JP2008543098A - 表面放射光学デバイス - Google Patents

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Abstract

単一モード動作に適したレーザを放射する可視光波長の垂直キャビティ表面は、デバイスの中央の軸部分（１４３）の中で電流を濃縮するための酸化物アパーチャ（８１，８２）と、実質的に単一の横動作モードのために選択するデバイスの出力表面における表面レリーフ特徴と、を持つ。酸化物閉じ込め構造直径（１４０）と表面レリーフ特徴直径との間の関係が、単一モード動作のための最適条件を提供し、６３０ｎｍから６９０ｎｍの間の可視のデバイス動作波長バンドでの最適のデバイス性能を生み出すためのその空間の領域を規定するためにマップされた。

Description

本発明は、垂直キャビティ表面放射レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Lasers：ＶＣＳＥＬ）に関し、特に、動作条件の広範囲にわたって単一の横モードで動作させることができるそのようなレーザに関わる。
ＶＣＳＥＬは、共振キャビティが半導体材料の天然の劈開面によって形成されるが、（通常は）エピタキシャルに作られた分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）ミラーによって形成される、という点で従来のエッジエミッティングレーザとは異なる。参考のために、ＶＣＳＥＬの概略図を図１に示す。活性領域１がｐ型ＤＢＲ２と高反射ｎ型ＤＢＲ３の間に挟み込まれる。このデバイスは、例えばＧａＡｓ基板４の上にエピタキシャルに成長させられる。ＮおよびＰコンタクト６および７が、それぞれ、デバイスを通して電流を伝え、その電流は酸化物アパーチャ５によって小さな体積に閉じ込められる。従来のエッジ発光体に対しては数百ミクロンであるのと比較して、ＶＣＳＥＬのキャビティは、エッジ発光体のそれ−一波長のオーダー（すなわち＜１ミクロン）−よりも遥かに小さい。
通常、この小さなキャビティサイズは、ＶＣＳＥＬの１つの縦レージングモードをサポートする。しかしながら、デバイスの横のサイズ（しばしば１０ミクロンのオーダー）は、ＶＣＳＥＬが多くの横モードをサポートすることを意味する。例えばプラスチック光学ファイバー（ＰＯＦ）での透過およびホログラフィック記憶などの多くの用途において、動作温度と駆動電流の可能な限り広い範囲にわたって、単一の縦および横モードのみをサポートする形態でＶＣＳＥＬが動作することが、不可欠である。
赤外線（ＩＲ）ＶＣＳＥＬ（８５０ｎｍから９８０ｎｍの波長範囲をもつ）の偏光および単一モード特性を改善しようとするアプローチを詳述した、いくつかの刊行物が発表されてきた。本発明者は、スペクトルの可視部分で動作するＶＣＳＥＬの単一モード動作を改善しようとする、発表された試みについては承知していない。主要な関心は、６３０ｎｍから６９０ｎｍの範囲の波長を持ったスペクトルの部分であり、そこでは、デバイスの活性領域が量子井戸（ＱＷ）および（Ａｌ，Ｇａ）ＩｎＰ半導体材料系から作られたヘテロ構造から作られる。
通常、ＶＣＳＥＬの共振キャビティの長さは、１つの波長（１つのλ）のオーダーであるが、適切なスペーサ層の付加によってこのキャビティを拡大すること［非特許文献１、２参照］は、光線の遠視野角(far field angle)を減らし、より広い動作電流範囲にわたって単一モード動作を拡大するために示された。高次横モードに対する回折損失の増加に起因して、増加された単一モード出力と大領域の単一モード動作が観察される［非特許文献１］。この技術の１つの不利点は、１つ以上の縦モードが拡大されたキャビティ中でサポートできる可能性の増加である。これは、デバイスの接合部温度が上がるのにつれて、ＶＣＳＥＬの波長が１つの縦モードと他のものと間でホッピングする可能性を増やす［非特許文献２］。
Ｎｉｓｈｉｙａｍａら［非特許文献３］は、複数酸化物（ＭＯＸ）層構造を使って９６０ｎｍのＶＣＳＥＬにおける強化された単一モード動作を実証した。そこでは、電流閉じ込め層の上への３モード抑制層の付加を利用する。これらの層は、電流閉じ込めアパーチャのよりも直径で１から２ミクロン大きな酸化物アパーチャを持つ。高次モードの光学モードプロファイルは、基本横モードより広い。モード抑制アパーチャは、基本モードのプロファイルより広く、そして高次横モードのそれよりも小さくなる、という方法で選択される必要がある。このようにして、それらは、ただ、高次モードの散乱損失を増やし、それによって単一モード動作を促進するように振る舞うのみである。ＭＯＸアプローチが概念的に単純である一方で、その構造を作るのに必要な制御の量に関して非常に要求が厳しい。Ａｌ−モル比がｘ〜０．９４を超えて増加するのに従って、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓの酸化速度が指数関数的に増加することはよく知られている［非特許文献４］。アパーチャサイズを正確に制御する必要性は、エピタキシャル成長の際にＡｌ−モル比を正確に制御すること、そしてウェーハにわたっての酸化の均一性が、両方の必要なＡｌモル比のために維持されることを保証すること、が不可欠であることを意味する。この技術が大量生産環境に適用されうることは最もありそうにないだろう。
一般に、小さな中央領域に利得を制限することは、酸化物に閉じ込めたＶＣＳＥＬにおいて偏光制御および単一モード動作を強化する有用な技術である。相互拡散(inter-diffusion)［非特許文献５］、ＱＷの注入無秩序化(implantation disordering of the QWs)［非特許文献６，７］、および上部ミラーの追加的埋め込み［非特許文献８］が、５ｍＷの単一モード出力を達成した。ＭＯＸ技術とまったく同じように、これらすべてのアプローチは、２つのアパーチャタイプの厳密な配列を必要とし、これらの技術を真の大量生産に適さないようにしている。
最も最近では、８５０ｎｍで動作するいわゆるフォトニックバンドギャップ（photonic bandgap：ＰＢＧ）［非特許文献９，１０]ＶＣＳＥＬが、有望な単一モードの動作を示しつつ作製された。これらのデバイスは、通常的にエッチングされ酸化させたＶＣＳＥＬ表面にわたって屈折率に効果的な段差（ステップ）を作ることによって、単一モード動作を達成しようとするものである。この段差は第２のフォトリソグラフィ段階、および一番上のｐ−ＤＢＲを通る一連の穴をエッチングするエッチング段階を通して達成される。この穴は、１つの「欠陥」、すなわちメサ(mesa)の中心において残されたノーホール(no-hole)、をもった周期格子上に整列される。例として、単一モード動作は非特許文献９により、５ミクロンのホールピッチ（Λ）と（ａ／Λ）＝０．３のピッチ比率に対するホール直径（ａ）とを使って達成される。
大きな酸化物アパーチャからの高いパワーの単一モード動作、８５０ｎｍＶＣＳＥＬを成功裏に実証するために、自己配列表面レリーフ技術［非特許文献１１，１２］がこれまでに使われた。このカテゴリーのデバイスの中で、要求される単一モード動作を達成する２つの方法がある。１つのアプローチは、最も推進された方法であって、別の従来のＶＣＳＥＬ構造において環状の形態にある浅い構造をエッチングすることであり、それによって高次モードの損失を増やす［非特許文献１３］。第２の方法は、エピタキシャル成長の際に従来のＶＣＳＥＬの一番上に４分の１波長（λ／４）厚さの余分の層を付加することである［非特許文献１０］。Ｈａｇｌｕｎｄらは（以下のように）指摘する［非特許文献１２］。後者のアプローチの利点は、エピタキシャル成長における厚さの高い精度を、ミラー損失における狭い局所的な最大値に達するように利用することである。そしてこれは、必要なエッチング精度が要求される深さの精度を緩和させる。というのは、ミラー反射率の最小値が遥かに広範囲であるからである。
表面レリーフ構造を選択するモードを持った酸化物閉じ込めＶＣＳＥＬを設計し、実現する場合、酸化物アパーチャ直径、レリーフ直径、およびエッチング深さについての最適の組み合わせが存在する。このパラメータ空間は、Ｖｕｋｕｓｉｃらによってエッチングされた浅い８５０ｎｍＶＣＳＥＬに対して理論的に探究された［非特許文献１４]。酸化物アパーチャとレリーフ直径との組み合わせに対して中途半端な結果は存在するものの、さらに生産に耐えうる「深い」エッチングされた表面レリーフの変形例のために行われた研究はない。しかしながら、８５０ｎｍデバイスのための系統的な研究はない。専らＡｌＧａＡｓ材料の組み合わせに基づいて、酸化物直径、エッチング深さ、およびレリーフ直径の最適の組み合わせを、６３０ｎｍから６９０ｎｍのスペクトルの可視領域で動作し、そしてＡｌＧａＩｎＰ材料系を含んだ活性領域に基づいた単一モードデバイスの強力な動作のために如何に選択するかは、当業者にとって明らかでない。
H. J. Unold, S. W. Z. Mahmoud, R. Jager, M. Kicherer, M. C. Reidl および K. J. Ebeling著, 「Improving single-mode VCSEL performance by introducing a long monolithic cavity」, IEEE Photon. Tech. Lett, Vol. 12, No. 8, pp. 939-941, 2000年 D. G. Deppe および D. L. Huffaker著, 「High Spatial coherence vertical-cavity surface emitting laser using a long monolithic cavity」, Electron. Lett. Vol. 33, No. 3, pp. 211-213, 1997年 N. Nishiyama, M. Arai, S. Shinada, K. Suzuki, F. Koyama および K. Iga著, 「Multi-oxide layer structure for single-mode operation in vertical-cavity surface emitting lasers」, IEEE, Photon Tech. Lett. Vol. 12, No. 6, pp. 606-608, 2000年 K.D. Choquette, K.M. Geib, C.I.H. Ashby, R.D. Twesten, O. Blum, H.Q. Hou, D,M. Follstaedt, E. Hammons, D. Mathes および R. Hull著, 「Advances in Selective Wet Oxidation of AlGaAs Alloys」, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 3, pp. 916-926, 1997年 R.L. Naone, P.D. Floyd, D.B. Young, E.R. Hegblom, T.A. Strand and L.A. Coldren著, 「Interdiffused quantum wells for lateral confinement in VCSELs」, IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 4, pp. 706-714, 1998年 K.D. Choquette, K.M. Geib, R.D. Briggs, A.A. Allerman および J.J. Hindi著, 「Single Transverse Mode selectively oxidised vertical cavity lasers」, in Vertical Cavity Surface Emitting Lasers IV, C. Lei and K.D. Choquette, Eds: Proc SPIE, 2000年, vol. 3946, pp. 230-233 K.D. Choquette, A.A. Allerman, K.M. Geib および J.J. Hindi著, 「Lithographically defined gain apertures with selectively oxidised VCSELs」, in Proc. Conf. on Lasers and Electro-Optics, 2000年5月, pp. 232-233 K.D. Choquette, A.J. Fischer, K.M. Geib, G.R. Hadley, A.A. Allerman および J.J. Hindi著, 「High single mode operation from hybrid ion implanted selectively oxidised VCSELs」, in Proc. IEEE 17th Int. Semiconductor Laser Conf., Monterey, 2000年9月, pp. 59-60 D-S. Song, S-H Kim, H-G Park, C-K Kim および Y-H Lee著, 「Single Fundamental Mode Photonic Crystal vertical cavity surface emitting lasers」, Appl. Phys. Lett, vol. 80, pp. 3901-3903, 2002年 A.J. Danner, J.J. Rafferty, N. Yokouchi および K.D. Choquette著, 「Transverse modes of photonic crystal, vertical cavity lasers」, Appl. Phys. Lett, vol. 84, pp 1031-1033, 2004年 H.J. Unold. S. W.Z. Mahmoud, R. Jager, M. Grabherr, R. Micalzik および K.J. Ebeling著, 「Large area single mode VCSELs and the self aligned surface relief」, IEEE. Journal On Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 7, pp. 386-392, 2001年 A. Haglund, J.S. Gustavsson, J. Vukusic, P. Modh および A. Larsson著, 「Single fundamental mode output power exceeding 6mW from VCSELs with shallow surface relief」, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 16, pp. 368-370, 2004年 H. Martinsson, J. Vukusic, M. Grabherr, R. Micalzik, R. Jager, K.J. Ebeleing および A. Larsson著, 「Transverse mode selection in large area oxide confined VCSELs using a shallow surface relief」, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 11, pp. 1536-1538, 1999年 J. Vukusic, H. Martinsson, J.S. Gustavsson および A. Larsson著, 「Numerical optimisation of the single fundamental mode output from a surface modified vertical cavity surface emitting laser」, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 37, pp. 108-117, 2001年 See, for example, G.B. Stringfellow著, 「Organometallic Vapour Phase Epitaxy: Theory and Practice」, Academic Press (1994年) A. Knigge, R. Franke, S. Knigge, B. Sumpf, K. Vogel, M. Zorn, M. Weyers および G. Trankle著, 「650nm Vertical Cavity Surface Emitting Lasers: Laser Properties and Reliability Investigations」, Photonics Tech. Letters, vol. 14, pp. 1385-1387, 2002年 M. Watanabe, J. Rennie, M. Okajima および G. Hatakoshi著, 「Improvement in the temperature characteristics of 630nm band InGaAlP multiquantum well laser diodes using a 15o misoriented substrate」, Electron. Lett. Vol. 29, pp. 250-252, 1993年 A. Valster, C. T. H. F. Liedenbaum, M. N. Finke, A. L. G. Severens, M. J. B. Boermans, D. W. E. Vandenhoudt および C. W. T. Bulle-Lieuwma著, 「High Quality AlxGa1-x-yInyP Alloys Grown by MOVPE on (311) B GaAs Substrates」 Journal of Crystal Growth, Vol. 107, pp. 403-409, 1991年
可視波長スペクトルにおいて動作し、広範囲の動作条件にわたって単一の横モードで動作するＶＣＳＥＬデバイスを提供することが本発明の目的である。
一局面によれば、本発明は、６３０ｎｍから６９０ｎｍの範囲の波長を持った光学出力を生成するよう適合されたキャビティを有する垂直キャビティ表面放射光学デバイスであって、該デバイスは、そのデバイスの中央の軸部分の中で電流を濃縮するための酸化物アパーチャと、実質的に単一の横動作モードを選択するよう適合されたデバイスの出力表面における表面レリーフ特徴と、を含むことを特徴とする垂直キャビティ表面放射光学デバイスを提供する。
ここで、本発明の実施形態を、例および添付の図面を参照しながら述べる。
可視光波長放射のために動作可能なＶＣＳＥＬデバイスを形成するのにふさわしいエピタキシャル層構造の概略図を図２に示す。典型的な実施形態では、エピタキシャル構造およびデバイスが、金属−有機物気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）とも言われる金属−有機物化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）の成長技術によって作られる［非特許文献１５］。しかしながら、他の成長方法を別の実施形態に使うことができる。類似のデバイスの結果を、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）またはその一変形、例えば６５０ｎｍ帯のエッジ放射、つまりＤＶＤレーザダイオードの商業的製造で成功裏に使われる例えばガスソースＭＢＥ、を使って得ることができるであろう。
図２のエピタキシャル層は、ｎ型ＧａＡｓ基板４の上に堆積され、それは標準的な（００１）平面から＜１１１Ａ＞方向に１０度だけずれて方向付けられる。ずれて方向付けられた基板の使用は、最も品質の高いエピタキシャル層を得るために好ましく、１０度の角度が好ましい。しかしながら、６度から１５度の間の方向を使っても、依然として優れた結果を期待することができであろう［非特許文献１６，１７］。他の実施形態では、（３１１）Ａ平面に方向付けられた基板を使って、成功裏の結果を得ることができる［非特許文献１８］。
好ましい実施形態では、ｎ型の分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）ミラー２０（以下ではｎ−ＤＢＲとも言う）は５５対の交互のＡｌＡｓ／Ａｌ（０．５）Ｇａ（０．５）Ａｓのλ／４ｎ層９、８Ａを持つ。ここで、λは問題となる波長であり、ｎは問題となる波長における構成層の屈折率である。この例では、層厚は、６８０ｎｍの中心ストップバンド(stop band)波長におけるスタックの反射率を最大にするように選ばれる。２つの層の間の界面におけるＡｌ−モル比の線形等級付け(linear grading)もまた好ましい。交互層９、８Ａは、〜１×１０１８ｃｍ−３のドーピングを成すのにふさわしいガス流を使って、Ｓｉでドープされる。ＤＢＲスタック２０はＧａＡｓ基板４に整合する格子に近接する。ＤＢＲスタックの上側の層の上には、Ａｌ（０．９５）ＧａＡｓの層１０と、ｎドープ（Ｓｉ 〜１−５×１０１７ｃｍ−３）されたＡｌＩｎＰの拡散バリア層１１がある。この層１１におけるドーピングレベルは、デバイス性能に有害な影響を及ぼしうるような次の層の引き続く成長におけるデバイスの活性領域へのＳｉの拡散を最小にする試みとして、ＤＢＲ層９、８Ａに比較して下げられる。
層１１の一番上では、エッジエミッティングレーザダイオードの分離閉じ込めヘテロ構造（separate confinement heterostructure：ＳＣＨ）に類似した設計による１ λ／ｎキャビティ２１が成長させられる。好ましい実施形態では、それぞれ〜９ｎｍ厚さの３つの圧縮ひずみを与えられたＩｎＧａＰ量子井戸１４が使われる。井戸１４は、Ａｌ（０．５）ＧａＩｎＰの格子整合バリア１３によって分離され、Ａｌ（０．７）ＧａＩｎＰの、それぞれｎとｐでドープされた、さらなるバリア１２Ａ、１２Ｂによってキャビティ２１が完成される。Ａｌ（０．５）ＧａＩｎＰ層１３の厚さは、井戸が量子機構的に孤立されるように選ばれ、外側のＡｌ（０．７）ＧａＩｎＰ層１３は１ λ／ｎキャビティを形成する基準を満たすよう選ばれる。次の層は、温度が増加するに従って電子が漏れるのを防止するのに役立つ、さらなるＡｌＩｎＰスペーサ層２２である。理想的には、この層２２は、電子漏れに対するバリアを最大にするように可能な限り濃くドープされるべきであるが、実際には設計者は、（ａ）ｐ含有材料におけるｐ型ドーパントとしてＺｎを使わなければならない、および（ｂ）ドーパントは活性領域中に拡散すべきでない、という要求に因って限定される。要求される設計では、〜１−５×１０１７ｃｍ−３のｐ型ドーピングレベルが使われる。ＡｌＩｎＰにおけるこれらのｎ型およびｐ型ドーピングレベルを使って成長させたサンプル上の第二のイオン質量分析（ＳＩＭＳ）が、ドーパントが活性領域中に拡散しないことを確かにする。
ＤＶＤ Ｒ／Ｗドライブの読み取りおよび書き込み速度の増加は、エッジエミッティングレーザから利用可能なパワーを顕著に増やすことによって達成された。一部において、信頼性の高いパワーおよび高温動作が、Ｚｎの代わりにＭｇを使用することによって実現された。Ｍｇは拡散に関して顕著に低い可能性を持ち、従ってスペーサ層２２中に濃い濃度で使うことができる。
適切な寸法の酸化物アパーチャの形成を促進するようにＡｌ（０．９８）ＧａＡｓ／Ａｌ（０．５）ＧａＡｓから作られる、後ほど延べる第２の対１５，８Ｃを除いて、ｐ型ＤＢＲミラー１６は、３５対のＡｌ（０．９５）ＧａＡｓ／Ａｌ（０．５）ＧａＡｓ層１０および８Ｂを有する。２つのさらなる層が付加される：すなわち、（ｉ）ＩｎＧａＰエッチング停止層（ＥＳＬ）１７、および（ｉｉ）λ／４ｎのＧａＡｓ逆位相層１８である。他の実施形態では、エッチング停止層１７はＡｌＧａＩｎＰであり、逆位相キャップ層１８はＩｎＧａＡｓである。
図３から図１３を参照すると、特に好ましいＶＣＳＥＬデバイスの製造方法は次のステップを有する。このプロセスが単に模範的である、ということが理解されよう。
図３は、リソグラフィプロセスの前の開始材料の層構造を、幾分単純化された形態で示す。この図は、より詳細な図２に関連して、対応する参照番号を使って記述したものに対応する。
図４を参照すると、ＳｉＯ２の薄い層４０（例えば５０ｎｍ厚さ）が、ＰＥＣＶＤを使って堆積される。この酸化物層４０は、よく知られたコーティングおよびベークプロセスを使って、ＨＭＤＳ４１のような付着力増進材料でコーティングされる。そしてＨＭＤＳ４１は、従来のスピンコーティング技術を使ってフォトレジスト層４２でコーティングされる。第１のフォトリソグラフィステップの結果を図５に示す。フォトマスク（図示せず）は、フォトレジスト層４２の領域５０を露光するために使われ、そしてそれは現像され、また示されるように除去され、非露光領域５１にフォトレジスト４２が残される。そしてフォトレジストマスクは、例えば緩衝酸化エッチング（ＢＯＥ：buffered oxide etch）を使った酸化物層４０のエッチングの際に使われる。ＧａＡｓ逆位相層１８もフォトレジストマスク５１を通して、適切な湿式または乾式エッチングを使ってエッチングされる。
この第１のフォトリソグラフィステップは、表面レリーフ特徴５２、および保護ＳｉＯ２層４０とＧａＡｓキャップ層１８におけるメサ構造５３の直径を同時に規定する。
図６を参照すると、露光された領域５０を充填し、存在するレジスト領域５１覆うためにさらなるフォトレジスト層６０が堆積される。これは、表面レリーフ特徴５２を保護するマスク６１を使用して露光される。フォトレジスト領域６０Ｂ（影を付けて示す）は、残りの下に横たわるフォトレジスト層４２と共に保護領域６０Ａを残しつつ、現像されて除かれる。
次のステップでは、ＩｎＧａＰエッチング停止層１７の露光された表面がｐ型ＤＢＲミラーの一番上の部分と共に乾式エッチングされ、メサ構造を規定する。酸化層１５（Ａｌ（０．９８）ＧａＡｓ）および残りの（下に横たわる）ｐ型ＤＢＲミラー１６の層をエッチングするために分離乾式エッチングが使われ、図７に示すような構造を残す。乾式エッチングは、共振キャビティを規定するＡｌＩｎＰスペーサ層２２で停止する。
次に、フォトレジスト層４２と６０は適切な乾式エッチングを使って除去される。次のステップは、図８に示すように、酸化物アパーチャ８０を規定するための時限水蒸気酸化である。酸化アパーチャは、Ａｌ（０．９８）ＧａＡｓ酸化層１５の横方向の酸化によって形成され、それによって酸化物（ＡｌＯｘ）層８１が形成されるが、酸化されないＡｌ（０．９８）ＧａＡｓ層１５の中央領域８２が残される。
図９を参照すると、次に、露光され酸化させられた層のための側壁パシベーション層としての役割をするＰＥＣＶＤ ＳｉＯ２層９０を堆積する。好ましいプロセスでは、ＳｉＯ２層は約２００ｎｍ厚さである。第３のフォトレジスト層９１が堆積され、そしてフォトレジスト領域９１Ａを残すためにマスク９２を使って露光され、そしてフォトレジスト領域９１Ｂ（影を付けて示す）を現像除去する。マスク９２は表面レリーフ特徴５２の中心に整列される（合わせられる）。
フォトレジスト領域９１Ａを保護マスクとして使って、露光されたＰＥＣＶＤ ＳｉＯ２層９０が、下に横たわる酸化物層４０と共に、例えば緩衝酸化エッチングでエッチングされる。これは、フォトレジスト９１Ａの除去の後、ｐコンタクトを規定するフォトリソグラフィの準備となる、図１０に示すような構造を残す。
図１１を参照すると、フォトレジスト１１０の第１および第２の層が、ｐコンタクトを規定するためにフォトマスク１１１を使って堆積され、そして露光される。フォトレジスト領域１１０Ａは露光および現像後に残るが、一方、フォトレジスト領域１１０Ｂ（影を付けて示す）は現像後に除去される。
次に、ｐコンタクト金属の堆積を行なう。好ましいプロセスでは、ｐ金属コンタクトは、３０ｎｍのＴｉ、４０ｎｍのＰｔ、および３００ｎｍのＡｕによる層状金属化部１２０によって、この順にＴｉ、ＰｔおよびＡｕ金属の蒸着から形成される。次に、フォトレジスト１１０Ａもまた、その上に堆積された何れかの金属化部をリフトオフしつつ除去され、図１２に示すような構造を残す。
次に、この構造はブラックワックス１３０(black wax)（図１３）でコーティングされ、そしてかぶせるようにガラス基板１３１を装着し、この構造の下側が処理できるようにする。下側処理の際、ＧａＡｓ基板４は臭素メタノール(bromine methanol)を使って約１２０ミクロンまで薄くされる。基板４の下側にｎ金属コンタクト１３２が蒸着される。好ましくは、ｎ金属コンタクトの堆積は、１７０ｎｍのＧｅ、５０ｎｍのＡｕ、１０ｎｍのＮｉ、１５０ｎｍのＡｕの層状金属化部をこの順に有する。
次に、ガラス基板１３１と保護ブラックワックス層１３０が除去され、そしてコンタクトが、例えば摂氏３８０度でアニールされる。
完成したＶＣＳＥＬデバイスを、デバイスの限界寸法を特定しつつ、図１４に概略的に示す。酸化物アパーチャ直径１４０は、酸化されないＡｌ（０．９８）ＧａＡｓ層８２（図８も参照）の直径を表す。表面レリーフ特徴直径１４１は、ＧａＡｓキャップ層１８（図５参照）にエッチングされた特徴の直径を表す。表面レリーフ特徴段差高度１４２は、ＧａＡｓ層１８の厚さ、好ましくは４分の１波長（λ／４ｎ）、あるいは３λ／４ｎ、５λ／４ｎ、７λ／４ｎなどのようなそれの奇数倍、を表す。表面レリーフ特徴および酸化物アパーチャは、両方とも、好ましくは円形で、デバイスの中央の光軸１４３と同軸で、それに中心を合わせられる。しかしながら、単一の横モード動作を依然として得られる間は、円形および同軸をなす酸化物アパーチャと表面レリーフの双方の形成から逸脱することが可能である。このように、非円形および／または非同軸に整列された表面レリーフ特徴および酸化物アパーチャを使うことができる。
製造されたデバイスの電気的および光学的特性を図１５から図１７に示す。
図１５は、上述のプロセスを使って準備されたデバイスからのＬ−Ｉ（光度と駆動電流）特性の例を示す。発光は約６８０ｎｍ波長で、デバイスは摂氏６０度まで単一モード動作できる。図１６は様々な駆動電流のためのレーザパワー出力と波長との間の関係を示し、単一モードスペクトルの特性を実証しており、摂氏２０度における、その駆動電流の変化に対応するものである。デバイスの動作が、４から１０ｍＡの範囲の駆動電流において実質的に単一モードの状態である、ということが注目される。
図１７は、上述の好ましい方法を使って作られたデバイスと、小さな酸化物アパーチャのみを使って生産されたデバイスと、を比較する。実線で示された曲線は図１５からの複写である。ここで、酸化物アパーチャ直径１４０が約８ミクロンで、表面レリーフ特徴直径１４１が約３．５ミクロンである。点線は、酸化物アパーチャがただ直径４ミクロンのみであるようなデバイスからの対応するＬ−Ｉ曲線を示す。一般に、表面レリーフ特徴５２および酸化物アパーチャ８０を使って利用可能な単一モードパワーは、単なる小さな酸化物アパーチャのそれよりも高い。温度による光学パワーの変化は、表面レリーフＶＣＳＥＬにとってわずかに悪いが、ただ、かろうじて、である。この特性の変更は、より制御された方法でこれらのデバイスを製造する能力によって、３から４ミクロンアパーチャを再現可能に酸化させようとすることよりも遥かに上回っている。
本発明者は、６３０から６９０ｎｍ波長の可視光学スペクトルにおいて動作可能なＶＣＳＥＬのために、デバイスが良好な単一モード性能を提供するような、表面レリーフ特徴５２と酸化物アパーチャ８０のパラメータ空間の最適の寸法を決定した。
図１８は、パラメータ空間または領域の図式的な「マップ」を示し、そこでは特に、デバイスを実行する良好な単一モードを、表面レリーフ直径１４１と酸化物アパーチャ１４０の関数として見出すことができる。３から５ミクロンの範囲の表面レリーフ直径と６から１５ミクロンの範囲の酸化物アパーチャを使って、＞摂氏４０度での単一モードで動作するデバイスを見出すことができる。図１９は異なった方法でのこのポイントを示す。図１９は、パラメータとして酸化物アパーチャ直径１４０を使用し、そして、７ｍＡの駆動電流、摂氏２０度におけるデバイスから利用可能なパワーを、表面レリーフ直径１４１の関数としてプロットしている。適切なデータ点が、テストされたデバイスの空間モード特性がシングルモードから多重モードへと変化する時を示すようにラベルされている。データにばらつきがあるが、表面レリーフ直径が酸化物アパーチャ領域の大部分になるに従って、パワー出力が明確に増加する傾向がある。しかしながら、この傾向はいつまでも継続し得ない。そしてある時点で、デバイスは多重モード出力に変わる。このプロットは、良好な出力パワーと優秀な空間特性を備えた大量生産デバイスが、約２の酸化物アパーチャ比に至る表面レリーフによって得ることができる、ということを明確にしている。特に、表面レリーフ直径が４．８から５ミクロンの範囲にあり、また酸化物アパーチャが８から９ミクロンの範囲にある時に、優秀なデバイス性能を得ることができる。
さらに一般的に、図１８に図式的に示すように、６３０から６９０ｎｍ波長デバイスでは、単一モード動作が曲線１８２の下の領域１８０において最適化されるが、一方で、多重モード動作は曲線１８２の上の領域１８１で起こる、ということが決定された。このように、単一モード動作は以下の時に最適化される：
ａ） ｙ ≦ ｘ／８ ＋ ４．２５、および、
ｂ） ｙ ≦ −４ｘ／３ ＋ ２５．６７
ここで、ｘはミクロン単位の酸化物アパーチャ、ｙはミクロン単位の表面レリーフ直径である。さらに好ましくは、表面レリーフ直径は３ミクロンより大きく、酸化物アパーチャは６ミクロンより大きい。
あるいは、単一モード動作は、（６，３）、（６，５）、（１４，６）、および（１７，３）によって境界を引かれた（ｘ，ｙ）空間における６３０から６９０ｎｍ波長デバイスで最適化される。ここで、ｘはミクロン単位の酸化物アパーチャ、ｙはミクロン単位の表面レリーフ直径である。
上述のように、表面レリーフ特徴５２を形成するのに使われる好ましいプロセスは、上側の層１７、１８内にシャローエッチングプロセスを使わないが、むしろ、メサの中心でＩｎＧａＰ層１７に対して停止されるようなエッチングがされた、λ／４ｎのＧａＡｓ逆位相層１８を完全に除去するという、より耐性のある方法を使用する。しかしながら、両方の技術を使うことができる。
薄いＩｎＧａＰエッチング停止層は、通常、引張状態にされ、ＩｎＧａＰ組成は、ＡｌＧａＩｎＰとＩｎＧａＰとの間の化学エッチングの選択性を強化するように選ばれる。デバイスの波長が６３０ｎｍに接近するに従って、ＩｎＧａＰは、好都合に、ＩｎＧａＰよりも高いバンドギャップを持ったＡｌＧａＩｎＰに置き換えることができる。ＧａＡｓ４分の１波長逆位相層は、「深いエッチング」表面レリーフデバイスを可能にするより大きな適切な屈折率を備えた層の最も簡単な例である。しかしながら、ＧａＡｓが提案された動作波長において吸収性であって、またデバイスの微分抵抗(differential resistance)を増やす、ということが指摘された。ここで提案した例示のデバイス結果において、ＧａＡｓはコンタクトおよび逆位相層として使用されるが、ほぼ格子にマッチしたＩｎＧａＡｓを、好都合に使うことができる。というのは、ＩｎＧａＡｓの吸収係数は、小さなＩｎモル比に対するＧａＡｓのそれに近いからであり、また、少量のＩｎを加えることによるバンドギャップの縮小が、より良好なオーム接触をもたらし、そしてデバイスの全体的な抵抗のいくらかの縮小を与えることになるからである。
上述の好ましい実施形態は、ＶＣＳＥＬの中央の光軸１４３における表面レリーフリセス１４４（すなわち、中央の低いレリーフ部）を有する表面レリーフ特徴５２を使用するが、他の実施形態においては、表面レリーフ特徴５２は起立したレリーフ特徴（すなわち、中央の高いレリーフ部）を有することができる、ということが理解されるであろう。例えば、表面レリーフ特徴は、環状の低い表面に囲まれた直径１４１の突出した部分を有することができる。
さらに一般的に、表面レリーフ特徴５２は、高次の横のモードの軸外の最大値に優先して、単一の横モードの中心最大値に対する軸上選択性を提供するような何らかのレリーフ特徴である。好ましくは、表面レリーフ特徴は、直径１４１の中央の部分と環状の外の部分１４６との間で光路距離（光軸１４３に平行な）における４分の１波長差を提供する。
好ましい実施形態では、表面レリーフ特徴は、４０ｎｍから４６ｎｍの範囲ので高さを有する。さらに一般的に、表面レリーフ特徴は、約λ／４ｎの高さを有する。ここで、λは６３０ｎｍから６９０ｎｍの範囲にあり、ｎは表面レリーフ特徴が形成される材料（例えばＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ）の波長λでの屈折率である。さらに一層一般的に、表面レリーフ特徴は約ｍλ／４ｎの高さを有する。ここで、λは６３０ｎｍから６９０ｎｍの範囲にあり、ｍは奇数であり、ｎは表面レリーフ特徴が形成される材料（例えばＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ）の波長λでの屈折率である。
他の実施形態では、図１から図１４に関連して述べた光学デバイスは反転しうる。換言すれば、基板４はｐ型基板であり、ＤＢＲスタック２０はｐ型ミラーであり、そしてＤＢＲスタック１６はｎ型ミラーでありうる。ある状況において、この配置は熱放散の助けとなることができ、有利となりうる。
他の実施形態は、添付の請求項の範囲の中にあることが意図される。
従来のＶＣＳＥＬ構造の概略断面図である； 可視スペクトルにおいて動作可能なＶＣＳＥＬを形成するのに適したエピタキシャル層構造の概略断面図である。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 製造過程の種々の段階におけるＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 本発明によって製造されたＶＣＳＥＬの概略断面図を示す。 図１４に従って製造された６８０ｎｍデバイスのための光度と駆動電流の特性である。 図１４に従って製造されたデバイスの様々な駆動電流のためのレーザパワー出力と波長との間の関係を示す。 （ｉ）本発明によるデバイスと、それと対照させた（ｉｉ）従来技術によるデバイスと、に対する動作の様々な温度における光出力と駆動電流との間の関係を示す。 表面レリーフ直径と酸化物アパーチャのパラメータ空間を示し、単一モード動作が得られるその空間の領域を規定する。 種々の酸化物アパーチャ直径に対する表面レリーフ直径の関数として、デバイスから利用可能なパワーを示す。
符号の説明
１０ ＧａＡｓ層
１１ 拡散バリア層
１２Ａ、１２Ｂ バリア
１３ 格子整合バリア
１４ 量子井戸
１５ 酸化層
１６ ｐ型ＤＢＲミラー
１７ エッチング停止層
１８ ＧａＡｓキャップ層（ＧａＡｓ逆位相層）
２０ 分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）ミラー
２１ キャビティ
２２ ＡｌＩｎＰスペーサ層
４０ 酸化物層
４１ ＨＭＤＳ
４２ フォトレジスト層
５０ 露光領域
５１ フォトレジストマスク（レジスト領域）
５２ 表面レリーフ特徴
５３ メサ構造
６０ フォトレジスト層
６０Ａ 保護領域
６０Ｂ フォトレジスト領域
６１ マスク
８０ 酸化物アパーチャ
８２ ＧａＡｓ層（中央領域）
９０ ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ２
９１Ａ フォトレジスト領域
９１Ｂ フォトレジスト領域
９２ マスク
１１０ フォトレジスト
１１０Ａ フォトレジスト領域
１１０Ｂ フォトレジスト領域
１１１ フォトマスク
１２０ 層状金属化部
１３０ ブラックワックス
１３１ ガラス基板
１３２ ｎ金属コンタクト
１４０ 酸化物アパーチャ直径
１４１ 表面レリーフ特徴直径
１４２ 表面レリーフ特徴段差高度
１４３ 光軸
１４４ 表面レリーフリセス

Claims (20)

  1. ６３０ｎｍから６９０ｎｍの範囲の波長を持った光学出力を生成するよう適合されたキャビティを有する垂直キャビティ表面放射光学デバイスであって、該デバイスは、そのデバイスの中央の軸部分の中で電流を濃縮するための酸化物アパーチャと、実質的に単一の横動作モードを選択するよう適合されたデバイスの出力表面における表面レリーフ特徴と、を含むことを特徴とする垂直キャビティ表面放射光学デバイス。
  2. 表面レリーフ特徴はｍλ／４ｎの範囲に高さを持ち、ここで、λは６３０ｎｍから６９０ｎｍの範囲にあり、ｍは奇数であり、ｎは表面レリーフ特徴が形成される材料の波長λでの屈折率であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 表面レリーフ特徴は、ＧａＡｓキャップ層と下に横たわるＩｎＧａＰエッチング停止層との間、またはＩｎＧａＡｓキャップ層とＡｌＧａＩｎＰエッチング停止層との間に段差として提供されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学デバイス。
  4. 表面レリーフ特徴は、光軸上に中心を合わせられた低いレリーフ部を有することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３に記載の光学デバイス。
  5. 表面レリーフ特徴は、光軸上に中心を合わせられた高いレリーフ部を有することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３に記載の光学デバイス。
  6. 表面レリーフ特徴は、デバイスの光軸上に中心を合わせられ、酸化物アパーチャと同軸の円形のレリーフ領域を有することを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  7. 表面レリーフ特徴の直径と酸化物アパーチャの直径は、
    ｙ≦ｘ／８＋４．２５、および、ｙ≦−４ｘ／３＋２５．６７
    で表わされる関係にあり、ここで、ｘはミクロン単位の酸化物アパーチャであり、ｙはミクロン単位の表面レリーフ直径であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  8. 表面レリーフ直径は３ミクロンより大きく、酸化物アパーチャは６ミクロンより大きいことを特徴とする請求項７に記載の光学デバイス。
  9. 表面レリーフ直径は３から５ミクロンの範囲にあり、酸化物アパーチャは６から１５ミクロンの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  10. 表面レリーフ直径は４．８から５ミクロンの範囲にあり、酸化物アパーチャは８から９ミクロンの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  11. 基板と、
    基板の上に形成した下側の反射構造と、
    光学デバイスのキャビティを規定する下側の反射構造の上の量子井戸構造と、
    量子井戸構造の上に形成された上側の反射構造と、
    前記表面レリーフ特徴を規定する上側の層または層群と、
    を有することを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  12. 下側の反射構造は、５５対のＡｌＡｓ／Ａｌ（０．５）Ｇａ（０．５）Ａｓの交互層を備えた分布ブラッグ反射ミラーを有し、その状況で、上側の反射構造は、３５対のＡｌ（０．９８−０．９５）ＧａＡｓ／Ａｌ（０．５）ＧａＡｓの交互層を備えた分布ブラッグ反射ミラーを有することを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイス。
  13. 一対の下側の反射構造がＡｌ（０．９８）ＧａＡｓを利用し、残りの３４対の層がＡｌ（０．９５）ＧａＡｓを、それぞれの対の構成の１つとして利用することを特徴とする請求項１２に記載の光学デバイス。
  14. 下側の反射構造と量子井戸構造との間に拡散バリア層をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイス。
  15. 量子井戸構造と上側の反射構造との間にスペーサ層を含むことを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイス。
  16. スペーサ層はＭｇでドープされることを特徴とする請求項１５に記載の光学デバイス。
  17. 前記表面レリーフ特徴を規定する上側の層または層群は、下側のＩｎＧａＰエッチング停止層と４分の１波長逆位相層とを有することを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイス。
  18. 表面レリーフ特徴は４０ｎｍから４６ｎｍの範囲に高さを持つことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  19. ＶＣＳＥＬを有することを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  20. 添付の図面を参照してここで実質的に記載された光学デバイス。
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