JP2008543090A - 空間フィルタ - Google Patents

Abstract

エッチング面を有する単一ラテラルモードの半導体フォトニックデバイスが、エッチング面上に反射防止膜を成膜し、反射率改質膜を空間的に制御して成膜することによって製造されて、照射されるビームの空間性能が改質される。

Description

本出願は、２００５年６月１日に出願された仮出願第６０／６８５，８８３号明細書の優先権を請求し、その開示は、参照により本明細書に組み込まれる。本発明は、一般に、フォトニックデバイスに関し、より詳細には、改良されたレーザーデバイスおよびそれらを製造するための方法に関する。

低コストの単一ラテラルモード半導体レーザーを得る場合に残存する問題の１つは、単一ラテラルモードだけが、広範囲の電流および温度にわたって作動することが可能とされるようにレーザー空洞内を伝播するラテラルビームを制御することである。この問題をうまく解決した１つのタイプのレーザーが、埋設型ヘテロ構造レーザーであるが、この成功は、最初のパターニング後に半導体材料を再成長させることを必要とする。リッジ型レーザーは、この再成長の必要性を取り除いたが、さらに、単一ラテラルモードの動作を可能としながら、エッチングされることが可能なリッジの深さとともに、リッジの幅に制限がある。

半導体レーザーまたは固体レーザーは、典型的には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって、基板上に適切な階層状の半導体材料を成長させて、基板表面に平行に活性層を形成することにより製造される。材料は、次いで、様々な半導体処理装置で処理されて、活性層を組み込むとともに半導体材料に取り付けられた金属コンタクトを組み込むレーザー空洞を生成する。半導体材料を劈開することによって、レーザー鏡面が、典型的にレーザー空洞の端部に形成されて、バイアス電圧が、コンタクトに印加される場合、活性層を介して結果として生じる電流フローが、電流フローに垂直な方向に、活性層のカットされた端部から光子を照射するように、レーザー光空洞のエッジまたは端部を画定する。ウェハが、棒状に劈開されて、レーザー面を形成するので、ウェハ上での従来のリソグラフィ技術は、さらにレーザーを処理するために使用されることができない。

レーザー面を劈開する必要性による半導体処理で遭遇される問題は、米国特許第４，８５１，３６８号明細書で克服され、それは、エッチングによって半導体レーザーの鏡面を形成する工程を開示しており、レーザーが、同じ基板上の他のフォトニックデバイスとモノリシックに一体化されることを可能にする。この研究はさらに拡大され、エッチング面に基づいてリッジ型レーザーを製造する工程が、「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ Ｒｉｄｇｅ Ｌａｓｅｒｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｄｒｙ−Ｅｔｃｈｅｄ Ｆａｃｅｔｓ ａｎｄ Ｒｉｄｇｅｓ」ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、２８巻、Ｎｏ．５、１２２７−１２３１頁、１９９２年５月に開示された。これらの工程は、２００６年２月１７日に出願され、「Ｈｉｇｈ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｅｔｃｈｅｄ−Ｆａｃｅｔ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ」（代理人整理番号ＢＩＮ−２０）と題するＡｌｅｘ Ａ．Ｂｅｈｆａｒの米国特許出願第１１／３５６，２０３号明細書でさらに向上され、ここで、高信頼性のエッチング面のフォトニックデバイスが記載されている。

しかし、リッジのエッチ深さおよびエッチ幅とは別に、レーザー出力の空間ラテラル制御を提供しながら、半導体材料の再成長の必要性なしで、レーザーなどのフォトニックデバイスを製造する工程の必要性があり、そのようなレーザーが非常に望ましい。

本発明によれば、エッチング面を有する半導体フォトニックデバイスを作製するための向上された工程および方法が提供され、ここで、デバイス面の１つが、第１の反射防止（ＡＲ）膜であり、次いで、反射率改質膜が、単一ラテラルモードのレーザーが製造されることを可能にするように、空間的に制御して塗布される。反射率改質膜は、本発明の好ましい態様において、空間フィルタとしての役割を果たす多層膜であり、面の特定領域が、レーザーのラテラルモードの空間挙動を制御することを可能にする。空間フィルタの位置、サイズおよび形状は、レーザーの光線形状を決定する。

本発明の前述の目的、およびさらなる目的、特徴および利点が、添付の図面とともに、以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明から当業者に明らかとなる。

半導体レーザーでの空間ビームの挙動を制御する問題は、本発明によって克服され、ここで、本発明による空間フィルタ１２を備えたリッジ型レーザー１０が図１で説明されている。このレーザーは、図２（ａおよびｂ）から図８（ａおよびｂ）で概略的に説明される製造工程を使用して、基板、すなわちチップ１４上に製造され、それらの図面は、以下に参照される。本発明は、図１で説明されるレーザーなどのリッジ型レーザーに関して記載されるが、他のタイプのレーザーが製造されて、本明細書に記載される空間フィルタを組み込んでもよいことが理解される。

従来と同様に、基板１４は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、またはその合金から形成されてもよく、それは、適切にドープされてもよい。この基板の上面１６上に、光導波路１８などのフォトニックデバイスを形成する一連の層が、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などの知られているエピタキシャル成膜工程によって成膜され、フォトニックデバイスは、図１、図２（ａ）および図２（ｂ）で説明されるように活性領域２０を含む。左側の図２（ａ）から図８（ａ）は、図１の導波路の線Ａ−Ａにおける断面図であり、一方、右側の図２（ｂ）から図８（ｂ）は、図１の導波路の矢印Ｂ−Ｂの方向に見られた線Ｂ−Ｂにおける断面図である。

本発明の１つの実施形態では、例えば、半導体フォトニックデバイス１８は、ＩｎＰ基板１４上にエピタキシャル形成されたレーザーであってもよい。フォトニックデバイス構造は、典型的には、活性領域２０より低い屈折率を有するＩｎＰなどの半導体材料から形成された上クラッド領域２４および下クラッド領域２２を含む。これらの上下クラッド領域は、活性領域に隣接しており、ＡｌＩｎＧａＡｓ系量子ウエルおよびバリアで形成されてもよく、レーザーが励起される場合、１３１０ｎｍの波長で光を照射するように設計されている。ＩｎＧａＡｓキャップ層（図示せず）が、オームコンタクトを可能とするように設けられている。本明細書に挙げられた例は、ＩｎＰ基板上の単一素子レーザーデバイスに基づくが、活性領域を備えた他のフォトニックデバイスが製造され得、これらのデバイスは、ＧａＡｓやＧａＮなどの他の基板上に形成され得ることが理解される。

図２（ａ）および図２（ｂ）で説明されるように、ＳｉＯ_２の２００ｎｍの厚い層３０が、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によってエピタキシャル成長されたレーザー構造１８上に成膜される。例えば、レーザー本体および面をフォトレジスト層に画定する第１のリソグラフィステップ（図示せず）が行なわれ、フォトレジストパターンが、知られている方法で、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して、基礎をなすＳｉＯ_２層３０に転写されて、ＳｉＯ_２パターンを形成する。フォトレジストが、酸素プラズマによって取り除かれた後、ＳｉＯ_２パターンは、化学支援イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）を使用して、フォトニックデバイス構造１８に転写されて、図２（ａ）および図２（ｂ）で説明されるレーザー本体３２および面３４、３６を形成する。

図３（ａ）および図３（ｂ）で説明されるように、第２のフォトレジストリソグラフィが行なわれて、基板上の１つまたは複数のリッジを画定するパターンを生成し、ＲＩＥが使用されて、ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ_２層にフォトレジストパターンを転写する。酸素プラズマでフォトレジストを取り除いた後、ＣＡＩＢＥが使用されて、レーザー構造においてリッジ、例えばリッジ４０を形成する。リッジの幅は、一例では、３．２μｍであった。

図３（ａ）および図３（ｂ）で説明されたリッジの形成後に、ＳｉＯ_２の１２０ｎｍの厚いパッシベーション層４２が、ＰＥＣＶＤを使用して成膜されて、フォトニックデバイスを含む基板全体を被覆する。これは、図４（ａ）および図４（ｂ）において、単一リッジ４０について説明される。

フォトニック構造上にｐ−コンタクト開口を画定するための第３のリソグラフィが行なわれ、ＲＩＥが使用されて、ＳｉＯ_２層内にコンタクトホール４４を開口する。次いで、図５（ａ）および図５（ｂ）で示されるように、酸素プラズマが使用されて、フォトレジストを取り除く。

次いで、ｐ−コンタクト金属化のためのリソグラフィが行なわれ、ｐ−コンタクト金属５０が、電子ビーム蒸着器を使用して蒸着される。デバイスのためのｐ−コンタクトは、図６（ａ）および図６（ｂ）で示されるように、不要な金属化のリフトオフ後に画定される。

レーザーのためのｎ−コンタクト５２も、基板の背面５４上に、電子ビーム蒸着を使用して蒸着される。基板上に製造された各フォトニックデバイスのために、対応するコンタクトが設けられてもよいことが理解される。ｎ−コンタクトは、ｐ−コンタクトを画定するために使用されるように、同様のステップを使用して、基板の上面に成膜されてもよいことも理解される。

図７（ａ）および図７（ｂ）で説明されるように、Ａｌ_２Ｏ_３の１２０ｎｍの厚い層６０が、リフトオフパターンのフォトリソグラフィ、Ａｌ_２Ｏ_３の蒸着およびリフトオフを介して、面の１つ、例えば面３４上に成膜される。この層６０は、本質的に、レーザー面３４上に形成された４％未満の反射率の反射防止（ＡＲ）層である。レーザーは、１３１０ｎｍの公称波長でレーザー光を照射する。

リフトオフパターン、材料の蒸着、およびリフトオフを画定するためのリソグラフィを使用して、図８（ａ）および図８（ｂ）で示されるように、空間フィルタ、すなわちリフレクタ１２が形成される。フィルタ１２は、多層膜を組み込んでもよく、一例を挙げれば、以下のように３層を含んでいた。

空間フィルタ１２は、図で説明される単一レーザー素子のために形成される場合、より高い割合の光が、表面の残りからよりも空間フィルタから反射されるように成膜された表面６０より高い反射率を有する。これは、空間フィルタ１２の二次元（高さおよび幅）形状によって決定された単一素子レーザーの選択的レージングを可能にする。面３４の表面上のＡＲ膜６０を使用すると、面が、空間フィルタの成膜の前に小さな反射率を有することが可能であり、これにより、二次元空間フィルタ１２の反射率と面の残りのＡＲ被覆表面との間に大きな差が生じる。反射率の大きな差によって、空間フィルタの大きな効果がもたらされる。

単一素子レーザーについて、高い反射率の空間フィルタが、安定した空間モードの挙動を可能にすることが望まれるが、他のフォトニックデバイスが、低反射率の空間フィルタ、二次元でパターン化された空間フィルタ、または二次元で非接触パターン化された空間フィルタから利益を得てもよい。ＡＲ膜および空間フィルタは、レーザーの２つの面のうちの１つに適用されると記載されたが、場合によっては、さらに強い空間ビームの形状の制御のために、両方の面上にＡＲ膜および空間フィルタを有することが望ましい。ＧａＮ青紫色照射レーザーの場合には、これらの波長で適切な材料が使用されて、ＡＲであっても高い反射率の空間フィルタであっても反射率を改質することとなる。

上記工程において、レーザーのためのｎ−コンタクト５２は、ＡＲフィルムおよび空間フィルタの成膜の前に蒸着されたが、これらのステップが行なわれた後、蒸着されることもできる。記載された例におけるＡＲ層および空間フィルタの前に、ｎ−コンタクトを蒸着する理由は所与のレーザーの分析の前後に可能とされることであった。

一般に、レーザーが、単一ラテラルモードで作動するなら、光−電流（Ｌ−Ｉ）特性は、折れ曲がりなしで一定の傾斜を示す。しかし、レーザーが、１つより多いラテラルモードを可能とするなら、図９のグラフにおいて、より低い曲線７０によって示されるように、Ｌ−Ｉ特性は折れ曲がることとなる。空間フィルタ１２の幅は、３．２μｍのリッジ幅を有するこのレーザーについては２．２μｍであり、その使用により、より長い直線７２が生じた。図９の直線からのＬ−Ｉ曲線の偏差は、単一ラテラルモードを越えるモードの開始を表す。説明されるように、空間フィルタを導入すると、単に６ｍＷより下の単一ラテラルモードで作動することができるレーザーが可能となり、１２ｍＷまで単一ラテラルモードで作動する。

図１０および図１１において８０で説明される水平キャビティ表面照射レーザー（ＨＣＳＥＬ）が、２００４年１０月５日に出願された米国特許出願第１０／９５８，０６９号明細書（代理人整理番号ＢＩＮ１５）および２００４年１０月１４日に出願された米国特許出願第１０／９６３，７３９号明細書（代理人整理番号ＢＩＮ１９）に記載されており、それらの開示は、参照により本明細書に組み込まれる。ＨＣＳＥＬは、角度がついて、およそ４５度で角度がつけられたエッチング面８２で形成され、それは、レーザーが製造される基板の面に垂直な方向の上方に（または下方に）活性領域８４で生成されたレーザー光を反射する。レンズ表面は、平坦面の代わりに、４５度のエッチング面上に位置して発散を補償することができる。

空間フィルタ８６は、出力ビーム９０の空間性能が改質され操作されるように、ＨＣＳＥＬの上面を被覆するＡＲ膜８８上に成膜される。図１０は、約８５％の反射率を有する空間フィルタ８６が成膜されたＡＲ膜８８を有するＨＣＳＥＬ８０の断面図を示す。図１１は、同じレーザーの平面図を示し、ＡＲ膜８８が、最初に塗布され、その後にＨＣＳＥＬから現われるビーム形状に影響する空間フィルタ９０が成膜される。

本発明は、好ましい実施形態の点から説明されたが、特許請求の範囲で述べられるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく変形および修正がなされてもよいことが理解される。

本発明の好ましい態様によるレーザーのラテラルモードを制御するための空間フィルタを設けるために、反射防止膜を組み込むエッチング面を有する半導体レーザーの概略斜視図である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ａ−Ａの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ｂ−Ｂの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ａ−Ａの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ｂ−Ｂの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ａ−Ａの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ｂ−Ｂの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ａ−Ａの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ｂ−Ｂの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ａ−Ａの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ｂ−Ｂの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ａ−Ａの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ｂ−Ｂの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ａ−Ａの方向に見られた断面である。 図１のエッチング面を有するレーザーを作製するための製造ステップを概略的に示し、図１の矢印Ｂ−Ｂの方向に見られた断面である。 空間フィルタの適用前後のレーザーの光出力−電流特性の図示的説明図である。 本発明の第２の実施形態の概略側面図であり、空間フィルタを有する表面照射レーザーを示す。 本発明の第２の実施形態の概略平面図であり、空間フィルタを有する表面照射レーザーを示す。

Claims (15)

1. 基板と、
   活性層を含むエピタキシャル半導体構造と、
   前記エピタキシャル半導体構造内で加工されたエッチング面と、
   前記エッチング面上に成膜された空間フィルタと、
   を含む、フォトニックデバイス。
2. 前記空間フィルタが、材料の多層膜を含む、請求項１に記載のフォトニックデバイス。
3. 前記面と前記空間フィルタとの間で前記面上にＡＲ膜をさらに含む、請求項１に記載のフォトニックデバイス。
4. 基板と、
   前記基板上にあり、活性層を含むエピタキシャル半導体構造と、
   前記エピタキシャル半導体構造の端部のエッチング面と、
   前記面上の反射防止膜と、
   前記反射防止膜上の空間フィルタと、
   を含む、フォトニックデバイス。
5. 前記ＡＲ膜が、前記面上に誘電性膜を含み、
   前記空間フィルタが、前記ＡＲ膜上に、成膜された材料の多層膜を含む、請求項４に記載のフォトニックデバイス。
6. 前記半導体構造に電流を供給して、前記半導体構造内で光を伝播させ、前記面から少なくとも部分的に照射させるための電気的コンタクトをさらに含む、請求項５に記載のフォトニックデバイス。
7. 前記空間フィルタが、前記面上に位置して、前記照射される光を形成する、請求項６に記載のフォトニックデバイス。
8. 前記空間フィルタが、反射率改質膜である、請求項５に記載のフォトニックデバイス。
9. 前記空間フィルタが、フォトニックデバイスから照射される光の形状を改質するように形成されている、請求項８に記載のフォトニックデバイス。
10. 光線を照射することが可能な単一ラテラルモード半導体フォトニックデバイスを製造する方法であって、
    フォトニックデバイスのエッチング面上に反射防止膜を成膜するステップと、
    前記反射防止膜上に反射率改質膜を空間的に制御して成膜して、フォトニックデバイスによって照射されるビームの空間性能を改質するステップと、
    を含む、方法。
11. 反射率改質膜を空間的に制御するステップは、前記反射防止膜上の膜の成膜物をリソグラフィ的に制御するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 基板と、
    活性層を含むエピタキシャル半導体構造と、
    前記エピタキシャル半導体構造内で加工された、角度がついたエッチング面と、
    前記角度がついたエッチング面上の表面上に成膜された空間フィルタと、
    を含む、フォトニックデバイス。
13. 前記空間フィルタが、材料の多層膜を含む、請求項１２に記載のフォトニックデバイス。
14. 前記表面と前記空間フィルタとの間で前記表面上にＡＲ膜をさらに含む、請求項１２に記載のフォトニックデバイス。
15. 前記表面が、レンズの表面である、請求項１２に記載のフォトニックデバイス。

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