特開 2024-70244 多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザーおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024070244

(43)【公開日】2024-05-22

(54)【発明の名称】多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザーおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20240515BHJP

   H01S 5/42 20060101ALI20240515BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20240515BHJP

   H01S 5/34 20060101ALI20240515BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

H01S5/42

H01S5/343

H01S5/343 610

H01S5/34

【審査請求】有

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023188085

(22)【出願日】2023-11-02

(31)【優先権主張番号】18/054186

(32)【優先日】2022-11-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】523416014

【氏名又は名称】ブライトレーザ・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｂｒｉｇｈｔｌａｓｅｒ Ｌｉｍｉｔｅｄ

【住所又は居所原語表記】Ｒｍ ２１５， １６Ｗ， Ｐｈａｓｅ ＩＩＩ， Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ， Ｎ．Ｔ．， Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ

(74)【代理人】

【識別番号】110000420

【氏名又は名称】弁理士法人ＭＩＰ

(72)【発明者】

【氏名】ユフイ、ルオ

(72)【発明者】

【氏名】チューユエン、チャン

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AC03

5F173AC13

5F173AC15

5F173AC26

5F173AC36

5F173AC42

5F173AC53

5F173AD10

5F173AF03

5F173AF04

5F173AF96

5F173AG03

5F173AG05

5F173AH02

5F173AH03

5F173AH22

5F173AP33

5F173AP67

5F173AR14

5F173AR23

(57)【要約】      （修正有）

【課題】多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザーを提供する。
【解決手段】多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）１０は、電気的ｎ接触層１００と、電気的ｎ接触層上に配置された半導体基板１０２と、半導体基板上に配置されたエッチ・ストップ層１０４と、エッチ・ストップ層上に配置された第１の複数の半導体材層を含むｎ型半導体分布ブラッグ反射器（ｎＤＢＲ）１０６と、ｎＤＢＲ上に配置された複数の活性領域１０８を含むレーザーキャビティと、レーザーキャビティ上に配置されたハイブリッド金属－半導体反射器１１０を含む。ハイブリッド金属－半導体反射器は、第２の複数の半導体材層を含むｐ型半導体分布ブラッグ反射器（ｐＤＢＲ）１１０ａと、ｐＤＢＲ上に配置された位相整合層１１０ｂおよび位相整合層上に配置された金属反射器１１０ｃと、ハイブリッド金属－半導体反射器上に形成された電気的ｐ接触層１１２を含む。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気的ｎ接触層（１００）と、
前記電気的ｎ接触層（１００）上に配置された半導体基板（１０２）と、
前記半導体基板（１０２）上に配置されたエッチ・ストップ層（１０４）と、
前記エッチ・ストップ層（１０４）上に配置された第１の複数の半導体材層を含むｎ型半導体分布ブラッグ反射器（ｎＤＢＲ）（１０６）と、
前記ｎＤＢＲ（１０６）上に配置された複数の活性領域（１０８）を含むレーザーキャビティと、
前記レーザーキャビティ上に配置されたハイブリッド金属－半導体反射器（１１０）と
を含む多接合底面発光垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）（１０）であって、
前記ハイブリッド金属－半導体反射器（１１０）は、第２の複数の半導体材層を含むｐ型半導体分布ブラッグ反射器（ｐＤＢＲ）（１１０ａ）と、前記ｐＤＢＲ（１１０ａ）上に配置された位相整合層（１１０ｂ）および前記位相整合層（１１０ｂ）上に配置された金属反射器（１１０ｃ）と、前記ハイブリッド金属－半導体反射器（１１０）上に形成された電気的ｐ接触層（１１２）とを含む、多接合底面発光ＶＣＳＥＬ。

【請求項2】

前記電気的ｎ接触層（１００）、前記半導体基板（１０２）、およびエッチ・ストップ層（１０４）は、発光レーザーに用いるための発光窓（１１４）を含む環形状として構成され、前記電気的ｐ接触層（１１２）は、電流注入に用いられる、請求項１に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項3】

前記ｎＤＢＲ（１０６）、前記エッチ・ストップ層（１０４）、前記半導体基板（１０２）、および前記電気的ｎ接触層（１００）は、円形断面を有して延びているメサとして構成されている、請求項１に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項4】

前記ハイブリッド金属－半導体反射器（１１０）は、非出光鏡として構成され、前記ｎＤＢＲ（１０６）は、出光鏡として構成されている、請求項１に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項5】

前記ｎＤＢＲ（１０６）中の前記第１の複数の半導体材層のそれぞれは、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）ベース基板上のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）と、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベース基板上の窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）と、リン化インジウム（ＩｎＰ）ベース基板上のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）とを含む、請求項１に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項6】

ｐＤＢＲ（１１０ａ）中の前記第２の複数の半導体材層のそれぞれは、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）ベース基板上のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）と、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベース基板上の窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）と、リン化インジウム（ＩｎＰ）ベース基板上のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）とを含む、請求項１に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項7】

前記レーザーキャビティ中の前記複数の活性領域（１０８）の各層は、歪または無歪の多重量子井戸（１０８ａ）構造からなる、請求項１に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項8】

歪または無歪の多重量子井戸（１０８ａ）構造のそれぞれは、互いに間隔を空けており、トンネル接合（１０８ｃ）により電気的におよび伝導的に接続され、電流狭窄層（１０８ｂ）により狭窄されている、請求項７に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項9】

前記トンネル接合（１０８ｃ）は、伝導型の異なる少なくとも２つのドープ半導体層を含む、請求項８に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項10】

ウェット酸化により前記電流狭窄層（１０８ｂ）上に形成された電流狭窄開口（１０８ｄ）をさらに含む、請求項８に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項11】

前記金属反射器（１１０ｃ）は、少なくとも１層の金属または少なくとも１層の合金を含む、請求項１に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項12】

前記金属は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、または白金を含み、前記合金は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、または白金を含む、請求項１０に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）。

【請求項13】

多接合底面発光垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）（１０）の製造方法であって、
半導体基板（１０２）を供給すること、
前記半導体基板（１０２）上にエッチ・ストップ層（１０４）をエピタキシャルに配置すること、
前記エッチ・ストップ層（１０４）上に第１の複数の半導体材層を含むｎ型半導体分布ブラッグ反射器（ｎＤＢＲ）（１０６）をエピタキシャルに配置すること、
前記ｎＤＢＲ（１０６）上に多重量子井戸（１０８ａ）構造を含む複数の活性領域（１０８）をエピタキシャルに配置すること、
前記複数の活性領域（１０８）上に位置を揃え順序立てて、第２の複数の半導体材層を含むｐ型半導体分布ブラッグ（ｐＤＢＲ）（１１０ａ）反射器と位相整合層（１１０ｂ）とをエピタキシャルに配置すること、
前記ｎＤＢＲ（１０６）上のメサ、前記エッチ・ストップ層（１０４）および前記半導体基板（１０２）を形成すること、
前記位相整合層（１１０ｂ）上に前記金属反射器（１１０ｃ）を配置すること、
電流注入のために前記金属反射器（１１０ｃ）上に電気的ｐ接触層（１１２）を形成すること、
前記半導体基板（１０２）および前記エッチ・ストップ層（１０４）を薄くして選択的に除去すること、ならびに
前記半導体基板（１０２）の裏側に電気的ｎ接触層（１００）を形成すること
を含む方法。

【請求項14】

発光レーザーに用いるために、前記電気的ｎ接触層（１００）、前記半導体基板（１０２）、および前記エッチ・ストップ層（１０４）中に発光窓（１１４）を形成することをさらに含む、請求項１３に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）の製造方法。

【請求項15】

前記ｎＤＢＲ（１０６）上の前記メサ、前記エッチ・ストップ層（１０４）、および前記半導体基板（１０２）を前記形成することは、ドライまたはウェット・エッチングによって行われる、請求項１３に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）の製造方法。

【請求項16】

前記複数の活性領域（１０８）のそれぞれを前記エピタキシャルに配置することは、前記多重量子井戸（１０８ａ）構造を接続するためのトンネル接合（１０８ｃ）を形成すること、および前記電流注入を狭窄するための電流狭窄層（１０８ｂ）を形成することをさらに含む、請求項１３に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）の製造方法。

【請求項17】

前記電流狭窄層（１０８ｂ）を前記形成することは、前記電流狭窄層（１０８ｂ）を酸化すること、および前記電流狭窄層（１０８ｂ）上に電流狭窄開口（１０８ｄ）を形成することをさらに含む、請求項１６に記載の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ（１０）の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、底面発光型垂直キャビティ面発光レーザー、具体的にはハイブリッド金属－半導体反射器を備える多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザーと、その製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

典型的な垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、基板の平面に対し垂直な方向を持つ成分のための光学的共鳴キャビティの構造を有し、それゆえに出力レーザービームは、鏡の上面および底面から出射される。出光鏡は、典型的には、反対側の非出光鏡よりも僅かに反射性が低い。一般に、複層の薄膜の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を用いるＶＣＳＥＬの典型的な共鳴キャビティは、半導体層から構成される。この典型的なＶＣＳＥＬでは、出光鏡が９８％～９９％の反射率を有するのに対し、非出光鏡が法線入射での所定波長で９９．９％超の反射性を達成することが求められるように、鏡が設計される。別のタイプの設計では、底部鏡が出光鏡の役割を果たし、ゆえに上部鏡はそれよりも高い反射率を有し、非出光鏡の役割を果たす。層の屈折率の差異を推計して高率の反射率を得るには、鏡のみを有するＤＢＲの数は、７８０ｎｍから９８０ｎｍまでの範囲の波長では、１つの積層あたり３６対から最大で４４対までに及ぶ。それゆえに、材質を向上するため、ＤＢＲ対の数を低減するための単純な方法を有する必要がある。

【0003】

したがって、金属鏡は、ＶＣＳＥＬにおいて反射器として使用することができる。金属鏡は透明ではないことから、出光鏡よりも反射性の高い非出光鏡の役割を果たすものとなる。金属鏡で９９．９％超の反射性を達成することは、ＤＢＲ対の数と金属材料の選択とに主に依存するものとなる。金属の選択は、目的とする波長に依存する。Ａｇ、Ａｕ、またはＡｌなどの典型的な金属は、目的とするある波長範囲で９９．０％未満の反射率を有する。可視スペクトル（３８０ｎｍ～７４０ｎｍ）では、Ａｇの反射率は、波長３８０ｎｍで約９５％に過ぎない。そのため、非出光鏡の反射性が反射率９９．９％に達しない場合には、レーザーキャビティの閾値利得の増加に繋がるものとなる。さらに、閾値利得を得るのに必要な活性領域によってもたらされる利得は、光学的吸収およびＤＢＲ反射を特徴付ける往復キャビティ損失によって、追加的に決定される。ゆえに、閾値電流密度を低減するために高い反射率の非出光鏡ＶＣＳＥＬを有する必要がある。

【0004】

中国特許第１１０８２９１７８Ａ号は、環構造下、輪状構造の低分布ブラッグ反射器型の垂直キャビティ面発光半導体レーザーを開示している。本発明の環構造下の分布ブラッグ反射器を有する垂直キャビティ面発光半導体レーザーは、上部電極、オーム接触層、上部分布ブラッグ反射器、酸化物狭窄層、活性利得領域、および下部分布ブラッグ反射器、基板、下部電極を有し、上部電極、酸化物狭窄層の形状は、同じ内径を有する環であり、この環の幅は３μｍ～５μｍであり、環の外径は１１５μｍ～１２５μｍである。下部分布ブラッグ反射器、基板および下部電極中央部には、円柱状の中空の領域が存在する。しかし、前記構造は、高い反射率を垂直キャビティ面発光半導体レーザーに付与することができず、このことは、レーザーキャビティの閾値利得の増加に繋がるものとなる。ゆえに、嵩的に半分以上のサイズの分布ブラッグ反射器において光学的吸収損失を低減すると同時に閾値電流密度を減少させることができるように、高い反射率を有する垂直キャビティ面発光半導体レーザーの構造を提供する必要がある。

【0005】

米国特許第２０１３０３４１１７Ａ１号は、垂直キャビティ面発光レーザーの改善された方法および装置を開示している。前記装置は、半導体基板、基板上の垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、ＶＣＳＥＬ上に形成された第１の電気的接触、基板上に形成された第２の電気的接触を含み、上記ＶＣＳＥＬは、第１の鏡および第２の鏡を有する第１の共鳴キャビティを含み、それらの鏡のうち少なくとも１つは、その鏡へ入射した光を部分的に伝送し、上記第１の鏡および第２の鏡は、電気的に伝導性である。第１の層が、第１の鏡と第２の鏡との間にあり、電流路を制限する第１の開口を有する。第２の層が、第１の層と第２の鏡との間にあり、やはり電流路を制限する。多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が、第１の鏡と第２の鏡との間にあり、そこでは、第１の開口および第２の開口が共に、ＭＱＷ構造を通る電流の幾何学的配置を画定する役割を果たす。しかし、方法および装置の本発明には、反射性を増加させる開示がない。しかし、前記構造は、高い反射率をＶＣＳＥＬに付与することができず、このことは、レーザーキャビティの閾値利得の増加に繋がるものとなる。そのため、嵩的に半分以上のサイズの分布ブラッグ反射器において光学的吸収損失を低減すると同時に閾値電流密度を減少させることができるように、高い反射率を有するＶＣＳＥＬの構造を提供する必要がある。

【0006】

中国特許第１１３２０６４４６Ａ号は、伝導性酸化物ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）に基づく窒化物型垂直キャビティ面発光レーザーの製造方法を開示しており、ここでは、レーザーは、支持基板、第１の反射器、電流制限層、ｐ型層、活性領域、ｎ型層、第２の反射器、およびｎ電極を、連続的に積層して含み、第１の反射器および第２の反射器はそれぞれ、ｐ型伝導性酸化物ＤＢＲおよびｎ型伝導性酸化物ＤＢＲから構成され、分布ブラッグ反射器は、伝導性を有する酸化物材からなり、窒化物型垂直キャビティ面発光レーザーの反射器として用いられる。しかし、本方法は、窒化物材型ＶＣＳＥＬ構造に適用可能であるに過ぎない。そのため、ヒ化ガリウムやリン化インジウムなどのＤＢＲ材ＶＣＳＥＬ構造の用途をさらに広げる必要がある。

【発明の概要】

【0007】

本発明の目的は、ハイブリッド金属－半導体鏡を有する多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザーを提供することであり、このハイブリッド金属－半導体鏡は、高い反射性を提供し、嵩的に半分以上のサイズのＤＢＲにおいて光学的吸収損失を低減する非出光鏡の役割を果たす。

【0008】

また、本発明の目的は、往復利得を増加させることによって出力を上げ、ゆえに同時に閾値電流密度を減少させて微分量子効率を増加させることのできる、多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザーを提供することである。

【0009】

さらに、本発明の目的は、ハイブリッド金属－半導体鏡を有する多接合底面型垂直キャビティ面発光レーザーの様々なＤＢＲ材を提供することであり、のハイブリッド金属－半導体鏡は、ヒ化ガリウム、ＧａＡｓベース基板、窒化ガリウム、ＧａＮベース基板、およびリン化インジウム、ＩｎＰベース基板を含む。

【0010】

したがって、これらの目的は、下記の本発明の教示によって達成され得る。本発明は、電気的ｎ接触層と、電気的ｎ接触層上に配置された半導体基板と、半導体基板上に配置されたエッチ・ストップ層と、エッチ・ストップ層上に配置された第１の複数の半導体材層を含むｎ型半導体分布ブラッグ反射器（ｎＤＢＲ）と、ｎＤＢＲ上に配置された複数の活性領域を含むレーザーキャビティと、レーザーキャビティ上に配置されたハイブリッド金属－半導体反射器とを含む、多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）に関し、上記ハイブリッド金属－半導体反射器は、第２の複数の半導体材層を含むｐ型半導体分布ブラッグ反射器（ｐＤＢＲ）と、ｐＤＢＲ上に配置された位相整合層および位相整合層上に配置された金属反射器と、ハイブリッド金属－半導体反射器上に形成された電気的ｐ接触層とを含む。

【0011】

本発明の特徴は、本発明の好適な実施形態の添付の図面と併せて読んだ際にさらに容易に理解し認識するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザーの構造の断面模式図である。

【図2】図１による多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザーの構造におけるメサの断面模式図である。

【図3】図１による電流狭窄層の酸化後の断面模式図である。

【図4】図１による金属反射器および金属電極の形成の断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の原理の理解を促進する目的で、図面に例説され下記に記載の明細書に説明された実施形態を参照するものとする。本発明が、例説された実施形態に対する任意の変更および改変を含み、本発明の原理のさらに別の適用を含み、それらは本発明の関連する分野の当業者に通常生じるようなものであることを理解されよう。

【0014】

本発明は、電気的ｎ接触層１００と、電気的ｎ接触層１００上に配置された半導体基板１０２と、半導体基板１０２上に配置されたエッチ・ストップ層１０４と、エッチ・ストップ層１０４上に配置された第１の複数の半導体材層を含むｎ型半導体分布ブラッグ反射器（ｎＤＢＲ）１０６と、ｎＤＢＲ１０６上に配置された複数の活性領域１０８を含むレーザーキャビティと、レーザーキャビティ上に配置されたハイブリッド金属－半導体反射器１１０とを含む多接合底面発光垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）（１０）を教示し、ここでは、ハイブリッド金属－半導体反射器１１０は、第２の複数の半導体材層を含むｐ型半導体分布ブラッグ反射器（ｐＤＢＲ）１１０ａと、ｐＤＢＲ１１０ａ上に配置された位相整合層１１０ｂおよび位相整合層１１０ｂ上に配置された金属反射器１１０ｃと、ハイブリッド金属－半導体反射器１１０上に形成された電気的ｐ接触層１１２とを含む。

【0015】

本発明の好適な実施形態では、電気的ｎ接触層１００、半導体基板１０２、およびエッチ・ストップ層１０４は、発光レーザーに用いるための発光窓１１４を含む環形状として構成され、電気的ｐ接触層１１２は、電流注入に用いられる。

【0016】

本発明の好適な実施形態では、ｎＤＢＲ１０６、エッチ・ストップ層１０４、半導体基板１０２、および電気的ｎ接触層１００は、円形断面を有して延びているメサとして構成されている

【0017】

本発明の好適な実施形態では、ハイブリッド金属－半導体反射器１１０は非出光鏡であり、ｎＤＢＲ１０６は出光鏡である。ｎＤＢＲ１０６およびｐＤＢＲ１１０ａ層は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）ベース基板上のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）と、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベース基板上の窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）と、リン化インジウム（ＩｎＰ）ベース基板上のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）とを含む。

【0018】

本発明の好適な実施形態では、レーザーキャビティ中の複数の活性領域１０８の各層は、歪または無歪の多重量子井戸１０８ａの構造からなる。歪または無歪の多重量子井戸１０８ａの構造のそれぞれは、互いに間隔を空けており、トンネル接合１０８ｃにより電気的におよび伝導的に接続され、電流狭窄層１０８ｂにより狭窄されている。トンネル接合１０８ｃは、伝導型の異なる少なくとも２つのドープ半導体層を含む。また、電流狭窄開口１０８ｄが、ウェット酸化により電流狭窄層（１０８ｂ）上に形成されている。

【0019】

本発明の好適な実施形態では、金属反射器１１０ｃは、少なくとも１層の金属または少なくとも１層の合金を含み、ここでは、金属は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、または白金を含み、合金は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、または白金を含む。

【0020】

本発明はまた、多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）１０の製造方法を教示し、本方法は、半導体基板１０２を供給すること、半導体基板１０２上にエッチ・ストップ層１０４をエピタキシャルに配置すること、エッチ・ストップ層１０４上に第１の複数の半導体材層を含むｎ型半導体分布ブラッグ反射器（ｎＤＢＲ）１０６をエピタキシャルに配置すること、ｎＤＢＲ１０６上に多重量子井戸１０８ａ構造を含む複数の活性領域１０８をエピタキシャルに配置すること、複数の活性領域１０８上に位置を揃え順序立てて、第２の複数の半導体材層を含むｐ型半導体分布ブラッグ（ｐＤＢＲ）１１０ａ反射器と位相整合層１１０ｂとをエピタキシャルに配置すること、ｎＤＢＲ１０６上のメサ、エッチ・ストップ層１０４および前記半導体基板１０２を形成すること、位相整合層１１０ｂ上に金属反射器１１０ｃを配置すること、電流注入のために金属反射器１１０ｃ上に電気的ｐ接触層１１２を形成すること、半導体基板１０２およびエッチ・ストップ層１０４を薄くして選択的に除去すること、ならびに半導体基板１０２の裏側に電気的ｎ接触層１００を形成することを含む。前記方法は、発光レーザーに用いるために、電気的ｎ接触層１００、半導体基板１０２、およびエッチ・ストップ層１０４中に発光窓１１４を形成することをさらに含む。ｎＤＢＲ１０６上のメサ、エッチ・ストップ層１０４、および半導体基板１０２を形成することは、ドライまたはウェット・エッチングによって行われる。

【0021】

本発明の好適な実施形態では、複数の活性領域１０８のそれぞれをエピタキシャルに配置することは、多重量子井戸１０８ａ構造を接続するためのトンネル接合１０８ｃを形成すること、および電流注入を狭窄するための電流狭窄層１０８ｂを形成することをさらに含む。電流狭窄層１０８ｂを形成する前記方法は、電流狭窄層１０８ｂを酸化すること、および電流狭窄層１０８ｂ上に電流狭窄開口１０８ｄを形成することをさらに含む。

【0022】

多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザー１０構造のエピタクシ構造設計の断面模式図を図１に説明する。図１に説明するように、エッチ・ストップ層１０４、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器（ｎＤＢＲ）１０６、複数の活性領域１０８、ハイブリッド金属－半導体反射器１１０が、半導体基板１０２上にエピタキシャルに形成されている。ハイブリッド金属－半導体反射器１１０は、以下に限定されないが、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器（ｐＤＢＲ）１１０ａ層と位相整合層１１０ｂとを含む。

【0023】

ｐＤＢＲ１１０ａ層とｎＤＢＲ１０６層との両方は、屈折率の異なる半導体材によって形成される。使用する半導体ＤＢＲは、共鳴キャビティの厚さおよび対の数を設計するための適正かつ持続的な波長を有する屈折率の異なる材料からなる２つの層である。ｐＤＢＲ１１０ａとｎＤＢＲ１０６との両方の半導体材は、基板に格子整合している。基板は例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはＧａＮ基板とすることができる。ハイブリッド金属－半導体反射器１１０は非出光鏡であり、ｎＤＢＲ１０６は出光鏡である。

【0024】

図１にさらに説明するように、活性領域１０８は、以下に限定されないが、多重量子井戸１０８ａ、電流狭窄層１０８ｂ、およびトンネル接合１０８ｃを含む。各活性領域１０８は、歪または無歪の多重量子井戸１０８ａにより形成され、それらの井戸は、多接合底面発光ＶＣＳＥＬ１０の設計される適用に応じて、互いに障壁層により分かれている。歪または無歪の多重量子井戸１０８ａ構造のそれぞれは、互いに隔てられており、電気的におよび伝導的にトンネル接合１０８ｃによって接続され、電流狭窄層１０８ｂによって狭窄されている。そのため、複数の活性領域１０８では、様々な数の活性領域１０８を有して設計することができる。各活性領域１０８は、様々な数の多重量子井戸１０８ａを有する。各量子井戸１０８ａは、同じピーク利得を持つ利得スペクトルを有する。トンネル接合１０８ｃは、厚さ２０～４０ｎｍを有する伝導型の異なる少なくとも２つのドープ半導体層を含む。

【0025】

高性能トンネル接合１０８ｃは、抵抗が低く吸収損失が低くｐ型およびｎ型ドーピングレベルが高い材料を要する。トンネル接合１０８ｃは、ＶＣＳＥＬ１０の動作中は逆バイアスされている。電流は、トンネル効果によりそのような接合にわたって移動するが、電位差が依然としてその接合にわたって要求される。そのため、ＶＣＳＥＬ１０にわたる電位を、トンネル接合１０８ｃを通じて必要な電流を供給するように増加させなければならない。十分なトンネル効果を供給するために、トンネル接合１０８ｃの層を極めて高度にドープしなければならない。すなわち、トンネル接合１０８ｃの反対側で、ドーパント濃度１×１０^１９ｃｍ^－３以上がｎ型およびｐ型両方の不純物に求められる。

【0026】

高度にドープされたｐ型層のドーパントは、炭素、亜鉛、ベリリウム、またはマグネシウムである。高度にドープされたｐ型層について、本発明にてトンネル接合１０８ｃを形成するのに用いられる元素としては、以下に限定されないが、炭素が挙げられる。高度にドープされたｎ型層のドーピング元素は、例えば、シリコンまたはテルルとすることができる。高度にドープされたｎ型層について、トンネル接合１０８ｃを形成するのに用いられる元素としては、以下に限定されないが、テルルが挙げられる。

【0027】

ハイブリッド金属－半導体反射器１１０の第１の部分は、上記に開示されているようにｐＤＢＲ１１０ａと位相整合層１１０ｂとをエピタキシャルに成長させている。そこで、多接合底面発光型垂直キャビティ面発光レーザー１０構造のメサの断面模式図を図２に説明する。メサを複数の活性領域１０８の下へエッチングし、ｎＤＢＲ１０６層の始まりで止める。メサは、ドライまたはウェット・エッチングなどの任意の適したプロセスにより形成されている。典型的なドライ・エッチング・プロセスは、酸素イオン、塩素イオン、アルゴンイオン、窒素イオン、およびヘリウムイオンを用いるのに対し、ウェット・エッチング・プロセスは、硫酸またはリン酸のエッチングを用いる。本実施形態では、メサは、誘導結合プラズマを用いてドライ・エッチングされ、メサは、２０から５０ミクロン、または好ましくは約３０から４０ミクロンの径としてもよい。メサは概ね円形の断面を有する。

【0028】

電流狭窄開口１０８ｄは、多接合ＶＣＳＥＬ１０の閾値電流を低減するようにウェット酸化することによって電流狭窄層１０８ｂ上に形成される。図３は、電流狭窄層１０８ｂの酸化後の断面模式図を説明する。電流狭窄開口１０８ｄの外部酸化部は、概して輪状を有し、酸化が、メサのエッチングされた側壁から内側に向けて対称に延びている。そのため、電流狭窄開口１０８ｄはメサの中心にある。

【0029】

また、ハイブリッド金属－半導体反射器１１０は、次いでメサ・エッチングのプロセスの後に位相整合層１１０ｂの上に堆積される、金属反射器１１０ｃを有する。図４は、金属反射器１１０ｃと、ハイブリッド金属－半導体反射器１１０上の金属電極との形成に関する断面模式図を説明する。図４に示すように、ハイブリッド金属－半導体反射器１１０は、上部から下部まで、位相整合層１１０ｂおよび屈折率の異なる複数のｐＤＢＲ１１０ａ対以外に、金属鏡などの金属反射器１１０ｃも含み、この金属は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、白金のような材料から作製される。しかし、金属鏡１１０ｃはまた、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、クロム、白金から選択される、多層の金属または少なくとも合金に形成されるものとすることができる。ハイブリッド金属－半導体鏡１１０で高い反射を得るためにｐＤＢＲ層１１０ａは、金属鏡１１０ｃと組み合わせて用いるものとする。これにより、ＤＢＲのみの鏡よりも半分のサイズのＤＢＲの鏡を生じるものとする。そのため、本発明は、複合型かつ高反射率の上部鏡を与える、ハイブリッド金属－半導体鏡１１０を備えた多接合底面発光ＶＣＳＥＬ１０の製造を提供する。

【0030】

金、銀、白金のような金属の伝導性は無限ではなく、光は、金属の表面で反射すると、金属膜内を数十ナノメートル貫入し得る。そのため、金属膜からの光反射の位相変化は、貫入のゆえにπのみでなく余分のシフトを経る。光の反射を最大にするため、この位相シフトは補償されるべきであり、それは本発明では、位相整合層１１０ｂを挿入することによって実現することができる。ゆえに、前記位相整合層１１０ｂは、金属鏡１１０ｃとｐＤＢＲ１１０ａとの間に配置される。金属鏡１１０ｃからの反射光は、使用する金属多層の性質に応じた位相シフトを有する。そのため、定常波の機能を調整するためにｐＤＢＲ１１０ａと金属鏡１１０ｃとの間に位相シフト適応レーザーを有し、その結果、金属鏡１１０ｃおよびｐＤＢＲ１１０ａからの反射がレージング波長で位相整合されて、全反射率の最大化を達成することが好ましい。位相整合層１１０ｂは、以下に限定されないが、半導体材を含んでもよい。位相整合層１１０ｂは、ハイブリッド金属－半導体鏡１１０によって達成される全反射率において役割を果たすことから、ｐＤＢＲ１１０ａの一部として考えられる。位相整合層１１０ｂの適切な厚さは、上部および下部の鏡によって反射されるレーザ発振動作の波長の約２分の１以下である。

【0031】

半導体上への金属の接着が難題であることが知られていることから、まずは例えば、ＧａＡｓを、極めて強くＧａＡｓと結合するチタンまたはクロムのような材料と金属化することが通例である。しかし、接着層は、厚みにより反射性が低下するように、金属鏡にとって非常に有害となり得る。この接着層の厚さは、大きなばらつきがあるが、一般に約５～４０ｎｍの間となるように選択される。パラジウムまたはニッケルなどの他の接着層等も、前記層を置き換えることができる。

【0032】

また、図４にさらに説明するように電気的ｐ接触１１２が、金属鏡１１０ｃ上にめっきされるのに対し、電気的ｎ接触１００が、基板１０２の裏側にめっきされる。本発明の実施形態の一例では、チタン、白金、および金の多層が電気的ｐ接触１１２に用いられ、ゲルマン金、ニッケル、および金の多層が電気的ｎ接触の導電体１００に用いられ、結合層に伝導してｎ型またはｐ型の接触にてオーム接触を形成する。ハイブリッド金属－半導体鏡１１０を有する多接合ＶＣＳＥＬ１０は、上部電気的ｐ接触１１２および下部電気的ｎ接触１００にわたって電流を印加することによって活性化される。

【0033】

基板１０２の裏側およびエッチ・ストップ層１０４は、選択的に薄層化され除去されて、底面発光窓１１４を形成する。基板１０２の除去は、エッチ・ストップ層１０４に対する選択的エッチング法を用いて行われる。ハイブリッド金属－半導体鏡１１０デバイスを備えた完成型の多接合底面発光ＶＣＳＥＬ１０は、任意の標準的な切断手法を用いて切断されて、別個のＶＣＳＥＬデバイスまたはＶＣＳＥＬアレイをチップに分け、ヒート・スプレッダ・サブマウント上にマウントされる。

【0034】

本発明の方法およびシステムは、多接合底面発光ＶＣＳＥＬ１０を形成するための半分サイズのＤＢＲを提供する。半導体の数、ＤＢＲの厚さを低減する結果、良好な熱伝導性がもたらされる。多接合底面発光ＶＣＳＥＬ１０構造は、高い鏡反射性を要する一般的なＶＣＳＥＬキャビティにおいて低い往復利得を向上させるために往復利得を増加させることによって、閾値電流を低減し出力を高めるように、本発明に提供される。さらに別の複数の活性領域がこの構造に追加された際に、閾値電流密度は本発明にてさらに低減される。原則として、多接合ＶＣＳＥＬ１０において、この種類の活性領域を追加することに制限はない。

【0035】

上記に説明した本発明は、上述の実施形態および図面に限定されず、本発明の分野の当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく様々な置換え、変形、および変更がなされ得ることが明らかとなる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】