JPH0754867B2 - 上面発光ダイオードレーザ - Google Patents
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- JPH0754867B2 JPH0754867B2 JP3507114A JP50711491A JPH0754867B2 JP H0754867 B2 JPH0754867 B2 JP H0754867B2 JP 3507114 A JP3507114 A JP 3507114A JP 50711491 A JP50711491 A JP 50711491A JP H0754867 B2 JPH0754867 B2 JP H0754867B2
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明はレーザに関する。特に上面発光ダイオードのレ
ーザに関する。
ーザに関する。
発明の背景 縦方向キャビティの面発光ダイオードレーザにはいろい
ろな利点がある。オプトエレクトロニックのチップ上の
二次元アレイ中に集積することができるし、大きなアレ
イが少ししかスペースをとらないように数十ミクロンの
オーダー以下の大きさにまですることもできる。またそ
の量子効率はかなり高い。しかしそれにもかかわらず今
日まで提案されてきた縦方向キャビティの面発光ダイオ
ードレーザにはいくつかの欠点もあった。この分野にお
ける最近の進歩についての考案は、Journal Vacuum Sci
ence Technology A1989年、第７巻の842〜846頁の「面
発光半導体レーザアレイ：その利点と将来」と題するIg
aらの技術論文に要約されている。
ろな利点がある。オプトエレクトロニックのチップ上の
二次元アレイ中に集積することができるし、大きなアレ
イが少ししかスペースをとらないように数十ミクロンの
オーダー以下の大きさにまですることもできる。またそ
の量子効率はかなり高い。しかしそれにもかかわらず今
日まで提案されてきた縦方向キャビティの面発光ダイオ
ードレーザにはいくつかの欠点もあった。この分野にお
ける最近の進歩についての考案は、Journal Vacuum Sci
ence Technology A1989年、第７巻の842〜846頁の「面
発光半導体レーザアレイ：その利点と将来」と題するIg
aらの技術論文に要約されている。
これら提案の多くはGaAs基板上にIII−Ｖ族材料の垂直
レーザ構造部を成長させる技術に関する。この構造部は
活性領域の横方向の限定、またはその活性領域への電流
注入手段を有するものである。次に基板は、基板中に開
口された穴を介して裏面にレーザ構造部を露出するよう
にレーザ構造部の領域内で下方からエッチングすること
によって、局所的に薄くされる。次にレーザのファブリ
・ペローキャビティの１側を形成する部分的伝送の金属
体つまり誘電体スタックミラーが、その穴に露出してい
るレーザ構造部の裏面にデポジッションされる。レーザ
光は基板に開口された穴を通してチップ底部から放出さ
れることになる。
レーザ構造部を成長させる技術に関する。この構造部は
活性領域の横方向の限定、またはその活性領域への電流
注入手段を有するものである。次に基板は、基板中に開
口された穴を介して裏面にレーザ構造部を露出するよう
にレーザ構造部の領域内で下方からエッチングすること
によって、局所的に薄くされる。次にレーザのファブリ
・ペローキャビティの１側を形成する部分的伝送の金属
体つまり誘電体スタックミラーが、その穴に露出してい
るレーザ構造部の裏面にデポジッションされる。レーザ
光は基板に開口された穴を通してチップ底部から放出さ
れることになる。
しかし基板の裏から穴を通して開口処理することは多く
の欠点をもつ、例えば裏のミラー面に裏側からエッチン
グしなければならないし、上面から裏面へのアラインメ
ントを中断するという致命的な欠点がある。したがって
一般に、このような裏面処理は困難であってレーザ生産
にとり好ましくないと考えられる。
の欠点をもつ、例えば裏のミラー面に裏側からエッチン
グしなければならないし、上面から裏面へのアラインメ
ントを中断するという致命的な欠点がある。したがって
一般に、このような裏面処理は困難であってレーザ生産
にとり好ましくないと考えられる。
Jewellらは1989年７月17日出願の米国特許出願第07/38
0,996号中、ならびにElectronics Letters,1989年第25
巻の1123〜1124頁に掲載の「低いしきい値の電気的にポ
ンプされる縦方向キャビティ面発光マイクロレーザ」と
題する技術論文中に、縦方向キャビティ面発光レーザの
もう一つの構造について開示している。彼らは横方向に
無限定の縦方向キャビティレーザ構造部を導電性GaAs基
板上に成長させた。この構造部はそのキャビティの両端
に半導体ブラッグ反射器を有するものである。その活性
領域はInGaAsのひずみ量子井戸を有する。横方向の限定
はイオンビームエッチングによって化学的補助を受けて
行われる。これは高さ〜５μｍ、直径２μｍ以上の正確
に垂直なピラーを生成したもので、各ピラーがレーザで
ある。各ピラーの頂に一方の電極が接続され、導電性基
板はもう一方の電極とされる。レーザ光はInGaAsによっ
て発光される950nm波長の光をパスするGaAs基板を通し
て放出される。
0,996号中、ならびにElectronics Letters,1989年第25
巻の1123〜1124頁に掲載の「低いしきい値の電気的にポ
ンプされる縦方向キャビティ面発光マイクロレーザ」と
題する技術論文中に、縦方向キャビティ面発光レーザの
もう一つの構造について開示している。彼らは横方向に
無限定の縦方向キャビティレーザ構造部を導電性GaAs基
板上に成長させた。この構造部はそのキャビティの両端
に半導体ブラッグ反射器を有するものである。その活性
領域はInGaAsのひずみ量子井戸を有する。横方向の限定
はイオンビームエッチングによって化学的補助を受けて
行われる。これは高さ〜５μｍ、直径２μｍ以上の正確
に垂直なピラーを生成したもので、各ピラーがレーザで
ある。各ピラーの頂に一方の電極が接続され、導電性基
板はもう一方の電極とされる。レーザ光はInGaAsによっ
て発光される950nm波長の光をパスするGaAs基板を通し
て放出される。
しかしJewellらのレーザ構造部にはいくつか困難があ
る。まづピラー頂に永久的にリード線を設けることが困
難である。また電流は両方のブラッグ反射器を通してパ
スしてしまう。したがってブラッグ反射器は、明らかに
より効果的であるとされている絶縁体の組合せから作る
のでなく、半導体材料で作った。半導体ブラッグ反射器
は、Δｎが約0.62という比較的小さい屈折率差のGaAsと
AlAsとの交互層から作った。こうして多くの層が高い鏡
面反射を求められた。それにもかかわらず各インターフ
ェイスには半導体のヘテロ接合があった。高い量子井戸
効率を得るため、こうした接合抵抗を減らすのに、ブラ
ッグ反射器のGaAsとAlAs層間にGaAlAsのグレーデッド超
格子が設けられた。これらの理由から、彼らは500層以
上ものレーザ構造を成長させたのである。しかし明らか
に層の数を減らした方がよい。さらに、Jewellらのレー
ザは基板のパターニングされていない裏面から発光す
る。しかし光はパターニングされた上面から発光される
方が多くの場合好ましい。特にGaAsは〜870nmの帯域端
があり、それ以下またはそれに近い帯域端では伝送しな
い。このようにGaAsは、この波長、または〜700nm以下
の可視帯域で放出する裏面発光レーザダイオードの基板
としては、その基板に穴が開口されていない限り使えな
い。しかしJewellらは裏面接続を設けるため導電性基板
を使った。もし彼らのレーザダイオードが一般的な基板
上のほかの電気部品と集積されるべきものなら、電気絶
縁はそのような導電性基板上の横方向の非整列［displa
cement］に簡単に依存できるものではない。
る。まづピラー頂に永久的にリード線を設けることが困
難である。また電流は両方のブラッグ反射器を通してパ
スしてしまう。したがってブラッグ反射器は、明らかに
より効果的であるとされている絶縁体の組合せから作る
のでなく、半導体材料で作った。半導体ブラッグ反射器
は、Δｎが約0.62という比較的小さい屈折率差のGaAsと
AlAsとの交互層から作った。こうして多くの層が高い鏡
面反射を求められた。それにもかかわらず各インターフ
ェイスには半導体のヘテロ接合があった。高い量子井戸
効率を得るため、こうした接合抵抗を減らすのに、ブラ
ッグ反射器のGaAsとAlAs層間にGaAlAsのグレーデッド超
格子が設けられた。これらの理由から、彼らは500層以
上ものレーザ構造を成長させたのである。しかし明らか
に層の数を減らした方がよい。さらに、Jewellらのレー
ザは基板のパターニングされていない裏面から発光す
る。しかし光はパターニングされた上面から発光される
方が多くの場合好ましい。特にGaAsは〜870nmの帯域端
があり、それ以下またはそれに近い帯域端では伝送しな
い。このようにGaAsは、この波長、または〜700nm以下
の可視帯域で放出する裏面発光レーザダイオードの基板
としては、その基板に穴が開口されていない限り使えな
い。しかしJewellらは裏面接続を設けるため導電性基板
を使った。もし彼らのレーザダイオードが一般的な基板
上のほかの電気部品と集積されるべきものなら、電気絶
縁はそのような導電性基板上の横方向の非整列［displa
cement］に簡単に依存できるものではない。
Orensteinらは、別の縦方向キャビティの面発光ダイオ
ードレーザを1990年２月14日出願の米国特許出願第07/4
80117号に提案し、また「平坦な横方向限定付き縦方向
キャビティレーザアレイ」と題して期限後の技術誌、19
89年10月15−20日の1989年度年会のPostdeadline Paper
s,Optical Society of America、第PD22頁に発表してい
る。この縦方向キャビティレーザ構造部はJewellらのも
のと同様であった。しかしOrensteinらはピラーをエッ
チングする代わりに、抵抗を増大させるプロトンを、目
的とするレーザ周りの上方ブラッグ反射器中に埋め込ん
だ。これによって高い縦横比のピラーに生ずる収縮の問
題を回避している。Orensteinらのレーザは実際例にお
いてJewellらのものよりもいくつか長所をもつが、裏面
発光および多数層の短所もみられる。
ードレーザを1990年２月14日出願の米国特許出願第07/4
80117号に提案し、また「平坦な横方向限定付き縦方向
キャビティレーザアレイ」と題して期限後の技術誌、19
89年10月15−20日の1989年度年会のPostdeadline Paper
s,Optical Society of America、第PD22頁に発表してい
る。この縦方向キャビティレーザ構造部はJewellらのも
のと同様であった。しかしOrensteinらはピラーをエッ
チングする代わりに、抵抗を増大させるプロトンを、目
的とするレーザ周りの上方ブラッグ反射器中に埋め込ん
だ。これによって高い縦横比のピラーに生ずる収縮の問
題を回避している。Orensteinらのレーザは実際例にお
いてJewellらのものよりもいくつか長所をもつが、裏面
発光および多数層の短所もみられる。
Oguraらは、Electronics Letters,1990年、第26巻、第1
8〜19頁に「分布ブラッグ反射器および埋込式のヘテロ
構造による面発光レーザダイオード」と題する技術論文
中に、ある上面発光レーザにつき開示している。彼らは
半導体の下方ブラッグ反射器、下方スペーサ、活性領
域、上方スペーサをデポジッションし、それから彼らは
Jewellらと同様にピラーをエッチングし、その後、電流
が活性層ならびにそれ以下の部分を絶縁するが上方のス
ペーサには横方向の電流接続を供給するそのピラー周り
に半導体材料を再成長させた。それから、彼らは上方の
ミラーのためにSi/SiO2の誘電スタックをピラー上にデ
ポジッションしている。ピラーをエッチングすることは
表面量子状態を導くものと考えられる。Oguraらにより
報告されたしきい値電流は大きすぎると考える。
8〜19頁に「分布ブラッグ反射器および埋込式のヘテロ
構造による面発光レーザダイオード」と題する技術論文
中に、ある上面発光レーザにつき開示している。彼らは
半導体の下方ブラッグ反射器、下方スペーサ、活性領
域、上方スペーサをデポジッションし、それから彼らは
Jewellらと同様にピラーをエッチングし、その後、電流
が活性層ならびにそれ以下の部分を絶縁するが上方のス
ペーサには横方向の電流接続を供給するそのピラー周り
に半導体材料を再成長させた。それから、彼らは上方の
ミラーのためにSi/SiO2の誘電スタックをピラー上にデ
ポジッションしている。ピラーをエッチングすることは
表面量子状態を導くものと考えられる。Oguraらにより
報告されたしきい値電流は大きすぎると考える。
発明の概要 そこで上面発光ダイオードレーザを提供することが本発
明の１目的である。
明の１目的である。
また、ブラッグ反射器の少なくとも１つが、誘電体でで
きている縦方向キャビティの面発光レーザを提供するこ
とも本発明の１目的である。
きている縦方向キャビティの面発光レーザを提供するこ
とも本発明の１目的である。
さらに、可視光のGaAs基板上に作られる縦方向キャビテ
ィの面発光レーザを提供することも本発明の１目的であ
る。さらにもう一つの目的は、オプトエレクトロニック
集積回路上に他のコンポーネントと容易に集積すること
ができる面発光レーザダイオードを提供することであ
る。
ィの面発光レーザを提供することも本発明の１目的であ
る。さらにもう一つの目的は、オプトエレクトロニック
集積回路上に他のコンポーネントと容易に集積すること
ができる面発光レーザダイオードを提供することであ
る。
本発明は、下方のレーザキャビティ構造が導電性結晶基
板上にエピタキシャル形成された上面発光レーザである
と要約することができる。この構造は、半導体ブラッグ
反射器と、下方スペーサと、量子井戸のある活性領域
と、上方スペーサと、からなる。次に誘電体または半導
体のブラッグ反射器が形成され、フォトレジストマスク
でパターニングされる。このマスクは次に２つのイオン
の打込みに使われる。１つの打込みは導電性を減少させ
る第１のイオンの打込みであり、上方スペーサの下部と
活性領域の下部とを通して電流チャネルを形成するよう
に深く打込むものである。もう１つの打込みは、導電性
を増大させる第２のイオンの打込みであり、上方スペー
サの上部に横方向の接続を与えるように浅く植え込むも
のである。発光はこの上方の、つまり誘電ブラッグ反射
器を介して行われる。
板上にエピタキシャル形成された上面発光レーザである
と要約することができる。この構造は、半導体ブラッグ
反射器と、下方スペーサと、量子井戸のある活性領域
と、上方スペーサと、からなる。次に誘電体または半導
体のブラッグ反射器が形成され、フォトレジストマスク
でパターニングされる。このマスクは次に２つのイオン
の打込みに使われる。１つの打込みは導電性を減少させ
る第１のイオンの打込みであり、上方スペーサの下部と
活性領域の下部とを通して電流チャネルを形成するよう
に深く打込むものである。もう１つの打込みは、導電性
を増大させる第２のイオンの打込みであり、上方スペー
サの上部に横方向の接続を与えるように浅く植え込むも
のである。発光はこの上方の、つまり誘電ブラッグ反射
器を介して行われる。
図面の簡単な説明 図１は本発明の１実施例の１製造工程において成長され
る未パターニング構造の断面図である。
る未パターニング構造の断面図である。
図２は図１の実施例の製造における別の工程の断面図で
ある。
ある。
図３は図１および図２で製造されたレーザの断面図であ
る。
る。
図４は上面に双方の電極をもっている本発明の別の実施
例の断面図である。
例の断面図である。
図５は埋め込み接合で電流の閉じ込めをする本発明のレ
ーザの別の実施例の断面図である。
ーザの別の実施例の断面図である。
発明の詳細な説明 本発明の第１実施例は、次のように製造された。すなわ
ち上部キャビティの横方向側部への面接続と、活性領域
を通しての電流絶縁の両方を提供する単一マスクをもつ
二つのイオン打込みである。
ち上部キャビティの横方向側部への面接続と、活性領域
を通しての電流絶縁の両方を提供する単一マスクをもつ
二つのイオン打込みである。
図１の断面図に示されるように、（001）方向のｎ形のG
aAs基板10を洗浄後、Varian GEN−II分子線エピタキシ
ー（MBE）成長装置の中に挿入した、図示しないが0.5μ
ｍ厚のｎ形GaAsバッファ層を成長させた。ｎ形にされた
この層とその後の全層とは５×1018cm-3濃度のシリコン
がドーピングされた。
aAs基板10を洗浄後、Varian GEN−II分子線エピタキシ
ー（MBE）成長装置の中に挿入した、図示しないが0.5μ
ｍ厚のｎ形GaAsバッファ層を成長させた。ｎ形にされた
この層とその後の全層とは５×1018cm-3濃度のシリコン
がドーピングされた。
ｎ形の下方の分布ブラッグ反射器14を次にそのバッファ
層上に成長させた。この下方反射器14の下部は超格子と
80.2nm厚のｎ形AlAs層とであった。この超格子はAlAs、
GaAs、AlAsおよびGaAsの４層構造で、各層は1nm厚、ｎ
形で、上述の順に成長させられていた。下方反射器14の
残部は、低い65nm厚のｎ形GaAs層と、上記の超格子と、
上部の78.2nm厚のｎ形AlAs層との24周期［periods］で
構成されていた。超格子は直列抵抗を減らすために設け
られた。AlAs層とGaAs層の厚さは、各層の屈折率ｎがそ
の光波長内に含まれているとき、超格子部と合わせて光
波長λ/4（λは発光しようとするレーザ光の波長）に各
々がされている。
層上に成長させた。この下方反射器14の下部は超格子と
80.2nm厚のｎ形AlAs層とであった。この超格子はAlAs、
GaAs、AlAsおよびGaAsの４層構造で、各層は1nm厚、ｎ
形で、上述の順に成長させられていた。下方反射器14の
残部は、低い65nm厚のｎ形GaAs層と、上記の超格子と、
上部の78.2nm厚のｎ形AlAs層との24周期［periods］で
構成されていた。超格子は直列抵抗を減らすために設け
られた。AlAs層とGaAs層の厚さは、各層の屈折率ｎがそ
の光波長内に含まれているとき、超格子部と合わせて光
波長λ/4（λは発光しようとするレーザ光の波長）に各
々がされている。
下方反射器14上には下方スペーサ16を形成された。この
下方スペーサは85nm厚のｎ形Al0.5Ga0.5Asの下方の層
と、上方のドーピングされていない20nm厚のグレーデッ
ド層とで形成された。このグレーデッド層は最上層のGa
Asに対し最下層のAl0.5Ga0.5Asから直線状にグレーデッ
ドされた。
下方スペーサは85nm厚のｎ形Al0.5Ga0.5Asの下方の層
と、上方のドーピングされていない20nm厚のグレーデッ
ド層とで形成された。このグレーデッド層は最上層のGa
Asに対し最下層のAl0.5Ga0.5Asから直線状にグレーデッ
ドされた。
ドーピングされていない活性領域18を下方スペーサ16上
に形成された。この活性領域18は、10nm厚の５つのGaAs
層間にサンドイッチにされた8nm厚の４つのIn0.2Ga0.8A
sひずみ量子井戸層で構成される。これらひずみ量子井
戸層は、発光しようとする光の波長λｇ＝0.98μｍの厚
さと構造とをもっていた。
に形成された。この活性領域18は、10nm厚の５つのGaAs
層間にサンドイッチにされた8nm厚の４つのIn0.2Ga0.8A
sひずみ量子井戸層で構成される。これらひずみ量子井
戸層は、発光しようとする光の波長λｇ＝0.98μｍの厚
さと構造とをもっていた。
上方スペーサ20は活性領域18上に成長された。下方スペ
ーサ16と同様に上方スペーサ20は、GaAsからAl0.5Ga0.5
Asへとグレーデッドされた20nm厚の下方のドーピングさ
れていないグレーデッド領域と、85nm厚の上方のｐ形Al
0.5Ga0.5As層とからなる。このｐ形層は５×1018cm-3の
ベリリウムのドーパント濃度をもっている。
ーサ16と同様に上方スペーサ20は、GaAsからAl0.5Ga0.5
Asへとグレーデッドされた20nm厚の下方のドーピングさ
れていないグレーデッド領域と、85nm厚の上方のｐ形Al
0.5Ga0.5As層とからなる。このｐ形層は５×1018cm-3の
ベリリウムのドーパント濃度をもっている。
２つのスペーサ16、20の外側端は、λ＝971nmのとき、
λ/2の光波長をもつ縦方向の光のキャビティの境界とな
っていた。
λ/2の光波長をもつ縦方向の光のキャビティの境界とな
っていた。
上方スペーサ20上には、80.2nm厚のAlAs下方層と67nm厚
のGaAs上方層との20周期からなるｐ形の上方ブラッグ反
射器22が成長された。半導体反射器22は、この高さｐ形
ドーピングレベルでは、Jewellらの超格子が直列抵抗を
減らすので、あまり高くないようにした。上方の半導体
ブラッグ反射器22は本発明にとって不可欠ではないが、
Jewellらのレーザ構造部と簡単に比較できるように含め
てある。これと同一の理由で、上方ブラッグ反射器22上
に32nm厚のｐ形AlAs層と3nm厚のδドーピングされたGaA
s層とが、ともに図示していないが、成長させてある。
のGaAs上方層との20周期からなるｐ形の上方ブラッグ反
射器22が成長された。半導体反射器22は、この高さｐ形
ドーピングレベルでは、Jewellらの超格子が直列抵抗を
減らすので、あまり高くないようにした。上方の半導体
ブラッグ反射器22は本発明にとって不可欠ではないが、
Jewellらのレーザ構造部と簡単に比較できるように含め
てある。これと同一の理由で、上方ブラッグ反射器22上
に32nm厚のｐ形AlAs層と3nm厚のδドーピングされたGaA
s層とが、ともに図示していないが、成長させてある。
次に、本発明の基板10のレーザアレイに割かれる領域
は、0.5keVのArイオンでイオンビームミリングされ、そ
の後、H3PO4：H2O2：CH3OH（重量比1:1:3）でエッチン
グされた。このミリングとエッチングは、上方ブラッグ
反射器22の一部を食刻するが、GaAs/AlAs構造の１周期
または２周期を切欠いて半導体ブラッグ反射器24中に残
すように（図２の中央部参照）、上方スペーサ20の上方
端〜0.4μｍ内に材料を除去した。このエッチングはDek
−takプロファイラでエッチング工程を頻繁に測定しな
がら制御して行った。もしイオンビームのエッチング率
が既知であるなら、このイオンビームだけでエッチング
する方が好ましいであろう。
は、0.5keVのArイオンでイオンビームミリングされ、そ
の後、H3PO4：H2O2：CH3OH（重量比1:1:3）でエッチン
グされた。このミリングとエッチングは、上方ブラッグ
反射器22の一部を食刻するが、GaAs/AlAs構造の１周期
または２周期を切欠いて半導体ブラッグ反射器24中に残
すように（図２の中央部参照）、上方スペーサ20の上方
端〜0.4μｍ内に材料を除去した。このエッチングはDek
−takプロファイラでエッチング工程を頻繁に測定しな
がら制御して行った。もしイオンビームのエッチング率
が既知であるなら、このイオンビームだけでエッチング
する方が好ましいであろう。
この新しいエッチングされた表面に0.4μｍ厚のSi02層2
6をPMCVD法で成長させた。次に1.4μｍ厚のホトレジス
ト層28をデポジッションさせ、特に円形領域の直径を25
μｍにするように設計した形状のレーザにホトリトグラ
フィでパターニングした。現像されたホトレジスト層28
からはみ出ているSiO2層26をバッファHF酸化エッチ液で
エッチングして除去した。
6をPMCVD法で成長させた。次に1.4μｍ厚のホトレジス
ト層28をデポジッションさせ、特に円形領域の直径を25
μｍにするように設計した形状のレーザにホトリトグラ
フィでパターニングした。現像されたホトレジスト層28
からはみ出ているSiO2層26をバッファHF酸化エッチ液で
エッチングして除去した。
その後、SiO2層26とホトレジスト層28を共通マスクとし
て使って２つのイオンの打込みが行われた。１×1015cm
-2のドーズ量にO+（酸素イオン）の400keVを最初に打込
んで、埋込み高抵抗領域28を作り出した。AsbeckらはIE
EE Electron Device Letters第EDL−５巻、1984年の310
−312頁に記載の「埋込まれた酸素打込み絶縁層のあるG
aAs/（Ga,Al）Asヘテロ接合バイポーラトランジスタ」
と題する技術論文に、これと関連する酸素／ベリリウム
打込みについて記載している。これら双方の打込みとも
７度の傾斜で行われた。
て使って２つのイオンの打込みが行われた。１×1015cm
-2のドーズ量にO+（酸素イオン）の400keVを最初に打込
んで、埋込み高抵抗領域28を作り出した。AsbeckらはIE
EE Electron Device Letters第EDL−５巻、1984年の310
−312頁に記載の「埋込まれた酸素打込み絶縁層のあるG
aAs/（Ga,Al）Asヘテロ接合バイポーラトランジスタ」
と題する技術論文に、これと関連する酸素／ベリリウム
打込みについて記載している。これら双方の打込みとも
７度の傾斜で行われた。
打込まれた構造部分はプラズマ蒸着したSi3N4でカプセ
ルに覆い、流動させてあるアルゴン雰囲気中で20秒間85
0℃で急速加熱アニーリングした。アニーリング後、ア
レイ中のレーザをホトリトグラフィによりH3PO4：H
2O2：CH3OH（重量比1:1:3）で選択的にエッチングする
ことでBe打込みの導電層30を介して各々に分離し、図３
に示した領域を狭められた導電層32を作った。もう一つ
のホトリトグラフィ工程で、リング形のトレンチをホト
レジスト層中に形成した。このトレンチは25μｍのSi02
ドット26の周りに形成され、上記狭められた導電層32の
周りに位置し、内径25μｍ、外径75μｍであった。電子
蒸着によりCr50nm、AuBe150nm、Au200nmの合金構造が形
成された。トレンチの外側の蒸着層はリフトオフ法によ
り合金リング34を導電層32に接触させ形成したものであ
る。合金リング34はレーザにｐ形電極を設けるため400
℃、10秒間の急速加熱アニーリングでアニールした合金
である。
ルに覆い、流動させてあるアルゴン雰囲気中で20秒間85
0℃で急速加熱アニーリングした。アニーリング後、ア
レイ中のレーザをホトリトグラフィによりH3PO4：H
2O2：CH3OH（重量比1:1:3）で選択的にエッチングする
ことでBe打込みの導電層30を介して各々に分離し、図３
に示した領域を狭められた導電層32を作った。もう一つ
のホトリトグラフィ工程で、リング形のトレンチをホト
レジスト層中に形成した。このトレンチは25μｍのSi02
ドット26の周りに形成され、上記狭められた導電層32の
周りに位置し、内径25μｍ、外径75μｍであった。電子
蒸着によりCr50nm、AuBe150nm、Au200nmの合金構造が形
成された。トレンチの外側の蒸着層はリフトオフ法によ
り合金リング34を導電層32に接触させ形成したものであ
る。合金リング34はレーザにｐ形電極を設けるため400
℃、10秒間の急速加熱アニーリングでアニールした合金
である。
その後レーザアレイ領域は、SiO2ドット26の上面を露出
させてホトレジストでコーティングし、パターン付けし
た。次に65nmのSiと145.7nmのAl2O3とを周期ｅビーム蒸
着により蒸着した。これら各層はλ/4の光厚をもってい
た。残りのホトレジスト上の蒸着材料は、３つのSi層38
と３つのAl2O3層40の上方誘電分布ブラッグ反射器36を
残してリフトオフされた。半導体Siの3.42屈折率と誘電
Al2O3の1.7屈折率を計算にいれると、層38、40の各々は
λ/4の光厚をもつ。Δｎ＝1.72という大きな値ゆえに、
効果的なブラッグ反射器には比較的少ない周期が要求さ
れている。
させてホトレジストでコーティングし、パターン付けし
た。次に65nmのSiと145.7nmのAl2O3とを周期ｅビーム蒸
着により蒸着した。これら各層はλ/4の光厚をもってい
た。残りのホトレジスト上の蒸着材料は、３つのSi層38
と３つのAl2O3層40の上方誘電分布ブラッグ反射器36を
残してリフトオフされた。半導体Siの3.42屈折率と誘電
Al2O3の1.7屈折率を計算にいれると、層38、40の各々は
λ/4の光厚をもつ。Δｎ＝1.72という大きな値ゆえに、
効果的なブラッグ反射器には比較的少ない周期が要求さ
れている。
次にウエハの裏面を〜100μｍ厚にラップし、臭素で処
理した２％メタノール溶液で磨いた。その磨いた裏面の
鏡面を100nmのAuGe層と、40nmのNi層と350nmのAu層から
なるｎ電極42でコーティングした。この厚くてパターン
付けされていないｎ電極42は、光が前面から放出される
ので、促進された熱放散を可能にする。実際のデバイス
では、例えば金製のワイヤからなるリード線44、46が、
ｐ電極34およびｎ電極42ににボンド付けされる。
理した２％メタノール溶液で磨いた。その磨いた裏面の
鏡面を100nmのAuGe層と、40nmのNi層と350nmのAu層から
なるｎ電極42でコーティングした。この厚くてパターン
付けされていないｎ電極42は、光が前面から放出される
ので、促進された熱放散を可能にする。実際のデバイス
では、例えば金製のワイヤからなるリード線44、46が、
ｐ電極34およびｎ電極42ににボンド付けされる。
図３のレーザをテストするに当たっては、電圧がｎ電極
とｐ電極間に印加された。5kHz反復率の40nsecパルスを
使って室温でテストしたとき、本発明の25μｍ前面発光
レーザの典型的レーザしきい値電流は6mAであった。し
きい値以上では、レーザ波長λは0.5nmのスペクトル線
幅で971nmであった。順電流対電圧特性は、例えば4mAで
3Vという比較的低い直列抵抗を示した。
とｐ電極間に印加された。5kHz反復率の40nsecパルスを
使って室温でテストしたとき、本発明の25μｍ前面発光
レーザの典型的レーザしきい値電流は6mAであった。し
きい値以上では、レーザ波長λは0.5nmのスペクトル線
幅で971nmであった。順電流対電圧特性は、例えば4mAで
3Vという比較的低い直列抵抗を示した。
同一ウエハの一部が、Jewellらのものと類似構造の裏面
発光レーザを提供するように処理された。すなわちｐ形
分布ブラッグ反射層22が上方反射器として使用され、全
電流はそれを通過した。これらの二重半導体鏡レーザ
は、15mAという典型的なしきい値電流と、例えば4mAで8
Vという比較的高い直列抵抗を示した。
発光レーザを提供するように処理された。すなわちｐ形
分布ブラッグ反射層22が上方反射器として使用され、全
電流はそれを通過した。これらの二重半導体鏡レーザ
は、15mAという典型的なしきい値電流と、例えば4mAで8
Vという比較的高い直列抵抗を示した。
こうして高抵抗の欠落で、図３のレーザ中のｐドーピン
グされた上方反射器は、比較的低い直列抵抗と高効率を
提供する。さらに電流閉じ込めは表面インターフェイス
を起こさずに達成することができる。図３の前面発光構
造のもう一つの長所は、光がGaAs基板を通して放出され
ないことである。これによってエピタキシャルにGaAs上
に成長されたレーザ構造は、GaAsの吸収端以上の波長
で、あるいは可視波長でさえ、発光し光を共振するよう
に設計することができる。
グされた上方反射器は、比較的低い直列抵抗と高効率を
提供する。さらに電流閉じ込めは表面インターフェイス
を起こさずに達成することができる。図３の前面発光構
造のもう一つの長所は、光がGaAs基板を通して放出され
ないことである。これによってエピタキシャルにGaAs上
に成長されたレーザ構造は、GaAsの吸収端以上の波長
で、あるいは可視波長でさえ、発光し光を共振するよう
に設計することができる。
上述の構造はさらに改良することができる。ｐ形の上方
反射層22を主として比較のために含めておいた。その必
要とされるエッチングは、事後的に空間的非連続をもた
らし、したがってAlAs/GaAs部と上方反射器の誘電部と
の間のインターフェイスにおける非効率的をもたらす。
さらに、SiO2層26は工程上便宜的に形成したものであ
る。誘電鏡36が上方スペーサ20上に直接成長されるのが
好ましい。
反射層22を主として比較のために含めておいた。その必
要とされるエッチングは、事後的に空間的非連続をもた
らし、したがってAlAs/GaAs部と上方反射器の誘電部と
の間のインターフェイスにおける非効率的をもたらす。
さらに、SiO2層26は工程上便宜的に形成したものであ
る。誘電鏡36が上方スペーサ20上に直接成長されるのが
好ましい。
図３のレーザダイオードの変形例は、両方の電極の前側
への接触を可能にする。図４に示すように半絶縁性のGa
As基板48が使われている。下方の半導体分布ブラッグ反
射器は、下側の絶縁部（ドーピングされていない）50
と、上側のAlAs/GaAsの数周期からなるｎ形部52とに分
割される。絶縁エッチングが行われるとき、下方の分布
ブラッグ反射器のｎ形部52に堀り進む。メタライズ層54
が下方の分布ブラッグ反射器のｎ形部52上にデポジッシ
ョンされ、ｎ電極として機能させるために下方スペーサ
16に接続せしめられている。互いのレーザが絶縁されて
いてもよい。
への接触を可能にする。図４に示すように半絶縁性のGa
As基板48が使われている。下方の半導体分布ブラッグ反
射器は、下側の絶縁部（ドーピングされていない）50
と、上側のAlAs/GaAsの数周期からなるｎ形部52とに分
割される。絶縁エッチングが行われるとき、下方の分布
ブラッグ反射器のｎ形部52に堀り進む。メタライズ層54
が下方の分布ブラッグ反射器のｎ形部52上にデポジッシ
ョンされ、ｎ電極として機能させるために下方スペーサ
16に接続せしめられている。互いのレーザが絶縁されて
いてもよい。
図４のレーザにはいくつかの利点がある。基板48の低い
導電性と、下方の分布ブラッグ反射器の絶縁部50はキャ
パシタンスを減少させる。絶縁基板は、HEMT（高電子移
動度トランジスタ）、MESFETまたはHBT（ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタ）のような、その他の電子デバイ
ス、あるいは光検出器のようなオプチカルデバイスの同
一基板48上での絶縁を容易にする。接触は前面で行われ
るもので、アレイの個々のアドレッシングまたはマトリ
ックスアドレッシングに服しやすい。高さの差は比較的
小さい。図４の実施例ではSi/Al2O3のスタックは0.6μ
ｍ高で、絶縁エッチングは0.4μｍ深である。
導電性と、下方の分布ブラッグ反射器の絶縁部50はキャ
パシタンスを減少させる。絶縁基板は、HEMT（高電子移
動度トランジスタ）、MESFETまたはHBT（ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタ）のような、その他の電子デバイ
ス、あるいは光検出器のようなオプチカルデバイスの同
一基板48上での絶縁を容易にする。接触は前面で行われ
るもので、アレイの個々のアドレッシングまたはマトリ
ックスアドレッシングに服しやすい。高さの差は比較的
小さい。図４の実施例ではSi/Al2O3のスタックは0.6μ
ｍ高で、絶縁エッチングは0.4μｍ深である。
もう一つの前面発光ダイオードレーザは、図５に断面図
で示されている。埋込みpn接合によって電流閉じ込めを
達成している。ｎ形基板10のバッファ層上に、目的のレ
ーザの下にアパーチャを有するようにパターン付けされ
たGaAsのｐ形層60が成長させられている。エピタキシャ
ル再成長工程では、GaAsのｎ形層62がそのアパーチャ内
で、ｐ形層60上に成長させられる。その後、この製造工
程は図３のレーザダイオードにつき説明した工程に従
う。しかし酸素の打込みは行われない。というのは必要
とされる電流閉じ込めは、ｐ形層60とｎ形層62ならびに
基板10間のpn接合によって行われるからである。あるい
はｐ形層60が下方の分布ブラッグ反射層14上に成長させ
られて、その後パターニングされ、こうして電流閉じ込
めを行うことでもよい。
で示されている。埋込みpn接合によって電流閉じ込めを
達成している。ｎ形基板10のバッファ層上に、目的のレ
ーザの下にアパーチャを有するようにパターン付けされ
たGaAsのｐ形層60が成長させられている。エピタキシャ
ル再成長工程では、GaAsのｎ形層62がそのアパーチャ内
で、ｐ形層60上に成長させられる。その後、この製造工
程は図３のレーザダイオードにつき説明した工程に従
う。しかし酸素の打込みは行われない。というのは必要
とされる電流閉じ込めは、ｐ形層60とｎ形層62ならびに
基板10間のpn接合によって行われるからである。あるい
はｐ形層60が下方の分布ブラッグ反射層14上に成長させ
られて、その後パターニングされ、こうして電流閉じ込
めを行うことでもよい。
上述してきた実施例は上方の絶縁性分布ブラッグ反射器
に依存するものであるが、本発明は実は、半導体である
か金属すなわち誘電体であるかにかかわらず、異なる屈
折率の２材料のあらゆる組合わせと、またあらゆる半導
体反射器とを含む。
に依存するものであるが、本発明は実は、半導体である
か金属すなわち誘電体であるかにかかわらず、異なる屈
折率の２材料のあらゆる組合わせと、またあらゆる半導
体反射器とを含む。
これら全ての前面発光レーザは上面上により小さなブラ
ッグ反射器を設けることができるという利点をもたらす
もので、したがって表面のより一層の平坦化と、上部電
極のよりよい形成と、部品取り付けに当たっての光学的
方法による位置合せのより一層の容易化をもたらすもの
である。さらに、光吸収を犠牲にすることなく直列抵抗
を減らすことができるという効果もある。
ッグ反射器を設けることができるという利点をもたらす
もので、したがって表面のより一層の平坦化と、上部電
極のよりよい形成と、部品取り付けに当たっての光学的
方法による位置合せのより一層の容易化をもたらすもの
である。さらに、光吸収を犠牲にすることなく直列抵抗
を減らすことができるという効果もある。
Claims (18)
- 【請求項１】半導体結晶基板上に縦にエピタキシャル形
成された下方の半導体ブラッグ反射器と、 この下方の半導体ブラッグ反射器上にエピタキシャル形
成された下方の半導体スペーサと、 この下方半導体スペーサ上に、ある波長で光を放出させ
るためにエピタキシャル形成された活性層と、 この活性層上に形成された半導体の上方スペーサと、 上記波長に関係する光厚をもつ少なくとも２つの層、上
方反射器および下方反射器との間に形成される上記波長
に関係する光長をもつ光キャビティ、上記反射器からな
るレーザ構造部、上記スペーサ、および上記活性層とか
らなる、上記上方スペーサ上に形成される、上方ブラッ
グ反射器と、 上記活性層上にデポジッションされた接触領域中におい
て上記レーザ構造部に水平に形成された第１電極と、 上記接触領域下方で上記レーザ構造部に打込まれた導電
性を減少させる第１のイオンにより周りを絶縁物化され
て上記レーザ構造部に水平に形成された電流閉じ込め領
域と、 を特徴とする上面発光レーザ。 - 【請求項２】活性層が少なくとも１つの量子井戸層を有
する請求項１の上面発光レーザ。 - 【請求項３】レーザ構造部が量子井戸層を有する請求項
２の上面発光レーザ。 - 【請求項４】上方の反射器の少なくとも２つの層が少な
くとも１つの絶縁層を有する請求項１の上面発光レー
ザ。 - 【請求項５】第１電極が導電性を増大させる第２イオン
の打込みによりレーザ構造部に水平に接続され形成され
ている導電性領域を有する請求項１の上面発光レーザ。 - 【請求項６】電流閉じ込め領域内に量子井戸層があり、 少なくとも２層中の１つが絶縁層である２層を１周期と
する複数の周期を上方の反射器が有し、 活性層が少なくとも１つの量子井戸層を有する請求項５
の上面発光レーザ。 - 【請求項７】第２電極が基板の底に電気的に接続されて
いる請求項６の上面発光レーザ。 - 【請求項８】基板の上方にレーザ構造部と電気的に接続
された第２電極を有する請求項６の上面発光レーザ。 - 【請求項９】第２電極が接続される相対的に高い導電性
の上方部分と、相対的に低い導電性の下方部分とを有す
る下方の反射器を特徴とする請求項８の上面発光レー
ザ。 - 【請求項１０】結晶基板の上面に半導体の下方ブラッグ
反射器をエピタキシャル形成し、 次に下方スペーサをエピタキシャル形成し、 次にこの下方スペーサ上に活性層をエピタキシャル形成
し、 該活性層上に上方スペーサを形成し、 導電性を減らす第１のイオンをスペーサの少なくとも１
つおよび活性層の第１領域にイオン打込みし（該第１領
域は同イオンが打込みされていない第２領域を水平に囲
んでいる）、 上記上方スペーサ上に上方ブラッグ反射器を形成する ことを特徴とする面発光レーザの形成方法。 - 【請求項１１】第１のイオン打込みに際してマスクとし
た第２領域上に上方ブラッグ反射器の少なくとも縦方向
部分を形成したことを特徴とする請求項10の面発光レー
ザの形成方法。 - 【請求項１２】導電性を増大する第２イオンを上方スペ
ーサの第３領域に打込む工程を有することを特徴とする
請求項10の面発光レーザの形成方法。 - 【請求項１３】第１および第２のイオン打込みが、上方
ブラッグ反射器の縦方向の部分をマスクとして使うもの
であって、第２領域および第４領域に重なるように少な
くとも上方ブラッグ反射器の縦方向の部分をパターニン
グすることを特徴とする請求項12の面発光レーザの形成
方法。 - 【請求項１４】第１電極を第３領域の上面に形成するこ
とを特徴とする請求項12の面発光レーザの形成方法。 - 【請求項１５】第２領域から水平に離れている場所にあ
る下方反射器と下方スペーサの１つの上面に第２電極を
形成することを特徴とする請求項14の面発光レーザの形
成方法。 - 【請求項１６】第２電極の形成が、第１領域の水平部分
を通してエッチングすることにより行うことを特徴とす
る請求項15の面発光レーザの形成方法。 - 【請求項１７】上方反射器を第１合成物および第２合成
物の少なくとも１つが絶縁体である第１合成物層と第２
合成物層とを交互にデポジッションすることにより形成
することを特徴とする請求項10の面発光レーザの形成方
法。 - 【請求項１８】下方スペーサおよび活性層を少なくとも
１つの量子井戸層と少なくとも１つの埋込み層とをデポ
ジッションすることにより形成することを特徴とする請
求項10の面発光レーザの形成方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US510.960 | 1990-04-19 | ||
| US07/510,960 US5034958A (en) | 1990-04-19 | 1990-04-19 | Front-surface emitting diode laser |
| PCT/US1991/000727 WO1991016748A1 (en) | 1990-04-19 | 1991-02-04 | Front-surface emitting diode laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05506333A JPH05506333A (ja) | 1993-09-16 |
| JPH0754867B2 true JPH0754867B2 (ja) | 1995-06-07 |
Family
ID=24032897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3507114A Expired - Lifetime JPH0754867B2 (ja) | 1990-04-19 | 1991-02-04 | 上面発光ダイオードレーザ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5034958A (ja) |
| JP (1) | JPH0754867B2 (ja) |
| CA (1) | CA2034987C (ja) |
| WO (1) | WO1991016748A1 (ja) |
Families Citing this family (52)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5289018A (en) * | 1990-08-14 | 1994-02-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Light emitting device utilizing cavity quantum electrodynamics |
| EP0495301A1 (en) * | 1990-12-14 | 1992-07-22 | AT&T Corp. | Method for making a semiconductor laser |
| US5062115A (en) * | 1990-12-28 | 1991-10-29 | Xerox Corporation | High density, independently addressable, surface emitting semiconductor laser/light emitting diode arrays |
| FR2671238B1 (fr) * | 1990-12-28 | 1993-03-12 | Thomson Csf | Procede de realisation de lasers semiconducteurs a emission de surface, et lasers obtenus par le procede. |
| US5164949A (en) * | 1991-09-09 | 1992-11-17 | Motorola, Inc. | Vertical cavity surface emitting laser with lateral injection |
| US5170407A (en) * | 1991-10-11 | 1992-12-08 | At&T Bell Laboratories | Elimination of heterojunction band discontinuities |
| US5258990A (en) * | 1991-11-07 | 1993-11-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The United States Department Of Energy | Visible light surface emitting semiconductor laser |
| US5239550A (en) * | 1991-12-03 | 1993-08-24 | University Of Connecticut | Transistor lasers |
| US5212701A (en) * | 1992-03-25 | 1993-05-18 | At&T Bell Laboratories | Semiconductor surface emitting laser having enhanced optical confinement |
| US5258316A (en) * | 1992-03-26 | 1993-11-02 | Motorola, Inc. | Patterened mirror vertical cavity surface emitting laser |
| US5256596A (en) * | 1992-03-26 | 1993-10-26 | Motorola, Inc. | Top emitting VCSEL with implant |
| US5274655A (en) * | 1992-03-26 | 1993-12-28 | Motorola, Inc. | Temperature insensitive vertical cavity surface emitting laser |
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