JPH088485A - アルミニウムを含有しない空洞領域を有するｖｃｓｅｌ - Google Patents

アルミニウムを含有しない空洞領域を有するｖｃｓｅｌ

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JPH088485A
JPH088485A JP7167886A JP16788695A JPH088485A JP H088485 A JPH088485 A JP H088485A JP 7167886 A JP7167886 A JP 7167886A JP 16788695 A JP16788695 A JP 16788695A JP H088485 A JPH088485 A JP H088485A
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mirror
mirror stack
active region
stack
vcsel
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JP7167886A
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Piotr Grodzinski
ピオトル・グロッジンスキ
Michael S Lebby
マイケル・エス・レビイ
Donald E Ackley
ドナルド・イー・アックレイ
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    • H01S5/2081—Methods of obtaining the confinement using special etching techniques
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウムを含有しない空洞領域を有する
ＶＣＳＥＬが提供される。 【構成】 ＶＣＳＥＬのパターン化されたミラーは、Ａ
ｌＧａＡｓから成る、比較的高い屈折率と低い屈折率を
有する屈折層の複数の対から成る第１ミラー・スタック
１０を形成し、第１ミラー・スタック１０の上にアルミ
ニウムを含まない材料の活性領域１２を形成し、ＡｌＧ
ａＡｓから成る、比較的高い屈折率と低い屈折率を有す
る屈折層の複数の対から成る第２ミラー・スタック１５
を形成することによって製造される。第２ミラー・スタ
ック１５は、アルミニウムを含有しない活性領域１２を
エッチング・ストップとして利用することにより、活性
領域１２に対して選択的にエッチングできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳ
ＥＬ）に関し、さらに詳しくは調整可能な選択的エッチ
ング領域を有するＶＣＳＥＬに関する。
【０００２】
【従来の技術】先行技術の半導体レーザーは、"Low Thr
eshold Currednt Laser ”と題される１９９２年１２月
１５日に付与された米国特許第５，１７２，３８４号に
典型的に開示されているように、通常、ＩｎＧａＡｓの
量子井戸を有する活性領域を形成して、その両側に、Ａ
ｌＧａＡｓのガイディング層と被覆層を有する。また、
活性領域のどちらかの側にブラッグ反射、またはミラー
・スタックを形成し、ミラー・スタックは一般にアルミ
ニウムを含む。ＶＣＳＥＬのエピタキシャル構成は良好
に確定されるが、各種の加工工程を利用できる。
【０００３】最もよく使用される構造は、１つの基板上
に存在する個々のデバイスを分離するためにプロトン注
入を伴う。この構造の利点はその平坦特性にあるが、光
学的側方モード（lateral mode）が不安定であること
と、電流の広がりが大きい故に比較的しきい電流が高い
という不利な点を有する。
【０００４】半導体レーザーがリッジ導波管、またはパ
ターン化ミラーのレーザーである場合には、上部ミラー
・スタックは、エッチングの正確な速度とエッチング工
程のタイミングを把握することによって、適正な深さま
でエッチングされる。この先行技術による上部ミラー・
スタックのエッチングは極めて困難で不正確である。こ
のため、先行技術のパターン化されたミラーＶＣＳＥＬ
はしきい電流が比較的低いが必要な信頼性に欠ける。
【０００５】"VCSEL With Offset Operateing Region P
roviding a lateral Wageguide andCurrent Limiting a
nd Method of Fabricating"と題され、１９９４年９月
２７日に付与された米国特許第５，３５１，２５７号
（米国特許出願番号０８／０２８，０１５号) などの一
部の例では、 上部ミラー・スタック内にエッチング・
ストップ層を含み、エッチングが所望の深さで自動的に
停止するように提案されている。
【０００６】"Top Emitting VCSEL with Etch Stop Lay
er" と題され１９９４年３月８日に付与された米国特許
第５，２９３，３９２号では、エッチング・ストップ層
は第２のまたは上部のミラー・スタックまで成長し、こ
れを利用して所望のレベルでエッチングを自動的にスト
ップさせる。このエッチング・ストップ方式は、ＭＯＶ
ＰＥ成長で達成された優れた制御を利用して、パターン
化されたミラーの高さを確定するが、異なる材料の層
（エッチング・ストップ層）の成長は、製造工程上なん
らかの複雑性が加わざるを得ない。
【０００７】このようなエッチング・ストップ層を設け
るには、異なる材料システムからの層が、通常のまたは
所望の材料システム層の間でエピタキシャルに成長しな
ければならない。このため、通常もしくは所望の材料シ
ステムのエピタキシャル層が、所望の高さまで成長す
る。その後このエピタキシャルが停止して、異なる材料
システムによって再度開始して、所望の厚さのエッチン
グ・ストップ層が成長するまで成長する。その後元のエ
ピタキシャル成長は、デバイスが完成するまで続く。一
般に、これは困難を伴い、完成させるのに相当の努力と
時間を要する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】したがって、ＶＣＳＥ
Ｌの上部ミラー・スタックを容易に正確にエッチングす
る方法を提供するのが望ましい。
【０００９】本発明の目的は、パターン化されたミラー
ＶＣＳＥＬを容易に正確に製造する方法を提供すること
である。
【００１０】本発明のさらなる目的は、比較的に実行し
やすく、また活性領域に損傷を与える前にエッチング工
程を正確に停止させるＶＣＳＥＬを製造する方法を提供
することである。
【００１１】本発明の別の目的は、ＶＣＳＥＬが先行技
術のＶＣＳＥＬに比べて結果的に信頼性が高いＶＣＳＥ
Ｌを製造する方法を提供することである。
【００１２】本発明のさらに別の目的は、先行技術のＶ
ＣＳＥＬと比較して信頼性が高いＶＣＳＥＬを提供する
ことである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の問題は少なくとも
部分的に解決されており、上記の目的はＶＣＳＥＬのパ
ターン化ミラーを製造する方法において実現され、この
方法は、第１導電形の第１ミラー・スタックを形成する
段階、第１ミラー・スタックの上に活性領域を形成する
段階、活性領域がアルミニウムを含有しない材料で形成
される段階、および第２導電形の第２ミラー・スタック
を活性領域の上に形成する段階を含む。第１および第２
ミラー・スタックは、ＡｌＧａＡｓから成る、比較的高
い屈折率と低い屈折率を有する屈折層の複数の対によっ
て形成される。第２ミラー・スタックは、アルミニウム
を含有しない活性領域をエッチング・ストップとして利
用することにより、活性領域に対して選択的にエッチン
グできる。
【００１４】
【実施例】図１を参照して、本発明による製造方法の各
種の段階で実現される中間構造の簡略断面図を示す。具
体的には、図１は、活性領域１２が上に形成された第１
ミラー・スタック１０を示す。ミラー・スタック１０は
一般に、たとえば、基板１１の上に高い屈折率と低い屈
折率が交互にくる複数の半導体材料層をエピタキシャル
に成長させることによって形成される。この目的に使用
できる材料の例として、ＡｌＬＬＬ.15 ＬＬＬＧａＬＬ
Ｌ.85 ＬＬＬＡｓとＡｌＬＬＬ.80 ＬＬＬＧａＬＬＬ.2
0 ＬＬＬＡｓが交互にくる層；ＧａＡｓとＡｌＬＬＬ.8
0 ＬＬＬＧａＬＬＬ.20 ＬＬＬＡｓが交互にくる層が挙
げられる。交互になっている各対は、層内では、放射波
長の４分の１の厚さまで伝搬するように成長し、各対の
数は、可能な限り光の屈折を大きくするように選択さ
れ、一方でスタックは実用的な数に制限される。
【００１５】第２ミラー・スタック１５は、活性領域１
２の上部表面の上に（たとえば、ミラー・スタック１０
について説明したように）、エピタキシャルに成長され
た半導体層の対によって形成される。一般に、層の対
は、ミラー・スタック１０と似通った材料によって形成
され、厚さは、選択した波長の適切な屈折または波長の
スペクトルを提供するように似通ったものになる。ま
た、第１と第２のミラー・スタックは、反対の導電形で
ドープされて、その間を電流が流れるように、終端に２
つの構造物（ダイオード）を形成する。たとえば、この
特定の実施例では、ミラー・スタック１０はＮ形の導電
形でドープされ、ミラー・スタック１５はＰ形導電形で
ドープされる。
【００１６】活性領域１２は一般に、どちらかの側にス
ペーサまたは被覆層を有する障壁層で分離される１つも
しくは複数の量子井戸を含む。量子井戸，障壁層および
スペーサ層もエピタキシャルに成長する。量子井戸は、
全体に電流が流されて適正に励起されると、周知の現象
に従ってフォトン（光子）を生じる。概して、活性領域
１２に流される電流が増大するにつれ、生成されるフォ
トンの数も増大する。フォトンはミラー・スタックによ
って反射されて、最終的には光の放射を生じる周知のレ
イジング効果を生じる。光の波長を決定するのは、活性
領域１２内の量子井戸内で利用される材料と、ミラー・
スタック内の交互の層の対の厚さである。
【００１７】活性領域１２は、ミラー・スタック１０，
１５の材料システムとは異なる材料システムから形成さ
れ、この異なる材料システムは、ミラー・スタック１５
が選択的にエッチングされて、所望なら、パターン化さ
れたミラーＶＣＳＥＬを形成すべく選択的にエッチング
できるように選択される。また、アルミニウムは酸化さ
れやすく、活性領域１２の低い信頼性に実質的に寄与
し、最終的には、ＶＣＳＥＬに障害を起こす。活性領域
１２の異なる材料システムを選択して、アルミニウムを
含有しないようにすることによって、ＶＣＳＥＬの信頼
性と耐用年数が実質的に向上される。"VCSEL With Al-F
ree Cavity Region"と題され同一日に出願された米国の
同時係属出願（引用によりこれを包含）において、さら
に情報が得られる。
【００１８】具体的に図２を参照して、この具体的実施
例に対し、活性領域１２の極めて高倍率で簡略化された
断面図が示される。この具体的な実施例では、活性領域
１２は、障壁層２５，２６を挟む形で形成される３つの
量子井戸２０，２１，２２を含む。障壁層２５，２６に
よって分離される量子井戸２０，２１，２２は、スペー
サまたはガイディング層３０の間に挟まれてこれらがさ
らに被覆層３３，３４に挟まれる。一般に、スペーサ層
３０，３１および被覆層３３，３４は、上記の、引用に
より包含される特許番号第５，１７２，３８４号に詳述
されるように、ガイディング作用をもたらすように勾配
が付いている。
【００１９】ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓＰは、本発明の
用途に必要な適切なレンジのバンドギャップ（室温で
１．４２ｅＶ−１．９ｅＶ）をカバーし、その一方で、
基板１１に適合する格子を維持しており、この実施例で
はＧａＡｓである。第１の例では、量子井戸２０，２
１，２２はＧａＡｓから形成され、ＩｎＬＬＬ.27 ＬＬ
ＬＧａＬＬＬ.73 ＬＬＬＡｓＬＬＬ.44 ＬＬＬＰＬＬ
Ｌ.56 ＬＬＬ（ＥＬＬＬg ＬＬＬ＝１．６５ｅＶ）から
形成される障壁層２５，２６を有する。量子井戸２０，
２１，２２と障壁層２５，２６は、それぞれ約１００オ
ングストロームの厚さで形成される。スペーサ層３０，
３１は、ＩｎＬＬＬ.27 ＬＬＬＧａＬＬＬ.73ＬＬＡｓ
ＬＬＬ.44 ＬＬＬＰＬＬＬ.56 ＬＬＬ（ＥＬＬＬg ＬＬ
Ｌ＝１．６５ｅＶ）によって形成され、被覆層３３，３
４は、ＧａＡｓに適合させたＩｎＬＬＬ.49 ＬＬＬＧａ
ＬＬＬ.51 ＬＬＬＰ格子によって形成される。個々の層
の厚さは、半導体材料のほぼ全波の光学的厚さを有する
ように選択される。ここに記載した材料のバンドギャッ
プを全般に示すエネルギー準位図を図３に示す。この例
では、ブラッグ反射器（第１および第２ミラー・スタッ
ク１０，１５）が、ＡｌＬＬＬ.15 ＬＬＬＧａＬＬＬ.8
5 ＬＬＬＡｓとＡｌＬＬＬ.80 ＬＬＬＧａＬＬＬ.20 Ｌ
ＬＬＡｓの１／４＊交互層から構成される。
【００２０】第２の例では、量子井戸２０，２１，２２
は、ＩｎＬＬＬ.18 ＬＬＬＧａＬＬ.82 ＬＬＬＬＡｓで
形成される張力（strained）量子井戸であり、ＧａＡｓ
から形成される障壁層２５，２６を有する。量子井戸２
０，２１，２２と障壁層２５，２６はそれぞれ、約１０
０オングストロームの厚さに形成される。スペーサ層３
０，３１はＧａＡｓから形成され、被覆層３３，３４は
ＩｎＬＬＬ.27 ＬＬＬＧａＬＬＬ.73 ＬＬＬＡｓＬＬ
Ｌ.44 ＬＬＬＰＬＬＬ.56 ＬＬＬ（ＥＬＬＬg ＬＬＬ＝
１．６５ｅＶ）から形成される。各層の個々の厚さはや
はり、活性領域１２が、半導体材料でほぼ全波の光学的
厚さを有するように選択される。この例では、ブラッグ
反射器（第１および第２ミラー・スタック１０，１５）
は、ＧａＡｓとＡｌＬＬＬ.80 ＬＬＬＧａＬＬＬ.20 Ｌ
ＬＬＡｓの１／４＊交互層から構成される。
【００２１】図１に示すように、また上記の材料を含ん
でいる、第１ミラー・スタック１０，活性領域１２およ
び基板１１の上に形成される第２ミラー・スタック１５
の場合、ミラー・スタック１５の第２部分３８は、図４
に示すように選択的にエッチングされる。ＨＬＬＬ2 Ｌ
ＬＬＯＬＬＬ2 ＬＬＬ：ＨＬＬＬ2 ＬＬＬＯ；ＨＬＬＬ
2 ＬＬＬＳＯＬＬＬ4 ＬＬＬ／ＨＣＬ：ＨＬＬＬ3 ＬＬ
ＬＰＯＬＬＬ4 ＬＬＬベースのエッチング剤を利用する
ことにより、ウエット・エッチングまたはドライ・エッ
チングのいずれの技術も実施できる。エッチングの選択
性，パターン化ミラーまたはリッジ導波管のために、Ｖ
ＣＳＥＬ構造物は、上部または第２ミラー・スタック１
５を通って、下方の活性領域１２の上部までエッチング
することにより形成される。エッチングが正確であり、
活性領域１２に損傷を与えないので、良好な電流と、光
学的封じ込め（optical confinement ）が達成されて、
しきい値が低くなり、その一方で、（平坦形のＶＣＳＥ
Ｌに対して）良好な信頼性も維持する。
【００２２】図５に示すように、図４に示す構造物を完
成するため、Ｐ形メタライゼーション４０が、既知の方
法によって、上部ミラー・スタック１５の露出表面上に
形成される。少なくともメサの上部表面に載置されるＰ
形メタライゼーション４０の部分は、ＩＴＯなどの透過
性の金属でもよい。Ｎ形メタライゼーション４５は、ミ
ラー・スタック１０、たとえば基板１１の上部表面の上
などに接触して形成され、ＶＣＳＥＬの別の電気接点を
設ける。一般に高濃度ドープの半導体材料から成る層４
６が基板１１の表面の上に設けられ、ＶＣＳＥＬのミラ
ー・スタック１０に対して良好で低い抵抗の接点を設け
る。電気接点は、所望なら、ミラー・スタック１０の反
対側にある基板１１の表面の上にも形成できることを理
解されたい。
【００２３】このため、ＶＣＳＥＬを製造する新規の改
良方法が開示され、またＶＣＳＥＬ用のパターン化ミラ
ーを製造する新規の改良方法が開示される。上部ミラー
・スタックは所望の厚さまで正確に選択的にエッチング
されるので、信頼性が実質的に向上する。また、ＶＣＳ
ＥＬの活性領域がアルミニウムを含有しないので、ＶＣ
ＳＥＬの信頼性と耐用年数が実質的に増大する。また、
エッチングの選択性が、アルミニウムを含有しない活性
領域を作ることによって達成されるので、ＶＣＳＥＬの
製造は、エピタキシャル成長工程の途中で材料を変更し
ても複雑化しない。すなわち、下部ミラー・スタックか
ら活性領域へと移行して、その後、上部ミラー・スタッ
クに移行する際には、エピタキシャル成長工程になんら
かの変更を加えなければならない。この時点で材料シス
テムを変更する場合、エピタキシャル成長工程の変更の
程度は微々たるもので済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＶＣＳＥＬの製造における第１段
階の簡略断面図である。
【図２】図１の構造物の１部を高倍率で拡大した断面図
である。
【図３】図２に示す構造物に利用される材料のバンドギ
ャップを全般的に示すエネルギー準位図である。
【図４】本発明によるＶＣＳＥＬの製造における第２段
階の簡略断面図である。
【図５】本発明によるＶＣＳＥＬの製造における最終段
階の簡略断面図である。
【符号の説明】
１０ ミラー・スタック １１ 基板 １２ 活性領域 １５ ミラー・スタック ２０，２１，２２ 量子井戸 ２５，２６ 障壁層 ３０，３１ ガイディング層 ３３，３４ 被覆層 ３５ 第１部分 ３６ 第２部分 ３７ 第１部分 ３８ 第２部分 ４０ Ｐ形メタライゼーション ４５ Ｎ形メタライゼーション ４６ 高濃度ドープ半導体材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドナルド・イー・アックレイ アメリカ合衆国ニュー・ジャージー州ラン バートビル、ゴート・ヒル・ロード317

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＶＣＳＥＬを製造する方法であって：第
    １導電形の第１ミラー・スタック（１０）を形成し、前
    記第１ミラー・スタックは、ＡｌＧａＡｓから成る比較
    的高い屈折率と低い屈折率を有する屈折層の複数の対か
    ら形成される段階；前記第１ミラー・スタックの上に活
    性領域（１２）を形成する段階であって、前記活性領域
    （１２）はアルミニウムを含有しない材料によって形成
    される段階；および、 前記活性領域（１２）の上に第２導電形の第２ミラー・
    スタック（１５）を形成し、前記第２ミラー・スタック
    （１５）は、ＡｌＧａＡｓから成る、比較的高い屈折率
    と低い屈折率を有する屈折層の複数の対によって形成さ
    れる段階；によって構成されることを特徴とする製造方
    法。
  2. 【請求項２】 ＶＣＳＥＬ用のパターン化ミラーを製造
    する方法であって：第１導電形の第１ミラー・スタック
    （１０）であって、前記第１ミラー・スタック（１０）
    が、ＡｌＧａＡｓから成る比較的高い屈折率と低い屈折
    率を有する屈折層の複数の対によって形成される段階；
    前記第１ミラー・スタック（１０）の上に活性領域（１
    ２）を形成し、前記活性領域１２はアルミニウムを含ま
    ない材料から形成される段階；前記活性領域（１２）の
    上に第２導電形の第２ミラー・スタック（１５）を形成
    し、前記第２ミラー・スタック（１５）は、ＡｌＧａＡ
    ｓから成る比較的高い屈折率と低い屈折率を有する屈折
    層の複数の対によって形成される段階；アルミニウムを
    含有しない活性領域（１２）をエッチング・ストップと
    して利用することによって、第２ミラー・スタック（１
    ５）を選択的エッチングする段階；によって構成される
    ことを特徴とする製造方法。
  3. 【請求項３】 ＶＣＳＥＬは：基板（１１）；前記基板
    （１１）の上に配置される第１導電形の第１ミラー・ス
    タック（１０）であって、前記第１ミラー・スタック
    （１０）は、ＡｌＧａＡＳから成る比較的高い屈折率と
    低い屈折率を有する屈折層の複数の対から形成される第
    １ミラー・スタック（１０）；前記第１ミラー・スタッ
    ク（１０）の上に配置される活性領域（１２）であっ
    て、前記活性領域（１２）はアルミニウムを含有しない
    材料によって形成される段階；および、 前記活性領域（１２）の上に配置される第２導電形の第
    ２ミラー・スタック（１５）であって、前記第２ミラー
    ・スタック（１５）は、ＡｌＧａＡｓから成る比較的高
    い屈折率と低い屈折率を有する屈折層の複数の対によっ
    て形成される段階；によって構成されることを特徴とす
    るパターン化ミラーＶＣＳＥＬ。
  4. 【請求項４】 パターン化ミラーＶＣＳＥＬであって：
    基板（１１）；前記基板（１１）の上に配置される第１
    導電形の第１ミラー・スタック（１０）であって、前記
    ミラー・スタック（１０）は、ＡｌＧａＡｓから成る、
    比較的高い屈折率と低い屈折率を有する屈折層の複数の
    対によって形成される第１ミラー・スタック（１０）；
    前記第１ミラー・スタック（１０）の上に配置される活
    性領域（１２）であって、前記活性領域はアルミニウム
    を含有しない材料から形成される活性領域（１２）；お
    よび前記活性領域（１２）の上に配置される第２導電形
    の第２ミラー・スタック（１５）であって、前記第２ミ
    ラー・スタック（１５）は、ＡｌＧａＡｓから成る比較
    的高い屈折率と低い屈折率を有する屈折層の複数の対に
    よって形成され、また、前記第２ミラー・スタック（１
    ５）は前記活性領域（１２）に対してパターン形成され
    てレイジング領域を確定する第２ミラー・スタック（１
    ５）；によって構成されることを特徴とするパターン化
    ミラーＶＣＳＥＬ。
JP7167886A 1994-06-15 1995-06-12 アルミニウムを含有しない空洞領域を有するｖｃｓｅｌ Pending JPH088485A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US261502 1994-06-15
US08/261,502 US5432809A (en) 1994-06-15 1994-06-15 VCSEL with Al-free cavity region

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Publication Number Publication Date
JPH088485A true JPH088485A (ja) 1996-01-12

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ID=22993595

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JP7167886A Pending JPH088485A (ja) 1994-06-15 1995-06-12 アルミニウムを含有しない空洞領域を有するｖｃｓｅｌ

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US (1) US5432809A (ja)
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