JP3744988B2 - 共振器光学装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振器(resonant cavity)光学装置に関し、特に垂直共振器面発光レーザ(vetical cavity surface emitting laser)（ＶＣＳＥＬ）または共振器発光ダイオード(resonant cavity light emitting diode)、共振器垂直型光学装置(resonant-cavity vertical optical device)に関する。これらの装置は、光通信、光並列処理、データ記憶およびディスプレイ等の様々な応用において有用である。
【０００２】
【従来の技術】
典型的には、ＶＣＳＥＬは、発光源となる活性領域と、活性領域の上下に位置する上下ミラーと、活性領域と上下ミラーの各々との間に位置するスペーサ領域とを有する。スペーサ領域は、光学的に透明であり、ミラーとともに、光学共振器の必要な長さを規定する機能を有する。この必要な長さとは、レーザによって発生される光の半分の波長の整数倍に設定される。このような光学共振器構造は通常、（Ａｌ，Ｇａ）Ａｓまたは（Ａｌ，Ｇａ）（Ｉｎ，Ｐ）などの半導体材料からエピタキシャル成長される。ミラーも同様に半導体材料からエピタキシャル成長してもよく、また、ブラッグ反射器（ＤＢＲ）などの金属または誘電体多層構造から構成されていてもよい。このようなＶＣＳＥＬは、Ｊｅｗｅｌｌ、Ｊ．Ｌ．らの「垂直共振器面発光レーザ：その設計、成長、製造および特徴付け」ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ２７、Ｎｏ．６、１９９１年６月、第１３３２〜１３４６頁に典型的に開示されている。ＶＣＳＥＬの層構造は、例えばＧａＡｓなどの半導体基板上に形成され、上部発光型(top emitting)として構成しても、下部発光型(bottom emitting)として構成しても良い。このようなＶＣＳＥＬにおいては、活性領域の電流供給を、上下の電極を介して、電流がミラーおよびスペーサ領域中を流れるように実現することが通常である。このことにより、導電性は比較的低くなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＶＣＳＥＬが本来固有に低い光学的量子効率を有することは、このような低導電性とあいまって、低出力効率を招く。これは、薄い活性領域を有するＶＣＳＥＬにおいて特に問題となる。なぜなら、そのシングルパス光学利得は約１％以下であり、レーザ発振を実現するためには非常に高い反射率を有するミラーを必要とするためである。これは通常、２０〜３０対もの交互に繰り返す高低の屈折率を有する半導体層を含むことが可能であるＤＢＲミラーを用いることによって達成されるが、これは、低導電性の問題を悪化させる。
【０００４】
この問題を緩和するための試みが、米国特許第５２４５６２２号に開示されている。この特許は、層構造の電極を少なくとも上部ミラーと上部スペーサ部材との間に設け、電流を活性領域に導通させることによってレーザ発振を得ている。この構造は、電流を少なくとも上部ミラーに通す必要を無くす。しかし、この方法での問題は、４つもの追加的な層を各電極に対して設けることが必要である点である。また、このような層は光学共振器(optical cavity)の一部を規定するため、非常に高い光学的透明度を必要とし、非常に正確な厚さを有さなければならない。米国特許第５２４５６２２号においては、このような電極層は典型的には高ドープのＡｌＧａＡｓ層および低ドープのＩｎＧａＰ層を有する。
【０００５】
米国特許第５１１５４４１号は、中心孔を有する誘電体層が上部多層ミラー上に設けられており、金属バリア層が誘電体層上に位置しているが中心孔を介してミラーと電気的に接触している、ＶＣＳＥＬを開示している。光学的に透明な半導体材料からなる層が金属バリア層全体に設けられ、レーザの上部電極を形成する。光学的透明層は、１×１０3から１×１０5Ω-1ｃｍ-1の導電性を有し、少なくとも８０％の光透過率および１０％未満の光吸収率を有する。カドミウム錫酸化物(cadmium tin oxide)およびインジウム錫酸化物(indium tin oxide)が、このような上部電極を形成する光学的に透明な半導体材料層の例として記載されている。ＶＣＳＥＬにおいて、インジウム錫酸化物を使用して上部および下部コンタクトを上部ミラーおよび下部ミラーの上側と下側にそれぞれ形成することが、Ｍａｔｉｎ、Ｍ．Ａ．ら、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９４年２月１７日、ｖｏｌ．３０、第３１８〜３２０頁に開示されている。しかし、このような構成においてもやはり、電流が上部ミラーおよび上部スペーサ領域を通ることが要求され、上記の低い導電性が問題となる。 米国特許第５２６６５０３号は、活性層が形成される様々な組成のアルミニウムガリウム砒素の異なる層のサンドイッチ構造からなっているＶＣＳＥＬを、開示している。実質的に、これらの層は、現在活性領域ならびに上部および下部スペーサ領域と呼ばれているものを規定している。レーザ発振効率を高めるために、米国特許第５２６６５０３号は、この活性層に酸素イオン注入を行うことにより絶縁領域を形成することを提案している。このことにより、電流の流れを層中の小さな領域に狭窄し、結果として小さいな面積の活性領域を規定している。スペーサ層として機能する
層は、ゆえにアルミニウムガリウム砒素層である。
【０００６】
上述したように、これまで、出力効率の高い面発光レーザ等の共振器光学装置は得られていなかった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力効率の高い共振器光学装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の共振器光学装置は、活性領域と、スペーサ領域と、該スペーサ領域を介して該活性領域と電気的に接続された電気的端子とを有する共振器光学装置であって、該スペーサ領域は、透明かつ導電性を有する酸化物をからなり、そのことによって上記目的が達成される。
【０００９】
前記電気的端子は、前記酸化物からなるスペーサ領域に結合されていてもよい。
【００１０】
前記透明かつ導電性を有する酸化物は、錫ドープされたインジウム酸化物、アンチモンドープされた錫酸化物、フッ素ドープされた錫酸化物、および透明かつ導電性を有し、ＧｅおよびＳｎからなる群から選択される少なくとも１つのドーパントでドープされたＧａＩｎＯ3からなる群より選択されてもよい。
【００１１】
前記装置は、上部および下部ミラーを更に有し、前記酸化物からなるスペーサ領域は該上部ミラーと前記活性領域との間に位置し、更なるスペーサ領域が該活性領域と該下部ミラーとの間に設けられていてもよい。
【００１２】
前記上部ミラーは誘電体からなる多層ミラーであり、前記電気的端子は前記酸化物からなるスペーサ領域に結合されていてもよい。
【００１３】
前記装置は上面発光型垂直共振器レーザであってもよい。
【００１４】
前記装置は下面発光型垂直共振器レーザであってもよい。
【００１５】
前記装置は共振器発光ダイオードであってもよい。
【００１６】
前記活性領域は光子バンドギャップ構造を有していてもよい。
【００１７】
少なくとも前記活性領域および前記酸化物からなるスペーサ領域がポスト構造によって規定され、該ポスト構造は誘電体材料によって囲まれていてもよい。
【００１８】
前記上部ミラーは少なくとも１つの金属層を包含してもよい。
【００１９】
また、本発明の共振器光学装置アレイは、複数の共振器光学装置を有するアレイであって、各装置は活性領域と、スペーサ領域と、該スペーサ領域を介して該活性領域と電気的に接続された電気的端子とを有する共振器光学装置であって、該スペーサ領域は、透明かつ導電性を有する酸化物からなっており、該装置はイオン注入によって互いに電気的に隔離されており、そのことによっ上記目的が達成される。
【００２０】
また、本発明の共振器光学装置の製造方法は、下部スペーサ領域と、活性領域と、透明かつ導電性を有する酸化物からなる上部スペーサ領域と、該上部スペーサ領域を介して該活性領域に接続された電気的端子とを基板上に形成する工程を含み、そのことによって上記目的が達成される。
【００２１】
前記電気的端子は前記上部スペーサ領域上に形成されていてもよい。
【００２２】
前記下部ミラーは、前記基板と前記下部スペーサ領域との間に設けられ、上部ミラーが前記上部スペーサ領域の上に設けられもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
我々は、上記の低導電性の問題は、共振器光学装置のスペーサ領域の少なくとも１つ、好ましくは上部スペーサ領域を、透明かつ導電性を有する酸化物を用いて形成するという比較的容易な方法で解決されまたは緩和され得ることを見いだした。 従って、本発明の１つの局面によれば、活性領域、スペーサ領域、および酸化物スペーサ領域によって活性領域に電気的に接続された電気的端子とを有する共振器光学装置が提供される。スペーサ領域は、透明かつ導電性を有する酸化物から形成される。
【００２４】
ここで、「透明」とは、装置の発光波長において透明であることを意味する。
装置は、酸化物スペーサ領域が上部ミラーと活性領域との間に設けられ、更なるスペーサ領域が活性領域と下部ミラーとの間に設けられるように、上部および下部ミラーを有していても良い。電気的端子は、酸化物と結合されていてもよい。このような構成において、上部ミラーは誘電性多層ミラーであってもよい。 装置は、上面発光または下面発光型レーザであってもよい。また、装置は、共振器発光ダイオードであってもよい。
【００２５】
上記透明かつ導電性を有する酸化物は、錫ドープのインジウム酸化物（ＩＴＯ）、アンチモンドープの錫酸化物（ＡＴＯ）または、フッ素ドープの錫酸化物（ＦＴＯ）あるいは、Ｃａｖａ、Ｒ．Ｊ．ら、Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１６）１９９４年４月１８日、第２０７１〜２０７２頁に開示されるように、ドープされたＧａＩｎＯ3材料であってもよい。この文献中において、αβＧａ2Ｏ3を用いた層材料であるＧａＩｎＯ3を、酸素欠乏の導入を通じて電子ドーピングすること（Ｉｎに対してＳｎドーピングしまたはＧａに対してＧｅドーピングする）が開示されている。このようなドープされたＧａＩｎＯ3材料は、光学領域全体にわたって良好な透明度を示し、従って広範囲の発光波長での使用に好適である可能性を有している点において、ＩＴＯに対して有利である。
【００２６】
本発明の別の局面によれば、共振器光学装置を製造する方法が提供される。この方法は、基板、下部スペーサ領域、活性領域、透明かつ導電性を有する酸化物からなる上部スペーサ領域、および酸化物スペーサ領域を介して活性領域に電気的に接続された電気的端子を形成することを包含する。
【００２７】
電気的端子は、上部スペーサ領域上に形成されてもよい。
【００２８】
面発光型レーザを製造するために、基板と下部スペーサ領域との間に下部ミラーが設けられる。上部ミラーが上部スペーサ領域より上に設けられる。
【００２９】
「上部」「下部」「上側」「下側」という表現は、上記領域が形成された基板に対する各領域の場所を表している。
【００３０】
上部および下部ミラーは好ましくは、高低の屈折率を有する多数の半導体材料層が設けられた多層分布型(distributed)ブラッグ反射器であり、各層の厚さはλ／４μに等しい。ここで、λは装置の発光波長であり、μは半導体材料の屈折率である。典型的には、ＧａＡｓレーザの場合、半導体（例えばＧａＡｓおよびＡｌＡｓなど）をミラーを形成するために用いる。電気的端子が導電性酸化物スペーサ領域と結合される場合は、上部ミラーは誘電体、好ましくは誘電体多層構造であってもよい。または、上部ミラーを少なくとも１つの金属層で構成してもよい。
【００３１】
活性領域は、電子および正孔が互いに結合してレーザ発光する領域であり、例えば（Ａｌ、Ｇａ）Ａｓなどの活性物質の層または帯を１つ以上有していても良い。この活性領域は、光子(photonic)バンドギャップ構造を含んでいてもよい（Ｇｅｒａｒｄ、Ｊ．Ｍ．ら「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ ｏｆ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ３７、Ｎｏｓ４〜６、第１３４１〜１３４４頁参照）。
【００３２】
好適な一態様においては、活性領域および少なくとも１つのスペーサ領域ならびに、場合によってミラーのうちの少なくとも一方をポスト構造(post structure)中に設けることによって、屈折率導波(refractive index waveguiding)を実現する。このような構成において、ポスト構造を、活性領域を形成する半導体よりも低い屈折率を有する絶縁材料−−好ましくは熱伝導性材料である−−によって囲ってもよい。このポスト構造の埋め込みにより、活性領域での非発光結合(non-radiative combination)に起因する表面損失を最小にし、光学共振器からの熱消散を改善し得る。
【００３３】
上記説明から、導波構造を有する光学装置のアレイを比較的簡易容易に形成でき、またこれら装置は、物理的な断絶（break)を近接する装置間に設けることによって、またはイオン注入技術を用いて電気的に隔離することにより、電気的に隔離され得ることが理解されるであろう。
【００３４】
以下に、本発明を実施例について図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図１に基板１０を示す。基板１０上には、以下の層が順にエピタキシャル成長されている。すなわち、
（ａ）分子線エピタキシーなどで形成された半導体多層分布型ブラッグ反射器下部ミラー１２と、
（ｂ）例えばｎ−ドープのＡｌＧａＡｓからなる半導体下部スペーサ領域１４と、
（ｃ）例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが交互に繰り返す４つの層からなる、多層量子井戸活性領域１６とである。
【００３６】
更なる製造を容易にするため、図１に示す構造は、薄く光学的に透明な「エッチストップ」層（不図示）で終わっていてもよい。「エッチストップ」層は、次に透明かつ導電性を有する酸化物上部スペーサ領域２２（図４を参照して下記に説明）を形成する層とのオーミック接触を形成するために、強くドープする必要がある場合がある。これに続き、図１の構造をパターニングし、従来技術のリソグラフィーおよびエッチングを用いてポスト構造２０（図２参照）を形成する。得られたポスト構造は、次に、絶縁誘電体層１８中に埋め込まれる。絶縁誘電体層１８はそれ自体公知の技術を用いてエッチバックすることにより「平面化」され、光学共振器の上部が現れるようにし、絶縁誘電体層１８がポスト２０を囲んでいる状態にする。この層１８は、シリコン酸化物などの誘電体材料から形成され得る。しかし、例えばダイヤモンドのような比較的良好な熱伝導体である電気的絶縁物で形成してもよい。なぜなら、このような材料は、使用中の装置における光学共振器から離れる方向への熱伝導を良くするからである。
【００３７】
これに引き続き、透明かつ導電性を有する酸化物の上部スペーサ領域２２および上部ミラー２４を順にポスト２０および誘電体層１８上に堆積する（図４）。上部スペーサ領域２２は、例えばＬｅｅＳ．Ｂ．ら（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ１１（５）１９９３年９月／１０月、第２７４２〜２７４６頁に開示されるように、室温スパッタ堆積プロセスにより形成される錫ドープしたインジウム酸化物からなる。上部ミラー２４は、下部ミラー１２と同様に、多層分布型ブラッグ反射器ミラーであるが、半導体ではなく、誘電体であり、例えばシリコン酸化物およびシリコン窒化物の層が交互に繰り返す構造からなる。このようなシリコン酸化物およびシリコン窒化物の層が交互に繰り返す構造は、例えば反応性スパッタリング堆積によって形成される（ＳｃｈｅｒｅｒＡ．ら、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １９９２年６月１８日、Ｖｏｌ２８、Ｎｏ．１３、第１２２４頁以下参照。）または、（ａ）二酸化ケイ素および二酸化チタン、（ｂ）アモルファスシリコンおよび二酸化ケイ素、または（ｃ）二酸化ジルコニウムおよび二酸化ケイ素からなる層が使用可能である。
【００３８】
次に図５を参照して、図１〜図４を用いて上述した工程によって製造される構造を用いて、上部ミラー２４中に設けた開口部２６の中に金属端子２８を上部スペーサ層２２と接触するように設け、更なる電気的端子３０を、強くドープされたＧａＡｓ材料などの半導体材料からなる基板２０の下側に設けることによって、上部発光型ＶＣＳＥＬを形成する。
【００３９】
図６の下部発光型ＶＣＳＥＬは、図５のＶＣＳＥＬと同様な方法で形成される。ただし、領域１４および１６上のみにリソグラフィーおよびエッチングを行い、下部ミラー１２を形成する層を未エッチ状態で残すことによって、ポスト２０を形成する。ポスト２０と位置を揃えた開口部３２を基板１０に設けている。または、レーザの発振波長において透明な材料で基板１０を形成してもよい。
【００４０】
図５の上面発光型ＶＣＳＥＬの典型例においては、基板１０は市販されているｎ型ＧａＡｓから形成される。光学共振器は層厚み５８８ｎｍであり、厚さ２０３ｎｍのｎ+型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの層１４、厚さ５０ｎｍのｎ+型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層（意図的にはドープしない）、厚さ８ｎｍの単一ＧａＡｓ量子井戸（意図的にはドープしない）、厚さ５０ｎｍのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層（意図的にはドープしない）、厚さ８０ｎｍのｐ+型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層（意図的にはドープしない）、および錫ドープした厚さ１９７ｎｍの酸化インジウム層２２からなる。酸化インジウムは約１０％の酸化錫を含有し、Ａｒ／Ｏ2混合ガス中でスパッタ堆積を行うことにより形成される。下部ミラー１２は、ｎ+ドープされた構造であり、高低の屈折率を有する半導体層の組を２０組有している。高屈折率層の各々は厚さ６０．５ｎｍであり、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓから形成される。低屈折率層の各々は厚さ７１．１ｎｍであり、ＡｌＡｓから形成される。上部ミラー２４は、厚さ１４５．５ｎｍの二酸化ケイ素層１２層と、厚さ１０３．７ｎｍの窒化シリコン層１２層とが交互に繰り返して形成されている。絶縁誘電体層１８は、約６．２μｍの厚さを有し、プラズマ強化(plasma enhanced)化学気相蒸着プロセスにより堆積された二酸化ケイ素から形成される。端子２８は、ＣｒおよびＡｕ層から形成される。端子３０は、ＡｕＧｅ、ＮｉおよびＡｕ層から形成される。 上記のＶＣＳＥＬと同様の方法でＲＣＬＥＤ装置を作成することができる。ただし、誘電体層を数層上部ミラー中に堆積することにより、反射率は典型的には若干低めである。
【００４１】
上記の記載から、１つのリソグラフィー工程のみにより装置が規定され得ることが理解されるであろう。
【００４２】
上記図面を用いた説明では、１つの装置の製造のみを説明した。しかし、実用においては、ＶＣＳＥＬまたはＲＣＬＥＤの二次元アレイを一回の手順で形成し得ること、また、アレイ中の隣接するＶＣＳＥＬまたはＲＣＬＥＤ間の電気的分離は、イオン注入または物理的な断絶（break)をスペーサ層２２およびミラー層、また適宜必要な層中に設けることによって実現されることが理解されるであろう。
【００４３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によると、導電性のスペーサ層に電極を設けることにより活性層に電流を流すことができるので、上部ミラー層には反射効率の高い絶縁膜の組み合わせを用いることができ、高い出力光率を有する共振器光学装置およびその製造方法を提供する。本発明による共振器光学装置は、光通信、光並列処理、データ記憶およびディスプレイ等に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＶＣＳＥＬの製造工程を示す図である。
【図２】本発明におけるＶＣＳＥＬの製造工程を示す図である。
【図３】本発明におけるＶＣＳＥＬの製造工程を示す図である。
【図４】本発明におけるＶＣＳＥＬの製造工程を示す図である。
【図５】上面発光型ＶＣＳＥＬの概略構成図である。
【図６】下面発光型ＶＣＳＥＬの概略構成図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１２ 下部ミラー
１４ 下部スペーサ領域
１６ 活性領域
１８ 絶縁誘電体層
２０ ポスト構造
２２ 上部スペーサ領域
２４ 上部ミラー
２６ 開口部
２８ 電気的端子

Claims (8)

  1. 基板と、該基板上に設けられた下部ミラーと、該下部ミラー上に設けられた下部スペーサ領域と、該下部スペーサ領域上に設けられた活性領域と、該活性領域上に設けられた上部スペーサ領域と、該上部スペーサ領域上に設けられた上部ミラーとを備え、前記上部スペーサ領域上に、該上部スペーサ領域を介して前記活性領域と電気的に接続された電気的端子が設けられた共振器光学装置であって、
    前記活性領域および下部スペーサ領域が、前記基板上に設けられた誘電体材料によって囲まれたポスト構造になっており、
    前記上部スペーサ領域は、透明かつ導電性を有し、ＧｅおよびＳｎからなる群から選択される少なくとも１つのドーパントでドープされたＧａＩｎＯ３で構成されて、前記誘電体材料上にも設けられており、
    前記上部ミラーは誘電体からなる多層ミラーであって、前記誘電体材料上にも設けられており
    前記電気的端子は、前記誘電体材料上において前記上部ミラーに設けられた開口部内に配置されて、前記上部スペーサ領域に直接結合されている、共振器光学装置。
  2. 前記共振器光学装置は、上面発光型垂直共振器レーザである、請求項１に記載の装置。
  3. 前記共振器光学装置は、下面発光型垂直共振器レーザである、請求項１に記載の装置。
  4. 前記共振器光学装置は、共振器発光ダイオードである、請求項１に記載の装置。
  5. 前記活性領域は光子バンドギャップ構造を有している、請求項１に記載の装置。
  6. 前記上部ミラーは少なくとも１つの金属層を包含する、請求項１に記載の装置。
  7. 複数の共振器光学装置を有するアレイであって、前記各共振器光学装置は、それぞれ、請求項１に記載の共振器光学装置であって、前記各共振器光学装置が、イオン注入によって互いに電気的に隔離されていることを特徴とするアレイ。
  8. 請求項１に記載の共振器光学装置を製造する方法であって、
    基板上に下部ミラーを形成する工程と、
    該下部ミラー上に下部スペーサ領域を形成する工程と、
    該下部スペーサ領域上に活性領域を形成して、該活性領域および前記下部スペーサ領域を誘電体材料によって囲まれた状態にする工程と、
    前記活性領域および前記誘電体材料上に、透明かつ導電性を有し、ＧｅおよびＳｎからなる群から選択される少なくとも１つのドーパントでドープされたＧａＩｎＯ3からなる上部スペーサ領域を形成する工程と、
    該上部スペーサ領域上に上部ミラーを設ける工程と、
    その後に、前記上部スペーサ領域上に、該上部スペーサ領域を介して該活性領域に電気的に接続された電気的端子を設ける工程とを含み、
    前記電気的端子を設ける工程が、前記上部ミラーに開口部を形成する工程と、該開口部内にて前記電気的端子を前記上部スペーサ領域に電気的に接続する工程とを包含する、方法。
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