JP2003224330A - 半導体光学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

半導体光学デバイスおよびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 この開示はアルミニウムベアリングIII−Ｖ
族半導体材料およびこの半導体材料内に形成されたアル
ミニウムの原産酸化物を使用した技術の改善に関する。 【解決手段】 この開示のある形態の中で、アルミニウ
ムベアリングIII−Ｖ族半導体材料の原産酸化物により
定められる端結合ミニキャビティの２つの線形配列は二
次元配列を得るため線形配列の間の横結合により横に配
置されている。この二次元配列は電流が増加する光パワ
ー（Ｌ）対電流（Ｉ）特性におけるモード切り替えとマ
ルチ切り替えを示している。この開示の他の形態の中
で、ストライプレーザ(1210)は端結合のミニキャビティ
(1221−1275)の線形配列と横断的に（すなわち横）結合
している。双安定およびスイッチングは原産酸化物で定
められるこのタイプの構造の光対電流(L-I)特性の中で
示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は半導体デバイス、
特にIII−Ｖ族半導体レーザおよび導波路に改善を行な
うためアルミニウムの成長原産酸化物を使用した技術に
関し、更に改良単一モード動作、光学スイッチングおよ
び双安定性を含む改良特性を示す半導体レーザにも関し
ている。
【０００２】この発明は部分的には米国政府の支援を得
ており、米国政府はこの発明に一定の権利を有してい
る。
【０００３】
【従来の技術】リング状または部分的にリング状の半導
体レーザが最近知られている。例えば参照文献にはJ.Ca
rran他、IEEE J.Quantum Electron QE-6367（1970）;
A.S.H Liao他Appl.Phys.Lett.36801（1980）; およびP.
Sansonetti他、Electron Lett.23485（1988）がある。
これらのタイプのデバイスには種々の応用と申請があ
る。例えば、光が右回りと左回りの両方向に回る半導体
リングレーザは非常に小さく低廉なジャイロスコープと
して使用できることが提案されている。簡単には、ジャ
イロスコープのある動きは右回りと左回りの光の成分に
異なる影響を与えており、更にこの影響は測定されデバ
イスの動きと方向を決定することができる。リングレー
ザ、すなわち“円形共振器”はいわゆるオプトエレクト
ロニクスまたは集積型光回路のフィルタリングまたはマ
ルチプレキシングのような応用分野に使用が提案されて
いる。溝のある面を有したハーフリングまたはクオータ
リングのようなリングの一部は光通信の種々の応用分野
に使用されている。
【０００４】リングレーザでは曲がった光路により光の
閉じ込めがより難しくなる。より大きな入射角により、
光は閉じ込め壁に対しており（特に小さな曲率半径に対
して）、屈折率の違いはかなり大きくリングレーザの
“導波路”内で十分な光が内側に反射する。リング状の
レーザを製造し、例えばリングまたは非円形の一部の曲
がった光路を有する従来の技術の困難な点を解決するこ
とがこの発明の目的である。
【０００５】屈折率を制御することが重要である他の応
用例は結合ストライプレーザダイオード配列の場合であ
る。これらの配列により減少したビームの発散と単一縦
モード動作を有した高出力を得る可能性が得られる。ゲ
インガイド配列に比較してインデックスガイド配列はモ
ード安定性とコヒーレントが増大しビーム非点収差が減
少する利点がある。幾つかの方法では次のものを含むイ
ンデックスガイド配列を製造することを使用している；
チャネルエッチング、エピタキシャル再成長または過成
長、および不純物誘導層混乱（impurity induced layer
disordering）（“IILD”）［例えばD.Geppe 他Appl.P
hys.Lett.50632（1987）; L.J.Guido,Appl.Phys.Lett.5
0757（1987）；J.S. Major,Jr.他Appl.Phys.Lett.55271
（1989）を参照］。これらの技術の多くには比較的複雑
な処理が必要であり、および／またはエミッタ間にイン
デックスステップの制御が制限される。インデックスス
テップのより詳細な調整によりエッミタ間の光学フィー
ルドの制御が行なわれ、更にストライプ間の結合が制御
される。この結合は配列が変化するスーパーモード
（ｓ）を決める遠フィールド放射パターンに非常に影響
を与える。
【０００６】オプトエレクトロニクス回路（半導体チッ
プのデバイスは相互作用を与える光学および電子エレメ
ントを有している）はファイバー光通信システムとの関
連において利用されており、他のシステムに幅広く応用
されると期待されている。この種の回路において、円形
または他の曲がった光信号通路は特に比較的複雑な回路
の設計および製造に必要である。オプトエレクトロニク
ス半導体回路に使用するため半導体光導波路を効率的に
することはこの発明の他の目的である。
【０００７】半導体レーザの発振に必要な高利得により
レーザの動作が可能な光学帯域幅が大きくなる。この大
きな帯域幅により一般的にマルチプル縦方向モード動作
となる。多くの応用分野には単一の縦方向モードの動作
が必要である。従って、分散フィードバック（DFB）レ
ーザ［D.R.Scifres、R.D.Burnham、W.Streifer,Appl.Ph
ys.Lett.25203（1974）を参照］および溝結合キャビテ
ィ（Ｃ３）レーザ［W.T.Tsang,Lightwave Communicatio
n Technology，Part B，Semiconductor Injection Lase
r,I,edited by W.T.Tsang,in Semiconductors and Semi
metals,Vol.22,edited by R.K.Willardson and A.C.Bee
r（Academic,Orlando,1985）, Chap.5,pp.257-373を参
照］は単一モード動作を行なうように開発されている。
DFB レーザには電磁波と相互作用を行なう精密なスケー
ルの周期波型の比較的小さなインデックスステップが使
用されている。Ｃ３レーザではフィードバックおよびモ
ード選択に幾つかのスケールの大きい非周期モノリシッ
クキャビティが使用されている。
【０００８】光スイッチングおよび双安定は光メモリ、
光信号処理、および光論理エレメントのような応用分野
に重要である。種々の半導体レーザ装置は次のレーザが
有したスイッチングおよび双安定を示している：飽和ア
ブソーバを有したレーザ［M.I.Nathan，J,C.Marinace,
R.F.Rutz，A.E.Michel，G.J.Lasher，J.Appl.Phys.3647
3（1965）;C.Harder,K.Y.Lau,and A.Yariv,IEEE J.Quan
tum Electron.QE-18,1351 （1982）;N.Yamada and J.S.
Harris,Jr., Appl.Phys.lett.60,2463（1992）参照］、
オーデナリタンデム結合キャビティレーザ［N.K.Dutta,
G.P.Agrawal,anｄ Ｍ．Ｗ．Ｆｏｃｈｔ，Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４４，３０（1984）を参照］、およ
び垂直キャビティ表面エミッテングレーザ［D.G.Dppe,
C.Lei,T.J.Rogers,and B.G.Streetmann, Appl.Phys.let
t.58,2616（1991）を参照］。光対電流特性に比較的大
きな振幅スイッチングおよび双安定を示す半導体レーザ
を与えることもこの発明の目的の範囲である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的はアル
ミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料、および半導
体材料内に形成されるアルミニウムの原産酸化物を使用
した技術を改善することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】アルミニウムベアリング
グループIII−Ｖ族の半導体材料から高品質、安定性、
およびコンパクトな原産酸化物層を形成する技術が既に
開示されている。［Dallesasee他、Appl. Phys.Lett.57
（26）,2844-6,1990年12月24日；Dallesasee他、Appl.P
hys.Lett.58（4）,394-396,1991年１月28日；Dallesass
e他、Appl.Phys.Lett.58（8）,834-836,1991年２月25
日；Sugg他、Appl.Phys.Lett.58（11）,1199-1201、1991
年３月18日］。この技術にはアルミニウムベアリンググ
ループIII−Ｖ族半導体材料の少なくとも一部を原産酸
化物に変えるため、アルミニウムベアリンググループII
I−Ｖ族半導体材料を水を含んだ環境と、少なくとも約3
75℃の温度にさらすことから成る。形成された前記原産
酸化物の厚さはほぼ原産酸化物に変えた前記アルミニウ
ムベアリングIII−Ｖ族半導体材料の当該部分の厚さ以
下である。このように成長した原産酸化物は通常の使用
の状態および大気にさらした状態で変化しない前述の方
法により形成された酸化層より高密度で安定している。
更に、原産酸化物は例えばメタリゼーション密着および
誘電体性に関する動作特性の改善を示すことが証明され
ている。原産酸化物はレーザ、トランジスタ、コンデン
サ、導波路、および他の電気的更にオプトエレクトロデ
バイスに使用されていることが記載されている。アルミ
ニウムの無水酸化物は比較的低い屈折率（2.0未満）を
示すことが記載されており、この屈折率は膨張および不
安定性のような特性により一般に半導体の応用に適しな
い高率含水酸化物の形から無水酸化物の形を分離するの
に使用できる。
【００１１】この発明の形態は少なくとも部分的に曲が
った光路を有する半導体レーザを製造する方法を示すこ
とであり、次の各ステップから成る：一番目と二番目の
半導体閉じ込め層の間に活性領域から成る積層された半
導体構造を形成することで、一番目と二番目の半導体閉
じ込め層は反対の導電タイプであり、更に前記一番目の
半導体閉じ込め層はアルミニウムベアリングIII−Ｖ族
半導体材料である；前記一番目の半導体閉じ込め層の上
にマスクパターンを加えることで、このパターンには少
なくとも部分的に曲がったストライプが含まれている；
前記一番目の半導体閉じ込め層の中にアルミニウムの厚
い原産酸化物を形成するため十分な時間の間一番目の半
導体閉じ込め層のマスクされていない部分を水を含んだ
環境と少なくとも375℃の温度の中にさらすこと。一般
に活性領域には少なくとも導波路層と量子井戸層とを含
み、更にそれぞれの電極はそれぞれの半導体層を通して
半導体閉じ込め層に接続されている。アルミニウムベア
リング材料は例えばｘが少なくとも0.3の時AlxGa1−xAs
から構成できる。一般に、ｘ＝0.7以上のより高いアル
ミニウム当該部は温度に左右される厚い酸化成長率を形
成するため使用される。少なくとも約450℃の温度が一
般に好ましい。リングレーザに対しては、さらす時間は
前記一番目の閉じ込め層の厚さの少なくとも殆どを通
し、更に可能ならば一番目の閉じ込め層の全ての厚さを
通し、前記原産酸化物を広げるように選択される。この
発明の他の形は少なくとも部分的に曲がった光路を有す
る半導体パッセブ光導波路から成り、これによりアルミ
ニウムの厚い原産酸化物を使用できる。
【００１２】この発明の更に他の形において、QWH半導
体レーザの２つの線形配列の端結合キャビティ（ミニキ
ャビティと呼ばれている）はアルミニウムベアリングII
I−Ｖ族半導体材料の原産酸化物により定められ、更に
線形配列の間の合成の側面の結合により二次元配列を得
るため横に配置されている。二次元配列は電流が増加す
る光パワー（Ｌ）対電流（Ｉ）特性（L-I）においてモ
ードスイッチングとマルチプルスイッチングを示してい
る。
【００１３】この発明の他の形において、ストライプレ
ーザは線形配列の端結合ミニキャビティと横断的に結合
（すなわち横結合）されている。双安定性およびスイッ
チングは原産酸化物構造の光対電流（L-I）特性で表さ
れている。内部で結合されたエレメントとそのエレメン
トで仕切られた電流を有するデバイスは活性部からパワ
ー（光）と電流の範囲にわたり生ずる自然レジメまでス
イッチングするL-I曲線内で大きなヒステリシスを示し
ている。“ミニレーザ”とその共振器の線形配列は変調
されストライプレーザ動作を切り替える。
【００１４】この発明の更に他の定義によれば、同じ半
導体基板の上に形成された一番目と二番目の隣接レーザ
ユニットがあり、各ユニットにはレーザキャビティがあ
る。一番目のユニットのレーザキャビティには前記二番
目のユニットのレーザキャビティ以上の異なる縦方向モ
ード選択特性がある［ここで使用したように、異なる縦
方向モード選択特性は一番目のユニットが二番目のユニ
ットのキャビティモードスペーシングより少なくとも10
％大きいキャビティモードスペーシングと、および／ま
たは二番目のユニットの一次放射波長より少なくとも50
Å大きい一次放射波長を有していることを示してい
る］。ユニットとこのユニットのキャビティの間の横結
合からレーザ放射を得るためエネルギー信号を一番目と
二番目のユニットに加える手段が与えられている。
【００１５】この発明の実施態様では、一番目と二番目
の半導体閉じ込め層の間に挟まれた半導体活性領域を有
する半導体レーザデバイスが開示されている。電極の配
列には一番目の閉じ込め層と結合した電極エレメントが
ある［ここで使用したように、用語“電極エレメント”
は下にある半導体構造に接触する電気的接触領域（例え
ばドーピングが高い半導体領域）を含むものとする。少
なくとも１つの向かい合った電極は二番目の閉じ込め層
に結合している。配列の電極エレメントは離れており、
二次元配列を形成しているが、この配列にはラインに沿
った多数の電極エレメントと前記ラインの電極エレメン
トから横に離れた少なくとも１つの電極エレメントとが
ある。多数の電極エレメントの下にある活性領域に光放
射を行なうためと、放射の横結合を行なうために、電極
エレメントと少なくとも１つの追加電極エレメントと更
に向かい合った電極の間に電気信号を与える手段があ
る。
【００１６】この発明の他の特徴と利点は添付の図面に
関して行なった以下の詳細な記載により容易に明らかに
なるであろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】ある例では、量子井戸ヘテロ構造
はｎタイプのGaAs基板の上でメタル有機化学気相成長
［“MOCVD”−例えば、R.D.Dupuis他、proceeding of T
he International Symposium on GaAs Related Compoun
ds,pp.1-9,Institute of Physics,London,1979,and M.
J.Ludowise,J.Appl.Phys.,58,R31,1985を参照］により
成長する。GaAsのバッファ層の後に、Al0.8Ga0.2Asの低
閉じ込め層は約１μｍの厚さまで成長する。［閉じ込め
層もクラッド層としばしば呼ばれる］。量子井戸ヘテロ
構造の活性領域は次に成長し、約100Åの厚さのGaAs量
子井戸の両側に厚さが約750Åのドーピングしていない
対称なAl0.25Ga0.75As導波路層を含んでいる。Ｐタイプ
のAl0.8Ga0.2Asの上側閉じ込め（またはクラッド）層は
約0.6μｍの厚さまで成長し、十分ドーピングされたＰ
タイプのGaAsの接触層がその上に成長するが、この接触
層の厚さは約800Åである。この例では、レーザの製造
はリング内に約1000ÅのSi3N4をパターン化することに
より始まる［幅が25μｍの環、内径（2D）が250μｍ、
外形（OD）が300μｍ］。Si3N4のリングは接触層の化学
エッチングに対するマスクの役目をし（H2SO4:H2O2:H
2O,1:8:80）、マスクされたリングの内外でさらされたA
lxGa1−xAsの上側閉じ込め層を残している。このサンプ
ルはオープン管炉の中におかれ、約35分450℃でH20蒸気
とN2が加えられる。この方法は上側の閉じ込め層（さら
された）を屈折率が約1.6の原産酸化物に変換すること
になる。この場合リングの端で酸化物は焼き付けされた
断面の走査電子マイクロスコープ（SEM）により図１に
示すように全ての上側の閉じ込め層を通し下側に広がっ
ている。酸化物は向こう側（図１の右側）よりリングの
端で厚い。これが生ずるのはH20吸着、O/H拡散、または
マスキングストライプがあることにより誘導されるスト
レスが変化することによる。酸化物の輪郭はかなり等方
性であるが、深さと同じ範囲まで横に広がっている。同
様な酸化結晶のトランスミッション電子マイクロスコー
プ（TEM）イメージは下にあるAl0.23Ga0.77As導波路領
域に同じ酸化（約200Å）が生ずることを示している。
このように、インデックスの低い原産酸化物は導波路の
中に広がり、側面の光学閉じ込めと導波性に対し大きな
横インデックスのステップを生ずる。この深い酸化物の
端に対する４層スラブ導波路内での伝播に対する計算に
より0.05を越える横インデックスのステップが示されて
いる。この例では、導波路から垂直に約1000Å離れて位
置している原産酸化物を有した構造によりリング共振に
対しインデックスのステップは不十分である。しかし、
以下に述べるように、実行レーザは閉じ込め層を通して
部分的にのみ広がる横原産酸化物により形成することが
できる。
【００１８】前述の酸化の後に、Si3N4マスキングリン
グはCF4プラズマ内で選択的に除去される。このサンプ
ルは接触を改善するためZn拡散され（540℃、20分）、
更にＰタイプ接触に対するTi−Auとｎタイプ接触に対す
るGe-Ni-Auでメタリゼーションされる。この例ではリン
グは半分にクリーブがあり（または環を通して弦の上
に）、更に結晶の残りの面は端を通し共振を防ぐためソ
ーカット（saw cut）（SC）されている。メタリゼーシ
ョン、溝およびのこぎり波形の形成の後に典型的なハー
フリングレーザの表面は図２の中の図に示してある。
【００１９】典型的なハーフリングダイオードの300Ｋc
w光対電流（L-I）は図２に示してある。スレショルド電
流は〜105mA（890Ａ／cm2）である。この曲線はスレシ
ョルドを越えると直線であり、外部の全ての差分量子効
率（45％のη）と40mWを越える全出力パワー（ハーフリ
ングの両端で）とを有している。このダイオードのパル
ススレショルド（パルス幅が２μｓ、デューティサイク
ルが0.5％）は78mAである。
【００２０】前述のように製造した中質ハーフリングレ
ーザダイオードのパルス特性（２μs，デューティサイ
クルが0.5％）L-I性を図３に示す。ダイオードのスレシ
ョルド電流は103mAである。縦モードスペクトラムは定
義されたモードを良く示しており、単一モード動作が15
0mAで生じている（図３の中の図）。モードスペーシン
グ（Δλ）は〜1.7Åで、キャビテイの長さ〜560μｍに
対応している。これは半周（〜470μｍ）より長く、
（より長いキャビティを生じた）クリーブが幾らか整列
していないことまたは曲がった共振器により生ずる実効
通路長がより長いことによる。
【００２１】曲がった共振器の回りで動作はモノクロメ
ータの中で離れてハーフリングレーザの各端での出力を
イメージすることにより確かめられる。縦モードスペク
トラムは各端で同一であることが判り、レーザ放射が円
形キャビティから実際に生ずることを示している（デー
タは示していない）。更に円形キャビティの回りでの発
振の兆候はハーフリングデバイスを切断することにより
現われており、これは図２の中の図の垂直矢印“SC”と
“25μｍ”の２つに沿って観測されている。これは共振
器およびレーザの動作を壊すことになる。デバイスが前
方のクリーブ（cleave）から向かい合ったソーカット
（SC）まで直線的にレーザを出しておれば、このデバイ
スはレーザ動作を示し続けるが、そうしたことに該当し
ない。このように、レーザ動作がリングの回りに生ずる
ことが確信される。しかし、クオータリングダイオード
を形成するため、２つのクリーブがある（ソーカットで
ない）ハーフリングダイオードがレーザを出力し続け、
活性化放射が両方の直角な面から観測される。
【００２２】この例のレーザダイオードの近フィールド
（NF）の強度はｆ／0.95 25mmの焦点距離レンズにより
収集される。130mA（パルス）で動作するダイオードを
有した低倍率ビュー（Si MOSカメラ）によりハーフリン
グレーザの２つの端から異なった放射が示されている
（図４（ａ））。267μｍだけセンター対センターが離
れていることはデバイスに良く適合する当該強度の様子
（CCD配列イメージ）を図４（ｂ）に示してある。いず
れのピークも対称性を示しており、強度は環の外形（O
D）に向かって減少している。この対称性は右側の端の
高倍率ビュー内では明らかである。このような対称的な
強度のプロフィールは円形導波環について計算したもの
と良く一致している（E.Marcatilli,Bell Syst.Tech.J.
48,2103,1969を参照）。偏光−分析L-I特性はハーフリ
ングダイオードがTMモード内でレーザを出すことを示し
ている。この様子はTEモードでレーザを出す従来のGaAs
QWHレーザダイオードおよび原産酸化物リニア共振器QW
Hレーザダイオードで観測されるものと異なっている。T
Eモードに対する原産酸化物円形共振器内の放射損失は
モードフィルタリングに対する応用例に示すようにTMモ
ードの場合より大きい。
【００２３】図５は低（垂直）閉じ込めAlxGa1−xAs−G
aAs QWHレーザ結晶（ｘは0.6の閉じ込め層）の上の同様
な方法で製造した原産酸化物リングレーザダイオードの
L-I特性を示している。リングの環を通るクリーブによ
りレーザ光はピークアウトとなるが（図５の中の図）、
共振はリングの回りに接続している。
【００２４】図６は前述の技術を用いて形成したレーザ
デバイス600の簡略化した図である。GaAs基板およびバ
ッファ層610と615の上のデバイスには導電タイプが反対
のAl xGa1−xAs閉じ込め層640と650の間に活性領域630が
ある。活性領域にはドーピングされていないAlxGa1−xA
s導波路層635と637の間に量子井戸633がある。この図は
更に曲がったトップ接触ストライプ660、下側のGaAsキャ
ップ層670、および底辺の電極605を示している。前述の
記載に示すように、この例の原産酸化物680は完全な上
側閉じ込め層650を通り上側の導波路637の中に若干広が
っている。
【００２５】図１から図６に関連した記載において、ア
ルミニウムの原産酸化物はレーザダイオードの完全な上
側閉じ込め層を通り、導波路領域の中に少しの範囲まで
広がっている。所要の動作条件を得るため形成された実
効光閉じ込めは全ての閉じ込め層を通っては必ずしも広
がらない厚い（一般に約3000Å以上）原産酸化物により
行なわれる。一般に、閉じ込め層の少なくとも３分の１
を通り広がる原産酸化物が好ましい。図７は線形ストラ
イプ760を有するこの発明の実施態様を示しており、厚
い酸化物780は上側の閉じ込め層を通し約半分広がるよ
うに制御されている（例えば、原産酸化物を製造する場
合さらす時間および／または温度を制御することによ
り）。この例ではAlxGa1−xAs閉じ込め層740および750
のアルミニウムの部分（ｘ）はかなり小さく、例えば約
0.4であり、これによりレーザビームの閉じ込めは低く
直角（すなわち、層を横切る方向）となる。［図６と同
じ参照番号を有する層は同じ構造を有している］。以下
に記載するように、垂直の閉じ込めが少なければ、閉じ
込め層へのビームの広がりが大きくなり、従って閉じ込
め層内の原産酸化物があることによりビームにより生ず
る実効横屈折インデックスステップが大きくなる。
【００２６】活性ストライプの外にある原産酸化物の厚
さを調整することにより光学フィールドと利得を制御す
ること、および光閉じ込めの度合いを決めるため酸化物
の厚さを制御することに関する以下の記載について次の
参考文献がある： F.A.Kish,S.J.Caracci,N.Holonyak,Jr.,J.M.Dallesass
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a1-z)0.5P Visible-SpectrumLaser Diodes",J.Appl.Phy
s.71,2521,March 15,1992. 図８はこの発明の一形態によるパッセブな曲がった導波
路を示している。安定光源（図示してない）に（直接
的、またはエヴァネスセントリに）接続される導波路
は、例えば、GaAs基板およびバッファ層810と815、AlxG
a1−xAs（例えばｘ＝0.8）導波路層820を含んでいる。G
aAsキャップ層870、原産酸化物閉じ込め領域880（この場
合アルミニウムベアリング材料を通して約半分広がって
いる）、および接触ストライプ860は前述の記載の技術
を用いて形成されている。
【００２７】図９から図18まではこの発明の原理を利用
して好都合に実現できるレーザまたは導波路の波型部
（例えば図６、７および／または８に示すタイプの断
面）を図示している。これらの図において、白い領域は
この発明による屈折閉じ込めのインデックスを有した導
波路領域と、導波路の場合、この発明の原理に基づくイ
ンデックス閉じ込め導波路領域を示している。図９は光
エネルギーが両方向に伝わるリング波型部を示してい
る。図10は光エネルギーは両方向に伝わるクオータリン
グを示している。アクティブまたはパッセブデバイスに
おけるこの波型部は光路の方向を90度変化させるように
利用できる。図11と図12はタンジェントに結合したブラ
ンチを有するリングレーザまたは導波路波型部を図示し
ている。図13と図14では、マルチストライプレーザを位
相をロックするようにリングレーザにより結合されてい
ることを示している。ストライプのスペーシングは十分
ある。図16は同様の配置であるが、ハーフリングレーザ
を有しており、図15は一連の結合ハーフリングを示して
いる。これらの波型部により与えられるロッキングまた
はターニングは強化縦および／または横モード動作の中
で得られる。図17は光ビーム路にアクティブまたはパッ
セブ横オフセットを与えるための“Ｓ字”配置の曲線部
分を示している。図18は１つのブランチが４つの曲がっ
たブランチを有して光を結合するレーザまたは導波路の
表面の輪郭を図示している。
【００２８】この発明の更に他の形態では、量子井戸ヘ
テロ構造がｎタイプGaAs基板の上で金属−有機化学気相
成長［“MOCVD”］により成長する。GaAs（〜0.5μｍ）
のｎタイプバッファ層およびAl0.23Ga0.77As（〜1μ
ｍ）層の後、Al0.5Ga0.5Asの低い閉じ込め層は厚さが〜
1.5μｍまで成長する。次に量子井戸ヘテロ構造のアク
ティブ領域が成長し、更にドーピングされないAl0.23Ga
0.77の〜2100Å導波路領域があるが、これには低い閉じ
込め層から導波路領域の〜700Åの内まで成長する〜100
ÅアンドーピングGaAs量子井戸（QW）がある。ｐタイプ
の上側閉じ込め層Al0.8Ga0.2Asは約3500Åの厚さまで成
長し、かなりドーピングされたｐタイプのGaAs接触層は
その上に成長するが、この接触層の厚さは約800Åであ
る。
【００２９】QWの位置は光モードを有したハイゲイン領
域がより有効にオーバーラップするため導波路のセンタ
ーから移されているが、これは非対称な閉じ込め層によ
り基板の方向に移されている。この非対称性は基板に向
かい光フィールドをシフトすることによりレーザ結晶
（導波路から〜3500Åに位置）の表面効果を最小にする
ためわざと入れられている。浅い上側の閉じ込め層は電
流の広がりを最小にし、パターンの輪郭をはっきりさせ
るために好ましく、更に結晶マウントｐサイド“ダウ
ン”とヒートシンクにより近いアクティブ領域で熱放散
が改善される。ｐタイプメタリゼーションで結合された
薄い上側閉じ込め層はデバイスの特性を改善するため後
の表面から結晶内に放出される光を反射する役目をして
いる。［QWヘテロ構造の記載のタイプを使用して製造さ
れ、ハイギャップAlxGa1−xAs上側閉じ込め層により輪
郭が定められた線形配列の小さな長方形のインターナル
結合キャビティから構成されるレーザダイオードは、N.
El-Zein,F.A.Kish,N.Holonyak,Jr.,A.R.Sugg,M.J.Ries,
S.C.Smith,J.M.Dallesasse,and,R.D.Burnham,"Native-O
xide Coupled-Cavity AlxGa1−xAs−GaAs Quantum Well
Heterostructure LaserDiodes",Appl.Phys.Lett.59,28
38,November 25,1991に記載されている］。
【００３０】この実施態様によるレーザダイオードの配
列はリピーテド（マスクド）長方形キャビティ（長さが
〜19μｍ、幅が〜４μｍ，端対端のスペーシングが〜３
μｍ）内に〜1000ÅのSi3N4をパターン化することによ
り製造され、これらのキャビティは〜１μｍ離れた２つ
の平行ストライプに縦にアレンジされている。さらされ
たGaAsは次に化学的エッチング（H2SO4:H2O2:H2O,1:8:8
0）により取り除かれ、結晶は20分間425℃でオープン管
型炉内に置かれている（〜95℃でH2Oを通し泡状のN2キ
ャリアガスが加えられている）。前述のように、この方
法により〜1300ÅのAl0.8Ga0.2As上側閉じ込め層を反復
（リピーテド）キャビティの外側にある原産酸化物に変
換される。Si3N4は次にCF4プラズマ内で除去される。図
19の中の図はこれらの処理のステップの後の結晶の表面
の顕微鏡写真を示している。長方形のGaAsの接触領域の
ドーピングを増加させるため、結晶は空の石英のアンプ
ルの中に入れられ更に浅く亜鉛拡散される（ソースはZn
As２,540℃20分）。結晶は次にラップされ更に〜100μ
ｍの厚さまで研がれ（基板の面）、酸化物およびｐタイ
プGaAs“接触”を横切るTi-Auと、ｎタイプ基板側のGe-
Ni-Auとによりメタリゼーションが行なわれる。サンプ
ルは次に250-500μｍワイドファブリ−ペロ共振器内で
切り裂かれ市松模様にされ、更にこの個々の市松模様は
連続的な動作（cw）をするためIn−コーティングCuヒー
トシンクの上にｐサイドが取り付けられる。
【００３１】2-Dストライプレーザの通常行なわれない
スイッチング動作は図19に示すL-I特性から明らかであ
るが、これは（ａ）115mAで〜12.5mWのピークパワーに
到達した後、（ａ）115mAから（ｂ）150mAのパワーに50
％を越える減少があり、更に同時に単一モード動作（図
20）をより長い波長にシフトされる。（ｃ）164mA（図2
0）で、（ａ）と（ｂ）の単一モードは動作が停止し、
（ｃ）164mAの広いスペクトラムでは19μｍの長いミニ
キャビティの共振器が明らかに製造でき矢印で示してあ
る。活性化の弱い放射の広いスペクトル領域内で、ミニ
キャビティはモード増幅（矢印で明示）が小さくなりな
がら（図20のｃ）光子を含む傾向を示す。（ｃ）のスペ
クトラムのピークの近くのモード構造はかなり複雑であ
り、（ｂ）150mAにおける単一モードのレーザ動作は
（ａ）115mAからミニキャビティ共振にシフトすること
が明らかでないことに注意する必要がある（例えば、Δ
hω〜６meＶ対ΔE〜９meＶ）。図19と図20の（ａ）と
（ｂ）と（ｃ）からシングルモード動作はオフでマルチ
動作モードとなり、更により弱い活性化放出が電流が増
加するにつれオンになることが明らかである。
【００３２】2-D配列QWHストライプレーザダイオードの
スイッチング動作は図21ではより明らかである。L-I特
性は電流が増加するに従いレーザが二度オンオフするこ
とを示している。L-I特性のピークに対応した（＞12m
W，415mA,マーキングされた点）図の中の図に示すよう
に、単一モード動作はまだ発生している。220mA と300m
Aの間の谷の領域では、図20（ｃ）と同様な広いマルチ
モード動作が発生している（データは図示していな
い）。図21のダッシュラインに示すように、この領域の
放射強度は自然放射か若干それより大きい。試験した2-
D配列レーザの殆どは図21に示すように動作する。
【００３３】図22のデータはL-I特性について〜70mAに
置かれたダイアモンド形の点の近くで図21のダイオード
の様子を少し詳細に示している。比較すると、自然レジ
メ内の（ａ）40mAで、近フィールド（NF）は組になった
線形配列にある２つの強度のピークを示しており、9.2
μｍの間隔は図19の内部の図に示す2-D配列の幅に一致
している。（ｂ）71mAでは、近フィールドがまだ組にな
った強度ピークを示しており、単一メインモードは左の
NFピークに対応しており、更にサテライト縦モードは右
のNFピークに対応している。１mA（71→72mA）の小電流
変化の急激なスイッチングが生ずる：サテライト縦モー
ド（図22ｃ）は急激になくなり、右のNF放射ピークも同
様である。ダイオードの一方に側面の強い結合はダイオ
ードの他の側面と建設的にまたは破壊的に干渉してい
る。更に電流が多くの同一の結合された長方形のミニキ
ャビティの間で分割していることによりキャビティ間の
共振動作が促進されることは明らかである。
【００３４】図19から図22までのデータはハイギャップ
AlxGa1−xAs−GaAs QWHが酸化することにより輪郭が定
められる結合の小さな長方形のキャビティの２つの並列
な線形配列有したレーザダイオードを示している。２次
元レーザ配列はモードの切り替えおよび電流の増加した
L-I特性でのスイッチングを示している。L-I曲線上での
バイアス位置（電流）により、このレーザは単一縦モー
ドでまたは自然レジメに近く動作する。例えば、ミニキ
ャビティの共振は誘電特性内のヒート効果およびキャリ
ア誘導変化が小さいにも拘らず自然スぺクトラム内では
明らかに生じている。前述のように、概形、大きさ、ミ
ニキャビティの数、および結合の最適化はこれらのデバ
イスを改良することにより可能である。
【００３５】この発明の他の形態で、図23に記載するよ
うにQWヘテロ構造結晶は前述のデバイスに関連して記載
したものとほぼ同じである。この実施態様では、レーザ
ダイオード配列は最初結晶表面の上に〜1000ÅのSi3N4
を堆積させることにより製造されるが、この堆積は縦方
向にアレンジされた端対端の反復（マスクされた）長方
形のキャビティ（ミニキャビティで幅が6μｍで長さが2
2μｍでセンターが22μｍ）内にパターン化されてい
る。次に、6μｍのホトレジスト（PR）ストライプはミ
ニキャビティの線形配列から〜5μｍ離れてパターン化
されている。このパターン化されたPRおよびSi3N4はGaA
sキャップ層の化学エッチング（H2SO4:H2O 2:H2O,1:8:8
0）に対するマスクの役目をし、パターン領域の外側で
さらされたハイギャップAlxGa1−xAsを残している。次
にPRは除去されこのサンプルは20分間N 2キャリアガス内
でH２O蒸気が加えられたオープン管形炉（425℃）の中
に直接置かれる。更に、この方法によりさらされたハイ
ギャップAlxGa1−xAs QWH導波路領域に上で〜1000Åに
置かれたインデックスの低い（ｎ〜1.6）絶縁原産酸化
物に変換される。このパターン化されたSi3N4およびエ
ッチングされないGaAs領域はこの処理により影響されな
い。パターン化されたSi3N4はCF4プラズマ内で除去され
る。図23の中の図はこれらの処理ステップの後のデバイ
スの表面を示している。次にこのサンプルは接触領域
（図23で“GaAs”で表示）内でドーピングを増やすため
亜鉛拡散（540℃,20分）される。結晶は次に125μｍの
厚さまでラップされ研がれ、再び全ての上面の表面はｐ
タイプの接触に対してはTi−Auで、ｎタイプの接触に対
してはGe-Ni-Auでメタリゼーションが行なわれる。最後
に、この結晶はクリーブが作られ、市松模様にされ、個
々の市松模様は連続（cw）動作のためINコーティング銅
ヒートシンクの上に取り付けられる。
【００３６】アクティブ線形配列に結合された単一スト
ライプレーザの振幅の大きなスイッチング特性は図23の
300Ｋ連続（cw）L-I曲線に示してある。このレーザのス
レショルド電流は32mAで、レーザ動作は〜168mAまで持
続する。この点で、ダイオードは活性化放射から急激に
切り変わり、ON（19.6mW/面、コーティングなし）とな
り、自然レジメに対してはOFF（0.4mW／面，コーティン
グなし）となる。この様子はON:OFFパワー比が49に対応
している。これらは固有的に非線形なデバイスで、大き
なヒステリシスを有した双安定動作を示す。電流が123m
Aまで減少（リターン）することにより、ダイオードは
自然レジメから戻り切り変わりOFFとなり、活性化レジ
メに対してはONとなる。電流が168mAを越えて増加する
場合、デバイスが電流の増加とともにスイッチオフと成
った後、出力内で若干増加することが187mAで無くなる
まで観測される。ヒステリシスはL-I特性内に生ずるが
このデバイスの電流対電圧（I−V）特性にはヒステリシ
スが観測されない。
【００３７】同様なスイッチング動作を示す他のダイオ
ードのL-I特性（cw 300Ｋ）を図24に示す。レーザスレ
ショルド電流は27mAであり、このデバイスは幅が〜5.5
μｍの単一ガウス近フィールドパターンを示している
（データは図示していない）。この強度のパターンは幅
が〜６μｍの一様なストライプ（図23の中の図）のレー
ザ動作に対応しており、これは線形配列が分割される前
にスレショルドに達すると考えられる。ゲイン損失を考
慮すると、反復アンポンプ吸収部分を有する線形配列は
レーザスレショルドが高い。
【００３８】全ての動作範囲を通し、単一ストライプ近
フィールドパターンは持続する、すなわち非常に弱い出
力のみデバイスの線形配列部分から観測される。オンか
らオフへの切り替えの前、すなわち単一モード活性化放
射から自然放射への切り替えの直前に、（ａ）99mAにお
ける近フィールドパターン（300Ｋ,cw動作）は図24の中
の図に示されている。スレショルドを越える動作と同様
に、〜5.5μｍガウス近フィールドは大きな振幅で観測
される。ダイオードが（ｂ）100mAでスイッチオフにな
った後、CCD検出器の同じ感度スケール上にはパターン
は観測されない。しかし、感度が高くなれば（11.3x）
同じアパーチャ（〜5.7μｍ）からの放射が観測される
（ｂ’）。この近フィールドパターンもレーザがOFFか
らONに切り変わる時観測される。これらのデータは均一
なレーザストライプがシステムの光学出力から与えられ
ることを明らかに示している。サイド結合線形配列は主
に干渉およびON-OFFスイッチングに影響を与え、更に光
学出力には本来寄与しない。
【００３９】これらのダイオードの動作についてこれ以
上の理解は出力スペクトラムを調べることにより得られ
る。30mAのスレショルドより若干上であれば、図24のダ
イオードは単一縦モードで動作する（λ〜8353Å、デー
タは図示していない）。この様子は図24のL-I曲線のピ
ークまで続き（63mA）、単一モード動作はより長い波長
まで（λ〜8367Å、データは図示していない）“ホッ
プ”する。全ての活性化放射動作レジメを通し（30→99
mA）、出力は単一縦モードで発生する。例えば、63mA
で、レーザは29dBのサイドモード抑圧を示す。モードホ
ッピング、およびL-I曲線での当該構造は（図24）サイ
ド結合アクティブ線形配列および共振およびストップバ
ンドを有した単一レーザストライプの相互作用（干渉）
となる。
【００４０】図24のデバイスの高い電流スイッチング内
の縦モードスペクトラムは図25に示されている。ON（活
性化放射）からOFF（自然レジメ）への切り替え直前
に、図24の（ａ）では、レーザは図25に示すようにλ〜
8415Åの単一縦モードで動作する。ダイオードが自然レ
ジメにスイッチオフする時、図24の（ｂ）のように、縦
モードスペクトラムは図25の（ｂ）に示すように現われ
る。この点で、出力は単一ストライプレーザ（低いエネ
ルギーモードのグループ）と線形配列（高いエネルギー
モードのグループ）の自然放射から成る。ストライプレ
ーザに対する線形配列の結合により干渉が生ずる。線形
配列のミニキャビティの共振は図25（ｂ）のスペクトラ
ム内で高いエネルギーを示し、矢印でマークされてい
る。これらの共振（Δλ〜50Å）の間隔は図23の中の図
に示す19μｍミニキャビティ長に対応している。OFF自
然レジメ（図25（ｂ））内の出力はレーザのスレショル
ド未満（≦27mA）の自然レジメ内で観測されるものとか
なり異なっており、単一レーザストライプの縦モード出
力（低いエネルギーモードのグループ）が観測される
（データは図示していない）。
【００４１】記載のスイッチングおよびストレージは以
前報告されたスイッチングレーザデバイスと基本的に異
なっている。ON-OFFスイッチングの様子はこの実施態様
では単一完全または非インターラプトのレーザストライ
プ内に生ずる。スイッチングの様子にはアクティブ線形
配列が影響している（横方向結合を通して）。スイッチ
ングおよび双安定は線形配列の周期構造（H.G.Winful,
J.H.Marburger, and E.Garmire, Appl.Phys.Lett.3537
9,（1979）；J.He and M.Cada, IEEE J.QuantumElectro
n.QE-27,1182（1991）を参照）と、明白な不均質キャリ
ア分布、および配列の原産酸化パターンから生ずる不均
質動作により生ずる。
【００４２】このように、この実施態様は従来の単一ス
トライプレーザが結合ミニレーザの線形配列にサイド結
合されている光学スイッチングエレメントの新しい形態
を示している。この結果生ずる多エレメントツインスト
ライプレーザは原産酸化物デバイス処理により容易に実
現される。プレーナデバイスはL-I曲線内に大きなヒス
テリシスを示しており、活性化放射レジメ（ON）のピー
クから自然レジメ（OFF）に切り変わる大きな振幅を有
している。結合すなわちレーザストライプと線形配列の
間および配列エレメントの間の間隔、および構造の概形
の変化によりレーザのスイッチングの様子が改善され
る。例えば三番目のターミナル電極を経由して線形配列
内の単一レーザストライプの電流（キャリア数）の独立
制御によりスイッチングの様子が制御され、更に他の変
化が可能となる。
【００４３】図26は図23から図25に関連して記載したデ
バイスの表面の一部を示しており、参考として図27から
図29の図に使用した断面を示すのに使われている。図26
において、ストライプは1210で示しており、ミニキャビ
ティまたはその一部には1221から1225を付けている。断
面13−13はストライプ1210と隣接ミニキャビティ1224を
通っている。既に記載した図示の層には底面の接触メタ
リゼーション1250（デバイスがあらゆる所要の方向に取
り付けられしかも使用されているので、“底面”または
“上面”の関係は記載を容易にするためのものであるこ
とが判る）があり、以下昇順でｎタイプのGaAs基板層12
25、ｎタイプのAl0.23Ga0.77Asバッファ層1260、ｎタイ
プのAl0.5Ga0.5Asの低い閉じ込め層1263、更にドーピン
グされていないAl0.23Ga0.77Asの導波路層1273と1275の
間にGaAs量子井戸層1271を含む活性化領域1270が続く。
活性化領域の上はｐタイプのAl0.8Ga0.2Asの上側閉じ込
め層1278である。層の厚さは前述の実験的なデバイスに
示した通りである。ｐタイプのGaAs接触1281とｐタイプ
のGaAs接触1283によりそれぞれ図26のストライプ1210と
ミニキャビティ1225の接触位置が定められる。原産酸化
物は1201、1292、1293に示してあり、この例ではその厚
さは約1300Åである。酸化物はGaAs接触領域の下に若干
広がっている。上面（ｐ側）のメタリゼーションは1240
を付けてある。
【００４４】図28は図26の矢印14−14により定められる
断面を示している。この図では、ストライプ1210の接触
領域1281のみが見える。酸化物（1294）はストライプの
右まで連続して広がっている。
【００４５】図29は図26の矢印15−15により定められる
断面である。この図は縦方向にミニキャビティを通して
おり、２つのミニキャビティは３つの酸化領域1296、12
97、1298の間に示されている。接触1283の縦方向寸法が
この図では見える。
【００４６】図示の実施態様では、動作は底面の電極と
上面の共通のメタリゼーションの間に電圧を加えること
により“２つの端子”の間で行なわれる。このデバイス
は３端子またはマルチ端子デバイスとして動作するよう
に作られている。例えば、図30は両サイドにミニキャビ
ティ1620のあるストライプ1610を有したデバイスを図示
しており、各ラインには共通のメタリゼーション（ミニ
キャビティの間の結合ラインにより表される）とターミ
ナルがあるが、これはデバイスが独立した４つの端子、
３つの端子（例えば、２つの隣接ラインの端子と底面の
端子または２つの共通した外側ライン）または２つの端
子で動作できることであり３つのラインは共通である。
［この図では、更に他の図ではミニキャビティおよび／
またはストライプの輪郭の平面図が示されており、下の
構造は既に記載のタイプであり、マスキングパターンは
図示の構造と一致している。］図31はミニキャビティの
隣接ラインの二次元配列を図示しており、個々の端子は
ミニキャビティに結合している。端子は所要の組合せ
で、またはキャビティまたはミニキャビティのグループ
に結合することができることを理解できる。
【００４７】前の実施態様は直線ミニキャビティおよび
ストライプの輪郭を図示しているが、この発明の原理は
ミニキャビティおよび曲線の輪郭と配列に置かれたスト
ライプに適応できることが理解できる。図32から図39は
（図示してないが底面の電極と種々の可能な上面を有し
た）幾つかの実施態様を示している。図32には、リング
レーザに関連しN.El-Zein,F.A.Kish,N.Holonyak,Jr.,A.
R.Sugg,M.J.Ries,J.M.Dallesasse,and R.D.Burnham,"Na
tive-Oxide Coupled-Cavity AlxGa1−xAs Quantum Well
Heterostructure Laser Diodes",Appl.Phys.Lett.59,2
838,November 25,1991,に記載のタイプの効果を得るた
め曲がったミニキャビティ1815に分割できるリングレー
ザを示している。［あらゆる曲がった輪郭は正確には必
要でないこと、リングのあらゆる所要の部分が使用でき
ること、１以上の出力を得るため、リングまたはその部
分にあらゆる所要の位置でクリーブがあること、を通し
て理解できる。］図33は２つの同心円のリングレーザを
図示しており、それぞれはミニキャビティ1915に分割で
きるが、これは真っすぐなライン配列の場合前述の図19
から図22に関連し記載したように、横の結合ができるよ
うにするためである。図34では、図23から図29に関連し
て記載した実施態様について曲がったものを得るため、
同心円のリング2010の１つが連続であり、他がミニキャ
ビティ2015に分割されている。図35は原産酸化物の放射
状の“スポーク”により離れているセクタ状のミニキャ
ビティ2115を有した円形の輪郭を図示している。
【００４８】図36はストライプレーザ2220が横に結合さ
れたリングレーザ2210を示している。図37では、リング
はミニキャビティ2315に分割されており、図38ではスト
ライプはミニキャビティ2415に分割されている。図39で
は、リングとストライプの両方がミニキャビティに分割
されている（それぞれ2515と2525）。
【００４９】ストライプ、配列エレメント、および／ま
たはターミナルコネクションの数およびタイプに関する
前述の変形は曲がったラインまたはミニキャビティの実
施態様に適用できることが理解できる。
【００５０】図40は垂直キャビティレーザ配列の形態に
おいて、異なる縦モード特性を有したキャビティを結合
するこの発明の形態の断面を図示している。垂直キャビ
ティレーザは例えば、H.Soda他Japan J.Appl.Phys.18,5
9（1979） and K.Iga 他,Electron Lett.23,134（198
7）の技術で周知であり、更に図40の左にある様に、基
板（例えばGaAs2605）の上の底面接触2610、ｎタイプ超
格子2620、導波路層2634と2636の間に量子井戸層2632を
含む活性化領域2630、ｐタイプの超格子2640、１以上の
接触2650を含んでいる。種々の材料が使用されている。
例として、超格子は多数のAlAsとGaAs［またはAlxGa
1−xAs,AlyGa1-yAs,x≠y,またはAlxGa1−xAsと導電性誘
電スタックの組合せ（例えばTiO2/SiO2,ZnSe/CaF2）］
の交番層から成り、更に活性化領域は典型的には全体の
厚さが〜250ÅのGaAs（またはIn0.1Ga 0.9As）量子井戸
層を有したAl0.1Ga0.9As（またはGaAs）導波路層から構
成される。表面での接触は例えば標準的な（例えばGe-A
u）バックサイド（基板）サイド接触を有したAuまたはA
gから構成される。このようなデバイスの二次元垂直キ
ャビティ結合配列は例えば、D.G.Deppe,J.P.Van der Zi
el,Nasesh Chand,G.J.Zydzik, とS.N.G.Chu,Appl.Phys.
Lett.56,2089（1990）に記載されている。簡単には、動
作的には超格子インターフェイスからのマルチプル屈折
により限定された厚さのデバイスからかなり短い実効キ
ャビティ長（典型的には〜５μｍ）が得られ、更にキャ
ビティが消失するように結合している。
【００５１】この発明の形態の特徴によれば、隣接した
垂直キャビティレーザユニットにより、図40に示すよう
に、異なる厚さの活性領域があり、この活性領域2630′
は隣り合ったユニットの活性領域の厚さよりかなり厚
い。図において、量子井戸層は隣接活性領域を通して連
続であるが、これは必ずしも必要でない。同じことは活
性領域2630′の上の超格子についても当てはまる。上側
または下側の超格子の厚さが変化することにより実効的
な横の屈折が変化する。このような変化はキャビティ構
造に局所的な変化を与えるため均一な厚さが活性領域に
与えられる。標準的な消失結合の他に、他の方法により
キャビティから隣接キャビティ内に幾らかの光を直接反
射させるためミラー（例えば超格子）角を変化させるよ
うにデバイスを結合できる。
【００５２】異なる実効的な垂直キャビティ長を得るた
め利用できる種々の他の技術があるが、これはスイッチ
ング、双安定、および／またはチューニングのような特
性を得るため横結合が都合良く利用できるからである。
［ここで使用したように、異なる実効的なキャビティ長
を有する垂直キャビティは前に規定したように、キャビ
ティが異なる縦モード特性を有していることを意味して
いる。］例えば、隣接ユニットの活性領域は異なる材料
から成る。他のものは、異なる厚さの超格子、または異
なる輪郭の超格子を有した隣接ユニットを与えるために
ある。後者の例は、100ÅのGaAsとAlAsの交番した層の
超格子を有する１つのユニットと、200ÅのGaAsの層と1
00ÅのAlAsの層の交番を有する超格子のある他のユニッ
トを与えており、これにより異なる実効のキャビティ長
となる。
【００５３】図41は、交差した斜線部のユニットは厚い
活性領域を有するユニットを示しているユニットの将棋
板タイプの配列を図示している。この配列は上面が共通
に結合されており、上面と底面の接触の間に電圧が加え
られている２端子デバイスとして動作し、または接触に
セパレート接続を有した３端子またはマルチプル端子の
デバイスとして働く。一次元または二次元の種々の他の
形状と輪郭が利用できる。配列を製造する例において、
成長は活性領域（2630′）で終わる。二次元パターンは
（例えば将棋板）標準的な写真石判技術を用いてマスク
され、更にこのサンプルはマスクされない領域内の活性
領域（2636）の部分を除去するため化学エッチングが行
なわれる。この方法により活性層の厚さが横に変化す
る。ホトレジストが取り除かれ、超格子はMOCVDまたはM
SE（分子ビームエピタキシ）によりパターン化された活
性領域で成長する。円形（ドット）のメタリゼーション
は接触および屈折のため上側のｐタイプ超格子に加えら
れる。
【００５４】この発明は特に好ましい実施態様について
記載したが、この発明の内容および範囲内での変形が当
業者には考えられる。例えば、アルミニウムベアリング
III−Ｖ族半導体金属アルミニウムガリウム砒素がこの
実施態様に記載されているが、このデバイスおよび方法
はインジウムアルミニウムガリウムリン、インジウムア
ルミニウムガリウム砒素、またはアルミニウムガリウム
リンのような他のアルミニムベアリングIII−Ｖ族半導
体材料を使用できる。［F.Kish他,J.of Appl.Phys.71,1
5 March,1992，が参考できる。］更に、示した閉じ込め
層はマルチプル層にでき、その１以上の層はアルミニウ
ムベアリングIII−Ｖ族半導体材料から構成できること
が理解できる。更に、デバイスは他の非III−Ｖ族半導
体材料とアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料
（これにより原産酸化物が形成される）とを一体化でき
ることも理解できる。更に、ここに記載した横に結合さ
れたキャビティはスイッチングのようなここに示した機
能と同じくチューニングにも利用できることが理解でき
る。ここに記載した横結合は横に結合したキャビティを
分離するためアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体
材料内に形成された原産酸化物を使用して特に製造され
る。輪郭については、代わりに、マルチプル再成長／過
成長、エッチ再成長／過成長、リッジ形成、リッジ形成
および過成長、不純物誘導層ディスオーダリング、およ
び光子注入のような技術により良好性の劣るキャビティ
を用意できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施態様によるデバイスの焼き付け
断面の走査電子マイクロスコープイメージである。
【図２】この発明の実施態様によるデバイスに対するcw
光出力（いずれもリング端）対電流のグラフであり、デ
バイスの表面の写真を示している。
【図３】この発明の実施態様によるデバイスに対するパ
ルス光出力（いずれもリング端）対電流のグラフであ
り、単一モード動作を示している。
【図４】図３のデバイスの近フィールドイメージをプロ
ットしている。
【図５】この発明による他のデバイスのパルス光出力対
電流のグラフで図の中にデバイスの概形を示している。
【図６】この発明の実施態様による半導体レーザダイオ
ードデバイスの簡略化した断面を示している。
【図７】この発明の実施態様による他の半導体レーザデ
バイスの簡略化した断面を示している。
【図８】この発明の実施態様による半導体光導波路の簡
略化した断面を示している。
【図９】リングレーザデバイスの表面の輪郭を示してい
る。
【図１０】クオータリングレーザまたは導波路の表面の
輪郭を示している。
【図１１】異なるブランチがカップリングを有したリン
グレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
【図１２】異なるブランチがカップリングを有したリン
グレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
【図１３】リングカップリングを有したマルチストライ
プレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
【図１４】リングカップリングを有したマルチストライ
プレーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
【図１５】一連の結合ハーフリングレーザまたは導波路
の表面の輪郭を示している。
【図１６】ハーフリングカップリングを有したマルチス
トライプレーザまたは導波路の表面の輪郭を示してい
る。
【図１７】光路が横にオフセットされている曲がったレ
ーザまたは導波路の表面の輪郭を示している。
【図１８】１つのブランチに４つの曲がったブランチを
有して光を結合するレーザまたは導波路の表面の輪郭を
示している。
【図１９】連続（cw）300Ｋ光出力（信号面）対原産酸
化物二次元（2-D）結合キャビティAlxGa1−xAs−GaAs Q
WHレーザ配列（非コーティング面、全キャビティ長が〜
300μｍ）の特性（L-I）を示している。スレショルドは
45mAでパワーピークは〜12.5mW（115mA）である。図の
内部には組になった非メタライズド2-D線形配列の表面
の写真を示している。長方形のミニキャビティは幅が４
μｍ、長さが19μｍであり、端対端が３μｍ離れてい
る。
【図２０】（ａ）115mA,（ｂ）150mA,（ｃ）164mA（図
５のL-Iの上に示された点）における図19のダイオード
の縦方向モードスペクトル（cw,300Ｋ）を示している。
（ａ）8280Å（115mA）における単一モードは（ｂ）150
mAにおける8313Åにシフトしている。（ｃ）164mAで単
一モードの動作はスイッチ断となりミニキャビティに沿
った19μｍの共振は明らかであり矢印でマークしてあ
る。モードの間隔は50Åであり、19μｍのミニキャビテ
ィの長さと一致している。
【図２１】図19に示すものと同じ構造のダイオードの光
出力対電流特性（L-I,cw,300Ｋ）を示している。ダイオ
ードは電流が増加すると二度ターンしている。直線は谷
領域内の放射強度が自然的な放射の領域にあることを示
している。図の内部には単一モード（8340Å）が少なく
とも415mA（〜8Ith）まで続くことを示しており、L-I曲
線の上に点で示してある。
【図２２】近フィールド（NF）放射パターンと、L-I特
性上の70mAにおけるダイヤモンド形の点に近い図21のダ
イオードの縦モードスペクトルを示している。（ａ）40
mA（自然レジメ）では近フィールド（NF）は図19に示す
形に従った幅が9.2μｍである組になった線形配列に２
つの強度のピークがあることを示している。（ｂ）71mA
ではNFはローブが組になっており、装置は単一モード
（8260Å）であるが強いサテライト縦モードで動作して
いる。（ｃ）72mAでは右側のストライプからのNF放射が
突然なくなり、更にサテライト縦モードが突然なくな
る。
【図２３】端結合ミニレーザの線形配列にサイド結合さ
れた原産酸化物AlxGa1−xAs−GaAs単一レーザストライ
プの電流対連続300Ｋ光出力（単一面、非コーティン
グ）特性（L-I）を示している。レーザのスレショルド
は32mAで活性部（ON）から168mAで発生する自然的（OF
F）レジメに突然切り変わっている。このデバイスは双
安定で、123mAで自然部（OFF）から活性（ON）レジメに
急激に切り替えが戻ってくる。ダイオードの概観（メタ
リゼーション前）は図の中に示してあり、サイド結合さ
れたミニレーザ（幅が６μｍ,長さが19μｍでセンター
が22μｍ）の線形配列にサイド結合された幅が６μｍの
単一レーザストライプから構成されている。
【図２４】図23（図の中）の形のデバイスの連続300Ｋ
光出力（単一面、非コーティング）対電流特性（L-I）
を示している。このレーザはスレショルドが27mAで、96
-100mAの範囲で切り替えと双安定が生じている。全ての
動作範囲を通して、このデバイス出力は図23の単一連続
ストライプから生ずる5.5μｍガウス性近フィールド（N
F）パターンから基本的に構成されている。NFパターン
は（ａ）99mAで切り変わる直前を示している。（ｂ）10
0mAで切り変わった後、基本的には出力は観測されな
い；しかしより感度の良いスケール（b'）では同じNFパ
ターンが現われている。
【図２５】（ａ）における単一モード活性放射（ON）と
（ｂ）における自然的放射に対するスイッチOFFとに対
応した図24のダイオードの縦モードスペクトラム（cw,3
00Ｋ）を示している。単一モードレーザ動作はスレショ
ルド（〜27mA）から99mAまで観測されており、出力はダ
イオードの連続ストライプのみからで振幅が大きい（図
23の中の右のストライプ）。自然的な放射OFFレジメ
（ｂ）において低エネルギーのグループのモードはレー
ザストライプに対応し、高エネルギーのグループのモー
ドは線形配列に対応している（図23の中を参照）。
【図２６】図23から図25に関連して記載したデバイスの
正面の表面の一部の図である。
【図２７】矢印13−13による図26のデバイスの断面を通
っている断面図である。
【図２８】矢印14−14による図26のデバイスの断面を通
っている断面図（比は一定でない）である。
【図２９】矢印15−15による図26のデバイスの断面を通
っている断面図（比は一定でない）である。
【図３０】２個、３個または４個の端子を用いて動作す
る二次元配列を示している。
【図３１】端子制御を有した二次元配列を示している。
【図３２】この発明の実施態様に基づく曲がった輪郭の
ミニキャビティを含むリング状のレーザの平面を示して
いる。
【図３３】この発明の実施態様に基づく曲がった輪郭の
ミニキャビティを含むリング状のレーザの平面を示して
いる。
【図３４】この発明の実施態様に基づく曲がった輪郭の
ミニキャビティを含むリング状のレーザの平面を示して
いる。
【図３５】この発明の実施態様に基づく曲がった輪郭の
ミニキャビティを含むリング状のレーザの平面を示して
いる。
【図３６】隣接リングと直線レーザの平面図を示してお
り、レーザキャビティには横断カップリングがあり、リ
ング、直線または両方がマルチキャビティに分割されて
いる構造を含んでいる。
【図３７】隣接リングと直線レーザの平面図を示してお
り、レーザキャビティには横断カップリングがあり、リ
ング、直線または両方がマルチキャビティに分割されて
いる構造を含んでいる。
【図３８】隣接リングと直線レーザの平面図を示してお
り、レーザキャビティには横断カップリングがあり、リ
ング、直線または両方がマルチキャビティに分割されて
いる構造を含んでいる。
【図３９】隣接リングと直線レーザの平面図を示してお
り、レーザキャビティには横断カップリングがあり、リ
ング、直線または両方がマルチキャビティに分割されて
いる構造を含んでいる。
【図４０】垂直キャビティレーザデバイスの断面図（比
は一定でない）であり、異なるモード選択特性を有する
隣接レーザキャビティの間に横断カップリングがある。
【図４１】図40に示したタイプの垂直キャビティレーザ
ユニットの二次元配列である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キッシュ フレッド エー. アメリカ合衆国， カリフォルニア 94087， サニーベイル， イースト エ ル カミーノ リアル 715番地 (72)発明者 カラッチ ステファン ジェイ. アメリカ合衆国， イリノイ 61820， シャンペイン， イースト クラーク 604番地 (72)発明者 エルゼイン ナダ アメリカ合衆国， イリノイ 61820， シャンペイン， シャープ５， イースト ホワイト 511番地 Ｆターム(参考） 5F073 AA36 AA66 AA67 AA73 AA89 AB03 AB17 AB24 AB25 CA04 CB10 CB22 DA21 DA27 HA08 HA10

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも部分的に曲がった光路を有す
    る半導体レーザを製造する方法において、 一番目と二
    番目の半導体閉じ込め層の間に活性領域から成る積層さ
    れた半導体構造を形成することで、前記一番目と二番目
    の半導体閉じ込め層は反対の導電タイプであり、更に前
    記一番目の半導体閉じ込め層はアルミニウムベアリング
    III−Ｖ族半導体材料であり、 前記一番目の半導体閉
    じ込め層の上にマスクパターンを加えることで、前記パ
    ターンには少なくとも部分的に曲がったストライプが含
    まれており、 前記一番目の半導体閉じ込め層の中にアルミニウムの厚
    い原産酸化物を形成するため十分な時間一番目の半導体
    閉じ込め層のマスクされていない部分を水を含んだ環境
    と少なくとも375℃の温度の中にさらし、 それぞれの電極を前記一番目と二番目の半導体閉じ込め
    層と結合すること、を特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記活性領域に少なくとも導波路層と量
    子井戸層とを含み、更に前記のそれぞれの電極が更に他
    の半導体層を通し前記半導体閉じ込め層に結合されてい
    る請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記の曲がった部分が環状の円弧である
    請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記の曲がった部分が環状のリングであ
    る請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記の時間が前記の原産酸化物を前記一
    番目の閉じ込め層の厚さの少なくとも大部分を通し広げ
    るのに十分である請求項３または４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記原産酸化物が前記一番目の閉じ込め
    層の全ての厚さを通し広がっている請求項５に記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 前記のアルミニウムベアリング材料がAl
    xGa1-xAsでありｘが少なくとも0.3である請求項１に記
    載の方法。
  8. 【請求項８】 前記の水を含んだ環境が水蒸気と不活性
    ガスから成り、更に前記温度が少なくとも450℃である
    請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 一番目と二番目の半導体閉じ込め層の間
    にある半導体活性領域で、前記一番目と二番目の半導体
    閉じ込め層は反対の導電タイプであり、更に前記一番目
    の半導体閉じ込め層はアルミニウムベアリングIII−Ｖ
    族半導体材料であり、 前記一番目と二番目の閉じ込め
    層とそれぞれ結合された一番目と二番目の電極手段で、
    前記一番目の電極手段には導電性環状リングを含んでお
    り、 前記閉じ込め層内で前記環状リングの両方の周囲に形成
    されたアルミニウムの原産酸化物の横閉じ込め領域で、
    前記の原産酸化物は前記一番目の閉じ込め層の厚さの少
    なくとも殆どを通し広がっている、ことを特徴とする半
    導体リングレーザデバイス。
  10. 【請求項１０】 前記の原産酸化物が前記一番目の閉じ
    込め層の全ての厚さを通し広がっている請求項９に記載
    のデバイス。
  11. 【請求項１１】 前記アルミニウムベアリング材料がAl
    xGa1-xAsでｘが少なくとも0.3である請求項10に記載の
    デバイス。
  12. 【請求項１２】 前記活性領域に少なくとも導波路層と
    量子井戸層とを含み、更に前記のそれぞれの電極手段が
    更に他の半導体層を通し前記半導体閉じ込め層に結合さ
    れている請求項９に記載のデバイス。
  13. 【請求項１３】 一番目と二番目半導体閉じ込め層の間
    のある半導体活性領域と、 前記一番目の閉じ込め層に結合された電極エレメントを
    有する電極配列と、 前記二番目の閉じ込め層に結合された少なくとも１つの
    向かい合った電極と、 １つのラインに沿った多数の電極エレメントと、前記ラ
    インの電極エレメントから横に離れた少なくとも１つの
    他の電極エレメントを含む二次元配列を形成し、更に離
    れて置かれている前記配列の電極エレメントと、 前記多数の電極エレメエントの下に定められた活性領域
    内と前記の少なくとも１つの更に他の電極エレメントの
    下に定められた活性領域内に光を放射するため、前記上
    面電極エレメントと前記の少なくとも１つの更に他の電
    極エレメントと前記の向かい合った電極エレメントと前
    記の向かい合った電極の間に電気信号を加える手段とを
    有することを特徴とする、半導体レーザデバイス。
  14. 【請求項１４】 前記の少なくとも１つの更に他の電極
    エレメントが前記多数の電極エレメントの少なくとも長
    さを広げる単一のストライプから成る請求項13に記載の
    デバイス。
  15. 【請求項１５】 少なくとも１つの更に他の電極エレメ
    ントが更に多数の電極エレメエントから成る請求項13に
    記載のデバイス。
  16. 【請求項１６】 前記ストライプが前記ラインに並列で
    ある請求項14に記載のデバイス。
  17. 【請求項１７】 前記の更に他の多数の電極エレメント
    が前記の一番目に述べたラインに並列な更に他のライン
    に沿っている請求項15に記載のデバイス。
  18. 【請求項１８】 前記の多数の電極エレメントが幾つか
    の電極エレメントから成る請求項13または14に記載のデ
    バイス。
  19. 【請求項１９】 前記多数の電極エレメントが幾つかの
    電極エレメントから成り、更に前記の少なくとも１つの
    更に他の電極エレメントが幾つかの更に他の電極エレメ
    ントから成る請求項15に記載のデバイス。
  20. 【請求項２０】 前記ラインに沿った前記電極エレメン
    トにより互いに端が結合されたレーザミニキャビティが
    定められる請求項13に記載のデバイス。
  21. 【請求項２１】 前記ラインに沿った前記電極エレメン
    トにより互いに端が結合されたレーザミニキャビティが
    定められる請求項18に記載のデバイス。
  22. 【請求項２２】 前記ラインに沿った前記電極エレメン
    トにより互いに端が結合されたレーザミニキャビティが
    定められており、更に前記の更に他のラインに沿った前
    記の更に他の電極エレメントにより互いに端が結合され
    たレーザミニキャビティが定められる請求項17に記載の
    デバイス。
  23. 【請求項２３】 前記のラインと前記の少なくとも１つ
    に更に他の電極エレメントから横に離れた少なくとも１
    つの追加電極エレメントを前記の配列が含んでいる請求
    項18に記載のデバイス。
  24. 【請求項２４】 前記の二次元配列が電極エレメントの
    幾つかの行と幾つかの列から構成される請求項13に記載
    のデバイス。
  25. 【請求項２５】 少なくとも多数の前記列の電極エレメ
    ントにより互いに端が結合されているレーザミニキャビ
    ティが定められ、更に少なくとも多数の隣接した組のレ
    ーザミニキャビティが互いに横で結合している請求項24
    に記載のデバイス。
  26. 【請求項２６】 前記一番目の閉じ込め層がアルミニウ
    ムベアリングIII−Ｖ族の半導体材料であり、前記アル
    ミニムベアリング材料の原産酸化物の少なくとも１つの
    横閉じ込め領域が前記多数の電極エレメントと前記少な
    くとも１つの更に他の電極エレメントの間の前記閉じ込
    め層の中にあり、更に前記アルミニウムベアリング材料
    の原産酸化物の端閉じ込め領域が前記ラインに沿った前
    記多数の電極エレメントの間にある請求項13、14または
    15に記載のデバイス。
  27. 【請求項２７】 前記アルミニウムベアリング材料の原
    産酸化物の端閉じ込め領域が前記更に他の多数の電極エ
    レメントの間にある請求項26に記載のデバイス。
  28. 【請求項２８】 一番目と二番目の半導体閉じ込め層の
    間にある半導体活性領域で、前記一番目と二番目の半導
    体閉じ込め層は反対の導電タイプであり、更に前記一番
    目の半導体閉じ込め層はアルミニウムベアリングIII−
    Ｖ族半導体材料であり、 前記一番目の閉じ込め層の少なくとも一部の中に形成さ
    れたアルミニウムベアリングIII−Ｖ族半導体材料の酸
    化物で、前記酸化物は前記一番目の閉じ込め層の前記ア
    ルミニウムベアリング半導体材料の多数の領域を囲んで
    おり、前記の囲まれた領域は少なくとも部分的に曲がっ
    たラインに沿ってシリアルシーケンスにアレンジされて
    おり、 前記の一番目の閉じ込め層のそれぞれ囲まれた領域と結
    合された多数の電極エレメントと、 前記の二番目の閉じ込め層と結合された少なくとも１つ
    の向かい合った電極エレメントを有することを特徴とす
    る、半導体レーザデバイス。
  29. 【請求項２９】 同じ半導体基板の上に形成された一番
    目と二番目の隣接レーザユニットで、前記のユニットの
    それぞれは次のものを含んでいる：導電タイプが反対の
    一番目と二番目超格子の間にある活性領域を含んだ垂直
    キャビティと、前記超格子にそれぞれ結合された電極エ
    レメントと、 前記の二番目のレーザユニットの垂直キャビティ長より
    大きい実効キャビティ長を有している前記一番目のレー
    ザユニットと、 前記ユニットのキャビティの間に横に結合された前記ユ
    ニットからレーザを放射するため前記電極エレメントに
    信号を加える手段とを有することを特徴とする垂直キャ
    ビティ半導体レーザデバイス。
  30. 【請求項３０】 同じ半導体基板の上に形成された一番
    目と二番目の隣接レーザユニットで、前記ユニットのそ
    れぞれはレーザキャビティを含んでおり、 前記二番目のユニットのレーザキャビティと縦モード選
    択特性が異なっている前記一番目のユニットのレーザキ
    ャビティと、 前記ユニットからレーザを放射するため前記一番目と二
    番目のユニットにエネルギー信号を加え更に前記ユニッ
    トの間に横に結合するための手段とを有することを特徴
    とする、半導体レーザデバイス。
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