JP2007059909A - エピタキシャル層成長によって製造されたリングレーザを有する半導体システム - Google Patents

Abstract

【課題】歩留まりが高くコストが低いリングレーザシステムを提供する。
【解決手段】中間層１０６の上に光コア１１０をエピタキシャル層成長により形成し、前記光コア１１０に隣接して多重量子井戸１１２を形成し、そして内部全反射体を含む外側構造体１１６を形成して構成されるリングレーザシステム３００を提供する。当該リングレーザシステム３００では、多重量子井戸１１２内部で形成された光子は、外側構造体１１６、多重量子井戸１１２及び光コア１１０を含んで成るリングレーザ構造内部で循環し、外側構造体１１６に付着した不連続部１１４から出射する。
【選択図】図３

Description

本発明は、概して、リングレーザの製造に関し、より詳細には、エピタキシャル層成長（ELOG）によるリングレーザの製造に関する。

一般に、面発光レーザは、垂直キャビティ面発光レーザ（VCSEL）又は同心円格子面発光レーザ（CCGSEL）の何れかに分類することができ、VCSELについては、半導体基材（ガリウムヒ素など）及びその上に結合されたVCSELダイオードを備える。VCSELダイオードは、互いに積層された、横方向に延在する複数の水平層（ｎ型多重積層分布ブラッグ反射体（DBR）ミラースタックとｐ型多重積層DBRミラースタックとの間に活性キャビティ領域を挟持して成る垂直軸スタックを形成）を含む。

活性キャビティ領域は、水平方向に延在する複数の量子井戸を含む。量子井戸に注入された正孔（ホール）と電子とが再結合すると、所謂、自然放出プロセスにより光子を放出（発光）する。当該光子は、あらゆる方向に放出される。DBRミラースタック間において当該光子が何度も反射されて行き来することによって、励起され増幅された軸発光が生じ、その結果、励起され増幅された軸レーシングモード（即ち、VCSELモード）の発光が生じる。ここで、レーシングとは、レーザーによる可干渉性の光の発生をいう。

ガリウム窒化物（GaN）で製造されたVCSELに関しては、当該レーザに使用できる反射鏡（反射体ミラー）を製造することが問題となる。VCSELは、直径２〜４インチのサファイア基材上において成長させる。当該基材は、刻みつけたりさいの目に切ったりし難く、それ故、デバイスの歩留まり問題を引き起こし、コストの増大につながる。VCSELに関する他の欠点は、その熱抵抗が高いことである。平均熱密度の高いVCSELの用途は限られている（例えば、高密度アレイ、光学インターコネクタ、及び信号処理）。また、VCSELモードの波長λは温度に関してリニアに（線形的に、一次的に）増大するため、VCSELの活性キャビティ領域の温度の変動は無視できる程度にまで低下させ維持しなければならない。今日、多くのレーザ製品が、プリンタ、カメラ、通信システム及びセキュリティシステムにおいて用いられている。より多くの用途を考えることができるが、レーザのコストは典型的に非常に高く、供給は制限されてしまう。

本発明によれば、中間層上に光コアをエピタキシャル層成長により形成し、前記光コアに隣接して複数の量子井戸（多重量子井戸）を形成し、そして内部反射体を構成する外側構造体を形成することによって、リングレーザシステムを製造する。このリングレーザシステムでは、多重量子井戸内部で形成された光子は、外側構造体、多重量子井戸及び光コアを含んで成るリングレーザ構造体内部を循環する。

本発明の或る実施形態は、上述のもの若しくは上述の内容から自明なものに加えて又はそれらに代えて、他の態様を有する。それらの態様は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかとなろう。

本発明によれば、エピタキシャル層成長によりリングレーザシステムを製造することができる。

以下の説明では、本発明の完全な理解をもたらすために、多数の特定の細部を提示する。しかしながら、それらの特定の細部なしに本発明を実施することができることは明らかであろう。本発明が不明瞭となるのを避けるために、周知の方法ステップについては詳細には開示しない。同様に、デバイスの実施形態を示す図面は、幾らか概略的であり、且つ正確な縮尺関係にはない（詳細には、いくつかの次元ははっきりと提示されており、図面においてかなり誇張されている）。また、図面において、断面図は、簡潔に記載するために、セグメント若しくは層の端部が特定の向きに配向しているように示しているが、このような配列（配置）は任意のものであり、送出経路がそのような特定の向きになければならないことを意図するものではない。一般的に、デバイスが製造されると、それは、任意の向きにおいて操作（運転）することができる。また、明確且つ簡潔な図解、説明のために、共通する幾つかの特徴を有する複数の実施形態を開示、記載する際には、互いに類似するか同じである特徴は、通常、類似する符号を付して記載することとする。

本明細書で用いるとき、用語「水平」とは、リングレーザがその上で形成されることになるウェーハの面若しくは表面に平行な面として定義され、それは、ウェーハの向きに依らない。用語「垂直」とは、先に定義した「水平」に垂直な方向を意味する。「上」、「上位」、「下位」、「底部」、「最上部」、「側」（「側壁」等）、「より高い」、「より低い」、「より上の」、「上方」、及び「下方」などの用語は、水平な面に関して定義される。本明細書で用いるとき、用語「処理」には、材料やフォトレジストの付着（配置）、パターニング、露光、現像、エッチング、クリーニング、及び／又は上述の構造を形成する際に必要となる材料やフォトレジストの除去が包含される。

図１を参照すると、本発明の一実施形態における、リングレーザシステム１００の垂直断面図が図示されている。リングレーザシステム１００は、Al₂O₃基材１０２、GaNバッファー層（緩衝層）１０４、SiO₂中間層１０６（エピタキシャル層成長（ELOG）開口１０８を備える）、光コア１１０（n-GaNのような光活性半導体から構成され、SiO₂中間層１０６上方の横方向領域にある）、複数の量子井戸（多重量子井戸）１１２（MQW）、不連続部１１４、外側構造体１１６（p-GaNのような材料から成る）、ｎ接点１１８及びｐ接点１２０を備える。SiO₂中間層１０６は、GaNバッファー層１０４上に配置され、ELOG開口１０８を形成するようにパターニングされる。ELOG開口１０８は、六角形若しくは円状の形状である（他の幾何形状ともし得る）。GaNのエピタキシャル層成長は、制限しなければ、平坦な上面を有する六角錐を形成する。

光コア１１０がELOG開口１０８を通ってSiO₂中間層１０６上方に成長するように、ELOG処理は続けられる。形成される光コア１１０は、六角形の形状である。多重量子井戸１１２は、六角形錐体の側壁上に横向きに成長させる。完全な横向きの成長は達成し得ないため、上面に沿って成長した多重量子井戸１１２は比較的薄く、それ故、比較的厚い横向きに成長した多重量子井戸１１２よりも高い電圧にて作動する。上面上に成長した多重量子井戸１１２は、エッチング処理を用いて除去することができる。外側構造体１１６は、多重量子井戸１１２の周囲においてエピタキシャル成長させる。こうして、光学キャビティ１２２（即ち、レーザ共振体）は、ELOG処理により形成された六角錐であり、光コア１１０、多重量子井戸１１２、及び外側構造体１１６から構成される。

当該デバイスの自然放出波長は、多重量子井戸１１２内の層の厚さ及び組成により定まり、一方、レーシング波長は、光学キャビティ１２２の寸法により定まる。形成される光学モードは、六角形の光学キャビティ１２２内部での光の内部全反射の結果生じる。これらの共振モードだけが、レーザのレーシング作用に関与し得る。

光コア１１０の最上面上にｎ接点１１８が、そして外側構造体１１６の最上面上にｐ接点１２０が配置される。ｎ接点１１８及びｐ接点１２０は、リングレーザデバイスへの電気接続を確立するために用いられる。ｐ接点１２０とｎ接点１１８を電源に適切に接続すると、光子の生成が始まる。

レーシングの機能時には、外側構造体１１６の外側に形成された不連続部１１４を介して、光子は、光学キャビティ１２２から放出される。不連続部１１４の位置や形状は、光ファイバー接続やレンズ構造体にリングレーザを適応させるために用いられる機構に順応するように変更し得る。

不連続部１１４は、外側構造体１１６よりも低い屈折率を有する材料となるように選択される。不連続部１１４は、外側構造体１１６の反射力を低減させることによって、光子の出口の形成を促進する。不連続部１１４によって覆われていない外側構造体１１６の領域は、光子が不連続部１１４に達し放出されるまで、光子を光学キャビティ１２２内で循環させる内部全反射体として機能する。

次に図２を参照すると、図１記載のリングレーザシステム１００の表面図２００が図示される。エピタキシャル層成長によって製造されたリングレーザシステム１００の表面図２００には、GaNバッファー層１０４、SiO₂中間層１０６（ELOG開口１０８備える）、光コア１１０、多重量子井戸１１２、不連続部１１４、外側構造体１１６、ｎ接点１１８、ｐ接点、エッチングされた溝２０２、及び２次元格子２０４が含まれる。

光コア１１０は、ELOG開口１０８を埋め且つSiO₂中間層１０６上方に延在するように成長させる。多重量子井戸１１２は、光コア１１０を囲むように、InGaNなどの材料のエピタキシャル層成長（ELOG）によって成長させる。外側構造体１１６もまた、p-GaNのELOGにより成長させる。電気接続を実現するために金属接点が付加される。ｎ接点１１８は光コア１１０上に配置され、ｐ接点１２０は外側構造体１１６上に配置される。エッチングにより形成されたエッチング溝２０２は、２次元格子２０４を構成し、該２次元格子２０４は、リング面から垂直な光の放出を改善する。

２次元格子２０４は、SiO2中間層１０６からの光子循環の向きを垂直方向に変化させる。２次元光子２０４は、外側構造体１１６表面にエッチングされたエッチング溝２０２（エッチング溝２０２ピーク間の間隔は、光学キャビティ１２２内の光の或る波長に等しくなるよう選択されている）から構成される。光コア１１０内で循環する光子が２次元格子２０４に達すると、入射方向から９０°の１次元回折を示す。

図３を参照すると、図１記載のリングレーザシステム１００の概要図が図示されている。リングレーザシステム１００の概要図３００には、GaNバッファー層１０４、SiO2中間層１０６（ELOG開口１０８備える）、光コア１１０、多重量子井戸１１２、不連続部１１４、外側構造体１１６、及びリングレーザ構造３０２が含まれる。リングレーザ構造３０２は、光コア１１０、多重量子井戸１１２及び外側構造体１１６を含む。

光コア１１０は、その外縁部に隣接する多重量子井戸１１２を有する。多重量子井戸１１２の各々は、レーシング機能時に、光子源となる。矢印は、光子が循環する経路の１つを示している。光子生成はランダムであるため、リングレーザ構造３０２内には無限の数の経路が存在し得る。

外側構造体１１６と大気との間の屈折率の違いによって、光子は反射してリングレーザ構造３０２内に戻る。大気−半導体界面に臨界角よりも大きい角度で作用する光子のみが全反射される。これらは、低損失モードのレーザ共振体を構成する。光子は、外側構造体１１６の不連続部１１４で覆われた領域のような、低反射性の経路に達するまでリングレーザ構造３０２内を循環し続ける。不連続部１１４は、外側構造体１１６の１つの面のみに含まれる。

不連続部１１４は、外側構造体１１６上の誘電性材料とし得る。この反射率低減のための誘電性材料は、外側構造体１１６の屈折率より低く且つ大気のそれよりも高い屈折率を有するように選択される。。それによって、外側構造体１１６の反射性は僅かに低下し、光子の放出経路が実現される。外側構造体１１６に付着した不連続部１１４は、或る幾何形状のレーザ放出開口を含む。不連続部１１４の形状は、外部導波路（リングレーザ構造３０２の出力を光ケーブルに接続するのに用いられる）に整合させ得る。

あるいはまた、不連続部１１４を外側構造体１１６内に導入して、当該レーザモードからの光の外部接続を促進することができる。例えば、ノッチ（刻み目）若しくは回折格子を１つの面上にエッチングすることができ、当該ノッチ若しくは回折格子の深さ及び形状は、所望の外部接続割合並びに放出ビームパターンを達成するように調整される。

外側構造体１１６の露出表面は、光子の反射体として機能する。外側構造体１１６の全ての面を組み合わせることにより、リングレーザ構造３０２のための内部全反射体（TIR）が形成される。リングレーザ構造３０２の最上面及びSiO₂中間層１０６の表面は共に、リングレーザ構造３０２の垂直次元に光子を完全に閉じ込めることを可能とする。

次に図４を参照すると、図３記載のリングレーザシステム１００の多重量子井戸１１２及び外側構造体１１６の部分拡大図４００が図示されている。部分断面図４００には、GaNバッファー層１０４、SiO2中間層１０６、光コア１１０、多重量子井戸１１２、外側構造体１１６、障壁層４０２、量子井戸層４０４、及びN-I-P横断接合４０６が含まれる。

多重量子井戸１１２は、障壁層４０２と量子井戸層４０４とを交互に重ねた縦縞パターンにて含む。簡便のため、図４には、３つの量子井戸層４０４だけを示しているが、典型的に、３つより多くの量子井戸層４０４が用いられる。量子井戸層４０４の各々は、一対の障壁層４０２により挟持されており、よって、量子井戸層４０４がｎ層ある場合には、障壁層４０２は常にｎ＋１層存在する。この例では、障壁層４０２と量子井戸層４０２は、InGaNである。この例では障壁層４０２を明記しているが、障壁層４０２として、多重量子井戸１１２に隣接するｎ型及びｐ型の層を用いることも可能である。

多重量子井戸１１２は、光コア１１０及び外側構造体１１６と共に、多重量子井戸１１２（レーシング機能時に光子を生成）を横切るN-I-P横断接合４０６を形成する。N接続は光コア１１０（N-GaNで形成）で表され、真性層接続（即ち、I）は量子井戸１１２により形成され、そしてP接続は外側構造体１１６（p-GaNで形成）で表される。

障壁層４０２は、量子井戸層４０４よりも高いバンドギャップを有する。N-I-P横断接合４０６に順バイアスがかけられる際、量子井戸層４０４は、電子や正孔（ホール）などの担体が注入される層である。電子と正孔は量子井戸層４０４内で再結合し、多重量子井戸１１２内の材料層によって定まる波長の光が放出される。障壁層４０２と量子井戸層４０４の厚さ、組成及び間隙は、自然放出波長が光学キャビティ１２２の共振周波数と整合するように選択される。

次に図５を参照すると、本発明の一実施形態における、エピタキシャル層成長によりリングレーザシステム１００を製造するためのフローチャート５００が図示されている。フローチャート５００は、SiO₂中間層の上に光コアをエピタキシャル層成長させて形成するステップ（ステップ５０２）；光コアに隣接して多重量子井戸を形成するステップ（ステップ５０４）；及び内部全反射体を含む外側構造体を形成するステップ（ステップ５０６）を包含する。当該リングレーザシステム１００では、多重量子井戸内部で光子が生成されると、光子は、外側構造体、多重量子井戸及び光コアを含んで成るリングレーザ構造の内部を循環する。

より詳細には、本発明の一実施形態によれば、エピタキシャル層成長によりリングレーザシステム１００を製造する方法は、以下のように実施される：
１．ELOG開口１０８を備えるSiO₂中間層１０６の上に、エピタキシャル層成長により光コア１１０を形成する（図１）
２．InGaNなどの材料から成る障壁層４０２と量子井戸層４０４とを交互に重ねた縦縞パターンとして、ELOGにより多重量子井戸１１２を形成する（図１）。ここで、多重量子井戸の厚さ及び間隙は、自然放出波長が光学キャビティの共振周波数と整合するように選択する。
３．p-GaNなどの材料から成る外側構造体１１６をELOGにより成長させ、内部全反射体を形成する。ここで、多重量子井戸１１２内部で形成された光子は、リングレーザ構造３０２の非反射性コーティング若しくは回折格子を備える部分から放出されるまで、リングレーザ構造３０２内部を循環する。

特定の最良の形態に関して本発明を記載してきたが、これまでの説明に鑑み、多くの代替形態、改良形態、及び変更形態が当業者には明らかであろう。従って、それらの代替形態、改良形態及び変更形態の全ては本願特許請求の範囲内にあることとする。これまでに説明した若しくは添付の図面に示した全ての事項は、例示的なものであり本発明を限定する意のないことを理解されたい。

本発明の好ましい実施態様を以下に記載する。
実施態様１）
中間層の上に光コアをエピタキシャル層成長により形成し；
前記光コアに隣接して多重量子井戸を形成し；そして
内部全反射体を含む外側構造を形成して構成されるリングレーザシステムであって、
前記多重量子井戸内部で形成された光子が、前記外側構造体、前記多重量子井戸及び前記光コアを含んで成るリングレーザ構造内部を循環する、リングレーザシステム。
実施態様２）
前記多重量子井戸を形成することが、障壁層と量子井戸層とを交互に重なった縦縞パターンとして前記光コアの周囲に形成することを含む、実施態様１に記載のシステム。
実施態様３）
レーシング機能時の光子生成のために、前記多重量子井戸を横切るN-I-P横断構造を形成することをさらに包含する、実施態様１に記載のシステム。
実施態様４）
自然放出波長が光学キャビティの共振周波数と整合するように、前記量子井戸内部の前記量子井戸層の水平厚さ、組成及び間隙を変化させて波長を決定することをさらに包含する、実施態様１に記載のシステム。
実施態様５）
ELOG開口を備える前記中間層の上に、前記光コアを成長させることをさらに包含する、実施態様１に記載のシステム。
実施態様６）
ELOG開口を備えるSiO₂中間層の上に、光コアをエピタキシャル層成長により形成し；
前記光コアに隣接して、障壁層と量子井戸層とを交互に重ね縦縞パターンとなっている多重量子井戸を形成し；そして
内部全反射体を含む外側構造体を形成して構成されるリングレーザシステムであって、
前記多重量子井戸内部で形成された光子が、低屈折率経路に達するまでリングレーザ構造内部を循環する、リングレーザシステム。
実施態様７）
自然放出波長が光学キャビティの共振周波数と整合するように、前記量子井戸内部の前記量子井戸層の水平厚さ、組成及び間隙を変化させて波長を決定することをさらに包含する、実施態様６に記載のシステム。
実施態様８）
レーシング機能時の光子生成のために、前記多重量子井戸を横切るN-I-P横断構造を形成することをさらに包含する、実施態様６に記載のシステム。
実施態様９）
低屈折率経路をもたらす不連続部を外側構造体に形成することをさらに包含する、実施態様６に記載のシステム。
実施態様１０）
前記外側構造体の表面をエッチングして２次元格子を形成することをさらに包含し、前記２次元格子が、前記外側構造体の、或る波長だけ離れた間隙を有するエッチング溝により構成される、実施態様６に記載のシステム。
実施態様１１）
ELOG開口を備えるSiO₂中間層の上にある、エピタキシャル層成長により形成された光コア；
前記SiO₂中間層上の前記光コアに隣接する多重量子井戸；及び
内部全反射体を含む外側構造体、
を含んで成るリングレーザシステムであって、
前記多重量子井戸内の光子が、誘電層から成る低屈折率経路を有するリングレーザ構造内部を循環する、リングレーザシステム。
実施態様１２）
前記多重量子井戸が、障壁層と量子井戸層とを交互に重なった縦縞パターンにて含む、実施態様１１に記載のシステム。
実施態様１３）
前記多重量子井戸を横切るN-I-P横断構造をさらに含み、前記N-I-P横断構造が、順バイアス時に光子を放出する、実施態様１１に記載のシステム。
実施態様１４）
前記多重量子井戸内の前記量子井戸層が、自然放出波長を確立する水平厚さ及び間隙を含む、実施態様１１に記載のシステム。
実施態様１５）
光子放出のための低屈折率経路をもたらす、誘電層から成る不連続部、回折格子、又はノッチを１つの面に有する外側構造体を含む、実施態様１１に記載のシステム。
実施態様１６）
前記外側構造体が、或る波長だけ離れたエッチング溝から成る２次元格子を備える、実施態様１１に記載のシステム。
実施態様１７）
前記外側構造体が、内部全反射体を形成する、実施態様１１に記載のシステム。
実施態様１８）
前記多重量子井戸が、ｎ層の量子井戸層とｎ＋１層の障壁層とを交互に重ねた縦縞パターンから成る、実施態様１２に記載のシステム。
実施態様１９）
前記量子井戸層、障壁層の厚さ及び間隙、並びに光学キャビティの寸法によって、レーシング波長が定まる、実施態様１２に記載のシステム。
実施態様２０）
電気接続のためのｐ接点及びｎ接点をさらに含み、前記ｐ接点と前記ｎ接点が電源に適切に接続されると、光子の生成が始まる、実施態様１１に記載のシステム。

本発明の一実施形態におけるリングレーザシステムの垂直断面図 図１記載のリングレーザシステムの平面図 図１記載のリングレーザシステムの概要図 図３記載のリングレーザシステムの多重量子井戸及び外側構造体の部分拡大図 本発明の一実施形態における、エピタキシャル層成長によりリングレーザシステムを製造するためのフローチャート

符号の説明

１００ リングレーザシステム
１０６ 中間層
１０８ エピタキシャル層成長（ELOG）開口
１１０ 光コア
１１２ 多重量子井戸
１１４ 不連続部
１１６ 外側構造体
１２２ 光学キャビティ
３０２ リングレーザ構造
４０２ 障壁層
４０４ 量子井戸層
４０６ N-I-P横断接合

Claims (10)

1. 中間層（１０６）上に光コア（１１０）をエピタキシャル層成長により形成し；
   前記光コア（１１０）に隣接して多重量子井戸（１１２）を形成し；そして
   内部全反射体を構成する外側構造体（１１６）を形成して構成されるリングレーザシステム（１００）であって：
   前記多重量子井戸（１１２）内部で形成された光子が、前記外側構造体（１１６）、前記多重量子井戸（１１２）及び光キャビティ（１２２）を含んで成るリングレーザ構造（３０２）内部を循環する、リングレーザシステム。
2. 前記多重量子井戸（１１２）を形成することが、障壁層（４０２）と量子井戸層（４０４）とを交互に縦縞パターンにて前記光コア（１１０）の周囲に重ねることを包含する、請求項１に記載のシステム。
3. レーシング機能時の光子生成のために、前記多重量子井戸（１１２）を横切るN-I-P横断構造を形成することをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
4. 自然放出波長が前記光学キャビティ（１２２）の共振周波数と整合するように、前記多重量子井戸（１１２）内部の前記量子井戸層（４０４）の水平厚さ、組成及び間隔によって波長を決めることをさらに包含する、請求項１に記載のシステム。
5. エピタキシャル層成長（ELOG）開口（１０８）を備える中間層（１０６）上に前記光コア（１１０）を成長させることを包含する、請求項１に記載のシステム。
6. エピタキシャル層成長（ELOG）開口（１０８）を備えるSiO₂中間層（１０６）上の、エピタキシャル層成長により形成された光コア（１１０）；
   前記SiO₂中間層（１０６）上の前記光コア（１１０）に隣接する多重量子井戸（１１２）；及び
   内部全反射体を構成する外側構造体、
   を含んで成り、前記多重量子井戸（１１２）内部で形成された光子が、誘電層から成る低屈折率経路を有するリングレーザ構造（３０２）内部を循環する、リングレーザシステム。
7. 前記多重量子井戸（１１２）が、交互に重なった縦縞パターンの障壁層（４０２）と量子井戸層（４０４）とを含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記多重量子井戸（１１２）を横切るN-I-P横断構造を含み、前記N-I-P横断構造（４０６）が、順バイアス時に光子を放出する、請求項６に記載のシステム。
9. 前記多重量子井戸（１１２）内の前記量子井戸層（４０４）の水平厚さ及び間隔が、自然放出波長を定める、請求項６に記載のシステム。
10. 前記外側構造体（１１６）が、光子放出のための低反射性経路をもたらす、誘電層から成る不連続部（１１４）、回折格子、又は刻み目を有する、請求項６に記載のシステム。

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