそれ以上の活性層(例えば量子井戸又は1つ又はそれ以上の量子ドット)を含む。活性層は、AlInGaAs(すなわちAlInGaAs、GaAs、AlGaAs、及びInGaAs)、InGaAsP(すなわちInGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP、及びGaP)、GaAsSb(すなわちGaAsSb、GaAs、及びGaSb)、InGaAsN(すなわちInGaAsN、GaAs、InGaAs、GaAsN及びGaN)又はAlInGaAsP(すなわちAlInGaAsP、AlInGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP、及びGaP)から形成することができる。他の量子井戸層組成物を用いても良い。活性層は、一対のスペーサ層106、107の間に挟むことができる。第1及び第2スペーサ層106、107は、アルミニウム、ガリウム及び砒化物からなり、活性層の材料組成に応じて選択される。適切な駆動電流がVCSEL100に適用されることを可能にするために電気コンタクトが構造体に設けられる。
幾つかの実施形態においては、閉じ込め領域101は、VCSEL100の中央領域を取り囲んで、好ましくはVCSEL電流がその中を通って流れる開口部を定める。他の実施形態においては、酸化物層をVCSEL構造体における分散型ブラッグリフレクタの一部として用いることができる。
第1ミラー・スタック102は、金属−有機化学気相成長法(MOCVD)又は分子線エピタキシャル法(MBE)のような従来のエピタキシャル成長法とその後のエッチングによって形成することができる。
ミラー延長部116を用いるキャビティ内手法は、VCSEL100の直列抵抗を減少させ、それにより電流注入を改善する。ミラー延長部116は、所望の作動温度及び電流範囲にわたる単一モード作動を保証する光学的開口部を与える。
光学的開口部のサイズは、電流開口部より小さくなるように設計され、それにより高オーダーのモードが空間的に抑制される。電流注入を最適化することにより、空間的ホール・バーニング効果を最小にして、広い作動電流及び温度範囲にわたる単一モード動作を維持することができる。横方向の光学的閉じ込めは横方向の電流閉じ込めから切り離されるので、より大きい酸化物開口部と共に単一モード動作を達成することができる。これは、より信頼できる、より高い静電放電(ESD)/電気オーバーストレス(EOS)ダメージ閾値を有するデバイスを与える。
ミラー延長部116の直径及び高さは、基本モードの光学的エネルギーのみが光学的開口部109に結合されることを保証するために、それぞれ4乃至5ミクロン及び0.2乃至1.5ミクロンのオーダーとなるように選択することができる。したがって、損失の増加のために高オーダーの横方向モードが抑制され、電流注入が改善される。
図3Bは、本発明に係る単一の第2プロセス・ステップにおける、デバイスの両側を基板まで、そしてまたメサ構造体108の上側外方縁までエッチングしてメサ構造体108の中央領域にミラー延長部116を形成した後の半導体構造体の断片的な断面詳細図である。エッチングは、DI水で希釈したHFによるエッチングのようなウエット・エッチング・プロセスによって行われることが好ましい。或いは、CI/CH4反応性イオン・エッチング(RIE)又は反応性イオン・ビーム・エッチング(RIBE)のようなドライ・エッチング・プロセスを同様に用いても良い。
さらに好ましい実施形態においては、ミラー延長部116は、最初にICPエッチングによる第1ステップにおいて定められる。ミラー延長部116が作成された後で、第2処理ステップとしてミラー延長部116の側壁及び上部109をSiNxで被覆することができる。
第3処理ステップとして、再びICPドライ・エッチングを用いることによりメサ108を定めることができる。第4処理ステップとして、酸化により電流開口部を定めることができる。
図3Dは、本発明に係る第4プロセス・ステップにおける、構造体の一部の上にポリイミド層113を付着した後の図3Cの半導体構造体の断片的な断面詳細図である。ポリイミド層113は、典型的には、ウェハ上に4乃至6ミクロンの厚さまでスピン・オンされ、熱硬化され、当該技術分野では公知のリソグラフィ・プロセスを用いてパターン形成されて、n及びpオーム・コンタクト111及び112、並びに発光開口部109を露出する。
図3Fは、本発明に係る第5プロセス・ステップにおける構造体上の金属結合パッド層の付着後の、図4に示されたF−F平面を通る図3Dの半導体構造体の断片的な断面詳細図である。層115は、図面の左側においてp−オーム・コンタクト112と電気コンタクトを形成し、層115の別の部分が、図面の右側においてp−オーム・コンタクト112との電気コンタクトを形成するように示されている。
前述の要素及びプロセス・ステップの各々は、又はその2つ又はそれ以上は共に、前述のタイプとは異なる他のタイプの構成の有用な用途を見出すことができる。
本発明は、VCSELデバイスのための半導体構造体、及びこうした構造体を形成する方法において具体化されるものとして図示され説明されてきたが、本発明の精神から多少なりとも逸脱することなく種々の修正及び構造的変化を加えることができるので、本発明は図示された詳細に限定されることを意図されていない。
さらなる分析なしに、上記のことは、他者が、現在の知識を適用することにより、従来技術の観点から本発明の一般的又は特定の態様の本質的特徴を公正に構成する特徴を省くことなく本発明を種々の用途に容易に適応させることができる本発明の概要を十分に明らかにするであろうし、したがって、こうした適応は、特許請求の範囲の請求項の均等物の意味及び範囲内に包含されるべきであり、そうであることを意図されている。
102:第1ミラー・スタック
103:第2ミラー・スタック
104:基板
105:レーザ・キャビティ領域
108:メサ
109:光学的開口部
116:ミラー延長部
Claims (20)
- 表面発光レーザであって、
上面及び底面を有する基板と、
前記基板の上面に配置された交互の屈折率の第1ミラー層スタックと、
前記第1スタック上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された交互の屈折率の第2ミラー層スタックと、
前記活性層とは反対側の前記第2スタック側において前記第2スタックの中央部から外方に延びる前記表面発光レーザの光学的開口部を形成する、前記第2スタックの減少された直径のミラー延長部と、
を備えた表面発光レーザ。 - 前記ミラー延長部の底部の周りに配置された環状コンタクトをさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の表面発光レーザ。
- 前記ミラー延長部がさらに、非ドープ分散型ブラッグリフレクタを備えたことを特徴とする請求項1に記載の表面発光レーザ。
- 前記ミラー延長部がさらに、誘電体分散型ブラッグリフレクタを備えたことを特徴とする請求項1に記載の表面発光レーザ。
- 前記ミラー延長部がさらに、4乃至5マイクロメートルの直径を有することを特徴とする請求項1に記載の表面発光レーザ。
- 前記ミラー延長部がさらに、約0.2乃至1.5マイクロメートルの高さを有することを特徴とする請求項1に記載の表面発光レーザ。
- 前記ミラー延長部がさらに、円筒形状の領域を備えたことを特徴とする請求項1に記載の表面発光レーザ。
- 前記レーザが、電流閉じ込めのための注入領域を含むゲイン・ガイド注入型VCSELであることを特徴とする請求項1に記載の表面発光レーザ。
- 前記第2ミラー層スタックの逆位相層上にp−コンタクト層を配置することをさらに含む、請求項1に記載の表面発光レーザ。
- 表面発光レーザであって、
上面及び底面を有する基板と、
前記基板の上面に配置された交互の屈折率の第1ミラー層スタックと、
前記第1スタック上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された交互の屈折率の第2ミラー層スタックと、
を備え、第1直径を有する前記第2ミラー層スタックは前記活性層に隣接し、遠位端における第2の減少された直径まで段階的に変化することを特徴とする表面発光レーザ。 - 前記第1直径から前記第2直径に段階的に変化する表面において前記第2ミラー層スタックの周りに配置された環状コンタクトをさらに備えたことを特徴とする請求項9に記載の表面発光レーザ。
- 前記第2の減少された直径内のミラー層がさらに、非ドープ分散型ブラッグリフレクタを備えたことを特徴とする請求項9に記載の表面発光レーザ。
- 前記第2の減少された直径内のミラー層がさらに、誘電体分散型ブラッグリフレクタを備えたことを特徴とする請求項9に記載の表面発光レーザ。
- 前記第2の減少した直径が4乃至5マイクロメートルであることを特徴とする請求項9に記載の表面発光レーザ。
- 前記第2の減少した直径内の前記ミラー層が、約0.2乃至1.5マイクロメートルの高さを有することを特徴とする請求項9に記載の表面発光レーザ。
- 前記第2の減少した直径内の前記ミラー層がさらに円筒形状の領域を備えたことを特徴とする請求項9に記載の表面発光レーザ。
- 前記レーザが、電流閉じ込めのための注入領域を含むゲイン・ガイド注入型VCSELであることを特徴とする請求項9に記載の表面発光レーザ。
- 前記第2ミラー層スタックの逆位相層上にp−コンタクト層を配置することをさらに含む、請求項9に記載の表面発光レーザ。
- 表面発光レーザであって、
上面及び底面を有する基板と、
前記基板の上面に配置された交互の屈折率の第1ミラー層スタックと、
前記第1スタック上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された交互の屈折率の第2ミラー層スタックと、
を備え、第1直径を有するミラー層の第1部分を有する前記第2ミラー層スタックが前記活性層に隣接し、ミラー層の第2部分は遠位端において第2の減少された直径を有することを特徴とする表面発光レーザ。 - 前記第2部分に隣接して位置する前記第1部分のミラー層の周辺部の外面上にp−コンタクトを配置することをさらに含む、請求項19に記載の表面発光レーザ。
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