JPH05218574A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
有する平面的な半導体レ−ザを形成することを目的とす
る。 【構成】 半導体レ−ザは、光学導波路および導電性領
域26によって提供される横型電流注入路を有する。導
電性領域は、活性層18およびレ−ザの第1の1/4ウ
ェ−ブ・スタック14を不規則化し、電流の流れに依存
しない光学導波路の制御を可能にする。導電性領域を形
成することによって、本発明によるレ−ザは、安定した
光学特性と弱く組み込まれた導波路による大きな放出ス
ポットとを有し、その結果、高出力,低熱抵抗および低
抵抗であるデバイスとなる。
Description
関し、特に縦型キャビティ表面放出レ−ザ(verti
cal cavity surface emitti
ng lasers : VCSELs)に関する。
体レ−ザは、光学デバイスに利用する際に重要である。
従来、出力光が半導体基板に平行に放出されるエッジ放
出型デバイスが用いられている。しかし、出力光が半導
体基板に垂直に放出される縦型キャビティ・デバイス
は、特定の装置において非常に有用である。縦型キャビ
ティ・デバイスは、配列(array)および集積回路
に対する高い2次元実装密度,ウエハ・スケ−ル・テス
ト能力(wafer scale testing a
bility)のような有用性があり、他のデバイスと
共に容易に集積化することが可能である。VCSELs
に関して多大な研究開発がなされているが、光学的相互
接続装置および表示装置に対して、より効率的な横型注
入(lateral injection)VCSEL
sを形成することが望まれている。
−エッチ・デバイスである。これらのメサ型−エッチ・
デバイスは、小さなスポット・サイズに限定され、その
結果低いパワ−出力,高い直列抵抗および高い熱抵抗を
有するデバイスとなる。従って、高いパワ−出力,低い
抵抗および低い熱抵抗と共に、より効率の良いVCSE
Lを形成することが望まれている。メサ型−エッチ・デ
バイスの他の欠点は、非常に非平面的であること、およ
びデバイスのトップ以外で光出力を得ることが困難であ
ることである。平面的な構造は、プロセス工程および実
装工程の観点から望まれている。
990年9月13日に発行されたHasnain et
al, in Electronics Lette
rs, Vol. 26, No. 19, pp.
1590−91に、開示されている。これらのVCSE
Lは、横型電流閉じ込め(lateral curre
nt confinement)のためにプロトン交換
法を用いている。しかし、これらのデバイスには、信頼
性および熱的導波路(thermal wavegui
ding)に関連する本質的な問題が存在する。熱的導
波路が不都合であるのは、デバイスが加熱されるとデバ
イスの光学的特性が変化するためである。さらに、これ
らのデバイスの出力ビ−ムは、回折が抑制されない。こ
れは、注入された電流分布および接合温度分布によって
のみ導波路が与えられるためである。
基板を含む支持構造(10)と、前記支持構造(10)
上に形成される前記第1導電性の第1の1/4ウェ−ブ
・スタック(14)と、前記第1の1/4ウェ−ブ・ス
タック(14)上に形成され、特定の動作波長の1/2
の倍数の厚さを有する活性層(18)と、前記活性層
(18)上に形成され、前記特定の動作波長の1/2の
倍数の厚さを有する第2導電性の分散層(20)と、前
記分散層(20),前記活性層(18)および前記第1
の1/4ウェ−ブ・スタック(14)の一部分内に形成
される第2導電性の領域(26)と、前記分散層(2
0)の一部分上に形成される第2の1/4ウェ−ブ・ス
タック(24)から構成される特定の波長で動作する半
導体レ−ザである。
方法が開示される。その半導体レ−ザは支持構造から成
り、第1導電性の基板と、前記支持構造上に形成される
第1導電性の第1の1/4ウェ−ブ・スタックと、前記
第1の1/4ウェ−ブ・スタック上に形成される活性層
と、前記活性層上に形成される第2導電性の分散層と、
前記分散層,前記活性層および前記第1の1/4ウェ−
ブ・スタックの一部分内に形成される第2導電性の領域
と、前記分散層の一部分上に形成される第2の1/4ウ
ェ−ブ・スタックとを含む。
の第1実施例の断面図(スケ−ルを描いたものではな
い)である。図示されているものは、第1導電性の支持
構造10から成るVCSELである。好適実施例にあっ
ては、支持構造10は、p型導電性の基板から成る。p
型導電性の基板を用いると、2つの有益な効果が得られ
る。1つは、n型導電性の分散層20(後述)を使用す
るので、より一様な横型電流注入が得られることであ
る。さらに、p型導電性の基板およびp型導電性の1/
4ウェ−ブ・スタック(後述)内に電流閉じ込めが欠如
しているので、直列抵抗は減少する。好適実施例にあっ
ては、支持構造10は、ガリウム砒素から成り、亜鉛の
ようなp型ド−パントによって約5x1018atoms
/cm3のp型にド−ピングされる。ド−パントは、他
のものを使用することも可能である。支持構造10およ
びその後形成されるエピタキシャル層は、リン化インジ
ウム(indium phosphide)のような他
のIII−V半導体材料から構成することも可能であ
る。
層12は形成される。好適実施例にあっては、バッファ
層12は、p型導電性のガリウム砒素エピタキシャル層
から成る。バッファ層12は、デバイスが動作するため
には必ずしも必要ではないが、バッファ層12はその後
形成されるエピタキシャル層の成長を良好にするために
用いられる。
4は、バッファ層12上に形成される。第1の1/4ウ
ェ−ブ・スタック14は、当該技術分野でミラ−・スタ
ックまたは分布ブラッグ反射器(distribute
d Bragg reflector)とも呼ばれてい
る。VCSELは一般に、レ−シング(lasing)
波長または動作波長と呼ばれる特定の波長で動作するよ
うに形成される。第1の1/4ウェ−ブ・スタック14
に使用される材料は、そのレ−シング波長に対して透明
でなければならない。好適実施例にあっては、第1の1
/4ウェ−ブ・スタック14は、p型導電性のアルミニ
ウム砒素(AlAs)およびガリウム砒素(GaAs)
の交互に積層される層から成る。さらに、各々の層の厚
さは、動作波長の1/4を屈折率で割ったものに等し
い。交互に積層される層の周期または対は、デバイスの
反射率を決定する。一般に、その周期の数は、25ない
し30に等しいであろう。
ブ・スタック14上に形成される。活性層18は好適に
は、障壁層および少なくとも1つの量子井戸から成る。
その量子井戸は、公称(nominally)アンド−
プ・インジウム・ガリウム砒素(InGaAs)から成
る。しかし、多重量子井戸を使用することも可能であ
る。さらに、異なる動作波長に対して、第1の1/4ウ
ェ−ブ・スタック14の構成を変更し、透過性を維持す
ることによって、ガリウム砒素のような他の材料を用い
ることも可能である。量子井戸活性層および障壁層を形
成する技術は、当該分野で周知のものである。光学キャ
ビティ内で活性層18は位相が整合する条件を満たすた
めに、活性層18の全体の厚さは、光学キャビティ内で
位相が整合する条件を満足するために、動作波長の1/
2の倍数でなければならない。その光学キャビティは、
第1の1/4ウェ−ブ・スタック14と第2の1/4ウ
ェ−ブ・スタック24(後述)との間の全ての層から成
る。
に形成される。分散層20は、レ−シング波長に対して
透明な材料から構成される必要がある。光学キャビティ
によって要請される位相が整合する条件を満たすため
に、分散層20はレ−シング波長の1/2波長倍に等し
い厚さである必要がある。さらに、分散層20は、好適
にはバンドギャップの大きい材料から成る。好適実施例
にあっては、分散層20はn型導電性のアルミニウム・
ガリウム砒素(AlGaAs)から成る。高い移動度お
よびn型導電性のアルミニウム・ガリウム砒素の拡散定
数によって、より一様な横型注入となる。
24は、分散層20上に形成され、開口25を設けるた
めにパタ−ニングされる。開口25は、通常のフォトリ
ソグラフィおよびエッチング技術によって、形成され
る。第2の1/4ウェ−ブ・スタック24は、例えば、
プラズマ化学蒸着堆積,電子ビ−ム・エバポレ−ション
(evapolation)またはスパッタリングによ
って形成される。好適実施例にあっては、第2の1/4
ウェ−ブ・スタック24は、シリコンと二酸化シリコン
とが交互に積み重なった誘電体ミラ−・スタックであ
り、そのシリコンはアンド−プ・アモルファス・シリコ
ンである。しかし、窒化シリコンまたはアルミナ(Al
2O3)のような他の誘電体層を使用することも可能であ
る。誘電体スタックを形成する技術は、当該分野で周知
のものである。
パントは開口25に注入され、導電性領域26を形成す
る。好適実施例にあっては、シリコンはイオン注入また
は堆積され、拡散され、導電性領域26を形成する。硫
黄のような第2導電性の他のド−パントを使用すること
も可能である。導電性領域26は、分散層20の表面か
ら第1の1/4ウェ−ブ・スタック14の少なくとも一
部分まで伸びるように形成することが望ましい。注入さ
れるド−パントの濃度は、第1の1/4ウェ−ブ・スタ
ック14内でP−N接合を形成する程、高い濃度である
必要がある。本発明にあっては、第2導電性のド−パン
トを注入し、導電性領域を形成し、従来のプロトンを使
用する技術では形成されていた抵抗性領域は形成されな
い。第2導電性のド−パントは、活性層21と第1の1
/4ウェ−ブ・スタック14の境界とを不規則化(di
sordering)する。この不規則化は、反射率を
減少させ、その結果電流の流れに依存しない光学導波路
の制御を可能にする。導電性領域26は、分散層20内
に横型電流注入を提供し、導波路として機能する。第2
の1/4ウェ−ブ・スタックのエッチングは、導波路領
域以外の反射率も減少させる。さらに、導電性領域26
下のブロッキング接合の高いタ−ン・オン電圧によっ
て、電流の閉じ込めが行われる。導電性領域26を形成
することによって、本発明によるVCSELは、適切な
光学特性および弱く組み込まれた導波路によるより大き
な放出スポットを有し、その結果高出力,低抵抗および
低い熱抵抗を有するデバイスとなる。導電性領域26の
浅い接合は、低い熱抵抗を提供する。
を示す。先ず、第2の1/4ウェ−ブ・スタック24の
一部分は、除去される。絶縁領域28は、導電性領域2
6に隣接して形成される。好適実施例にあっては、酸素
が注入され、絶縁領域28を形成する。しかし、絶縁ト
レンチのような他の絶縁技術を使用することも可能であ
る。
を示す。第2導電性のオ−ミック・コンタクト30は、
第2の1/4ウェ−ブ・スタック24上,導電性領域2
6上および絶縁領域28上に形成される。本実施例で
は、基板−放出デバイスが形成され、その出力は支持構
造10の背面を通じて放出される。第1導電性のオ−ミ
ック・コンタクト31は、支持構造10の背面上に形成
される。オ−ミック・コンタクト31の一部分は、その
出力が支持構造10を通じて放出されるようにエッチン
グされる。そのような形成技術および第1,第2導電性
のオ−ミック・コンタクトを使用する技術は、当該分野
で周知のものである。
造工程が更に進んだ図2の構造を示す。図4は、トップ
−放出デバイスの実施例であり、出力は第2の1/4ウ
ェ−ブ・スタック24を通じて放出される。本実施例で
は、第2導電性のオ−ミック・コンタクト32は、導電
性領域26上および絶縁領域28上にのみ形成されてい
る。第1導電性のオ−ミック・コンタクト33は、支持
構造10の背面上に形成される。
VCSELは、光学導波路および導電性領域によって与
えられる横型電流注入路を有する。その横型光学導波路
は、以下に示す2つの効果によって形成される。導電性
領域は、第1の1/4ウェ−ブ・スタックとミラ−反射
率を減少させる活性層とを不規則化する。第2の1/4
ウェ−ブ・スタックをエッチングし、導波路領域以外の
反射率も減少する。さらに、本実施例にあっては、p型
導電性の基板を使用すると、より一様な横型電流注入を
行うことが可能である。これはn型導電性の分散層20
を使用しているためであり、その分散層は、p型導電性
の材料よりも高い移動度および拡散定数を有する。しか
し、逆の導電性の層/領域を使用してデバイスを形成す
ることも可能である。さらに、そのデバイスは容易に形
成することが可能であり、実質的に平面的であり、相互
結線および実装が簡略化される。
例の断面図である。
1実施例を示す。
例を示す。
例を示す。
Claims (4)
- 【請求項1】 第1導電性の基板を含む支持構造(1
0);前記支持構造(10)上に形成される前記第1導
電性の第1の1/4ウェ−ブ・スタック(14);前記
第1の1/4ウェ−ブ・スタック(14)上に形成さ
れ、特定の動作波長の1/2の倍数の厚さを有する活性
層(18);前記活性層(18)上に形成され、前記特
定の動作波長の1/2の倍数の厚さを有する第2導電性
の分散層(20);前記分散層(20),前記活性層
(18)および前記第1の1/4ウェ−ブ・スタック
(14)の一部分内に形成される第2導電性の領域(2
6);および前記分散層(20)の一部分上に形成され
る第2の1/4ウェ−ブ・スタック(24);から構成
されることを特徴とする特定の波長で動作する半導体レ
−ザ。 - 【請求項2】第1導電性の基板(10);前記基板(1
0)上に形成される前記第1導電性の第1の1/4ウェ
−ブ・スタック(14);前記第1の1/4ウェ−ブ・
スタック(14)上に形成され、特定の動作波長の1/
2の倍数の厚さを有する活性層(18)であって、少な
くとも1つの量子井戸から構成される活性層(18);
前記活性層(18)上に形成され、前記特定波長の1/
2波長の倍数の厚さを有する第2導電性の分散層(2
0);前記分散層(20),前記活性層(18)および
前記第1の1/4ウェ−ブ・スタック(14)内に形成
される第2導電性の導電性領域(26);および前記分
散層の一部分上に形成される第2の1/4ウェ−ブ・ス
タック(24);から構成されることを特徴とする特定
の波長で動作する半導体レ−ザ。 - 【請求項3】 p型導電性のガリウム砒素基板を含む支
持構造(10);前記支持構造(10)上に形成される
p型導電性のアルミニウム砒素/ガリウム砒素1/4ウ
ェ−ブ・スタック(14);少なくとも1つのインジウ
ム・ガリウム砒素量子井戸から成る前記アルミニウム砒
素/ガリウム砒素1/4ウェ−ブ・スタック(14)上
に形成される活性層(18)であって、前記活性層(1
8)は特定の動作波長の1/2の倍数の厚さである活性
層(18);前記活性層(18)上に形成されるn型導
電性のアルミニウム・ガリウム砒素分散層(20);前
記アルミニウム・ガリウム砒素分散層(20),前記活
性層(18)および前記ルミニウム砒素/ガリウム砒素
1/4ウェ−ブ・スタック(14)の一部分内に形成さ
れ、横型電流注入および導波路を提供するシリコン・ド
−プ領域(26);および前記アルミニウム・ガリウム
砒素分散層(20)の一部分上に形成される誘電体ミラ
−・スタック(24);から構成されることを特徴とす
る特定の波長で動作する縦型キャビティ表面放出半導体
レ−ザ。 - 【請求項4】 第1導電性の基板を含む支持構造(1
0)提供する段階;前記支持構造(10)上に第1導電
性の第1の1/4ウェ−ブ・スタック(14)を形成す
る段階;前記第1の1/4ウェ−ブ・スタック(14)
上に特定の動作波長の1/2の倍数の厚さを有する活性
層(18)を形成する段階;前記活性層(18)上に第
2導電性の分散層(20)を形成する段階;前記分散層
(20),前記活性層(18)および前記第1の1/4
ウェ−ブ・スタック(14)の一部分内に第2導電性の
領域(26)を形成する段階;および前記分散層(2
0)の一部分上に第2の1/4ウェ−ブ・スタック(2
4)を形成する段階;から構成されることを特徴とする
特定の波長で動作する半導体レ−ザを形成する方法。
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-
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