JP2008219014A - 集積テーパードレーザー装置および集積テーパードレーザー装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集積テーパードレーザー装置および集積テーパードレーザー装置の製造方法を提供し、テーパードレーザー装置の光特性を調整する際のフレキシビリティを大きくする。
【解決手段】注入領域（２）と該注入領域に光結合された断面増大領域（３）とを有しており、該２つの領域のうち少なくとも一方が複数の半導体材料を含む活性領域を有し、該複数の半導体材料は少なくとも１つのインタミキシング領域（２１，３１）においてインタミキシングされており、該インタミキシング領域（２１，３１）は非インタミキシング領域よりも大きなバンドギャップを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は集積テーパードレーザー装置および集積テーパードレーザー装置の製造方法に関する。

本願は、独国出願第１０２００７００９８３７．７号および同第１０２００７０２６９２５．２号に関連し、それらの優先権を主張する。

いわゆる台形レーザーすなわちテーパードダイオードレーザーによって良好な光品質および高い光出力が達成される。当該の半導体レーザーは放射方向で見て横方向に広がる増幅領域を有しており、例えばワット領域の光出力を有する赤外レーザー光を形成する。この種のレーザーは例えばSumpf et al., Electron.Lett..38., 2002の183頁〜184頁に記載されている。

テーパードレーザーは、通常、注入領域（インジェクタ領域）とこれに続く台状の領域とを有する。注入領域から出発して台状の領域では断面積が台形状に増大していく。光波は注入領域から出発して台状の領域において拡大されるのであるが、２つの領域の移行部で波面の回折にいたる。台状の領域では光波は増幅される。テーパードレーザーの反射制限面は、充分なフィードバック結合が発生して自己発振にいたるようにコーティングされる。

注入領域に設けられたファセット面は高反射性のコーティングを有し、断面増大領域のうち注入領域から遠いほうの側の端部に設けられたファセット面は低反射性のコーティングを有する。

テーパードレーザーは特に高い光出力および良好な光品質を特長としている。
Sumpf et al., Electron.Lett.38, 2002 pp.183-184

本発明の課題は、集積テーパードレーザー装置および集積テーパードレーザー装置の製造方法を提供し、テーパードレーザー装置の光特性を調整する際のフレキシビリティを大きくすることである。

この課題は、本発明の請求項１記載の集積テーパードレーザー装置、および、本発明の請求項１５記載の集積テーパードレーザー装置の製造方法により解決される。本発明の有利な実施形態および実施態様は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、集積テーパードレーザー装置は注入領域とこれに光結合された断面増大領域とを有する。２つの領域のうち少なくとも一方は少なくとも部分的に複数の半導体材料を含む活性ゾーンを有している。当該の複数の半導体材料は少なくとも１つの領域でインタミキシング（混合）されている。当該の少なくとも１つのインタミキシング領域においてバンドギャップが増大される。

複数の半導体材料を有する活性ゾーンないし活性構造部は複数の半導体材料による量子井戸構造を含む。ただし本発明は量子井戸構造の装置に限定されるものではなく、ダブルヘテロ構造などの他の構造の装置にも適用可能である。

主放射方向で見て幅の増大する増幅領域を有する半導体レーザーを以下ではテーパードレーザー装置と称する。こうしたレーザー装置は低コストの半導体技術の標準製造プロセスによって製造でき、高い光出力および良好な光品質を有するので有利である。

本明細書の範囲における量子井戸構造の概念には、閉じ込め（confinement）によって電荷担体のエネルギ状態を量子化することのできるあらゆる構造が含まれる。特にこの量子井戸構造の概念には量子化の次元数についての制限は含まれない。したがってこの概念には量子井戸、量子箱、量子線、量子膜、量子点およびこれらの構造の組み合わせが含まれる。また量子点が優先方向へ延長されるいわゆる量子細線も含まれる。

インタミキシングにより全体としてバンドギャップが局所的に変更され、これにより正確かつ簡単に、周囲の材料よりもバンドギャップの高くなる領域が定義される。これにより種々の光能動領域および光受動領域を同時にフレキシブルに製造できる。

量子井戸構造のインタミキシング領域では非インタミキシング領域に比べて高いバンドギャップが得られることにより、複数の観点からレーザーの輝度、例えば光品質および最大出力が増大される。１つの理由として、量子井戸から放出され途中でインタミキシング領域を横断する光の再吸収率が低減されることが挙げられる。これは放出される光のエネルギがインタミキシング領域のバンドギャップよりも小さいからである。また、別の理由として、電荷担体がバンドギャップの小さい領域を運動することにより、量子井戸構造の領域で放射形成に用いられる電荷担体数つまり再結合する電荷担体数が増大し、レーザーの効率が高まることが挙げられる。

注入領域は有利にはシングルモード導波領域を含む。

断面増大領域は有利には台状に形成されている。ここで、レーザー装置の台形の２つの平行な辺のうち短いほうの辺は注入領域に光結合されている。長いほうの辺は有利には出射面として形成されている。この実施形態では、集積テーパードレーザー装置を上から見たとき台形となることを基礎としている。

本発明の別の実施形態では、断面増大領域は直接に注入領域に接する。この場合、注入領域から主放射方向に断面増大領域で断面積が増大する。

断面増大領域のうち注入領域から遠いほうの側の端部に出射ファセット面が設けられている。

注入領域のうち断面増大領域から遠いほうの側の端部には高反射性ファセット面が設けられている。

出射ファセット面の反射率は有利には高反射性ファセット面の反射率よりも小さい。

高反射性ファセット面および／または出射ファセット面は非吸収性の鏡面領域を有し、この非吸収性の鏡面領域がインタミキシング領域として構成される。非吸収性の鏡面領域は非吸収鏡ＮＡＭ（non-absorbing mirror）と称される。

ファセット面での意図的なインタミキシングによりバンドギャップは高められ、これにより当該の領域での吸収率が低減される。またインタミキシング領域はレーザー活性に寄与しない。したがってファセット面の温度負荷は低減され、レーザー装置の出力はさらに高まる。

本発明の別の実施形態によれば、断面増大領域と注入領域とのあいだに無負荷領域が設けられる。無負荷領域は断面増大領域に比べて低減された増幅度を有しており、インタミキシング領域として構成される。有利には無負荷領域は非吸収領域として形成される。

インタミキシング領域としてバンドギャップの高められた無負荷領域は光受動領域である。これはメタライゼーション部が一貫して接続されている場合にも当てはまる。無負荷領域では吸収および増幅は強く抑圧されるので、これにより注入領域から断面増大領域へ注入される光のモード構造は障害を受けない。したがって無負荷領域により光品質が改善される。

有利には、断面増大領域は、注入領域から断面増大領域の端部へ向かう方向へ延在する少なくとも１つの縁領域を有しており、この少なくとも１つの縁領域がインタミキシング領域として形成される。

断面増大領域においてバンドギャップを意図的に制御することにより、局所的な利得を当該の領域におけるモード特性へ適合させることができる。これにより全体として光品質が増大される。このとき、スペクトル利得の最大値は短波長のほうへシフトされる。注入領域からの光の増幅度はインタミキシング領域では低減される。またインタミキシング領域では高いバンドギャップにより電気ポンピングの強度も低減される。

本発明の別の実施形態では、注入領域は、注入領域の端部から断面増大領域へ向かう方向へ延在する少なくとも１つの注入縁領域を有しており、この少なくとも１つの注入縁領域がインタミキシング領域として形成される。

バンドギャップの大きい領域を形成することによりシングルモード注入領域の特に精細な定義が得られる。代替的なエッチングプロセスに比べて本発明の方法は全体的な構造がいっそう平坦となるという利点を有する。ただしエッチングプロセスのほうが著しく簡単である。

本発明の別の実施形態によれば、注入領域および断面増大領域の全体がインタミキシング領域として形成される。

テーパードレーザー装置の全体をインタミキシング領域として形成することにより、周囲の材料はレーザー装置そのものよりも小さいバンドギャップを有することになる。これにより、出射ファセット面で後方反射して断面増大領域の側方から出射されてしまう光が効果的に吸収され、注入領域へ戻らない。

全体としてテーパードレーザー装置を包囲する領域に吸収構造部が実現される。

種々の光能動領域および光受動領域を製造する際に大きなフレキシビリティを達成できるという利点に加え、本発明の実施形態によれば、酸化、エッチング、コンタクトのパターニングなどの複雑な多数のプロセスステップを技術的に簡単なプロセスステップによって置換することができる。

本発明の実施形態を組み合わせて唯一のプロセスステップを実現することもできる。

量子井戸構造の箇所での１つまたは複数のインタミキシング領域の製造は有利には拡散を誘起するインタミキシングプロセスＤＩＤにより行われる。

こうした製造プロセスは量子井戸インタミキシング法ＱＷＩ（quantum well intermixing）と称される。

拡散を誘起するインタミキシングプロセスとは、例えば、量子井戸構造を製造した後にインタミキシング領域の上に層を被着し、半導体材料のいずれかの成分を適切な高い温度で当該の層内へ拡散運動させるプロセスである。被着される層は例えばケイ素窒化物を含む。拡散運動は相応の温度でのテンパリングステップによりトリガされる。拡散運動は量子井戸構造の表面に空乏位置を形成する。このようにして形成された空乏位置はさらに量子井戸構造の内部へ拡散し、これにより量子井戸構造のインタミキシングが生じる。

ほかに、拡散を誘起するインタミキシングプロセスには、インプランテーションまたは適切な層から半導体への拡散により外部原子を得るプロセスが挙げられる。こうした層はＩＩＩ族‐Ｖ族半導体材料の製造中に堆積されるかまたは後から被着される。

上述した拡散を誘起するインタミキシングプロセスは、いわゆるＩＦＶＤ法（インピュリティフリーヴァカンシーディスオーダリング）によるほか、インピュリティインデュースドディスオーダリング法、レーザーインデュースドディスオーダリング法、インプランテーションインデュースドディスオーダリング法などの他の方法によって行うこともできる。

量子井戸構造の半導体材料は例えばＩＩＩ族‐Ｖ族半導体であり、特にガリウムを含むＩＩＩ族‐Ｖ族半導体である。被着される層は例えばケイ素窒化物層とすることができる。前述した方法はプロセスの実行が簡単でありかつ低コストであるという利点を有する。

特にＩＦＶＤ法（impurity free vacancy disordering）による拡散を誘起するインタミキシングのプロセスでは、被着される層はケイ素酸化物ＳｉＯを含む。

本発明を図示の実施例に基づき以下に詳細に説明する。

図および実施例を通して、同一の素子また同様に作用する素子には同一の参照番号を付してある。

図１に示されているテーパードレーザー装置１の実施例では、注入領域２に直接に断面増大領域３すなわち台状の領域が続いている。注入領域２のうち、断面増大領域３から遠いほうの端部には高反射性ファセット面４が設けられている。これに対して、断面増大領域３のうち注入領域２から遠いほうの端部には出射ファセット面５が設けられている。高反射性ファセット面４および出射ファセット面５は、拡散を誘起するインタミキシング領域として実現される非吸収性の鏡面領域２１，３１をそれぞれ１つずつ含む。したがって、非吸収性の鏡面領域２１，３１では、注入領域２および断面増大領域３に比べてバンドギャップが高くなっている。

ファセット面における意図的なインタミキシングにより、当該の領域では吸収率が低減される。また、当該の鏡面領域２１，３１はレーザー活性には寄与しない。さらに、ファセット面４，５では温度負荷が低減されるので、これにより全体として図１のレーザー装置１の最大出力はいっそう高められる。

図２の実施例によれば、注入領域２と断面増大領域３とのあいだに無負荷領域６が設けられている。無負荷領域６は拡散を誘起するインタミキシング領域として形成されており、注入領域２および断面増大領域３に比べて高いバンドギャップを有する。インタミキシング領域としての無負荷領域６は光受動領域である。当該の領域での吸収および増幅は強く抑圧される。これにより台状の領域へ注入される光の有するモード構造が望ましくない障害を受けることはなくなる。

図３の実施例によれば、注入領域２から断面増大領域３の端部すなわち出射ファセット面５へ向かって延在する部分の側面に縁領域３２，３３が設けられており、この領域がインタミキシング領域として形成されている。当該の縁領域３２，３３の断面積は注入領域２から出射ファセット面５へ向かう方向で増大している。

当該の領域でのインタミキシングにより、光の所望のモード特性の増幅度が適合化される。この場合、スペクトル利得の最大値は短波長の方向へシフトされる。縁領域３２，３３での光の増幅度は断面増大領域３よりも小さくなっている。バンドギャップが高いため、縁領域３２，３３では電気ポンピングの強度も小さい。

縁領域３２，３３としてのインタミキシング領域では、量子膜は消滅はしないが変化するので、スペクトル利得も変化する。

別の実施例として、インタミキシング領域として形成される縁領域３２，３３がかなり大きな範囲にわたって延在するようにしてもよい。例えば、残りの注入領域２および残りの断面増大領域３を除いて、チップ全体にわたってインタミキシングが行われるようにしてもよい。

図４の実施例によれば、注入領域２の導波部の注入縁領域２２，２３がインタミキシング領域として形成されている。これらの注入縁領域２２，２３は、図示の実施例では、主として相互に平行に、また、高反射性ファセット面４から注入領域２および断面増大領域３の移行部ヘ向かって、延在している。

注入縁領域２２，２３での量子膜の消滅により、屈折率が低下し、ひいては導波部の構造が変化する。インタミキシング領域と非インタミキシング領域とを適切に配置することにより、ラテラル方向のシングルモード導波領域を簡単に製造することができる。拡散を誘起するインタミキシングによってバンドギャップの高い注入縁領域２２，２３を形成し、シングルモード中流領域を簡単に定義することができる。酸化またはドライエッチングなどの製造プロセスに比べて、本発明で提案している手法は、全体として平坦な構造が得られ、さらなる処理が簡単化されるという利点を有する。

別の実施例では、注入縁領域２２，２３をかなり大きな範囲にわたって延在させることもできる。例えば、残りの注入領域２および残りの断面増大領域３を除いて、チップ全体にわたってインタミキシングが行われるようにしてもよい。

図５の実施例によれば、図１〜図４の実施例と同じ領域だけでなく、注入領域および断面増大領域を含むテーパードレーザー装置の全体がインタミキシング領域として構成されている。ここでは、注入領域２および断面増大領域３を含むテーパードレーザー装置の全体が複数の半導体材料を有する量子井戸構造として形成され、装置全体にわたって複数の半導体材料がインタミキシングされる。これによりインタミキシング領域は高いバンドギャップを有する。

したがって、テーパードレーザー装置を包囲する材料は、注入領域２および断面増大領域３よりも低いバンドギャップを有することになる。これにより、出力鏡として形成された出射ファセット面５で後方反射して断面増大領域３の側方から出射されてしまう光が効果的に吸収され、注入領域２へは戻らない。

本発明で提案している方式によればデフレクタトレンチ（スポイラ）またはゲルマニウムによってコーティングされたエッチングトレンチを形成する必要はない。

図示の全ての実施例では、わかりやすくするために、レーザーの励起に必要な電気コンタクトの平面またはメタライゼーション部の平面は描かれていない。

図６には拡散を誘起するインタミキシング領域ＱＷＩ（quantum well intermixing）の製造の様子が示されている。図６ではインピュリティフリーヴァカンシーディスオーダリング法、すなわちいわゆるＩＦＶＤ法が用いられている。ここでは、ＩＩＩ族‐Ｖ族半導体、特に、ＧａＡｓキャップ層、ＧａＡｓ量子井戸およびＳｉＯ_２層を備えたＧａＡｓ／ＡｌＡｓ構造が示されている。まず、テンパリングステップが行われる。高温ではガリウムは可溶性であり、ＳｉＯ_２層において高い拡散係数を有する。したがって、テンパリングステップにおいて、ガリウム元素はＳｉＯ_２キャップ層内へ拡散する。空乏位置はガリウム原子が半導体から離脱することにより生じる。こうした空乏位置は半導体内で高い拡散係数を有する。空乏位置は高濃度の表面近傍から低濃度の領域すなわち残りの半導体領域へ拡散する。この場合、個々の空乏位置はランダムな運動パターンにしたがう。複数の空乏位置のランダムな運動パターンの効果によってインタミキシング（混合）が生じる。図６ではアルミニウム原子とガリウム原子とは異なるハッチングによって表されている。

図７には拡散を誘起するインタミキシングが伝導帯および価電子帯へ与える作用が示されている。インタミキシングを行った後の様子が破線で示されている。ＧａＡｓ層が量子井戸を形成している。電子および正孔のレベルが量子化されている。形成された有効バンドギャップＥ_ｇ２は、従来の量子井戸として実現されていないＧａＡｓ層でのバンドギャップＥ_ｇ１よりも大きい。ここで、拡散を誘起するインタミキシングにより、アルミニウムは量子井戸の内部へ、ガリウムは量子井戸から外部へ拡散し、量子井戸は拡大され、平均バンドギャップは増大する。

なお、本発明は前述した実施例のみに限定されるものではない。むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそのあらゆる組み合わせを含むものであり、これには特に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことは本発明の特徴またはその組み合わせが特許請求の範囲あるいは実施例に明示的に記載されていない場合であっても当てはまる。

本発明のテーパードレーザー装置の第１の実施例の概略図である。 本発明のテーパードレーザー装置の第２の実施例の概略図である。 本発明のテーパードレーザー装置の第３の実施例の概略図である。 本発明のテーパードレーザー装置の第４の実施例の概略図である。 本発明のテーパードレーザー装置の第５の実施例の概略図である。 インタミキシングプロセス後の量子井戸構造の概略図である。 インタミキシングプロセス後の伝導帯および価電子帯の概略図である。

符号の説明

１ テーパードレーザー装置、 ２ 注入領域、 ３ 断面増大領域、 ４ 高反射性ファセット面、 ５ 出射ファセット面、 ６ 無負荷領域、 ２１，３１ 非吸収性の鏡面領域、 ２２，２３ 注入縁領域、 ３２，３３ 縁領域、 Ｅ_ｇ１ 本発明の装置のバンドギャップ、 Ｅ_ｇ２ 従来の装置のバンドギャップ

Claims (25)

1. 注入領域（２）と該注入領域に光結合された断面増大領域（３）とを有しており、該２つの領域のうち少なくとも一方が複数の半導体材料を含む活性領域を有し、該複数の半導体材料は少なくとも１つのインタミキシング領域（２１，３１）においてインタミキシングされており、該インタミキシング領域（２１，３１）は非インタミキシング領域よりも大きなバンドギャップを有する
   ことを特徴とする集積テーパードレーザー装置。
2. 注入領域（２）はシングルモード導波領域を含む、請求項１記載の装置。
3. 断面増大領域（３）は台状に構成されている、請求項１または２記載の装置。
4. 断面増大領域（３）は注入領域（２）に直接に接しており、注入領域から出発して断面増大領域では主放射方向に断面積が増大する、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 断面増大領域（３）のうち注入領域（２）から遠いほうの端部に出射ファセット面（５）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 注入領域（２）のうち断面増大領域（３）から遠いほうの端部に高反射性ファセット面（４）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 高反射性ファセット面（４）および出射ファセット面（５）のうち少なくとも１つのファセット面が非吸収性の鏡面領域（２１，３１）を含み、該非吸収性の鏡面領域（２１，３１）がインタミキシング領域として構成されている、請求項５または６記載の装置。
8. 注入領域（２）と断面増大領域（３）とのあいだに断面増大領域に比べて低減された増幅度を有する無負荷領域（６）が配置されており、該無負荷領域がインタミキシング領域として構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 断面増大領域（３）は注入領域（２）から断面増大領域（３）の端部へ向かう方向に延在する少なくとも１つの縁領域（３２，３３）を有しており、該少なくとも１つの縁領域（３２，３３）がインタミキシング領域として構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 注入領域（２）は該注入領域（２）の端部へ向かう方向に延在する少なくとも１つの注入縁領域（２２，２３）を有しており、該少なくとも１つの注入縁領域（２２，２３）がインタミキシング領域として構成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 注入領域（２）および断面増大領域（３）の全体がインタミキシング領域として構成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 例えばテーパードレーザー装置である、集積光デバイスにおいて、
    断面増大領域（３）すなわち台状の領域が少なくとも部分的に拡散を誘起するインタミキシングプロセスを用いて形成されている
    ことを特徴とする集積光デバイス。
13. 断面増大領域（３）の端部すなわち台状の領域の端部に出射ファセット面（５）が配置されており、該出射ファセット面（５）が非吸収性の鏡面領域（３１）を含み、該非吸収性の鏡面領域（３１）が拡散を誘起するインタミキシングプロセスを用いて形成されている、請求項１２記載の集積光デバイス。
14. 断面増大領域（３）すなわち台状の領域が少なくとも１つの縁領域（３２，３３）を含み、該縁領域が拡散を誘起するインタミキシングプロセスを用いて形成されている、請求項１２または１３記載の集積光デバイス。
15. 注入領域（２）と該注入領域に光結合された断面増大領域（３）とを有しており、該２つの領域のうち少なくとも一方が複数の半導体材料を含む活性構造を有する、
    集積テーパードレーザー装置の製造方法において、
    バンドギャップの増大のために少なくとも１つのインタミキシング領域（２１，３１）において複数の半導体材料をインタミキシングする
    ことを特徴とする集積テーパードレーザー装置の製造方法。
16. 拡散を誘起するインタミキシングプロセスにより少なくとも１つのインタミキシング領域（２１，３１）を形成する、請求項１５記載の方法。
17. 活性構造部は量子井戸構造を含み、該量子井戸構造の領域で層の堆積ステップおよびテンパリングステップを行い、ここで、テンパリングステップの温度を、量子井戸構造を形成する半導体材料の成分を堆積された層内へ部分的に拡散させるのに適した温度とし、インタミキシングを行う、請求項１５または１６記載の方法。
18. 堆積される層はＳｉＮ層である、請求項１７記載の方法。
19. 量子井戸構造はＩＩＩ族‐Ｖ族半導体材料を含む、請求項１５から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. ＩＩＩ族‐Ｖ族半導体材料はガリウムを含む、請求項１９記載の方法。
21. 注入領域（２）に高反射性ファセット面（４）を設けるか、および／または、断面増大領域（３）のうち注入領域（２）から遠いほうの端部に出射ファセット面（５）を設け、これらのファセット面を形成する際に少なくとも部分的にインタミキシングを行う、請求項１５から２０までのいずれか１項記載の方法。
22. 注入領域（２）と断面増大領域（３）とのあいだに無負荷領域（６）を設け、該無負荷領域を形成する際に少なくとも部分的にインタミキシングを行う、請求項１５から２１までのいずれか１項記載の方法。
23. 断面増大領域（３）において注入領域（２）から断面増大領域（３）の端部へ向かう方向に延在する少なくとも１つの縁領域（３２）でインタミキシングを行う、請求項１５から２２までのいずれか１項記載の方法。
24. 注入領域（２）において断面増大領域（３）へ向かう方向に延在する少なくとも１つの注入縁領域（２２）でインタミキシングを行う、請求項１５から２３までのいずれか１項記載の方法。
25. 注入領域（２）および断面増大領域（３）の全体でインタミキシングを行う、請求項１５から２４までのいずれか１項記載の方法。