JP2014509084A - ｐ型分離領域を有する多段量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

量子カスケードレーザ及びその作製方法が提供される。量子カスケードレーザは１つ以上のｐ型電気的分離領域（４０）及びレーザの導波路軸に沿って延びる複数の電気的に分離されたレーザ段（１０，１２，１６）を有する。活性導波路コア（２０）が上層ｎ型クラッド（２２，２６）と下層ｎ型クラッド（２４）の間に挟み込まれ、活性コア並びに上層ｎ型クラッド及び下層ｎ型クラッドは量子カスケードレーザの電気的に分離されたレーザ段を通って延びる。上層ｎ型クラッドの一部は、ｐ型になり、量子カスケードレーザの各段を隔てる射影線に沿って上層ｎ型クラッドの厚さの少なくとも一部にわたって延びる電気的分離領域になるに十分なｐ型ドーパントを含む。

Description

関連出願の説明
本出願は、２０１１年３月１７日に出願された米国特許出願第１３/０５００２６号の米国特許法第１２０条の下の優先権の恩典を主張し、２０１１年３月１７日に出願された、名称を「半導体レーザファセットに隣接するｐ型分離領域(P-Type Isolation Regions Adjacent to Semiconductor Laser Facets)」とする、米国特許出願第１３/０５００５８号に関連する。上記２つの特許出願の明細書の内容は本明細書に参照として含められる。
量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）は、電磁スペクトルの中赤外光及びテラヘルツ領域を含むがこれには限定されない、様々な波長にわたって発光するように容易に加工することができる単極性半導体デバイスである。デバイスの製作及びプロセスは確立された手法及び、ＩｎＰ及びＧａＡｓ及びその他のIII-Ｖ族半導体材料のような、広く入手できる材料に基づくことができる。本開示は量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）に関し、さらに詳しくは、ＱＣＬの作製方法及び対応するＱＣＬ構造に関する。
本発明の発明者等は、バンド間レーザ遷移を利用する半導体レーザにおいては、活性領域を構成する量子井戸及びバリア層が活性領域のそれぞれの側のｎ型層とｐ型層の間に挟み込まれることが多く、一般にｐ型層が活性層の上にあることを認識していた。これらのｐ型層は一般に導電度はそれほど高くはない。したがって、ｐドープ層上面の電気コンタクト層または金属の中絶は一般にレーザ構造の相異なる領域間の十分な電気絶縁を与える。対照的に、本発明の発明者等はＱＣＬが、活性コアの下側及び上側のいずれの層も同じ、一般にはｎ型の、導電型である単極性デバイスであり、ｎ型層は導電度が極めて高いことを認識していた。したがって、活性コアの上側の一つの領域から隣接領域への電子拡散は電気的に絶縁されるべきｎ型層のそれぞれの区画の間で電気コンタクト層または金属を単に中断するだけでは防ぐことができない。
本開示の方法は様々な半導体レーザ構成への適合性を有しているが、本発明の発明者等は、活性領域、波長選択領域及び、必要に応じて、位相領域を有する、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ＱＣＬに関しては、有効な絶縁の必要が特に深刻であることを認識した。
本開示の一実施形態にしたがえば、量子カスケードレーザ及びその作製方法が提供される。本量子カスケードレーザは、１つ以上のｐ型電気的分離領域及び、レーザの導波路軸に沿って延びる、複数の電気的に分離されたレーザ段を有する。活性導波路コアは上層ｎ型クラッドと下層ｎ型クラッドの間に挟み込まれる。活性コア及び下層ｎ型クラッドは、また上層ｎ型クラッドの少なくとも一部分も、量子カスケードレーザの電気的に分離されたレーザ段を通して延びる。上層ｎ型クラッドの１つまたは複数の領域は、量子カスケードレーザの各段を隔てている射影線に沿って上層ｎ型クラッドの厚さの一部にわたって延びるｐ型電気的分離領域を定めるに十分なｐ型ドーパントを含む。上層ｎ型クラッド及び下層ｎ型クラッドは、ＩｎＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓまたは他のいずれかの従来の材料、あるいはＱＣＬの作製に適するこれから開発されるであろうクラッド材料を含むことができる。限定としてではなく、例として、II-VI族半導体、Ｓｉ-ＧｅまたはＧａＮベース材料、等を含む。様々なクラッド材料がＱＣＬに適し得るであろうと考えられる。
本開示の他の実施形態にしたがえば、縦方向分離及び電流低減を与え、おこり得る有害なファセット加熱の最小化に役立たせるため、分離領域がレーザファセットの一方または両方だけに設けられるレーザ構造も考えられる。
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、以下の図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
図１は、活性利得段、波長選択段及び窓段を有する、ＤＢＲ量子カスケードレーザの略図である。 図２Ａはｐ型電気的分炉領域を有するＤＢＲ量子カスケードレーザの簡略な縦断面図である。 図２Ｂは図２Ａに示される窓構造の別形を示す。 図３はｐ型電気的分離領域を有するＤＢＲ量子カスケードレーザの簡略な横断面図である。 図４Ａは本開示の一実施形態にしたがうＤＢＲ量子カスケードレーザの簡略な縦断面図である。 図４Ｂは図４Ａに示される窓構造の別形を示す。 図５Ａは本開示の別の実施形態にしたがうＤＢＲ量子カスケードレーザの簡略な縦断面図である。 図５Ｂは図５Ａに示される窓構造の別形を示す。 図６は分離領域が半導体レーザのファセットに隣接して設けられているだけのレーザ構造の略図である。 図７は分離領域が半導体レーザのファセットに隣接して設けられているだけのレーザ構造の略図である。
本開示の概念はいかなるタイプの多段ＱＣＬにも適用可能であるが、本開示の特定の実施形態はＤＢＲ量子カスケードレーザを参照して本明細書に説明される。それにもかかわらず、本開示及び添付される特許請求の範囲は、そうではないことが明白に言明されない限り、ＤＢＲレーザに、または本説明に述べられる特定の材料に限定されるべきではない。限定ではなく、例として、図１は、活性利得段１０，ＤＢＲ段と普通称される波長選択段１２及び出力窓段１４を有する、ＤＢＲ量子カスケードレーザの略図である。ＤＢＲ量子カスケードレーザに詳しい当業者には当然であろうように、ＤＢＲ量子カスケードレーザの活性利得段１０はレーザの主光利得を与え、波長選択段１２は波長選択を与える。例えば、波長選択段１２は、ブラッググレーティングを用いても用いなくても差し支えない、多くの適する構成で設けられ得るが、多くの場合、波長選択段１２はレーザキャビティの活性利得段１０の外側に配置される一次または二次のブラッググレーティングを有する。このグレーティングは、その反射係数が波長に依存する、ミラーとしてはたらく。
図４Ａ，４Ｂ，５Ａ及び５Ｂは、ＤＢＲ量子カスケードレーザの波長選択段１２と活性利得段１０の間に位相段１６が設けられている、３段ＤＢＲレーザを示す。位相段１６は利得段１０と波長選択段１２の間に調節可能な位相シフトを発生させる。位相段１６は利得段１０と波長選択段１２の間の熱結合を減じて熱クロストークによるレーザ発振波長シフトを減じるためにも用いることができる。本開示の概念は、ＤＢＲ量子カスケードレーザが２段、３段または４段のＤＢＲレーザのいずれであるかに関わらず、全てのタイプのＤＢＲ量子カスケードレーザに適用することができる。
図１及び２Ａに示されるＤＢＲ量子カスケードレーザはそれぞれ上層ｎ型クラッド２２，２６と下層ｎ型クラッド２４の間に挟み込まれた活性導波路コア２０を有する。付加上層ｎ型クラッド２６は、比較的低濃度のｎ型ドープ層であるｎ型クラッド２２に比較して高濃度のｎ型ドープ層である。活性コア２０及び上層と下層のｎ型クラッドはＤＢＲ量子カスケードレーザの活性利得段１０を通り、波長選択段１２を通って延びる。量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）において、コア層２０は、同じエネルギーバンド内のエネルギー準位間のキャリア遷移中に発光される光を増幅するように構成された、交互する半導体層を有する。ＱＣＬは、単一キャリアタイプの量子井戸遷移を利用するため、単極性デバイスと称されることが多い。ほとんどのＱＣＬは電子遷移を用い、この場合コアの上下の層はいずれもｎ型クラッド層である。活性利得段１０及び波長選択段１２は、レーザの相異なる段１０，１２に専用のそれぞれの制御電極を有する、パターン形成された電気コンタクト層３０で覆われる。レーザ構造の個々の領域を電気的に分離するため、パターン形成された電気コンタクト層３０の適切な領域に絶縁誘電体材料３２が被着される。それにもかかわらず、本発明の発明者等は、ＤＢＲ量子カスケードレーザが非誘電体被覆領域から隣接する誘電体分離領域へのかなりの電子拡散を受けることを認識した。
図２Ａにおいて、１つ以上のｐ型電気的分離領域４０を定めるに十分なｐ型ドーパントが上層ｎ型クラッド２２，２６の各部分に与えられている。これらの電気的分離領域４０は、ＤＢＲ量子カスケードレーザの活性利得段１０，波長選択段１２，及び出力窓段１４を隔てているそれぞれの射影線に沿って上層ｎ型クラッド２２，２６の厚さの一部にわたって延びる。それぞれの電気的分離領域４０は、上層ｎ型クラッド２２，２６の厚さの一部に、さらに詳しくは、大半にわたって延びると考えられる。図２Ｂに示されているように、窓段１４は活性コア２０の上側の全ｐドープ領域とすることができると考えられる。さらに、対応する窓段をレーザ構造の入力ファセットに設けることができると考えられる。さらに、レーザ構造に窓段を設ける必要は全く無いとも考えられる。
ｐ型分離領域を実現する様々な方法がある。そのような方法の中には、選択成長、イオン注入及びｐ型ドーパントの拡散がある。ｐ型ドーパント拡散が選ばれる場合、上層及び下層のｎ型クラッド２２，２４，２６及び活性導波路コア２０はドーパント拡散によるｐ型電気的分離領域４０の形成を容易にするように選ぶことができる。さらに詳しくは、上層及び下層のｎ型クラッド２２，２４，２６はＩｎＰを含むことができ、ｐ型ドーパントはＩｎＰ上層ｎ型クラッド内の最高安定濃度がほぼｎ×１０１８ｃｍ−３より低くなるように選ぶことができる。ここでｎは３より小さい。
限定ではなく、例として、上層及び下層のｎ型クラッド２２，２４，２６は、代わりにＧａＡｓベースクラッド層とすることができると考えられる。クラッド層のいくつかは、単なるＧａＡｓまたはＩｎＰとする代わりに、ＡｌＧａＡｓまたは(Ａｌ)ＧａＩｎＰとすることができる。ＧａＡｓベースクラッド層に対して、コアは、ＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ，(Ａｌ)ＧａＩｎＰ/(Ａｌ)ＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓ/(Ａｌ)ＧａＡｓとすることができる。構造の残りの層に対しては同様の組成の別の層が考えられ、それらの層はＧａＩｎＡｓとＧａＡｓ基板の間の格子不整合を補償するように選ばれるべきである。限定ではなく、例として、他の考え得る層には、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＡｓＰ及びＧａＩｎＡｓＰがある。ＧａＡｓベースクラッド層に対して半絶縁性(Ａｌ)ＧａＡｓを作製するために用いるに適するドーパントにはＣｒ及びＯがあるが、これらには限定されない。非常に低い温度での成長においては、ドーパントを全く用いずに半絶縁性(Ａｌ)ＧａＡｓを得ることができる。
いくつかの実施形態において、活性導波路領域２０の交互する半導体層は、コア内のドーパントの最高安定濃度が上層ｎ型クラッド内のｐ型ドーパントの最高安定濃度より少なくとも１０倍は高い、交互するIII-Ｖ族材料を含む。いくつかの場合、実質的に異なる最高安定ドーパント濃度を定めるコア及びクラッド層を有する、得られるデバイスが、本開示のｐ型電気的分離領域４０の形成に、ドーパントをコアの中に入れないことが望ましい場合には特に、良く適し得る。コア２０へのドーパント拡散を可能にすることが好ましい場合もあり得る。
ｐ型電気的分離領域４０はイオン注入によって形成することもでき、この場合は、ｐ型ドーパントが上層クラッドのｎドーピング濃度より高いｐドープ濃度を定めることを保証することだけが必要であろう。
さらに詳しくは、図２Ａに示されるＱＣＬはＩｎＰ基板５０上に成長され、コア２０はＩｎＰクラッド層２２，２４，２６によって囲まれる。Ｚｎ，Ｃｄ，Ｂｅ，Ｍｇ及びＭｎのようなｐ型ドーパントのＩｎＰ内の最高安定濃度は比較的低い。ｐ型ドーパントはその最高安定濃度より高い濃度では比較的急速に拡散し、その拡散係数はその濃度にともなって超線形態様で大きくなる。例えば、ＩｎＰ内のＺｎの最高安定濃度はほぼ１×１０１８ｃｍ−３とほぼ２×１０１８ｃｍ−３の間である。したがって、Ｚｎの拡散が本開示のｐ型電気的分離領域４０の形成に用いられる場合、拡散によってｐ型に転換される領域のＺｎドーパント濃度はほぼ２×１０１８ｃｍ−３をこえないであろう。本発明の発明者等は、光損失はキャリア濃度にともなって大きくなり、したがって損失を低く抑えるためには高濃度のｐ型ドーパントを導入してはならないから、低ドーパントレベルが有利であることを認識していた。さらに、この濃度レベルにおいて、ある程度は、拡散しているＺｎの濃度がコア２０内のドーパントの最高安定濃度より１/１０は低いことから、例えば，ＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓからなることができるＱＣＬコア２０をＺｎが拡散することはほとんどない。限定ではなく、例として、ＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓからなるコア内の一般的なドーパントの最高安定濃度はほぼ１×１０１９ｃｍ−３とほぼ６×１０１９ｃｍ−３の間である。したがって、Ｚｎがコア２０まで拡散していけば、Ｚｎはコア２０の上層内部で極めて迅速に停められるであろう。一般にｐ型電気的分離領域４０はコアの上面からコア層２０内部のほぼ１.５μｍまで延びる。
本開示にしたがうＱＣＬは様々な材料及び層構成を用いて作製することができるが、それを通ってＺｎが拡散することになるクラッド層２２の領域は０.５μｍと３μｍの間であり、元のｎ型ドーピング濃度は０.５×１０１８ｃｍ−３未満であると考えられる。同様に、コア２０は交互するIII-Ｖ族井戸層とIII-Ｖ族バリア層から、さらに詳しくは、交互するＧａＩｎＡｓ井戸層とＡｌＩｎＡｓバリア層またはＳｂ含有材料層からなることができる。コア領域は一般に、特定の所望のレーザ発振波長周りを中心とする波長範囲におけるレーザ発振のために選ばれた複数の（例えば１０以上、ただし一般に２０より多い）基本的に同等の多層半導体反復ユニットを含む。
図４Ａ及び５Ａを参照すれば、本開示にしたがうｐ型電気的分離領域４０は，ＤＢＲ量子カスケードレーザの活性利得段１０，波長選択段１２，出力窓段１４及び位相段１６を隔てる射影線に沿って、上層ｎ型クラッド２２にわたって延び得ることに注意されたい。ＱＣＬの波長選択段、位相段及び窓段は、電気コンタクト層３０の専用パターン部とともに図４Ａ及び５Ａに示されるが、これらの段は能動または受動とすることができると考えられる。図４Ｂに示されるように、窓段１４は活性コア２０の上側全てをｐ型にすることができる。図５Ｂは図５Ａに示される窓構成への別形を示し、図５Ａのトレンチが用いられておらず、窓段１４が活性コア２０の上側で部分的にｐドープされ、より良いヒートシンクのため、部分的にドープされた領域の上部を覆って電気コンタクトが配置される。
多くの実施形態において、本明細書に説明される窓段１４には、レーザの窓段に縦方向分離を与えることが望まれない場合には特に、ｐ型電気的分離領域は設けられないであろうと考えられる。逆に、半導体レーザの一方または両方の窓段に縦方向分離を与えるためだけに分離領域が設けられるレーザ構造も考えられる。さらに詳しくは、図６及び７を参照すれば、本開示の概念を実施する当業者には当然であろうように、半導体レーザは、レーザの共振キャビティを形成するに適する反射特性をもつように構成され対向するファセット１３，１４を有するであろう。ここではファセット１３がレーザの出力窓を形成している。本発明の発明者等は半導体レーザ、特に深刻なファセット加熱及び、レーザ出力窓の近傍において、レーザの活性領域へのかなりの電流注入を受ける半導体レーザに強固なレーザファセットを与えるための継続的課題を認識した。これらの問題は比較的高い出力パワーを特徴とするレーザに関して特に深刻であり、本開示は、ＤＢＲ型または非ＤＢＲ型の量子カスケードレーザ、ファブリ−ペロレーザあるいは上述した劣化が問題になる入力／出力ファセットを有するいずれの半導体レーザも含むが、これらには限定されない、様々な半導体レーザに強固なファセットを作製するための継続的課題に対処する。
この目的のため、対向するファセット１３，１４の少なくとも一方にまたはいずれにも隣接するｐ型分離領域４０を定めるに十分なｐ型ドーパントを上層ｎ型クラッドに与えることができると考えられる。この分離領域４０は、レーザ出力窓を定めるファセット１３に、レーザ入力窓を定めることができる。対向するファセット１４に、またはファセット１３，１４のいずれにも、隣接する上層ｎ型クラッド２２の厚さの一部に、さらに詳しくは大半に、わたって延びることができる。レーザは、ＤＢＲ型または非ＤＢＲ型の量子カスケードレーザ、ファブリ−ペロレーザあるいは入力／出力ファセットを有するいずれかの半導体レーザとすることができる。この態様で構成すれば、ｐ型分離領域４０は、活性導波路コア２０の構造を損なうことなく、レーザのファセット１３，１４に隣接する領域への電流を低減し、おこり得る有害なファセット加熱を最小限に抑えるに役立つであろうと考えられる。さらに、活性導波路コア２０への電流注入を開始するように構成されたパターン形成された電気コンタクト層３０をレーザが有する場合に、ｐ型分離領域４０は、ファセット誘電体３２の補助の有無にかかわらず、活性導波路コア２０のファセット領域への電流注入を抑制するであろうと考えられる。
無反射コーティング、高反射コーティングまたはこれらの組合せを対向するファセットに設けることができるとも考えられる。
本開示の図面には、パターン形成された電気コンタクト層３０と上層ｎ型クラッド２２の間に挟み込まれた付加ｎ型ＩｎＰクラッド層２６も示される。付加ｎ型ＩｎＰクラッド層２６は上層ｎ型クラッド２２よりも高濃度に、例えば約１×１０１９ｃｍ−３まで、ドープされる。比較的高濃度にドープされたｎ型ＩｎＰクラッド層２６は注目する動作波長において比較的低い屈折率を有し、これはモードのさらなる広がり及びレーザ構造のコンタクト層及び金属による吸収を防止する。レーザの構成及び動作に詳しい当業者には当然であろうように、電気コンタクト金属は電流のレーザ流過を容易にするために用いられる。図２Ａ及び４Ａにおいて、ｐ型電気的分離領域４０は上層ｎ型クラッド２２及び付加ｎ型ＩｎＰクラッド層２６にわたって延びる。
図５Ａに示されるように、付加ｎ型ＩｎＰクラッド層２６の少なくとも一部または全体を通してトレンチ３６をエッチングすることができる。トレンチ３６は、ｐ型電気的分離領域４０が層２２及び２６へのｐ型ドーパントの拡散によって形成されている場合に、特に有益である。付加層２６を通してトレンチをエッチングすることにより、上層ｎ型クラッド層２２に到達して上層ｎ型クラッド層２２内に拡散するためにドーパントが付加ｎ型クラッド層２６全体を拡散する必要はないから、ｐ型絶縁領域４０が、Ｚｎのような、ｐ型ドーパントを用いて一層迅速に拡散形成される。付加誘電体分離層３４が、必要に応じて、付加ｎ型ＩｎＰクラッド層２６に形成されたトレンチ３６の壁上に設けられる。この構成により、ｐ型電気的分離領域４０が付加ｎ型ＩｎＰクラッド層２６のかなりの部分にわたって広がることがない。分離領域４０を短絡し得るであろう金属またはその他の導電材料がトレンチ３６内に存在すべきではない。あるいは、ｐ型絶縁領域は、付加ｎ型クラッド層２６の形成に先立ち、注入または拡散によって上層ｎ型クラッド２２に形成することができる。次いでｐ型絶縁領域４０の上部を、注入または拡散によって付加ｎ型クラッド層２６に形成することができる。あるいは、上層ｎ型クラッド２２に形成されたｐ型分離領域４０の上にの付加ｎ型クラッド層２６にドーピングによって領域を形成するのではなく、本明細書で先に説明したように、上層ｎ型クラッド２２内のｐ型分離領域４０の上の付加ｎ型クラッド層２６内の領域をエッチング除去してトレンチ３６を形成することができる。
図示される構成のそれぞれにおいて、ＤＢＲ量子カスケードレーザは基板５０上に付加電気コンタクト層３５を有する。基板５０はｎドープＩｎＰまたはＤＢＲ量子カスケードレーザに適する様々なIII-Ｖ族材料のいずれかとすることができると考えられる。下層ｎ型クラッド２４は中程度にｎ型ドープされたＩｎＰとすることができる。さらに、ＤＢＲ量子カスケードレーザは活性導波路コア２０と上層及び下層のｎ型ドープクラッド２２，２４の間に配置された１つ以上の付加介在層を有することができる。例えば、ＤＢＲ量子カスケードレーザはＩｎＰに格子整合されるＧａＩｎＡｓの層を有することができ、このＧａＩｎＡｓ層にグレーティングを定めることができる。コアの上側だけまたは下側だけに、あるいは上側及び下側のいずれにも、配置されるＧａＩｎＡｓ層または別の組成の層は導波路層としてはたらくこともできる。別の例として、ＤＢＲ量子カスケードレーザは下層ｎ型クラッド２４とＩｎＰ基板５０の間に配されたバッファ層を有することができる。バッファ層は一般に、当業者には当然であろうように、半導体材料のエピタキシャル成長において高品質デバイス構造の成長のための平滑で清浄な表面を形成するために用いられる。バッファ層は、ＩｎＰ，インジウム−ガリウム−ヒ素−リン（ＩｎＧａＡｓＰ）、インジウム−アルミニウム−ヒ素−リン（ＩｎＡｌＡｓＰ）、インジウム−アルミニウム−ガリウム−リン（ＩｎＡｌＧａＡｓ）またはその他のIII-Ｖ族材料で構成することができ、あるいは、別の実施形態において、バッファ層は全く存在する必要はない。バッファ層がＩｎＰの場合、バッファ層は層２４の一部である。ＱＣＬが分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）によって成長される場合、ＭＢＥは一般にＩｎＰを成長させることができないから、下層及び上層のクラッドはヒ素系材料（ＧａＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ）とすることができ、この場合、クラッド層２２，２４またはクラッド層２２と２４の間の層はヒ素系材料であろう。
図３を参照すれば、上層及び下層のｎ型ＩｎＰクラッド２２，２４及び活性導波路コア２０は半絶縁性ＩｎＰ領域２８で境界が定められたリッジ導波路として構成することができる。半絶縁性ＩｎＰは一般にＦｅドーピングによって成長させることができる。しかし、本発明の発明者等は、上層クラッドにおけるＦｅとｐ型ドーパントの著しい相互拡散がリッジ導波路構造の境界を定める半絶縁性領域の信頼できるは絶縁特性を達成する上で問題になり得ることを認識した。したがって、本開示では、Ｆｅをそれほど拡散しない深いトラップと置き換えるかまたは、例えば遷移金属のＲｈまたはＲｕまたはＴｉを含む、別の深トラップ元素をＦｅに添加することによる、一層安定な半絶縁性ＩｎＰ領域の形成が考えられる。
コア及び、それを通してｐ型領域が延びることになる厚さの、上層クラッド２２の成長後、例えばＳｉＯ２のような、マスクでウエハの一部をマスクし、ウエハ全体をＺｎ拡散にかけることによって、領域選択性Ｚｎ拡散を実施することができる。Ｚｎは露出半導体層内だけに入り込み、したがって、ＳｉＯ２で保護されていない領域だけに拡散する。ｐ型ドーパント拡散のための可能な手法の１つは、ウエハの表面にｐ型ドーパントを含有するゲルを被着した後にウエハを加熱することである。Ｚｎ拡散は、例えばＺｎｘＡｓｙまたはＺｎｘＰｙのような、材料が入っている密封アンプル内で実施することもできる。
一例において、Ｚｎ拡散は有機金属蒸気相エピタキシー（ＭＯＣＶＥ）反応装置内で実施され、マスクは二酸化シリコンである。本例の方法にしたがえば、以下の作製手順が考えられる：
１．ＩｎＰ下層クラッド及び、ＧａＩｎＡｓウエル及びＡｌＩｎＡｓバリアを有する、コアが成長される。続いて、選ばれた厚さのｎ型ＩｎＰが成長され、ｎ型ＩｎＰ層の厚さ及びドーピング密度はそれぞれ、ほぼ０.５μｍとほぼ１.５μｍの間及びほぼ２〜１０×１０１６ｃｍ−３に選ばれる；
２．比較的薄い、ＳｉＯ２のような、マスク材料の層が被着され、Ｚｎ拡散が所望されない領域を保護するようにパターニングされる。パターニングはフォトレジストマスクのフォトリソグラフィ、続いて、フォトレジストで保護されていないＳｉＯ２層のウエットエッチングまたはドライエッチングによって実現される；
３．ウエハがＭＯＣＶＥ反応装置内に戻されて置かれ、マスクされていない領域にＺｎの拡散がなされる。発明者等の好みの手法は最上層の重ＺｎドープＧａＩｎＡｓ層からのＩｎＰへのＺｎの拡散である。ＧａＩｎＡｓ内のＺｎ濃度は、ｎ型ＩｎＰ層へのＺｎ拡散を可能にするため、最高安定濃度より高い。高ＺｎドープＧａＩｎＡｓ層とＩｎＰ層の間の界面においてＺｎ濃度はＩｎＰ内の最高安定濃度より高く、拡散を促進するであろう；
４．ＺｎドープＧａＩｎＡｓ表面層及びＳｉＯ２マスクのいずれも、ＳｉＯ２を溶解するために希ＨＦを用い、（１０Ｈ２Ｏ：１Ｈ２ＳＯ４：１Ｈ２Ｏ２）またはＧａＩｎＡｓに適するその他いずれかのエッチング剤を用いて、エッチング除去することができる；
５．埋込リッジＱＣＬは、例えば２つの選択肢、
ｉ−ウエハ全体を覆う上部ｎ−/ｎ＋層を成長させ、次いでストライプを定め、下方にコアを通してリッジをエッチングで形成し、リッジ側の上に半絶縁性層を再成長させるかまたは単にリッジ側面を絶縁性材料で被覆する（それぞれ、いわゆる埋込リッジレーザまたはリッジレーザ）、
ii−上部ｎ−/ｎ＋層の一部だけを成長させ、ストライプを定めてリッジを形成し、リッジ側の上に半絶縁性ＩｎＰを被着し、リッジ上からＳｉＯ２を除去してウエハ全体に最上ｎ−/ｎ＋層を成長させる（いわゆるプレーナ型埋込ヘテロ構造レーザ、発明者等が採用した構造）、
の内の１つを含む、従来のまたはこれから開発されるであろういずれかの成長方法を用いて実現され得る；
６．２つの電極間の横方向電気的分離のため、誘電体膜の被着の前に、短い分離領域におけるｐドープ層の上側のｎドープ層がエッチング除去されることが好ましい。
本明細書における「すくなくとも１つ」のコンポーネント、素子、等の叙述は、別途の冠詞‘ａ’または‘ａｎ’の使用が単一のコンポーネント、素子等に限定されるべきであるという結論を生じさせるために用いられるべきではないことに注意されたい。
特定の仕方で、あるいは特定の特性を具現化するためまたは特定の態様で機能するように、「構成」されている本開示のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述に対するものとしての、構造叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成」される態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を意味し、したがって、コンポーネントの構造特性の限定的叙述としてとられるべきである。
本発明を説明し、定める目的のため、用語「実質的に」及び「ほぼ」は、いずれの定量的な比較、値、測定またはその他の表現にも帰因させ得る本質的な不確定性の度合いを表すために本明細書に用いられることに注意されたい。
「好ましい（好ましくは）」、「普通に」及び「一般に」のような用語は、本明細書に用いられる場合、特許請求される発明の範囲を限定するため、あるいは、ある特徴が特許請求される発明の構造または機能に、絶対に必要であるか、肝要であるか、または重要であることも、意味するために用いられてはいないことに注意されたい。むしろ、これらの用語は、本開示の実施形態の特定の態様の識別または、本開示の特定の実施形態に利用されてもされなくても差し支えない、別のまたはさらなる特徴の強調が目的とされているに過ぎない。
本開示の主題を詳細にまたその特定の実施形態を参照することで説明したが、本明細書に開示される様々な詳細が、本明細書に添付される図面のそれぞれに特定の要素が示される場合であってさえ、本明細書に説明される様々な実施形態の肝要コンポーネントである要素にそれらの詳細が関連しているととられるべきではないことに注意されたい。むしろ、本明細書に添付される特許請求の範囲は本開示の範囲の単なる代表及び本明細書に説明される様々な発明の対応する範囲ととられるべきである。さらに、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本開示のいくつかの態様が好ましいかまたは特に有利であると本明細書で識別されているが、本開示はかならずしもそれらの態様に限定されない。例えば、本開示の図面は、波長制御のために電流がＤＢＲの波長選択段及び位相段に注入されるレーザダイオードを示す。レーザダイオードの構成及び動作に詳しい当業者には当然であろうように、レーザダイオードのそれらの段を制御するためにヒータまたは加熱素子を用いることもでき、この場合は、レーザダイオードの波長選択段及び位相段の上面の金属加熱素子の下に誘電体膜が配置されるであろう。
添付される特許請求項の１つ以上において「〜を特徴とする(wherein)」が転換句として用いられていることに注意されたい。本発明を定める目的のため、この用語は構造の一連の特徴の叙述を導入するために用いられる制約の無い転換句として特許請求項に導入されており、より普通に用いられる制約の無い前置句「含む」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
１０ 活性利得段
１２ 波長選択段
１３ レーザ入力窓（ファセット）
１４ 出力窓段（ファセット）
１６ 位相段
２０ 活性導波路コア
２２，２６ 上層ｎ型クラッド
２４ 下層ｎ型クラッド
２８ 半絶縁性ＩｎＰ領域
３０ 電気コンタクト層
３２ 絶縁誘電体材料
３４ 誘電体絶縁層
３５ 基板電気コンタクト層
３６ トレンチ
４０ ｐ型電気的分離領域
５０ 基板

Claims (12)

  1. １つ以上のｐ型電気的分離領域及びレーザの導波路軸に沿って延びる複数の電気的に分離されたレーザ段を有する量子カスケードレーザにおいて、
    前記量子カスケードレーザが上層ｎ型クラッドと下層ｎ型クラッドの間に挟み込まれた活性導波路コアを有し、
    前記活性コア領域並びに前記上層ｎ型クラッド及び前記下層ｎ型クラッドが前記量子カスケードレーザの前記電気的に分離されたレーザ段を通って延び、
    前記上層ｎ型クラッドの一部分が、前記量子カスケードレーザの前記電気的に分離されたレーザ段を隔てる射影線に沿って前記上層ｎ型クラッドの厚さの少なくとも一部にわたって延びる、ｐ型電気的分離領域を定めるに十分なｐ型ドーパントを含み、
    前記活性導波路コアの各段への電流注入を個々に開始するように構成されたパターンが形成された電気コンタクト層を有し、
    前記コア層が、同じエネルギーバンド内のエネルギー準位間のキャリア遷移により発光される光を増幅するように構成された、交互する半導体層を有する、
    ことを特徴とする量子カスケードレーザ。
  2. 請求項１に記載の量子カスケードレーザにおいて、さらに、
    （ａ）前記上層ｎ型クラッド層及び前記下層ｎ型クラッド層がＩｎＰを含み、前記ｐ型ドーパントが、前記上層ｎ型クラッド内の前記ｐ型ドーパントの最高安定濃度が、ｎを３未満の数として、ほぼｎ×１０１８ｃｍ−３より低くなるように、選ばれる、
    （ｂ）前記ｐ型電気的分離領域が前記コア層からほぼ１.５μｍ以内まで延びる、
    （ｃ）前記上層ｎ型クラッド内の前記ｐ型ドーパントの濃度がほぼ２×１０１８ｃｍ−３をこえない。
    （ｄ）前記ｐ型電気的分離領域が前記上層ｎ型クラッドの厚さの大半にわたって延びる、または
    （ｅ）前記ｐ型ドーパントが前記分離領域内の、前記上層ｎ型クラッド内のｎドーピング濃度より高い、ｐドーピング濃度を定める、
    の内の少なくとも１つを特徴とする量子カスケードレーザ。
  3. 前記ｐ型電気的分離領域が前記上層ｎ型クラッドの前記部分内への前記上層ｎ型クラッドの前記部分を通るドーパント拡散によって形成され、前記ドーパントがそれを通して拡散される前記上層ｎ型クラッドの前記部分が、
    （ａ）ほぼ０.５μｍとほぼ２.５μｍの間の層厚、
    （ｂ）ほぼ５×１０１７ｃｍ−３までのｎ型ドーピング密度、または
    （ｃ）ほぼ２×１０１８ｃｍ−３をこえない前記上層ｎ型クラッド内の前記ｐ型ドーパントの最高安定濃度、
    の内の少なくとも１つを定めることを特徴とする請求項１または２に記載の量子カスケードレーザ。
  4. （ａ）前記交互する半導体層が、前記コア内の前記ドーパントの最高安定濃度が前記上層ｎ型クラッド内の前記ｐ型ドーパントの最高安定濃度より少なくとも１０倍は大きくなるように選ばれた、交互するIII-Ｖ族材料を含む、
    （ｂ）前記コアが交互するIII-Ｖ族井戸層とIII-Ｖ族バリア層を有する、または
    （ｃ）前記コアが交互するＧａＩｎＡｓ井戸層とＡｌＩｎＡｓバリア層を有する、
    の内の少なくとも１つを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
  5. 前記量子カスケードレーザがＤＢＲレーザを含み、前記量子カスケードレーザの前記複数の電気的に分離されたレーザ段が活性利得段及び波長選択段を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
  6. 前記ＤＢＲ量子カスケードレーザが位相段をさらに有し、
    前記活性コア及び前記下層ｎ型クラッド並びに前記上層ｎ型クラッドのほとんどが前記ＤＢＲ量子カスケードレーザの前記活性利得段、前記位相段及び前記波長選択段を通って延びる、
    前記ｐ型電気的分離領域が、前記ＤＢＲ量子カスケードレーザの前記位相段及び前記波長選択段から前記活性利得段を隔てる射影線に沿って、前記上層ｎ型クラッドの厚さの少なくとも一部にわたって延びる、及び
    前記上層ｎ型クラッドの付加部分が、前記ＤＢＲ量子カスケードレーザの前記位相段及び前記波長選択段を隔てる射影線に沿って、前記上層ｎ型クラッドの厚さの少なくとも一部にわたって延びる付加ｐ型電気的分離領域を定めるに十分なｐ型ドーパントを含む、
    ことを特徴とする請求項５に記載のＤＢＲ量子カスケードレーザ。
  7. 前記量子カスケードレーザが出力窓段をさらに有する、
    前記活性コア並びに前記上層ｎ型クラッド及び前記下層ｎ型クラッドが前記量子カスケードレーザの前記活性利得段、前記出力窓段及び前記波長選択段を通って延びる、及び
    前記上層ｎ型クラッドの付加部分が、前記量子カスケードレーザの前記利得段及び前記出力窓段を隔てる射影線に沿って、前記上層ｎ型クラッドの厚さの少なくとも一部にわたって延びる付加ｐ型電気的分離領域を定めるに十分なｐ型ドーパントを含む、
    ことを特徴とする請求項５に記載のＤＢＲ量子カスケードレーザ。
  8. 前記量子カスケードレーザが、パターン形成された電気コンタクト層を有する、
    前記パターン形成された電気コンタクト層が前記波長選択段及び前記利得段のそれぞれに専用のそれぞれの制御電極を含む、及び
    前記ｐ型電気的分離領域が前記量子カスケードレーザの前記活性利得段及び前記波長選択段を隔てる射影線に沿って延びる、
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
  9. 前記上層ｎ型クラッド及び前記下層ｎ型クラッド並びに前記活性導波路コアがリッジ導波路として構成され、前記量子カスケードレーザ内の横方向閉込めが***リッジまたは前記リッジ導波路の境界を定める半絶縁性領域によって与えられることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
  10. 量子カスケードレーザに１つ以上のｐ型電気的分離領域を作製する方法において、
    複数の電気的に分離されたレーザ段及び上層ｎ型クラッドと下層ｎ型クラッドの間に挟み込まれた活性導波路コアを有し、前記活性コア並びに前記上層ｎ型クラッド及び前記下層ｎ型クラッドが前記量子カスケードレーザの前記電気的に分離されたレーザ段を通して延び、前記コア層が同じエネルギーバンド内のエネルギー準位間のキャリア遷移によって発光される光を増幅するように構成された交互する半導体層を有する、量子カスケードレーザを提供する工程、及び
    ＤＢＲ量子カスケードレーザの各レーザ段を隔てる射影線に沿って前記上層ｎ型層の厚さの少なくとも一部にわたって延びるｐ型電気的分離領域を定めるに十分なｐ型ドーパントを添加することにより、前記上層ｎ型クラッドの一部分に１つ以上のｐ型電気的分離領域を形成する工程、
    を特徴とする方法。
  11. 前記上層ｎ型クラッド及び前記下層ｎ型クラッドがＩｎＰを含み、前記ｐ型ドーパントが、前記上層ｎ型ＩｎＰクラッド内の前記ｐ型ドーパントの最高安定濃度が、ｎを３未満の数として、ほぼｎ×１０１８ｃｍ−３より低くなるように、選ばれることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. （ａ）前記ｐ型電気的分離領域がイオン注入によって形成される、または
    （ｂ）前記ｐ型電気的分離領域が拡散によって形成される、
    のうちの１つであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
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