(57)【要約】  本発明の目的は、高質ビーム又は低いM2因子の両方及び低減されたミラーの厚さを有するVCSELを提供することであり、該ミラーの厚さは、その低減された厚さによって熱消散及び生産コストを改善する。レーザー・キャビティから見たように、ブラッグ反射器の遠位側の終わりにある金属反射体と組み合わせたブラッグ反射体を利用することが提案されており、その金属反射体は、光軸の周りの中心に局所的に配置される。
2012505541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードであり：
‐基板と、
‐該基板上に配置された第1ブラッグ反射体の積層と、
‐該基板上に配置された第2ブラッグ反射体の積層と、
を含み、該第1及び第2ブラッグ反射体の積層は、光軸を持つレーザー・キャビティを形成し、レーザー・ビームが作動中に該光軸に沿って放射され；
‐前記ブラッグ反射体の積層のうち１つの終わりにある金属反射体層、
をさらに含み、該金属反射体層は、前記光軸に関して局所的に配置され、TEM00レーザー・モードの強度が、該モードの最大強度の3分の1を超える領域よりも大きい領域を被覆する、
垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項２】
前記レーザー・キャビティの中を通る電流を側面に沿って閉じ込める電流開口部を有する電流閉じ込め層を含み、前記金属反射体層は、該開口部によって被覆される領域のサイズを超えないサイズの領域を被覆する、請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項３】
前記金属反射体層によって被覆される領域が、前記開口部によって被覆される領域の少なくとも1/10であることを特徴とする、請求項２に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項４】
前記金属反射体層が、絶縁層の上に堆積されていることを特徴とする、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項５】
前記絶縁層は、酸化ケイ素層であることを特徴とする、請求項4に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項６】
前記垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードは、底部発光レーザー・ダイオードであり、前記金属反射体層は、前記基板上に配置された最上部のブラッグ反射体の積層の上に堆積されていることを特徴とする、請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項７】
前記金属反射体層は、リング接点によって円周方向に囲まれている、請求項６に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項８】
前記金属反射体層の屈折率の実数部は、0.5よりも低い、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項９】
前記金属反射体層の材料は、金、銀、銅及びそれらの合金で構成されるグループから選択される、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１０】
前記金属反射体層による被覆は、前記光軸における被覆から半径方向に外側へ向かう方向において徐々に減少する、請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１１】
前記金属反射体層は、前記電気接点のうち１つの少なくとも一部分を形成する、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１２】
前記垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードは、上部発光レーザー・ダイオードであり、前記金属反射体層は、前記第1及び第2ブラッグ反射体の積層の下に埋められている、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１３】
前記金属反射体層によって終わる前記ブラッグ反射体の積層は、最大限で15個のより高い屈折率とより低い屈折率とが交互に入れ替わる層の対を含む、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１４】
前記金属反射体層によって終わるブラッグ反射体の積層に接触する電気接点層をさらに含み、前記金属反射体層を交差する区分を含む、請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、半導体レーザー・ダイオードに関し、さらに具体的には、垂直キャビティ面発光レーザー（VCSEL）の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直キャビティ面発光レーザー（VCSEL）は、高出力の応用において魅力的な装置である。CW操作におけるVCSELの出力及び効率は、通常、熱的効果によって限定されるため、980nm周辺の発光波長を持つ底部発光VCSELが、高出力応用に望ましい。それらは、ヒート・シンク（heat  sink）の近くに活性領域を有し、高い熱抵抗を防ぐために、p側が下になって搭載される。それにも関わらず、底部発光VCSELは、適度なしきい値電流を達成し、不適切なファセット（facet）におけるアウト結合（outcoupling）損失を防ぐために、かなりの分布ブラッグ反射体（DBR）を必要としていた。p-DBRの数が熱的性能を決定することから、底部発光VCSELの高出力応用に対する設計は、通常、光学的性能と熱管理との間の困難な妥協を必要とする。
【０００３】
底面側（基板）に発光する最新型の垂直キャビティ面発光レーザーは、約30対の分布ブラッグ反射体（DBR）を、レーザー・ダイオードのp側に必要とする。これらの装置が高出力応用に使用されることが目的である場合、それらは、通常、p側を下にして搭載され、p-DBRの数は、熱的抵抗を定義する。
【０００４】
非特許文献1において、ミラーの厚さを低減するために金属の保護膜を有する誘電体上部ミラーを含む底部発光VCSELが開示されている。しかし、低減されたミラーの厚さに伴うのは、上記の文献において開示されているように、帯域幅が増加するだけでなく、様々なモードの増幅も伴う。これは、一方、ビーム質に対して有害である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Hybrid  dielectric／metal  reflector  for  low  threshold  vertical-cavity  surface  emitting  lasers”  M.R.  Daniel  et  al，Electron.Lett.  1997  Vol.33  No.20  pp1704  ff
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、高いビーム質及び低いM2因子をそれぞれ有し、低減されたミラーの厚さを有するVCSELを提供することが本発明の目的であり、その低減されたミラーの厚さは、それによって熱の消散及び生産コストを改善する。この目的は、請求項１の対象によって解決される。有利な実施形態及び改良形は、従属項において定義される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
レーザー・キャビティから見られるように、ブラッグ反射体の遠位側の終わりにある金属反射体と組み合わせられたブラッグ反射体を利用することが提案されており、その金属反射体層は、光軸の周りの中心に位置する。この方法において、最も低い光学モードの反射率、すなわちTEM00モードは、強度がガウス分布を有することから非常に高く、より高いモードは、そのキャビティの中心軸に対して半径方向に離れた位置に強度最大を有する。従って、その反射率は、より高い光学モードに対して減少する。
【０００８】
それに応じて、垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードが供給され、それは、第1ブラッグ反射体の積層及び第2ブラッグ反射体の積層が配置された基板を含み、その第1ブラッグ反射体の積層及び第2ブラッグ反射体の積層は、作動中にレーザー・ビームが放射される方向に沿った光軸を持つレーザー・キャビティを形成する。通常、p‐n遷移又は1つもしくはそれ以上の量子井戸が、その２つのブラッグ反射体の積層の間に発光素子として埋め込まれる。金属反射体層は、その光軸に関して局所的に配置され、TEM00レーザー・モードの強度がそれの最大強度の3分の1、望ましくは2分の1を超える領域を超えない大きさの領域を被覆する。
【０００９】
高質ビームに対するVCSELは、しばしば、電流の流れ及び側面に沿った方向におけるレージング（lasing）領域を閉じ込める閉じ込め層を含む。ここで、そのTEM00モードの横方向の強度分布とは独立して、その金属反射体層によって被覆される領域が、その閉じ込め層の電流開口部の領域を超えない場合は、より高い光学モードに対する反射率を減少させることが達成できる。従って、本発明のさらなる、代替又は追加の実施形態によると、垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードは、第1ブラッグ反射体の積層及び第2ブラッグ反射体の積層が置かれた基板を含み、その第1ブラッグ反射体の積層及び第2ブラッグ反射体の積層は、共に、作動中にレーザー・ビームが放射される方向に沿った光軸を持つレーザー・キャビティを形成する。
【００１０】
その金属反射体層は、本発明のこの実施形態に従って、それらのブラッグ反射体の積層のうちの１つを終わらせ、光軸の周りに位置する。さらに、電流開口部を有する電流閉じ込め層が備えられ、それは、レーザー・キャビティの中を流れる電流を側面に沿って閉じ込め、そこにおいて、金属反射体層は、その開口部によって占められる領域のサイズを超えないサイズの領域を被覆する。
【００１１】
TEM00モードに対して十分な反射率を提供するために、その金属反射体層によって被覆されている領域が、開口部によって占められる面積の少なくとも1/10である場合、さらに有利である。TEM00モードの横方向の強度分布に関して、望ましくは、その金属反射体層は、少なくとも、TEM00モードがその最大強度の少なくとも3/4であるところに沿った領域を被覆する。
【００１２】
ブラッグ反射体が、その金属反射体の終わりにある場合、金属反射体層を絶縁層の上に堆積させることがさらに望ましい。その絶縁材の目的は、その反射体層の、特に金などの金属を、半導体の中において拡散させ、絶縁体‐金属の界面の光学的反射の位相を、共振器（resonator）の定在波パターンに調整するために、妨げることである。これに関し、特に適切な絶縁体は酸化ケイ素である。その代わりに、例えば、酸化アルミニウムなどの他の酸化物が採用されてもよい。
【００１３】
モード選択度の効果を拡大するために、その金属反射体層及び／又は光学的絶縁層は、反射率が光軸から金属反射層の端に向かって減少するように、適切に構成されていてよい。適切な構造化は、特に、被覆率、すなわち、その層によって被覆されている表面領域と被覆されていない領域との比を変化させることであってよい。従って、本発明のこの閉じ込めによると、金属反射層による被覆は、光軸での被覆から半径方向に外側の方向に向かって徐々に減少する。
【００１４】
金属反射層に特に適している材料は、金、銀、銅、及びそれらの合金である。上記に列挙された金属は、500及び1000nmである典型的なVCSELレーザーの波長に対して0.5未満の屈折率の実数部を有する。そのレーザー波長での金属の屈折率の低い実数部は、一般的に、高い屈折率の相違、及び、従って、界面での高い反射率を隣接している層に提供することが望ましい。
【００１５】
本発明の望ましい実施形態に従って、VCSELは、底部発光VCSELであり、金属反射体層は、その基板の最上部（すなわち、その基板から見て活性層の反対側におけるブラッグ反射体の積層）に置かれている。特に、その金属反射体層が、絶縁層の上に置かれている場合、VCSELの上部における電気接点は、別の金属層によって成し遂げられる。特に、そのレーザー・ダイオードの上部における電気接点層は、金属反射体層の周りを円周方向に囲んでもよい。従って、その電気接点は、金属反射体層の周りを囲むリング接点を形成する。有利にも、そのリング接点及び金属反射体層は、少なくとも部分的にギャップによって分離されてもよい。この方法では、主により高い光学モードから来るキャビティの内部からの光は、そのギャップを通り抜けることが出来る。
【００１６】
しかし、その金属反射体層を、電気接点の少なくとも一部分として使用することも可能である。例えば、これは、ブラッグ反射体と金属反射体層との間の絶縁層が省略される場合に可能である。
【００１７】
しかし、その金属反射体層を囲むリング接点が採用される場合は、キャリアは、メサ（mesa）の中心においてもはや注入されず、そこからわずか外れて注入される。これは、特に、側面に沿った導電性が課題となる大きい活性領域を持つVCSELに対して、有害である可能性がある。従って、本発明の改良形によると、金属反射体層によって終わるブラッグ反射体の積層に接触する電気接点層を生成することが提案されており、それにおいて、その電気接点層は、金属反射体層に交差する区分を含む。特に、その交点は、光軸にあるか、又はその近くにあってよい。例えば、p接触は、リングだけで構成されていないが、キャリア注入を改善するためにメサの内側部分を通り抜けるいくつかの薄い金属ストライプ（stripe）を有する。
【００１８】
もう１つの実施形態に従って、VCSELは、上部発光レーザー・ダイオードである。この場合、金属反射体層は埋められるか、あるいは、第1及び第2ブラッグ反射体の積層の下に埋め込まれる。
【００１９】
局所的に配置された金属反射体層は両方とも、光学モード選択度及び拡大された反射率を提供する。後者の効果によって、金属反射体層によって終わる、対応するブラッグ反射体は、かなり薄く、それによって生産コストを低減する。具体的に、その金属反射体層によって終わるブラッグ反射体の積層は、より高い屈折率及びより低い屈折率を交互に持つ15個の対又は15個未満の対の層を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第1実施形態の断面図である。
【図２】半径方向におけるTEM00及びTEM10モードの強度分布図である。
【図３】電流閉じ込め層を持つ図1の実施形態の変化形を示す図である。
【図４】側面に沿って閉じ込められた金属反射層を持つ上部発光VCSELを描画する図である。
【図５】半径方向に変化する被覆を持つ金属反射体層の実施形態の図である。
【図６】金属反射体層に交差する区分を含む電気接点層の配置を描画する図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２１】
図1は、本発明に従って、VCSEL1の第1実施形態を示す。VCSEL1は、基板2を含み、第1ブラッグ反射体の積層5が上に置かれた第1分布ブラッグ反射体（DBR）、第2ブラッグ反射体の積層9が上に置かれた第2分布ブラッグ反射体（DBR）、及び第1ブラッグ反射体の積層5と第2ブラッグ反射体の積層9との間にある活性領域7を含む。ブラッグ反射体の積層5、9、又はそれぞれのDBR、及び活性領域7は共に、レーザー・キャビティを形成する。そのキャビティの光軸3は、作動中に放射されるレーザー・ビームの中心によって定義される。
【００２２】
図1において示される実施形態は、底部発光VCSELであり、キャビティにおいて生成されるレーザー光は、ブラッグ反射体の積層5及び基板2を通って部分的に透過する。望ましい基板材料は、ガリウムヒ素、GaAsである。通常、第1又は底部のブラッグ反射体の積層5は、nタイプの分布ブラッグ反射体層を含み、第2又は上部のブラッグ反射体の積層7は、pタイプの層を含む。それらのブラッグ反射体の積層5、7の各々は、異なる屈折率の層の対を含む。例えば、VCSELにおいて利用される典型的なブラッグ反射体の堆積は、GaAs及びAlGaAsの積層の対を含む。
【００２３】
ポンプ電流が、基板2上の底部電極12、及び上部のブラッグ反射体の積層9における追加の上部電極11を通してVCSELに加えられる。その上部電極は、リング接点又はリング電極として設定される。絶縁層20が、リング接点11の内部に配置される。
【００２４】
この絶縁層20において、金属反射体層15が堆積される。絶縁層20は、金属原子の金属反射体層15からブラッグ反射体の積層9の半導体層の中への拡散を禁止する。
【００２５】
金属反射体層15は、第2ブラッグ反射体の積層9を光学的に終わらせ、このブラッグ反射体の積層9を通り抜けた光は、層15によって反射して返る。特に、金属反射体層15は、光軸3において局所的に配置され、その層15によって被覆される領域は、TEM00レーザー・モードの強度がそれの最大強度の3分の1、望ましくはその2分の1を超える領域よりも小さい。さらに、環状ギャップがその金属反射体層とリング接点11との間に延びる。
【００２６】
金属反射体層は、レーザー光に対して高い反射率を有する。それとは対照的に、リング電極は、ブラッグ反射体の積層9の半導体層に対して界面で低い電気損失を提供する材料から作られる。
【００２７】
従来の設計に比較して、金属反射体層15によって終わるpタイプのブラッグ反射体の積層9は、同程度の反射率を得るように交互に替わる屈折率を持つ層のかなり少ない数の対を必要とする。それに伴うのは、熱的抵抗もかなり改善されることである。一般的に、交互に替わる屈折率を持つ15個のGaAs/AlGaAs層の対などの層が十分である。例えば、ブラッグ反射体の積層9は、10個のGaAs/AlGaAs層の対を含んでもよい。それとは対照的に、ブラッグ反射体の積層5は、例えば、30対の交互に替わるGaAs/AlGaAs層などの、20又はそれ以上の対を含む。
【００２８】
図1の実施形態において、ヒート・シンク17が、VCSEL1のメサ構造に配置されている。このヒート・シンク17は、熱を消散するため及びリング電極11を電気接続するための両方に使用される。
【００２９】
図2は、光軸に対して横方向に半径方向における光学的TEM00及びTEM10モードの強度分布のグラフを示す。そのTEM00モードは、最大が光軸にあるガウス分布を有し、一方、TEM10モードは、さらに最大を有する。参照符号31及び32は、TEM00モードの幅を最大強度の3分の1及び最大の半分の強度をそれぞれ示す。金属反射体層の直径が、最大TEM00モードの幅31で選択される場合、そのTEM10モードの中心から離れた強度ピークの光（任意に選択された横座標においておよそ|r|＝1.75）は、反射体層を通過する。さらに、金属反射体層15の端部は、曲線30の最小値におよそ一致する。従って、層15によって反射するTEM00強度は、TEM10強度に比べて大きい。これは、TEM10モードのより強い減衰をもたらす。
【００３０】
図2に示される強度分布からは明らかではないが、モード選択度は、金属反射体層15の直径をさらに低減することによってさらに改善することができる。例えば、TEM00モードのFWHM（すなわち幅32）に一致する直径を有する金属反射体層の端部も、TEM10モードの強度最小におよそ沿って延びる。しかし、その直径の最大限でもTEM00モードのFWHMの幅への減少は、TEM01モードなど、光軸で最小値を有する他のモードの反射率の減少において強い効果を有する。
【００３１】
図3は、局所的に配置された金属反射体層を持つVCSEL1のさらなる実施形態を示す。VCSEL1は、空洞の活性領域7の隣に閉じ込め層8を有する。その閉じ込め層8は、外側の絶縁領域82によって囲まれる半導体開口部81を有する。この構成によって、活性領域7を通って流れる電流は、中心又は光軸3に近くに側面に沿って閉じ込められる。従って、開口部81は、また、光子が放出される領域を側面に沿って閉じ込める。その閉じ込め層8は、例えば、半導体層を堆積させ、次に局所的にその領域82を酸化することによって生成されてもよい。
【００３２】
金属反射体層15の横方向の寸法は、開口部の直径よりも小さい。従って、この実施形態において、金属反射体層15は、閉じ込め層8の開口部81によって占められる領域よりも小さいサイズの領域を被覆する。その開口部サイズは、モードの最小の横方向の寸法を決定することから、この場合も、図2に関して明確化されているようなモード選択度をもたらす。通常、開口部81よりも小さい金属反射層は、その層の横方向の寸法が、TEM00モードの最大強度の1/3における幅よりも小さいという条件も満たすであろう。この場合もまた、金属反射体層のより小さい寸法は、モード選択度を改善するが、一方、反射率の全体の減少をもたらす。従って、その開口部領域の少なくとも1/10を金属反射体層によって被覆することが一般的に望ましい。
【００３３】
図4は、側面に沿って閉じ込められた金属反射体層を持つ上部発光VCSELを描画する。この実施形態において、光は、リング接点11の中心を通って放出される。この場合、そのnタイプのブラッグ反射体の積層5は、金属反射体層15によって光学的に終わる。図1及び3の実施形態に類似して、このブラッグ反射体の積層5は、他の積層よりも薄く、最大限で15個のGaAs/AlGaAs層の対を含む。この場合において、より低いブラッグ反射体の積層は、金属反射体層15によって終わるように、この層は、ブラッグ反射体の積層5、9及び活性領域7の下に埋められる。ブラッグ反射体積層5への拡散が防止され、及び／又は位相整合が有利である場合、図1及び3の実施形態におけるような酸化ケイ素層が適用されてもよい。それに応じて、この酸化層は、ブラッグ反射体の積層5の層を堆積させる前に堆積される。さらに、図3の実施形態に類似して、金属反射体層15の直径は、開口部81の直径よりも小さい。
【００３４】
円形の金属反射体層15が使用される場合、その半径方向に沿った反射率は、その層の端部でステップ状の方式で減少する。しかし、全体の反射率が、半径方向に徐々に減少するように、その層を構成することも可能である。これは、光軸における被覆から半径方向に外側に向かう方向に沿って徐々に減少する金属反射層の被覆によってなし遂げられる。一例が図5に示されている。この例の金属反射体層15は、カンチレバーの歯（cantilevered  tines）150を持つ星型形状である。それに応じて、層15の中心又は光軸3に関して伸びるリング形状の表面素子の被覆は、それぞれ、歯150のベースからそれらの先端へと徐々に減少する。
【００３５】
図3において示されるような実施形態において、リング接点11を通して注入された電流は、開口部81に沿って及びそれに向けて側面に沿って流れる。特に、光軸3における電流密度は、開口部81の端部の近辺よりも小さいかもしれない。これも、また、より高い光学モードのより強い増加に至る。この効果を防ぐために、金属反射体層15によって終わるブラッグ反射体の積層に接触する電気接点層が利用されてもよく、それは、金属反射体層15を交差する区分を含む。一例が、光軸に沿った方向におけるキャビティの内部から見た図6の配置に示されている。図3のように、その電気接点層は、局所的に配置された金属反射体層15の周りを囲むリング接点として形作られる。金属反射体層15の端部及びリング接点11の内側の端部は、ギャップ20によって分離されている。しかし、そのリング接点は、さらに、そのリングの内部の円の対角線方向に横切って延びるバー110を有し、それによって、金属反射体層15によって被覆される領域を交差する。適切に、これらのブランチは、図3の実施形態におけるブラッグ反射体の積層9の最上層と絶縁層13との間に延びていてよい。従って、この場合、リング接点11及び金属反射体層15は、電気的に接続していない。しかし、絶縁層が省略できる場合、その金属反射体層もまた、その電気接点の少なくとも一部分を形成することができる。
【００３６】
本発明の望ましい実施形態が、付属する図において説明され、上述の記載において記載されてきたが、本発明は、開示される実施形態に限定されないものの、以下の請求項において説明されるように、本発明の範囲から離れずに多数の改良形が可能である。
【図１】
2012505541.tif 000003
【図２】
2012505541.tif 000004
【図３】
2012505541.tif 000005
【図４】
2012505541.tif 000006
【図５】
2012505541.tif 000007
【図６】
2012505541.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月15日(2011.4.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードであり：
‐基板と、
‐該基板上に配置された第1ブラッグ反射体の積層と、
‐該基板上に配置された第2ブラッグ反射体の積層と、
を含み、該第1及び第2ブラッグ反射体の積層は、光軸を持つレーザー・キャビティを形成し、レーザー・ビームが作動中に該光軸に沿って放射され；
‐前記ブラッグ反射体の積層のうち１つの終わりにある金属反射体層、
をさらに含み、該金属反射体層は、前記光軸に関して局所的に配置され、TEM00レーザー・モードの強度が、該モードの最大強度の3分の1を超える領域よりも大きい領域を被覆し、前記金属反射体層によって終わるブラッグ反射体の積層は、より高い屈折率とより低い屈折率とが交互に入れ替わる層の対を最大限で15個含み、該金属反射体層の前記ブラッグ反射体層が終わる側の反対側は、前記垂直キャビティ面発光ダイオードの熱の消散が改善されるように、前記基板又はヒート・シンクに接触している、
垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項２】
前記レーザー・キャビティの中を通る電流を側面に沿って閉じ込める電流開口部を有する電流閉じ込め層を含み、前記金属反射体層は、該開口部によって被覆される領域のサイズを超えないサイズの領域を被覆する、請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項３】
前記金属反射体層によって被覆される領域が、前記開口部によって被覆される領域の少なくとも1/10であることを特徴とする、請求項２に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項４】
前記金属反射体層が、絶縁層の上に堆積されていることを特徴とする、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項５】
前記絶縁層は、酸化ケイ素層であることを特徴とする、請求項4に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項６】
前記垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードは、底部発光レーザー・ダイオードであり、前記金属反射体層は、前記基板上に配置された最上部のブラッグ反射体の積層の上に堆積されていることを特徴とする、請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項７】
前記金属反射体層は、リング接点によって円周方向に囲まれている、請求項６に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項８】
前記金属反射体層の屈折率の実数部は、0.5よりも低い、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項９】
前記金属反射体層の材料は、金、銀、銅及びそれらの合金で構成されるグループから選択される、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１０】
前記金属反射体層による被覆は、前記光軸における被覆から半径方向に外側へ向かう方向において徐々に減少する、請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１１】
前記金属反射体層は、前記電気接点のうち１つの少なくとも一部分を形成する、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１２】
前記垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードは、上部発光レーザー・ダイオードであり、前記金属反射体層は、前記第1及び第2ブラッグ反射体の積層の下に埋められている、請求項1に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【請求項１３】
前記金属反射体層によって終わるブラッグ反射体の積層に接触する電気接点層をさらに含み、前記金属反射体層を交差する区分を含む、請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオード。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、半導体レーザー・ダイオードに関し、さらに具体的には、垂直キャビティ面発光レーザー（VCSEL）の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直キャビティ面発光レーザー（VCSEL）は、高出力の応用において魅力的な装置である。CW操作におけるVCSELの出力及び効率は、通常、熱的効果によって限定されるため、980nm周辺の発光波長を持つ底部発光VCSELが、高出力応用に望ましい。それらは、ヒート・シンク（heat  sink）の近くに活性領域を有し、高い熱抵抗を防ぐために、p側が下になって搭載される。それにも関わらず、底部発光VCSELは、適度なしきい値電流を達成し、不適切なファセット（facet）におけるアウト結合（outcoupling）損失を防ぐために、かなりの分布ブラッグ反射体（DBR）を必要としていた。p-DBRの数が熱的性能を決定することから、底部発光VCSELの高出力応用に対する設計は、通常、光学的性能と熱管理との間の困難な妥協を必要とする。
【０００３】
底面側（基板）に発光する最新型の垂直キャビティ面発光レーザーは、約30対の分布ブラッグ反射体（DBR）を、レーザー・ダイオードのp側に必要とする。これらの装置が高出力応用に使用されることが目的である場合、それらは、通常、p側を下にして搭載され、p-DBRの数は、熱的抵抗を定義する。
【０００４】
非特許文献1において、ミラーの厚さを低減するために金属の保護膜を有する誘電体上部ミラーを含む底部発光VCSELが開示されている。しかし、低減されたミラーの厚さに伴うのは、上記の文献において開示されているように、帯域幅が増加するだけでなく、様々なモードの増幅も伴う。これは、一方、ビーム質に対して有害である。
【０００５】
特許文献1は、レーザー光出口面において配置された環状の上部電極を含む垂直キャビティ面発光レーザーを開示し、上部電極開口部がその中において形成され、遮光層がその上部電極において形成された開口部の中心に配置される。その遮光層は、垂直キャビティ面発光レーザーから放射されたレーザー光を部分的に遮蔽し、その垂直キャビティ面発光レーザーの横軸方向において反射における相違を提供し、単一モードの発振を促す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第2008／0069166号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Hybrid  dielectric／metal  reflector  for  low  threshold  vertical-cavity  surface  emitting  lasers”  M.R.  Daniel  et  al，Electron.Lett.  1997  Vol.33  No.20  pp1704  ff
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、高いビーム質及び低いM2因子をそれぞれ有し、低減されたミラーの厚さを有するVCSELを提供することが本発明の目的であり、その低減されたミラーの厚さは、それによって熱の消散及び生産コストを改善する。この目的は、請求項１の対象によって解決される。有利な実施形態及び改良形は、従属項において定義される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
レーザー・キャビティから見られるように、ブラッグ反射体の遠位側の終わりにある金属反射体と組み合わせられたブラッグ反射体を利用することが提案されており、その金属反射体層は、光軸の周りの中心に位置する。この方法において、最も低い光学モードの反射率、すなわちTEM00モードは、強度がガウス分布を有することから非常に高く、より高いモードは、そのキャビティの中心軸に対して半径方向に離れた位置に強度最大を有する。従って、その反射率は、より高い光学モードに対して減少する。
【００１０】
それに応じて、垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードが供給され、それは、第1ブラッグ反射体の積層及び第2ブラッグ反射体の積層が配置された基板を含み、その第1ブラッグ反射体の積層及び第2ブラッグ反射体の積層は、作動中にレーザー・ビームが放射される方向に沿った光軸を持つレーザー・キャビティを形成する。通常、p‐n遷移又は1つもしくはそれ以上の量子井戸が、その２つのブラッグ反射体の積層の間に発光素子として埋め込まれる。金属反射体層は、その光軸に関して局所的に配置され、TEM00レーザー・モードの強度がそれの最大強度の3分の1、望ましくは2分の1を超える領域を超えない大きさの領域を被覆する。その金属反射体によって終わるブラッグ反射体の積層は、より高い屈折率とより低い屈折率とが交互に入れ替わる層の対を最大限15個含み、その金属反射体層のブラッグ反射体層が終わる側の反対側は、垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードの熱の消散が改善されるように、基板又はヒート・シンクに接触する。
【００１１】
高質ビームに対するVCSELは、しばしば、電流の流れ及び側面に沿った方向におけるレージング（lasing）領域を閉じ込める閉じ込め層を含む。ここで、そのTEM00モードの横方向の強度分布とは独立して、その金属反射体層によって被覆される領域が、その閉じ込め層の電流開口部の領域を超えない場合は、より高い光学モードに対する反射率を減少させることが達成できる。従って、本発明のさらなる、代替又は追加の実施形態によると、垂直キャビティ面発光レーザー・ダイオードは、第1ブラッグ反射体の積層及び第2ブラッグ反射体の積層が置かれた基板を含み、その第1ブラッグ反射体の積層及び第2ブラッグ反射体の積層は、共に、作動中にレーザー・ビームが放射される方向に沿った光軸を持つレーザー・キャビティを形成する。
【００１２】
その金属反射体層は、本発明のこの実施形態に従って、それらのブラッグ反射体の積層のうちの１つを終わらせ、光軸の周りに位置する。さらに、電流開口部を有する電流閉じ込め層が備えられ、それは、レーザー・キャビティの中を流れる電流を側面に沿って閉じ込め、そこにおいて、金属反射体層は、その開口部によって占められる領域のサイズを超えないサイズの領域を被覆する。
【００１３】
TEM00モードに対して十分な反射率を提供するために、その金属反射体層によって被覆されている領域が、開口部によって占められる面積の少なくとも1/10である場合、さらに有利である。TEM00モードの横方向の強度分布に関して、望ましくは、その金属反射体層は、少なくとも、TEM00モードがその最大強度の少なくとも3/4であるところに沿った領域を被覆する。
【００１４】
ブラッグ反射体が、その金属反射体の終わりにある場合、金属反射体層を絶縁層の上に堆積させることがさらに望ましい。その絶縁材の目的は、その反射体層の、特に金などの金属を、半導体の中において拡散させ、絶縁体‐金属の界面の光学的反射の位相を、共振器（resonator）の定在波パターンに調整するために、妨げることである。これに関し、特に適切な絶縁体は酸化ケイ素である。その代わりに、例えば、酸化アルミニウムなどの他の酸化物が採用されてもよい。
【００１５】
モード選択度の効果を拡大するために、その金属反射体層及び／又は光学的絶縁層は、反射率が光軸から金属反射層の端に向かって減少するように、適切に構成されていてよい。適切な構造化は、特に、被覆率、すなわち、その層によって被覆されている表面領域と被覆されていない領域との比を変化させることであってよい。従って、本発明のこの閉じ込めによると、金属反射層による被覆は、光軸での被覆から半径方向に外側の方向に向かって徐々に減少する。
【００１６】
金属反射層に特に適している材料は、金、銀、銅、及びそれらの合金である。上記に列挙された金属は、500及び1000nmである典型的なVCSELレーザーの波長に対して0.5未満の屈折率の実数部を有する。そのレーザー波長での金属の屈折率の低い実数部は、一般的に、高い屈折率の相違、及び、従って、界面での高い反射率を隣接している層に提供することが望ましい。
【００１７】
本発明の望ましい実施形態に従って、VCSELは、底部発光VCSELであり、金属反射体層は、その基板の最上部（すなわち、その基板から見て活性層の反対側におけるブラッグ反射体の積層）に置かれている。特に、その金属反射体層が、絶縁層の上に置かれている場合、VCSELの上部における電気接点は、別の金属層によってなし遂げられる。特に、そのレーザー・ダイオードの上部における電気接点層は、金属反射体層の周りを円周方向に囲んでもよい。従って、その電気接点は、金属反射体層の周りを囲むリング接点を形成する。有利にも、そのリング接点及び金属反射体層は、少なくとも部分的にギャップによって分離されてもよい。この方法では、主により高い光学モードから来るキャビティの内部からの光は、そのギャップを通り抜けることが出来る。
【００１８】
しかし、その金属反射体層を、電気接点の少なくとも一部分として使用することも可能である。例えば、これは、ブラッグ反射体と金属反射体層との間の絶縁層が省略される場合に可能である。
【００１９】
しかし、その金属反射体層を囲むリング接点が採用される場合は、キャリアは、メサ（mesa）の中心においてもはや注入されず、そこからわずか外れて注入される。これは、特に、側面に沿った導電性が課題となる大きい活性領域を持つVCSELに対して、有害である可能性がある。従って、本発明の改良形によると、金属反射体層によって終わるブラッグ反射体の積層に接触する電気接点層を生成することが提案されており、それにおいて、その電気接点層は、金属反射体層に交差する区分を含む。特に、その交点は、光軸にあるか、又はその近くにあってよい。例えば、p接触は、リングだけで構成されていないが、キャリア注入を改善するためにメサの内側部分を通り抜けるいくつかの薄い金属ストライプ（stripe）を有する。
【００２０】
もう１つの実施形態に従って、VCSELは、上部発光レーザー・ダイオードである。この場合、金属反射体層は埋められるか、あるいは、第1及び第2ブラッグ反射体の積層の下に埋め込まれる。
【００２１】
局所的に配置された金属反射体層は両方とも、光学モード選択度及び拡大された反射率を提供する。後者の効果によって、金属反射体層によって終わる、対応するブラッグ反射体は、かなり薄く、それによって生産コストを低減する。具体的に、その金属反射体層によって終わるブラッグ反射体の積層は、より高い屈折率及びより低い屈折率を交互に持つ15個の対又は15個未満の対の層を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第1実施形態の断面図である。
【図２】半径方向におけるTEM00及びTEM10モードの強度分布図である。
【図３】電流閉じ込め層を持つ図1の実施形態の変化形を示す図である。
【図４】側面に沿って閉じ込められた金属反射層を持つ上部発光VCSELを描画する図である。
【図５】半径方向に変化する被覆を持つ金属反射体層の実施形態の図である。
【図６】金属反射体層に交差する区分を含む電気接点層の配置を描画する図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２３】
図1は、本発明に従って、VCSEL1の第1実施形態を示す。VCSEL1は、基板2を含み、第1ブラッグ反射体の積層5が上に置かれた第1分布ブラッグ反射体（DBR）、第2ブラッグ反射体の積層9が上に置かれた第2分布ブラッグ反射体（DBR）、及び第1ブラッグ反射体の積層5と第2ブラッグ反射体の積層9との間にある活性領域7を含む。ブラッグ反射体の積層5、9、又はそれぞれのDBR、及び活性領域7は共に、レーザー・キャビティを形成する。そのキャビティの光軸3は、作動中に放射されるレーザー・ビームの中心によって定義される。
【００２４】
図1において示される実施形態は、底部発光VCSELであり、キャビティにおいて生成されるレーザー光は、ブラッグ反射体の積層5及び基板2を通って部分的に透過する。望ましい基板材料は、ガリウムヒ素、GaAsである。通常、第1又は底部のブラッグ反射体の積層5は、nタイプの分布ブラッグ反射体層を含み、第2又は上部のブラッグ反射体の積層7は、pタイプの層を含む。それらのブラッグ反射体の積層5、7の各々は、異なる屈折率の層の対を含む。例えば、VCSELにおいて利用される典型的なブラッグ反射体の堆積は、GaAs及びAlGaAsの積層の対を含む。
【００２５】
ポンプ電流が、基板2上の底部電極12、及び上部のブラッグ反射体の積層9における追加の上部電極11を通してVCSELに加えられる。その上部電極は、リング接点又はリング電極として設定される。絶縁層20が、リング接点11の内部に配置される。
【００２６】
この絶縁層20において、金属反射体層15が堆積される。絶縁層20は、金属原子の金属反射体層15からブラッグ反射体の積層9の半導体層の中への拡散を禁止する。
【００２７】
金属反射体層15は、第2ブラッグ反射体の積層9を光学的に終わらせ、このブラッグ反射体の積層9を通り抜けた光は、層15によって反射して返る。特に、金属反射体層15は、光軸3において局所的に配置され、その層15によって被覆される領域は、TEM00レーザー・モードの強度がそれの最大強度の3分の1、望ましくはその2分の1を超える領域よりも小さい。さらに、環状ギャップがその金属反射体層とリング接点11との間に延びる。
【００２８】
金属反射体層は、レーザー光に対して高い反射率を有する。それとは対照的に、リング電極は、ブラッグ反射体の積層9の半導体層に対して界面で低い電気損失を提供する材料から作られる。
【００２９】
従来の設計に比較して、金属反射体層15によって終わるpタイプのブラッグ反射体の積層9は、同程度の反射率を得るように交互に替わる屈折率を持つ層のかなり少ない数の対を必要とする。それに伴うのは、熱的抵抗もかなり改善されることである。一般的に、交互に替わる屈折率を持つ15個のGaAs/AlGaAs層の対などの層が十分である。例えば、ブラッグ反射体の積層9は、10個のGaAs/AlGaAs層の対を含んでもよい。それとは対照的に、ブラッグ反射体の積層5は、例えば、30対の交互に替わるGaAs/AlGaAs層などの、20又はそれ以上の対を含む。
【００３０】
図1の実施形態において、ヒート・シンク17が、VCSEL1のメサ構造に配置されている。このヒート・シンク17は、熱を消散するため及びリング電極11を電気接続するための両方に使用される。
【００３１】
図2は、光軸に対して横方向に半径方向における光学的TEM00及びTEM10モードの強度分布のグラフを示す。そのTEM00モードは、最大が光軸にあるガウス分布を有し、一方、TEM10モードは、さらに最大を有する。参照符号31及び32は、TEM00モードの幅を最大強度の3分の1及び最大の半分の強度をそれぞれ示す。金属反射体層の直径が、最大TEM00モードの幅31で選択される場合、そのTEM10モードの中心から離れた強度ピークの光（任意に選択された横座標においておよそ|r|＝1.75）は、反射体層を通過する。さらに、金属反射体層15の端部は、曲線30の最小値におよそ一致する。従って、層15によって反射するTEM00強度は、TEM10強度に比べて大きい。これは、TEM10モードのより強い減衰をもたらす。
【００３２】
図2に示される強度分布からは明らかではないが、モード選択度は、金属反射体層15の直径をさらに低減することによってさらに改善することができる。例えば、TEM00モードのFWHM（すなわち幅32）に一致する直径を有する金属反射体層の端部も、TEM10モードの強度最小におよそ沿って延びる。しかし、その直径の最大限でもTEM00モードのFWHMの幅への減少は、TEM01モードなど、光軸で最小値を有する他のモードの反射率の減少において強い効果を有する。
【００３３】
図3は、局所的に配置された金属反射体層を持つVCSEL1のさらなる実施形態を示す。VCSEL1は、空洞の活性領域7の隣に閉じ込め層8を有する。その閉じ込め層8は、外側の絶縁領域82によって囲まれる半導体開口部81を有する。この構成によって、活性領域7を通って流れる電流は、中心又は光軸3に近くに側面に沿って閉じ込められる。従って、開口部81は、また、光子が放出される領域を側面に沿って閉じ込める。その閉じ込め層8は、例えば、半導体層を堆積させ、次に局所的にその領域82を酸化することによって生成されてもよい。
【００３４】
金属反射体層15の横方向の寸法は、開口部の直径よりも小さい。従って、この実施形態において、金属反射体層15は、閉じ込め層8の開口部81によって占められる領域よりも小さいサイズの領域を被覆する。その開口部サイズは、モードの最小の横方向の寸法を決定することから、この場合も、図2に関して明確化されているようなモード選択度をもたらす。通常、開口部81よりも小さい金属反射層は、その層の横方向の寸法が、TEM00モードの最大強度の1/3における幅よりも小さいという条件も満たすであろう。この場合もまた、金属反射体層のより小さい寸法は、モード選択度を改善するが、一方、反射率の全体の減少をもたらす。従って、その開口部領域の少なくとも1/10を金属反射体層によって被覆することが一般的に望ましい。
【００３５】
図4は、側面に沿って閉じ込められた金属反射体層を持つ上部発光VCSELを描画する。この実施形態において、光は、リング接点11の中心を通って放出される。この場合、そのnタイプのブラッグ反射体の積層5は、金属反射体層15によって光学的に終わる。図1及び3の実施形態に類似して、このブラッグ反射体の積層5は、他の積層よりも薄く、最大限で15個のGaAs/AlGaAs層の対を含む。この場合において、より低いブラッグ反射体の積層は、金属反射体層15によって終わるように、この層は、ブラッグ反射体の積層5、9及び活性領域7の下に埋められる。ブラッグ反射体積層5への拡散が防止され、及び／又は位相整合が有利である場合、図1及び3の実施形態におけるような酸化ケイ素層が適用されてもよい。それに応じて、この酸化層は、ブラッグ反射体の積層5の層を堆積させる前に堆積される。さらに、図3の実施形態に類似して、金属反射体層15の直径は、開口部81の直径よりも小さい。
【００３６】
円形の金属反射体層15が使用される場合、その半径方向に沿った反射率は、その層の端部でステップ状の方式で減少する。しかし、全体の反射率が、半径方向に徐々に減少するように、その層を構成することも可能である。これは、光軸における被覆から半径方向に外側に向かう方向に沿って徐々に減少する金属反射層の被覆によってなし遂げられる。一例が図5に示されている。この例の金属反射体層15は、カンチレバーの歯（cantilevered  tines）150を持つ星型形状である。それに応じて、層15の中心又は光軸3に関して伸びるリング形状の表面素子の被覆は、それぞれ、歯150のベースからそれらの先端へと徐々に減少する。
【００３７】
図3において示されるような実施形態において、リング接点11を通して注入された電流は、開口部81に沿って及びそれに向けて側面に沿って流れる。特に、光軸3における電流密度は、開口部81の端部の近辺よりも小さいかもしれない。これも、また、より高い光学モードのより強い増加に至る。この効果を防ぐために、金属反射体層15によって終わるブラッグ反射体の積層に接触する電気接点層が利用されてもよく、それは、金属反射体層15を交差する区分を含む。一例が、光軸に沿った方向におけるキャビティの内部から見た図6の配置に示されている。図3のように、その電気接点層は、局所的に配置された金属反射体層15の周りを囲むリング接点として形作られる。金属反射体層15の端部及びリング接点11の内側の端部は、ギャップ20によって分離されている。しかし、そのリング接点は、さらに、そのリングの内部の円の対角線方向に横切って延びるバー110を有し、それによって、金属反射体層15によって被覆される領域を交差する。適切に、これらのブランチは、図3の実施形態におけるブラッグ反射体の積層9の最上層と絶縁層13との間に延びていてよい。従って、この場合、リング接点11及び金属反射体層15は、電気的に接続していない。しかし、絶縁層が省略できる場合、その金属反射体層もまた、その電気接点の少なくとも一部分を形成することができる。
【００３８】
本発明の望ましい実施形態が、付属する図において説明され、上述の記載において記載されてきたが、本発明は、開示される実施形態に限定されないものの、以下の請求項において説明されるように、本発明の範囲から離れずに多数の改良形が可能である。
【国際調査報告】
2012505541.tif 000009
2012505541.tif 000010
2012505541.tif 000011