(57)【要約】      （修正有）【課題】パッシベーション膜をファセットを保護するのに十分な厚さに保ちつつ、パッシベーション膜中の光の吸収を減らすこと。【解決手段】半導体チップ１０が、半導体材料（例えば、シリコン、ゲルマニウム、又はアンチモン）と誘電体バリアとが交互に並ぶ薄層を備える量子井戸パッシベーション構造を含むよう形成される。半導体層は、量子井戸を形成するのに十分に薄く、誘電体層は、隣接する量子井戸間のバリアとして機能する。ファセット１２に隣接する半導体層が結晶材料で形成され、残りの量子井戸がアモルファス材料で形成される。このような構造、及びこのような構造を形成する方法により、バルクの（厚い）シリコンパッシベーション層を用いたデバイスよりも高レベルのＣＯＤを示す構成をもたらす。【選択図】図２
2020010035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面発光レーザダイオードのファセット上にパッシベーション構造を形成する方法であって、
ａ）反応レーザチャンバ内で、露出したレーザファセット面を覆うようにアモルファス半導体材料の薄層を堆積するステップであって、前記露出したレーザファセット面は、劈開時または劈開後の状態であり、堆積した半導体材料の厚さが、量子井戸構造を形成するよう制御される、ステップと、
ｂ）前記量子井戸構造上に誘電体材料の薄層を形成するステップであって、形成された前記誘電体材料の厚さが、前記量子井戸構造のためのバリアを形成するよう制御される、ステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記方法が、さらに、
ｃ）前記ステップａ）およびｂ）を繰り返して、半導体量子井戸およびバリアが交互に並ぶ多重量子井戸パッシベーション構造を形成するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記方法が、さらに
前記ステップａ）で堆積された半導体の薄層のコンディショニングを実行するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
前記ステップａ）を実行する際に、シリコン、ゲルマニウム、およびアンチモンの群から選択される半導体材料が堆積されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
選択される前記半導体材料が純粋な形態であることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法において、
選択される前記半導体材料が水素化形態であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、
前記ステップａ）で堆積された半導体層が約３ｎｍ以下の厚さを示すことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項２に記載の方法において、
堆積された各半導体層が約３ｎｍ以下の厚さを示すことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、
前記ステップｂ）が、前記ステップａ）で堆積された前記半導体材料の表面部分を酸化するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法において、
前記ステップｂ）を実行する際に、前記誘電体材料が、シリコン、ゲルマニウム、アンチモンの酸化物、シリコン、ゲルマニウム、アンチモンの窒化物、酸化アルミニウム、酸化チタン、窒化アルミニウム、および酸化タンタルから成る群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、
前記方法が、複数の別々のレーザダイオードを含むレーザバー上で実行されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
端面発光レーザダイオードであって、
動作波長の光を発生させるために形成された導波路構造を有する半導体基板と、
前記導波路構造の対向面に形成された一対の劈開ファセットと、
少なくとも１つの半導体量子井戸の量子井戸構成と、前記半導体量子井戸に形成された誘電体バリアとを備えるパッシベーション構造と、
前記パッシベーション構造上に直接形成された反射コーティングと、
を備えることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項１３】
請求項１２に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
前記少なくとも１つの半導体量子井戸が単一の半導体量子井戸を備えることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項１４】
請求項１３に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
前記単一の半導体量子井戸が結晶材料の層を備えることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項１５】
請求項１２に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
前記少なくとも１つの半導体量子井戸が、バリア層によって分離されて多重量子井戸構造を形成する複数の半導体量子井戸を備えることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項１６】
請求項１５に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
前記ファセットに隣接して配置された第１の半導体量子井戸が結晶材料を備え、残りの量子井戸がアモルファス材料を備えることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項１７】
請求項１２に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
各半導体量子井戸が、約３ｎｍ以下の厚さを有する一層の材料を備えることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項１８】
請求項１２に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
前記半導体材料が、シリコン、ゲルマニウム、およびアンチモンからなる群から選択されることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項１９】
請求項１８に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
選択された前記半導体材料が純粋な形態であることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項２０】
請求項１８に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
選択された前記半導体材料が水素化形態であることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【請求項２１】
請求項１２に記載の端面発光レーザダイオードにおいて、
前記誘電体バリアが、シリコン、ゲルマニウム、アンチモンの酸化物、シリコン、ゲルマニウム、アンチモンの窒化物、酸化アルミニウム、酸化チタン、窒化アルミニウム、および酸化タンタルから成る群から選択される材料を備えることを特徴とする端面発光レーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザダイオードに関し、より詳細には、レーザダイオードのミラーファセットを保護するための量子井戸パッシベーション構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力半導体レーザダイオードは、特にそのようなレーザダイオードがファイバポンピング（光信号の増幅）および他の高出力用途に使用できるので、光通信の技術において重要な構成要素となっている。ほとんどの場合、（例えば、数万時間を超える）長い寿命、信頼性があり且つ安定した出力、高い出力電力、高い電気光学効率、および高いビーム品質が一般に望ましい。
【０００３】
現代の結晶成長反応器は、非常に高品質の半導体材料を製造することができるため、高出力レーザダイオードレーザの長期信頼性は、レーザキャビティの対向するミラーを形成するために劈開されたレーザファセットの安定性に強く依存することがわかった。
【０００４】
レーザファセットの劣化は、光、電流、および熱によって駆動される可能性がある複雑な物理的および化学的反応プロセスであり、バーンイン中の短期的な電力劣化、通常の動作中の長期的な電力劣化、そして深刻な場合によっては、ミラーファセット自体に壊滅的な光学損傷（ＣＯＤ）を生じさせ、装置の完全な故障を招く。反射性コーティングと半導体材料との間の界面に複合酸化物および点欠陥が形成されて捕捉される可能性がある。電流がデバイスに印加されると、（点欠陥および表面酸化によって生じるバンドギャップ内の状態の存在により）表面がキャリアシンクとして作用するので、電荷キャリアは端面に向かって拡散する。ダイオードからの発光は、ファセット面で電荷キャリア（電子および正孔）を光励起することができ、それはファセット面で酸化反応を電気化学的に推進することができる。さらに、吸収された光によって生成された電子と正孔は非放射的に再結合し、過度の熱発生を引き起こし、格子欠陥（点欠陥と転位の双方）の形成に寄与する可能性がある。半導体材料を加熱すると、ファセットで熱酸化が引き起こされ、半導体−酸化物界面に形成される吸収酸化物層の厚さがさらに増加する。そのようなファセットに非常に近接した過度の熱は、ファセットに隣接する材料の電子構造に影響を与える。半導体結晶の光学的バンドギャップの熱収縮は光の吸収を増加させる。より多くの吸収はより多くの加熱をもたらし、その結果として、熱暴走プロセスが開始され、ファセットならびにファセットに隣接する材料の急速な劣化、そして最終的にはＣＯＤおよびファセットの破損をもたらす。
【０００５】
長年にわたり、ＩＢＭが開発した「Ｅ２パッシベーション」と呼ばれるプロセスが、これらの懸念に対処し、ＣＯＤの可能性を最小限に抑えるために使用されてきた。Ｅ２プロセスは、劈開ファセット上のパッシベーションコーティングとしてのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層の堆積を含んでいる。Ｅ２プロセスの本質は、露出したファセット面上に直接シリコンを形成することによって、チップファセットを化学的に安定化させることである。シリコンはファセット腐食を阻止／除去するための明らかに優れた選択であるが、シリコンは、レーザダイオードから／レーザダイオードによって放出された光を吸収するという欠点を有する。吸収された光は、非放射的に再結合する電荷キャリアを生成し、過度の熱を生成し、欠陥形成に寄与する。これらのプロセスはファセットの劣化を加速させ、ＣＯＤの原因となる熱暴走状態を引き起こす可能性がある。したがって、パッシベーション層は、あまりにも多くの光を吸収し、過度に多くの熱を発生させ、ＣＯＤの可能性を増大させるので、あまり厚くすることはできない（Ｓｉパッシベーション膜の厚さが増すにつれてＣＯＤレベルが急激に減少することが知られている）。厚さの制限は波長に依存し、短波長はより強く吸収され、デバイス性能の状況は短波長のレーザダイオードにとってより重要になる。しかしながら、パッシベーション膜は光吸収の観点からできるだけ薄くあるべきであるが、長期寿命試験は、薄すぎる膜はファセットの表面を十分に保護しないことを示している。Ｓｉ膜の厚さはまた、例えばイオンビームスパッタリングによる標準的な鏡面コーティングの堆積中に、より高いエネルギーを有するイオン／原子にさらされるファセットにとって重要なパラメータであり、必要な鏡面反射率を得るために使用される。
【０００６】
上記の議論から、克服すべき１つの課題は、パッシベーション膜をファセットを保護するのに十分な厚さに保ちつつ、パッシベーション膜中の光の吸収を減らすことであることが明らかである。これは、シリコンパッシベーション膜の好ましい厚さの観点からすると、明らかに矛盾する要件である。さらに、パッシベーション構造は拡散によってチップの劈開ファセットに到達することができる（吸収された光によって生成される）電荷キャリアの数を最小限に抑えるように形成される必要がある。さらに、パッシベーション構造はファセットと反応してはならず、その代わりにファセット面を安定化し、ファセットへの可動原子種／不純物の拡散／移動を防止する必要がある。さらに、パッシベーション構造自体がファセットの汚染の原因になるべきではない。
【発明の概要】
【０００７】
従来技術に残る必要性は本発明によって対処されるが、それは半導体レーザダイオードに関し、より詳細には、レーザダイオードのミラーファセットを保護するための量子井戸パッシベーション構成に関する。
【０００８】
本発明の１又はそれ以上の実施形態によれば、従来技術の厚膜アモルファスシリコンパッシベーション構造が、シリコンと酸化シリコンまたは窒化シリコン（またはゲルマニウムまたはアンチモン、およびそれらの酸化物または窒化物（または他の適切なバリア材料）といった別の適切な半導体材料など）の交互の薄い層を含む量子井戸構造に置き換えられる。半導体材料は、純粋な形態でも、欠陥密度を下げることが知られている水素化された形態でもよい。初期の半導体層が露出したファセット面上に堆積され、反応プロセスが制御されて、（バルク材料の従来の特性を示す厚い層とは対照的に）量子特性を示す薄い（例えば、約３ｎｍ）層を形成する。次に、デバイスを処理して薄いバリア層を形成する。例示的な一実施形態では、デバイスは、半導体層の表面部分をその酸化物に変換するために酸素に晒される。次に、酸化物の上に半導体の第２（薄い）層を堆積し、酸化してこの第２層の一部を酸化物成分に変換し、これにより量子井戸構造を形成する。多くのアプリケーションに適している多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を形成することを目的とする場合、半導体の堆積と酸化のステップが繰り返される。
【０００９】
本発明の量子井戸パッシベーション構造の利点は、これらの量子井戸が厚いシリコン層と比較して大きな光学バンドギャップを有し、これにより、レーザダイオードから放出される光をより少なく吸収することである。
【００１０】
本発明の例示的な実施形態は、端面発光レーザダイオードのファセット上にパッシベーション構造を形成する方法に関し、少なくとも以下のステップを含む：ａ）露出したレーザファセット面を覆うように半導体の薄い層を反応チャンバ内で堆積し、堆積層の厚さを制御して量子井戸構造を形成するステップ、ｂ）半導体層の表面部分を酸化して酸化物の薄層を作成するステップ、ｃ）ａ）及びｂ）のステップを繰り返して、半導体量子井戸及び酸化物バリアが交互に並ぶ量子井戸パッシベーション構造を形成するステップ。
【００１１】
本発明の別の例示的な実施形態は、動作波長の光を生成するために形成された導波路構造を有する半導体基板と、導波路構造の対向面に形成された一対の劈開ファセットと、酸化物材料の複数の層が適切な位置に交互になっている複数の半導体量子井戸の構成を含むパッシベーション構造と、パッシベーション構造上に直接形成された反射コーティングと、を含む端面発光レーザダイオードの形態をとる。
【００１２】
本発明の他のさらなる実施形態および態様は、以下の説明の過程で、添付の図面を参照することにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
ここで、図面について言及する。
【図１】図１は、従来の端面発光レーザダイオードを示す。
【図２】図２は、レーザファセット上に形成されたＭＱＷパッシベーション構造を含むように本発明に従って形成された例示的な端面発光レーザダイオードの平面図である。
【図３】図３は、図２に示すような本発明のＭＱＷパッシベーション構造に関連する量子井戸の略図である。
【図４】図４は、本発明の原理にしたがってＭＱＷパッシベーション構造を製造するために使用され得る例示的な一連の処理ステップを示す。
【図５】図５は、本発明の原理にしたがってＭＱＷパッシベーション構造を製造するために使用され得る例示的な一連の処理ステップを示す。
【図６】図６は、本発明の原理にしたがってＭＱＷパッシベーション構造を製造するために使用され得る例示的な一連の処理ステップを示す。
【図７】図７は、本発明の原理にしたがってＭＱＷパッシベーション構造を製造するために使用され得る例示的な一連の処理ステップを示す。
【図８】図８は、本発明の原理にしたがってＭＱＷパッシベーション構造を製造するために使用され得る例示的な一連の処理ステップを示す。
【図９】図９は、本発明の原理にしたがってＭＱＷパッシベーション構造を製造するために使用され得る例示的な一連の処理ステップを示す。
【図１０】図１０は、本発明の原理にしたがってＭＱＷパッシベーション構造を製造するために使用され得る例示的な一連の処理ステップを示す。
【図１１】図１１は、パッシベーション構造の上部に堆積された標準反射コーティングを含む、本発明のＭＱＷパッシベーション構造を含むように形成された例示的な完成したレーザダイオードを概略的に示す。
【図１２】図１２は、本発明のＭＱＷパッシベーション構造を含むように形成された例示的なレーザダイオードの高分解能ＳＴＥＭである。
【図１３】図１３は、本発明に従って形成された例示的なレーザダイオードの別の高分解能ＳＴＥＭであり、この場合、エクスサイチュコンディショニングプロセスが初期アモルファスシリコン層を結晶化するために使用されている。
【図１４】図１４は、本発明のさらに別の実施形態の高分解能ＳＴＥＭであり、この場合、インサイチュプロセスを使用して、残りのＭＱＷパッシベーション構造を形成する前に初期シリコン層を結晶化した。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、フロントファセット１２と反対側のリヤファセット１４とを有する半導体光電子チップ（または「バー」）１０内に形成された典型的な端面発光レーザダイオードを示す。バー１０は、通常ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよび関連するＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の層から成る垂直構造を有している。しかしながら、他の材料の組み合わせが発光デバイスを作製する際に使用するために可能であることに留意されたい。
【００１５】
これらのレーザダイオードの商業生産では、多数のそのようなバーが単一のＧａＡｓウェハ上に同時に形成され、次にウェハは、自然な劈開面に沿って劈開されて、垂直に配置された側面１６、１８とともにフロントファセット１２およびリヤファセット１４を有する多数の別々のバー１０を形成する。
【００１６】
ウェハ上で行われる半導体処理はまた、ファセット１２、１４間に延びる導波路構造２０を各バーに形成する。ほとんどの場合、導波路構造２０はリッジ導波路であるが、他の構成（例えば、埋め込みヘテロ構造導波路）も可能である。多くの高出力用途では、導波路構造２０は、広域レーザを形成するために、レーザ発振波長よりも実質的に大きい幅を有し得る。
【００１７】
通常の製造手順の一部として、劈開ファセット１２、１４は、標準的なＥ２パッシベーションプロセスにかけられる。すなわち、ファセット１２、１４は、好ましくはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を備えるパッシベーション層２２、２４で被覆されている。Ｅ２プロセスの本質は、露出した表面上に直接的にシリコンを形成することによってチップファセット１２、１４を化学的に安定化させることである。シリコンは面腐食を阻止／除去するための明らかに優れた選択であるが、それは、シリコンがレーザダイオードによって放出された光を自然に吸収するという欠点を有する。すなわち、吸収された光は、非放射的に再結合して過度の熱を発生する電荷キャリアを生成する。これらのプロセスはファセットの劣化を加速し、ＣＯＤをもたらす熱暴走状況を開始させる可能性がある。結果として、パッシベーション層の全体の厚さは、この可能性を最小にするために制御される必要がある。
【００１８】
実際、原則として、シリコン薄膜はファセットを化学的に安定化するのに十分であると思われる。しかしながら、長期寿命試験は、薄膜が長期間の動作に対して不十分な保護を提供することを示している。表面粗さ／劈開関連工程を完全にカバーする薄膜の場合でさえも、膜厚は、外来原子／不純物の内部拡散を防止する有効な障壁として機能するのに十分であることが見出されていない。
【００１９】
本発明は、（バルク材料の特性を示す）厚いシリコン膜を、バリア層（例えば、酸化物、窒化物など）で挟まれた半導体量子井戸（ＱＷ）を備える量子井戸構造で置き換えることによって、これらの問題に対処する。量子井戸パッシベーション構造としての使用に適した好ましい半導体材料には、純粋な形態または水素化形態のいずれかで、シリコン、ゲルマニウム、およびアンチモンが含まれる。未結合手の飽和を介して半導体材料の中の欠陥の密度を下げるのに十分な量の水素を含有する水素化形態。便宜上、以下の説明では、他の適切な材料を使用できることを理解した上で、そのような量子井戸／バリアパッシベーション構造にシリコン／酸化シリコンを使用することに焦点を当てる。Ｓｉ、Ｇｅ、およびＳｂの酸化物および窒化物に加えて、他の材料（例えば、アルミニウム、チタン、およびタンタルなどであるが、これらに限定されない）の酸化物および窒化物を用いて、ＱＷパッシベーション構造の障壁を形成してもよい。
【００２０】
図２は、本発明の原理に従って形成された量子井戸パッシベーション構造３０を有する例示的な端面発光レーザダイオードを示す。上述した従来のレーザダイオードと同様に、本発明のレーザダイオードは、ファセット１２および１４を含むように形成された半導体チップ１０を備える。本発明のレーザダイオードは、図２に示すように、ファセット１２を覆うように示されているように配置された量子井戸パッシベーション構造３０を含むように形成される（反対のファセット１４上に量子井戸パッシベーション構造を形成するために、同じプロセスを使用できることに留意されたい）。
【００２１】
以下に詳細に説明するように、量子井戸構造３０は、ファセット１２の露出面上に配置された半導体材料と誘電体バリアの交互の層を含む。本発明の原理によれば、所望の量子井戸／障壁構造を作り出すために、各個々の層は比較的薄い（数ｎｍのオーダー）。多層ＱＷ／バリアスタックを形成するプロセスが、本質的に先行技術のａ−Ｓｉパッシベーション膜のオーダーの厚さを有する最終スタックが形成されるまで実行される。いくつかの実施形態では、単一の井戸構造で十分であり得る。
【００２２】
図２に示すような特定の実施形態を参照すると、量子井戸構造３０の初期シリコン層３２．１が、ファセット１２の露出された上部主表面１２Ｓ上に堆積されているように示されている。シリコン層３２．１は、周知の技術（Ｅ２プロセスに使用されるものなど）を使用して堆積される。本発明によれば、シリコン層３２．１は、所望の量子井戸構成を提供するために、わずか数ｎｍ（例えば、３ｎｍ）の厚さに形成される。初期シリコン層３２．１が形成されると、デバイスは酸素にさらされてシリコン層３２．１の表面部分を酸化し、それによって第１の酸化シリコン層３４．１を形成する。酸化プロセスは本発明に従って監視され、生成された酸化物層３４．１の厚さを制御する。例えば、第１の酸化物層３４．１について約１．０〜２ｎｍの範囲の厚さを作り出すことが望ましい場合がある。この厚さで、残りのシリコン層３２．１は、約１〜２ｎｍ、またはわずかに小さい最終厚さを有することになる。残りのシリコン層３２．１と酸化物層３４．１との組み合わせは、量子井戸パッシベーション構造を形成する。「多重」量子井戸構造を形成することが好ましい場合（これは通常そうである）、追加の薄い（〜３ｎｍ）シリコン層３２．２が酸化物層３４．１上に堆積され、デバイスが再び酸素にさらされ、第２の酸化シリコン層３４．２にシリコン層３２．２の上部を変換する。その後、堆積および酸化のステップを続けて、図４に示すように層のスタックを構築し、量子井戸構造３０を形成する。これらの材料の選択は単なる例示であり、他の材料を使用して量子井戸とバリア層の双方を形成することができることに留意されたい。実際、バリアは、シリコン、ゲルマニウムおよびアンチモンの酸化物または窒化物、ならびに酸化アルミニウム、酸化チタン、窒化アルミニウム、および酸化タンタルなどの特定の材料を含むことができる。
【００２３】
所望の数の量子井戸が形成されると、（ＳｉｘＮｙなどの）標準コーティング層３６が最も外側の（ここでは、酸化シリコン層３４．４として示される）バリア層の上面上に形成される。個々の層の数およびそれらの厚さは設計上の考慮事項であり、層がそれらの量子特性を示すが従来のバルク材料特性を示さないほどに十分に薄いままである限り、場合によっては状況に応じて調整または変更が可能であることに留意されたい。これらの異なる状況は、例えば、極めて高い電力レベルで動作するためのレーザダイオードの作成、異なる波長で動作するレーザ、または処理中（例えば、イオンビームスパッタリングによる標準ミラーコーティングの堆積中）にファセットが高エネルギーイオンに曝される状況を含み得る。
【００２４】
図３は、シリコンと酸化シリコンの交互の層によって形成された例示的なＱＷ／バリア構造を示す図である。上述のように、ファセットコーティングとして従来技術の厚いシリコン層を使用することに関する１つの問題は、それがレーザチップによって放出される光の一部を吸収することである。吸収された光は、非放射的に再結合するのに十分な量の電荷キャリアを生成し、過度の熱およびファセットの劣化に寄与する。このようなファセットの劣化は、特に、過剰な熱の発生によって促進される、欠陥の再結合促進形成、反応および伝播を介して起こる。特定の場所／位置での非放射的に再結合するキャリアの数が多いほど、この場所での材料の劣化が早くなる。このことから、パッシベーション構造における光吸収によって生成されたキャリアの適切な空間的再分布によって、劣化プロセスを減速させることが可能であり得ることを示すことができる。本発明の原理によれば、この結果は、再結合を局所量子井戸に閉じ込めるより高いバンドギャップ障壁材料を有する量子井戸構造を使用することによって達成される。したがって、このような量子井戸構造の使用は、レーザ放射の吸収を低減するだけでなく、チップファセットに到達する電荷キャリアの数を最小限にし、これらの手段によってファセット劣化プロセスを著しく減速させることが分かっている。
【００２５】
以下に詳細に説明するように、図４〜図１１は、本発明にしたがった端面発光レーザダイオード用の量子井戸パッシベーション構造を形成するよう使用することができる例示的な一連の処理ステップを示す。本発明のパッシベーションプロセスは、レーザが棒状のままである間にファセットに適用することができることに留意されたい。実際に、同時に複数のレーザバーを加工することが可能であり、これにより製造時間を著しく短縮して全工程の効率を改善する。
【００２６】
図４は、パッシベーションプロセスの開始時のレーザダイオード構造を示している。図４に示すようなレーザチップ１０は、レーザ装置を形成するのに必要な様々なＩＩＩ−Ｖ族材料層を含むように完全に処理されており、ファセット１２および１４が劈開操作によって形成され、処理されたＧａＡｓウェハからレーザダイオードのいくつかの「バー」を形成する製造プロセスの段階に達していることに留意されたい。実際に、レーザダイオードバー全体を明示的に図示していないが、本発明に係る量子井戸パッシベーションを提供する方法は、個々のレーザダイオード自体と同様に、複数のレーザダイオードのバー構造上で実行することができることに留意されたい。ほとんどの場合、レーザダイオードバーのセット上で同時に不動態化を行い、効率的な大量生産技術を提供することが好ましいと考えられる。
【００２７】
図４は、ファセット１２および１４を露出させるために劈開された直後のレーザチップ１０を示す。図示のように、ファセットパッシベーションプロセスの最初のステップは、ファセット１２の露出端面１２Ｓ上の初期シリコン層３２．１の堆積である。堆積は、前の劈開操作に使用されるのと同じ装置内で行われる。初期シリコン層３２．１の形成に続いて、デバイスは酸素にさらされ、それはシリコン層３２．１の最表面を酸化してそれを酸化シリコンに変換する働きをする。図５は、アモルファスシリコン層が結晶質になるように処理され、したがってチップとの結晶質界面を形成することを強調している。結晶化は、図１１の説明に関連して以下に説明されるように、プロセスの異なる段階で実行され得ることに留意されたい。
【００２８】
図６は、シリコン層３２．１の上部から形成された第１の酸化物層３４．１を示す。酸素への曝露の長さは、形成される酸化シリコン層３４．１の厚さ（および同様に、残りのシリコン層３２．１の厚さ）を決定する。図６に示すように、残りのシリコン層３２．１はｔｓの最終厚さを有し、酸化物層３４．１はｔ０の厚さを有し、ここでｔｓ＋ｔ０は最初に堆積されたシリコン層とほぼ同じである。酸化によりパッシべーション構造に酸素原子が付加されるため、わずかに異なる厚さが予想される。したがって、３ｎｍの厚さを有する初期シリコン層から１ｎｍの厚さまで酸化物層を形成するとき、層３２．１の最終的な厚さｔｓは２ｎｍ程度になる。本発明に従ってシリコン量子井戸構造を形成するためには、初期シリコン層３２．１（およびその後に堆積されるすべてのシリコン層）は比較的薄く、（レーザダイオードによって放射される光の波長に依存して）約３ｎｍ以下である必要がある。その後、図７に示すように、第１の酸化シリコン層３４．１上に第２のシリコン層（シリコン層３２．２として示す）を堆積することによって、プロセスが継続する。第２の層３２．１は、量子井戸の形成を可能にする厚さに堆積される。
【００２９】
複数の量子井戸を形成することが望ましい実施形態では、プロセスは、デバイス１０を再び酸素にさらし、続いて薄いシリコン層をさらに堆積することなどによって続く。各プロセスサイクルにおいて、酸素にさらされると、新たに堆積されたシリコン層３２の最表面が酸化される。図８は、進行中の構造を示し、第２の酸化物層３４．２を示す。直下のシリコン層の残りの厚さは、図８においてシリコン層３２．２として示されている。シリコンを堆積するステップと酸化シリコンを形成するステップは、シリコン多重量子井戸を形成しながら、何度も実行することができる。本発明の方法の重要な利点は、各連続したシリコン層が汚染のないチャンバ内で堆積され、それが毎回後続の処理のために清浄な表面を維持することである。別の言い方をすれば、原子規模で、本発明の方法は、従来技術のファセットパッシベーション技術よりも「クリーン」である。
【００３０】
標準的なＥ２プロセスでは、単一のシリコンパッシベーション層を堆積した後、デバイスは無汚染反応チャンバから取り除かれ、ミラー処理の残りがこのチャンバの外側で行われることに留意されたい。したがって、（光の吸収に関連する熱暴走を最小限にするために従来技術で提案されているように）単一シリコン層が非常に薄く保たれると、パッシベーション層の露出面がチップファセットに極めて近くなり、拡散／移動した可動原子種／不純物によるファセットの汚染の危険性が高まるという状況が発生する。この状況とは対照的に、本発明の構造は、可動原子種による汚染を防止するのに必要な限りファセットから遠く離れて最終の露出したシリコン層（ここでは層３２．４）を維持する。
【００３１】
図８は、シリコン堆積およびシリコン酸化物形成の追加ステップ後のレーザチップ１０を示し、追加のシリコン層３２．３および酸化物層３４．３を示す。構造３０の最終形態が図９に示されており、追加のシリコン堆積および酸化物形成ステップのセットが、図８に示されるような構造上で実行されている。図２に戻ると、量子井戸パッシベーション構造３０の最終構造が、Ｅ２プロセスで形成された標準的なシリコンパッシベーション膜の厚さと同様の所望の厚さＴを示すように形成される。図１０は、（例えば、窒化ケイ素などの）保護層３６が外側の酸化物層３４．４の上に形成されるプロセスの最終ステップを示す。
【００３２】
形成された状態では、初期シリコン層２１．１はアモルファスシリコン層であり、この状態のままにされると、比較的低い電流／電力レベルでＣＯＤをもたらすようにファセット１２と相互作用する。したがって、結晶化シリコン層３２．１ｃを形成するよう層３２．１を調整することが望ましい。当技術分野で周知の様々な技術を使用して、限定されるものではないが、限られた期間にわたってより少ない電流で動作させること（「トレーニング」と呼ばれることもある）を含むこのような調整を提供することができる。代替的に、２０１８年６月４日に出願され、参照により本明細書に組み込まれており、パッシベーション材料を照射し、パッシベーション材料を結晶形態に変換するための外部エネルギー源の使用を記載している、同時係属中の本出願人の米国特許出願第１５／９９６，６１４号に記載されているように、エクスサイチュ（ex-situ）プロセスを使用してもよい。調整ステップは、ミラー処理の異なる段階（例えば、第１のシリコン層の堆積直後、量子井戸製造プロセスの完了時、ミラーが完成したとき（反射性外部コーティングの堆積を含む））、またはその間の任意の時点で実行することができることに留意されたい。図１１は、ここではシリコン層３２．１ｃとして示されているこの第１のシリコン層の結晶化形態を有するパッシベーション構造を示す。
【００３３】
図１２は、本発明の量子井戸パッシベーション構造を含むように形成された例示的なレーザダイオードの高分解能ＳＴＥＭである。構造体３０の量子井戸形態がはっきりと見え、ファセット１２とレーザチップ１０の外側保護層３６との間のパッシベーション界面として形成されている。
【００３４】
図１３は、本発明の量子井戸パッシベーション構造を含むように形成された例示的なレーザダイオードの別の高分解能ＳＴＥＭであり、この場合、（本出願人の上記の同時係属出願に十分に記載されているように）エクスサイチュ（ex-situ）コンディショニングプロセスが使用され、初期アモルファスシリコン層３２．１を結晶化して結晶シリコン層３２．１ｃを形成する。図１４は、本発明のさらに別の実施形態の高分解能ＳＴＥＭであり、この場合、インサイチュ（in-situ）プロセスを使用して初期シリコン層３２．１ｃを調整した。
【００３５】
上述のように、本発明のパッシベーション構造によるレーザの出力放射の吸収は、従来技術のバルクシリコン材料の使用と比較して、量子井戸におけるより大きな有効バンドギャップのために、より少ないと予想される。本発明のレーザダイオード構造の有利な特徴は、個々の量子井戸内で生成されるあらゆる電荷キャリアが「局所的に」再結合、すなわち、特定の層自体の中にあることである。
【００３６】
望ましくない種（原子または分子）がコーティング材料中またはパッシベーション構造／コーティング界面のいずれかに存在する場合、外部推進力の適用なしに、パッシベーション構造を通ってファセットへのそれらの拡散（またはファセットとの化学反応）を開始することができない。光エネルギーの吸収はそのような力の１つであるが、パッシベーション構造の量子井戸構造はこの能力を妨げると考えられ、ファセットおよびパッシベーション層で発生する電荷キャリアの量、ひいてはその結果生じる過剰な熱および欠陥形成プロセスを最小限に抑える。
【００３７】
本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態で実施することができる。説明した実施形態は、あらゆる点で例示的なものにすぎず、限定的なものではないと見なすべきである。したがって、本発明の範囲は、上記の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と同等な意味および範囲内にある全ての変更はそれらの範囲内に包含されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
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