JP2006270104A - 周期的にドーピングを変化させて形成された格子を備えている量子カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ＱＣＬおよび中赤外波長ＶＣＳＥＬで用いるための、良好な横モード閉じ込めが得られる導波構造を提供する。
【解決手段】ドーピングレベルの周期的な変化、ひいては屈折率の変化を導入することによって、ドープされた回折格子を形成する。例えば、クラッド層および導波コアを備えている導波層と、複数のミラー対からなっている分布ブラッグ反射器とが設けられている端面発光半導体レーザにおいて、ミラー対の第１の要素とミラー対の第２の要素とのドーピングレベルを代えることによって屈折率の差を生成させている。ドーピングには、ｎ型ドーパントを使用する。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、回折格子を有する半導体レーザ装置に関する。

量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）は、半導体超格子内でのレーザ作用のために電子のサブバンド間遷移を利用する。このサブバンド間遷移によって強く発光されるかまたは吸収される光に関し、通常、光の電場は、エピタキシャル層に対して垂直方向にあり、ＴＭ偏光は大部分が、量子井戸でのサブバンド間遷移によって吸収されるか放射される。

表面プラズモンは、金属と半導体との境界に沿って伝搬するＴＭ偏波である。表面プラズモンの強さは、境界の両面で指数関数的に低下する。表面プラズモンは、きわめて損失が多く、また表面プラズモンモードとレーザモードとの間のあらゆる結合は、この結合により、レーザに対するさらなる損失のメカニズムが形成されてしまうので、望ましくない。

プラズモン導波構造は、ＱＣＬにおける横モードの閉じ込めのために導入されている。ＱＣＬのようなサブバンド間の半導体レーザのより長い発光波長では、クラッド層を十分な厚みに成長させて、横方向モードの長いエバネッセンステール（evanescent tail）を含むようにすることは、実際的ではない。プラズモン導波構造は、屈折率コントラストを増大させるために高ドープ化を用いることでクラッド層の屈折率を著しく低下させることによって、光学的閉じ込めを提供する。ドーピングレベルが十分に高い場合には、半導体のプラズマ振動数は、ＱＣＬの発光振動数に近づき、これにより、半導体の光学特性が、複素屈折率ｎ＋ｉｋにおいて実数部分ｎが小さく、虚数部分ｋが大きな金属により近くなる。ドーピングおよびプラズモン導波構造の厚みを調節することによって、最適化された量子カスケードのゲインを有するモードの損失および重なりを得ることができる。

プラズモン閉じ込めのために要求される可視および近赤外波長でのドーピングは通常、実施するには高すぎるレベルである。しかし、通常ＱＣＬと関連のあるより長い、中遠赤外（ＩＲ）波長においては、約１０^１８／ｃｍ^３のオーダーのドーピングレベルは、ＱＣＬの動作波長でのクラッド層の屈折率を低下させて横モード閉じ込めを提供するのに十分である。

量子カスケードレーザおよび中赤外波長ＶＣＳＥＬ（垂直型面発光レーザ）において、良好な光学的閉じ込めが可能な導波構造を提供する。

上記課題を解決した本発明によれば、ＱＣＬおよび中赤外波長ＶＣＳＥＬで用いるためのドープされた回折格子を、ドーピングレベルの周期的な変化、ひいてはこれによる屈折率の変化を導入することによって形成することができる。ドーピングは通常、ｎ型ドーパントを使用することによって達成される。

また、ＱＣＬの波長領域においてドープされた回折格子を設けることによって、発光波長を安定化させるための分布ブラック反射器（ＤＢＲ）が提供される。本発明によれば、ドープされた回折格子は、中赤外波長ＶＣＳＥＬのためのＤＢＲを提供するために用いることもできる。

約１０^１８／ｃｍ^３のオーダーの高いドーピングレベルは、ＩｎＰ（インジウムリン）層において屈折率をかなりの程度低下させるのに十分なものである。図１の曲線１０１は、ＩｎＰクラッド層を備えているＱＣＬの８μｍでの動作に関し、ドーピングレベルを１〜２×１０^１７／ｃｍ^３から５×１０^１８／ｃｍ^３へと増加させた場合、約３．１から約２．６へ実屈折率が低下することを示している。図１の曲線１０２は、ドーピングレベルの関数としての損失の増加を示す。

本発明によれば、周期的なドーピング量の変化を、回折格子を形成するために利用する。典型的なドーピング量の変化の周期Ｌは、式Ｌ＝λ／２ｎ_ｅｆｆ［式中、ｎ_ｅｆｆは有効屈折率であり、λは波長である］により与えられる。このドーピングのための周期の典型的な値は、１μｍのオーダーである。別の態様では、より高いオーダーの格子を、λ／２ｎ_ｅｆｆの奇数倍、つまり（２ｍ＋１）λ／２ｎ_ｅｆｆ［式中、ｍは自然数である］を用いることによって規定することができる。この回折格子が、ＱＣレーザの導波領域、例えばＩｎＰクラッド層または導波コア内に適切に配置されている場合には、回折格子を分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）として使用することができ、これにより発光波長が制御される。

格子の強度は、ドーピング濃度および高ドープされた領域の厚みによって、ならびに導波コアからの距離によって制御することができる。通常ＱＣＬに関連している長波長での、ドーピングにより導入された屈折率の低下は、組成の変化によって屈折率の変化を得ている従来の短波長の構造によって通常達成されるものに匹敵するかもしくはそれより大きい。しかし、達成される大きな屈折率段差は、大きな吸収損失と関連している。ドーピングレベルを増大させると、吸収損失および屈折率段差の両方が増大する。したがって、望ましい大きな屈折率段差を得る代償として、不都合な大きな吸収損失を得ることになる。

図２Ａに、本発明による１×１０^１８／ｃｍ^３のユニットにおいて、ミラー対の数が異なるＤＢＲそれぞれに対するピーク反射率Ｒを、ドーピングレベルＬｏの関数として示す。曲線２０５、２１０、２１５、２２０、２２５および２３０はそれぞれ、２０、４０、６０、８０および１００のミラー対に相当している。図２Ａから、反射率Ｒが典型的には、広い範囲のドーピングレベルＬｏにわたって約０．９のピーク反射率を満足することが明らかである。例えば、２０のミラー対を表す曲線２０５では、約５×１０^１８／ｃｍ^３のドーピングレベルＬｏでピーク反射率は約０．９の最大値となり、１００のミラー対を表す曲線２３０では、約１×１０^１８／ｃｍ^３のドーピングレベルＬｏでピーク反射率は約０．９の最大値となる。このことは、ドーピングレベルＬｏを大きくすることによって屈折率段差が増大する一方で、ピーク反射率が制限されるように吸収損失が増大していることを示している。図２Ａから、ＤＢＲの詳細な設計が、正確なドーピングレベルおよび選択されたミラー対の特定の数に比較的影響を受けないことが明らかである。

結局のところ、吸収損失が、達成可能なＤＢＲの品質を制限する。図２Ａに示す曲線２０５、２１０、２１５、２２０、２２５および２３０は、これらの計算のために用いた半導体のドルーデモデルに対する０．１ｐｓの散乱時間を前提としたものである。図２Ｂは、５０のミラー対を有するＤＢＲに対して、散乱時間の変化がＤＢＲ反射率にどのような影響を与えるかを示している。曲線２３５、２４０、２４５および２５０はそれぞれ、０．０５ｐｓ、０．１ｐｓ０．１５ｐｓおよび０．２ｐｓに対応している。本発明によれば、曲線２３５、２４０、２４５および２５０は、より長い散乱時間が通常、ＤＢＲに対してより高いピーク反射率をもたらすことを示している。したがって、通常、より長い散乱時間を有する材料を使用することによって、より良好なＤＢＲが得られるであろう。例えば、ＩｎＰ材料の散乱時間は通常、約１×１０^１８／ｃｍ^３のドーピングレベルＬｏで約０．１ｐｓである。

図２Ａおよび２Ｂに示す結果は、ＤＢＲの領域と導波モードとの重なりを考慮に入れていない。通常、典型的なＩｎＰ ＱＣＬ３５０（図３Ａ参照）内の導波部の上側クラッド層において、導波モードの１０〜２０％の閉じ込めがある。したがって、ＤＢＲが、上側クラッド層全体に形成されている場合には、ＤＢＲの強さは、図２Ａおよび図２Ｂに示す結果からさらにかなり減少させることができる。反射率Ｒは、次式で表される。

上式中、κは、

のように示される。
さらに上式のΔｎは、ＤＢＲのミラー対間の屈折率段差である。式（２）中の、ＤＢＲ３５４の断面の、導波モード（waveguide mode）断面３９９（図３Ｂ参照）との重なりΓは、次式により与えられる。

上式中の積分は、伝搬方向に対して法線方向の導波の断面積にわたって行っている。

図２Ａおよび図２Ｂに示すような反射率の値Ｒを得るには、ＤＢＲのミラー対の数をかなり増大させる必要がある。例えば、上側クラッド層全体を使用して、５×１０^１８／ｃｍ^３のドーピングレベルＬｏを有する２００のミラー対を有しているＤＢＲを形成した場合、図２Ａおよび図２Ｂによれば、約０．８〜０．９の反射率を有するＤＢＲが得られる。ＤＢＲと導波モードとの重なりが小さくなると、これに比例して、反射率０．８〜０．９を達成するためのより長い格子が必要となる。

図３Ａに、本発明の一態様による、導波モード３９９を有するＱＣＬ３５０を示す。ＤＢＲエレメント（要素）３５６および３５５からなるＤＢＲミラー対３５７は、クラッド領域２６０に配置されたＤＢＲ３５４の一部を形成する。ＤＢＲエレメント３５６とＤＢＲエレメント３５５とでは、ドーピングのレベルが異なる。ＤＢＲエレメント３５６とＤＢＲエレメント３５５とでドーピングレベルが異なることによって、ＤＢＲエレメント３５６とＤＢＲエレメント３５５とで発光波長での屈折率が相違する。ＤＢＲ３５４は、ＱＣＬ３５０の裏ミラーとして機能する。領域３６１は、導波コアとして機能する。クラッド領域３６０および導波コア３６１は共に、導波層３６２を形成している。

図３Ｂに、上式（３）によって規定される、ＤＢＲ３５４の断面とｘ軸方向での導波モード断面３９９との重なりΓを示す。

図３Ｃに、本発明の別の態様によるＱＣＬ３５１を示す。ＤＢＲエレメント３４７および３４８からなるＤＢＲミラー対３５９は、導波コア３６１内に配置されているＤＢＲ３４４の一部を形成する。ＤＢＲエレメント３４７とＤＢＲエレメント３４８とでは、ドーピングレベルが異なる。ＤＢＲエレメント３４７と３４８とでドーピングレベルが異なることにより、発光波長での屈折率がＤＢＲエレメント３４７とＤＢＲエレメント３４８とで相違する。ＤＢＲは、ＱＣＬ３５１のための裏ミラーとして機能する。

本発明によれば、ドーピングレベルの変化（ドーピングレベルを変動させること）は、垂直型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のためのＤＢＲを形成するためにも用いることができる。ＱＣレーザにおけるレーザ遷移は通常、ＴＭ偏光されていて、ＶＣＳＥＬには使用できないが、ＴＥ偏光したサブバンド間遷移は存在する。例えば、ＴＥ遷移が、Ｓｉ／ＳｉＧｅ ＱＣレーザの荷電子帯、軽い孔のバンドおよび重い孔のバンドの２つの荷電子帯で観察されている。この場合、荷電子帯の軽い孔のバンドと重い孔のバンドとの間で起こる遷移によって、ＴＥ偏光された遷移が可能となるが、同じバンド内での遷移によっては、ＴＥ偏光遷移が得られない。

図３Ｄに、導波モード３２５を有するエピタキシャルＶＣＳＥＬ構造３００の本発明による一態様を示す。レーザキャビティ３７５および活性領域３８０を備えているエピタキシャルＶＣＳＥＬ構造３００においては、約１×１０^１７／ｃｍ^３と１×１０^１８／ｃｍ^３とでドーピングレベルが変化するようにＤＢＲ３３５の層３１０および３１５が交互に設けられていることによって、屈折率コントラストの大きな均一なＤＢＲ３３５の形成が可能となる。典型的には、層３１０および３１５はそれぞれ、波長の１／４の奇数倍の厚みを有している。図２Ａおよび図２Ｂによれば、ドープ層３１５が約５×１０^１８／ｃｍ^３のレベルにまでドープされた場合、２０という小さな数のミラー対のＤＢＲ３３５に対して、約０．８〜０．９のピーク反射率が得られる。ＤＢＲ３３５が、異なるバンドギャップの材料からなっているわけではないので、界面ポテンシャル障壁が存在せず、垂直方向の電流の流れに対する直列抵抗が通常、数ｋＡ／ｃｍ^２の電流密度において数Ωより小さい。上述のように、ドーピングレベルを増大させることによって屈折率のコントラストを増大させると、層吸収が増大する。したがって、ＤＢＲ３３５の透明性はゼロへと近づく。したがって、ＤＢＲ３３５のようなドープされたＤＢＲは、通常、ＶＣＳＥＬ３００のための裏反射器としてのみ使用され、出力カプラミラーとして使用されるのではない。

ＱＣＬの導波部においてドーピング格子構造を形成するために、標準的なフォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィを利用することができ、これにより、半導体の表面上にフォトレジストをパターン形成し、約１μｍまたは１μｍの奇数倍の典型的なピッチを有する線および空間のパターンを形成する。本発明では、図４Ａに、例えばＱＣＬ４０１の製造において、ＳｉまたはＺｎのようなドーパント種４２５のイオン注入の際に使用される、パターン化されたフォトレジストマスク４２０を示す。ドーピングレベルおよびドーピングプロファイルの深さは通常、それぞれ注入量およびイオン注入エネルギーによって制御される。典型的な注入量の値は、約１×１０^１４／ｃｍ^２〜約１×１０^１５／ｃｍ^２のオーダーであり、そして、約０．５ＭｅＶ〜約２ＭｅＶの典型的なイオン注入エネルギーが、格子構造にパターン化されるＱＣＬ４０１の導波部分に高ドープ領域４５５を形成するために使用される。パターン化されたフォトレジストマスク４２０が提供するよりもさらに、注入での保護が必要とされる場合には、ウェットエッチングもしくはドライエッチングまたは標準的なリフトオフを用いて、パターン化されたフォトレジストマスク４２０を、例えば金属もしくは誘電体のハードマスクに移行することができる。

図４Ｂに、ドーピング格子を、固体ソース拡散によって、ドーパント種４４５を半導体ウェハ４０２内に形成する方法を示す。フォトレジストパターン（図示せず）を、半導体表面に設けられている薄膜マスク４４６、例えばＳｉ薄膜マスクに、標準的なウェットエッチング法もしくはドライエッチング法を用いて転写することができる。半導体ウェハ４０２を、約７００〜９００℃の範囲の温度の拡散オーブン内に入れ、これにより、ドーパント、例えばＳｉ薄膜マスクの場合にはＳｉが、薄膜マスク４４６から半導体ウェハ４０２へと拡散する。図４Ｂに、１〜８時間の範囲での拡散時間に対する、半導体ウェハ４０２内の拡散プロファイル４４８を示す。

固体ソース拡散の別の態様は、例えばＧｅ−Ａｕもしくは類似のｎ接触金属からなる薄膜マスク４４６を有しており、この薄膜マスク上に、格子パターンがフォトレジストパターン（図示せず）から、標準的なリフトオフまたはウェットエッチング法もしくはドライエッチング法を利用して転写される。約４００〜４５０℃、約１０〜３００秒間、窒素もしくは他の不活性ガス雰囲気中でＧｅ−Ａｕのｎ接触金属の標準的なアニーリングを行うことによって、Ｇｅが半導体ウェハ４０２内に追いやられ、拡散プロファイル４４８を形成する。

蒸気拡散法も、本発明によるドーピング格子を形成するために使用することができ、通常、これは閉じられた石英管のアンプル内で行う。蒸気拡散を用いる場合、薄膜マスク４４６が通常、二酸化シリコンからなっていて、これは、ドーパントのソースではない。その場合、薄膜マスク４４６は、Ｚｎのような気相ドーパントが、例えば半導体ウェハ４０２内に拡散することを防ぐように働く。したがって、気相拡散によって、図４Ｂに示すものと逆のドーピングプロファイルが形成される。気相ドーパントは、薄膜マスク４４６の開口部へと拡散するが、薄膜マスク４４６によって、それ以外の場所に拡散することからブロックされる。

図５Ａ〜５Ｃに、本発明によるドーピング格子を規定するための、ドープされた領域の選択的な成長の使用を示す。図５Ａに、パターン化された層５１０、通常はＳｉＯ_２もしくはＳｉ_３Ｎ_ｘを示す。この層５１０は通常、パターン化されたフォトレジストから、ウェットエッチング法もしくはドライエッチング法によって転写される。高ドープされた層５１１を、パターン化された層５１０、典型的にはＳｉＯ_２もしくはＳｉ_３Ｎ_ｘ上に再成長させる場合、高ドープ層５１１は、半導体ウェハ５００の露出した部分５０９上にのみ成長し、パターン化された層５１０上では成長しないので、パターン化された高ドープ層５１１が得られる。次に、パターン化された層５１０、通常はＳｉＯ_２もしくはＳｉ_３Ｎ_ｘを、ウェットエッチング法もしくはドライエッチング法によって半導体ウェハ５００から除去し、半導体ウェハ５００を、低ドープ材料で再成長させることができ、これにより、図５Ｃに示すように、パターン化された高ドープ層５１１を、低ドープ埋込み層５１５内部に埋め込むことができる。これにより、埋め込まれたドーピング格子を形成することができる。

別の態様では、高ドープ層５１１を、半導体ウェハ５００上にまず成長させて、パターン化された層５１０、通常はＳｉＯ_２もしくはＳｉ_３Ｎ_ｘを、高ドープ層５１１上に堆積させる。次に、パターン化された層５１０によって保護されていない高ドープ層５１１の露出した部分を、ウェットエッチング法もしくはドライエッチング法によって除去することができる。続いて、パターン化された層５１０、通常はＳｉＯ_２もしくはＳｉ_３Ｎ_ｘを、ウェットエッチング法もしくはドライエッチング法によって除去して、半導体ウェハ５００を、低ドープの埋込み層５１５で再成長させることができる。これにより、埋込みドーピング格子を形成することができる。図５Ａ〜５Ｃに図示のステップを変化させて、導波コア５５０の成長前に再成長を行うことによっても、導波コア５５０の下に埋込みドーピング格子を形成することができることを留意されたい。

以上、具体的な実施態様に関連させて本発明を説明したが、上記の説明を踏まえて多くの代替、変更および変化が当業者により可能であることは明らかである。本発明は、本発明の思想の範囲および特許請求の範囲内の、そのような代替、変更および変化を全て包含することを意図している。

８μｍの波長でのＩｎＰにおいて、ドープ量に依存する実屈折率および損失を示す図である。 本発明による、ＤＢＲ反射率と、２０、４０、６０、８０および１００のミラー対に対するドーピングレベルとの関係を示す図である。 本発明による、ＤＢＲ反射率と、異なる半導体散乱時間に対するドーピングレベルを示す図である。 本発明によるＱＣＬ構造を示す図である。 ＤＢＲの断面とｘ軸方向での導波モード断面との重なりを示す図である。 本発明によるＱＣＬ構造を示す図である。 本発明によるＶＣＳＥＬ構造を示す図である。 本発明によるドーピング格子の形成方法を示す図である。 本発明によるドーピング格子の形成方法を示す図である。 本発明によるドーピング格子の形成方法の一過程を示す図である。 本発明によるドーピング格子の形成方法の一過程を示す図である。 本発明によるドーピング格子の形成方法の一過程を示す図である。

符号の説明

３５０、３５１ ＱＣＬ
３４４、３５４ ＤＢＲ
３４７、３４８；３５５、３５６ ＤＢＲエレメント
３５７、３５９ ミラー対
３６０ クラッド層
３６１ 導波コア
３００ ＶＣＳＥＬ
３１０、３１５ ミラー対
３３５ ＤＢＲ
３８０ 活性領域

Claims (22)

1. 端面発光半導体レーザ装置であって、
   クラッド層および導波コアを備えている導波層と、
   発光波長を制御するための、前記導波層内に配置されていてかつ複数のミラー対からなっている分布ブラッグ反射器とを備えているものであって、
   前記ミラー対の第１の要素が、ドーピングレベルがより高いことによって当該ミラー対の第２の要素と異なっており、これにより、屈折率の差が生成する、端面発光半導体レーザ。
2. 前記分布ブラッグ反射器が、前記導波層の前記クラッド層内に配置されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記分布ブラッグ反射器が、前記導波コア内に配置されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記端面発光レーザが量子カスケードレーザである、請求項１に記載の装置。
5. 前記発光波長が中赤外の範囲にある、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の要素のより高いドーピングレベルが約１×１０^１８／ｃｍ^３以上である、請求項１に記載の装置。
7. 前記発光波長における、前記第１の要素と第２の要素との前記屈折率の差が、約０．５である、請求項１に記載の装置。
8. 前記複数のミラー対の数が約２０〜約１００の範囲にある、請求項１に記載の装置。
9. 前記複数のミラー対がＩｎＰからなっている、請求項１に記載の装置。
10. 垂直型面発光レーザ装置であって、
    活性領域と、
    発光波長を制御するための、前記活性領域の一方の側に配置されていてかつ複数のミラー対を備えている分布ブラッグ反射器とを備えているものであって、
    前記ミラー対の第１の要素が、ドーピングレベルがより高いことによって当該ミラー対の第２の要素と異なっており、これにより、屈折率の差が生成する、レーザ。
11. 前記発光波長が中赤外の範囲にある、請求項１０に記載の装置。
12. 前記第１の要素のより高いドーピングレベルが約１×１０^１８／ｃｍ^３以上である、請求項１０に記載の装置。
13. 前記発光波長での、前記第１の要素と前記第２の要素との前記屈折率の差が、約０．５である、請求項１０に記載の装置。
14. 前記複数のミラー対の数が約２０である、請求項１０に記載の装置。
15. 前記複数のミラー対がＩｎＰからなっている、請求項１０に記載の装置。
16. 端面発光レーザを製造するための方法であって、
    導波層を設け、
    発光波長を制御するための、前記波動層内に配置されかつ複数のミラー対からなっている分布ブラッグ反射器を設け、
    前記ミラー対の第１の要素が、ドーピングレベルをより高くすることによって当該ミラー対の第２の要素と異なっており、これにより、屈折率の差が生成する、方法。
17. 前記端面発光レーザが、量子カスケードレーザである、請求項１６に記載の方法。
18. 前記発光波長が中赤外の範囲にある、請求項１６に記載の方法。
19. 前記複数のミラー対がＩｎＰからなっている、請求項１６に記載の方法。
20. 垂直型面発光レーザを製造するための方法であって、
    活性層を設け、
    発光波長の制御のための、前記活性領域の一方の側に配置されていてかつ複数のミラー対からなっている分布ブラッグ反射器を配置し、
    前記ミラー対の第１の要素が、ドーピングレベルがより高いことによって当該ミラー対の第２の要素と異なっており、これにより、屈折率の差を生成する、方法。
21. 前記複数のミラー対の数が約２０である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記複数のミラー対が、ＩｎＰからなっている、請求項２０に記載の方法。

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