(57)【要約】  合成された半導体材料の基板と、少なくとも１つの成分濃度のそれぞれ他と異なる第１導電型の基板上の第１ミラー構造内の半導体材料層の対とを備えた、線幅の狭い光を放出する半導体材料の垂直共振器面発光レーザであって、傾斜した成分濃度を有する第１ミラースペーサ層によりそれぞれの第１ミラー対は残りのものから分離されている。第１ミラー構造上の活性領域は、少なくとも１つの活性領域スペーサ層によって分離された複数の量子井戸構造を有し、第１と同じであり第２導電型の活性領域上に第２ミラー構造がある。１対の電気配線が、前記基板、前記第１ミラー構造、前記活性領域及び前記第２ミラー構造により分離されている。【選択図】図９
2009529243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線幅の狭い光を放出する半導体材料の垂直共振器面発光レーザを有するレーザシステムであって、前記レーザは以下の要素を備える：
合成された半導体材料の基板；
傾斜した成分濃度を有する第１ミラー部材スペーサ層によりお互いに分離され、それぞれ他と異なる対の部材を備えた少なくとも１つの成分濃度の第１導電型の前記基板上の第１ミラー構造内の少なくとも２つの半導体材料層の第１ミラー対であって、それぞれの第１ミラー対は、傾斜した成分濃度を有する第１ミラー対スペーサ層により残りのものから分離されている；
ＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰとが交互に重なった層を備えた複数の量子井戸構造を有する前記第１ミラー構造上の活性領域であって、前記量子井戸構造は、少なくとも１つの活性領域スペーサ層により、前記第１ミラー構造から分離されている；
傾斜した成分濃度を有する第２ミラー部材スペーサ層によりお互いに分離され、それぞれ他と異なる対の部材を備えた少なくとも１つの成分濃度の第２導電型の前記活性領域上の第２ミラー構造内の少なくとも２つの半導体材料層の第２ミラー対であって、それぞれの第２ミラー対は、傾斜した成分濃度を有する第２ミラー対スペーサ層により残りのものから分離されている；
前記活性領域から横切って前記第２ミラー構造の開口領域を囲むように少なくとも一部に配置された、少なくとも前記２つの半導体材料層の第２ミラー対によって前記活性領域から分離して置かれた、前記第２ミラー構造内の前記第２ミラー対より６小さい、前記第２ミラー構造より比較的大きい電気抵抗を有するゲインガイド層陽子注入ベース構造であって、前記開口領域は、共通の軸によりそれぞれが交差した、前記基板と平行でお互いに垂直な側部の対を有し、それぞれの前記対内のそれぞれの前記側部はお互いに６μｍから１２μｍ離れている；
前記基板、前記第１ミラー構造、前記活性領域及び前記第２ミラー構造によりお互いに分離された前記レーザへの１対の電気配線。
【請求項２】
請求項１記載のレーザシステムにおいて、
前記第１ミラー部材スペーサ層と前記第１ミラー対スペーサ層はそれぞれ、１５ｎｍを超える厚さを有している。
【請求項３】
請求項１記載のレーザシステムにおいて、
さらに、前記第２ミラー構造の上に、前記レーザが放出できる前記線幅の狭い光の４分の１波長の奇数と等しい厚さを有する広がり層を有する。
【請求項４】
請求項６記載のレーザシステムにおいて、
ＡｌＡｓの前記半導体層対部材は、ＡｌＧＡｓの前記半導体層対部材より、それぞれ光学的に厚い。
【請求項５】
請求項１記載のレーザシステムにおいて、
前記活性領域スペーサ層はｎ導電型ＡｌＡｓの第１活性領域スペーサ層であり、さらに、ｐ導電型ＡｌＡｓの第２活性領域スペーサ層により前記第２ミラー構造から分離された前記活性領域を有する。
【請求項６】
請求項１記載のレーザシステムにおいて、
前記ゲインガイド層構造は第１ゲインガイド層構造であり、前記第２ミラー構造の前記開口領域は第１開口領域であり、
さらに、前記第２ミラー構造より比較的大きい電気抵抗を持つ酸化材料で形成された第２ゲインガイド層構造を有し、
前記第２ゲインガイド層構造は、前記第１開口領域から横切って前記第２ミラー構造の第２開口領域を囲むように、前記活性領域に近い側の反対に、少なくとも一部で前記第１ゲインガイド層構造の側部に配置されている。
【請求項７】
請求項１記載のレーザシステムにおいて、
前記基板は、１００μｍより薄い厚さを有し、さらに、熱伝導率の大きいベースに固定された前記基板を有する。
【請求項８】
線幅の狭い光を放出する半導体材料の垂直共振器面発光レーザであって、前記レーザは以下の要素を備える：
合成された半導体材料の基板；
傾斜した成分濃度を有する第１ミラー部材スペーサ層によりお互いに分離され、それぞれ他と異なる対の部材を備えた少なくとも１つの成分濃度の第１導電型の前記基板上の第１ミラー構造内の少なくとも２つの半導体材料層の第１ミラー対であって、それぞれの第１ミラー対は、傾斜した成分濃度を有する第１ミラー対スペーサ層により残りのものから分離されている；
ＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰとが交互に重なった層を備えた複数の量子井戸構造を有する前記第１ミラー構造上の活性領域であって、前記量子井戸構造は、少なくとも１つの活性領域スペーサ層により、前記第１ミラー構造から分離されており、前記活性領域は、さらに、比較的導電率の大きい、少なくとも２７ｎｍのＧａＩｎＰ層から分離された、亜鉛がドーピングされた層を有する；
傾斜した成分濃度を有する第２ミラー部材スペーサ層によりお互いに分離され、それぞれ他と異なる対の部材を備えた少なくとも１つの成分濃度の第２導電型の前記活性領域上の第２ミラー構造内の少なくとも２つの半導体材料層の第２ミラー対であって、それぞれの第２ミラー対は、傾斜した成分濃度を有する第２ミラー対スペーサ層により残りのものから分離されている；
前記活性領域から横切って前記第２ミラー構造の開口領域を囲むように少なくとも一部に配置された、前記活性領域から分離して置かれた、前記第２ミラー構造より比較的大きい電気抵抗を有する酸化材料で形成されたゲインガイド層構造；
前記基板、前記第１ミラー構造、前記活性領域及び前記第２ミラー構造によりお互いに分離された前記レーザへの１対の電気配線。
【請求項９】
請求項８記載のレーザシステムにおいて、
前記第１ミラー部材スペーサ層と前記第１ミラー対スペーサ層はそれぞれ、１５ｎｍを超える厚さを有している。
【請求項１０】
請求項８記載のレーザシステムにおいて、
さらに、前記第２ミラー構造の上に、前記レーザが放出できる前記線幅の狭い光の４分の１波長の奇数と等しい厚さを有する広がり層を有する。
【請求項１１】
請求項８記載のレーザシステムにおいて、
前記活性領域スペーサ層はｎ導電型ＡｌＡｓの第１活性領域スペーサ層であり、さらに、ｐ導電型ＡｌＡｓの第２活性領域スペーサ層により前記第２ミラー構造から分離された前記活性領域を有する。
【請求項１２】
請求項８記載のレーザシステムにおいて、
前記基板は、１００μｍより薄い厚さを有し、さらに、熱伝導率の大きいベースに固定された前記基板を有する。
【請求項１３】
線幅の狭い光を放出する半導体材料の垂直共振器面発光レーザであって、前記レーザは以下の要素を備える：
合成された半導体材料の基板；
傾斜した成分濃度を有する第１ミラー部材スペーサ層によりお互いに分離され、それぞれ他と異なる対の部材を備えた少なくとも１つの成分濃度の第１導電型の前記基板上の第１ミラー構造内の少なくとも２つの半導体材料層の第１ミラー対であって、それぞれの第１ミラー対は、傾斜した成分濃度を有する第１ミラー対スペーサ層により残りのものから分離されており、前記第１ミラー部材スペーサ層と前記第１ミラー対スペーサ層は、それぞれ１５ｎｍを超える厚さを有する；
ＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰとが交互に重なった層を備えた複数の量子井戸構造を有する前記第１ミラー構造上の活性領域であって、前記量子井戸構造は、少なくとも１つの活性領域スペーサ層により、前記第１ミラー構造から分離されている；
傾斜した成分濃度を有する第２ミラー部材スペーサ層によりお互いに分離され、それぞれ他と異なる対の部材を備えた少なくとも１つの成分濃度の第２導電型の前記活性領域上の第２ミラー構造内の少なくとも２つの半導体材料層の第２ミラー対であって、それぞれの第２ミラー対は、傾斜した成分濃度を有する第２ミラー対スペーサ層により残りのものから分離されており、前記第２ミラー部材スペーサ層と前記第２ミラー対スペーサ層は、それぞれ１５ｎｍを超える厚さを有する；
前記活性領域から横切って前記第２ミラー構造の開口領域を囲むように少なくとも一部に配置された、前記活性領域から分離して置かれた、前記第２ミラー構造より比較的大きい電気抵抗を有する酸化材料で形成されたゲインガイド層構造；
前記基板、前記第１ミラー構造、前記活性領域及び前記第２ミラー構造によりお互いに分離された前記レーザへの１対の電気配線。
【請求項１４】
請求項１３記載のレーザシステムにおいて、
さらに、前記第２ミラー構造の上に、前記レーザが放出できる前記線幅の狭い光の４分の１波長の奇数と等しい厚さを有する広がり層を有する。
【請求項１５】
請求項１３記載のレーザシステムにおいて、
前記活性領域スペーサ層はｎ導電型ＡｌＡｓの第１活性領域スペーサ層であり、さらに、ｐ導電型ＡｌＡｓの第２活性領域スペーサ層により前記第２ミラー構造から分離された前記活性領域を有する。
【請求項１６】
請求項１３記載のレーザシステムにおいて、
前記基板は、１００μｍより薄い厚さを有し、さらに、熱伝導率の大きいベースに固定された前記基板を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）チップ及び部分組立品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＣＳＥＬは、光ファイバ・データ通信システムのための重要な光学源である。これらのシステムで使用されたデバイスの多くは８３０から８６０ｎｍの波長範囲で発光する。しかし、次の波長値と等しいか近くの波長での発光が確認されたＶＣＳＥＬが製作された：６６０ｎｍ，７８０ｎｍ，８５０ｎｍ，９８０ｎｍ、１３１０ｎｍ、及び１５５０ｎｍ。
【０００３】
赤色発光ＶＣＳＥＬ（〜６６０ｎｍ）は、人の目で見ることができる発光が評価されるような用途にとって大変興味のあるものである。例えば、そのような発光を検出するのに適応した光電子センサは、その光によって照らされた対象物の存在／不在、距離又は属性を検知するのに使用される。観察者がセンサ調節目的のために光線を見ることができるのは便利である。バーコードスキャナはそのようなセンサの特別な事例であると考えられるが、使用者は、彼らがより容易にバーコードに光線を当てることができるように、目に見える波長の光の使用を好む。化学用、生物学用、又は医療用のセンサは、特定の発光波長又は波長範囲を持つ光の吸収又は散乱を利用することができる。この一例として、測定される血液の酸素含有量を測定するために、６６５ｎｍ及び９０５ｎｍ波長の光源の相対的な吸収に依存するパルス酸素濃度計が挙げられる。表示装置又は印刷装置は、より高い解像度を提供するために、そのようなより短い波長の放射光に依存するかもしれない。
【０００４】
目的の用途、又はそのような赤色発光ＶＣＳＥＬを持つシステムの用途は、放射光の波長、パワー変換効率、放射発散角、及び放出モード構造を含む興味あるそれらの属性を決定する。モード構造は放射ビームの形状を描写する。いくつかの用途は単モードデバイス、すなわち、発光輝度プロファイルが一定のほぼガウス分布形状を有するデバイスを必要とする。
【０００５】
図１は、基板１上に形成された典型的な薄膜半導体による赤色発光ＶＣＳＥＬ構造のごく一般的な層を示す概要図である。光学的空洞共振器を形成するミラー２及び３が、およそＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの組成を有する比較的大きい屈折率を持つ薄膜層と、モル分率ｘ＞０．８５のＡｌxＧａ1-xＡｓの組成を有する比較的小さい屈折率を持つ薄膜層とを交互に重ねたＡｌＧａＡｓ材から構成されている。そのような各層は、その層のための関心の材料内のＶＣＳＥＬによって放射される光のために、光学波長の４分の１（λ／４）に対応した厚さを有する。光学的な厚さは、波長を屈折率で除したものによって定義される。例えば、発光波長が６７０ｎｍ、及び３．６５の屈折率を持つＧａＩｎＰ組成の場合、その材料における１波長に対応する光学的な厚さは、（６７０ｎｍ）／３．６５＝１８３．６ｎｍとなるであろう。ミラーの中では、層の厚さは４分の１波長であるので、ミラーの層の厚さは４５ｎｍの範囲内である。４分の１波長の厚さのこれらの材料の層を交互に重ねる回数（ピリオド）を多くすると（＞２０）、反射率の高いミラーが目的の発光波長で形成される。ミラー２はｎ型導電性となるようにドーピングされ、ミラー３は、２ｎλ／４（ｎは整数）の厚さを持った高ドーピング率の層３’とともにｐ型導電性となるようにドーピングされる。
【０００６】
ミラー２と３の間のＶＣＳＥＬの活性領域４は、ＡｌＧａＩｎＰ材料システムから形成されている。Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐとほぼ等しい組成の薄膜で形成された構造の中に、１つ以上の量子井戸が含まれている。注入されたキャリヤはこれらの量子井戸によって捕らえられて、結合して発光する。組成と各量子井戸の薄膜の厚さはともに、放出、又は光ルミネセンス、量子井戸の波長を決定する。量子井戸はＡｌＧａＩｎＰの障壁薄膜層によって間隔が空けられており、デバイス基板として機能するＧａＡｓに格子定数が合うように選択された障壁層及び被覆層の組み合わせを持ち、それによって光子閉じ込めが発生するようにＧａＩｎＰのものより大きい禁止帯を持つ、同じくＡｌＧａＩｎＰの被覆層又は閉じ込め層５及び６によって活性領域４内において両側で閉じ込められている。活性領域の総厚さは、発光波長の半分の整数倍数（ｎλ／２）であるかもしれないが、通常、活性領域の総厚さはＶＣＳＥＬよって放射される光の１波長（１λ）である。            高濃度ドーピングのＧａＡｓキャップ層７が、横方向の抵抗を減らすためにドーピンググレーディング層３の上に設けられている。
【０００７】
総合的なＶＣＳＥＬエピタキシャル構造の制限の１つは、構造内の格子定数又は層のパラメータが下地であるＧａＡｓ基板のものと近似しているということである。もし、これが本当でないなら、格子欠陥は、デバイスが使用される従いデバイスにダメージを与え、信頼性又はデバイスのライフタイムを制限するかもしれない。ＡｌＧａＡｓ材料システムにおいて、この条件は、ＡｌＡｓからＧａＡｓまでに及びガリウムのためにアルミニウムを交換するすべての可能な組成のために満たされる。しかし、ＡｌＧａＩｎＰ材料システムでは、この条件は、モル分率がｙ＝０．５１であるところの（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰに対応する構成のためだけに満たされる。ＧａＡｓへの格子の整合に影響することなく、モル分率ｘを０から１．０まで調整できる。しかし、ｙの値と層の厚さをわずかに調整することによって、量子井戸と障壁層に少量のひずみ圧力を加えることによって、ＡｌＧａＩｎＰの禁止帯不連続を調整することができる。ひずみ層の総厚さが十分薄く（１００〜２００ｎｍ）保たれるなら、欠陥は形成されず、デバイスの信頼性は影響を受けない。
【０００８】
同じ半導体材料の層を持つ図１のＶＣＳＥＬ構造による図２のさらに一般的な層の図で示されるように、イオン注入と酸化膜の開口による標準的な技術を用いることにより、構造の必要な位置への電流の閉じ込めが実現できる。そこには、イオン注入又は酸化閉じ込め層８、及びトップ金属配線９などの放射開口を有する構造が示されている。基板１は、露出したその外部表面上に設けられた別の金属配線１’を有している。この目的のために、他の波長で発光するＶＣＳＥＬで示された他の利用可能な代替手段が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
赤色発光ＶＣＳＥＬを示してきたが、通常、動作温度範囲は限られており、最大出力パワー（特に、単モード出力パワー）は限られている。これらの限界は、より短い波長デバイスでは、より顕著になる。ＡｌＧａＩｎＰ−ＡｌＧａＡｓ材料システムにおける小さい禁止帯の不連続性と低熱伝導率のため、発光波長の減少、又は動作温度の上昇、またはその両方により、赤色発光ＶＣＳＥＬの出力パワーは減少する。小さい禁止帯の不連続性は、発光するためにキャリヤが量子井戸で捕らえられて再結合するか、代わりに漏れて光の出力に貢献しないことを意味する。温度が上昇するのに従って、荷電キャリヤは、量子井戸から、より漏れるようになる。より短い波長デバイスにとって、より高いエネルギー、又は、より短い波長の光を生成するために、量子井戸はより浅い必要があるが、これもまた、荷電キャリヤの漏れを助長する。したがって、例えば、６７０ｎｍでの発光に対して６５０ｎｍで発光するデバイスにおいて高性能を達成することは、非常に困難になる。
【００１０】
動作温度範囲で役割を果たす別の問題は、ＡｌＧａＡｓによるミラーの電気抵抗である。ミラーの厚さのおよそ５０％を構成するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ組成は、熱伝導率が低い。さらに、ミラーの重ね回数（ピリオド）を多くすることは抵抗の増加を助長するが、これは、さらに温度を上げることになる。この材料システムの温度に対する余分な感度と結合された、この温度上昇は単に問題を悪化させるだけである。これらの要素は結合して、事実上単モード出力パワーを持つ赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスを提供すること特に難しくする。さらに、単モードデバイスのより小さいサイズの開口は、これらのデバイスが、より急速に暖まることを通常意味する。したがって、そのような制限による限界が少ないように構成された赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、合成半導体材料基板と、少なくとも１つの成分濃度における他のものとそれぞれ異なる第１導電型の基板上の第１ミラー構造体の中にある半導体材料層による少なくとも２つの第１ミラー対とを備え、それぞれの第１ミラー対は、段階的な成分濃度を持つ第１ミラースペーサ層によって、残りのものから分離されている、線幅の狭い光を放射する半導体材料による垂直共振器面発光レーザを提供する。前記第１ミラー構造体上の活性領域は、少なくとも１つの成分濃度の他の導電性型とそれぞれ異なる第２導電型の活性領域上の第２ミラー構造体内に、少なくとも１つの活性領域スペーサ層によって分離された複数の量子井戸構造体と、半導体材料層による少なくとも２つの第２ミラー対とを有し、段階的な成分濃度を有する第２ミラースペーサ層によって、それぞれの対は残りのものから分離されている。１対の電気的配線は、前記基板、前記第１ミラー構造体、前記活性領域、及び前記第２ミラー構造対によって分離されている。逆方向の圧力下にある活性領域スペーサ層とともに、一方向の圧力下に量子井戸構造体を置くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図３は、上記制限を軽減するデバイスである赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスのための薄膜半導体材料エピタキシャル層を示す赤色発光ＶＣＳＥＬデバイス用の表層リストである。ＶＣＳＥＬデバイス構造体用の表において、３３層のそれぞれの層は、その組成、厚さ、ドーパント型、及びドーパント濃度について記述されている。
【００１３】
エピタキシャル構造体は、ｎ型にドーピングされたＧａＡｓ半導体材料基板上で成長する（表において層番号が０と表示されている）。追加層が堆積されるべき基板の主表面は、（１００）方向から６〜１０度ずれているべきである。この選択は、放射光が生成される活性領域のＡｌＧａＩｎＰ層の光学的品質を改良する。しかし、極度の方向ずれは、ミラーにおける高濃度のアルミニウムを含む層が酸化され、さもなければ加速された比率が低下する傾向をもたらす。
【００１４】
デバイスのミラー２’（層番号２から層番号１０まで）及び３’（層番号２１から層番号３２まで）は、ＡｌxＧａ1-xＡｓの２つの異なった組成の１つからそれぞれ成るそれぞれのデバイス層の積み重ねでそれぞれ交互に堆積した２種類の主な層から（すなわち、ガリウムのないＡｌＡｓ層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層とが交替で）作られる。これらの主な層は、中間の層で間隔が空けられて、そこでは、スペーサ傾斜層の両側上の主な層のガリウム量を合わせるために、層の厚さを超えてアルミニウムとガリウムの分配がモル分率で単調に傾斜が付けられている。放射される光の反射率を最大にするために、２つの主な層のガリウム量はできるだけ多く異なるのが望ましいが、最小のアルミニウム組成は、バンド端による吸収を排除するために、およそモル分率値ｘ＝０．５に制限される。
【００１５】
基板に最も近いミラー２’は、シリコンでｎ導電型になるようにドーピングされる。また代わりに、テルリウムとセレニウムを含む他の多数のｎ型ドーパントを使用することができる。デバイスの活性領域４’の反対側のミラー３’は、同じ組成範囲を持ち、２つの主な層の間に単調に傾斜付けされたスペーサ層を持つが、それは、炭素でｐ導電型にドーピングされる。また代わりに、亜鉛やマグネシウム等の他のｐ型ドーパントを使用することができる。ミラーの層の繰り返し回数（ピリオド）による総厚さは、１／２λである。ここで、λは６５０ｎｍから６８０ｎｍの範囲内の必要な波長である。
【００１６】
層の厚さとドーピング濃度の詳細は、ミラーの光学的反射率、又は光学的吸収に過度に悪い影響を与えないように、デバイスの電気抵抗を最小にするように選ばれる。スペーサ傾斜層の厚さは、およそ２０ｎｍになる。他の２つの層の厚さは、それぞれ、１／４λからスペーサ傾斜層の厚さを引いた値とほぼ等しくなる。スペーサ傾斜層の厚さは、それの光学的反射率を減少させないでミラーの電気抵抗を抑えるために、少なくとも１０ｎｍの厚さであるべきである。最適な厚さは、通常２０〜２５ｎｍの範囲内である。
【００１７】
また、ドーピング濃度の選択は、自由キャリヤの吸収による光の吸収を増加させることなく、ドーピング濃度を高めることによって抵抗率を減少させようとする要求のバランスの問題である。活性領域４’に最も近いｎ導電型のミラーの２’の６回数（ピリオド）において、ドーピングは、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層とＡｌＡｓ層の中で５・１０17／ｃｍ3であり、隣接するＡｌＡｓに最も近いスペーサ傾斜層側における１・１０18／ｃｍ3から、隣接するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層に最も近いスペーサ傾斜層側における５・１０17／ｃｍ3まで、層の厚さにわたって傾斜が付けられている。ｎ導電型のミラーの残りの部分では、ドーピングは２・１０18／ｃｍ3のレベルで一定である。
【００１８】
ｐ導電型のミラーの３’の中では、活性領域に最も近い最初の６回内で、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層内のドーピングは５・１０17／ｃｍ3であり、ＡｌＡｓ層内のドーピングは１・１０18／ｃｍ3であり、隣接するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層に最も近いスペーサ傾斜層側における５・１０17／ｃｍ3から、隣接するＡｌＡｓ層に最も近いスペーサ傾斜層側における１・１０18／ｃｍ3まで、層の厚さにわたって傾斜が付けられている。ｐ導電型のミラーの残りの大部分では、ドーピングは、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層内で１・１０18／ｃｍ3であり、ＡｌＡｓ層内で２・１０18／ｃｍ3であり、隣接するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層に最も近いスペーサ傾斜層側における１・１０18／ｃｍ3から、隣接するＡｌＡｓ層に最も近いスペーサ傾斜層側における２・１０18／ｃｍ3まで、層の厚さにわたって傾斜が付けられている。
【００１９】
光学的領域が最も高い層における自由キャリヤの吸収を減らすために、活性領域に最も近いミラーの回において、ｐ導電型のミラーの３’とｎ導電型のミラー２’の両方で、より低濃度のドーピングが選択される。より長距離のミラーの回は、光ビームの吸収に対してより弱い影響を持ち、これにより、電気抵抗を減らすのに役立つように、より高濃度のドーピングが許容される。
【００２０】
デバイス内のｐ導電型のミラー３’の外部表面（層番号３０の外部表面）に、第１のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層が設けられ、そこでは２・１０18／ｃｍ3から３・１０19／ｃｍ3まで傾斜付けられてドーピングされ、その上に３・１０19／ｃｍ3にドーピングされて設けられたＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓのさらなる層のドーピングまで、それにより傾斜付けられている。最も外側の層はＧａＡｓであり、＞１・１０19／ｃｍ3にドーピングされている。これらの３つの層は、合わせておよそ９λ／４の厚さになる（ここで、λはデバイスの必要な放射波長である）。これらの最上部の層に極めて高濃度のドーピングを行う目的は、デバイスの開口を横切ってデバイス動作電流を均等に広げるために非常に低い側面抵抗を提供することである。
【００２１】
酸化膜の開口が電流の閉じ込めに使用される場合では、ミラーの組成は調整される。酸化される層は、他のミラーの層より高濃度のＡｌを含まなければならないので、インデックスの低い層にもはやＡｌＡｓを使用することはできない。通常、ｘが０．８５から０．９５までの範囲にあるＡｌxＧａ1-xＡｓが使用される。しかし、酸化膜の開口が、活性層と開口がある金属配線の間のミラー３’の中に位置するなら、電気抵抗率を最小にしてこの後のミラーの熱伝導率を最大にするために、他のミラーのインデックスの低い層としてＡｌＡｓを使用し続けるのは望ましい（基板に最も近いミラー２’）。一方、開口が酸化されているときに、これらの層が偶然に酸化されるのを避けるために、量子井戸の活性領域に最も近い２から４までの底部のミラーの回は、低濃度のアルミニウムを含むかもしれない。
【００２２】
他のドーピング濃度は、活性領域に最も近いミラー２’及び３’の繰り返し回数（ピリオド）が６つの層の１・１０17／ｃｍ3の低濃度から、これらのミラーの残りの部分の３・１０18／ｃｍ3の高濃度までの範囲で使用することが可能である。しかし、図３で示した約＋／−３０％以内の濃度が、通常、最適である。
【００２３】
ミラーの構成の他の変形例は、デバイスの電気抵抗を減少させるか、または熱伝導率を改善するか、または両方を改善するという利点を有することができるが、その一例が図４に示されている。図４Ａは、上記図３の表に従って構成されたミラー２’の概略図を示している。すなわち、厚さが４分の１波長のＡｌＡｓ層、またはインデックスの低いミラーの層（それは厚さが４分の１波長のＡｌＧａＡｓと交替される）、またはインデックスの高いミラーの層である。代替のミラー’’を図４Ｂに示す。ミラーの区間の総厚さは２分の１波長のままであるが、ＡｌＡｓ層の厚さは増加し、ＡｌＧａＡｓ層の厚さは減少している。ＡｌＡｓ層は、より高い移動度と、より高い熱伝導率の両方を備えているので、ミラーの抵抗は減少し、熱伝導率は増加する。ＡｌＡｓ層の光学的厚さは、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層の光学的厚さよりも５０％大きいが、１：１よりも大きい比率であれば良い効果が得られる。
【００２４】
電気抵抗を減少させるためのさらに別の変形例のミラーの構成を図５に示す。ｎ導電型のＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓの移動度はｐ導電型の材料のものよりかなり高いので、ミラー２’がｎ導電型になるようにドーピングするだけでなく、ミラー３’がｎ導電型になるようにドーピングすることにより、上記図３の表の中のデバイスの電気抵抗を減少させることができる。それにもかかわらず、デバイスの適切な機能のためにｐｎ接合が必要である。ｎ導電型になったミラー３’’に隣接したデバイスの活性領域４内にトンネル接合２０を取り入れることによって、これを達成できるが、活性領域４’とキャップ層７の間にトンネル接合が広がる。量子井戸活性領域４’のｐｎ接合が順方向にバイアスされているとき、トンネル接合２０は逆方向にバイアスされる。デバイスの必要なドライブ電圧にこの接合があまり加えられないように、トンネル接合２０を形成する層を高濃度にドーピングすることによって、降伏電圧を非常に低くすることができる。高濃度にドーピングされた層（１０19／ｃｍ3）は、自由キャリヤの吸収損失への余分な寄与を最小にするために、非常に薄く維持され、光学的に無の状態に置かれる。トンネル接合は、連続的に成長した高濃度にドーピングされたｎ++導電型の層２１に続いて、ｐ++導電型の層２２を備え、それぞれの厚さはおよそ１００から３５０Åである。ｎ導電型層のドーピング濃度は約２・１０19／ｃｍ3、ｐ導電型層のドーピング濃度は約８・１０19／ｃｍ3である。
【００２５】
図３の表のデバイスのミラー２’又は２’とミラー３’又は３’’の２つのミラーの間、または図４及び図５の活性領域４’の層のミラーの変形例では、一対の被覆層５’及び６’により、その両側が仕切られ、その領域内で注入された荷電キャリヤがお互いに結合して発光する。これらの層は、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰの材料をベースとしているが、その格子定数は、モル分率の値がおよそｙ＝０．５１のＧａＡｓに合っている。今後、０．５１の値と異なっている場合にのみ、ｙについて記述することとする。
【００２６】
活性領域４’は、５・１０17／ｃｍレベルのｎ導電型となるようにドーピングされた、厚さ６０ｎｍの傾斜のないスペーサ又はＡｌ0.7Ｇａ0.3ＩｎＰの被覆層５’に続いて、ドーピングされていない同じ組成の厚さ１５ｎｍの層からなるミラー２’から始まる。次の層は、ドーピングされていないＡｌ0.4Ｇａ0.6ＩｎＰの厚さ２０ｎｍの層である。光を発生する層は、厚さ約７ｎｍの３つのＧａ0.46Ｉｎ0.54Ｐ量子井戸から成る。それぞれは、２つのＡｌ0.4Ｇａ0.6ＩｎＰ障壁層で分離されており、すべてドーピングされていない。これに、厚さ２０ｎｍのドーピングされていないＡｌ0.4Ｇａ0.6ＩｎＰ組成の別の層が続く。そして、活性領域４’は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3ＩｎＰのドーピングされていないスペーサ又は厚さ７５ｎｍでｐ導電型に１・１０18／ｃｍ3のレベルまでドーピングされた被覆層６’（これはｐ導電型のミラー３’の隣に位置している）によって始まるところの反対側で終わる。ＡｌＧａＩｎＰ層の総厚さは、光学的厚さ１λに等価となるように調整される。ここでは、λは再びＶＣＳＥＬの必要な放射波長である。活性領域４’内のＧａ0.46Ｉｎ0.54Ｐの量子井戸層の厚さは、その範囲の中の必要な放射波長によって、６４０から６７０ｎｍの範囲で必要な放射波長を達成するようにわずかに調整される。
【００２７】
ＡｌＧａＩｎＰ材料の活性領域４’は、波長と動作温度範囲を改良し、出力パワーを改良するために、最良のキャリヤ注入とキャリヤ閉じ込めを提供するように選ばれる。Ｇａ0.46Ｉｎ0.54Ｐの量子井戸の組成は、およそ０．５％の圧縮応力が生じるように選ばれる。これは、キャリヤの漏れを減少させるために、井戸の深さを増加させて、量子井戸と周囲の障壁層の間で禁止帯の不連続を増加させる。スペーサ又は被覆層５’及び６’の組成もまた、キャリヤ閉じ込めを改良するために最大バンドエッジオフセットに近くなるように選ばれる。最後に、ドーピング濃度と位置は、不適当な自由キャリヤの吸収が行われることなく、良好なキャリヤ注入の間のバランスがとれるように選ばれる。特に、より高濃度のｐ型ドーピング（１・１０18／ｃｍ3）の使用は、光学的吸収の増加で発生するｐ導電型ミラー３’への電子漏れに対する障壁が改良される。
【００２８】
量子井戸からの光ルミネセンス放出のピークにおける波長は、デバイスの高温特性を向上させるために、ファブリーペローの空洞共振器ミラーの分離、又は空洞放出波長よりも短い５ｎｍから１５ｎｍで選ばれる。このことは、温度上昇に従って量子井戸放出のピークが、ファブリーペロー共鳴波長よりも速く、より高い波長へ動き、温度上昇に従ってＶＣＳＥＬ空洞の放出波長が増加するので、動作温度範囲を増加させる。このことは、その２つが室温の上の温度で調整され、高温特性を向上させることを意味する。空洞放出と量子井戸放出の間のオフセットは、高温特性を改良するために増加させることができるが、このことは、増加した閾値電流と、室温以下における出力パワーの減少の犠牲を伴う。以上の２つの考慮は、デバイスの特定の用途の要求仕様によってバランスがとられる。
【００２９】
図６は、デバイスの高温特性を改良する３４層の半導体材料薄膜エピタキシャル層構造を有する代替の赤色ＶＣＳＥＬデバイスの薄膜半導体材料エピタキシャル層を示す赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスの表面層のリストを提供する。このデバイスのミラー２’及び３’の層は、活性領域４’’を除いて、図３に示した層構造のものと同じあるが、代わりに以下に述べるように、表３のデバイス内のそれらとは異なるＡｌＧａＩｎＰ層を有している。
【００３０】
ミラー２’と３’の間の活性領域４’’の総厚さは、依然として１λである。ここで、λは必要な光学放出波長である。量子井戸と障壁層を除いて、すべての層のＩｎの組成は、格子定数がＧａＡｓに適合するように選択される（およそ（ＡｌxＧａ1-x）0.51Ｉｎ0.49Ｐ）。
【００３１】
ｎ導電型のＡｌＧａＡｓ材料ベースのミラー２’に隣接した最初の層は、５・１０17／ｃｍ3のｎ導電型となるようにドーピングされた（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）ＩｎＰスペーサ、又は被覆層５’’である。そして、およそ５５ｎｍの厚さを超えて、モル分率がｘ＝０．７からｘ＝０．５まで傾斜付けされた組成を持つスペーサ傾斜層が設けられている。この層もまた、５・１０17／ｃｍ3のｎ導電型となるようにドーピングされている。この後、厚さ１４ｎｍであるドーピングされていないＡｌ0.5Ｇａ0.5ＩｎＰに続く。
【００３２】
次に、３つの量子井戸層ではさみ込まれた、すべてドーピングされていない４つの障壁層がある。量子井戸層は、Ｇａ0.46Ｉｎ0.54Ｐの構成で圧縮応力がかかっている。図３の構造と異なって、ここでは、障壁層は、量子井戸層の圧縮応力を打ち消すために引張応力の下にあるように配置される。これらの層は、これらの層内の引張応力がおよそ０．３５％になるように、ｙの値が０．５１以上に調整された（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）yＩｎ1-yＰである。
【００３３】
４番目の引張圧力を加えられた障壁層の後は、厚さ１４ｎｍのドーピングされていないＡｌ0.5Ｇａ0.5ＩｎＰ層に格子定数が適合したものである。そして、５５ｎｍの厚さを超えて、モル分率がｘ＝０．５からｘ＝０．７まで傾斜付けされた組成を持つスペーサ傾斜層が続く。最後のＡｌ0.7Ｇａ0.3ＩｎＰスペーサ、又は被覆層６’’は、厚さ２０ｎｍであり、１・１０18／ｃｍ3にドーピングされる。
【００３４】
その結果、このＶＣＳＥＬ内の活性領域４’’は、キャリヤの閉じ込めをさらに良くするために、量子井戸の圧縮応力と、はさみ込まれた障壁層の引張応力とのバランスがとれている。圧縮応力のかかった量子井戸と組み合わせた引張応力は、障壁層に適合した格子を持ち、かつ同じ組成の圧縮応力のかかった量子井戸の構造で観察されるよりも、量子井戸深さにおいて、さらに大きな改良をもたらす。さらに、応力のバランスをとることで、デバイスのライフタイムに悪い影響を与える欠陥の発生の危険性をおかすことなく、量子井戸にさらに大きな圧縮応力を発生させるために、ｙをさらに減少させることが可能になる。さらにまた、モル分率がｘ＝０．５からｘ＝０．７に傾斜付けされたＡｌＧａＩｎＰ層が、より良いキャリヤの閉じ込めを提供する。
【００３５】
活性領域構成の別の変形例を、図７の活性領域を示す図で示す。図７Ａは、ｎ導電型の被覆層５’’とｐ導電型の被覆層６’’の両方に、Ａｌ0.7Ｇａ0.3ＩｎＰ被覆層を使用した図６の配列を示している。図７Ｂに示すように、この変形例は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3ＩｎＰ被覆層を、同じ光学的厚さ（又は空洞の総厚さをλ／２の整数倍に維持する光学的厚さ）のＡｌＡｓ層と交換したものである。したがって、図７Ｂのｎ導電型ＡｌＡｓ層５’’’は図７Ａの層５’’を置換したものであり、図７Ｂのｎ導電型ＡｌＡｓ層６’’’は図７Ａの層６’’を置換したものである。ＡｌＡｓ層は、より高い熱伝導率を持っているが、さらにキャリヤの閉じ込めを提供し、その結果、熱の除去を助ける。より厚い層は熱管理で、より効果的になるが、空洞の厚さの制御をより大変なものにする。
【００３６】
図８は、活性領域のさらに別の変化を示している。この場合、薄いＧａＰ転位層２３は、ｎ導電型ＡｌＧａＩｎＰ被覆層５’’とミラー２’における最初のＡｌＡｓ層との間の界面に含まれており、薄いＧａＰ転位層２４は、ｐ導電型ＡｌＧａＩｎＰ被覆層とミラー３'における最初のＡｌＡｓ層との間の界面に含まれている。バンド不連続がＡｌＡｓとＡｌＩｎＧａＰとの間の界面に存在しているが、デバイスにわたって電圧低下に寄与している。非常に薄い（＜１０ｎｍ）ＧａＰ転位層の組み込みはバンドエネルギーに中間ステップを提供し、その結果、不連続を減少させる。しかし、ＧａＰ転位層はＧａＡｓ基板に適合した格子でないので、デバイスのライフタイムを劣化させるかもしれない欠陥を発生させるのを避けるために、これらの層の厚さを非常に薄く保たなければならない。
【００３７】
以上のエピタキシャル層に加えて、電流の閉じ込めを実現して電気的接触を可能にするために、また、デバイスの性能を向上させるために、他の構造的な組み合わせがデバイスに設けられる。図９及び図１０は、そのような特徴を表す、代表的なデバイスの構成における部分的な層の概略図、及びデバイスの平面図を示す。例えば、露出した外部表面に設けられた金属配線１１’を備えた基板１１を有する赤色発光ＶＣＳＥＬ１０が示されている。ｎ導電型材料のミラー１２は、基板１１で支持されて、ミラー１２とｐ導電型のミラー１３との間に、活性領域１４を有している（両方ともそれらで支持されている）。ミラー１３は酸化又は注入による閉じ込め層１８を備えたミラー１３の上に支持されたキャップ層１７を有し、配線１１’の反対側のデバイス１０の側面上に放射開口を有しており、層１７に支持されている。
【００３８】
図９では、陽子を使用して形成した閉じ込め層１８をイオン注入が通るゲインガイドを設けることによって、キャリヤの閉じ込めを実現している。陽子は、ｐ導電型のミラーのかなり厚い層を貫いて侵入することができる物質であり、分離して残存することになる材料を生成する。陽子は、ＶＣＳＥＬデバイス１０の活性領域１４の上で、層１８へのイオン注入のピークが、ミラー層の繰り返し回数（ピリオド）が２から６の位置に置かれるようなエネルギで注入される。あるいはまた、このキャリヤ閉じ込め構造は、酸化膜の開口を通って、他の低インデックスミラー層の組成（Ａｌの０．８５に等しい）より大きい（＞０．９５）Ａｌ組成の構造内の低インデックスミラー層を成長させて、高温で蒸気雰囲気を使用して高濃度のＡｌ含有層を酸化してＡｌ2Ｏ3絶縁膜を形成することにより作製することができる。
【００３９】
しかし、層１８の注入構造には、いくつかの利点がある。それは、トップのミラーに、ＡｌＧａＡｓより高い熱伝導率を持っているＡｌＡｓを使用することができ、その結果、より容易に熱を除去することができることである。それは、酸化膜より少ない圧力を生成し、より高信頼のデバイスをもたらすことができる。それは、屈折率のコントラストをより小さくし、酸化膜開口でできるものより大きな直径で（１０μｍより上）単モードデバイスを作製することが可能になる。
【００４０】
イオン注入によって作製されるゲインガイドを備えた単モードデバイス内の層１８内の適度な開口サイズは、６μｍ＜開口直径＜１２μｍ、最適なサイズは８から１０μｍである。キャリヤ閉じ込めに酸化膜開口を備えた単モードデバイスを実現するために、より小さい直径のデバイスが必要とされるであろう。
【００４１】
光が放出のためにデバイスから飛び出すことを可能にする金属配線１９内の放出開口は、図１０では異なる直径が示してあるが、名目上はイオン注入開口＋／−０．５μｍと同じ直径であるべきである。金属と注入の開口直径が等しいのは、通常、出力パワー効率と低い側面抵抗の最も良い組み合わせを提供する（すなわち、電流は、開口に到達するのに、より長い横方向の距離を通過する必要はない。）。
【００４２】
また、図９及び図１０は、注入されたキャリヤが隣のデバイスに移ることなく意図されたデバイスを通り抜けるように複数のデバイスのモノリシック集積回路チップ内の１つのＶＣＳＥＬデバイスをその隣のデバイスから絶縁するデバイスの電気的絶縁の注入構造２５を示す。また、高エネルギの注入が可能であるならば、例えば酸素などの別の物質の使用も考えられるが、この注入も陽子を利用して注入されることになるであろう。絶縁注入の内部直径は、金属コンタクトに影響しない程度に充分に大きい（すなわち、金属の内側直径より少なくとも１０μｍ大きい内側直径の開口で）。外側の絶縁直径は内側の直径より５から４０μｍ大きくするべきである。「無限」（デバイスを除いたすべての場所へのブランケット注入）とすることができるが、より狭いリングの注入は熱的利点を生み出すことが予想される（すなわち、注入されない材料は、注入された材料より良い熱伝導率である。）。注入リングの幅の選択は、デバイス間の絶縁を良くする必要性と、熱伝導率を最大にする要求とのバランスである。
【００４３】
赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスの特殊な問題は熱レンジングである。すなわち、不均一な熱によって、屈折率が影響を受けることである。電気的及び光学的エネルギの閉じ込めをＶＣＳＥＬｓに提供するための陽子注入と酸化物開口の方法の両方には、制限が存在する。一般に、酸化膜の開口は、最も小さい開口以外のすべてのマルチモード・デバイスに強度のインデックスガイディング結果をもたらす。小さい開口のデバイスのために単モードデバイスを達成できるが、単モード出力パワーの達成可能な大きさは加熱と電流密度によって制限される。他方では、陽子注入によって提供された弱いインデックスガイディングは、より大きい直径で単モード性能を実現することが可能となるが、温度関数によって変化するモーダル構造とともに、熱レンジングが問題となる。デバイスが非常に広い帯域幅で変調されるとき、熱レンジングの発生は、温度の関数として予測可能かつ安定した出力パワーでの変調を実現することが困難になる。
【００４４】
熱レンジングを最小にしながら、高い単モード出力パワーを実現する能力を最大にするための一変形例の赤色発光ＶＣＳＥＬデバイス１０は、図１１の代表的な構成図に示すように、二重陽子注入又は傾斜付けされたイオン注入を用いることである。低エネルギのイオン注入層１８’は、より浅く、直径の小さい非イオン注入領域のマスク形成が使用される。２番目に、イオン注入層１８を形成する高エネルギのイオン注入は、直径の大きい非イオン注入領域を提供するマスクが使用される。高いところにある、直径の小さいイオン注入層１８’は、低いところのイオン注入開口の中心へ電流の流れを誘導するのを助け、その結果、中心から遠くに電流を誘導する熱レンジング効果を打ち消すのを助ける。しかし、このアプローチは、より大きい単モード出力パワーを実現するのに重要である、活性領域内の電流密度をより直径の大きいデバイスと一致するように保ち、そして、デバイスのライフタイムを改善する。
【００４５】
また、この効果は、複数（＞２）のイオン注入エネルギ及びマスク直径を使用することによって、または、デバイスの表面方向へ向けて直径の小さい注入効果を実現する角度へのイオン注入と、より活性領域に近い大きな直径の注入の使用によって調整される。
【００４６】
しかし、赤色発光ＶＣＳＥＬにおけるモード制御と大きい直径の単モードを実現する別の変形例１０’’が、図１２の代表的な構成図に示されている。これはイオン注入開口と酸化膜開口の組み合わせを使用する。特定のイオン注入は、量子井戸活性領域１４の近くの中心深くに、すなわち、量子井戸活性領域から量子井戸上の４回数（ピリオド）までのいずれかの中心に、陽子注入層１８を設けるものである。さらに、弱いインデックスガイドを提供するために、開口を備えた酸化層１８’’が、量子井戸活性領域１４から配線１９に向かって６回より高い位置に形成される。基本的に、酸化膜層１８’’は、光学モードの弱いインデックス閉じ込めを提供し、温度に対する光学モードのより大きい安定性を提供し、陽子注入層１８は電流閉じ込めを提供する。
【００４７】
赤色発光ＶＣＳＥＬデバイス構成とその製作過程の別の変形例は、図１３の代表的な概略図で示される。この場合、図９のキャップ層１７及びミラー１３の中へのエッチングが実行され、望ましくは、図１３の変更されたＶＣＳＥＬ１０’’’において、その結果のミラー１３’及び結果のキャップ層１７’にわずかに上向きの傾斜を設ける。そして、開口を備えた金属配線のための金属１９’は、この配線を設ける際にこのエッチングされた傾斜している側壁を覆うように被覆される。この構成の目的は、動作中にそこで発生した熱が、構造内で縦方向より横方向に効果的に伝導するので、デバイスからの熱の除去をさらに改良することである。この構成は、金属が、側壁と構造内のいくつかの層に接触するのを可能にして、デバイスから熱をより容易に取り除くのを可能にする。ＡｌＧａＡｓ合金より高い熱伝導率を持っているＡｌＡｓを使用することは、陽子注入設計が許されるミラーでは、この熱の除去をさらに容易にする。以上のように、この選択は、ゲインガイドへ陽子注入の使用によって許容されているが、ゲインガイドが酸化膜開口の場合は使用することができない。さらに、この構成は、また、デバイスの中により深く浸入する絶縁注入、または低エネルギ注入を可能にする。
【００４８】
赤色発光ＶＣＳＥＬの電気的接触構造の別の構成１０ivが図１４に示されている。この構成では、ｎ導電型材料とのオーム性の接続に適した金属コンタクト２６は、ｎ導電型ミラー１２の活性領域１４内の変更されたｎ導電型被覆層１５’の基板と平行に設けられた表面への電気的コンタクトを作っている。さらに、ｐ導電型材料とのオーム性の接続に適した金属コンタクト２７は、変更されたｐ導電型ミラー１３’の基板と平行に設けられた表面への電気的コンタクトを作っている。したがって、ＶＣＳＥＬデバイス１０’’’へのコンタクトは、デバイスの基板と放出表面に形成されるのではなく、活性領域１４の中と近くの被覆層とミラー層に作られる。この構成は、２つのメサ（段丘）のエッチングを必要とする。１つのメサは、コンタクト２７のための、図１４の変更されたミラー１３’を形成するための活性領域１４に近い図９のｐ導電型ミラー１３の部分（または、適切に変更された活性領域１４のｐ導電型被覆領域１６の先端）のエッチングであり、もう１つのメサは、コンタクト２６のための、図１４の変更された被覆層の１５’を形成するための活性領域１４内の図９のｎ導電型被覆層１５の部分（または、適切に変更された活性領域１４近くのｎ導電型ミラー１２の部分）のエッチングである。このアプローチの実現は、より厚い被覆層の使用することにより（しかし、総空洞が、放出波長の整数の光学厚みを持つように設計される）、またはミラーの中のコンタクト層を分けることにより、容易にすることができる。エッチストップ層（通常は、残りの構造をエッチングするのに使用される、同じウェット又はドライの化学処理によってエッチングされない薄い層である）は、望みの層で正確にストップさせるのに使用することができる。  
【００４９】
この構成は、デバイス動作中に発生する熱の除去が可能になるように、できるだけ活性領域の近くに、高い熱伝導率を通常有する金属配線層を配置している。その上、電流が、高い抵抗のミラーの層を通り抜ける必要がないように、それによって、電気抵抗に起因する動作中の熱の発生を最小化するように。
【００５０】
図１５は、ＶＣＳＥＬデバイスで一定の熱的負荷を維持し、その特性の熱で誘発された時間依存性を最小にするＶＣＳＥＬアレイ構成の代表的な概略図を示している。例えば、隣接するデバイスが赤色発光のためにスイッチオンした結果として、あるＶＣＳＥＬの出力が、減少または増加するかもしれない。図１４の構造は、例として、発光するＶＣＳＥＬデバイス１０と、金属内に発光するための開口がないことを除いて同一である第２のデバイス１０vとが対になっている。使用の際、電流は動作中に、発光デバイスと閉じたデバイスとの間で切り換えられるであろう。ある人がＶＣＳＥＬデバイス１０の１つをオフにしようとした時、その人は、電流をその閉じた開口へ電流を切り換える。チップの熱的負荷はほぼ同じになっているべきである。図は、２つの行のデバイスを示しているが、１つの行は普通の開口、もう１つは閉じた開口であるが、使用目的に応じて、他のさまざまな幾何学的な配置が可能である。
【００５１】
熱の発生と除去を管理するための他の方法は、ダイヤモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの高い熱伝導率を有するポリマ又は誘電性の層によるチップ上の被覆の使用を含んでいる。パッケージにダイを取り付けるためにはんだを使用することは、伝導性のエポキシを使用するよりむしろ、パッケージを通した熱の除去を改良する。１００μｍ未満に基板を薄くすることと、熱伝導率の高いサブマウントにダイを取り付けることは、熱の除去を改良する。
【００５２】
熱の除去のための別の構成は、図１６のＶＣＳＥＬアレイパッケージ構成の代表的な概略図で示される。この構成では、デバイスボンドパッドは、厚い金属で赤色発光ＶＣＳＥＬ１０とメッキされており、例えばそれらの間に置かれ、結果のアレイデバイスは、はんだ又はスタッドバンプによって透明なスーパーストレイト２９に取り付けられている（望ましくは優れた熱伝導があるものがよい）。熱を運び去る金属線２８にデバイス１０を接近させることは、それらのデバイスに有利である。
【００５３】
あるいはまた、スーパーストレイト２９にデバイスを取り付けた後に、ＧａＡｓ基板１１を除去することができ、そして、コンタクトをＶＣＳＥＬデバイスの反対側に作ることができる。そして、チップかウエハが、高い熱伝導率のサブマウント（もはや、透明である必要はない）に取り付けられる。また、これは熱の除去を容易にする。
【００５４】
ＶＣＳＥＬアレイデバイスパッケージ構成のさらに別の代表的な概略図が図１７に示されている。このバッケージ、次のＶＣＳＥＬ構造の部分的な製作（例えば、ＶＣＳＥＬ１０の陽子注入又は酸化膜開口の形成）において、部分的に製作されたＶＣＳＥＬを有するウエハは、ｐ導電型のミラー１３の露出表面、例えば厚くて熱伝度率の高い金属層３０で被覆されたサブマウントに取り付けられる。そして、最初にあったＧａＡｓ基板１１は、取り除かれ、金属コンタクト３１が被覆され、ＧａＡｓ基板１１（この例において、ｎ導電型のミラー１２）の隣に最初に配置されていた残りの構造の露出表面にパターンが形成される。この金属は、それぞれのＶＣＳＥＬの中心から光が飛び出すのを可能にする開口を備えている。この結果は、また、デバイスからの熱の除去を容易にするため、活性領域１４に近接した厚い金属の使用を可能にする。
【００５５】
活動的な熱の除去を備えたＶＣＳＥＬデバイスパッケージ構成の代表的な概略図が図１８に示されている。このパッケージにおいて、ＶＣＳＥＬ構造は、既に説明された構成のいずれか、またはそれらの構成のいくつかの組み合わせである。一例として、ＶＣＳＥＬデバイス１０は、動作中にデバイスの温度を制御するために、熱電気クーラ３２の上に直接置かれる。熱電気クーラは、光電子デバイス又は集積回路などの回路又は他の熱を発生する動作デバイスの温度を制御するための標準的なマイクロエレクトロニクスの構成要素であり、ＴＯヘッダースタイルパッケージ３３の内部に合うように十分小さいサイズで購入できる。あるいはまた、ＶＣＳＥＬデバイスを形成するためにＶＣＳＥＬ構造材料の生成と処理を行う前に、ＧａＡｓ基板上のそのようなクーラのために多くのＧａＡｓｐｎ接合を最初に生成することにより、熱電気クーラはモノリシックに集積できる。およそ５から２０のｐｎ接合の積み重ねは、クーラを基準として１，０００から５，０００Åオーダの厚さの上に連続的に積み重ねることにより成長される。接合は、選択エッチングと金属配線を通して平行で電気的に接続するか、または連続的な中間トンネル接合の使用で電気的に接続できる。ＶＣＳＥＬデバイスの活発な冷却は、必要な性能が達成できる適切な温度範囲にそれらを維持することを可能にする。
【００５６】
前述のデバイスにおいて、ミラーのための重要な考慮すべき事柄は、デバイスのより少ない加熱を順番にもたらす、シリーズ電気抵抗と光の吸収を抑えることである。これは、ミラーの傾斜層の幅を増加させて、活性領域の近くのミラーにおけるドーピングレベルを減少させて、活性領域からさらに遠いミラー内の材料層の繰り返しピリオドにおけるドーピングレベルを増加させることによって、達成される。また、抵抗とそれによる加熱の減少は、コンタクトと横方向の抵抗を抑えるために、活性領域から最も遠いｐ導電型ミラーの層にドーピングすることによって、行われる。
【００５７】
活性領域の中では、加熱の影響を最小にするために利用可能な選択がされる。圧縮応力がある量子井戸の選択は、どちらにも適合した格子または引張応力の障壁層と組み合わされて、活性領域におけるキャリヤ閉じ込めを改良し、動作温度範囲を増加させる。ｐ導電型スペーサ又は被覆層における高濃度にｐ型ドーピングされた領域の使用は、活性領域に電子を閉じ込め、それらがｐ導電型ミラーへ注入されるのを防ぐ。また、層の構成選択と傾斜付けは、キャリヤ閉じ込めを改良する目的で行われる。
【００５８】
また、デバイスから熱をより効果的に取り除くことができるように熱伝導率を改良する必要がある。ミラーを含むＡｌＡｓに結合された陽子の注入された構造の使用は、その目的に貢献する。絶縁注入領域の幅は、熱伝導率を改良する目的で制限される。トップミラーのエッチングとエッチングされた側壁上の金属被覆は、熱の除去の経路を提供する。熱伝導性のある誘電体の被覆、パッケージにおけるはんだの使用、およびデバイスからパッケージまで、より効果的に短い熱経路を提供するように記述されたパッケージ構造は、より早く効果的にデバイスから熱を取り除くようにすべて設計されている。一般に、これらの促進は、出力パワーを高めて、レーザ光線を発するための閾値電流を減少させて、抵抗を減少させて、デバイスが正常に動作する温度範囲を増加させる。
【００５９】
本発明は、好ましい具体例に関して説明されてきたが、当業者は、本発明の要旨を逸脱することなく、変更が形式的に詳細に行われることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】赤色発光ＶＣＳＥＬのエピタキシャル層構造体の一般的な層構成を示す概略図である。
【図２】電気的動作構成を追加した赤色発光ＶＣＳＥＬ構造体のより一般的な層構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態による赤色発光ＶＣＳＥＬのエピタキシャル層構造体の設定条件を示す表である。
【図４】本発明の実施の形態の層構成の一部を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態の層構成の一部を示す概略図である。
【図６】本発明の他の実施の形態による赤色発光ＶＣＳＥＬのエピタキシャル層構造体の設定条件を示す他の表である。
【図７】本発明の実施の形態の層構成の一部を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態の層構成の一部を示す概略図である。
【図９】電気的動作構成をともなった、本発明の他の実施の形態による赤色発光ＶＣＳＥＬの層構成を示す概略図である。
【図１０】図９に示された赤色発光ＶＣＳＥＬの平面図である。
【図１１】電気的動作構成をともなった、本発明の他の実施の形態による赤色発光ＶＣＳＥＬの層構成を示す概略図である。
【図１２】電気的動作構成をともなった、本発明の他の実施の形態による赤色発光ＶＣＳＥＬの層構成を示す概略図である。
【図１３】電気的動作構成をともなった、本発明の他の実施の形態による赤色発光ＶＣＳＥＬの層構成を示す概略図である。
【図１４】電気的動作構成をともなった、本発明の他の実施の形態による赤色発光ＶＣＳＥＬの層構成を示す概略図である。
【図１５】本発明の赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスのアレイを有するモノリシック集積回路チップのレイアウトを示す図である。
【図１６】本発明の赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスのアレイの筺体配列を示す図である。
【図１７】本発明の赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスのアレイの筺体配列を示す図である。
【図１８】本発明の赤色発光ＶＣＳＥＬデバイスの筺体配列を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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