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JPH04276681A - 透明電極を有する垂直空胴面発光レーザ - Google Patents

透明電極を有する垂直空胴面発光レーザ

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JPH04276681A
JPH04276681A JP3345666A JP34566691A JPH04276681A JP H04276681 A JPH04276681 A JP H04276681A JP 3345666 A JP3345666 A JP 3345666A JP 34566691 A JP34566691 A JP 34566691A JP H04276681 A JPH04276681 A JP H04276681A
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mirror
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angstroms
gaas
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ヘンリー　マイルズ　オーブライアン，ジュニア
Erdmann F Schubert
アードマン　フレデリック　シュバート
Li-Wei Tu
リー−ウェイ　ツ
Yeong-Her Wang
エオン−ハー　ワン
George J Zydzik
ジュージ　ジョン　ズィドズィック
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の分野】本発明は光学的に透明な電極を有する
垂直空胴面発光レーザに係る。
【０００２】
【本発明の背景】以下でＶＣＳＥＬとよぶ垂直空胴面発
光レーザダイオードは、プレーナ技術により生成される
デバイスとして、かつ光通信、光ディスク、レーザプリ
ンタ及び感光システムを含む広範囲の用途の可能性をも
つ種類のデバイスとして魅力がある。ＶＣＳＥＬにおい
て、レーザ空胴はレーザチップの光学表面に対して垂直
である。従って、レーザチップの表面に対して平行なレ
ーザ空胴を有する端面発光レーザの充填密度に比べ、高
い充填密度が得られる。それにより、高密度レーザアレ
イ、光通信システムにおける高データ伝送、光通信シス
テムにおける高並列処理とともに、電子チップ間の高速
及び大容量伝送のためのルートを実現するものとして、
将来が約束されている。更に、それらのビームが半径方
向に対称であるため、円筒状ファイバとビームの結合に
適している。
【０００３】ＶＣＳＥＬにおいて、光出力は薄膜の成長
方向にあり、それは通常注入電流の方向に平行である。 この形状のため、レーザ放射がそれを貫いて起るミラー
と、電気的接触は物理的にレーザ構造の同じ側、すなわ
ちデバイスの最上部又は底部のいずれかを占める。典型
的な場合、ミラーは表面のほぼ中央に配置され、電極は
ミラーの周囲に配置される。たとえば、ケンイチ・イガ
（Ｋｅｎｉｃｈｉ　Ｉｇａ）“面発光半導体レーザの最
近の進歩”オプトエレクトロニクス−デバイス・アンド
・テクノロジーズ（Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ−
Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
、第３巻、２号、１９８８年１２月、１３１−１４２頁
及びエル・エム・ツィンキヴィッチ（Ｌ．Ｍ．Ｚｉｎｋ
ｉｅｗｉｃｚ）ら、“高パワー垂直空胴面発光ＡｌＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓダイオードレーザ”アプライド・フィジ
ックス・レターズ（Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ）、第５４巻、２０号、１９８９年５月１５日、
１９５９−１９６１頁を参照のこと。
【０００４】ミラー及び電極を単一ユニットに結合させ
ることにより、ＶＣＳＥＬの構成を簡単化しようとする
試みは、相対的に量子効率を低下させた。デッペ・ディ
ー・ジー（Ｄｅｐｐｅ　Ｄ．　Ｇ．）ら　“Ａｇミラー
を有するＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ−Ｇ
ａＡｓ−ＩｎＧａＡｓ垂直空胴面発光レーザ”、ジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、第６６
巻、１１号、１９８９年１２月１日、５６２９−５６３
１頁を参照のこと。ミラーは０．５５μｍ厚の反射Ａｇ
ミラーから成り、それはまたレーザの電極としても働い
た。放射はミラー／電極と相対して配置されたλ／４反
射半導体積層構造を通して起こった。コーイチ・イマナ
カ（Ｋｏｉｃｈ　Ｉｍａｎａｋａ）に１９９０年８月１
４日承認された米国特許第４，９４９，３５１号は、全
厚が９００オングストロームであるＴｉ、Ｐｔ及びＡｕ
層構造について明らかにしており、それは電極−ミラー
として用いられた。イー・エフ・シューベルト（Ｅ．Ｆ
．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ）ら、“金属反射器を有する低閾値
垂直空胴面発光レーザ”アプライド・フィジックス・レ
ターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ）５７（２）、１９９０年７月９日、エル・ダヴリ
ュ・ツ（Ｌ．Ｗ．Ｔｕ）ら“半透明金属ミラー及び高量
子効率を有する垂直空胴面発光レーザ”、アプライド・
フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）５７（２０）、１９９０年１１
月１２日、２０４５−２０４７頁及び１９９０年５月２
１日に申請された米国特許出願第０７／５２６，２０４
号（デッペ・ディー・ジー（Ｄｅｐｐｅ　Ｄ．Ｇ．）、
４−１４−２−１１−１−２６）は、ミラー電極を通し
てレーザ放射させるのに十分な厚さを有するデバイスの
電極として同時に働く金属ミラーを有するＶＣＳＥＬに
ついて明らかにしている。しかし、後者の量子効率はデ
ッペ・ディー・ジー（Ｄｅｐｐｅ　Ｄ．Ｇ．）又はイマ
ナカ（Ｉｍａｎａｋａ）の構造より改善されるが、金属
ミラー−電極を貫くレーザ放射の透過には、なお本質的
な損失がある。
【０００５】従って、改善された量子効率と光透過性を
有し、プレーナ技術を用いた簡単な方式によっても生成
できるＶＣＳＥＬに対する必要性がなお存在する。
【０００６】
【本発明の概要】本発明は活性層、最上部及び底部多層
ＤＢＲミラー及び光の伝搬方向に平行な方向に励起電流
を印加するための最上部及び底部電極を含む半導体垂直
空胴面発光レーザに係る。ＶＣＳＥＬは半導体デバイス
で、半導体材料はＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、Ｉ
ｎＧａＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ及び他
の関連半導体のようなＩＩＩ−Ｖ又はＩＩ−ＶＩ化合物
半導体である。本発明に従うと、最上部電極は１×１０
３ないし１×１０５Ω−１ｃｍ−１の範囲内の導電率、
少なくとも８０パーセントの光透過率及び１０パーセン
ト以下の吸収をもつ導電性半導体から選択された光学的
に透明な材料から成る。５０ないし５００ｎｍの範囲の
厚さに堆積させたカドミウム・スズ酸化物及びインジウ
ム・スズ酸化物はこの条件を満たす。電極層はｐ形最上
部ミラーとｎ形電極層の間に非合金障壁を形成する非常
に薄い金属障壁層上にある。ＧａＡｓ活性層を有するＶ
ＣＳＥＬの場合、最上部電極側からの光出力は、５４パ
ーセントもの高い外部微分量子効率を生じる。このＶＣ
ＳＥＬはプレーナ技術を用いた製作に適している。
【０００７】光学的に透明で導電性のカドミウム・スズ
酸化物又はインジウム・スズ酸化物を用いた垂直注入Ｖ
ＣＳＥＬ構造は、従来技術のＶＣＳＥＬにおける基本的
な難点に対する解を与える。すなわち、ここでは光と電
流は同じ通路を占める。低閾値電流での室温連続波動作
が達成される。ガウス状のファーフィールドパターンは
単一基本伝搬モードを示す。
【０００８】
【実施例の説明】本発明はＶＣＳＥＬで、レーザ空胴は
活性層、四分の一波長多層分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）
構造を形成する半導体層の複数の対（又は周期）の積層
構造をそれぞれ構成する最上部及び底部ミラー、及び各
最上部及び底部電極から成る。最上部電極は活性層から
のレーザ放射に対して光学的に透明で、最上部ミラーを
貫いてレーザ放射が起るような半導体材料から成る。ミ
ラーから光学的に透明な最上部電極を貫く光出力は、５
４パーセントもの高い微分量子効率を生じる。このデバ
イスはプレーナ技術により生成させると便利である。
【０００９】図１は一般的に１０と印された本発明に従
うＶＣＳＥＬの一般的概略図である。明らかにするため
に、ＶＣＳＥＬの要素は実際の比率とは異なる。ＶＣＳ
ＥＬ１０は下から上へ順に以下のものを含む。底部電極
１１；基板１２；底部ミラーを形成する半導体層の複数
の対（又は周期）の四分の一波長積層構造１３；第１の
閉じ込め層１４；活性領域１５；第２の閉じ込め層１６
；最上部ミラー１７を形成する半導体層の第２の複数の
対（又は周期）から成るもう１つの四分の一波長積層構
造１７；最上部ミラー中の中心に置かれた環状窓１９を
規定する最上部ミラーの周辺環状領域にイオン注入され
たイオン化領域１８；中心に配置された窓２１を有し、
本質的に窓１９とともに垂直に一緒に延びる最上部ミラ
ー上の誘電体層２０；誘電体層２０上及び窓２１中に露
出された最上部ミラー１７のその部分上の障壁金属層２
２；デバイスの最上部電極として働く光学的に透明な半
導体層２３である。図示されていないが、閉じ込め及び
バッファ層を追加して、レーザ構造に含めてもよい。必
要に応じて、もし最上部ミラー１７の最上部層の伝導率
が、障壁層２２への非合金オーム性接触を形成するのに
不十分ならば、薄い高濃度ドープ接触層（図示されてい
ない）を、最上部ミラー１７と障壁層２２間にはさんで
もよい。
【００１０】本発明に従うＶＣＳＥＬ　　１０のより詳
細な構成は、一般に以下のように記述してよい。
【００１１】基板１２はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｇａ
ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ
及び他の関連したＩＩＩ−Ｖ又はＩＩ−ＶＩ化合物半導
体のような高濃度ドープｎ＋形ＩＩＩ−Ｖ又はＩＩ−Ｖ
Ｉ半導体である。典型的な場合、基板の厚さは１００な
いし６５０μｍの範囲で、基板のドーピング濃度は、１
×１０１７ないし４×１０１８ｃｍ−３である。光−電
子集積回路のようなある種の用途によっては、基板１２
は最初、マスタ基板上に成長させる多くのデバイスに共
通なシリコンのマスタ基板上に成長させてもよい。
【００１２】基板１２上のｎ＋ドープ四分の一波長半導
体堆積構造は、典型的な場合１０ないし４０の範囲の対
（又は周期）を有する多層分布ブラグ反射器（ＤＢＲ）
底部ミラー１３を形成する複数の対又は周期の半導体層
を含む。各対又は周期中の１半導体層は、その対の他の
半導体層より高い屈折率をもつ。対の中の各半導体の厚
さは、λ／４ηに等しい。ここで、λはレーザデバイス
の動作光波長で、ηは半導体材料の屈折率である。Ｇａ
Ａｓレーザのようなλ＝０．８７μｍでレーザ動作する
活性領域を有するデバイスの場合、それぞれ３．６４及
び２．９７の屈折率を有するＧａＡｓ及びＡｌＡｓのよ
うな半導体の四分の一波長の対の堆積構造は、６２ｎｍ
厚のＧａＡｓ層及び７３ｎｍ厚のＡｌＡｓ層から成り、
一方Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ及びＡｌＡｓの堆積
構造は、それぞれ６０ｎｍ及び７３ｎｍの厚さの層対か
ら成るであろう。直列抵抗を減らすため、ｎ形底部ミラ
ーは一段傾斜構造として堆積させてもよく、そのような
底部ミラーの各周期は、Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓ
（５００オングストローム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４
３Ａｓ（１００オングストローム）／ＡｌＡｓ（５００
オングストローム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ（
１００オングストローム）の構造を有する。あるいは、
ミラー構造には直線傾斜又は堆積構造の超格子傾斜を設
けてもよい。
【００１３】閉じ込め層１４及び１６を、活性領域１５
を閉じ込め、光空胴の長さ（Ｌ）を調整するために設け
る。この光空胴の長さは、２Ｌ＝Ｎ・λにすべきである
。ここでＮは整数、λはレーザの動作光波長である。 構造的な干渉を起こさせるために、閉じ込め層の厚さは
、λ／２又はλ／４の整数倍にすべきである。典型的な
場合、各閉じ込め層の厚さは、０ないし３μｍの範囲に
ある。閉じ込め領域はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓで、ｘは０
．１ないし０．４の範囲である。
【００１４】活性領域１５は電子（−）及び正孔（＋）
が再結合し、適当な刺激があると、レーザ放射を起こす
。０．１ないし１μｍの範囲の厚さを有する活性領域は
、非常に薄い障壁をもつ多量子井戸（ＭＱＷ）構造であ
る。各量子井戸は約１ないし２０ｎｍの厚さの広禁制帯
半導体により閉じ込められた１ないし３０ｎｍ厚の狭禁
制帯半導体を含む。
【００１５】底部ミラー１３中の対又は周期と同様であ
るが　ｐ＋形ドーピング（１×１０１８ないし５×１０
１９ｃｍ−３）をした高屈折率／低屈折率材料層の２な
いし２０対又は周期の第２の四分の一波長堆積構造は、
閉じ込め層１６上に多層ＤＢＲ最上部ミラー１７を形成
する。最上部ミラーの周辺領域は、イオン注入領域１８
を含む。 イオンは最上部ミラー１７の周辺領域中に注入され、電
流及びレーザ放射の両方が狭い中心に置かれた領域中に
閉じ込められるように、窓１９を生成する。イオンは注
入される材料の伝導形に影響を与えない元素のイオン（
陽子）から選択される。Ｈ＋又はＯ＋のようなイオンが
、１×１０１８ないし５×１０１９／ｃｍ３の範囲の濃
度に注入される。
【００１６】ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、バイコール　ガラ
スのような誘電体材料の薄い層２０が、０．０１ないし
０．１μｍの厚さで最上部ミラー１７上に形成される。 層２０は中心に配置された窓２１を有し、それはイオン
注入領域１８中に窓１９と本質的に同じだけ延びる。窓
１９及び２１はレーザ放射を中心に配置された領域に限
定するように、ともに働く。層２０もまた動作電流を窓
２１のみを通るようにし、そのため電流を活性領域の狭
い部分に限定する。各窓は直径が５ないし５０μｍで、
好ましくは１０ないし２０μｍである。
【００１７】光学的に透明な最上部電極２３は構造の最
上部上に層として堆積させ、活性層１５からのレーザ放
射は最上部ミラーを通し、最上部電極を通して起こる。 本発明に従うと、電極材料は１×１０３ないし１×１０
５Ω−１ｃｍ−１の範囲の伝導率、８０パーセント以上
の光の透過率、１０パーセント以下の光吸収をもつ光学
的に透明な半導体材料から選択される。光学的に透明な
半導体層は、光出力を本質的に妨げることなく、垂直注
入接触として働くように、最上部ミラー上のレーザ構造
中に形成される。それぞれの名目上の式がＣｄ２−ｘＳ
ｎｘＯ４で、ｘが０．０１ないし０．５の範囲で０．３
ないし０．４が好ましく、かつＩｎ２−ｙＳｎｙＯ４で
ｙが０．０１ないし０．２であるカドミウム・スズ酸化
物（ＣＴＯ）及びインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）は
、特にこの目的に適している。カドミウム・スズ酸化物
は光学的に透明（８０パーセント以上）で、吸収は無視
でき（＜１％）、伝導率２×１０３Ω−１ｃｍ−１の導
電性で、室温で５×１０−４Ωｃｍの抵抗率を有する。 インジウム・スズ酸化物も光学的に透明（９０パーセン
ト以上）で、吸収は非常に小さく（＜５％）、伝導率２
．５×１０３Ω−１ｃｍ−１の導電性で、室温で　４×
１０−４Ωｃｍの抵抗率を有する。これらの材料は５０
ｎｍないし５００ｎｍの範囲、好ましくは２００ないし
３００ｎｍの厚さに堆積させたとき、レーザの電極とし
て用いるのに十分な導電率を示し、なお８０パーセント
以上の透過率及び＜１０パーセントの吸収という透明性
を示す。
【００１８】最上部電極２３の堆積前に、誘電体層２０
の最上部上及び窓２１中で露出された最上部ミラー１７
の一部分上に、薄い金属障壁層２２を堆積させる。障壁
層は３００オングストロームまでの厚さ、好ましくは１
０ないし５０オングストロームに堆積させる。障壁層は
レーザ放射を妨げるｐ形伝導形最上部ミラー１７及びｎ
形伝導形半導体最上部電極２３間のもう１つのｐｎ接合
の形成を避けるために用いられる。障壁層はデバイスの
材料の汚染の原因とならず、最上部ミラー１７の表面と
非合金オーム性接触を形成でき、上の厚さの範囲に堆積
させたとき、レーザ放射の透過を本質的に妨げない金属
又は合金から選択される。
【００１９】もし、最上部ミラー１７の最上部層の導電
率が、障壁層２２に対する非合金オーム性接触を形成す
るのに不十分なら、必要に応じて最上部ミラー１７と障
壁層２２の中間に薄い高濃度ドープ接触層（図示されて
いない）を、０．０１ないし０．１μｍの範囲、好まし
くは約０．０６２５μｍに形成し、最上部ミラー及び障
壁金属層間に非合金オーム性接触が作られるのを助けて
もよい。典型的な場合、必要に応じて加える接触層中の
ドーピング濃度は、１×１０１９ないし１×１０２０ｃ
ｍ−３、好ましくは約５×１０１９ｃｍ−３の範囲であ
ろう。
【００２０】電流を活性領域に垂直に流し、レーザ放射
を起こさせるために、厚さ１ないし１０μｍの金属電極
１１を基板１２の底部表面上に形成する。インジウムは
構造の不要な加熱を生じることなく、薄膜層として堆積
させうる金属である。レーザは電極１１をたとえば銅又
は他の熱伝導性材料のように、レーザ材料を汚染しない
ヒートシンクプレートに接触させて、マウントしてよい
。
【００２１】半導体層１３ないし１７は基板１２上に、
有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）又はハロゲン化物気相エピタキシー
（ＶＰＥ）のような周知の方法により、成長できる。好
ましい実施例において、ＶＣＳＥＬ構造はバリアン・ゲ
ンＩＩ又はリベールＭＢＥシステム中で、高濃度ドープ
（１×１０１７−４×１０１８ｃｍ−３）基板１２上に
、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技術により、成長させ
る。層１３ないし１７を成長させた後、最上部ミラー１
７の中心に配置された上部表面上に、適当なレジストを
堆積させることにより、フォトリソグラフィ技術を用い
て、窓１９及び２１を規定する。その上にレジストを有
する部分的に形成された構造は、別の高真空室に移され
、そこで構造にはイオン注入領域１８を形成するために
、たとえばＨ＋又はＯ＋をイオン注入する。最上部ミラ
ー１７の上部表面上に誘電体層２０を形成し、レジスト
を除去した後、誘電体層の最上部上及び窓２１中に露出
された最上部ミラー１７の上部表面１７上に、薄い金属
障壁層２２を堆積させる。そのような金属層は１００な
いし５００℃の範囲の温度、好ましくは１００ないし２
５０℃における蒸着、スパッタリング又は電子ビーム堆
積により堆積させると便利である。蒸着に必要なより高
い温度のため、金属が半導体中に好ましくない合金化を
起こし、荒れた界面形態を生じ、それがミラーの反射特
性を劣化させ得るため、後者のプロセスが望ましい。障
壁層の堆積後、光学的に透明な半導体最上部電極２３を
、構造の最上部上に堆積させる。最上部電極は電極の半
導体材料が、デバイスの端子導電体として働くのに十分
で、しかし最上部ミラーからのレーザ放射を効果的に減
らすには不十分な厚さを有するように、堆積させる。カ
ドミウム・スズ酸化物及びインジウム・スズ酸化物のよ
うな半導体材料の場合、効果的な厚さは５０ｎｍないし
５００ｎｍの範囲に入る。たとえばＩｎのような薄い底
部電極層１１を、基板１２の底部表面上に形成してもよ
い。最後に、レーザの底又は基板側を、Ｉｎ電極又はエ
ポキシのような導電性粘着剤により、他のデバイスと共
通にヒートシンクとして働く銅スラブ上にマウントして
よい。
【００２２】好ましい実施例において、ＶＣＳＥＬはＡ
ｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＡｓで、ｘは構造の各半導体
層に対して、ほぼ以下のように規定される。レーザ構造
は下から上へ、１ないし２μｍ厚のＩｎ電極１１、５０
０μｍ厚の（００１）方向の高濃度ドープ（２×１０１
８ｃｍ−３）ｎ＋−ＧａＡｓ基板１２、多層分布ブラグ
反射器（ＤＢＲ）底部ミラーを形成するｎ＋　形半導体
層の３０周期の四分の一波長堆積構造を含む。底部ミラ
ーの各周期は、Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓ（５００
オングストローム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ（
１００オングストローム）／ＡｌＡｓ（５８０オングス
トローム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ（１００オ
ングストローム）の一段傾斜構造である。基板付近では
濃度３×１０１８ｃｍ−３にＳｉがドープされ、活性層
付近での最後の６−１０周期中では１×１０１８ｃｍ−
３に減少する。一段傾斜構造を有するＤＢＲ構造（底部
ミラー１３）の反射スペクトルは、パーキンエルマ・ラ
ンブダ９ＵＶ／Ｖ１Ｓ／Ｎ１Ｒスペクトロメータで測定
されるように、〜０．８７μｍに中心をおき、＞９９パ
ーセントを有する広く高い反射帯域をもち、それは計算
された反射曲線と非常に良くあう。
【００２３】底部ミラーにはｎ＋閉じ込め層１４、約０
．１μｍ全厚の４つのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸
構造のｐ−活性領域層１５及びｎ＋閉じ込め層１６が続
く。 各閉じ込め層は約８２０オングストロームの厚さである
。活性領域のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ４量子井戸構造は
、リベールＭＢＥシステム中で成長させた。活性領域は
アンドープで７０オングストロームＡｌ０．３Ｇａ０．
７Ａｓ障壁を有する４つの１００オングストロームＧａ
Ａｓ量子井戸から成る。活性領域には最上部及び底部に
、各閉じ込め層１４及び１６を積み重ねる。活性領域付
近の各閉じ込め層の３分の１は、アンドープで、残りは
低濃度ドープ（１×１０１６−１×１０１７）である。 各閉じ込め層は直線的に勾配をもったＡｌｘＧａ１−ｘ
Ａｓで、ｘは０．３からミラー付近の０．５７まで傾斜
する。この傾斜屈折率、別々の閉じ込めヘテロ構造は、
キャリヤ閉じ込めを助け、レーザ閾値電流を減らす。
【００２４】Ｐ−形最上部ミラー１７は２０周期半導体
ミラーで、それも直列抵抗を減らすため、一段傾斜構造
である。最上部ミラーの各周期は、Ａｌ０．１４Ｇａ０
．８６Ａｓ（５００オングストローム）／Ａｌ０．５７
Ｇａ０．４３Ａｓ（１００オングストローム）／ＡｌＡ
ｓ（５８０オングストロム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４
３Ａｓ（１００オングストローム）の構造をもつ。それ
はＢｅ−ドープで、最初の１６周期は５×１０１８ｃｍ
−３のドーピング濃度である。 次に、ドーパント濃度は接触を容易にするため、その上
部表面付近の２×１０１９ｃｍ−３まで増加させる。
【００２５】この製作段階において、未完成のレーザ構
造をアンリツＭＳ９００１Ｂ光スペクトル・アナライザ
を用いた反射測定で調べてもよい。反射測定は遮断帯域
中に明らかなくぼみをもつファブリーペロー共振を示す
。次に、６．２μｍ厚のフォトレジスト（たとえば、シ
プレイＡＺフォトレジスト４２００）で保護された１０
−２０μｍ径の窓を有する最上部ミラー１７中に、１×
１０１５ｃｍ−２のドーズで、３００ｋｅＶ、Ｈ＋イオ
ン（又は２００ｋｅＶ　Ｏ＋イオン）を注入することに
より、イオン注入領域１８が形成される。イオン注入領
域１８の形成後、フォトレジストをなお残したまま、５
００ないし５０００オングストローム、好ましくは１０
００ないし２０００オングストローム厚のＳｉＯ２層２
０を、電子ビーム蒸着により高真空室中で、１００℃に
おいて最上部ミラー層の表面上に成長させる。その後フ
ォトレジストをアセトンで除去し、ＳｉＯ２層及び窓２
１中に露出された最上部ミラーの表面をプラズマ浄化し
た後、１０ないし５０オングストローム厚の銀層を、Ｓ
ｉＯ２層上及び最上部ミラーの露出された表面上に（好
ましくは蒸着により）堆積させる。
【００２６】カドミウム・スズ酸化物（又はインジウム
・スズ酸化物）の電極２３を、約５０ないし５００ｎｍ
、好ましくは２００ないし３００ｎｍの厚さで、障壁電
極２２の最上部上に形成する。厚さのこの範囲において
、電極２３はレーザ放射に対して十分光学的に透明で、
それをＶＣＳＥＬの最上部電極として用いることを可能
にしている。５００ｎｍを越える厚さは、レーザ効率を
何ら変えることなく、直列抵抗を増すことになる可能性
がある。
【００２７】光学的に透明な半導体層２３の成長には、
ＲＦマグネトロンスパッタシステム（アネルバ社、モデ
ルＳＰＦ−３３２Ｈ）を用いる。一実施例において、タ
ーゲットは約６７％ＣｄＯ及び約３３％ＳｎＯ２　の混
合物のシンタした円盤（直径３インチ、厚さ１／４イン
チ）（ハセルデン、サンノゼ、ＣＡ）である。ターゲッ
トは試料上５ｃｍにマウントした。プレート電圧は１．
５ｋＶで、プレート電流は約１１０ｍＡであった。成長
中３オングストローム／秒の堆積速度を保った。スパッ
タリングガスは全圧が３ないし４Ｐａのアルゴン及び酸
素の混合物であった。カドミウム・スズ酸化物（ＣＴＯ
）薄膜の抵抗率は、酸素の分圧に強く依存する。最小の
抵抗率は２−４Ｐａアルゴン中の約２−４×１０−２Ｐ
ａの酸素分圧Ｐｏ２の場合に得られる。カドミウム・ス
ズ酸化物薄膜は、〜２０００オングストロームの厚さに
堆積させた。それは０．８５μｍにおいて、無視しうる
程度の吸収（１％以下で、それはセットの性能により制
限されている。）を有する。この薄膜の抵抗率は〜５×
１０−４Ω−ｃｍである。上のターゲット、電圧、電流
の場合、抵抗率は１×１０−２及びそれ以上のＰｏ２に
対して、急速に増加することが見出された。デバイス分
離のプロセスにおいて、堆積したカドミウム・スズ酸化
物をエッチングするために、標準的な緩衝酸化物エッチ
ャントを用いた。インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）材
料の最上部電極は、同様にして生成させてもよい。
【００２８】レーザ特性を評価する前に、試料の基板側
を導電性エポキシで、ヒートシンクとして働く銅スラブ
上に、接着する。他の冷却は用いない。すべての実験は
室温で行なう。電気的接触をとり、レーザをポンピング
するために、微細プローブを用いる。図１中の直線の矢
印で示されるように、窓領域を通して、垂直に電流を注
入する。そして、デバイス表面の残った領域は、ＳｉＯ
２層２０で最上部電極から、電気的に分離する。
【００２９】図２は直流電流対連続波光出力パワーを示
す。光出力パワーは０．８５μｍで補正されたＡＮＤＯ
　　ＡＱ−１１２５光パワーメータで測定する。レーザ
閾値電流は４．２ｍＡで、〜０．８５μｍのレーザ波長
における外部微分量子効率は〜３５％である。３．８ｍ
Ａもの低い閾値電流が得られる。５０オングストローム
厚の障壁層２２は、レーザ出力パワーをわずかに（約１
０％）低下させる。図３は電流−電圧曲線で、４．２ｍ
Ａのレーザ閾値において、５．４Ｖの電圧と、４３０Ω
の微分直列抵抗を示す。図４は８．３ｃｍの検出器−試
料距離において測定したファーフィールド光強度分布を
示す。分布はガウス状で、７．０°の半値幅をもつシン
グル基本横モード動作を示している。測定は〜０．３５
°ステップ、０．２°よりよい分解能で行なう。
【００３０】イオン注入領域１８をもたない構造を製作
することも可能である。そのような場合、最上部ミラー
１７はメサエッチされ、最上部窓領域に直接プローブを
つけた。４０μｍ径のメサをもつデバイスは、４０ｍＡ
のパルス（１００ｎｓ、１ｋＨｚ）の閾値電流を与え、
それにより３ｋＡ／ｃｍ２の閾値電流密度が生じる（図
５参照）。この試料中の３００オングストロームの厚さ
のＡｇ障壁層では光出力パワーが３０％以上減少し、プ
ローブそれ自身が障害となる。１４０ｍＡにおける光出
力パワーは６．５ｍＷである。
【図面の簡単な説明】
【図１】透明最上部電極を有し、電流は矢印で示される
ように、光学窓を貫いて垂直に注入される垂直注入ＶＣ
ＳＥＬの概略図である。
【図２】レーザ閾値４．２ｍＡ、レーザ波長〜０．８５
μｍである室温における直流電流対連続波光出力パワー
の関係を示す図である。
【図３】レーザ発振のときの電圧が５．４Ｖで、４．２
ｍＡのレーザ閾値における４３０Ωの微分直列抵抗を有
する室温における電圧曲線対電流を示す図である。
【図４】ガウス状で半値幅は７．０°であり、データは
直線で結び、規格化された光強度が示されている５ｍＡ
における連続波動作下でのファーフィールド光強度分布
を示す図である。
【図５】１００ｎｓ及び１ｋＨｚパルス電流、閾値電流
密度３ｋＡ／ｃｍ２におけるイオン注入を行なわない構
造の場合の電流曲線対光の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０　　　　ＶＣＳＥＬ １１　　　　底部電極、電極、金属電極１２　　　　基
　　板 １３　　　　積層構造、底部ミラー、層１４　　　　閉
じ込め層 １５　　　　活性領域、活性領域層 １６　　　　閉じ込め層 １７　　　　最上部ミラー、層 １８　　　　イオン化領域、イオン注入領域１９　　　
　環状窓 ２０　　　　誘電体層、層 ２１　　　　窓 ２２　　　　障壁金属層、障壁層 ２３　　　　最上部電極

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、Ｉ
    ｎＧａＰＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎ
    Ａｓ及び他の関連したＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族化
    合物半導体から選択された複数の層を含み、前記複数の
    層は、光放射を発生する活性領域、前記放射を反射する
    底部多層ミラー、前記放射を部分的に反射し、活性領域
    に垂直な方向に部分的に透過させ、最上部ミラーの層の
    周辺に配置されたイオン注入領域を含み、電流及びレー
    ザ放射の通過を窓により規定された領域に閉じ込めるた
    めの窓を規定する最上部多層ミラー、イオン注入領域中
    の窓に位置合わせされた最上部ミラー上の誘電体層、誘
    電体ミラー層の窓中で露出された最上部ミラー層の表面
    に接した誘電体層上の金属障壁層、レーザの最上部電極
    を形成し、１×１０３ないし１×１０５Ω−１ｃｍ−１
    の範囲の導電率、少なくとも８０パーセントの光透過率
    及び１０パーセント以下の吸収を有する金属障壁層上の
    光学的に透明な半導体材料の層、最上部電極と一体にな
    り、活性領域に対して本質的に垂直かつ光放射の伝搬方
    向に本質的に平行な方向に励起電流を供給するための底
    部電極、から成る半導体基体を含む半導体垂直空胴面発
    光レーザ。
  2. 【請求項２】　　最上部電極の前記光学的に透明な半導
    体材料は、カドミウム・スズ酸化物及びインジウム・ス
    ズ酸化物から成るグループから選択される請求項１記載
    のレーザ。
  3. 【請求項３】　　前記最上部電極の厚さは、５０ないし
    ５００ｎｍの範囲にある請求項２記載のレーザ。
  4. 【請求項４】　　前記最上部電極の厚さは、２００ない
    し３００ｎｍの範囲にある請求項２記載のレーザ。
  5. 【請求項５】　　金属障壁層の金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａ
    ｕＢｅ、ＡｕＺｎ、Ｃｒ、Ｔｉから成るグループから選
    択される請求項１記載のレーザ。
  6. 【請求項６】　　前記金属は銀である請求項５記載のレ
    ーザ。
  7. 【請求項７】　　銀層の厚さは１０ないし５０オングス
    トロームの範囲である請求項６記載のレーザ。
  8. 【請求項８】　　前記誘電体材料はＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ
    ４及びバイコールガラスから成るグループから選択され
    る請求項１記載のレーザ。
  9. 【請求項９】　　前記誘電体材料は０．０１ないし０．
    １μｍの厚さに堆積させたＳｉＯ２である請求項８記載
    のレーザ。
  10. 【請求項１０】　　前記底部ミラーは１０ないし４０周
    期から成る多層分布ブラグ反射ミラーである請求項１記
    載のレーザ。
  11. 【請求項１１】　　前記ミラーは３０周期構造である請
    求項１０記載のレーザ。
  12. 【請求項１２】　　前記活性領域はＧａＡｓで、前記周
    期のそれぞれは、ＡｌＡｓ及びＧａＡｓ、ＡｌＡｓ及び
    Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓから選択された一対の四
    分の一波長層から成る請求項１１記載のレーザ。
  13. 【請求項１３】　　前記活性層はＧａＡｓで、前記周期
    のそれぞれは、Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓ（５００
    オングストローム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ（
    １００オングストローム）／ＡｌＡｓ（５８０オングス
    トローム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３（１００オング
    ストローム）を含む構造である請求項１２記載のレーザ
    。
  14. 【請求項１４】　　前記ミラー構造は直線的に傾斜して
    いる請求項１２記載のレーザ。
  15. 【請求項１５】　　前記ミラー構造は超格子傾斜構造で
    ある請求項１２記載のレーザ。
  16. 【請求項１６】　　前記最上部ミラーは２ないし２０周
    期から成る一段傾斜多層分布ブラグ反射ミラーである請
    求項１記載のレーザ。
  17. 【請求項１７】　　前記活性層はＧａＡｓで、ミラーの
    各周期は、Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓ（５００オン
    グストローム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ（１０
    ０オングストローム）／ＡｌＡｓ（５８０オングストロ
    ーム）／Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ａｓ（１００オング
    ストローム）を含む構造をもつ請求項１６記載のレーザ
    。
  18. 【請求項１８】　　前記イオン注入領域はＨ＋及びＯ＋
    から選択されたイオンを含む請求項１記載のレーザ。
  19. 【請求項１９】　　前記イオンはＨ＋である請求項１８
    記載のレーザ。
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