JP2018507564A - 垂直共振器面発光レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の垂直共振器面発光レーザ(「ビクセル」)の欠点を緩和する及び/又は克服する。【解決手段】本発明の垂直共振器面発光レーザは、少なくとも基板(104)と、電気接点(116)と、第1ミラー領域(106)と、第2ミラー領域(112)と、第1ミラー領域及び第2ミラー領域の間の活性領域(108)と、を有する。第1ミラー領域及び第2ミラー領域(106、112)は、複数の層から形成される分散型のブラッグ反射器を含む。レーザ発光は、活性領域の少なくとも1つの砒化アンチモン化ガリウムのナノ構造から放出される。それぞれのナノ構造は砒素原子よりもアンチモン原子を多く含む。

Description

本発明は、垂直共振器面発光レーザに関する。
垂直共振器面発光レーザ(「VCSEL」又は「ビクセル」)として知られる装置の設計はしばらくの間ずっと知られてきた。ビクセルは基板、第1ミラー領域、第2ミラー領域及びミラー領域の間の活性領域を一般に有する固体の半導体である。各ミラー領域は、適した材料の複数の薄層から形成される分散型のブラッグ反射器(「DBR」)を一般に有する。
ビクセルは従来の端面発光レーザに照らして例えば以下の様な利点を提供する。高周波操作(切り替え速度)、簡単で小型の装置パッケージ、極めて低い閾値、低い消費電力、円形のビーム像及び低いビーム広がりである。
ビクセルの特性は遠隔通信での使用において有利となる。産業の目標は、冷却の必要無しに(光ファイバの減衰が低い)1260から1675nmの範囲の波長の発光を有する輝きが効率的なビクセルを製造することである。これは、従来好ましい砒化ガリウムベースの材料システムの使用により容易に達成されない。
1260から1675nmで動作するビクセルも報告されてきた。これらは非常に歪んだ材料を含む量子井戸ビクセルである。その例は、砒化ガリウムを含むインジウムガリウム砒化物、窒化砒化ガリウムインジウム、砒化ガリウムを含む窒化砒化ガリウムインジウムアンチモン、又はリン化インジウムを含むインジウムアルミニウムガリウム砒素リンである。しかし、そのような装置はそれらの幅広い産業への応用を妨げるという欠点を有する。
リン化インジウム設計の欠点は、高い熱伝導性及び反射性を提供可能な適切なDBR材料の不足を含む。よってリン化インジウム装置は温度変化に極めて敏感であり横方向のモード閉じ込めが困難である。
砒化ガリウムベースの装置は様々な欠点に悩まされる。それらの装置は、砒化ガリウムを有する砒化アルミニウムガリウムを含む、格子整合された、高反射性及び高い熱伝導性のDBRをうまく利用しても良い。しかし、砒化ガリウムベースの装置において長い波長(1μmより長い)発光を実現するのは困難である。これは歪んだ量子井戸層又は希薄窒化物の組み込み(例えば特許文献1)により実現されることが知られるが、その様な技術は材料品質を低下させ、装置の性能に悪影響を与える。
米国特許第5805624号
本発明の目的は、本明細書で明白に述べているかに拘わらず、従来の垂直共振器面発光レーザの欠点を緩和する及び/又は克服することにある。更なる目的は、光ファイバネットワーク及び他の応用における産業利用に適したビクセルを提供することにある。
本発明は、少なくとも基板と、電気接点と、第1ミラー領域と、第2ミラー領域と、第1ミラー領域及び第2ミラー領域の間の活性領域と、を含む垂直共振器面発光レーザである。第1ミラー領域及び第2ミラー領域は複数の層から形成される分散型のブラッグ反射器を含む。レーザ発光は、活性領域の少なくとも1つの砒化アンチモン化ガリウムのナノ構造から放出される。それぞれのナノ構造は砒素原子よりもアンチモン原子を多く含む。
それぞれのナノ構造は量子リングを有する。
それぞれの量子リングは量子井戸内に配置される。
それぞれの量子井戸は、活性領域と第1ミラー領域との間の第1追加層、及び、活性領域と第2ミラー領域との間の第2追加層により提供され得る。
第1追加層及び第2追加層は、砒化アルミニウムガリウムを含む。
また、第1追加層及び第2追加層は、ガリウム及びアルミニウムの組成勾配を有する。
この組成勾配はほぼ直線的である。
第1追加層及び第2追加層内で、アルミニウムの第3族原子分率は、活性領域に近い側での低い値から活性領域から遠い側での高い値へと増加する。
好ましくは、低い値は0.25から0.35の間であり、高い値は0.55から0.65の間である。より好ましくは、低い値は0.3であり、高い値は0.6である。
ビクセルは、1260から1675nmの範囲内の波長を有するレーザ発光を生成し得る。ビクセルは、能動冷却の必要無しに上記の動作をし得る。
オックスフォード英語辞典(「OED」)はナノ構造を「構造、特に数ナノメートルの寸法を有する半導体装置」(2012年現在の項目)と規定する。当業者は100ナノメートルより小さい2つ以上の寸法を有する構造のみがナノ構造であると考える。
量子井戸は一つの寸法においてナノスケールで薄いが、面内の2つの寸法は装置の横のサイズにより決定される。知られたビクセル装置は100ナノメートルを超す寸法を有し、通常数ミクロンである。例えば米国特許出願公開第2003/0231680号に開示された、活性領域が少なくとも1つの量子井戸を有するビクセルは、(上記の定義において)ナノ構造を組み込まない。
当業者にとって、アンチモン化ガリウムを活性領域に使用することの選択は、直感的でなく成功しそうにないと思われる。アンチモン化ガリウム及び砒化ガリウムは、アンチモン化ガリウムの正電荷を閉じ込め負電荷を反発させるタイプIIバンド配列を有する。これは電荷担体の再結合を減らし、よって発光強度を低下させると期待される。
しかし発明者らは、アンチモン化ガリウムにより提供される電位を閉じ込める約600meVの深さの正電荷が蓄積するような直感に反したビクセルが(温度が高くても)形成され得ることに気付いた。これは負電荷を引き付け、高いレベルの電荷担体の再結合を可能にする。
従来の量子ドットではなく量子リング(「QR」)の使用はアンチモン化ガリウムの砒化ガリウムへの組み込みによる歪みを緩和し、材料の欠陥(転位)の数を減らす。
本発明の実施形態は添付の図面を参照し、例示の目的のみで記載される。
原寸に比例していない、一般的なビクセル(従来技術)の概略断面図。 アンチモン化ガリウムQRからの発光スペクトルを示す図。 アンチモン化ガリウムQRのみのバンド構造を概略的に示す図。 20nmの砒化アルミニウムガリウム量子井戸内にある同上の図。 本発明の実施形態内の活性領域のバンドギャップ構造を概略的に示す図。 原寸に比例していない、本発明の実施形態の活性領域の概略的断面図。
図1は、原寸に比例していない、一般的なビクセル(従来技術)の実施形態の概略的断面図である。この装置は下部の電気接点(102)を有する基板(104)を備える。基板(104)の他方(上部)は選択的な緩衝層(105)、及び複数の層から形成されるDBRを有す第1ミラー領域(106)である。その後、その中に活性レーザ構造(110)が形成される活性領域(108)が形成される。次に、複数の層を有するDBRである第2ミラー領域(112)と、更に選択的な緩衝層(114)及び上部の電気接点(116)とがある。使用時、レーザ光が装置の上面から放出される。上部の電気接点(116)は好ましくは円形の光線の発光を可能にするリングの形式であるが、他の適切な形式を取ることも出来る。
電圧が上部の電気接点(116)と下部の電気接点(102)の間に付与されて電流を提供し、装置に電力供給して発光させる。
図2は、アンチモン化ガリウムのQRの集合体からの発光スペクトルを示す。x軸は発光の波長をナノメートルで示す。y軸は任意のユニットでの強度を表す。(左側の)短い波長のピークを有するグラフ線は400Kで計測され、他方の(右側の)グラフ線は300Kで計測された。これは本発明によるQRビクセルが冷却の必要性が少ないか又は全く無い状態で、高温で動作し得ることを示す。
図3A及び図3Bはバンドギャップの図である。各図において、y軸は電子ボルトでのエネルギーを表し、x軸はナノメートルでの変位を表す。基底状態の再結合エネルギーは垂直の矢印で示され、それぞれのエネルギー及び波長が与えられる。
図3Aは、量子井戸無しの、アンチモン化ガリウムと砒化ガリウムのバンドギャップ図を示す。図3Bは、20ナノメートル幅の砒化アルミニウムガリウムの量子井戸を加えた同様のバンドギャップ図を示す。
量子リングはアンチモン化ガリウムを砒化ガリウムの表面に堆積させることにより形成され得る。格子不整合のため、大きく歪んだ量子ドットは最初にストランスキー・クラスタノフ成長様式により自己組織化される。正確な寸法は成長状況に依存し得るが、そのようなドットは通常約30nmの半径と約4nmの高さを有する。ドットが砒化ガリウムの堆積により覆われる(キャップされる)と、ドットはリングに変形する。リングはドットの中心のアンチモン原子が砒素原子に置換されると形成され、全体の構造歪みを減少させる。リングは通常約15nmの内径を有する。
本発明によるビクセルの発光強度は、それぞれのアンチモン化ガリウムの量子リングを活性領域(108)の量子井戸に配置することにより改良され得る。量子井戸は電子の閉じ込めを増加させ、電子を量子リングの近くに移動させる。
図3Bはビクセルの活性領域のバンドギャップの概略図を示す。y軸はエネルギーを表し、x軸は装置を通した垂直方向を表す。
図4は電子が砒化ガリウム量子井戸に閉じ込められる領域(501)と、穴がアンチモン化ガリウム量子リングに閉じ込められる領域(503)を示す。傾斜したバンド端部(505)は砒化アルミニウムガリウム層(107、111)内に組成勾配を提供することにより設計される。この構造の態様は電荷担体を活性領域に導くために存在する。組成勾配は、例えば米国特許第7065124号により業界に知られている。
計算により、20ナノメートルの幅の量子井戸は、約10ナノメートルのみの発光波長のずれを有してレーザ発光の強度を3桁の大きさまで増加させ得ることが示される。他の量子井戸の幅が他の実施形態に適用されても良い。
図5は、原寸に比例していない、本発明の実施形態の活性領域の概略断面図である。活性領域(108)は4つの層(202、204、206、208)を備え、第1のスペーサ層(107)が先に来て、第2のスペーサ層(111)が後に続く。
この実施形態において、第1のスペーサ層(107)と第2のスペーサ層(111)は、アルミニウムとガリウムとの比が組成勾配を形成する砒化アルミニウム(x)ガリウム(1−x)を備え、そのため量子井戸を形成する。活性領域(108)の3つの層(202、206及び208)は、アンチモン化ガリウムを含む更なる層(204)に活性レーザ装置(110)を形成させる適切な特性を有する砒化ガリウムを含む。
本発明の一つの例としての実施形態の構造を詳細に説明する。この実施形態は1300ナノメートルの出力波長を有するように設計され作製される。当業者には、この波長を変化させるためパラメータを変える方法が明らかであると思われる。
装置の構造は広く商業的に入手可能な結晶固体の砒化ガリウム基板(104)から開始する。
基板(104)に最初に堆積されるのは、厚さ約1ミクロン(重要ではない)の砒化ガリウムの緩衝層(105)である。これは、1立方センチメートル当たり2×1018ドーパント原子のレベルまで(例えばテルル又はシリコンで)n型ドーピングされる。
次に、砒化アルミニウム(0.9)ガリウム(0.1)を含む第1のDBRミラー領域(106)の第1の層(層「A」、図1の黒い線)が堆積される。これは、1立方センチメートル当たり2×1018ドーパント原子のレベルまで(例えばテルル又はシリコンで)n型ドーピングされ、112.2ナノメートルの厚さを有する。
この後、砒化ガリウムを含む第1のDBRミラー領域(106)の第2の層(層「B」、図1の白い線)が続く。これは、1立方センチメートル当たり2×1018ドーパント原子のレベルまで(例えばテルル又はシリコンで)n型ドーピングされ、98.5ナノメートルの厚さを有する。
A層及びB層は、合計でA層が35過程、B層が34過程になるまで交互に繰り返され、第1ミラー領域(106)を完成する。明確性を増すため、より少ない層が図1に示される。
図5に示されるように、活性領域(108)は、199.9ナノメートルの非ドープの砒化アルミニウム(x)ガリウム(1−x)を含む第1のスペーサ層(107)が先に来て、アルミニウム分率xは、最初の値0.6からから最後の値0.3まで活性領域に近い側でほぼ直線的に減少する。
活性領域(108)は10ナノメートルの非ドープの砒化ガリウムの第1の層(202)を含む。その後に、通常2.1単原子層の非ドープのアンチモン化ガリウム(およそ0.6nm)を含む第2の層(204)、5ナノメートルの「冷間キャップの」非ドープの砒化ガリウムの第3の層(206)、及び、更に5ナノメートルの非ドープの砒化ガリウムの第4の層(208)が続く。
活性レーザ装置(110)は第2の層(204)で形成される。
活性領域(108)の後、199.9ナノメートルの非ドープの砒化アルミニウム(x)ガリウム(1−x)を含む第2のスペーサ層(111)が続き、アルミニウム分率xは、活性領域に近い側での最初の値0.3から最終の値0.6までほぼ直線的に減少する。他の組成分率の値が他の実施形態において使用されても良い。
次に、砒化アルミニウム(0.9)ガリウム(0.1)を含む第2のDBRミラー領域(112)の第1の(低い屈折率の)層が堆積される。これは、1立方センチメートル当たり2×1018ドーパント原子のレベルまで(例えばベリリウム又は炭素で)p型ドーピングされ、112.2ナノメートルの厚さを有する。
この後に、砒化ガリウムを含む第2のDBRミラー領域(112)の第2の(高い屈折率の)層(層「C」、図1の白い部分)が続く。これは、1立方センチメートル当たり3×1018ドーパント原子のレベルまで(例えばベリリウム又は炭素で)p型ドーピングされ、98.5ナノメートルの厚さを有する。
この後に、砒化アルミニウム(0.9)ガリウム(0.1)を含む第2のDBRミラー領域(112)の第3の(低い屈折率の)層(層「D」、図1の黒い部分)が続く。これは、1立方センチメートル当たり3×1018ドーパント原子のレベルまで(例えばベリリウム又は炭素で)p型ドーピングされ、112.2ナノメートルの厚さを有する。
C層及びD層は、合計でC層が24過程、D層が24過程になるまで交互に繰り返される。それが第2ミラー領域(112)を完成させる。明確性を増すため、より少ない層が図1に示される。
各DBRミラー領域(106、112)の正確な期間(層)の数は重要ではない。しかし、あまりにも少ない層の構造ではレーザが発振閾値状態に到達するのを妨げ、あまりにも多い層では光子吸収を通してレーザ性能を低下させ得る。間違った方向への(即ち基板(104)に向かう)発光を避けるため、第2DBRミラー領域(112)よりも第1DBRミラー領域(106)の層数が多いことが好ましい。
その後、構造は、1立方センチメートル当たり少なくとも1×1019ドーパント原子のレベルまで(例えばベリリウム又は炭素で)p型ドーピングされ、98.5ナノメートルの厚さを有する砒化ガリウムを含む接触層(116)の追加により完成される。
上記に詳細を示した垂直の構造に加え、ビクセルは効率的に機能するため電流の横方向の閉じ込めと横方向の光の閉じ込めを必要とする。この要求は当業者に公知であり、適切な技術の選択により達成され得る。
その様な閉じ込め技術の一つはイオン衝撃である。イオン衝撃により装置を高エネルギーイオンに衝突させることにより活性領域(108、111)上の装置(111、112及び114)の一部の縁部で絶縁層が形成されるものである。
もう一つのその様な閉じ込め技術は、砒化アルミニウムガリウムを約98%のアルミニウム組成物で酸化させることである。この技術において、追加の砒化アルミニウムガリウム層は活性領域(108)の直後(上部)の装置構造に含まれる。この層の縁部領域は成長後に酸化されても良い。得られる横方向の酸化層は絶縁性があり、砒化アルミニウムに対して大変異なる屈折率を有する。この層は電気的及び光学的閉じ込めを提供する。
本発明による装置は様々な技術により成長され得る。本発明による装置は分子線エピタキシー(MBE)により成長され得る。例としてのMBE成長条件は以下に与えられ、温度及び成長速度の詳細を記載する。尚、これらは当業者に公知のように機械により詳細が異なる。
・砒化ガリウム(105、106‐B、112‐C、114、202、208):580℃、1単分子層/秒(砒素対ガリウムの比=1.7)
・「冷間キャップの」砒化ガリウム(206):430℃、1単分子層/秒(砒素対ガリウムの比=5)
・砒化アルミニウムガリウム(106‐A、107、111、112‐D):600℃、1単分子層/秒(第5群対第3群の比=2)
・砒化ガリウム(204):490℃、0.3単分子層/秒(アンチモン対ガリウム原子の比=10)
本発明の装置は、有機金属気相成長(MOCVD)としても知られる有機金属化学気相成長法(MOCVD)等の化学真空蒸着(CVD)によっても成長され得る。MOCVDによる成長は当業者に公知の条件(MBEの条件により異なる)を要求する。
本発明は一般的な用語で記載されたが、当業者は本発明が記載された場合に制限されず、添付の請求項の範囲内で修正及び変形を有して実行され得ると認めるであろう。よって明細書及び図面は制限するものではなく例示的であると見なされる。
102、116・・・電気接点
104・・・・・・・基板
105、114・・・緩衝層
106・・・・・・・第1ミラー領域
108・・・・・・・活性領域
110・・・・・・・活性レーザ装置
112・・・・・・・第2ミラー領域

Claims (12)

  1. 少なくとも基板と、電気接点と、第1ミラー領域と、第2ミラー領域と、前記第1ミラー領域及び前記第2ミラー領域の間の活性領域と、を含む垂直共振器面発光レーザであって、
    前記第1ミラー領域及び前記第2ミラー領域は、複数の層から形成される分散型のブラッグ反射器を含み、
    レーザ発光は、前記活性領域の少なくとも1つの砒化アンチモン化ガリウムのナノ構造から放出され、
    それぞれのナノ構造は砒素原子よりもアンチモン原子を多く含む、垂直共振器面発光レーザ。
  2. それぞれのナノ構造は量子リングを有する、請求項1に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  3. それぞれの量子リングは量子井戸内に配置される、請求項2に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  4. それぞれの量子井戸は、前記活性領域と前記第1ミラー領域との間の第1追加層、及び、前記活性領域と前記第2ミラー領域との間の第2追加層により提供される、請求項3に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  5. 前記第1追加層及び前記第2追加層は、砒化アルミニウムガリウムを含む、請求項4に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  6. 前記第1追加層及び前記第2追加層は、ガリウム及びアルミニウムの組成勾配を含む、請求項5に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  7. 前記組成勾配は直線的である、請求項6に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  8. 前記第1追加層及び前記第2追加層内で、アルミニウムの第3族原子分率は、前記活性領域に近い側での低い値から前記活性領域から遠い側での高い値へと増加する、請求項6に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  9. 前記低い値は0.25から0.35の間であり、前記高い値は0.55から0.65の間である、請求項8に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  10. 前記低い値は0.3であり、前記高い値は0.6である、請求項9に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  11. 1260から1675nmの範囲内の波長を有するレーザ発光を生成する、請求項1から10の何れか一項に記載の垂直共振器面発光レーザ。
  12. 能動冷却の必要無しに動作する、請求項11に記載の垂直共振器面発光レーザ。
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