(57)【要約】  多層導波構造体の少なくとも１つの切子面をパッシベーションする方法は、マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムの第１のチャンバ内で多層導波構造体の第１の切子面を洗浄するステップと、洗浄された多層導波構造体を第１のチャンバからマルチチャンバＵＨＶシステムの第２のチャンバへ移動するステップと、第２のチャンバ内で第１の切子面に第１の単結晶パッシベーション層を形成するステップと、多層導波構造体を第２のチャンバからマルチチャンバＵＨＶシステムの第３のチャンバへ移動するステップと、第３のチャンバ内で第１の単結晶パッシベーション層上に第１の誘電体コーティングを形成するステップと、を有することができ、当該方法は、マルチチャンバＵＨＶシステムのＵＨＶ環境下で、多層導波構造体を当該ＵＨＶ環境から取り出すことなく実施される。
2019515490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層導波構造体の少なくとも１つの切子面をパッシベーションする方法であって、
マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムの第１のチャンバ内で前記多層導波構造体の第１の切子面を洗浄するステップと、
洗浄された前記多層導波構造体を前記第１のチャンバから前記マルチチャンバＵＨＶシステムの第２のチャンバへ移動するステップと、
前記第２のチャンバ内で前記第１の切子面に第１の単結晶パッシベーション層を形成するステップと、
前記多層導波構造体を前記第２のチャンバから前記マルチチャンバＵＨＶシステムの第３のチャンバへ移動するステップと、
前記第３のチャンバ内で前記第１の単結晶パッシベーション層上に第１の誘電体コーティングを形成するステップと、
を有し、
前記マルチチャンバＵＨＶシステムのＵＨＶ環境下で、前記多層導波構造体を当該ＵＨＶ環境から取り出すことなく前記方法を実施する、
方法。
【請求項２】
前記方法はさらに、前記第１の単結晶パッシベーション層の形成中に当該第１の単結晶パッシベーション層の品質を監視することを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１の単結晶パッシベーション層の品質を監視することは、当該第１の単結晶パッシベーション層から反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを取得することを含む、
請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記第１のチャンバ内において前記多層導波構造体を前記第１の切子面の洗浄中に第１の向きで配置し、
前記少なくとも１つの切子面のパッシベーションはさらに、
前記第１のチャンバ内で前記多層構造体を前記第１の向きとは異なる第２の向きで配置することと、
前記第１のチャンバ内で前記多層構造体を前記第２の向きに配置した状態で前記多層導波構造体の第２の切子面を洗浄することと、
を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第１のチャンバ内で前記多層構造体を前記第２の向きで配置することは、
前記第１の切子面の洗浄後に前記多層導波構造体を前記第１のチャンバから前記マルチチャンバＵＨＶシステムの第４のチャンバへ移動することと、
前記第４のチャンバ内で前記多層導波構造体を裏返すことと、
裏返した前記多層導波構造体を前記第４のチャンバから前記第１のチャンバへ移動することと、
を含む、
請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記第１の切子面上への前記第１のパッシベーション層の形成中に前記第２のチャンバ内において前記多層導波構造体を前記第１の向きで配置し、
前記少なくとも１つの切子面のパッシベーションはさらに、
前記第２のチャンバ内で前記多層導波構造体を前記第１の向きとは異なる第２の向きで配置することと、
前記第２のチャンバ内で前記多層構造体を前記第２の向きで配置した状態で第２の切子面上に第２の単結晶パッシベーション層を形成することと、
を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記第２のチャンバ内で前記多層構造体を前記第２の向きで配置することは、
前記第１のパッシベーション層の形成後に前記多層導波構造体を前記第２のチャンバから前記マルチチャンバＵＨＶシステムの第４のチャンバへ移動することと、
前記第４のチャンバ内で前記多層導波構造体を裏返すことと、
裏返した前記多層導波構造体を前記第４のチャンバから前記第２のチャンバへ移動することと、
を含む、
請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第１の切子面の洗浄は、前記多層導波構造体の前記第１の切子面に原子水素を当てることによって当該第１の切子面から酸化物を化学的に除去することを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの切子面のパッシベーションはさらに、前記多層導波構造体を約１５０℃〜約２００℃の間の温度に加熱するために前記多層導波構造体に赤外線を照射することを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のパッシベーション層は、前記多層導波構造体の前記第１の切子面に対して格子整合される、
請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のパッシベーション層を約１０ｎｍ〜約６０ｎｍの間の厚さになるまで施す、
請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のパッシベーション層は、II-VI族半導体化合物材料を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記方法はさらに、前記マルチチャンバＵＨＶシステムの前記ＵＨＶ環境下で、固定具に積層された複数の多層導波構造体を前記ＵＨＶ環境から取り出すことなく、前記複数の各多層導波構造体の少なくとも１つの切子面をパッシベーションすることを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項１４】
マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムであって、
移動アームを備えた中央チャンバと、
各対応するゲートバルブによって前記中央チャンバにそれぞれ結合された複数の２次チャンバと、
を備えており、
前記複数の２次チャンバは、気体放出チャンバと、原子水素洗浄チャンバと、分子線エピタキシーチャンバと、イオンビームスパッタ成膜チャンバと、デバイスフリップチャンバとを含み、
前記移動アームは、前記中央チャンバから前記複数の各２次チャンバ内へ伸長するように構成されており、
前記マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムはさらに、
前記中央チャンバ内および前記複数の２次チャンバ内それぞれにＵＨＶ環境を生成するように動作可能なポンプシステムと、
前記移動アーム、前記ゲートバルブおよび前記ポンプシステムに動作可能に結合された制御システムであって、前記移動アームの動きと前記ゲートバルブの開閉とを自動制御するように構成された制御システムと、
を備えている、マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システム。
【請求項１５】
前記気体放出チャンバは、赤外光源を備えている、
請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記システムはさらに、前記原子水素洗浄チャンバおよび前記制御システムに結合された高周波（ＲＦ）発生器および原子水素源を備えており、
前記制御システムはさらに、前記ＲＦ発生器によって生成される電力を自動制御し、かつ、前記原子水素源から前記洗浄チャンバへの原子水素の流れを自動制御することにより、前記原子水素洗浄チャンバ内にプラズマを駆動するように構成されている、
請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
前記分子線エピタキシーチャンバは、
電子のビームを生成するように動作できる電子銃であって、前記電子のビームを前記分子線エピタキシーチャンバ内のサンプル位置に向かって送るように配置された電子銃と、
前記電子銃によって生成されて前記サンプル位置から回折された電子を検出することによって反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを生成するように配置された検出器と、
を備えている、
請求項１４記載のシステム。
【請求項１８】
デバイスであって、
相反対側にある第１の切子面および第２の切子面を少なくとも備えた多層導波構造体と、
前記多層導波構造体の前記第１の切子面に結合された第１の単結晶パッシベーション層と、
前記多層導波構造体の前記第２の切子面に結合された第２の単結晶パッシベーション層と
を備えており、
前記第１のパッシベーション層および第２のパッシベーション層はそれぞれ、前記多層導波構造体に格子整合されたII-VI族半導体化合物材料を含み、
前記デバイスはさらに、
前記第１のパッシベーション層上の第１の反射コーティングと、
前記第２のパッシベーション層上の第２の反射コーティングと、
を備えている、デバイス。
【請求項１９】
前記多層導波構造体は、
Ｎ型ドープされたＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上の第１のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層と、
前記第１のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層上の第１のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層と、
前記第１のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層上のＩｎＧａＡｓ活性層と、
前記ＩｎＧａＡｓ活性層上の第２のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層と、
前記第２のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層上の第２のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層と、
を含み、
前記第２のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層はＰ型ドープされており、
ここで、ｘは０．１５〜０．６の間であり、かつ、ｙは０．２４〜０．３５の間である、
請求項１８記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第１のパッシベーション層および前記第２のパッシベーション層は、それぞれＺｎＳｅを含む、
請求項１９記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１のパッシベーション層および前記第２のパッシベーション層はそれぞれ、約１０ｎｍ〜約６０ｎｍの間の厚さを有する、
請求項２０記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願開示内容は、レーザ切子面のパッシベーションと、当該パッシベーションを実施するためのシステムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
半導体レーザは、電気エネルギーを光に変換する光電デバイスであり、たとえば特に光通信システム、レーザプリンタ、ディスクドライブ等の種々の用途において使用されるものである。高出力半導体レーザは特に、レーザ加工用途において有用である。高出力半導体レーザの故障の１つの主な根本的原因は、光学端面損傷（ＣＯＭＤ）として知られているものであり、これは典型的には、半導体レーザが高出力で動作する期間が長くなると生じる。高出力パワーでのレーザの動作が長くなると熱が発生し、この熱は、レーザの１つまたは複数の切子面に配置された１つまたは複数のミラーの劣化の原因となる。これにより生じたミラー損傷によってレーザ寿命が短くなり、交換用レーザを入手する必要性によるコストが増大する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
発明の概要
本願開示内容は、半導体レーザ用の高品質のレーザ切子面パッシベーション層の作製と、当該作製を実施するためのシステムとを対象とする。半導体レーザ切子面の準備および当該レーザ切子面上におけるパッシベーション層の形成は全て、統合マルチチャンバＵＨＶシステムを用いて超高真空（ＵＨＶ）環境下で行われる。切子面洗浄およびパッシベーション作製プロセスを全てＵＨＶ環境下で行うことにより、著しく高品質かつ清浄なパッシベーション層界面が達成されて、その結果得られる半導体レーザは優れた性能および信頼性を示し、デバイス故障の根本的原因としてのＣＯＭＤの発生が抑えられ、または解消する。さらに、パッシベーション層成長のその場監視を行うことにより、特定の実施態様では、パッシベーション層の化学量論比および厚さの精密な制御が可能になり、デバイス性能がさらに改善する。
【０００４】
特にたとえばサーマルクリーニング、化学洗浄および分子線エピタキシー等の、パッシベーション層形成プロセスの種々の側面に対応する複数の異なるチャンバを備えた、本願にて記載されている新規の統合マルチチャンバＵＨＶシステムを用いると、高品質のパッシベーション層が得られる。作製プロセス中、コンタミネーションを低減するため、レーザデバイスをＵＨＶ下に保ちながらこれらの異なるチャンバ間を通過させる。さらに、システムはデバイスフリップチャンバも備えることができ、このデバイスフリップチャンバ内において、レーザデバイスの複数の異なる切子面にパッシベーション層作製プロセスを施すことができるようにデバイスの向きを変える。
【０００５】
一般的に一部の側面では、本願開示内容の主題は、多層導波構造体の少なくとも１つの切子面をパッシベーションする方法であって、マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムの第１のチャンバ内で多層導波構造体の第１の切子面を洗浄するステップと、洗浄された多層導波構造体を第１のチャンバからマルチチャンバＵＨＶシステムの第２のチャンバへ移動するステップと、第２のチャンバ内で第１の切子面に第１の単結晶パッシベーション層を形成するステップと、多層導波構造体を第２のチャンバからマルチチャンバＵＨＶシステムの第３のチャンバへ移動するステップと、第３のチャンバ内で第１の単結晶パッシベーション層上に第１の誘電体コーティングを形成するステップとを有し、マルチチャンバＵＨＶシステムのＵＨＶ環境下で、多層導波構造体を当該ＵＨＶ環境から取り出すことなく当該方法を実施する方法で具現化することができる。
【０００６】
本方法の実施態様は、以下の特徴のうち１つまたは複数を具備することができる。たとえば一部の実施態様では、本方法は、第１の単結晶パッシベーション層の形成中に当該第１の単結晶パッシベーション層の品質を監視することを含む。第１の単結晶パッシベーション層の品質の監視は、第１の単結晶パッシベーション層からの反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンの取得を含むことができる。
【０００７】
一部の実施態様では、第１のチャンバ内において多層導波構造体を第１の切子面の洗浄中に第１の向きで配置し、少なくとも１つの切子面のパッシベーションは、第１のチャンバ内で多層構造体を第１の向きとは異なる第２の向きで配置することと、第１のチャンバ内で多層構造体を第２の向きに配置した状態で多層導波構造体の第２の切子面を洗浄することとを含む。第１のチャンバ内で多層構造体を第２の向きに配置することは、第１の切子面の洗浄後に多層導波構造体を第１のチャンバからマルチチャンバＵＨＶシステムの第４のチャンバへ移動することと、第４のチャンバ内で多層導波構造体を裏返すことと、裏返した多層導波構造体を第４のチャンバから第１のチャンバへ移動することとを含むことができる。
【０００８】
一部の実施態様では、第１の切子面上への第１のパッシベーション層の形成中に第２のチャンバ内において多層導波構造体を第１の向きで配置し、少なくとも１つの切子面のパッシベーションは、第２のチャンバ内で多層導波構造体を第１の向きとは異なる第２の向きで配置することと、第２のチャンバ内で多層構造体を第２の向きに配置した状態で第２の切子面上に第２の単結晶パッシベーション層を形成することとを含む。第２のチャンバ内で多層構造体を第２の向きに配置することは、第１のパッシベーション層の形成後に多層導波構造体を第２のチャンバからマルチチャンバＵＨＶシステムの第４のチャンバへ移動することと、第４のチャンバ内で多層導波構造体を裏返すことと、裏返した多層導波構造体を第４のチャンバから第２のチャンバへ移動することとを含むことができる。
【０００９】
一部の実施態様では、第１の切子面の洗浄は、多層導波構造体の第１の切子面に原子水素を当てることによって当該第１の切子面から酸化物を化学的に除去することを含む。
【００１０】
一部の実施態様では、少なくとも１つの切子面のパッシベーションは、多層導波構造体を約１５０℃〜約２００℃の間の温度に加熱するために多層導波構造体に赤外線を照射することを含む。
【００１１】
一部の実施態様では、第１のパッシベーション層は多層導波構造体の第１の切子面に対して格子整合される。
【００１２】
一部の実施態様では、第１のパッシベーション層を約１０ｎｍ〜約６０ｎｍの間の厚さになるまで施す。
【００１３】
一部の実施態様では、第１のパッシベーション層はII-VI族半導体化合物材料を含む。
【００１４】
一部の実施態様では、本方法はさらに、マルチチャンバＵＨＶシステムのＵＨＶ環境下で、固定具に積層された複数の多層導波構造体をＵＨＶ環境から取り出すことなく、複数の各多層導波構造体の少なくとも１つの切子面をパッシベーションすることを含む。
【００１５】
一般的に他の一部の側面では、本願開示内容の主題は、１つまたは複数のマルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムであって、移動アームを備えた中央チャンバと、各対応するゲートバルブによって中央チャンバにそれぞれ結合された複数の２次チャンバとを備えており、複数の２次チャンバは、気体放出チャンバと、原子水素洗浄チャンバと、分子線エピタキシーチャンバと、イオンビームスパッタ成膜チャンバと、デバイスフリップチャンバとを含み、移動アームは、中央チャンバから複数の各２次チャンバ内へ伸長するように構成されており、当該マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムはさらに、中央チャンバ内および複数の２次チャンバ内それぞれにＵＨＶ環境を生成するように動作できるポンプシステムと、移動アーム、ゲートバルブおよびポンプシステムに動作可能に結合された制御システムであって、移動アームの動きとゲートバルブの開閉とを自動制御するように構成された制御システムとを備えた、１つまたは複数のマルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムで具現化することができる。
【００１６】
１つまたは複数のシステムの実施態様は、以下の特徴のうち１つまたは複数を具備することができる。たとえば一部の実施態様では、気体放出チャンバは赤外光源を備えている。
【００１７】
一部の実施態様では、１つまたは複数のシステムは、原子水素洗浄チャンバおよび制御システムに結合された高周波（ＲＦ）発生器および原子水素源を備えており、制御システムはさらに、ＲＦ発生器によって生成される電力を自動制御し、かつ、原子水素源から洗浄チャンバへの原子水素の流れを自動制御することにより、原子水素洗浄チャンバ内にプラズマを駆動するように構成されている。
【００１８】
一部の実施態様では、分子線エピタキシーチャンバは、電子のビームを生成するように動作できる電子銃であって、電子のビームを分子線エピタキシーチャンバ内のサンプル位置に向かって送るように配置された電子銃と、電子銃によって生成されてサンプル位置から回折された電子を検出することによって反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを生成するように配置された検出器とを備えている。
【００１９】
一般的に他の一部の側面では、本願開示内容の主題は、１つまたは複数のデバイスであって、相反対側にある第１の切子面および第２の切子面を少なくとも備えた多層導波構造体と、多層導波構造体の第１の切子面に結合された第１の単結晶パッシベーション層と、多層導波構造体の第２の切子面に結合された第２の単結晶パッシベーション層とを備えており、第１のパッシベーション層および第２のパッシベーション層はそれぞれ、多層導波構造体に格子整合されたII-VI族半導体化合物材料を含み、当該１つまたは複数のデバイスはさらに、第１のパッシベーション層上の第１の反射コーティングと、第２のパッシベーション層上の第２の反射コーティングとを備えているデバイスで具現化することができる。
【００２０】
１つまたは複数のデバイスの実施態様は、以下の特徴のうち１つまたは複数を具備することができる。たとえば一部の実施態様では、多層導波構造体は、Ｎ型ドープされたＧａＡｓ基板と、ＧａＡｓ基板上の第１のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層と、第１のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層上の第１のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層と、第１のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層上のＩｎＧａＡｓ活性層と、ＩｎＧａＡｓ活性層上の第２のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層と、第２のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層上の第２のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層とを含み、第２のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層はＰ型ドープされており、ここで、ｘは０．１５〜０．６の間であり、かつ、ｙは０．２４〜０．３５の間である。
【００２１】
一部の実施態様では、第１のパッシベーション層および第２のパッシベーション層はそれぞれＺｎＳｅを含む。第１のパッシベーション層および第２のパッシベーション層はそれぞれ、約１０ｎｍ〜約６０ｎｍの間の厚さを有することができる。
【００２２】
本方法、本システムおよび本デバイスの上記の実施態様のうち１つまたは複数は、以下の利点のうち１つまたは複数を有することができる。たとえば、統合マルチチャンバシステムの複数の異なる各チャンバがそれぞれＵＨＶに保たれるので、チャンバ間において移動するレーザデバイスサンプルは空気にさらされることはなく、これにより、かかる措置が無いとレーザデバイスの信頼性および寿命を劣化させてしまう酸化物がレーザデバイス表面に形成されることおよびコンタミネーションが減少し、または無くなる。特に、システム内において可動かつ伸長可能な移動アームを備え、かつ、デバイスフリップチャンバを備えていることにより、デバイスの複数の表面を洗浄してパッシベーションするために装置の向きを変更するため、レーザデバイスを大気中へ取り出す必要がなくなる。本願にて記載されている、レーザダイオード切子面の洗浄およびパッシベーションにより、切子面に生じる光学損失が減少し、ＣＯＭＤが減少し、または発生しないレーザダイオードを達成することができる。一部の実施態様では、レーザデバイスから酸化物を除去するために原子水素洗浄を用いることにより、非破壊の酸化物除去プロセスが実現され、洗浄された表面を無損傷状態に維持することができる。無損傷の清浄な表面は、パッシベーション層の高品質の単結晶成長を達成するために有用である。
【００２３】
単結晶パッシベーション層を使用することの利点は、一部の実施形態ではかかる単結晶パッシベーション層が、レーザデバイスの洗浄された切子面表面への異物の堆積を防止することを助け、また、結晶導波構造体上に非晶質の酸化物が再形成するのを阻止することである。さらに、結晶パッシベーション膜は非晶質のパッシベーション膜より大きい程度の高温に耐えることができ、これによって、レーザが使用によって繰り返し加熱したときのレーザデバイス寿命が改善する。さらに、本願開示内容に従って処理された半導体レーザは、特定の実施態様では、格段に改善された性能、信頼性および寿命を達成する。
【００２４】
本願において使用されている「超高真空」（ＵＨＶ）との用語は、約１０−８ｔｏｒｒ以下の圧力によって特徴付けられる真空領域をいうと解される。プロセスガスおよび／またはプラズマがＵＨＶ環境内に存在することによって圧力上昇が生じ得るが、圧力上昇が約１０−５ｔｏｒｒ以下に抑えられており、かつ、プロセスガスおよび／またはプラズマの導入に起因するものであって、不所望のガス粒子の導入および／またはコンタミネーションによるものではない場合には、かかる環境も依然としてＵＨＶとして特徴付けられ得る。
【００２５】
本願において使用されている「フリップ」との用語は、裏返すことによって向きを変えることをいう。
【００２６】
特段の定義が無い限りは、本願において使用される技術用語および科学用語は全て、本発明が属する分野の通常の知識を有する者が通常解する意味と同一の意味を有する。本発明の実施または試験では、本願において記載されている方法および材料と類似または均等範囲の方法および材料を使用することができるが、以下では適した方法および材料を説明する。本願において挙げられている全ての刊行物、特許出願、特許その他参考文献については、参照により、その全ての内容が本願の内容に含まれるものとする。抵触する場合には、本願明細書が、定義も含めて優先する。さらに、材料、方法および実施例は単なる例示であり、本発明を限定することを意図したものではない。
【００２７】
１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。当該説明、図面および特許請求の範囲から、他の特徴および利点が明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】高品質の半導体レーザ切子面パッシベーション層を作製するプロセスの一例を示すフローチャートである。
【図２】図１のプロセスを実施できる統合マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システムを示す概略図である。
【図３】図１のパッシベーションプロセスが施されるレーザデバイスの状態を示す概略図である。
【図４】図１のパッシベーションプロセスが施されるレーザデバイスの別の状態を示す概略図である。
【図５】図１のパッシベーションプロセスが施されるレーザデバイスの別の状態を示す概略図である。
【図６】図１のパッシベーションプロセスが施されるレーザデバイスの別の状態を示す概略図である。
【図７】図１のプロセスで作製されたレーザデバイスの一例を示す概略図である。
【図８】複数の異なる作製プロセスに対する２つの別個のレーザアレイの故障パワーを示すグラフである。
【図９】複数の異なる作製プロセスを使用して構成されたレーザダイオードアレイの寿命試験のグラフである。
【図１０】複数の異なる作製プロセスを使用して構成されたレーザダイオードアレイの寿命試験のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
詳細な説明
図１は、高品質の半導体レーザ切子面パッシベーション層を作製するプロセスの一例１００を示している。図２は、プロセス１００を実施できる統合マルチチャンバ超高真空（ＵＨＶ）システム２００を示している。図３〜図６は、パッシベーションプロセス１００によって向上されたレーザデバイス１０の複数の異なる状態を示している。
【００３０】
図２に示されているように、統合マルチチャンバＵＨＶシステム２００は、中央チャンバ２２０と、複数の２次チャンバ（２０２，２０４，２０６，２０８，２１０）とを備えており、各２次チャンバ（２０２，２０４，２０６，２０８，２１０）はそれぞれ、各対応するゲートバルブ２１２によって中央チャンバに結合されている。各ゲートバルブは通路を有し、この通路内を通って物が移動することができるが、真空を保つように通路を封止することができる。ゲートバルブ２１２はＵＨＶ環境下で使用されるための構成となっており、２次チャンバを中央チャンバ２２０から分離するために供される。複数の２次チャンバはたとえば、気体放出チャンバ２０２と、デバイスフリップチャンバ２０４と、原子水素洗浄チャンバ２０６と、分子線エピタキシーチャンバ２０８と、誘電体コーティングチャンバ２１０（「イオンビームスパッタ成膜（ＩＢＳＤ）チャンバ２１０」ともいう）とを含む。
【００３１】
システム２００はさらに、中央チャンバ２２０に接続された移動アーム２０１も備えている。移動アーム２０１は、中央チャンバ２２０内において伸長可能な金属製の構造物である。移動アーム２０１は一端に、デバイスサンプルをピックアップして固定するためのピックアッププレートを備えている。移動アーム２０１は、２次チャンバ内からサンプルデバイスを把持するため、またはサンプルデバイスを２次チャンバ内へ放すために、２次チャンバ内へ伸長できるように構成されている。たとえば移動アーム２０１は、複数の同心の管状部品から構成された伸長ロッド構造を備えることができ、これらの管状部品は、互いに滑り入れられたときにロッドの長さを短くし、互いに引き出されたときにロッドの長さを長くする。移動アームはさらに、複数の２次チャンバのうちいずれかに対して回転できるように構成されている。たとえば、回転に基づいて移動アーム２０１を中央チャンバ２２０の中心軸２０３まわりに２次チャンバのうちいずれか１つの２次チャンバのゲートバルブに向かって動かすモータ２０１（たとえば圧電モータ）または伝動装置に、移動アームの、ピックアッププレートとは反対側の端部を結合することができる。
【００３２】
システム２００はさらに、ＵＨＶ向けの配管部を介して中央チャンバ２２０と各２次チャンバ（２０２，２０４，２０６，２０８および２１０）とに結合された真空ポンプシステム２３０を備えている。真空ポンプシステム２３０は、中央チャンバ２２０内および複数の２次チャンバ（２０２，２０４，２０６，２０８および２１０）内それぞれにおいてＵＨＶ環境を生成するように動作することができる。複数の異なる各チャンバがそれぞれＵＨＶに保たれるので、チャンバ間において移動するサンプルは空気にさらされることはなく、これにより、レーザデバイスの信頼性および寿命を劣化させてしまう酸化物がレーザデバイス表面に形成されることおよびコンタミネーションが減少し、または無くなる。
【００３３】
システム２００はさらに電子制御システム２４０も備えており、これは、構成要素の中でも特に、（たとえば、移動アーム２０１を駆動するモータに結合された）移動アーム２０１と、ゲートバルブ２１２と、ポンプシステム２３０とに、動作可能に結合されている。制御システム２４０は、移動アームの動きと、ゲートバルブの開閉とを制御するように構成されている。制御システム２４０はさらに、ポンプシステム２３０の動作を制御するように、たとえば、当該ポンプシステム２３０をオンもしくはオフする電子信号、または、各チャンバ内で得られる真空レベルを制御する電子信号の送信等を行うように構成することもできる。一部の実施態様では、チャンバのうち１つまたは複数は、ヒータ、電子銃および検出器等の構成要素を備えることができ、これらも電子制御システム２４０によって制御することができる。たとえば制御システム２４０は、指定された温度に調整するためにヒータ要素へ電子信号を送信し、または電子ビームの強度および／または方向を調整するために電子銃へ電子信号を送信することができる。制御システム２４０は、チャンバ内に備え付けられた検出器から電子信号を受け取ってこの電子信号を処理することにより、その情報を、ユーザが理解するために適した所望の形式に変換することができる。一部の実施態様では、システム２００はさらに、２次チャンバのうち少なくとも１つに結合された１つまたは複数のガス源２５０を備えている。制御システム２４０は、ガス源から当該少なくとも１つの２次チャンバへ供給されるガスのレベルを調整するための供給バルブを制御するように動作することができる。制御システム２４０は、少なくとも１つの電子プロセッサと、これに対応するメモリとを備えており、このメモリは、当該少なくとも１つの電子プロセッサによって実行されるときにプロセス１００の一部または全部を実行する実行可能なコードを記憶する。たとえば、制御システム２４０はプロセス１００の一部または全部を自動的に実行するように構成することができる。これに代えて、一部の実施態様では制御システム２４０は、プロセス１００の一部または全部を実行するための、ユーザによって手動入力された指令を受け取るように構成されている。
【００３４】
図１を参照すると、プロセス１００は最初に、たとえばレーザダイオード等の半導体レーザデバイス１０を統合マルチチャンバＵＨＶシステム２００のロード／気体放出チャンバ２０２へ供給するステップ（１０２）を有する。レーザデバイス１０は、一部完成した状態でチャンバ２０２へ供給される。たとえば図３に示されているように、チャンバ２０２へロードされるレーザデバイス１０は、基板１４上に形成された多層導波構造体１２を備えている。多層導波構造体１２は、光学活性層１６をクラッド層１８によって包囲したものを備えている。クラッド層１８は、光学活性層１６内に光を閉じ込める導波路を構成するように、光学活性層１６の屈折率より低い屈折率を有することができる。構造体１２は電気的コンタクト層を備えることもできる（図示されていない）。光学活性層１６およびクラッド層１８は、たとえばII-VI族またはIII-V族半導体化合物等の半導体材料から構成することができ、これには、たとえば特に、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅが含まれる。たとえばデバイスの一例では、レーザダイオード１０は、約９８０ｎｍのレーザ光を放出するように構成された量子井戸半導体レーザであって、光学活性層１６がＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓから構成され、かつ、クラッド層１８がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓおよび／またはＡｌｙＧａＡｓから構成された量子井戸半導体レーザとすることができる。ここで、ｙは０．１５〜０．６の間の範囲であり、ｘは０．１５〜０．３５の間の範囲である。たとえばＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ等のカルコゲナイドを含む他の化合物を、レーザダイオード材料として使用することもできる。光学活性層１６およびクラッド層１８は、たとえば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）または有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）等の標準的な半導体成膜プロセスを用いて基板１４上に形成することができる。図３に示されている構造体１２は、レーザデバイスの代表例を意図したものであり、本願の開示対象のプロセスを用いて構成できるレーザデバイスの種類を限定するものではない。たとえば、レーザデバイスは２つより多くのクラッド層を有することができ、各クラッド層がそれぞれ異なる組成および／または厚さを有することができる。
【００３５】
半導体レーザデバイス１０をロードする前に、デバイス１０の第１の端面および／または反対側の第２の端面を劈開することにより、第１の切子面２０および／または第２の切子面２２をそれぞれ露出させる。一般的に、光学活性層１６およびクラッド層１８は単結晶構造を有するので、劈開により生じたその切子面は結晶面を露出する（たとえばＧａＡｓレーザダイオードの場合、劈開によって１１０結晶面が露出することができる）。露出した１つまたは複数の切子面は、ＣＯＭＤの原因となり得るコンタミネーションを低減するため、プロセス１００によって洗浄およびパッシベーションされるべきである。このように洗浄およびパッシベーションされた表面により、デバイス１０のパッシベーションされた端面に配置された反射面における反射に基づき、デバイス１０内部において誘導放出により増幅された光の損失が少なくなる。
【００３６】
一部の実施態様では、複数の半導体レーザデバイス１０、たとえば複数のレーザダイオード等を重ね合わせて、統合マルチチャンバＵＨＶシステムのロードチャンバへ供給する。たとえばかかるスタックは、重ね合わされた１５個、２０個、２５個、３０個、３５個、４０個、４５個、５０個、５５個、６０個、６５個または７０個の半導体レーザデバイスを含み、このスタックをロードチャンバへ供給することができる。レーザデバイスはスタックの中で、たとえばＧａＡｓスペーサウェハ等のスペーサウェハによって、互いに分離することができる。一部の実施態様では、複数のレーザデバイスを重ねて、固定具で共に保持する。この固定具はたとえば、複数のレーザデバイスに嵌められてこれらを保持する寸法の金属フレームであって、各レーザデバイスの１つの面の切子面を露出させる開口を有する金属フレームとすることができる。この固定具は、複数のレーザデバイスを重ねたものを有する他の固定具と共に支持具に取り付けて、チャンバ２０２内のサンプルホルダに配置することができる。複数のレーザデバイスをこのように重ねることにより、より多くのレーザデバイスを一度に処理して大量生産できるので、作製プロセスがより効率的になる。たとえば、ベースまたはキャップに結合されたねじ部品等を用いて、レーザデバイス１０、固定具または支持具をサンプルホルダに固定することができる。具体的には、サンプルホルダは、複数の固定具をサンドイッチ状に挟むベースプレートおよびキャッププレートを備えることができ、これらは互いにねじ留めされる。このベースプレートおよび／またはキャップは、レーザデバイス１０（複数のレーザデバイス）の切子面を露出できる開口を有することができる。その後、サンプルホルダを後続処理のためにロードチャンバ内のカセットにロードすることができる。
【００３７】
半導体レーザデバイス１０が統合マルチチャンバＵＨＶシステム２００の気体放出チャンバ２０２内へロードされた後は、気体放出チャンバ２０２を超高真空になるまで排気する。具体的には、処理ステップ中および処理ステップの合間に生じるレーザデバイスのコンタミネーションおよび酸化を低減するため、気体放出チャンバ２０２内の圧力を約１０−８Ｔｏｒｒ以下まで低減する。ＵＨＶシステム２００内の他の残りのチャンバも、ロードチャンバ内の圧力がシステム２００の他のチャンバ内の圧力と一致するように、超高真空に保たれる。気体放出チャンバ内の圧力を低減した後、レーザデバイス１０の露出した切子面（または複数の切子面）に第１の洗浄プロセスを施す。特に、露出した切子面（または複数の切子面）をサーマルクリーニングする（１０４）。
【００３８】
図３は、赤外（ＩＲ）光源３００を備えた気体放出チャンバ２０２内に収容されているレーザデバイス１０の一例を示す概略図である。切子面のサーマルクリーニングはたとえば、ＩＲ光源３００からのＩＲ光をレーザデバイス１０の劈開面の切子面に照射することを含むことができる。ＩＲ光源３００はたとえば、光源の中でも特に発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオードまたはＸｅランプを備えることができる。ＩＲ光は、劈開後の切子面表面に物理的に吸収された水分および異物（たとえば異物の中でも特に、吸収された粒子、Ｎ２、ＣＯ２またはＯ２）を除去するために、半導体レーザデバイス１０を加熱する。加熱中にこのチャンバ内にて測定される温度は、約１５０℃〜約２００℃の間である。レーザデバイス１０には、種々の異なる時間長にわたってＩＲ加熱を施すことができる。たとえば一部の実施態様では、レーザデバイス１０にＩＲ加熱を１０分間、１５分間、２０分間、３０分間、または４０分間も施すことができる。他の加熱時間も可能である。チャンバ圧は、加熱プロセスにかけるべき時間の良好な指標となり得る。その理由は、異物の気体放出によって、まずチャンバ内の圧力が上昇し、その後に圧力が連続的に低下していくからである。圧力が低下して所望の閾値（たとえば５×１０−７Ｔｏｒｒ）を下回った場合、サーマルクリーニングプロセスが終了したとみなすことができる。
【００３９】
ここで説明しているように、一部の実施態様では、デバイス１０をチャンバ２０２内にロードする前に、レーザデバイス１０の少なくとも２つの切子面（たとえば、デバイス１０の２つの相反対側の端面）を劈開する。ロード後、レーザデバイス１０の１つの劈開面の切子面のみにＩＲ光源３００からのＩＲ光が照射されるように、レーザデバイス１０をチャンバ２０２内のサンプルホルダに配置してその向きを調整する。複数のレーザデバイス１０がロードされる場合には、ＩＲ光源３００からのＩＲ光の方を向いた、各レーザデバイスの劈開面の切子面が１つのみとなるように、サンプルホルダの向きを調整する。
【００４０】
一般的に一部の実施態様では、ＣＯＭＤを引き起こしてそれに起因する切子面界面の劣化の原因となるコンタミネーションを低減するため、デバイス１０の１つの切子面だけでなく、その反対側の切子面も洗浄することが好ましい場合があり得る。１つの劈開面の切子面にＩＲ光が照射されるようにレーザデバイス１０は向きを調整されて配置されているので、他の切子面も洗浄できるようにするためには、レーザデバイスの向きを変更しなければならない。特に、プロセス１００はオプションとして、レーザデバイス１０の第２の劈開面の切子面にＩＲ光を照射できるように、レーザデバイス１０を気体放出チャンバ２０２内において第１の向きから別の第２の向きに再配置するステップを有する。
【００４１】
チャンバ２０２内においてレーザデバイス１０の向きを再配置するため、システム２００は移動アーム２０１とフリップチャンバ２０４とを備えている。特に、レーザデバイス１０を再配置するプロセスは、まず移動アーム２０１をシステム２００の中央チャンバから気体放出チャンバ２０２内へ伸長してから、レーザデバイス１０を移動アーム２０１に固定することを含むことができる。１つまたは複数のレーザデバイス１０がサンプルホルダに取り付けられる場合、移動アーム２０１がサンプルホルダを固定することができる。たとえば、移動アームの、チャンバ内へ伸長する端部が、ピックアッププレート（「エンドエフェクタ」ともいう）を備えることができる。エンドエフェクタは、当該エフェクタから突起する複数のピン（たとえば４つのピン）を備えることができ、これらのピンは、固定具および／または支持体を配置できる領域を形成するように相互に離隔している。ピンによって形成されたこの領域内にサンプルホルダが配置された場合、ピンはサンプルホルダをその場所に保持するように機能する。たとえば、移動アーム２０１は中央クラスタチャンバからロードチャンバ２０２へ伸長して、選択されたサンプルホルダの下方で動くことができる。移動アーム２０１は、サンプルホルダの下方に位置決めされると、サンプルホルダを下方からエンドエフェクタによって支持しながら、ピンによって形成された領域内にサンプルホルダを位置決めするように上方に向かって移動する。レーザデバイス１０は、固定された後、移動アーム２０１を使用して気体放出チャンバ２０２からフリップチャンバ２０４へ移動される。たとえば、レーザデバイス１０を保持する移動アームは中央チャンバ内へ引っ込むことができ、その後アーム２０１は、フリップチャンバ２０４を封止するゲートバルブとアライメントするように回転する。その後、移動アーム２０１がフリップチャンバ２０４内へ伸長できるように、フリップチャンバのゲートバルブを開弁することができる。次に移動アーム２０１は、レーザデバイスを収容するサンプルホルダを、フリップチャンバ２０４内に収容されている支持基板上に放すことができる。レーザデバイス１０を収容するサンプルホルダは、たとえば二叉フォーク形のクランプ具等によって、支持基板に固定される。その後、支持基板に結合された電動式の位置決め装置がサンプルホルダの向きを変更することによって、レーザデバイス１０の向きも変更するようにする。たとえば、電動式の位置決め装置が中心軸まわりに支持基板を回転させることにより支持基板をフリップして逆さまにし、これと共にサンプルホルダをフリップして逆さまにすることができる。電動式位置決め装置はたとえば、電子制御信号を用いて動作する圧電モータを備えることができる。
【００４２】
フリップチャンバ２０４内でレーザデバイス（または複数のレーザデバイス）の向きを変更した後、移動アーム２０１は、当該変更した向きを有するレーザデバイス１０を収容するサンプルホルダをピックアップするため、フリップチャンバ２０４内へ伸長する。その後、移動アーム２０１を使用して、フリップされたレーザデバイス１０を気体放出チャンバ２０２へ移動して戻し、移動アーム２０１は、レーザデバイス１０（または複数のレーザデバイス）を収容するサンプルホルダをもう一度チャンバ２０２内で、しかし変更された向きで（たとえば逆さまにフリップされた状態で）配置する。その後、移動アーム２０１は中央チャンバに引っ込む。システム２００の全てのチャンバがＵＨＶ環境下に保たれるので、レーザデバイスを気体放出チャンバ２０２からフリップチャンバ２０４へ移動させて気体放出チャンバ２０２へ戻すまでの全てのプロセスがＵＨＶ下で行われ、このことによって、劈開面の切子面表面のコンタミネーションの低減が助長される。
【００４３】
ここで、レーザデバイス１０を第２の向きで配置および位置決めすることにより、気体放出チャンバ２０２内で第２の劈開面の切子面にＩＲ光源からのＩＲ熱を照射してデバイスを約１５０℃〜約２００℃の間の温度に加熱することによって、第２の切子面をサーマルクリーニングすることができる。ここでも、レーザデバイスにＩＲ熱を照射する期間は変わることができ、たとえば特に、１０分間、１５分間、２０分間、３０分間または４０分間を含むことができる。
【００４４】
サーマルクリーニング（１０４）を行った後、ＵＨＶシステム内でレーザデバイス１０に化学洗浄（１０６）を施す。化学洗浄の目的は、劈開後のレーザデバイス切子面表面上に形成された酸化物を除去することである。たとえば一部の実施態様では、多層導波構造体を大気条件下（たとえば常温かつ非真空）で劈開すると、導波構造体の露出した単結晶材料が酸化して非晶質の酸化物層を形成し、この酸化物層は異物を捕捉する。この非晶質の酸化物層がＣＯＭＤを助長し得る。
【００４５】
化学洗浄（１０６）を行うためには、移動アーム２０１によってレーザデバイス１０（または複数のレーザデバイス）を気体放出チャンバ２０２から原子水素洗浄チャンバ２０６へ移動させる。移動アーム２０１は、レーザデバイス１０を収容するサンプルホルダをチャンバ２０６内の支持基板上に配置し、デバイス１０（または複数のデバイス）を収容するサンプルホルダは固定される。レーザデバイス１０の移動中、チャンバ２０６内および中央チャンバ内の圧力はＵＨＶに保たれる。
【００４６】
チャンバ２０６は原子水素源を備えており、この原子水素源は、水素分子を熱分解することにより（たとえば、電子衝撃加熱されるタングステンキャピラリ細管で水素を熱解離することにより）、またはチャンバ２０６内で水素プラズマを使用して原子解離することにより、原子水素を生成する。酸化物を除去するために原子水素洗浄を用いることの、たとえばイオンエッチングとは対照的な利点は、原子水素洗浄は、洗浄された表面を無損傷状態に維持する非破壊のプロセスであることであり、原子水素洗浄を用いないと、洗浄された表面はさらなるＣＯＭＤの原因となり、また、これによりデバイス寿命の短縮になる。無損傷の清浄な表面は、パッシベーション層の高品質の単結晶成長を達成するために有用である。
【００４７】
図４は、原子水素洗浄チャンバ２０６内に収容されたレーザデバイス１０の一例を示しており、レーザデバイス１０の切子面は水素プラズマを用いて洗浄される。水素プラズマを用いて洗浄を行うためには、チャンバ内の温度を約３００℃〜４００℃の間の温度に加熱し、この温度で約１０分間安定化する。好適には、コンタクト金属が多層導波構造体の半導体層に拡散するのを回避するため、洗浄温度は約４００℃を超えない。その後、チャンバを未だ加熱させながら、チャンバ２０６内にアルゴン‐水素混合ガスを導入する。チャンバ２０６内の高周波（ＲＦ）発生器４００が、Ａｒ‐Ｈ混合ガスからプラズマを約１０〜２０分間点弧する。その後、切子面表面を洗浄する水素のみのプラズマを供給するため、チャンバへ供給されるガスを純粋な水素に切り替える。約２桁の酸化物減少を達成するためには、洗浄時間は約２０〜約６０分の範囲内である。一部の実施態様では、プロセスガスおよびプラズマの存在が、チャンバ２０６内の圧力の上昇を引き起こし得る。たとえば、プラズマの点弧後、チャンバ２０６内の圧力は１０−５Ｔｏｒｒにまで上昇し得る。かかる圧力上昇にかかわらず、チャンバ２０６内の不所望のガスまたは異物の存在を低濃度に維持できるので、かかる環境は依然として超高真空であるといえる。
【００４８】
原子水素がレーザデバイス１０の１つの露出した劈開面切子面のみと反応するように、レーザデバイス１０をチャンバ２０６内に配置し、その向きを調整する。複数のレーザデバイス１０がロードされる場合には、各レーザデバイスの、原子水素によって化学洗浄される劈開面の切子面が１つのみとなるように、レーザデバイス１０を収容するサンプルホルダの向きを調整して、これをサンプルホルダ上に配置する。
【００４９】
一部の実施態様では、チャンバ２０６は電子源４０２と電子検出器（たとえば光ルミネセンス検出器）４０４とを備えており、電子源４０２は、当該電子源からサンプル表面に向けて電子を送るように配置されており、検出器４０４は、サンプルによって回折された電子を検出する。たとえば電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを用いて、検出器において生成された反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを監視して調べることにより、切子面表面の化学洗浄がどの程度良好に進行したかを評価することができる。一部の実施態様では、ＲＨＥＥＤパターンの監視を化学洗浄と同時に行うことができる。酸化物材料の十分な洗浄／除去がなされたことを示唆する所望のパターンが現れた場合、システム６００のユーザはチャンバ６０６内の原子水素洗浄プロセスを手動で終了することができる。これに代えて一部の事例では、スクリーン上に現れたパターンを電子制御システムによって画像処理を用いて評価することにより、所望のパターンが観測された場合には、制御システムは原子水素洗浄プロセスを自動的に終了する。一部の実施態様では、ＲＨＥＥＤパターンを評価する間、原子水素洗浄を一時停止することができる。
【００５０】
サーマルクリーニングと同様、一部の実施態様では、ＣＯＭＤの原因となるコンタミネーションを低減するため、相反対側の両切子面（たとえば切子面２０および２２）から非晶質の酸化物を除去するのが好適である。反対側の切子面を化学洗浄するためには、反対側の切子面に原子水素を当てることができるように、チャンバ２０６内におけるレーザデバイス１０の向きを変更する。特に、プロセス１００はオプションとして、レーザデバイス１０の第２の劈開面の切子面２２に原子水素を当てることができるように、レーザデバイス１０をチャンバ２０６内において第１の向きから別の第２の向きに再配置するステップを有する。
【００５１】
レーザデバイス１０の向きを再配置するためには、移動アーム２０１がレーザデバイス（または複数のレーザデバイス）を取得するためにシステム２００の中央チャンバから原子水素洗浄チャンバ２０６内へ伸長する。レーザデバイス１０は、移動アーム２０１を使用して洗浄チャンバ２０６からフリップチャンバ２０４へ移動される。たとえば、レーザデバイス１０を保持する移動アーム２０１は中央チャンバ内へ引っ込むことができ、その後アーム２０１は、フリップチャンバ２０４を封止するゲートバルブとアライメントするように回転する。その後、移動アーム２０１がフリップチャンバ２０４内へ伸長できるように、フリップチャンバのゲートバルブを開弁することができる。次に移動アーム２０１は、フリップチャンバ２０４内に収容されている支持基板上にレーザデバイス１０を配置することができ、デバイス１０は固定される。その後、上記にて説明したように、ホルダに結合された位置決め装置を用いてサンプルホルダの向きを変更する（たとえば逆さまにフリップする）。
【００５２】
フリップチャンバ２０４内でレーザデバイス（または複数のレーザデバイス）の向きを変更した後、移動アーム２０１は、レーザデバイス１０を収容し当該変更した向きを有するサンプルホルダをピックアップするため、フリップチャンバ２０４内へ伸長する。その後、移動アーム２０１を使用して、フリップされたレーザデバイス１０を洗浄チャンバ２０６へ移動して戻し、移動アーム２０１は、レーザデバイス１０（または複数のレーザデバイス）を収容するサンプルホルダをもう一度チャンバ２０６内の支持基板上に、しかし変更された向きで（たとえば逆さまにフリップされた状態で）配置する。その後、移動アーム２０１は中央チャンバに引っ込む。レーザデバイスを原子水素洗浄チャンバ２０６からフリップチャンバ２０４へ移動して原子水素洗浄チャンバ２０６に戻すプロセスは全て、ＵＨＶ下で行われる。
【００５３】
化学洗浄（１０６）を行った後、レーザデバイス１０の洗浄された１つまたは複数の切子面上に単結晶パッシベーション層を形成する（１０８）。かかる単結晶パッシベーション層の利点は、単結晶パッシベーション層が、レーザデバイス１０の洗浄された切子面表面への異物の堆積を防止することを助け、また、結晶導波構造体上に非晶質の酸化物が再形成するのを阻止することである。さらに、結晶パッシベーション膜は非晶質のパッシベーション膜より大きい程度の高温に耐えることができ、これによって、レーザが使用中に繰り返し加熱したときのレーザデバイス寿命が改善する。パッシベーション層を形成するためには、移動アーム２０１によってレーザデバイス１０（または複数のレーザデバイス）を原子水素洗浄チャンバ２０６からＭＢＥチャンバ２０８へ移動させる。移動アーム２０１は、レーザデバイス１０を収容するサンプルホルダをチャンバ２０８内の支持基板上に配置し、サンプルホルダは固定される。レーザデバイス１０の移動中、ＭＢＥチャンバ２０８内および中央チャンバ内の圧力はＵＨＶに保たれる。
【００５４】
固体源ＭＢＥでは、エピタキシャル膜を構成する超高純度形態（たとえば純度９９．９９９％）の元素を供給し、クヌーセン噴出セル内でこれらが昇華するまで加熱することができる。このようにして、気体材料はサンプル表面に凝縮する。当該材料は、単結晶構造に付着して凝縮すると、それ自体が単結晶層を形成することができる。好適には、格子不整合に起因してパッシベーション層に生じる応力を制限するため、下方の多層導波構造体と同一または略同一の格子定数を有するように、単結晶パッシベーション層を多層導波構造体上に形成する。応力が過度に高くなると、これがパッシベーション層に欠陥が形成される原因となり、この欠陥がＣＯＭＤを引き起こし得る。
【００５５】
一例として、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから構成された多層導波路は、閃亜鉛鉱構造で晶析する。ＭＢＥを用いると、同一または略同一の格子定数を有する同一の閃亜鉛鉱結晶構造でＺｎＳｅパッシベーションエピタキシャル層を導波構造体上に形成することができる。図５は、ＭＢＥチャンバ２０８内に収容されたレーザデバイス１０の一例を示しており、チャンバ２０８は、レーザデバイス１０の切子面２０上にパッシベーション層５０２を形成するための超高純度の固体源を入れたセル５００を備えている。
【００５６】
ＭＢＥおよびＵＨＶ環境を用いて単結晶パッシベーション層を成長させることにより、原子レベルで平坦かつ清浄なパッシベーション層を達成することができる。さらに、ＭＢＥは熱平衡状態ベースのプロセスであるから、ＭＢＥは一般的に、特定のパッシベーション層厚についてはパッシベーション層の形成に関して非破壊的であり、よって、その下方の多層導波構造体の高度に結晶質の配列を維持することができる。たとえば、十分な切子面電子閉じ込めを達成するため、かつ、ヘテロエピタキシャル成長に起因する欠陥吸収を低減するためには、パッシベーション層は約１０ｎｍ〜約６０ｎｍの間の範囲の厚さを有しなければならない。層がより厚くなると、多層導波構造体上におけるヘテロエピタキシャル成長の内因性の欠陥に起因して結晶品質が低減し得る。
【００５７】
チャンバ２０８は、パッシベーション層を形成するための単元素供給源を備えることができる。たとえば一部の実施態様では、ＺｎＳｅパッシベーション層を形成するため、チャンバ２０８は別個の超高純度Ｚｎ元素供給源およびＳｅ元素供給源を備えることができる。これに代えて、チャンバ２０８は化合物成分供給源を備えることもできる。たとえば一部の実施態様では、ＺｎＳｅパッシベーション層を形成するため、チャンバ２０８はＺｎＳｅ化合物供給源を１つ備えることが可能である。一部の実施態様では、導波路からの光吸収の吸収を阻止してレーザデバイス信頼性を向上するため、導波構造体に対して相対的に高いバンドギャップを有する材料を含むパッシベーション層を形成するのが好適である。相対的に広幅のバンドギャップを有し、かつ、ＧａＡｓと格子整合または略格子整合する他のパッシベーション層材料の例には、ＢｅＴｅ，ＺｎＳ，ＣｄＳｅおよびＢｅＣｄＳｅが含まれるが、これらは限定列挙ではない。ここで説明しているように、導波構造体の光学活性材料はＧａＡｓに限定されず、たとえばＩｎＰまたはＧａＮ等の他の材料も含むことができる。比較的広幅のバンドギャップを有し、かつ、ＩｎＰに対応して格子整合された構造を有するパッシベーション層の例には、たとえばＺｎＳｅが含まれる。比較的広幅のバンドギャップを有し、かつ、ＧａＮに対応して格子整合された構造を有するパッシベーション層の例には、たとえばＢｅＳｅが含まれる。
【００５８】
一部の実施態様では、昇華原材料の存在が、チャンバ内２０８の圧力の上昇を引き起こし得る。たとえば、チャンバ２０８内の圧力は１０−５Ｔｏｒｒにまで上昇し得る。かかる圧力上昇が生じても、チャンバ２０８内の不所望のガスまたは異物の存在を低濃度に維持できるので、かかる環境は依然として超高真空であるといえる。
【００５９】
チャンバ２０８内の温度は約２５０℃〜約３５０℃の間の温度に維持され、コンタクト金属が多層導波構造体の半導体層に拡散するのを回避するためには、当該温度は約４００℃を超えてはならない。
【００６０】
マルチチャンバＵＨＶシステム６００に関連付けられた電子制御システムは、各供給源（単元素供給源または化合物成分供給源）より手前にあるシャッタの開閉を選択的に調整することによって堆積速度を変更することにより、サンプルに堆積される供給源材料の量を正確に制御することができる。複数の単元素供給源を用いる場合には、堆積速度を異なる供給源材料ごとに別個に調整できるので、電子制御システムはパッシベーション層の化学量論比も正確に制御することができる。
【００６１】
成長条件（たとえば特に膜厚、堆積速度、または均一性）を、ＲＨＥＥＤパターンの観測に基づいてその場監視することができる。ＲＨＥＥＤを用いてパッシベーション層成長を監視することにより、層厚、平坦性および化学量論比を非常に正確に制御することができ、これによって、ＣＯＭＤの発生を格段に低減してレーザデバイス寿命を格段に長くした、著しく高品質のパッシベーション層を得ることができる。原子水素洗浄チャンバ２０６と同様に、チャンバ２０８は電子銃５０４と電子検出器（たとえば光ルミネセンス検出器）５０６とを備えることができ、供給源５０４は、サンプル表面に向けて電子を送るように配置されており、検出器５０６は、サンプルによって回折された電子を検出する。たとえば電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを用いて、検出器において生成されたＲＨＥＥＤパターンを監視して調べることにより、成長条件を評価することができる。システム６００のユーザは、観測されたＲＨＥＥＤパターンの観測に基づいて堆積プロセスを手動で調整すること（たとえば、１つまたは複数の供給源成分の堆積速度を変えること）ができる。これに代えて、マルチチャンバＵＨＶシステム６００に関連付けられた電子制御システムが画像処理技術を用いて、所望のＲＨＥＥＤパターンおよび膜厚が得られるまで、ＲＨＥＥＤパターンを特定して堆積プロセスを自動的に調整することもできる。
【００６２】
レーザデバイス１０の１つの露出し洗浄された切子面（たとえば切子面２０）のみにパッシベーション層５０２が形成されるように、レーザデバイス１０をチャンバ２０８内の支持基板上に配置し、その向きを調整する。複数のレーザデバイス１０がロードされる場合には、単結晶パッシベーション層が形成される、各レーザデバイスの劈開面の切子面が１つのみとなるように、複数のレーザデバイスの向きを調整してこれらを配置する。
【００６３】
一部の実施態様では、切子面上に異物や非晶質の酸化物層が形成されるのを防止するため、レーザデバイス１０の相反対側の両切子面（たとえば切子面２０および２２）にパッシベーション層を形成するのが好適である。反対側の切子面にパッシベーション層を形成するためには、反対側の切子面にＭＢＥプロセスで供給源材料を当てることができるように、チャンバ２０８内におけるレーザデバイス１０の向きを変更する。特に、プロセス１００はオプションとして、レーザデバイス１０の第２の劈開面の切子面２２に供給源材料を当てることができるように、レーザデバイス１０をチャンバ２０８内において第１の向きから別の第２の向きに再配置するステップを有する。
【００６４】
レーザデバイス１０の向きを再配置するためには、移動アーム２０１がレーザデバイス（または複数のレーザデバイス）を収容するサンプルホルダを取得するためにシステム２００の中央チャンバからＭＢＥチャンバ２０８内へ伸長する。レーザデバイス１０は、移動アーム２０１を使用してＭＢＥチャンバ２０８からフリップチャンバ２０４へ移動される。たとえば、レーザデバイス１０を保持する移動アーム２０１は中央チャンバ内へ引っ込むことができ、その後アーム２０１は、フリップチャンバ２０４を封止するゲートバルブとアライメントするように回転する。その後、移動アーム２０１がフリップチャンバ２０４内へ伸長できるように、フリップチャンバのゲートバルブを開弁することができる。次に移動アーム２０１は、フリップチャンバ２０４内の支持基板上にレーザデバイス１０を配置することができ、デバイス１０は固定される。その後、上記にて説明したように、ホルダに結合された位置決め装置を用いて、レーザデバイスを収容するサンプルホルダの向きを変更する（たとえば逆さまにフリップする）。
【００６５】
フリップチャンバ２０４内においてレーザデバイス（または複数のレーザデバイス）の向きを変更した後、移動アーム２０１は、変更された向きを有するレーザデバイス１０を収容するサンプルホルダをピックアップするために、フリップチャンバ２０４内へ伸長して、その後、サンプルをＭＢＥチャンバ２０８へ移動して戻し、移動アーム２０１は、レーザデバイス１０（または複数のレーザデバイス）をもう一度チャンバ２０８内の支持基板上に、しかし変更された向きで（たとえば逆さまにフリップされた状態で）配置する。ＭＢＥチャンバ２０８、中央チャンバおよびフリップチャンバ２０４はＵＨＶ下にあるので、レーザデバイスを移動、フリップおよび移動するプロセスは全て、ＵＨＶ下で行われる。
【００６６】
１つまたは複数の単結晶パッシベーション層を形成した後、プロセス（１００）は、誘電体コーティング／層をパッシベーション層上に形成するステップ（１１０）を有することができる。誘電体コーティングを形成する目的は、多層導波構造体への光学帰還と、パッシベーション層の保護との双方を達成することである。さらに、十分に高い密度を有する誘電体コーティングの場合、導波構造体からの光の光学吸収の量を低減することができ、これによってレーザデバイス効率が改善される。
【００６７】
誘電体層を形成するためには、移動アーム２０１によってレーザデバイス１０（または複数のレーザデバイス）を収容するサンプルホルダをＭＢＥチャンバ２０８から誘電体コーティングチャンバ２１０へ移動させる。移動アーム２０１は、レーザデバイス１０をチャンバ２１０内の支持基板上に配置し、デバイス（または複数のレーザデバイス）は固定される。レーザデバイス１０の移動中、コーティングチャンバ２１０内および中央チャンバ内の圧力はＵＨＶに保たれる。
【００６８】
図６は、コーティングチャンバ２１０内に収容されたレーザデバイス１０の一例を示している。コーティングチャンバ２１０は、イオンビームスパッタ源６００と、ＩＢＳＤを行うための１つまたは複数のターゲット６０２とを備えることができる。ターゲット６０２からの材料がサンプル上に誘電体層６０４としてスパッタ蒸着されるように、イオンビームスパッタ源６００によって生成されたイオンビーム６０３をターゲット６０２に向かって送る（６０５）。マルチチャンバＵＨＶシステム６００に関連付けられた電子制御システム２４０は、イオンビームスパッタ源６００によって生成されるイオンビームの強度を調整することにより、サンプルに堆積されるターゲット材料の量を正確に制御することができ、これによって誘電体コーティングの厚さを正確に制御することができる。
【００６９】
誘電体材料がレーザデバイス１０の１つの切子面に堆積するように、レーザデバイス１０をチャンバ２１０内の支持基板上に配置し、その向きを調整する。複数のレーザデバイス１０がロードされる場合には、誘電体層６０４が形成される、各レーザデバイスの劈開面の切子面が１つのみとなるように、複数のデバイス１０の向きを調整してこれらを配置する。
【００７０】
一部の実施態様では、スパッタ蒸着される材料の存在が、チャンバ２１０内の圧力の上昇を引き起こし得る。たとえば、チャンバ２１０内の圧力は１０−５Ｔｏｒｒにまで上昇し得る。かかる圧力上昇が生じても、チャンバ２１０内の不所望のガスまたは異物の存在を低濃度に維持できるので、かかる環境は依然として超高真空であるといえる。
【００７１】
一部の実施態様では、多層導波構造体の１つの切子面が、所望の波長を有する光を反射する高反射率（ＨＲ）膜を成す誘電体コーティングによってカバーされており、それに対して、当該多層導波構造体の反対側の第２の切子面は、所望の波長を有する増幅された光を当該構造体からレーザ光として出射させることができる、僅かに低い反射率（ＡＲ膜）の膜によってカバーされている。これに代えて一部の実施態様では、導波構造体の両切子面がＡＲ膜を有し、反射光学キャビティを画定するために外部帰還部が設けられている。たとえば外部帰還部は、１つもしくは複数のミラーまたはボリュームブラッググレーティングを備えることができる。ＨＲ膜またはＡＲ膜のいずれかが、誘電体材料の単層または複数の層を有することができる。たとえば、ＡＲ膜が、放出波長の約１／４に等しい厚さを有する単層であって、たとえば特にＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２Ｏ５、Ａ１２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５またはＴｉＯ２等の誘電体材料のうち１つまたは複数の組み合わせを含む単層を有することができる。これに代えてＡＲ膜は、導波構造体から放出される特定の波長に対応した、誘電体材料の複数の層から構成されているブラッグミラーを有することもできる。ＨＲ膜を形成するためにも、同様の手法を用いることができる。
【００７２】
誘電体コーティングが両切子面に形成される実施態様では、第１および第２の相反対側の両切子面に誘電体材料がコーティングされるように、チャンバ２１０内におけるレーザデバイス１０の向きを変更する。特に、プロセス１００はオプションとして、レーザデバイス１０の第２の劈開面の切子面に、スパッタされた誘電体材料を当てることができるように、レーザデバイス１０をチャンバ２１０内において第１の向きから別の第２の向きに再配置するステップを有する。
【００７３】
レーザデバイス１０の向きを再配置するためには、移動アーム２０１がレーザデバイス（または複数のレーザデバイス）を収容するサンプルホルダを取得するためにシステム２００の中央チャンバから誘電体コーティングチャンバ２１０内へ伸長する。レーザデバイス１０は、移動アーム２０１を使用して誘電体コーティングチャンバ２１０からフリップチャンバ２０４へ移動される。たとえば、レーザデバイス１０を保持する移動アーム２０１は中央チャンバ内へ引っ込むことができ、その後アーム２０１は、フリップチャンバ２０４を封止するゲートバルブとアライメントするように回転する。その後、移動アーム２０１がフリップチャンバ２０４内へ伸長できるように、フリップチャンバのゲートバルブを開弁することができる。次に移動アーム２０１は、フリップチャンバ２０４内の支持基板上にレーザデバイス１０を配置することができ、デバイス１０は固定される。その後、上記にて説明したように、ホルダに結合された位置決め装置を用いて、サンプルホルダの向きを変更し、ひいては、サンプルホルダによって保持されたレーザデバイスの向きを変更する（たとえば逆さまにフリップする）。
【００７４】
フリップチャンバ２０４内においてレーザデバイス（または複数のレーザデバイス）の向きを変更した後、移動アーム２０１は、変更された向きを有するレーザデバイス１０をピックアップするために、フリップチャンバ２０４内へ伸長して、その後、サンプルを誘電体コーティングチャンバ２１０へ移動して戻し、移動アーム２０１は、レーザデバイス１０（または複数のレーザデバイス）をもう一度チャンバ２１０内のサンプルホルダ上に、しかし変更された向きで（たとえば逆さまにフリップされた状態で）配置する。誘電体コーティングチャンバ２１０、中央チャンバおよびフリップチャンバ２０４はＵＨＶ下にあるので、レーザデバイスを移動、フリップおよび移動するプロセスは全て、ＵＨＶ下で行われる。
【００７５】
図７は、本願にて開示されたプロセス１００を用いて構成されたレーザデバイス７００の一例を示している。レーザデバイス７００は、基板７１４上に形成された多層導波構造体を備えている。基板７１４はたとえば、Ｎ型ドープされたＧａＡｓ（たとえば、Ｓｉをドーパント材料として使用する）を含む。多層導波構造体は、ＩｎＧａＡｓから成る光学活性層７１６を複数のクラッド層７１８によって包囲したものを備えている。クラッド層７１８はたとえば、ＧａＡｓ基板上の少なくとも第１のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層７１８ａと、第１のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層７１８ａ上の少なくとも第１のＡｌｙＧａ１−yＡｓクラッド層７１８ｂと、ＩｎＧａＡｓ活性層上の第２のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層７１８ｃと、第２のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓクラッド層上の第２のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層７１８ｄとを含み、第２のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層７１８ｄはＰ型ドープされている（たとえば、Ｃをドーパント材料として使用する）。ｘの値は０．１５〜０．６の間であり、ｙの値は０．１５〜０．３５の間である。デバイス７００はさらに、多層導波構造体７１２の第１および第２の相反対側の各切子面に形成されたＺｎＳｅ単結晶パッシベーション層７０２と、第１の切子面上のＡｌ２Ｏ３ＡＲコーティング７０４と、第２の切子面上のＡｌ２Ｏ３ＨＲコーティング７０６とを備えている。
【００７６】
実験結果
図８は、複数の異なる作製プロセスに対する２つの別個のレーザアレイの故障パワーを示すグラフである。第１のアレイのレーザは、完全にＵＨＶ条件下で形成された単結晶パッシベーション層を備えるように、本願にて開示されているプロセスを用いて準備された。第２のアレイの第２のレーザは、処理中にＵＨＶ条件が保たれなかったものではない非晶質のパッシベーション層を用いて準備された。各レーザアレイは８つのレーザダイオードを有し、各アレイの幅は１０ｍｍであり、キャビティ長は４ｍｍであった。これらのアレイは、試験中は銅ブロックに取り付けられていた。その試験は、パルスレーザ（パルス持続時間１００μｓ、デューティ比０．１％）を用いて行われた。
【００７７】
図８のグラフで分かるように、本願にて開示されている新規のプロセスを用いて構成されたレーザダイオード（８０２）は、発光源１個あたり約４３Ｗの最大パワーで故障した。これは、本願にて開示されているプロセスを用いずに構成されたデバイス（８０４）の故障パワー（発光源１個あたり約１０Ｗ）の約４倍である。さらに、本願にて開示されている新規のプロセスを使用して構成された、故障した発光源の目視検査では、ＣＯＭＤがデバイス故障の根本的原因から除外されたのに対し、発光源１個あたり約１０Ｗで故障したデバイスについては、ＣＯＭＤが故障の根本的原因であると特定された。
【００７８】
図９は、本願にて開示されている新規のプロセスにより構成されたレーザダイオードデバイスのアレイ（９０２）および本願にて教示されている単結晶パッシベーション層を用いずに作製されたレーザダイオードデバイスのアレイ（９０４）の寿命試験のグラフである。特に、同グラフは時間に対する正規化された出力パワーを示している。各レーザアレイは８つのレーザダイオードを有し、各アレイの幅は１０ｍｍであり、キャビティ長は４ｍｍであった。これらのデバイスの試験は、１秒のオン持続時間と１秒のオフ持続時間と（０．５Ｈｚ、デューティ比５０％）で１アレイあたり９５Ａ（発光源１個あたり１２Ａ）のパルス電流を印加することによって行われた。図９で分かるように、本願にて開示されている新規のプロセスを用いて構成されたレーザダイオードアレイ（９０２）の場合、７０００時間以上の動作後、有意な劣化は観測されなかった。それに対して、本願にて教示されている単結晶パッシベーション層を用いずに構成されたレーザダイオードアレイ（９０４）の場合、デバイスは１０００時間未満で故障した。
【００７９】
図１０は、本願にて開示されている新規のプロセスにより構成されたレーザダイオードデバイスのアレイ（１００２）および本願にて教示されている単結晶パッシベーション層を用いずに作製されたレーザダイオードデバイスのアレイ（１００４）の寿命試験のグラフである。特に、同グラフは時間に対する正規化された出力パワーを示している。各レーザアレイは８つのレーザダイオードを有し、各アレイの幅は１０ｍｍであり、キャビティ長は４ｍｍであった。図７〜図８にて試験されたデバイスとの相違点として、図９に示されているグラフに係る試験が行われたデバイスは、パッシベーション層表面の誘電体反射コーティングとは異なり、外部ボリュームブラッググレーティング帰還部を備えるものであった。これらのデバイスの試験は、本願にて開示されている新規のプロセスで構成されたデバイスについては１アレイあたり８０Ａの連続波（ＣＷ）パワーを印加することにより、また、本願にて教示されている単結晶パッシベーション層を用いずに構成されたデバイスについては１アレイあたり６０Ａの連続波（ＣＷ）パワーを印加することにより行われた。図１０に示されているように、本願にて開示されている新規のプロセスを使用して単結晶パッシベーション層を用いて構成されたデバイスの正規化されたパワー（１００２）は、単結晶パッシベーション層を用いないデバイス（１００４）に対して相対的に格段に長い時間にわたって有意に高くなった。外部ボリュームブラッググレーティング帰還部によって発光レーザビーム品質が改善されるが、図１０の８０Ａで動作するデバイスと図９の９５Ａで動作するデバイスとの寿命差により分かるように、外部ボリュームブラッググレーティング帰還部によって寿命の短縮も生じ得ることになる。
【００８０】
上記の実施例が示すように、本願にて開示されている新規のレーザダイオード作製プロセスにより、優れた性能、信頼性および寿命を有するレーザデバイスが達成される。さらに上記の実施例により、本願にて開示されている新規のプロセスは、レーザデバイス故障の根本的原因としてのＣＯＭＤを無くすことも可能であることが分かる。
【００８１】
他の実施形態
本発明の詳細な説明を参照して本発明を説明したが、上記説明は、本発明を詳解するためのものであって、本発明の範囲を限定することを意図したものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定まると解すべきである。他の側面、利点および改良形態も、以下の特許請求の範囲に属する。
【図１】
2019515490.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2019515490.tif 000015
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