JP7418328B2 - ハイパワーのレーザグリッド構造 - Google Patents

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Description

低コストであり、高効率であり、ハイパワーである半導体レーザが、例えば、照明レーザ、ビーコンレーザ、などの、指向性エネルギー用途のための、または他のレーザを励起するための、技術分野で必要である。面発光レーザデバイスはパワーをスケーリングするように特に構成可能である。このようなデバイスは、通常、上面発光（ｔｏｐ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ）または背面発光（ｂａｃｋ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ）であり、ここでは、全キャビティが一連の鏡およびアクティブ領域の中に作られる。他の設計では、鏡の完成体の一方側を数ｍｍの比較的長い距離だけ外側に移動させることになる。このようなレーザデバイスのための外部キャビティの設計をアレイ構成の中に作ることは困難であることが分かっており、これは接着後にチップが非平面状に湾曲することに起因しており、これにより内部キャビティの鏡が悪影響を受け、一度に少数のアレイのみしか最適化されず、それにより一貫した結果を減少させる。
米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号明細書 米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号明細書 米国特許第５，９７８，４０８号明細書
Ｙｏｓｈｉｋａｗａらの、「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ ＶＣＳＥＬ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｐｒｏｃ． ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００５年、ｐｐ．１３５３－５８Ｖｏｌ．２
当技術分野のこれらの問題に対しての解決策として、本発明者らは、湾曲することを克服することにおいて複数の利点を提供する半導体レーザ構造を開示する。このような構造の一例が、単一メサ構造の中に複数のレーザ領域を有する背面発光のエピタキシャル構造であってよく、各レーザ領域はアパーチャを有し、このアパーチャを通ってレーザビームが制御可能に放射される。各アパーチャはレーザキャビティの一部であってよい。湾曲が問題となるような上で説明した当技術の従来のアプローチとは異なり、材料の屈折率においてコントラストを有するような一連の層である鏡ステージの完成がウエハー上の鏡または反射層を用いて完成されることを理由として、各キャビティが悪影響を受けない。この一貫した距離が、より大型のデバイスアパーチャ内でのアウトプットを最適化するために、ビーム形成光学素子と併せて使用され得る（しかし、延長されたキャビティデバイスのアレイの全体の出力パワーを維持するためにはより多くのアパーチャが用いられる）。従来の設計を用いる場合、チップが基板に接着されるとき、応力がチップをわずかに変形させて平坦な表面からわずかに湾曲した表面とし、チップの表面に対して平面的である鏡アレイを位置合わせすることを不可能とする。キャビティの平面性は、アパーチャに戻るフィードバックを制御することを理由として、重要な位置合わせのための特徴である。
本明細書で説明される例示の実施形態を用いる場合、当技術分野の従来の解決策によって経験される湾曲の問題が、マイクロレンズアレイのためのマウンティングサーフェスとしてレーザ基板の背面を使用することによって克服され得る；この表面は、常に、平面的であり、レーザ領域のためのすべてのレーザ光学軸に対して垂直である。このアーキテクチャにより従来の設計より小さいアパーチャサイズが得られるが、この小さいアパーチャサイズは、半導体レーザ構造に含まれ得るいくつかのレーザ領域および対応するアパーチャによってオフセットされ得る。この場合、非コヒーレントなビームコンバイナが、全体のビームのための低コヒーレンス長を得ることを目的として、これらのアパーチャによって放射されるレーザビームを非コヒーレントに結合するように位置付けされ得、これは照明装置およびビーコンレーザにとって有益である。
したがって、本明細書で説明される例示の実施形態により、パワーを増大させるが、パルス幅を縮小させ、サイズを縮小させ、重量を低減させ、コストを軽減させるのを可能にするような、独自の設計アーキテクチャが得られる。したがって、本明細書で説明されるテクノロジは、ドローン防衛用の指向性エネルギー兵器のために使用され得る照明装置またはビーコンレーザとして使用されるのに適する、高いビーム品質を有する、ハイパワーであり、短いコヒーレンス長を有するビームを得ることにより性能を向上させると見込まれる。
本明細書において以下で、本発明のこれらのおよび他の特徴および利点が当業者に対して説明される。
例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。 例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。 例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。 例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。 例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。 例示の底面発光（ｂｏｔｔｏｍ ｅｍｉｔｔｉｎｇ）のインプラントの実施形態を示す図である。 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。 例示のマイクロストリップの実施形態を示す図である。 例示の位相コヒーレントの実施形態を示す図である。 回折光学素子を採用する例示の実施形態を示す図である。 パターン回折格子（ｐａｔｔｅｒｎ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｇｒａｔｉｎｇ）を採用する例示の実施形態を示す図である。 例示のマイクロレンズの実施形態を示す図である。 例示の第１０の実施形態を示す図である。 例示の第１１の実施形態を示す図である。 例示の第１２の実施形態を示す図である。 種々の実施形態に関連するレージンググリッドのための追加のパターンの例を示す図である。 本明細書で説明されるように設計される例示の実施形態と米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号によって教示される実施形態との間で電流フローを比較して示す図である。 例示の実施形態によるレーザ装置を示す断面図である。 レーザウエハーの背面側に位置付けされるレンズを示している、例示の延長されたキャビティを示す断面図であり、ここでは、レンズが、鏡として機能する誘電体コーティングを有する。 例示の実施形態ためのシミュレーション結果を示す図である。 レーザ装置の例示の実施形態と共に使用され得る例示の融通性のあるビーム結合テクニックを示す図である 図２８の融通性のあるビーム結合テクニックを示す斜視図である。 グラフェンレンズ構造との組み合わせでレーザ構造を有する例示のレーザ装置を示す断面図である。 グラフェンレンズ構造を形成するのに使用され得る例示のプロセスを示す図である。 グラフェンレンズ構造が幅および間隔に関して変化するように設計され得る例を示す図である。 レーザ構造のための延長されたキャビティ設計において形成されるレンズを置き換えることができる例示のグラフェンレンズの設計を開示する図である。 レーザ構造において回折光学素子（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）を置き換えることができる例示のグラフェンレンズ設計を示す図である。
図２５は、マイクロレンズアレイ２５０４および非コヒーレントなビームコンバイナ２５１０との組み合わせで、レーザ構造２５０２を含む例示のレーザ装置２５００の断面図を示す。レーザ構造２５０２が、前面（頂部）２５０４および背面２５０６を有するレーザ発光エピタキシャル構造であってよく、レーザ発光エピタキシャル構造が背面発光である。レーザ構造は単一メサ構造の中に複数のレーザ領域を備え、各レーザ領域がアパーチャを有し、このアパーチャを通ってレーザビームが制御可能に放射される。図２５によって示されるように、マイクロレンズアレイ２５０２がレーザ構造２５０２の背面２５０６上に置かれる。マイクロレンズアレイ２５０４の各マイクロレンズがレーザ発光エピタキシャル構造２５０２のレーザ領域に対して位置合わせされる。非コヒーレントなビームコンバイナ２５１０が、アパーチャから放射される複数のレーザビームを非コヒーレントに結合するように位置付けされる。
レーザ構造２５０２として使用され得るデバイスの例が、以下の米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号で開示および説明されており、その開示は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれ、そのコピーが付録Ａとして含められる。付録Ａは、複数の導電グリッドから形成されるレーザ構造を説明しており、例示の実施形態ではこの複数の導電性グリッドから形成されるレーザ構造が、メサ構造の中にある半導体レーザの単一のユニットと、高周波数動作のための高速電気導波管に対してのそれらの接続部とによって具現化され得る。レーザ構造２５０２として使用され得るデバイスの追加の例が以下の米国特許出願で開示および説明されており、その各々の開示は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる：（１）２０１７年２月２日に出願された、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ Ａｄｖａｎｃｅ Ｌｉｇｈｔ Ｇｒｉｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ－Ｃｏｓｔ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ」と題される、米国特許出願第６２／４５６，４７６号、（２）２０１７年２月２日に出願された、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｇｒｉｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ Ｗａｆｅｒ Ｓｃａｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」と題される、米国特許出願第６２／４５６，４８９号、（３）２０１７年２月２日に出願された、「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｇｒｉｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｖｅｒ Ｄｉｓｔａｎｃｅ」と題される、米国特許出願第６２／４５６，５０１号、（４）２０１７年２月２日に出願された、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｄｉｏｄｅｓ」と題される、米国特許出願第６２／４５６，５１８号、および（５）２０１７年２月１５日に出願された、「Ｒｉｇｉｄ Ｌａｓｉｎｇ Ｇｒｉｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ａｒｒａｙ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ Ｓｃａｎ， Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ， ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｕｓｉｎｇ Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄｓ」と題される、米国特許出願第６２／４５９，０６１号。
さらに、レーザ構造２５０２は複数のレーザ発光エピタキシャル構造のアレイとしても構成され得、各レーザ発光エピタキシャル構造が単一のメサ構造を有し、ここでは、単一メサ構造が複数の分離されたレーザ領域を含む。このようなアレイの中では、レーザ構造２５０２が複数のメサ構造を含むことができ、各メサ構造が複数の分離されるレーザ領域を含む。このようなレーザグリッド構造は、小さいチップ上にいくつかのレーザ放射体を呈することができる。
例示の実施形態として、レーザ装置２５００がビーコン照明装置レーザ内で使用され得る。このテクノロジでは、レーザキャビティは、図２６に示されるように、光学構成要素を外部において位置合わせするのを排除することを目的として、ウエハーの背面まで延在していてよい。この設計アプローチはビーム品質を劇的に向上させることができる（Ｍ２＜１．５）。さらに、非コヒーレントなビーム形成アーキテクチャにおいて、個別のビームの特性によって定義される、高品質のビーム特性を有する複数の低コヒーレンスのビームを使用することにより、ビームのコヒーレンス長が１ｍｍ未満まで縮小され得る。
レーザ構造２５０２をマイクロレンズアレイ２５０４に組み合わせる方法が、２Ｄフォトリソグラフィテクニックを伴い、２Ｄフォトリソグラフィテクニックが数万個のチップを単一の４”のウエハーの上に配備するのを可能にし（図２６の基板２６００を参照）、さらにはチップスケールの複雑さを排除する。延長されたキャビティデバイスの例はＭ２値＜１．５を達成した。実際には、このウエハーレベルプロセスは、出力パワーおよび信頼性を向上させながら、１回のプロセスにおける単一ウエハー内での数１０００時間のアライメントの調整を排除することになる。
図２６に示されるように、マイクロレンズアレイが複数の湾曲レンズ２６１０を備えることができ、各湾曲レンズ２６１０がスムーズな曲率半径を有する。レンズアレイが、背面発光のエピタキシャル成長側の反対側において、レーザ基板の背面の表面にエッチングされ得る。最初に薄いフォトレジストを用いてパターニングを行って、ガラスの溶解するタイミングであるガラス遷移状態を超えるようにフォトレジストを加熱して、フォトレジストが溶解し、表面張力に起因するレンズ型構造を形成するときに、レンズのアレイのエッチングが行われる。このようにして、このレンズ型の構造が、この構造をＧａＡｓレーザウエハー表面にエッチングするためのマスクとなることができる。レンズの曲率半径（ＲＯＣ：Ｒａｄｉｕｓ ｏｆ Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）は、レジスト除去速度と比較して、ＧａＡｓの除去を含めた、ＢＣｌ３とＣｌとの間での選択性を調整することにより、制御され得る。これが、プラズマにＯ２を加えることにより、または他の方法により達成され得る。後で考察されるようにチップの背面上にレンズのアレイを作ることにおいて、エッチングされたレンズに対してグラフェンレンズが置き換えられることもでき、またはグラフェンレンズがビーム形成アレイとして使用される場合、グラフェンレンズが、マイクロレンズアレイとして、外部のクリアなつまり透明な基板の上に形成されてもよい。
各レンズ２６１０が、基板２６００の背面２５０６において、アパーチャのところで終端する基板２６００内のレーザキャビティ２６０２に位置合わせされ得る。説明を容易にするために、このようなキャビティ２６０２が図２６では１つのみ示されるが、レンズ２６１０の各々が多様なレーザキャビティ２６０２に位置合わせされ得ることを理解すべきである。各キャビティ２６０２が、アパーチャを通るビーム放射方向に一致する光学軸を呈する（例えば、図２６の構成を基準にする場合は垂直軸）。
レンズ２６１０が反射誘電体などの反射コーティングで覆われ得、その結果、レンズ２６１０が、レーザキャビティ２６０２から放射される光のうちの一部の光のための鏡として機能するようになる。図２６によって示されるように、レンズ２６１０が、ビーム品質およびビームアウトプットを向上させることを目的として、キャビティ２６０２の中心へと光を集中させるようなフィードバック機構を提供するように、湾曲していてよい。こうして、さらにこの反射光がキャビティ２６０２内に向かわされて、キャビティ２６０２の中心光学軸に沿うビーム放射の光エネルギーのより大きな集中を作り出す。キャビティ２６０２を長くすることにより、安定化が達成され得、より良好な品質のビームアウトプットが達成され得る。
キャビティ２６０２へのレーザフィードバックの結果として起こるビーム品質の劣化は、キャビティ２６０２を正確にモデル化されたマイクロレンズの曲率半径に適合させることにより、軽減され得る。このエリアをレーザの電流閉じ込め領域に適合させるようにフィードバックスポットが最適化される場合、電流が光子を作り出すところのレーザのアクティブ領域をオーバーフィリング（ｏｖｅｒｆｉｌｌｉｎｇ）またはアンダーフィリング（ｕｎｄｅｒｆｉｌｌｉｎｇ）しないようにすることにより、パワーアウト（ｐｏｗｅｒ ｏｕｔ）を最適化することができる。エピタキシャル設計はさらに、エピタキシャル出力鏡の中の反射率を最適化するためのさらなる成長の実行を必要とする。出力パワーは出力鏡の反射率に応じている。鏡がより反射すると、外に出ることになる光子の数が減少し、反射してキャビティの中に戻る光子の数が増加する。出力キャビティの反射率を調整することが、パワーアウトを最適化するのを補助する。エピタキシャル層を修正することにより、またはマイクロレンズがエッチングされたアレイの表面上に堆積される鏡の完成層を調整することにより、反射率が調整され得る。
これらのレンズ２６１０を作るのに使用され得るウエハースケールのフォトリソグラフィテクニックの例が図３０－３４を参照して以下で説明される。このようなウエハースケールのフォトリソグラフィを用いる場合、数十万個のレンズが同時に位置合わせされて形成され得る。
コヒーレントなアレイからのビームと比較すると、図２５および２６によって示されるような非コヒーレントなアレイからのビームは短いコヒーレンス長を有し、標的上でより少ないスペックルを作る。図２５および２６のアレイに対するコヒーレンス長は１ｍｍ未満となり得ると考えられる。試験されたすべての低コヒーレンスアレイが、レーザが追加されたときに、パワーアウトとの線形関係を示した。１ｍＷのアウトプットを各々が有する１００個のレーザが１００ｍＷのパワーを発生させることになり、また、各々０．１Ｗである１００万個のレーザが１００，０００ワットの光学パワーを発生させることになる。コヒーレントな構造はよりファーフィールドにおいてより多くのシンチレーションを有する。図２７は、図２６の例示の実施形態に関する波動光学ビームプロパゲータ（ｗａｖｅ－ｏｐｔｉｃｓ ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｏｒ）を使用するシミュレーションの結果を示している。六角形アレイのトップハットビームが、相互コヒーレンスを有する場合における、および相互コヒーレンスを有さない場合における乱れの１つの具体例を通して伝播されている。各々の標的照射フレーム内の白色のサークルは、ターゲットスポットを示している。上で述べたように、非コヒーレントなアレイが、ターゲットスポット上でより少ないスペックルを発生させるものとしてシミュレートされている。
図２５－２６の構成はさらに、新しい種類のビーム結合を可能にする。例示の実施形態では、非コヒーレントなビームコンバイナ２５１０は、レーザ構造２５０２およびマイクロレンズアレイ２５０４の外部にあるマイクロレンズなどの追加のレンズ要素の形態をとることができる。ビームが正面を指してマイクロレンズアレイ２５０４から出て、ビームコンバイナ２５１０が、ビームの縁部において曲がるように動作し、レンズのピッチへのレーザのピッチのオフセットの差を理由としてすべてのビームが集束する。したがって、ビームコンバイナ２５１０が２Ｄアレイの手前において単一のスポットの方にビームを導く。非コヒーレントなビームコンバイナ２５１０は、重複する集束点を有するような２Ｄのビーム結合を採用することができる。しかし、ビームコンバイナ２５１０が、複数の重複する集束点を有する３Ｄのビーム結合を採用することもできることを理解すべきである。
図２８は、レーザ装置２５００の例示の実施形態と共に使用され得る例示の融通性のあるビーム結合テクニックを示している。図２８では、アレイスタック内の底部層は完全なレーザグリッドアレイであってよく、対してスタック内の上側層はレーザグリッドアレイの中に開口部（例えば、図２８によって示されるような中央の孔）を含むことができる。上側のスタック内のマイクロレンズアレイ２５０４は、トーラス形状レンズを採用することができる。図２６の一連のレーザグリッドアレイ上にある一連のこれらのトーラス形状レンズが、トーラス形状レンズによって発生される光のいずれの円錐に対しても等しい頂点を有するＺ軸内に配置される。これらの円錐がレンズの手前においてレンズの干渉を受けることなくトーラスレンズを通過する。トーラスレンズおよび光グリッドの各系が、等しいスポット上においてあるいはすべての円錐の頂点において大きいパワーを発生させるような複数の円錐を有することになるように組み立てられ得る。図２９が、図２８によって示されるビーム結合の斜視図を示す。
したがって、図２５－２９は、ＶＣＳＥＬ半導体レーザアレイからの高速（１ＧＨｚを超えるオン／オフ速度）でありハイパワーであるアウトプットを呈することができる光グリッド構造のための例示の実施形態を説明している。この光グリッド構造は、本明細書で考察される構成的なアレイ設計に起因して、より高い歩留まりを容易に達成する。このデバイスは単純化された製造設計プロセスを使用し、それによりウエハースケールのプロセスを使用する完全な半導体のレーザチップにより速度およびパワーの性能を向上させるのを達成し、それにより複雑な組み立てタスクを排除する。これにより、費用のかかる複雑な外部のマイクロレンズ／鏡アレイとの位置合わせの代わりにこの製造プロセスを使用することで、小型化と、コスト削減と、ビーム特性の融通性の向上とが実現される。したがって、本テクノロジは、ドローン防衛用の指向性エネルギー兵器などの用途に使用され得るような、高ビーム品質であり、ハイパワーであり、短いコヒーレンス長の半導体レーザアレイの自動製造を改善することになる。
図３０は例示のレーザ装置２５００の断面図を示しており、ここでは、マイクロレンズアレイはグラフェンレンズ構造３０００の形態をとる。グラフェンレンズ構造３０００が単一のグラフェンレンズ構造またはグラフェンレンズ構造のアレイであってよい。
図３１は、グラフェンレンズ構造３０００を形成するのに使用され得る例示のプロセスを開示している。ステップ３１００で、グラフェンがレーザ構造２５０２（例えば、付録Ａの、後で説明される例などの、背面発光の複数の導電性グリッドから形成されるレーザ構造）の背面２５０６上に堆積される。ステップ３１０２で、堆積されたグラフェンのエリアをマスクするのにフォトリソグラフィが使用される。これらのマスクされるエリアがプラズマエッチングされないことになる。図３２－３４が、このステップとして使用され得るマスクパターンの例を示している。次いで、ステップ３１０４で、マスクされたエリアがプラズマエッチングされないように、堆積されたグラフェンをプラズマエッチングすることにより、グラフェンレンズ構造３０００が形成される。例として、Ｏ２プラズマエッチングが実施され得る。これが、装置２５００内でグラフェンレンズ構造３０００として使用され得るフォトリソグラフィックレンズ構造をもたらす。この革新的なプロセスは、レーザ構造２５００によって形成される光をインデックスガイド（ｉｎｄｅｘ ｇｕｉｄｅ）するかまたは導くために、グラフェンおよびＧａＡＳなどの半導体である２つの材料の間での固有の高コントラストの反射率の差を使用する。
図３２は、グラフェンレンズ構造３２００が幅および間隔に関して変化するように設計され得る例を示している。この例では、グラフェンレンズ構造３２００が、複数の同心グラフェンリング３２０２を備える。グラフェンリング３２０２の幅およびグラフェンリング３２０２の間の間隔が、グラフェンレンズ構造３２００のための所望の光学効果を達成するために、マスキングプロセス中に制御および画定され得る。さらに、図３２の例は、独自の１６個のレンズのアレイのための例示の４×４のマトリックスマスクを示しており、ここでは、２つのマスクがライトフィールド（ｌｉｇｈｔ ｆｉｅｌｄ）およびダークフィールド（ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ）のために採用され得る。
図３３は、レーザ構造２５００のための延長されたキャビティ設計内の形成されたレンズを置き換えることができる例示のグラフェンレンズ設計を示している。図３３の上側部分がこのグラフェンレンズ構造のために使用され得る幅特性および間隔特性の異なる例を示しており、図３３の下側部分が付録Ａの図２１に対応する例示のＶＣＳＥＬレーザ構造を示している。このグラフェンレンズ構造は、設計を向上させることを目的として、図２１に関連して付録Ａで説明される形成されたレンズを置き換えることができる。さらに、反射コーティングがグラフェンレンズ構造の表面の上に堆積され得る。
図３４は、レーザ構造２５００内の回折光学素子（ＤＯＥ）を置き換えることができる例示のグラフェンレンズ設計を示している。図３４の上側部分が、グラフェンレンズ構造のために使用され得る幅特性および間隔特性の異なる例を示しており、図３４の下側部分が付録Ａの図１８に対応する例示のレーザ構造を示している（上で参照されて組み込まれる、米国特許出願第６２／４５６，４７６号、米国特許出願第６２／４５６，４８９号、米国特許出願第６２／４５６，５０１号、米国特許出願第６２／４５６，５１８号、および米国特許出願第６２／４５９，０６１号、も参照されたい）。グラフェンレンズ構造が、設計を向上させることを目的として、付録Ａの種々の実施形態で説明されるＤＯＥを置き換えることができる。図３４によって示されるように、レーザ光を単一の源を起源とするものに見せるような形でレーザ光を導くことを目的として、グラフェンレンズ構造がレーザ構造と共に使用され得る。
上記で本発明を例示の実施形態に関連させて説明してきたが、当業者によって認識される、依然として本発明の範囲内にあるような、例示の実施形態に対しての多様な修正形態が作られ得る。本発明に対してのこのような修正形態は、本明細書の教示を精査することによって認識可能である。したがって、本発明の全範囲は添付の特許請求の範囲およびそれらの法的な均等物のみによって定義される。
付録Ａ－米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号
レーザアレイは、単一レーザ、ファイバレーザ、ダイオード励起固体状態（ＤＰＳＳ：ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）レーザ、および発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）と比較して、高い動作光学パワー（ｈｉｇｈｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）および高周波数動作を理由として、通信、光検知測距（ＬｉＤａＲ：ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）、および材料処理の分野で重要になりつつある。
レーザアレイは、一般に、印刷および通信で使用されているが、並列通信のためのアレイの各レーザデバイスに対して、単一の別個の接続部を有する構成で使用されるものであり、ここでは、各レーザがアレイ内の他のデバイスとは別個のコンタクトを有することを理由として別個の信号を有することができる。
アレイ要素が一体に結合されて単一の信号で駆動されるとき、構造があまりに大きい静電容量またはインダクタンスを有することになる。この高静電容量特性／高インダクタンス特性は、レーザアレイがより多くの要素を追加するとき、レーザアレイの周波数応答の速度を低下させることになり、それによりそのようなレーザアレイの速度を低下させる。このことが、Ｙｏｓｈｉｋａｗａらの、「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ ＶＣＳＥＬ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｐｒｏｃ． ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００５年、ｐｐ．１３５３－５８Ｖｏｌ．２、および米国特許第５，９７８，４０８号、の参考文献に明示されている。
マルチメサ構造に基づく高速レーザアレイが、本発明者の過去の文献、米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号で説明されている。米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号が、半導体レーザのマルチメサアレイと、高周波数動作のための高速電気導波管へのそれらの接続部とを説明している。しかし、米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号で説明されるマルチメサ構造は多くの欠点を有する。
米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号で説明されるメサ構造の１つの問題は、一般にメサ構造が脆弱であることである。このことは、メサの形成後に接着のためのまたはレーザに触れるための何らかの機械的手順が存在する場合に問題である。メサ構造は直径が５ミクロンから１０ミクロン程度小さくなり得、ＧａＡｓまたはＡｌＧａｓなどの非常に脆い材料からあるいは他の同様の結晶材料から構成され得る。これらのメサは加工後に接着されなければならず、熱下で圧力が加えられ、その結果、レーザメサの頂部およびサブマウントがはんだにより電気的に接着される。背面発光デバイスのアレイを接着するときの、接合部分における一般的な破断メカニズムはメサに亀裂が入ることであり、それがレーザを役に立たないものとし、またデバイス全体を廃棄させる可能性がある。チップ上に３０個のレーザが存在して、接着後に２個のレーザが壊れた場合、これらの２つのデバイスが発光しなくなる。さらに試験を行わなければならず、それにより、故障を取り除くためのプロセスが高価となる。
別の問題は、マルチメサ構造では、レーザチップ上に存在する複数のメサのための間隔の要件を理由としてチップ面積（ｃｈｉｐ ｒｅａｌ ｅｓｔａｔｅ）に応じてのレージングパワーを比較的小さいものとしてしまうことである。
メサ分離法によって作られる複数のメサアレイの別の問題は、信号がコンタクトパッドを横断して移動するための距離が短い方が好ましい周波数応答依存の設計パラメータに起因して、レーザがある距離で分離されることによりアレイの全体のサイズが制限されることである。この後、アレイが、赤外線（ＩＲ）照射のために使用される複数の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）アレイなどのパワーを増大させる要素と共に使用されることになった。しかし、これらのＩＲ源は高周波数動作をサポートしないことから、パルス幅が、高速パルス幅を必要とするＬＩＤＡＲではなく、照明のみに限定される。
本発明者らは、より強く、よりパワフルで、高速であるレーザアレイの場合における当技術の要求を満たすために、本明細書で、本発明のいくつかの実施形態を開示する。例えば、以下で説明される本発明の実施形態は、電気導波管を採用する信号パッドを基板上に形成することにより静電容量を低減しながら、アレイのレーザを一体に接続することを目的として、高周波数電気導波管を組み込む。本発明の実施形態は、構造のうちの非導電性部分とは対照的に導電性である複数のエリアを作るためのｍｕｌｔｉ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔテクニックを単一の構造内で使用することをさらに含む。導電性部分が、レージングポイントの構造全体にわたってエッチングを行うことなく、レーザを形成するレージングエリアまたはレージンググリッドを形成する。上で参照した米国特許第５，９７８，４０８号で説明される設計とは異なり、本明細書で開示される本発明の実施形態は、高周波数動作を可能にするためにレーザアレイを高速電気導波管と一体化するように、設計および加工される。本発明の実施形態は、高周波数動作および剛性の構造の両方を呈することにより、ハイパワーである高速の光源の設計における新しい独自の機会をサポートするものであり、それにより当技術で知られている他の設計と比較して性能および信頼性を向上させる。
本明細書で説明される例示の実施形態では、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のエピタキシャル材料から加工される独自の構造が、米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号で言及される構造などのＶＣＳＥＬアレイの中に形成される一般的なメサ構造と比較して、静電容量を低減させ、構造完全性を向上させ、また、フィルファクタを減らすことにより、高速動作に寄与する単一の剛体構造からレーザポイントのグリッドを形成する。ＶＣＳＥＬの実施形態が単に例であり、このような設計が、共振キャビティ発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ：Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｖｉｔｙ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ、または垂直延長共振器（または、垂直外部共振器）面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ（ｏｒ Ｅｘｔｅｒｎａｌ） Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）などの、他のレーザタイプと共に機能することができることを理解されたい。
本明細書で説明される単一の連続構造が、一般的にはエッチングされて除去されるような材料の構造完全性を維持しながら、イオンのインプラントを使用してアパーチャの電気絶縁エリアを形成するか、またはマイクロ構造または孔を通じての非導電性酸化エリアを形成する。この新しい構造の形成が、さらに、分離された異なるレーザ伝導ポイントまたはグリッドの間で高速信号を分配するのを可能にする。レーザグリッドのＰ型コンタクトエリアのすべてが、グラウンド－シグナル－グラウンド（ＧＳＧ）の一体化された電気導波管の信号部分に並列に接続され得る。導波管内でオンおよびオフに切り換えられる信号または電流が、レーザを形成するすべての導電パスの間で分配される。マイクロストリップ導波管などの他の種類の電気導波管が使用されてもよいことを理解されたい。
この単一の連続構造は、より大型のめっき構造内での熱分配のためのより大きいベースなどのような、他の利点も有する。レージンググリッドはアレイ構造よりも互いにより接近する。レーザがさらに離れると、信号がアレイ内のすべての単一のポイントまで移動しなければならない距離に起因して、周波数応答または速度が低下し、それによりデバイスの最終的な帯域幅が制限される。
したがって、本発明の実施形態により得られる利点の例は：
１．剛性の構造がチップ接着プロセスにおいてより高い信頼性を有する
２．剛性の構造がより高いフィルファクタを可能にする
３．剛性の構造がより高い信頼性の金属コンタクトを有する
４．剛性の構造が加工することにおいてより単純である
５．剛性の構造がコンタクトの間でより短い距離を有し、それによりより高い周波数のハイパワービームを可能にする
６．剛性の構造が単一のレンズまたは単一のレンズアレイが取り付けられるためのより良好な表面トポロジーである
７．剛性のメサ構造がリードおよびコンタクトのための別のエリアを作り、それにより電位を低下させる静電容量からの分離を提供する
８．剛性の構造が、コンタクトの三次元性により、サブマウントとのより高い一体性を可能にする
を含む。
さらに、例示の実施形態では、レーザグリッドが、非導電性のイオンがインプラントされたエリアと比較して導電性が存在するような構造内の分離される領域にのみに電流を閉じ込めることによって可能にされる２つ以上のレージングエリアによって形成される。これらの導電性エリアおよび非導電性エリアが、単一の固体構造上にある、アクティブなポジティブコンタクトのための単一の金属コンタクトと、周囲のグラウンド構造上にある単一のＮ型コンタクトとを有する光のグリッドを形成し、単一のＮ型コンタクトが、２つのエリアを分離するトレンチの底部にあるＮ型コンタクトエリアに短絡される。例として、図７Ｃが、速度を向上させるのにフレーム内の開口部が如何にして補助するかを示している。
次いで、これらのＰ型コンタクトおよびＮ型コンタクトが高速電気コンタクトに接着される。２つの基板およびレーザチップがボンダによって位置合わせされ、次いで、一方のチップまたはもう一方のチップに堆積されているはんだを接着するために熱および圧力が加えられる。ｐ型パッドがめっきおよびはんだ高さの分だけｎ型ウエハーグラウンドから分離されることにより高いスピードが可能となるが、これは主として、ｐ型パッドをレーザ基板から除去してｐ型パッドを電気導波管基板の上に設置することによるものである。このように物理的な分離が静電容量を劇的に低下させ、それにより、回路の静電容量によって制限される周波数応答を増大させる。これがレージンググリッドが高周波数動作を実現することを可能にする。
基板の背面上に形成される単一のレンズ、あるいはグリッド構造の背面に取り付けられるかまたは接着される単一のレンズが、集束ポイントまで、または集束ポイントから、各レージングポイントを導くことができる。これは、ビームアウトプットが単一の源からのものであるようなものとして、ビームアウトプットをコリメートすることにおいて理想的な形である。
本明細書において以下で、本発明のこれらのおよび他の特徴および利点を当業者に対して説明する。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態１－上面発光のインプラント
図１は本発明の第１の実施形態の例を示す。この例では、単一の固体構造がエッチングを用いて周囲のグラウンドから分離され、単一の固体構造がその中にイオンインプラントを有する。イオンインプラントが非導電性の半導体材料のエリアを作り、非導電性のこれらのエリアがレージングエリア２に電流を流す。このようにして、イオンインプラントが複数のレージングエリア２のレーザグリッドを形成し、ここでは構造内の分離される領域に電流が閉じ込められ、この分離される領域では非導電性のイオンがインプラントされたエリアと比べて導電性が存在する。導電性エリアおよび非導電性エリアが、アクティブなポジティブ（Ｐ型）コンタクトのための，および周囲のグラウンド構造上にある単一のネガティブ（Ｎ型）コンタクトのための，単一の固体構造の上にある単一の金属コンタクトを有する光のグリッドを形成し、単一のネガティブ（Ｎ型）コンタクトが、２つのエリアを分離するトレンチの底部にあるＮコンタクトエリアにまたは周囲のグラウンド構造上のネガティブ金属に短絡され、周囲のグラウンド構造上のこのネガティブ金属が、２つのエリアを分離するトレンチの底部にあるＮ型コンタクトエリアに短絡される（例えば、図７Ｃのように（参照符号７８１および７８２を参照されたい））。これらのＰ型コンタクトおよびＮ型コンタクトがさらに高速電気コンタクトに接着され、それによりレージンググリッドが高周波数動作を実現することを可能にする。
図１はグリッドパターン内に配置されるレージングエリア２を示しているが、多くの形状のおよび多くのパターンのレージングエリア２が形成され得ることを理解されたい。これにより、レージングエリア２の形状／パターンを有する多くの形態の構造が可能となり、例えば、ハニカム構造パターン（例えば、多様なレーザ形状またはレーザパターンを可能にする多くのパターンのうちの１つである、別のパターンを示す図２３を参照されたい；非導電性エリア４２に対して、単一のメサ構造内にレーザのための導電性エリア４１を残すように、エッチングおよびインプラントのために使用され得る多くのパターンが存在する）、および接着を向上させながらより高い剛性を有するような他の構造パターンなどである。さらに、接合部により近接する複数のレーザを作ることを目的として、単一のメサ構造にエッチングされる孔（例えば、図７の孔７００５を参照）の中に高熱伝導性材料を用いて材料を堆積させることにより、熱除去が達成され得る。追加の構造パターンの例には、直線上にある正方形または円のような構成が含まれてよい。
図１は、レーザチップのエピタキシャル側の上面図を示す。単一のレーザ発光エピタキシャル構造１が、レージングエリア２（図１ではディスクとして示されている）以外のところに、イオンがインプラントされたエリアを有し、イオンがインプラントされたエリアではイオンインプラントがマスクされている。したがって、図１は注入後およびエッチング後のチップを示している。単一のレージング領域に対して各々のメサが対応しているような、複数のメサを有する米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号の従来の設計に対して、図１の設計は、複数のメサを有さず、代わりに単一のメサであることを特徴とし得る単一の連続構造１を示しており、ここではこの単一メサが複数のレージング領域２を有する。図１の図は電気コンタクトではなく単一のメサ構造を示すことを意図される。この構造１は、Ｐ型鏡と比べたＮ型鏡上の設計および反射率に応じて底面発光（ｂｏｔｔｏｍ ｅｍｉｔｔｉｎｇ）または上面発光であってよい。
図１は：
１ 複数のレージングポイントを作ることになる単一のアクティブメサ構造
２ マスクの下のエピタキシャル領域に対してインプラントが影響しないようにインプラントがマスクされているところの領域
３ 単一のアクティブメサ構造および単一のグラウンド構造を分離するエッチングされた分離トレンチ
４ 単一のグラウンド構造
を示す。
図２は図１によって示されるレーザチップの断面図であり、図２では図１によって示される単一のアクティブメサ構造１が１１を付されており、図２では図１によって示されるマスクされたインプラントエリア２が１２を付されている。図２は、インプラント後およびエッチング後のチップを示しており、頂部金属を示していない。エッチング領域１３が「フレーム」またはＮ型メサ１４から単一のメサ構造１２を分離する（図２では、図１からの単一のグラウンド構造４がフレーム／Ｎ型メサ１４として示されている）。図２は：
１１ 複数のレージングポイントを分離する単一のアクティブメサ構造のインプラントされたエリア
１２ レージングを作り出すことになる、インプラントからマスクされたエピタキシーのエリア
１３ 単一のアクティブメサ構造１１および単一のグラウンド構造１４を分離するエッチングされた分離トレンチ
１４ 単一のグラウンド構造
１５ 頂部のＰ型鏡と底部のＮ型鏡との間にある量子井戸（これは光子が放出されるところのアクティブ領域である）
１６ Ｎ型コンタクト層、またはＮ型金属電気コンタクトのロケーションのための高濃度ドープ層を有するＮ型鏡
１７ レーザ基板
を示す。
図３は図１および２によって示されるチップの斜視図である。インプラントされた領域は不可視である。金属コンタクトが示されていない。この図は、上面発光のまたは底面発光のインプラントデバイス（ｉｍｐｌａｎｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）のために使用され得る単一メサのエッチングのトポロジーを示すためのものである。インプラントのプロセスは頂部側の金属またはエッチングの前に行われてもまたは後で行われてもよい。
図４が、例示の上面発光のＶＣＳＥＬグリッド構造のエピタキシャル側の上面図を示している。この図は、はんだ付けプロセスによりレーザチップに接着される頂部側の電気導波管内にある正方形孔を通してのものである。この図では、分離されるエッチング領域が電気導波管によって隠されている。この図の円形ディスクが単一の固体メサ構造の上にある頂部金属コンタクトの中にあるか、またはめっき金属コンタクト領域の中にある孔である。図４は：
４１ 下に導波管を有する、基板内にある孔
４２ 頂部側のＰ型金属の中にある孔であり、そこを通してレーザビームを放射することができる
４３ 導波管基板の頂部
４４ レーザチップ上にある頂部側の延展金属
を示す。
図５は、図４に示される接着された電気導波管およびレーザチップの断面図を示している。電気導波管のための信号コンタクトが開かれ、その開口部を通してビームを伝播させることが可能となる。この実施形態の別の選択肢は、孔の代わりに、導波管のための透明なまたは透過性の基板材料を有することであり、そこを通してレーザを伝播させる。ＣＶＤ（化学気相堆積）されるダイヤモンドまたはサファイアあるいはガラスなどの透明材料がこの材料と例となり得る。この図は、不透明でありしたがって孔または開口部を必要とする、ＡｌＮｉなどの基板を用いる実施形態を示すものである。分離領域が、グラウンドに短絡される単一のメサグラウンドまたは構造から、あるいは「フレーム」構造から、単一のメサ構造を分離していることに留意されたい。
これらのＰ型コンタクトおよびＮ型コンタクトが高速電気コンタクトに接着（図７Ｂの参照符号７５１から７５４も参照されたい）される。グラウンド－シグナル－グラウンド（ＧＳＧ）電気導波管基板およびレーザチップが位置合わせされ（図１４Ｂを参照）、その結果、ネガティブメサが導波管のネガティブ部分に接着され、レーザを放つポジティブのアクティブエリアが信号パッドに位置合わせされる。このアライメントがボンダによって画定され、次いで、一方のチップまたはもう一方のチップに堆積されているはんだを接着するために熱および圧力が加えられる（図１５を参照）。このコンタクトの高速であるという性質は、ｐ型パッドがめっきおよびはんだ高さの分だけｎ型ウエハーグラウンドから分離されることによるものであるが、これは主として、それをレーザ基板から除去してそれを電気導波管の上に設置することによるものである。このように物理的な分離が静電容量を劇的に低下させ、それにより、周波数応答を増大させ（周波数応答は回路の静電容量によって制限される）、レージンググリッドのための高周波数動作をもたらす。
例示の実施形態では、高速動作のために、エピ設計の底部のところで表面が電気コンタクトに接続され、これが、単一構造（例えば、図７Ａを参照（参照符号７１７））を囲む分離トレンチ（例えば、図７Ａの参照符号７０２を参照）を通して達成される。この構造はメサトポロジーに基づいておらず、金属めっき（図７Ｃの参照符号７８２など）を通して、Ｎ型コンタクト金属の電気領域に単純に短絡される（図７Ａを参照されたい（参照符号７０３））。これは米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号で説明されているような積み重ね構造または隆起構造ではなく、チップ表面と、接着のための表面となるエピ材料とを使用するものであり、エピ材料がさらにデバイスを接着部分のところでより安定する形で堅固にする。
図５を再び参照すると、ＧＳＧ信号パッド５１が、Ｐ型コンタクト金属をアクティブな単一メサ構造の頂部に電気的に接続するはんだ５２を有する。これにより、中にレーザ伝播のための孔を有する金属コンタクト構造の中に信号または電流を注入することが可能となり、電流がエピタキシャル構造のインプラントされていない領域を通って流れ、それによりこれらの画定される領域のみに電流が閉じ込められる。頂部のＰ型鏡領域が底部のＮ型鏡よりわずかに低い反射率を有し、それによりエピタキシャル構造の頂部から光を放射するのを可能にする。電流が、量子井戸の上を流れてこれらの接合部分内に光および熱を発生させ、ｎ型鏡の中に入り、ここでは、電流がｎ型鏡の中にあるかまたはｎ型鏡の近くにあるＮ型コンタクト領域まで前進する。次いで、電流が、ＧＳＧ電気導波管のグラウンド部分に接着されて電気コンタクトする短絡されたフレーム構造の方へ前進する。上面発光の設計を使用するこの構造は、ＧａＡｓまたはレーザ基板材料による透過遮断の波長より低いような低波長アウトプット設計のために使用され得る。背面発光構造は、通常、～９０５ｎｍを超える波長のためにしか設計されない。この上面発光構造は、設置されるエピタキシャル材料の限界値までの範囲において～８５０ｎｍ以下で使用され得る。
単一の固体構造がエッチングを用いて周囲のグラウンドから分離され、ここでは単一の固体構造がその中にイオンインプラントを有する。インプラントは不可視であるが、それが引き起こす結晶ダメージを理由として半導体材料を非導電性にする。インプラントデバイスを作るためには、最初に、ダメージから保護されるべき領域をマスクしなければならない。
フォトリソグラフィックプロセスによって位置付けされるフォトレジストを用いて小さいメサが形成され、フォトレジストがエピタキシャル材料をダメージから保護し、インプラントの実施後に洗い落とされる。インプラントはイオンインプラント機械の中で行われ、イオンインプラント機械は、管に沿ってイオンを加速させ、イオンストリームの前にウエハーが配置される。
インプラントされたイオンは非導電性の半導体材料のエリアを作ることができる。非導電性材料のこれらのエリアがレージングエリアを通るように電流に強いることになる。これらの非導電性エリアは、図１と同様のパターンをエッチングして、実施形態２に関連して後で説明されるようにこの単一構造を酸化させることによっても作られる。図５は：
５０ 非導電性の電気導波管基板
５１ 電気導波管の信号金属
５２ 電気導波管をレーザチップに接着するためのはんだ金属
５３ Ｐ型コンタクト層に短絡されてＧＳＧ電気導波管の信号パッドに電気的に接続されるめっき金属
５４ Ｐ型出力鏡－回折ブラッグレフレクタ（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）
５５ アクティブ領域－量子井戸
５６ 低抵抗性コンタクト層が置かれるところであるＮ型鏡
５７ Ｎ型コンタクト層およびグラウンドメサに短絡されるかまたは電気コンタクトするめっき金属
５８ 高速電気導波管のグラウンドパッドに電気コンタクトしており、接地されているメサ構造に電気コンタクトしている、はんだ
５９ 高速電気導波管上の信号パッドにコンタクトするための、単一メサ構造上のＰ型金属に接続されるめっき金属上のエリア
を示す。
図２４は、実施形態１などの実施形態と、米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号によって教示される設計との間での、異なる電流フローの比較図を示す。米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号では、各メサがＮ型金属コンタクトエリアによって囲まれる。これにはチップ上の貴重な空間または面積が使用されるが、その理由は、各メサの周りにこれらの階段状の金属ｎ型コンタクトを画定するための処理はフォトリソグラフィを必要とし、それが、メサの間にどれくらい近くまで間隔をとれるかを制限するからである。これらの制限により、単位面積当たりのパワーアウトプットが新しい方法と比較して低くなる。したがって、この古い装置の目的は非常に高いパワーおよび速度のためのアレイであったのだが、パワー／面積を大きく改善させることを考慮しておらず、パワー／面積の大きな改善は、非常に高い速度において非常に大きいパワーを得るという最終的な目標においても改善となるものである。また、新しい単一構造を用いる場合は排除された古い方法での構造的制約を理由として、この古い方法のＮ型コンタクトは大型である必要がある。
本明細書で説明される新しい設計を用いる場合、単一構造がその上に複数の層を有し、この単一構造の周りにコンタクトを１つのみ有する。この新しい構造は構造の外部へのＮ型金属エリアを縮小し、光学素子ごとの面積を大幅に小さくする。これは、単一構造の電流負荷を担うように計算される大型のＮ型コンタクト層を伴う。単一のコンタクトから電流フローを増大させることは、より厚い金属またはより厚いＮ型コンタクト領域を通して実現され得る。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態２－底面発光のインプラント
図６は第２の実施形態の例の断面図を示しており、ここでは、この第２の実施形態は、電流閉じ込めのためのインプラントされた領域を伴う底面発光デバイスである。ＧＳＧ電気導波管がフレーム－グラウンド構造に、およびアクティブな単一レーザメサ構造にはんだ接着された状態で見られ得る。図６は：
６０１ 電気導波管基板
６０２ ＧＳＧ電気導波管の順序でのグラウンドコンタクトおよび信号コンタクト
６０３ レーザチップに対してのＧＳＧ導波管のはんだ－接着部分
６０４ 電気導波管の信号パッドをレーザのＰ型コンタクトに電気的に接続するめっき金属
６０５ Ｐ型コンタクト金属
６０６ 非導電性にされた状態のインプラントされた領域
６０７ Ｐ型鏡
６０８ アクティブ領域（量子井戸）
６０９ Ｎ型鏡
６１０ インプラントが届かないところであるＮ型鏡内の導電層
６１１ レーザ基板を通って伝播するレーザビーム
６１２ Ｎ型コンタクト領域に短絡されるめっき金属
６１３ Ｎ型コンタクト領域に短絡されるフレームエリア
６１４ レーザ上のＮ型コンタクトを、電気導波管上のグラウンドに電気的に接続するはんだ
６１５ 大型の単一メサを、グラウンドフレームから分離するエッチング領域
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態１および２のためのプロセス
インプラントによる電流閉じ込め（ｉｍｐｌａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）を用いる、実施形態１および２のための単一構造を作るためのプロセスステップの例示の実施形態が以下のように説明され得る。
ステップ１．Ｐ型金属を堆積させないエリアをマスクするためにフォトリソグラフィを使用する。
ステップ２．Ｐ型金属（通常、～２０００ＡのＴｉＰｔＡｕ）を堆積する。
ステップ３．フォトリソグラフィ－リフトオフおよびウエハー洗浄。Ｏ２のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。
ステップ４．エッチングマスクとして誘電堆積体（通常、～＜１０００ＡのＳｉＮｘ）を使用する。
ステップ５．イオン衝撃を通じて非保護領域を非導電性にするようなインプラントからのダメージから、エピ材料を保護するために、複数のエリア内に堆積されるフォトレジストまたは金属を使用するフォトリソグラフィックマスキング。このステップは本プロセスにおいて後で実施されてもよいが、トポロジーがより大きく変化していることに起因して実施がより困難となる可能性がある。
ステップ６．インプラント（インプラントドーズ量を計算する技術分野の当業者が、ｐ型領域および量子井戸を互いから分離することになるような深さまで材料構造を切り離すのに必要であるインプラントのドーズ量およびを決定することになる）。
ステップ７．インプラントに起因して、このフォトリソグラフィを洗浄することは困難であり、フォトリソグラフィの上のめっきなどの金属の堆積体がレジストを洗い落とすのを容易にするのを補助することができる。
ステップ８．エッチングされない誘電体エリアをマスクするためにフォトリソグラフィを使用する。これは、電流が流れることが不可能である場所を画定する本構造内でのインプラントの下方において、分離される大型の構造を作るマスクの設計である独自の部分である。
ステップ９．誘電体を通してのエッチングを行うためにプラズマエッチングを使用することが（通常、Ｆｌベースのエッチング剤）、ＢＯＥ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ ｅｔｃｈ）（緩衝酸化物エッチング）などのウェットエッチングを使用することができる。
ステップ１０．レーザまたは発光ダイオードのエピタキシャル材料の中にパターンをエッチングする。基板またはドープ電気コンタクト層上で止める。これが、チップ周りのＮ型短絡領域から単一の大型の構造を分離する。
ステップ１１．マスクを洗い落とす。Ｏ２のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。
ステップ１２．Ｎ型金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ１３．Ｎ型金属（通常、原子量で８０％Ａｕ／２０％ＧｅであるＧｅＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ共晶組成）を堆積させる。他の拡散バリア金属としての～２００Ａ以上のＮｉと、～５０００Ａ以上のＡｕとを有する、全体の厚さが～３０００Ａ以上のＡｕＧｅ層である。また、これは、ｎ型金属がｎ型コンタクトエッチング領域内に堆積されて、また、Ｎ型コンタクト構造までおよびその上方まで堆積されて、それによりこの構造をＮ型コンタクトに短絡する、という点によって独自的である。
ステップ１４．マスクを洗い落とす（通常、リフトオフと呼ばれる）。Ｏ２のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。
ステップ１５．非導電性分離バリアとして誘電堆積体（通常、～２０００ＡのＳｉＮｘ）を使用する。
ステップ１６．エッチングされない誘電体エリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ１７．誘電体を通してのエッチングを行うためにプラズマエッチングを使用することが（通常、Ｆｌベースのエッチング剤）、ＢＯＥ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ ｅｔｃｈ）（緩衝酸化物エッチング）などのウェットエッチングを使用することができる。
ステップ１８．マスクを洗い落とす。Ｏ２のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。
ステップ１９．はんだ金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ２０．～４－５μｍの金属（通常は、Ａｕ）または拡散バリアが先に堆積されていてよい場合にはＣｕでエリアをめっきする。
ステップ２１．はんだを堆積させないエリアをマスクするためにフォトリソグラフィを使用する。
ステップ２２．はんだ金属（通常、原子量で８０％Ａｕ／２０％ＳｎであるＡｕＳｎ／Ａｕ共晶組成）を堆積させる。ＡｕＧｅ層の全体の厚さが～４００００Ａ（４ミクロン）以上であり、Ｓｎのいかなる酸化も防止するために頂部に～５００Ａ以上のＡｕが用いられる。この層がパターニングされてサブマウントの上に堆積され得、電気導波管がレーザグリッドに接着されている。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態３－上面発光の酸化
第３の実施形態では、単一構造内に上面発光レージング領域のグリッドを作るのにイオンインプランテーションではなく酸化が使用される。例えば、パターニングされたエッチングは単一構造内で導電パスを分離することができ、それにより光源のグリッドを作る。この構造は、単一構造からの複数のレーザ発光点を呈するものである。レージング構造が、エッチング領域により、チップの外周部を形成するグラウンドコンタクトから分離される。実施形態３のためのこの構造は上面発光である。グリッドの導電性エリアが、光が放射されるところの場所となる。ポジティブ電気コンタクトが、光が放射されるところの場所である開口部を伴うグリッドであってよい。
レーザウエハーのエピタキシャル材料がＶＣＳＥＬ設計であってよく、ほとんどのＶＣＳＥＬが上面発光である。ｐ型導波管パッドを使用する信号の配信は通常はレーザウエハー上で行われるが、背面発光設計を有する酸化した単一構造の実施形態では、導波管がレーザのｎ型材料または層から分離される別個の基板上にあってもよいことを理解されたい。
実施形態３の例を示す図７は、複数のポイントでのレージングを可能にする単一構造を作ることを目的としてウエハーにエッチングされる例示のパターンを示している。図７によって示される実施形態などの実施形態の単一構造は、米国特許出願公開第２０１１／０１７６５６７号によって教示されるような脆い結晶材料で作られる細いカラムより大幅に高い剛性を有する。また、上で考察された実施形態に関連して説明されたように、図７によって示されるパターン以外のレージングエリアのパターンが実行者によって所望される場合に採用されてもよいことを理解されたい。
図７では、分離トレンチの中央にパターニングされた単一メサ構造を作るために、斜線ストライプエリアが好適には下方向にエッチングされる。すべての斜線ストライプエリアが好適には図７Ａの底部のＮ型電気伝導性層７０５まで下方向にエッチングされるか、または一般的にはより大型の分離トレンチがエピタキシャル設計として埋設される電気コンタクトまでエッチングされることになり、対してより小型のパターニングされたエッチングエリアは、レージングポイントを分離するアクティブ領域より深くまで到達しなければならない。分離トレンチの中央のパターニングされた構造は、この構造にエッチングされる「成形された」孔を有する単一構造である。
大型の単一メサの中にある孔はこの事例では大型である。これらの孔が、この酸化プロセス環境でエピタキシャル領域内の層を酸化させるのを可能にする。酸化層は高いアルミニウム含有量を有し、酸化プロセスの終了時まで層を通って横方向に成長するＡｌＯ２を形成する。白色エリアがチップの表面であり、点線が酸化により電流フローを非酸化エリアのみに制限するような場所である。この大型単一メサの中の孔はこの事例では大型である。これらの孔が、この酸化プロセス環境でエピタキシャル領域内の層を酸化させるのを可能にする。酸化層が、表面の下に埋設されるエピ設計構造内の高いＡｌ含有量を有する層を使用して、形成され得る。エッチングエリアが、酸化チャンバ内に設置されることになる層を露出し、この露出される層が内側へと酸化することが可能となり、ここではＡｌＯ２が酸化プロセスの終了時まで層を通って横方向に成長する。この薄い層の中で酸化の長さが伸びるので、酸化プロセス中に形成されるＡｌＯ２の誘電材料により電流パスが分離されるかまたは閉鎖される。エリア７００５がエッチングされる場合、エリア７００８のみが導電性となるまで酸化が成長し続け、エピタキシャル層のこのエリアまたは部分がこのセクションを通るように電流を導く。電気伝導性エリアが、電流フローが量子井戸を通るのを可能にし（図７Ａの参照符号７０７を参照）、ｐ型鏡７０９とＮ型鏡７０６との間のキャビティで光がトラップされるときにレージングを作り出す。
図７では酸化長さを点線で見ることができ、すべてが、中に形成される孔を有する大型単一構造の中の、任意の１つの露出される縁部または孔からほぼ等しい距離である。図７は大型の単一メサグラウンド構造をさらに示している。図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃが位置する場所を示すために３つ断面の図が示されている。図７Ｂが、この断面を通して、中央のメサが単一構造であることを明瞭に示していることに留意されたい。
図７は：
７００１ 電気導波管のグラウンドへの電気コンタクトのためのフレーム（単一の短絡メサ）
７００２ グラウンドフレームから大型の単一メサを分離するエッチング領域
７００３ エッチングされた孔を備える単一メサ構造
７００４ 単一メサ構造の縁部を酸化状態および非導電性の状態で維持するための縁部内にあるインデント
７００５ 単一メサ構造内にあるエッチングされた孔
７００６ 任意のエッチングされた縁部の周りにある酸化パターン
７００７ 電流フローを可能にしない重複する酸化エリア
７００８ 電流が自由に流れることができるレーザアパーチャ（図７Ｂの７６１と同様）
７００９ グラウンドから電気導波管上の信号パッドまでの静電容量を低減するための短絡メサ構造内にある隙間
を示す。
図７Ａ、７Ａ２、および７Ｂは、例示の図７の実施形態の側面図である。
図７Ａ２は酸化７３１を形成するのを可能にするエッチングされた孔７２７を示しており、これがレーザビーム７６３の形成のために電流を図７Ｂの領域７６１に閉じ込める。
図７Ａの参照符号７０６は、ｐ型鏡の回折ブラッグレフレクタ（ＤＢＲ）であり、これは非常に高いアルミニウム含有量を有する１つまたは複数の層７０８を中に有し、このことが、高温高湿条件に晒されるときに７０８を酸化させ、電流を図７Ｂによって示されるエリア７６１に閉じ込め、エリア７６１においてレーザビームが外に出る。Ｎ型鏡のＤＢＲ７０９が、めっき７８２（図７Ｃを参照）へのＮ型金属オームコンタクトを通して電流を外に流すための導電層７０５を有し、めっき７８２が単一のグラウンドメサ構造７１８（図７Ａを参照）までさらにはその上方ではんだ７１７まで到達し、ＧＳＧ導波管７１６上のＮ型めっきに電気接続され、さらには導波管のＮ型コンタクト１７５の中まで電気的に接続される。
電流閉じ込めは半導体レーザの重要な点である。この概念は、電流フローがこの構造の縁部から離れることを強いることであり、その結果、エッチングにより存在し得るような粗い表面状態の近くを電流が流れることによる問題がなくなる。また、材料内での電流密度を上げることによりレージングを実現することを目的として、理想的には、電流フローが集中される。電流閉じ込めは、ドリルされた孔によって可能となる酸化プロセスにおいて、Ａｌの高濃度層が高温高湿条件に晒されるのを可能にすることによる酸化により（例えば、この実施形態３）、または他のすべてのエリアを非導電性にするインプラントにより（例えば、実施形態１および２を参照）、行われる。
図７Ａは：
７０１ 電気導波管基板
７０２ 大型単一メサをグラウンドフレームから分離するエッチング領域
７０３ Ｎ型コンタクト層に電気コンタクトしているＮ型金属コンタクト
７０４ Ｎ型鏡
７０５ Ｎ型鏡の中にあるＮ型コンタクト層（オームコンタクトのために低抵抗性である）
７０６ Ｎ型コンタクト領域の上方にあるＮ型鏡
７０７ アクティブ領域（量子井戸）
７０８ 領域内において電流を遮断する酸化層
７０９ Ｐ型鏡
７１０ 誘電層
７１１ Ｐ型コンタクト金属の頂部にあるめっき
７１２ レーザビームの出口のための、Ｐ型コンタクト金属およびめっき金属の中にあるアパーチャ
７１３ 電気導波管基板
７１４ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドコンタクト
７１５ ＧＳＧ電気導波管の信号コンタクト
７１６ レーザチップへのＧＳＧ導波管のはんだ－接着部分
７１７ レーザチップへのＧＳＧ導波管のはんだ－接着部分
７１８ レーザチップのＮ型コンタクト領域に電気的に接続されるフレーム構造
を示す。
図７Ａ２は上記図７Ａのつづきであり、図７Ａ２は：
７２１ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドコンタクト
７２２ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドコンタクト上のめっき
７２３ レーザチップへのＧＳＧ導波管のはんだ－接着部分
７２４ ＧＳＧ電気導波管の信号コンタクト
７２５ レーザチップへのＧＳＧ導波管のはんだ－接着部分
７２６ ＧＳＧ電気導波管の信号コンタクト上のめっき
７２７ 酸化により電流閉じ込めアパーチャを形成するのを可能にする、単一メサ構造内にあるエッチングされた孔領域
７２８ Ｐ型コンタクト金属の頂部のめっき
７２９ めっきからレーザの単一メサ構造上のＰ型コンタクトへの電気コンタクトのための誘電層内にある開口部
７３０ 誘電層
７３１ エッチングされた孔領域の近くで電流を遮断する酸化層
を示す。
図７Ｂは、図７に示されない電気接続部および電気導波管をさらに示している図７の断面図である。図７Ｂは酸化層によって作られるアパーチャを通る断面図を示す。酸化層が、図７Ａに示される単一構造内の孔を介する酸化プロセスに晒される。この図はさらに、このアクティブメサ構造が真に単一メサ構造であることを示している。図７Ｂは：
７５１ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドコンタクト
７５２ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドコンタクト上のめっき
７５３ はんだ－レーザチップへのＧＳＧ導波管のグラウンドの接着
７５４ ＧＳＧ電気導波管の信号コンタクト
７５５ ＧＳＧ電気導波管の信号コンタクト上のめっき
７５６ レーザチップ上のＰ型コンタクト金属
７５７ レーザアパーチャの上にあるめっきおよびＰ型コンタクト金属の中の開口部
７５８ Ｐ型コンタクト金属上のめっき
７５９ はんだ－レーザチップへの、ＧＳＧ導波管の信号の接着
７６０ Ｎ型コンタクトからアクティブメサ構造を保護する誘電層
７６１ 酸化層内にある開口部によって形成される電流閉じ込めアパーチャ
７６２ 酸化層誘電体
７６３ 金属開口部を通って伝播するレーザビーム
を示す。
図７Ｃは、ＧＳＧ導波管のＰ型コンタクトまたは信号がレーザチップの下方に位置付けされるところのエリアの断面図であり、ここではレーザのＮ型コンタクトに接地されるＮ型コンタクトフレームまたは単一構造メサがＧＳＧ電気導波管の上方にある。レーザグラウンドとＰ型信号パッドとの間の大型の隙間が回路の静電容量を低減し、高周波数動作を可能にする。図７Ｃは：
７８０ 誘電層
７８１ Ｎ型オームコンタクト金属
７８２ Ｎ型金属コンタクトを単一のグラウンドメサ構造に短絡するめっき
７８４ エピタキシャル成長側のＮ型コンタクト層
７８５ 電気導波管上の信号パッドに電気コンタクトしているめっき
７８６ ＧＳＧ電気導波管上の金属の信号パッドリード
７８７ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドパッド上のめっき
７８８ 電気導波管基板
７８９ 導電性信号パッド構造とＮ型コンタクト層との間の隙間が、静電容量を低減させる
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態３のためのプロセス
酸化による電流閉じ込め（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）を用いる、実施形態３のための単一構造を作るためのプロセスステップの例示の実施形態が以下のように説明され得る。
ステップ１．Ｐ型金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ２．Ｐ型金属（通常、～２０００ＡのＴｉＰｔＡｕ）を堆積する。
ステップ３．フォトリソグラフィリフトオフおよびウエハー洗浄。Ｏ２のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。
ステップ４．エッチングマスクとして誘電堆積体（通常、～＜１０００ＡのＳｉＮｘ）を使用する。
ステップ５．エッチングされない誘電体のエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ６．誘電体を通してのエッチングを行うためにプラズマエッチングを使用することが（通常、Ｆｌベースのエッチング剤）、ＢＯＥ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ ｅｔｃｈ）（緩衝酸化物エッチング）などのウェットエッチングを使用することができる。
ステップ７．レーザまたは発光ダイオードのエピタキシャル材料の中にパターンをエッチングする。基板またはドープ電気コンタクト層上で止める。通常、エッチングは、ある程度の量（高いパーセンテージ）のＢＣｌ３を有するＣｌベースである。
ステップ８．マスクを洗い落とす。Ｏ２のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。
ステップ９．Ｎ型金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ１０．Ｎ型金属（通常、原子量で８０％Ａｕ／２０％ＧｅであるＧｅＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ共晶組成）を堆積させる。他の拡散バリア金属としての～２００Ａ以上のＮｉを伴う全体の厚さが～３０００Ａ以上のＡｕＧｅ層、および～５０００Ａ以上のＡｕである。
ステップ１１．マスクを洗い落とす（通常、リフトオフと呼ばれる）。Ｏ２のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。
ステップ１２．非導電性分離バリアとして誘電堆積体（通常、～２０００ＡのＳｉＮｘ）を使用する。
ステップ１３．エッチングされない誘電体のエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ１４．誘電体を通してのエッチングを行うためにプラズマエッチングを使用することが（通常、Ｆｌベースのエッチング剤）、ＢＯＥ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ ｅｔｃｈ）（緩衝酸化物エッチング）などのウェットエッチングを使用することができる。
ステップ１５．マスクを洗い落とす。Ｏ２のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。
ステップ１６．めっき金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ１７．～４－５μｍの金属（通常は、Ａｕ）で、または拡散バリアが先に堆積されていてよい場合にはＣｕでエリアをめっきする。
ステップ１８．はんだを堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。
ステップ１９．はんだ金属（通常、原子量で８０％Ａｕ／２０％ＳｎであるＡｕＳｎ／Ａｕ共晶組成）を堆積させる。ＡｕＳｎ層の全体の厚さは～４０，０００Ａ（４ミクロン）以上であり、Ｓｎのいかなる酸化も防止するために頂部に～５００Ａ以上のＡｕが用いられる。この層がパターニングされてサブマウントの上に堆積され得、ここでは電気導波管がレーザグリッドに接着されている。
ステップ２０．クリービングまたはダイシングを用いてレーザチップをウエハーから分離する。
ステップ２１．高周波数動作を可能にする設計を用いて、レーザチップに位置合わせする電気導波管を設計および製作する。
ステップ２２．レーザチップをサブマウントの電気導波管に位置合わせしてフリップチップ接着する
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態４－底面発光の酸化
第４の実施形態では、複数のレージング領域を有する酸化した単一構造がトップ放射体ではなくボトム放射体として設計される。図８から図１４Ｃが実施形態４の細部を提示しており、この実施形態を作るのに使用され得るプロセスを示している。レージンググリッドの光が基板を通して放射され、バック放射体を形成する。
光は～９００ｎｍ以上の波長においてＧａＡｓ内を透過可能である。エピタキシャル設計で処理される光の波長が～９００ｎｍ以上の範囲内にある場合、ＧａＡｓ基板は光を伝達する、つまり光に対して透過性である。このエピタキシャル設計がＰ型鏡より低い反射率を有するＮ型鏡を含む場合、ＶＣＳＥＬなどのレーザがＮ型鏡から基板を通して光を放射することができる。レーザビームがこの材料を通って伝播することになり、基板は、光をコリメートするか、光を広げるか、光を発散させるか、光を集束させるか、光を導くための光学部品のためのプラットフォームとなり得る。これが、非常に高い輝度パワーを有する一体型の光学回路を形成することを可能にする。この場合、この単一構造およびグラウンドコンタクトが高速電気導波管基板に一体化され得、それによりグリッド全体からの高周波数応答を可能にする。この高速電気導波管にはグラウンド－シグナル－グラウンドの電気導波管が理想的である。使用され得る別の種類の電気導波管としてマイクロストリップ導波管があり（図１５を参照）、ここでは、基板上の薄い誘電層により信号パッドがグラウンドパッドから分離される。
図８は一般的なエピタキシャル設計の図である。ＶＣＳＥＬデバイスには任意の高速設計が使用され得る。図８は：
８１ ＧａＡｓ基板
８２ 低抵抗性コンタクト層のための、考えられる位置
８３ コンタクト領域の後のＮ型鏡層
８４ 低抵抗性Ｎ型コンタクト領域
８５ 量子井戸の後のＮ型鏡層
８６ 量子井戸領域
８７ 酸化層
８８ Ｐ型鏡
８９ 低抵抗性Ｐ型コンタクト層
を示す。
図９は、Ｐ型金属の堆積である、実施された第１のプロセスの図である。これは、通常、オームコンタクトを形成する高濃度ドープのＰ型コンタクト層の頂部にあるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層である。図９は：
９１ アニールプロセス後のオームコンタクトを形成するＰ型金属
９２ 低抵抗性Ｐ型コンタクト層
を示す。
図１０は、Ｎ型コンタクト層までの下方向のエピタキシャル層のエッチングの上面図である。図１０は以下のものを示す：
１００１ Ｎ型コンタクト層までエッチングされたエリア
１００２ 単一メサグラウンド構造
１００３ 単一メサアクティブ構造
１００４ アパーチャを形成することを目的とした酸化プロセスを可能にするためのエッチング孔
１００５ 導電性による電流閉じ込め（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）を形成する酸化が存在することがないところである、すべての孔の間にあるエリア
図１０Ａは酸化プロセス前に形成される図１０の断面図Ａであり、図１０Ａ２は酸化プロセス後に形成される図１０の断面図Ａである。図１０Ａ２は：
１２０ 酸化プロセス中に露出された任意のエッチング領域の近くで導電パスを完全に遮断する酸化
を示す。
図１０Ｂは、示されるエリア内に電流閉じ込めアパーチャが形成された場所を示している図１０の断面図Ｂである。この図は、単一メサのセクションを示しており、その断面を孔が貫通しておらず、またこの図は、このメサ構造が接着プロセスにおいて好適である、より堅固な構造を可能にする単一メサ構造であることを明瞭に示している。図１０Ｂは：
１２５ 電流閉じ込めアパーチャが単一メサ構造の導電性領域である
１２６ 孔がエッチングされた場所の近くに誘電層として形成している酸化層
１２７ Ｐ型金属コンタクト層
を示す。
図１１は、エピタキシャルコンタクト層への電気コンタクトのための、および高い信頼性のために半導体を密封するための、開いているビア「ホール」を用いてパターニングされた、堆積された誘電層を示している。図１１は：
１１０１ 開口部または「ビア」を伴う、パターニングされた誘電層
１１０２ Ｐ型コンタクト金属までの、誘電層内の開口部
１１０３ 単一メサグラウンド構造上にあるコンタクト層
を示す。
図１２は、堆積された後のＮ型金属コンタクトを示している。図１２は：
１２０１ Ｎ型コンタクト金属が、孔を介して、Ｎ型コンタクト層への電気接続部を作るために、Ｎ型コンタクトの上に堆積されている
を描いている。
図１３は、単一の接地されたフレーム領域の頂部にＮ型コンタクト領域を短絡する金属をめっきする次のステップを示しており、単一の接地されているフレーム領域がＧＳＧ導波管のグラウンドパッドに接着されて電気的に導通している。このめっきが、静電容量を低減するアクティブ領域の高さをさらに加え、デバイスのアクティブ領域から熱を除去して、デバイスにさらに良好な性能を与える。アクティブな単一構造の上のめっきが、誘電層により、Ｎ型鏡およびＮ型コンタクト領域から分離される。図１３は：
１３０１ アクティブ領域を覆い、および単一メサ構造の孔まで延在するめっきを防止する誘電層
１３０２ Ｎ型コンタクト金属を通してＮ型コンタクト領域に短絡される、単一の接地されているメサ構造を覆うめっき
１３０３ めっき金属の高い熱伝導係数を通じて冷却が生じ得るところの、アクティブ領域の孔まで延在する、アクティブ構造を覆うめっき
１３０４ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドに接着されて電気的に接続されるための、単一フレーム構造の上を延在するめっき金属
を示す。
図１４ａはレーザチップ上に堆積されるはんだを示している。これが、レーザチップと高速電気導波管との間の電気伝導性の接着層として機能する。図１４ａは：
１４０１ はんだ堆積体
を示す。
図１４ｂは、接着前のＧＳＧ電気導波管のアライメントを示している。図１４ｂは：
１４０３ ＧＳＧ高速電気導波管のためのサブマウント
１４０４ ＧＳＧ高速電気導波管のためのグラウンドパッド
１４０５ ＧＳＧ高速電気導波管のための信号パッド
１４０６ ＧＳＧ高速電気導波管の導電性エリア上に堆積されためっき金属
を示す。
図１４Ｃは、ＧＳＧ電気導波管への接着されたレーザチップを示している。単一の接地されているメサの中の隙間が、静電容量を低減することにより高速動作を可能にする
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態５
第５の実施形態では、図１５に示されるように、ＧＳＧ導波管ではなくマイクロストリップまたはストリップラインの電気導波管が使用される。この実施形態はやはり、上記の図１４ｃで言及した隙間を有することができる。この電気導波管は、やはり、ストリップラインまたはマイクロストリップの導波管を形成する誘電体の上に信号リードを伴い、薄い誘電体の下方にあるグラウンド層によって形成され得る。誘電体の中の開口部が、レージンググリッドのグラウンド部分にコンタクトするのに使用され得る。ラインの幅および誘電体の厚さが、が特性をマッチングする回路のための固有インピーダンス値を作るように制御され得る。このテクニックが実施形態２または以下で考察される実施形態のうちの任意の実施形態、などの、他の実施形態でも使用されることを理解されたい。図１５の図が、アクティブな単一メサ構造に跨る断面図を示している：
１５１ 導波管基板
１５２ 導波管の全体に跨る金属グラウンドパッド
１５３ グラウンドを信号パッドから分離する誘電層
１５４ 金属信号パッド
１５５ 信号パッド上にある金属めっき
１５６ 単一のアクティブメサへ信号パッドを電気的に接続するはんだであって、その中までエッチングされる隙間または孔を有するように示される
１５７ グラウンドパッド上にある金属めっき
１５８ グラウンドパッドを、単一の接地されているメサに電気的に接続するはんだ
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態６
図１６は第６の実施形態を示している。図１６では、この構造が、レージングを同相で維持することを目的として各レージングポイントの光の一部分をその隣の別のレーザまで導くためのパスを残すという点で独自的である。この例では、レーザ１６１が、その隣のレーザアパーチャ１６３までの下向きの反射されたその外側モード構造１６２の一部を有し、レーザアパーチャ１６３が１６２と同相の光を作る。同相であるレーザが１６４であり、角度付き反射面１６５から反射され、１６４および１６１と同相であるその隣のレーザ１６７のアパーチャに戻り、この形が繰り返される。レンズまたはアウトプットエリアのすぐ外側にある角度付きエリアおよびまたは反射エリア１６４が、レンズまたはアウトプットエリアからオーバーフローする光のわずかな部分を、そこに隣接するレージンググリッドへと転じることができ、それによりコヒーレントなレージンググリッドを可能にする。隣り合うレージングポイントからの光の一部が、互いに同相関係にあるレージングポイントをセットアップするレージングポイントに注入される。これにより、この構造が各レーザからの光の一部をその隣のレーザまで導くときに、すべてのレージングポイントのコヒーレントな動作を可能にする。反射率、距離、および角度が、光学的モデル化の技術分野の当業者により非常に正確に計算される。何年にもわたって、コヒーレントな動作は、レーザアレイの動作を回避してきた利点である。図１６は：
１６１ 光の一部分のみを放射する広い発散を有する大型アパーチャのレーザ
１６２ レーザ１６１からの光の一部分がアパーチャ１６３の方へ反射される
１６３ 反射率が１６２からの光の位相に適合するところのレーザのアパーチャ
１６４ 光の一部分のみを放射する広い発散を有する大型アパーチャのレーザ
１６５ アウトプットアパーチャのすぐ外側にあるレーザチップの背面上にある角度付き反射面
１６６ レーザグリッド１６４と同相である反射ビーム
１６７ 光の一部分のみを放射する広い発散を有する大型アパーチャのレーザ
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態７
図１７は第７の実施形態を示す。図１７では、レージンググリッドチップの背面側が、特に有益なエリアの方にレーザ光１７２の向きを変えるための、エッチングされたパターンを有する。これが回折光学素子（ＤＯＥ）１７１によって達成され、それはエッチングされた表面を有し、エッチングは光がこの部分を通って移動するときに、ＤＯＥの表面の角度に応じて、この表面の角度がビームまたは光の向きを変える１７５ようになされる。これが、光をコリメートするかまたは光を発散させるのに、あるいは光を導くかまたは均質化するのに、使用される。図１７は電気導波管を示していない。モードは、アパーチャのサイズならびに反射面１７３および１７４の特性によって制御される。図１７は：
１７１ ビーム１７２からの向きを変えられたレーザグリッドビーム
１７２ アパーチャから放射されたレーザグリッドビーム
１７３ 背面発光のレーザグリッドのための、鏡のコンタクトおよび背面
１７４ 背面発光のレーザグリッドのための、鏡のコンタクトおよび背面
１７５ レーザグリッドからの向きを変えられたビーム
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態８
図１８は第８の実施形態を示す。図１８では、パターニングされた回折格子１８４（これは図１７のＤＯＥの反対の角度パターンである）が、背面発光ＶＣＳＥＬ設計のレーザウエハーの背面側において、発光点１８１の上に設置されるか、またはエッチングされ、レージングポイントをこのグリッドの外側１８５に向ける。このレンズからは、すべてのレーザがチップの後方の単一のポイント１８６から来ているように見え、仮想的な点の源が形成され、ここでは、マイクロレンズ１８７が、チップの後方の仮想的な集束的な源からのビームをコリメートするのに使用され得る。図１８は：
１８１ 背面発光レーザグリッドのための鏡のコンタクトおよび背面
１８２ レーザ特性を作るアパーチャ
１８３ レーザグリッドからのレーザビーム
１８４ 固有の全体のビームグリッド特性のために角度付けされる回折光学素子（ＤＯＥ）の表面
１８５ レーザグリッドからの向きを変えられたビーム
１８６ レンズ１８７から見るときの、すべてのビームからの集束的な仮想的な光源
１８７ 仮想的な集束的な点１８６上に焦点を有するマイクロレンズ
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態９
図１９は第９の実施形態を示す。図１９は、接着され、エッチングされ、および酸化が行われた実施形態３の断面を示しているが、ただし、１つのマイクロレンズを他のマイクロレンズに位置合わせして、さらにはこの単一メサ構造から放射されるレーザビームの向きを変えることを目的として１つのマイクロレンズの位置をわずかにずらすような形で、位置付けされる、レーザチップの背面上に加工されているマイクロレンズを有することを除いてである。実施形態３はこの構成のために参照されるものであるが、上記の背面発光の実施形態のうちの任意の実施形態と、チップに取り付けられるかまたはアウトプットグリッドの上方に位置付けされるマイクロレンズアレイとが、使用され得ることを理解されたい。このマイクロレンズアレイは光伝導グリッドポイントのピッチに関連する値を有することができるが、レージングポイントによって放射される光が、チップの前方またはチップの後方においてビームが仮想的な点源のところで一体となるか、または一体となっているように見えるようになるところの単一のエリアまで、導かれるようなわずかに異なるピッチを有するレンズ７４を用いる。マイクロレンズのピッチがレーザのピッチより小さい場合、マイクレンズが中心から離れるレーザをチップの前方の点の方向に導くかまたは内側に導く。マイクロレンズアレイのピッチがレーザのグリッドのピッチより大きい場合、光が図１９にように外側に導かれることになる。図１９は：
７１ レーザ基板
７２ Ｎ型鏡
７３ Ｎ型コンタクト領域
７４ レーザ光を外側に導くための、レーザからわずかにオフセットされるマイクロレンズ
７５ アクティブ領域または量子井戸
７６ アクティブ領域への電流閉じ込めを作り出す酸化層
７７ 単一グラウンド構造およびアクティブな単一メサ構造からの分離を作り出すエッチングトレンチ
７８ Ｐ型金属コンタクト
７９ 酸化がおきるのを可能にするために、単一メサ構造にエッチングされる孔
８０ レーザチップおよび高速電気導波管を電気的に接続するはんだ
８１ ＧＳＧ電気導波管の信号パッド
８２ Ｐ型鏡
８３ ＧＳＧ導波管基板
８４ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドパッドに電気コンタクトしているＮ型コンタクト層、および単一グラウンドメサの上に置かれるＮ型金属を短絡するめっき
８５ ＧＳＧ電気導波管のグラウンドパッド
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態１０
図２０は第１０の実施形態を示している。図２０が、レージングしない点の方への、Ｎ型エピタキシャル出力鏡３１の反射性を低減して、ついでキャビティを延長するレージンググリッドの背面において、反射面２３１の方への反射性を増大させることにより、単一のグリッド構造を使用して延長されたキャビティレーザ設計が実現され得ることを示している。この構造が、キャビティ内の高次モード構造２３３のフィードバックを低減し、それによりグリッドからのアウトプットビーム２３５のためのより基本的なモードの構造を形成する。図２０は：
２３０ 不完全なＮ型出力鏡のエピタキシャル領域を示す矢印
２３１ 変化する屈折率を有する誘電層で作られる反射領域
２３２ レーザビームのキャビティが、ここでは、モード排除のためのキャビティを延長するレーザウエハー材料を有する
２３３ キャビティの方に戻るようには反射されない、高次モードの反射
２３４ キャビティ内のシングルモードまたは低次モード
２３５ 延長されたキャビティデバイスから出力される、シングルモードまたは低次モード
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態１１
図２１は第１１の実施形態を示す。図２１では、ＶＣＳＥＬ構造が上記の実施形態のようにレーザグリッド設計に適合され得、レージンググリッドの出力レフレクタ（レンズ形状２４１の上に堆積される）が光を放射するところのレージングチップの背面が、集束フィードバック機構（焦点の矢印２４３）をより良好に形成するためにレフレクタの下に凸形形状２４１または凹形形状を有することができ、この集束フィードバック機構は高次モードを排除するものであり、各グリッドエリアからのシングルモードのレージング出力２４５を有するように設計され得る。この場合、全体のレージング構造が低いＭ２値を有することになる。アウトプットをコリメートするためにレンズまたはマイクロレンズが追加され得る。図２１は：
２４０ 不完全なＮ型出力鏡のエピタキシャル領域を示す矢印
２４１ レーザ基板またはウエハーにエッチングされるマイクレンズ構造の上に堆積される、変化する屈折率を有する誘電層で作られる反射領域
２４２ 延長されたキャビティ内で反射されているシングルモードビーム
２４３ チップの表面上にある光学素子からの、延長されたキャビティに戻るように導かれている縁部からの光
２４４ 図２０のシングルモードビームよりも、より大きいパワーを有し、より高く選択的な、シングルモードである
２４５ 高品質のシングルモードビームのアウトプット
２４６ より強く反射するエピタキシャル鏡
を示す。
米国特許出願公開第２０１７／００３３５３５号の実施形態１２
図２２は第１２の実施形態を示す。図２２では、ＶＣＳＥＬ構造は上記の実施形態のようなレーザグリッド設計に適合され得るが、ただし、レンズから真っすぐ外に出るビームが外部のマイクロレンズアレイを通り、この外部のマイクロレンズアレイがレーザのピッチとは異なるピッチのマイクロレンズを有するように設計されており、それにより、上記の実施形態のうちの多くの実施形態と同様に、単一のロケーションまでのまたは単一のロケーションからのビームの向きを変えるのを可能にし得る、ということを除いてである。このテクニックの他の形態が、レーザグリッドに位置合わせされてレーザグリッドと等しいピッチを有する外部レンズアレイの底部に形成される凹形レンズを使用することもでき、対してレーザグリッドとは異なるピッチを有する凸形レーザアレイが頂部側にある。ビームを導くための別のテクニックとして、外部レンズアレイの上にある凸形マイクロレンズの代わりに頂部側の光学素子としてＤＯＥを使用するテクニックがある。２５２はより強力なシングルモードビームを作るためにアパーチャの中心に戻るように反射される光であり、他方、２５３がレーザ出力鏡のキャビティを完成する反射コーティングを有する。２５４がキャビティであり、外部レンズキャビティの内側に堆積される反射防止コーティングを有し、他方で頂部側のマイクロレンズアレイ上に反射防止コーティングも堆積させる。別のテクニックは、キャビティ鏡を完成するために、図２０のような平面的な反射特性を使用することであり、これは、ビームの向きを変えるために頂部側にあるオフセットされるマイクロレンズアレイまたは頂部側にあるＤＯＥを有するものである。図２２が以下のものを示している：
２５０ 不完全なＮ型出力鏡のエピタキシャル領域を示す矢印
２５１ 延長されたキャビティ内で反射されているシングルモードビーム
２５２ チップの表面上にある光学素子からの、強いシングルモードキャビティを作り出す中心に戻るように導かれている、縁部からの光
２５３ レーザ基板またはウエハーにエッチングされるマイクレンズ構造の上に堆積される、変化する屈折率を有する誘電層で作られる反射領域
２５４ エッチングされるレンズが外部レンズアレイに触れないようにするのための、キャビティ
２５５ 外部レンズアレイの透過性材料
２５６ 延長されたキャビティレーザによって出力されるシングルモードビーム
２５７ ビームを導くレーザのピッチとは異なるピッチを有するレンズアレイからのマイクロレンズ
２５８ 導かれるシングルモードビーム

Claims (12)

  1. 装置であって、
    レーザアレイのスタックであって、スタックの各レーザアレイが、
    前面および背面を有するレーザ発光エピタキシャル構造であって、レーザ発光エピタキシャル構造が背面発光であり、単一メサ構造内に複数のレーザ領域を備え、各レーザ領域がアパーチャを有し、レーザビームがアパーチャを通して制御可能に放射される、レーザ発光エピタキシャル構造、
    前面表面および背面表面を有する基板であって、レーザ発光エピタキシャル構造の背面が基板の前面表面上に置かれ、基板がレーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域と位置合わせされる複数のレーザキャビティを備え、レーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域から背面発光されるレーザビームがレーザキャビティを通過する、基板、および
    基板の背面表面上に置かれるマイクロレンズアレイであって、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズがレーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域に位置合わせされる、マイクロレンズアレイ
    を備える、スタックと、
    スタックのアパーチャから放射される複数のレーザビームを非コヒーレントに結合するように位置付けされる非コヒーレントなビームコンバイナと
    を備え、
    スタックの底より高いスタックの各レーザアレイが、非コヒーレントなビームコンバイナに対してレーザ光の集中された投影のために複数のレーザアレイからのレーザビームを結合するように（ｉ）それ自体のレーザ領域からのレーザビームおよび（ｉｉ）スタックの１つ以上のより低いレーザアレイからのレーザビームを仕向けるように構成される、装置。
  2. 複数のレーザ領域の各々が、レーザ発光エピタキシャル構造の背面まで延在するレーザキャビティを備える、請求項１に記載の装置。
  3. レーザキャビティの各々が、レーザビーム放射のための光学軸を有し、光学軸がレーザ発光エピタキシャル構造の背面に対して垂直である、請求項２に記載の装置。
  4. マイクロレンズが反射コーティングで覆われて、放射されたレーザビームからのレーザ光をレーザキャビティを通して反射する、請求項２または３に記載の装置。
  5. 反射されたレーザ光がレーザキャビティの中心に集中されるように、マイクロレンズがスムーズな曲率半径を有する、請求項４に記載の装置。
  6. マイクロレンズアレイがフォトリソグラフィックマイクロレンズアレイまたは複数のグラフェンレンズ構造を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 非コヒーレントなビームコンバイナが、重複する集束点を有する二次元（２Ｄ）の非コヒーレントなビームコンバイナまたは複数の重複する集束点を有する三次元（３Ｄ）の非コヒーレントなビームコンバイナを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
  8. レーザ領域に電流を提供するように構成される電気導波管をさらに備え、
    各レーザ領域が、単一メサ構造内で、単一メサ構造の他のレーザ領域に対し、電気的に絶縁される、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
  9. スタックの各レーザアレイが、複数のレーザ発光エピタキシャル構造と、レーザグリッドアレイとして構成される複数のマイクロレンズアレイとをさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 方法であって、
    前面および背面を有するレーザ発光エピタキシャル構造に電流を選択的に印加することにより複数のレーザビームを発生させることであって、レーザ発光エピタキシャル構造が背面発光であり、単一メサ構造内に複数のレーザ領域を備え、各レーザ領域がアパーチャを有し、レーザビームがアパーチャを通して放射され、レーザ発光エピタキシャル構造の背面が基板の前面表面上に置かれ、基板がレーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域と位置合わせされる複数のレーザキャビティを備え、レーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域から背面発光されるレーザビームがレーザキャビティを通過する、ことと、
    基板の背面表面上に置かれるマイクロレンズアレイに、発生されたレーザビームを仕向けることであって、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズがレーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域に位置合わせされる、ことと、
    レーザアレイのスタックに対して発生させるステップおよび仕向けるステップを行うことであって、スタックの各レーザアレイが（１）レーザ領域のグリッドを有するレーザ発光エピタキシャル構造、（２）基板、および（３）マイクロレンズアレイを備え、スタックの底より高いスタックの各レーザアレイが、レーザ光の集中された投影のために複数のレーザアレイからのレーザビームを結合するようにそれ自体のレーザ領域からのレーザビームおよびスタックの１つ以上のより低いレーザアレイからのレーザビームを仕向ける、ことと、
    レーザ光の集中された投影を非コヒーレントに結合することと
    を含む、方法。
  11. スタックの底より高く、スタックの頂より低いスタックの各レーザアレイが、スタックの次に高いレーザアレイの集中レンズ上にスタックの１つ以上のより低いレーザアレイからのレーザビームを受け、仕向けるように位置付けされる集中レンズを含み、スタックの底より高く、スタックの頂より低いスタックのレーザアレイのレーザ領域が集中レンズの辺りに位置付けされる、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
  12. スタックの底より高く、スタックの頂より低いスタックの各レーザアレイが、スタックの次に高いレーザアレイの集中レンズ上にスタックの１つ以上のより低いレーザアレイからのレーザビームを受け、仕向けるように位置付けされる集中レンズを含み、スタックの底より高く、スタックの頂より低いスタックのレーザアレイのレーザ領域が集中レンズの辺りに位置付けされる、請求項１０に記載の方法。
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