JPH10256655A - 長波長ｖｃｓｅｌ - Google Patents

長波長ｖｃｓｅｌ

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JPH10256655A
JPH10256655A JP10058804A JP5880498A JPH10256655A JP H10256655 A JPH10256655 A JP H10256655A JP 10058804 A JP10058804 A JP 10058804A JP 5880498 A JP5880498 A JP 5880498A JP H10256655 A JPH10256655 A JP H10256655A
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mirror
mirror stack
active
long wavelength
region
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JP10058804A
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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
Wenbin Jiang
ウェンビン・ジアン
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Original Assignee
Motorola Inc
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Publication date
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    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 長波長光を放射するための改善された縦型空
洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）を提供する。 【構成】 長波長光を放射するためのＶＣＳＥＬ（１
０）は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系のミラーペア
（１５および１６）を備えた第１のミラースタック（１
４）であって該第１のミラースタック（１４）に隣接し
た第１のクラッディング領域（２４）と第２のクラッデ
ィング領域（２５）との間に挟まれた活性構造（２３）
を備えたＧａＴｌＰ活性領域（２０）に格子整合された
もの、量子井戸（３４、３５、および３６）を有する活
性構造（２３）、および第２のクラッディング領域（２
５）に格子整合されかつＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系
のミラーペア（４２および４３）を有する第２のミラー
スタック（２６）を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は縦型空洞表面放出ま
たは放射レーザに関し、かつより特定的には、長波長光
を放出または放射するための縦型空洞表面放出レーザに
関する。
【０００２】
【従来の技術】縦型空洞表面放出レーザ（ｖｅｒｔｉｃ
ａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇ
ｌａｓｅｒｓ：ＶＣＳＥＬ）は半導体製造技術によっ
て基板の上面に形成された、ミラースタックまたはミラ
ー層（ｍｉｒｒｏｒ ｓｔａｃｋ）とも称される、第１
の分布ブラッグ反射体（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒ
ａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）と、第１のミラ
ースタックの上面に形成された活性領域（ａｃｔｉｖｅ
ｒｅｇｉｏｎ）と、そして活性領域の上面に形成され
た第２のミラースタックとを含んでいる。ＶＣＳＥＬは
活性領域を通して強制的に流される電流によって駆動さ
れ、それは典型的には基板の裏面上の第１のコンタクト
および第２のミラースタックの上面上の第２のコンタク
トを提供することによって成し遂げられる。
【０００３】ＶＣＳＥＬにおけるミラースタックの使用
は十分に確立された技術である。典型的には、ミラース
タックはミラー対またはミラーペア（ｍｉｒｒｏｒ ｐ
ａｉｒｓ）としばしば呼ばれる多数の対またはペアの層
で形成される。ペアの層（ｐａｉｒｓ ｏｆ ｌａｙｅ
ｒｓ）は、異なる屈折率を有しかつＶＣＳＥＬの他の部
分に容易に格子適合または格子整合される（ｌａｔｔｉ
ｃｅ ｍａｔｃｈｅｄ）２つの材料から一般に成る材料
系で形成される。例えば、ＧａＡｓをベースとしたＶＣ
ＳＥＬは典型的にはＡｌＡｓ／ＧａＡｓまたはＡｌＧａ
Ａｓ／ＡｌＡｓ材料系を用い、ここでペアの各層の異な
る屈折率は層中のアルミニウム含有量を変えることによ
って達成される。伝統的なデバイスでは、スタック当た
りのミラーペアの数は２０から４０の範囲とすることが
でき、層の屈折率の間の違いに依存して高い割合の反射
率（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）を達成する。多数のペ
アは反射される光の割合を増加させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】伝統的なＶＣＳＥＬに
おいては、伝統的な材料系（ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｙｓ
ｔｅｍｓ）が十分に機能する。しかしながら、長波長を
有する光を放射するＶＣＳＥＬを必要とする新しい製品
が開発されている。長波長（ｌｏｎｇ ｗａｖｅｌｅｎ
ｇｔｈ）を有する光を放射するＶＣＳＥＬは、光学的遠
距離通信産業において大いに興味をもたれている。これ
らの長波長はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰまたはＩｎＧａＡ
ｌＡｓ／ＩｎＰ活性領域を有するＶＣＳＥＬを用いるこ
とによって得ることができる。そのような活性領域が用
いられるとき、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料系がＩｎＰ
基板に格子整合した全てのミラースタックに対して使用
されねばならない。この系においては、しかしながら、
この材料系の屈折率の微々たる違いのために一定水準の
ＤＢＲをベースとしたミラーを達成することは事実上不
可能である。多くの試みがこの問題と取り組むために行
われており、それはＤＢＲミラーが分離された基板上に
成長されかつ活性領域に接合されるウエハ接合（ｂｏｎ
ｄｉｎｇ）技術を含んでいる。この技術は限られた成功
だけを納めておりかつまたウエハ融合処理（ｗａｆｅｒ
ｆｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）の界面欠陥密度
（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｄｅｎｓｉｔ
ｙ）は信頼性の問題を引き起こす可能性がある。
【０００５】それゆえ、従来技術に固有の前述および他
の欠点を改善することは大いに有益であろう。
【０００６】従って、本発明の目的は新しくかつ改善さ
れた長波長ＶＣＳＥＬを提供することである。
【０００７】本発明の他の目的は信頼性のある長波長Ｖ
ＣＳＥＬを提供することである。
【０００８】そして本発明の他の目的はＶＣＳＥＬで使
用するための新しくかつ改善された活性領域を提供する
ことである。
【０００９】本発明の更に他の目的は長波長ＶＣＳＥＬ
に使用するための効率のよい活性領域およびミラースタ
ックを提供することである。
【００１０】本発明の更に他の目的は長波長ＶＣＳＥＬ
を製造することの複雑さを低減することである。
【００１１】本発明の他の目的は長波長光を放射する活
性領域およびそこに格子整合され得るミラースタックを
提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】簡単に言えば、その好ま
しい実施形態に従って本発明の望まれる目的を達成する
ために、長波長光を放射するためのＶＣＳＥＬが提供さ
れる。該ＶＣＳＥＬは第１のミラースタック、少なくと
も１つの量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）を備え
たＧａＴｌＰ（ガリウムタリウムリン）活性領域であっ
て該活性領域は前記第１のミラースタック上に配置され
ているもの、および前記活性領域上に配置されている第
２のミラースタックを含んでいる。
【００１３】好ましい実施形態においては、活性領域と
第１および第２のミラースタックとはおよそ１．３から
１．５５マイクロメートルの範囲にある波長の光を放射
するよう形成される。量子井戸はおよそ０．９５から
０．８ｅＶの範囲にある直接エネルギーバンドギャップ
またはダイレクトエネルギーバンドギャップ（ｄｉｒｅ
ｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄｇａｐ）で形成されかつ
ＧａｘＴｌ１−ｘＰを含んでいる。
【００１４】また、長波長光を放射するためのＶＣＳＥ
Ｌを製造する方法が提供される。該方法は表面を有する
基板を提供すること、前記表面上に第１のミラースタッ
クをエピタキシャル成長させること、前記第１のミラー
スタック上に少なくとも１つの量子井戸を備えたＧａＴ
ｌＰ活性領域をエピタキシャル成長させること、および
前記活性領域上に第２のミラースタックをエピタキシャ
ル成長させることを含んでいる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の前述のおよび更にかつよ
り特定の目的および有益性は、図面と関連してその好ま
しい実施形態の以下の詳細な記述を参照することにより
当業者に難なく理解されるであろう。
【００１６】今、同じ参照番号がいくつかの図中で対応
する要素を示している図に目を移すと、包括的に１０で
示されている長波長光縦型空洞表面放出レーザ（ＶＣＳ
ＥＬ）を図解している図１に最初に注目する。ＶＣＳＥ
Ｌ１０は基板１２上に形成され、この特定の実施形態に
おいては、該基板はＧａＡｓである。ＧａＡｓはおよそ
１．３から１．５５マイクロメートルの範囲にある長波
長の光を放射するＶＣＳＥＬ１０の構成要素（ｃｏｍｐ
ｏｎｅｎｔｓ）のエピタキシャル成長を容易にするため
に好んで用いられる。ＧａＡｓは例として利用しただけ
でありかつ他の半導体材料も基板１２として使用できる
ことが理解されるべきである。
【００１７】基板１２はミラースタック１４が配置され
る上部面１３を有している。ミラースタック１４はｎ型
ドープされた（ｎ−ｄｏｐｅｄ）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ材料系の複数のミラーペアを含んでいる。活性領域２
０はミラースタック１４上に配置される。活性領域２０
は、第１のミラースタック１４に隣接したｎ型ドープさ
れた第１のクラッド領域またはクラッディング領域（ｃ
ｌｄｄｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）２４と、ｐ型ドープされ
た（ｐ−ｄｏｐｅｄ）第２のクラッディング領域２５と
の間に挟まれた活性構造（ａｃｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ）２３を含んでいる。第２のミラースタック２６
は第２のクラッディング領域２５上に配置されかつｐ型
ドープされたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系のミラーペ
アを含んでいる。
【００１８】ミラースタック１４は基板１２上にペアの
層をエピタキシャルに被着または堆積（ｄｅｐｏｓｉ
ｔ）することによって成長される。基板１２にミラース
タック１４を結晶格子整合させる（ｃｒｙｓｔａｌ ｌ
ａｔｔｉｃｅ ｍａｔｃｈ）ために適当な半導体材料系
が被着されねばならない。この特定の例においては、基
板１２はＧａＡｓでありかつ、それゆえ、ＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓ材料系が用いられる。この材料系のおよそ２
０から４０のミラーペアが層の屈折率の間の差に依存し
て基板１２上に被着される。各ペアの異なる屈折率の層
はアルミニウム含有量を変化させることによって達成さ
れる。この特定の実施形態においては、ミラーペアを形
成するＧａＡｌ０．７Ａｓ層１５およびＧａＡｓ層１６
が好ましい。多数のペアは反射される光のパーセンテー
ジを増加させる。
【００１９】クラッディング領域２４は部類分けされる
（ｇｒａｄｅｄ）ことができる１つまたはそれ以上の層
を含んでいる。この特定の実施形態においては、クラッ
ディング領域２４はＡｌＧａＡｓ材料系で形成される。
例えばクラッディング領域２４は、４０％から５０％の
範囲にあるＡｌのモル分率（ｍｏｌｅ ｆｒａｃｔｉｏ
ｎ）を備えたＡｌＧａＡｓで形成された第１の層３０と
構造２３のよりよいキャリアの閉じ込め（ｃａｒｒｉｅ
ｒ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）のために２０％から４０
％の範囲にあるＡｌのモル分率を有する材料で形成され
た第２の層３１とを含んでいる。
【００２０】活性構造２３は、本実施形態においては、
バリヤ（ｂａｒｒｉｅｒ）層３８および３９によって分
離された３つの量子井戸層３５、３６、および３７を含
んでいる。例えば量子井戸層３５、３６、および３７と
バリヤ層３８および３９とはそれぞれおよそ１００オン
グストロームでありかつ活性領域２０の全厚みは放射さ
れる光のおよそ１波長またはその倍数（ｍｕｌｔｉｐｌ
ｅ）である。量子井戸層３５、３６、および３７はＧａ
ｘＴｌ１−ｘＰで形成される。バリヤ層３８および３９
はドープされていない（ｕｎｄｏｐｅｄ）ＧａＡｓで形
成される。それより多いまたは少ない量子井戸層および
バリヤ層が用途に応じて用いられ得ることが当業者には
理解されるだろう。活性領域２０と第１および第２のミ
ラースタック１４および２６とはそれぞれおよそ１．３
から１．５５マイクロメートルの範囲にある波長の光を
放射するよう形成される。より特定的には、活性領域に
おけるＧａＴｌＰの使用は長距離の光学的遠距離通信の
用途（ｌｏｎｇ ｈａｕｌｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｌｅｃ
ｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｓ）にとって理想的である赤外光レーザ放射を可能にす
る。この範囲を達成するために量子井戸は、およそｘ＝
０で０．８ｅＶからｘ＝１．０で０．９５ｅＶの範囲に
あるダイレクトエネルギーバンドギャップで形成され、
そしておよそ４０％から６０％の範囲にありかつバンド
ギャップが１ｅＶ（１．２４μｍ）の組成ｘに対してＧ
ａＡｓに格子整合される。
【００２１】ＧａｘＴｌ１−ｘＰのダイレクトエネルギ
ーバンドギャップ対格子定数および対応する波長のグラ
フ形式の表示が図２に描かれている。より特定的には、
２元系化合物ＴｌＰおよびＧａＰと３元系化合物ＧａＴ
ｌＰの間の関係がそれらのバンドギャップ、格子定数、
および対応する波長に関して描かれている。本発明は活
性領域２０としてＧａＴｌＰの３元系化合物を用い、そ
れはＧａＰからＴｌＰまでライン６２に沿ってだけバン
ドギャップおよび格子定数を変化できる。１ｅＶ（１．
２４μｍ）のバンドギャップを有するこのライン６２に
沿った唯一の点６４があり、それはＧａＡｓの格子定数
に等しい格子定数を有する。製造の間、良好なエピタキ
シャル成長は完全な結晶格子定数の整合を必要とする。
もし全エピタキシャル厚みが臨界厚み（ｃｒｉｔｉｃａ
ｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）の範囲内であれば、格子定数
のわずかなずれまたはミスマッチは依然として良好なエ
ピタキシャル成長を可能にするであろう。もし厚すぎる
ならば、ひずみ（ｓｔｒａｉｎ）が緩和され、かつ成長
転移（ｇｒｏｗｔｈ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が発達
する（ｄｅｖｅｌｏｐ）だろう。本発明に対しては、Ｇ
ａＴｌＰは０．９５ｅＶ（１．３μｍ）のバンドギャッ
プのためにわずかに圧縮ひずみを受け（ｃｏｍｐｒｅｓ
ｓｉｖｅ ｓｔｒａｉｎｅｄ）かつそれでもＧａＡｓに
格子整合されるであろう。
【００２２】クラッディング領域２５はもし必要なら部
類分けできる１つまたはそれ以上の層を含んでいる。こ
の特定の実施形態においては、クラッディング領域２５
はＡｌＧａＡｓ材料系で形成される。例えばクラッディ
ング領域２５は２０％から４０％の範囲にあるＡｌモル
分率を備えたＡｌＧａＡｓで形成された第１の層４０
と、よりよいキャリアの閉じ込めのために４０％から６
０％の範囲にあるＡｌモル分率を有するＡｌＧａＡｓ材
料で形成された第２の層４１とを含んでいる。
【００２３】ミラースタック２６はクラッディング領域
２５上にペアの層をエピタキシャルに被着または堆積す
ることによって成長される。活性構造２３にミラースタ
ック２６を結晶格子整合させるために、適当な半導体材
料系が被着されねばならない。この特定の例において
は、クラッディング領域２５はＧａＡｓベースでありか
つ、それゆえ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系が使用さ
れる。この材料系のおよそ２０から４０のミラーペアが
層の屈折率の間の差に依存してクラッディング領域２５
上に被着される。各ペアの異なる屈折率の層はアルミニ
ウム含有量を変えることによって達成される。この特定
の実施形態においては、ミラーペアを形成しているＧａ
Ａｌ０．７Ａｓ層４２およびＧａＡｓ層４３が好まし
い。多数のペアは反射される光のパーセンテージを増大
する。
【００２４】ＶＣＳＥＬ１０を完成するために、コンタ
クト層４５がミラースタック２６上に配置され、かつコ
ンタクト層４６が基板１２上に、例えばその裏面上に配
置される。当業者によって理解されるように、コンタク
ト４５はＶＣＳＥＬ１０から光の放射を可能にするよう
に形成される。
【００２５】例示の目的でここで選択された実施例への
様々な変更および修正が当業者にたやすく行われるであ
ろう。例えば、ＶＣＳＥＬ構造の対称性は電気的に反転
した構造設計とともにｐおよびｎドーパントの両方に対
しても存在することが理解されるべきである。そのよう
な修正および変更が本発明の精神からから離れない範囲
において、添付の特許請求の範囲の公正な解釈によって
のみ評価されるその範囲にそれらを含ませるつもりであ
る。
【００２６】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来技
術に固有の欠点を改善でき、信頼性のある長波長ＶＣＳ
ＥＬを提供できる。また、長波長ＶＣＳＥＬで使用する
ための効率のよい活性領域およびミラースタックを提供
でき、あるいは長波長光を放射する活性領域およびそこ
に格子整合され得るミラースタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従ったＶＣＳＥＬの断面図である。
【図２】本発明に従った図１のＶＣＳＥＬの活性領域に
おけるダイレクトエネルギーギャップ対格子整合および
対応する波長の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 縦型空洞表面放出レーザ １２ 基板 １３ 上部面 １４ 第１のミラースタック ２０ 活性領域 ２３ 活性構造 ２４ 第１のクラッディング領域 ２５ 第２のクラッディング領域 ２６ 第２のミラースタック ３５ 量子井戸層 ３６ 量子井戸層 ３７ 量子井戸層 ３８ バリヤ層 ３９ バリヤ層 ４５ コンタクト層 ４６ コンタクト層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・エス・レビー アメリカ合衆国アリゾナ州85219、アパッ チ・ジャンクション、ノース・ラバージ・ ロード 30 (72)発明者 ウェンビン・ジアン アメリカ合衆国アリゾナ州85044、フェニ ックス、イースト・ゴールド・ポピー・ウ ェイ 4407

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 長波長光を放射するための縦型空洞表面
    放出レーザであって、 第１のミラースタック（１４）、 量子井戸（３５、３６、および３７）を備えたＧａＴｌ
    Ｐ活性領域（２０）であって、該活性領域（２０）は前
    記第１のミラースタック（１４）上に配置されているも
    の、および前記活性領域（２０）上に配置された第２の
    ミラースタック（２６）、 を具備する前記縦型空洞表面放出レーザ。
  2. 【請求項２】 長波長光を放射するための縦型空洞表面
    放出レーザであって、 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系のミラーペアを含んでい
    る第１のミラースタック（１４）、 前記第１のミラースタック（１４）に隣接する第１のク
    ラッディング領域（２４）と第２のクラッディング領域
    （２５）との間に挟まれた活性構造（２３）を含んでい
    るＧａＴｌＰ活性領域（２０）であって、前記活性構造
    （２３）は少なくとも１つの量子井戸（３５、３６、お
    よび３７）を有するもの、および前記第２のクラッディ
    ング領域（２５）上に配置されかつＧａＡｓ／ＡｌＧａ
    Ａｓ材料系のミラーペアを含んでいる第２のミラースタ
    ック（２６）、 を具備する前記縦型空洞表面放出レーザ。
  3. 【請求項３】 長波長光を放射するための縦型空洞表面
    放出レーザを製造する方法であって、 表面（１３）を有する基板（１２）を提供する段階、 前記表面（１３）上に第１のミラースタック（１４）を
    エピタキシャル成長させる段階、 前記第１のミラースタック（１４）上に量子井戸（３
    ５、３６、および３７）を備えたＧａＴｌＰ活性領域
    （２０）をエピタキシャル成長させる段階、および前記
    活性領域（２０）上に第２のミラースタック（２６）を
    エピタキシャル成長させる段階、 を具備する前記方法。
  4. 【請求項４】 長波長光を放射するための縦型空洞表面
    放出レーザを製造する方法であって、 表面（１３）を有するＧａＡｓ基板（１２）を提供する
    段階、 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系の第１の複数のミラーペ
    ア（１５および１６）をエピタキシャル成長させて前記
    表面（１３）上に前記基板（１２）に格子整合された第
    １のミラースタック（１４）を形成する段階、 前記第１のミラースタック（１４）に格子整合された第
    １のクラッディング領域（２４）と第２のクラッディン
    グ領域（２５）との間に挟まれた活性構造（２３）を含
    んでいるＧａＴｌＰ活性領域（２０）をエピタキシャル
    成長させ、量子井戸（３５、３６、および３７）を備え
    た前記活性構造（２３）を形成する段階、およびＧａＡ
    ｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系の第２の複数のミラーペア（４
    ２および４３）をエピタキシャル成長させて前記第２の
    クラッディング領域（２５）に格子整合された第２のミ
    ラースタック（２６）を形成する段階、を具備する前記
    方法。
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