JP5308331B2 - フォトニック結晶又はフォトニックバンドギャップ垂直共振器面発光レーザーを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＶＣＳＥＬの製造に関する。これは、マイクロ／ナノ構造のモード選択横層を含むＶＣＳＥＬを製造する方法に関し、この場合に、マイクロ／ナノ構造層は、充分に制御された局所的エッチングによって得られる。本発明は、非常に高精度のマイクロ／ナノ構造層の厚さの制御を可能にする。具体的には、本発明は、ＶＣＳＥＬの横電磁モードを制御するマイクロ／ナノ構造のモード選択層を有するＶＣＳＥＬを製造する方法に関する。

垂直共振器面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）は、その良好な性能及び広範な適用性に起因し、非常に興味深い。製造コストを低くするためには、生産の歩留まりを高くする必要があり、これは、その製造に使用される製造方法を厳格に制御可能であることが１つの要件である。高い歩留まりは、製造方法のそれぞれの、並びに、すべての加工段階が制御可能である際にのみ、得ることができる。

ＶＣＳＥＬ内の電磁モードを制御するエッチングされたマイクロ／ナノ構造のモード選択層を有する横層を含むＶＣＳＥＬの製造は、付加的な製造段階を含む。プロセスは、レジストの堆積、レジストの露光、レジストの現像、エッチング又は材料の堆積、及びレジストの除去などの段階を伴うことになろう。マイクロ／ナノ構造のＶＣＳＥＬの製造において高い歩留まりを得るには、これらのすべての段階の微細な制御が必要である。

ＶＣＳＥＬの性能は、マイクロ／ナノ構造のモード選択要素を製造する際のエッチング深さに決定的に依存している。エッチング深さは、通常、エッチングレートによって決定され、従って、合計エッチング時間がエッチング深さを決定する。残念ながら、エッチレートは、湿式化学エッチングの場合には、例えば、温度、化学薬品、濃度、乾式化学エッチングの場合には、例えば、ガスフロー、ガス圧、反応及び非反応ガスのガス使用量、並びに、ガス混合物などの多数のパラメータに依存している。

非特許文献１において、著者であるＷ．Ｄ．Ｚｈｏｕ他は、下部ミラー、上部ミラー、及び２つのミラーの間に挟持された利得領域を有するＶＣＳＥＬ構造を開示している。両方のミラーは、ＩＩＩ−Ｖ半導体に基づいている。深い孔が、上部ミラーの最上部から、利得領域を通じて、下部ミラー内にエッチングされている。これらの孔は、アレイの中央に欠陥を有する規則的なアレイとして更にレイアウトされている。エッチング深さは、エッチングレートを推定し、且つ、エッチングの時間を制御することにより、決定される。良好に制御されたエッチング深さの問題は、この文献においては解決されていない。

特許文献１には、下部ミラー、上部ミラー、及び２つの間に挟持された利得領域を具備したＶＣＳＥＬ構造が開示されている。ＶＣＳＥＬ内の高次の横モードを防止するべく、フォトニック結晶領域が形成されている。開示された構造の製造は、再成長段階及び／又はエッチングプロセスの時間の制御によって決定されるエッチング深さにより、複雑である。

非特許文献２において、著者であるＦ．Ｒｏｍｓｔａｄ他は、ＶＣＳＥＬ内における浅いエッチング（１００ｎｍ未満）によって波長を制御する方法を実証している。部分半導体上部ミラー内において浅いエッチングを実行しており、局所的にエッチングされた部分半導体上部ミラーの上に誘電体上部ミラーを堆積させることにより、レーザー発振を実現するのに必要とされる必要な上部ミラー反射率を得ている。

非特許文献３において、著者であるＳ．Ｂｉｓｃｈｏｆｆ他は、フォトニックバンドギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ＢａｎｄＧａｐ：ＰＢＧ）効果による横モード閉じ込めに依存したＶＣＳＥＬを実証している。部分半導体上部ミラー内のロッドの浅いエッチングによってＰＢＧ効果を実装している。局所的にエッチングされた部分半導体上部ミラーの上に誘電体上部ミラーを堆積させることにより、レーザー発振を実現するのに必要とされる上部ミラー反射率を得ている。

特許文献２は、大口径シングルモードハイパワーＶＣＳＥＬを提供可能であるＶＣＳＥＬ内の横モード制御のための技法を開示している。この発明は、大口径シングルモードハイパワー動作を許容する基本的な構造の詳細を提供することにより、改善されたＶＣＳＥＬの設計を示している。この特許出願に記述された幾つかの構造は、長い光子寿命を提供すると共に活性領域とオーバーラップした中央光アパーチャ領域を有することを特徴としている。又、これらは、光アパーチャ領域内のものよりも短い光子寿命を提供するべく形成されたモード成形領域をも有する。更には、これらは、モード成形領域および光アパーチャ領域に対してモードの横方向閉じ込めを提供するべく設計されたモード閉じ込め領域をも有する。これらの領域の寸法は、ＶＣＳＥＬ内の共振器のそれぞれの横電磁モードにおけるレーザー動作の効率を技術的に実現するべく選択されている。

米国特許第６，６８３，８９８号明細書 国際特許出願第ＰＣＴ／ＤＫ２００５／０００７５９号明細書

Ｗ．Ｄ．Ｚｈｏｕ他著、「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｄｅｆｅｃｔ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３６巻、第１８号、２０００年８月３１日 Ｆ．Ｒｏｍｓｔａｄ他著、「Ｔｒｕｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ−ｇａｐ ｍｏｄｅ−ｃｏｎｔｒｏｌ ＶＣＳＥＬ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、ＥＣＯＣ’０３、４０〜４１頁、２００３年 Ｓ．Ｂｉｓｃｈｏｆｆ他著、「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ＶＣＳＥＬｓ」、ＥＣＯＣ’０４、会議録の第３巻、５９６〜５９７頁、２００４年

従来技術のＶＣＳＥＬに関する以上の従来技術の説明は、いずれも、完全な又は部分的な半導体上部ミラー内におけるマイクロ／ナノ構造のモード選択領域のエッチングに基づいている。これらの方法の欠点は、非常に良好に制御されたエッチングプロセスに対するニーズである。

エッチング深さの高度な制御が欠如している場合には、実現された実際のエッチング深さを判定するための付加的なプロセスの特性判定が必要である。

エッチングプロセスにおける装置の取り扱いは、特に、湿式化学エッチング法の場合に、プロセス変動の大きな原因となりうる。特に、エッチングレートが相対的に高い場合には、エッチングプロセスの開始及び停止に所要する時間が不確定性の原因となりうる。制御されなければ、これは、生産の歩留まりに悪影響を与える。

横モード制御のためのマイクロ／ナノ構造のモード選択層を有するＶＣＳＥＬ内のマイクロ／ナノ構造層の厚さの良好な制御を提供する、代替方法を提供することが本発明の目的である。改善された層厚制御は、第１の態様においては、その内部にマイクロ／ナノ構造が形成される誘電体材料又は部分的誘電体上部ミラーの薄層を部分的半導体上部ミラー上に堆積することによって実装される。半導体材料と比較して誘電体材料におけるエッチングレートが大きいエッチングプロセスを使用する場合には、半導体材料と誘電体材料間のインターフェイスが、エッチングストップ層の機能を果たす。エッチングプロセスは、湿式又は乾式化学反応のいずれであってもよい。

このようなエッチングストップ層の導入は、エッチング深さがエッチングレート及び時間にあまり依存しないようになると共に、加工の際に実現された実際のエッチング深さの計測が不要になるという利点を提供する。本発明による製造方法におけるエッチング深さの変動は、（１）誘電体層（部分的誘電体上部ミラー層）を堆積可能である層の厚さの精度、（２）その上部に誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層が配置される層のエッチングレートである第２エッチングレートに対する誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層のエッチングレートである第１エッチングレートの比率、という２つのファクタによって主に決定される。３又は４インチウエハに跨る堆積された誘電体材料層の厚さは、通常、数パーセント（＜２〜４％）以内に制御可能である。従って、エッチング深さの変動は、１００ｎｍの厚さの誘電体材料層を堆積させる際には、最大で４ｎｍ変動する。

尚、本明細書において、ＶＣＳＥＬ構造との関係における「上方」及び「下方」、並びに、「下部」及び「上部」という用語は、放射表面が上方を向いた状態においてＶＣＳＥＬ基板が水平に方向付けされた際の構造内における相対的な位置を意味している。

本発明の第１の態様においては、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を含むＶＣＳＥＬ構造を製造する方法が提供される。この方法は、−後続の段階において形成される複数の部分を保持する基板を提供する段階と、−基板上に層構造を形成する段階と、を有し、この層構造は、
・２個またはそれ以上の層からなる下部ミラーと、
・下部ミラーの上方に形成されたＩＩＩ−Ｖに基づく利得領域であって、光を生成し、且つ、生成された光を放射するべく適合された利得領域と、
・下部及び上部ミラーが利得領域を保持するレーザー共振器を形成するように、利得領域の上方に形成された２個またはそれ以上の層を有する上部ミラーと、
・上部ミラー内に配置されたマイクロ／ナノ構造のモード選択領域であって、このマイクロ／ナノ構造のモード選択領域は、光アパーチャを有し、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域及び光アパーチャの寸法は、共振器の横電磁モードにおけるレーザー動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合される、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域と、
を有し、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域は、
−マイクロ／ナノ構造のモード選択領域が位置するべき場所に配置された誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層を形成する段階と、
−誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層上にマスク層を形成する段階であって、このマスク層は、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域に対応した既定のマイクロ／ナノ構造のモード選択設計／レイアウトを有するマスクパターンを有する、段階と、
−エッチングマスクとして機能するマスク層を伴うエッチング法を使用し、既定のマイクロ／ナノ構造のモード選択設計／レイアウトを誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層内にエッチングし、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を形成する段階と、
−マスク層を除去する段階と、によって形成され、
この場合に、誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層の上方の上部ミラー層は、マスク層を除去する段階の後に誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層上に形成され、且つ、この場合に、エッチング法は、誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層内における第１エッチングレートと、その上部に誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層が形成される層内における第２エッチングレートと、を具備し、第１エッチングレートは、第２エッチングレートを上回る。

マイクロ／ナノという用語は、構造が、１０ｎｍから最大で５μｍの範囲のサイズを有する形状によって主に特徴付けられていることを意味するべく使用されている。複合材料内において光の分散関係を制御するべく使用されるフォトニックバンドギャップタイプの構造が、マイクロ／ナノ構造の一例である。

第１及び第２エッチングレート間の違いは、その上部に誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層が形成される層が、基本的に、エッチングストップ層として機能することを意味している。

例えば、電流閉じ込めを提供するために、別個の酸化層を共振器に内蔵して選択的な酸化を許容可能である。

第２エッチングレートに対する第１エッチングレートの比率がエッチング停止の効率を決定する。本発明の第１の態様によれば、この比率は、１を上回る。好ましくは、第１エッチングレートと第２エッチングレートの間の比率は、少なくとも１．５、少なくとも２、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも１５、少なくとも２０、少なくとも５０、少なくとも１００などのように、少なくとも１．２である。高い比率は、高いエッチング停止効率に対応している。

誘電体がＳｉＯ₂であり、且つ、エッチングストップ層がＧａＡｓであって、ＣＨＦ₃反応イオンエッチングが使用される場合には、第１エッチングレートは、約４０ｎｍ／ｓとなり、且つ、第２エッチングレートは、約３ｎｍ／ｓとなる。

好ましくは、エッチングは、エッチングが誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層と、その上部に誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層が形成される層との間のインターフェイスに到達する時点に対応した停止点において、或いは、好ましくはこの直後であるこの後の可能な限り早期の時点において、停止され、停止点は、エッチング時間及び第１エッチングレートに基づいたエッチング深さの推定値、又は前述の停止点を推定又は判定する別の適切なメカニズムによって判定される。エッチング深さの変動を増大させる基礎をなす半導体（ＩＩＩ−Ｖ）層（エッチングストップ層）内へのエッチングが、相対的に低速の第２エッチングレートにおいて進行し、極小化されるため、これは、利点である。

好ましくは、誘電体層内に格子パターンを形成するベく使用されるエッチング法は、ＣＨＦ₃乾式エッチング又はＣＦ₄／Ｏ₂乾式エッチングである。

誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層は、例えば、ＳｉＯｘ、ＴｉＯ_x、ＴａＯ_x、ＣａＦ₂、ＺｎＳｅ、ＭｇＦ₂、ＳｉＧｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ_xＯ_yから構成可能である。又、これは、単一の均質な層から構成するのではなく、いくつかのサブ層から構成することも可能である。

誘電体層は、例えば、ＰＥＣＶＤプロセス、又はイオンの支援を使用する又は使用しない熱スパッタリングプロセスを使用して堆積可能である。

ＶＣＳＥＬ構造の上部ミラーが、誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層に加えて、１つ又は複数の誘電体層を含む場合には、これらは、例えば、イオン支援Ｅビームガラススパッタリングプロセスを使用して堆積可能である。このような層は、例えば、ＳｉＯ_x、ＴｉＯ_x、ＴａＯ_x、ＣａＦ₂、ＺｎＳｅ、ＭｇＦ₂、ＳｉＧｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ_xＯ_y、又はこれらの組み合わせから構成可能であろう。

例えば、第１の態様に従って製造されたＶＣＳＥＬ構造は、
・基板上に下部ミラー層を形成する段階と、
・下部ミラー上に利得領域を形成する段階と、
・利得領域上に、例えば、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）積層体などの１つ又は複数の第１上部ミラーを形成する段階と、
・第１上部ミラー層上に誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層を形成する段階と、
・誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層上に１つ又は複数の残りの上部ミラー層を形成する段階と、によって形成可能であろう。

従って、誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層は、上部ミラー内に形成された追加の層である。誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層の主要な機能は、エッチング深さの正確な制御を可能にすることにある。

好ましくは、誘電体格子層は、堆積厚さの相対的な不確実性が、５％未満、２％未満、１％未満、０．５％未満などのように、１０％未満であることを特徴とする、堆積プロセスを使用して堆積される。変動は、回避不可能ではあるが、ウエハ上の与えられた点において非常に小さいものであり、且つ、ＩＩＩ−Ｖ層を結果的にもたらすエッチング深さの変動よりも格段に小さい。

本発明の第２の態様は、リフトオフプロセスを伴っており、この場合には、その内部にマイクロ／ナノ構造を反転したものが形成されるマスク層が部分的半導体上部ミラーの上に形成される。マスク層が除去された半導体上部ミラー上に部分的に、且つ、マスク層上に部分的に誘電体マイクロ／ナノ構造層が堆積される。次いで、マスク層のレジストを、その上部の誘電体材料と共に、リフトオフプロセスによって除去し、半導体上部ミラーの上に誘電体マイクロ／ナノ構造層を残す。

ＶＣＳＥＬのような共振器内におけるマイクロ／ナノ構造のモード選択要素による横モード制御は、エッチングされあるいはエッチングされていない領域の間の共振器共振波長の違いによって決定される。エッチング深さの関数としての共振器共振波長シフトは、エッチングされた層の屈折率の減少に伴って減少する。従って、高屈折率の半導体材料の層と比べて、低屈折率の誘電体材料において局所的な浅いエッチングを実行する際には、共振器共振波長は、エッチング深さの変動の影響を受けにくい。

本発明の基本的な概念は、エッチングされたマイクロ／ナノ構造のモード選択領域の形成を制御するためのハンドルを提供する、層の組み合わせを導入することにより、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を有するＶＣＳＥＬの相対的に良好な再現性を得ることができるというものである。そして、本発明者らは、２つの層内において異なるレートで進行するエッチング法が存在するため、ＩＩＩ−Ｖ層上における誘電体層は、このようなハンドルを提供可能であることを認識した。同時に、本発明に従って製造されたＶＣＳＥＬは、ハイパワーシングルモード動作を提供可能であり、従って、本方法は、非常に望ましい。

本発明の第２の態様は、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を含む垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）構造を製造する方法を提供し、この方法は、
−後続の段階において形成される複数の部分を保持する基板を提供する段階と、
−基板上に層構造を形成する段階と、を有し、
この層構造は、
・複数の層から構成された下部ミラーと、
・下部ミラーの上方に形成されたＩＩＩ−Ｖベースの利得領域であって、光を生成し、且つ、生成された光を放射するべく適合された利得領域と、
・下部及び上部ミラーが利得領域を保持するレーザー共振器を形成するように、利得領域の上方に形成された２個またはそれ以上の層を有する上部ミラーと、
・上部ミラー内に位置するマイクロ／ナノ構造のモード選択領域であって、このマイクロ／ナノ構造のモード選択領域は、光アパーチャを有し、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域及び光アパーチャの寸法は、共振器の横電磁モードにおけるレーザー動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合される、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域と、を有し、
マイクロ／ナノ構造のモード選択領域は、
−マイクロ／ナノ構造のモード選択領域が位置するべき場所に配置されたマスク層を形成する段階と、
−マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を定義する既定の逆マイクロ／ナノ構造を具備したマスクパターンを有するマスク層をパターニングする段階と、
−マスク層を使用して誘電体材料をリフトオフし、これにより、誘電体モード選択層内にマスク層のマイクロ／ナノ構造の設計／レイアウトの反転であるマイクロ／ナノ構造を形成することにより、パターニングされたマスク層上に誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層を形成する段階と、
によって形成され、この場合に、誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層の上方の上部ミラーの層は、マイクロ／ナノ構造層を形成した後に、誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層上に形成される。

共振器の電磁モードの横成分が、酸化物層と、ＶＣＳＥＬの上部ミラー内のエッチングされた構造と、によって主に制御される、従来技術によるＶＣＳＥＬを示す。 本発明に従って製造されたＶＣＳＥＬを示す。共振器の電磁モードの横成分は、部分半導体上部ミラーに隣接する薄い誘電体層内にエッチングされた埋め込み型のマイクロ／ナノ構造のモード選択構造によって主に制御されている。部分誘電体上部ミラー（２４０）は、第１の堆積された誘電体層（２５０）の局所的な浅いエッチングの後に堆積される。平面図は、一次元横モード閉じ込め構造（２３１、２３２、２４０）の一例を示す。 図２ａのＶＣＳＥＬの上部部分を示す。この図は、部分半導体及び誘電体上部ミラーを示す。平面図は、一次元横モード閉じ込め構造（２３２、２４０、２７０、２７１）を示す。 規則的な格子として孔をエッチングすることによって実現された二次元横モード制御要素の一例を示す。中央部分は、光の放射がこのエリア（ＰＢＧ又はＰｈＣ欠陥）から到来するように設計されるため、通常、エッチングされない。

従来技術によるＶＣＳＥＬ構造１００の一例が図１に示されている。これは、基板１１０、下部ミラー１１２、利得領域１１６、スペーサ層１１４、電流閉じ込め／光閉じ込めのための酸化層１１８／１１９、半導体（ＩＩＩ−Ｖ）上部ミラー１２０、ｎコンタクト１３１、及びｐコンタクト１３２を有する。この構造は、いくつかのＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーの繰返しを貫通してエッチングすることにより、上部ミラーの一部分内に形成された垂直マイクロ／ナノ構造１２４を更に含む。この上部ミラー内におけるマイクロ／ナノ構造は、欠陥部分１７０に対する横モード閉じ込めとの関係において実現されている。利得領域１１６の組成は、通常、ＶＣＳＥＬによって放射される波長領域内において利得を提供するべく選択される。通常、これらは、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの組み合わせから形成される。本発明は、これらの材料に限定されない。例えば、６５０、７８０、８５０、９８０、１３００、１５５０、及び２０００ｎｍの波長において放射を提供するべく、しばしば、ＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＳｂＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、及びＩｎＧａＰが使用される。利得部分は、通常、障壁層によって分離された利得を提供する１つ又は複数の量子井戸から構成される。

共振器の共振波長シフトは、完成したＶＣＳＥＬのＤＢＲ上部ミラー内における浅いエッチングの場合には、非常に小さい（Ｒｏｍｓｔａｄ他、２００３年）。共振器の共振波長シフトは、エッチングの後の上部ミラー１２０内における残りのＤＢＲの１／４波長層の数に依存している。従って、完成したＶＣＳＥＬのＤＢＲ上部ミラー内におけるエッチングは、数ナノメートルという相対的に大きな共振器共振波長シフトを結果的にもたらす幾つかのＤＢＲミラーペアを貫通してエッチングする段階を必要としている。残念ながら、ＤＢＲ上部ミラーペアの除去は、上部ミラー損失の増大に対応している。横モード制御／閉じ込めは、共振器の共振波長シフトと、深くエッチングされた構造からの光学損失の組み合わせによって決定されることになる。

図１のＶＣＳＥＬ構造を製造する段階は、例えば、乾式化学エッチング法を使用し、マイクロ／ナノ構造１２４を上部ミラー１２０内にエッチングする段階を含む。従って、マイクロ／ナノ構造の深さをエッチング時間によって制御しなければならない。例えば、表面状態、温度、及び取り扱い、並びに、チャンバ環境の変動は、エッチング深さの大きな変動を結果的にもたらす可能性があり、均一性が要件であるケースにおいては、この変動が、歩留まりの低下をもたらすことになる。共振器の共振シフトの制御は、この製造方法の場合には、限られており、従って、最終的にレーザーが所望の特性を有することになるかどうかは、ある程度、成り行きに任せられている。

本発明に従って製造された構造を具備する図２ａのＶＣＳＥＬ構造２００は、いくつかの要素を図１の構造と共有している。具体的には、これは、基板１１０、下部ミラー１１２、利得領域１１６、スペーサ層１１４、及び電流閉じ込め用の酸化層１１８／１１９を含む。しかしながら、完成した上部ミラー１２０（図１）の代わりに、これは、ハイブリッド型の上部ミラーを具備している。ハイブリッド型の上部ミラーは、部分的な半導体に基づいた上部ミラー２２０、その内部に横モード選択及び閉じ込めマイクロ／ナノ構造がエッチングによって定義された誘電体材料の薄層２５０、及び部分的な誘電体の上部ミラー２４０から構成されている。図２ｂは、図２ａの誘電体上部ミラーのマイクロ／ナノ構造２４０、並びに、上部（２３２）及び下部コンタクト（２３１）の平面図を示している。

図２ｂは、図２ａのＶＣＳＥＬの上部部分をも示している。この図は、部分半導体上部ミラー２２０、部分的上部ミラー２２０の上部層２２１、上部コンタクト２３２、並びに、その内部にマイクロ／ナノ構造の横モード制御要素がエッチングされる誘電体層２５０を示している。層２４１は、上部部分ミラー２４０の第１層である。層２４５は、上部部分ミラーの残りの層であり、これらは、このような場合には、層２４１の後に堆積される。残りの層２４５は、例えば、ＴｉＯ_xとＳｉＯ_xの交互に変化する層の積層体であってよい。図２ａ及び図２ｂにおいては、合計で７つの層がＩＩＩ−Ｖ層２２１の上に堆積されている。又、図２ｂは、マイクロ／ナノ構造層／上部ミラーの一次元パターンの一例の平面図をも示している。破線は、側部から観察された及び上部から観察されたＶＣＳＥＬの間の関係を示すべく含まれている。欠陥２７０は、中央に形成されており、且つ、共振器内において生成された光用のアパーチャとして機能する。

図２ａ及び図２ｂにおいては、格子領域２５０は、その上方及び下方の両方に複数の層、即ち、いくつかの層から構成された部分２２０及び２４０を具備している。部分２２０は、例えば、部分上部ミラー層の代わりにスペーサ層である層２２０を製造することにより、単一層のみから構成することも可能である。同様に、部分２４０も、上部ミラーの最上部の近傍に格子領域２５０を配置することにより、単一層のみから構成することも可能である。唯一の要件は、部分２２０、層２５０、及び部分２４０の組み合わせが、レーザー発振を実現するのに十分な反射率を提供するということである。

図２ａに示されたＶＣＳＥＬ構造の製造は、次のように実行可能であろう。交互に変化する層を基板１１０上にエピタキシャル成長させることにより、下部ミラー１１２を形成する。下に位置するこの下部ミラー１１２上に、下部に位置するｎドーピングされたスペーサ層１１４、利得部分１１６、上部に位置するｐドーピングされたスペーサ層１１４、及び電流閉じ込め用の酸化層１１８／１１９を同一のエピタキシャルプロセスにおいて成長させる。上部ミラー２２０の第１部分も、同一のエピタキシャルプロセスにおいて成長させる。誘電体層２５０は、例えば、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスにより、層２２１上に堆積させる（図２ｂを参照されたい）。層２２１は、部分的半導体上部ミラー２２０の最上部層である。ウエハ材料の加工は、メサの定義、横電流閉じ込め用の選択的酸化、ｎ及びｐコンタクトの定義、並びに、マイクロ／ナノ構造のモード選択設計の定義及びエッチングを含む。マイクロ／ナノ構造は、通常、リソグラフィ又はナノインプリントによって定義される。マイクロ／ナノ構造のモード選択要素は、例えば、ＣＨＦ₃反応イオンエッチング、ＣＦ₄／Ｏ₂反応イオンエッチング、又はＢＨＦ湿式エッチングを使用することにより、誘電体層２５０内にエッチング可能である。図２ｂの層２２１である半導体（ＩＩＩ−Ｖ）層内のエッチングレートは、誘電体層２５０内のエッチングレートよりも小さいため、ＣＨＦ₃エッチングは、誘電体を選択的にエッチングする。従って、半導体（ＩＩＩ−Ｖ）層２２１は、エッチングストップ層として機能し、エッチング深さの制御を改善する。

誘電体上部ミラーの堆積は、マイクロ／ナノ構造のモード選択層２５０のエッチングの完了の後に、その他の必要なＶＣＳＥＬプロセスの一部として実行可能である。

好ましくは、部分２４０は、少なくとも１つの誘電体層を含み、且つ、好ましくは、部分２４０内のすべての層は、誘電体層である。

図３は、モード選択用のマイクロ／ナノ構造の別の例を示しており、これは、本発明による方法を使用して製造可能である。この場合には、パターンは、三角形パターンにおいてレイアウトされた円形の同一の孔から構成されている。マイクロ／ナノ構造のモード選択領域の周囲（形状）は、略円形である。１５０ｎｍ〜７５０ｎｍという孔直径が一般的である。欠陥２７０の一般的な直径は、６〜１２μｍである。部分２４０の一般的な直径は、２０μｍである。コンタクト２３２の一般的な内部及び外部直径は、それぞれ、２０μｍ（部分２４０の直径に等しい）及び６０μｍである。コンタクト１３１の一般的な内部及び外部直径は、それぞれ、６０μｍ（コンタクト２３２の外部直径に等しい）及び７０μｍである。

以上の説明においては、本発明の明瞭且つ完全な理解を提供するために、限定ではなく説明を目的として、特定の材料、設計、及び寸法などの開示された実施例の特定の具体的な詳細を示している。しかしながら、本発明は、本開示の精神及び範囲を逸脱することなしに、その他の実施例において実施可能であることが当業者には理解されよう。更には、この文脈において、且つ、簡潔性及び明瞭性のために、周知のプロセス及び方法に関する詳細な説明は、不必要な詳細及び可能な混乱を回避するべく、省略した。

Claims (14)

1. マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を含む垂直共振器面発光レーザー構造を製造する方法において、
   −後続の段階において形成される複数の部分を保持する基板を提供する段階と、
   −前記基板上に層構造を形成する段階と、
   を有し、
   前記層構造は、
   ・複数の層から構成された下部ミラーと、
   ・前記下部ミラーの上方に形成されたＩＩＩ−Ｖベースの利得領域であって、光を生成し、且つ、生成された光を放射するべく適合された利得領域と、
   ・第１上部ミラー層と残りの上部ミラー層とを備える上部ミラーであって、前記下部及び上部ミラーが前記利得領域を保持するレーザー共振器を形成するように、前記利得領域の上方に形成された上部ミラーと、
   ・前記上部ミラー内の前記第１上部ミラー層と残りの上部ミラー層間に位置するマイクロ／ナノ構造のモード選択領域であって、前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域は、光アパーチャを有し、前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域及び前記光アパーチャの寸法は、前記共振器の横電磁モードにおけるレーザー動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合された、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域と、
   を有し、
   前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域は、
   −前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域が位置するべき場所に配置された誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層を、前記第１上部ミラー層上に形成する段階と、
   −前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層上にマスク層を形成する段階であって、前記マスク層は、前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域に対応した既定のマイクロ／ナノ構造のモード選択設計／レイアウトを具備するマスクパターンを有する、段階と、
   −エッチングマスクとして機能する前記マスク層を伴うエッチング法を使用し、前記既定のマイクロ／ナノ構造のモード選択設計／レイアウトを前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層内にエッチングして前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を形成する段階と、
   −前記マスク層を除去する段階と、
   によって形成され、
   前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層の上方の前記上部ミラーの前記残りの上部ミラー層は、前記マスク層を除去する段階の後に、前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層上に形成され、
   且つ、前記エッチング法は、前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層内における第１エッチングレートと、その上部に前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層が形成される層内における第２エッチングレートと、を具備し、前記第１エッチングレートは、前記第２エッチングレートを上回る、方法。
2. 停止点において又はこの直後において前記エッチング段階を停止する段階を更に有し、前記停止点は、前記エッチング段階が前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層と、その上部に前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層が形成される前記層の間のインターフェイスに到達する時点に対応する請求項１記載の方法。
3. 前記第１エッチングレートと前記第２エッチングレートの間の比率は、少なくとも１．５、少なくとも２、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも１５、少なくとも２０、少なくとも５０、少なくとも１００などのように、少なくとも１．２である前項までの請求項中のいずれか一項記載の方法。
4. 前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層は、堆積厚さの相対的な不確実性が、５％未満、２％未満、１％未満、０．５％未満などのように、１０％未満であることを特徴とする堆積プロセスを使用して堆積される請求項１乃至３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層は、ＰＥＣＶＤプロセス又はスパッタリングプロセスを使用して堆積される請求項１乃至４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層と、存在する場合に、前記上部ミラーの一部として形成された更なる誘電体層は、ＳｉＯ_x、ＴｉＯ_x、ＴａＯ_x、ＣａＦ₂、ＺｎＳｅ、ＭｇＦ₂、ＳｉＧｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ_xＯ_yの中の１つ又は複数のものから製造される請求項１乃至５のいずれか一項記載の方法。
7. 前記上部ミラーの最上部の部分は、ＳｉＯ_x、ＴｉＯ_x、ＴａＯ_x、ＣａＦ₂、ＺｎＳｅ、ＭｇＦ₂、ＳｉＧｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ_xＯ_yの中の１つ又は複数のものから製造された層から構成される請求項１乃至６のいずれか一項記載の方法。
8. 前記エッチング法は、ＣＨＦ₃乾式エッチング、ＣＦ₄／Ｏ₂乾式エッチング、及びＢＨＦ湿式エッチングの中の１つである請求項１乃至７のいずれか一項記載の方法。
9. 前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層の上方の前記上部ミラーの層は、ＩＩＩ−Ｖ層を有する請求項１乃至８のいずれか一項記載の方法。
10. 前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層の上方の前記上部ミラーの層は、１つ又は複数の誘電体層のみから構成される請求項１乃至８のいずれか一項記載の方法。
11. 前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層の下方の前記上部ミラーの層は、１つ又は複数のＩＩＩ−Ｖ層からのみ構成される請求項１乃至１０のいずれか一項記載の方法。
12. 前記誘電体層は、ＩＩＩ−Ｖ層上に形成される請求項１乃至１１のいずれか一項記載の方法。
13. 前記誘電体層は、前記ＩＩＩ−Ｖに基づいた利得領域上に直接形成される請求項１乃至１２のいずれか一項記載の方法。
14. マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を含む垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）構造を製造する方法において、
    −後続の段階において形成される複数の部分を保持する基板を提供する段階と、
    −前記基板上に層構造を形成する段階と、
    を有し、
    前記層構造は、
    ・複数の層から構成された下部ミラーと、
    ・前記下部ミラーの上方に形成されたＩＩＩ−Ｖに基づいた利得領域であって、光を生成し、且つ、生成された光を放射するべく適合された利得領域と、
    ・第１上部ミラー層と残りの上部ミラー層を備える上部ミラーであって、前記下部及び上部ミラーが前記利得領域を保持するレーザー共振器を形成するように、前記利得領域の上方に形成された上部ミラーと、
    ・前記上部ミラー内の前記第１上部ミラー層と前記残りの上部ミラー層間に位置するマイクロ／ナノ構造のモード選択領域であって、前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域は、光アパーチャを有し、前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域及び前記光アパーチャの寸法は、前記共振器の横電磁モードにおけるレーザー動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合される、マイクロ／ナノ構造のモード選択領域と、
    を有し、
    前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域は、
    −前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域が位置するべき場所に配置されたマスク層を、前記第１上部ミラー層上に形成する段階と、
    −前記マイクロ／ナノ構造のモード選択領域を定義する既定の逆マイクロ／ナノ構造を具備したマスクパターンを有する前記マスク層をパターニングする段階と、
    −前記マスク層を使用して誘電体層をリフトオフし、これにより、前記誘電体モード選択層内に前記マスク層のマイクロ／ナノ構造の設計／レイアウトの反転であるマイクロ／ナノ構造を形成することにより、前記パターニングされたマスク層上に前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層を形成する段階と、
    によって形成され、
    前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層の上方の前記上部ミラーの前記残りの上部ミラー層は、前記マイクロ／ナノ構造層を形成した後に、前記誘電体マイクロ／ナノ構造のモード選択層上に形成される、方法。

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