JP3375608B2 - 共通基板に設けた単一レーザー要素を備える垂直空洞表面放出型レーザー - Google Patents

共通基板に設けた単一レーザー要素を備える垂直空洞表面放出型レーザー

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は共通基板に設けた複
数の垂直空洞表面放出型レーザー（ＶＣＳＥＬ）要素を
備え、各ＶＣＳＥＬ要素は所定波長で第１反射率を有す
る第１ミラー手段と第２反射率を有する第２ミラー手段
を備えて前記波長用の光共振器と前記第１と第２ミラー
手段の間に配設されたレーザー活性領域とを形成するＶ
ＣＳＥＬデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザーデバイスは多くの産業上
の応用において着実に重要度が増してきている。特にガ
ス分光学、レーザー光と光ファイバの結合、高い通信速
度が求められる通信システムの分野では、スペクトル純
度が高い、すなわち縦・横方向に単一モードの出力発光
を有する半導体レーザーデバイスが極めて望ましい。特
に、垂直空洞表面放出レーザー（ＶＣＳＥＬ）は目覚し
い発展を示しているが、このようなレーザーデバイスを
多数単一半導体基板上に製造可能となったことで効率が
高く、電力消費が低くて製造コストの安いレーザーデバ
イスが提供されるからである。レーザー活性領域（数百
ナノメートル）の縦方向範囲が小さいので、こうしたレ
ーザーデバイスは本質的に単一縦方向モードでレーザー
発振する。しかし、単一デバイスから高出力が求められ
る場合、このデバイスの横方向範囲を増大する必要があ
り、これによりレーザー出力のスペクトル純度が減少す
るが、ビーム品質が多数の横方向発光モードの競合によ
って損なわれるからである。従って、ＶＣＳＥＬから可
能な最大単一モード出力は制限されるが（現在得られる
最大値は４．８ｍＷ）、ＶＣＳＥＬの大きさを小さくし
たまま発光を単一基本横方向モードに制限する必要があ
るからである。
【０００３】レーザー印刷、材料処理、あるいは光学的
ポンピング等様々な応用に望ましい明確な単一横方向モ
ードを維持しつつ出力増大を達成するため、近年いわゆ
る「位相結合アレイ」が開発・研究されてきた。こうし
た位相結合アレイにおいては、普通、横方向に大きく伸
長したＶＣＳＥＬの上部あるいは底部は通常金属から形
成されるグリッド状構造によって複数のレーザー要素に
分割される。近接レーザー要素を離隔するグリッドバー
の厚さは、近接要素の電界が互いに結合し得るように選
択される。一般に、上部・底部分布ブラッグレフレクタ
およびレーザー活性領域が全単一レーザー要素に共通に
具備され、グリッドバーによって電流が共通活性領域に
供給されるので、レーザー要素はもはや個別にアドレス
指定することができない。従って、位相結合アレイを、
コヒーレントなスーパーモードで放出する横方向に大き
いＶＣＳＥＬデバイスと見なすこともできるが、ここで
電界ノードはＶＣＳＥＬの上部あるいは底部でグリッド
構造によって画成される。
【０００４】１９９０年初頭に位相結合アレイが初めて
実地説明され、最近の動向では、「応用物理学通信」第
６１巻、１１６０(１９９２年)に開示されているよう
に、例えば８ｘ８アレイで５００ｍＷ以上の単一モード
ピーク出力を有するパルス動作で極めて将来性のある挙
動を示している。
【０００５】ＶＣＳＥＬに位相結合アレイを具備するた
め、従来技術において様々な可能性が試みられてきた。
【０００６】ＩＥＥＥ「量子エレクトロニクスジャーナ
ル」第２６巻第１１号（１９９０年１１月）では、低反
射率の空洞画成区域内に金属グリッドを有する位相結合
アレイについて述べられている。続いて、金属グリッド
形成後誘電体ミラーが堆積されるが、この誘電体はレー
ザーデバイスの出結合ミラーとして機能する。しかし、
この製造技術は極めて複雑であって、動作中デバイスは
最低水準といくつかの高水準モードの混交を示すので、
このアプローチは極めて将来性があるとは思えない。
【０００７】「光学通信」第１８巻第５号（１９９３年
３月１日）では、２つの半導体分布ブラッグレフレクタ
を含む、完成ＶＣＳＥＬ構造の上部に適用された金属グ
リッドを有するＶＣＳＥＬについて述べられている。し
かし、金属グリッド単体で生ずる反射率変化が小さす
ぎ、ＣＷ動作の場合最高水準横方向モードが安定しな
い。
【０００８】「応用物理学通信」第６０巻、１５３５
（１９９２年）では、半導体底部ミラーとハイブリッド
半導体／金上部ミラーを有する底部放出ＶＣＳＥＬ構造
について述べられている。上部ミラーの反射率は異なる
２つの金属被覆によって微調整され、高反射性の金がレ
ーザー要素に堆積される一方、低反射性のＴｉＡｕある
いはＣｒ／Ａｕが個々のレーザー要素を画成するグリッ
ドに用いられる。光は上部金属を通って漏れ出ることが
ないので、この技術は底部エミッタにのみ好適である。
【０００９】「応用物理学通信」第５８巻、８９０（１
９９１年）では、グリッドが上部分布ブラッグレフレク
タにエッチングされるＶＣＳＥＬが開示されている。こ
の技術によれば、電流注入が不可能であり、従ってデバ
イスを光学的ポンピングにより作動させることしかでき
ない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は所定の単一横方向発光モードで高出力を有するＶＣＳ
ＥＬデバイスを提供し、それによって前記従来技術の欠
点を回避することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、共通基
板に設けた複数のＶＣＳＥＬ要素を備え、各ＶＣＳＥＬ
要素は第１ミラー手段と第２ミラー手段を備え、各々所
定波長で既定反射率を有するとともに前記波長の光共振
器と、前記第１、第２ミラー手段の間に配設されたレー
ザー活性領域と、前記第１ミラー手段の全面に設けられ
たグリッド層とを形成し、前記グリッド層はそれぞれＶ
ＣＳＥＬ要素に対応する複数の開口部を有する垂直空洞
表面放出型レーザーデバイスであって、前記ＶＣＳＥＬ
デバイスは所定厚を有するコンタクト層を備え、前記コ
ンタクト層は前記各第１ミラー手段と前記グリッド層の
間に置かれ、前記コンタクト層の光学的厚さおよび前記
グリッド層の反射率と吸収は、前記グリッド層に依存す
るとともにグリッドによって覆われる区域とグリッド開
口部に対応する区域で異なる各第１ミラー手段の有効反
射率を与えるように選択されることを特徴とする。
【００１２】本発明によれば、グリッド層構造と組み合
わせてコンタクト層を用いること、すなわち幾何学的構
造とその組成・厚さが、第１ミラー手段の大幅な反射率
変化を与える簡単な手段を提供する。ＶＣＳＥＬデバイ
スの横方向寸法に沿って反射率が変化するため、それに
応じて空洞内の損失が変化し、従って単一横方向発光モ
ードが十分安定する。従って、本発明のＶＣＳＥＬデバ
イスによって、パルスモードでのみ動作すると述べた従
来技術のデバイスとは逆に、一定電流・持続波（ＣＷ）
での動作が可能となり、これにより単一横方向発光モー
ドを示す連続出力が高くなる。
【００１３】前記第１、第２ミラー手段は前記ＶＣＳＥ
Ｌ要素のすべてに共通なブラッグレフレクタとして具備
されるのが好ましい。この措置によって、高密度のＶＣ
ＳＥＬ要素が具備可能であり、同時に、こうしたデバイ
スの製造工程が著しく簡単になる。さらに、こうしたデ
バイスの製造は選択酸化、メサエッチング、陽子注入等
の標準的製造方法と両立し得る。
【００１４】前記コンタクト層の厚さは、前記グリッド
開口部に対応する領域と比較して、前記第１ミラー手段
の反射率がグリッドによって覆われる領域で減少するよ
うに調節されると有利である。それに応じて設けられた
コンタクト層およびグリッド層によって反射率、従って
グリッドで覆われた部分に対応する領域での共振器の損
失が比較的小さく、これらの部分で強度が最低である横
方向発光モードが著しく安定し、他の横方向発光モード
は大幅に抑制されるようになる。
【００１５】好適な実施例において、前記コンタクト層
の厚さは、第１ミラー手段およびグリッド層の一定組成
に対して前記グリッド層によって覆われる前記領域の反
射率を最小とするように調節される。
【００１６】この措置によって、横方向反射率コントラ
ストは最大値に達し、従って不要横方向発光モードの抑
制は最大となる。
【００１７】前記グリッド層は１つ以上の層を備え、各
層は所定屈折率、所定吸収率、所定厚を有する材料から
成るのが好ましい。
【００１８】前記グリッド層によって覆われない前記領
域は前記波長の発光の発光放出ウィンドウを形成すると
有利である。このように、グリッド層の開口部を介して
発光が出力され、グリッド層のバーがさらに光学的アパ
ーチャとして機能する。
【００１９】前記各発光放出ウィンドウの延長部が対応
するＶＣＳＥＬ要素に対して、前記発光の基本横方向発
光モードを実質的に選択するように設けられるのが好ま
しい。これによってＶＣＳＥＬデバイス全体が最高水準
横方向発光モード（スーパーモード）で放出する装置と
なる。
【００２０】前記コンタクト層とグリッド層の光学特性
を含む前記第１、第２ミラー手段の絶対反射率は誘導放
出の発生に必要な反射率を最小とするように選択される
と有利である。よって、一定電流が活性領域に供給され
ると直ちにＶＣＳＥＬデバイスがレーザービームを放出
するようになる。
【００２１】前記グリッド層は少なくとも１つの金属層
を備えるのが好ましい。これによって同時にグリッド層
を電荷キャリアを活性領域に注入する電極として用いる
ことができる。
【００２２】補助誘電体ミラーが前記第１ミラー手段の
上に具備され、共振器の全反射率をさらに増大させると
有利である。
【００２３】グリッドによって覆われた区域の前記反射
率はグリッド開口部に対応する前記区域の反射率に比較
して少なくとも３パーセントだけ減少されるのが好まし
い。
【００２４】好適な実施例において、前記グリッド層は
正方形あるいは長方形のラスタである。こうした装置で
は、各ピクセルは当然１８０°位相のずれた最近接ピク
セルと結合可能であり、デバイスの最高水準スーパーモ
ードでの放出につながる。
【００２５】前記グリッド層のバー幅は１０μｍ以下、
好ましくは５μｍ以下(通常１μｍ)であると有利であ
る。近接した発光放出ウィンドウを離隔する、それに応
じて設けられる前記グリッド層のバー幅によって、対応
する近接ＶＣＳＥＬ要素の電界が互いに十分結合可能と
なり、単一横方向発光スーパーモードが維持される。し
かし、より薄肉のバーでは、近接ＶＣＳＥＬ間の結合が
強くなるばかりでなくバーの区域有効範囲が小さくな
り、これによりデバイスからの光の結合がより効率的と
なる。
【００２６】前記ＶＣＳＥＬ要素の各発光放出ウィンド
ウの最大水平寸法は２μｍ〜１０μｍの範囲であるのが
好ましい。こうした寸法によって、各ＶＣＳＥＬ要素の
基本モードが効率的に選択される。
【００２７】好適な実施例において、前記グリッド層は
ハチの巣形ラスタであり、また第１、第２ミラー手段間
に形成されるとともに電気抵抗の高い前記ハチの巣形ラ
スタの開口部に対応する少なくとも１つの領域を有する
抵抗層が具備され、前記少なくとも１つの高抵抗領域は
電気抵抗が低い６つの最近接領域を有する。
【００２８】最高水準スーパーモードは１８０°の位相
差で発光を放出するのに２つの近接ＶＣＳＥＬ要素を必
要とするので、ハチの巣形ラスタ中の６つの囲繞要素の
中心の各ＶＣＳＥＬ要素はこの要件を満たさない。少な
くとも中心要素区域を覆う前記抵抗層を具備することに
よって、活性領域を貫流する電荷キャリアは電気抵抗の
低い隣接ＶＣＳＥＬ要素内に集中させられる。従って、
正味電流は同一レベルにとどまるが、前記中心要素に隣
接するＶＣＳＥＬ要素の活性領域の電荷キャリア密度は
増大し、これによりこうした活性領域の変換効率が増大
する。
【００２９】前記高抵抗領域は露出部を備え、該露出部
で前記活性領域とブラッグミラーの少なくとも上に重な
る層は垂直開口部を有するのが好ましい。この垂直開口
部によって、アルミ含有量の高い埋設層の選択酸化によ
り高抵抗領域を容易に製造可能である。
【００３０】更なる好適な実施例において、グリッド整
合抵抗層が前記第１ミラー手段と前記レーザー活性領域
の間に具備され、前記グリッド整合抵抗層は少なくとも
前記グリッド層によって覆われた領域に対応する領域で
電気抵抗が高い。グリッド整合抵抗層の幾何学的構造が
前記グリッド層と整合するので、反射率が高い、よって
光学的ゲインがさらに向上した領域で電荷キャリア密度
を増大させることができる。
【００３１】以下図面を参照して本発明をより詳細に説
明する。
【００３２】
【発明の実施の形態】図１は本発明によるＶＣＳＥＬデ
バイスの実施例の概略横断面図を示す。図１において、
基板層７の底部は金属層９によって覆われている。基板
層７全体にレーザー活性領域１が形成される。活性領域
１は基板層７全体に形成される第２ミラー手段５と第１
ミラー手段３の間に配設される。第１、第２ミラー手段
３、５は交互に高屈折率と低屈折率を有する別個の層を
備える。この例では、厚さ６８ｎｍのＧａＡｓと厚さ８
０ｎｍのＡｌ0.9Ｇａ0.1の交互層を用いて出力波長９６
０ｎｍの共振器を形成するが、別の材料組成も好適であ
る。第１ミラー手段３の上にコンタクト層２が形成され
る。コンタクト層の上に複数の開口部６を有するグリッ
ド層４が形成される。コンタクト層２の厚さは第１ミラ
ー手段３の所要反射率変化が得られるように選択される
が、開口部６を有するグリッド層４の光学的特性が考慮
される。この実施例において、発光の光学的閉じ込めは
まず第１ミラー手段３を含むメサを形成することによっ
て、次にメサ形成中に高Ａｌ含有量層の周辺部の選択酸
化によって形成される抵抗層１１によって達成され、こ
れにより抵抗層１１中に電気絶縁部を与える。
【００３３】動作中、それぞれ厚さ１０ｎｍ、１０ｎ
ｍ、１０ｎｍ、７０ｎｍのＰｔ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕから
形成された多数の層を備えるグリッド層４および金属層
９を介して活性領域１に電流が供給され、活性領域１の
ｐ−ｎ接合の反転分布を生成する。グリッド層４の組成
およびコンタクト層２の厚さはグリッド層４の開口部６
の下で反射率が高くなるように選択され、これは誘導発
光の発光放出ウィンドウとして機能する。グリッド層４
によって覆われている領域の下では反射率が大幅に減少
し、従ってこうした領域の損失が増大し、開口部６の真
下で強度が最大となる横方向発光モードが安定する。図
１の曲線８は対応する横方向発光モードの強度変化を略
示する。
【００３４】図２において、第１ミラー手段３、コンタ
クト層２、グリッド層４の組合わせの反射率を示すグラ
フを示す。図２中ミラー手段３の相対反射率は、この例
ではＧａＡｓから形成されるコンタクト層２の厚さに対
してプロットされている。図２の実線はグリッド層４の
開口部６の下の反射率を指すが、コンタクト層２から大
気までのインターフェースは全反射率に寄与する。この
曲線から分かるように、最大反射率はl９０ｎｍの適正
厚で約９９．４％である。最低反射率は約１３７ｎｍで
得られ、約９５．７％である。図２の点線はＰｔ、Ｔ
ｉ、Ｐｔ、Ａｕから成るグリッド層４によって覆われて
いる部分の真下の反射率を表す。この曲線から分かるよ
うに、最低反射率は厚さ１８１ｎｍに位置し、約９６％
である。図２に示したように、選択厚のコンタクト層の
両反射率間の差をそれぞれ決定可能である。この例で
は、グリッド層の真下の反射率が最低となる厚さで３．
５％の差が得られている。さらに、図２中約２０３．７
ｎｍでの垂直の点線は、従来のＶＣＳＥＬデバイスにお
いて用いてよい対応キャップ層の３／４の波長厚を表
す。この図に示したように、対応反射率の差は０．７％
であり、よって、本発明によるデバイスのそれより著し
く低い。図２の結果は出力波長９６０ｎｍのＶＣＳＥＬ
構造について実施された計算によって決定されている。
本例の模擬上部分布ブラッグレフレクタはＧａＡｓ（６
７．９ｎｍ）とＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ（７９．８ｎｍ）の
２１対の交互λ／４層で構成される。一番上のＧａＡｓ
層（コンタクト層）の厚さは計算では変化したので、グ
リッド層の下の反射率が最も効果的に抑制される最終的
な層厚を見出すようにした。反射率の抑制は分布ブラッ
グレフレクタからの反射波の位相不整合およびコンタク
ト層とグリッド層間のインターフェースに起因する。計
算では、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの厚さはそれぞれ１０
ｎｍ、１０ｎｍ、１０ｎｍ、７０ｎｍである。
【００３５】なお、図２では、反射率の最大差を与える
コンタクト層２の厚さが選択された。しかし、コンタク
ト層２の厚さを最低反射率を巡る一定範囲内で選択し、
所要反射率コントラストを得てもよい。多くの応用例で
は、最低±２０ｎｍ以内のコンタクト層２の厚さが好適
であろう。さらに、この例では、上記パラメータを用い
て計算を行ったが、他のパラメータや他の材料を設計要
件に応じて選択してもよい。
【００３６】上部ミラーの横方向パターン形成によっ
て、他のモードの空洞損失を増大させることにより単一
横方向スーパーモードが選択可能となる。これは次の説
明から理解される。大面積ＶＣＳＥＬでは、多くの可能
な横方向モードは各々次のモード閾値条件を満たす必要
がある。
【数１】 ここでГは発光フィールドの閉じ込め係数（発光フィー
ルドとゲイン領域のオーバーラップ）、 はｌｍモードの閾値ゲイン、αは波長依存損失係数、Ｌ
は空洞長、Ｒはｌｍ（ｌ、ｍはモード指数）モードの場
合の底部ミラーの反射率ｘ上部ミラーの反射率である。
全モードについて、Γ、ｌ、αが変化しない場合、各モ
ードの閾値ゲインはモード反射率Ｒに直接関係する。本
発明によるコンタクト層およびグリッド層が具備されな
い場合、モード反射率はすべて同一であり、強いモード
競合（マルチモード放出）が見られる。ミラーの少なく
とも１つが横方向に変化する反射率を有する場合、モー
ド反射率は次の式を用いて計算可能である。
【数２】 ここでＩlm（ｘ、ｙ）は位置（ｘ、ｙ）でのｌｍモード
の正規化発光フィールド強度である。横方向に変化する
反射率を有するミラーを用いると、このオーバーラップ
積分は別の横方向モードと実質的に相違する。特に、Ｒ
（ｘ、ｙ）がグリッド、例えば正方形グリッド、によっ
て覆われた領域で大幅に減少する場合、グリッド有効範
囲と一致する位置で強度が最小であるモードを除くすべ
てのモードがモード反射率の低下を受ける。従って、グ
リッド上強度が最小のモードは「位相結合アレイモー
ド」あるいはスーパーモードであり、隣接ＶＣＳＥＬ要
素に対して１８０°位相ずれした状態でレーザー発振す
る。
【００３７】その結果、厚さが適正なコンタクト層を用
いることによって、不要モードの損失を大幅に増大可能
となり、従ってモード競合を抑制してスーパーモードを
安定させる。
【００３８】図３ａ〜３ｅにグリッド層４の各種幾何学
的構造を示す。図３ａには正方形グリッドが示され、図
３ａ中に黒線で示したグリッドのバー幅はおよそ１μｍ
であり、発光放出ウィンドウに相当するグリッド開口部
の寸法は４μｍである。上記正方形グリッドを有するＶ
ＣＳＥＬの遠フィールドビームは４つのビームスポット
を備える。
【００３９】図３ｂはハチの巣形構造を示し、開口部は
３角形格子上にある。この構造を有するＶＣＳＥＬデバ
イスは６つの遠フィールドビームスポットを示す。
【００４０】図３ｃ、３ｄはそれぞれ長方形位相結合ア
レイおよび菱形位相結合アレイを示し、傾斜角が一定値
を越えると、菱形アレイ中の近接ＶＣＳＥＬ要素の電界
は減結合される。
【００４１】図３ｅは分割バーを有する同心円を含む別
の装置を示し、横方向アレイモードは安定しないが、円
形ＶＣＳＥＬの半径方向対称モードは好適である。
【００４２】図４ａ〜４ｄを参照して、図３ｄに示した
ハチの巣形構造による本発明の更なる実施例について説
明する。
【００４３】図４ａはハチの巣形構造の位相条件を示
し、上述のように、近接ＶＣＳＥＬ要素間の位相ずれは
１８０°である。これは図４ａにおいて位相ずれがない
場合「０」によって、位相ずれが１８０°の場合「π」
によって示してある。しかし、図４ａから分かるよう
に、「π」要素と「０」要素の両方に近接するＶＣＳＥ
Ｌ要素がある。従って、図４ａ中に白色区域として示し
たこれらの要素は、隣接ＶＣＳＥＬ要素との所定位相関
係ではレーザー発振することがないが、異なる位相、す
なわち０°と１８０°の両方、の近接電界にどう応答す
るか「分からない」からである。
【００４４】図４ｂは図４ａに示した幾何学的構造の概
略平面図である。ここで、ＶＣＳＥＬ要素は符号１１４
で示されているが、交互に１８０°の位相差を有する近
接ＶＣＳＥＬ要素１１３の位相が異なるので横方向スー
パーモードに入れない。レーザー発振しないＶＣＳＥＬ
要素１１４の中心には、垂直開口部１１２が例えば適当
なエッチング処理によって形成される。開口部１１２は
Ａｌ含有量の高い一定層を越えて伸長し、上部ミラーを
含むメサがエッチングされる際実施されるのと同様の選
択酸化処理を実施するのが好ましい。開口部１１２の形
成は６つの最近接ＶＣＳＥＬ要素１１４に悪影響を与え
ない。
【００４５】図４ｃは図４ｂに示した構造の概略平面図
であり、実施されたエッチング処理と酸化の結果を示
す。選択酸化処理によって、アルミ含有量の高い前記特
定層中に含まれるアルミはＡｌ2Ｏ3に酸化され、比較的
電気抵抗の高い抵抗層１０４を形成する。抵抗層１０４
の水平延長部、すなわち図４ｃにおいて抵抗層１０４の
半径、は初期アルミ含有量およびエッチング処理と酸化
のパラメータに依存する。さらに、抵抗層１０４は補助
的な光学的閉じ込めを提供する場合もある。
【００４６】図４ｄは図４ｃのＩＶｄ線に沿った概略横
断面図である。図４ｄにおいて、活性領域１０７は底部
ブラッグレフレクタ１０６と上部ブラッグレフレクタ１
０５の間に挟装される。上部ブラッグレフレクタ１０５
の上にコンタクト層１１１が具備され、コンタクト層は
部分的にグリッド層１０８によって覆われる。グリッド
層１０８の組成と厚さおよびコンタクト層１１１の厚さ
は、上述のグリッド層１０８の下の領域で上部ブラッグ
レフレクタ１０５の反射率が最低となるように選択され
る。電気抵抗の高い抵抗層１０４があるので、電荷キャ
リア１１０の流れは偏向され、レーザ−発振するＶＣＳ
ＥＬ要素１１４に属する活性領域１０７の部分を通る電
流が増大する。この結果光学的ゲインが増加し、ＶＣＳ
ＥＬデバイスの効率が向上するとともに活性領域１０７
の発熱が著しく減少する。
【００４７】図５を参照して、更なる好適な実施例につ
いて説明する。図５は図１に示したのと同様のＶＣＳＥ
Ｌデバイスの概略横断面図であり、ＶＣＳＥＬデバイス
において同一部分は同一符号で示すが２００だけ増す。
これらの部分の記述・説明は省略する。両実施例間の相
違は、図５の実施例が補助的な抵抗区域２１０を有する
グリッド整合抵抗層２１１を備えることである。抵抗区
域２１０はグリッド層２０４の構造と一致するように設
けられる。グリッド整合抵抗層２１１は選択酸化あるい
はその他好適な堆積および当該技術で公知のパターン形
成処理によって形成してよい。抵抗区域２１０は高い電
気抵抗を示すので、活性領域２０１を通る電荷キャリア
の電流は偏向され、グリッド開口部２０６に対応する活
性領域２０１の該部分に集中する。高反射率の領域では
高い電流が求められるので、こうした領域での電流集中
は、変換効率を増大させ、活性領域２０１の非寄与部分
を通る電流によって生ずるデバイスの損失を減少させる
ことによって、レーザーデバイスのゲインを大幅に向上
させる。
【００４８】本発明をＶＣＳＥＬデバイスがメサを備
え、上部ブラッグレフレクタを介してレーザービームを
放出する好適な実施例を参照して説明した。しかし、上
述のフィ−チャーを有するコンタクト層およびグリッド
層は、選択酸化ＶＣＳＥＬ、単純メサエッチングＶＣＳ
ＥＬ、プロトン注入ＶＣＳＥＬ、底部放出ＶＣＳＥＬ等
任意のＶＣＳＥＬデバイスに組み込んでよい。さらに、
本発明はミラーの反射率を高める任意の更なるフィーチ
ャーと有利に組合わせてもよい。これは例えば、底部エ
ミッタの場合ＶＣＳＥＬ要素の上面にＡｕを堆積するこ
とによって、あるいは上部エミッタの場合グリッド層上
の補助的な誘電体ミラー対によって達成してよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の概略横断面図である。
【図２】コンタクト層の厚さに対するコンタクト層単体
（実線）、さらに金属層から成るグリッド層（破線）で
覆われたブラッグミラーの反射率を示すグラフである。
【図３ａ】グリッド層の各種幾何学的構造を略示してい
る。
【図３ｂ】グリッド層の各種幾何学的構造を略示してい
る。
【図３ｃ】グリッド層の各種幾何学的構造を略示してい
る。
【図３ｄ】グリッド層の各種幾何学的構造を略示してい
る。
【図３ｅ】グリッド層の各種幾何学的構造を略示してい
る。
【図４ａ】本発明の更なる実施例によるグリッド層の幾
何学的構造を略示している。
【図４ｂ】本発明の更なる実施例によるグリッド層の幾
何学的構造を略示している。
【図４ｃ】本発明の更なる実施例によるグリッド層の幾
何学的構造を略示している。
【図４ｄ】図４ｃに示した実施例の概略横断面図であ
る。
【図５】図１に示したデバイスと同様の本発明の更なる
実施例の概略横断面図である。
【符号の説明】
１・・・活性領域、２・・・コンタクト層、３・・・第１ミラー
手段、４・・・グリッド層、５・・・第２ミラー手段、６・・・
開口部、７・・・基板層、８・・・曲線、９・・・金属層、１１・
・・抵抗層、１１２・・・垂直開口部、１１３・・・近接ＶＣＳ
ＥＬ要素、１１４・・・ＶＣＳＥＬ要素、１０４・・・抵抗
層、１０５・・・上部ブラッグレフレクタ、１０６・・・底部
ブラッグレフレクタ、１０７・・・活性領域、１０８・・・グ
リッド層、１１０・・・電荷キャリア、１１１・・・コンタク
ト層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−318992（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−274408（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−363081（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−112587（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−22523（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−103129（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−508971（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−501424（ＪＰ，Ａ) 米国特許5444731（ＵＳ，Ａ) Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，1992年，61［10］，ｐ. 1160−1162 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，1990年，56［21］，ｐ. 2089−2091 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ，1997年，33［６］，ｐ．927−932 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 共通基板（７；２０７）に設けた複数の
    垂直空洞表面放出型レーザー（ＶＣＳＥＬ）要素を備
    え、各ＶＣＳＥＬ要素は第１ミラー手段（３；１０５；
    ２０３）と第２ミラー手段 （５；１０６；２０５）を
    備え、各々所定波長で既定反射率を有するとともに前記
    波長の光共振器と、前記第１、第２ミラー手段の間に配
    設されたレーザー活性領域（１；１０７；２０１）と、
    前記第１ミラー手段（３；１０５；２０３）の全面に設
    けられたグリッド層（４；１０８；２０４）とを形成
    し、前記グリッド層（４；１０８；２０４）はそれぞれ
    ＶＣＳＥＬ要素に対応する複数の開口部（６；１１３；
    ２０６）を有する、ＶＣＳＥＬデバイスであって、 前記ＶＣＳＥＬデバイスは所定厚を有するコンタクト層
    （２；１１１；２０２）を備え、前記コンタクト層
    （２；１１１；２０２）は前記各第１ミラー手段と前記
    グリッド層（４；１０８；２０４）の間に置かれ、前記
    コンタクト層（２；１１１；２０２）の光学的厚さおよ
    び前記グリッド層（４；１０８；２０４）の反射率と吸
    収は、前記グリッド層（４；１０８；２０４）に依存す
    るとともにグリッドによって覆われる区域とグリッド開
    口部（６；１１３；２０６）に対応する区域で異なる各
    第１ミラー手段の有効反射率を与えるように選択される
    ことを特徴とする、ＶＣＳＥＬデバイス。
  2. 【請求項２】 前記第１、第２ミラー手段は前記ＶＣＳ
    ＥＬ要素のすべてに共通なブラッグレフレクタとして具
    備される、請求項１記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  3. 【請求項３】 前記コンタクト層（２；１１１；２０
    ２）の厚さは、前記グリッド開口部（６；１１３；２０
    ６）に対応する領域と比較して、前記第１ミラー手段の
    反射率がグリッドによって覆われる領域で減少するよう
    に調節される、請求項１または２記載のＶＣＳＥＬデバ
    イス。
  4. 【請求項４】 前記コンタクト層（２；１１１；２０
    ２）の厚さは、第１ミラー手段およびグリッド層の一定
    組成に対して前記グリッド層（４；１０８；２０４）に
    よって覆われる前記領域の反射率を最小とするように調
    節される、請求項３記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  5. 【請求項５】 前記グリッド層（４；１０８；２０４）
    は１つ以上の層を備え、各層は所定屈折率、所定吸収
    率、所定厚を有する材料から成る、請求項１または４の
    いずれかに記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  6. 【請求項６】 前記グリッド層（４；１０８；２０４）
    によって覆われない前記領域は前記波長の発光の要素そ
    れぞれの発光放出ウィンドウを形成する、請求項１〜５
    のいずれかに記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  7. 【請求項７】 前記各発光放出ウィンドウの延長部が前
    記発光の基本横方向発光モードを実質的に選択するよう
    に設けられる、請求項６記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  8. 【請求項８】 前記コンタクト層（２；１１１；２０
    ２）と連携した前記第１、第２ミラー手段の絶対反射率
    は誘導放出の発生に必要な反射率を最小とするように選
    択される、請求項１〜６のいずれかに記載のＶＣＳＥＬ
    デバイス。
  9. 【請求項９】 前記グリッド層（４；１０８；２０４）
    は少なくとも１つの金属層を備える、請求項１〜８のい
    ずれかに記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  10. 【請求項１０】 前記グリッド層（４；１０８；２０
    ４）はドープした誘電体層を備える、請求項１〜８のい
    ずれかに記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  11. 【請求項１１】 補助誘電体ミラーが前記第１ミラー手
    段あるいは前記グリッド層上に具備される、請求項１〜
    １０のいずれかに記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  12. 【請求項１２】 前記反射率は前記グリッド開口部
    （６；１ １３；２０６）に対応する前記領域の反射率
    に比較して少なくとも３％だけ減少される、請求項２〜
    １１のいずれかに記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  13. 【請求項１３】 前記グリッド層（４；１０８；２０
    ４）は正方形あるいは長方形のラスタである、請求項１
    〜１２のいずれかに記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  14. 【請求項１４】 前記グリッド層（４；１０８；２０
    ４）は菱形ラスタである、請求項１〜１２のいずれかに
    記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  15. 【請求項１５】 前記グリッド層（４；１０８；２０
    ４）はハチの巣形ラスタである、請求項１〜１２のいず
    れかに記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  16. 【請求項１６】 前記グリッド層（４；１０８；２０
    ４）のバー幅は１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下で
    ある、請求項１〜１５のいずれかに記載のＶＣＳＥＬデ
    バイス。
  17. 【請求項１７】 前記ＶＣＳＥＬ要素の各発光放出ウィ
    ンドウの最大水平寸法は２μｍ〜１０μｍの範囲であ
    る、請求項１〜１６のいずれかに記載のＶＣＳＥＬデバ
    イス。
  18. 【請求項１８】 抵抗層（１０４）が具備され、前記ハ
    チの巣形ラスタの開口部に対応する少なくとも１つの領
    域は電気抵抗が高く、前記少なくとも１つの高抵抗領域
    は電気抵抗が低い６つの最近接領域を有する、請求項１
    ５記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  19. 【請求項１９】 前記高抵抗領域は露出部を備え、該露
    出部で前記活性領域（１；１０７；２０１）とブラッグ
    ミラーの少なくとも上に重なる層は垂直開口部（１１
    ２）を有する、請求項１８記載のＶＣＳＥＬデバイス。
  20. 【請求項２０】 グリッド整合抵抗層（２１１）が前記
    第１ミラー手段と前記レーザー活性領域の間に具備さ
    れ、前記グリッド整合抵抗層は少なくとも前記グリッド
    層によって覆われた領域に対応する領域で電気抵抗が高
    い、請求項１〜１６のいずれかに記載のＶＣＳＥＬデバ
    イス。
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