JPH10505465A - 電流アパーチャを備えた垂直キャビティレーザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザーを放出する垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）は、活性領域、横光モードを形成する径方向の屈折率変化を備えて共振キャビティを形成する第１と第２のミラーのスタック、及び光モードのビームウェストより小さい直径まで電流を絞り込み、それによって、デバイス効率を改良し、単一光モード動作を優先的に支持するためのキャビティ内の薄い絶縁用スロットを有する。１つの態様において、絶縁用スロットが、薄いアルミニウム含有半導体層を、円筒上メサの中心方向にエッチング又は選択的酸化することによって形成される。このスロットの厚さは、大きな屈折率変化が横光モードパターンに殆ど影響を及ぼさないように十分薄い。このスロットは、屈折率不連続性による乱れを最少限にし且つ厚めのスロットの使用を許容するため、軸定在波のナルの近くに位置されることができる。好ましい態様において、絶縁用スロットによって形成される電流絞りは、活性領域のｐ型の側に位置され、光モードのビームウェストよりかなり小さい直径を有し、このようにして、キャリヤーの外側への拡散を最少限にし、空間正孔バーニングを抑えることによってレーザーの単一横モード動作を保証する。

Description

【発明の詳細な説明】 電流アパーチャを備えた垂直キャビティレーザー 発明の背景 本発明は、半導体の垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）放出レーザーに関する ものであり、より詳しくは、高効率で単モードのＶＣＳＥＬを提供するための構 造と技術に関する。ＶＣＳＥＬは、金属材料、誘電性材料、エピタキシャルに成 長した半導体誘電性材料又はそれらの組み合わせの高反射性の層の間にサンドイ ッチされた、ヒ化ガリウムやヒ化インジウムガリウムなどのような光学活性物質 の半導体層からなる半導体レーザーであり、分布型ブラッグレフレクターとして 知られるスタックであることが最も多い。従来と同様に、ミラースタックの１つ は、ミラースタック／活性層のサンドイッチによって形成された共振キャビティ で増強されたコヒーレント光の一部を透過するように、部分反射性である。 レーザー構造体は、ポンピング電子の誘導光子への効率的な変換を達成するた めに、光閉じ込めとキャリヤー閉じ込めを常に必要とする。キャリヤー閉じ込め は、一般に、電気接点と活性領域の間の材料の固有抵抗を変化させることによっ て達成される。このような技術には、イオン衝突による高固有抵抗の導入、ドー ピングやドーパントのタイプの変化、エッチングによる導電性材料の除去、及び 選択的酸化による半導体の絶縁性酸化物への転化が挙げられる。光閉じ込めは、 構造体の材料の屈折率を変化させることによって達成される。円筒形状に関して キャビティを議論することが便利であるが、多くの横断面が可能であり、本発明 は円筒形状に限定されるものではない。ＶＣＳＥＬの軸モードの定在波パターン は、ミラーの 高反射率のため非常に強く、一般に９９％を超える。２つのミラー間の割合に短 い光路長は、共振軸モードの間の割合に大きい波長の隔たりをもたらす。大きい 波長の隔たりは、ＶＣＳＥＬが単一軸モードのみでレーザーを放出することを保 証する。横又は径方向の光モードの強度プロフィルは、キャビティの中の径方向 の屈折率の変化によって決定される。望ましいモードは基本モードであり、例え ば、円筒状導波路のＨＥ₁₁モードである。ＶＣＳＥＬからの基本モード信号は、 光ファイバーに容易に連結し、低い発散度を有し、安定な遠電磁界パターンを維 持し、動作において固有の単一周波数である。 光閉じ込めのための径方向屈折率変化を取り入れたＶＣＳＥＬは、屈折率調節 型(index-guided)ＶＣＳＥＬとして公知である。従来のエッジ放出型半導体レー ザーにおいて、横方向屈折率調節（成長方向に垂直）は、単一横モード動作を得 るため、０．１％のオーダーの屈折率変化で設計される。小さな屈折率変化は、 比較的高い次数の横モードの存在を妨げる。一般に、再成長又はリッジ導波管構 造が、横方向屈折率ガイドを形成するためにエッジ放出型レーザーに使用される 。ＶＣＳＥＬがレーザーを放出するためには、軸方向のミラー反射率が非常に高 い必要があり、したがって、層がエピタキシャルに成長されるか、高度の平面性 を有して堆積されなければならない。高度の平面性の要件は、ＶＣＳＥＬにおい て再成長又はリッジ導波管設計の効果的使用を妨げてきた。 従来公知の屈折率調節型ＶＣＳＥＬは、キャリヤー閉じ込めを提供して径方向 屈折率変化を導入するために、エッチングされたポスト又は絶縁用スロットのい ずれかを使用する。不都合なことに、径方向屈折率変化は割合に大きく、多数の 横モードを支持するキャビティに結びつく。さらに、キャリヤー閉じ込めは、一 般に、横光モ ード直径と同等以上の直径である。光モードはエッジでは弱いため、誘導放出に よるキャリヤーの光への転化は、横光モードの特性直径（又はビームウェスト） の外側の活性領域におけるそれらのキャリヤーについては実質的に低められる。 必要とされることは、横光モードの直径よりも小さい直径にキャリヤーを閉じ 込めることを提供し、さらに、層の高度の平面性を維持しながら実現されること が可能なＶＣＳＥＬ構造である。本出願人の米国特許第５３４３４８７号明細書 において、発明者は、横光モードよりも小さいアパーチャにキャリヤーを絞り込 むことを提供するＶＣＳＥＬを開示した。この開示されたレーザーは、イオン注 入又は拡散技術が半導体層の導電率を変化させるために使用されることができる ようにリング接触形状を使用し、光の絞り込みを行うことなく電流の絞り込みを 与えた。また、それより以前の特許は、リッジ接触型接合に伴う電流集中効果を 最小限にするための、活性領域と導電性層の間の抵抗電流レベリング層を開示し ている。このレーザーの欠点は、リング接触型形状を作成する煩雑さと、イオン 注入と拡散のような、顕著な屈折率の不連続性を与えない半導体改質技術を使用 する困難性である。 屈折率の不連続性を導入し、しかも横光モードを絞り込まない、技術的に比較 的簡単な技術を用いて電流絞り込みを導入すること可能であれば非常に望ましい であろう。本発明は、光モードの絞り込みなしに電流絞り込みが使用されるため のそのような比較的簡単な技術を可能にするものであり、したがって、本発明は 、様々なＶＣＳＥＬ構造に対して広い適用性を有する。 発明の要旨 本発明にしたがうと、活性領域、共振キャビティを形成する第１ と第２のミラーのスタック、及び横モードを画成する径方向で変化する屈折率プ ロフィルを備えたレーザーを放出する垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）におい て、光モードのビームウェストより小さい直径まで電流を絞り込むための電気絶 縁用スロット（複数でもよい）が、キャビティの中に導入される。本発明にした がうと、絶縁用スロットは、有効な屈折率不連続性が光モードを絞り込まない程 度に薄く設計される。好ましい態様において、絶縁用スロットは軸モードの定在 波パターンのナル(null)の近くに位置され、厚めのスロットが光モードを絞り込 まないことを可能にする。 本発明は、添付の図面と併せて詳細な説明を参照されることによってより的確 に理解されるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、従来技術のレーザーを放出する垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）の 横断面図であり、横光モードと電流フローを示す。 図２は、別な従来技術のＶＣＳＥＬの横断面図であり、横光モードと電流フロ ーを示す。 図３は、本発明によるＶＣＳＥＬの横断面図であり、横光モードを示す。 図４は、図３のデバイスの詳細な横断面図であり、電流フローを示す。 図５は、図３のデバイスの詳細な軸方向の横断面図であり、軸光モードと層の 間の関係を示す。 図６は、図４に示された２つの周の領域についての反射率スペクトルであり、 各キャビティモード共振を示す。 図７は、２つの領域間の軸キャビティモード共振におけるシフトの関数として の横モード直径のプロットである。 図８は、いろいろな絶縁用スロット厚さについての軸キャビティモード共振に おけるシフトのプロットである。１つの線は、軸定在波のナルに中心を置くスロ ットに関してであり、他方は、軸定在波のピークに中心を置くスロットに関して である。 図９は、本発明によるもう１つのＶＣＳＥＬの詳細な横断面図であり、モード を閉じ込めるための厚めのスロットと電流を閉じ込めるための薄めのスロットを 用いている。 図１０は、本発明によるもう１つのＶＣＳＥＬの詳細な横断面図であり、活性 領域の各側の薄めの絶縁用スロットのペアを示す。 図１１は、本発明によるもう１つのＶＣＳＥＬの詳細な横断面図であり、厚め のスロットと組み合わされた薄めのスロットを示す。 図１２は、本発明によるもう１つのＶＣＳＥＬの詳細な横断面図であり、厚め のスロットと組み合わされた薄めのスロット、及び内部キャビティ接触の使用を 示す。 図１３は、活性領域への計算上の電流注入プロフィルと３つの横光モードを示 す。 図１４は、２つのＶＣＳＥＬについての計算上の電流と光の特性を示し、本発 明による設計の改良された効率を示す、 図１５と１６は、図１４の２つの計算上のレイジング特性について図１３に示 された３つの横モードのモード利得を示す。図１５は、未改良デバイスのモード 利得を示す。図１６は、本発明によるデバイスのモード利得を示す。 特定の態様の詳細な説明 図３に関し、本発明の特定の態様による垂直キャビティ表面を有するレーザー 放出デバイス100が示されている。本レーザーデバイス100は、第１ミラースタッ ク14の上に配置された第１電極12、活 性領域20の下方の半導体基板18の上に配置された第２電極16、及び第２ミラース タック26を有し、通常のＩｎＧａＡｓの多数の量子井戸からなる活性領域が、電 極12と16によって相対する側で接触される。第１ミラースタック14は、電磁場を 絞り込んで横光モード32を画成する導波管キャビティを画成する。電磁場の軸モ ードは、各ミラースタックの反射面の間隔、並びに、活性領域20、第１接触層22 、及び第２接触層24の各厚さによって画成される。当該技術で理解されているよ うに、活性領域20は理想的には軸モードの定在波パターンのピークに位置され、 何らかの光吸収性エレメントは定在波パターンのナル(null)に位置される。第１ 接触層22は、活性層20の上に配置され、ミラースタック14を介して第１電極12と 電気接触し、第２接触層24は、活性領域の下に配置され、ミラースタック26を介 して第２電極16と電気接触する。電気励起下のレーザー動作のためには、当該技 術で理解されているように、接触層の１つはｐ型で他方はｎ型であることが必要 である。 図４は、絶縁用スロット27によってキャビティの中央の方に電流30が強制され るプロセスを示す。本発明によると、スロット27の厚さは、横光モード32が絞り 込まれない程度に十分薄く、より大きい直径の横光モードを可能にし、より効率 的で単一の横モード動作をもたらす。 図４に関し、電流を絞り込んで領域１と示されたアパーチャの中に流すための 電気絶縁用スロット27が、レーザーキャビティに形成される。絞りの外側の変更 キャビティは領域２と示されている。電気絶縁用スロット27は、当該技術で公知 のように、アルミニウムを多く含む半導体層を湿式エッチング又は湿式酸化する ような選択性技術によって形成されることができる。アルミニウムを多く含む層 の例えばＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓＰなどが第１接触 層22の中で成長され、次いでエピタキシャル成長後のメサをエッチングすること によって露出される。ＩｎＰ系において、高選択性湿式エッチングがＩｎＧａＡ ｓＰについて存在する。このような技術は、一般に、真空又は酸化物と連携して １〜１．７の範囲の屈折率を生み、一般に３〜３．６の範囲の半導体の屈折率と 置き代わる。屈折率のこのような大きな変化は、光の大きな反射を生じさせ、横 光モード32を絞り込み、第１ミラースタック14と第２ミラースタック26の間の光 路長を変化させることができる。光路長の変化は、キャビティの共振波長のシフ トで自ずから明らかになることがある。このことは望ましくなく、このシフトは 、最適の単一横モード性能を得るために最少限にされるべきである。ここで、ス ロット27の厚さが十分に薄ければ、上側と下側の界面からの反射の位相が相殺す ることができ、電流30は絞り込まれたままで、スロットは、キャビティの光特性 に殆ど影響を及ぼさないことができる。 好ましい態様において、スロットは、軸モードの定在波パターンのナルの近く に配置される。軸定在波のナルの近くに光ロスの多い材料を配置することによっ て光ロスが最少限にされると丁度同じように、屈折率変化の影響は、定在波のナ ルの近くで最少限にされる。図５に関し、活性領域20の近くの屈折率と軸モード の定在波パターン34が示されている。いずれかの側の屈折率における周期的ステ ップは、当該技術で標準的な、各層の厚さが光波の１／４のブラッグレフレクタ ーに送られる。図５に示された活性領域20は、１つの厚さ１００ÅのＩｎＧａＡ ｓ量子井戸を有する。この他の多くの活性領域が可能であり、本発明はこれに限 定されるものではない。プロットは、図４の領域２の軸方向横断面図に対応する 。電気絶縁用スロット27の屈折率は、真空について妥当な１．０に設定される。 軸モードは、当該技術で公知の伝送マトリックス技術を用いて計算 される。スロット27は、定在波のナルに中心が位置され、この例では３００Åの 厚さに選択された。定在波のナルの近くに位置するスロット（複数でもよい）は 、この他の多くの位置や厚さがあり得ることは明らかである。活性領域20に注入 される前の電流30の広がりを最少限にするには、スロット27を活性領域の近くに 保つことが好ましい。また、電流絞り込みスロット27は、活性領域20のｐ型の側 に位置させることが好ましく、これは、活性領域20の中の正孔の比較的低い拡散 係数のためである。キャリヤーの外側への拡散がスロット27の電流絞り込み作用 と反対の作用をするため、比較的低い拡散係数が好ましい。 伝送マトリックス技術を用い、領域１と領域２の反射率が計算されることがで きる。図６の挿入図は典型的な反射率のスペクトルを示す。分布型ブラッグレフ レクター14と26は、高反射率の限られたバンドを有する。中央付近の共振は、キ ャビティの光路長によって決められ、レイジング波長λ_cを特定する。図６の大 きめのプロットは、領域１と領域２についてのキャビティ共振の詳細を示す。２ つの共振は、０．５ｎｍに等しいΔλ_cの値でシフトされる。小さなシフトの制 約の中で、ＶＣＳＥＬキャビティの屈折率ガイドによる横光モードは、次の式を 用いて計算できることが知られている。 Δｎ／ｎ_eff＝Δλ_c／λ_c （１） ここで、Δｎは領域１と領域２の間の有効屈折率の変化、ｎ_effは有効屈折率で ある。式（１）を用いると、２つの領域の反射率スペクトルが分かれば、横光モ ードが計算されることができる。これから、電気絶縁用スロット27がどの程度ま で薄くなければならないかの基準が定量化されることができる。 コア屈折率ｎ_coreとクラッディング屈折率ｎ_clad＝ｎ_core−Δｎの円筒状導波 管についての横光モードは、ＨＥとＥＨのモードとし て知られる。基本モードはＨＥ₁₁モードである。モードは一般に、光強度が中心 の強度の（１／ｅ）²又は０１３５倍に低下する半径ω_oによって特徴づけられる 。ビーム直径２ω_o（ビームウェストとしても知られる）が、キャビティモード Δλcのシフトの関数として図７にプロットされており、ここで、コア直径は５ μｍ、有効屈折率ｎ_eff＝３．２５、キャビティ共振λ_c＝１０００ｎｍとしてい る。破線は、ビームウェストが図４の領域１から領域２まで横切る場所を示す。 図７において、Δλ_cが１ｎｍ未満又は０．１％未満のλ_cになると横光モード32 が急速に外に広がることが明らかである。単モード動作のためには、スロットの 形成後の０．０５％未満の軸キャビティモードの共振の部分的シフトが望ましい 。好ましい態様は、もう１つのより大きい直径の屈折率不連続を使用し、横光モ ード32を画成し、式（１）を用い、電流絞り込みスロット27が制約的因子でない ことを保証する。この仕方において、横光モード32は適切に画成され、バイアス 電流によって変化することが多い熱的に誘引される屈折率のシフトのような微妙 な作用に依存しない。 光学的観点からは、スロット27は出来るだけ薄くすることが望ましい。電気的 ・技術的観点からは、より厚いスロットはより高い破壊電圧を有し、作成がより 容易である。スロット27を軸モード定在波のナルの近くに位置させることにより 、より厚いスロットが使用されることができる。図８は、λ_c＝１０００ｎｍで の動作のために設計されたＶＣＳＥＬについてのキャビティモード共振Δλcの シフトの例を示し、ここで、ＡｌＡｓ層は選択的エッチングによって空気スロッ トに転化される。２つの線が示されており、１つは図５と同様に軸方向定在波の ナルに中心を置くスロットを有し、もう１つはスロットが軸方向定在波ピークに 中心を置く。双方の線にお いて、スロット27は、交互のＡｌＡｓとＧａＡｓ層の１５周期の分布型ブラッグ レフレクターの間のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓキャビティの中に位置される。キャビテ ィ内の位置のみが変化される。Δλ_c≦０．５ｎｍの好ましい設計は、ナルに位 置された場合は３００Å以下のスロット厚さを必要とし、ピークに位置された場 合は１０Å以下のスロット厚さを必要とする。したがって、電気絶縁用スロット 27が軸定在波のナルの近くに位置されると、横光モードを絞り込むことなく、絞 り込まれた電流閉じ込めを実現することがはるかに容易である。 図５〜８に示された詳細な設計は、本発明の効果的な実施を説明するための例 として用いた。例示の通りのスロット厚さや制約事項は種々の材料系やレイジン グ波長については相違するが、原理と設計技術は同じである。数多くの異なる態 様が可能である。図９は、本発明によるもう１つのＶＣＳＥＬの詳細な横断面図 であり、大きめの直径の絞り込みを画成する厚めの電気絶縁用スロット38と、小 さめの直径の絞り込みを画成する薄めの電気絶縁用スロット27を組み合わせてい る。厚めのスロット38は大きい軸キャビティモードのシフトをもたらし、このた め横光モード32を閉じ込め、一方で、薄めのスロット27は電流30を絞り込むに過 ぎない。この構造は、より効率的な単一横モード動作を備えた、首尾よく画成さ れたモード直径の特長を有する。図１０は、本発明によるもう１つのＶＣＳＥＬ の詳細な横断面図であり、薄めの絶縁用スロット27のペアを示す。このような構 造は、活性領域20への電子と正孔の双方の注入を絞り込むことによって外側への キャリヤー拡散を最少限にする特長を有する。図１１は、本発明によるもう１つ のＶＣＳＥＬの詳細な横断面図であり、厚めのスロット38と組み合わされた薄め のスロット27を示す。この設計は、図９の態様と同じ特長を有するが、より容易 に作成されることができる。反応体の移動上の制約のため、層の厚さが薄くなる と、湿式エッチングや湿式酸化のような多くの選択的技術が遅くなる。薄めのス ロット27に厚めのスロット38を組み合わせることにより、薄めのスロットは、厚 いスロットのエッジを１〜３μｍ越えて広がることのみを必要とする。このため 、図１１に示された組み合わせのスロットの態様は、反応体の移動上の制約を除 き、直径数１０μｍ以上のメサに選択的技術を適用することを容易にする。図５ に見られるように、軸モードの定在波は、ミラースタックを備えた低屈折率層の 外側エッジにナルを有する。ここで、１つのとりわけ好都合な配置は、厚いスロ ット38としてミラースタック14又は26の中に第１の低屈折率層36を使用し、薄め のスロット27を活性領域20から離れたエッジに位置させることである。第１低屈 折率層36をＡｌ_yＧａ_1-yＡｓから、薄めのスロット27をＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（ｚ＞ ｙ）から作成することによって厚めのスロット38が形成されることができ、ミラ ースタック14又は26の中の残りの露出された低屈折率層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｙ ＞ｘ）から作成される。湿式エッチング又は酸化の速度は、当該技術で公知のよ うに、アルミニウム含有率が増すと高くなる。アルミニウム含有率に伴う選択性 や速度変化は極めて強いことができ、したがって、設計から又はロット毎の僅か な偏差が、プロセス制御にかなり影響を及ぼすことがある。このため、再現性の ある結果を得るため、二成分又は三成分材料のデジタル超格子を用いて効果的な 合金を生成させることが好ましいことがある。 図１２は、本発明によるもう１つのＶＣＳＥＬの詳細な横断面図であり、第１ 接触層22の中に位置された組み合わせの厚めのスロット38と薄めのスロット27を 使用する。環状の第１電極12が、第１接触層22と接触して位置されている。第１ 接触層22は厚くされ、図５ の低屈折率層36について示されたように、適切な位置にスロット27と38を位置さ せることを可能にする。図１２に示された構造は、絶縁材料が第１ミラースタッ ク14に使用されることを可能にするといった特長を有する。この他のあり得る態 様は、導電性ミラー層の複数の周期と、次いで環状電極12を使用する。 本発明の効果的な実施のためには、電流集中と電流広がりの作用を考慮しなけ ればならない。電流集中は、電気絶縁用スロット27のエッジの付近で生じるが、 これは、電流30が、第１電極12と第２電極16の間の最も低い抵抗の経路を見つけ るためである。電流の絞り込みは接触直径よりも小さいため、電流はエッジに集 中する傾向にあり、とりわけ接触抵抗が低いときでバイアス電流が高い場合がそ うである。電気絶縁用スロット27と活性領域20の間で電流が外側に広がるため、 電流の広がりが生じる。活性領域の電圧低下は電流密度に比例するため、より大 きい活性領域面積を電流が通過するときに、より低い電圧低下としたがってより 低い抵抗が生じる。この電流広がり効果は、ダイオード抵抗が高い場合、レイジ ング閾値のような低バイアスにおいて特に重要である。米国特許第５３４３４８ ７号明細書に開示のように、電流集中効果は、電流絞り込みスロット27と活性領 域20の間に抵抗層を導入することによって最少限にされることができる。電流広 がりは、低い閾値のレイジング動作を得る上で大きな問題である。電流広がりは 、電流絞り込みスロット27と活性領域20の間のその材料のシート抵抗を高めるこ とによっても低下されることができる。シート抵抗は、スロット27と活性領域20 の間の材料の厚さを減らすことによって高められる。また、シート抵抗は、スロ ット27と活性領域20の間の材料中のキャリヤーの移動度又は濃度を減らすことに よっても高められる。図１３に関して、バイアス電流の範囲について、活性領域 20の中に注入された計算電 流密度プロフィル32が示されている。この計算は図１２に類似の構造についてで あり、補遺により詳細に説明されている。破線は５μｍの電流絞り直径としたと きの、活性領域20に注入される電流密度プロフィルを示す。活性領域の全体で電 流密度プロフィルを積分することによって見出される複数の電流バイアスが、１ つのスケール感度で示されている。レイジング閾値電流の代表的な低バイアスレ ベルにおいて、かなりの割合の外側への電流広がりを見ることができる。より高 いバイアスでは、電流は電流絞り込みの周りで集中し始め、エッジにピークがあ り、中央でより低い注入レベルを示すことが分かる。また、図１３に、９μｍの 直径において大きい屈折率不連続によって画成される３つの横光モードが示され ている。基本的な横光モードのＨＥ₁₁モードは、注入電流との最適な光オーバー ラップを有し、このため、横光モード32と、全く同じ電流フロー30の直径を有す る従来技術と比較して、レーザーは、単一横モードと高効率で動作することがで きる。 本発明によるレーザーが、図１４〜１６で、従来技術のレーザーと比較されて いる。図１４に関し、２つのＶＣＳＥＬについて、計算された電流と光の特性が 示されている。電流絞りと横モードの直径の他は、全ての構造特性が２つの計算 について同一である。従来技術を代表するレーザーは、直径７μｍの電流絞りと 光モードを有する。本発明によるレーザーは、薄めのスロット27によって画成さ れる直径５μｍの電流絞りと、厚めのスロット38によって画成される直径９μｍ のモードを有する。本発明によるレーザーの電流と光の特性は、図１３に示され たような光と電流の改良されたオーバーラップのため、改良された効率と改良さ れた線形性を示す。改良された効率と線形性は重要な利益であり、とりわけアナ ログ通信用途にあてはまる。 本発明による横光モードの安定化のより大きな見通しが、図１５と１６を参照 することによって得られる。図１４に示された双方の電流と光の計算は、基本横 モードのＨＥ₁₁のみがレイジングしていると仮定している。図１３に示されたＨ Ｅ₂₁とＨＥ₁₂のモードによってうまく表される、多数のこの他のより高い次数の 横モードも存在する。多くの用途について、レーザーは単一横光モードで光パワ ーを放出することが望ましい。このような用途には、レーザープリント、単一モ ード光通信、及びセンサーが挙げられる。電流と光の曲線の途中で、従来技術の デバイスでのキャリヤー密度は、弱いモード強度のために光モードのエッジで増 加する。周囲でのキャリヤー密度の増加は、より高い次数の横モードに対してよ り高い利得をもたらし、一般に、多数の横モードを有するレーザー動作をもたら す。このような不都合なマルチモード動作は、本発明の実施によって回避される ことができる。図１５と１６は、それぞれ従来技術と本発明によるレーザーの電 流と光の曲線の途中の、３つの横光モードのそれぞれについての往復モード利得 を示す。レイジングＨＥ₁₁モードの利得は、望まれるように一定である。図１５ に関して、空間正孔バーニングのため、より高い次数のモードについての往復モ ード利得が増加する。より高い次数のモードについてのより高い光ロスは、それ らの閾値利得を、１．５３％の基本閾値利得より若干超えさせる。ここで、過度 の付加的な光ロスがなければ、レーザーは、より高いバイアスレベルでマルチモ ード動作を有することが予想されるであろう。このことは、従来技術のＶＣＳＥ Ｌに観察される挙動である。図１６に関して、より高い次数の横モードの往復利 得は決して基本のそれを超えず、単一横モード動作を保証する。このような安定 化された単一モード動作は、電流30を横光モード30よりもかなり小さい直径に絞 り込み、それによって空間正孔バーニン グ効果を解消することの直接的結果である。 上記の例において、円筒状構造を想定し、特定の計算は、活性領域20にＩｎＧ ａＡｓ量子井戸を有するＡｌＧａＡｓのＶＣＳＥＬについてであった。本発明の 基礎となる物理的原理は非常に普遍的であり、四角又は長方形の絞り込みや、リ ン化物や窒化物を基礎にした半導体などのその他の幾何形状や材料に広く適用可 能である。本発明は、赤外、可視及び紫外の波長を放出するＶＣＳＥＬに適用可 能である。本発明は、電気ポンピング式だけでなく光ポンピング式ＶＣＳＥＬに も適用可能である。図１０に示された構造は、光ポンピング式ＶＣＳＥＬに特に 有用であり、電子と正孔の双方が、活性領域20の各々の側で発生されることがで きる。この態様は、各活性領域20の周りにスロット27のペアを位置させることに よって、多数活性領域を有する光ポンピング式ＶＣＳＥＬにも拡張されることが できる。 以上、本発明を特定の態様を参照しながら説明した。この開示事項を参照すれ ば、当業者にはこの他の態様も明らかであろう。したがって、本発明は、請求の 範囲の特定事項の他には限定されるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，Ａ Ｕ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ， ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ 【要約の続き】 ことによってレーザーの単一横モード動作を保証する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．活性領域、 共振キャビティを形成する第１と第２のミラースタックであって、その第１ミ ラースタックはその活性領域の上に配置され、その第２ミラースタックはその活 性領域の下に配置され、それらの少なくとも１つがレーザー光の部分放出を可能 にする第１と第２のミラースタック、 その活性領域を通る電流フローを生じさせるように配置された第１と第２の電 極、 そのそれぞれの第１電極と第２電極に電気接触するその活性領域の第１と第２ の側面のそれぞれの上の第１接触領域と第２接触領域であって、それぞれが、活 性領域を通る電流を分配するための電流経路を提供する第１接触領域と第２接触 領域、及び 活性領域を通って活性領域の中央付近の領域に流れる電流を誘導するための、 その活性領域の近くに位置する非導電性の電流アパーチャを形成する薄めの誘電 性スロットであって、垂直キャビティ表面を有するレーザー放出デバイス（ＶＣ ＳＥＬ）の基本光モードを絞り込まないように十分薄いスロット、を含んでなる 垂直キャビティ表面を有するレーザー放出デバイス。 ２．そのスロットによって形成される電流アパーチャが横光モードの直径の（ １／ｅ）²倍より小さく、それによってデバイス効率を改良する請求の範囲第１ 項に記載のデバイス。 ３．そのスロットによって形成される電流アパーチャが横光モードの直径の（ １／ｅ）倍より小さく、それによってデバイス効率を改良し、且つ単一モード動 作を保証する請求の範囲第１項に記載のデバイス。 ４．そのスロットが、その共振キャビティの中の軸定在波のナルの近くに位置 された請求の範囲第１項に記載のデバイス。 ５．そのスロットが、その共振キャビティの中の軸定在波のナルの近くに位置 された請求の範囲第２項に記載のデバイス。 ６．そのスロットが、その共振キャビティの中の軸定在波のナルの近くに位置 された請求の範囲第３項に記載のデバイス。 ７．多数の誘電性スロットをさらに備えた請求の範囲第１項に記載のデバイス 。 ８．多数の誘電性スロットをさらに備えた請求の範囲第２項に記載のデバイス 。 ９．多数の誘電性スロットをさらに備えた請求の範囲第３項に記載のデバイス 。 １０．そのスロットが、狭いアパーチャを形成するが光モードを絞り込まない 薄めの部分と、横光モードを画成するより広いアパーチャを形成する厚めの部分 を有する請求の範囲第１項に記載のデバイス。 １１．活性領域、 共振キャビティを形成する第１と第２のミラースタックであって、その第１ミ ラースタックはその活性領域の上に配置されてレーザー光が放出されることがで きる１つの表面を有し、その第２ミラースタックはその活性領域の下に配置され た第１と第２のミラースタック、 その活性領域を通る電流フローを生じさせるように配置された第１と第２の電 極、 そのそれぞれの第１電極と第２電極に電気接触するその活性領域の第１と第２ の側面のそれぞれの上の第１接触領域と第２接触領域であって、それぞれが、活 性領域を通る電流を分配するための電流 経路を提供する第１接触領域と第２接触領域、及び 活性領域を通って活性領域の中央付近の領域に流れる電流を誘導するための電 流アパーチャを形成する、その第１接触領域に形成された薄めの誘電性絶縁用ス ロットであって、垂直キャビティ表面を有するレーザー放出デバイス（ＶＣＳＥ Ｌ）の基本光モードを絞り込まないように十分薄いスロット、を含んでなる垂直 キャビティ表面を有するレーザー放出デバイス。 １２．その第１スロットの上に第２誘電性絶縁用スロットをさらに備え、その 第２スロットはより効果的に電流を通過防止するためにその第１スロットより厚 く、その第２スロットは、そのＶＣＳＥＬの光モードを妨害しないようにその第 １スロットよりもそのＶＣＳＥＬキャビティの中央方向に小さく延在する請求の 範囲第１１項に記載のデバイス。 １３．その活性領域の下に第２の薄めの誘電性絶縁用スロットをさらに備え、 ２つの電流アパーチャを有する請求の範囲第１１項に記載のデバイス。 １４．その薄めのスロットは厚めのスロットの拡張であり、その厚めのスロッ トはそのＶＣＳＥＬキャビティの中央の方に延在してその薄めのスロットよりも 大きい絞りを画成し、その薄めのスロットはその厚めのスロットよりもそのＶＣ ＳＥＬキャビティの中央の方にさらに延在し、その厚めのスロットは横光モード と電流を絞り込み、一方で、その薄めのスロットは電流のみを絞り込む請求の範 囲第１１項に記載のデバイス。 １５．その薄めのスロットが、その共振キャビティの中の軸定在波のナルの近 くに位置された請求の範囲第１４項に記載のデバイス。 １６．その薄めのスロットが、選択的技術を用いてその厚めのス ロットの後で作成され、それによって、その薄めのスロットがその厚めのスロッ トの端部から僅かの距離で延在することを必要とするに過ぎないためにその作成 が容易にされた請求の範囲第１４項に記載のデバイス。 １７．その第１と第２のミラースタックの反射面の間隔、及びその活性領域と その第１と第２の接触層の厚さによって軸モードが画成され、その活性領域が、 軸モードの定在波パターンのピークに位置された請求の範囲第１１項に記載のデ バイス。 １８．その第１と第２の接触層の１つがｐ型接触層であり、他方がｎ型接触層 であり、そのスロットが、正孔電流フローを絞り込むように活性領域のｐ型層の 側に位置された請求の範囲第１１項に記載のデバイス。 １９．横光モードを画成するために大きめの直径の屈折率不連続が使用され、 スロットが制約的因子でないように、 式： Δｎ／ｎ_eff＝Δλ_c／λ_c が使用された請求の範囲第１１項に記載のデバイス。 ２０．そのスロットが軸モード定在波のナルに位置され、２５０〜３５０Åの 厚さを有する請求の範囲第１１項に記載のデバイス。 ２１．その厚めのスロットが、そのミラースタックの第１の低屈折率の１つの 中に形成され、その薄めのスロットが、活性領域から離れてその厚めのスロット のエッジに位置された請求の範囲第１１項に記載のデバイス。 ２２．その厚めのスロットが、その第１低屈折率層をＡｌ_yＧａ_1-yＡｓから作 成することによって形成され、その薄めのスロット27はＡｌ_zＧａ_1-zＡｓから形 成され、ここでｚ＞ｙであり、そのミラースタックの中の残りの露出された低屈 折率層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓから作成され、ここでｙ＞ｘである請求の範囲第２１ 項に記 載のデバイス。 ２３．組み合わされた厚めのスロットと薄めのスロットがその第１接触層の中 に位置され、その第１電極はその第１接触層と接触して位置された環状電極であ り、その第１接触層は、低屈折率層として組み合わせスロットが適切な位置に配 置されることを可能にするために厚めにされ、絶縁性材料が第１ミラースタック として使用されることを可能にした請求の範囲第１１項に記載のデバイス。 ２４．その活性領域とそのスロットの間のその接触領域の少なくとも１つに非 線形増加する固有抵抗プロフィルをさらに備え、その増加性固有抵抗は、その活 性領域付近の固有抵抗が、その第１又は第２電極に接触する固有抵抗より少なく とも１桁大きく、その活性領域の周囲エッジの電流集中を最少限にする請求の範 囲第１１項に記載のデバイス。 ２５．活性領域、 共振キャビティを形成する第１と第２のミラースタック、 その活性領域を通って流れる電流を生じさせるための第１と第２の電極、及び そのそれぞれの第１電極と第２電極に接触する活性領域の各側面上の第１接触 領域と第２接触領域であって、それぞれが、活性領域を通る電流を分配するため の電流経路を提供する第１接触領域と第２接触領域、を有する垂直キャビティ表 面を有するレーザー放出デバイス（ＶＣＳＥＬ）のレーザー効率を高める方法で あって、 その接触領域の少なくとも１つに薄めの誘電性絶縁用スロットを作成し、活性 領域を通って活性領域の中央付近の領域に流れる電流を誘導するための電流アパ ーチャを形成し、そのスロットは、そのＶＣＳＥＬの基本光モードを大きく絞り 込まない程度に十分薄い、ＶＣＳＥＬのレーザー効率を高める方法。 ２６．その薄めのスロットが、その接触層が形成された後、そのスロットの選 択的サイドエッチングプロセスによって作成された請求の範囲第２５項に記載の 方法。 ２７．その選択的サイドエッチングが湿式エッチングプロセスである請求の範 囲第２５項に記載の方法。 ２８．その薄めのスロットを作成する工程の前に、その接触領域の少なくとも １つに厚めの絶縁用スロットを作成する工程をさらに含み、その厚めのスロット は、活性領域を通って活性領域の中央付近の領域に流れる電流を誘導するための 電流アパーチャを形成し、その厚めのスロットは、そのＶＣＳＥＬの基本光モー ドを絞り込まない程度に十分厚く、その薄めのスロットは、その厚めのスロット の後に形成され、その厚めのスロットの拡張である請求の範囲第２５項に記載の 方法。