(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層に対して垂直な共振器軸を有するキャビティ共振器を形成する上側及び下側の多層反射鏡と、
前記共振器に内部に設けられた活性領域と、
前記軸に沿って伝搬する誘導放出光を生成するために開口を介して前記活性領域に電流を導く電流ガイド構造であって、前記放出光の一部は前記共振器から放射する出力信号を形成し、前記構造は前記活性領域からみて反対側に設けられた高導電性の上側および下側コンタクト層を有する電流ガイド構造と、
前記上側および下側コンタクト層の上にそれぞれ設けられた上部および下部電極であって、面内方向にみて前記上側の反射鏡を間にして互いに対向するように設けられた上部および下部電極と、を備えた面内注入型垂直キャビティ表面発光レーザにおいて、
前記上部電極の下側に延在した前記下側コンタクト層の一部分が、相対的に高い抵抗を有することを特徴とする面内注入型垂直キャビティ表面発光レーザ。
【請求項２】
前記上部電極と前記高い抵抗を有する前記一部分が、これら両方が前記開口のかなりの部分を取り囲み且つ前記下部電極に面した開放口を有するようなＵ字状に形成され、これによって前記上部電極から前記開口を介して前記下部電極に至る高導電の直接電流パスを規定してなる請求項１記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
【請求項３】
前記高い抵抗を有する一部分が、前記Ｕ字状の上部電極の下の一部のみに延在し、前記電極の内側の内側端に沿った高導電の回廊領域を残してなる請求項２記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
【請求項４】
前記回廊領域の幅が、約２μｍである請求項３記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
【請求項５】
前記上部電極が、ボンディング・パッドを有し、
前記高い抵抗を有する前記一部分は、前記ボンディング・パッドの下にも延在してなる請求項１記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
【請求項６】
前記構造は、前記共振器軸に対して非対称であり、前記上側の反射鏡からみて前記上部電極が設けられている側がより広く、前記上側の反射鏡からみてその反対側においてより狭くなっている請求項１記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
【請求項７】
前記高い抵抗を有する一部分は、ヘリウム・イオンが注入されている請求項１記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
【請求項８】
異なる屈折率を有するＡｌxＧａ1-xＡｓとＡｌyＧａ1-yＡｓ層との交互の組み合わせを有する下側のＤＢＲ反射鏡と、異なる屈折率を有する誘電体層の交互の組み合わせを有する上側の反射鏡であって、これらの反射鏡は、前記層に対して垂直な共振器軸を有するキャビティ共振器を形成する、反射鏡と、
前記共振器の内部に設けられたＭＱＷ活性領域と、
前記軸に沿って伝搬する誘導放出光を生成するために電流開口を介して前記活性領域に電流を導く電流ガイド構造であって、前記放出光の一部は前記反射鏡の少なくともいずれかから放射する出力信号を形成し、前記構造は前記活性領域の反対側に設けられた高導電性の上側および下側コンタクト層を有し、上部および下部電極が前記上側および下側コンタクト層の上にそれぞれ設けられ、およびこれら上部および下部電極は面内方向にみて前記上側の反射鏡を間にして互いに対向するように設けられ、前記上部電極から前記軸に対して実質的に垂直な第１のパス部分に沿いさらに前記第１のパス部分から前記軸に対して実質的に平行な第２のパス部分に沿いさらに前記電流開口を介して前記活性領域への電流の流れを制御する手段を有し、前記制御する手段は前記上部電極と前記電流開口との間に設けられた複数層の積層を含み、前記積層は前記共振器内における前記光の定在波のノードの位置に実質的に設けられた相対的に高い導電度の第１の層と前記第１の層に隣接した低い導電度の第２の層と前記第２の層に設けられ前記電流開口を形成する開口を有するイオン注入領域とを有する、電流ガイド構造と、
前記軸を横切るように設けられ前記電流開口と整合した高い屈折率のメサの形態を有するレンズ構造であって、前記メサは、前記上側の反射鏡に少なくともその一部が埋め込まれ、ＡｌzＧａ1-zＡｓ層と、前記ＡｌzＧａ1-zＡｓ層を覆い前記反射鏡に隣接して設けられた保護ガラス層と、前記ＡｌzＧａ1-zＡｓ層の下に設けれたＩｎＧａＰ層と、を有し、前記上側の反射鏡の直径は前記メサの直径よりも大きい、レンズ構造と、を備えた面内注入型垂直キャビティ表面発光レーザにおいて、
前記上部電極の下に延在する前記下側コンタクト層の一部分は、相対的に高い抵抗を有し、
前記上部電極と前記高い抵抗を有する前記一部分は、これら両方が前記開口のかなりの部分を取り囲み且つ前記下部電極に面した開放口を有するようなＵ字状に形成され、これによって前記上部電極から前記開口を介して前記下部電極に至る高導電の直接電流パスを規定してなり、
前記高い抵抗を有する一部分は、前記Ｕ字状の上部電極の下の一部のみに延在し、前記電極の内側の内側端に沿った高導電の回廊領域を残してなり、
前記電流ガイド構造は、前記共振器軸に対して非対称であり、前記上側の反射鏡からみて前記上部電極が設けられている側がより広く、前記上側の反射鏡からみてその反対側においてより狭くなることを特徴とする面内注入型垂直キャビティ表面発光レーザ。
【請求項９】
前記上部電極が、ボンディング・パッドを有し、
前記高い抵抗を有する前記一部分は、前記ボンディング・パッドの下にも延在してなる請求項８記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面内注入型（lateral injection）の垂直キャビティ面発光レーザ（vertical cavity surface-emitting lasers：ＶＩＣＳＥＬｓ）に関し、特に、電流分布が改良され、寄生容量が低減された面内注入型垂直キャビティ面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の面内注入型のＶＣＳＥＬは、図１に例示したように、一対の積層反射鏡５２及び５４により形成されたキャビティ共振器を有し、その中には活性領域６０が設けられている。電流狭窄構造（current confinement structure）５８は、活性領域のうちの比較的狭いチャネルを電流が流れるように制限する。この構造５８は、開口５９が設けられた高抵抗層５７を有し、電流は、この開口を介して環状の上部コンタクト５４から環状の下部コンタクト５６へと流れる。
【０００３】
より詳細には、破線４０及び４２により表したように、電流は上部コンタクト５４から高導電層４６に流入し、その層４６を実質的には水平方向に流れ、しかる後に、開口５９を垂直に通過して高導電電流リターン層６２に達し、この層６２を実質的に水平方向にコンタクト５６まで流れる。
【０００４】
このような対称的な電極構成においては、電流パス４０（すなわち、開口５９の端に近いパス）は、パス４２（すなわち、開口５９の中央に近いパス）よりも短くなる。その結果として、電流密度は、開口の中央におけるよりも端において高くなる。このような不均一な電流分布は、高次の光学的横モード（higher order transverse optical modes）のためには有利である。というのは、基礎（fundamental）横モードが開口の中央においてその強度ピークを有するのに対して、高次の横モードは、開口の端の近傍においては基礎（fundamental）横モードよりも高い強度を有するからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的には、ＶＣＳＥＬは、基礎モードで動作させることが望ましい。その理由は、基礎モードの方が、他のデバイス、特に光ファイバと、より効率的に結合させることができるからである。
【０００６】
この問題は、１９９８年９月２２日に公告されたＭ．Ｐ．Ｃｒｅｕｓｅｎらによるオランダ国特許第１００５５７０号（以下、Ｃｒｅｕｓｅｎと称する）において指摘されている。開口における電流分布をより均一にするために、Ｃｒｅｕｓｅｎは、その特許の図１に表されているような非対称のコンタクト構造を提案している。反射鏡１の一方の上には、上部コンタクト層７の上に上部コンタクト（電極）１３が形成され、反射鏡１の裏面側の上にはコンタクト層７の上に下部コンタクト（電極）１４が形成されている。
【０００７】
Ｃｒｅｕｓｅｎは、この構成によれば、活性層５を流れるあらゆる電流パスの確率が同一となるので、電流注入の均一性は実際に向上するであろうと結論づけている。その結果として、高次の横モードが抑制される、としている。
【０００８】
この結論は成立しない、というのは、これは開口を通過する直接電流パス（direct current path）のみに着目し、電流が流れる平行パス（parallel path）を無視しているからである。これらの平行パスの場合には、電流パスは張り出して、より長い弧状の軌跡（arc-like trajectory）を有し、パスの全てが同一の長さを有する訳ではない。このため、開口における電流密度に不均一を与えることとなる。
【０００９】
これらの平行パスが存在する理由は、上部コンタクト層６と下部コンタクト層７とが等ポテンシャルにないからである。たとえ、これらの層を高ドープと低ドープの層の積層として設計することによって、上部コンタクト１３から下部コンタクト１４へのデバイス両端での電圧降下を最小にしたとしても、上部コンタクト層６と下部コンタクト層７とは等ポテンシャルにない。コンタクト層を形成するためにＣｒｅｕｓｅｎが高ドープと低ドープ層の積層を用いたことは、そこで参照文献として挙げられたＪｅｗｅｌｌらの米国特許第５，２４５，６２２号から自明であり、本願においても、この特許を参照文献として挙げる。
【００１０】
以上詳述したように、面内注入型のＶＣＳＥＬに関しては、高次のモードよりも基礎横モードの方が有利となるように、開口において電流分布を改善するための設計が要求されている。
【００１１】
さらに、Ｃｒｅｕｓｅｎらのものも含めて、従来の面内注入型のＶＣＳＥＬの動作速度は、寄生容量によって制限されていた。すなわち、上部金属コンタクトと高導電半導体からなる上部コンタクト層が寄生容量の一方のプレート（plate）を形成し、下部金属コンタクトと高導電半導体からなる下部コンタクト層がもう一方のプレートを形成する。そして、これらの間に存在する残りの半導体材料（例えば、高抵抗の開口層や、活性領域など）は、キャパシタの誘電層を形成する。
【００１２】
面内注入型のＶＣＳＥＬの場合、これらのプレートは従来の（すなわち、反射鏡を介して注入するタイプの）ＶＣＳＥＬよりも互いに接近して設けられるために、単位面積当たりの寄生容量はより大きくなる。容量が大きくなると、これらのレーザのＲＣ時定数が増加し、その結果として、オン／オフ時の立ち上がり／立ち下がり時間が増加し、変調速度が制限されることとなる。
【００１３】
以上説明したように、面内注入型のＶＣＳＥＬに関しては、寄生容量を低減して動作速度を改善するための設計が要求されている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のひとつの形態によれば、面内注入型ＶＣＳＥＬは、キャビティ共振器を形成する上側及び下側の反射鏡と、前記共振器の中に設けられた活性領域と、前記活性領域からみて反対側に設けられた高導電の上側および下側コンタクト層と、前記上側および下側コンタクト層の上にそれぞれ設けられ前記上側の反射鏡から面内方向にみて両側に設けられた上部および下部電極と、前記活性領域のうちの比較的狭いチャネルに電流を狭窄するための開口を有する高抵抗層を含んだ電流ガイド構造と、を備え、前記上部電極の下側に延在した前記下側コンタクト層の一部分が、相対的に高い抵抗を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明が有するこの特徴は、２つの目的を達成する。第１に、これは、平行パスで流れる電流の流れを抑制し、基礎モードに対してより有利となるような開口内での電流密度分布を形成する。第２に、これは寄生容量を低減する。
【００１６】
望ましい実施の形態においては、上部電極はＵ字状（上方から眺めたとき）を有し、そのＵの開放口は下部電極の方を向いている。同様に、下側コンタクト層の高抵抗部分もＵ字状で同様の方向を向いている。両方とも開口のかなりの部分を取り囲み、下部電極を向く開放口を有する。これらＵ字状の上部電極と下側コンタクト層のＵ字状の高抵抗部分は、上部電極から開口を介して下部電極に至る高導電の直接電流パスに開放口を規定する。
【００１７】
もうひとつの望ましい実施の形態においては、高抵抗部分はＵ字状の上側コンタクトの内側端には延在しない。すなわち、Ｕ字状の電極の内側端に沿って高導電の帯状領域（band）あるいは回廊部分（corridor）が残存するように、抵抗部分がパターニングされる。ＶＣＳＥＬをこのように設計すると、寄生容量を約１桁近く低減することができ、直列抵抗の顕著な増加も抑制することができる。
【００１８】
本発明のもうひとつの実施の形態においては、上側および下側コンタクト層が形成されてなる構造が共振器軸に対して非対称であり、上側の反射鏡からみて上部電極が設けられた側がより広く、その反対側がより狭く形成されている。この構成により、寄生容量をさらに低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。以下の説明においては、物理的あるいは光学的なディメンジョンについて言及する場合の記号Ａはオングストロームを意味し、電流について言及する場合にはこれはアンペアを意味する。
【００２０】
（ＶＣＳＥＬの概略構成）
図２を参照すると、面内注入型のＶＣＳＥＬ１０は、下側及び上側の積層構造反射鏡１２及び１４をそれぞれ備え、これらの反射鏡は、各層に対して垂直な軸を有する光学キャビティ共振器（optical cavity resonator）を形成している。この共振器の中には、活性領域１６とレンズ構造２０とが設けられ、共振器の軸に対して垂直に配置されている。
【００２１】
適切にポンプされると、活性領域は誘導放出光（中心波長λにおいて）を発生し、この光は共振器の軸に沿って伝搬し、反射鏡の一方（例えば、上側の反射鏡１４）を介して共振器から出力信号４０として放出される。レンズ構造２０は、相対的に高い屈折率のメサ（mesa）状に形成され、レーザ放出光のうちの横モードを収束させる作用を有する、すなわち、別の見方をすると、このレンズ構造は、放出光のビームのくびれ（beam waist）を規定する。
【００２２】
活性領域は、電流狭窄開口（current confinement aperture）１８．６を有する電流ガイド構造１８によってポンプされる。活性領域１６と電流ガイド構造１８との組み合わせは、ｐ−メサと称されるが、この構造１８がｐ型であることは本質的ではなく、活性領域１６は通常はアンドープである。
【００２３】
電流ガイド構造１８は、相対的に高い導電度を有する上部コンタクト層１８．１と、上側の反射鏡１４の一方の側において層１８．１の上に形成された上部電極１８．４と、コンタクト層１８．１の下に設けられた下部コンタクト層１８．２と、高抵抗のイオン注入された層１８．２の中の領域あるいは部分１８．３を有する。領域１８．３は、通常は環状の形状を有し、その中央の開口が電流狭窄開口１８．６を形成する。
【００２４】
ガイド構造１８の全体としての作用は、上部電極１８．４からの電流が、まず、層１８．１の中の第１のパス部分（path segment）に沿って、実質的に水平方向（すなわち、共振器の軸に対して垂直な方向）に流るということである。イオン注入された領域は、この電流の向きを変え、層１８．２の上部の中の第２のパス部分に沿って開口１８．６に向けて実質的に垂直方向（すなわち、共振器の軸に対して平行な方向）に流す。この時点で、電流は活性領域１６を実質的に垂直方向に流れ、活性領域１６と下側の反射鏡１２との間に設けられた高導電の電流リターン（あるいは、コンタクト）層２２を経由して下部電極２６に到達する。
【００２５】
上部電極１８．４に対して、下部電極２６は、面内方向にみた時に上側の反射鏡１４の反対側に設けられている。これら２つの電極は、非対称電極構造として知られる構成を形成している。
【００２６】
注入深さを正確に制御するために、領域１８．３は、比較的重いイオン（例えば、酸素やフッ素）を比較的浅い深さ（例えば、０．１-０．３μｍ）で上部コンタクト層１８．１の表面の下部に注入することにより形成することが望ましい。イオン注入の後、高抵抗を生ずるための層１８．３中の深いトラップを維持しつつ、層１８．１および１８．２中の浅いトラップを除去するために適宜アニールする。（本願において、S.J.Peartonその他による、Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol.216, pp.451-457（１９９１）を参考文献として挙げる）
【００２７】
また、上部コンタクト層１８．１の上の上部電極１８．４の形成を容易にするために、通常はかなり薄い（例えば、数１００オングストローム）層１８．１を３つのサブ層（sub-layers）（図示せず）からなるものに置き換えてもよい。これは、相対的に低い導電度を有する層が高い導電度を有する一対の層にサンドイッチされたもので、下側のサブ層は、電極が形成される上側のサブ層の上面から下方にかなり離れて（例えば、１５００オングストローム）設けられる。つまり、層１８．３は、層１８．１の上面の下方２０００−３０００オングストロームにある。
【００２８】
これら３層の層厚と配置は、共振キャビティの定在波パターンによって決定される。すなわち、高導電層のそれぞれは、通常は数１００Ａの厚みを有し、（自由キャリア吸収を低減するために）ノード（node）を夾叉する（straddle）。そして、低導電層の層厚は、それらのノードがＮλ／２ｎだけ離れるように選択される。ここで、Ｎは正の整数であり、ｎは活性領域の実効屈折率（effective refractive index）である。
【００２９】
反射鏡は、例えば、異なる屈折率の層を交互に組み合わせた多層構造のＤＢＲ反射鏡とすることができる。前述したように、反射鏡１２は、III−Ｖ族化合物半導体材料のエピタキシャル層を交互に積層した構成を有し、それぞれの層は、およそλ／４ｎsの厚みを有する。ここで、ｎsは、半導体反射鏡１２の中のそれぞれの層の屈折率である。典型的には、一方のセットはＡｌxＧａ1-xＡｓの層からなり、他方のセットはＡｌyＧａ1-yＡｓ  からなるものとすることができ、ここでｘとｙとが互いに異なるものとする。
【００３０】
これに対して、反射鏡１４は、誘電体（すなわち、エピタキシャルでない）材料からなる層を交互に積層したものとすることができ、それぞれの層はおよそλ／４ｎDの厚みを有する。ここで、ｎDは、誘電体反射鏡１４のうちの対応する層の屈折率である。例えば、一方のセットをＴｉＯ2とし、他方のセットをＳｉＯ2とすることができる。または、一方のセットをＭｇＦ2−ＣａＦ2混合体とし、他方のセットをＺｎＳとすることができる。モル割合で９５％ＭｇＦ2と５％ＣａＦ2の混合体は、重量比でおよそ４７％ＭｇＦ2と５３％ＣａＦ2、あるいはこれと等価的に、モル比でおよそ５３％ＭｇＦ2と４７％ＣａＦ2の共晶（eutectic）メルトからの電子ビーム堆積により得ることができる。本願に対応する米国出願と同時に継続している１９９７年１２月２３日に出願された米国特許出願第０８／９９７，７１０号（Chirovsky 13-27-8-7-4-5-4-43）を参考文献として挙げる。
【００３１】
一方、レーザの他の部分が形成された後に基板２４が除去される場合には、反射鏡１２も、反射鏡１４に関して前述したタイプの誘電体層により構成することができる。この場合には、出力信号は両方の反射鏡から放出されるようにすることができる。あるいは、誘電体反射鏡のいずれかにおいて、一対あるいはそれ以上を高反射率の金属（例えば、金あるいは銀）コートに置き換えることにより、出力信号を他方の反射鏡からのみ放出させることができる。この金属コートはまた、デバイスの位相プロファイル（topological profile）を還元する（reduce）作用も有する。ここで、「基板」なる用語は、その上にレーザの他の層が形成される、あらゆる支持部材を意味する。例えば、それは、その上にエピタキシャル層が成長される単結晶体でもよく、あるいは、そのような基板とエピタキシャルバッファ層との組み合わせであっても良い。
【００３２】
レンズ構造２０は、少なくとも部分的に上側の反射鏡１４に埋め込まれている、すなわち、反射鏡１４は、この構造２０の上に積層され直接接触する。つまり、反射鏡１４の直径は、構造２０のそれよりも大きく、その結果として、構造２０により規定されるビームのくびれよりも外側のあらゆる放射の少なくとも一部を反射する役割を有する。例えば、構造２０は、相対的に高い屈折率を有する層２０．１（例えば、ＡｌzＧａ1-zＡｓ）により形成されたメサを有し、また、その下に積層されたストップ・エッチ層２０．２（例えば、ＩｎＧａＰ層）と、その上に積層された保護層２０．３（例えば、ガラス層）を含んでも良い。層２０．１におけるＡｌのモル比ｚは、レーザの動作中心波長の関数である（例えば、約９８０ｎｍでの動作の場合ｚ＝０であり、約８５０ｎｍにおいてはｚ＝０．１２である）。
【００３３】
メサの断面形状は、図示したように長方形でも良く、または、湾曲していても良い（例えば、中央で厚く、端で薄くテーパした凸状のメサ）良い。望ましくは、反射鏡１４の中の低屈折率層のいずれかが、メサの高屈折率層２０．１（あるいは、保護層２０．３が用いられている場合には、保護層２０．３）に隣接して設けられ、層２０．１の屈折率は、反射鏡の隣接した層よりも高いものとする。
【００３４】
ストップ・エッチ層２０．２は、上部電極１８．４を形成するために上部コンタクト層１８．１の一部を露出させるエッチングを制御することを可能とする。一方、保護層２０．３半導体、種々のプロセス工程において高屈折率層２０．１の上面を光学的に平滑に維持し、前述したＮλ／２ｎ厚さを維持する役割を有する。このために、保護層２０．３は、その後のプロセス工程において用いられるあらゆる化学薬品（例えば、リフト・オフ・プロセスにおいて使用される現像液や、クリーニング工程において使用される化学薬品など）に対して耐えるものでなければならない。さらに、保護層は、それに隣接する反射鏡１４の低屈折率層と同様の屈折率を有する必要がある。厚み５０−１５０Ａのアルミニウム・ボロシリケート・ガラス（aluminum borosilicate glass）（ｎ＝１．４７）のような、薄いガラス層が特にこの目的に合致する。このガラスは、商標ＶＹＣＯＲとしてコーニング（Corning Glassworks, Inc.,Corning, N.Y.）から市販されている原料（例えば、重量比でおよそ１％Ａｌ2Ｏ3，３％Ｂ2Ｏ3及び９６％ＳｉＯ2）から電子ビーム堆積することにより得られる。
【００３５】
活性領域１６は、電流ガイド構造１８と電流リターン層２２との間に設けられている。この活性領域半導体、単層でも良いが、異なるバンドギャップの層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）領域であることが望ましく、例えば、中心波長が約８５０ｎｍにおいて動作する場合には、ＡｌＧａＡｓバリア層によってＧａＡｓウエル層を夾んだ構造を挙げることができる。
【００３６】
一方、層２２は、典型的にはｎ型のＡｌyＧａ1-yＡｓからなり、ここで、ｙは、レーザの中心波長における光学吸収を低下させるように選択される。同様に、電流ガイド構造１８の半導体層も、ＡｌyＧａ1-yＡｓからなるが、ここで、層１８．１はｐ++型であり、層１８．２はｐ-型（π型ともしても知られている）である。層２２と活性領域１６と層１８．１及び１８．２、及びレンズ構造２０の合計の層厚は、Ｎ＞１でない場合は、上述したようにＮλ＞２ｎであることが望ましい。また、自由キャリア吸収を低減するためには、高導電性の上部コンタクト層１８．１は、キャビティ共振器内のレーザ放出の定在波（standing wave）のノード位置に実質的に配置されるようにするのが望ましい。一方、放射の光学場と少数キャリアとの間の相互作用を強化するためには、活性領域は、定在波のアンチ・ノード（anti-node）の位置に実質的に配置されることが望ましい。
【００３７】
その他の中心波長において動作させるためには、ＭＱＷ活性領域は、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ（例えば、およそ１．３μｍまたは１．５μｍにおいて動作させる場合）などのような異なる半導体材料により形成され、また、反射鏡はこれらの波長において適切な反射率を与えるような公知の材料により形成されなければならない。同様に、およそ０．９８μｍにおける動作のためには、活性領域はＩｎＧａＡｓとＧａＡｓ、またはＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＰとにより形成することができる。
【００３８】
上述したタイプのＶＣＳＥＬは、従来のＶＣＳＥＬよりも面内の構成に関してより小さいサイズを再現でき、反射鏡１４の前にレンズ構造２０を形成することができる一連のプロセス工程により、形成することができる。例えば、その概略的なプロセスの流れは、単結晶基板２４を提供する工程と、その基板２４の上に反射鏡１２を形成する工程と、電流リターン層２２を形成する工程と、ＭＱＷ活性領域１６を形成する工程と、活性領域の上に電流ガイド構造１８を形成する工程と、電流ガイド構造１８の上にレンズ構造２０を形成する工程と、レーザに電極２６と１８．４を形成する工程と、レンズ構造２０の上面に反射鏡１４を形成する工程と、を有する。例えば、反射鏡１２は、エピタキシャル成長され、反射鏡１４は電子ビーム堆積される。または、いずれの反射鏡も電子ビーム堆積しても良い。
【００３９】
本発明のＶＣＳＥＬの各半導体層の形成にあたっては、数々のエピタキシャル成長法を用いることができるが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）と有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）は、いずれも、例えば反射鏡１２やＭＱＷ活性領域１６を構成する各層などの極めて薄い層の多くについて要求される層厚制御性を満足するものである。また一方で、反射鏡１４を構成する誘電体（エピタキシャルでない）層は、典型的には電子ビーム堆積によって形成される。これに関しては、ここに参考文献として挙げる、D.G.Deppeその他に１９９３年４月２７日に許可された米国特許第５，２０６，８７１号を参照されたい。また、スパッタリングやプラズマ堆積などのその他の方法も、同様に適用することができる。
【００４０】
電流開口１８．６と構造２０とを、自己整合的な構造（self-aligned structure）として規定するためにマスキングプロセス（masking process）を用いることができる。すなわち、開口１８．６をイオン注入から遮蔽するために用いるフォトレジスト・マスクを、メサの形状をエッチングするために用いることができ、この際に、下層のストップ・エッチ層２０．２を利用することにより、上層の高屈折率層２０．１のエッチングを容易にすることができる。しかし、開口１８．６と構造２０とを、異なる直径に形成（すなわち、この構造は自己整合ではない）した方が有利な場合もある。
【００４１】
一方、誘電体反射鏡１４をパターン形成するためには、異なるマスキング・プロセスが用いられる。より具体的には、コンタクトが形成された後に、ウェーハの表面にフォトレジスト（ＰＲ）の層が堆積される。ＰＲの厚みは、反射鏡１４の目標高さよりも厚くする必要がある。そして、ＰＲに、凹状の開口が形成される。例えば、この凹状の開口は、開口の上側が台形の上側に対応するような、台形状の断面を有する。それから、誘電体反射鏡がＰＲの開口と上に形成される。最後に、ＰＲは適当な溶剤によってリフト・オフされ、ＶＣＳＥＬの上に所定の誘電体反射鏡が形成される。
【００４２】
（望ましい実施の形態）
本発明のひとつの実施の形態によれば、上述した概略的な面内注入型のＶＣＳＥＬ構造を変型して、基礎横モードにおける動作を優先させ、寄生容量を低減することができるような、開口での電流分布を提供することができる。
【００４３】
我々のＶＣＳＥＬは、電流リターン層２２が改良され、図２に表したように、上部電極１８．４の下に延在する高抵抗領域２２．１が提供される。電流・開口・規定層１８．２と同様に、層２２に適当なイオン（例えば、ヘリウム）を注入することによって、領域２２．１が高抵抗を示すようになる。
【００４４】
本発明の望ましい実施例においては、図３に表したように、上部電極１８．４は、Ｕ字形状を有し、Ｕ字の開口は下部電極２６の方を向いている。同様に、高抵抗領域２２．１もまた、Ｕ字形状を有し、同様の向きを有する。これら両方は、開口１８．６のかなりの部分を取り囲み（例えば、その周囲のうちの２７０度）、下部電極２６の方を向く開口を形成している。そして、電極１８．４と領域２２．１とが協働して、上部電極１８．４から開口１８．６を介して下部電極２６に至る高導電直接電流パス（high conductivity direct current path）を規定する。
【００４５】
本発明のもうひとつの望ましい実施例においては、高抵抗領域２２．１は、上部電極１８．４の内側端（interior edges）に延在しない；すなわち、内側端１８．４ａ、１８．４ｂおよび１８．４ｃに沿って、高導電の帯状領域（band）または回廊領域（corridor）２２．１ｄが維持されるように、イオン注入がパターン化される。典型的には、この回廊領域の幅は、約２μｍである。このデザインによれば、寄生容量を約１桁程度低下させることができる。さらに、この回廊領域は、上部電極１８．４と上部コンタクト１８．１との間の電気的なコンタクトも提供し、その結果として、両者の間で生じうるあらゆるコンタクト（直列）抵抗の増加をも防ぐことができる。
【００４６】
または、寄生容量をさらに低減するための代替案として、電流リターン層２２の残りの全ての領域（すなわち、直接電流パス２２．１ｂおよび下部電極２６の外側の領域）も高抵抗とする方法がある。図３において、領域２２．１ａが、この代替案を表す。さらに、図４は、この代替案のもうひとつの応用例を表し、ここで、ボンディング・パッド１８．４ｄの下の電流リターン層（図示せず）の部分も高抵抗になるように注入されている。さらに、図２に表したように、ｐメサ（すなわち、電流ガイド構造１８と活性領域１６）を非対称にすることによっても、寄生容量を低減することができる。つまり、ｐメサは、上側の反射鏡１４からみて上部電極１８．４が配置されている方向に幅広く、その反対側は幅狭く形成されている。
【００４７】
また、我々は、電流リターン層の一部を高抵抗にするために用いる注入ステップは、アレイ（array）における個々のＶＣＳＥＬの間に絶縁領域を設けるためにも用いることができることを認識するに至った。
【００４８】
（実施例）
以下、図２−３に例示したタイプの面内注入型のＶＣＳＥＬの形成の実施例について説明する。ここでは、単一のデバイスの形成について説明するが、もちろん、ひとつのウェーハ上には典型的には複数のデバイスのアレイが形成されることは理解されるであろう。また、以下に述べる各種の材料、寸法、およびその他のパラメータは一例に過ぎず、特に明記しない限り、これらは本発明の範囲を限定するものではない。
【００４９】
すべての半導体層の成長には、ＭＯＣＶＤが用いられた。ｐ型層にはＣをドープし、ｎ型層にはＳｉをドープした。ここで用いる「アンドープ」エピタキシャル層なる用語は、その層が「意図的には」ドープされていないことを意味し、成長チャンバ内のバックグラウンドのドーパントによる低レベルのドーピングに晒されていることもありうる。
【００５０】
ＶＣＳＥＬ１０は、しきい値電流が約１ｍＡ、動作電流が約３−５ｍＡ、放出パワーが約５−１０ｍＷで、自由空間（free space）中心波長がおよそ９６４ｎｍにおいて基礎放出（bottom emission）の動作が生ずるように設計された。このために、レーザは以下の構成を有する。
【００５１】
すなわち、市販されているアンドープ単結晶ＧａＡｓ基板と、それぞれの層厚がおよそ６９６Ａ／８２９Ａである２０ペアのアンドープＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層からなるＤＢＲ反射鏡１２と、層厚が約１４９２Ａでキャリア密度が約３×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ電流リターン領域２２と、層厚が約１０４６Ａでキャリア約１×１０18ｃｍ-3のｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部電流狭窄層（図示せず）と、それぞれが約１００Ａの層厚の４層のＧａＡｓ0.85Ｐ0.15バリア層によってそれぞれが約８０Ａの層厚の３層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ量子井戸層を夾んだＭＱＷ活性領域１６と、層厚が約３２１６Ａでキャリア密度が約０．２×１０18ｃｍ-3から約１０×１０18ｃｍ-3までグレーデッドしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部電流狭窄領域（図示せず）と、３層のサブ層すなわち、それぞれの層厚が約３００Ａでキャリア密度が約１０×１０19ｃｍ-3の一対のｐ型ＧａＡｓ層によって層厚が約１０９２Ａでキャリア密度が約１×１０18ｃｍ-3のπ型ＧａＡｓ層をサンドイッチした、上部コンタクト層と、層１８．１の上面から約０．２８−０．３０μｍの深さに酸素イオンを注入（１７０ｋｅＶでドーズ量が６×１０12ｃｍ-2）することにより直径およそ６μｍの円状の電流開口１８．６が形成されるように形成した層１８．３と、層厚が約３００ＡでＣをおよそ１０20ｃｍ-3ドープしたｐ++型ＧａＡｓ層１８．１と、層厚が約２００ＡのアンドープＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ層２０．２と、層厚が約３００ＡのアンドープＧａＡｓ層２０．１と、層厚が約８０Ａのアルミニウム・ボロン・シリケート・ガラス（aluminum borosilicate glass）保護層２０．３と、を有する。
【００５２】
層１８．１と１８．２の浅いトラップ（shallow traps）を除去するために、この構造体は５００℃で約２０分アニールされた。
【００５３】
また、寄生容量を低減し、開口１８．６における電流分布を改善するために、電流リターン層２２はヘリウム・イオンによりイオン注入され（１６０ｋｅＶでドーズ量が６×１０14ｃｍ2）、Ｕ字状の高抵抗部分２２．１が形成された。
【００５４】
次に、余分な材料を取り除いて寄生容量を低減し下部電極２６を形成するために、電流ガイド構造１８をパターニングして活性領域をエッチングすることにより電流リターン層２２の一部を露出させた。このエッチング工程によって、構造体１８の右側から約０．６−０．７μｍの半導体材料を除去し、図２に表した非対称構造を形成した。
【００５５】
次に、通常の電子ビーム蒸発法とパターニング技術を用いて、図３に表したように、ｐ型オーミック・コンタクトとしてのＵ字状の電極１８．４と、ｎ型オーミック・コンタクトとしての長方形の電極２６と、の２つの電極が形成された。
【００５６】
電極を形成した後、以下に説明するＰＲ現像液による腐食から保護するために、誘電体反射鏡１４が形成されるべき半導体の表面にアルミニウム・ボロン・シリケート・ガラス保護層１５を堆積した。この保護層１５は、層厚が約８０Ａで屈折率が約１．４７であり、おおよそ１％Ａｌ2Ｏ3，３％Ｂ2Ｏ3，９６％ＳｉＯ2なる組成の原料から電子ビーム堆積した。その後、電子ビーム蒸発により誘電体反射鏡１４を堆積し、リフト・オフ技術によりパターン加工した。
【００５７】
反射鏡１４は９ペアの層を有し、各ペアの一方の層は層厚が約１１４１ＡのＴｉＯ2からなり、他方の層は層厚が約１７０４ＡのＳｉＯ2からなる。
【００５８】
動作させた結果、本発明のＶＣＳＥＬは、従来のものよりも優れたＣＷ特性とより早い変調速度を示した。我々は、種々のバイアス電流において小信号変調応答を測定した。このレーザの３ｄＢバンド幅は、２ｍＡにおいて〜４ＧＨｚ、２．４ｍＡにおいて〜６ＧＨｚ、３．４ｍＡにおいて〜９ＧＨｚ、４．２ｍＡにおいて１０．５ＧＨｚであった。また、変調変換効率係数（modulation conversion efficiency factor：ＭＣＥＦ）は、およそ６．５ＧＨｚ／ｍＡであった。寄生（３ｄＢ）カットオフ周波数は約２０ＧＨｚとかなり高い値であり、これは、寄生容量を低減する点で我々の設計が有効であることを示している。
【００５９】
上述の構成は、本発明の原理の応用を表現するために案出されうる可能な全ての具体的な構成のうちの単なる例示に過ぎないことは明白である。当業者は、本発明の精神と範囲とから外れることなく、これらの原理に基づいて数多くの種々な他の構成を案出することができる。
【００６０】
特に、反射鏡１２と１４の両方を誘電体層により形成することができる。この場合には、半導体層のすべて（例えば、電流リターン層２２、活性領域１６、電流ガイド層１８．１および１８．２、レンズ構造２０）を基板上にまず成長し、電流ガイド構造とレンズ構造を形成し、コンタクトを形成し、上述したように反射鏡１４を堆積する。しかる後に、基板を除去し（例えば、適当なエッチング法により）、露出された層２２の上に上述したプロセスを用いて反射鏡１２を堆積することができる。基板の全部を除去する代わりに、基板に開口を形成して電流リターン層２２の一部を露出させてもよい。しかる後に、反射鏡１２をその開口内に形成することができる。
【００６１】
また、半導体層、特に高いキャリア濃度を有するもの（例えば、層１８．１および２２）をドープするために、公知のデルタ・ドーピング（delta-doping）技術を用いることもできる。さらに、各層の導電型は反転させることもできる。例えば、電流ガイド層１８はｐ型の代わりにｎ型となることができ、電流リターン層２２はｎ型の代わりにｐ型とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の面内注入型のＶＣＳＥＬの断面概略図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる面内注入型のＶＣＳＥＬの断面概略図である。
【図３】本発明のもうひとつの実施形態における電極、開口および下側コンタクト層の上面概略図である。ここでは、簡略化のためにｐメサは省略した。
【図４】図３の電極と、このＵ字状の電極に接続されたボンディング・パッドの上面概略図である。
【符号の説明】
１０  ＶＣＳＥＬ
１２、１４  反射鏡
１６  活性領域
１８  電流ガイド構造
１８．１  上部コンタクト層
１８．２  下部コンタクト層
１８．４  上部電極
１８．６  電流狭窄開口
２０  レンズ構造
２０．１  相対的に高い屈折率を有する層
２０．２  ストップ・エッチ層
２０．３  保護層
２２  電流リターン層
２６  下部電極
４０  出力信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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