(57)【要約】【課題】多波長半導体レーザアレイ及びその製造方法の提供。【解決手段】異なる発振波長の積層された量子ドットアクティブ領域を有するレーザ共振器は、製造プロセスと共に利用されて、各レーザ共振器の長さ又は上部電極層の長さを変更して異なるレーザ発振状態を発生して、レーザ共振器の各々は、特定の量子ドットアクティブ領域において単一波長帯レーザを発生し、それによって、複数のレーザ波長を発生できる多波長半導体レーザアレイを達成する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイアス電流下において複数の波長のレーザの発生に適用可能な多波長半導体レーザアレイであって、
基板と、
この基板上に形成され且つ複数の対応する共振空洞を有する複数のレーザ共振器と、を備え、レーザ共振器の各々は、単一波長帯レーザを発生するためのアクティブ領域を備え、このアクティブ領域は、複数の量子ドット層と複数の量子キャッピング層を交互に積層することによって形成され、これらのレーザ共振器は、少なくとも二つの異なる空洞長を有する、多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２】
量子ドット層の各々は、複数の量子ドットを有する、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項３】
量子ドット層の各々は、ＩｎＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＮ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＳｂ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＮＳｂ、ＩｎXＮ、ＩｎXＧａ1-XＮ、及びＩｎXＧａZＡｌ1-X-ZＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１）よりなる群から選択された半導体材料によって作られる、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項４】
アクティブ領域の発振波長は、量子ドット層の各々の厚み又は材料の組成を変化することによって変調される、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項５】
量子ドットキャッピング層の各々は、ＩｎyＧａ1-yＡｓ、ＩｎyＧａ1-yＮ、及びＩｎyＧａZＡｌ1-y-zＮ（０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）からなる群から選択された半導体材料によって作られる、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項６】
アクティブ領域の発振波長は、量子ドットキャッピング層の各々の厚み又は材料組成を変化することによって変調される、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項７】
アクティブ領域は、更に、複数のスペーサ層を備え、量子ドット層は、スペーサ層と量子ドットキャッピング層との間に挟まれて周期的構造ユニットを形成する、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項８】
スペーサ層の各々は、ＧａＡｓ又はＧａＮで作られる、請求項７に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項９】
アクティブ領域は、異なる発振波長を発生するために複数の周波数帯領域を備え、周波数帯領域は、複数の周期的構造ユニットを積層することによって形成される、請求項７に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１０】
周波数帯領域の発振波長は、基板から離れるに従って、単調に減少する、請求項９に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１１】
レーザ共振器の各々は、更に、第１のクラッド層と第２のクラッド層を備え、アクティブ領域は、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に挟まれ、第１のクラッド層は、第１の電極層に隣接し、且つ第２のクラッド層は、第２の電極層に隣接する、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１２】
レーザ共振器の各々は、更に、アクティブ領域から発光された光を案内するための利得ガイド構造を備える、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１３】
レーザ共振器の各々は、更に、アクティブ領域から発光された光を案内するための弱インデックスガイド構造を備える、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１４】
レーザ共振器の各々は、更に、アクティブ領域から発光された光を案内するための強インデックスガイド構造を備える、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１５】
多波長半導体レーザアレイは、光ファイバ通信又は光ディスクドライブピックアップに適用できる、請求項１に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１６】
バイアス電流下において複数の波長のレーザの発生に適用可能な多波長半導体レーザアレイであって、
基板と、
この基板上に形成され且つ夫々の頂部に配置された複数の第１の電極層を有する複数のレーザ共振器と、を備え、レーザ共振器の各々は、単一波長帯レーザを発生するためのアクティブ領域を備え、このアクティブ領域は、複数の量子ドット層と複数の量子キャッピング層を交互に積層することによって形成され、これらのレーザ共振器は、異なる空洞長を有する少なくとも二つの第１の電極層を有する、多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１７】
量子ドット層の各々は、複数の量子ドットを有する、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１８】
量子ドット層の各々は、ＩｎＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＮ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＳｂ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＮＳｂ、ＩｎXＮ、ＩｎXＧａ1-XＮ、及びＩｎXＧａZＡｌ1-X-ZＮ（ここで、０＜ｘ＜１及び０＜ｚ＜１である）よりなる群から選択された半導体材料によって作られる、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項１９】
アクティブ領域の発振波長は、量子ドット層の各々の厚み又は材料の組成を変化することによって変調される、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２０】
量子ドットキャッピング層の各々は、ＩｎyＧａ1-yＡｓ、ＩｎyＧａ1-yＮ、及びＩｎyＧａZＡｌ1-y-zＮ（ここで、０＜ｙ＜１及び、０＜ｚ＜１である）からなる群から選択された半導体材料によって作られる、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２１】
アクティブ領域の発振波長は、量子ドットキャッピング層の各々の厚み又は材料組成を変化することによって変調される、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２２】
アクティブ領域は、更に、複数のスペーサ層を備え、量子ドット層は、スペーサ層と量子ドットキャッピング層との間に挟まれて周期的構造ユニットを形成する、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２３】
スペーサ層の各々は、ＧａＡｓ又はＧａＮで作られる、請求項２２に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２４】
アクティブ領域は、異なる発振波長を発生するために複数の周波数帯領域を備え、周波数帯領域は、複数の周期的構造ユニットを積層することによって形成される、請求項２２に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２５】
周波数帯領域の発振波長は、基板から離れるに従って、単調に減少する、請求項２４に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２６】
レーザ共振器の各々は、更に、第１のクラッド層と第２のクラッド層を備え、アクティブ領域は、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に挟まれ、第１のクラッド層は、第１の電極層に隣接し、且つ第２のクラッド層は、第２の電極層に隣接する、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２７】
レーザ共振器の各々は、更に、アクティブ領域から発光された光を案内するための利得ガイド構造を備える、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２８】
レーザ共振器の各々は、更に、アクティブ領域から発光された光を案内するための弱インデックスガイド構造を備える、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項２９】
レーザ共振器の各々は、更に、アクティブ領域から発光された光を案内するための強インデックスガイド構造を備える、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項３０】
多波長半導体レーザアレイは、光ファイバ通信又は光ディスクドライブピックアップヘッドに適用可能である、請求項１６に記載の多波長半導体レーザアレイ。
【請求項３１】
多波長半導体レーザアレイの製造方法であって、多波長半導体レーザアレイが、複数のレーザ共振器を備え、レーザ共振器の各々が、バイアス電流下で発振によって単一波長帯レーザを発生し、レーザ共振器の各々が、複数の対応する共振空洞と導波路構造体を有し、本方法は、
上に逐次蒸着された第１のクラッド層、アクティブ領域、及び第２のクラッド層を有する基板を提供するステップであって、アクティブ領域は、量子ドット層、量子ドットキャッピング層、及びスペーサ層と逐次繰り返し蒸着することによって形成され、アクティブ層中の少なくとも二つの量子ドット層又は少なくとも二つのドットキャッピング層が、異なる厚みに又は異なる材料組成によって形成されるステップと、
導波構造をリソグラフィー及びエッチングによって画定するステップと、且つレーザ共振器の各々に対してバイアス電流を提供するために、電極層を夫々形成するステップと、を備える多波長半導体レーザアレイの製造方法。
【請求項３２】
レーザ共振器の各々に対してバイアス電流を提供するために、電極層を夫々形成するステップの後に、異なる空洞長を有する共振空洞がリソグラフィーとエッチングによって画定される、請求項３１に記載の多波長半導体レーザアレイの製造方法。
【請求項３３】
レーザ共振器の各々に対してバイアス電流を提供するために、電極層を夫々形成するステップの後に、異なる長さを有する電極層がリソグラフィーとそれに続くリフトオフプロセスによって画定される、請求項３１に記載の多波長半導体レーザアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関し、より具体的には、複数のレーザ共振器によって形成される多波長半導体レーザアレイ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多くの研究者は、量子構造、量子井戸、及び量子配線を備えないバルク材料のような半導体レーザの用途と比較して、アクティブ層として量子ドットを有する半導体レーザは、良好なレーザ特性を有し、量子ドット半導体レーザは、２１世紀の光電気工業の用途において大きな可能性を有することが期待されている。
【０００３】
従来、量子ドットは、主に、自己形成方法を介して分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）又は有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって製造され、それによって、量子ドットは、指定の基板の表面上に自己アセンブルされる。現在、自己形成量子ドットは、半導体増幅器、超高輝度発光ダイオード、チューナブル波長半導体レーザ、多波長半導体レーザ等に適用される。
【０００４】
従来の多波長半導体レーザの用途では、分散型フィードバック（ＤＦＢ）レーザ及び分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザは、大部分の半導体レーザデバイスとして主に使用され、格子領域は、デバイスの中／外及びアクティブ領域に隣接して配置され、従って、異なる発振波長が、異なる格子周期に基づいて選択される。
【０００５】
多波長半導体レーザは、通常二つの方法で発生される。一つの方法は、例えば、日本国特許出願公開第２０００−３４０８８３号に開示されているように、単一の半導体レーザを利用して異なるレーザ波長を発生し、超構造格子を使用して波長の選択的光モード利得を制御する。他方の方法は、多数の半導体レーザデバイスによって形成されるレーザアレイを使用することであり、このアレイの各デバイスは、独自の波長を有する単一レーザを発生する。例えば、米国特許第６，６００，１６９号及び第６，８１６，５２５号は、量子ドットと量子配線に関連するエピタキシャル成長モードを開示すると共に、量子ドットの連続する帯域幅の利得スペクトルに向けられる可変波長レーザと多波長レーザアレイの用途を提供し、そこで、量子ドットＤＦＢレーザと量子ドットＤＢＲレーザは、大部分のレーザデバイスとして使用され、波長依存性ミラー損失が異なる格子周期によって引き起こされ、それによって、異なるレーザ共振器ユニットによって形成されるレーザアレイが、異なるレベルで閾値モード利得を有し、複数の波長のレーザを発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記多波長半導体レーザの製造プロセスは、非常に複雑であり、引き続くエピタキシャル再成長は、むしろ高コストである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題に鑑み、本発明は、多波長半導体レーザアレイ及びその製造方法を提供し、そこでは、複数のレーザ共振器によって形成されるレーザアレイは、レーザ共振器の頂部の共振空洞又は電極層の長さを変更する簡単な製造プロセスを採用しており、それによって、レーザ共振器の各々は、異なる周波数帯でレーザを発生する。
【０００８】
本発明の多波長半導体レーザアレイは、適切なバイアス状態下で異なる周波数帯のレーザビームを発生できる。レーザ共振器の各々は、単一の波長帯レーザを発生するために対応する共振空洞長を有し、複数の波長発振を可能とするアクティブ領域を含む。アクティブ領域は、複数の量子ドット層と複数の量子ドットキャッピング層を交互に積層することによって形成される。少なくとも二つの量子ドット層又は少なくとも二つの量子ドットキャッピング層は、異なる厚み又は異なる材料組成を有し、レーザ共振器は、少なくとも二つの異なる空洞長を有する。更に、特に、アクティブ領域は、異なる発光周波数帯を発生できる複数の領域を有し、そこでは、周波数帯領域の発振波長は、基板から離間するに従って、徐々に減少する。周波数帯領域の各々は、更に、スペーサ層、量子ドット層、及び量子ドットキャッピング層を逐次蒸着することによって形成された複数の周期的構造ユニットを含む。
【０００９】
本発明は、更に、適切なバイアス状態下で異なる周波数帯のレーザビームを発生するのに適用される多波長半導体レーザアレイを提供する。レーザ共振器の各々は、レーザ共振器の頂部に配置された電極の対応する長さを有し、多波長発振を可能とするアクティブ領域を含む。アクティブ領域は、複数の量子ドット層と複数の量子ドットキャッピング層を交互に積層することによって形成される。少なくとも二つの量子ドット層又は少なくとも二つの量子ドットキャッピング層は、異なる厚み又は異なる材料組成を有し、レーザ共振器は、異なる空洞長を有する少なくとも二つの電極層を有する。更に、特に、アクティブ領域は、異なる発光周波数帯を発生できる複数の周波数帯領域の積層によって形成され、そこでは、周波数帯領域の発振波長は、基板から離間するに従って、徐々に減少する。周波数帯領域の各々は、更に、スペーサ層、量子ドット層、及び量子ドットキャッピング層を逐次蒸着することによって形成された複数の周期的構造ユニットを含む。
【００１０】
他方、本発明は、多波長半導体レーザアレイを製造する方法を提供し、そこでは、多波長半導体レーザアレイは、複数のレーザ共振器を含み、レーザ共振器の各々は、適切なバイアス状態下で発振によって単一波長帯レーザを発生し、レーザ共振器の各々は、複数の対応する共振空洞と導波構造を有する。この多波長半導体レーザアレイの製造方法は、上に逐次蒸着された第１のクラッド層、アクティブ領域、及び第２のクラッド層を有する基板を提供するステップであって、アクティブ領域は、量子ドット層、量子ドットキャッピング層、及びスペーサ層と逐次繰り返し蒸着することによって形成され、アクティブ領域中の少なくとも二つの量子ドット層又は少なくとも二つのドットキャッピング層が、異なる厚みに又は異なる材料組成によって形成されるステップと、導波構造をリソグラフィー及びエッチングによって画定するステップと、導波構造の各々の上に異なる長さの電極を形成するステップと、を備える。レーザ共振器の各々に対して、異なる空洞長が、リソグラフィーとエッチングによって画定される。従って、本発明の多波長半導体レーサアレイは、上述のように、単純化プロセスによって製造される。
【００１１】
本発明によって提供される多波長半導体レーサアレイ及びその製造方法に従って、単純化されたプロセス状態が使用でき、レーザ共振器の頂部の共振空洞や電極層の長さを変化することによって、レーザ発振を発生するために必要な閾値モード利得が変化し、従って、レーザ共振器の各々は、異なるキャリア密度に起因する多重波長発光を可能とする量子ドットアクティブ領域から単一波長帯レーザを発生し、それによって、多波長半導体レーザの用途を達成する。このように、本発明は、従来技術における関連するプロセスの複雑さを回避できるのみならず、エピタキシャル再成長での製造コストを排除できる。
【００１２】
本発明の詳細な特徴と実施は、以下の実施形態で詳細に記述される。当業者は、本発明の内容を容易に理解でき、従って、実施できる。更に、本発明の関連する目的と利点は、明細書、特許請求の範囲、及び図面に開示される内容を参照すると、当業者には明瞭である。
【００１３】
本発明の適用の更なる範囲は、以下に与えられる詳細な記述から明瞭となる。しかしながら、本発明の精神と範囲内での種々の変化と修正は、この詳細な記述から当業者には明瞭であるので、本発明の好適な実施形態を示す詳細な記述と特定の例は、例示目的で与えられるに過ぎないことを理解すべきである。
【００１４】
本発明は、例示のみのために以下に与えられる詳細な記述からより十分に理解でき、従って、この詳細な説明は、本発明を制限するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の目的、構造、特徴、及び機能は、実施形態を伴って、以下に詳細に示される。本発明の内容の上記の記述と実施形態の以下の記述は、本発明の原理を明らかにすると共に説明し、本発明の請求項の更なる説明を提供することを意図している。
【実施例】
【００１６】
（多波長半導体レーザアレイの構造）
図１は、本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイの構造立面図である。図１に示されるように、本発明の多波長半導体レーザアレイは、基板１００とＮ個のレーザ共振器Ａ1乃至Ａnを含む。Ｎ個のレーザ共振器Ａ1乃至Ａnは、基板１００上に形成されると共に互いに平行になっており、且つ各レーザ共振器は、対応するリッジ導波構造１１０を有する。各リッジ導波構造１１０は、Ｗの幅を有する。更に、レーザ共振器Ａ1乃至Ａnは、夫々、発振によってレーザを発生するために対応する共振空洞を有し、これらの空洞長は、夫々Ｌ1からＬnであり、これらの長さは、互いに異なっている。適切なバイアス電流が、レーザ共振器Ａ1乃至Ａnの各々に印加されると、基板１００上のレーザ共振器Ａ1乃至Ａnによって形成されるレーザアレイは、異なる発振波長λ1乃至λnのレーザを発生する。レーザ共振器Ａ1乃至Ａnの各々の前端表面１０１は、結晶の自然壁開或いはドライエッチングによって反射ミラーを形成し、後端表面１０２は、ドライエッチングによって反射ミラーを形成する。
【００１７】
しかしながら、本発明の多波長半導体レーザアレイは、上述のリッジ導波路構造体レーザ用途に制限されず、利得ガイド、弱インデックスガイド、及び強インデックスガイド構造体のような他の従来の導波構造へも適用できる。これらの従来の導波構造は、従来の技術で一般的に使用されており、従って、詳細は、ここでは再度記述されない。
【００１８】
レーザ共振器の構成は、図２を参照して以下に詳細に記述され、図２は、本発明の多波長半導体レーザアレイの断面図である。
【００１９】
図２に示されるように、レーザ共振器２００は、リッジ突出構造体であり、対応する共振空洞を有する。レーザ共振器２００に印加される電流が、臨界電流値を越えると、単一波長帯レーザは、共振空洞での発振によって発生される。レーザ共振器２００は、下部電極層２１０、基板２２０、下部クラッド層２３０、アクティブ領域２４０、上部クラッド層２５０、接点層２６０、絶縁層２７０、及び上部電極層２８０を含む。
【００２０】
基板２２０は、支持のために使用され、半導体材料で作られる。加えて、基板２２０は、通常、所定の濃度でｎタイプ又はｐタイプ伝導イオンがドープされて抵抗値を減少すると共に電荷の伝導を促進する。例えば、基板２２０は、ｎタイプＧａＡｓ基板である。
【００２１】
下部電極層２１０は、レーザを発生するために必要な電子を注入するために、基板２２０の底表面に形成される。下部電極層２１０は、通常、金属材料、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、或いはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによって形成される多層金属膜から作られる。
【００２２】
下部クラッド層２３０、アクティブ領域２４０、上部クラッド層２５０、及び接点層２６０によって形成されるエピタキシャル層は、基板２２０の表面上に逐次形成される。エピタキシャル層構造は、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）又は有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成できる。アクティブ領域２４０は、下部クラッド層２３０と上部クラッド層２５０との間に挟まれダブルへテロ構造を形成する。更に、下部クラッド層２３０と上部クラッド層２５０は、異なる伝導モードを有し、そこでは、一方がｎタイプ伝導モードであり、他方がｐタイプ伝導モードである。下部クラッド層２３０と上部クラッド層２５０は、共に比較的大きなエネルギーギャップを有する材料で作られ、これらは、注入された電子及び正孔を閉じ込めてこれらの電子及び正孔を効果的にアクティブ領域２４０に注入するために使用される。例えば、下部クラッド層２３０は、ｎタイプＡｌＧａＡｓ材料で作られ、上部クラッド層２５０は、ｐタイプＡｌＧａＡｓ材料で作られる。更に、上部クラッド層２５０は、リッジストライプ構造の層であり、リッジ部２５０ａとこのリッジ部２５０ａの下に配置されるフラット部２５０ｂによって形成される。上部クラッド層２５０は、アクティブ領域２４０の水平方向でアクティブ領域２４０によって発生された光ビームを閉じ込めて、横方向（水平方向）光モードの安定性を維持するために使用される。
【００２３】
上部クラッド層２５０上に配置される接点層２６０は、上部電極層２８０と上部クラッド層２５０との間の接点抵抗を減少して、好適な抵抗接点を達成するために使用される。接点層２６０の材料は、一般的に、所定の濃度で伝導性イオンがドープされる。例えば、接点層２６０は、ｐタイプＧａＡｓ材料、ｐタイプＩｎＧａＡｓ材料、又はｐタイプＧａＮ材料である。
【００２４】
絶縁層２７０は、電極接点領域を画定するために、リッジ部２５０ａの両側とフラット部２５０ｂの上表面に形成され、それにより、アクティブ領域２４０に注入された電流は、単位体積当たりの電荷密度を向上するように濃縮され、それによって効果的なインデックス導波路効果を提供する。一般的に、絶縁層２７０は、共通の誘電材料、例えば、Ｓｉ3Ｎ4又はＳｉＯ2で作られる。
【００２５】
上部電極層２８０は、レーザを発生するために必要な正孔を注入するために、接点層２６０と絶縁層２７０上に形成され、この層は、通常、金属材料、例えば、Ａｕ、Ｔｉ、又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって形成される多層金属膜で作られる。
【００２６】
下部クラッド層２３０から注入される電子と上部クラッド層２５０から注入される正孔は、アクティブ領域２４０で再結合されて、光を発する。
【００２７】
図３を参照すると、アクティブ領域の概略的構造図が示されている。アクティブ領域２４０は、ｍ個の周波数帯領域Ｑ1乃至Ｑmを積層することによって形成され、周波数帯領域Ｑ1乃至Ｑmの各々によって発生されるレーザの波長は、互いに異なっている。更に、周波数帯領域は、下部クラッド層２３０から上部クラッド層２５０まで波長が減少するに従って逐次積層される。
【００２８】
更に、図４に示されるように、周波数帯領域Ｑ1乃至Ｑmの各々は、エピタキシーによって形成される複数の周期的構造ユニット３００を含む。周期的構造ユニット３００の各々は、スペーサ層３１０、量子ドット層３２０、及び量子ドッドキャッピング層３３０を含み、これらは、逐次蒸着される。量子ドット層３２０は、多数の量子ドット構造体を有する薄膜であり、電子と正孔が、量子ドット構造体内でフォトンに再結合される。更に、量子ドット構造体において、量子ドット層３２０とその下のスペーサ層３１０の異なる材料同士間の格子定数のミスマッチに起因して、ひずみの蓄積が発生し、次に、零次自己形成量子ドッドが、ひずみの緩和、即ち、所謂、ストランスキー−クランスタノフ成長モード（Ｓ−Ｋ成長モード）に起因して形成される。量子ドット層３２０に適する材料は、ＩｎＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＮ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＳｂ、ＩｎXＧａ1-XＡｓＮＳｂ、ＩｎXＮ、ＩｎXＧａ1-XＮ、及びＩｎXＧａZＡｌ1-X-ZＮ（ここで、０＜ｘ＜１及び０＜ｚ＜１である）のような半導体材料を含む。量子ドッドキャッピング層３３０に適する材料は、ＩｎyＧａ1-yＡｓ、ＩｎyＧａ1-yＮ、及びＩｎyＧａZＡｌ1-y-zＮ（ここで、０＜ｙ＜１及び、０＜ｚ＜１である）のような半導体材料を含む。更に、量子ドット層３２０の材料中のＩｎの含有量は、量子ドッドキャッピング層３３０のそれよりも高い、即ち、ｘ＞ｙである。可能な発振波長は、量子ドット層３２０と量子ドッドキャッピング層３３０の厚みと材料組成を変化することによって変調され得る。更に、スペーサ層３１０は、量子ドッド層３２０からキャリアが逃げる可能性を低減するために、注入されたキャリアを閉じ込めるために形成され、且つこのスペーサ層は、一般的に、二元化合物半導体材料、例えば、ＧａＡｓやＧａＮで作られる。
【００２９】
順バイアス電流が上部電極層２８０と下部電極層２１０に印加されると、正孔と電子は、夫々、上部クラッド層２５０と下部クラッド層２３０からアクティブ領域２４０に注入される。上部クラッド層２５０と下部クラッド層２３０の両方は、正孔と電子がアクティブ領域２４０から逃げるのを防止できる。このとき、正孔と電子は、アクティブ領域２４０内で再結合され、次に、フォトンの形態で解放される。バイアス電流が臨界電流値まで連続的に増加される、即ち、印加電流が反転分布状態に達するほど十分に高い場合、フォトンの誘導解放が始まり、他方、レーザ共振器Ａ1乃至Ａnの両端の反射ミラー同士間の発振が実行され、増幅されてレーザを発生する。レーザ共振器Ａ1乃至Ａnの各々に印加されるバイアス電流によって引き起こされる利得（ｇth）は、光がレーザ共振器Ａ1乃至Ａnを通過する時の内部損失（αi）及びミラーによって反射された後に光がレーザ共振器Ａ1乃至Ａnを去る時のミラー損失（αm）を補償するのに十分であるならば、共振条件は、レーザを発生するのに十分である。即ち、光モード利得（ｇth）は、以下の公式を満たさなければならない。
【００３０】
【数１】
2008160054.tif 000003
【００３１】
ここで、Ｌは、空洞長を示し、Ｒ1とＲ2は、前端ミラーと後端ミラーの反射率を夫々示す。従って、異なる空洞長を有するレーザ共振器Ａ1乃至Ａnは、光ファイバ通信テクノロジーや光ディスク駆動ピックアップヘッドに適用可能な多波長レーザアレイを達成するようにＱ1乃至Ｑnに対応する特定の周波数帯領域でレーザを発生する。
【００３２】
図５と図６を参照すると、図５は、本発明の第１の実施形態に従う三つの異なる空洞長を有する多波長半導体レーザアレイの立体図であり、図６は、本発明の第１の実施形態に従うアクティブ領域の構造図である。図５を参照すると、ｎタイプＧａＡｓ基板５００上に形成されたレーザ共振器５１０、５２０、及び５３０は、全て、５μｍの幅Ｗを有するリッジ導波構造５４０を有し、それらの空洞長Ｌ1乃至Ｌ3は、夫々、５ｍｍ、１．５ｍｍ、及び０．４ｍｍである。更に、図６を参照すると、レーザ共振器５１０、５２０、及び５３０の各々は、異なる発振波長を有する三つの周波数帯領域を積層することによって形成されるアクティブ領域２４０を有し、これら三つの周波数帯領域は、夫々、下から上に逐次積層された、より長い周波数帯領域６１０、中間の周波数帯域６２０、及びより短い周波数帯領域６３０である。ここで、より長い、中間の、及びより短い波長は、周波数帯領域を比較することによって画定される。周波数帯領域６１０、６２０、及び６３０の各々は、多数の周期的構造ユニットを含み、周期的構造ユニットの各々は、ＧａＡｓスペーサ層６１１、ＩｎＡｓ量子ドット層６１２、及びＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ量子ドットキャッピング層６１３を積層することによって形成される。しかしながら、周波数帯領域６１０、６２０、及び６３０の各々におけるＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ量子ドットキャッピング層６１３の厚みは、夫々、ｄ1、ｄ2、及びｄ3（ｄ1＞ｄ2＞ｄ3）である。このように、異なるひずみ効果が、異なる厚み、従って、格子配置のバリエーションに影響を及ぼすことに起因して量子ドット層６１２とＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ量子ドットキャッピング層６１３の間に発生され、三つの周波数帯領域６１０、６２０、及び６３０を変調して異なる波長でレーザを発生する。より長い周波数帯領域６１０は、二つのグループの周期的層構造によって形成され、中間の周波数帯域６２０は、三つのグループの周期的層構造によって形成され、より短い周波数帯領域６３０は、五つのグループの周期的層構造によって形成される。
【００３３】
次に、上記構造は、発光スペクトルテストを実行するために種々の空洞長を有する半導体レーザに切断され、このテスト結果は、図７における波長に対する発光強度の関係グラフを参照して得られる。空洞長がより長いと、公式１に従って、ミラーによって反射された後、光がレーザ共振器を去る時に発生されるミラー損失（αm）は減少する。この時、積層数が少ないより長い周波数帯領域６１０によって発生される光モード利得（ｇth）は、全エネルギー損失（αi+αm）を十分補償し、より長い周波数帯領域６１０にレーザを発生させる。反対に、空洞長が、より短い場合、ミラーに反射された後、光がレーザ共振器を去る時に発生されるミラー損失（αm）は増加し、それによって、より長い周波数帯領域６１０によって発生される光モード利得（ｇth）は、全エネルギー損失（αi+αm）を十分補償せず、従って、より長い周波数帯領域６１０は、レーザを発生できない。積層数が多い中間の周波数帯域６２０やより短い周波数帯領域６３０は、高い電荷キャリア密度を有するので、全エネルギー損失（αi+αm）が補償され、このように、中間の周波数帯域６２０やより短い周波数帯領域６３０は、レーザを発生する。従って、図７のレーザスペクトルに示されるように、５ｍｍの空洞長Ｌ1を有するレーザ共振器５１０は、より長い周波数帯領域６１０からレーザを発生し、その波長は、１２６２ｍｍである。１．５ｍｍの空洞長Ｌ2を有するレーザ共振器５２０は、中間の周波数帯領域６２０からレーザを発生し、その波長は、１２０６ｍｍである。０．４ｍｍの空洞長Ｌ3を有するレーザ共振器５３０は、より短い周波数帯領域６３０からレーザを発生し、その波長は、１１３３ｍｍである。
【００３４】
次に、図８を参照すると、本発明の第２の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイの構造的立体図が示される。この実施形態の多波長半導体レーザアレイの主構造は、第１の実施形態のそれと類似しており、両者の大きな違いは、レーザ共振器Ｂ1乃至Ｂnは、異なる長さの上部電極層２８０を有する点である。上部電極層２８０の長さがより長いと、より高い光利得のために電流ポンピングを有する領域がより多く、より小さい光損失のために電流ポンピングがない領域がより少ない。この時に、積層数が少ないより長い周波数帯領域によって発生される光モード利得（ｇth）は、全エネルギー損失（αi+αm）を十分に補償し、より長い周波数帯領域にレーザを発生させる。反対に、上部電極層２８０の長さが、より短いと、より小さな光利得のための電流ポンピングを有する領域がより少なく、より高い光損失のための電流ポンピングがない領域がより多く、それによって、より長い周波数帯領域によって発生される光モード利得（ｇth）は、全エネルギー損失（αi+αm）を補償するに十分でなく、このように、より長い周波数帯領域は、レーザを発生できない。積層数が多い中間の周波数帯域やより短い周波数帯領域は、高い電荷キャリア密度を有するので、全エネルギー損失（αi+αm）が補償され、このように、中間の周波数帯域やより短い周波数帯領域は、レーザを発生する。このように、レーザ共振器Ｂ1乃至Ｂnの各々は、上部電極層２８０の長さに依存して、単一波長帯レーザを発生するために異なる周波数帯領域から一つを選択し、レーザ共振器Ｂ1乃至Ｂnによって発生される種々の波長λ1乃至λnのレーザと共に本発明の多波長レーザアレイの目的を達成し、光ファイバ通信テクノロジーや光ディスクドライブピックアップヘッドに対して適用できる。
【００３５】
（多波長半導体レーザアレイの製造方法）
第１の実施形態の多波長半導体レーザアレイの製造方法が、図面を参照して本実施形態において以下に示される。図９乃至図１３を参照すると、本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイの製造のプロセスの断面図が示される。
【００３６】
最初に、図９を参照すると、下部クラッド層７１０、アクティブ領域７２０、上部クラッド層７３０、及び接点層７４０は、ＭＢＥやＭＯＣＶＤによって基板７００上に逐次蒸着される。図１０Ａ乃至図１０Ｃに示されるように、アクティブ領域７２０は、一連の繰り返し積層プロセスによって形成される。図１０Ａにおいて、最初に、スペーサ層７１１が、下部クラッド層７１０上に形成される。次に、図１０Ｂにおいて、量子ドット層７１２が、スペーサ層７１１の上に形成され、その上に複数の量子ドット７１３を有する。次に、図１０Ｃにおいて、量子ドットキャッピング層７１４が、更に、引き続き形成される。スペーサ層７１１、量子ドット層７１２、及び量子ドットキャッピング層７１４は、逐次蒸着されて周期的構造ユニットを形成し、このユニットは、所定の層数や厚みに達するまで繰り返し蒸着される。このように、図３に示されるように、異なる発光状態の周波数帯領域Ｑ1乃至Ｑnが得られる。基板７００は、ｎタイプＧａＡｓ基板である。下部クラッド層７１０は、ｎタイプＡｌＧａＡｓ材料で作られる。アクティブ領域７２０は、周期的構造ユニットを有するｍ個の周波数帯領域を積層することによって形成され、周期的構造ユニットの各々は、ＧａＡｓスペーサ層、ＩｎＡｓ量子ドット層、及びＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ量子ドットキャッピング層を逐次蒸着することによって形成される。上部クラッド層７３０は、ｐタイプＡｌＧａＡｓ材料で作られ、接点層７４０は、ｐタイプＧａＡｓ材料で作られる。
【００３７】
次に、図１１に示されるように、フォトレジスト材料の層が、接点層７４０上に蒸着され、次に、それが、リソグラフィーによってパターン化されてエッチングマスク７５０を形成する。エッチングマスク７５０によってマスクされない部分、即ち、接点層７４０と上部クラッド層７３０の上部は、ウエットエッチング又はドライエッチングによって幅Ｗを有し且つ互いに平行なＮ個のリッジ構造にエッチングされる。リッジ構造は、上部クラッド層７３０のエッチングされた上部分に形成されたリッジ部分と、上部クラッド層７３０のエッチングされなかった下部分に形成されたフラット部分によって形成される。
【００３８】
次に、図１２を参照すると、選択的成長のための障壁としてエッチングマスク７５０を使用して、ＳｉＯ2が、ＣＶＤによってリッジ部分の側表面とフラット部分の上表面上に蒸着され、絶縁層７６０を形成する。
【００３９】
図１３に示されるように、接点層７４０上のエッチングマスク７５０が除去された後、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕによって形成される多層金属膜の層が、絶縁層７６０と接点層７４０上に蒸着され、このように、接点層７４０を有する抵抗接点を形成する上部電極層７７０を構成する。
【００４０】
次に、図１に示されように、異なる空洞長Ｌ1乃至Ｌnを有するレーザ共振器Ａ1とＡnは、リソグラフィーとエッチングによって画定され、他方、レーザ共振器Ａ1乃至Ａnの後端ミラーは、エッチングによって形成される。
【００４１】
次に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによって形成される多層金属膜は、蒸着によって基板７００の底表面上に形成され、下部電極層（図示せず）を形成する。
【００４２】
最後に、レーザ共振器Ａ1乃至Ａnの前端ミラーは、自然壁開によって形成される。
【００４３】
このように、図１に示される多波長レーザアレイが、上記プロセスによって基板上に形成される。
【００４４】
更に、多波長半導体レーザアレイを製造する方法は、第２の実施形態の多波長半導体レーザアレイを製造するためにも使用される。図１４に示されるように、この実施形態の方法と第１の実施形態の方法との間の大きな違いは、上部電極層７７０の蒸着前に、金属カバーリッジを有さない異なる空洞長が、次に続く金属リフトオフのためにフォトリソグラフィーによって選択的にマスクされる点である。次に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによって形成される多層金属膜が、蒸着によって基板７００の底表面上に形成され、この膜は、下部電極層７８０として働く。最後に、レーザ共振器Ｂ1乃至Ｂnの両端の反射ミラーは、自然壁開又はドライエッチングによって形成される。上記プロセスによって、図８に示されるように、異なる長さを有する上部電極層を備える多波長半導体レーザアレイが、基板７００上に形成される。
【００４５】
本発明は、製造プロセスと共に種々の発振波長の積層量子ドットアクティブ領域構造を採用してレーザ共振器と上部電極層の長さを変えてレーザ発振を発生するために必要な閾値モード利得を変化し、それによって、レーザ共振器の各々が、キャリア密度に依存して、多重波長発振できる量子ドット領域から異なる単一波長域を発生する。このように、従来技術での該当するプロセスの複雑さが回避され、エピタキシャル再成長の製造コストが節約できる。
【００４６】
このように、本発明が記述されたが、本発明が多くの方法で変更され得ることは明瞭である。このような変更は、本発明の精神と範囲から逸脱していると見なされるべきではなく、当業者にとって自明であるこのような変更の全ては、以下の特許請求の範囲内に含まれるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイの構造立体図。
【図２】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイの断面図。
【図３】本発明に従う多波長半導体レーザアレイのアクティブ領域の概略構造図。
【図４】図３に示されるアクティブ領域の周期的構造ユニットの概略図。
【図５】本発明の第１の実施形態に従う三つの異なる空洞長を有する多波長半導体レーザアレイの立体図。
【図６】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイのアクティブ領域の構造図。
【図７】本発明の第１の実施形態に従う図６に示されるアクティブ領域を有する三つの異なる空洞長に対するレーザスペクトル。
【図８】本発明の第２の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイの構造立体図。
【図９】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイを製造する方法のステップの断面図。
【図１０Ａ】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイを製造する方法のステップの断面図。
【図１０Ｂ】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイを製造する方法のステップの断面図。
【図１０Ｃ】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイを製造する方法のステップの断面図。
【図１１】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイを製造する方法のステップの断面図。
【図１２】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイを製造する方法のステップの断面図。
【図１３】本発明の第１の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイを製造する方法のステップの断面図。
【図１４】本発明の第２の実施形態に従う多波長半導体レーザアレイの製造方法のステップの断面図である。
【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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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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