JPH09326530A - 垂直共振器型面発光レーザとその製法 - Google Patents
垂直共振器型面発光レーザとその製法Info
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- JPH09326530A JPH09326530A JP9049976A JP4997697A JPH09326530A JP H09326530 A JPH09326530 A JP H09326530A JP 9049976 A JP9049976 A JP 9049976A JP 4997697 A JP4997697 A JP 4997697A JP H09326530 A JPH09326530 A JP H09326530A
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- H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
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Abstract
(57)【要約】
【課題】VCSELを基礎とした光通信システムのビット伝
送速度を高め、レーザプリンタのVCSELの光出力を変調
できる速度を上げ、そしてVCSELの光出力を高速で変調
する必要のあるその他の応用に使えるようにするため
に、ジッタ（ターンオン遅延時間の変動）を低減したVC
SELを提供する。また、高い強度を有する単一光線が必
要となる用途に使えるようにするために、空間ホールバ
ーニングの発生を押さえ、高い光強度を出力できるVCSE
Lを提供する。 【解決手段】活性層の近傍に堆積される拡散増強領域に
高濃度のアクセプタ不純物をドーピングし、これにより
量子井戸領域に誘発される正孔数が量子井戸領域の電子
数を約１桁上回るようにする。この高濃度にドーピング
された拡散増強領域によって量子井戸領域のキャリアの
拡散速度が５〜２５倍に高められる。これによって問題
の解決が計られる。
送速度を高め、レーザプリンタのVCSELの光出力を変調
できる速度を上げ、そしてVCSELの光出力を高速で変調
する必要のあるその他の応用に使えるようにするため
に、ジッタ（ターンオン遅延時間の変動）を低減したVC
SELを提供する。また、高い強度を有する単一光線が必
要となる用途に使えるようにするために、空間ホールバ
ーニングの発生を押さえ、高い光強度を出力できるVCSE
Lを提供する。 【解決手段】活性層の近傍に堆積される拡散増強領域に
高濃度のアクセプタ不純物をドーピングし、これにより
量子井戸領域に誘発される正孔数が量子井戸領域の電子
数を約１桁上回るようにする。この高濃度にドーピング
された拡散増強領域によって量子井戸領域のキャリアの
拡散速度が５〜２５倍に高められる。これによって問題
の解決が計られる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本願発明は、半導体レーザに関
し、より詳細には、垂直共振器型面発光レーザに関す
る。
し、より詳細には、垂直共振器型面発光レーザに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】垂直共振器型面発光レーザ(Vertical-ca
vity surface-emitting laser:VCSEL)は、在来のエッジ
放出レーザより優れた多くの利点、例えば、低コスト製
造、高歩留り、優れたビーム品質、及び計測可能な形状
寸法を有する。これらの特性により、VCSELは、多くの
応用分野で推奨すべきものとなっている。例えば、K.H.
Hahn, M.R.T.Tan,及びS.Y.Wangは、"Modal and Intensi
ty Noise of Large-AreaMultiple-Transverse-Mode VCS
ELs",Multimode-Optical-Fiber Links, 1994 Conferenc
e on Optical Fiber Communication - paper ThB3, OFC
'94において、マルチモード・ファイバデータリンクに
VCSELを使用する例を説明している。しかし、VCSELのタ
ーンオン・ジッタ（ターンオン遅延時間の変動）は、該
データリンクで達成し得る最大ビットレートを制限する
ことがある。この問題は、C.R.Mirasso, P.Colet,及び
M.San Miguelが"Dependence of Timing Jitter on Bias
Level for Single-mode Semiconductor Lasers under
High Speed Operation", QE-29 IEEE J.Quantum Electr
on.,pp.23-32 (1993)で、A.Sapia, P.Spano, C.R.Miras
so, P.Colet,及びM.San Miguelが"Pattern Effects in
Timing Jitter of Semiconductor Lasers", 61 Appl.Ph
ys.Lett.,pp.1748-1750 (1992)で、及びT.M.Shenが"Tim
ing Jitter in Semiconductor Lasers under Pseudoran
dom Word Modulation",7 J.Lightwave Technology,pp.1
394-1399 (1989)で論じている。
vity surface-emitting laser:VCSEL)は、在来のエッジ
放出レーザより優れた多くの利点、例えば、低コスト製
造、高歩留り、優れたビーム品質、及び計測可能な形状
寸法を有する。これらの特性により、VCSELは、多くの
応用分野で推奨すべきものとなっている。例えば、K.H.
Hahn, M.R.T.Tan,及びS.Y.Wangは、"Modal and Intensi
ty Noise of Large-AreaMultiple-Transverse-Mode VCS
ELs",Multimode-Optical-Fiber Links, 1994 Conferenc
e on Optical Fiber Communication - paper ThB3, OFC
'94において、マルチモード・ファイバデータリンクに
VCSELを使用する例を説明している。しかし、VCSELのタ
ーンオン・ジッタ（ターンオン遅延時間の変動）は、該
データリンクで達成し得る最大ビットレートを制限する
ことがある。この問題は、C.R.Mirasso, P.Colet,及び
M.San Miguelが"Dependence of Timing Jitter on Bias
Level for Single-mode Semiconductor Lasers under
High Speed Operation", QE-29 IEEE J.Quantum Electr
on.,pp.23-32 (1993)で、A.Sapia, P.Spano, C.R.Miras
so, P.Colet,及びM.San Miguelが"Pattern Effects in
Timing Jitter of Semiconductor Lasers", 61 Appl.Ph
ys.Lett.,pp.1748-1750 (1992)で、及びT.M.Shenが"Tim
ing Jitter in Semiconductor Lasers under Pseudoran
dom Word Modulation",7 J.Lightwave Technology,pp.1
394-1399 (1989)で論じている。
【０００３】VCSELのターンオン遅延は、VCSELのオフタ
イム、即ち、レーザ電流がスイッチオフされ再度スイッ
チオンされるまでの時間、により変化することは分かっ
ている。VCSELのオフタイムは、レーザ電流を変調する
データのオンタイムの前における連続する０値の長さに
応じて変化するので、VCSELのターンオン遅延はデータ
依存ジッタを免れない。図1Aと1Bは、単一モードVCSEL
のターンオン遅延時間のビットパターン依存性を説明す
るものである。図1Aは、２つの両極端ビットパターンに
関するターンオン過程中の光子密度の時間依存性を示
す。図1Bは、２つの両極端ビットパターン及びその中間
ビットパターンに関するターンオン過程中の光子密度の
時間依存性を示す。図1Aと1Bにおいて、１ビットの持続
時間は1 nsであり、かつレーザ電流は、VCSELのスレッ
ショルド（しきい値）電流の約半分のOFF状態とスレッ
ショルド電流の約５倍のON状態との間で切換えられる。
図1Aにおいて、０値が長く続いた後、1値へ切換わった
とき（００００１）の曲線Aで描かれたターンオン遅延
時間は、長い１値の後１個の0値の後、1値への切換わっ
たとき（１１１０１）の曲線Bで描かれたターンオン遅
延時間よりかなり長い。曲線Aを曲線Bと較べれば、ター
ンオン遅延時間はレーザ電流のビットパターンに依存し
て変化することが分かる。
イム、即ち、レーザ電流がスイッチオフされ再度スイッ
チオンされるまでの時間、により変化することは分かっ
ている。VCSELのオフタイムは、レーザ電流を変調する
データのオンタイムの前における連続する０値の長さに
応じて変化するので、VCSELのターンオン遅延はデータ
依存ジッタを免れない。図1Aと1Bは、単一モードVCSEL
のターンオン遅延時間のビットパターン依存性を説明す
るものである。図1Aは、２つの両極端ビットパターンに
関するターンオン過程中の光子密度の時間依存性を示
す。図1Bは、２つの両極端ビットパターン及びその中間
ビットパターンに関するターンオン過程中の光子密度の
時間依存性を示す。図1Aと1Bにおいて、１ビットの持続
時間は1 nsであり、かつレーザ電流は、VCSELのスレッ
ショルド（しきい値）電流の約半分のOFF状態とスレッ
ショルド電流の約５倍のON状態との間で切換えられる。
図1Aにおいて、０値が長く続いた後、1値へ切換わった
とき（００００１）の曲線Aで描かれたターンオン遅延
時間は、長い１値の後１個の0値の後、1値への切換わっ
たとき（１１１０１）の曲線Bで描かれたターンオン遅
延時間よりかなり長い。曲線Aを曲線Bと較べれば、ター
ンオン遅延時間はレーザ電流のビットパターンに依存し
て変化することが分かる。
【０００４】図1Bは、いくつかの中間ビットパターンと
共に図1Aに示した両極端のビットパターンを含むいくつ
かの異なった疑似ランダム・ワードパターンに応答した
光子密度の変化を示す。各トレースは、1値の間に様々
な数の0値が入ったパターンでの遅延時間を表す。最大
及び最小ターンオン遅延間の差は、ジッタの広がり(jit
ter spread)と呼ばれる。ジッタの広がりによって、VCS
ELが変調される最大レートに制限が課せられる。
共に図1Aに示した両極端のビットパターンを含むいくつ
かの異なった疑似ランダム・ワードパターンに応答した
光子密度の変化を示す。各トレースは、1値の間に様々
な数の0値が入ったパターンでの遅延時間を表す。最大
及び最小ターンオン遅延間の差は、ジッタの広がり(jit
ter spread)と呼ばれる。ジッタの広がりによって、VCS
ELが変調される最大レートに制限が課せられる。
【０００５】ジッタの広がりの制限に加えて、VCSELは
また空間ホールバーニング（spatialhole burning）の
制限を受ける。VCSELでは、光は、量子井戸領域におけ
る半導体材料の大きい断面積を通して流れるレーザ電流
で生ずる。ある種の応用では、VCSELは、単一のガウス
強度分布を有する光線を放出する必要がある。これは単
一モード動作として知られており、単一モード動作のレ
ーザで生じた光線は、単一光線を呼ばれる。VCSELは、
レーザ電流がスレッショルドレベルをわずかに上回る時
に単一光線を放出する。しかし、第二の、より高いスレ
ッショルドレベルを越えてレーザ電流を増やすと、レー
ザは、二重の、又はより高い、ガウス強度分布を有する
光線を放出し始める。
また空間ホールバーニング（spatialhole burning）の
制限を受ける。VCSELでは、光は、量子井戸領域におけ
る半導体材料の大きい断面積を通して流れるレーザ電流
で生ずる。ある種の応用では、VCSELは、単一のガウス
強度分布を有する光線を放出する必要がある。これは単
一モード動作として知られており、単一モード動作のレ
ーザで生じた光線は、単一光線を呼ばれる。VCSELは、
レーザ電流がスレッショルドレベルをわずかに上回る時
に単一光線を放出する。しかし、第二の、より高いスレ
ッショルドレベルを越えてレーザ電流を増やすと、レー
ザは、二重の、又はより高い、ガウス強度分布を有する
光線を放出し始める。
【０００６】VCSELは、量子井戸領域の中央の誘導放出
ゾーンで単一光線を発生する。光が発生すると、発生光
の強度に依存してキャリア密度が減損するので、単一光
線の発生は、誘導放出ゾーンの中央に空乏ゾーンを形成
し、かつ空乏ゾーンを囲むゾーンにおいて対応したキャ
リア密度の増加を来すことになる。空間ホールバーニン
グは、空乏ゾーンのキャリア密度がスレッショルド以下
に落ちる時に生じ、その結果、光は空乏ゾーンでもはや
発生されなくなる。その時、VCSELで生じた光線は、二
重のガウス強度分布を呈する。比較的高いレーザ電流で
は、さらに別の空乏ゾーンが誘導放出ゾーンに現れるこ
とがあり、結果として、VCSELで生じた光線は多重のガ
ウス強度分布を有することになる。該強度分布のため、
単一のガウス強度分布を持つ光線が必要とされる用途に
は、VCSELは適応できなくなる。
ゾーンで単一光線を発生する。光が発生すると、発生光
の強度に依存してキャリア密度が減損するので、単一光
線の発生は、誘導放出ゾーンの中央に空乏ゾーンを形成
し、かつ空乏ゾーンを囲むゾーンにおいて対応したキャ
リア密度の増加を来すことになる。空間ホールバーニン
グは、空乏ゾーンのキャリア密度がスレッショルド以下
に落ちる時に生じ、その結果、光は空乏ゾーンでもはや
発生されなくなる。その時、VCSELで生じた光線は、二
重のガウス強度分布を呈する。比較的高いレーザ電流で
は、さらに別の空乏ゾーンが誘導放出ゾーンに現れるこ
とがあり、結果として、VCSELで生じた光線は多重のガ
ウス強度分布を有することになる。該強度分布のため、
単一のガウス強度分布を持つ光線が必要とされる用途に
は、VCSELは適応できなくなる。
【０００７】VCSELが単一光線を発生し得る最大強度に
及ぼす空間ホールバーニングの制限効果のため、VCSEL
はある種の用途には適応できなくなる。例えば、磁気光
ディスク上への書込みに適するレーザは、約30 mWの出
力を有する単一光線を発生する必要があるのに、既知VC
SELで発生させ得る単一光線の最高出力は、1-2 mWの範
囲である。
及ぼす空間ホールバーニングの制限効果のため、VCSEL
はある種の用途には適応できなくなる。例えば、磁気光
ディスク上への書込みに適するレーザは、約30 mWの出
力を有する単一光線を発生する必要があるのに、既知VC
SELで発生させ得る単一光線の最高出力は、1-2 mWの範
囲である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、VCSELを基礎
とした光通信システムのビット伝送速度を高めるため
に、及びレーザプリンタのVCSELの光出力を変調できる
速度を上げるために、そしてVCSELの光出力を高速で変
調する必要のあるその他の応用に使えるようにするため
に、ジッタの広がりを低減したVCSELが必要とされるの
である。また、高い強度を有する単一光線が必要となる
用途に使えるようにするために、空間ホールバーニング
の開始が、既知VCSELと較べて実質的に高い光強度で生
ずるVCSELが要求される。
とした光通信システムのビット伝送速度を高めるため
に、及びレーザプリンタのVCSELの光出力を変調できる
速度を上げるために、そしてVCSELの光出力を高速で変
調する必要のあるその他の応用に使えるようにするため
に、ジッタの広がりを低減したVCSELが必要とされるの
である。また、高い強度を有する単一光線が必要となる
用途に使えるようにするために、空間ホールバーニング
の開始が、既知VCSELと較べて実質的に高い光強度で生
ずるVCSELが要求される。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述した目的に応ずるた
め、本発明は、ターンオン・ジッタが低減されかつ空間
ホールバーニングが低減された垂直共振器型面発光レー
ザ(VCSEL)の作製方法を提供するものである。該方法で
は、第一の伝導モードを有する、ドーピングされた半導
体材料の層を堆積して第一の鏡面層を形成する。その第
一の鏡面層上に半導体材料の層を堆積して活性層を形成
する。活性層を形成するために半導体材料の層を堆積す
る際、量子井戸領域を形成する。また、拡散増強領域(d
iffusionenhancing region)は、拡散増強領域によって
量子井戸領域に誘発される正孔が量子井戸領域の電子を
約１桁上回るような高濃度のアクセプタ不純物で活性層
の半導体材料をドーピングして形成する。最後に、第二
の伝導モードを有する、ドーピングされた半導体材料の
層を活性層上に堆積して第二の鏡面層を形成する。
め、本発明は、ターンオン・ジッタが低減されかつ空間
ホールバーニングが低減された垂直共振器型面発光レー
ザ(VCSEL)の作製方法を提供するものである。該方法で
は、第一の伝導モードを有する、ドーピングされた半導
体材料の層を堆積して第一の鏡面層を形成する。その第
一の鏡面層上に半導体材料の層を堆積して活性層を形成
する。活性層を形成するために半導体材料の層を堆積す
る際、量子井戸領域を形成する。また、拡散増強領域(d
iffusionenhancing region)は、拡散増強領域によって
量子井戸領域に誘発される正孔が量子井戸領域の電子を
約１桁上回るような高濃度のアクセプタ不純物で活性層
の半導体材料をドーピングして形成する。最後に、第二
の伝導モードを有する、ドーピングされた半導体材料の
層を活性層上に堆積して第二の鏡面層を形成する。
【００１０】拡散増強領域によって、量子井戸領域のキ
ャリアの拡散速度が５〜２５倍に高められる。このた
め、キャリアは量子井戸領域内部へ急速に拡散すること
ができるようになる。拡散増強領域は、レーザ電流がス
イッチオフされると、そうでなければ量子井戸領域の誘
導放出ゾーンを囲む環状領域に蓄積したであろうキャリ
アを誘導放出ゾーン中へ速やかに拡散させる。これによ
ってレーザのターンオン時間のレーザのオフ時間への依
存性が軽減され、従って、ジッタの広がりが低減され
る。拡散増強領域はまた、誘導放出による光の発生で生
ずる空乏ゾーン中へ量子井戸領域の比較的高いキャリア
濃度ゾーンからキャリアを拡散させ、このため、空間ホ
ールバーニング発生の可能性が軽減される。
ャリアの拡散速度が５〜２５倍に高められる。このた
め、キャリアは量子井戸領域内部へ急速に拡散すること
ができるようになる。拡散増強領域は、レーザ電流がス
イッチオフされると、そうでなければ量子井戸領域の誘
導放出ゾーンを囲む環状領域に蓄積したであろうキャリ
アを誘導放出ゾーン中へ速やかに拡散させる。これによ
ってレーザのターンオン時間のレーザのオフ時間への依
存性が軽減され、従って、ジッタの広がりが低減され
る。拡散増強領域はまた、誘導放出による光の発生で生
ずる空乏ゾーン中へ量子井戸領域の比較的高いキャリア
濃度ゾーンからキャリアを拡散させ、このため、空間ホ
ールバーニング発生の可能性が軽減される。
【００１１】拡散増強領域を形成する際、活性層の領域
を量子井戸領域の外部に形成している間だけ、活性層の
半導体材料をアクセプタ不純物でドーピングしてよい。
あるいは、量子井戸領域を囲む活性層の領域を堆積して
いる間、活性層の半導体材料をアクセプタ不純物でドー
ピングしてもよい。しかし、好適には、拡散増強領域
は、活性層におけるデルタドープ領域(delta-doped reg
ion)である。
を量子井戸領域の外部に形成している間だけ、活性層の
半導体材料をアクセプタ不純物でドーピングしてよい。
あるいは、量子井戸領域を囲む活性層の領域を堆積して
いる間、活性層の半導体材料をアクセプタ不純物でドー
ピングしてもよい。しかし、好適には、拡散増強領域
は、活性層におけるデルタドープ領域(delta-doped reg
ion)である。
【００１２】拡散増強領域を形成する際、量子井戸領域
における拡散増強領域で誘発される正孔の密度P'が1019
cm-3を越えるよう、活性層の半導体材料をシート密度(s
heetdennsity)Pdope,sheetのアクセプタ不純物でドーピ
ングすることにより拡散増強領域を形成する。拡散増強
領域におけるアクセプタ不純物のシート密度P
dope,sheetは、ほぼP' tQWであり、ここでtQWは、量子
井戸領域における量子井戸の全厚さである。あるいは、
拡散増強領域は、厚さtDERをもって形成し、かつ量子井
戸領域における拡散増強領域で誘発される正孔の密度P'
が1019cm-3を越えるよう、アクセプタ不純物で濃度P
dopeまでドーピングしてよい。拡散増強領域におけるア
クセプタ不純物の濃度Pdopeは、式 Pdope＝ P' tQW/t
DERにより量子井戸領域における正孔の密度P'、量子井
戸領域の厚さtQW及び拡散増強領域の厚さtDERに依存す
る。
における拡散増強領域で誘発される正孔の密度P'が1019
cm-3を越えるよう、活性層の半導体材料をシート密度(s
heetdennsity)Pdope,sheetのアクセプタ不純物でドーピ
ングすることにより拡散増強領域を形成する。拡散増強
領域におけるアクセプタ不純物のシート密度P
dope,sheetは、ほぼP' tQWであり、ここでtQWは、量子
井戸領域における量子井戸の全厚さである。あるいは、
拡散増強領域は、厚さtDERをもって形成し、かつ量子井
戸領域における拡散増強領域で誘発される正孔の密度P'
が1019cm-3を越えるよう、アクセプタ不純物で濃度P
dopeまでドーピングしてよい。拡散増強領域におけるア
クセプタ不純物の濃度Pdopeは、式 Pdope＝ P' tQW/t
DERにより量子井戸領域における正孔の密度P'、量子井
戸領域の厚さtQW及び拡散増強領域の厚さtDERに依存す
る。
【００１３】本発明はまた、ターンオン・ジッタが低減
されかつ空間ホールバーニングが低減された垂直共振器
型面発光レーザ(VCSEL)も提供する。該レーザは、第一
の鏡面層、量子井戸領域と拡散増強領域を含む活性層、
及び第二の鏡面層から成る。第一の鏡面層は、第一の伝
導モードを有する、ドーピングされた半導体材料の層で
ある。活性層は、第一の鏡面層に隣接した半導体材料の
層である。第二の鏡面層は、活性層に隣接しかつ第一の
鏡面層から離れており、そして拡散増強領域は、第二の
伝導モードを有する、ドーピングされた半導体材料の層
である。拡散増強領域は、拡散増強領域によって量子井
戸領域に誘発される正孔が量子井戸領域の電子を約１桁
上回るような高濃度に活性層の半導体材料がそこでアク
セプタ不純物でドーピングされる活性層の領域である。
されかつ空間ホールバーニングが低減された垂直共振器
型面発光レーザ(VCSEL)も提供する。該レーザは、第一
の鏡面層、量子井戸領域と拡散増強領域を含む活性層、
及び第二の鏡面層から成る。第一の鏡面層は、第一の伝
導モードを有する、ドーピングされた半導体材料の層で
ある。活性層は、第一の鏡面層に隣接した半導体材料の
層である。第二の鏡面層は、活性層に隣接しかつ第一の
鏡面層から離れており、そして拡散増強領域は、第二の
伝導モードを有する、ドーピングされた半導体材料の層
である。拡散増強領域は、拡散増強領域によって量子井
戸領域に誘発される正孔が量子井戸領域の電子を約１桁
上回るような高濃度に活性層の半導体材料がそこでアク
セプタ不純物でドーピングされる活性層の領域である。
【００１４】拡散増強領域は、活性層における量子井戸
領域の外部に配置してよい。あるいは、拡散増強領域
は、活性層における量子井戸領域を包含してもよい。し
かし、好適には、拡散増強領域は、活性層におけるデル
タドープ領域である。
領域の外部に配置してよい。あるいは、拡散増強領域
は、活性層における量子井戸領域を包含してもよい。し
かし、好適には、拡散増強領域は、活性層におけるデル
タドープ領域である。
【００１５】拡散増強領域の半導体材料は、量子井戸領
域における拡散増強領域で誘発される正孔の密度P'が10
19cm-3を越えるよう、シート密度Pdope,sheetのアクセ
プタ不純物でドーピングしてよい。アクセプタ不純物の
シート密度Pdope,sheetは、ほぼP' tQWであり、ここでt
QWは、量子井戸領域における量子井戸の全厚さである。
域における拡散増強領域で誘発される正孔の密度P'が10
19cm-3を越えるよう、シート密度Pdope,sheetのアクセ
プタ不純物でドーピングしてよい。アクセプタ不純物の
シート密度Pdope,sheetは、ほぼP' tQWであり、ここでt
QWは、量子井戸領域における量子井戸の全厚さである。
【００１６】あるいは、拡散増強領域における半導体材
料は、量子井戸領域における拡散増強領域で誘発される
正孔の密度P'が1019cm-3を越えるよう、濃度Pdopeのア
クセプタ不純物でドーピングしてもよい。アクセプタ不
純物の濃度Pdopeは、式 Pdope＝ P' tQW/tDERにより量
子井戸領域における正孔密度P'、量子井戸領域の厚さt
QW及び拡散増強領域の厚さtDERに依存する。
料は、量子井戸領域における拡散増強領域で誘発される
正孔の密度P'が1019cm-3を越えるよう、濃度Pdopeのア
クセプタ不純物でドーピングしてもよい。アクセプタ不
純物の濃度Pdopeは、式 Pdope＝ P' tQW/tDERにより量
子井戸領域における正孔密度P'、量子井戸領域の厚さt
QW及び拡散増強領域の厚さtDERに依存する。
【００１７】
【実施例】本発明は、少ないジッタの広がりを有しかつ
空間ホールバーニングの開始が既知VCSELと較べ高い光
強度で起こるVCSELを提供するものである。本発明によ
るVCSELでは、活性層は、拡散増強領域を含むよう形成
される。拡散増強領域は、アクセプタ不純物で密にドー
ピングされた半導体材料の層である。拡散増強領域は、
量子井戸領域に隣接するか、又は量子井戸領域内部か、
又は量子井戸領域を囲む活性層に配置される。拡散増強
領域は、量子井戸領域において極めて高密度の正孔を含
む。量子井戸領域における正孔が高密度のため、量子井
戸領域におけるキャリアの両極性(ambipolar)拡散速度
が著しく増大する。量子井戸領域におけるキャリアの両
極性拡散速度が増大すれば、キャリアは急速に量子井戸
領域に拡散でき、このため、VCSELのジッタの広がりが
著しく低減され、かつ空間ホールバーニングの開始以前
に発生し得る最大光強度が増強される。
空間ホールバーニングの開始が既知VCSELと較べ高い光
強度で起こるVCSELを提供するものである。本発明によ
るVCSELでは、活性層は、拡散増強領域を含むよう形成
される。拡散増強領域は、アクセプタ不純物で密にドー
ピングされた半導体材料の層である。拡散増強領域は、
量子井戸領域に隣接するか、又は量子井戸領域内部か、
又は量子井戸領域を囲む活性層に配置される。拡散増強
領域は、量子井戸領域において極めて高密度の正孔を含
む。量子井戸領域における正孔が高密度のため、量子井
戸領域におけるキャリアの両極性(ambipolar)拡散速度
が著しく増大する。量子井戸領域におけるキャリアの両
極性拡散速度が増大すれば、キャリアは急速に量子井戸
領域に拡散でき、このため、VCSELのジッタの広がりが
著しく低減され、かつ空間ホールバーニングの開始以前
に発生し得る最大光強度が増強される。
【００１８】本発明によるVCSELの好適な実施例11を図2
Aに示す。図2Aは、活性層13の誘導放出ゾーン37、及び
コアゾーン29の一部を含むVCSELの部分断面図である。
活性層は、下部鏡面層15上にエピタキシー成長させる。
上部鏡面層17は、活性層上にエピタキシー成長させる。
図面を簡略化するため、活性層に隣接する下部鏡面層の
上方部分と活性層に隣接する上部鏡面層の下方部分だけ
を示す。下部鏡面層と上部鏡面層とは、逆の伝導モード
を持つようドーピングする。例えば、下部鏡面層は、好
適には、ドナー不純物でドーピングし(n型）、上部鏡面
層は、好適には、アクセプタ不純物でドーピングする(p
型）。
Aに示す。図2Aは、活性層13の誘導放出ゾーン37、及び
コアゾーン29の一部を含むVCSELの部分断面図である。
活性層は、下部鏡面層15上にエピタキシー成長させる。
上部鏡面層17は、活性層上にエピタキシー成長させる。
図面を簡略化するため、活性層に隣接する下部鏡面層の
上方部分と活性層に隣接する上部鏡面層の下方部分だけ
を示す。下部鏡面層と上部鏡面層とは、逆の伝導モード
を持つようドーピングする。例えば、下部鏡面層は、好
適には、ドナー不純物でドーピングし(n型）、上部鏡面
層は、好適には、アクセプタ不純物でドーピングする(p
型）。
【００１９】上部鏡面層17は、陽子注入ゾーン27を含
み、これがコアゾーン29を規定し取り囲む。陽子注入ゾ
ーンは上部鏡面層を通って流れるレーザ電流をコアゾー
ンに限定する。レーザ電流は、上部鏡面層の上面に形成
された電極から、下部鏡面層15が堆積される基板の底面
上に形成された電極へ流れる。活性層近辺のVCSELの構
造をより明解に示すことができるよう、電極、基板、及
び上部鏡面層の上面は図2Aには示されていない。
み、これがコアゾーン29を規定し取り囲む。陽子注入ゾ
ーンは上部鏡面層を通って流れるレーザ電流をコアゾー
ンに限定する。レーザ電流は、上部鏡面層の上面に形成
された電極から、下部鏡面層15が堆積される基板の底面
上に形成された電極へ流れる。活性層近辺のVCSELの構
造をより明解に示すことができるよう、電極、基板、及
び上部鏡面層の上面は図2Aには示されていない。
【００２０】活性層13は、λｎの整数倍の厚さであり、
ここでλｎは、量子井戸領域19で生じた光の活性層材料
中の波長である。活性層の好適な厚さは、λｎである。
活性層は、下部鏡面層15と上部鏡面層17との間にサンド
イッチ状に挟まれる。活性層は、下部クラッド領域31、
上部クラッド領域32及び量子井戸領域19を包含してい
る。クラッド領域の厚さは、量子井戸領域が下部鏡面層
と上部鏡面層の中間に位置するような厚さである。量子
井戸領域の構造の詳細は、図面を簡略化するため図2Aか
らは省かれているが、図2Cに示しかつ以下により詳細に
記述する。
ここでλｎは、量子井戸領域19で生じた光の活性層材料
中の波長である。活性層の好適な厚さは、λｎである。
活性層は、下部鏡面層15と上部鏡面層17との間にサンド
イッチ状に挟まれる。活性層は、下部クラッド領域31、
上部クラッド領域32及び量子井戸領域19を包含してい
る。クラッド領域の厚さは、量子井戸領域が下部鏡面層
と上部鏡面層の中間に位置するような厚さである。量子
井戸領域の構造の詳細は、図面を簡略化するため図2Aか
らは省かれているが、図2Cに示しかつ以下により詳細に
記述する。
【００２１】光は、誘導放出により量子井戸領域19の誘
導放出ゾーン37で発生する。誘導放出ゾーンの横方向の
範囲は、上部鏡面層17のコアゾーン29の横方向の範囲で
限定されており、線39で表示してある。
導放出ゾーン37で発生する。誘導放出ゾーンの横方向の
範囲は、上部鏡面層17のコアゾーン29の横方向の範囲で
限定されており、線39で表示してある。
【００２２】本発明によるVCSELの第一の実施例11の活
性層13は、拡散増強領域41を包含するよう形成する。好
適な実施例では、拡散増強領域は、量子井戸領域19の外
部の活性層に位置するデルタドープ領域である。拡散増
強領域は、好適には、上部鏡面層17と量子井戸領域の間
の上部クラッド領域32において量子井戸領域から数百オ
ングストローム以内に配置する。
性層13は、拡散増強領域41を包含するよう形成する。好
適な実施例では、拡散増強領域は、量子井戸領域19の外
部の活性層に位置するデルタドープ領域である。拡散増
強領域は、好適には、上部鏡面層17と量子井戸領域の間
の上部クラッド領域32において量子井戸領域から数百オ
ングストローム以内に配置する。
【００２３】拡散増強領域41は、高濃度のアクセプタ不
純物でドーピングする。拡散増強領域の実際のドーピン
グの程度は、量子井戸領域で誘発されるべき正孔密度と
量子井戸領域及び拡散増強領域間の厚さとに依存する。
活性層がIII-V族の半導体の層である時、拡散増強領域
に対する好適なドーピング材料は炭素である。III-V族
の半導体のうちアクセプタ不純物として作用する他の元
素も用いることができる。特に、マグネシウム、ベリリ
ウム、亜鉛のようなII族の元素は、拡散増強領域をドー
ピングするのに用いてよい。
純物でドーピングする。拡散増強領域の実際のドーピン
グの程度は、量子井戸領域で誘発されるべき正孔密度と
量子井戸領域及び拡散増強領域間の厚さとに依存する。
活性層がIII-V族の半導体の層である時、拡散増強領域
に対する好適なドーピング材料は炭素である。III-V族
の半導体のうちアクセプタ不純物として作用する他の元
素も用いることができる。特に、マグネシウム、ベリリ
ウム、亜鉛のようなII族の元素は、拡散増強領域をドー
ピングするのに用いてよい。
【００２４】前述したように、好適な実施例では、拡散
増強領域41は、活性層13の上部クラッド領域32において
量子井戸領域19から数百オングストローム以内にあるデ
ルタドープ領域である。該デルタドープ領域は、量子井
戸領域において所要の正孔密度を誘発するだけの十分な
高さのシートドーピング密度を実現できるよう十分な量
のアクセプタ不純物を上部クラッド領域の単原子層に注
入することにより形成する。適切なシートドーピング密
度は、1013cm-2のオーダーであり、これは、それらが単
原子層の約0.1%と約1%の間の原子を構成するような濃度
で注入される不純物原子に相当する。所要のシート密度
を定める方法を以下に詳説する。
増強領域41は、活性層13の上部クラッド領域32において
量子井戸領域19から数百オングストローム以内にあるデ
ルタドープ領域である。該デルタドープ領域は、量子井
戸領域において所要の正孔密度を誘発するだけの十分な
高さのシートドーピング密度を実現できるよう十分な量
のアクセプタ不純物を上部クラッド領域の単原子層に注
入することにより形成する。適切なシートドーピング密
度は、1013cm-2のオーダーであり、これは、それらが単
原子層の約0.1%と約1%の間の原子を構成するような濃度
で注入される不純物原子に相当する。所要のシート密度
を定める方法を以下に詳説する。
【００２５】拡散増強領域41のアクセプタは、量子井戸
領域19における対応正孔を誘導する。拡散増強領域にお
けるアクセプタのドーピングのレベルは非常に高いの
で、量子井戸領域で誘発される正孔の密度は、そこの電
子の密度より約1桁大きい。そのような高密度の正孔
は、正孔の拡散により量子井戸領域の電子の拡散を緩和
する。電子と正孔の両方に関係する有効拡散レートを考
慮する両極性拡散速度は、正孔拡散速度にほぼ同等の値
から電子拡散速度に近い値に増大する。電子拡散速度
は、代表的半導体材料では正孔拡散速度の10倍から50倍
の間である。
領域19における対応正孔を誘導する。拡散増強領域にお
けるアクセプタのドーピングのレベルは非常に高いの
で、量子井戸領域で誘発される正孔の密度は、そこの電
子の密度より約1桁大きい。そのような高密度の正孔
は、正孔の拡散により量子井戸領域の電子の拡散を緩和
する。電子と正孔の両方に関係する有効拡散レートを考
慮する両極性拡散速度は、正孔拡散速度にほぼ同等の値
から電子拡散速度に近い値に増大する。電子拡散速度
は、代表的半導体材料では正孔拡散速度の10倍から50倍
の間である。
【００２６】量子井戸領域におけるキャリアの両極性拡
散速度を高めることは、２つの有益な効果を生む。先
ず、ジッタの広がりが低減する。高い両極性拡散速度に
よって誘導放出ゾーン37を囲む活性層のゾーンに蓄積す
るキャリアの影響力が低減される。そうでなければ該ゾ
ーンに蓄積したであろうキャリアは、横方向に誘導放出
ゾーン中に拡散することができる。次に、空間ホールバ
ーニングの開始以前に発生し得る単一光線の強度は強く
なる、何故なら高い両極性拡散速度によってキャリアが
横方向に拡散して誘導放出ゾーン37の中央の空乏ゾーン
におけるキャリア供給量を補充できるからである。この
ため、空乏ゾーンのキャリア密度がスレッショルドレベ
ル以下に降下することはなく、誘導放出ゾーン全域で光
の発生が維持されるのである。
散速度を高めることは、２つの有益な効果を生む。先
ず、ジッタの広がりが低減する。高い両極性拡散速度に
よって誘導放出ゾーン37を囲む活性層のゾーンに蓄積す
るキャリアの影響力が低減される。そうでなければ該ゾ
ーンに蓄積したであろうキャリアは、横方向に誘導放出
ゾーン中に拡散することができる。次に、空間ホールバ
ーニングの開始以前に発生し得る単一光線の強度は強く
なる、何故なら高い両極性拡散速度によってキャリアが
横方向に拡散して誘導放出ゾーン37の中央の空乏ゾーン
におけるキャリア供給量を補充できるからである。この
ため、空乏ゾーンのキャリア密度がスレッショルドレベ
ル以下に降下することはなく、誘導放出ゾーン全域で光
の発生が維持されるのである。
【００２７】これより本発明によるVCSELの好適な実施
例をさらに詳細に説明する。下部鏡面層15と上部鏡面層
17は、それぞれ、好適には、多対の鏡面要素から成る分
散型ブラッグ反射器である。例えば、下部鏡面層は32.5
対の鏡面要素から構成されることがあり、上部鏡面層は
20対の鏡面要素から構成されることもある。図面を簡単
にするため、活性層13にすぐ隣接する下部鏡面層におけ
る鏡面要素対21だけを示す。鏡面要素の各対は、高屈折
率の鏡面要素と低屈折率の鏡面要素とから成る。鏡面要
素対21は、例えば、鏡面要素23と25から成る。鏡面要素
の各対では、２つの鏡面要素は、異なった屈折率を有す
る異なった半導体材料の層である。例えば、高屈折率の
鏡面要素はAlGaAsの層であってよいし、低屈折率の鏡面
要素はAlAsの層であってよい。あるいは、AlAsとGaAsの
層、又は当分野で周知の他の適当な材料の対から成る層
を用いることもできる。鏡面要素は、好適には、当分野
で知られているように、隣接鏡面要素間の界面前後の電
気抵抗とバンドオフセットを低減できるよう構成する。
例えば、グレーデッド（傾斜）遷移(graded transitio
n)が隣接した鏡面要素の材料間で行われたり、又はグレ
ーデッド短周期超格子(graded short period super lat
tice)が隣接鏡面要素間で形成されることもある。各鏡
面要素は、λｎ/4という厚さを有し、ここでλｎは、量
子井戸領域19で生じた光に関する鏡面要素の半導体材料
中の波長である。
例をさらに詳細に説明する。下部鏡面層15と上部鏡面層
17は、それぞれ、好適には、多対の鏡面要素から成る分
散型ブラッグ反射器である。例えば、下部鏡面層は32.5
対の鏡面要素から構成されることがあり、上部鏡面層は
20対の鏡面要素から構成されることもある。図面を簡単
にするため、活性層13にすぐ隣接する下部鏡面層におけ
る鏡面要素対21だけを示す。鏡面要素の各対は、高屈折
率の鏡面要素と低屈折率の鏡面要素とから成る。鏡面要
素対21は、例えば、鏡面要素23と25から成る。鏡面要素
の各対では、２つの鏡面要素は、異なった屈折率を有す
る異なった半導体材料の層である。例えば、高屈折率の
鏡面要素はAlGaAsの層であってよいし、低屈折率の鏡面
要素はAlAsの層であってよい。あるいは、AlAsとGaAsの
層、又は当分野で周知の他の適当な材料の対から成る層
を用いることもできる。鏡面要素は、好適には、当分野
で知られているように、隣接鏡面要素間の界面前後の電
気抵抗とバンドオフセットを低減できるよう構成する。
例えば、グレーデッド（傾斜）遷移(graded transitio
n)が隣接した鏡面要素の材料間で行われたり、又はグレ
ーデッド短周期超格子(graded short period super lat
tice)が隣接鏡面要素間で形成されることもある。各鏡
面要素は、λｎ/4という厚さを有し、ここでλｎは、量
子井戸領域19で生じた光に関する鏡面要素の半導体材料
中の波長である。
【００２８】陽子注入ゾーン27は、活性層13から離れた
上部鏡面層の表面（非表示）から上部鏡面層17中へ延び
るが、上部鏡面層中を活性層の所までは延びない。陽子
注入ゾーンの導電率は、それが取り囲んでいるコアゾー
ン29のそれより小さい。この導電率の差によって上部鏡
面層中を流れるレーザ電流をコアゾーンに限定するので
ある。陽子注入ゾーンの最深部と活性層間の領域33で
は、レーザ電流は、陽子注入ゾーンによって規定された
閉じ込め状態から横方向に広がる。故に、活性層の量子
井戸領域19中へ流れるレーザ電流は、量子井戸領域の誘
導放出ゾーン37に、即ち、上部鏡面層のコアゾーンの下
にある量子井戸領域の部分に、限定されない。
上部鏡面層の表面（非表示）から上部鏡面層17中へ延び
るが、上部鏡面層中を活性層の所までは延びない。陽子
注入ゾーンの導電率は、それが取り囲んでいるコアゾー
ン29のそれより小さい。この導電率の差によって上部鏡
面層中を流れるレーザ電流をコアゾーンに限定するので
ある。陽子注入ゾーンの最深部と活性層間の領域33で
は、レーザ電流は、陽子注入ゾーンによって規定された
閉じ込め状態から横方向に広がる。故に、活性層の量子
井戸領域19中へ流れるレーザ電流は、量子井戸領域の誘
導放出ゾーン37に、即ち、上部鏡面層のコアゾーンの下
にある量子井戸領域の部分に、限定されない。
【００２９】活性層13は、量子井戸領域19で生じた光を
透過する半導体材料の層である。例えば、活性層は、Al
GaAsの層であってよい。拡散増強領域41の外側では、活
性層は、ドーピングしないか、もしくは等しい濃度のド
ナー及びアクセプタ不純物でドーピングする。あるい
は、活性層の下部クラッド層31は、下部鏡面層15におけ
るドナー不純物とほぼ同じ濃度のドナー不純物でドーピ
ングしてもよく、かつ上部クラッド層32は、上部鏡面層
17におけるアクセプタ不純物とほぼ同じ濃度のアクセプ
タ不純物でドーピングしてもよい。
透過する半導体材料の層である。例えば、活性層は、Al
GaAsの層であってよい。拡散増強領域41の外側では、活
性層は、ドーピングしないか、もしくは等しい濃度のド
ナー及びアクセプタ不純物でドーピングする。あるい
は、活性層の下部クラッド層31は、下部鏡面層15におけ
るドナー不純物とほぼ同じ濃度のドナー不純物でドーピ
ングしてもよく、かつ上部クラッド層32は、上部鏡面層
17におけるアクセプタ不純物とほぼ同じ濃度のアクセプ
タ不純物でドーピングしてもよい。
【００３０】量子井戸領域19は、好適には、３ないし５
層の量子井戸から成る。図2Cは、３層の量子井戸を有す
る量子井戸領域の一例を示す。量子井戸51は下部クラッ
ド領域31に隣接して配置され、障壁層55によって量子井
戸53から分離されている。量子井戸57は上部クラッド領
域32に隣接して配置され、障壁層59によって量子井戸53
から分離されている。各量子井戸は、好適には、ガリウ
ム砒素(GaAs)の層であり、各障壁層は、好適には、AlGa
Asの層である。各量子井戸は、好適には、約80Åの厚さ
である。
層の量子井戸から成る。図2Cは、３層の量子井戸を有す
る量子井戸領域の一例を示す。量子井戸51は下部クラッ
ド領域31に隣接して配置され、障壁層55によって量子井
戸53から分離されている。量子井戸57は上部クラッド領
域32に隣接して配置され、障壁層59によって量子井戸53
から分離されている。各量子井戸は、好適には、ガリウ
ム砒素(GaAs)の層であり、各障壁層は、好適には、AlGa
Asの層である。各量子井戸は、好適には、約80Åの厚さ
である。
【００３１】本発明によるVCSELの好適な実施例11は、
分子線エピタキシー法(MBE)又は有機金属気相成長法(MO
CVD)のような技術によって、適当な基板（非表示）上に
下部鏡面層15を成長させることにより作られる。半導体
材料の薄い層を順番に成長させるこれらの技術は、当分
野で周知である。下部鏡面層15を成長させている間に、
ドナー(n型)不純物を、交互に堆積される半導体材料に
一連の流れの中で注入し下部鏡面層を形成する。このよ
うに、下部鏡面層は、n型にドーピングされる。
分子線エピタキシー法(MBE)又は有機金属気相成長法(MO
CVD)のような技術によって、適当な基板（非表示）上に
下部鏡面層15を成長させることにより作られる。半導体
材料の薄い層を順番に成長させるこれらの技術は、当分
野で周知である。下部鏡面層15を成長させている間に、
ドナー(n型)不純物を、交互に堆積される半導体材料に
一連の流れの中で注入し下部鏡面層を形成する。このよ
うに、下部鏡面層は、n型にドーピングされる。
【００３２】次いで、例えば、AlGaAsの層をMBE又はMOC
VDにより下部鏡面層上に堆積させて下部鏡面層に隣接す
る活性層13の下部クラッド領域31を形成する。下部クラ
ッド領域を形成するには堆積材料に不純物を注入しな
い。あるいは、等濃度のドナー及びアクセプタ不純物を
堆積材料に注入して下部クラッド領域を形成してもよ
い。さらに別法として、下部クラッド領域は、下部鏡面
層におけるそれと同様の濃度のn型不純物を用い、下部
クラッド領域の厚さが増すにつれその濃度を減らすよう
にして、ドーピングしてもよい。
VDにより下部鏡面層上に堆積させて下部鏡面層に隣接す
る活性層13の下部クラッド領域31を形成する。下部クラ
ッド領域を形成するには堆積材料に不純物を注入しな
い。あるいは、等濃度のドナー及びアクセプタ不純物を
堆積材料に注入して下部クラッド領域を形成してもよ
い。さらに別法として、下部クラッド領域は、下部鏡面
層におけるそれと同様の濃度のn型不純物を用い、下部
クラッド領域の厚さが増すにつれその濃度を減らすよう
にして、ドーピングしてもよい。
【００３３】下部クラッド領域31がその所要の厚さに到
達し終わった後、半導体材料の多層薄膜層を下部クラッ
ド領域上に堆積させて量子井戸領域19を形成する。量子
井戸領域が形成され終わった後、さらに半導体材料を量
子井戸領域上に堆積させて上部クラッド領域32を形成す
る。上部クラッド領域を形成するには堆積材料に不純物
を注入しない。あるいは、等濃度のドナー及びアクセプ
タ不純物を堆積材料に注入して上部クラッド領域を形成
してもよい。さらに別法として、上部クラッド領域は、
上部鏡面層17で用いられるそれと同様の濃度まで漸次増
加する濃度のp型不純物を用いてドーピングしてもよ
い。
達し終わった後、半導体材料の多層薄膜層を下部クラッ
ド領域上に堆積させて量子井戸領域19を形成する。量子
井戸領域が形成され終わった後、さらに半導体材料を量
子井戸領域上に堆積させて上部クラッド領域32を形成す
る。上部クラッド領域を形成するには堆積材料に不純物
を注入しない。あるいは、等濃度のドナー及びアクセプ
タ不純物を堆積材料に注入して上部クラッド領域を形成
してもよい。さらに別法として、上部クラッド領域は、
上部鏡面層17で用いられるそれと同様の濃度まで漸次増
加する濃度のp型不純物を用いてドーピングしてもよ
い。
【００３４】拡散増強領域41は、上部クラッド層の厚さ
が数百オングストローム未満の時に上部クラッド領域32
を形成するべく堆積される半導体材料の一連のプロセス
の流れを中断することにより、そして部分的に形成され
た上部クラッド領域の表面上にアクセプタ不純物原子を
堆積させることにより、形成する。炭素原子は、四臭化
炭素 CBr４を気化し、その蒸気を部分的に形成された上
部クラッド領域と接触させることにより、アクセプタ不
純物として堆積される。部分的に形成された上部クラッ
ド領域と接触すると、四臭化炭素が分離し、その結果生
ずる炭素原子が、アクセプタ不純物として、部分的に形
成された上部クラッド領域の半導体材料の格子上に堆積
される。拡散増強領域を構成するアクセプタ不純物原子
が部分的に形成された上部クラッド領域上に堆積され終
わった後、上部クラッド領域を形成する半導体材料の堆
積操作が再開される。
が数百オングストローム未満の時に上部クラッド領域32
を形成するべく堆積される半導体材料の一連のプロセス
の流れを中断することにより、そして部分的に形成され
た上部クラッド領域の表面上にアクセプタ不純物原子を
堆積させることにより、形成する。炭素原子は、四臭化
炭素 CBr４を気化し、その蒸気を部分的に形成された上
部クラッド領域と接触させることにより、アクセプタ不
純物として堆積される。部分的に形成された上部クラッ
ド領域と接触すると、四臭化炭素が分離し、その結果生
ずる炭素原子が、アクセプタ不純物として、部分的に形
成された上部クラッド領域の半導体材料の格子上に堆積
される。拡散増強領域を構成するアクセプタ不純物原子
が部分的に形成された上部クラッド領域上に堆積され終
わった後、上部クラッド領域を形成する半導体材料の堆
積操作が再開される。
【００３５】活性層13がλｎという所要全厚を有するよ
うな厚さに上部クラッド領域32が到達すると、上部鏡面
層17を形成するべく材料を堆積させる工程が開始され
る。上部鏡面層を形成するべく材料を堆積している間
に、上部鏡面層を形成するべく交互に堆積される半導体
材料のプロセスの一連の流れの中でアクセプタ不純物を
注入する。これによって上部鏡面層の半導体材料がp型
にドーピングされる。上部鏡面層を形成するべく堆積さ
れる半導体材料に注入されるアクセプタ不純物の濃度
は、実質的には、拡散増強領域41におけるそれより低
い。
うな厚さに上部クラッド領域32が到達すると、上部鏡面
層17を形成するべく材料を堆積させる工程が開始され
る。上部鏡面層を形成するべく材料を堆積している間
に、上部鏡面層を形成するべく交互に堆積される半導体
材料のプロセスの一連の流れの中でアクセプタ不純物を
注入する。これによって上部鏡面層の半導体材料がp型
にドーピングされる。上部鏡面層を形成するべく堆積さ
れる半導体材料に注入されるアクセプタ不純物の濃度
は、実質的には、拡散増強領域41におけるそれより低
い。
【００３６】図2Bは、本発明によるVCSELの好適な実施
例11についての図2Aの線2B-2Bに沿うドーピング分布を
示す。図2Bのy-軸のスケールは、図2Aの垂直スケールに
一致する。図2Bは、下部鏡面層15が中程度乃至高濃度の
ドナー不純物でドーピングされていることを示す。下部
鏡面層と活性層13間の境界では、アクセプタ不純物の濃
度は急激に減少してドナー不純物の濃度とほぼ同等であ
る。ドナー不純物の濃度は、拡散増強領域41における以
外、活性層全域でアクセプタ不純物の濃度と実質的に同
等に保持される。拡散増強領域41では、アクセプタ不純
物の濃度は、下部鏡面層におけるドナー不純物の及び上
部鏡面層17におけるアクセプタ不純物の濃度より約10倍
高い値まで急激に増加する。活性層と上部鏡面層間の境
界では、アクセプタ不純物の濃度は、下部鏡面層におけ
るドナー不純物のそれとほぼ同等の値まで急激に増加す
る。アクセプタ不純物の濃度は、上部鏡面層全域でこの
レベルに保持される。
例11についての図2Aの線2B-2Bに沿うドーピング分布を
示す。図2Bのy-軸のスケールは、図2Aの垂直スケールに
一致する。図2Bは、下部鏡面層15が中程度乃至高濃度の
ドナー不純物でドーピングされていることを示す。下部
鏡面層と活性層13間の境界では、アクセプタ不純物の濃
度は急激に減少してドナー不純物の濃度とほぼ同等であ
る。ドナー不純物の濃度は、拡散増強領域41における以
外、活性層全域でアクセプタ不純物の濃度と実質的に同
等に保持される。拡散増強領域41では、アクセプタ不純
物の濃度は、下部鏡面層におけるドナー不純物の及び上
部鏡面層17におけるアクセプタ不純物の濃度より約10倍
高い値まで急激に増加する。活性層と上部鏡面層間の境
界では、アクセプタ不純物の濃度は、下部鏡面層におけ
るドナー不純物のそれとほぼ同等の値まで急激に増加す
る。アクセプタ不純物の濃度は、上部鏡面層全域でこの
レベルに保持される。
【００３７】上述のように、拡散増強領域41は、活性層
13のどこに位置するデルタドープ領域であってよい。し
かし、拡散増強領域は、量子井戸領域19から100オング
ストローム以内の活性層にある時が最も効果的である。
図2Aに示した好適な実施例では、拡散増強領域は、量子
井戸領域19から数百オングストローム以内の活性層13の
上部クラッド領域32に位置するデルタドープ領域であ
る。
13のどこに位置するデルタドープ領域であってよい。し
かし、拡散増強領域は、量子井戸領域19から100オング
ストローム以内の活性層にある時が最も効果的である。
図2Aに示した好適な実施例では、拡散増強領域は、量子
井戸領域19から数百オングストローム以内の活性層13の
上部クラッド領域32に位置するデルタドープ領域であ
る。
【００３８】図2C-2Fは、拡散増強領域41の代替配置と
構成を示す。拡散増強領域は、量子井戸領域19の障壁層
の１つに配置されたデルタドープ領域であってよい。図
2Cは、量子井戸領域19を含む活性層13の部分を示す。量
子井戸領域では、量子井戸51は下部クラッド領域31に隣
接して配置され、障壁層55によって量子井戸53から分離
されている。量子井戸57は上部クラッド領域32に隣接し
て配置され、障壁層59によって量子井戸53から切り離さ
れている。図2Cに示した代替例では、拡散増強領域41
は、量子井戸19の中で、量子井戸層51、53、及び59の外
側に位置するデルタドープ領域である。拡散増強領域
は、障壁層59に位置するように示されているが、その代
わりに、障壁層55に配置されてもよい。
構成を示す。拡散増強領域は、量子井戸領域19の障壁層
の１つに配置されたデルタドープ領域であってよい。図
2Cは、量子井戸領域19を含む活性層13の部分を示す。量
子井戸領域では、量子井戸51は下部クラッド領域31に隣
接して配置され、障壁層55によって量子井戸53から分離
されている。量子井戸57は上部クラッド領域32に隣接し
て配置され、障壁層59によって量子井戸53から切り離さ
れている。図2Cに示した代替例では、拡散増強領域41
は、量子井戸19の中で、量子井戸層51、53、及び59の外
側に位置するデルタドープ領域である。拡散増強領域
は、障壁層59に位置するように示されているが、その代
わりに、障壁層55に配置されてもよい。
【００３９】好適な実施例では、拡散増強領域41は、量
子井戸領域と上部鏡面層17の間の活性層13に位置するデ
ルタドープ領域である。しかし、図2Dに示すように、拡
散増強領域は、量子井戸領域と下部鏡面層の間の活性層
13の下部クラッド層31に位置するデルタドープ領域であ
ってよい。再度記述するが、拡散増強領域は、量子井戸
領域から数百オングストローム以内にある時が最も効果
的である。
子井戸領域と上部鏡面層17の間の活性層13に位置するデ
ルタドープ領域である。しかし、図2Dに示すように、拡
散増強領域は、量子井戸領域と下部鏡面層の間の活性層
13の下部クラッド層31に位置するデルタドープ領域であ
ってよい。再度記述するが、拡散増強領域は、量子井戸
領域から数百オングストローム以内にある時が最も効果
的である。
【００４０】上述のデルタドープ領域より厚い層を拡散
増強領域41として代わりに用いることもできる。図2E
は、上部クラッド領域32、活性領域19及び下部クラッド
領域31の一部分がアクセプタ不純物で密にドーピングさ
れて拡散増強領域を形成する場合の活性層13の一部を示
す。拡散増強領域は、上部クラッド領域の全体を通り下
部クラッド領域の途中まで延び、量子井戸領域を囲むよ
うに示されている。あるいは、拡散増強領域は、下部ク
ラッド領域中の途中から上部クラッド領域中の途中まで
延びて、量子井戸領域を包含するようにしてもよい。以
下にさらに詳細に記述するように、図2Eに示すバルクド
ープ拡散増強領域のアクセプタ不純物のシート密度は、
実質的には、図2A-2Cに示すデルタドープ拡散増強領域
におけるそれより低い。
増強領域41として代わりに用いることもできる。図2E
は、上部クラッド領域32、活性領域19及び下部クラッド
領域31の一部分がアクセプタ不純物で密にドーピングさ
れて拡散増強領域を形成する場合の活性層13の一部を示
す。拡散増強領域は、上部クラッド領域の全体を通り下
部クラッド領域の途中まで延び、量子井戸領域を囲むよ
うに示されている。あるいは、拡散増強領域は、下部ク
ラッド領域中の途中から上部クラッド領域中の途中まで
延びて、量子井戸領域を包含するようにしてもよい。以
下にさらに詳細に記述するように、図2Eに示すバルクド
ープ拡散増強領域のアクセプタ不純物のシート密度は、
実質的には、図2A-2Cに示すデルタドープ拡散増強領域
におけるそれより低い。
【００４１】図2Fは、上部クラッド領域32の部分だけを
アクセプタ不純物で密にドーピングして拡散増強領域41
を形成する場合の変形を示す。上部クラッド領域が数百
オングストローム未満の厚さである時には、そこから高
濃度のアクセプタ不純物を堆積材料に添加して上部クラ
ッド領域を形成する。拡散増強領域は、図示したよう
に、上部鏡面層17の所まで延びるか、又は上部鏡面層へ
の途中まで延びてよい。以下に詳細に述べるように、図
2Fにおける拡散増強領域の厚さを図2Eの拡散増強領域の
それに較べて薄くするには、量子井戸領域19に同一の正
孔密度を誘発できるよう前者の不純物密度が後者のそれ
より大きい必要がある。
アクセプタ不純物で密にドーピングして拡散増強領域41
を形成する場合の変形を示す。上部クラッド領域が数百
オングストローム未満の厚さである時には、そこから高
濃度のアクセプタ不純物を堆積材料に添加して上部クラ
ッド領域を形成する。拡散増強領域は、図示したよう
に、上部鏡面層17の所まで延びるか、又は上部鏡面層へ
の途中まで延びてよい。以下に詳細に述べるように、図
2Fにおける拡散増強領域の厚さを図2Eの拡散増強領域の
それに較べて薄くするには、量子井戸領域19に同一の正
孔密度を誘発できるよう前者の不純物密度が後者のそれ
より大きい必要がある。
【００４２】次ぎに、ターンオン・ジッタと空間ホール
バーニングの発生メカニズムを示す、在来型VCSELの動
作についての発明者の解析を図3Aを参照して説明する。
図3Aは、図2Aに示した本発明によるVCSELの好適な実施
例と類似した在来型VCSELの部分200を示す。図3Aに示し
た在来型VCSELは、その活性層に拡散増強領域を欠失し
ていることを除けば、図2Aに示した実施例と同様の構造
を有している。好適な実施例の構成要素に対応する図3A
に示したVCSELのそれらは、図2Aにおけるのと同じ参照
番号を使って表示し、ここでは詳細に説明しない。図2A
に示した代表的な鏡面要素の対は、図面を簡略化するた
め図3Aからは省く。
バーニングの発生メカニズムを示す、在来型VCSELの動
作についての発明者の解析を図3Aを参照して説明する。
図3Aは、図2Aに示した本発明によるVCSELの好適な実施
例と類似した在来型VCSELの部分200を示す。図3Aに示し
た在来型VCSELは、その活性層に拡散増強領域を欠失し
ていることを除けば、図2Aに示した実施例と同様の構造
を有している。好適な実施例の構成要素に対応する図3A
に示したVCSELのそれらは、図2Aにおけるのと同じ参照
番号を使って表示し、ここでは詳細に説明しない。図2A
に示した代表的な鏡面要素の対は、図面を簡略化するた
め図3Aからは省く。
【００４３】矢印43で示したレーザ電流は、上部鏡面層
17の上側表面上に形成された電極から下部鏡面層15が堆
積される基板の底面表面上に形成された電極の方へ流れ
る。それらの電極、基板、及び上部鏡面層の上面は、図
面を簡略化するため図3Aには示さない。上部鏡面層のコ
アゾーン29とそれを取り囲む陽子注入ゾーン27との間に
導電率の差があるため、上部鏡面層中のレーザ電流の流
れは、横方向にはコアゾーンに限定される。
17の上側表面上に形成された電極から下部鏡面層15が堆
積される基板の底面表面上に形成された電極の方へ流れ
る。それらの電極、基板、及び上部鏡面層の上面は、図
面を簡略化するため図3Aには示さない。上部鏡面層のコ
アゾーン29とそれを取り囲む陽子注入ゾーン27との間に
導電率の差があるため、上部鏡面層中のレーザ電流の流
れは、横方向にはコアゾーンに限定される。
【００４４】陽子注入ゾーン27も、上部鏡面層17におけ
るより精度は落ちるが、活性層213の量子井戸領域219中
のレーザ電流の流れ43の横方向の広がりを限定する。陽
子注入で生ずる結晶構造の崩壊のため、陽子注入領域
は、活性層の所まで拡張しないように上部鏡面層に配置
される。キャリアは、陽子注入ゾーンのよって規定され
た限定範囲を越えて陽子注入ゾーンの最深部と活性層間
の領域33で横方向に広がる。
るより精度は落ちるが、活性層213の量子井戸領域219中
のレーザ電流の流れ43の横方向の広がりを限定する。陽
子注入で生ずる結晶構造の崩壊のため、陽子注入領域
は、活性層の所まで拡張しないように上部鏡面層に配置
される。キャリアは、陽子注入ゾーンのよって規定され
た限定範囲を越えて陽子注入ゾーンの最深部と活性層間
の領域33で横方向に広がる。
【００４５】活性層の量子井戸領域219に入るキャリア
は、誘導放出で光を発生する。しかし、誘導放出による
光の発生は、上部鏡面領域17のコアゾーン29の下にある
量子井戸領域219の一部分である、誘導放出ゾーン37に
おいてのみ生ずる。レーザ電流の横方向の広がりとは、
誘導放出ゾーンを取り囲みかつ上部鏡面領域の陽子注入
ゾーン27の下にある蓄積ゾーン(reservoir zone)にキャ
リアのいくつかが入ることを指す。蓄積ゾーンに入るキ
ャリアは、誘導放出によって光を発生しない、何故なら
陽子注入ゾーンの反射率が低いため誘導放出が起こるほ
ど十分な光学利得が得られないからである。蓄積ゾーン
に入るキャリアは、誘導放出によって光を発生すること
で消滅することはない。さらに、在来型VCSEL 200は、
活性層213に拡散増強領域を欠いている故、量子井戸領
域におけるキャリアの拡散速度は比較的低く、かつ蓄積
ゾーンに入るキャリアは、誘導放出ゾーン中へ徐々に拡
散するに過ぎない。結果として、レーザ電流が流れる
と、キャリアが蓄積ゾーンに蓄積することになる。蓄積
ゾーンに蓄積するキャリアの密度は、図3Bに示すよう
に、限界密度を越えるおそれもある。
は、誘導放出で光を発生する。しかし、誘導放出による
光の発生は、上部鏡面領域17のコアゾーン29の下にある
量子井戸領域219の一部分である、誘導放出ゾーン37に
おいてのみ生ずる。レーザ電流の横方向の広がりとは、
誘導放出ゾーンを取り囲みかつ上部鏡面領域の陽子注入
ゾーン27の下にある蓄積ゾーン(reservoir zone)にキャ
リアのいくつかが入ることを指す。蓄積ゾーンに入るキ
ャリアは、誘導放出によって光を発生しない、何故なら
陽子注入ゾーンの反射率が低いため誘導放出が起こるほ
ど十分な光学利得が得られないからである。蓄積ゾーン
に入るキャリアは、誘導放出によって光を発生すること
で消滅することはない。さらに、在来型VCSEL 200は、
活性層213に拡散増強領域を欠いている故、量子井戸領
域におけるキャリアの拡散速度は比較的低く、かつ蓄積
ゾーンに入るキャリアは、誘導放出ゾーン中へ徐々に拡
散するに過ぎない。結果として、レーザ電流が流れる
と、キャリアが蓄積ゾーンに蓄積することになる。蓄積
ゾーンに蓄積するキャリアの密度は、図3Bに示すよう
に、限界密度を越えるおそれもある。
【００４６】蓄積ゾーン35に蓄積するキャリアの在来型
VCSEL 200のターンオン遅延に及ぼす影響についての発
明者の解析を次に述べる。単一モード陽子注入VCSELの
ターンオン過程は、最も標準的なキャリアと陽子のレー
ト方程式に類似した一組の単一モードレート方程式を使
って想定してよい。L.A.ColdrenとS.W.Corzineは、DIOD
E LASERS AND PHOTONIC INTEGRATED CIRCUITS, Wiley I
nterscience, New York (1995)の第5章に前述の方程式
を記述している。しかし、発明者は、誘導放出ゾーン37
を囲む蓄積ゾーン35におけるキャリアの効果を考慮に入
れるべく２つのキャリア成分を含むようにその方程式を
修正した。第一の成分は、キャリアの密度が限界密度に
近づくと誘導放出によって光を発生する誘導放出ゾーン
のキャリアを表す。第一成分は、標準のレート方程式で
記述される。第二成分は、誘導放出ゾーンを囲む蓄積ゾ
ーンにあるキャリアを表す。上述のように、キャリア
は、陽子注入領域27によるレーザ電流43の横方向の限定
の不完全さに起因するレーザ電流の横方向への拡張によ
り、蓄積ゾーンに入る。蓄積ゾーンに入るキャリアは、
誘導光子放出に荷担できず、かつ、それらの低拡散速度
のため、蓄積ゾーンから外へ徐々に拡散するだけであ
る。それ故、それらは蓄積ゾーンに蓄積することにな
る。そのレート方程式を次に示す、 ｄＮ1／ｄｔ＝（１―α）ηI／ｑＶ1―（Ｒsp1＋
Ｒnr1）−ｖgｇＮp―（Ｎ1−Ｎ2）／τd ｄＮp／ｄｔ＝（Γｖgｇ―１／τp）Ｎp＋ΓＲsp ｄＮ2／ｄｔ＝αηI／ｑＶ2―（Ｒsp2＋Ｒnr2）＋Ｖ
1（Ｎ1−Ｎ2）／ Ｖ2τd ここで、Ｎ1とＮ2は、それぞれ、誘導放出ゾーンと蓄積
ゾーンにおけるキャリア密度、Ｖ1とＶ2は、それぞれ、
誘導放出ゾーンと蓄積ゾーンの容積、Ｉは、レーザ電
流、αは、蓄積ゾーンへ入るレーザ電流Ｉの割合であり αは、次式によってＶ1とＶ2と関係付けられる、 Ｖ2 =α Ｖ1／（１―α） Ｎpは、平均光子密度、τpは、光子の寿命、ｇは、材料
利得、Ｖgは、群速度、Γは、定在波強調（standing wa
ve enhancement）を含む三次元限定因子、ηは、（誘導
放出ゾーンと蓄積ゾーンの両方で等しいと仮定した）垂
直注入効率、Ｒspは、自然放出レート、Ｒnrは、Auger
再結合を含む非発光再結合であり、かつレーザ放射モー
ドへの自然放出レート、τdは、拡散時間である。
VCSEL 200のターンオン遅延に及ぼす影響についての発
明者の解析を次に述べる。単一モード陽子注入VCSELの
ターンオン過程は、最も標準的なキャリアと陽子のレー
ト方程式に類似した一組の単一モードレート方程式を使
って想定してよい。L.A.ColdrenとS.W.Corzineは、DIOD
E LASERS AND PHOTONIC INTEGRATED CIRCUITS, Wiley I
nterscience, New York (1995)の第5章に前述の方程式
を記述している。しかし、発明者は、誘導放出ゾーン37
を囲む蓄積ゾーン35におけるキャリアの効果を考慮に入
れるべく２つのキャリア成分を含むようにその方程式を
修正した。第一の成分は、キャリアの密度が限界密度に
近づくと誘導放出によって光を発生する誘導放出ゾーン
のキャリアを表す。第一成分は、標準のレート方程式で
記述される。第二成分は、誘導放出ゾーンを囲む蓄積ゾ
ーンにあるキャリアを表す。上述のように、キャリア
は、陽子注入領域27によるレーザ電流43の横方向の限定
の不完全さに起因するレーザ電流の横方向への拡張によ
り、蓄積ゾーンに入る。蓄積ゾーンに入るキャリアは、
誘導光子放出に荷担できず、かつ、それらの低拡散速度
のため、蓄積ゾーンから外へ徐々に拡散するだけであ
る。それ故、それらは蓄積ゾーンに蓄積することにな
る。そのレート方程式を次に示す、 ｄＮ1／ｄｔ＝（１―α）ηI／ｑＶ1―（Ｒsp1＋
Ｒnr1）−ｖgｇＮp―（Ｎ1−Ｎ2）／τd ｄＮp／ｄｔ＝（Γｖgｇ―１／τp）Ｎp＋ΓＲsp ｄＮ2／ｄｔ＝αηI／ｑＶ2―（Ｒsp2＋Ｒnr2）＋Ｖ
1（Ｎ1−Ｎ2）／ Ｖ2τd ここで、Ｎ1とＮ2は、それぞれ、誘導放出ゾーンと蓄積
ゾーンにおけるキャリア密度、Ｖ1とＶ2は、それぞれ、
誘導放出ゾーンと蓄積ゾーンの容積、Ｉは、レーザ電
流、αは、蓄積ゾーンへ入るレーザ電流Ｉの割合であり αは、次式によってＶ1とＶ2と関係付けられる、 Ｖ2 =α Ｖ1／（１―α） Ｎpは、平均光子密度、τpは、光子の寿命、ｇは、材料
利得、Ｖgは、群速度、Γは、定在波強調（standing wa
ve enhancement）を含む三次元限定因子、ηは、（誘導
放出ゾーンと蓄積ゾーンの両方で等しいと仮定した）垂
直注入効率、Ｒspは、自然放出レート、Ｒnrは、Auger
再結合を含む非発光再結合であり、かつレーザ放射モー
ドへの自然放出レート、τdは、拡散時間である。
【００４７】誘導放出ゾーンと蓄積ゾーンの間の結合項
は、拡散時間、τｄを含む。この項は、１つのゾーンか
ら他へのキャリアの拡散速度を特性付けるものである。
拡散時間は、 τd= Ｌ2／２Ｄnp で表してよく、ここで、Ｄnpは、電子と正孔の両方の拡
散を表す両極性拡散定数であり、Ｌは、２ゾーン間の特
性拡散長である。
は、拡散時間、τｄを含む。この項は、１つのゾーンか
ら他へのキャリアの拡散速度を特性付けるものである。
拡散時間は、 τd= Ｌ2／２Ｄnp で表してよく、ここで、Ｄnpは、電子と正孔の両方の拡
散を表す両極性拡散定数であり、Ｌは、２ゾーン間の特
性拡散長である。
【００４８】拡散時間の正確な計算には、キャリア及び
光子密度の両方の空間依存性を含まなければならないで
あろう。しかし、この解析では、上に説明したように計
算した拡散時間は、蓄積ゾーンと誘導放出ゾーンの間の
キャリアの拡散効果を予測するのに十分使えるだけの精
度がある。典型的拡散長として5μmを、典型的両極性拡
散定数として10cm2s-1を選ぶことにより、典型的拡散時
間τｄとして10 nsのオーダーが与えられる。
光子密度の両方の空間依存性を含まなければならないで
あろう。しかし、この解析では、上に説明したように計
算した拡散時間は、蓄積ゾーンと誘導放出ゾーンの間の
キャリアの拡散効果を予測するのに十分使えるだけの精
度がある。典型的拡散長として5μmを、典型的両極性拡
散定数として10cm2s-1を選ぶことにより、典型的拡散時
間τｄとして10 nsのオーダーが与えられる。
【００４９】図4は、上述の発明者のモデルから得たも
ので、ジッタの広がりに及ぼすキャリアの拡散時間定数
の効果を示す。ジッタの広がりは、図1AのカーブA及びB
の条件下で得られた最大及び最小ターンオン時間の間の
変動分である。ジッタの広がりは、レーザ電流からのキ
ャリアが誘導放出ゾーン37の外部の蓄積ゾーン35に蓄積
するために生ずる。蓄積ゾーンにおけるキャリアの累積
は、レーザ電流がスイッチオフされた後の、誘導放出ゾ
ーン中へ拡散するキャリアの一時的供給源として作用す
る。誘導放出ゾーン中へ拡散するキャリアによって、誘
導放出ゾーン中のキャリア密度がゼロまで急激に降下す
るのが防止される。それどころか、拡散キャリアは、レ
ーザ電流がスイッチオフされた後短時間の間、誘導放出
ゾーンのキャリア密度を維持するのである。結果とし
て、レーザ電流が短時間スイッチオフされると、図1Aの
カーブBにおけるように、誘導放出ゾーンにおけるキャ
リア密度は、キャリアの拡散が無かった場合に得られる
値より高くなる。これは、キャリア密度を限界水準まで
回復させるのに比較的少ないキャリアがレーザ電流によ
って誘導放出ゾーンに注入されればよいので、通常より
短いターンオン時間になる。
ので、ジッタの広がりに及ぼすキャリアの拡散時間定数
の効果を示す。ジッタの広がりは、図1AのカーブA及びB
の条件下で得られた最大及び最小ターンオン時間の間の
変動分である。ジッタの広がりは、レーザ電流からのキ
ャリアが誘導放出ゾーン37の外部の蓄積ゾーン35に蓄積
するために生ずる。蓄積ゾーンにおけるキャリアの累積
は、レーザ電流がスイッチオフされた後の、誘導放出ゾ
ーン中へ拡散するキャリアの一時的供給源として作用す
る。誘導放出ゾーン中へ拡散するキャリアによって、誘
導放出ゾーン中のキャリア密度がゼロまで急激に降下す
るのが防止される。それどころか、拡散キャリアは、レ
ーザ電流がスイッチオフされた後短時間の間、誘導放出
ゾーンのキャリア密度を維持するのである。結果とし
て、レーザ電流が短時間スイッチオフされると、図1Aの
カーブBにおけるように、誘導放出ゾーンにおけるキャ
リア密度は、キャリアの拡散が無かった場合に得られる
値より高くなる。これは、キャリア密度を限界水準まで
回復させるのに比較的少ないキャリアがレーザ電流によ
って誘導放出ゾーンに注入されればよいので、通常より
短いターンオン時間になる。
【００５０】他方、レーザ電流が、図1Aにおけるように
連続する長い0値が1に先行する時のような、比較的長い
時間スイッチオフされると、キャリアが蓄積ゾーンから
誘導放出ゾーンへ拡散し、その後誘導放出ゾーンにおけ
るキャリアの密度が低い値になるのに十分な時間が経過
する。レーザ電流が再度スイッチオンされる時、キャリ
ア密度をこの低水準から限界水準まで持ち上げるのに十
分なキャリアがレーザ電流によって誘導放出ゾーンに注
入されなければならない。これには、誘導放出ゾーンの
キャリア密度が蓄積ゾーンから拡散するキャリアによっ
て維持される時より長い時間を要する。このように、タ
ーンオン遅延は、レーザ電流のオフ時間により変化す
る。最大のターンオン時間は、ターンオンの前に長いオ
フ時間、即ち、5ビットの時間に対応するオフ時間があ
る時に得られる。最小のターンオン時間は、ターンオン
の前に短いオフ時間、即ち、1ビットの時間に対応する
オフ時間がある時に得られる。
連続する長い0値が1に先行する時のような、比較的長い
時間スイッチオフされると、キャリアが蓄積ゾーンから
誘導放出ゾーンへ拡散し、その後誘導放出ゾーンにおけ
るキャリアの密度が低い値になるのに十分な時間が経過
する。レーザ電流が再度スイッチオンされる時、キャリ
ア密度をこの低水準から限界水準まで持ち上げるのに十
分なキャリアがレーザ電流によって誘導放出ゾーンに注
入されなければならない。これには、誘導放出ゾーンの
キャリア密度が蓄積ゾーンから拡散するキャリアによっ
て維持される時より長い時間を要する。このように、タ
ーンオン遅延は、レーザ電流のオフ時間により変化す
る。最大のターンオン時間は、ターンオンの前に長いオ
フ時間、即ち、5ビットの時間に対応するオフ時間があ
る時に得られる。最小のターンオン時間は、ターンオン
の前に短いオフ時間、即ち、1ビットの時間に対応する
オフ時間がある時に得られる。
【００５１】図4において、各カーブは、蓄積ゾーンと
誘導放出ゾーン間の拡散時間τｄに応じてジッタの広が
りがどのように変化するかを示すものである。３つのカ
ーブを示す。各カーブは蓄積ゾーンに入るレーザ電流の
様々な割合についてプロットされている。図4はレーザ
電流の大部分が蓄積ゾーンに入る時にジッタの広がりが
増大すること、及びビットレートに関して一定の範囲に
ある拡散時間ではジッタの広がりが2倍以上に大きくな
ることを示している。
誘導放出ゾーン間の拡散時間τｄに応じてジッタの広が
りがどのように変化するかを示すものである。３つのカ
ーブを示す。各カーブは蓄積ゾーンに入るレーザ電流の
様々な割合についてプロットされている。図4はレーザ
電流の大部分が蓄積ゾーンに入る時にジッタの広がりが
増大すること、及びビットレートに関して一定の範囲に
ある拡散時間ではジッタの広がりが2倍以上に大きくな
ることを示している。
【００５２】図4はまた、拡散時間τｄが非常に小さい
か又は非常に大きい時に、ジッタの広がりは、キャリア
の溜めからのキャリアの拡散が無い場合に対応する値ま
で減少する、ということも示している。拡散時間が非常
に小さい時、キャリアは、蓄積ゾーンから誘導放出ゾー
ンへ速やかに拡散し、そして２つのゾーンにおけるキャ
リア密度が速やかに平衡状態に達する。このように、拡
散時間を極めて小さい値まで減らせば、蓄積ゾーンに蓄
積するキャリアで引き起こされるジッタの広がりが実質
的に低減される。他方、極めて大きい拡散時間では、キ
ャリアは２つのゾーン間で非常に緩慢に拡散するように
なり、その結果、蓄積ゾーンは、レーザ電流がターンオ
フされた後、誘導放出ゾーンのキャリア密度を十分維持
できるほど速やかに誘導放出ゾーンへキャリアを供給で
きなくなる。それ故、拡散時間τｄが非常に小さいか又
は非常に大きいかの何れかである時は、蓄積ゾーンから
のキャリアの拡散は、顕著なジッタの広がりの原因には
ならない。拡散時間がキャリアの寿命にほぼ近い時に最
大のジッタの広がりが生ずる。
か又は非常に大きい時に、ジッタの広がりは、キャリア
の溜めからのキャリアの拡散が無い場合に対応する値ま
で減少する、ということも示している。拡散時間が非常
に小さい時、キャリアは、蓄積ゾーンから誘導放出ゾー
ンへ速やかに拡散し、そして２つのゾーンにおけるキャ
リア密度が速やかに平衡状態に達する。このように、拡
散時間を極めて小さい値まで減らせば、蓄積ゾーンに蓄
積するキャリアで引き起こされるジッタの広がりが実質
的に低減される。他方、極めて大きい拡散時間では、キ
ャリアは２つのゾーン間で非常に緩慢に拡散するように
なり、その結果、蓄積ゾーンは、レーザ電流がターンオ
フされた後、誘導放出ゾーンのキャリア密度を十分維持
できるほど速やかに誘導放出ゾーンへキャリアを供給で
きなくなる。それ故、拡散時間τｄが非常に小さいか又
は非常に大きいかの何れかである時は、蓄積ゾーンから
のキャリアの拡散は、顕著なジッタの広がりの原因には
ならない。拡散時間がキャリアの寿命にほぼ近い時に最
大のジッタの広がりが生ずる。
【００５３】上述のように、蓄積ゾーンと誘導放出ゾー
ン間の拡散時間τdは、次式 τd= Ｌ2／２Ｄnp によって、両極性拡散定数Ｄnp及び蓄積ゾーンと誘導放
出ゾーン間の特性拡散長Lに関連する。両極性拡散定数
Ｄnpは、次式、 Ｄnp = （Ｎ＋Ｐ）／（Ｎ／Ｄp＋Ｐ／Ｄn） によって、電子密度Ｎ、電子拡散定数Ｄn、正孔密度Ｐ
及び正孔拡散定数Ｄpに関連する。
ン間の拡散時間τdは、次式 τd= Ｌ2／２Ｄnp によって、両極性拡散定数Ｄnp及び蓄積ゾーンと誘導放
出ゾーン間の特性拡散長Lに関連する。両極性拡散定数
Ｄnpは、次式、 Ｄnp = （Ｎ＋Ｐ）／（Ｎ／Ｄp＋Ｐ／Ｄn） によって、電子密度Ｎ、電子拡散定数Ｄn、正孔密度Ｐ
及び正孔拡散定数Ｄpに関連する。
【００５４】図3Aに示す在来型のVCSELは、拡散増強領
域を欠いている。従って、量子井戸領域219における電
子密度は正孔密度に等しい、即ち、Ｐ＝Ｎ、それ故、両
極性拡散定数は、 Ｄnp = ２ＤnＤp／（Ｄn＋Ｄp ） となる。電子拡散定数Ｄnと正孔拡散定数Ｄpは、それぞ
れ、電子移動度μnと正孔移動度μpに比例すると、即ち Ｄn／Ｄp=μn／μp と仮定することができる。典型的量子井戸領域の材料に
関して、電子移動度μｎは、正孔移動度μｐの10-50倍
の範囲にある。結果として、 Ｄn＞＞Ｄp 、及び Ｄnp≒ ２Ｄp（在来型VCSELの場合）となる。このよう
に、在来型VCSEL量子井戸領域219においては、両極性拡
散定数は、正孔拡散定数のそれの約２倍であり、かつ電
子拡散定数の1/5〜1/25の範囲にある。
域を欠いている。従って、量子井戸領域219における電
子密度は正孔密度に等しい、即ち、Ｐ＝Ｎ、それ故、両
極性拡散定数は、 Ｄnp = ２ＤnＤp／（Ｄn＋Ｄp ） となる。電子拡散定数Ｄnと正孔拡散定数Ｄpは、それぞ
れ、電子移動度μnと正孔移動度μpに比例すると、即ち Ｄn／Ｄp=μn／μp と仮定することができる。典型的量子井戸領域の材料に
関して、電子移動度μｎは、正孔移動度μｐの10-50倍
の範囲にある。結果として、 Ｄn＞＞Ｄp 、及び Ｄnp≒ ２Ｄp（在来型VCSELの場合）となる。このよう
に、在来型VCSEL量子井戸領域219においては、両極性拡
散定数は、正孔拡散定数のそれの約２倍であり、かつ電
子拡散定数の1/5〜1/25の範囲にある。
【００５５】これより、図5Aと5Bを参照し、本発明によ
るVCSELの好適な実施例11を例として使って、本発明に
よるVCSELにおいてジッタの広がりと空間ホールバーニ
ングを低減する際の拡散増強領域の作用を説明する。図
5Aは、本発明によるVCSELの好適な実施例を例証例とし
て示すものである。本発明によるVCSEL 11では、拡散増
強領域は、拡散時間τｄを縮めることによってジッタの
広がりを減じかつ空間ホールバーニングを抑えている。
るVCSELの好適な実施例11を例として使って、本発明に
よるVCSELにおいてジッタの広がりと空間ホールバーニ
ングを低減する際の拡散増強領域の作用を説明する。図
5Aは、本発明によるVCSELの好適な実施例を例証例とし
て示すものである。本発明によるVCSEL 11では、拡散増
強領域は、拡散時間τｄを縮めることによってジッタの
広がりを減じかつ空間ホールバーニングを抑えている。
【００５６】VCSEL 11の上部鏡面層17中のレーザ電流の
流れを矢印43で表す。レーザ電流の流れは、図3Aに示し
た在来型VCSELにおけるそれと類似している。上部鏡面
層のコアゾーン29とそれを取り囲む陽子注入ゾーン27と
の間に導電率の差があるため、上部鏡面層中のレーザ電
流の流れは、横方向にコアゾーンまでに限定される。陽
子注入ゾーン27も、上部鏡面層17におけるより精度は落
ちるが、活性層13の量子井戸領域19中のレーザ電流の流
れ43の横方向の広がりを限定する。従って、ある割合の
レーザ電流が、誘導放出ゾーン37を取り囲む蓄積ゾーン
35の量子井戸領域に入る。蓄積ゾーンに入るキャリア
は、光発生に荷担することによって減らされることはな
い。
流れを矢印43で表す。レーザ電流の流れは、図3Aに示し
た在来型VCSELにおけるそれと類似している。上部鏡面
層のコアゾーン29とそれを取り囲む陽子注入ゾーン27と
の間に導電率の差があるため、上部鏡面層中のレーザ電
流の流れは、横方向にコアゾーンまでに限定される。陽
子注入ゾーン27も、上部鏡面層17におけるより精度は落
ちるが、活性層13の量子井戸領域19中のレーザ電流の流
れ43の横方向の広がりを限定する。従って、ある割合の
レーザ電流が、誘導放出ゾーン37を取り囲む蓄積ゾーン
35の量子井戸領域に入る。蓄積ゾーンに入るキャリア
は、光発生に荷担することによって減らされることはな
い。
【００５７】本発明によるVCSELは、活性層13に拡散増
強領域41を包含する。拡散増強領域は、アクセプタ不純
物で密にドーピングされる。拡散増強領域における高濃
度のアクセプタ不純物は、量子井戸領域に高密度の正孔
を誘発する。結果として、量子井戸領域における正孔の
密度は、電子の密度よりはるかに大きくなる、即ち、Ｐ
＞＞Ｎ。正孔の密度が電子の密度よりはるかに大きくな
ると、量子井戸領域の両極性拡散定数は、 Ｄnp≒ Ｄn となる。このように、本発明によるVCSELでは、電子密
度に比して量子井戸領域における正孔の密度がはるかに
大きいので、量子井戸領域の両極性拡散定数Dｎｐが電
子拡散定数Dｎとほぼ同じ値になる。換言すれば、拡散
増強領域は、在来型のVCSELに較べ拡散時間τｄを5〜25
倍短縮する。そのジッタの広がりが最大値に近いVCSEL
では、拡散時間が5〜25倍短縮されると、ジッタの広が
りが顕著に低減されるに至る、ということを図4は示し
ている。このため、次には、レーザ電流が変調される周
波数を高くでき、又は変調周波数を変更しない場合には
比較的単純な検出回路の使用が可能となる。
強領域41を包含する。拡散増強領域は、アクセプタ不純
物で密にドーピングされる。拡散増強領域における高濃
度のアクセプタ不純物は、量子井戸領域に高密度の正孔
を誘発する。結果として、量子井戸領域における正孔の
密度は、電子の密度よりはるかに大きくなる、即ち、Ｐ
＞＞Ｎ。正孔の密度が電子の密度よりはるかに大きくな
ると、量子井戸領域の両極性拡散定数は、 Ｄnp≒ Ｄn となる。このように、本発明によるVCSELでは、電子密
度に比して量子井戸領域における正孔の密度がはるかに
大きいので、量子井戸領域の両極性拡散定数Dｎｐが電
子拡散定数Dｎとほぼ同じ値になる。換言すれば、拡散
増強領域は、在来型のVCSELに較べ拡散時間τｄを5〜25
倍短縮する。そのジッタの広がりが最大値に近いVCSEL
では、拡散時間が5〜25倍短縮されると、ジッタの広が
りが顕著に低減されるに至る、ということを図4は示し
ている。このため、次には、レーザ電流が変調される周
波数を高くでき、又は変調周波数を変更しない場合には
比較的単純な検出回路の使用が可能となる。
【００５８】拡散増強領域41による拡散時間τｄの短縮
により、キャリアは、量子井戸領域19の蓄積ゾーン35か
ら誘導放出ゾーン37まで在来型のVCSELにおけるより速
く拡散できるようになる。キャリアは、図5Aの矢印47で
示されたように、蓄積ゾーンから誘導放出ゾーン中に拡
散できるので、蓄積ゾーンに溜まっているキャリアの密
度は減少する。その結果得られるキャリア密度の分布を
図5Bに示す。
により、キャリアは、量子井戸領域19の蓄積ゾーン35か
ら誘導放出ゾーン37まで在来型のVCSELにおけるより速
く拡散できるようになる。キャリアは、図5Aの矢印47で
示されたように、蓄積ゾーンから誘導放出ゾーン中に拡
散できるので、蓄積ゾーンに溜まっているキャリアの密
度は減少する。その結果得られるキャリア密度の分布を
図5Bに示す。
【００５９】拡散時間の短縮は、レーザ電流がスイッチ
オンされている間の蓄積ゾーン35に溜まっているキャリ
アの最大密度を下げるのみならず、レーザ電流がスイッ
チオフされる時に蓄積ゾーンに残存しているキャリアが
誘導放出ゾーン37中に拡散しそして誘導放出に加わるの
に要する時間を短縮する。従って、誘導放出ゾーンにお
けるキャリアの密度は、レーザ電流がスイッチオフされ
た後、在来型のVCSELにおけるより速く低い値に降下す
る。それ故、レーザ電流が再度スイッチオンされると、
レーザ電流はキャリア密度をこの低値から常に引き上げ
なければならない。ターンオン時間のオフ時間への依存
性は、それ故、軽減されるのである。
オンされている間の蓄積ゾーン35に溜まっているキャリ
アの最大密度を下げるのみならず、レーザ電流がスイッ
チオフされる時に蓄積ゾーンに残存しているキャリアが
誘導放出ゾーン37中に拡散しそして誘導放出に加わるの
に要する時間を短縮する。従って、誘導放出ゾーンにお
けるキャリアの密度は、レーザ電流がスイッチオフされ
た後、在来型のVCSELにおけるより速く低い値に降下す
る。それ故、レーザ電流が再度スイッチオンされると、
レーザ電流はキャリア密度をこの低値から常に引き上げ
なければならない。ターンオン時間のオフ時間への依存
性は、それ故、軽減されるのである。
【００６０】ジッタの広がりを低下させるのに加えて、
本発明によるVCSELの拡散増強領域41によって量子井戸
領域19においてもたらされたキャリアの拡散速度の増大
は、VCSELが発生する単一光線の最大強度も高める。上
述のように、低いレーザ電流では、誘導放出は、誘導放
出ゾーン37全域で起こり、その最高強度はゾーン中央部
で生ずる。誘導放出は、誘導放出ゾーンのキャリア密度
を光の強度に比例して低下させる。結果として、キャリ
ア密度の欠失は、誘導放出ゾーンの中央部で最大とな
る。在来型VCSELの誘導放出ゾーンの中央部におけるキ
ャリア密度の欠失は、図3Bの破線61で表す。レーザ電流
が増加するにつれて、誘導放出ゾーンの中央部における
キャリア密度が、発光をしない臨界であるスレッショル
ド値以下に十分に低下する時に、空間ホールバーニング
が起こる。
本発明によるVCSELの拡散増強領域41によって量子井戸
領域19においてもたらされたキャリアの拡散速度の増大
は、VCSELが発生する単一光線の最大強度も高める。上
述のように、低いレーザ電流では、誘導放出は、誘導放
出ゾーン37全域で起こり、その最高強度はゾーン中央部
で生ずる。誘導放出は、誘導放出ゾーンのキャリア密度
を光の強度に比例して低下させる。結果として、キャリ
ア密度の欠失は、誘導放出ゾーンの中央部で最大とな
る。在来型VCSELの誘導放出ゾーンの中央部におけるキ
ャリア密度の欠失は、図3Bの破線61で表す。レーザ電流
が増加するにつれて、誘導放出ゾーンの中央部における
キャリア密度が、発光をしない臨界であるスレッショル
ド値以下に十分に低下する時に、空間ホールバーニング
が起こる。
【００６１】本発明によるVCSEL 11の活性層13の拡散増
強領域41によって、キャリアが活性層で横方向に拡散す
る速度が高められる。拡散増強領域が上述の蓄積ゾーン
35と誘導放出ゾーン37間のキャリアの拡散をスピードア
ップする情況と同じように、拡散増強領域により量子井
戸領域に誘発されるキャリア拡散の高速化によって、キ
ャリアは、光発生でキャリア密度が減じる時、誘導放出
ゾーン中央部に拡散することが可能となる。このため、
誘導放出ゾーン中央部におけるキャリア密度は、光発生
が起こらない臨界密度より下に落ちることはない。従っ
て、誘導放出による光発生によって、誘導放出ゾーン中
央部のキャリア密度が減じると、キャリアは速やかに空
乏ゾーン内部に拡散でき、ここでそれらは誘導放出によ
る単一光線発生に荷担する。広面積の活性層からのキャ
リアが単一光線発生に荷担するので、その結果として、
本発明によるVCSELの最大単一モード光出力は、拡散増
強領域を欠いている在来型VCSELにおけるより大きくな
るのである。
強領域41によって、キャリアが活性層で横方向に拡散す
る速度が高められる。拡散増強領域が上述の蓄積ゾーン
35と誘導放出ゾーン37間のキャリアの拡散をスピードア
ップする情況と同じように、拡散増強領域により量子井
戸領域に誘発されるキャリア拡散の高速化によって、キ
ャリアは、光発生でキャリア密度が減じる時、誘導放出
ゾーン中央部に拡散することが可能となる。このため、
誘導放出ゾーン中央部におけるキャリア密度は、光発生
が起こらない臨界密度より下に落ちることはない。従っ
て、誘導放出による光発生によって、誘導放出ゾーン中
央部のキャリア密度が減じると、キャリアは速やかに空
乏ゾーン内部に拡散でき、ここでそれらは誘導放出によ
る単一光線発生に荷担する。広面積の活性層からのキャ
リアが単一光線発生に荷担するので、その結果として、
本発明によるVCSELの最大単一モード光出力は、拡散増
強領域を欠いている在来型VCSELにおけるより大きくな
るのである。
【００６２】さらに、発明者が本発明のVCSELから予測
していることは、大面積のVCSELでは、誘導放出ゾーン3
7においてより均一なキャリア分布を得ることに対する
拡散増強領域41の効果がより均一なモード分布を生ずる
であろうということ、及び該モードは、レーザ電流を増
加するにつれてそれほど突発的には変化しないであろう
ということである。モードのより均一な分布は、在来型
VCSELの強度／レーザ電流特性におけるより途切れの少
ない、より平滑な光強度／レーザ電流特性を生ずる。
していることは、大面積のVCSELでは、誘導放出ゾーン3
7においてより均一なキャリア分布を得ることに対する
拡散増強領域41の効果がより均一なモード分布を生ずる
であろうということ、及び該モードは、レーザ電流を増
加するにつれてそれほど突発的には変化しないであろう
ということである。モードのより均一な分布は、在来型
VCSELの強度／レーザ電流特性におけるより途切れの少
ない、より平滑な光強度／レーザ電流特性を生ずる。
【００６３】また、発明者は本発明のVCSELから、拡散
増強領域41は量子井戸領域19の微分利得を著しく増加さ
せるであろう、ということも予測している。微分利得
は、キャリア密度に関する利得の変分である。高い微分
利得は、在来型VCSELに較べ本発明によるVCSELの緩和共
振周波数を高めて、本発明によるVCSELをより高い変調
速度で作動できるようにする。
増強領域41は量子井戸領域19の微分利得を著しく増加さ
せるであろう、ということも予測している。微分利得
は、キャリア密度に関する利得の変分である。高い微分
利得は、在来型VCSELに較べ本発明によるVCSELの緩和共
振周波数を高めて、本発明によるVCSELをより高い変調
速度で作動できるようにする。
【００６４】最後に、本発明によるVCSELの拡散増強領
域41におけるドーピングレベルを決定するプロセスを記
述する。在来型VCSELの量子井戸領域における電子密度
と正孔密度は、各々、臨界レーザ電流値において約4 x
1018cm-3である。それ故、電子密度と正孔密度の積 PN
は、約1.6 x 1037cm-6となる。本発明によるVCSELで
は、拡散増強領域41は、量子井戸領域19において誘発さ
れる正孔密度P'が電子密度N'より約１桁（約10倍）大き
くなるように、アクセプタ不純物で密にドーピングしな
ければならない。この不均衡は、両極性拡散定数の有効
増をもたらすためには拡散増強領域にとって必要とされ
るものである。また、本発明によるVCSELが在来型VCSEL
とほぼ同じ利得を有するためには、拡散増強領域は、量
子井戸領域の電子密度と正孔密度の積 P'N'が在来型VCS
ELのPNの値とほぼ同等となるようにドーピングされなけ
ればならない。これらの要件は、例えば、量子井戸領域
における正孔密度P'を電子密度N'の約10倍、即ち、 P' = 10N' にすることによって、満足し得る。また、 P'N' = 1.6 x 1037 N'に代入して P' = 1.26 x 1019 を得る。故に、量子井戸領域における対応電子密度N'
は、 N' = (1.6 x 1037)／(1.26 x 1019) = 1.26 x 1018cm-3 となる。
域41におけるドーピングレベルを決定するプロセスを記
述する。在来型VCSELの量子井戸領域における電子密度
と正孔密度は、各々、臨界レーザ電流値において約4 x
1018cm-3である。それ故、電子密度と正孔密度の積 PN
は、約1.6 x 1037cm-6となる。本発明によるVCSELで
は、拡散増強領域41は、量子井戸領域19において誘発さ
れる正孔密度P'が電子密度N'より約１桁（約10倍）大き
くなるように、アクセプタ不純物で密にドーピングしな
ければならない。この不均衡は、両極性拡散定数の有効
増をもたらすためには拡散増強領域にとって必要とされ
るものである。また、本発明によるVCSELが在来型VCSEL
とほぼ同じ利得を有するためには、拡散増強領域は、量
子井戸領域の電子密度と正孔密度の積 P'N'が在来型VCS
ELのPNの値とほぼ同等となるようにドーピングされなけ
ればならない。これらの要件は、例えば、量子井戸領域
における正孔密度P'を電子密度N'の約10倍、即ち、 P' = 10N' にすることによって、満足し得る。また、 P'N' = 1.6 x 1037 N'に代入して P' = 1.26 x 1019 を得る。故に、量子井戸領域における対応電子密度N'
は、 N' = (1.6 x 1037)／(1.26 x 1019) = 1.26 x 1018cm-3 となる。
【００６５】量子井戸領域19における正孔密度P'と電子
密度N'に対するこの値の選択で、正孔密度P'が電子密度
N'の10倍に設定される。キャリア密度におけるこの不均
衡の次数は、両極性拡散定数Dｎｐを電子拡散定数Dｎに
実質的に等しい値まで大きくするのには十分であり、そ
の結果、特性拡散時間τｄは、電子拡散定数と正孔拡散
定数の比の半分の率まで、即ち、5〜25倍の範囲で、縮
められることになる。この範囲の大きさまで拡散時間を
減じれば、ジッタの広がりの実質的低減がもたらされる
ことは、図4から分かることである。
密度N'に対するこの値の選択で、正孔密度P'が電子密度
N'の10倍に設定される。キャリア密度におけるこの不均
衡の次数は、両極性拡散定数Dｎｐを電子拡散定数Dｎに
実質的に等しい値まで大きくするのには十分であり、そ
の結果、特性拡散時間τｄは、電子拡散定数と正孔拡散
定数の比の半分の率まで、即ち、5〜25倍の範囲で、縮
められることになる。この範囲の大きさまで拡散時間を
減じれば、ジッタの広がりの実質的低減がもたらされる
ことは、図4から分かることである。
【００６６】拡散増強領域41は、量子井戸領域19におい
て、拡散増強領域41の正孔のシート密度Pdope,sheetに
実質的に等しい正孔のシート密度PQW,sheetを誘発す
る。従って、拡散増強領域は、量子井戸領域において誘
発される正孔のシート密度が正孔の所望バルク密度P'に
対応するようなシート密度にアクセプタ不純物でドーピ
ングされなければならない。量子井戸領域におけるシー
ト密度PQW,sheetは、量子井戸領域における正孔の所望
バルク密度P'と、量子井戸領域における量子井戸の全厚
tQWとの積に等しい、即ち、 PQW,sheet = P' tQW
て、拡散増強領域41の正孔のシート密度Pdope,sheetに
実質的に等しい正孔のシート密度PQW,sheetを誘発す
る。従って、拡散増強領域は、量子井戸領域において誘
発される正孔のシート密度が正孔の所望バルク密度P'に
対応するようなシート密度にアクセプタ不純物でドーピ
ングされなければならない。量子井戸領域におけるシー
ト密度PQW,sheetは、量子井戸領域における正孔の所望
バルク密度P'と、量子井戸領域における量子井戸の全厚
tQWとの積に等しい、即ち、 PQW,sheet = P' tQW
【００６７】上述のように、P'の値を1.26 x 1018に設
定し、全厚tQWが250Åの量子井戸領域において３つの80
Å厚の量子井戸を用いる場合、量子井戸領域において誘
発されなければならないシート密度PQW,sheetは、約、 PQW,sheet = 1.26 x 1018x 2.4 x 10-6 ≒ 3 x 1013cm-2 となる。
定し、全厚tQWが250Åの量子井戸領域において３つの80
Å厚の量子井戸を用いる場合、量子井戸領域において誘
発されなければならないシート密度PQW,sheetは、約、 PQW,sheet = 1.26 x 1018x 2.4 x 10-6 ≒ 3 x 1013cm-2 となる。
【００６８】デルタドープ領域は、それらのシートドー
ピング密度で特色付けれれる。それ故、図2Aと2Cに示し
たような、デルタドープ拡散増強領域41を有する実施例
では、拡散増強領域は、そのシートドーピング密度P
dope,sheetが量子井戸領域におけるシート密度P
QW,sheetに等しくなるように、即ち、 Pdope,sheet = PQW,sheet≒3 x 1013cm-2 になるようにドーピングする。
ピング密度で特色付けれれる。それ故、図2Aと2Cに示し
たような、デルタドープ拡散増強領域41を有する実施例
では、拡散増強領域は、そのシートドーピング密度P
dope,sheetが量子井戸領域におけるシート密度P
QW,sheetに等しくなるように、即ち、 Pdope,sheet = PQW,sheet≒3 x 1013cm-2 になるようにドーピングする。
【００６９】図2Dと2Eに示したような、バルクドープ拡
散増強領域41を有する実施例では、拡散増強領域はやは
り、そのシートドーピング密度Pdope,sheetが量子井戸
領域におけるシート密度PQW ,sheetに等しくなるよう
に、即ち、約3 x1013cm-2までドーピングする。
散増強領域41を有する実施例では、拡散増強領域はやは
り、そのシートドーピング密度Pdope,sheetが量子井戸
領域におけるシート密度PQW ,sheetに等しくなるよう
に、即ち、約3 x1013cm-2までドーピングする。
【００７０】拡散増強領域のシートドーピング密度P
dope,sheetは、拡散増強領域における所要バルクドーピ
ング密度Pdopeと、拡散増強領域の厚さtDERとの積に等
しい。それ故、拡散増強領域の所要バルクドーピング密
度Pdopeは、 Pdope = P' tQW/tDER 又は Pdope =Pdope,sheet/tDER≒3 x 1013/tDER で与えられる。
dope,sheetは、拡散増強領域における所要バルクドーピ
ング密度Pdopeと、拡散増強領域の厚さtDERとの積に等
しい。それ故、拡散増強領域の所要バルクドーピング密
度Pdopeは、 Pdope = P' tQW/tDER 又は Pdope =Pdope,sheet/tDER≒3 x 1013/tDER で与えられる。
【００７１】このように、量子井戸領域において与えら
れた正孔密度を誘発するために拡散増強領域において必
要とされるバルクドーピング密度は、拡散増強領域の厚
さに反比例する。
れた正孔密度を誘発するために拡散増強領域において必
要とされるバルクドーピング密度は、拡散増強領域の厚
さに反比例する。
【００７２】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００７３】（実施態様１）ターンオン・ジッタを低減
しかつ空間ホールバーニングを低減した垂直共振器型面
発光レーザ(VCSEL)の製造方法において、以下の（ａ）
ないし（ｃ）のステップを含むことを特徴とする方法、 （ａ）第一の鏡面層を形成するために第一の伝導モード
を有するドーピングされた半導体材料の層を堆積させる
ステップと、 （ｂ）活性層を形成するために前記第一の鏡面層の上に
半導体材料の層を堆積させるステップであって、前記半
導体材料の層を堆積させるステップは以下（ｂ―1）お
よび（ｂ―2）のステップを含む、（ｂ―1）量子井戸領
域を形成するステップと、（ｂ―２）拡散増強領域を形
成するステップであって、前記拡散増強領域によって前
記量子井戸領域に誘発される正孔がそこにある電子を約
１桁上回るような高濃度に前記半導体材料をアクセプタ
不純物でドーピングして前記拡散増強領域を形成するス
テップ、 （ｃ）第二の鏡面層を形成するために第二伝導モードを
有するドーピングされた半導体材料の層を前記活性層上
に堆積させるステップ。
しかつ空間ホールバーニングを低減した垂直共振器型面
発光レーザ(VCSEL)の製造方法において、以下の（ａ）
ないし（ｃ）のステップを含むことを特徴とする方法、 （ａ）第一の鏡面層を形成するために第一の伝導モード
を有するドーピングされた半導体材料の層を堆積させる
ステップと、 （ｂ）活性層を形成するために前記第一の鏡面層の上に
半導体材料の層を堆積させるステップであって、前記半
導体材料の層を堆積させるステップは以下（ｂ―1）お
よび（ｂ―2）のステップを含む、（ｂ―1）量子井戸領
域を形成するステップと、（ｂ―２）拡散増強領域を形
成するステップであって、前記拡散増強領域によって前
記量子井戸領域に誘発される正孔がそこにある電子を約
１桁上回るような高濃度に前記半導体材料をアクセプタ
不純物でドーピングして前記拡散増強領域を形成するス
テップ、 （ｃ）第二の鏡面層を形成するために第二伝導モードを
有するドーピングされた半導体材料の層を前記活性層上
に堆積させるステップ。
【００７４】（実施態様２）実施態様1記載の製造方法
であって、前記拡散増強領域を形成するステップにおい
て、前記量子井戸領域の外側部に前記活性層の領域を堆
積させている間だけ前記アクセプタ不純物を使って前記
半導体材料をドーピングすることを特徴とする製造方
法。
であって、前記拡散増強領域を形成するステップにおい
て、前記量子井戸領域の外側部に前記活性層の領域を堆
積させている間だけ前記アクセプタ不純物を使って前記
半導体材料をドーピングすることを特徴とする製造方
法。
【００７５】（実施態様３）実施態様1記載の製造方法
であって、前記拡散増強領域を形成するステップにおい
て、前記量子井戸領域を包含する前記活性層の領域を堆
積させている間に前記アクセプタ不純物を使って前記半
導体材料をドーピングすることを特徴とする製造方法。
であって、前記拡散増強領域を形成するステップにおい
て、前記量子井戸領域を包含する前記活性層の領域を堆
積させている間に前記アクセプタ不純物を使って前記半
導体材料をドーピングすることを特徴とする製造方法。
【００７６】（実施態様４）実施態様1記載の製造方法
であって、前記拡散増強領域がデルタドープ領域である
ことを特徴とする製造方法。
であって、前記拡散増強領域がデルタドープ領域である
ことを特徴とする製造方法。
【００７７】（実施態様５）実施態様1ないし4に記載の
製法であって、前記活性層として堆積される前記半導体
材料がIII-V族の半導体材料であり、かつ前記アクセプ
タ不純物がII族の元素とIV族の元素から成る組から選択
されることを特徴とする製造方法。
製法であって、前記活性層として堆積される前記半導体
材料がIII-V族の半導体材料であり、かつ前記アクセプ
タ不純物がII族の元素とIV族の元素から成る組から選択
されることを特徴とする製造方法。
【００７８】（実施態様６）実施態様1記載の製造方法
であって、以下の（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴
とする方法、（ａ）前記量子井戸領域を形成するステッ
プにおいて、全厚tQWを有する量子井戸が形成され、
（ｂ）前記拡散増強領域を形成するステップにおいて、
前記拡散増強領域は、前記量子井戸領域における前記拡
散増強領域で誘発される正孔の密度P'が1019cm-3を越え
るようなシート密度Pdope,sheetの前記アクセプタ不純
物で前記活性層の半導体材料をドーピングすることによ
り形成され、前記拡散増強領域における前記アクセプタ
不純物の該シート密度Pdope,sheetがほぼP' tQWであ
る。
であって、以下の（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴
とする方法、（ａ）前記量子井戸領域を形成するステッ
プにおいて、全厚tQWを有する量子井戸が形成され、
（ｂ）前記拡散増強領域を形成するステップにおいて、
前記拡散増強領域は、前記量子井戸領域における前記拡
散増強領域で誘発される正孔の密度P'が1019cm-3を越え
るようなシート密度Pdope,sheetの前記アクセプタ不純
物で前記活性層の半導体材料をドーピングすることによ
り形成され、前記拡散増強領域における前記アクセプタ
不純物の該シート密度Pdope,sheetがほぼP' tQWであ
る。
【００７９】（実施態様７）実施態様1記載の製造方法
であって、以下の（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴
とする方法、（ａ）前記量子井戸領域を形成するステッ
プにおいて、全厚tQWを有する量子井戸が形成され、
（ｂ）前記拡散増強領域を形成するステップにおいて、
前記拡散増強領域が厚さtDERに形成され、かつ前記活性
層の半導体材料は前記量子井戸領域における拡散増強領
域で誘発される正孔の密度P'が1019cm-3を越えるような
濃度Pdopeの前記アクセプタ不純物でドーピングされ、
該アクセプタ不純物の濃度Pdopeは、前記量子井戸領域
における正孔の密度P'、前記量子井戸領域の厚さ及び式
Pdope = P'tQW/tDERによる前記拡散増強領域の厚さに依
存する。
であって、以下の（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴
とする方法、（ａ）前記量子井戸領域を形成するステッ
プにおいて、全厚tQWを有する量子井戸が形成され、
（ｂ）前記拡散増強領域を形成するステップにおいて、
前記拡散増強領域が厚さtDERに形成され、かつ前記活性
層の半導体材料は前記量子井戸領域における拡散増強領
域で誘発される正孔の密度P'が1019cm-3を越えるような
濃度Pdopeの前記アクセプタ不純物でドーピングされ、
該アクセプタ不純物の濃度Pdopeは、前記量子井戸領域
における正孔の密度P'、前記量子井戸領域の厚さ及び式
Pdope = P'tQW/tDERによる前記拡散増強領域の厚さに依
存する。
【００８０】（実施態様８）垂直共振器型面発光レーザ
(VCSEL)であって、ターンオン・ジッタを低減しかつ空
間ホールバーニングを低減し、以下の（ａ）ないし
（ｃ）を含むことを特徴とする垂直共振器型面発光レー
ザ、 （ａ）第一の伝導モードを有するドーピングされた半導
体材料の第一の鏡面層と、 （ｂ）第一鏡面層に隣接する半導体材料の活性層であっ
て、以下（ｂ―１）および（ｂ―2）を含む活性層、
（ｂ―１）量子井戸領域と、（ｂ―２）拡散増強領域で
あって、前記量子井戸領域に誘発される正孔がそこにあ
る電子を約１桁上回るような高濃度に半導体材料をアク
セプタ不純物でドーピングした拡散増強領域、 （ｃ）第二の鏡面層であって、前記活性層に隣接しかつ
前記第一鏡面層から離れた層であって、第二の伝導モー
ドを有するドーピングされた半導体材料の層である第二
の鏡面層。
(VCSEL)であって、ターンオン・ジッタを低減しかつ空
間ホールバーニングを低減し、以下の（ａ）ないし
（ｃ）を含むことを特徴とする垂直共振器型面発光レー
ザ、 （ａ）第一の伝導モードを有するドーピングされた半導
体材料の第一の鏡面層と、 （ｂ）第一鏡面層に隣接する半導体材料の活性層であっ
て、以下（ｂ―１）および（ｂ―2）を含む活性層、
（ｂ―１）量子井戸領域と、（ｂ―２）拡散増強領域で
あって、前記量子井戸領域に誘発される正孔がそこにあ
る電子を約１桁上回るような高濃度に半導体材料をアク
セプタ不純物でドーピングした拡散増強領域、 （ｃ）第二の鏡面層であって、前記活性層に隣接しかつ
前記第一鏡面層から離れた層であって、第二の伝導モー
ドを有するドーピングされた半導体材料の層である第二
の鏡面層。
【００８１】（実施態様９）実施態様8記載のレーザで
あって、前記拡散増強領域が前記活性層において前記量
子井戸領域の外側部に配置されることを特徴とするレー
ザ。
あって、前記拡散増強領域が前記活性層において前記量
子井戸領域の外側部に配置されることを特徴とするレー
ザ。
【００８２】（実施態様１０）実施態様8記載のレーザ
であって、前記拡散増強領域が前記活性層における前記
量子井戸領域を包含することを特徴とするレーザ。
であって、前記拡散増強領域が前記活性層における前記
量子井戸領域を包含することを特徴とするレーザ。
【００８３】（実施態様１１）実施態様8記載のレーザ
であって、前記拡散増強領域が前記活性層におけるデル
タドープ領域であることを特徴とするレーザ。
であって、前記拡散増強領域が前記活性層におけるデル
タドープ領域であることを特徴とするレーザ。
【００８４】（実施態様１２）実施態様8ないし11に記
載のレーザーであって、前記活性層の半導体材料がIII-
V族の半導体材料であり、かつ前記アクセプタ不純物がI
I族の元素とIV族の元素から成る組から選択されること
を特徴とするレーザ。
載のレーザーであって、前記活性層の半導体材料がIII-
V族の半導体材料であり、かつ前記アクセプタ不純物がI
I族の元素とIV族の元素から成る組から選択されること
を特徴とするレーザ。
【００８５】（実施態様１３）実施態様8に記載のレー
ザであって、以下の（ａ）および（ｂ）を含むことを特
徴とするレーザ、（ａ）前記量子井戸領域が全厚tQWを
有する量子井戸、（ｂ）前記拡散増強領域において、前
記量子井戸領域における前記拡散増強領域で誘発される
正孔の密度P'が1019cm-3を越えるようなシート密度P
dope,sheetの前記アクセプタ不純物で前記活性層の半導
体材料がドーピングされ、該アクセプタ不純物のシート
密度Pdope,sheetがほぼP' tQWである。
ザであって、以下の（ａ）および（ｂ）を含むことを特
徴とするレーザ、（ａ）前記量子井戸領域が全厚tQWを
有する量子井戸、（ｂ）前記拡散増強領域において、前
記量子井戸領域における前記拡散増強領域で誘発される
正孔の密度P'が1019cm-3を越えるようなシート密度P
dope,sheetの前記アクセプタ不純物で前記活性層の半導
体材料がドーピングされ、該アクセプタ不純物のシート
密度Pdope,sheetがほぼP' tQWである。
【００８６】（実施態様１４）実施態様８記載の製造方
法であって、以下の（ａ）ないし（ｃ）を含むことを特
徴とするレーザ、（ａ）前記量子井戸領域が全厚tQWを
有する量子井戸、（ｂ）厚さtDERを有する前記拡散増強
領域、（ｃ）前記拡散増強領域であって、前記拡散増強
領域において前記活性層の半導体材料は前記量子井戸領
域における前記拡散増強領域で誘発される正孔の密度P'
が1019cm-3を越えるような濃度Pdopeの前記アクセプタ
不純物でドーピングされ、該アクセプタ不純物の濃度P
dopeは、前記量子井戸領域における正孔密度P'、前記量
子井戸領域の厚さ及び式Pdope = P' tQW/tDERによる前
記拡散増強領域の厚さに依存する。
法であって、以下の（ａ）ないし（ｃ）を含むことを特
徴とするレーザ、（ａ）前記量子井戸領域が全厚tQWを
有する量子井戸、（ｂ）厚さtDERを有する前記拡散増強
領域、（ｃ）前記拡散増強領域であって、前記拡散増強
領域において前記活性層の半導体材料は前記量子井戸領
域における前記拡散増強領域で誘発される正孔の密度P'
が1019cm-3を越えるような濃度Pdopeの前記アクセプタ
不純物でドーピングされ、該アクセプタ不純物の濃度P
dopeは、前記量子井戸領域における正孔密度P'、前記量
子井戸領域の厚さ及び式Pdope = P' tQW/tDERによる前
記拡散増強領域の厚さに依存する。
【００８７】本明細書は、本願発明の実証的実施例を詳
細に記述するものであるが、本発明は、明確な記述実施
例に限定されるものではなく、かつ種々の修正は、前出
の請求の範囲に定められた本発明の範囲内で実施し得る
ものであると解されるべきである。
細に記述するものであるが、本発明は、明確な記述実施
例に限定されるものではなく、かつ種々の修正は、前出
の請求の範囲に定められた本発明の範囲内で実施し得る
ものであると解されるべきである。
【図１Ａ】２つの両極端のビットパターンで変調された
レーザ電流に応答する既知VCSELにおける光子密度の変
化を示す図である。
レーザ電流に応答する既知VCSELにおける光子密度の変
化を示す図である。
【図１Ｂ】図1Aに示した両極端のビットパターン及びそ
の中間ビットパターンを含むいくつかの異なった疑似ラ
ンダムワードパターンで変調されたレーザ電流に応答す
る既知VCSELにおける光子密度の変化を示す図である。
の中間ビットパターンを含むいくつかの異なった疑似ラ
ンダムワードパターンで変調されたレーザ電流に応答す
る既知VCSELにおける光子密度の変化を示す図である。
【図２Ａ】本発明によるVCSELの好適な実施例の一部分
の断面を示す図である。
の断面を示す図である。
【図２Ｂ】本発明によるVCSELの好適な実施例のドーピ
ング分布を示す図である。
ング分布を示す図である。
【図２Ｃ】本発明によるVCSELの量子井戸領域の一部分
の断面図であって、拡散増強領域の第一の代替配置を示
す図である。
の断面図であって、拡散増強領域の第一の代替配置を示
す図である。
【図２Ｄ】本発明によるVCSELの一部分の断面図であっ
て、拡散増強領域の第二の代替配置を示す図である。
て、拡散増強領域の第二の代替配置を示す図である。
【図２Ｅ】本発明によるVCSELの一部分の断面図であっ
て、拡散増強領域の第一の代替構成及び配置を示す図で
ある。
て、拡散増強領域の第一の代替構成及び配置を示す図で
ある。
【図２Ｆ】本発明によるVCSELの一部分の断面図であっ
て、拡散増強領域の第二の代替構成及び配置を示す図で
ある。
て、拡散増強領域の第二の代替構成及び配置を示す図で
ある。
【図３Ａ】既知VCSELの一部分の断面図であって、VCSEL
中のレーザ電流の流れを示す図である。
中のレーザ電流の流れを示す図である。
【図３Ｂ】図3Aに示した既知VCSELの量子井戸領域にお
けるキャリア密度の変化を示す図である。
けるキャリア密度の変化を示す図である。
【図４】VCSELにおけるキャリア拡散についての発明者
のモデルによって予測される、拡散時間定数及び蓄積ゾ
ーンに入るレーザ電流の割合に対するジッタの広がりの
依存性を示す図である。
のモデルによって予測される、拡散時間定数及び蓄積ゾ
ーンに入るレーザ電流の割合に対するジッタの広がりの
依存性を示す図である。
【図５Ａ】本発明によるVCSELの好適な実施例の一部分
の断面図であって、VCSEL中のレーザ電流の流れを示す
図である。
の断面図であって、VCSEL中のレーザ電流の流れを示す
図である。
【図５Ｂ】図5Aに示した本発明によるVCSELの好適な実
施例の量子井戸領域におけるキャリア密度の変化を示す
図である。
施例の量子井戸領域におけるキャリア密度の変化を示す
図である。
１１：本発明の実施例(VCSEL) １３、２１３：活性層 １５：下部鏡面層 １７：上部鏡面層 １９、２１９：量子井戸領域 ２１：鏡面要素対 ２３、２５：鏡面要素 ２７：陽子注入ゾーン ２９：コアゾーン ３１、２３１：下部クラッド領域 ３２、２３２：上部クラッド領域 ３３：陽子注入ゾーンの最深部と活性層間の領域 ３５：蓄積ゾーン ３７：誘導放出ゾーン ４１：拡散増強領域 ４３：レーザ電流の流れ ５１、５３、５７：量子井戸 ５５、５９：障壁層 ２００：従来技術によるＶＣＳＥＬ
Claims (1)
- 【請求項１】ターンオン・ジッタを低減しかつ空間ホー
ルバーニングを低減した垂直共振器型面発光レーザ(VCS
EL)の製造方法において、以下の（ａ）ないし（ｃ）の
ステップを含むことを特徴とする方法、 （ａ）第一の鏡面層を形成するために第一の伝導モード
を有するドーピングされた半導体材料の層を堆積させる
ステップと、 （ｂ）活性層を形成するために前記第一の鏡面層の上に
半導体材料の層を堆積させるステップであって、前記半
導体材料の層を堆積させるステップは以下（ｂ―1）お
よび（ｂ―2）のステップを含む、（ｂ―1）量子井戸領
域を形成するステップと、（ｂ―２）拡散増強領域を形
成するステップであって、前記拡散増強領域によって前
記量子井戸領域に誘発される正孔がそこにある電子を約
１桁上回るような高濃度に前記半導体材料をアクセプタ
不純物でドーピングして前記拡散増強領域を形成するス
テップ、 （ｃ）第二の鏡面層を形成するために第二伝導モードを
有するドーピングされた半導体材料の層を前記活性層上
に堆積させるステップ。
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