JPH07500950A - 可視光表面照射半導体レーザ - Google Patents
可視光表面照射半導体レーザInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
可視光表面照射半導体レーザ
技術分野
本発明は、半導体レーザに関するもので、特に、可視スペクトル(すなわち、4
00から700ナノメータの範囲)の電磁放射線を照射する垂直に配列したヘテ
ロ構造レーザに関するものである。
背景技術
従来のエツジ照射レーザダイオードは周知である。
これらのダイオードにおいて、レーザ放射線は該ダイオードを形成するp−n接
合平面に連続した平面内に照射される。これらのダイオードの異なったタイプは
、赤外および可視領域のレーザ放射線を提供するために広く用いられている。一
方、これらのダイオードは商業的にかなりな成功を収めており、それらは比較的
大きく、結果的に、他のデバイスと集積することが難しい。
最近、垂直キャビティ表面照射レーザとして新しいクラスの半導体レーザが開発
されている。エツジ照射レーザと異なり、これらの垂直キャビティレーザしよレ
ーザ放射線を該レーザダイオード中に形成されているp−n接合面に直交する方
向に照射する。このようなレーザダイオードの構造および形成に関するかなりの
情報は、例えば、米国特許第4,949.350号や、J、 Jewellらに
よる゛°マクロレーザScientificAmerican、 265巻、N
o、 5、第86〜94頁(1991年11月)や、J、 Jewellらによ
る゛垂直キャビティ表面照射レーザ:設計、成長製造法、特性”IEEE Jo
urnal ofQuantum Electronics 、 27巻、No
、6、第1332 N1346頁(1991年6月)や、G、R,Olbrig
htらによる°゛カスケイダブルレーザ ロジック デバイス二表面照射レーザ
ダイオードを有する光トランジスタの不連続集積法” EleCt、ronic
s Letters 、 27巻、N093、第216〜217頁(1991年
)や、そしてJ、 Jewellらによる“°光相互通信用垂直キャビティレー
ザ”5PIE 131119巻International Conferen
ce on Advances in Interconnection an
d Packaging 第401 N407頁(1990年)に示されており
、これらはすべては、ここに参照することにより本明細書の一部分を構成するも
のとする。
上記参照刊行物のいくつかに説明されているように、垂直キャビティレーザはエ
ツジ照射レーザより多くの利点を持っており、そのうちの最も重要なものは、素
子を大変小さなサイズ(例えば、直径1マイクロメータ)に製造でき、トランジ
スタのような他のデバイスと容易に集積することができることである。
しかしながら、今までのところ、垂直キャビティレーザの応用は、可視レーザ放
射線を照射する垂直キャビティレーザが全(ないために、限られたものとなって
いた。
発明の開示
我々は、可視領域でレーザ放射線を照射する垂直キャビティレーザを発明した。
これらのデバイスにおいて、レーザ放射線は光ポンプまたは電気注入によって励
起することができる。
本発明の好適な実施例において、垂直キャビティ表面照射レーザは、二つの分散
ブラッグ反射器(distributed Bragg reflector
)間に挟まれたレーザキャビティから構成されている。このレーザキャビティは
、このデバイスの活性光学照射材料として働く、可視にバンドギャップを有する
活性光照射量子井戸の一つあるいはそれ以上を囲む一対のスペーサ層から構成さ
れている。該レーザキャビティの厚さは、mを整数、えをレーザ照射線の波長、
n@ttをキャビティの実効屈折率とすると、mλ/2nefrである。該レー
ザの電気ボンピングは、底部ミラーと基板に一方の導電型を多量にドープすると
ともに上部ミラー領域に逆の導電型を多量にドープしてダイオード構造を形成す
るとともに、該ダイオード構造に適当な電圧を印加することによって、実行され
る。赤、緑および青の放射線を発生するための本発明の特別な実施例も説明する
。
図面の簡単な説明
本発明のこれらのおよび他の目的、特徴および利点は、以下に示す本発明の詳細
な説明によって、より詳しく説明するが、そこにおいて、
第1図は、本発明の表面照射レーザの好適な−・実施例の一部分の断面図であり
;
第2図〜第7図は、第1図の表面照射レーザの他の部分の断面図であり:そして
第8図は、第1図の表面照射レーザの一部分の頂面図である。
発明を実施するための最良の形態
第1図に示すように、本発明の表面照射レーザ(ま、第1のミラ一層10、第1
のスペーサ層20、量子井戸層30、第2のスペーサ層40および第2のミラ一
層50とカ)ら構成される。当業者に周知の、そして、例え(f、」二記参照の
米国特許第4.949,350号に記載の技術に従って、層10.20.30、
および40と、層50の一部(よ、基(及60上にエピタキシャルに形成される
。層50の残りの部分は、絶縁(dielectric)堆積によって形成され
る。その結果、層1.0,20,30,40 、および50は、基板60と同寸
法の直径を持つことになる。前記複数層のエピタキシャル形成の後、井戸層30
、スペーサ層40、そしてミラ一層50が光りソグラフイとエツチングにより成
形されて、多数のカラム(柱体)70が形成される。第2のミラ一層50および
基板60への電気的接続は、56および66とにおいて、なされる。
第8図の頂面図に示されているように、電気接点56は、好ましくはカラム70
の一部分上に配置されてしするポンディングパッドである。この場合、各カラム
70は、側部が約20ミクロンメータの第1の部分71(第1図にも示されてい
る)と、前記ポンプイングツ(・ノド下に位置し、側部が約100ミクロンメー
タの第2の部分72を有している。そして、基板は、エピタキシャル処理を通し
て、直径3ないし4インチ(7,5なl/X610cm)であり、数個の単位に
賽の回春こ切断されてイ吏用Iこ供される。
赤色光を発生させるのに用いられる本発明の女子適な実施例でば、基板60はn
1ドープGaAsであり、各層to、20,30,40 、および50はそれぞ
れ多数の層力)ら+X成されており、それらの組成は第2図〜第7図に示すとと
もに、以下にさらに詳しく説明する。
第2図に示すように、ミラ一層IOは、交互に置力)れたn4ド一プAlAs層
11およびAlGaAs層12から構成される。各層は、該し・−ザにより照射
される放射線の該層における波長の四分の−の厚さである。当業者によって理解
されるであろうように、ミラ一層lOの構造は、分散ブラッグ反射器の構造であ
り、そこでは、AlAsは低屈折率を有する層であり、A1GaAsは高屈折率
を有する層である。また、同様に周知のように、AlAsの屈折率は波長に依存
して約3.0あり、AlGaAsの屈折率は波長およびAIとGaの相対濃度と
に依存して約3.0から3.6の範囲である。
第3図に示すように、該レーザキャビティは、スペーサ層20、量子井戸層30
、およびスペーサ層40から構成される。該レーザキャビティの長さくずなわぢ
、lW2O,30、および40の厚さ)は、えを照射されたL/ −ザ放射線の
自由空間波長、mを整数、そしてn。2、をキャビティの実効屈折率とすると、
mん/2n@ttである。都合良く、活性量子井戸34が注入陽子の環状領域3
3によって成形されており、前記環状領域33は前記活性量子井戸層を囲んでお
り、それによって電流を活性量子井戸へ限定的に流す。このような電流の狭隘通
過をなすためのイオン注入の利用の詳細は、Y、 H,Leeらによる°’To
p−Surface−Emitting GaAs Four−Quantum
−Well La5ers Emitting at 0.85 gm ” E
lectronlett、第26巻 第1308〜13+、0頁(1,990年
)と、tl、 −J、 Yooらによる’Low 5eries Re5ist
、anceVertical−Cavity Front−3urface−E
mitting La5erDiode ” Appl、 Phys、 Let
t、第56巻 No、20 第1942〜1945貫(1990年5月14日)
とに説明されており、これらはここに参照することにより、本明細書の一部分を
構成するものとするつ
第4図に示すように、スペーサ層20は、Ga量が量子井戸層に向かって徐々に
増加する多数のAIGaInP層から構成される。当業者には周知のようば、こ
れらの層は、GaAsに格子整合している。同様に周知のように、これらの層の
屈折率はGa量の増加に伴って増加し、そのバンドギャップは減、少する。第6
図に示すように、スペーサ層40は、(ia量がミラ一層50に向かって徐々に
減少する類似の構造である。
第5図に示すように、量子井戸層30は、2つの約90オングストローム厚のA
IGaInP N32によって分離された3つの約50オ:ノブストローム厚の
GalnP層31から構成されている。陽子の周辺領域33は、これらの層内に
注入によって形成されている。この領域は、1131の陽子が注入されていない
部分34に活性量子井戸を限定している。また、周辺領域33は、電流を該レー
ザダイオードを介して層31および32の陽子が注入されていない部分へだけ流
し、それにより、量子井戸を通る電流密度を増加させる。
第7図に示すように、第2のミラ一層50は、多数の交互に配列したp゛ドープ
AlAs層51とAlGaAs層52と、周辺の電気接続Au層53、および多
数の交互に配列したTin、層54とSiO□層55とから構成されている。前
と同様に、層51および52と層54および55のそれぞれは、四分の一波長厚
であり、これらの層は分散ブラッグ反射器を構成している。しかし、この反射器
は、最上層からレーザ放射線の照射を与えるように部分的な伝達を行う。都合良
く、接続層53における中心孔は、該照射レーザ放射線の伝搬モードをTEM0
0モードに制限するように寸法化されている。
好ましくは、第8図の頂面図に示すように、接続層53の電気的接続は、ポンデ
ィングパッド56を用いる従来法により形成されるものであり、このポンディン
グパッド56は、第2図〜第7図に示した層の部分71に極く隣接したエピタキ
シャル層の部分72上の層53と同時に形成される。
必要であれば、第2のミラ一層50の構造は、層10の構造と同じでも良い。し
かしながら、AlAs層およびAlGaAs層は、比較的高い抵抗を持っており
、それにより第2のミラ一層の不所望な加熱をもたらす。したがって、我々は、
電気接続層53と基板60との間のダイオード領域内に少数のミラ一層51.5
2のみを含むことによって、第2のミラ一層の抵抗を低減すると良いことを知り
得た。第2のミラ一層の残りの層は、接続層53の頂面上に交互にSiO□層と
Tioz層を絶縁堆積することによって、形成される。
個々のレーザは、該デバイスを光リングラフィで成形し、該デバイスを公知のガ
ス状エッチャントもしくは化学エッチャントを用いてエツチングすることによっ
て、形成される。
材料と層の寸法を適正に選択することにより、第1図〜第8図のレーザは、スペ
クトルの可視領域の異なった部分のレーザ放射線を発生するために用いることが
できる。第1図〜第8図に関連して説明された特別な実施例は、赤色領域の放射
線を発生するために用いることができる。
スペクトルの黄色から緑色部分に放射線を発生させるためには、活性量子井戸層
を好ましくはAlGaPから構成するとともに、バリア層もAlGaPから構成
し、これらにおいてAlおよびGa組成を量子井戸層とバリアとに応じて異なら
せることが必要である。第2のミラ一層は、AlGaP層とALP層を交互に配
置して構成する必要がある。
スペクトルの青色部分に放射線を発生させるためには、活性量子井戸層を好まし
くはAIGaNから構成するとともに、バリア層もAIGaNから構成し、これ
らにおいてAIおよびGa組成を量子井戸層とバリアとに応じて異ならせること
が必要である。第2のミラ一層は、AIGaN層とAIN層を交互に配置して構
成する必要がある。
当業者には、前述の説明から本発明の数多くの態様が明らかであろう。例えば、
ZnCdSeなどのIII−VおよびIN−VI半導体から選択された他の材料
を前記量子井戸層、スペーサ層およびミラ一層のために特定された材料の替わり
に用いることができる。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明の半導体レーザば、可視レーザ故躬線を照射するこ
とができ、しかも大変小さなサイズ(例えば、直径1マイクロメータ)に製造で
き、トランジスタのような他のデバイスと容易に集積することができる。
FIG、 2
FIG、 3
FIG、 4
FIG、 6
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、ES、FR,GB、GR,IE、IT、LU、MC,NL、SE)、0A
(BF、BJ、CF、CG、CI、 CM、 GA、 GN、 ML、 MR,
SN、 TD、 TG)、 AU、 BB、 BG、 BR,CA、 C3,F
I、 HU。
、I P、 KR,i、に、 MG、 MN、 MW、 No、 PL、 RO
,RU、SD、UA
(72)発明者 ロット、ジェイムズ9エイ。
アメリカ合衆国 87111 ニューメキシコ州 アルブケルケ ノース イー
スト スペイン 9900 アパート、イー−2026(72)発明者 シュナ
イダー、リチャード、ビー。
アメリカ合衆国 87112 ニューメキシコ州 アルブケルケ ノース イー
スト モント ランゴ 1441
(72)発明者 シュウエル、ジャック、エル。
アメリカ合衆国 80304 コロラド州 ボウルダー アルパイン 1895
ユニットシー13
Claims (6)
- 1.400から700ナノメータの範囲の波長λを有する放射線を照射する垂直 キャビティ表面照射レーザであって、 基板と、 前記基板上に形成された多数の層からなり、これら各層が該層の屈折率をnとす るとλ/4nの厚みを持つ、第1のミラーと、 前記第1のミラー上に形成されている第1のスペーサと、 前記第1のスペーサ上に形成され、少なくとも一つの量子井戸層を有する活性層 と、 前記活性層上に形成されている第2のスペーサと、そして 前記第2のスペーサ上に形成されている多数の層から構成され、これらの層のそ れぞれがλ/4nの厚さを有する、第2のミラーと、 を有し、 前記第1および第2のミラーの間に血λ/2neff表される長さを有するレー ザキャビティが形成されており(ここで、mは整数で、nnffは該レーザキャ ビティの実効屈折率)、そして 前記第2のスペーサと前記第2のミラーが波長λ/nの放射線を伝達できる材料 から構成されていることを特徴とする垂直キャビティ表面照射レーザ。
- 2.少なくとも前記第1のミラーと前記第2のミラーとが反対の導電型のドーパ ントによりドープされてダイオード構造を形成し、該レーザがさらに前記ダイオ ード構造にバイアス電圧を印加するための第1および第2の電極を有することを 特徴とする請求の範囲第1項に記載のレーザ。
- 3.前記量子井戸層がGaInPであり、前記第2のミラーがAlAs層とAl GaAs層とが交互に積層された層からなり、該レーザがスペクトルの赤色領域 の放射線を照射するものであることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のレー ザ。
- 4.前記量子井戸層がAlGaNまたはGaNであり、前記第2のミラーがAl GaN層とAlN層とが交互に積層された層からなり、該レーザがスペクトルの 青色領域の放射線を照射するものであることを特徴とする請求の範囲第1項に記 載のレーザ。
- 5.前記量子井戸層がAlGaPまたはGaPであり、前記第2のミラーがAl GaP層とAlP層とが交互に積層された層からなり、該レーザがスペクトルの 黄色から緑色領域の放射線を照射するものであることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のレーザ。
- 6.該レーザは、該レーザによって照射される放射線より短い波長を有する放射 線によって、光ポンプされることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のレーザ 。
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