JP3289920B2 - 最上部放射面発光レーザ構造 - Google Patents
最上部放射面発光レーザ構造Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
- H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion
- H01S5/2063—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion obtained by particle bombardment
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Description
【０００１】
【技術分野】本発明は最上部で放射する電気的ポンピン
グ、垂直空胴、面発光レーザに係る。そのようなレーザ
は個別でもよく、例えばレーザアレイや光電子回路とい
った集積回路中に含まれてもよい。
グ、垂直空胴、面発光レーザに係る。そのようなレーザ
は個別でもよく、例えばレーザアレイや光電子回路とい
った集積回路中に含まれてもよい。
【０００２】
【従来技術の記述】垂直空胴面発光レーザ構造（ＳＥ
Ｌ）は、高価でない信頼性の高いレーザ構造の必要性が
認識されたことに対する確実な答となりつつある。その
二次元的な特性、すなわちその非常に小さな活性利得領
域の体積により、閾値電流は低くなり、そのため熱放散
の問題が軽減される。ＳＥＬは個別デバイスとして確か
に関心がもたれているが、全光学及び光−電子の両方の
集積化という点で、ブレークスルーの重要な可能性をも
つと多くの人がみている。考えられる用途には、光スイ
ッチング／計算、光相互接続、高／低パワーレーザ源、
画像処理、神経回路網等が含まれる。
Ｌ）は、高価でない信頼性の高いレーザ構造の必要性が
認識されたことに対する確実な答となりつつある。その
二次元的な特性、すなわちその非常に小さな活性利得領
域の体積により、閾値電流は低くなり、そのため熱放散
の問題が軽減される。ＳＥＬは個別デバイスとして確か
に関心がもたれているが、全光学及び光−電子の両方の
集積化という点で、ブレークスルーの重要な可能性をも
つと多くの人がみている。考えられる用途には、光スイ
ッチング／計算、光相互接続、高／低パワーレーザ源、
画像処理、神経回路網等が含まれる。
【０００３】報告されている構造は、１乃至複数の量子
井戸又はバルク材料の形のガリウムひ素又はインジウム
・ガリウムひ素を基本とした活性領域を有する。効率の
よいデバイスは、定在波のピーク強度値に対応した位置
において、量子井戸又はバルクの活性利得材料を置き、
それ以外の所に内部（非利得）フィルタ材料を置く。
井戸又はバルク材料の形のガリウムひ素又はインジウム
・ガリウムひ素を基本とした活性領域を有する。効率の
よいデバイスは、定在波のピーク強度値に対応した位置
において、量子井戸又はバルクの活性利得材料を置き、
それ以外の所に内部（非利得）フィルタ材料を置く。
【０００４】（最低のレーザ閾値を得るために、）レー
ザ発振方向に活性領域の寸法が減少するとともに、通過
毎の利得が対応して減少するのを調整するため、空胴反
射率を増す必要性が出てくる。一般に９８＋％である各
空胴端における必要な反射率の値は、低利得デバイスの
場合９９．４−９９．９％の範囲がよく、後者の値は最
終的な単一量子井戸構造で得られる値に対応する。その
ような反射率の値は、一般に分布誘電体ミラーに依存
し、しばしばプロトタイプ分布ブラグ反射器（ＤＢＲ）
とよばれる。そのようなミラーは“周期”をもつように
作られ、夫々は放射波長に対し透明であるものと異なる
屈折率をもつ材料の対となった層を含む。
ザ発振方向に活性領域の寸法が減少するとともに、通過
毎の利得が対応して減少するのを調整するため、空胴反
射率を増す必要性が出てくる。一般に９８＋％である各
空胴端における必要な反射率の値は、低利得デバイスの
場合９９．４−９９．９％の範囲がよく、後者の値は最
終的な単一量子井戸構造で得られる値に対応する。その
ような反射率の値は、一般に分布誘電体ミラーに依存
し、しばしばプロトタイプ分布ブラグ反射器（ＤＢＲ）
とよばれる。そのようなミラーは“周期”をもつように
作られ、夫々は放射波長に対し透明であるものと異なる
屈折率をもつ材料の対となった層を含む。
【０００５】誘電体ミラーの設計基準はよく知られてい
る。例えば、エム・ボーン(M.Born)及びイー・ウルフ
(E.Wolf)“光学の原理”パーガモン、ニューヨーク（１
９６４）、５１頁及びジェイ・ピー・ファン・デア・ツ
ィール(J.P.Van der Ziel)及びエム・イルゲムス(M.Ile
gems) 、“応用光学”、第１４巻、第１１号（１９７５
年１１月）を参照のこと。
る。例えば、エム・ボーン(M.Born)及びイー・ウルフ
(E.Wolf)“光学の原理”パーガモン、ニューヨーク（１
９６４）、５１頁及びジェイ・ピー・ファン・デア・ツ
ィール(J.P.Van der Ziel)及びエム・イルゲムス(M.Ile
gems) 、“応用光学”、第１４巻、第１１号（１９７５
年１１月）を参照のこと。
【０００６】報告されている構造は、殆どの場合不活性
基板上に、エピタキシャル成長により組立てられる。特
徴的なデバイスは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によ
りシリコンドープｎ+ 伝導形ガリウムひ素上に成長させ
る。最初に成長させる材料はこの場合、例えばガリウム
ひ素とアルミニウム・ガリウムひ素のｎ−ドープの交互
になった層で、底部誘電体ミラーを形成する。次に来る
のは活性領域で、活性利得材料を含むスペーサ（又は障
壁）領域から成る。最上部ミラーはやはり異なる屈折率
の材料が交互になった層であるが、今度はｐ−ドープ
で、光学的な観点から、構造を完成させる。設計の詳細
については、文献に適切に述べられている。ケイ・イガ
(K.Iga) ら“エレクトロニクス・レターズ(Electronics
Letters)”第２３巻、１３４−１３６頁（１９８
７）；エイ・イバラキ(A.Ibaraki) ら、“ジャパニーズ
・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Japan
ese Journal of Applied Physics) ”第２８巻、Ｌ６６
７−Ｌ６６８頁（１９８９）を参照のこと。単一量子井
戸構造については、ワイ・エイチ・リー(Y.H.Lee) ら、
“エレクトロニクス・レターズ(Electronics Letters)
”第２５巻、１３７７−１３７８頁（１９８９）に述
べられている。
基板上に、エピタキシャル成長により組立てられる。特
徴的なデバイスは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によ
りシリコンドープｎ+ 伝導形ガリウムひ素上に成長させ
る。最初に成長させる材料はこの場合、例えばガリウム
ひ素とアルミニウム・ガリウムひ素のｎ−ドープの交互
になった層で、底部誘電体ミラーを形成する。次に来る
のは活性領域で、活性利得材料を含むスペーサ（又は障
壁）領域から成る。最上部ミラーはやはり異なる屈折率
の材料が交互になった層であるが、今度はｐ−ドープ
で、光学的な観点から、構造を完成させる。設計の詳細
については、文献に適切に述べられている。ケイ・イガ
(K.Iga) ら“エレクトロニクス・レターズ(Electronics
Letters)”第２３巻、１３４−１３６頁（１９８
７）；エイ・イバラキ(A.Ibaraki) ら、“ジャパニーズ
・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Japan
ese Journal of Applied Physics) ”第２８巻、Ｌ６６
７−Ｌ６６８頁（１９８９）を参照のこと。単一量子井
戸構造については、ワイ・エイチ・リー(Y.H.Lee) ら、
“エレクトロニクス・レターズ(Electronics Letters)
”第２５巻、１３７７−１３７８頁（１９８９）に述
べられている。
【０００７】ほとんどの用途に対して最も関心がもたれ
ている電気的にポンピングされる構造は、ミラーを通し
て活性領域を一般的にバイアスし、ミラーは上で述べた
ように、典型的なＰ−ｉ−ｎ構成となるように、ドープ
されている。殆どのデバイスは、レーザ発振方向と一直
線になった最上部の電子系に依存してきた。これは便利
な構成であるが、そのような最上部電極は一般に金属製
で、最上部からの放射を除くような厚さをもち、そのた
めデバイスは一般に基板を通した放射に依存する。（通
常の）ＧａＡｓ基板の場合、利得領域中にインジウムを
含める（ＩｎＧａＡｓ活性利得材料を用いる）ことから
生じる放射波長の増加は、基板の修正を伴わずに放射を
可能にする。ＧａＡｓ活性利得材料を用いること（基板
は吸収材となる）には、一直線状に基板をエッチング除
去することが伴ってきた。
ている電気的にポンピングされる構造は、ミラーを通し
て活性領域を一般的にバイアスし、ミラーは上で述べた
ように、典型的なＰ−ｉ−ｎ構成となるように、ドープ
されている。殆どのデバイスは、レーザ発振方向と一直
線になった最上部の電子系に依存してきた。これは便利
な構成であるが、そのような最上部電極は一般に金属製
で、最上部からの放射を除くような厚さをもち、そのた
めデバイスは一般に基板を通した放射に依存する。（通
常の）ＧａＡｓ基板の場合、利得領域中にインジウムを
含める（ＩｎＧａＡｓ活性利得材料を用いる）ことから
生じる放射波長の増加は、基板の修正を伴わずに放射を
可能にする。ＧａＡｓ活性利得材料を用いること（基板
は吸収材となる）には、一直線状に基板をエッチング除
去することが伴ってきた。
【０００８】構造的な修正は、空胴−ミラーのｐ形側の
上にある“ハイブリッド”ミラーに依存し、ミラーはよ
り少数の誘電体対を含む誘電体ミラーを補った通常の金
属反射層を含む。このようにして、ｐ−ドープ誘電体ミ
ラー層中の正孔移動度が低いために抵抗が増加する効果
は小さくなり、一方分布誘電体構造により得られる高反
射率はなお実現される。
上にある“ハイブリッド”ミラーに依存し、ミラーはよ
り少数の誘電体対を含む誘電体ミラーを補った通常の金
属反射層を含む。このようにして、ｐ−ドープ誘電体ミ
ラー層中の正孔移動度が低いために抵抗が増加する効果
は小さくなり、一方分布誘電体構造により得られる高反
射率はなお実現される。
【０００９】最上部金属層が電極の単純な機能を果す
か、或いはミラーの一部として働くか、効果は同じで、
レーザ放射に対しては不透明で、そのため最上部表面の
放射は除かれる。
か、或いはミラーの一部として働くか、効果は同じで、
レーザ放射に対しては不透明で、そのため最上部表面の
放射は除かれる。
【００１０】例えば適切に製造された表示中で用いるよ
うな、最上部表面放射の必要性は認識されてきたが、構
造的な方式は高価であった。活性領域中にバイアス電流
を横方向に導入することに依存する一つの方式は、エッ
チング、再成長及び拡散を用いる。エム・オグラ(M.Ogu
ra) ら、“アプライド・フィジックス・レターズ(Appli
ed Physics Letters)”第５１巻、１６５５頁（１９８
７）を参照のこと。
うな、最上部表面放射の必要性は認識されてきたが、構
造的な方式は高価であった。活性領域中にバイアス電流
を横方向に導入することに依存する一つの方式は、エッ
チング、再成長及び拡散を用いる。エム・オグラ(M.Ogu
ra) ら、“アプライド・フィジックス・レターズ(Appli
ed Physics Letters)”第５１巻、１６５５頁（１９８
７）を参照のこと。
【００１１】
【本発明の要旨】本発明は最上部面発光、垂直空胴、面
発光レーザに係る。本発明の構造は、上部空胴端上の
（非ハイブリッド）分布誘電体ミラーを使用することに
依存する。最上部ミラーのかなりの部分を遮蔽しない周
辺電流注入により、一直線状の電極は避けられる。活性
利得領域中への効率のよい電流導入は、イオン打込によ
り導入される結晶損傷（ここでは“イオン注入”とよ
ぶ）により生じた抵抗分布により、保証される。“腰”
が活性領域の付近又は僅かに上にある理想的な腰状分布
は、ここで“埋込損傷層”とよばれる深さにおいて、最
も高い抵抗となるようなイオン質量とエネルギーを選ん
だ結果である。必要とするエネルギーが最小で、デバイ
ス特性には殆ど無害であるため、例は一般的に好ましい
Ｈ+ （陽子）に依存するが、他のイオンも役に立つこと
がある。高濃度ドープ表面における注入損傷を減し、そ
れにより上部ミラーの最上部付近の導電性を改善するた
め、好ましい実施例は熱アニールに依存する。
発光レーザに係る。本発明の構造は、上部空胴端上の
（非ハイブリッド）分布誘電体ミラーを使用することに
依存する。最上部ミラーのかなりの部分を遮蔽しない周
辺電流注入により、一直線状の電極は避けられる。活性
利得領域中への効率のよい電流導入は、イオン打込によ
り導入される結晶損傷（ここでは“イオン注入”とよ
ぶ）により生じた抵抗分布により、保証される。“腰”
が活性領域の付近又は僅かに上にある理想的な腰状分布
は、ここで“埋込損傷層”とよばれる深さにおいて、最
も高い抵抗となるようなイオン質量とエネルギーを選ん
だ結果である。必要とするエネルギーが最小で、デバイ
ス特性には殆ど無害であるため、例は一般的に好ましい
Ｈ+ （陽子）に依存するが、他のイオンも役に立つこと
がある。高濃度ドープ表面における注入損傷を減し、そ
れにより上部ミラーの最上部付近の導電性を改善するた
め、好ましい実施例は熱アニールに依存する。
【００１２】本発明に従う好ましい構造では、更に誘電
体ミラー部又は対の間に周知の超格子又は段差層を用い
ることにより、少くとも上部ミラー内の抵抗が最小にな
る。ジェイ・エル・ジェウェル(J.L.Jewell)ら“オプテ
ィク・エンジニアリング(Optic.Engineering) ”、第２
９０巻、２１０頁（１９９０）を参照のこと。
体ミラー部又は対の間に周知の超格子又は段差層を用い
ることにより、少くとも上部ミラー内の抵抗が最小にな
る。ジェイ・エル・ジェウェル(J.L.Jewell)ら“オプテ
ィク・エンジニアリング(Optic.Engineering) ”、第２
９０巻、２１０頁（１９９０）を参照のこと。
【００１３】従来技術の構造のように、上部ミラーをｐ
−ドープすることはひき続き便利である。しかし、本発
明の方式は最部ミラーがｎ−ドープされる反転構造に適
用するのが適当である。
−ドープすることはひき続き便利である。しかし、本発
明の方式は最部ミラーがｎ−ドープされる反転構造に適
用するのが適当である。
【００１４】
【詳細な記述】図１は設計、材料等に関する一般的な議
論と、実験的に示された試料の例に関する具体的な議論
の基礎として役立つ。
論と、実験的に示された試料の例に関する具体的な議論
の基礎として役立つ。
【００１５】この図は一般的に考えられる最上面発光Ｓ
ＥＬを示す。材料の選択は、例えば放射波長といった所
望のレーザ特性に、最終的には依存する。しかし、例え
ば最上部表面放射をモニターするために、空胴の基板側
の放射が望ましいといったある種の条件下では、適当に
透明である基板を選択することが望ましいこともある。
エピタキシャル成長に依存する通常の製作では、基板の
選択では、格子定数等が限定される。
ＥＬを示す。材料の選択は、例えば放射波長といった所
望のレーザ特性に、最終的には依存する。しかし、例え
ば最上部表面放射をモニターするために、空胴の基板側
の放射が望ましいといったある種の条件下では、適当に
透明である基板を選択することが望ましいこともある。
エピタキシャル成長に依存する通常の製作では、基板の
選択では、格子定数等が限定される。
【００１６】動作するデバイスは、今日まで基板１０上
にエピタキシャル成長させ、基板は試料の例ではＳｉ−
ドープｎ+ ＧａＡｓ（典型的な場合、厚さは２００乃至
５００μm で、３×１０18cm-3に均一にドープされてい
る。）である。最初はｎ形ミラー層であるエピタキシャ
ル成長は有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）（アール
・ディー・デュプイ(R.D.Dupui) ら、アプライド・フィ
ジックス・レターズ(Appl.Phys.Letters) 、第３１巻、
２０１頁（１９７８）参照）、ＭＢＥ（エイ・ワイ・チ
ョー(A.Y.cho) ジャーナル・バキアム・テクノロジー
(J.Vac.Techno)、第８巻、５３１頁（１９７１）参照）
等により行えばよい。試料の例では、８５０nmの放射波
長に対応した反射ピークをもつ２６．５対の四分の１波
長ミラーを成長させるために、ＭＢＥが用いられた。底
部又はｎ形ミラーは、ＡｌＡｓ／Ａｌ.15 Ｇａ.85 Ａｓ
（層１１、１２は夫々７１０．８オングストローム及び
６０４．８オングストロームの厚さである。）から成
る。層１１及び１２はともに３×１０18cm-3のＳｉドー
プである。
にエピタキシャル成長させ、基板は試料の例ではＳｉ−
ドープｎ+ ＧａＡｓ（典型的な場合、厚さは２００乃至
５００μm で、３×１０18cm-3に均一にドープされてい
る。）である。最初はｎ形ミラー層であるエピタキシャ
ル成長は有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）（アール
・ディー・デュプイ(R.D.Dupui) ら、アプライド・フィ
ジックス・レターズ(Appl.Phys.Letters) 、第３１巻、
２０１頁（１９７８）参照）、ＭＢＥ（エイ・ワイ・チ
ョー(A.Y.cho) ジャーナル・バキアム・テクノロジー
(J.Vac.Techno)、第８巻、５３１頁（１９７１）参照）
等により行えばよい。試料の例では、８５０nmの放射波
長に対応した反射ピークをもつ２６．５対の四分の１波
長ミラーを成長させるために、ＭＢＥが用いられた。底
部又はｎ形ミラーは、ＡｌＡｓ／Ａｌ.15 Ｇａ.85 Ａｓ
（層１１、１２は夫々７１０．８オングストローム及び
６０４．８オングストロームの厚さである。）から成
る。層１１及び１２はともに３×１０18cm-3のＳｉドー
プである。
【００１７】図１は２つのスペーサ層１５間にはさまれ
た活性利得領域１４から成る活性領域１３を示す。領域
１３の全体の厚さは、活性利得材料のエネルギー帯構造
により可能となるレーザ放射の半波長の整数倍を維持す
るようなものである。活性領域１３の中心における活性
利得領域１４の位置は、試料の例では最大強度の位置で
ある（それによって一波長の定在波ができる）、精密な
寸法が、許された範囲内で、実現されるレーザ放射の波
長を決る。具体的な試料の例では、活性利得領域は、Ａ
ｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ（ＡｌX Ｇａ1-X ＡｓでＸ＝０．
３）の７０オングストロームの厚さの障壁層１７で分離
された適切な厚さ１００オングストロームの４つのＧａ
Ａｓ層１６から成る。約９６３オングストロームの厚さ
のはさまれたスペーサ層１５もＡｌX Ｇａ1-X Ａｓから
成り、活性利得領域１４に隣接したＸ＝０．３から最も
内部のミラー層１１及び１８に隣接０．５の値まで傾斜
していた。スペーサ領域１５内の傾斜した組成は、活性
利得領域１４内にキャリヤを閉じ込める働きをする。
た活性利得領域１４から成る活性領域１３を示す。領域
１３の全体の厚さは、活性利得材料のエネルギー帯構造
により可能となるレーザ放射の半波長の整数倍を維持す
るようなものである。活性領域１３の中心における活性
利得領域１４の位置は、試料の例では最大強度の位置で
ある（それによって一波長の定在波ができる）、精密な
寸法が、許された範囲内で、実現されるレーザ放射の波
長を決る。具体的な試料の例では、活性利得領域は、Ａ
ｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ（ＡｌX Ｇａ1-X ＡｓでＸ＝０．
３）の７０オングストロームの厚さの障壁層１７で分離
された適切な厚さ１００オングストロームの４つのＧａ
Ａｓ層１６から成る。約９６３オングストロームの厚さ
のはさまれたスペーサ層１５もＡｌX Ｇａ1-X Ａｓから
成り、活性利得領域１４に隣接したＸ＝０．３から最も
内部のミラー層１１及び１８に隣接０．５の値まで傾斜
していた。スペーサ領域１５内の傾斜した組成は、活性
利得領域１４内にキャリヤを閉じ込める働きをする。
【００１８】簡潔にするため、活性領域１３については
主に１乃至数個の量子井戸を例に議論する。本発明の指
針は、バルク活性利得領域とともに、多数の量子井戸を
含む活性領域についても等しく適用できる。
主に１乃至数個の量子井戸を例に議論する。本発明の指
針は、バルク活性利得領域とともに、多数の量子井戸を
含む活性領域についても等しく適用できる。
【００１９】例では最上部ミラー反射は、Ａｌ.15 Ｇａ
.85 Ａｓ層１９と対になったＡｌＡｓ１８の１９周期の
Ｂｅ−ドープミラー層から成る。この例における有用な
導電特性は、活性領域に隣接した最初の２周期の３×１
０18のベリリウムドーピングから、次の１４周期の５×
１０18を通り、最上部層の２×１０19の最高レベルまで
増加するドーピングにより生じる。一周期２０が詳細に
示されているように、上部ミラーの導電率は、各誘電体
対１８、１９内の中間の禁制帯幅をもつ対となった層２
１及び２２により更に増す。具体的な例の場合、厚さ９
５．５オングストロームの層２１（Ｘ＝０．４）と厚さ
１０１オングストロームの層２２（Ｘ＝０．７）は、厚
さ６０４．２オングストロームの層（Ｘ＝１）を厚さ５
１４．１オングストロームの層１８（Ｘ＝０．１５）か
ら分離し、これら全てＡｌXＧａ1-X Ａｓの組成で、８
５０nmの波長の放射に対し、半波長周期を生じた。
.85 Ａｓ層１９と対になったＡｌＡｓ１８の１９周期の
Ｂｅ−ドープミラー層から成る。この例における有用な
導電特性は、活性領域に隣接した最初の２周期の３×１
０18のベリリウムドーピングから、次の１４周期の５×
１０18を通り、最上部層の２×１０19の最高レベルまで
増加するドーピングにより生じる。一周期２０が詳細に
示されているように、上部ミラーの導電率は、各誘電体
対１８、１９内の中間の禁制帯幅をもつ対となった層２
１及び２２により更に増す。具体的な例の場合、厚さ９
５．５オングストロームの層２１（Ｘ＝０．４）と厚さ
１０１オングストロームの層２２（Ｘ＝０．７）は、厚
さ６０４．２オングストロームの層（Ｘ＝１）を厚さ５
１４．１オングストロームの層１８（Ｘ＝０．１５）か
ら分離し、これら全てＡｌXＧａ1-X Ａｓの組成で、８
５０nmの波長の放射に対し、半波長周期を生じた。
【００２０】両方の方式により、希望が達成される。即
ち、導電率はデバイス動作に殆ど悪影響を及ぼさないよ
うに、増加する。上部ミラー中の不純物が著しく増すこ
とは、反射の減少がそこではあまり重要でないため、適
切な折衷である。同様に、ミラー層間に中間の禁制帯材
料を使用することは、正味として正の効果をもつ。例え
ば自由表面から熱的に拡散させてよい金属亜鉛により、
金属ドーパントを導入することによって、更に改善を実
現してもよい。
ち、導電率はデバイス動作に殆ど悪影響を及ぼさないよ
うに、増加する。上部ミラー中の不純物が著しく増すこ
とは、反射の減少がそこではあまり重要でないため、適
切な折衷である。同様に、ミラー層間に中間の禁制帯材
料を使用することは、正味として正の効果をもつ。例え
ば自由表面から熱的に拡散させてよい金属亜鉛により、
金属ドーパントを導入することによって、更に改善を実
現してもよい。
【００２１】周知のように、２１及び２２のような中間
禁制帯材料層を、間にはさむことによって、電気抵抗は
本質的に減少し、一方反射には僅かな影響しか及ぼさな
い。ジェイ・エル・ジェウェル(J.L.Jewell)ら、“オプ
ティック・エンジニアリング(Optic.Engineering) 、第
２９巻、２１０頁（１９９０）を参照のこと。最適化さ
れた構造は、ミラー対の両側に材料をはさんでもよく、
或いは超格子を生成させるため、多くの薄い層を用いて
もよい。図示されるように、間にはさむ工程は最も必要
とするｐ形側のミラー中で行われる。ある種の条件下で
は、同様の技術によりｎ形ミラー中の抵抗を減すことが
望ましいことがある。
禁制帯材料層を、間にはさむことによって、電気抵抗は
本質的に減少し、一方反射には僅かな影響しか及ぼさな
い。ジェイ・エル・ジェウェル(J.L.Jewell)ら、“オプ
ティック・エンジニアリング(Optic.Engineering) 、第
２９巻、２１０頁（１９９０）を参照のこと。最適化さ
れた構造は、ミラー対の両側に材料をはさんでもよく、
或いは超格子を生成させるため、多くの薄い層を用いて
もよい。図示されるように、間にはさむ工程は最も必要
とするｐ形側のミラー中で行われる。ある種の条件下で
は、同様の技術によりｎ形ミラー中の抵抗を減すことが
望ましいことがある。
【００２２】図１は例を示すだけのものである。現在実
施されているか将来実施されるであろう多くの変形によ
り、本発明の指針に影響を与えることなく、動作が改善
される可能性がある。例えば、明確には示されていない
が、試料の例における基板層１０は、欠陥のないエピタ
キシャル成長表面をより保障するため、同一組成の材料
を気相堆積させた薄い層で被覆した。
施されているか将来実施されるであろう多くの変形によ
り、本発明の指針に影響を与えることなく、動作が改善
される可能性がある。例えば、明確には示されていない
が、試料の例における基板層１０は、欠陥のないエピタ
キシャル成長表面をより保障するため、同一組成の材料
を気相堆積させた薄い層で被覆した。
【００２３】製作この節では本発明を進めるのに特に適
切な製作工程を扱う。実施する製作工程の順序とともに
工程それ自身の精密な性質は変えてもよいが、上で述べ
た試料の例を組立てるのに用いられるプロセスを例に、
製作について述べるのが便利である。
切な製作工程を扱う。実施する製作工程の順序とともに
工程それ自身の精密な性質は変えてもよいが、上で述べ
た試料の例を組立てるのに用いられるプロセスを例に、
製作について述べるのが便利である。
【００２４】図１の構造の最上部表面には、最上部とレ
ーザポストの両方をマスクするためのレジストが供給さ
れた。その目的は、下の領域をイオン損傷からマスク
し、電極のリフト−オフ規定の働きをする両方のためで
ある。後に述べるイオン損傷条件の場合、効果的なマス
クのためには、約６μm のマスク層厚を必要とした。従
来の単一層のフォトレジストリソグラフィは、動作する
レーザを実現するのに役立つが、多層レジスト方式によ
れば垂直なレジスト端が保証される。今用いる典型的な
三層レジストプロセスは、５乃至６μm の厚さの最初の
フォトレジスト層とそれに続く約５００オングストロー
ム厚の例えばＣｒ又はＡｕの層及びそれに続く１μm 厚
のフォトレジスト層を必要とする。１μm 層中に所望の
パターンを生成するため、露光及び現像した後、最上部
レジストパターンをマスクとして用い、金属層をエッチ
する。厚い下のフォトレジストの乾式エッチング（例え
ば反応性酸素イオンエッチング）を、残った金属がマス
クとして役立つよう所望の垂直端部を得るための条件下
で行う。
ーザポストの両方をマスクするためのレジストが供給さ
れた。その目的は、下の領域をイオン損傷からマスク
し、電極のリフト−オフ規定の働きをする両方のためで
ある。後に述べるイオン損傷条件の場合、効果的なマス
クのためには、約６μm のマスク層厚を必要とした。従
来の単一層のフォトレジストリソグラフィは、動作する
レーザを実現するのに役立つが、多層レジスト方式によ
れば垂直なレジスト端が保証される。今用いる典型的な
三層レジストプロセスは、５乃至６μm の厚さの最初の
フォトレジスト層とそれに続く約５００オングストロー
ム厚の例えばＣｒ又はＡｕの層及びそれに続く１μm 厚
のフォトレジスト層を必要とする。１μm 層中に所望の
パターンを生成するため、露光及び現像した後、最上部
レジストパターンをマスクとして用い、金属層をエッチ
する。厚い下のフォトレジストの乾式エッチング（例え
ば反応性酸素イオンエッチング）を、残った金属がマス
クとして役立つよう所望の垂直端部を得るための条件下
で行う。
【００２５】フォトリソグラフィによる規定に続き、１
０００オングストローム厚の電極材料（ｐ形側の場合Ａ
ｕ／Ｚｎ）を、熱蒸着により合金源から堆積させた。上
で述べた具体的な試料の例では、電極層はイオン注入
中、連続した層として保持される。
０００オングストローム厚の電極材料（ｐ形側の場合Ａ
ｕ／Ｚｎ）を、熱蒸着により合金源から堆積させた。上
で述べた具体的な試料の例では、電極層はイオン注入
中、連続した層として保持される。
【００２６】イオン注入はピーク損傷（ピーク抵抗）が
活性層の深さに生じ、最低の損傷（最低の抵抗）が表面
で生じるように選ばれる。各種イオン種に対する適切な
加速エネルギーは、容易に計算される。例えば、ジェイ
・エフ・ツィグラー(J.F.Ziegler) 編、“イオン注入−
科学及び技術”、アカデミックプレス（１９８４）、５
１−１０８頁（ＩＳＢＮ＃０−１２−７８０６２０−
２）を参照のこと。活性利得領域が最上部表面から約
２．５μm の深さにある例の場合、５×１０14cm-2の注
入ドーズに対しては３００KeV Ｈ+ イオンが、約２．３
μm の深さに単位面積当り１０6 Ω以上のシート抵抗を
発生させるのに十分な損傷を導入するのに有効であっ
た。４５０℃における３０秒の熱アニーリングにより、
最上部の１．５μm 表面領域中のより少い損傷によって
誘入された抵抗は、報告された結果に対して十分な大き
さまで減少した。注入／アニーリング条件は、最小レー
ザ閾値という点では、最適化されなかった。
活性層の深さに生じ、最低の損傷（最低の抵抗）が表面
で生じるように選ばれる。各種イオン種に対する適切な
加速エネルギーは、容易に計算される。例えば、ジェイ
・エフ・ツィグラー(J.F.Ziegler) 編、“イオン注入−
科学及び技術”、アカデミックプレス（１９８４）、５
１−１０８頁（ＩＳＢＮ＃０−１２−７８０６２０−
２）を参照のこと。活性利得領域が最上部表面から約
２．５μm の深さにある例の場合、５×１０14cm-2の注
入ドーズに対しては３００KeV Ｈ+ イオンが、約２．３
μm の深さに単位面積当り１０6 Ω以上のシート抵抗を
発生させるのに十分な損傷を導入するのに有効であっ
た。４５０℃における３０秒の熱アニーリングにより、
最上部の１．５μm 表面領域中のより少い損傷によって
誘入された抵抗は、報告された結果に対して十分な大き
さまで減少した。注入／アニーリング条件は、最小レー
ザ閾値という点では、最適化されなかった。
【００２７】注入損傷の性質及び程度の両方を考えるこ
とは有用である。二つの考えは基本的に本発明の指針の
結果である。１）埋込まれたピーク損傷レベルにおける
横方向の損傷勾配で、それはレーザ円柱内の材料を本質
的に無損傷に保ったまま、活性利得材料を適切にバイア
スするためのじょうご状電流路に本質的な勾配を生じる
ようなものでなければならない。２）埋込みピークから
イオンが順番として最初に入射する表面までの垂直損傷
勾配は、所望のレーザ閾値に対して十分な導電性を保持
する。Ｈ及びＨｅの場合、最小スペクトルエネルギー広
がりを仮定すると、ＧａＡｓ（考えている半導体材料を
適切に代表するもの）中の全損傷幅は０．５μm であ
る。これらの目的のために、損傷幅は損傷が最大値の
０．５倍の極小値になる損傷領域を囲むものと定義され
る。（これらの目的のため、損傷領域はピーク損傷が中
心で起る環状と考えられる。）０のように大きなイオン
の場合、損傷幅は幾分大きい。
とは有用である。二つの考えは基本的に本発明の指針の
結果である。１）埋込まれたピーク損傷レベルにおける
横方向の損傷勾配で、それはレーザ円柱内の材料を本質
的に無損傷に保ったまま、活性利得材料を適切にバイア
スするためのじょうご状電流路に本質的な勾配を生じる
ようなものでなければならない。２）埋込みピークから
イオンが順番として最初に入射する表面までの垂直損傷
勾配は、所望のレーザ閾値に対して十分な導電性を保持
する。Ｈ及びＨｅの場合、最小スペクトルエネルギー広
がりを仮定すると、ＧａＡｓ（考えている半導体材料を
適切に代表するもの）中の全損傷幅は０．５μm であ
る。これらの目的のために、損傷幅は損傷が最大値の
０．５倍の極小値になる損傷領域を囲むものと定義され
る。（これらの目的のため、損傷領域はピーク損傷が中
心で起る環状と考えられる。）０のように大きなイオン
の場合、損傷幅は幾分大きい。
【００２８】実際的な動作条件下では、約２．３μm に
おいてピーク埋込み損傷を得ることが可能であったが、
それは入射表面における最初のμm 深さの層内における
それより、１桁大きい。上で示したように、アニールを
要するここでの好ましいプロセスは、幾分この勾配を増
す。それは考えているドーズ量により導入される損傷の
実際の大きさを評価するいくつかの値をもつ。約１×１
０14cm-2のドーズの場合、損傷は約１０19cm-3のレベル
にピークをもつと評価される。これらの現象に慣れてい
る人には周知のように、そのような数は近似的なものだ
けであって、ある程度は変位の程度に瞬間的に依存し、
導入された損傷のある程度は操作温度において自己アニ
ールされる。
おいてピーク埋込み損傷を得ることが可能であったが、
それは入射表面における最初のμm 深さの層内における
それより、１桁大きい。上で示したように、アニールを
要するここでの好ましいプロセスは、幾分この勾配を増
す。それは考えているドーズ量により導入される損傷の
実際の大きさを評価するいくつかの値をもつ。約１×１
０14cm-2のドーズの場合、損傷は約１０19cm-3のレベル
にピークをもつと評価される。これらの現象に慣れてい
る人には周知のように、そのような数は近似的なものだ
けであって、ある程度は変位の程度に瞬間的に依存し、
導入された損傷のある程度は操作温度において自己アニ
ールされる。
【００２９】イオン注入により導入される損傷の機構
は、たとえば上で引用した“イオン注入−科学及び技
術”からわかる。統計的には、水素原子はドーパントキ
ャリヤの５個分変位し、それにより金属原子、例えばＢ
ｅ５個が本質的に導電率に寄与しない。統計的な観測は
幾分ドーパント密度に依存する可能性があるが、第一近
似では、入射表面からピーク深さを通る考えている領域
に導入される損傷は、衝突分布に比例すると考えられ
る。注入方向に観測される１μm 乃至２．３μm の大き
さの損傷分布の大きさは、従っておおよそ衝突分布の大
きさの程度を表わす。
は、たとえば上で引用した“イオン注入−科学及び技
術”からわかる。統計的には、水素原子はドーパントキ
ャリヤの５個分変位し、それにより金属原子、例えばＢ
ｅ５個が本質的に導電率に寄与しない。統計的な観測は
幾分ドーパント密度に依存する可能性があるが、第一近
似では、入射表面からピーク深さを通る考えている領域
に導入される損傷は、衝突分布に比例すると考えられ
る。注入方向に観測される１μm 乃至２．３μm の大き
さの損傷分布の大きさは、従っておおよそ衝突分布の大
きさの程度を表わす。
【００３０】操作の観点からは、導入されたバイアス電
流の最低５０％を活性利得領域に通すことは、考えてい
る損傷分布で一般に実現される。殆どの目的、特に高度
の集積のためには、これは望ましい最小値である。ある
種の条件下では、活性領域を通過するバイアス電流は、
やはり最上部電極を通して導入される全バイアス電流に
対する割合で表すと、９０％かそれ以上のレベルをもっ
てきた。
流の最低５０％を活性利得領域に通すことは、考えてい
る損傷分布で一般に実現される。殆どの目的、特に高度
の集積のためには、これは望ましい最小値である。ある
種の条件下では、活性領域を通過するバイアス電流は、
やはり最上部電極を通して導入される全バイアス電流に
対する割合で表すと、９０％かそれ以上のレベルをもっ
てきた。
【００３１】レーザ円柱の中心において、僅かな導電性
の減少が観測されたことは、横方向の損傷の勾配は、垂
直方向と同程度であることを暗示している。約５μm の
開孔の場合、これは散乱による角度の曲りが、やはり注
入により導入された損傷を約１桁小さくしたことを示唆
している。この評価は初期の実験結果にのみ基いている
ため、近似と考えなければならない。最適化された条件
は、円柱の中心において本質的に導電率が減少せず保た
れたより急峻な横方向勾配を生じると考えられる。一例
として、注意深く制御した三層レジストプロセスでは、
より垂直に近いレジスト端部を生じ、それによってより
均一な径の電極開孔が生成するであろう。
の減少が観測されたことは、横方向の損傷の勾配は、垂
直方向と同程度であることを暗示している。約５μm の
開孔の場合、これは散乱による角度の曲りが、やはり注
入により導入された損傷を約１桁小さくしたことを示唆
している。この評価は初期の実験結果にのみ基いている
ため、近似と考えなければならない。最適化された条件
は、円柱の中心において本質的に導電率が減少せず保た
れたより急峻な横方向勾配を生じると考えられる。一例
として、注意深く制御した三層レジストプロセスでは、
より垂直に近いレジスト端部を生じ、それによってより
均一な径の電極開孔が生成するであろう。
【００３２】同様の注入損傷分布は、Ｈｅ及びＯのよう
な他のイオンで得られる。Ｈｅの場合、必要な注入エネ
ルギー及びドーズ量は、夫々８００KeV 及び約１×１０
14cm-2である。Ｏの場合、必要な注入エネルギー及びド
ーズ量は、それぞれ３MeV 及び約１×１０13cm-2であ
る。
な他のイオンで得られる。Ｈｅの場合、必要な注入エネ
ルギー及びドーズ量は、夫々８００KeV 及び約１×１０
14cm-2である。Ｏの場合、必要な注入エネルギー及びド
ーズ量は、それぞれ３MeV 及び約１×１０13cm-2であ
る。
【００３３】“イオン注入”という用語は、上のプロセ
スを記述するのに用いると便利である。ほとんどの条件
下で、損傷の中心は実際に注入材料、この例では水素を
含む。 実施されているように、熱アニーリングは注入
された材料の本質的な進展を生じるとは期待されない。
更に、一般に水素を遊離させるのに十分な高温における
アニーリングで、損傷を回復させる。本発明の指針は、
そのような仮想の状態には制限されない。抵抗の増加が
イオン注入によって実現され、好ましい例では抵抗の増
加はアニーリングにより基本的に上部誘電体ミラー付近
の領域において、抑えられることだけが必要である。
スを記述するのに用いると便利である。ほとんどの条件
下で、損傷の中心は実際に注入材料、この例では水素を
含む。 実施されているように、熱アニーリングは注入
された材料の本質的な進展を生じるとは期待されない。
更に、一般に水素を遊離させるのに十分な高温における
アニーリングで、損傷を回復させる。本発明の指針は、
そのような仮想の状態には制限されない。抵抗の増加が
イオン注入によって実現され、好ましい例では抵抗の増
加はアニーリングにより基本的に上部誘電体ミラー付近
の領域において、抑えられることだけが必要である。
【００３４】試料の例では、７５℃の温度において２０
分間アセトン又はフォトレジスト除去剤（例えばベーカ
ーＰＲＳ２０００）に浸すリフトオフにより、図２に描
かれる構造が完成される。基板電極を作成するための具
体的な条件は、本発明の指針に対しては厳密さを必要と
しない。
分間アセトン又はフォトレジスト除去剤（例えばベーカ
ーＰＲＳ２０００）に浸すリフトオフにより、図２に描
かれる構造が完成される。基板電極を作成するための具
体的な条件は、本発明の指針に対しては厳密さを必要と
しない。
【００３５】本発明のレーザが例えばレーザアレイのよ
うな集積回路の一部である場合、個々のレーザを分離す
る必要がある。物理的な分離には、化学エッチングを利
用する。電極がリフトオフで分離される場合、個々のレ
ーザの分離は恐らくＨ3 ＰＯ4 ：Ｈ2 Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏを基
礎としたエッチングを用いて、２．５μm の深さまで湿
式化学エッチングで完了できる。表面から活性領域の深
さまで、適度な一定の損傷を実現するため、ここでは広
いイオンエネルギースペクトルを用いたイオン注入によ
り、平坦性を保持したまま等価な電気的分離が達成され
る。（これはエネルギースペクトルがかなり狭い導電率
分布を生成するのに役立ち、最初のμmの表面領域に対
する影響を最小にしたまま、所望の埋込み層を生成する
値にピークをもつようなイオン注入損傷とは異なる。）
うな集積回路の一部である場合、個々のレーザを分離す
る必要がある。物理的な分離には、化学エッチングを利
用する。電極がリフトオフで分離される場合、個々のレ
ーザの分離は恐らくＨ3 ＰＯ4 ：Ｈ2 Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏを基
礎としたエッチングを用いて、２．５μm の深さまで湿
式化学エッチングで完了できる。表面から活性領域の深
さまで、適度な一定の損傷を実現するため、ここでは広
いイオンエネルギースペクトルを用いたイオン注入によ
り、平坦性を保持したまま等価な電気的分離が達成され
る。（これはエネルギースペクトルがかなり狭い導電率
分布を生成するのに役立ち、最初のμmの表面領域に対
する影響を最小にしたまま、所望の埋込み層を生成する
値にピークをもつようなイオン注入損傷とは異なる。）
【００３６】レーザの最上部を囲む材料の浅いエッチン
グがプロセスを促進する可能性のある条件が存在する。
恐らく１０００オングストローム単位の深さ又はそれ以
下のエッチングは、レーザの配置を促進し、位置合せを
助ける可能性がある。
グがプロセスを促進する可能性のある条件が存在する。
恐らく１０００オングストローム単位の深さ又はそれ以
下のエッチングは、レーザの配置を促進し、位置合せを
助ける可能性がある。
【００３７】図２−図３ 図２は図１の構造を概略的に表す正面図で、最上部電極
２３には開孔２４が形成されており、底部電極は示され
ていない。この図が試料の例を表すという限りにおい
て、たとえば議論を簡単化するという点で、ミラー層の
数を減すことにより、それは簡単化されている。この段
階で構造は本発明の指針に従って注入損傷を受けてお
り、層１５、１８及び１９の一部に描かれている損傷
は、レーザ円柱内の相対的に損傷を受けない活性領域を
囲んでいる。損傷の程度は斜線で描かれており、層１４
中で斜線は最も強く、層１５、１８及び１９を貫き両方
向に減少している。図には示されていないが、活性領域
１３に隣接した層１１及び１２中の注入損傷は、隣接し
た層１８及び１９のそれとほぼ同じ程度である。
２３には開孔２４が形成されており、底部電極は示され
ていない。この図が試料の例を表すという限りにおい
て、たとえば議論を簡単化するという点で、ミラー層の
数を減すことにより、それは簡単化されている。この段
階で構造は本発明の指針に従って注入損傷を受けてお
り、層１５、１８及び１９の一部に描かれている損傷
は、レーザ円柱内の相対的に損傷を受けない活性領域を
囲んでいる。損傷の程度は斜線で描かれており、層１４
中で斜線は最も強く、層１５、１８及び１９を貫き両方
向に減少している。図には示されていないが、活性領域
１３に隣接した層１１及び１２中の注入損傷は、隣接し
た層１８及び１９のそれとほぼ同じ程度である。
【００３８】破線２６はその中でレーザ発振が起る構造
全体の円柱部分（“円柱”）を規定する。この部分、即
ちレーザそれ自身は、より大きな層構造の一部で、層は
一般に連続しており、通常構造を貫き、中断することな
く円柱部分を囲むように延びる。（ただし、上で述べた
ように、円柱の外側の層領域は、選択的にイオン注入損
傷を受けている。）やはり述べたように、レーザを囲む
領域中の浅いエッチングが有用である状況があり、約１
０表面層もの多くの深さまで、この点では不連続である
可能性がある。
全体の円柱部分（“円柱”）を規定する。この部分、即
ちレーザそれ自身は、より大きな層構造の一部で、層は
一般に連続しており、通常構造を貫き、中断することな
く円柱部分を囲むように延びる。（ただし、上で述べた
ように、円柱の外側の層領域は、選択的にイオン注入損
傷を受けている。）やはり述べたように、レーザを囲む
領域中の浅いエッチングが有用である状況があり、約１
０表面層もの多くの深さまで、この点では不連続である
可能性がある。
【００３９】開孔２４が示されている円柱部分は、一般
に断面が円状で、基本的に損傷により物理的に規定さ
れ、それはリフトオフに用いられるレジスト領域により
円柱部分の外側の領域に限定されている。学術的な目的
ではあるが、鋭く印した斜線により損傷を示すのは有用
で、実際の損傷は円柱表面２６において特に幾分傾斜し
ている。これはまた層に対しても正しく、損傷の程度は
急峻さは変えないが、例えば層１４及び１５間では徐々
に変化する。
に断面が円状で、基本的に損傷により物理的に規定さ
れ、それはリフトオフに用いられるレジスト領域により
円柱部分の外側の領域に限定されている。学術的な目的
ではあるが、鋭く印した斜線により損傷を示すのは有用
で、実際の損傷は円柱表面２６において特に幾分傾斜し
ている。これはまた層に対しても正しく、損傷の程度は
急峻さは変えないが、例えば層１４及び１５間では徐々
に変化する。
【００４０】図３は開孔２４を含む電極２３の上面図で
ある。具体的な試料の例では、元素金の電極は、４０×
６０μm であった。オフセット開孔２４とともに、直線
で囲まれた形状については、特別の結果はない。各種の
設計／操作についての考察は、異なる構成を予想する可
能性がある。一般に、（個々の分離されたデバイスの上
部表面に対応する）許された最大面積をもつ対称の電極
構造が好ましい。面積が増加すると電流密度は減少し、
特に上部表面がｐ−ドープミラーである構造中での熱放
散の必要性は小さくなる。
ある。具体的な試料の例では、元素金の電極は、４０×
６０μm であった。オフセット開孔２４とともに、直線
で囲まれた形状については、特別の結果はない。各種の
設計／操作についての考察は、異なる構成を予想する可
能性がある。一般に、（個々の分離されたデバイスの上
部表面に対応する）許された最大面積をもつ対称の電極
構造が好ましい。面積が増加すると電流密度は減少し、
特に上部表面がｐ−ドープミラーである構造中での熱放
散の必要性は小さくなる。
【００４１】これまで作られた試料の例及び他のそのよ
うなデバイスは、利得誘導抵抗分布のみで、誘導という
のは、損傷に従いピーク電流密度のピークに関してであ
った。そのような構造は、光学的には誘導をしていな
い。この考えによれば、レーザ円柱を選択することにな
り、従って開孔の直径は、光学端散乱損失（それはレー
ザ閾値を増す）を最小にするのに十分な大きさになる。
これまで実験的には約５μm の円柱直径は、許容しうる
最小値と考えられてきた。しかし、他の所で述べられて
いるように、最終的に最適化された製作プロセスでは、
より小さな直径が許容される。関連した考察はエッチン
グに関してであり、イオン注入を効果的にマスクするた
めに用いられる比較的厚い（約６μm ）レジストのエッ
チングは、簡単な湿式エッチングにより行った。得られ
る勾配をもった端部は、リフトオフにより生じる電極開
孔中の変化に対応した変化を生じる。例えば三層レジス
トを用いるというように異なるエッチ技術で置きかえる
と、名目上の直径により近い円柱直径を得るための垂直
端部により近い端部が生じる。（例えば、もし名目５μ
m 直径に対し、勾配により約２又は３μm の小さな直径
の開孔が生じるなら、開孔サイズは一様に約２又は３μ
m になり、端部損失が加わると耐えられない。）実験的
には５、１０、１５、２０及び３０μm の開孔が機能し
た。時には比較的大きな電極が必要となるが、より小さ
な開孔が、一般に必要とされ、特に集積回路中では充填
密度を高くするために必要である。
うなデバイスは、利得誘導抵抗分布のみで、誘導という
のは、損傷に従いピーク電流密度のピークに関してであ
った。そのような構造は、光学的には誘導をしていな
い。この考えによれば、レーザ円柱を選択することにな
り、従って開孔の直径は、光学端散乱損失（それはレー
ザ閾値を増す）を最小にするのに十分な大きさになる。
これまで実験的には約５μm の円柱直径は、許容しうる
最小値と考えられてきた。しかし、他の所で述べられて
いるように、最終的に最適化された製作プロセスでは、
より小さな直径が許容される。関連した考察はエッチン
グに関してであり、イオン注入を効果的にマスクするた
めに用いられる比較的厚い（約６μm ）レジストのエッ
チングは、簡単な湿式エッチングにより行った。得られ
る勾配をもった端部は、リフトオフにより生じる電極開
孔中の変化に対応した変化を生じる。例えば三層レジス
トを用いるというように異なるエッチ技術で置きかえる
と、名目上の直径により近い円柱直径を得るための垂直
端部により近い端部が生じる。（例えば、もし名目５μ
m 直径に対し、勾配により約２又は３μm の小さな直径
の開孔が生じるなら、開孔サイズは一様に約２又は３μ
m になり、端部損失が加わると耐えられない。）実験的
には５、１０、１５、２０及び３０μm の開孔が機能し
た。時には比較的大きな電極が必要となるが、より小さ
な開孔が、一般に必要とされ、特に集積回路中では充填
密度を高くするために必要である。
【００４２】図２は動作状態にあるレーザを示し、図示
されていない源から電極２３を通って導入された電流
は、電流路２５を生じ、それはイオン注入損傷から生じ
た導電率分布を流れ、レーザ円柱中の活性利得領域内に
集まる。
されていない源から電極２３を通って導入された電流
は、電流路２５を生じ、それはイオン注入損傷から生じ
た導電率分布を流れ、レーザ円柱中の活性利得領域内に
集まる。
【００４３】図２には示されていないが、シリコン基板
１０の下側にメッキされた金電極がある。試料の例にお
いて、完成したデバイスは、銅プレート上にマウントさ
れた。
１０の下側にメッキされた金電極がある。試料の例にお
いて、完成したデバイスは、銅プレート上にマウントさ
れた。
【００４４】図２は本発明の全てのデバイスに共通な構
造及び動作モードを明確に示している。ある種の条件下
では、例えばモニターの目的の場合に望ましいように、
基板側でのレーザ放射が有用であることがある。そのよ
うなことは、例えば円柱レーザに局所的に対応した位置
の基板を除去するか、或いは条件が許せば貫通して透過
させる（例えば、ＩｎＧａＡｓから成る活性利得材料が
ＧａＡｓ基板の吸収領域より長い波長で放射する場合）
ことにより、当業者は実現できる。
造及び動作モードを明確に示している。ある種の条件下
では、例えばモニターの目的の場合に望ましいように、
基板側でのレーザ放射が有用であることがある。そのよ
うなことは、例えば円柱レーザに局所的に対応した位置
の基板を除去するか、或いは条件が許せば貫通して透過
させる（例えば、ＩｎＧａＡｓから成る活性利得材料が
ＧａＡｓ基板の吸収領域より長い波長で放射する場合）
ことにより、当業者は実現できる。
【００４５】図４ この図に示されたパワー−電流特性は、本発明のＳＥＬ
中で観測された一般的な形である。具体的な値は１０μ
m 径のレーザ円柱（１０μm 径の電極開孔）を有するＣ
Ｗレーザに対応する。具体的なデバイスは、室温で２．
２mAのレーザ閾値を有した。３．６mAまでレーザ光は殆
ど水平に偏光し、基本的なガウス形横モード分布を有し
た。３．６mA以上では、垂直に偏光した光も、ＴＥＭＯ
１モード形の特性で現れ始めた。図４中の３．６mAにお
けるキンクは、垂直偏光をもつ新しい横モードの開始を
示す。５mA以上では、環状のドーナッツ形モードが観測
される。レーザ発振波長は、電流とともに８４５nm（レ
ーザ閾値）から８４７nm（６mA）までレッドシフトを示
した。５．５mAで０．６mWの連続出力パワーが測定さ
れ、室温においてヒートシンクは用いなかった。より高
電流では、出力パワーは図４に示されるように、熱効果
により減少した。微分量子効率は３．６mA以下の電流で
約２０％であり、より高い電流では減少した。
中で観測された一般的な形である。具体的な値は１０μ
m 径のレーザ円柱（１０μm 径の電極開孔）を有するＣ
Ｗレーザに対応する。具体的なデバイスは、室温で２．
２mAのレーザ閾値を有した。３．６mAまでレーザ光は殆
ど水平に偏光し、基本的なガウス形横モード分布を有し
た。３．６mA以上では、垂直に偏光した光も、ＴＥＭＯ
１モード形の特性で現れ始めた。図４中の３．６mAにお
けるキンクは、垂直偏光をもつ新しい横モードの開始を
示す。５mA以上では、環状のドーナッツ形モードが観測
される。レーザ発振波長は、電流とともに８４５nm（レ
ーザ閾値）から８４７nm（６mA）までレッドシフトを示
した。５．５mAで０．６mWの連続出力パワーが測定さ
れ、室温においてヒートシンクは用いなかった。より高
電流では、出力パワーは図４に示されるように、熱効果
により減少した。微分量子効率は３．６mA以下の電流で
約２０％であり、より高い電流では減少した。
【００４６】１％のくり返し周期で、１５０nsパルスを
用いたとき、１０、１５、２０及び３０μm 直径の場合
の閾値は、夫々２．２、３．５、５．６及び１０．２mA
である。対応する量子井戸当りのレーザ閾値密度は、そ
れぞれ７００、５００、４５０及び３６０Ａ／cm2 であ
る。直径が大きくなると、レーザの経験する回折及び拡
散損失は減少し、それによってレーザ閾値電流密度は低
くなる。量子井戸当りのこれらの閾値電流密度は、最低
レーザ閾値電流単一量子井戸端発光レーザのそれより、
僅かに高いだけである。全てのサイズの場合、微分量子
効率は、約２０％である。
用いたとき、１０、１５、２０及び３０μm 直径の場合
の閾値は、夫々２．２、３．５、５．６及び１０．２mA
である。対応する量子井戸当りのレーザ閾値密度は、そ
れぞれ７００、５００、４５０及び３６０Ａ／cm2 であ
る。直径が大きくなると、レーザの経験する回折及び拡
散損失は減少し、それによってレーザ閾値電流密度は低
くなる。量子井戸当りのこれらの閾値電流密度は、最低
レーザ閾値電流単一量子井戸端発光レーザのそれより、
僅かに高いだけである。全てのサイズの場合、微分量子
効率は、約２０％である。
【００４７】本発明のレーザについて、主として個別デ
バイスを例に述べるのが便利であった。先に述べたよう
に、本発明が著しく進展すると確信されるのは、各種の
集積の形においてである。そのような“集積回路”の最
も簡単なものは、必要なバイアス回路を伴った単一ＳＥ
Ｌで構成される。より複雑な回路は、例えばレーザアレ
イのようなすべて光学的なもの又は光電子集積回路の形
をとってよい。
バイスを例に述べるのが便利であった。先に述べたよう
に、本発明が著しく進展すると確信されるのは、各種の
集積の形においてである。そのような“集積回路”の最
も簡単なものは、必要なバイアス回路を伴った単一ＳＥ
Ｌで構成される。より複雑な回路は、例えばレーザアレ
イのようなすべて光学的なもの又は光電子集積回路の形
をとってよい。
【００４８】本発明の指針は、上で述べた注入損傷導入
分布に関してである。便宜上、指針について一般的にＧ
ａＡｓを基本とした活性利得材料を用いた比較的簡単な
デバイスを例に述べた。指針は多くの変形、あるものは
既知であり、あるものはこれから出現するものに対し
て、適用される。レーザ放射波長の柔軟性は、他の材料
の使用により得られる。例えば、ジー・ピー・アグラウ
ォル(G.P.Agrawal) 及びエヌ・ケイ・ドゥタ(N.K.Dutt
a) による“長波長半導体レーザ”、ファン・ノストラ
ンド、ノインホルド、Ｎ．Ｙ．（１９８６）ＩＳＢＮ＃
０−４４２−２−０９９５−９及びディー・ケイ・フェ
リー(D.K.Ferry) 編“ＧａＡｓ技術”、エイチ・ダヴリ
ュ・サム社、インディアナポリス、インジアナ（１９８
５）ＩＳＢＮ＃０−６７２−２２３７５−９を参照のこ
と。これらの文献は三元及び多元の化合物とともに、多
数の化合物半導体即ちIII −Ｖ及びII−VIについて述べ
ている。柔軟性は更に、例えば波数を増すか減すため、
非線形要素を用いることにより、与えられる。
分布に関してである。便宜上、指針について一般的にＧ
ａＡｓを基本とした活性利得材料を用いた比較的簡単な
デバイスを例に述べた。指針は多くの変形、あるものは
既知であり、あるものはこれから出現するものに対し
て、適用される。レーザ放射波長の柔軟性は、他の材料
の使用により得られる。例えば、ジー・ピー・アグラウ
ォル(G.P.Agrawal) 及びエヌ・ケイ・ドゥタ(N.K.Dutt
a) による“長波長半導体レーザ”、ファン・ノストラ
ンド、ノインホルド、Ｎ．Ｙ．（１９８６）ＩＳＢＮ＃
０−４４２−２−０９９５−９及びディー・ケイ・フェ
リー(D.K.Ferry) 編“ＧａＡｓ技術”、エイチ・ダヴリ
ュ・サム社、インディアナポリス、インジアナ（１９８
５）ＩＳＢＮ＃０−６７２−２２３７５−９を参照のこ
と。これらの文献は三元及び多元の化合物とともに、多
数の化合物半導体即ちIII −Ｖ及びII−VIについて述べ
ている。柔軟性は更に、例えば波数を増すか減すため、
非線形要素を用いることにより、与えられる。
【図１】本発明により考えられた基板及び層構造の例を
描く概略立面図である。
描く概略立面図である。
【図２】考える図１の構造の動作デバイスを描く概略立
面図である。
面図である。
【図３】図２のデバイス上で用いられる典型的な開孔の
ある電極の平面図である。
ある電極の平面図である。
【図４】出力パワーとポンピング電流を軸に、本発明の
レーザの典型的なレーザ閾値及びレーザ特性を示す図で
ある。
レーザの典型的なレーザ閾値及びレーザ特性を示す図で
ある。
１０ 基板、基板層、シリコン基板 １１ 層、ミラー層 １２ 層 １３ 活性領域、領域 １４ 活性利得領域 １５ スペーサ層、スペーサ領域、層 １６ ＧａＡｓ層 １７ 障壁層 １８ ミラー層、誘電体、層 １９ Ａｌ.15 Ｇａ.85 Ａｓ層、誘電体、層 ２０ 一周期 ２１ 層 ２２ 層 ２３ 最上部電極、電極 ２４ 開孔 ２５ 電流路 ２６ 破線、円柱表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨン エッチ．リー アメリカ合衆国 07748 ニュージャー シィ，ミドルタウン，クノールウッド ドライヴ 106 (72)発明者 ベンジャミン テル アメリカ合衆国 07747 ニュージャー シィ，マタワン，インフィールド レー ン 36 (56)参考文献 特開 昭56−48192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−86784（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−65184（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−27782（ＪＰ，Ａ) Ｓ．Ｍ．ＳＺＥ著「半導体デバイス」 産業図書、1987年 第10章 10．４, 10．５
Claims (15)
- 【請求項１】 少なくとも１つの電気的にポンピングさ
れる垂直な空胴の面発光レーザが含まれ、前記レーザは
基本的に半導体材料で構成されたより大きな層構造の円
柱部分であり、前記構造の層の実質的に全てが前記円柱
部分を貫いて連続であり、前記構造はこの順で基板、第
１の多層誘電体ミラー、活性利得材料の少なくとも１つ
の層を含む活性領域及び第２の多層誘電体ミラーを含
み、前記誘電体ミラーは各々その反射率をレーザー放射
の波長に対し異なる屈折率を有する複数の対のミラー層
の含有物に依存し、前記ミラーはそのようなミラー領域
の１つがｐ形にドープされ、他方がｎ形にドープされる
ように主な不純物がドープされ、前記レーザにはレーザ
発振を実現するための活性利得材料を電気的にポンピン
グするためのポンピング手段が備わっており、前記手段
は前記第２の多層誘電体ミラーと電気的に接触した電極
を含み、前記電極にはそれを通してレーザ放射が可能な
開孔が形成されている装置において、 前記より大きな層構造は、前記電極中に導入された電流
が、最初前記円柱部分を取り巻き、中には入らず、続い
て前記円柱部分上に進入し、それによってそのような電
流の主要部分がレーザ発振を達成するため前記部分の前
記活性利得領域を貫いて流れるような電流路に従うよう
にする導電率分布を有し、それによってレーザ放射は前
記開孔を通過し、前記電流路は、実質的な程度において
増加した電気抵抗をもたらす埋込領域を形成した結果、
活性利得領域の付近又は僅かに上に電気抵抗が最大とな
るようにくびれを有するウエスト状分布を形成し、前記
領域は前記円柱部分を囲み前記より大きな層構造の内部
に提供され、前記増加した電気抵抗はイオン注入損傷の
結果であることを特徴とする装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の装置において、前記活
性利得材料が、本質的に化合物半導体から成る装置。 - 【請求項３】 請求項１に記載の装置において、活性利
得材料の前記少なくとも１つの層が、量子井戸である装
置。 - 【請求項４】 請求項１に記載の装置において、活性利
得材料の前記少なくとも１つの層が、スペーサ材料の層
にはさまれ、前記スペーサ材料はレーザ発振という点に
おいて非利得材料である装置。 - 【請求項５】 請求項１に記載の装置において、抵抗
が、前記埋込み領域のピーク抵抗における最大値から、
前記電極近くの第２の層状誘電体ミラーの領域内のより
小さな値まで、少なくとも１桁減少する勾配をもつ装
置。 - 【請求項６】 請求項５に記載の装置において、イオン
注入損傷が、注入損傷の程度とほぼ同じ濃度で水素を含
むということで示される水素イオン注入損傷から本質的
に成る装置。 - 【請求項７】 請求項１に記載の装置において、導電性
ドーピングが、前記より大きな層構造の層内で実質的に
均一である装置。 - 【請求項８】 請求項７に記載の装置において、ドーピ
ングが、前記より大きな層構造の層に垂直な方向に勾配
をもち、少なくとも前記電極に最も近いミラー層が前記
活性領域を囲むミラー層より高濃度にドープされる装
置。 - 【請求項９】 請求項８に記載の装置において、前記電
極に最も近いミラー層が、デバイスに明らかな悪影響を
及ぼさない許容される最大値程度までドープされる装
置。 - 【請求項１０】 請求項１に記載の装置において、前記
活性利得材料が、本質的にＧａＡｓから成る装置。 - 【請求項１１】 請求項１に記載の装置において、前記
活性利得材料が、本質的にＩｎＸ Ｇａｌ−Ｘ Ａｓか
ら成る装置。 - 【請求項１２】 請求項１に記載の装置において、前記
活性利得材料が、本質的にＡｌＸ Ｇａｌ−Ｘ Ａｓか
ら成る装置。 - 【請求項１３】 少なくとも１個の電気的にポンピング
される垂直空胴面発光レーザを含む装置の製造方法であ
って、 本質的に半導体材料から成る複数の層を含む構造を、基
板上にエピタキシャル成長させることを含み、前記層の
形成はこの順で、第１の多層誘電体ミラー、活性成長材
料の少なくとも１つの層を含む活性領域及び第２の多層
誘電体ミラーの成長を含み、前記ミラーは主な導電性不
純物が相対してドープされたものであり、前記構造は実
質的に全ての成長層で前記レーザより大きいものにおい
て、前記構造の前記レーザーを囲む部分にイオンを打ち
込み、埋込イオン注入損傷領域を形成するものであっ
て、前記イオン打ち込みは最終成長層で最低のイオン損
傷を生 じ、活性領域の付近又は僅かに上で最大の損傷を
生じるような加速エネルギーで行われ、その損傷分布
は、最終の成長層におけるレーザーの周囲からの電流の
導入が活性領域を貫く基本電流路を形成してレーザー発
振を起こさせるような抵抗分布を形成することを特徴と
する方法。 - 【請求項１４】 請求項１３に記載の製作方法におい
て、前記レーザの上部層が、前記レーザ内のイオン注入
損傷を減らすようパターン形成されたレジストを含む材
料によりマスクされる製作方法。 - 【請求項１５】 請求項１４に記載の製作方法におい
て、前記パターン形成されたレジストが、打込中電極材
料の連続した層により被覆され、パターン形成されたレ
ジスト上の電極材料が打込に続いてリフトオフにより除
去される製作方法。
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