JP2009506550A - 低コストのＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザ - Google Patents

Abstract

光学記憶のために必要とされる良好な光波面特性を有するレーザを作製方法および構造は、レーザを提供することを含み、ビームの歪みを防止するために、レーザフロントファセットから出る出力ビームが、半導体チップの縁によって本質的に遮られない。半導体レーザ構造は、基板上で、エピタキシャル成長され、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層および接触層を有する。リソグラフィによって画定されたマスクを介したドライエッチングは、長さＩ_ｃおよび幅ｂ_ｍのレーザメサを作製する。リソグラフィおよびエッチングの別の手順は、メサの上部に幅ｗのリッジ構造を形成する。エッチングステップはまた、レーザ導波路構造の端部にミラーまたはファセットを形成する。チップの長さＩ_ｓおよび幅ｂ_ｓは、導波路の長さＩ_ｃおよびメサの幅ｂ_ｍ以上の好都合な値とされ得る。導波路の長さおよび幅は、所与の欠陥密度Ｄに関して、歩留りＹ_Ｄが５０％を上回る。

Description

本出願は、２００５年８月２５日出願の米国仮出願第６０／７１０，８８２号明細書の優先権を主張するものであり、その開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、半導体ダイオードレーザに関し、さらに具体的に言えば、エッチングされたファセットを備えた低コストのＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザに関する。

ＩｎＧａＡｌＮダイオードレーザは、複数の用途向け、例えば、高密度光学記憶、ディスプレイ、印刷および生体臨床医学における光源として関心がある。これらの用途に関連する多くのデバイスおよびシステムにおいて、高い波面品質を有する出力ビームを提供することができるレーザ源が必要とされる。さらに、これらのシステムおよびデバイスの多くの広範囲に及ぶ使用および商業的成功は、低コストでそれらを提供する能力に左右される。したがって、高い製造歩留りおよび低コストが、そのようなシステムおよびデバイスを構成するために必要とされる光源の重大な要件である。

少なくともｎ型下部クラッド層、量子井戸および障壁を備えるドープされていない活性層、ｐ型上部クラッド層およびｐ型の高ドープされた接触層から構成されるエピタキシャル成長層に基づく半導体ダイオードレーザは、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮから作製されている。ここで、０＜＝ｘ＜＝１、０＜＝ｙ＜＝１、０＜＝ｚ＜＝１およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。これらのレーザは、少なくとも紫色の波長から青緑色の波長に及ぶ波長の範囲で放射され得る。このタイプのレーザは、例えば、Ｓ Ｎａｋａｍｕｒａら著、「Ｔｈｅ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：Ｔｈｅ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｓｔｏｒｙ」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、２０００年参照の従来技術において作製および記載されてきたが、そのようなレーザは、高い製造歩留りおよび低コスト、高い信頼性、出力放射線の高い光学品質の要件を満たす際に多くの問題点に直面する。

ＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザ活性層のエピタキシャル成長のために現在利用可能である基板材料は、高い製造歩留りおよび低コストを実現するための実質的な障害を提供する独特の問題の原因となる。例えば、利用可能な基板は、レーザ活性材料層において異常に高い欠陥密度を生じ、さらに、不可能ではないとしても、基板材料の機械的特性のために、レーザミラーの形成のために機械的な劈開を用いることは、きわめて困難になる。ＳｉＣおよびサファイアから構成される基板は、ＩｎＧａＡｌＮレーザの作製のために用いられているが、これらの材料は、ＩｎＧａＡｌＮ層の格子整合型成長を可能にせず、きわめて高い欠陥密度、低い製造歩留りおよび信頼性に関連する問題点を結果として生じる。Ｋｅｎｓａｋｕ Ｍｏｔｏｋｉらによる２００３年８月７日に公開された米国特許出願公開番号第２００３／０１４５７８３Ａ１号に記載されたように、近年、自立ＧａＮ基板がＧａＮレーザの作製に用いるために利用可能になっている。しかし、最高品質のＧａＮ基板が用いられる場合であっても、レーザ活性層は、約１０^５ｃｍ^−２の欠陥密度を呈し、この欠陥密度は、他の材料システムに基づく一般的に市販されている半導体レーザの場合より数桁高い。さらに、これらのＧａＮ基板のサイズは現在、大きくとも直径２インチに限定されており、コストはきわめて高い。低コストが実現されることになっている場合には、歩留りを著しく向上させるためには、レーザ作製歩留りにおける欠陥密度の影響を限定することが重要である。

米国特許第４，８５１，３６８号およびＢｅｈｆａｒ−Ｒａｄら著、「ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、第２８巻、１２２７−１２３１頁、１９９２年に記載されているように、ミラーファセットがエッチング技術によってダイオードレーザに形成され得ることが知られており、これらの開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。しかし、エッチングによるＧａＮミラーファセットにおける初期の成果は、高品質のファセットを結果として生じなかった。例えば、Ａｄｅｓｉｄａら著、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第６５巻、８８９−８９１頁、１９９４年に記載されたように、基板に対して垂直であることが所望であったエッチング面は、垂直から一定の角度をなすという結果に終わり、Ｓｔｏｃｋｅｒら著、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第７３巻、１９２５−１９２７頁、１９９８年に記載されたように、ファセットは粗すぎて、貧弱な反射率を結果として生じた。

近年、高品質のミラーファセットをＧａＮ材料システムに形成することを可能にする新規な工程が、２００６年６月２０日出願のＢｅｈｆａｒらによる米国特許出願第１１／４５５，６３６号に記載されており、この特許は本出願の譲受人に譲渡されており、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。その出願に記載されたように、劈開動作に必要とされる機械的な処理のために、従来の劈開技術を用いて、ウェハに短い共振器長さの複数のレーザを形成することはきわめて難しい。さらに、劈開は、ミラーファセットの同時形成と、個別のレーザチップへのウェハ基板の個片化を結果として生じる。ＧａＮ結晶の劈開は、ＣＤ、ＤＶＤおよび遠距離通信用に用いられている大量生産のダイオードレーザ用に既に用いられているＧａＡｓ基板およびＩｎＰ基板の劈開より困難であるため、劈開されたファセットの上首尾の形成は、ＧａＮ基板で成長されるＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザの場合には特に難しい。

他方、レーザファセットの形成のために、米国特許出願第１１／４５５，６３６号に記載されたエッチング工程を用いることは、次のデバイス個片化に関係なく、ファセット形成の最適化を可能にする。この工程において、レーザは、集積回路チップがシリコンに作製される場合と略同様のやり方で、ウェハ上に作製されることから、チップは、フルウェハの形態に形成される。レーザミラーは、エッチングされたファセットによる技術（ＥＦＴ）を用いて、ウェハ上にエッチングされ、電気接点がレーザで作製される。レーザは、ウェハ上で試験が行われた後、実装のためにレーザを分離するためにウェハが個片化される。エッチングされたＡｌＧａＩｎＮに基づくファセットの走査型電子顕微鏡画像は、高度の垂直性および平滑性が、ＥＦＴ工程を用いて実現され得ることを示しており、このことはまた、ＡｌＧａＩｎＮに基づく材料によって利用可能になった波長要件を有する種々の用途向けに、レーザおよび集積デバイスを作製することもする。

レーザを作製するための前述の工程は、ＡｌＧａＩｎＮに基づく構造を有するウェハに多数の導波路デバイスをリソグラフィックによって画定するステップと、ウェハ上に多数のレーザ導波路共振器を作製するために結果として生じるマスクを介してエッチングするステップと、を備えるものとして要約され得る。続いてエッチングを伴う別のリソグラフィックステップは、導波路の端部にレーザファセットまたはレーザミラーを形成し、それらが依然としてウェハ上にあるようにするために用いられる。その後、電気接点が、レーザ共振器に形成され、個別のレーザはウェハ上で試験が行われ、実装のためにレーザを分離するためにウェハが個片化される。ファセットをエッチングするこの方法は、ウェハ上のＡｌＧａＩｎＮに基づくレーザ導波路構造のｐドープキャップ層に高温安定マスクを用いて、ファセットの位置を画定し、このマスクがキャップ層の導電率を維持することと、次に、５００℃を超える温度およびＣＡＩＢＥにおいて５００Ｖを超えるイオンビーム電圧を用いて、マスクを介してレーザ構造にファセットをエッチングすることと、を含む。

半導体のエッチングとマスキング材料との間の選択性は、フォトニクスにおいて用いるためのまっすぐな面を得る際にはきわめて重要である。マスクとＧａＮに基づく基板との間の高い選択性は、高温でＣＡＩＢＥを実行することによって得られる。ＣＡＩＢＥにおける大きなイオンビーム電圧もまた、選択性を強化するために作り出された。マスク材料は、高温エッチングに耐え、さらにＧａＮに基づく構造のｐ接点に対する損傷も防ぐために選択された。

特に、ＩｎＧａＡｌＮレーザの場合には、レーザミラーのエッチングは、歩留りの向上およびコストの低減のために、複数の重要な利点を提供することができる。例えば、
（ａ）レーザ共振器導波路の寸法は、チップ長さ寸法と異なることができ、レーザ作製の歩留りを最大にするために最適化され得る。限定された長さの導波路を作製することによって、レーザ活性領域に生じる材料欠陥の確率が低減され、作製歩留りが増大される。
（ｂ）歩留りおよび信頼性の向上を生じるために、冗長なレーザが、１つの半導体チップ上に作製され得る。
（ｃ）ウェハ平面において水平方向に向けられるレーザ共振器を用いた表面発光レーザは、ウェハ平面から上方向に放射線を指向するために、４５°の面をエッチングすることによって作製され得る。
（ｄ）望ましい反射率修正のためのレーザファセットコーティングは、デバイスの分離前にフルウェハレベルで施され得る。
（ｅ）レーザ試験は、フルウェハレベルで経済的に実行され得る。
（ｆ）フォトダイオード、レンズおよび格子などのさらなる構成要素は、レーザとモノリシック構造として集積され得る。

ＧａＡｓ基板およびＩｎＰ基板に基づく今日の大量生産のダイオードレーザの歩留りおよびコストは、基板品質およびコストによって影響を受けない。これらのレーザデバイス用の基板は一般に、約１０^２ｃｍ^−２の欠陥密度を有し、ＧａＮ基板のコストより数桁低いコストで、直径６インチまでのより大きなサイズのウェハにおいて利用可能である。ＧａＡｓおよびＩｎＰはいずれも、レーザ端部ミラーの形成およびチップ個片化の両方に関して劈開の利用を容易にする亜鉛混合結晶構造を有し、劈開は、これらの半導体レーザの大量生産で用いられる主要な方法である。さらに、遠距離通信などの分野におけるダイオードレーザ用途において、光学画像化は、一番の関心事ではなく、光学ビーム品質に関する要件もさらに緩和される。

高い歩留り、低コスト、高い信頼性および良好な波面品質でＩｎＧａＡｌＮレーザを製作するために必要なことは、レーザ活性領域内およびその付近において基板に誘発される欠陥の発生を最小限に抑え、歪みのない光学ビームおよびそのようなレーザデバイスを作製するための方法を提供するデバイス設計である。

本発明によれば、ＩｎＧａＡｌＮ半導体ダイオードレーザは、エッチングによって形成されるレーザミラーを装備される。レーザは、基板欠陥によって生じる望ましくない歩留り損失を減少させ、より低いデバイスコストを提供し、信頼性を向上し、高い光波面品質を有する出力ビームを提供する特別な設計特徴部を組み込む。ミラーまたはファセットのエッチングが、３ミクロンほどの短い導波路長さの作製を可能にすることは、従来技術で示されている。フルウェハ試験およびデバイス集積などのレーザファセットエッチングによって提供されるさらなる利点もまた、従来技術に記載されている。しかし、材料欠陥によって生じる歩留りの減少を最小限に抑えるためのレーザ導波路の長さおよび幅の特別な選択の必要性は、当分野では認識されてこなかった。高い光波面品質のレーザ光の提供のための特定の幾何構成に関する必要性も認識されてこなかった。

簡単に言えば、本発明によれば、光学記憶のために必要とされる光波面特性などの良好な光波面特性を有するレーザを作製するための方法および構造が提供される。これらの目的のために、レーザのエッチングされたフロントファセットおよびその付近の幾何構成は、不利なビームの歪みを防止するために、レーザフロントファセットから出る出力ビームが、半導体チップの縁によって本質的に遮られないように設計される。この要件は、遠距離通信などの他の分野におけるダイオードレーザ用途とは対照的であり、光学画像化は、一番の関心事ではなく、光学ビーム品質に関する要件はさらに緩和される。

本発明の一態様によれば、半導体レーザ構造は、基板上で、エピタキシャル成長され、少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層および接触層を有する。リソグラフィによって画定されたマスクを介したドライエッチングは、長さＩ_ｃおよび幅ｂ_ｍのレーザメサを作製する。リソグラフィおよびエッチングの別の手順は、本発明の好ましい形態では、メサの上部に幅ｗのリッジ構造を形成するために用いられるが、本発明はリッジレーザ構造に限定されるわけではなく、エッチングステップはまた、レーザ導波路構造の端部にミラーまたはファセットを形成することを理解されたい。

ウェハは、ソーイング、スクライビング後の劈開またはレーザに基づくダイシングなどの適切な個片化工程を用いて、単一のデバイスチップに分割される。チップの長さＩ_ｓおよび幅ｂ_ｓはそれぞれ、導波路の長さＩ_ｃおよびメサの幅ｂ_ｍに等しいか、または長い好都合な値として選択され得る。

エッチングがレーザミラーの形成のために用いられているため、レーザ導波路は、デバイスチップの長さより短いように設計され得、具体的に言えば、設計は、ＩｎＧａＡｌＮレーザの活性層で普通遭遇される異常に高い欠陥密度によって生じる歩留り損失を減少させるように選択され得る。レーザ活性導波路領域内に位置している材料欠陥の確率は、その長さＩ_ｃおよび有効強度分布幅ｗ_Ｉおよび欠陥密度Ｄに関連している。そのような欠陥のないレーザを作製するための歩留りＹ_Ｄは、この確率に反比例し、ポアソン統計を用いて表現され得る。本発明によれば、導波路の長さおよび幅は、所与の欠陥密度Ｄに関して、歩留りＹ_Ｄが５０％を上回るように選択される。

特に、高い光波面品質を有するレーザ光を必要とする用途の場合には、レーザ出力がチップの縁によって著しく遮断されることなく、出て伝搬することができるように、レーザミラー、メサおよびデバイスチップの幾何構成を設計することが重要である。したがって、レーザビームが出るレーザメサの前部からきわめて小さな距離ａでデバイスチップの前面を形成することが望ましい。同時に、損傷を避けるために、個片化は、高品質ミラー面に近すぎないように実行されなければならない。個片化の寸法の精度は一般に、リソグラフィ制御エッチング工程に比べて、低減されなければならないため、レーザメサの長さＩ_ｃより長いデバイスチップの長さＩ_ｓを選択し、ａは小さいがゼロではないように導波路を位置決めすることが望ましい。

本発明によれば、チップの縁とレーザメサの底部との距離ａおよびレーザ出力ビームの中心とレーザメサの上部との高さｈは、前部レーザミラーから放射されるレーザ放射線のビーム発散に注目して選択されなければならない。基板に対して垂直な方向において、前部レーザミラーから出る放射線は、ビーム中心で高い強度を有し、ビーム中心から離れて広がる距離にわたって減少する。放射されるレーザビームの垂直発散は一般に、強度がその中心値の５０％まで低減される光線間の角度の広がりを表す半値全幅の遠視野（ｆａｒｆｉｅｌｄ）角

によって特徴付けられる。デバイスチップの縁は、伝搬するレーザビームの下部分の部分的な遮断を生じる可能性がある。これが生じる場合には、上面に当たる光の一部が反射されて、レーザビームの上部分と干渉し、チップの縁によって生じた回折と共に、放射線分布の望ましくない歪みおよびレーザ強度の空間的に変化する変調を生じる結果となる可能性がある。高い光波面品質を必要とする用途の場合には、個片化工程を介して形成されるチップの縁によるレーザ光の遮断を最小限に抑えることが重要である。

本発明の前述の目的およびさらなる目的、特徴および利点は、添付図面を利用した本発明の以下の詳細な説明から、当業者には明白となるであろう。

ここで、本発明の詳細な説明を始めると、図１Ａから図１Ｃは、端部ファセット１６および１８を有し、エピタキシャル成長およびエッチングの施されたリッジレーザ１４を支持する基板１２を含むダイオードレーザチップ１０を示している。リッジレーザは、当分野において知られているように、レーザ端部ファセットのエッチングによって形成されるが、本レーザは特別な設計幾何構成を有する。本発明によれば、半導体レーザ構造１４は、基板１２の上にエピタキシャル成長され、少なくとも下部クラッド層２０、活性層２２、上部クラッド層２４および接触層２６を備える。リソグラフィによって画定されたマスクを介したドライエッチングは、長さＩ_ｃおよび幅ｂ_ｍのレーザメサ３０を作製する。リソグラフィおよびエッチングの別の手順は、メサの上部に幅ｗのリッジ構造３２を形成するために用いられる。図１Ａから図１Ｃに概略的に示され、上述したレーザはリッジ型設計であるが、本発明はリッジレーザ構造に限定されるわけではなく、他の半導体レーザ設計に適用することを理解されたい。

図２に示されているように、基板１２は、知られているマスキングおよびエッチングステップによって、複数のレーザ１４、１４（ａ）、１４（ｂ）、１４（ｃ）、．．．、１４（ｎ）がその上に作製される従来のウェハ４０の形態であってもよい。これらのレーザの形成および試験後に、ウェハは、水平劈開線４２および垂直劈開線４４に沿って、ソーイング、スクライビング後の劈開またはレーザに基づくダイシングなどの適切な個片化工程を用いて、複数の単一のデバイスチップ１２、１２（ａ）、１２（ｂ）、１２（ｃ）、．．．、１２（ｎ）に分離される。各チップの長さＩ_ｓおよび幅ｂ_ｓはそれぞれ、各対応するレーザ１４の導波路の長さＩ_ｃおよびメサの幅ｂ_ｍに等しいか、または長い好都合な値を有するように選択され得る。

レーザおよびミラーまたはファセット１６および１８などのファセットの形成のために、エッチング工程を用いることによって、各レーザ導波路は、対応するチップデバイスの長さより短く設計され得る。具体的に言えば、設計は、ＩｎＧａＡｌＮレーザの活性層で見つけられる異常に高い欠陥密度によって生じる歩留り損失を減少させるように選択され得る。図１Ａおよび図１Ｃに示されている領域などのレーザ活性導波路領域４６内に位置している材料欠陥の確率は、その領域の長さＩ_ｃおよび有効強度分布幅ｗ_Ｉおよび欠陥密度Ｄに関連している。そのような欠陥のないレーザを作製するための歩留りＹ_Ｄは、この確率に反比例し、ポアソン統計を用いて表現され得る。
Ｙ_Ｄ＝ｅｘｐ（−Ｄ^＊ｗ_Ｉ ^＊Ｉ_ｃ） （１）

歩留りは、欠陥の全くないＩｎＧａＡｌＮレーザの作製に関して本明細書では以下に説明されるが、欠陥のあるＩｎＧａＡｌＮレーザまたは特定の用途に関して適切に機能し得る共振器における欠陥を有することも可能である場合があることは理解されよう。しかし、活性領域４６の中またはその付近でＩｎＧａＡｌＮレーザにおける欠陥を減少させることは、レーザの歩留りおよび信頼性に対する肯定的な意味合いを有する。

長手軸またはレーザ導波路１４の方向に対して垂直な方向であり、かつ基板１２の平面におけるレーザ強度分布は、中心で高く、側部に向かって減少する。一般に、レーザ強度分布は、ガウス分布によって適切に記載され得る。実際の目的のために、ｗ_Ｉはここでは強度がその中心値の１／ｅ^３まで減少される点の間の幅として定義される。

他の影響が全体的な製造歩留りＹに影響を及ぼすのに対し、Ｙ_Ｄは密度Ｄの材料欠陥によって生じる歩留りの影響を示しているに過ぎないことを留意されたい。図３は、Ｄ＝１０^５ｃｍ^−２で幅ｗ_Ｉ＝４ミクロンの場合のＩ_ｃの関数としてＹ_Ｄを示している。半導体ダイオードレーザ用に一般に用いられているような１０００ミクロンまでのレーザ長さの場合の歩留り値が、示されている。図３は、長さ１００ミクロンのＩｎＧａＡｌＮダイオードレーザが、一般に用いられる長さ５００ミクロンのＩｎＧａＡｌＮレーザの場合より５倍以上高い歩留りＹ_Ｄで作製され得ることを明確に示している。

図３はまた、Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ材料層から本質的に構成される大量生産の７８０ｎｍのレーザの場合のＹ_Ｄの一般値を示しており、１０^２ｃｍ^−２未満の欠陥密度を呈する。ＩｎＧａＡｌＮレーザの場合には、基板欠陥は、増大するレーザ長さＩ_ｃで実質的に歩留りの劣化を生じるのに対し、７８０ｎｍのレーザの場合には歩留りの劣化を生じない。したがって、式（１）によって示される設計の制約条件は、ＡｌＧａＡｓレーザの場合には考慮される必要がないのに対して、ＩｎＧａＡｌＮレーザの場合には実質的に歩留りの向上をもたらす。

本発明によれば、所与の欠陥密度Ｄの場合には、式（１）によって決定されるようなＹ_Ｄは５０％より大きいように導波路の長さおよび幅を選択することが望ましい。限定された導波路の長さの選択は、全体的な内部レーザ損失を低減するというさらなる利点を有する。

特に、高い光波面品質を有するレーザ光を必要とする用途の場合には、ファセット１６からのレーザ出力光ビームが、チップ１０の縁５０によって著しく遮断されることなく、出て外側に伝搬することができるように、レーザミラー１６、メサ３０およびデバイスチップ１０の幾何構成を設計することが重要である。したがって、レーザビーム５６が出るレーザメサ３０のフロントファセット１６からきわめて小さな距離ａでデバイスチップの前面５２を形成することが望ましい（図１Ａおよび図１Ｂ参照）。同時に、損傷を避けるために、チップの個片化は、劈開線４２（図２）が高品質ミラー面１６に近すぎないように実行されなければならない。個片化の寸法の精度は一般に、リソグラフィ制御エッチング工程に比べて、低減されなければならないため、図１Ａおよび図１Ｂに示されているように、レーザメサ３０、したがってレーザ導波路３２の長さＩ_ｃより長いデバイスチップ１０の長さＩ_ｓを選択し、ａは小さいがゼロではないように導波路３２を位置決めすることが望ましい。

本発明によれば、チップ１０の縁５０とレーザメサ３０の底部との距離ａおよびレーザ出力ビーム５６の中心線５４とレーザメサ３０の上部５８との間の高さｈは、前部レーザミラー１６から放射されるレーザ放射線５６のビーム発散θに特に注目するように選択されなければならない（図１Ｂおよび図４）。基板５２の上面６０に対して垂直な方向において、前部レーザミラー１６から出る放射線５６は、ビーム中心５４で高い強度を有し、ビーム中心からの距離に応じて減少する。図５は、ガウス強度分布曲線７０を示しており、レーザによって放射される垂直放射線分布を示して近似している。放射されるレーザビーム５６の垂直発散θは一般に、ビーム５６の中心値の５０％まで低減される強度を有する光線間の角度の広がりを表す半値全幅（ＦＷＨＭ）の遠視野角

によって特徴付けられる。図４において、ビームの境界７２および７４は、強度が中心領域５４における最大強度の５０％まで低減される場所を表しているが、総レーザ出力の相当の部分は、これらの境界の外側に伝搬する。図４および図５から理解され得るように、デバイスチップ１０の縁５０は、伝搬するレーザビーム５６の下部分を部分的に遮断する。これが生じると、上面５８に当たる光の一部が反射されて、レーザビーム５６の上部分と干渉し、この影響がこれもまたチップの縁によって生じる回折と組み合わされると、結果は、放射線分布の望ましくない歪みおよびレーザ強度の空間的に変化する変調となる。

高い光波面品質を必要とする用途の場合には、個片化工程を介して形成されるチップの縁５０によるレーザ光５６の遮断を最小限に抑えることが重要である。

は放射されるレーザ放射線の半値全幅（ＦＷＨＭ）の遠視野角を示し、ビーム遮断の著しい低減は、式（２）に基づくチップ１０の幾何構成を構成することによって得られ得る。

チップの縁で真のガウス強度分布を仮定すると、式（２）によって記載される幾何構成設計は、約５％未満までデバイスチップによって遮断されるレーザ強度を低減するであろう。この設計は、十分に深いエッチングを通じてレーザファセットを形成し、距離ａを決定する個片化工程の注意深い制御によって、実装され得る。

本発明の実施形態において、寸法ａのために必要とされる精度は、図６Ａおよび図６Ｂに示されているように、長さＩ_ｍの相対的に背の高い補助メサを作製することによって緩和され得る。これらの図は、図１Ａから図１Ｃに上述した態様において、基板１２上に作製されるチップデバイス８０を示しており、類似の構成要素は、同一の符号によって示される。チップデバイス８０は、下に補助メサ８２を設けて、前のデバイスのメサ３０を支持する点で、図１Ａから図１Ｃのチップデバイスとは異なる。当業者には知られている複数の技術が、そのような背の高いメサの作製に利用可能である。これらの工程は、メサ８２の場合には、レーザ導波路の端部における反射ミラー１６および１８に必要とされるような平坦で滑らかな高品質面を作製する必要はない。所望の構造を作製するのに適した１つの工程は、前述のように、基板５２の上でエピタキシャル成長されるレーザ活性層２２の上に補助メサ８２の位置、長さおよび幅の印を付けるためのフォトリソグラフィを含む。メサ境界の周囲の材料が、次に深さｂまで除去される。レーザミラー１６および１８が、上記で言及した工程によって次に形成され、この工程はまた、補助メサの前縁８４に対するレーザ前部ミラー１６の正確な位置決めを可能にするために、レーザ導波路の長さＩ_ｃおよび端部位置も写真によって（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ）画定する。図６Ａでは距離ａは相対的小さいように選択されるが、相対的に浅いエッチングの深さは、比ｈ／ａが式（２）の要件を満たすことを保証する程度に十分であり、それによって、補助メサの縁によるレーザビームの好ましくない遮断を防止する。

ウェハ上に完全に機能的なレーザを作製するために必要なリソグラフィステップおよびエッチングステップを完了した後、ウェハは、図６Ａおよび図６Ｂに示されているように、補助メサの縁から適切な距離ａ_ｓに個片化線４２を位置決めすることによって、個別のデバイスに分離される。望ましくないビームの遮断を回避するために、距離ａ_ｓには、以下のように選択される必要がある。

高さｂの背の高い補助メサの作製は、容易にｈ＋ｈ_ｓを大きくし、ａ_ｓに関して相対的に大きな値を有する場合であっても、高い比（ｈ＋ｈ_ｓ）／（ａ＋ａ_ｓ）の実現を容易にすることに繋がることを理解することは重要である。これは、レーザの前部における個片化線の位置決めのために必要な精度の程度を緩和する。一般的な個片化方法はフォトリソグラフィによって制御されていないため、補助メサの記載された作製は、製造歩留りを向上し、デバイスコストを低減することができる。

図１Ａから図１Ｃおよび図６Ａから図６Ｂにおいて、個片化面は平坦であるように示されているが、個片化面がレーザ共振器に光学フィードバックを提供するために用いられない場合には、レーザ閾値または効率に不利な影響をもたらすことなく、粗さを有し、凹凸があってもよい。

レーザ構造の説明はこれまで、ファセット１６からの出力レーザ光を利用するシステムまたはデバイスに、レーザビームを提供するレーザデバイスの前部に焦点を置いてきた。図１Ｂに示されているように、光学ビーム品質に関する厳しい要件は通常ないため、後部レーザミラー１８とチップの後縁８８との間の距離ｐは大きく構成され得、後部ミラーあるいはデバイスから出る任意のレーザ放射線は、後端部からあまり放射線が出ないように設計される。

上述した本発明の実施形態において、レーザ前部ミラー１６は、基板ウェハの平面に本質的に平行であるレイジング方向に対して本質的に垂直である方向において、ファセット面をエッチングすることによって形成される。しかし、図１Ｄに示されているように、面発光レーザは、角度をなしてエッチングされたフロントファセット１６’を提供することによって形成され得る。このフロントファセット１６’は、基板の平面に対して垂直な方向にレーザから放射される光５６’を指向する。そのようなレーザ構造は、水平共振器型面発光レーザまたはＨＣＳＥＬとも呼ばれる。ＨＣＳＥＬの場合には、出てくる放射線５６’のビーム形状は、もはや個片化に影響せず、距離ａは、上述したほど重要ではない。所望であれば、同時係属中の２００４年１０月１４日に出願された米国特許出願第１０／９６３，７３９号および２００５年１月１９日に出願された米国特許出願第１１／０３７，３３４号に記載されたように、レンズ８９が、レーザの上面の上に設けられてもよい。尚、これらの特許出願はいずれも、本出願の譲受人に譲渡されている。

上述および図１Ａおよび図１Ｂに示されているように、レーザミラーのエッチングは、短い導波路長さＩ_ｃの作製を可能にし、チップ長さＩ_ｓはＩ_ｃに関係なく選択され得る。コストを低減するために、チップの長さＩ_ｓおよび幅ｂ_ｓは可能な限り低減すると同時に、許容可能なレベルにおける個片化、ボンディングおよび実装中に扱いが困難な状態を維持するほど十分に大きい寸法を選択することが好都合である。

本発明の別の実施形態において、導波路の長さＩ_ｃおよびレーザメサの幅ｂ_ｍは、複数のレーザが寸法Ｉ_ｓおよびｂ_ｓの１つのチップの上に配置され得るように選択され得る。エッチングがレーザミラーの形成のために用いられると、チップの分離、ワイヤボンディングおよび実装の前に、各レーザの機能性および特性の試験が行われ得る。これは、特定の狙いを持った用途向けの最大の好適な特性を有するレーザの決定および選択を可能にする。各指定されたデバイスチップにおける冗長なレーザの作製は、有益な歩留りの向上および性能の最適化を可能にする。レーザは、垂直にエッチングされたファセットを備えたエッジ放射体であってもよく、またはＨＣＳＥＬ構造を用いて垂直に放射されてもよい。複数の異なる幾何配置および放射方向において、チップ上に複数の冗長なレーザが配置され得ることが理解されると同時に、図７は、４つの冗長なエッジ放射デバイス９２、９４、９６および９８を有するチップ９０の実施例を示している。図７に示されているように、各個別のレーザデバイスのそれぞれの導波路共振器１０２、１０４、１０６および１０８は、チップの長さまたは幅の半分未満である。歩留りを強化するために、これらの複数のレーザが、単一のチップ９０の上に配置され、図７に示された４つのレーザは異なる方向に光を放射する。そのようなチップは、例えば、ＴＯ型に実装され、レーザの１つは、レーザに電流を提供するために実装の内側で選択的にワイヤボンディングされ得る。

知られているように、いくつかの自立型ＧａＮ基板は、欠陥密度の高い材料の帯に隣接する欠陥密度の低いＧａＮの帯を有する。劈開を通じて作製されるレーザ共振器は、欠陥密度の低い帯に平行かつその中に配置される。短い共振器のエッチングされたファセットによるレーザは、欠陥密度の低い帯に対して任意の角度で作製され得、欠陥密度の低い領域内に含まれる全体的に活性の領域を有することができる。

エッチングされたファセットによるレーザの利点は、それらの反射率を修正するために、コーティングが前部レーザミラーおよび後部レーザミラーに施され得ることである。

本発明の低コストのＩｎＧａＡｌＮレーザの１つの用途は、光学データ記憶システムに用いられる光学ピックアップデバイスにある。そのような光学ピックアップデバイスおよびデータ記憶システムは、設計の詳細において変更することができることは理解されると同時に、図８は、１２０で全体を示したピックアップデバイスの一般的な構成要素および機能を示している。このデバイスにおいて、光学ビーム整形システム１２２が、レーザ１２４によって放射された放射線を収集して、整形する。整形構成要素および機能は、平行光線化用のレンズ、楕円レーザビーム形状の円形化用のプリズム、主要ビームの左右に隣接する２つのサイドビームを形成するための格子を含むことができる。次に、レーザ光は、四分の一波長板を後に備えた偏光ビームスプリッタであってもよいビームスプリッタ１２６を通過する。ミラー１２８は、光を対物レンズ１３０の方に指向し、対物レンズ１３０は光を記憶媒体１３２に集束する。

媒体から反射され、レンズ１３０に戻った光は、ミラー１２８で反射され、ビームスプリッタ１２６によって検出システム１３４にそらされる。検出システム１３４は、幾何的なサイズおよび構成の複数の光感知素子に分割される光検出器１３６を備え、記憶媒体で符号化されたデータを表す電気信号と、横方向のデータトラッキングおよびデータに対する集束レーザスポットの垂直焦点位置を表すサーボエラー信号と、を生成する。光学処理システム１３８は、データ信号およびサーボエラー信号が光検出器１３６によって生成されるように、光を光学的に操作するために用いられてもよい。

一般に、電気機械設計から構成されるアクチュエータシステム１４０が、トラッキング信号に対する記憶媒体における集束レーザスポットの垂直位置および横方向の位置を制御し、サーボエラー信号を集束するために用いられる。

図９は、レーザ１２４を備えた光学ピックアップデバイス１５０と、モータ１５４で回転される光ディスク媒体１５２と、を用いた光学記憶システムを示している。データは、記憶媒体の光学的に検出可能な材料の変化として符号化され、ディスク媒体の周囲の円周方向に向けられたトラックに配置される。各データトラックは、電気機械的アクチュエータシステム１５６を用いることによって、集束レーザスポットの横方向の位置を移動して制御するために、光学ピックアップデバイス１５０によってアクセスされ得る。光学データ記憶システムは、個別のシステムによって光ディスクに予め記録されているデータパターンを読み返す読み出し専用システムであってもよい。光学データ記憶システムはまた、レーザ１２４およびレーザ強度を変調するための電気コントローラを用いて、ディスク媒体の上にデータを書き込むことができる能力を含んでもよい。

本発明は、好ましい実施形態に関して示してきたが、変更および修正は、請求項に記載されている本発明の真の精神および範囲を逸脱することなく行うことができることは理解されよう。

基板の平面に対して垂直なエッチングされたファセットを備えた個片化されたリッジ型半導体レーザを示す。 レーザ導波路に沿った方向における個片化されたリッジ型レーザの断面を示す。 レーザ導波路方向に対して垂直な方向における個片化されたリッジ型レーザの断面を示す。 基板の平面に対して４５°のエッチングされたファセットを備えた個片化されたリッジ型半導体レーザを示す。 個別のデバイスに分離する前のレーザウェハの一部の上面図を示す。 レーザ導波路の長さＩ_ｃの関数としてレーザ歩留りを示しており、４ミクロンの有効幅ｗ_Ｉが計算のために用いられ、ＩｎＧａＡｌＮダイオードレーザの場合に記録された最低の欠陥密度であるＤ＝１０^５ｃｍ^−２と、大量生産のＡｌＧａＡｓレーザの場合の一般値であるＤ＝１０^２ｃｍ^−２の２つの異なる欠陥密度に関する歩留り曲線が示されている。 レーザ導波路に沿った方向における断面として個片化されたリッジ型レーザの放射体端部を示す。 ビームの伝搬方向に対して垂直な方向におけるレーザビームのガウス強度分布を示す。 レーザ導波路に沿って断面として補助メサに関する方向におけるリッジ型レーザの放射体端部を示す。 長さＩ_ｃのレーザメサ、長さＩ_ｍの補助メサおよび個片化によって作製される長さＩ_ｓのチップに関するデバイスの３次元図を示す。 １つのチップに作製される４つのエッジ放射レーザを示す。 ＩｎＧａＡｌＮレーザを備える光学ピックアップシステムを示す。 光学ピックアップシステムおよびＩｎＧａＡｌＮレーザを備える光学記憶システムを示す。

Claims (28)

1. 基板と、
   前記基板上のエピタキシャル成長される層構造と、
   前記エピタキシャル成長される層に形成される長さＩ_ｃのレーザ共振器であって、基板平面に対して垂直な少なくとも１つのエッチングされたファセット面を有する前記レーザ共振器と、
   個片化によって前記基板から作製され、前記レーザ共振器を組み込み、長さＩ_ｓであって、Ｉ_ｓは前記レーザ共振器長さＩ_ｃより大きいチップと、を備え、
   前記チップは、前記レーザ共振器のビーム軸の中心から前記チップのエッチングされた上面までの距離ｈと、前記チップの縁から前記エッチングされたファセットまでの距離ａと、を有し、
   前記レーザ共振器、半値全幅の垂直遠視野角
   

   

   でレーザ出力ビームを作製することができ、
   比ｈ／ａが、
   

   

   に等しいか、または大きい、半導体レーザデバイス。
2. 基板と、
   前記基板上のエピタキシャル成長される層構造と、
   前記エピタキシャル成長される層構造におけるエッチングによって作製されるファセットを有し、前記ファセットが基板平面に対して垂直な面を有するレーザ共振器と、
   前記エッチングされたファセットの前の補助メサ構造であって、前記補助メサ構造の上部が、前記レーザファセットを通過するレーザビーム軸の中心から距離ｈにある補助メサ構造と、
   デバイス個片化によって前記基板から形成される前記レーザ共振器を組み込み、前記補助メサ構造の縁からチップ縁まで距離ａ_ｓを有するチップと、を備え
   前記補助メサ構造は高さｈ_ｓを有し、
   前記レーザ共振器は、半値全幅の垂直遠視野角
   

   

   で前記エッチングされたファセットから放射される出力ビームを作製するように操作し、
   比ｈ／ａが、
   

   

   に等しいか、または大きく、
   比（ｈ＋ｈ_ｓ）／（ａ＋ａ_ｓ）が
   

   

   に等しいか、または大きい、半導体レーザデバイス。
3. 基板と、
   前記基板上に欠陥密度Ｄのレーザ活性領域を備え、本質的にＩｎＧａＡｌＮから構成されるエピタキシャル成長される層構造と、
   前記構造に形成される長さＩ_ｃであって、レーザ方向が基板平面に対して本質的に平行であるレーザ共振器と、
   前記レーザ共振器上の少なくとも１つのエッチングされたファセットと、を備え、
   前記レーザ共振器は、レーザ共振器の内側に、基板平面に対して水平に有効強度分布幅ｗ_Ｉを有し、前記幅ｗ_Ｉは、レーザ軸における最大強度の１／ｅ^３に等しいか、または大きく、
   Ｙ_Ｄ＝ｅｘｐ（−Ｄ^＊ｗ_Ｉ ^＊Ｉ_ｃ）が５０％に等しいか、または大きい、半導体レーザデバイス。
4. 前記少なくとも１つのエッチングされたファセットは、基板に対して４５°またはその付近の角度でエッチングされる、請求項３に記載のレーザ。
5. 前記４５°のファセットの上に形成されるレンズをさらに含む、請求項４に記載のレーザ。
6. 前記４５°の面の上に位置決めされ、受信したレーザ光を中心ビームおよび前記中心ビームに隣接する少なくとも２つのサイドビームに分割する格子をさらに含む、請求項４に記載のレーザ。
7. 基板平面に対して本質的に垂直な面をエッチングすることによって形成される第２のレーザファセットをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
8. 基板平面に対して本質的に垂直な面をエッチングすることによって形成される第２のレーザファセットをさらに含む、請求項２に記載のデバイス。
9. 基板平面に対して本質的に垂直な面をエッチングすることによって形成される第２のレーザファセットをさらに含む、請求項３に記載のデバイス。
10. 基板平面に対して本質的に垂直な面をエッチングすることによって形成される第２のレーザファセットをさらに含む、請求項４に記載のデバイス。
11. 前記基板は、ＧａＮを含む、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記基板は、ＧａＮを含む、請求項２に記載のデバイス。
13. 前記基板は、ＧａＮを含む、請求項３に記載のデバイス。
14. 前記基板は、ＧａＮを含む、請求項４に記載のデバイス。
15. 長さＩ_ｃを有し、幅ｗ_Ｉを有するレーザ共振器を有する基板を備え、前記レーザ共振器は、
    下部クラッド層と、
    活性領域と、
    上部クラッド層と、
    少なくとも１つのエッチングされたファセットと、を含み、
    Ｉ_ｃ＜４００μｍおよびｗ_Ｉ≦４μｍである、ＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザ。
16. Ｉ_ｃ≦３００μｍである、請求項１５に記載のレーザ。
17. Ｉ_ｃ≦２００μｍである、請求項１５に記載のレーザ。
18. Ｉ_ｃ≦１００μｍである、請求項１５に記載のレーザ。
19. 下部クラッド層と、
    活性領域と、
    上部クラッド層と、
    少なくとも１つのエッチングされたファセットと、
    前記エッチングされたファセットのリソグラフィによって画定されたファセット反射率の修正と、を組み込んだレーザ共振器を有する基板を備える、ＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザ。
20. 基板と、
    前記基板上のＩｎＧａＡｌＮを含む構造と、
    基板に対して４５°またはその付近の角度で、前記構造にエッチングされたファセットと、を備えるフォトニックデバイス。
21. 前記エッチングされたファセットのリソグラフィによって画定されたファセット反射率の修正をさらに含む、請求項２０に記載のフォトニックデバイス。
22. 低い欠陥密度の少なくとも１つ所定の領域および高い欠陥密度の少なくとも１つ所定の領域を含む基板と、
    前記基板上に作製される半導体レーザと、を備え、前記レーザは、活性領域を有し、少なくとも１つのエッチングされたファセットを有し、
    前記活性領域は、前記低い欠陥密度の領域内に完全に含まれる、チップ。
23. 前記低い欠陥密度の領域および前記高い欠陥密度の領域は、平行な帯にあり、前記基板上に形成される導波路共振器をさらに含み、前記共振器は、前記帯に平行以外の角度で位置決めされている、請求項２２に記載のチップ。
24. 長さＩ_ｓおよび幅ｂ_ｓの半導体と、
    前記半導体に形成される共振器長さＩ_ｃの少なくとも１つのレーザと、を備え、
    前記レーザは、少なくとも１つのエッチングされたファセットを有し、
    Ｉ_ｃ≦Ｉ_ｓ／２である、チップ。
25. Ｉ_ｃ≦ｂ_ｓ／２である、請求項２４に記載のチップ。
26. 幅ｂ_ｓ≧２５０μｍであり、長さＩ_ｓ≧２５０μｍであるチップと、
    前記チップ上の少なくとも２つのＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザと、を備え、
    前記２つのレーザの一方は、ワイヤボンドによって電流を受信する、実装されたフォトニックデバイス。
27. ＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザと、
    少なくとも１つのエッチングされたファセットを有する前記レーザと、
    前記レーザから光学記憶媒体に放射線を指向して集束するための光学送信器および整形器と、
    光学記憶媒体から反射されたレーザ光を受信して、それに応じたデータ信号および、前記記憶媒体におけるデータに対する集束レーザ光の垂直方向および横方向の位置を表す位置誤差信号を供給するための光受信器と、
    前記位置誤差信号に応じて、前記集束レーザ光の位置を制御するためのアクチュエータと、を備える、光学ピックアップシステム。
28. 少なくとも１つのエッチングされたファセットを有するＩｎＧａＡｌＮに基づくレーザと、
    前記レーザから光学記憶媒体に放射線を指向して集束するための光学送信器および整形器と、
    光学記憶媒体から反射されたレーザ光を受信して、それに応じたデータ信号および、前記記憶媒体におけるデータに対する集束レーザ光の垂直方向および横方向の位置を表す位置誤差信号を供給するための光受信器と、
    前記位置誤差信号に応じて、前記集束レーザ光の位置を制御するためのアクチュエータと、
    ディスク媒体の周囲に円周方向に向けられる複数のデータトラックを有する光学記憶ディスク媒体と、
    レーザ強度用のコントローラと、
    前記データ信号の電子読み出しと、を備える、光学記憶システム。

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