(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空波長λ＞５μｍの放射に対する導波路を含み、前記導波路はコア領域（１１、１２、１３）及びコア領域の屈折率より小さい屈折率を有するクラッド領域（たとえば１４、１５、１６）を含む半導体構造を含む製品において、
前記クラッド領域はドーパント濃度Ｎ及びプラズマ角周波数ωｐを有する半導体材料（１７）を含み、Ｎはドープされた半導体材料が
【数１】
0003616194.tif 000014
の実部とｋ＜１の虚数部を有する複素屈折率を有するように選択され、
【数２】
0003616194.tif 000015
は半導体材料の高周波格子誘電定数であることを特徴とする製品。
【請求項２】
前記ドープされた半導体材料はドープされたｎ形で、Ｎは
【数３】
0003616194.tif 000016
及びｋ＜１であるように選択される請求項１記載の製品。
【請求項３】
前記ドープされた半導体材料はIII／Ｖ半導体材料である請求項１記載の製品。
【請求項４】
製品は半導体レーザである請求項３記載の製品。
【請求項５】
前記ドープされた半導体材料はＳｉを含む請求項１記載の製品。
【請求項６】
製品は前記ドープされた半導体材料により、横方向に規定されたプレーナ導波路を含み、コア／空気界面において終端する傾斜したコア部分を含む請求項５記載の製品。
【請求項７】
Ｎ＞１×１０１８／ｃｍ３である請求項１記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明の分野
本発明は半導体導波路構造及び導波路構造を含む製品（たとえば半導体レーザ又は変調器）に係る。
【０００２】
本発明の背景
半導体導波路構造はよく知られている。たとえば、半導体レーザは典型的な場合、放射を層の面に垂直な方向に閉じ込める導波路構造を含むように設計される。そのような構造は一般に、第１及び第２のクラッド領域を含み、クラッド領域間にコア領域を有する。レーザの層構造は、コア領域の屈折率がそれぞれ第１及び第２のクラッド領域の屈折率より大きくなるよう選択される。第１及び第２のクラッド領域の屈折率は、同じである必要はない。
【０００３】
半導体導波路構造は従来のＩＩＩ  ／Ｖデバイスに対し、容易に設計し作ることができる。そのようなデバイスは典型的な場合、≦２μｍの動作波長を有する。最近、新しいデバイスすなわち量子カスケード（ＱＣ）レーザが発明された。たとえば、ジェイ・フェイスト（Ｊ．Ｆａｉｓｔ）ら、アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６６（５）巻、５３８頁（１９９５）を参照のこと。また、米国特許出願第０８／２２３３４１号も参照のこと。ＱＣレーザはＩＩＩ  ／Ｖ技術で一般的に実施でき、従来のＩＩＩ  ／Ｖレーザにより放射された波長より本質的に長い放射を放出するよう設計できる。たとえば、上で引用した論文は、約４．５μｍで動作するＱＣレーザについて述べている。原理的には、ＱＣレーザは更に長い波長でも動作できる。しかし、≧５μｍの波長の放射を放出するＱＣレーザを設計しようという最初の試みは、我々が知る限り、従来遭遇しなかった問題が存在することを明らかにした。
【０００４】
上で引用した米国特許出願の表Ｉからわかるように、一例としての４．２μｍＱＣレーザは、１μｍ厚のｎ−ドープ（１．５×１０１７／ｃｍ３  ）ＡｌＩｎＡｓ層と、１．５μｍのｎ−ドープ（５×１０１７／ｃｍ３  ）ＡｌＩｎＡｓ層から成る上部クラッド層を有し、全体の層構造は約５μｍの厚さになる。ＭＢＥ（又は他の堆積法、たとえばＱＣレーザに必要な精密な層構造を作製するのに適している可能性のあるＣＢＥ）によって、そのように比較的厚い層構造を堆積させるには時間がかかる。
【０００５】
当業者には容易に理解できるであろうが、半導体導波路構造のクラッド層に必要な厚さは、一般に波長が増すにつれ増加する。クラッド層上に金属接触層が存在することにより、もし光場の損失を許容レベルに保つべきなら、金属／半導体界面における光場の許容される強度に厳しい制限が課せられることが理解できるであろう。これらのことを考えると、≧５μｍの波長で放射するＱＣレーザ中での非現実的に大きな上部クラッド層厚が指摘される。
【０００６】
長波長（典型的な場合≧５μｍ）ＱＣレーザ中で使用するのに適し、たとえば光変調器のような半導体導波路構造を含む他の長波長デバイス中で有利に使用できる新しい導波路構造を発明した。以下で説明するように、新しい構造は我々の知る限り、従来導波路構造には依存していなかった効果を用いる。その効果を用いることにより、従来技術で必要であったより、本質的に薄いクラッド層を有する構造が可能になる。
【０００７】
定義及び用語
ドープされた半導体領域の“プラズマ周波数”ωｐ  は、ドープされた半導体中のキャリヤ“ガス”（典型的な場合、電子ガス）の振動の自然なモードである。モードは一般にプラズマモード又はプラズモンと呼ばれる。プラズマモードの励起には、材料の誘電定数に対する自由キャリヤの寄与の特異性が伴う。半導体材料のプラズマ周波数は、材料中の自由荷電キャリヤ（典型的な場合、電子）の濃度の関数であるから、材料の光学特性は半導体材料のドーピングレベルに依存する。プラズマ周波数はωｐ  ＝Ｎｅ２  ／ε０  ｍで、ここでＮ、ｅ、ε０  及びｍはそれぞれ自由キャリヤ濃度（すなわちドーピングレベル）、電子の電荷、真空の誘電率及び自由キャリヤの実効質量で、すべてＭＫＳ単位である。
【０００８】
より詳細については、たとえば、ここに参照文献として含まれる“固体の光学定数ハンドブック”、イー・ディー・パリク（Ｅ．Ｄ．Ｐａｌｉｋ）編、アカデミック・プレス、１９８５、特に９章を参照のこと。
【０００９】
本発明の要約
本発明は特許請求の範囲によって規定される。それは、真空波長λ（角周波数ωと等価）の放射に対する新しい導波路構造を含む製品（たとえば、ＱＣレーザ又は半導体導波路変調器）において実施される。ここで、λは典型的な場合、約５μｍかそれより長い。導波路構造は、コア領域とそれより小さな屈折率を有するクラッド領域を含む。
【００１０】
重要なことは、クラッド領域はドーパント濃度Ｎ及びプラズマ周波数ωｐ  を有するドープされた半導体材料を含み、Ｎは波長λの放射に対し、ドープされた半導体材料が
【数４】
0003616194.tif 000002
の実部とｋ＜１の虚数部を有するように選択されることである。
【００１１】
半導体材料のドーピングレベルを、適切に選ぶ結果、材料の複屈折率の実数部は、同じ組成のアンドープ又は中程度にドープされた材料に付随したレベル以下に、本質的に減らすことができ、屈折率の虚数部が不本意に増加することなく、従って導波路中の放射の吸収が増すこともない。本発明に従う導波路のクラッドは、比較的高ドープの材料たとえばＮ＞１０１８／ｃｍ３  又は≧５×１０１８／ｃｍ３  のドーパント濃度の材料を含み、従来技術の導波路で典型的に用いられている濃度より本質的に高い。
【００１２】
本発明はＳｉ及びＳｉｘＧｅ１−ｘのようなＳｉを基礎とした半導体を含む任意の半導体で実施できる。
効果的にするためには、ドープされた半導体材料はクラッドの光学的に活性な部分中に置く必要のあることが理解されるであろう。
【００１３】
詳細な記述
表Ｉは８．４μｍ波長の放射を放出するよう設計されたＱＣレーザの層構造を示す。表Ｉ及び表ＩＩの構造は、ＩｎＰに格子整合している。この条件は当業者には周知のように、層組成を決める。
【表１】
0003616194.tif 000003
【表２】
0003616194.tif 000004
【００１４】
表Ｉの“注入部”は４つの結合された量子井戸を含み、それらは傾斜禁制帯（表ＩＩ参照）の見かけ上の擬四元合金を形成する。また“活性層”は２ｎｍ厚のＡｌＩｎＡｓ障壁で分離された３つのＧａＩｎＡｓ量子井戸（厚さはそれぞれ５．８、７．５及び３．５ｎｍ）を含む。２５の注入／活性領域は図１の屈折率分布の中心コア領域に対応し、７００ｎｍのＧａＩｎＡｓ層及び２５ｎｍのＩｎＡｌＧａＡｓ傾斜層は、ＩｎＰ基板及び中心コア領域間にあり、外部コア領域に対応し、５００ｎｍＧａＩｎＡｓ層及び４０ｎｍ傾斜ＡｌＧａＩｎＡｓ層は、中心コア領域と上部クラッド領域の間にあり、外部コア領域１３に対応する。ｎＩｎＰ基板は下部クラッド領域１４となる。議論の対象としているＱＣレーザの例では、上部クラッド層は６つの層からなり、そのうちの５つは従来通りにドープされ、図１の屈折率分布の領域１５及び１６に対応する。しかし、第６の層（６００ｎｍの厚さのＧａＩｎＡｓ、７×１０１８／ｃｍ３  ）は従来のものと異なり、本発明の重要な特徴である。層１７のドーパント濃度Ｎは、所望の複素屈折率を生じるよう選択される。Ｎの適切な値を決める適切な手順について次に述べる。
【００１５】
複素誘電定数の実部及び虚部は、それぞれ以下のように書ける。
【数５】
0003616194.tif 000005
これらの表式において、
【数６】
0003616194.tif 000006
は高周波格子誘電定数（赤外放射に対する適切な組成のアンドープ半導体材料の誘電定数に本質的に対応する）で、τは電子散乱時定数である。他の量は上のように定義される。
【００１６】
例を示すため、導波路はλ＝８．５μｍで動作すると仮定し、それはω＝２．２×１０１４ラジアン／ｓに対応する。更に、τは０．１  ｐｓ（１／ωτ＝４．５×１０−２になる）、
【数７】
0003616194.tif 000007
（アンドープ材料中ではｎ＝３．４３に対応）である。実効質量は０．０４２７ｍ０  で、ｍ０  ＝９．１×１０−３１  ｋｇである。上の値は層１７のＧａＩｎＡｓにあてはまり、式１及び式２から、以下の表式が得られる。
１’）  ε１＝１１．８−１．５４  Ｎ  及び
２’）  ε２＝７  ×  １０−２  Ｎ
ここで、Ｎは１０２４／ｍ３単位でのドーパント濃度である。
【００１７】
屈折率の実部及び虚部は以下のように書ける。
【数８】
0003616194.tif 000008
【００１８】
式３及び式４を用いると、ｎ及びｋの適切な値を決めるＮの値を容易に決めることができる。典型的な場合、Ｎはｎ及びｋが小さく、たとえば
【数９】
0003616194.tif 000009
ｋ＜１となるように選択される。
【００１９】
図２は層１７の組成の半導体材料中の、λ＝８．５μｍの場合について、ドーピング濃度の関数として、ｎ及びｋを示す。図２からわかるように、ｎ及びｋの両方がたとえば、それぞれ
【数１０】
0003616194.tif 000010
及び１以下と小さいドーピング濃度の範囲が存在する。好ましくは、
【数１１】
0003616194.tif 000011
及びｋ＜０．５である。
低屈折率ｎ＋＋が存在することにより、最上部クラッド層の屈折率が下がり、従来の導波路に比べ、基本モードの閉じ込めが増す。一例として、計算により、表Ｉの構造は閉じ込め係数Γ＝０．４１を有し、モード屈折率は３．２５、導波路損は
【数１２】
0003616194.tif 000012
である。それらはまた、それ以外では同一であるｎ＋＋層のない比較する構造（５×１０１７／ｃｍ３  のＡｌＩｎＡｓが同じクラッド層厚を生じるよう延びている）は、著しく増加した損失
【数１３】
0003616194.tif 000013
及び減少した閉じ込め係数（Γ＝０．３７）を有することも示している。損失を低くするため、許容されないほど厚い従来のクラッド層を避けるよう、高濃度ドープクラッド層が典型的な場合必要であることは明らかである。
【００２０】
当業者は、本発明に従う高濃度ドープクラッド層は必ずしもコアから最も離れたクラッドである必要がないことを、認識するであろう。しかし、表Ｉに示された位置は、それによって比較的低損失が得られるため好ましい。
【００２１】
表Ｉの多層半導体構造はＭＢＥにより、ＩｎＰ基板上に成長させ、従来の湿式化学エッチングにより、メサエッチされた２２μｍ幅の導波路に加工した。これに続き、電極パッドとドープされたＩｎＰ基板間を絶縁するため、２００ｎｍ厚のＳｉ３Ｎ４層を成長させた。プラズマエッチングによりＳｉ３Ｎ４を貫く窓を規定し、それによってメサの最上部を露出させた。次に、メサの最上部に、Ｔｉ／Ａｕ非合金オーム性接触を形成し、加工したウエハをへき開することにより、異なる長さの棒にした。へき開した棒を次に、Ｉｎで銅ホルダにはんだ付けし、ワイヤボンディングし、Ｈｅが流れるクライオスタット中で試験した。
【００２２】
図３はフーリエ変換干渉計で高速走査してとった上述のＱＣレーザの１つの高分解スペクトルの例を示す。レーザのピーク光パワーは１０Ｋにおける約５０ｍＷから、最高ヒートシンク温度（１３０Ｋ）における約１０ｍＷまでの範囲であった。平均傾斜効率は１００Ｋにおいて約０．１  Ｗ／Ａであった。
【００２３】
当業者は、長波長ＱＣレーザが本発明の唯一の可能な実施例ではないことを認識するであろう。事実、本発明は比較的長波長（典型的な場合≧５μｍ）に対する半導体（必ずしもＩＩＩ／Ｖ半導体ではない）導波路を含む任意のデバイス、特に導波路に近接した金属層（たとえば、金属層がクラッド領域上に配置されている）を含むようなデバイスで実施されると有用である。そのようなデバイスの例は、イー・ビー・デュポン（Ｅ．Ｂ．Ｄｕｐｏｎｔ）ら、アイ・イーイーイー・ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス（ＩＥＥＥ  Ｊ．ｏｆ  ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、第２９巻、２３１３頁（１９９３）に述べられている型の半導体変調器である。
【００２４】
本発明の別の可能な実施例は、たとえばＣＤ２  レーザからの放射に対するような傾斜コア半導体導波路（しかし、典型的な場合プレーナ導波路である必要はない）である。そのような構造は放射を、コア／空気界面における非常に小さな（〜１μｍ）領域中に集中させるのに使用できる。ビームは空気中では非常に大きく広がる。ビームが広がる結果、ビーム中のパワー密度は著しく位置に依存し、非常に高いパワー密度がコア／空気界面に近接して存在し、他の所では比較的低いパワー密度になる。そのような傾斜のある導波路を含む装置は、例えば手術の際の制限された箇所への照射のように制御された材料変形に有用である。図４は上面図で、上述の構造４０の例を概略的に示し、数字４１は本質的に上述のような領域４２の適切なドーピングにより得られる放射の横方向閉じ込めを有するプレーナ導波路を含む半導体（たとえばＳｉ）基体をさす。数字４３は導波路のコアをさし、４４はコアの傾斜した部分をさす。誘導された放射は、４５で導波路を出て、４５の近くで非常に高いパワー密度を持つことのできる著しく広がったビームを形成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う導波路構造を有する８．４μｍＱＣレーザの例における屈折率及びモード強度を示す図である。
【図２】ドーピングレベルの関数として、誘電定数の実部及び虚数部の曲線の例を示す図である。
【図３】２つのヒートシンク温度における図１のＱＣレーザのスペクトルを示す図である。
【図４】本発明の別の実施例を概略的に描いた図である。
【符号の説明】
１１、１２    コア
１３                    外部コア領域、コア
１４                    下部コアクラッド領域
１５、１６        領域、コア
１７                    層
４０                    構造
４１                    半導体基体
４２                    領域
４３                    コア
４４                    傾斜した部分
４５                    （“物”はさしていない）
４６                    （本文中では用いられていない）
【図１】
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【図２】
0003616194.tif 000018
【図３】
0003616194.tif 000019
【図４】
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