(57)【要約】【課題】アルミニウム・ガリウム、砒化物、ガリウム・インジウム・砒素・リン、インジウム・リン（ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ）材料系およびその組み合わせを用いる半導体レーザーダイオードを提供する。【解決手段】活性層の設計および光学空洞の設計の両方が最適化され、活性領域の温度上昇を最小化することにより、活性層の温度上昇がレーザー効率に及ぼす影響を少なくする。その結果、１．３０〜１．６１マイクロメートル波長の高出力エネルギー半導体レーザーが得られ、エルビウムをドーピングした導波管デバイスのポンピングとして用いることもでき、または軍事、医療、または工業用途に直接使用することもできる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウム・リン基板と、
前記インジウム・リン基板の上のアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素活性層と、
前記活性層の両側のインジウム・リンクラッド層とを備え、
前記クラッド層の１層のドーピング濃度が１．５×１０１７ｃｍ−３未満である半導体発光デバイス。
【請求項２】
請求項１において、前記クラッド層の１層のドーピング濃度が約１．０×１０１７ｃｍ−３であるデバイス。
【請求項３】
請求項１において、１つのクラッド層が亜鉛でドーピングされるデバイス。
【請求項４】
請求項１において、前記活性層と、クラッド層の少なくとも１層との間にアルミニウム・インジウム・砒素界面層をさらに含むデバイス。
【請求項５】
請求項４において、前記界面層のドーピング濃度が０．７５×１０１７ｃｍ−３よりも大きいデバイス。
【請求項６】
請求項４において、前記界面層が亜鉛でドーピングされるデバイス。
【請求項７】
請求項４において、前記界面層のドーピング濃度が約１．０×１０１７ｃｍ−３であるデバイス。
【請求項８】
請求項１において、前記デバイス中に形成されたリッジ導波管構造をさらに備えるデバイス。
【請求項９】
請求項８において、前記リッジ導波管構造が多重空間モードを保持するデバイス。
【請求項１０】
請求項８において、前記リッジ導波管構造が搭載されるヒートシンクをさらに備えるデバイス。
【請求項１１】
請求項１において、前記活性層が３個以下の量子井戸を備えるデバイス。
【請求項１２】
多重空間モードのエルビウムドーピングされた導波管と、
前記導波管をポンピングする多重空間モードのアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素半導体レーザーとを含む光増幅システム。
【請求項１３】
請求項１２において、前記半導体レーザーが、
インジウム・リン基板と、
前記インジウム・リン基板の上のアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素活性層と、
前記活性層の両側のインジウム・リンクラッド層とを備えるシステム。
【請求項１４】
請求項１３において、前記クラッド層の１層のドーピング濃度が１．５×１０１７ｃｍ−３未満であるシステム。
【請求項１５】
請求項１３において、前記クラッド層の１層のドーピング濃度が約１．０×１０１７ｃｍ−３であるシステム。
【請求項１６】
請求項１３において、１つのクラッド層が亜鉛でドーピングされるシステム。
【請求項１７】
請求項１３において、前記活性層と、クラッド層の少なくとも１層との間にアルミニウム・インジウム・砒素界面層をさらに備えるシステム。
【請求項１８】
請求項１７において、前記界面層のドーピング濃度が０．７５×１０１７ｃｍ−３よりも大きいシステム。
【請求項１９】
請求項１７において、前記界面層が亜鉛でドーピングされるシステム。
【請求項２０】
請求項１７において、前記界面層のドーピング濃度が約１．０×１０１７ｃｍ−３であるシステム。
【請求項２１】
請求項１２において、前記デバイス中に形成されたリッジ導波管構造をさらに備えるシステム。
【請求項２２】
請求項２１において、前記リッジ導波管構造が多重空間モードを保持するシステム。
【請求項２３】
請求項２１において、前記リッジ導波管構造が搭載されるヒートシンクをさらに備えるシステム。
【請求項２４】
請求項１３において、前記活性層が３個以下の量子井戸を備えるシステム。
【請求項２５】
請求項１２において、前記システムがヒトの真皮および／または表皮構造と相互作用する光を発生するシステム。
【請求項２６】
請求項１２において、前記システムが自由空間光通信に用いられるシステム。
【請求項２７】
請求項１２において、前記システムが癌細胞を破壊するために用いられるシステム。
【請求項２８】
請求項１２において、側方電子および光閉じ込めが不純物誘起無秩序化により維持されるシステム。
【請求項２９】
請求項１２において、前記半導体レーザーのチップがヒートシンク上にＰ側を上にして搭載されるシステム。
【請求項３０】
請求項１２において、前記半導体レーザーのチップがヒートシンク上にＰ側を下にして搭載されるシステム。
【請求項３１】
インジウム・リン基板と、
前記インジウム・リン基板の上のアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素活性層と、
前記活性層の両側のインジウム・リンクラッド層とを備え、
前記インジウム・リンクラッド層のいずれか１層の厚さが０．７〜５．０マイクロメートルである半導体発光デバイス。
【請求項３２】
請求項３１において、半導体発光デバイスが半導体レーザーであり、ファセット切断された鏡面間のレーザーチップ長が１．０〜２．０ｍｍであるデバイス。
【請求項３３】
請求項３１において、半導体発光デバイスが半導体レーザーであり、レーザーチップ開口幅が６０〜１５０マイクロメートルであるデバイス。
【請求項３４】
請求項３１において、前記活性層が３個以下の量子井戸を備えるデバイス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、その全体を参照して本願に援用している、２００４年９月２４日出願の米国特許仮出願第60/612,112号の優先権を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
眼に安全な領域（波長＞１．３マイクロメートル）で動作する高利得、高エネルギー固体レーザーは軍事および工業用途に必要とされている。これらのレーザーは、通常、エルビウム（Ｅｒ）原子をドーピングした結晶系に基づき、約９８０ナノメートルの半導体レーザーでポンピングされて非常に高いエネルギーをもたらす（エネルギー＞３ワット）。インジウム・リン系材料を用いる半導体レーザーも、このスペクトル範囲のレーザー光をもたらすことができるが、エネルギーは非常に低い（１．５ワット未満）。これらのレーザーにはいくつかの軍事的な必要条件がある。一つはレーザーレーダー（ＬＡＤＡＲ）像技術を用いたターゲット識別能力（ターゲットＩＤ）を備える射撃制御システムの強化である。もう一つは改良型ミサイル防衛システムのための超高エネルギーレーザーの開発である。眼に安全なレーザーの工業用途は、従来の光ファイバーネットワークにおける自由空間通信ノードおよび製造用レーザー切断／溶接システムの開発を含む。新しい医療用途は１３１０ｎｍ〜１６００ｎｍのスペクトル範囲の高エネルギーマルチモードレーザーを必要とする。この波長範囲において、光は標的となる組織に吸収されて皮膚の皺、座そう、および表皮を除去（皮膚再生）する。座そうおよび皺の低減の場合、皮膚内の目標領域および深度でエネルギーを吸収するには、水の吸収ピークに近いスペクトル帯域が理想的に適している。これはアクネ菌および古いコラーゲン細胞の直接破壊を可能にし、体が新しい健康な皮膚組織を創生するのを促進する。
【０００３】
Ｅｒでドーピングした結晶は、可視および近赤外スペクトル領域の間に位置する多くの吸収帯域を有する。現在、それらのＥｒ系レーザーは０．９８マイクロメートル（μｍ）で動作する半導体ダイオード源によってポンピングされる。眼に安全なレーザーは１．５ミクロンで動作し、１００％有効ではないので、ポンピングされたビームとレーザー放出の間のエネルギー差により、レーザー媒体内には熱が生じる。したがって、高エネルギーで眼に安全な固体レーザーの開発にとって、熱管理は重要な問題であり、特に、エネルギー散逸、システムの設置面積、および冷却や換気などの維持設備に敏感な用途にとって、熱管理は重要な問題である。１．４７〜１．４８または１．５３〜１．５４ミクロン（マイクロメートル）のいずれかのスペクトル範囲内で動作するダイオード源は、Ｅｒをドーピングした結晶にさらに高いポンピング効率を提供すると考えられる。これは、最小のエネルギー損失で、より高いエネルギーとより高い利得の動作をホスト媒体にもたらすであろう。電気通信用途のための、エルビウムをドーピングした光ファイバー増幅器において０．９８ミクロンダイオード源が優位であるのは、光ファイバー増幅器が単一モードファイバーで動作することが必要なためである。しかし、多くの高エネルギー用途は単一モード動作に制限されない。
【０００４】
１３００〜１６００ナノメートル（ｎｍ）の赤外波長用の従来のレーザーダイオード設計では、インジウム・ガリウム・砒素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）で、ドーピングした量子井戸構造を有するインジウム・リン（ＩｎＰ）系材料を用いる。この構造は通常、２５ミリワット（ｍＷ）未満の低エネルギーで動作する高周波数の光通信レーザーに用いられる。残念ながら、この通常の構造は非常に効率が悪く、この効率の悪さにより出力エネルギーが低くなる。これは電子と正孔の閉じ込めが悪いこと、ＩｎＰの熱伝導性が低いこと、レーザーチップ自体を全体的に有効に熱管理することが困難であることに起因する。電子と正孔の閉じ込めが悪いために、特にレーザーが光エネルギーを増加させて熱負荷が発生すると、量子井戸構造の周りに電子キャリアの漏洩が起きる。この電子漏洩は光出力に貢献することなく直接熱エネルギーに変換され、これにより生じた熱エネルギーはチップの温度を上昇させ、さらなる電子漏洩を促進する。このサイクルは非常に急速に加速して、レーザーが熱限界に達する前には低い光エネルギーしか得られず、それによって電流が増加しても光エネルギーは低下する。この限界は「熱のロールオーバ」と呼ばれる。
【０００５】
通常、赤外波長での電気通信用途の従来のレーザーダイオード設計では、比較的穏やかなエネルギーの単一出力光モードに加えて、低い電気的エネルギー散逸、低閾値電流、および高い変調帯域幅のためにさらに最適化される。これは、電気通信用途が高利得および短い光空洞長のレーザーを必要とするためである。高利得が要求されるため、デバイス設計には、低い閾値電流および短い空洞長における十分な光利得という要求条件に到達するように、４〜７個の範囲の多重量子井戸が要求される。また、短い空洞長では、所与の電流での活性層の動作温度がより高くなる。その結果、熱暴走前の最大出力エネルギーが低いレベルに制限される。
【０００６】
Ｅｒをドーピングした固体増幅器用のＩｎＰ系ポンピングレーザーの技術は、ある程度は１．３ミクロン帯の電気通信レーザーダイオード技術に基づくが、高エネルギーレベルの獲得を排除する電気通信用途の要件には大きな差があり、これらの差が本発明の基礎を示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、１．３０〜１．６１マイクロメートル（μｍ）のスペクトル範囲で動作する高エネルギーダイオードポンピングレーザーを目的とする。これらのレーザーは、電気通信用途に要求される低い閾値および低い温度感受性を満たすためではなく、熱のロールオーバが生じる前の出力エネルギーを最大化するために最適化される。また、これらのレーザーはマルチモード動作が可能であり、この特性は、特に固体レーザー／増幅器自体がマルチモードで動作するときに、多くの用途で望ましい。これは長距離電気通信ファイバー光増幅器のための単一モードに対する従来の動作の要件とは対照的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、アルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素、ガリウム・インジウム・砒素・リン、インジウム・リン（ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ）材料系およびその組み合わせを用いる半導体レーザーダイオードである。活性層の設計および光空洞の設計の両方とも、活性層または活性領域の温度上昇を最小化するため、および活性層の温度上昇がレーザー効率に及ぼす影響を最小化するために最適化される。その結果、１．３０〜１．６１マイクロメートル間の波長の高出力エネルギー半導体レーザーが得られる。電気通信レーザーは、出力エネルギーを犠牲にして高い変調速度を必要とするが、本発明の出力エネルギーは、その電気通信レーザーが示すエネルギーを超える。
【０００９】
一実施形態において、本発明のデバイスの活性層は面内圧縮ひずみＡｌＧａＩｎＡｓＱＷ（量子井戸）と引張ひずみＡｌＧａＩｎＡｓバリア層を備えるひずみ補償多重量子井戸構造である。量子井戸の厚さは７ナノメートル（ｎｍ）以下である。ひずみは、転位の形成を防ぐ臨界厚さ限度未満に留まりながら伝導帯域の不連続性が最大になるように選択されるので、高い動作温度で、電子は閉じ込め層に閉じ込められ、熱放出によって失われない。井戸の幅は層の臨界厚さの限度内で望ましい動作波長を得るように調節される。
【００１０】
活性領域または活性層はステップインデックス型またはグレーデッドインデックス型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ）のいずれかの光閉じ込め層の中心内に配置される。両側のＩｎＰ層は光閉じ込め構造と多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層のための光学クラッド層を形成する。側方の光閉じ込めは埋め込みヘテロ構造またはリッジ導波管構造のいずれかによってもたらされる。
【００１１】
デバイスはＳＣＨとドープされたｐ−型クラッドの組、およびＳＣＨとドープされたｎ−型クラッドの組の半導体層を有する縦電流注入型であることが好ましい。側方電流閉じ込めは埋め込み紐幾何形状、または隆起したリッジ導波管または二重トレンチ形成のいずれかによって得られる。これに代えて、堆積酸化物が側方光閉じ込め構造の中心領域への電流を閉じ込める埋め込み絶縁またはメサ絶縁であってもよい。
【００１２】
本発明の他の態様では、高い光出力エネルギーが得られるように、十分な利得が確保される長い空洞長と空洞幅とを組み合わせて、活性層中の熱エネルギー散逸密度を最小化するために、活性層中の量子井戸の数が選択される。接合の領域が大きくなるので、熱抵抗は低減され、それによって所与の出力エネルギーでのレーザー動作の接合温度が低くなる。
【００１３】
新規な構造および部分の組み合わせの詳細、および他の利点を含む本発明の上述の特徴および他の特徴を、添付の図面を参照してさらに詳細に説明し、請求項に示す。本発明を実施する特定の方法およびデバイスは例示として示され、本発明を制限するものではない。本発明の原理および特徴は本発明の範囲を逸脱することなく様々な多くの実施形態において用いることができる。
【００１４】
添付図面において、参照文字は異なる図を通じて同じ部品を参照する。図面は必ずしも一定の縮尺で示されておらず、本発明の原理を示す上で誇張したものになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の原理によって作られた半導体発光デバイスの層構造を示す。
【００１６】
詳細には、エピタキシャル構造のリストが示される。エピタキシャル構造は、金属有機化学気相成長法ＯＭＣＶＤ（ＭＯＣＶＤとも呼ばれる）および分子ビームエピタクシ（ＭＢＥ）などの従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体エピタキシャル成長技術を用いて作製すなわち調製された。出発基板１はｎ型ＩｎＰであり、その上に既知の方法を用いて一連の層をエピタキシャル成長させる。
【００１７】
基板１から、珪素（Ｓｉ）ドーピング濃度３×１０１８ｃｍ−３を有する厚さ１マイクロメートルのｎ＋ＩｎＰの下部クラッド層２を成長させ、次に、格子整合させた厚さ１５ｎｍの遷移領域、（Ａｌ０．６８Ｇａ０．３２）０．４７Ｉｎ０．５３ＡｓからＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓに遷移した層５および６が、６〜１８層の分離閉じ込めへテロ構造（ＳＣＨ）で続く。次は、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓから始まり（Ａｌ０．５９Ｇａ０．４１）０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓで終わる厚さ４５ｎｍの下部グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）層８がある。珪素ドーピング濃度はｎ型下部クラッド層２から遷移層５〜６を経由して下部ＧＲＩＮ層８まで徐々に減少し、ＧＲＩＮ層８で珪素ドーピング濃度は５×１０１６ｃｍ−３となる。
【００１８】
ドーピングしないレーザー活性層９は、一組の圧縮ひずみＡｌＧａＩｎＡｓＱＷ（量子井戸）１１および１３を有し、これらは、ひずみが互いに補償され転位の臨界厚さが中和されるように、両側をＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１０、１２、１４によって引張ひずみの下で閉じ込められる。ここでは、各々井戸厚さ７ｎｍを有する２つの量子井戸１１、１３が示される。バリア層の厚さは層１０、１２、１４についてそれぞれ６ｎｍ、９ｎｍ、および５ｎｍである。
【００１９】
次に、（Ａｌ０．５９Ｇａ０．４１）０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓから始まりＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓで終わる厚さ４５ｎｍの上部ＧＲＩＮ分離閉じ込め層（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ）１６が配置され、これはレーザー活性層９の上に成長する。層１６の上面に接するアルミニウム・インジウム・砒素界面層１８には５ｎｍの追加の層Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓが含まれる。界面層は亜鉛でドーピングされ、その濃度は層を横切って変化し、ｐ型Ｚｎドーピング濃度は、界面層１８の完成に向かって成長が進むと、５×１０１６ｃｍ−３から徐々に増加し、濃度は界面層１８の成長端部で１×１０１７ｃｍ−３に達する。もしくは、ステップインデックス分離閉じ込めへテロ構造（ＳＩＳＣＨ）をＧＲＩＮ−ＳＣＨの代わりに活性層９の周りの閉じ込めとして用いることができるであろう。
【００２０】
ＧＲＩＮ層１６〜１８の上に、濃度１×１０１７ｃｍ−３でＺｎドーピングされた厚さ１．５マイクロメートルのｐ型ＩｎＰの上部クラッド層２０を成長させる。層１６、１８、および２０は、下部層６、５、および２の光インデックスプロファイルの鏡像であり、活性層９の周りにレーザー導波管または導波路構造２１を形成する。
【００２１】
ｐクラッドのドーピングが低いことは光の透過に好ましい。これは結晶転位と光散乱を小さくする。
【００２２】
上部クラッド層２０の上にはｐ−オーム接触層２７〜３１が配設される。クラッド層２０と接触層２７〜３１の間に、レーザー加工中にリッジ導波管のエッチング停止深さを制御するために、厚さ２０ｎｍのｐ−Ｇａ０．１５Ｉｎ０．８５Ａｓ０．３３Ｐ０．６７のエッチング停止層２４を成長させる。次に、濃度４×１０１７ｃｍ−３でＺｎドーピングされた厚さ１マイクロメートルのｐ−ＩｎＰ層２７が成長し、続いて２×１０１８ｃｍ−３でＺｎドーピングされたｐ−Ｇａ０．２９Ｉｎ０．７１Ａｓ０．６２Ｐ０．３８層２９から１×１０１９ｃｍ−３のＺｎドーピングされたＧａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ層３０へと徐々に続き、これらはレーザー加工中にオーム接触形成層になる。最終的に、１×１０１８ｃｍ−３にＺｎドーピングされたｐ−ＩｎＰキャッピング層３１が成長してレーザー層構造が完成する。
【００２３】
説明した詳細なドーピングレベルは好ましい実施形態であり、このレベルを中心として下へ２５％または上へ５０％の変動は許容可能である。これらの層は低い電気抵抗を有することが望ましいので、１×１０１８ｃｍ−３よりも高いドーピング密度として、１×１０１８ｃｍ−３の２〜３倍の範囲を許容範囲とすることができる。
【００２４】
上述の各層の厚さは好ましい実施形態であり、それぞれの厚さを中心として、上下へ１０％の変動は許容可能である。
【００２５】
ここで、好ましい高エネルギー用途のための量子井戸の寸法と数について考察する。電気通信データ伝送のための十分な変調帯域幅を必要とするレーザーが従来の努力目標であり、このようなレーザーでは、デバイスの電気的インピーダンスが高速動作に良好に適合するように、単一モードの短い共鳴器空洞長が好まれた。熱散逸について以下で論じるように、高い光出力エネルギーのためにはより長い空洞が好ましい。第２に、量子井戸への良好な電子閉じ込めが必要であり、この閉じ込めは熱電圧、または接合活性領域内の電子エネルギーの予測される非熱的エネルギー分布よりもはるかに大きいバリアにより行われる。
【００２６】
図５は活性層帯域の概略図を示す。ここで、２つの量子井戸７０が示される。圧縮ひずみＡｌＧａＩｎＡｓ井戸のひずみ補償の場合、バリア層７２は引張ひずみの下にあり、バリア層７２のひずみおよび厚さは活性層井戸構造７４の外側の応力がゼロになるように意図される。外側のＡｌＧａＩｎＡｓ層７６はＩｎＰ格子定数に格子整合される。
【００２７】
表１は本発明のパラメーターおよび望ましい放出波長の例を示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
重要なレーザーの特性は２つの主要要件に分類することができる。これらは電子閉じ込めの温度挙動と量子井戸構造７４の利得特性である。まず電子閉じ込めを考察すると、ひずみ補償ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸の開発は、C.E.Zah, R.Bhat, B.N.Pathak, F.Favire, W.Lin, M.C.Wang, N.C.Andreadakis, D.M.Hwang, M.A.Koza, T.-P.Lee, Z.Wang, D.Darby, D.Flanders,およびJ.J.Hsieh,「サブスクライバーループ用途のための高性能非冷却１．３−ｍＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰひずみ層量子井戸レーザー（High-performance uncooled 1.3- m AlGaInAs/InP strained-layer quantum-well lasers for subscriber loop applications）」、IEEE J.Quantum Electron., vol. 30, pp. 511-522, 1994によって報告されている。これは温度感受性の低いレーザーに用いられた。ひずみ補償ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸およびバリアの使用は、井戸の電子接地状態のエネルギーとバリアの頂部との間のエネルギーバリアΔＥｃ７５を増加させた。
【００３０】
ここで、レーザーは、接合温度が最も高い熱のロールオーバ付近での高エネルギー動作のために最適化される。固体レーザーの必要なポンピング波長により、ＩｎＰ上のひずんだＡｌＧａＩｎＡｓの限界内で許容可能な伝導帯域不連続性の開発が可能となる。これは、Ｚａｈらの文献から計算された、表１に示す伝導帯域不連続性ΔＥｃによって明らかなである。１５０℃の活性層温度においてさえ、３７ｍｅＶの熱電圧はバリアの不連続性ΔＥｃの１／４である。電子エネルギー分布はボルツマン状にフェルミレベルからはるかに遠いので、電子はこの設計に良好に閉じ込められる。したがって、上述のＡｌＧａＩｎＡｓ合金組成物の変形は、電子閉じ込めの要件の制約内で許容可能であるが、高エネルギー動作では、１２０ｍｅＶの最小バリア高さが必要であり、さらに大きな２００ｍｅＶのバリアも許容可能である。
【００３１】
本実施形態において、１５０〜２００ｍｅＶの範囲がバリアとして好ましい。７ｎｍの井戸厚さにより、量子井戸の利得要件と、より緊密な閉じ込めからのバリア高さの低減とが均衡する。井戸厚さが減少すると、井戸中の上部電子レベルのエネルギー分離が増加する（ｎ＝２など）ことによって、利得が増加し、閾値電流密度が減少する。例えば、Shimizuらの米国特許第5,920,079号、またはSelmic, SR; Chou, TM; Sih, JP; Kirk, JB; Mantie, A; Butler, JK; Bour, D; Evans, GAによる文献「１．３−ｍｕ  ｍのＡｌＧａＩｎＡｓ−ＩｎＰ多重量子井戸レーザーの設計と特性（Design and characterization of 1.3-mu m AlGaInAs-InP multiple-quantum-well lasers）」、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol. 7, pp. 340-349, 2001を参照されたい。他方、より狭い井戸は接地状態のエネルギーを持ち上げ、これは電子拘束を低下させる。
【００３２】
本発明において、井戸の幅として５〜８ｎｍの範囲は、低い閾値電流密度、十分な利得、および電子閉じ込めの要件内に適合し、好ましい井戸の幅は７ｎｍである。表中の上述の要件およびここに記載される条件を満足する、井戸およびバリア中の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）１−ｙＩｎｙＡｓの組成物は、組成、バンドギャップ、ひずみ（または格子整合）、および井戸とバリアの厚さとの既知の関係によって決定される計算の結果として得られる。これらの関係および計算はＺａｈらの報文に見出すことができる。
【００３３】
井戸の数（Ｗ＝井戸の数）は、活性領域中のその熱エネルギー散逸密度およびデバイスの長さに対して影響を及ぼすため、本発明の主要な態様である。井戸数が少ない、例えば２個であれば、レーザーは、高速電気通信動作に適した５個の井戸を有するレーザーよりも低い閾値電流密度を有する。その結果、井戸数が少ないと、閾値での抵抗性および非放射性再結合により起こる熱エネルギー発生密度が低くなり、したがって、デバイスはより低い動作温度を有する。また、利得も低いので、これはデバイスの長さを長くすることによって簡単に適応する。より長いデバイスにおいて、熱負荷はより大きな面積に分布して、ヒートシンクに対する接合熱インピーダンスがより小さくなる。したがって、高エネルギーレーザーの設計では、必要とする井戸数が少ない。２個の量子井戸は本設計において好ましい実施形態である。しかし、１個〜３個の範囲の井戸は、レーザー用途の設計要件によっては許容可能である。
【００３４】
図２は、図１に示したエピタキシャル層構造から加工されたレーザー構造を有する半導体発光デバイスを示す。この構造は、インデックスで示された、側方導波管閉じ込め構造３３を有するリッジ導波管型レーザーを示す。もしくは、リッジは活性層を通してエッチングされてもよく、空気クラッド側方閉じ込め構造を形成する。第３の手法は、不純物誘起無秩序化（ＩＩＤ）を用いて、選択的に導波管領域の外側の結晶構造を転位させることである。好ましい実施形態において、これらの場合のいずれの側方導波管構造も、側面中のマルチモード光動作を支持する。ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面は、オーム直列抵抗を低下させ、それによって基板のオーム加熱を低減するために、研削および研磨手順を用いて薄くする。ｎ型オーム接触３２が薄型基板の裏面に形成される。
【００３５】
他の実施形態において、側方電子および光閉じ込めは、不純物誘起無秩序化により維持される。
【００３６】
縦の光導波管閉じ込め領域３５が示されており、この領域３５は下部ｎ−クラッド２と薄型基板１の一部分を含むことが好ましい。また、上部クラッドはｐ−ＩｎＰ層２０とリッジ構造内にあるｐ−ＩｎＰ層２７から形成される。層２７の厚さは、単一縦モードへの閉じ込めを付与するのに十分な光学的総厚さ（層２０＋層２７）である厚さを考慮しつつ、層を通る熱インピーダンスを最小にするように選択される。また、層２７の厚さは、リッジ導波管構造の高さとともに側方光閉じ込めを決定する。層２７の好ましい厚さは、１．３〜１．５５ミクロン帯域で動作するＩｎＰについて１．０マイクロメートルである。層２７の厚さが０．９〜１．１マイクロメートルの範囲では、十分な光閉じ込めを付与し、動作に必要な波長に基づく熱インピーダンスを最小化することによって光損失を最小化し、優れた性能を維持する。ただし、層２７は、厚さ０．７〜５．０マイクロメートルの全範囲において、良好な性能を提供する。光導波管構造の上部にはｐ−オーム接触金属４２が配置される。リッジの側壁およびデバイスウェーハの頂部表面はＳｉＯ２などの絶縁体４３で被覆される。
【００３７】
絶縁体４３の目的は、図３に示すように、デバイスがｐ側を下に搭載された後、接合の短絡を防ぐこと、およびリッジ下部の活性領域を通過する電流を閉じ込めることである。当分野で知られた方法を用いてダイ分離とファセット切断を行った後、薄くしたレーザーチップ５０は低温半田５４を用いて銅製ヒートシンク５２に取り付けられ、半導体発光デバイス１００を形成する。本発明の主な態様である、最小化された層２７の厚さを有するこの搭載構成により、デバイス活性領域温度が低下し、活性領域温度の上昇によって低い電流密度で熱のロールオーバを招く従来のデバイスに比べて、より高い電流密度でレーザー出力エネルギーの増加を可能にする。
【００３８】
一実施形態において、ファセット切断された鏡面間のレーザーチップ長の長さは１．０〜２．０ミリメートルである。レーザーチップ開口幅は６０〜１５０マイクロメートルである。これらのデバイスのパラメーター範囲は、電子注入と熱散逸を大きな面積に分散しながらも、内部光損失および非効率性限界によってこれらの利得が相殺されるほどには大きくしないことによって、レーザーの熱的および電気的効率を良好に最適化する。これによってデバイスが高出力のエネルギーに到達することが可能になる。
【００３９】
この搭載構成の注目すべき点は、マルチモード動作では、ｐコンタクトのパッケージまたはサブマウントヒートシンクへの直接接合が可能であることである。これは、搭載に起因する応力に敏感でありｐ側を下に搭載することによるデバイス性能に対する応力の影響を緩和するための追加の層および方法が必要な、単一モード電気通信レーザーの場合とは対照的である。本搭載方法はコストが低く、収率が高く、典型的な電気通信レーザー搭載実施形態よりも活性層からヒートシンクへの熱インピーダンスが低い。
【００４０】
本発明における１〜３個の量子井戸の設計特性では、レーザーの効率と出力エネルギーを最大化するために最適レーザー空洞長および開口幅を調和させなければならない。例えば、１．０ミリメートル（ｍｍ）〜２．０ｍｍの範囲の空洞長は、６０〜１５０マイクロメートルの開口幅と組み合わせるとき最適の結果をもたらす。
【００４１】
図４は、本発明と典型的な従来技術との計算による比較を示す。図示したように、上述の活性層設計と組み合わせた新しい熱設計では、熱のロールオーバをおこす前のレーザーの出力エネルギーを６倍向上させる。
【００４２】
図６は半導体発光デバイス１００の一用途を示す概略図である。
【００４３】
詳細には、レーザーデバイス１００は希土類（エルビウム）をドーピングした導波管増幅器またはレーザー２００のためのポンプとして用いられる。好ましくはレーザーポンプ１００は、多重空間モードで発光し、したがって、マルチ空間モードファイバー１０５を経由してレーザー２００のクラッドに結合される。
【００４４】
一実施形態において、レーザー２００はエルビウムをドーピングしたファイバーであり、詳細には５０マイクロメートルよりも大きな芯直径を有する多重空間モードファイバーである。他の実施形態において、レーザーはエルビウムをドーピングした平面導波管デバイスである。この構成も高エネルギー用の多重空間モードであることが好ましい。
【００４５】
レーザー２００の用途には、ヒトの真皮および／または表皮構造と相互作用させる光の発生、自由空間光通信、および癌細胞の破壊が含まれる。
【００４６】
図７および図８は本発明の波長が水によって大きく吸収される（または減衰される）ことを示す。これによって、本発明のデバイス１００は、吸収が有益である医療用途に適したものになる。これらは皮膚への適用を含む。皮膚適用のいくつかの有益性は、座そうの低減、皮膚の皺の低減、および皮膚のきめとはりの全体的な改善を含む。本発明を適用すると、腫瘍を縮小させることもできる。
【００４７】
図８に示すように、１５３０〜１６５０ｎｍの波長で減衰が少ないので、本発明は有用である。これは、本発明のデバイスを用いて空気および空間を経由して通信信号を送信するのに有益である。
【００４８】
さらに、これらの信号は図９に示すように、眼の網膜ではなく角膜に吸収される。角膜吸収は恒久的な眼の損傷を与えないが、網膜吸収は損傷を与えるので、角膜への吸収によって信号は著しく安全になる。
【００４９】
本発明をその好ましい実施形態を参照して詳細に示し説明したが、当業者であれば、付属の請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形状および詳細に様々な変更を加えることができることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明によるエピタキシャル層構造を示す概略垂直断面図である。
【図２】本発明の半導体デバイスの構造を示す概略側面断面図である。
【図３】本発明による、半田を用いて銅ヒートシンク上にｐ側を下にして搭載された半導体デバイスの構造を示す概略側面断面図である。
【図４】光および電気的閉じ込めのための２つの異なる加工技術（埋め込み絶縁とリッジ導波管絶縁）による実際の本発明の試作品の結果を、駆動電流（アンペア）の関数として光エネルギー（ワット）でプロットして、従来のレーザーに対して比較した図である。
【図５】本発明による、ドーピング効果による帯域曲がりのない伝導帯域と価電子帯域を示すプロット図である。
【図６】本発明による半導体発光デバイスの一用途を示す概略図である。
【図７】本発明のレーザーの波長が水によって大きく吸収される（減衰される）が、光ファイバーでは吸収されないことを示す、波長の関数としての吸収または減衰のプロット図である。
【図８】本発明のレーザーの波長が水によって大きく吸収される（減衰される）が、光ファイバーでは吸収されないことを示す、波長の関数としての吸収または減衰のプロット図である。
【図９】眼の角膜処置のための一用途を示す。
【図１】
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【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年7月30日(2007.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウム・リン基板と、
前記インジウム・リン基板の上のアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素活性層と、
前記活性層の両側のインジウム・リンクラッド層とを備え、
前記クラッド層のいずれか１層のドーピング濃度が１．５×１０１７ｃｍ−３未満である半導体発光デバイス。
【請求項２】
請求項１において、前記クラッド層のいずれか１層のドーピング濃度が約１．０×１０１７ｃｍ−３であるデバイス。
【請求項３】
請求項１において、１つのクラッド層が亜鉛でドーピングされるデバイス。
【請求項４】
請求項１において、前記活性層と、クラッド層の少なくとも１層との間にアルミニウム・インジウム・砒素界面層をさらに含むデバイス。
【請求項５】
請求項４において、前記界面層のドーピング濃度が０．７５×１０１７ｃｍ−３よりも大きいデバイス。
【請求項６】
請求項４において、前記界面層が亜鉛でドーピングされるデバイス。
【請求項７】
請求項４において、前記界面層のドーピング濃度が約１．０×１０１７ｃｍ−３であるデバイス。
【請求項８】
請求項１において、前記デバイス中に形成されたリッジ導波管構造をさらに備えるデバイス。
【請求項９】
請求項８において、前記リッジ導波管構造が多重空間モードを保持するデバイス。
【請求項１０】
請求項８において、前記リッジ導波管構造が搭載されるヒートシンクをさらに備えるデバイス。
【請求項１１】
請求項１において、前記活性層が３個以下の量子井戸を備えるデバイス。
【請求項１２】
多重空間モードのエルビウムドーピングされた導波管と、
前記導波管をポンピングする多重空間モードのアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素半導体レーザーとを含む光増幅システム。
【請求項１３】
請求項１２において、前記半導体レーザーが、
インジウム・リン基板と、
前記インジウム・リン基板の上のアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素活性層と、
前記活性層の両側のインジウム・リンクラッド層とを備えるシステム。
【請求項１４】
請求項１３において、前記クラッド層のいずれか１層のドーピング濃度が１．５×１０１７ｃｍ−３未満であるシステム。
【請求項１５】
請求項１３において、前記クラッド層のいずれか１層のドーピング濃度が約１．０×１０１７ｃｍ−３であるシステム。
【請求項１６】
請求項１３において、１つのクラッド層が亜鉛でドーピングされるシステム。
【請求項１７】
請求項１３において、前記活性層と、クラッド層の少なくとも１層との間にアルミニウム・インジウム・砒素界面層をさらに備えるシステム。
【請求項１８】
請求項１７において、前記界面層のドーピング濃度が０．７５×１０１７ｃｍ−３よりも大きいシステム。
【請求項１９】
請求項１７において、前記界面層が亜鉛でドーピングされるシステム。
【請求項２０】
請求項１７において、前記界面層のドーピング濃度が約１．０×１０１７ｃｍ−３であるシステム。
【請求項２１】
請求項１２において、前記デバイス中に形成されたリッジ導波管構造をさらに備えるシステム。
【請求項２２】
請求項２１において、前記リッジ導波管構造が多重空間モードを保持するシステム。
【請求項２３】
請求項２１において、前記リッジ導波管構造が搭載されるヒートシンクをさらに備えるシステム。
【請求項２４】
請求項１３において、前記活性層が３個以下の量子井戸を備えるシステム。
【請求項２５】
請求項１２において、前記システムがヒトの真皮および／または表皮構造と相互作用する光を発生するシステム。
【請求項２６】
請求項１２において、前記システムが自由空間光通信に用いられるシステム。
【請求項２７】
請求項１２において、前記システムが癌細胞を破壊するために用いられるシステム。
【請求項２８】
請求項１２において、側方電子および光閉じ込めが不純物誘起無秩序化により維持されるシステム。
【請求項２９】
請求項１２において、前記半導体レーザーのチップがヒートシンク上にＰ側を上にして搭載されるシステム。
【請求項３０】
請求項１２において、前記半導体レーザーのチップがヒートシンク上にＰ側を下にして搭載されるシステム。
【請求項３１】
インジウム・リン基板と、
前記インジウム・リン基板の上のアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素活性層と、
前記活性層の両側のインジウム・リンクラッド層とを備え、
前記インジウム・リンクラッド層のいずれか１層の厚さが０．７〜５．０マイクロメートルである半導体発光デバイス。
【請求項３２】
請求項３１において、半導体発光デバイスが半導体レーザーであり、ファセット切断された鏡面間のレーザーチップ長が１．０〜２．０ｍｍであるデバイス。
【請求項３３】
請求項３１において、半導体発光デバイスが半導体レーザーであり、レーザーチップ開口幅が６０〜１５０マイクロメートルであるデバイス。
【請求項３４】
請求項３１において、前記活性層が３個以下の量子井戸を備えるデバイス。
【請求項３５】
インジウム・リン基板とインジウム・リンクラッド層とを備え、量子井戸から離れて存在する１層または複数層の光学クラッド層の外側の材料が、亜鉛を含む半導体発光デバイス。
【請求項３６】
請求項３５において、さらに、１層または複数層のアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素活性層を備えるデバイス。
【請求項３７】
請求項３５または３６において、亜鉛ドーピングの濃度が、前記材料の層を横切って変化するデバイス。
【請求項３８】
インジウム・リン基板とインジウム・リンクラッド層とを備え、量子井戸から離れて存在する１層または複数層のクラッド層の外側の材料組成物が、ＧａＩｎＡｓＰ層と、それに続くＧａＩｎＡｓ層を含む半導体発光デバイス。
【請求項３９】
請求項１において、前記デバイスが、ヒトの真皮および／または表皮構造と相互作用する光を発生するデバイス。
【請求項４０】
請求項１において、前記デバイスが、自由空間光通信に用いられる光を発生するデバイス。
【請求項４１】
請求項１において、前記デバイスが、癌細胞を破壊するために用いられるデバイス。
【請求項４２】
インジウム・リン基板と、前記インジウム・リン基板の上に配設されたアルミニウム・ガリウム・インジウム・砒素活性層と、インジウム・リンクラッド層とを備え、量子井戸構造の幅の一つが、５〜８ナノメートルである半導体発光デバイス。
【国際調査報告】
2008515201.tif 000013
2008515201.tif 000014
2008515201.tif 000015
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2008515201.tif 000017
2008515201.tif 000018
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