JPH09107153A - アルミニウムのない活性領域を有する短波長vcsel - Google Patents

アルミニウムのない活性領域を有する短波長vcsel

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JPH09107153A
JPH09107153A JP8247227A JP24722796A JPH09107153A JP H09107153 A JPH09107153 A JP H09107153A JP 8247227 A JP8247227 A JP 8247227A JP 24722796 A JP24722796 A JP 24722796A JP H09107153 A JPH09107153 A JP H09107153A
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Jamal Ramdani
ジャマル・ラムダニ
Michael S Lebby
マイケル・エス・レビー
Hsing-Chung Lee
シン−チャン・リー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 短波長のVCSELを提供する。 【解決手段】 この短波長のVCSELは、複数の対の
相対的に高屈折率および低屈折率の層からなる、基板1
1に配置されたミラー・スタック10と、複数の対の相
対的に高屈折率および低屈折率の層からなる第2ミラー
・スタック15と、第1スタック10と第2スタック1
5との間に挟まれた活性領域12であって、前記活性領
域は、GaInPの障壁層25,26を間に挟むGaA
sPの量子ウェル層20,21,22からなり、量子ウ
ェル20,21,22および障壁層25,26が実質的
に等しくかつ反対の格子不整合を有する活性領域12と
を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、垂直キャビティ表面発
光レーザに関し、さらに詳しくは、短波長の垂直キャビ
ティ表面発光レーザおよびその改善された作製方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】一般に1992年12月15日に発行さ
れた米国特許第5,172,384号"Low Threshold C
urrent Laser"において開示されるような従来の半導体
レーザでは、両側にAlGaAsのスペース層およびク
ラッディング層を有する、InGaAs量子ウェルのあ
る活性領域を形成するのが一般的である。さらに、クラ
ッディング層の各側にブラッグ・リフレクタ(Bragg ref
lector) またはミラー・スタックを形成するのが一般的
であり、このミラー・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十分確立され
ているが、さまざまな処理方式が利用できる。
【0003】短波長(約800nm以下で、より具体的
には780nm)の垂直キャビティ表面発光レーザ・ダ
イオード(VCSEL:vertical cacvity surface emi
tting laser diode)は、高密度CDROM用途で関心が
高い。GaAs系で短波長の発光を得て、GaAs基板
への格子整合(lattice match) を維持するためには、レ
ーザ・キャビティは活性層としてAlGaAsを有して
いなければならない。しかし、活性領域にアルミニウム
を導入すると、レ−ザ発振効率の損失が生じるが、これ
はアルミニウムは酸素との反応性が高く、酸素はほとん
どのIII−V族材料において非放射性再結合センタ(n
on-radiative recombination center)として挙動するた
めである。酸素導入は、材料成長中またはデバイス処理
中に生じることがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】よって、従来技術に固
有の上記の欠点および他の欠点を正すことは極めて有利
である。
【0005】従って、本発明の目的は、アルミニウムの
ない(aluminum free) 活性領域を有する短波長のVCS
ELを提供することである。
【0006】本発明の別の目的は、高電流注入および高
温度条件下で、信頼性および安定性が高い短波長のVC
SELを提供することである。
【0007】本発明のさらに別の目的は、閾値電流を実
質的に低減した短波長のVCSELを提供することであ
る。
【0008】本発明のさらに別の目的は、リッジ導波管
処理(ridge-waveguide processing)に固有に適した短波
長のVCSELを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】簡単には、本発明の所望
の目的を達成するため、本発明の好適な実施例に従っ
て、基板と、この基板の上に配置された第1導電型の第
1ミラー・スタックであって、複数の対の相対的に高屈
折率および低屈折率の層からなる第1ミラー・スタック
と、第2導電型の第2ミラー・スタックであって、複数
の対の相対的に高屈折率および低屈折率の層からなる第
2ミラー・スタックと、第1ミラー・スタックと第2ミ
ラー・スタックとの間に挟まれた活性領域であって、結
晶歪みが等しくかつ反対の結晶歪み(crystallographic
strain) を有する交互の歪み層である複数の歪み層(str
ained layer)からなる活性領域とを含む短波長の垂直キ
ャビティ表面発光レーザが提供される。
【0010】さらに、複数の対の相対的に高屈折率およ
び低屈折率の層からなる第1導電型の第1ミラー・スタ
ックを形成する段階と、第1ミラー・スタック上に第1
封止層を形成する段階と、交互の歪み層が等しくかつ反
対の結晶歪みを有する複数の歪み層からなる活性領域を
第1封止層上に形成する段階と、活性領域上に第2封止
層を形成する段階と、複数の対の相対的に高屈折率およ
び低屈折率の層からなる第2導電型の第2ミラー・スタ
ックを第2封止層上に形成する段階とを含む、短波長の
垂直キャビティ表面発光レーザを作製する方法が提供さ
れる。
【0011】
【実施例】図1を参照して、本発明による作製方法の各
異なる段階において実現される中間構造の簡略断面図を
示す。特に、図1は、例えば、基板11上に交互の屈折
率を有する複数の半導体材料の層をエピタキシャル成長
することによって形成された第1ミラー・スタック10
を示す。この目的のために利用できる材料の例には、A
lAsおよびAl.25 Ga.75 Asの交互層がある。交
互層の各対は、これらの層内で伝搬する発光波長の1/
4の厚さに成長され、対の数は、スタックを実際的な数
に制限しつつ、できるだけ高い光の反射率を与えるよう
に選ばれる。
【0012】活性領域12は、第1封止層または領域1
3と第2封止層または領域14との間に挟まれる。封止
領域13は、第1ミラー・スタック10上に配置され、
第2ミラー・スタック15は、封止領域14の上面に形
成される。第2ミラー・スタック15は、例えば、ミラ
ー・スタック10について説明したように、半導体層の
対をエピタキシャル成長することによって形成される。
一般に、これらの層の対は、ミラー・スタック10の材
料と同様な材料からなり、また厚さは、選択された波長
または波長のスペクトルの適切な反射率を与えるべく同
様である。また、第1および第2ミラー・スタック1
0,15は、反対の導電型でドーピングされ、そこに電
流を流すため2端子(ダイオード)構造を形成する。こ
の特定の実施例では、例えば、ミラー・スタック10
は、n型導電性にドーピングされ、ミラー・スタック1
5はp型導電性にドーピングされる。
【0013】一般に、活性領域12は、障壁層によって
分離された1つまたはそれ以上の量子ウェルまたは量子
ウェル層を含み、そのいずれかの側面に封止層13,1
4がある。量子ウェル,障壁層および封止層もエピタキ
シャル成長される。量子ウェルは、その両端に印加され
る電流によって適切に付勢されると、周知な現象により
光子(光)を発生する。一般に、活性領域12に印加さ
れる電流が大きければ、発生される光子の数も大きくな
る。光子は、ミラー・スタック10,15によって反射
され、最終的に発光を生成する周知のレーザ発振を生じ
る。この光の波長は、活性領域12における量子ウェル
で用いられる材料と、ミラー・スタック10,15にお
ける交互の層の対の厚さとによって決定される。
【0014】活性領域12は、800nm以下であっ
て、好ましくは780nmなど、短波長の発光を行うよ
うに選択された材料系で形成される。一般に、アルミニ
ウム合金を利用して短波長は達成される。しかし、アル
ミニウムは酸化の影響を受けやすく、活性領域12の不
安定性に大きく寄与し、その結果、VCSELの破損が
生じる。従って、活性領域12を形成する材料系はアル
ミニウムを含有しない。封止層14は、ミラー・スタッ
ク15の材料系とは異なる材料系から形成され、この異
なる材料系は、ミラー・スタック15を選択的にエッチ
ングして、必要に応じてパターン化ミラーまたはリッジ
・タイプのVCSELを形成できるように選択される。
アルミニウムを含有しないように活性領域12の材料系
を選択し、かつ活性領域12の材料系と結晶学的に整合
性があるように封止層14の異なる材料系を選択するこ
とにより、VCSELの信頼性および寿命は改善され
る。
【0015】図2を参照して、封止層13,14に挟ま
れた活性領域12の拡大概略断面図を示す。この特定の
実施例では、活性領域12は、3つの量子ウェル20,
21,22と、それらの間に挟まれた障壁層25,26
を含む。障壁層25,26によって分離された量子ウェ
ル20,21,22は、スペーサまたはガイド層30,
31によって挟まれ、これらのスペーサまたはガイド層
30,31は、クラッディング層33,34によって挟
まれる。一般に、スペーサ層30,31およびクラッデ
ィング層33,34は、本明細書に参考として含まれる
上記の米国特許第5,172,384号において詳細に
説明されるように、ガイド動作を行うべくグレード処理
される。
【0016】活性領域12においてアルミニウムのない
材料を利用するため、GaAs(1-x)x が導入され
る。しかし、GaAs(1-x)x は、GaAsと格子整
合がなく、引張歪み(tensile strain)が生じる。多重量
子ウェル構造では、ミスフィット転位(misfit dislocat
ion)を発生せずにこの歪みに対処するには、GaAsP
層の厚さは十分小さく抑え、この歪みに等しくかつ向き
が反対の補正が必要になる。活性領域12の好適な材料
系は、GaInP/GaAsP歪み層超格子(strained
layers superlattice)である。引張歪み下の量子ウェル
層20,21,22と、実質的に等しい圧縮歪み下の介
在障壁層25,26とが用いられる。
【0017】特定の実施例では、量子ウェル層20,2
1,22は、それぞれが約100オングストローム厚の
GaAs.82.18 (Eg =1.57eV)からなる。
障壁層25,26は、それぞれが約100オングストロ
ーム厚のIn.59 Ga.41 P(Eg =1.76eV)か
らなる。量子ウェル層20,21,22および障壁層2
5,26は、GaAs基板11に対して約0.65%の
ほぼ等しくかつ反対の格子不整合を有する。GaAsP
におけるリン組成は、量子ウェル寸法と、エネルギ・バ
ンドに対する歪みの影響とを考慮して、室温で780n
mの発光波長を生成するように選択される。スペーサ層
30,31は、In.49 Ga.51 P(E g =1.9e
V)からなり、クラッディング層33,34は、GaA
s基板11に格子整合された(GaAl.3).51In
.49 P(Eg =2.08eV)からなる。活性領域12
および封止層13,14の全厚は、1波長光学厚さとな
るように選択される。説明した材料のバンドギャップを
一般に表すエネルギ図を図3に示す。この例では、ブラ
ッグ・リフレクタ(第1および第2ミラー・スタック1
0,15)は、AlAsおよびGa.75 Al.25 Asの
1/4波長の交互層からなる。
【0018】第1ミラー・スタック10,封止層13,
活性領域12,封止層14および第2ミラー・スタック
15が図1に示すように基板11上に形成され、上記の
ような材料を含む場合、第2ミラー・スタック15は、
図4に示すように選択的にエッチングされる。H2
2 :H2 0:H2 SO4 /HCL:H3 PO4 ベースの
エッチング剤を利用して、湿式または乾式エッチング方
法を施すことができる。エッチング選択性のため、クラ
ッディング層34の上面まで上部または第2ミラー・ス
タック15を介してエッチングすることにより、パター
ン・ミラーまたはリッジ導波管のVCSEL構造が形成
される。エッチングは正確であり、かつ活性領域12ま
たは封止層13,14を破損しないので、良好な電流お
よび光封止が達成され、低閾値が得られ、しかも(プレ
ーナ型VCSELに対して)良好な信頼性を維持する。
【0019】図5に示すように、図4に示す構造を完成
するため、任意の既知の方法によって、p型メタライゼ
ーション40が上部ミラー・スタック15の露出面上に
形成される。メサの上面の上にあるp型メタライゼーシ
ョン40の少なくとも一部は、ITOなどの透明金属で
もよい。n型メタライゼーション45は、例えば、基板
11の上面上で、ミラー・スタック10と接触して形成
され、VCSELの別の電気コンタクトをなす。一般
に、高濃度にドーピングされた半導体材料の層46は、
基板11の表面上に設けられ、VCSELのミラー・ス
タック10に対する良好で、抵抗の低いコンタクトを提
供する。必要に応じて、ミラー・スタック10が形成さ
れた表面とは反対の基板11の表面に電気コンタクトを
形成できることが理解される。
【0020】以上、VCSELのパターン化ミラーを作
製する改善された方法を含む、短波長のVCSELを作
製する新規な改善された方法が開示された。上部ミラー
・スタックは正確かつ選択的にエッチングされるので、
信頼性は大幅に改善される。また、VCSELの活性領
域はアルミニウムがないので、VCSELの信頼性およ
び寿命は大幅に向上する。
【0021】本発明の特定の実施例について図説してき
たが、更なる修正および改善は当業者に想起される。従
って、本発明は図示の特定の形式に制限されず、特許請
求の範囲は、本発明の精神および範囲から逸脱しない一
切の修正を網羅するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるVCSELの製造工程における第
1段階の簡略断面図である。
【図2】図1の基板の一部の拡大断面図である。
【図3】図2に示す構造で用いられる材料のバンドギャ
ップを示すエネルギ図である。
【図4】本発明によるVCSELの作製における第2段
階の簡略断面図である。
【図5】本発明によるVCSELの作製における最終段
階の簡略断面図である。
【符号の説明】
10 第1ミラー・スタック 11 基板 12 活性領域 13 第1封止層(領域) 14 第2封止層(領域) 15 第2ミラー・スタック 20,21,22 量子ウェル 25,26 障壁層 30,31 スペーサ層(ガイド層) 33,34 クラッディング層 40 p型メタライゼーション 45 n型メタライゼーション 46 高濃度にドーピングされた半導体材料の層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シン−チャン・リー アメリカ合衆国カリフォルニア州カラバサ ス、パーク・エンセナダ23246

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 短波長の垂直キャビティ表面発光レーザ
    であって:基板(11);前記基板(11)上に配置さ
    れた第1導電型の第1ミラー・スタック(10)であっ
    て、複数の対の相対的に高および低の屈折率の層からな
    る第1ミラー・スタック(10);第2導電型の第2ミ
    ラー・スタック(15)であって、相対的に高および低
    の屈折率の複数の対の層からなる第2ミラー・スタック
    (15);および前記第1ミラー・スタック(10)と
    前記第2ミラー・スタック(15)との間に挟まれた活
    性領域(12)であって、結晶歪みが等しくかつ反対の
    結晶歪みを有する交互の歪み層である複数の歪み層から
    なる活性領域(12);によって構成されることを特徴
    とする短波長の垂直キャビティ表面発光レーザ。
  2. 【請求項2】 短波長の垂直キャビティ表面発光レーザ
    であって:基板(11);前記基板(11)上に配置さ
    れた第1導電型の第1ミラー・スタック(10)であっ
    て、相対的に高および低屈折率の複数の対の層からなる
    第1ミラー・スタック(10);第2導電型の第2ミラ
    ー・スタック(15)であって、相対的に高および低屈
    折率の複数の対の層からなる第2ミラー・スタック(1
    5);および前記第1ミラー・スタック(10)と前記
    第2ミラー・スタックとの間に挟まれた活性領域(1
    2)であって、前記活性領域(12)は、GaInPの
    障壁層(25,26)を間に挟む複数のGaAsPの量
    子ウェル層(20,21,22)からなり、前記量子ウ
    ェル層(20,21,22)および前記障壁層(25,
    26)が実質的に等しくかつ反対の格子不整合を有す
    る、活性領域(12);一対の封止層(13,14)の
    間に挟まれた前記活性領域(12);によって構成され
    ることを特徴とする短波長の垂直キャビティ表面発光レ
    ーザ。
  3. 【請求項3】 短波長の垂直キャビティ表面発光レーザ
    を作製する方法であって:相対的に高および低屈折率の
    複数の対の層からなる、第1導電型の第1ミラー・スタ
    ック(10)を形成する段階;前記第1ミラー・スタッ
    ク(10)上に第1封止層(13)を形成する段階;交
    互の歪み層が等しくかつ反対の結晶歪みを有する複数の
    歪み層(20,21,22,25,26)からなる活性
    領域(12)を前記第1封止層(13)上に形成する段
    階;前記活性領域(12)上に第2封止層(14)を形
    成する段階;および相対的に高および低屈折率の複数の
    対の層からなる、第2導電型の第2ミラー・スタック
    (15)を前記第2封止層(14)上に形成する段階;
    によって構成されることを特徴とする方法。
JP8247227A 1995-08-28 1996-08-28 アルミニウムのない活性領域を有する短波長vcsel Pending JPH09107153A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/520,061 US5633886A (en) 1995-08-28 1995-08-28 Short wavelength VCSEL with Al-free active region
US520061 1995-08-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09107153A true JPH09107153A (ja) 1997-04-22

Family

ID=24071042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8247227A Pending JPH09107153A (ja) 1995-08-28 1996-08-28 アルミニウムのない活性領域を有する短波長vcsel

Country Status (6)

Country Link
US (1) US5633886A (ja)
EP (1) EP0760545B1 (ja)
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