JP2007251174A - モード制御を伴うｖｃｓｅｌ半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】上側ミラー又はメサ構造体の選択的パターニングにより形成された、モード制御を伴うＶＣＳＥＬを提供すること。
【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、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、第２スタックの中央に配置され、レーザのスペクトル幅特性を改善するために第２ミラー層スタックの少なくとも幾つかを通って延びる凹部と、を有する表面発光レーザである。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直キャビティ表面発光レーザ(vertical cavity surface emitting lasers:ＶＣＳＥＬ）に関し、より詳細には、上側ミラー又はメサ構造体(mesa structures)の選択的パターニングにより形成された、モード制御を伴うＶＣＳＥＬに関する。

典型的なＶＣＳＥＬ構成は、基板ウェハの表面上に互いに積み重ねて配置された２つのミラー間に活性領域を有する。ミラー間の絶縁領域が、電流を小さい穴に通して流させ、デバイスがウェハ表面（すなわち、ＶＣＳＥＬの「垂直」部）に対して垂直にレーザを放出する。１つのタイプのＶＣＳＥＬ、特に、絶縁領域がプロトン注入により形成されるプロトン型ＶＣＳＥＬが、ＶＣＳＥＬの初期の商業的歴史の主体であった。酸化物誘導型(oxide-guided)ＶＣＳＥＬにおいては、絶縁領域は、ミラー構造体内の薄い高アルミニウム含有層の部分的酸化(partial oxidation)により形成される。この同じ酸化プロセスは、光電子式デバイス及び純粋な電子デバイスの両方を製造するために他の半導体構造体に適用することができる。

垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、ストレージ・エリア・ネットワーク（ＳＡＮ）アプリケーション及びローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）アプリケーションにおいて用いられるトランシーバのためのレーザ技術の選択肢となっている。ＶＣＳＥＬを製造するための２つの主な技術プラットフォームが存在する。これらのプラットフォームの違いは、イオン注入か又は酸化物層による閉じ込めかのいずれかによる、異なる電流閉じ込め技術に基づいている。ＶＣＳＥＬにおける電流閉じ込め構造体を形成する２つの方法は、イオン注入と選択的酸化である。イオン注入技術においては、イオンを上側反射層の一部に注入して高抵抗領域を形成し、それにより電流の流れを定められた領域に閉じ込める。選択的酸化技術においては、メサ構造体の周辺領域を酸化させ、それにより高抵抗領域によって囲まれた開口部を画定する。

より具体的には、選択的酸化法においては、高抵抗領域となるＡＬＧａＡｓ層を上側リフレクタの下部に付着させた後に、得られた構造体をエッチングして、ウェハ上に個々のＶＣＳＥＬを形成する。次に、ウェハを酸化雰囲気に所定の時間だけおいて、ＡｌＡｓ層の周辺部に蒸気を拡散させる。その結果、酸化物絶縁層が、電流の流れを制限する高抵抗領域として周辺部に形成され、それにより高抵抗領域によって囲まれた開口部が形成される。
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。

現在市販されている１０Ｇｂ／秒ＶＣＳＥＬの電磁波伝搬設計は、縦方向すなわち成長方向（ｚ軸）に単一モードであり、横方向すなわち成長方向に対し垂直な方向（ｒ平面）にマルチモードである。ｚ軸に沿った活性半導体層の厚さは、単一光学モードのみがレーザ・ゲイン・ピークに結合されるように設計される。ｒ平面においては、許容される横方向モードは酸化物開口部の寸法によって決まる。特徴を決定付ける別のモードは、メサの中央から半径方向外側を見ることであり、酸化物開口部による層の平均屈折率の約５％の段階的減少が存在する。この屈折率の変化は、横方向モードの屈折率ガイドをもたらす。

選択的酸化型ＶＣＳＥＬにおいては、発光領域の直径（非選択的酸化領域の直径にほぼ対応する）が出力パワーを増加させる目的で拡大される場合には、ＶＣＳＥＬは、種々のオーダーの振動をもたらす、すなわち、いわゆるマルチモード振動をもたらす。マルチモード振動においては、スペクトル線幅が広くなり、光ファイバがモード分散性を有し、それによりファイバ内の信号の減衰が増加する、すなわち、モード状態が不安定になり、したがって、注入電流量の変化及び環境温度の変化によって振動モードのメインオーダが容易に変化する。モード・オーダの動的変化は、ファイバとの結合効率を変化させるため好ましくない。

多数の横方向モードに起因するモード不安定性の問題を回避するために、従来技術において多くの手法が提案されている。米国特許第６，９９０，１２８号は、横方向振動モードを制御する多くのこうした手法を説明しており、それを引用によりここに組み入れる。最低オーダー（０オーダー）の基本モードにおける振動のみを保証する第１の手法は、発光領域の直径を小さくすることによるものである。しかしながら、ＶＣＳＥＬの発光領域の直径が典型的に４ｕｍに又はそれより小さく（前述のプロトン注入型ＶＣＳＥＬの直径より小さく）減少されるときには、これらのＶＣＳＥＬは、高い要素抵抗を有するという欠陥があり、高い出力パワーを生成することができない。横方向モードを安定にすることは、ＶＣＳＥＬが光ファイバに光学的に結合されるときに信号が減衰するのを防止するための重要な要件である。さらに、電気光学的特性を改善する必要がある。

優れた発光効率と高い応答性能を有する選択的酸化型ＶＣＳＥＬにおける横方向モードを安定にすることと、抵抗を減少させ出力パワーを増加させることの相反する目的を同時に実現するためのアイディアのなかには、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ 第１１巻、第１２号、ｐ１５３６−１５３８（図１３参照）において開示された構造体を有するＶＣＳＥＬがある。この例においては、発光領域の直径は、２０ｕｍほどの大きさであるが、レーザ光を放出する電極開口部の内側は、開口部の中央から半径７．７５ｕｍの領域を除いて４０ｎｍの深さにまでエッチング除去される。発光領域の直径が２０ｕｍほどの大きさであるので、表面処理がない場合には、注入電流量に従って振動モードのオーダーが変化し、それにより遠距離場像（ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ ｉｍａｇｅ）が変化することが観測され、対照的に、孔を有する表面発光半導体レーザは、光出力０．７ｍＷまでの基本モードをもたらすが、そのレベルを上回る電流が注入されたときには、モードが分割して遠距離場像を徐々に広げる。

前述のＶＣＳＥＬの目的は、基本モードにおける光出力パワーを改善することである。しかしながら、孔を有する表面発光半導体レーザの最大光出力パワーは１０．４ｍＷであり、一方、基本モードにおける出力パワーは、たったの０．７ｍＷである。表面処理がない場合の最大出力パワーが１７．９ｍＷであることを考慮に入れると、前述の従来技術の構成は、横方向モードを安定にすることと同時に大きい光出力パワーをもたらすことは非常に困難であることを明らかに示す。

これに関して、モードを制御するための種々の他のＶＣＳＥＬ構造体が提案されている。例えば、米国特許第５，９４０，４２２号は、異なるフィルム厚さの２つの領域を形成することによりモード制御が行われるＶＣＳＥＬを開示している。米国特許第５，９４０，４２２号においては、付加的なフィルムが配置される領域のみが発光領域となる。本発明の目的は、ＶＣＳＥＬにおいてもたらされる特定の振動を考慮することにより位置を決定するのではなく、発光スポットの位置を人為的に決定することであると考えられる（例えば、１つの好ましい実施形態として説明される５つの発光スポットをもたらす振動モードは、自然界には存在しない）。

さらに、米国特許第５，９６３，５７６号は、環状導波管を有するＶＣＳＥＬを開示している。特に、本発明は、発光スポットが「高解像度スポット」をもたらすように環状領域に規則的に配置され、決められたオーダーの特定の振動モードを必ずしも故意にもたらす必要はないモードを提供する。
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。

さらに、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３４巻、第７号、ｐ６８１−６８２（１９９８年４月）は、エッチングによりポストの上面に円形キャビティが形成され、キャビティの外周部に環状発光領域が形成される構成を有するＶＣＳＥＬを提案している。これは、非常に高オーダーの（３０番オーダーより大きい）モードがもたらされ、同時に発光スポットの強度における大きな変動が存在する、近距離場パターンから明らかである。これは、３０ｕｍほどの大きさの内径の環状領域に一様な電流を注入するのは難しいことを示す。したがって、実用化のための安定な高オーダー振動モードを得るために、ＶＣＳＥＬの改善のための余地がある。

前述のように、マルチモード型光ファイバの光源として期待されるＶＣＳＥＬに関しては、ＶＣＳＥＬ技術における従来技術は、横方向モードを安定化させ、高い出力パワー、低い抵抗、高い効率、及び高速応答を有する要件を満たすデバイスを提供することができない。
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。

こうした設計の欠点は以下のとおりである。
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。

３．デバイスは意図的に単一モードであるので、単一モード・レーザのような単一モード・ファイバと共に用いられたときのモード分散を無くすという利点を有する。しかしながら、マルチモード・ファイバ又はマルチモード導波管が用いられるときには、単一モード・レーザは、ファイバ内を伝搬する間のモード混合に起因する著しいジッターの不利益を被る。マルチモード・ファイバにおいて単一モード・レーザを用いるときには、システムにコストと複雑さを付加するレーザ発射状態を精密に制御することが重要である。単一モード・レーザに伴う第２の基本的問題は、光学系をレーザ・キャビティに結合することからの背面反射(back reflection)である。単一モードが存在するので、背面反射はレーザを不安定にし、信号にジッターを付加する。この問題への産業標準の解決策は、レーザと結合光学系(coupling optics)との間に光アイソレータ(optical isolator)を挿入すること（これはシステムにコストと複雑さを付加する）か、又はレーザ・パワーをキャビティ内の干渉が問題にならないレベルに制限すること（しかしながら、パワー制限のために、これはこのデバイスを用いることができる用途を制限する）のいずれかである。

ＶＣＳＥＬにおける横方向モードのより詳細な分析及び説明がこの時点で有用であろう。横方向モードは、酸化物開口部中心モード（ＡＣＭ）及び酸化物開口部縁モード（ＡＥＭ）の２つのクラスにグループ分けすることができる。酸化層による光学的散乱のために、ＡＣＭは常にＡＥＭよりも低い固有損失を有することになる。結果として、ＡＣＭは、低い閾値ゲインを有し、それらはＡＥＭより前にレーザを放出し、閾値近くのレーザ放出を支配する。しかしながら、透明なコンタクトがレーザ放出開口部をカバーする場合を除き、注入電流は、酸化物開口部の外側から開口部の中心に向けて移動する半径成分を常に有する。この半径電流注入のために、閾値よりもかなり上では、ＡＥＭモードがレーザ放出を支配することになる。閾値より上では、誘導放出のためにキャリア寿命が劇的に低下する。その結果、キャリア拡散距離が減少し、それらはもはや開口部の中心に到達することができない。

狭いスペクトル幅を達成することの難しさは、酸化物開口部のサイズを選択することに固有のトレードオフに起因する。より小さい開口部は、許容される横方向モードの数を減少させるが、デバイスの信頼性に関する多数の問題を有する。第１に、デバイス抵抗は開口部直径の二乗に反比例する。この見地から、最小開口部サイズは、ドライバに合致するインピーダンスにより設定される。第２に、ＥＳＤ損傷閾値もまた、開口部直径の二乗に反比例する。ＥＳＤ閾値を下げることにより、製造プロセスにコスト及び複雑さが付加され、フィールド故障のリスクが増加する。第３に、磨耗信頼性は、電流密度の二乗に比例する。定電流において、磨耗寿命は、開口部直径の４乗に逆比例する。第４に、熱インピーダンスは、開口部直径に逆比例する。より小さいデバイスは、より高い注入温度を有し、したがって減少した磨耗寿命を有する。第５に、より小さい開口部はより高い割合の酸化ＡｌＧａＡｓを要求し、それはレーザにおける機械的歪みを増加させる。

従来技術のＶＣＳＥＬにおける別の問題は、駆動電流及び周囲温度に対するスペクトル幅の敏感さである。これらの影響は、ＡＣＭ及びＡＥＭ間の競合と、酸化物開口部のサイズのために存在する横方向モードの数との両方に起因する。駆動電流が増加するのに伴って、より多くの高損失ＡＥＭが閾値に達する。したがって、レーザのＳＷは駆動電流と共に増加する。低温では、レーザの全体的損失が減少し、より多くのＡＥＭが閾値に達する。したがって、ＳＷはまた、温度の減少に伴って増加する。
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。

１．本発明の目的
本発明の目的は、横方向モードにわたる改善されたモード制御を伴う半導体レーザ・デバイス構造体を提供することである。
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。

２．本発明の特徴
簡単に言えば、及び大まかには、本発明は、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、隣接するベース層部分の上に延びるメサを有する活性層と、メサの上面の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、メサの中央に配置され、第２ミラー層スタックの少なくとも幾つかを通って延びる凹部と、を備えた表面発光レーザを提供する。

別の態様においては、本発明はまた、基板を用意し、基板上に第１並列ミラー・スタックを形成し、第１並列ミラー・スタック上に活性層及びスペーサ層を形成し、活性層及びスペーサ層上に第２並列ミラー・スタックを形成し、第２並列ミラー・スタックをエッチングしてメサ形状の構造体を定め、メサ形状の構造体を酸化してメサに電流閉じ込め中央領域を形成し、メサ構造体の中央領域の一部を第２並列ミラー・スタックの一部まで除去することを含む、垂直キャビティ表面発光レーザを製造する方法を提供する。

本発明の１つの態様は、酸化物開口部のサイズから多くの許容される横方向モードを切り離し、それにより抵抗に関連する問題及び小さい開口部に関連する信頼性問題を回避する。
本発明の別の態様は、ＡＣＭ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。

本発明の例示的な態様及び実施形態を含む本発明の詳細をここで説明する。図面及び以下の説明を参照すると、同様の又は機能的に類似した要素を特定するために同じ参照番号が用いられ、それらは例示的な実施形態の主な特徴を非常に単純化された概略的な形で説明することを意図されている。さらに、図面は、実際の実施形態の全ての特徴を描写することも、描写された要素の相対的寸法を尺度どおりに描くことも意図されていない。

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。

基板１０４は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、サファイア（Ａｌ．ｓｕｂ．２Ｏ．Ｓｕｂ．３）又はＩｎＧａＡｓから形成することができ、非ドープ、ｎ型ドープ（例えばＳｉにより）又はｐ型ドープ（例えばＺｎにより）とすることができる。ＶＣＳＥＬ１００が形成される前にバッファ層を基板１０４上に成長させることができる。図１の例示的な図においては、第１及び第２ミラー・スタック１０２、１０３は、レーザ光がＶＣＳＥＬ１００の上面から放出されるように設計され、他の実施形態においては、ミラー・スタックは、レーザ光が基板１０４の底面から放出されるように設計される。

作動時に、作動電圧が電気コンタクトに適用されて半導体構造体内に電流の流れが生じる。電流は、半導体構造体の中央領域を通って流れ、結果としてキャビティ領域１０５の中央部分においてレーザ放出する。周囲酸化物領域１０１又はイオン注入領域、或いはその両方によって定められた閉じ込め領域は、キャリア及びフォトンの横方向の閉じ込めを提供する。閉じ込め領域の比較的高い電気抵抗率は、電流を導かせ、半導体構造体の中央に配置された領域に流すことになる。特に、酸化物ＶＣＳＥＬにおいては、フォトンの光学的閉じ込めは、キャビティ領域１０５において発生したフォトンをガイドする、大きく減少する屈折率プロファイルに起因する。キャリア及び光の横方向閉じ込めは、活性領域内のキャリア及びフォトンの密度を増加させ、活性領域内の光の発生効率を増加させる。
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Ｂｒａｇｇリフレクタの一部として用いることができる。

第１及び第２ミラー・スタック１０２及び１０３は、各々、分散型Ｂｒａｇｇリフレクタ（ＤＢＲ）を形成する異なる屈折率材料の交互層のシステムを含む。材料は、所望の作動レーザ波長（例えば６５０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲内の波長）に応じて選択される。例えば、第１及び第２ミラー・スタック１０２、１０３は、高アルミニウム含有量のＡｌＧａＡｓ及び低アルミニウム含有量のＡｌＧａＡｓの交互層から形成することができる。第１及び第２ミラー・スタック１０２、１０３の層は、作動レーザ波長の約１／４である有効光学的厚さ（すなわち層の厚さに層の反射率をかけたもの）を有することが好ましい。
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。

第１ミラー・スタック１０２、活性層１０５及び第２ミラー・スタック１０３が完成すると、構造体がパターン形成されて１つ又はそれ以上の個々のＶＣＳＥＬが形成される。当該技術分野では周知の方法のいずれかにより第２ミラー・スタック１０３の上面にフォトレジスト材料層が形成される。メサ１０８又はトレンチ（図１ｂに示される）のいずれかの位置及びサイズを定めるためにフォトレジスト層が露出され、材料が除去される。メサ１０８又はトレンチは、ドライ又はウエット・エッチ・プロセスのような当該技術分野では公知のいずれかの適切な手段によりミラー・スタック１０３をエッチングすることによって形成される。典型的なドライ・エッチ・プロセスは、塩素、窒素及びヘリウムイオンを使用し、ウエット・エッチ・プロセスは、硫酸又はリン酸エッチを使用する。メサの実施形態においては、メサは、直径が２５から５０ミクロンの範囲とすることができ、又は好ましくは約４０ミクロンであり、基板の表面上の高さが約３から約５ミクロンとすることができる。図１ｂに示されるトレンチの実施形態においては、トレンチは、ほぼメサ形状に周りを完全に延び、ほぼメサ形状を定める。両方の実施形態において、メサはほぼ円形の断面を有する。

処理手順の終了時には、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）のような誘電体材料層がＶＣＳＥＬ１００の全表面上に付着され、開口部がメサ形状の構造体１０８の上面の中にエッチングされて、発光領域１０９とほぼ一致し、発光領域１０９を定める。透明な金属コンタクト層が発光領域に付着され、メサ形状の構造体１０８の上に続いて電気コンタクト・ウィンドウを定め、外部電気コンタクトのための十分な表面を与える。一般に、使用される透明な金属は、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、カドミウム・スズ酸化物などである。必要であれば、層の上に付加的な従来の金属を付着させることができる。電気コンタクト・ウィンドウは、基本的に上側並列ミラー・スタック内の電流分布を制御することに注意されたい。

図１ｂは、関連するＶＣＳＥＬミラーの構造体内の薄い高アルミニウム含有層の部分的酸化により形成することができる絶縁領域を含む、米国特許出願公開２００３／０２１９９２１号又は米国特許第６，６２８，６９４号に表されるような従来技術では公知の別のＶＣＳＥＬ１００の斜視図を示す。図１ｂは、図１ａに示されたメサ型構造体１０８とは対照的に、トレンチ２００によって囲まれた酸化物分離ＶＣＳＥＬ１００の概略的断面図を表す。図１ｂに示されるように、ＶＣＳＥＬ１００は、一般に、発光開口部１０９と、孔を形成する酸化物又はイオン注入閉じ込め領域１０１と、活性領域１０５とを含む。

図２は、本発明に係るメサ型酸化物閉じ込めＶＣＳＥＬの半導体構造体の断片的な断面詳細図である。第１ミラー・スタックを形成する領域１０３を通って垂直方向に延びるほぼ円筒形の凹部１１０又は窪みが、開口部１０９の中央に設けられている。横方向光モードＰ１１、Ｐ１３及びＰ３１は、酸化物開口部の中央に集中された出力密度を有し、それは前述のように多くのＶＣＳＥＬ用途においては望ましくない。したがって、凹部１１０は、開口部１０９の中央において光学的損失をもたらし、モードＰ１１、Ｐ１３及びＰ３１を消滅させ又は抑える。
図３は、本発明に係る半導体構造体又はトレンチ型酸化物閉じ込めＶＣＳＥＬの断片的な断面詳細図である。同じく、横方向光モードを消滅させ又は抑えるために中央円筒形凹部１１０が設けられる。
図４は、異なる電流及び異なる温度における、本発明に係る新しいＶＣＳＥＬと比較した、従来技術のＶＣＳＥＬのスペクトル幅を示すグラフである。スペクトル幅又は従来技術のデバイスは、５から８ｍａの駆動電流において０．４から０．５ｎｍを上回る範囲であるように見える。本発明の図２に係る実施形態における新しいＶＣＳＥＬは、同じ温度及び駆動電流範囲に対して０．３以下から０．３８ｎｍの範囲のスペクトル幅をもつように見える。

図５Ａは、本発明に係る第１処理ステップにおける、構造体の周辺側壁を酸化して構造体に電流閉じ込め中央領域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。メサ１０８は、一般的な発光領域１０９を有するほぼ平坦な上面を有する。
図５Ｂは、本発明に係る単一の第２処理ステップにおける、基板及びメサ構造体の一部をエッチングしてメサ構造体の中央領域に凹部１１０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を用いるエッチングのようなウェット・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。好ましい実施形態においては、エッチングは、第１ミラー・スタック１０３のほとんどと、第２ミラー・スタック１０２の一部を通って延びる。後続のステップに示されるように、基板までのエッチングは、基板との電気的コンタクトを形成する目的のためである。

図５Ｃは、本発明に係る第３処理ステップにおいて、構造体にｎ及びｐオーム・コンタクトを付着した後の半導体構造体の断片的な断面詳細図である。ｐコンタクト１１１は、表面１０９とのオーム電気コンタクトを形成する実質的に環状のリング（図６に示される）である。ｎコンタクト１１２は、基板１０４とのオーム電気コンタクトを形成する環状のセグメント（図６に示される）である。
図５Ｄは、本発明に係る第４処理ステップにおける、構造体の一部の上にポリイミド層１１３を付着した後の図５Ｃ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、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法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を露出させる。

図５Ｅは、本発明に係る第５処理ステップにおける、構造体に金属結合パッド層１１４及び１１５を付着させた後の図６に示されたＥ−Ｅ平面を通る図５Ｄの半導体構造体の断片的な断面詳細図である。層１１４は、ｎ−オーム・コンタクト１１１との電気コンタクトを形成し、層１１５は、ｐ−オーム・コンタクト１１２との電気コンタクトを形成する。
図５Ｆ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６に示されたＦ−Ｆ平面を通る図５Ｄ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。

図６は、本発明に係る第５プロセス・ステップにおいて、構造体上に金属結合パッド層１１４及び１１５を付着した後の図５Ｅ及び図５Ｆの半導体構造体の平面図である。
図７は、本発明に係る第２実施形態におけるメサ型酸化物閉じ込めＶＣＳＥＬのための半導体構造体の断片的な断面詳細図である。第１ミラー・スタックを形成する領域１０３を通って垂直方向に延びるほぼ円筒形の凹部１１０又は窪みを、開口部１０９の中央に設けることに加えて、凹部１１０と同じ深さだけ領域１０３を通って垂直方向に延びる環状トレンチ１５０が設けられる。結果として、開口部中心モードと開口部モードとの両方が抑制される。

本発明は、単一モード出力を達成しようとするものではないので、従来技術（米国特許第６，９９０，１２８号のような）の欠点を持たない。本発明の示された実施形態においては、レーザ出力パワーは、窪みが付加されたときに５乃至１０％だけ減少される。さらに、窪みに起因する改善された熱特性のために、ＬＩロールオーバ・ポイントがより高い駆動電流に押される。本発明は、ＡＣＭを抑制することを目的としているため、ＶＣＳＥＬメサにエッチングされる形状は、デバイス性能にとって重要ではない。実験結果は、酸化物開口部の中心における円形パターンについて、円のサイズの±１０％の変動はデバイス性能に大きな影響を及ぼさないことを示す。さらに、円がその半径のサイズの半分だけ位置ずれしても、デバイス性能に影響を及ぼさない。さらに、窪みは、意図的に開口部の縁の近くには形成されず、そのため、開口部への位置合わせは、デバイス性能に対して重要ではない。示された実施形態は意図的にマルチモードであるので、従来技術の米国特許第６，９９０，１２８号の単一モード制限のいずれも、このデバイスには当てはまらない。

前述の要素及びプロセス・ステップの各々、又はその２つ又はそれ以上の組み合わせはまた、前述のタイプとは異なる他のタイプの構成において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。

従来技術では公知の酸化物閉じ込めＶＣＳＥＬのための半導体構造体の拡大された断片的な断面図である。 従来技術では公知のトレンチ型酸化物閉じ込めＶＣＳＥＬのための半導体構造体の拡大された断片的な断面図である。 本発明に係るメサ型酸化物閉じ込めＶＣＳＥＬのための半導体構造体の拡大された断片的な断面図である。 本発明に係るトレンチ型酸化物閉じ込めＶＣＳＥＬの半導体構造体の断片的な断面詳細図である。 異なる電流及び異なる温度における、本発明に係る新しいＶＣＳＥＬと比較した、従来技術のＶＣＳＥＬのスペクトル幅を示すグラフである。 本発明に係る第１処理ステップにおいて構造体の周辺側壁を酸化させて構造体に電流閉じ込め中央領域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。 本発明に係る第２処理ステップにおいて基板及びメサ構造体の一部をエッチングしてメサ構造体の中央領域に凹部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。 本発明に係る第３処理ステップにおいて構造体にｎ及びｐオーム・コンタクトを付着させた後の半導体構造体の断片的な断面詳細図である。 本発明に係る第４処理ステップにおいて構造体の一部の上にポリイミド層を付着させた後の半導体構造体の断片的な断面詳細図である。 本発明に係る第５処理ステップにおいて構造体に金属結合パッド層を付着させた後の図６に示されたＥ−Ｅ平面を通る半導体構造体の断片的な断面詳細図である。 本発明に係る第５処理ステップにおいて構造体に金属結合パッド層を付着した後の図６に示されたＦ−Ｆ平面を通る半導体構造体の断片的な断面詳細図である。 本発明に係るＶＣＳＥＬ半導体構造体の上面図である。 本発明に係る半導体構造体の別の実施形態の断片的な断面図である。

符号の説明

１００：ＶＣＳＥＬ
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 (9)

1. 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、
   前記第２スタックの中央に配置され、前記第２ミラー層スタックの少なくとも幾つかを通って延びる凹部と、
   を備えた表面発光レーザ。
2. 前記凹部が円筒形の領域であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
3. 前記凹部が環状形状の領域を含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ。
4. 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誘導注入ＶＣＳＥＬであることを特徴とする請求項２に記載のレーザ。
5. 前記レーザが、屈折率誘導ＶＣＳＥＬであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
6. 前記レーザが、酸化物ＶＣＳＥＬであることを特徴とする請求項４に記載のレーザ。
7. 縦方向及び横方向光モードを有する表面発光レーザであって、
   半導体基板と、
   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、
   前記第２スタック上に配置された発光開口部と、
   光出力が前記発光開口部の周辺縁に集中される高オーダー横方向モードで前記レーザに光を優先的に放出させる形状にされたモード制御構造体と、
   を備えた表面発光レーザ。
8. 請求項７に記載の縦方向及び横方向光モードを有する表面発光レーザであって、前記光出力が前記発光開口部の中央部において最小になる高オーダー横方向モードで前記レーザに光を優先的に放出させるモード制御構造体と、
   を備えた表面発光レーザ。
9. 縦方向及び横方向光モードを有する表面発光レーザを製造する方法であって、
   半導体基板を用意し、
   前記基板の上面に配置される交互の屈折率の第１ミラー層スタックを形成し、
   前記第１スタック上に配置される活性層を形成し、
   前記活性層上に配置される交互の屈折率の第２ミラー層スタックを形成し、
   前記第２スタック上に配置される発光開口部と、高オーダー横方向モード及び最小にされたスペクトル幅で前記レーザに光を優先的に放出させる形状にされたモード制御構造体とを同時に形成する、
   ことを含む方法。

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