(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直空洞光デバイスを製作するための方法であって、
上部および下部半導体ミラーと、前記下部半導体ミラー上に設けられた光活性半導体構造と、前記光活性半導体構造上に空隙を形成すると共に前記上部半導体ミラーが上に取り付けられた反射器支持体と、前記光活性半導体構造に接続された第１の電極と、前記反射器支持体上に設けられた第２の電極とを備える第１垂直空洞光デバイスをウエハ上に形成するステップと、
前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加して、前記第１垂直空洞光デバイスのレーザー発振波長を調節するステップと、
前記空隙内に固定材料を充填して、前記第１垂直空洞光デバイスのレーザー発振波長を固定するステップと、
前記第１垂直空洞光デバイスの固定レーザー発振波長とは異なる固定レーザー発振波長を備えた第２垂直空洞光デバイスを有するモノリシックアレイを形成するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
垂直空洞光デバイスを製作するための方法であって、
上部および下部半導体ミラーと、前記下部半導体ミラー上に設けられた光活性半導体構造と、前記光活性半導体構造上に空隙を形成すると共に前記上部半導体ミラーが上に取り付けられた反射器支持体と、前記光活性半導体構造に接続された第１の電極と、前記反射器支持体上に設けられた第２の電極とを備える第１垂直空洞光デバイスをモノリシック基板上に形成するステップと、
前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加して、前記第１垂直空洞光デバイスのレーザー発振波長を調節するステップと、
前記空隙内に固定材料を充填して、前記第１垂直空洞光デバイスのレーザー発振波長を固定するステップと、
前記第１垂直空洞光デバイスの固定レーザー発振波長とは異なる固定レーザー発振波長を備えた第２垂直空洞光デバイスを有するモノリシックアレイを形成するステップと
を含む、方法。
【請求項３】
前記レーザー発振波長を固定するステップは、透明材料、不透明材料、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された固定材料を充填する、
請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は通常垂直空洞光デバイスに関し、更に詳しくは、固定波長垂直空洞光デバイスまたは垂直空洞光デバイスアレイに関する。
【０００２】
垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、電気通信分野に大きな革命をもたらしている半導体デバイスである。通常、一対の半導体ミラーから構成されており、この一対のミラーによって、光を増幅する半導体材料の利得媒質を収容する共振空洞が定義されている。
【０００３】
【従来の技術】
ＶＣＳＥＬは、比較的高効率で、サイズも小さく軽量であり、低電力消費であって、低電圧で駆動する能力を有している。また、単一の縦モード（即ち、周波数）で動作することが可能であり、光ファイバに容易に結合可能なレーザー光の円ビームを生成すると共に、面発光であることから、ウエハ上でのデバイスの高密度実装が可能であり、二次元アレイを比較的容易に製造できる。
【０００４】
ＶＣＳＥＬは、アルミニウム、インジウム、ガリウム、砒素、窒素、およびリンなどの成分からなる半導体材料を、利得媒質として使用しており、シリコンと二酸化シリコンなどの交互に重ねた高屈折率および低屈折率材料を、半導体ミラー（即ち、分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ））として使用する。
【０００５】
ＶＣＳＥＬのレーザー発振波長は、共振ファブリーペロー空洞の光学的高さによって決定され、この空洞の光学的高さ（従って、波長）は、ほとんどの場合、デバイス内の半導体層の厚さによって決まる。これらの厚さは、半導体層の成長の際に設定されるものであり、公称的には、所与のウエハ上のすべてのレーザーにおいて同一である。
【０００６】
また、ＶＣＳＥＬには、共振空洞に空隙を含むものも存在しており、この場合には、その空隙のサイズによってレーザーの出力波長が部分的に決定される。
【０００７】
構造内の空洞の光学的な高さを設定することにより、レーザー利得媒質およびレーザーの空洞態様についての最大利得の波長が調節されることは、ＶＣＳＥＬの生産を非常に困難にしている。このことは、ＶＣＳＥＬの製造における大きな歩留りの問題であるが、空洞の光学的な高さが材料の製造プロセスにおいて永久的に設定され、後から調節できないことが要因である。また空洞の光学的高さは、レーザー材料が熱膨張するなど温度によっても変化するので、ＶＣＳＥＬが有用な性能を発揮する温度の範囲が限定される。
【０００８】
モノリシックマルチ波長ＶＣＳＥＬアレイの場合、ウエハ上でＶＣＳＥＬを隣接して製造することが必要である。製造されるＶＣＳＥＬは、制御された異なるレーザー発振波長以外は、完全に同一でなければならない。レーザー発振が始まるしきい値利得、電流の使用法、効率、共振空洞内での光の損失、利得媒質の増幅度、およびＤＢＲの光の透過のすべてが同じに保たれるように、ウエハ上で使用されるプロセスにおいて行わなければならない。同時に、同じプロセスで異なるレーザー発振波長を生成しなければならない。ほとんどの場合、このプロセスは共振空洞の光学的高さを変化させることによって実現される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらの問題に対する解決策が長年にわたって求められているが、当業者はまだそれを得るに至っていない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、垂直空洞光デバイスの製造方法を提供するものであり、この方法には、上部および下部半導体ミラーと、下部半導体ミラー上に設けられた光活性半導体構造と、光活性半導体構造上に空隙を形成すると共に上部半導体ミラーが上に取り付けられた反射器支持体と、光活性半導体構造に接続された第１の電極と、反射器支持体上に設けられた第２の電極とを備える第１垂直空洞光デバイスをウエハ上に形成するステップと、第１の電極と第２の電極間に電圧を印加して、第１垂直空洞光デバイスのレーザー発振波長を調節するステップと、空隙内に固定材料を充填して、第１垂直空洞光デバイスのレーザー発振波長を固定するステップと、第１垂直空洞光デバイスの固定レーザー発振波長とは異なる固定レーザー発振波長を備えた第２垂直空洞光デバイスを有するモノリシックアレイを形成するステップと、が含まれる。この結果、半導体材料を製造した後に、ファブリーペロー共振および半導体利得のピークを調節することができる。
【００１１】
本発明の前述の利点および更なる利点は、添付の図面と関連して以下の詳細な説明を参照することにより、当業者に明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明においては、垂直共振空洞デバイスを垂直空洞光デバイス（ＶＣＯＤ）と呼ぶことにする。これは、本発明が、ＶＣＳＥＬ以外にも、一定範囲内の共振空洞波長を必要とする検出器、ファブリーペローフィルタ、またはその他の光デバイスの作成にも使用可能であるためである。
【００１３】
更に、利便性を考慮し、本明細書で使用する「水平」という用語は、ウエハの向きに関係なく、ＶＣＯＤを形成するウエハの通常の面（即ち、表面）に平行な面として定義される。そして、「垂直」または「厚さ」という用語は、先程定義した水平に対して直角の方向を意味している。また、「上」、「上側」、「下側」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」などの用語は、水平面を基準として定義されている。尚、様々な実施例における様々な要素の位置の記述は限定を意図するものではなく、当業者には多数のその他の位置も明白であろう。
【００１４】
まず、図１を参照すると、本発明による垂直空洞面発光レーザー（即ち、ＶＣＳＥＬ）２０の断面図が示されている。前述のように、このＶＣＳＥＬはＶＣＯＤの一例に過ぎない。下部ミラー、即ち分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）２４は、基板２２上に存在し、複数の交互に重ねた高屈折率および低屈折率材料から構成される。ＤＢＲ２４は、半導体層、ＴｉＯ２やＳｉＯ２などの誘電性材料、あるいは半導体、誘電性、および金属の層が混在する組み合わせを含む材料のいくつかの異なる組み合わせから作成可能であり、各層は、波長の１／４以下の光学的厚さを備える。
【００１５】
垂直共振空洞２６は、ＤＢＲ２４上に存在し、光活性半導体構造２８と固定材料３０から構成される。光活性半導体構造には、レーザー光を供給する量子井戸が収容されている。固定材料３０は、光活性半導体構造２８の上側および反射器支持体３２の下側の空間に充填され、光活性半導体構造２８上に位置し、アンカー３４によって保持されている。上部ミラー、即ちＤＢＲ３６は、反射器支持体３２の上に取り付けられ、ＤＢＲ２４とはまったく正反対のλ／４の厚さの低屈折率および高屈折率材料を交互に重ねた層配列を備える。その結果光は、ＤＢＲ３６からＤＢＲ２４に反射して戻す。ＤＢＲ２４および３６の相対的な反射率に応じて、光はＤＢＲ３６および固定材料３０を通って上方に、あるいはＤＢＲ２４および基板２２を通って下方に放射される。
【００１６】
また、ＶＣＳＥＬ２０には、光活性半導体基板２８に接続された電極３８と容量性導電体４２に接続された電極４０も含まれており、これらは製造プロセスにおいて使用される。
【００１７】
次に図２を参照すれば、製造の一ステップにおける本発明の部分的に形成されたモノリシックＶＣＳＥＬアレイ６０の断面図が示されている。一例として、第１、第２、および第３ＶＣＳＥＬ５２、５４、および５６がモノリシック基板上に部分的に形成されている。共通基板６２は、下部ＤＢＲ６４と光活性半導体構造６６を備えている。反射器支持体６８が形成されており、複数（この例では３つ）の空隙７０〜７２を定義すると共に、アンカー７６によって定位置に保持されている。この反射器支持体６８の上に取り付けられているのは、複数の上部ＤＢＲ８０〜８２であり、これらはそれぞれ空隙７０〜７２上に位置している。そして、各上部ＤＢＲ８０〜８２に隣接しているのは、容量性導電体８４〜８６であり、それぞれ電極８８〜９０を備えている。
【００１８】
上部ＤＢＲ８０〜８２と関連する第１、第２、および第３ＶＣＳＥＬ５２、５４、および５６のレーザー発振波長は、各空隙７０〜７２の高さを調節することによってチューニング可能である。高さの調節は、光活性半導体構造６６と各アーム８８〜９０間に電圧を印加することにより、実行することができる。
【００１９】
本発明による製造プロセスにおいて、電圧発生装置９２は、共通電極９４に接続され、光活性半導体構造６６に接続され、さらに電極８８〜９０に接続される。そして、高さの異なる空隙７０〜７２を設けるような異なる電圧が印加され、高さの異なる空隙７０〜７２を保持するような構造が用いられる。例えば、固定材料が空隙７０〜７２内に充填され、空隙の高さ、即ちレーザー発振波長が固定される。
【００２０】
次に図３を参照すると、完成した本発明によるモノリシックＶＣＳＥＬアレイ９５の断面図が示されている。尚、図２と同様の要素は、同様の参照符号で表されている。
【００２１】
図２の空隙７０〜７２を異なる高さＨ１、Ｈ２、およびＨ３に調節しそれぞれに固定材料９６、９７、および９８を充填することにより、第１、第２、および第３ＶＣＳＥＬ５２、５４、および５６は、異なるレーザー発振波長に設定されている。図示のごとく、固定材料９６および９７は、透明エポキシなどの透明な材料であり、固定材料９８は、固定材料の環状リングとして示されており、これは中央が開口した不透明なエポキシか、あるいは中央のレーザー発振領域が透明になるように中央部が透明なエポキシになっている不透明なエポキシであってよい。
【００２２】
熱膨張の影響は、一般的なＶＣＳＥＬのレーザー発振波長を変化させるが、適切な熱膨張係数を有する固定材料を選択することにより、除去または少なくとも最小化することができる。
【００２３】
図４を参照すると、本発明によって光通信システム１００を組み立てる方法の概略図が示されている。まず、本発明に従ってウエハ１０２上に複数のＶＣＳＥＬを形成する。そして、そのウエハ１０２のモノリシックＶＣＳＥＬアレイ１０４を備えた部分をパッケージングし、光ファイバ１０６で表されている光ファイバ通信システムと共に使用する。
【００２４】
次に図５を参照すると、本発明により光通信システム１００を製造する方法のフローチャート１２０が示されている。まず、第１ステップ１２２において、ウエハ６２上にＶＣＳＥＬ５２、５４、および５６を形成する。そして、第２ステップ１２４において、空隙を変化させることによってＶＣＳＥＬ５２、５４、および５６のレーザー発振波長を調節する。第３ステップ１２６において、それらの空隙に固定材料９６〜９８を充填することにより、レーザー発振波長を固定する。次に、第４ステップ１２８において、モノリシックアレイ１０４を形成する。そして第５ステップ１３０において、モノリシックアレイ１０４を光通信システム１００内に配置する。
【００２５】
尚、フローチャート１２０は、模範的なものに過ぎず、以上の開示内容を参照することによって当業者には明白なように、多数のその他のステップを追加したり、いくつかを除去したりすることができる。
【００２６】
以上、特定の最良の態様に関連して本発明を説明したが、前述の説明内容に鑑み、当業者には多数の代替、変更、および変形が明らかであることを理解されたい。従って、添付の請求の精神の範囲に含まれるそれらの代替、変更、および変形のすべても本発明に含まれる。また、本明細書においてこれまで述べた、あるいは添付の図面において示された内容は、説明を目的とするものであり、限定を意味するものではない。この発明は、例として次の実施形態を含む。
【００２７】
（１）ウエハ上に第１垂直空洞光デバイスを部分的に形成するステップと、
前記第１垂直空洞光デバイスのレーザー発振波長を調節するステップと、
前記第１垂直空洞光デバイスのレーザー発振波長を固定して該デバイスの形成を完了させるステップとを含む、垂直空洞光デバイスの製造方法。
【００２８】
（２）前記レーザー発振波長を固定するステップにおいて、前記第１垂直空洞光デバイスの空隙内で固定材料を使用する（１）に記載の垂直空洞光デバイスの製造方法。
【００２９】
（３）前記レーザー発振波長を固定するステップにおいて、固定材料を使用する（１）に記載の垂直空洞光デバイスの製造方法。
【００３０】
（４）前記レーザー発振波長を固定するステップにおいて、前記第１垂直空洞光デバイスの残りの部分を補償する熱膨張係数を備えた固定材料を使用する（１）記載の垂直空洞光デバイスの製造方法。
【００３１】
（５）前記第１垂直空洞光デバイスの固定レーザー発振波長とは異なる固定レーザー発振波長を備えた第２垂直空洞光デバイスを有するモノリシックアレイを形成するステップを含む（１）に記載の垂直空洞光デバイスの製造方法。
【００３２】
（６）ウエハ上の第１の調節可能垂直空洞光デバイスと、
前記第１の調節可能垂直空洞光デバイスを、第１レーザー発振波長を供給する第１調節状態に固定する構造と、
を有する垂直空洞光デバイス。
【００３３】
（７）前記構造は、前記第１の調節可能垂直空洞光デバイス内に設けられた空隙内の固定材料である（６）に記載の垂直空洞光デバイス。
【００３４】
（８）前記構造は、透明材料、不透明材料、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された固定材料を使用する（６）に記載の垂直空洞光デバイス。
【００３５】
（９）前記構造は、前記第１の調節可能垂直空洞光デバイスの残りの部分と整合する熱膨張係数を備えた固定材料を使用する、（６）に記載の垂直空洞光デバイス。
【００３６】
（１０）前記第１の調節可能垂直空洞光デバイスの固定レーザー発振波長とは異なる固定レーザー発振波長を備えた第２の調節可能垂直空洞光デバイスを有するモノリシックアレイを含む、（６）に記載の垂直空洞光デバイス。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の断面図。
【図２】製造の一ステップにおける本発明のモノリシックＶＣＳＥＬアレイの断面図。
【図３】本発明によるモノリシックＶＣＳＥＬアレイの断面図。
【図４】本発明による光通信システムの組立方法を示す概略図。
【図５】本発明を製造する方法の概略フローチャート。
【符号の説明】
５２  第１垂直空洞光デバイス
５４  第２垂直空洞光デバイス
７０  空隙
９６  固定材料
１０２  ウエハ
１０４  モノリシックアレイ
【図１】
0004624651.tif 000002
【図２】
0004624651.tif 000003
【図３】
0004624651.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004624651.tif 000006