(57)【要約】  中赤外のレーザ放射を生成することができるレーザ源を形成する方法であって、基板上に第１のコア構造を成長させるステップと、一又は複数の位置において第１のコア構造をエッチングで除去するステップと、基板上に第２のコア構造を成長させるステップとを含む方法が開示される。コア構造のうちの少なくとも一方は、３〜１４μｍの範囲内の周波数において発光をもたらす量子カスケード利得媒質を含む。さらに、中赤外のレーザ放射を生成することができるレーザ源であって、基板上に配置され、３〜１４μｍの範囲内において発光をもたらす量子カスケードコアと、基板上に位置し、第１のコアに対して同一面内に配置された第２のコアとを備えるレーザ源も開示される。第２のコアは、ａ）不活性導波路コア、ｂ）第２の量子カスケードコア、およびｃ）半導体活性コア領域のうちの１つである。
2015536576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中赤外のレーザ放射を生成することができるレーザ源を形成する方法であって、
基板上に第１のコア構造を成長および／または堆積させるステップと、
前記基板上の一又は複数の位置において前記第１のコア構造をエッチングで除去するステップと、
前記基板上の前記一又は複数の位置のうちの少なくとも１つにおいて、第２のコア構造を成長および／または堆積させるステップと、を含んでおり、
前記第１および第２のコア構造のうちの少なくとも一方は、３〜１４μｍの範囲内の第１の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた第１の量子カスケード利得媒質を含んでいる
方法。
【請求項２】
前記第１および第２のコア構造のうちの少なくとももう一方は、３〜１４μｍの範囲内の第２の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた第２の量子カスケード利得媒質を含んでおり、
前記第２の中心周波数は、前記第１の中心周波数とは異なる
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１および第２のコア構造のうちの少なくとももう一方は、第２の中心周波数において発光をもたらすバンド間遷移を生じるように構造付けられた半導体利得媒質を含み、
前記第２の中心周波数は、前記第１の中心周波数とは異なる
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２および前記第１のコア構造のうちの少なくとも一方は、前記量子カスケード利得媒質によって発光される波長を通す不活性コアを含む
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２および前記第１のコア構造のうちの少なくとも一方は、ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＡｌＧａＩｎＡｓのうちの１つを含んで作成された不活性コアを含む
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
波長選択性のフィードバックをもたらすために前記不活性コアの上方および／または下方に格子を追加するステップをさらに含む
請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
前記格子のチューニングをもたらすために前記不活性コアの上方にマイクロヒータを追加するステップをさらに含む
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記不活性コアへの少数キャリアの注入をもたらすために前記不活性コアの上方または下方にトンネル接合を追加するステップをさらに含む
請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第２のコア構造を成長および／または堆積させるステップは、第２のコア構造の一部が前記第１のコア構造の上に成長および／または堆積させられるように、前記第１のコア構造の少なくともいくつかの部分を露出させた状態で前記第２のコア構造を成長および／または堆積させることを含み、
前記方法は、前記第１のコア構造の上から実質的にすべての前記第２のコア構造を除去するステップをさらに含む
請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
実質的にすべての前記第２のコア構造を除去するステップは、湿式エッチングを含む
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
中赤外のレーザ放射を生成することができるモノリシックなレーザ源を形成する方法であって、
基板上に第１のコア構造を成長および／または堆積させるステップと、
前記基板上の一又は複数の第１の位置において前記第１のコア構造をエッチングで除去するステップと、
前記基板上の前記一又は複数の第１の位置のうちの少なくとも１つにおいて、第２のコア構造を成長および／または堆積させるステップと、
前記基板上の一又は複数の第２の位置において前記第２のコア構造をエッチングで除去するステップと、
前記基板上の前記一又は複数の第２の位置のうちの少なくとも１つにおいて、第３のコア構造を成長および／または堆積させるステップと、を含んでおり、
前記第１、第２、および第３のコア構造のうちの少なくとも１つは、３〜１４μｍの範囲内の第１の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた量子カスケード利得媒質を含んでいる
方法。
【請求項１２】
中赤外のレーザ放射を生成することができるレーザ源であって、
基板上に配置され、３〜１４μｍの範囲内の第１の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられている量子カスケードコアと、
前記基板上に位置し、前記第１のコアに対して同一面内に配置された第２のコアと、を備えており、
前記第２のコアは、ａ）前記第１の中心周波数を有する波長を案内するように構造付けられた不活性導波路コア、ｂ）前記第１の中心周波数とは異なる３〜１４μｍの範囲内の第２の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた第２の量子カスケードコア、およびｃ）３〜１４μｍの範囲の外側の第２の中心周波数において発光をもたらすバンド間遷移を生じるように構造付けられた半導体活性コア領域のうちの１つである
レーザ源。
【請求項１３】
前記第２のコアは、前記第１の中心周波数とは異なる３〜１４μｍの範囲内の第２の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた第２の量子カスケードコアである
請求項１２に記載のレーザ源。
【請求項１４】
前記第１および第２のコアは、共通の導波路の一部として端部同士の関係にて互いに隣接して配置されている
請求項１３に記載のレーザ源。
【請求項１５】
前記第１および第２のコアは、互いに突き合わせてつなぎ合わせられている
請求項１４に記載のレーザ源。
【請求項１６】
前記基板上に位置し、前記第１および第２のコアに対して同一面内に配置された第３のコアをさらに備え、
前記第３のコアは、前記第１および第２の中心周波数とは異なる３〜１４μｍの範囲内の第３の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた第３の量子カスケードコアである
請求項１３に記載のレーザ源。
【請求項１７】
前記第１、第２、および第３のコアは、共通の導波路の一部として端部同士の関係にて互いに隣接して配置されている
請求項１６に記載のレーザ源。
【請求項１８】
前記第１および第２のコアは、別々のそれぞれの第１および第２の導波路の一部として横並びで互いに隣接して配置されている
請求項１３に記載のレーザ源。
【請求項１９】
前記基板上に位置し、前記第１および第２のコアに対して同一面内に配置された第３のコアをさらに備え、
前記第３のコアは、前記第１および第２の中心周波数を有する波長を案内するように構造付けられた不活性導波路コアであり、前記第３のコアは、前記第１および第２の導波路のための導波路マルチプレクサを形成するように配置および構成されている
請求項１８に記載のレーザ源。
【請求項２０】
前記第２のコアは、前記第１の中心周波数を有する波長を案内するように構造付けられた不活性導波路コアである
請求項１２に記載のレーザ源。
【請求項２１】
前記不活性コアの上方および／または下方の格子をさらに備える
請求項２０に記載のレーザ源。
【請求項２２】
前記格子のチューニングのための前記不活性コアの上方のマイクロヒータをさらに備える
請求項２１に記載のレーザ源。
【請求項２３】
前記不活性コアへの少数キャリアの注入のための前記不活性コアの上方または下方のトンネル接合をさらに備える
請求項２１または２２に記載のレーザ源。
【請求項２４】
成長方向における前記コアの両側のクラッド層をさらに備えており、
下側のクラッド層がｎ型にドープされている一方で、上側のクラッド層は、電流の注入が必要とされる場所においてｎ型にドープされているが、マイクロヒータが配置される場合にマイクロヒータの配置場所において半絶縁性である
請求項１２〜２３のいずれかに記載のレーザ源。
【請求項２５】
前記上側のクラッド層は、マイクロヒータが配置される場合にマイクロヒータの配置場所においてＦｅでドープされている
請求項２４に記載のレーザ源。
【請求項２６】
前記導波路が、横方向においてＩｎＰ層または深くエッチングされたトレンチによって電気的および光学的に境界付けられている
請求項１４、１５、および１７〜１９のいずれかに記載のレーザ源。
【請求項２７】
各々の利得または不活性部分が、近隣部分の間の絶縁領域のコアの上方のＩｎＰ層またはエッチングされたトレンチによって、近隣部分から電気的に絶縁されている
請求項１４、１５、および１７〜１９のいずれかに記載のレーザ源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１２年１１月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／７３２，２８９号の米国特許法第１１９条のもとでの優先権の利益を主張し、この米国特許仮出願の内容は、その全体が、ここでの言及によって本明細書に援用される。
【０００２】
本明細書は、広くには、半導体基盤のレーザに関し、より具体的には、特にガス検出、医療診断、ならびに多数の異なる波長または広い範囲に及ぶ波長のチューニングが必要とされる他の用途などの用途に向けた半導体基盤のレーザに関する。そのようなデバイスの製造方法も開示される。
【背景技術】
【０００３】
量子カスケードレーザからの中赤外（ＭＩＲ）の複数の波長の生成は、２つの波長を同時に発することができる１つの単独のコア（「Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒ」、Ｃ．Ｇｍａｃｈｌら、Ｎａｔｕｒｅ  ３８７、７７７（１９９９）を参照；反対のバイアスによって２つの異なる波長を発するように設計されている１つのコア）を設計することによって、あるいは広い充分な利得の帯域幅を有する１つの単独のコアに種々の周期の格子を追加することによって、実現されている。例えば、「Ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｂｒｏａｄ−ｇａｉｎ  ＱＣＬｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｄｕａｌ−ｕｐｐｅｒ−ｓｔａｔｅ  ｄｅｓｉｇｎ」、Ｋ．Ｆｕｊｉｔａら、Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ  Ｌｅｔｔ  ９６、２４１１０７（２０１０）および同じグループによるＡｐｐｌ  Ｐｈｙｓ  Ｌｅｔｔ  ９８、２３１１０２（２０１１）における更なる研究を参照：広い利得の帯域幅を有し、幅広い範囲の波長にわたって発光するようにチューニング可能（チューニング範囲は、第１の研究において３３０ｃｍ−１であり、第２の研究において６００ｃｍ−１である）である１つのコア。さらに、「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒ  Ａｒｒａｙ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｆｒｏｍ  ８．０  ｔｏ  ９．８μｍ」、Ｂ．Ｇ．Ｌｅｅらを参照：１つの広利得コア、格子によって制御される正確な波長を有する並列なデバイスのアレイ。これらの場合、波長の範囲は、中心波長の約１５〜２０％にすぎない。
【０００４】
別の技術は、各々が異なる波長で発光する別々のコアを互いに上下に積み重ねることからなる。Ｃ．Ｇｍａｃｈｌ、Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ、Ｒ．Ｃｏｌｏｍｂｅｌｌｉ、Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ、およびＡ．Ｙ．Ｃｈｏの「Ｕｌｔｒａ−ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒ」、Ｎａｔｕｒｅ、４１５、８８３−８８７（２００２）、ならびにＣ．Ｇｍａｃｈｌ、Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ、Ｊ．Ｎ．Ｂａｉｌｌａｒｇｅｏｎ、Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ、Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ、およびＡ．Ｙ．Ｃｈｏの「Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ａ  ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｃａｓｃａｄｅ：ｔｗｏ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．７９、５７２−５７４（２００１）を参照されたい。ここでもやはり、この場合には異なるコアゆえのいくらか広い範囲（中心波長の３０〜４０％）内の正確な波長を選択するために、種々の周期の格子を、コアの上方に追加することができる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様によれば、中赤外のレーザ放射を生成することができるレーザ源を形成する方法は、基板上に第１のコア構造を成長させるステップと、一又は複数の位置において第１のコア構造をエッチングで除去するステップと、基板上に第２のコア構造を成長させるステップとを含む。コア構造のうちの少なくとも一方は、３〜１４μｍの範囲内の周波数において発光をもたらす量子カスケード利得媒質を含む。
【０００６】
別の態様によれば、中赤外のレーザ放射を生成することができるレーザ源は、基板上に配置され、３〜１４μｍの範囲内において発光をもたらす量子カスケードコアと、基板上に位置し、第１のコアに対して同一面内に配置された第２のコアとを備える。第２のコアは、ａ）不活性導波路コア、ｂ）第１のコアとは異なる周波数において発光をもたらすように構造付けられた第２の量子カスケードコア、およびｃ）半導体活性コア領域のうちの１つである。
【０００７】
これらの特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、本明細書および図面から、当業者にとって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示によるマルチコアデバイスの一実施形態の概略平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本開示によるマルチコアデバイスの一実施形態の概略断面図である。
【０００９】
【図２】図２は、本開示の一実施形態による方法の特定の処理工程の概略図である。
【００１０】
【図３Ａ】本開示によるマルチコアデバイスの１つの別の実施形態の概略平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本開示によるマルチコアデバイスの別の一実施形態の概略断面図である。
【００１１】
【図４】図４は、本開示によるデバイスの特定の実施形態の１つの別の態様の概略断面図である。
【００１２】
【図５】図５は、本開示によるデバイスの特定の実施形態のまた別の態様の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の詳細な説明、図面、実施例、および特許請求の範囲、ならびにそれぞれの先の説明および以降の説明を参照することで、より容易に本発明を理解することができる。しかしながら、本発明の組成、物品、デバイス、および方法を開示および説明する前に、本発明が、特に指定されない限り、開示される特定の組成、物品、デバイス、および方法に限定されず、したがって当然ながらさまざまであってよいことを、理解すべきである。さらに、本明細書において用いられる用語が、あくまでも特定の態様を説明する目的のためのものに過ぎず、本発明を限定しようとするものではないことも、理解すべきである。
【００１４】
本発明の以下の説明は、本発明を現時点において知られる実施形態にて実施可能にする教示として提示される。この目的のため、本明細書に記載される本発明の種々の態様について、本明細書の有益な結果を依然として得ながら、多数の変更を行うことができることを、当業者であれば認識および理解できるであろう。また、他の特徴を利用すること無く本発明の特徴のうちの一部を選択することにより、本発明の望ましい利点の一部を得ることができることは、明らかであろう。したがって、当業者であれば、本発明について多数の改良および調整が可能であり、特定の状況においてはそのような改良および調整が望ましいかもしれず、そのような改良および調整が本発明の一部であることを、理解できるであろう。このように、以下の説明は、本発明の原理の例示として提示されており、本発明を限定するものとして提示されているわけではない。
【００１５】
開示される方法および組成物の実施形態のために使用することができ、それらの実施形態とともに使用することができ、それらの実施形態の準備／作製に使用することができ、あるいはそれらの実施形態である材料、化合物、組成物、およびコンポーネントが開示される。これらの材料および他の材料が本明細書に開示され、そのような材料の組合せ、サブセット、相互作用、群、などが開示されている場合、それらの化合物の種々の個別的および包括的な組合せおよび置換のそれぞれの具体的な言及は明示的には開示されていないかもしれないが、各々が本明細書において具体的に想定および説明されていると理解される。すなわち、置換要素Ａ、Ｂ、およびＣからなる集合ならびに置換要素Ｄ、Ｅ、およびＦからなる集合が開示され、組合せの実施形態の例Ａ−Ｄが開示されている場合、各々が個別的および総括的に想定されている。すなわち、この例においては、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ；Ｄ、Ｅ、および／またはＦ」という開示ならびに例としての組合せＡ−Ｄの開示から、組合せＡ−Ｅ、Ａ−Ｆ、Ｂ−Ｄ、Ｂ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、Ｃ−Ｄ、Ｃ−Ｅ、およびＣ−Ｆの各々が具体的に想定されており、開示されていると見なされるべきである。同様に、これらの任意のサブセットまたは組合せも、具体的に想定され、開示されている。すなわち、例えば、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ；Ｄ、Ｅ、および／またはＦ」という開示ならびに例としての組合せＡ−Ｄの開示から、Ａ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、およびＣ−Ｅからなる部分群が具体的に想定されており、開示されていると見なされるべきである。この考え方は、これらに限られるわけではないが、組成物のあらゆる成分ならびに開示の組成物の作成および使用の方法におけるあらゆる工程など、本開示のすべての態様に当てはまる。すなわち、実行可能な種々の追加の工程が存在する場合、それら追加の工程の各々を、開示される方法の任意の特定の実施形態または実施形態の組合せとともに実行することができ、そのような組合せの各々が具体的に想定され、開示されていると見なされるべきであると理解される。
【００１６】
本明細書および以下の特許請求の範囲において、いくつかの用語への言及がなされるが、それらは以下の意味を有すると定義されるべきである。
【００１７】
「含む」または同様の用語は、「・・・を包含するが、それ（それら）に限られない」という意味であり、すなわち包含を意味し、排他を意味しない。
【００１８】
用語「約」は、特に述べられない限り、その範囲内のすべての条件を指す。例えば、約１、２、または３は、約１、約２、または約３と等価であり、約１〜３、約１〜２、および約２〜３をさらに含む。組成物、コンポーネント、成分、添加物、および同様の態様、ならびにこれらの範囲について開示される特定の好ましい値は、あくまでも例示のためのものに過ぎず、他の定められた値または定められた範囲内の他の値を排除するものではない。本発明の組成物および方法は、本明細書に記載の値、特有の値、より特有の値、および好ましい値のうちの任意の値または任意の組合せを有する組成物および方法を含む。
【００１９】
本明細書において使用されるとき、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」ならびに対応する定冠詞「ｔｈｅ」は、特に指定されない限り、少なくとも１つまたは複数を意味する。
【００２０】
本明細書において使用されるとき、「超格子」は、量子井戸閉じ込めおよびバンド間遷移、または典型的には、一般的にサブバンド間遷移を生じさせる異なるバンドギャップを有する少なくとも２つの半導体材料を含む（例えば、ここでの言及によってその全体が本明細書に援用される米国特許出願第１３／６６１，５５９号を参照されたい）。少なくとも２つの半導体材料の厚さは、格子内で変化してもよく、あるいは一定の厚さであってもよい。材料の厚さが変化する場合、それらは、線形または非線形の様相で変化してもよい。
【００２１】
本明細書において使用されるとき、「ステージ」は、電子が注入領域から活性部分へと遷移することを可能にする超格子によって形成された一連の量子井戸を含み、一又は複数のサブバンド間遷移によってレーザ発振を生じさせるように構造付けられた活性部位を有する。個々のステージの構造が、一般に、きわめて狭い波長範囲におけるレーザ発振を生じる。スタックは、積み重ねの構成にて配置された複数のステージを含む。本明細書において使用されるとき、「異種混成量子カスケード」は、複数のステージのスタックを含み、ステージは同一でなく、すなわち異なる中心周波数のレーザ発振をそれぞれ生じさせる少なくとも２つの異なるステージ構造が存在する。「活性領域」または「コア」は、少なくとも１つのスタックで構成され、発光を生じさせるレーザの領域を表すために使用される。
【００２２】
現時点において、中赤外の光学利得の帯域幅を、典型的な単一量子カスケードコアの帯域幅を超えて増やすために、成長方向に積み重ねられた複数の異なるステージが、提案および実施されている。この手法の大きな欠点は、スタック全体のうちの一部だけしかレーザ発振に寄与しないがゆえに、所与の波長におけるレーザ発振の効率が低いことにある。
【００２３】
この障壁を克服するための方法として、横方向に複数の異なるコア、すなわち１つのウエハ内に互いに同一平面に位置する複数の異なるコアを形成するためのプロセスが、本明細書において開示される。デバイスも開示される。そのようなコアを有する１つのそのようなデバイスの概略図が、図１Ａおよび１Ｂに示されている一方で、そのような方法のいくつかの工程が、図２に示されている。
【００２４】
図１Ａは、３つのコア４０、５０、６０の成長後に、ウエハ１０またはウエハ１０上に形成されたレーザ源１００から見下ろした概略上面図または概略平面図である。それぞれの導波路７０が、各々のコアに組み合わせられている。それぞれのコアは、それぞれの異なる中心周波数λ１、λ２、およびλ３を有するそれぞれの異なる発光プロフィルを生成するように構造付けられていることを示すために、λ１、λ２、およびλ３と標記されている。図２Ａは、図１Ａに示されているＡ−Ａに沿って得た図１Ａの構造の概略断面図であり、基板および下側クラッド層１２上のコア４０、５０、６０を、各コアの上方の上側クラッド層１４とともに示している。金属化に適合する導電層１６を、クラッド層の上方に位置させることができ、それぞれのコア４０、５０、６０へと電流を注入するために、それぞれの金属コンタクト１８を、導電層１６上に形成することができる。コア４０、５０、または６０のうちの少なくとも１つ（１つの代案の実施形態においては、コア４０、５０、および６０のうちの２つまたは３つすべて）は、３〜１４μｍの範囲内の中心周波数を生み出すように構造付けられた量子カスケード型のコアである。別の代案の実施形態においては、３〜１４μｍの範囲内の中心周波数として生み出すように構造付けられた量子カスケード型の少なくとも１つのコア４０に加え、残りのコアのうちの少なくとも１つのコア５０または６０が、３〜１４μｍの範囲の外側の中心周波数において発光をもたらすバンド間遷移を生じるように構造付けられた半導体活性コア領域の形態である。このように、広く離れた波長の発生源を、同じ基板１２上に統合することができる。
【００２５】
図２が、本開示の方法の一実施形態による特定の処理工程２０、２２、２４、２６、２８、および３０の概略図を示している。図２に示されるとおり、工程２０において、第１のコア構造４０が、基板１２上に成長および／または付着（成長および付着の組合せを含む）させられる。工程２２において、第１のコア構造４０が、基板上の一又は複数の位置においてエッチングで除去され、図示のとおりの少なくとも１つの第１のコア４０が残される。工程２４において、第２のコア構造５０が基板上に成長および／または付着させられ、工程２６において、第２のコア構造５０がやはり基板上の一又は複数の第２の位置においてエッチングで除去され、図示のとおりの少なくとも１つの第２のコア５０が残される。これらの工程を、随意によりさらに繰り返すことができ、工程２８および３０に示されるように、第３のコア構造６０が付着させられ、次いで一又は複数の位置において除去され、図示のとおりの少なくとも１つの第３のコア３０が残される。それぞれのエッチングの工程の各々は、望ましくは湿式エッチングの形態をとることができるが、他の適切なエッチング処理も使用可能である。それぞれのエッチングの工程の各々を、先行して付着させたコアに重なるコア構造のすべてを除去するために使用することができ、あるいはより好ましくは、突き合わせ継ぎ目（ｂｕｔｔ  ｊｏｉｎｔ）が使用される場合に、後述されるように小さな重なり部分を残してもよい。
【００２６】
各コア４０、５０、６０が別々に形成されるため、このプロセスは、各コアの設計（材料および構造の両方）を、割り当てられたレーザ波長において高いレーザ発振効率および／または出力をもたらすように最適化することを可能にする。いくつかの実施形態においては、割り当てられる波長の各々が、中赤外の波長領域にあり、各々のコア構造が、量子カスケード利得媒質の形態である。望ましくは、各コアの幅Ｗは、該当のレーザ周波数が単一横モードで生じるように選択される。図１Ａおよび１Ｂの実施形態に示されるとおり、デバイスは、望ましくは、望まれない電流の注入の制限および光学的な閉じ込めの提供の両方をもたらすＩｎＰ層などのバリア層８０の側方再成長によって、横方向において互いに絶縁される。あるいは、深いエッチングによるトレンチ（図示されていない）を、横方向の絶縁に使用することができる。
【００２７】
図１Ａおよび１Ｂの実施形態において、複数のコアは、別々のそれぞれの導波路７０の一部として横ならびに互いに隣接して配置される。図３Ａおよび３Ｂは、複数のコア４０、５０、６０が、共通の導波路７０の一部として端部同士の関係にて互いに隣接して配置され、望ましくはそれぞれの突き合わせ継ぎ目Ｊにおいて直接連結された別の態様を示している。図３Ａが、図１Ａの概略平面図と同様の概略平面図である一方で、図３Ｂは、図３Ａに示されている線Ｂ−Ｂに沿って得た図３Ａの構造の概略断面図である。この実施形態の複数のコア４０、５０、６０（この場合には、３つの異なるコア）は各々、該当の時点における各コアのバイアスの様相（どのように金属コンタクトに電圧／電流が供給されるか）に応じて各々が同時に１つ、２つ、または３つの波長λ１、λ２、およびλ３を発光する各々の活性デバイスまたは導波路の一部を構成する。図３Ａおよび３Ｂのデバイスを、望ましくは、上記の図１Ｂに示したやり方と同様のやり方で横方向について閉じ込めることができる（図示されていない）。
【００２８】
望ましくは、コア４０の１つが、３〜１４μｍの範囲内の第１の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた量子カスケードコアであり、第２のコア５０（または、６０）が、ａ）前記第１の中心周波数を有する波長を案内するように構造付けられた不活性導波路コア、ｂ）前記第１の中心周波数とは異なる３〜１４μｍの範囲内の第２の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた第２の量子カスケードコア、およびｃ）３〜１４μｍの範囲の外側の第２の中心周波数において発光をもたらすバンド間遷移を生じるように構造付けられた半導体活性コア領域のうちの１つである。さらに、第３のコア６０（または、５０）は、望ましくは、前記第１の中心周波数および前記第２の中心周波数（使用される場合）とは異なる３〜１４μｍの範囲内の第３の中心周波数において発光をもたらすサブバンド間遷移を生じるように構造付けられた量子カスケードコアであってよい。あるいは、第３のコア６０（または、５０）は、前記第１の中心周波数および前記第２の中心周波数（使用される場合）を有する波長を案内するように構造付けられた不活性導波路コアであってよい。そのような第３のコアは、望ましくは、第１の導波路について（あるいは、第２の導波路についても）導波路マルチプレクサを形成するように配置および構成される。
【００２９】
別の代案の態様として、複数のコア４０、５０、６０のうちの１つ（さらに望ましいのであれば、２つ以上）は、他のコアの一又は複数の量子カスケード利得媒質などの他のコアの一又は複数が発する波長を通すように構造付けられた不活性コアであってよい。中赤外の波長において光学的な損失が少ない導波路を形成するための候補材料として、ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、およびＡｌＧａＩｎＡｓが挙げられる。このようにして生成される不活性導波路を、一対多または多対一の導波路構造の形態にて、光の分割または結合のための分割器または結合器あるいはマルチプレクサまたはデマルチプレクサとして働くように構成することができる。
【００３０】
突き合わせ継ぎ目が使用される場合、突き合わせられたコアの間の滑らかな遷移を保証するために、２番目および後続（あれば）のコアの成長の工程は、好ましくは、（突き合わせ継ぎ目の形成相手である）先行のコア構造の少なくとも一部分を露出させて実行され、すなわちマスク層を備えずに実行され、あるいは少なくとも先行のパターン加工済みのコアの上面領域のすべての部分を覆うマスク層を備えずに実行される。次いで、実質的に、第２のコア構造または他の後続のコア構造のすべてを、エッチングなどによって、第１のコア構造の上から取り除くことができる。あるいは、より望ましくは、上方に位置する第２のコア構造または他の後続のコア構造の小さな一部分Ｐを、堅固な突き合わせ継ぎ目の保証および保護を助けるために残すことができる。望ましくは、製造の歩留まりを良好にし、光学遷移の損失を無視可能にするために、小さな重なり合いの領域（２〜１０μｍ）が存在すべきである。重なり合うコア材料のそのような小さな部位Ｐを含む実施形態が、図４および５に示されている。
【００３１】
図４は、低損失不活性量子導波路コアＰＱの概略断面図を示しており、不活性コアＰＱは、望ましくはＧａＩｎＡｓＰで形成され、活性利得量子カスケードコアＱＣと突き合わせにてつなぎ合わされ、丈夫な突き合わせ継ぎ目の保証および保護に役立つように、量子カスケードコアが不活性コアＰＱにわずかに重なっている。（コアの成長の順序が、必ずしもこの構造によって示唆されるとおりである必要はなく、不活性コアが、第２のコアまたは他の後に成長させられるコアであってよく、活性コアが、第２のコアまたは他の後に成長させられるコアであってもよいことに、注意すべきである）。別の代案の態様として、波長選択性のフィードバックをもたらすために、不活性コアＰＱの上方または下方に格子Ｇを追加することができる。さらなる代案として、一又は複数のマイクロヒータＭＨをＳＩ−ＩｎＰなどの電気絶縁性の上側クラッド層９０の上に追加し、マイクロヒータＭＨが波長のチューニングのために導波路の屈折率を選択的に変化させることができるようにすることができる。
【００３２】
あらゆる実施形態において、クラッド層は、成長方向におけるコアの両側に設けられ、望ましくは下側のクラッド層がｎ型にドープされる一方で、上側のクラッド層は、電流の注入が必要とされる場所でｎ型にドープされるが、例えばマイクロヒータが配置される場所ではＦｅのドープなどにより、マイクロヒータ（存在する場合）が配置される場所では半絶縁性である。
【００３３】
別の代案の態様として、図５の概略断面図に示されるように、自由キャリア効果によって屈折率を変化させるための小数キャリアを注入するために、トンネル接合ＴＪを不活性コアの上方または下方（図５の例では、上方）に追加することができる。
【００３４】
製造の方法は、ＤＦＢ  ＱＣＬに伝統的に用いられる製造プロセスと同様の製造プロセスの使用を含むことができる。本明細書の実施形態は、チューニング可能なＥＣ  ＱＣＬを、寸法がより小さく、速度がより速く、コストがより低いデバイスに機能的に置き換えることができる点で、好都合である。さらに、実施形態は、ＤＦＢ  ＱＣＬアレイに対するサイズおよびコストの利点も有する。なぜならば、ＤＦＢ  ＱＣＬアレイは、典型的には、アレイの出力を１つの光ビームへと光学的に結合させる結合光学系を必要とするからである。
【００３５】
実施形態は、超格子を形成する少なくとも２つの組成が同一ではない層を備える利得材料を含むことができる。層の厚さの適切な設計により、レーザ発振を達成するために必要な系内の２つのサブバンドの間の反転分布を作成することが可能である。層の厚さは、同一であっても、所望の設計に応じて異なってもよい。いくつかの実施形態において、層は、約１Åから約５００Åの厚さを有する。いくつかの実施形態において、層は、約１０Åから約１００Åの厚さを有する。いくつかの実施形態において、層は、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、７０、８０、９０、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、または５００Åの厚さを有する。
【００３６】
利得材料の層の形成に使用することができる材料は、一般に、ＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、およびＩＩ−ＶＩ族の半導体などの半導体を含む。いくつかの実施形態において、層は、ＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＳｉｘＧｅ１−ｘ、あるいはＧａｘＩｎ１−ｘＡｓおよびＡｌｙＩｎ１−ｙＡｓを含むことができ、ここでｘおよびｙは、０〜１である。
【００３７】
例えば分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）（ガスソースＭＢＥおよびＭＯ−ＭＢＥを含む）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、またはスパッタリングなど、さまざまな技術を使用して超格子利得材料を生成することができる。これらの方法は、わずか数個の原子の間隔の厚さを有する層の生成を可能にする。
【００３８】
実施形態は、光導波路をさらに含むことができる。光導波路は、本明細書において用いられるとき、光スペクトル内の電磁波を案内する物理的構造を含む。いかなる特定の種類の導波路にも限定されないが、広く用いられている光導波路の一種類は、リッジ導波路である。リッジ導波路は、量子カスケード利得材料に平行なトレンチをエッチングして、必ずしも必要ではないが典型的には約５〜１５μｍの幅および数ｍｍの長さ（長さは、通常は劈開によって定められる）の絶縁されたＱＣ材料の帯を生成することによって生み出される。横モード閉じ込めを、トレンチに誘電材料を堆積させることによって達成することができ、次いで、典型的には、電気コンタクトを提供し、および発光時にリッジから熱を除去することを支援するために、リッジ全体が金でコーティングされる。さらに一般的には、横モード閉じ込めは、レーザがＩｎＰ基板上に成長させられている場合、ＩｎＰなどの半絶縁性材料をトレンチ内に成長させることによって達成される。光は、導波路の劈開端から発せられる。
【００３９】
実施形態は、反射防止または無反射（ＡＲ）層をさらに含むことができる。本明細書において使用されるとき、ＡＲ層は、デバイスの少なくとも１つの端部（面）に施され、特にＩＲ領域における反射を軽減する光学的なコーティングを含む。ＡＲ層は、屈折率整合、単層干渉、多層干渉、またはモスアイ（ナノ構造化）など、任意の種類であってよい。いくつかの実施形態において、ＡＲコーティングは、約１０％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、０．１％、０．０１％、または０．００１％未満の損失、あるいは０％の損失をもたらす。
【００４０】
格子を、電子ビーム（「ｅ−ビーム」）書込み、ｅ−ビームリソグラフィで作製された格子マスクのコンタクトプリンティング、またはホログラフィによって、パターン形成することができる。
【００４１】
実施形態に見ることができる別のコンポーネントとして、利得材料の上方および／または下方の両方のｎ型クラッド層が挙げられる。活性利得部分および波長選択部分に、種々のレーザ部分に専用のそれぞれの制御電極を備えるパターン形成された電気コンタクト層を被せることができる。レーザ構造の個々の領域を電気的に分離するために、パターン形成された電気コンタクト層の適切な領域に、絶縁誘電体材料を付着させることができる。
【００４２】
典型的な実施形態において、レーザ発振部分は、ここでの言及によってその全体が本明細書に援用される米国特許出願第１３／０５０，０２６号に記載のように、ｐ型の電気絶縁領域によって隔てられる。例えば、活性導波路コアを、上側および下側のｎ型クラッド層の間に挟むことができる。上側のクラッド層の少なくとも一部だけでなく、活性コアおよび下側のｎ型クラッド層も、実施形態の電気的に絶縁されたレーザ部分を通って延びる。上側のｎ型クラッド層の一部分は、実施形態の各部分を隔てる投影に沿って上側のｎ型クラッド層の厚さの一部分を横切って延びるｐ型の電気絶縁領域を定めるために、充分なｐ型ドーパントを含む。上側および下側のｎ型クラッド層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、あるいは任意の他の伝統的または未だ開発されていない適切なクラッド層材料を含むことができる。例えば、これらに限られるわけではないが、ＩＩ−ＶＩ族の半導体、Ｓｉ−ＧｅまたはＧａＮを主体とする材料、など、さまざまなクラッド層材料が適し得ると考えられる。
【００４３】
ｐ型の絶縁領域の実現するための様々な方法が存在する。とりわけ、選択成長、イオン注入、およびｐ型ドーパントの拡散がある。最後の選択肢が選ばれる場合、上側および下側のｎ型クラッド層ならびに利得材料のそれぞれの組成を、ドーパントの拡散によるｐ型電気絶縁領域の形成を容易にするように選択することができる。さらに詳しくは、上側および下側ｎ型クラッド層はＩｎＰを含むことができ、ｐ型ドーパントを、ＩｎＰ上側ｎ型クラッド層における最大安定濃度がほぼｎ×１０１８ｃｍ−３（ここで、ｎは３未満である）を下回るように選択することができる。
【００４４】
レーザ発振部分を絶縁する別の方法は、ｎ型クラッド層の高ドープ部分の除去を含む。
【００４５】
これに限られるわけではないが、例として、別の方法として、上側および下側のｎ型クラッド層を、ＧａＡｓを主体とするクラッド層とすることができることが考えられる。クラッド層のいくつかは、単純なＧａＡｓまたはＩｎＰの代わりに、ＡｌＧａＡｓまたは（Ａｌ）ＧａＩｎＰであってよい。ＧａＡｓを主体とするクラッド層において、コアは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ／（Ａｌ）ＧａＩｎＰ、またはＧａＩｎＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓであってよい。同様の組成の追加の層が、構造の残りの層について考えられ、ＧａＩｎＡｓおよびＧａＡｓ基板の間に存在し得る格子不整合を補償するように選択されるべきである。例えば、これらに限られるわけではないが、他の考え得る層は、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、およびＧａＩｎＡｓＰである。ＧａＡｓを主体とするクラッド層において、（Ａｌ）ＧａＡｓを半絶縁性にするために使用される適切なドーパントとして、これらに限られるわけではないがＣｒおよびＯが挙げられる。きわめて低い温度の成長において、半絶縁性の（Ａｌ）ＧａＡｓを、ドーパントを必要とせずに得ることができる。
【００４６】
本明細書の実施形態は、望ましくはパルスモードで使用されるが、いくつかの用途においては、連続波モードが有用かもしれない。レーザのパルスの継続時間は、約１ｎｓから約１ｍｓであってよい。いくつかの実施形態において、ＦＷＨＭにおけるパルス幅は、約１ｎｓ、２ｎｓ、３ｎｓ、４ｎｓ、５ｎｓ、６ｎｓ、７ｎｓ、８ｎｓ、９ｎｓ、１０ｎｓ、２０ｎｓ、５０ｎｓ、６０ｎｓ、７０ｎｓ、８０ｎｓ、９０ｎｓ、１００ｎｓ、２００ｎｓ、３００ｎｓ、４００ｎｓ、５００ｎｓ、６００ｎｓ、７００ｎｓ、８００ｎｓ、９００ｎｓ、１μｓ、１０μｓ、１００μｓ、または１ｍｓである。いくつかの実施形態において、本明細書に具現化されるデバイスを、すべてのレーザ部分が同時に、個々に、さらには／あるいは順次またはプログラムされた順序で、レーザ発振するように設計することができる。
【００４７】
実施形態を、ＩＲ放射、特に、ＩＲレーザ放射が好都合であると考えられるいくつかの任意の方法において使用することができる。特定の用途として、ＩＲ吸光度または反射率の測定、ＩＲおよびＦＴＩＲ分光、ラマン分光、ガスおよび／または化学兵器検出、化学動力学および反応速度論の測定、熱実験、などが挙げられる。一実施形態において、実施形態は、分子組成の同定のためのＩＲ吸光度測定に用いられる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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