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垂直共振器面発光レーザー（VCSEL / ˈ v ɪ k s əl /）は、ウェーハから個々のチップを切り出して形成された表面から放射する従来の端面発光半導体レーザー（インプレーンレーザーとも呼ばれる）とは異なり、上面から垂直にレーザービームを放射するタイプの半導体レーザーダイオードです。VCSELは、コンピューターマウス、光ファイバー 通信、レーザープリンター、Face ID 、 [ 1]、スマートグラスなど、さまざまなレーザー製品に使用されています。[ 2]
生産上の利点
エッジ エミッター レーザーの製造プロセスとは対照的に、VCSEL の製造にはいくつかの利点があります。エッジ エミッターは、製造プロセスの最後までテストできません。エッジ エミッターが適切に機能しない場合、接触不良や材料成長品質の低さが原因であれば、製造時間と処理材料が無駄になります。ただし、VCSEL はプロセス全体のいくつかの段階でテストして、材料の品質と処理の問題をチェックできます。たとえば、回路の層間の電気的接続であるビアがエッチング中に誘電体材料から完全に除去されていない場合、中間テスト プロセスによって、最上位の金属層が最初の金属層に接触していないことが示されます。さらに、VCSEL は、エッジ エミッターのように平行ではなく、レーザーのアクティブ領域に対して垂直にビームを放射するため、3 インチのガリウム ヒ素ウェーハで数万個の VCSEL を同時に処理できます。したがって、VCSEL の製造プロセスはより多くの労力と材料を必要としますが、歩留まりをより予測可能で高い結果に制御できます。[3]
構造
レーザー共振器は、ウェーハ表面に平行な2 つの分布ブラッグ反射鏡(DBR) ミラーと、その間のレーザー光生成用の1 つ以上の量子井戸からなるアクティブ領域で構成されています。平面 DBR ミラーは、高屈折率と低屈折率が交互になった層で構成されています。各層は、材料のレーザー波長の 4 分の 1 の厚さで、99% を超える強度反射率が得られます。VCSEL では、ゲイン領域の短い軸長のバランスをとるために、高反射率ミラーが必要です。
一般的な VCSEL では、上部ミラーと下部ミラーがp 型およびn 型材料としてドープされ、ダイオード接合を形成します。より複雑な構造では、p 型領域と n 型領域がミラー間に埋め込まれる場合があり、アクティブ領域との電気的接触を確立するためにより複雑な半導体プロセスが必要になりますが、DBR 構造での電力損失は排除されます。
新しい材料システムを使用した VCSEL の実験室調査では、アクティブ領域は、通常は別のレーザーである、より短い波長の外部光源によって励起されることがあります。これにより、優れた電気的性能を達成するという追加の問題なしに VCSEL を実証できますが、このようなデバイスはほとんどの用途では実用的ではありません。
650 nm ～ 1300 nm の波長の VCSEL は、通常、ガリウムヒ素 (GaAs) ウェーハと、GaAs およびアルミニウムガリウムヒ素(Al x Ga (1− x ) As) から形成された DBR をベースにしています。 GaAs-AlGaAs システムは、組成が変化しても材料の格子定数が大きく変化しないため、 GaAs 基板上に複数の「格子整合」エピタキシャル層を成長させることができるため、VCSEL の構築に適しています。 ただし、AlGaAs の屈折率は、Al の割合が増加すると比較的大きく変化するため、他の候補材料システムと比較して、効率的なブラッグミラーを形成するために必要な層の数が最小限に抑えられます。 さらに、アルミニウムの濃度が高いと、AlGaAs から酸化物を形成でき、この酸化物を使用して VCSEL の電流を制限できるため、非常に低いしきい値電流が可能になります。
VCSEL の電流を制限する主な方法には、イオン注入 VCSEL と酸化物 VCSEL の 2 種類があります。
1990 年代初頭、通信会社はイオン注入 VCSEL を好む傾向がありました。イオン (多くの場合、水素イオン、H+) が VCSEL の開口部を除くすべての VCSEL 構造に注入され、開口部の周囲の格子構造を破壊して電流を抑制しました。1990 年代半ばから後半にかけて、企業は酸化物 VCSEL の技術へと移行しました。酸化物 VCSEL では、VCSEL の開口部の周囲の材料を酸化することで電流が制限されます。VCSEL 構造内で成長する高含有量のアルミニウム層が酸化される層です。酸化物 VCSEL では、イオン注入製造ステップも頻繁に採用されています。その結果、酸化物 VCSEL では、電流経路がイオン注入と酸化物開口部によって制限されます。
酸化物 VCSEL が最初に受け入れられたとき、酸化層のひずみと欠陥により開口部が「飛び出る」のではないかという懸念がありました。しかし、多くのテストを経て、構造の信頼性は堅牢であることが証明されました。Hewlett Packard による酸化物 VCSEL に関するある研究で述べられているように、「応力の結果から、酸化物 VCSEL の活性化エネルギーと摩耗寿命は、同じ出力電力を放出するインプラント VCSEL のものとほぼ同じであることがわかりました。」[4] 酸化物 VCSEL を研究開発から生産モードに移行したとき、生産上の懸念も業界を悩ませました。酸化物層の酸化率は、アルミニウム含有量に大きく依存していました。アルミニウムのわずかな変化でも酸化率が変わり、仕様基準を満たすには開口部が大きすぎたり小さすぎたりする結果になることがありました。
1300 nm から 2000 nm までのより長い波長のデバイスは、少なくとも活性領域がインジウムリンで作られていることが実証されています。さらに高い波長の VCSEL は実験段階であり、通常は光ポンピングされます。この波長範囲では シリカベースの光ファイバーの分散が最小限であるため、1310 nm の VCSEL が望ましいです。
特別なフォーム
- 複数のアクティブ領域デバイス（別名バイポーラカスケードVCSEL）
- キャリアリサイクルにより100%を超える微分量子効率値を実現
- トンネル接合を備えたVCSEL
- トンネル接合 (n + p + ) を使用すると、電気的に有利な nn + p +ピン構成を構築することができ、他の構造要素にも有益な影響を与える可能性があります (たとえば、埋め込みトンネル接合(BTJ)の形で)。
- マイクロメカニカル可動ミラー（MEMS）を備えた可変VCSEL
- （光学的に[5]または電気的に励起[6] [7]）
- ウェーハ接合またはウェーハ融合VCSEL
- 異なる種類の基板ウェーハを使用して製造できる半導体材料の組み合わせ[8]
- モノリシック光ポンプVCSEL
- 2 つの VCSEL が重なり合っています。一方が他方を光学的にポンピングします。
- 縦方向に統合されたモニターダイオードを備えたVCSEL
- フォトダイオードは、VCSEL のバックミラーの下に統合されています。 横方向に統合されたモニターダイオードを備えた VCSEL: VCSEL のウェーハを適切にエッチングすることで、隣接する VCSEL の光強度を測定できる共振フォトダイオードを製造できます。
- 外部キャビティ付き VCSEL (VECSEL)
- VECSEL は、従来のレーザー ダイオードで光ポンピングされます。この配置により、デバイスのより広い領域をポンピングできるため、最大 30 W のより大きな電力を抽出できます。外部キャビティにより、周波数倍増、単一周波数動作、フェムト秒パルス モードロックなどのキャビティ内技術も可能になります。
- 垂直共振器型半導体光増幅器
- VCSOAは発振器ではなく増幅器として最適化されています。VCSOA はしきい値以下で動作する必要があるため、フィードバックを減らすためにミラーの反射率を下げる必要があります。信号ゲインを最大化するために、これらのデバイスには多数の量子井戸が含まれており (光ポンプ デバイスは 21 ～ 28 個の井戸で実証されています)、その結果、一般的な VCSEL よりも大幅に大きいシングルパス ゲイン値 (約 5%) を示します。これらの構造は狭線幅 (数十 GHz) 増幅器として動作し、増幅フィルターとして実装できます。
特徴
VCSEL はチップの上面から発光するため、個々のデバイスに分割される前にウェーハ上でテストできます。これにより、デバイスの製造コストが削減されます。また、VCSEL を 1 次元だけでなく 2 次元アレイで構築することもできます。
ほとんどのエッジ発光レーザーと比較して、VCSEL の出力開口部が大きいため、出力ビームの発散角が低くなり、光ファイバーとの高い結合効率が可能になります。
エッジ発光レーザーと比較して活性領域が小さいため、VCSELの閾値電流が減少し、消費電力が低くなります。しかし、現時点では、VCSELはエッジ発光レーザーと比較して発光電力が低くなっています。また、閾値電流が低いため、VCSELの固有変調帯域幅も高くなります。[9]
VCSEL の波長は、反射層の厚さを調整することによって、アクティブ領域のゲイン帯域内で調整できます。
初期の VCSEL は複数の縦モードまたはフィラメント モードで放射していましたが、現在ではシングル モード VCSEL が一般的です。
高出力VCSEL
高出力の垂直共振器型面発光レーザーも、単一デバイスの発光開口サイズを大きくするか、複数の素子を大型の2次元 (2D) アレイに組み合わせることで製造できます。高出力VCSELに関する研究報告は比較的少ないです。100 mW 前後で動作する大口径単一デバイスは、1993 年に初めて報告されました。[10]エピタキシャル成長、処理、デバイス設計、パッケージングの改善により、1998 年までに数百ミリワットを発光する個々の大口径 VCSEL が実現しました。[11] 1998 年には、1,000 素子からなる VCSEL アレイから、-10 ℃ のヒートシンク温度で 2 W を超える連続波 (CW) 動作が報告され、これは 30 W/cm 2の電力密度に相当します。[12] 2001年には、19素子アレイから室温で1W以上のCW出力と10Wのパルス出力が報告されました。[13] VCSELアレイチップは、ダイヤモンドの非常に高い熱伝導率を利用して、ダイヤモンドヒートスプレッダーに取り付けられました。2005年には、約980nmを発する大口径の単一デバイスから記録的な3WのCW出力が報告されました。[14]
2007年には、976nmの波長付近で発光する大型（5×5mm）2D VCSELアレイから200Wを超えるCW出力が報告され、[15]高出力VCSELの分野における大きな進歩を表しました。達成された高出力レベルは、主に壁コンセント効率とパッケージングの改善によるものです。2009年には、808nm付近で発光するVCSELアレイで100Wを超える出力レベルが報告されました。[16]
その時点で、VCSEL 技術は、高出力または高エネルギーを必要とするさまざまな医療、産業、軍事用途に役立つようになりました。このような用途の例は次のとおりです。
- 医療・化粧品：レーザー脱毛、レーザーしわ除去
- 軍事/監視用赤外線照明装置
- 固体レーザーとファイバーレーザーのポンピング
- 高出力・高エネルギー第二高調波発生（青色・緑色光）[17]
- レーザー加工：レーザー切断、レーザー穴あけ、レーザーアブレーション、レーザー彫刻
アプリケーション
- 光ファイバーデータ伝送
- アナログブロードバンド信号伝送
- 吸収分光法 ( TDLAS )
- レーザープリンター
- コンピューターのマウス
- 生体組織分析
- チップスケール原子時計
- 携帯電話カメラ用LIDAR
- 構造化光（例：iPhone Face IDの「ドットプロジェクター」）
- 自動車の衝突回避のためのLIDAR
歴史
1965年、Ivars Melngailis は、超低温および磁気キャリア閉じ込め状態でのバルク半導体からの表面発光を報告しました。[18] [19] [20]短共振器VCSELの最初の提案は、1977年に東京工業大学の伊賀健一によって行われました。彼のアイデアの簡単な図が彼の研究ノートに示されています。従来のファブリペロー端面発光半導体レーザーとは異なり、彼の発明は、ウェーハ表面に垂直な端面発光レーザーの 1/10 未満の短いレーザー共振器で構成されています。 1979年に、短共振器VCSELの最初のデモンストレーションがSoda、Iga、Kitahara、Suematsuによって行われましたが、[21]室温でCW動作するデバイスは1988年まで報告されませんでした。 [22] VCSELという用語は、1987年に米国光学会 の出版物で造られました。[23] 1989年に、Jack JewellはBell Labs / Bellcoreコラボレーション（Axel Scherer、Sam McCall、Yong Hee Lee、James Harbisonを含む）を率いて、小さなチップ上で100万個を超えるVCSELをデモンストレーションしました。[24] [25]これらの最初の全半導体VCSELは、現在でもすべての商用VCSELで使用されている他の設計機能を導入しました。 「このデモンストレーションは、面発光レーザーの開発における転換点となりました。 [ 26]国防高等研究計画局（DARPA）のアンドリュー・ヤンは、VCSELの研究開発に多額の資金提供を迅速に開始し、その後、他の政府機関や産業界も資金提供を開始しました。[26] VCSELは、ギガビットイーサネットやファイバーチャネル などの短距離光ファイバー通信のアプリケーションでエッジ発光レーザーに取って代わり、現在では1～400ギガビット/秒以上のリンク帯域幅で使用されています。
参照
参考文献
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外部リンク
- 長波長面発光レーザー：概要
- ブリトニーの半導体物理学ガイド: VCSEL