JP2020102609A - 高ドーピング領域を有する電流拡散層を含む高効率酸化型ｖｃｓｅｌ及びその製造方法 - Google Patents

高ドーピング領域を有する電流拡散層を含む高効率酸化型ｖｃｓｅｌ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）及びその製造方法に係り、さらに詳しくは、ピーク波長８６０ｎｍのレーザを放出する高効率の酸化型垂直共振器型面発光レーザ及びその製造方法を提供する。【解決手段】上部電極と下部分布ブラッグ反射器との間には、少なくとも一部に高ドーピング領域を有する電流拡散層を含む。【選択図】 図３

Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）及びその製造方法に係り、さらに詳しくは、ピーク波長８６０ｎｍのレーザを放出する高効率の酸化型垂直共振器型面発光レーザ及びその製造方法に関する。
一般的な垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）は、従来の側面発光レーザに比べて効率は低いが、レーザ光が面と垂直方向に放出されるため、従来の発光ダイオード領域においても使用することができ、高い市場性を持つ。
このようなＶＣＳＥＬ１０は、図１に示すように、下部電極１と、基板２と、下部分布ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）３と、活性層４と、共振レーザ放出のための電流ウィンドウ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ）５と、電流ウィンドウの周囲を取り囲んで形成された酸化層６と、電流ウィンドウ５及び酸化層６の上部表面に形成される上部分布ブラッグ反射器７と、上部電極８と、が積層された柱状の構造を有する。発光柱の周囲には、トレンチ９が形成され、レーザ光は、上部に放出される。
通常、トレンチ９は、円形のトレンチであり、ドライエッチング（ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇ）技術で形成される。酸化層６は、電流ウィンドウ５の周辺部がトレンチ９を介して注入された酸化剤によって酸化されて形成され、酸化時間を調整することで酸化されずに残っている電流ウィンドウ５の直径を調節する。また、上下部ＤＢＲは、エピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）工程を通じて活性層の上下部に適用される。８００〜１０００ｎｍの光を放出するＶＣＳＥＬの場合、一般的にＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓ、０．８＜ｘ＜１、０＜ｙ＜０．２が構成された積層構造のＤＢＲが使用される。
したがって、製造過程において共振レーザの特性のためには、電流ウィンドウ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ（ｏｘｉｄｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ））と上下部ＤＢＲが不可欠である。ところで、この二つの箇所に使用される物質が同種物質であるため、電流ウィンドウ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ）を形成するための酸化過程において、上部ｐ−ＤＢＲ最上部が電流ウィンドウと共に酸化（ｏｘｄｉａｔｉｏｎ）されて不良が発生する確率が高いという問題がある。酸化（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）工程は、Ｈ2Ｏ蒸気を注入し、電流ウィンドウ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ）として使用されるＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層のＡｌを高温の水蒸気で反応させてＡｌxＯy層に変換させる工程であるが、ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓからなる上下部ＤＢＲがＡｌを含有しているので、これらの一部が同時に酸化されてＤＢＲが損傷してしまうという問題である。
図２の（ａ）は、酸化（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）進行時に発生するＤＢＲ破損形態のＳＥＭ画像を示している。このような破損したＤＢＲにｐ−メタルを適用した場合には、後ほど電極剥がれ（ｐｅｅｌｉｎｇ）や電流不均一注入（効率低下）などが発生する。図２の（ｂ）は、電流ウィンドウ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ）の形状を示している。黒帯の形状はトレンチ（ｔｒｅｎｃｈ（えぐれ））領域であり、中間領域は光を放出する柱領域であって、より明るい部分が酸化（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）された部分である。真ん中の暗い円形部分は光を直接放出する光放出領域であって、ＶＣＳＥＬではアパーチャ径（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ）と表記されることもある。
従来のＶＣＳＥＬでは、共振特性上、高電流が流れると素子に多くの熱が発生するので、高電流が流れることによる素子破損が頻繁に発生してしまう。このため、低電流を注入している。これは、電極から注入される電流に対する電流拡大効果を大きく期待できないということを意味する。したがって、上部ＤＢＲの縁部に沿って位置した上部電極から放出された電流が中心部の電流ウィンドウを均一に通過しないことから、効率が低下するという問題が発生する。
韓国１０−２０１８−００１５６３０公開（ＷＯ２０１６／１９８２８２号）（特許文献１）には、８５０ｎｍのピーク波長を有する酸化型ＶＣＳＥＬが開示されている。上記問題を改善するために、特許文献１には、上部ＤＢＲの内部に多数の酸化層を多様に形成する方法が開示されている。しかしながら、この方法は、製造過程において、先ず、上部ＤＢＲの反射率の不均一性をもたらし、しかも、複数の電流ウィンドウ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ）を生成するための酸化（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）再処理などの工程が必要となり、工程上の複雑な問題を引き起こす。
一方、上部電極から放出された電流が中心部の電流ウィンドウを均一に通過するための方法として、上部ＤＢＲに透明なＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）層を全体的に形成し、リング状の電極から放出された電流がＩＴＯを介して中心部に均一に供給できるようにする方法が挙げられる。しかしながら、この場合、高価な透明電極を必要とし、ＩＴＯの形成過程における収率の急激な低下を避けるのが難しい。
韓国１０−２０１８−００１５６３０公開（ＷＯ２０１６／１９８２８２号）
本発明が解決しようとする課題は、ＶＣＳＥＬの上部電極から光放出領域への安定した電気の流れと拡散を誘導することができる高効率の酸化型ＶＣＳＥＬを提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、ＶＣＳＥＬの上部電極から光放出領域への安定した電気の流れと拡散を誘導することができる高効率の酸化型ＶＣＳＥＬを製造する方法を提供することである。
本発明において、用語「高ドーピング領域」は、電流拡散層の成長後に行われたドーピングによって電流拡散層でドーピング濃度が増加した領域を意味する。
本発明において、用語「ドーピング濃度が増加した領域」は、ドーピングによってドーピング濃度が増加する領域だけではなく、ドーピング後の拡散によってドーピング濃度が増加した領域をも含む。
本発明において、用語「中心部」は、酸化型ＶＣＳＥＬの電流ウィンドウの上部領域を意味する。
本発明において、用語「周辺部」は、中心部以外の周辺領域を意味する。
上記のような課題を解決するために、本発明では、上部電極と下部分布ブラッグ反射器との間には、少なくとも一部に高ドーピング領域を有する電流拡散層を含む酸化型垂直共振器型面発光レーザ（酸化型ＶＣＳＥＬ）を提供する。
本発明において、電流拡散層は、上部電極から放出された電流が下部分布ブラッグ反射器を経て活性層に拡散して供給できるように、電流の流れを拡散させる役割を果たす比較的バンドギャップが高い導電性層である。
本発明において、電流拡散層は、所定の厚さを有するようにＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法、ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法によりエピタキシャルに成長した層である。ＶＣＳＥＬの動作電圧の上昇を防止できるように、活性層、上下ＤＢＲ、および／または基板に比べて高い導電性、好ましくは２倍以上、より好ましくは３倍以上、よりさらに好ましくは４倍以上の導電性、最も好ましくは５倍以上の導電性を有していてもよい。
本発明において、電流拡散層は、導電性を有するために、Ａｌ、Ｃ、Ｍｇなどの物質でドープされながら成長した層であってもよく、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰなどの物質を使用してもよい。電流拡散層のドーピング濃度は、同じ成長の高さでは均一であってもよく、高さに応じて異なっていてもよい。上部電極に近い部分、すなわち上部表面におけるドーピング濃度がより高いことが好ましい。
本発明の実施の形態において、電流拡散層は、ＶＣＳＥＬに供給される電流と放出されるレーザの強度及び波長を考慮して適切な厚さに形成されてもよく、好ましくは２μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上、よりさらに好ましくは４μｍ以上であってもよい。
本発明の実施の形態において、成長した電流拡散層は、６．０×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3〜８．５×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3のドーピング濃度を有していてもよい。
本発明において、高ドーピング領域は、電流拡散層の成長後に行われたドーピングによって０．５×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3以上、例えば、１．０×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3以上、１．５×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3以上、２．０×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3以上、２．５×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3以上増加する可能性がある。
本発明において、電流拡散層の成長後に行われるドーピングは、表面からドーパントの注入が行われる表面ドーピングであってもよく、好ましくは、表面から金属原子がドーパントとして注入される表面ドーピングであってもよい。
本発明において、金属原子は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、または遷移金属であってもよく、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓなどのアルカリ金属、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのアルカリ土類金属、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕなどの遷移金属のうちから選択される１つ以上であってもよく、一つの実施例としてＺｎであってもよい。
本発明において、高ドーピング領域は、電流拡散層の一部、好ましくは中心部に形成されていてもよい。高ドーピング領域は、リング状の上部電極の直下部と一部が重なるように、中心部及び中心部と接する周辺部の一部まで形成されることが好ましい。
本発明において、高ドーピング領域は、垂直方向への電流の拡散よりも水平方向への電流の拡散が容易に行われるように、表面と電流拡散層の厚さよりも小さい所定の深さまで形成されることが望ましい。
本発明において、高ドーピング領域は、深さに応じて濃度が異なっていてもよく、好ましくは、深さに応じて濃度が増加し、最大値に達した後、次第に減少する形状の濃度プロファイルを有していてもよい。
本発明の好ましい実施において、高ドーピング領域は、水平方向への拡散が容易に行われるように、最大濃度が１μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下に存在する濃度プロファイルを有していてもよい。
理論的には限られたものではないが、電流拡散層の上部に位置する環状の上部電極の下部から流れ出た電流が、電流拡散層の中心部表面に形成された高ドーピング領域を介して電流拡散層の中心部に急速に拡散した後、電流拡散層の中心部の下部に位置したＶＣＳＥＬの電流ウィンドウにスムーズに供給されることにより、酸化型ＶＣＳＥＬの発光効率を向上させることになる。
本発明において、酸化型垂直共振器型面発光レーザ（酸化型ＶＣＳＥＬ）は、８６０±１０ｎｍのピーク波長（以下、「ピーク波長８６０ｎｍ」という）を有するレーザを放出することができ、レーザは、ＦＷＨＭ（半値幅、Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が５ｎｍ未満である波長を意味するものと理解される。
本発明の実施の形態において、酸化型垂直共振器型面発光レーザ（酸化型ＶＣＳＥＬ）は、下部電極、基板、下部分布ブラッグ反射器、活性層、共振レーザ放出のための電流ウィンドウ、電流ウィンドウの周囲を取り囲んで形成された酸化層、電流ウィンドウ及び酸化層の上部表面に形成される上部分布ブラッグ反射器、上部表面の一部に高ドーピング領域を有する電流拡散層、及び上部電極が順次積層されて発光柱を形成することができる。発光柱は、円形または多角形であってもよい。
本発明において、基板は、ＭＯＣＶＤ成長が可能な基板であってもよく、好ましくはｎ−ＧａＡｓ基板であってもよい。
本発明において、ＶＣＳＥＬの活性層は、レーザに変換する光を発光する層であり、発明の一つの実施の形態において、活性層は、ＧａＡｓ量子井戸とＡｌＧａＡｓ量子障壁層とを含んでいてもよい。
本発明において、上部分布ブラッグ反射器及び下部分布ブラッグ反射器は、活性層から発光された光が共振するように、それぞれ上下に反射するために使用される。
本発明において、上部ＤＢＲ及び下部ＤＢＲは、活性層から発光された光と相手の反射器から反射された光とを反射させることができるように、高屈折層及び低屈折層からなる１ペアの反射層を繰り返し積層されたＤＢＲであってもよい。
本発明の実施の形態において、下部ＤＢＲは、活性層及び上部ＤＢＲから反射された光を実質的に完全に反射させることができるように、３０ペア以上、好ましくは４０ペアのｎ−ＤＢＲを使用することができる。上部ＤＢＲは、光の放出可能性を高めるために、下部ＤＢＲに比べて５〜１０ペア少ないペア数を有していてもよく、好ましくは２０〜２５ペアからなるｐ−ＤＢＲであってもよい。
本発明の一つの実施の形態において、上部分布ブラッグ反射器及び下部分布ブラッグ反射器は、高屈折率を有するＡｌxＧａ1-xＡｓ層（０．８＜ｘ＜１）と低屈折率を有するＡｌyＧａ1-yＡｓ層（０＜ｙ＜０．２）とが交互に繰り返し積層された構造を有する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であってもよい。
本発明において、酸化層は、酸化性物質からなり、共振のために、酸化された領域と非酸化された領域とが共存する層を意味し得る。酸化層は、高温の水蒸気によって容易に酸化できるように、ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５＜ｚ≦１）であってもよい。酸化層は、外側から中心部に酸化が進み、リング状の酸化層と内部中心円状の電流ウィンドウとからなってもよい。
本発明において、酸化層における電流ウィンドウを形成する中心円の直径は、レーザを発光できる程度に小さい必要があり、好ましくは１０μｍ以下であり得る。
本発明において、酸化層は、活性層の上部に位置してもよく、好ましくは、活性層に影響を与えないように、上部ｐ−ＤＢＲの内部、好ましくはｐ−ＤＢＲをなす層間に位置してもよい。より好ましくは、上部ｐ−ＢＤＲの下部、例えば、上部ＤＢＲにおける下部の第１ペアと第２ペアとの間に位置してもよく、厚さ３０〜１００ｎｍにしてもよい。
本発明の実施の形態において、酸化型ＶＣＳＥＬは、電流拡散層と電流拡散層の上部表面の中心部に形成されたドーピング領域とにより、低電流、例えば、３０ｍＡ以下で高効率を発現することができ、好ましくは５〜２０ｍＡの範囲、最も好ましくは１０ｍＡで動作することができる。電流が４０ｍＡを超える場合には、発熱の影響でピーク波長８６０ｎｍのレーザが発生しない可能性がある。
本発明において、上部電極は、放出される光を遮蔽しないようにリング状を呈してもよく、好ましくは、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層電極であってもよい。一つの実施の形態において、電極は、厚さが約２μｍであってもよい。
本発明において、酸化型ＶＣＳＥＬは、放出される光の反射を防止できるように、反射防止層をさらに含んでいてもよい。反射防止層は、電流拡散層をカバーすると共に電流拡散層と上部電極との間に位置してもよい。また、電流拡散層は、上部電極と反射防止層の上部をカバーすると共に酸化型ＶＣＳＥＬの最上部に位置してもよい。
本発明の実施の形態において、反射防止層は、Ｓｉ3Ｎ4またはＳｉＯ2からなっていてもよく、約１００〜５００ｎｍの厚さに成長させてもよい。厚みは、好ましくは１５０〜４００ｎｍであり、より好ましくは２００〜３００ｎｍである。
本発明は、一つの側面において、上部電極と下部分布ブラッグ反射器との間にエピタキシャルに電流拡散層を成長させるステップと；電流拡散層の成長後、電流拡散層の少なくとも一部にドーパントを注入して高ドーピング領域を形成するステップと；を含む酸化型垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の製造方法を提供する。
本発明において、高ドーピング領域は、電流拡散層の上部面の少なくとも一部にドーパント供給層を積層し、これを加熱して電流拡散層の少なくとも一部に高ドーピング領域を形成し、ドーパント供給層を除去して形成される。
本発明の実施において、表面ドーピングは、電流拡散層の上部表面に積層されたドーパント供給層からのドーパントの供給、例えば、拡散、一例として、加熱による拡散により行われてもよい。ドーパント供給層は、上部電極の形成前に除去されてもよい。
本発明の実施の形態において、ドーパント供給層は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）層、ＡＺＯ（アルミ添加酸化亜鉛）層であってもよく、加熱温度は、電流拡散層の非結晶化による欠陥が発生して、ドーピングが減少することを防止することができる範囲内で調節されてもよい。
本発明の一実施の形態において、ＧａＰにＡＺＯからＺｎをドープする場合には、加熱温度は５００℃未満、好ましくは４００〜４５０℃であってもよい。ＡｌＧａＡｓにＺｎＯからＺｎをドープする場合には、加熱温度は、７００℃未満、好ましくは５００〜６００℃の範囲であってもよい。
本発明の実施の形態において、高ドーピング領域は、電流拡散層のドーピング濃度に、成長後に行われたドーピングによって増加されたドーピング濃度が加わり、９．０×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3〜１．２×１０19ａｔｏｍ／ｃｍ3のドーピング濃度を有してもよい。
本発明において、酸化型ＶＣＳＥＬの製造方法は、電流拡散層を形成し、電流拡散層に高ドーピング層を形成することを除いては、通常のＶＣＳＥＬの製造方法と同様であってもよい。
本発明の一実施において、酸化型ＶＣＳＥＬの製造方法は、基板を提供するステップと；基板の上部に下部ＤＢＲを形成するステップと；下部ＤＢＲの上部に活性層を形成するステップと；活性層の上部に第１上部ＤＢＲを形成するステップと；第１上部ＤＢＲの上部に酸化層を形成するステップと；酸化層の上部に第２上部ＤＢＲを形成するステップと；円形トレンチを形成するステップと；酸化層において中心部を除いて周辺部を酸化させるステップと；第２上部ＤＢＲの上部に電流拡散層を形成するステップと；電流拡散層の一部に高ドーピング領域を形成するステップと；基板の下部に下部電極を形成するステップと；電流拡散層の上部にリング状電極を形成するステップと；を含んでいてもよい。
本発明によれば、酸化過程において上部ＤＢＲを保護し、電流の流れを改善することができ、周辺電極から中心部の電流ウィンドウへの電流拡散を容易にした新しい電流拡散層を有する酸化型垂直共振器型面発光レーザ及びその製造方法を提供することができる。
従来の酸化型ＶＣＳＥＬの断面図である。 （ａ）は、酸化（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）進行時に発生するＤＢＲ破損状態のＳＥＭ画像を示す図であり、（ｂ）は、電流ウィンドウ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ）形状を示しており、黒帯の形状はトレンチ（ｔｒｅｎｃｈ（えぐれ））領域であり、中間領域は光を放出する柱領域であって、より明るい部分が酸化（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）された部分である。 本発明の一実施例に係る酸化型ＶＣＳＥＬの層構造を示す断面図である。 本発明の一実施例に係る酸化型ＶＣＳＥＬの光拡散層にドーピング部を形成するステップを示す図である。（ａ）はドーパント供給層蒸着ステップであり、（ｂ）は加熱ドーピングステップであり、（ｃ）はドーパント供給層除去ステップであり、（ｄ）は上部電極形成ステップである。 本発明の酸化型ＶＣＳＥＬのドーピング部を有する電流拡散層の断面を撮影したＳＥＭ写真である。 本発明の実施例１における５００℃、６００℃、７００℃の熱処理によるＺｎドープの電流拡散層のホール濃度及び抵抗と、非ドープの電流拡散層のホール濃度及び抵抗と、を示すグラフである。 本発明の実施例１における５００℃、６００℃、７００℃の熱処理によるＺｎドープの電流拡散層の深さに応じたドーピング濃度と、非ドープの電流拡散層の深さに応じたドーピング濃度と、を示すグラフである。挿図は、ＡＦＭの結果を示す。 本発明の実施例１における５００℃、６００℃、７００℃の熱処理によるＺｎドープの電流拡散層を有するＶＣＳＥＬチップの電流（ｃｕｒｒｅｎｔ）（Ｉ）の関数としての出力と、非ドープの電流拡散層を有するＶＣＳＥＬチップの電流（ｃｕｒｒｅｎｔ）（Ｉ）の関数としての出力と、を示すグラフである。 本発明の実施例１における６００℃熱処理によるＺｎドープの電流拡散層を有するＶＣＳＥＬチップのビーム放出形状（ｂ）と、非ドープの電流拡散層を有するＶＣＳＥＬチップのビーム放出形状（ａ）と、を示すグラフである。 本発明の実施例２における４００℃、４５０℃、５００℃の熱処理によるＺｎドープの電流拡散層の深さに応じたドーピング濃度と、非ドープの電流拡散層の深さに応じたドーピング濃度と、を示すグラフである。 本発明の実施例２における４００℃、４５０℃、５００℃の熱処理によるＺｎドープの電流拡散層を有するＶＣＳＥＬチップの電流（ｃｕｒｒｅｎｔ）（Ｉ）の関数としての出力と、非ドープの電流拡散層を有するＶＣＳＥＬチップの電流（ｃｕｒｒｅｎｔ）（Ｉ）の関数としての出力と、を示すグラフである。 本発明の実施例２における４５０℃熱処理によるＺｎドープの電流拡散層を有するＶＣＳＥＬチップのビーム放出形状（ｂ）と、非ドープの電流拡散層を有するＶＣＳＥＬチップのビーム放出形状（ａ）と、を示すグラフである。 本発明の実施例２のＶＣＳＥＬの断面図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、本発明の実施例２のＶＣＳＥＬの製造過程を示す図である。
以下、実施例に基づき、本発明について詳述する。下記の実施例は、本発明を限定するためのものではなく、本発明を例示するためのものである。
実施例１
図３は、ＭＯＣＶＤシステムにより作製した、上面の中央部がＺｎでドープされたｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層を有し、ピーク波長８６０ｎｍのレーザを放出するＶＣＳＥＬ層構造を示す。
図３に示すように、本発明の実施例１に係る、ピーク波長８６０ｎｍを有する酸化型ＶＣＳＥＬ１００は、基板１２０の上部方向にレーザ光を放射する酸化型ＶＣＳＥＬである。ＶＣＳＥＬ１００は、ＭＯＣＶＤ方法によりｎ型ＧａＡｓ基板１２０上に成長し、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びトリメチルアンモニウム（ＴＭＡｌ）が３族ソースとして使用され、アルシン（ａｒｓｉｎｅ（ＡｓＨ3））及びホスフィン（ｐｈｏｓｐｈｉｎｅ（ＰＨ3））が５族ソースとして使用され、ジシラン（ｄｉｓｉｌａｎｅ（Ｓｉ2Ｈ6））ガス及びシクロペンタジエニル（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌｍａｇｎｅｓｉｕｍ（Ｃｐ2Ｍｇ））がｎ及びｐ−ｄｏｐｉｎｇソースとして使用された。水素（Ｈ2）は、モードソースのキャリアガスとして使用された。
基板１２０の下部側表面上に、下部電極１１０が備えられ、基板１２０の上部側表面上に、高屈折率のＡｌＧａＡｓ層と低屈折率のＡｌＧａＡｓ層とのペアが繰り返し積層された下部ｎ−ＤＢＲ１３０が備えられている。Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓ層とＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とは、４０回繰り返し積層されている。
下部ＤＢＲ１３０の上に活性層１４０が備えられている。活性層１４０は、上下閉じ込め層と中心波長８６０ｎｍを放出する量子井戸構造体とからなる。ＡｌxＧａ1-xＡｓ；ｎ−Ａｌ0.1ＧａＡｓ：Ｓｉとｐ−Ａｌ0.1ＧａＡｓ：Ｍｇが、ｎ及びｐ−閉じ込め層として使用され、量子井戸構造体は、５ｎｍのＧａＡｓ量子井戸と１２ｎｍのＡｌ0.05ＧａＡｓ量子障壁とが繰り返し積層されてなる。閉じ込め層及び量子井戸構造体が構成するキャビティ長（ｃａｖｉｔｙ ｌｅｎｇｔｈ）は、約４３０ｎｍである。
活性層１４０の上には、酸化層１８０を含む上部ｐ−ＤＢＲ１５０が備えられている。酸化層１８０は、酸化過程において活性層の損傷を避けるために、上部ｐ−ＤＢＲ１５０をなす複数のペア層間に挿入されて、活性層１４０との直接的な接触を避けることができる。酸化層１８０は、２５ペアのうち１ペアまたは２ペアの上部ＤＢＲ上に積層され、酸化層１８０上に上部ＤＢＲの残りのペアが積層される。これにより、上部ＤＢＲ１５０は、酸化層１８０の下部に位置した第１上部ＤＢＲ１５１と、酸化層１８０の上部に位置した第２上部ＤＢＲ１５２とで構成される。
上部ｐ−ＤＢＲ１５０は、下部ＤＢＲと同様に高屈折率のＡｌＧａＡｓ層と低屈折率のＡｌＧａＡｓ層とのペアが繰り返し積層され、Ａｌ0.85Ｇａ0.1５Ａｓ層とＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とからなる２５ペアで構成される。
酸化層１８０は、厚さ約５０ｎｍのＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる中心部の円形電流ウィンドウ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｐｅｒｔｕｒｅ））１８２と、酸化層が水蒸気で酸化された周辺部の酸化リング１８１とからなる。ＤＢＲ反射率は、ほぼ９８％以上であり、ストップバンド（ｓｔｏｐ−ｂａｎｄ）型の優れた特性を示した。
上部ｐ−ＤＢＲ１５０上にＡｌＧａＡｓ電流拡散層１６０をＭＯＣＶＤ方法により、３μｍの厚さに成長させた。ＡｌＧａＡｓ電流拡散層１６０の上部表面の中心部と周辺部の一部に高ドーピング領域１６１を形成した。
高ドーピング領域１６１の形成のために、図４に示すように、（ａ）５５００ｎｍの厚さを有する、ドーパント供給のためにパターン制御されたＺｎＯフィルム２１０を、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層１６０の上部表面の中心部に積層した。（ｂ）３０分間の熱処理（其々５００℃、６００℃および７００℃）により電流拡散層１６０の上部表面の中央部に高ドーピング領域１６１を形成した。（ｃ）熱処理後、ＨＣｌ：ＤＩ溶液を用いてＺｎＯフィルムを除去した。（ｄ）ＺｎＯフィルムの除去後、リング状の上部電極１７０を形成した。上部電極の内側は、高ドーピング領域１６１と一部が重なるように形成した。
断面ＳＥＭ写真撮影の結果、図５に示すように、上部表面から約１μｍ程度の深さまでドーピング部が形成されたことが確認された。
比較例１
Ｚｎ非ドープであることを除いては、実施例１と同様に実施した。
試験１
Ｚｎドープのための各熱処理温度５００℃、６００℃、７００℃における実施例１の各製品と、Ｚｎ非ドープの比較例１（ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ）の製品とを検査した。
図６に示すように、抵抗において、Ｚｎ非ドープの比較例１の製品では、０．０４３ｏｈｍ−ｃｍの抵抗を示し、これは、Ｚｎドープの実施例１の５００℃及び６００℃熱処理製品の０．０３３及び０．０１２ｏｈｍ−ｃｍの抵抗に比べてかなり高かった。Ｚｎドープの実施例１の７００℃熱処理製品では、０．０９８ｏｈｍ−ｃｍの高抵抗を示した。また、ホール濃度においては、Ｚｎ非ドープの比較実施例１の製品では、６．４×１０18／ｃｍ3のホール濃度を示し、Ｚｎドープの実施例１の５００℃及び６００℃熱処理製品では、それぞれ７．８×１０18／ｃｍ3及び９．３×１０18／ｃｍ3に増加したホール濃度を示し、Ｚｎドープの実施例１の７００℃熱処理製品では、５．５×１０18／ｃｍ3に急激に低下したホール濃度を示した。このような結果から、抵抗とホール濃度がトレードオフ関係にあることがわかる。
図７のドーピング曲線に示すように、ドーピング濃度において、Ｚｎ非ドープのｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ電流拡散層の場合、表面でのみ、７．０×１０18／ｃｍ3の濃度を有し、表面以外では、ほぼ均一に６．１×１０18／ｃｍ3の濃度を有する。ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ電流拡散層の最大ドーピング濃度は、０．０７μｍの深さで形成された。一方、Ｚｎ拡散のＡｌＧａＡｓ電流拡散層の場合、５００℃及び６００℃の熱処理製品では、それぞれ９．０×１０18／ｃｍ3及び１．０２×１０19／ｃｍ3の高いドーピング濃度を示した。７００℃熱処理製品では、約６．７×１０18／ｃｍ3の低いドーピング濃度を示し、これは、再結晶化または非結晶化による欠陥であると解釈される。
挿図（ＡＦＭ ｉｍａｇｅｓ（原子間力顕微鏡像））に示すように、非ドープ製品と５００℃及び６００℃熱処理により得られる製品の表面ＲＭＳ値は、６．８〜４．８で滑らかなのに対し、７００℃熱処理製品の表面ＲＭＳ値は、２２．３であって不均一な表面モフォロジーを示す。これは、多くの表面欠陥を暗示する。
図８は、製造されたＶＣＳＥＬチップの電流（ｃｕｒｒｅｎｔ）（Ｉ）の関数として出力を示すグラフである。製造されたＶＣＳＥＬチップは、５００℃及び６００℃でＺｎがドープされた場合、Ｚｎ非ドープのＶＣＳＥＬチップに比べて有意に高い出力を示す。５００℃及び６００℃でのＺｎドープの製品では、９５ｍＷ及び１１０ｍＷの出力が発生しており、これは、Ｚｎ非ドープ製品の７５ｍＷの出力に比べてそれぞれ４７％及び２７％増加したものである。
図９は、比較例１のＺｎ非ドープ製品のファーフィールド・パターン・ライティング・ビーム（ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｂｅａｍ）画像と、実施例１の６００℃熱処理によるＺｎドープ製品のファーフィールド・パターン・ライティング・ビーム（ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｂｅａｍ）画像である。結果は、ビームプロファイラシステムにおいて、１０ｍＡ〜３０ｍＡの電流注入範囲でビーム検出器（ｂｅａｍ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）とでビームとの間の距離を５ｍｍに維持して測定したものである。比較例１のＶＣＳＥＬチップのビームガウス曲線（Ｂｅａｍ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｃｕｒｖｅｓ）は、同じ電流注入においてｘ及びｙ軸が異なる形状と強度を示す。図９の（ａ）の挿図は、不均衡な２Ｄビーム形状を示し、広い３Ｄビーム放出形状を示す。一方、実施例１のＶＣＳＥＬチップのビームガウス曲線（Ｂｅａｍ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｃｕｒｖｅｓ）は、同じ電流注入においてｘ及びｙ軸が有意に均衡の取れた２Ｄビーム形状を示し、鋭い３Ｄビーム放出形状を示す。
実施例２
図１３に示すように、本発明に係る、ピーク波長８６０ｎｍを有する酸化型ＶＳＣＥＬ１００の層構造では、電流拡散層１６０としてＧａＰ層が使用されること、及び上部電極１７０の間にＳｉＮ反射防止層１９０がさらに形成されることを除いては、実施例１の図３と同様である。
ドーピング部１６１は、図５に示すように、（ａ）５００ｎｍの厚さを有する、ドーパント供給のためのＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）フィルム２１０を、ＧａＰ電流拡散層１６０の上部表面の中心部に積層した。（ｂ）窒素雰囲気の炉で４００℃、４５０℃および５００℃における２時間熱処理により、電流拡散層１６０の上部表面の中央部にドーピング部１６１を形成した。（ｃ）熱処理後、ＨＣｌ：ＤＩ溶液を用いてＡＺＯフィルムを除去した。（ｄ）ＡＺＯフィルムの除去後、リング状の上部電極１７０を形成した。上部電極の内側は、高ドーピング層１６１と一部が重なるように形成した。上部電極１７０の内部領域には、ＳｉＮ反射防止層１９０を形成した。
比較例２
Ｚｎ非ドープであることを除いては、実施例２と同様に実施した。
試験２
Ｚｎドープのための各熱処理温度４００℃、４５０℃、５００℃における実施例２の製品と、Ｚｎ非ドープの比較例２（ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ）製品と、を検査した。熱処理工程後、Ｚｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）のＧａＰ領域に対するドーピング濃度プロファイルを、図１０に示した。これは、Ｚｎ拡散進行時に重要な変数として作用した熱処理条件４００℃、４５０℃、５００℃に伴うサンプルＥＣＶデータである。ＥＣＶ（Ｅｔｃｈｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ）測定は、サンプルの表面から内部約４μｍ深さまでエッチングしてドーピング濃度を確認したものである。Ｚｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）工程が適用されていない一般的なサンプルの場合、最大ドーピング濃度は、約８．２×１０18／ｃｍ3であることが確認された。Ｚｎ拡散進行時、熱処理条件４００℃及び４５０℃下で大幅に増加したドーピング濃度は、それぞれ約９．１×１０18及び１．２×１０19／ｃｍ3の高い値であることが確認された。しかしながら、約５００℃の熱処理条件では、ドーピング濃度が大きく低下する現象が確認された。このような現象は、高温によるＧａＰの非結晶化とそれに伴う欠陥発生によるものと判断される。
図１１は、製造されたＶＣＳＥＬチップの電流（ｃｕｒｒｅｎｔ）（Ｉ）の関数としての出力を示すグラフである。電流が流れることによる非ドープ処理のＶＣＳＥＬ（比較例２）の光効率の結果と、Ｚｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）高ドープ処理のＶＣＳＥＬの光効率の結果と、を示している。比較例２の場合、約７８ｍＷの光効率を持っている。これに対し、実施例２の場合、Ｚｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）のドーピング部を適用するに際して、その効率が大幅に増加することを示している。４００℃と４５０℃におけるＺｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）適用時の最大（ＭＡＸ）光効率は、それぞれ９６ｍＷ（２４％増）と１１０ｍＷ（４１％増）の高効率であった。しかしながら、約５００℃におけるＺｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｓｉｏｎ）適用時の光効率は、急激に減少して約６０ｍＷ（２２％減）の低い値であった。このような光効率の結果は、図１０のＥＣＶ結果とその傾向が一致している。
図１２は、ビームプロファイラ（Ｂｅａｍ ｐｒｏｆｉｌｅｒ）により測定された比較例２の従来のＶＣＳＥＬ（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＶＣＳＥＬ）に対するライティングビーム（ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｂｅａｍ）の２次元および３次元の画像と、４５０℃におけるＺｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）のＶＣＳＥＬに対するライティングビーム（ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｂｅａｍ）の２次元および３次元の画像と、を示している。約３０ｍＡで約５ｍｍの距離で測定され、ｘ軸及びｙ軸に対する光の強度が測定された。２次元画像の確認時、Ｚｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）のＶＣＳＥＬのほうが、従来のＶＣＳＥＬ（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＶＣＳＥＬ）よりも小さいビーム（ｂｅａｍ）形状を有することが確認され、これを３次元画像で確認するとき、より明確に集光された光の形状を有することが確認された。また、これから、Ｚｎ拡散（Ｚｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）による表面の高ドーピング領域によってＶＣＳＥＬのライティングビーム（ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｂｅａｍ）がより一層集光されることが確認された。
本発明を図面及び前述の記載にて詳細に示して説明されたとしても、このような図示及び説明は図示的又は例示的に考慮されるものであり、限定的に考慮されるものではない。本発明からの他の修正が、平均技術者には明らかであろう。これらの修正は、すでに本分野で公知になり本明細書で説明された特徴の代わりにまたはそれらに加えて利用できる他の特徴を伴うことができる。開示された実施例の変形は、図面、本発明および添付された請求項の学習から、当業者によって理解され、影響を受けることができる。請求項において、「備える」又は「含む」という用語は、他の素子又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数の素子又はステップを排除するものではない。特定の措置が互いに異なる従属請求項に引用されるという事実は、これらの措置の組み合わせが有利にするために使用することができないことを示すものではない。請求項における任意の参照符号は、その範囲を限定するものとみなされるべきではない。
１００ 酸化型ＶＣＳＥＬ
１１０ 下部電極
１２０ 基板
１３０ 下部ＤＢＲ
１４０ 活性層
１５０ 上部ＤＢＲ
１６０ 電流拡散層
１６１ ドーピング部
１７０ 上部電極
１８０ 酸化層
１９０ 反射防止層

Claims (19)

  1. 上部電極と下部分布ブラッグ反射器との間には、少なくとも一部に高ドーピング領域を有する電流拡散層を含むことを特徴とする酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  2. 前記電流拡散層は、エピタキシャルに成長した透明な導電性層であることを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  3. 前記電流拡散層は、ＡｌＧａＡｓまたはＧａＰからなることを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  4. 前記エピタキシャルに成長した電流拡散層は、６．０×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3〜８．５×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3のドーピング濃度を有することを特徴とする請求項２に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  5. 前記高ドーピング領域は、前記電流拡散層の成長後に行われたドーピングによって０．５×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3以上増加することを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  6. 前記ドーピングは、表面ドーピングであることを特徴とする請求項５に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  7. 前記高ドーピング領域は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択される１つ以上でドープされたことを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  8. 前記電流拡散層の中心部に前記高ドーピング領域を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  9. 前記電流拡散層の中心部と、前記中心部に接する周辺部の一部に前記高ドーピング領域を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  10. 前記高ドーピング領域は、表面と前記電流拡散層の厚さよりも小さい所定の深さまで形成されたことを特徴とする請求項８に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  11. 前記高ドーピング領域は、深さに応じて濃度が増加して最大値に達し、再び濃度が次第に減少する形状の濃度プロファイルを有することを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  12. 前記濃度プロファイルは、最大濃度が上部表面から０．５μｍ以下に位置することを特徴とする請求項１１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  13. 下部電極、基板、下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、活性層、中心部に電流ウィンドウを有する酸化層、上部分布ブラッグ反射器（ＤＲＢ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  14. 前記酸化層は、前記上部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の層間に位置することを特徴とする請求項１３に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  15. 前記高ドーピング領域は、Ｚｎでドープされたことを特徴とする請求項１に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ。
  16. 上部電極と下部分布ブラッグ反射器との間にエピタキシャルに電流拡散層を成長させるステップと；
    前記電流拡散層の成長後、前記電流拡散層の少なくとも一部にドーパントを注入して高ドーピング領域を形成するステップと；
    を含むことを特徴とする酸化型垂直共振器型面発光レーザ（酸化型ＶＣＳＥＬ）の製造方法。
  17. 前記高ドーピング領域は、前記電流拡散層の上部面の少なくとも一部にドーパント供給層を積層し、これを加熱して前記電流拡散層の少なくとも一部に前記高ドーピング領域を形成し、積層された前記ドーパント供給層を除去して形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ（酸化型ＶＣＳＥＬ）の製造方法。
  18. 前記電流拡散層は、ＧａＰ電流拡散層であり、
    前記ＧａＰ電流拡散層にＺｎＯドーパント供給層を積層し、４００〜４５０℃で加熱してＺｎをドープした高ドーピング領域を形成することを特徴とする請求項１７に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ（酸化型ＶＣＳＥＬ）の製造方法。
  19. 前記電流拡散層は、ＡｌＧａＡｓ電流拡散層であり、
    前記ＡｌＧａＡｓ電流拡散層にＡＺＯドーパント供給層を積層し、５００〜６００℃で加熱してＺｎをドープした高ドーピング領域を形成することを特徴とする請求項１７に記載の酸化型垂直共振器型面発光レーザ（酸化型ＶＣＳＥＬ）の製造方法。
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