JP2018518052A - 高次横モード抑制のためのアンチガイド領域を具える広域レーザ - Google Patents

Abstract

広域レーザダイオード（１０）が、デバイスの活性領域の外側にアンチガイド層（３０，６０）を具えるよう構成されている。アンチガイド層は高屈折率材料で形成され、レーザダイオードからの出力信号の低次モード出力ビームから不要な高次の横モード（熱レンズ効果問題に起因する）を切り離すのに役立つ。アンチガイド層は、レーザダイオード自体を形成するエピタキシャル層の成長工程の前または後のいずれかに、単一のエピタキシャル成長工程を用いて形成される。したがって、レーザダイオード自体を製造するために用いる特定のプロセス工程の変更を必要とすることなく、不要な高次モードを抑制する構造を形成できる。
【選択図】図１

Description

［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１５年６月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／１８０，７６６号の利益を主張し、これは参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は広域レーザダイオードに関し、より詳細には、レーザダイオードの活性領域の外側に配置して、不要な高次の横モードを切り離し、ファーフィールドにおける横方向への発散を最小化する少なくとも１つのアンチガイド層を具える広域レーザダイオードに関する。

広域レーザにおいて、放出された放射線の横方向への発散は出力増加を伴い、高パワーで構造内の熱エネルギが増加することになる。レーザは、レーザ内への電流の流れ、および部分的には放出された光の再吸収によって加熱される。レーザ構造に利用される半導体材料は温度に依存した屈折率を示すので、デバイスの動作温度が上昇するにつれて熱誘導による導波路が形成される（高パワー動作の重要な特徴）。結果として、パワー増加を伴う（不要な）高次の横モードのレージングが生じ、横方向の発散がさらに増加する。

このような熱誘導による導波路によって形成される屈折率コントラストのスケールは、約１０^−４乃至１０^−３の範囲内にある。この屈折率の変化に伴う横方向への発散の増加は、出力ビームが所望の寸法内に収束する能力を低下させ、例えば高いビーム品質を必要とする材料処理などの用途における使用を制限する。

熱誘導による導波路に関連する問題を最小限にする１つの従来技術のアプローチが、２０１２年７月３１日にＤ．Ｓｃｈｌｅｕｎｉｎｇらに付与された「熱接触の制限された広域エッジ放射半導体レーザ」と題する米国特許第８，２３３，５１３号に記載されている。ここで、広域レーザダイオードは、１対の平行な溝を具えるように形成された大きなヒートシンク上に搭載され、エミッタ領域の幅とほぼ等しい幅を有するリッジを形成している。レーザダイオードは、ヒートシンクのリッジ部に接触するよう取り付けられ、熱エネルギをデバイスのエミッタ領域から遠ざけるための経路を提供している。この溝は、熱流をリッジに閉じ込めるように機能し、それによって熱誘導による屈折率コントラストを最小化する。

熱誘導による導波路に関連する問題を克服する別の試みは、２０１３年９月１７日にＰ．Ｃｒｕｍｐらに付与された「高効率で小さなファーフィールド発散の広域ダイオードレーザ」と題する米国特許第８，５３７，８６９号に詳細に記載されるように、レーザダイオード構造自体に高屈折率のアンチガイド領域を組み込むことに基づいている。不要な高次の横モードは低減できるが、デバイスの活性エリア内にこれらのアンチガイド領域を含めるためには、レーザダイオードの製造に関連する従来のプロセス工程の変更を必要とし、加えてコストが増大し、最終的な構造が複雑になる。

本発明は、従来技術に残る制約に対処するものである。本発明は広域レーザダイオードに関し、より詳細には、デバイスの活性領域の外側に配置された少なくとも１つのアンチ導波層を具える広域レーザダイオードに関する。このアンチ導波層は、有利なことに、レーザダイオード自体を製造するプロセスを他に妨害しない単一のエピタキシャル工程を使用することによって形成される。アンチ導波層を含むことは、不要な高次の横モードを切り離し、高いビーム品質を維持するように機能する。

本発明によれば、比較的高い屈折率値を有する材料層（以下、「アンチ導波層」ということがある）が、デバイスの活性領域から離れた位置で、広域レーザダイオードの外側面にわたって配置されている。この屈折率が比較的高い材料層は、「アンチ導波」層として機能し、不要な高次の横モードがレーザの活性領域から遠ざかるようにし、したがって所望の高いビーム品質が維持される。これら不要な高次の横モードの減少は、出力ビームにおける横方向の発散を最小限に抑え、ビーム品質を改善する。従来技術の構成とは対照的に、本発明で利用されているアンチガイド層は、レーザダイオード自体の製造に使用する従来の処理工程を妨げない単一工程のエピタキシャル成長プロセスを用いて製造される。

本発明の１つの例示的な実施形態において、屈折率が高い層が、レーザダイオードの高濃度にドープされたコンタクト層（いわゆる「キャップ層」を形成する）の上面にわたって配置されている。この構造では、キャップ層にエッチングプロセスを施して、下にあるコンタクト層にアクセスする窓（トレンチ）を形成する。したがって、この特定の構造により、不要な横モードが高屈折率キャップ層内へと上方に引き込まれ、レーザダイオードの活性エリアから離れることで、出力ビームに存在する横方向の発散を最小限に抑える「逆リッジ」レーザ構造が作り出される。

本発明の別の実施形態は、その上にレーザダイオードが形成される基板とデバイスの活性層との間に配置された高屈折率層を利用している。この場合、バラスト層をまず基板の上面にエピタキシャル成長させ、その後従来の広域レーザダイオード構造を（従来のプロセスを使用して）バラスト層上に形成する。この広域レーザダイオードは、不要な高次モードがバラスト層内の下方に引き込まれて活性領域から離れて、リッジ導波構造を示すように形成される。

本発明の特定の実施形態は、基板上に形成されたレーザダイオードとして定義することができ、ｎ型導波層とｐ型導波層との間に配置された量子井戸エミッタ領域を具えており、ｎ型導波層の上に配置されたｎ型クラッド層と、ｐ型導波層の上に配置されたｐ型クラッド層とを有する。レーザダイオードはまた、ｐ型クラッド層の一部の上に配置された高濃度にドープされたコンタクト領域と、（薄化された）基板の露出した底面に設けた電気コンタクト領域の形をした電気的接点を具える。量子井戸エミッタ領域と電気的な接点との重なり合った組み合わせが、レーザダイオードの「活性エリア」を画定している。本発明によれば、レーザダイオードの活性エリアの外側の位置に形成されたアンチガイド層を含むことによって、放射ビームの不要な高次の横モードが抑制され、このアンチガイド層は不要な高次の横モードを切り離して、不要な高次の横モードをレーザダイオードの活性エリアから離してアンチガイド層に向けるのに十分な屈折率を有する材料から形成されている。

本発明のその他の、およびさらなる態様および実施形態は、以下の説明および添付の図面を参照して明らかになるであろう。

ここで図面を参照すると、いくつかの図において同じ部分には同じ符号が付されている。
図１は、本発明の例示的な実施形態の断面図であり、この場合、レーザダイオードの上部（高濃度にドープされた）コンタクト層の上に形成されたアンチガイド層を具え、トレンチを含むように形成して、逆リッジ構造を作っている。 図２は、本発明のレーザ構造の屈折率コントラストを、アンチガイド層の厚さの関数として示すグラフである。 図３は、本発明の別の実施形態の断面図であり、この場合、広域レーザダイオードにおける従来のリッジ導波構造の形態をとり、基板とデバイスの下側コンタクト層との間に「バラスト」層として配置されたアンチガイド層を有する。

本発明は、熱レンズ効果（すなわち、熱誘導による導波路の存在）に関連する問題を克服する広域レーザ構造に関するものであり、サポートレーザモードが少なく、高出力、したがって、様々な従来技術の構造よりもより横方向のファーフィールドが小さい構造を提供している。本発明によれば、所望のモードに関連する屈折率より高い屈折率を有する材料でできたアンチガイド層が、レーザ構造の主導波路の外側に形成されている。以下に説明するように、この高屈折率のアンチガイド層の存在により、不要な高次の横モードを、レーザの活性領域の外側へ光学的に「引き出し」て、デバイスの外側の「漏出」できる領域であって性能を妨げない領域内へと引き入れる。

図１は、本発明の原理を示しており、この場合には、逆リッジ広域レーザ設計の使用に基づいている。広域レーザ１０が、ｐ型導波層１４とｎ型導波層１６との間に配置された（量子井戸）エミッタ領域１２を具えるものとして示されている。ｐ型クラッド層１８が、ｐ型導波層１４の上に配置されており、ｎ型クラッド層２０が、ｎ型導波層１６の下に配置されている。ｐ型クラッド層１８の上に配置された第１の電気コンタクト層２２と、レーザ構造がその上に形成される基板２６の露出した表面上に配置された第２の電気コンタクト層２４とによってレーザ１０を励起する電気的接点ができる。第１の電気コンタクト層２２は、通常高濃度にドープされた半導体材料の層を具えており、第２の電気コンタクト層２４は、通常適切な金属でできた多層スタックを具える。第１の電気コンタクト層２２と、エミッタ領域１２と、第２の電気コンタクト層２４との間の重なりが、レーザ１０の「活性エリア」（または「活性領域」）を画定する。

図１に示す本発明の例示的な実施形態によれば、高屈折率材料の層３０が、第１の（高濃度にドープされた）コンタクト層２２の上に配置され、レーザの活性エリアの外側の領域（層３０は「キャップ層」ともいう）を作るように処理されている。実際、図１に示す構造を製造する好ましい方法では、高屈折率材料でできたコンフォーマル層を、電気コンタクト層２２を覆うように配置する。この工程に続いて、キャップ層３０に開口を形成し（すなわちエッチングされ）、レーザ１０の活性エリアを画定するのに使用される電気コンタクト層２２の一部を露出させる。多くの用途において、活性エリアの幅Ｗは重要な設計パラメータであり、この場合は、キャップ層３０に開けられたトレンチの幅によって画定される。広域レーザの場合、この幅Ｗは、通常数十から数百ミクロンのオーダーであり、この幅が広いことが、熱レンズ効果の問題に対する重要な寄与因子である。

従来のリッジ設計構造と比較して、図１に示す構造は、逆リッジ形状（つまり、キャップ層３０の上面３２の下に第１の電気コンタクト層２２がある）を形成している。上述したように、アンチガイドキャップ層３０は、比較的高い屈折率を示す材料（例えば、いくつかの例ではＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、およびＧａＩｎＰを含んでおり、他の材料も使用することができる）で形成される。好ましい製造技術においては、単一のエピタキシャル成長工程で、高濃度にドープされた第１の電気コンタクト層２２上にアンチガイドキャップ層３０を成長させている。成長すると、その後キャップ層３０をエッチングして、レーザ構造１０の所望のガイドモード領域に関連する第１の電気コンタクト層２２の画定された部分を露出させ、図に示すような逆リッジ設計が形成される。単一のエピタキシャル成長工程で、レーザ製造プロセスにおける従来のプロセス工程を妨害することなく、アンチ導波層を形成する能力は、従来技術を越える本発明の重要な利点であると考えられる。

さらに図１には、この構造に関連するモードプロファイルが示されている。特に、所望のガイドモードが、エミッタ領域１２と導波層１４と導波層１６との組み合わせによって形成された導波構造に沿って伝播するものとして示されている。本発明によれば、高屈折率のアンチガイド層３０の存在により、これらの横モードが、高屈折率領域に向かって上方に「引っ張られ」、構造体の導波路から離れるように高次の横モードのプロファイルを形成している。これら高次の横モードは、アンチガイドキャップ層３０内に漏出すると考えられる。

キャップ層３０の損失に対する寄与度は、この層を従来のエミッタ領域よりも小さいバンドギャップを有する「吸収」量子井戸構造（例えば、ＩｎＧａＡｓ）として実装することによって、または高濃度にドープされた外部領域を有することによって更に増加させることができる。実際、この効果は、アンチガイドキャップ層３０の厚さＴの選択を制御して導波路とアンチガイドキャップ層との間に共振を形成することによって向上させることができる。図２は、特定のＧａＡｓキャップドＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ ＱＷ レーザ構造についてのこの点を示す。

本発明の別の実施形態を図３に示す。広域レーザダイオード４０は、この場合、ｐ型クラッド層４８をリッジ形状（クラッド層４８の部分４８-Ｒとして示されている）を示すよう構成することにより、ｐ型導波層４４とｎ型導波層４６との間に配置されたＱＷエミッタ領域４２を具えるものとして示されている。このリッジ構造は、デバイスの所望の活性エリア内への伝搬モードの閉じ込めを支援するのに利用される。ｎ型クラッド層５０は、以下に示すようにｎ型導波層４６として形成されている。

第１の電気コンタクト層５２が、ｐ型クラッド層４８のリッジ部分４８−Ｒの上に配置されている。図１の構造のように、第１の電気コンタクト層は、通常高濃度にドープされた半導体材料の層を具える。第２の電気コンタクト層５４（通常、最終的なデバイス構造の基板の厚さを低減させるのに使用される研磨/研削の操作に続いて行う、露出表面上への金属被膜として形成される）は、基板５８の露出した主表面５６を覆うように配置されている。本発明のこの実施形態では、高屈折率のアンチガイド層６０が、基板５８の上面６２とｎ型クラッド層５０との間のインターフェースとして配置されている。

この例示的な実施形態の製造においては、先ずアンチガイド層６０を、基板５８の表面６２の上に形成し、その後従来のレーザダイオード構造を、アンチガイド層６０の上に形成する。好ましくは、単一工程のエピタキシャル成長プロセスにおいて、主表面６２上にアンチガイド層６０を成長させ、層６０の所望の厚さＴが得られるまでエピタキシャルプロセスを続ける。アンチガイド層６０が所望の厚さに達すると、従来の一連の処理工程を用いて、層６０の表面上にレーザダイオード４０を形成する。実際、本発明のこの特定の実施形態では、レーザダイオード４０に関連する続いて行われる製造工程は、インサイチュウで実施して、続いてアンチガイド層６０の表面上に直接ｎ型クラッド層５０を成長させることができる。さらに本発明においては、本発明の利点が、レーザダイオード自体の形成に用いられる工程を変更することなく、広域レーザダイオード構造にアンチガイド層を組み込むことができる点にあることは自明である。

本発明のこの実施形態によれば、バラスト層６０（リッジ構造４８−Ｒとの組み合わせた）は、不要な高次の横モードを導波領域から「引き出して」、これらのモードをガイドモード領域から外に向けるよう構成されており、したがって、デバイスの活性領域内に所望の低次モードのみが維持される。図３は、構造内にバラスト層６０を含むことによるモードの歪みを示す。

図１の構造と同様に、バラスト層６０の高屈折率材料および層の厚さの選択が、達成される不要な高次横方向モードのアンチ導波の度合いを制御している。

上述した好ましい実施形態に関して本発明を説明したが、これらの実施形態は例示的なものにすぎず、特許請求の範囲はこれらの実施形態に限定されないことを理解されたい。当業者であれば、添付の特許請求の範囲内にあると考えられる開示を考慮して、修正および代替することができるであろう。

Claims (15)

1. 基板上に形成されたレーザダイオードにおいて、
   ｎ型導波層とｐ型導波層との間に配置した量子井戸エミッタ領域と、
   前記ｎ型導波層の上に配置したｎ型クラッド層と、前記ｐ型導波層の上に配置したｐ型クラッド層と、
   前記ｐ型クラッド層の一部の上に配置した第１の電気コンタクト領域および前記基板の一部の下に配置した第２の電気コンタクト領域であって、前記量子井戸エミッタ領域と、前記第１の電気コンタクト領域および前記第２の電気コンタクト領域の重なり合った組合せが前記レーザダイオードの活性領域を画定している、第１の電気コンタクト領域および第２の電気コンタクト領域と、
   前記レーザダイオードの活性エリアの外側に形成されたアンチガイド層であって、不要な高次の横モードを切り離すのに十分な屈折率を有する材料で形成され、前記不要な高次の横モードを前記レーザダイオードの活性エリアから離して前記アンチガイド層へ向けるアンチガイド層と、
   を具えることを特徴とするレーザダイオード。
2. 請求項１に記載のレーザダイオードにおいて、
   前記アンチガイド層が、前記第１の電気コンタクト領域の上に配置され、前記第１の電気コンタクト領域の一部を露出させるトレンチ開口部を具えるように構成されており、当該トレンチ開口部の画定された幅が、前記レーザダイオードの前記活性エリアの幅を画定し、前記レーザダイオードが逆リッジ構造を具えることを特徴とするレーザダイオード。
3. 請求項２に記載のレーザダイオードにおいて、前記第１の電気コンタクト領域が、高濃度にドープされた半導体材料層を具えており、前記アンチガイド層が、前記第１の電気コンタクト領域の前記高濃度にドープされた半導体材料層の露出した表面上に成長させたエピタキシャル層を具えており、その後、前記成長したエピタキシャル層をパターン化して、エッチングし、前記トレンチ開口部を形成することを特徴とするレーザダイオード。
4. 請求項１に記載のレーザダイオードにおいて、
   前記レーザダイオードが、リッジ構造のレーザダイオードを具えており、前記アンチガイド層が、前記基板と前記ｎ型クラッド層との間に配置されていることを特徴とするレーザダイオード。
5. 請求項４に記載のレーザダイオードにおいて、前記アンチガイド層が、前記基板の露出した表面上に成長させたエピタキシャル層を具え、前記レーザダイオードの残りの層が、エピタキシャル成長した前記アンチガイド層の上に形成されていることを特徴とするレーザダイオード。
6. 請求項１に記載のレーザダイオードにおいて、前記アンチガイド層が、前記量子井戸エミッタ領域および前記クラッド層よりも大きな屈折率を示すことを特徴とするレーザダイオード。
7. 請求項６に記載のレーザダイオードにおいて、前記アンチガイド層が、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＩｎＰからなる群から選択された材料を具えることを特徴とするレーザダイオード。
8. 請求項１に記載のレーザダイオードにおいて、前記第１の電気コンタクト領域が、高濃度にドープされた半導体材料層を具えることを特徴とするレーザダイオード。
9. 請求項１に記載のレーザダイオードにおいて、前記第２の電気コンタクト領域が、前記基板底面の一部を被覆するように形成された少なくとも一の金属層を具えることを特徴とするレーザダイオード。
10. 基板上に形成された広域レーザダイオードにおいて、
    ｎ型導波層とｐ型導波層との間に配置した量子井戸エミッタ領域と、
    前記ｎ型導波層の上に配置したｎ型クラッド層と、前記ｐ型導波層の上に配置したｐ型クラッド層と、
    前記ｐ型クラッド層の上に配置され、前記レーザダイオードの発光領域の幅に関連する幅Ｗを有する第１の電気コンタクト領域と、
    露出した基板表面の下に配置した第２の電気コンタクト領域であって、前記量子井戸エミッタ領域と、前記第１の電気コンタクト領域および前記第２の電気コンタクト領域の重なった組合わせが前記広域レーザダイオードの活性領域を画定しており、前記第１の電気コンタクト領域の形成された幅Ｗに関連する活性領域の幅を有する、第２の電気コンタクト領域と、
    前記レーザダイオードの活性エリアの上または下に形成されたアンチガイド層であって、不要な高次の横モードを切り離すのに十分な屈折率を有する材料で形成され、前記不要な高次の横モードを前記レーザダイオードの前記活性領域から遠ざける方向に向けて、前記広域レーザダイオードによって放射されるビームの横方向への発散を最小限にするアンチガイド層と、
    を具えることを特徴とする広域レーザダイオード。
11. 請求項１０に記載の広域レーザダイオードにおいて、
    前記アンチガイド層が、前記第１の電気コンタクト領域の上に配置されており、前記レーザダイオードの発光エリアを画定する前記第１の電気コンタクト領域の一部を露出させるトレンチ開口部を具えるように構成されており、前記レーザダイオードが、逆リッジ構造を具えている、ことを特徴とする広域レーザダイオード。
12. 請求項１１に記載の広域レーザダイオードにおいて、前記第１の電気コンタクト領域が、高濃度にドープされた半導体材料層を具えており、前記アンチガイド層が、前記高濃度にドープされた半導体材料層の露出した表面上に成長させたエピタキシャル層を具えており、その後、成長した前記エピタキシャル層をパターン化およびエッチングしてトレンチ開口部を形成することを特徴とする広域レーザダイオード。
13. 請求項１０に記載の広域レーザダイオードにおいて、
    前記レーザダイオードが、リッジ構造のレーザダイオードを具えており、前記リッジの幅が、前記レーザダイオードによって放射されるビームの幅に関連しており、前記アンチガイド層が、前記基板と前記ｎ型クラッド層との間に配置されていることを特徴とする広域レーザダイオード。
14. 請求項１３に記載の広域レーザダイオードにおいて、前記アンチガイド層が、前記基板の露出した表面上に成長させたエピタキシャル層を具え、前記レーザダイオードの残りの層を、前記アンチガイド層とともに単一工程でエピタキシャル成長させた層であることを特徴とする広域レーザダイオード。
15. 請求項１０に記載の広域レーザダイオードにおいて、前記レーザダイオードが、前記レーザダイオードの前記活性領域の外側に配置された高屈折率材料の追加領域を更に具えており、不要な高次モードの更なるアンチ導波を提供して、前記放射ビームの横方向への発散をさらに低減することを特徴とする広域レーザダイオード。

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