(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の光学ゲイン特性を有する自己組織化量子ドット形成技術の提供。【解決手段】量子ドットは、分子ビームエピキタシによってGaAs基板上に成長させられたInGaAs量子井戸４０４に形成された自己組織化InAs量子ドット４０６である。第１のAlGaAsまたはGaAs障壁層４０２が成長させられる。該第１の障壁層上には、第１のInGaAs井戸層４０４が成長させられる。InAsの十分なモノレイヤ等価厚みが前記InGaAs上に成長させられることによって、自己組織化島が形成される。前記量子ドットを埋め込むために、前記InAs島上に第２のInGaAs井戸層４０４が成長させられる。前記量子井戸を完成するために、第２のAlGaAsまたはGaAs障壁層４０２が成長させられる。前記量子井戸層の光学的ゲイン特性はまわりの層の組成不均一、ドットサイズ分布、ドット密度、及び、転移形成のための臨界厚みを超えることなく活性領域内に配置可能なドットレイヤの数によって影響される。【選択図】図１２
2007318165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光導波路と、
前記光導波路に対して光学的に結合された量子ドットの集団で構成される少なくとも１つの量子ドット層と、ここで、前記量子ドットは、注入された電流に応じて、少なくとも１２６０ナノメータの発光波長で、２５ｃｍ-1を超える飽和基底状態モードゲインを提供するものであり、
前記量子ドットに注入される電流のキャリア閉じこめを実現するための少なくとも１つの量子井戸と、
を具備した半導体レーザ。
【請求項２】
前記量子井戸は、最下位井戸層と最上位井戸層とを具備し、前記量子ドット層は、該最下位井戸層と最上位井戸層との間に位置し、
前記半導体レーザは、更に、前記最下位井戸層の下に位置する最下位障壁層と前記最上位井戸層の上に位置する最上位障壁層とを具備し、
前記最下位障壁層と最上位障壁層は、前記量子井戸のバンドギャップ幅よりも広いバンドギャップ幅を持つ、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記量子ドット層は、ＩｎＡｓの１．８〜４．０モノレイヤの範囲内の等価ＩｎＡｓ領域の堆積によって形成されたＩｎＡｓを具備し、
前記最上位井戸層は、約０．１〜０．３の範囲内の合金分率を有するＩｎxＧａ1-xＡｓからなり、
前記最下位井戸層は、約０．１〜０．３の範囲内の合金分率を有するＩｎxＧａ1-xＡｓからなり、
前記最下位井戸層の厚みは、０．５〜５ナノメータの範囲内であり、
前記最上位井戸層の厚みは、４〜１２ナノメータの範囲内であり、
前記最下位障壁層と最上位障壁層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなる、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記量子ドット層及び前記量子井戸は、ヒ素の安定した条件下で４５０℃〜５４０℃の温度で分子線エピタキシによって成長される、ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記最下位井戸層の厚みは、０．５〜１ナノメータの範囲内であり、
前記量子ドット層及び前記量子井戸は、４６０℃〜４９０℃の温度で成長される、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記量子ドット層の後に成長させられるＡｌＧａＡｓクラッド層を更に具備し、該クラッド層は、約６１０℃未満の温度で分子線エピタキシによって成長される、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
０．５〜１．５モノレイヤの範囲内の等価ＩｎＡｓ領域を持つＩｎＡｓからなるフローティング層を更に具備し、前記フローティング層は、前記最下位障壁層と前記最下位井戸層との間に位置する、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記量子ドット層内の量子ドットは、前記量子井戸内に完全に収容されている、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記最上位井戸層が約５９０℃の温度でヒ素フラックスの下で約１分間成長させられた後に、エピタキシャル成長が割り込まれることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記最上位障壁層のいくらかのモノレイヤが約５９０℃の温度でヒ素フラックスの下で約１分間成長させられた後に、エピタキシャル成長が割り込まれることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
前記半導体レーザは、５００ミクロン以下のキャビティ長を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１２】
４〜８個の量子ドット層が有ることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１３】
少なくとも４０ｃｍ-1の飽和基底状態モードゲインを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１４】
前記半導体レーザは、直接変調されるレーザであり、該半導体レーザは、更に、前記レーザの光出力を変化させるために前記量子ドットに変調された電流を注入する手段を具備し、前記量子ドットは、０．２未満の線幅増大係数を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１５】
３００ミクロン以下のキャビティ長を有することを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ。
【請求項１６】
４〜８個の量子ドット層が有ることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ。
【請求項１７】
その内部に設けられた活性領域内に複数の相互離隔した量子井戸を含む半導体光導波路と、
前記複数の相互離隔した量子井戸内に埋め込まれた複数の量子ドットと
を具備し、前記量子ドットは、注入される電流に応じて少なくとも１２６０ナノメータの発光波長で前記光導波路に対して２５ｃｍ-1を超える飽和基底状態モードゲインを提供するよう、各量子井戸内に配置され且つ形成されることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１８】
各隣合う量子井戸間において障壁層を更に具備し、この障壁層は歪みのない材質からなり、各障壁層は、活性領域内においてうまく合わない転位が形成されることを阻止するのに十分な厚みを持つことを特徴とする請求項１７に記載の半導体レーザ。
【請求項１９】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓの１．８〜４．０モノレイヤの範囲内の等価ＩｎＡｓ領域の堆積によって形成されたＩｎＡｓを具備し、
前記量子井戸は、０．１〜０．３の範囲内の合金分率と１２ナノメータ未満の厚みを有するＩｎxＧａ1-xＡｓからなり、
前記障壁層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなると共に２０ナノメータよりも大きな厚みを有する、
ことを特徴とする請求項１８に記載の半導体レーザ。
【請求項２０】
少なくとも４０ｃｍ-1の飽和基底状態モードゲインを有することを特徴とする請求項１７に記載の半導体レーザ。
【請求項２１】
４乃至8個の量子井戸層を有し、前記活性領域が３００ナノメータ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１７に記載の半導体レーザ。
【請求項２２】
前記活性領域の厚みが、２００ナノメータ乃至３００ナノメータの範囲内であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体レーザ。
【請求項２３】
隣接した量子井戸の間において障壁層を更に具備し、該障壁層の厚みが２０ナノメータより大きいことを特徴とする請求項１７に記載の半導体レーザ。
【請求項２４】
ａ）第１の導波路層と、
ｂ）３乃至７個の量子ドット部と、ここで、各量子ドット部は、
複数の量子ドットからなる第１の量子ドット層と、
各量子ドット部内の前記第１の量子ドット層の上に直接的に位置した障壁層と
をそれぞれ具備しており、第１の量子ドット部の前記第１の量子ドット層は前記第１の導波路層の上に直接的に位置し、前記第１の量子ドット部の前記第１の量子ドット層の後の各量子ドット層は、先行する量子ドット部の前記障壁層の上に直接的に位置しており、
ｃ）複数の量子ドットからなる第２の量子ドット層と、ここで、該第２の量子ドット層は前記量子ドット部のうち最後の量子ドット部の前記障壁層の上に直接的に位置しており、
ｄ）前記第２の量子ドット層の上に直接的に位置した第２の導波路層と、
ｅ）前記量子ドットに対する注入電流のキャリア閉じ込めを実現する複数の量子井戸と
を具備し、前記第１の量子ドット層と第２の量子ドット層は、光導波路に光学的に結合され、注入される電流に応じて少なくとも１２６０ナノメータの発光波長で２５ｃｍ-1を超える飽和基底状態モードゲインを提供することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２５】
前記第１の導波路層、前記第２の導波路層、前記障壁層は、ＧａＡｓからなることを特徴とする請求項２４に記載の半導体レーザ。
【請求項２６】
ｆ）前記第１の導波路層の下に直接位置するｎ型のＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層と、ここで、ｘは０．６〜０．８であり、
ｇ）前記ｎ型のクラッド層の下に直接位置するＧａＡｓ基板と、
ｈ）前記第２の導波路層の上に直接位置するｐ型のＡｌxＧａ1-xＡｓクラッド層と
を更に具備することを特徴とする請求項２５に記載の半導体レーザ。
【請求項２７】
前記ａ），ｂ），ｃ），ｄ）の合計の厚みが３００ナノメータ以下であることを特徴とする請求項２４に記載の半導体レーザ。
【請求項２８】
前記第１の量子ドット層内の量子ドットと前記第２の量子ドット層内の量子ドットが０．２未満の線幅増大係数を有することを特徴とする請求項２４に記載の半導体レーザ。
【請求項２９】
少なくとも４０ｃｍ-1の飽和基底状態モードゲインを有することを特徴とする請求項２４に記載の半導体レーザ。
【請求項３０】
半導体光導波路と、
スレシュホルド駆動電流に応じて７５ナノメータよりも大きい波長範囲にわたって連続した光学ゲインスペクトルを実現するために、少なくとも２つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスをもって、前記光導波路に対して光学的に結合された量子ドットの集団、からなる少なくとも1つの量子ドット層と、
前記量子ドット層に対する注入電流のキャリア閉じ込めを実現する少なくとも1つの量子井戸と
を具備する半導体レーザ。
【請求項３１】
前記量子ドット層の成長条件は、前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差の少なくとも半値であるように選択されることを特徴とする請求項３０に記載の半導体レーザ。
【請求項３２】
前記量子ドット層の成長条件は、前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差よりも約２０〜３０ｍｅＶ小さいように選択されることを特徴とする請求項３０に記載の半導体レーザ。
【請求項３３】
前記光学遷移エネルギのシーケンスは、少なくとも３つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスであり、スレシュホルド駆動電流に応じて１５０ナノメータを超える波長範囲にわたって連続した光学ゲインスペクトルを実現することを特徴とする請求項３０に記載の半導体レーザ。
【請求項３４】
前記量子ドット層の成長条件は、前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差の少なくとも半値であるように選択されることを特徴とする請求項３３に記載の半導体レーザ。
【請求項３５】
前記量子ドット層の成長条件は、前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差よりも約２０〜３０ｍｅＶ小さいように選択されることを特徴とする請求項３３に記載の半導体レーザ。
【請求項３６】
その内部に設けられた活性領域内に複数の相互離隔した量子井戸を含む半導体光導波路と、
前記複数の相互離隔した量子井戸に埋め込まれた複数の量子ドットであって、スレシュホルド駆動電流に応じて、少なくとも７５ナノメータの波長範囲にわたって連続した光学ゲインスペクトルを実現するために、少なくとも２つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスを形成するサイズ分布を有するものと、
を具備した半導体レーザ。
【請求項３７】
前記量子ドットの成長条件は、前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差の少なくとも半値であるように選択されることを特徴とする請求項３６に記載の半導体レーザ。
【請求項３８】
前記量子ドットの成長条件は、前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差よりも約２０〜３０ｍｅＶ小さいように選択されることを特徴とする請求項３３に記載の半導体レーザ。
【請求項３９】
前記光導波路が、ＧａＡｓ基板上に形成されていることを特徴とする請求項３６に記載の半導体レーザ。
【請求項４０】
前記光学遷移エネルギのシーケンスは、少なくとも３つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスであり、スレシュホルド駆動電流に応じて１５０ナノメータを超える波長範囲にわたって連続した光学ゲインスペクトルを実現することを特徴とする請求項３６に記載の半導体レーザ。
【請求項４１】
前記量子ドットの成長条件は、前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差の少なくとも半値であるように選択されることを特徴とする請求項４０に記載の半導体レーザ。
【請求項４２】
前記量子ドットの成長条件は、前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差よりも約２０〜３０ｍｅＶ小さいように選択されることを特徴とする請求項４０に記載の半導体レーザ。
【請求項４３】
基板と、
拡張された光学ゲンイスペクトルを実現するために前記基板上に配置された複数の量子ドットで構成される活性領域と、
前記量子ドット内にキャリアを閉じこめるための少なくとも１つの量子井戸と、
前記量子ドットの活性領域層上に形成された複数のレーザであって、前記複数のレーザの各々が、該レーザに対する光学フィードバックを実現するよう配置された、対応する格子周期を有するBragg格子を含むものと、
を具備したモノリシックマルチ波長レーザアレイ。
【請求項４４】
少なくとも７５ナノメータの波長範囲にわたって拡張された不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスを持つ量子ドットの集団を有する量子ドットレーザを動作させる方法であって、
光学ゲインスペクトルが前記波長範囲にわたって連続する駆動電流を供給するステップと、
波長選択的な光学フィードバックを提供することによって、前記光学ゲインスペクトルの波長範囲内のレーザ光発光波長を生成するステップと
を具備した方法。
【請求項４５】
前記光学遷移エネルギのシーケンスは、少なくとも３つの不均一に広がった光学遷移エネルギのシーケンスであり、スレシュホルド駆動電流に応じて１５０ナノメータを超える波長範囲にわたって連続した光学ゲインスペクトルを実現することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差の少なくとも半値であるように、前記量子ドットの成長条件を選択するステップを更に具備したことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記光学遷移エネルギの不均一な広がりが隣接する遷移エネルギ間のエネルギ値の差よりも約２０〜３０ｍｅＶ小さいように、前記量子ドットの成長条件を選択するステップを更に具備したことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国連邦政府によって後援された研究開発に関する記述
米国政府は、米空軍科学研究局によって与えられた許可番号F49620-95-1-0530、米陸軍研究所によって与えられた許可番号DAAL01-96-02-0001、米空軍科学研究局によって与えられた許可番号F4920-99-1-330、および、米国国防総省高等研究計画局によって与えられた許可番号MDA972-98-1-0002、の許可の下に実行された研究に従う本発明についてある一定の権利を有することができるものである。
【０００２】
関連出願
この出願は、２０００年１０月６日に出願された“Broadband Continuously Tunable-Wavelength Quantum Dot and Quantum Dash Semiconductor Lasers with Low-Threshold Injection Current”と題する米国特許出願Ｎｏ．６０／２３８，０３０、２０００年１１月２１日に出願された“Quantum Dot and Quantum Dash Semiconductor Lasers For Wavelength Division Multiplexing (WDM) System Applications” と題する米国特許出願Ｎｏ．６０／２５２，０８４、２００１年３月１６日に出願された“Semiconductor Quantum Dot Laser Active Regions Based On Quantum Dots in a Optimized Strained Quantum Well”と題する米国特許出願Ｎｏ．６０／２７６，１８６、２００１年３月２日に出願された“Techniques for Using Quantum Dot Active Regions In Vertical Cavity Surface Emitting Lasers”、および、２００１年８月３１日に出願された“Quantum Dot And Quantum Dash Active Region Devices”（本出願時において、その出願番号は米国特許商標庁から未受領）。すべての上記出願の内容全体は本出願において参考として組み込まれている。
【０００３】
さらに、本出願は、２００１年９月２０日に米国特許商標庁に出願され、本出願の譲受人と共同所有されているＳｔｉｎｔｚらによる米国代理人整理No.22920-6391の“Quantum Dash Devices”にも関連しており、その内容全体は本出願において参考として組み込まれている。
【背景技術】
【０００４】
本発明は、自己組織化半導体量子ドットレーザに関する。特に、本発明は、改良された光学的ゲイン特性を有する量子ドットレーザに関する。
【０００５】
量子ドットレーザは、様々な用途において関心が持たれている。量子ドットレーザの各量子は、各次元に沿うサイズが、室温でのブロイ波長より小さい（すなわち、多くの用途においては、１００ナノメータ未満の）領域に電子および正孔を閉じ込める３次元量子閉じ込めヘテロ構造である。量子閉じ込めは、各ドット内に電子および正孔のための量子閉じ込めエネルギ状態を作り出す。また、基底状態、第１励起状態遷移エネルギ、第２励起状態遷移エネルギ等に関連づけられる、電子および正孔についての光学遷移エネルギも存在する。典型的には、量子ドットレーザは、ゲイン生成領域内にかなりの数の量子ドットを含む。
【０００６】
理論的な研究によると、量子ドットレーザは、従来の量子井戸レーザに対して多くの潜在的な性能上の利点を有する。第１に、量子ドットレーザは、従来の量子井戸レーザに比べて、より低い充填率（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ：注入されるべき物質の体積：フィルファクタ）、および、改善された状態密度関数を有する。  図1において,理論的な状態密度関数は、キャリヤの大きさが小さくなるのにしたがって、鋭くなる。図1Aはバルク材料の理論的な状態密度関数を示し、該状態密度関数エネルギに依存した平方根を有する。図1Bは、各量子井戸エネルギレベル毎に階段状に増加する量子井戸(一次元の量子閉じ込め)の理論的な状態密度関数を示す。図1Cは、量子細線(二次元の量子閉じ込め)の理論的な状態密度関数を示す。図1Dは、量子細線(三次元の量子閉じ込め)の理論的な状態密度関数を示す。デルタ状の密度関数(例えは,量子ドットでのみ得ることのできる有限数の状態)を有する量子ドットの理論的な状態密度関数を示す。理論的な計算は、半導体レーザのスレシュホルド電流が、より小さな物質の体積およびより少ない状態数のため、量子ドットの活性領域を使用することによって改善可能である、ということを示している。
【０００７】
量子ドットレーザを製作する1つの技術によると、歪んだ層からなる半導体の歪が、あるスレシュホルド歪を超えたときに島を形成する傾向を利用する。特に、InAsは、2つの物質の緩和された格子定数における差に対応した歪みによって、GaAs基板上で仮像的に歪んだ層に十分な厚みのInAsが成長したときに、島を形成する傾向がある。前記InAsの島は、GaAs量子井戸のような他の層に埋め込まれて、量子ドットを形成することができる。
【０００８】
スレシュホルド電流の低い自己組織化（self-assembled）量子ドットレーザは、Ｌｅｓｔｅｒらによって、（1999年）8月のIEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No.8における“Optical Characteristics of 1.24-μ InAs Quantum Dot Laser Diodes”と題する記事に開示されている。この参考文献に開示された量子ドットレーザ構造は、自己組織化成長処理によってGaAs基板上に成長させられたInAs量子ドットの単一層を含む。図2Aは、Lesterらの量子ドットレーザ用の異なるキャビティの長さについて測定されたレーザスペクトルを示し、図2Bは、非被覆ファセットを有する従来のFabry-Perot(ファブリ−ペロー)レーザについて測定された電流密度、対、キャビティの長さを示す。
【０００９】
図2Bにおいて、略3.94ミリメータのキャビティの長さについて低スレシュホルド電流密度動作が行われ、1.24ミクロンの発光波長が実現された。1.24ミクロンの発光波長は、基底状態遷移エネルギに起因する。前記キャビティの長さが約1ミリメータ未満に減少させられると、第1励起状態の停止のために、レーザ光発光波長は1.15ミクロンにブルーシフト（青色遷移）する。前記キャビティの長さが約500ミクロンまでさらに減少させられると、発光波長は約1.05ミクロンまでさらにブルーシフトされる。
【００１０】
前記Lesterらの量子ドットレーザの1つの欠点は、特に1ミリメータ未満のキャビティ長さについて、最大波長が所望のものより短いということである。様々な商業的用途においては、1．260ナノメータ(1.260ミクロン)の波長が望ましい。
これは、少なくとも1260ナノメータの波長が短、中波長光ネットワークリンクに使用されるOC-48基準およびOC-192基準に対応したレーザに適しているからである。OC-48基準およびOC-192基準は、SONET基準に適合したファイバ光ネットワークのための光搬送(OC)基準である。OC-48は2.4888Gbpsのデータレートであり、OC-192は9.952Gbpsのデータレートである。
【００１１】
前記Lesterらの量子ドットレーザの他の欠点は、基底状態のモードゲインが所望のものより低く、基底状態遷移エネルギレベルからレーザ光線を発する短キャビティを設計することを実現不可能にする、ということである。所望のレーザ長は用途によって決まる。第１に、多くの商業的に入手可能なパッケージは、わずか５００ミクロンたらずのキャビティ長用に設計されている。第２に、従来のファセット被覆による直接的変調レーザが、高速の直接電流変調を可能にするのに十分な程度に短い光子寿命を有するためには、典型的には５００ミクロン未満で、好ましくは３００ミクロン未満のキャビティ長を有する必要がある。Fabry-Perot(ファブリ・ペロー)レーザのスレシュホルドゲインgthはgth=αi-(1/Lcav)In[R]である。なお、ここで、Lcavはキャビティの長さを示し、Rは両ファセットのファセット反射率を示し、αiは内部光学ロスである。これは、被覆されていないファセットを有する典型的な５００ミクロンの長さのキャビティについての少なくとも２５cm-1の最小モードゲインに対応し、好ましくは被覆されていないファセットを有する典型的な３００ミクロンの長さのキャビティについての４０cm-1より大きな最小モードゲインに対応するものである。あいにく、Lesterらによって報告された基底状態飽和ゲインは、９cm-1未満である。図２Aにおいて、Lesterらによって開示された量子ドットレーザ構造が、より高い励起エネルギ状態でのレーザ光発光への急上昇に対応づけられて、５００ミクロン以下のキャビティ長さについて、約１．０５ミクロンの波長のレーザ光を発光するということが分かる。
【００１２】
自己組織化量子ドットを形成する処理についての一般的な問題点は、これまで、光学ゲイン特性を決める量子ドットパラメータを調整するのに十分な程度に成長過程が理解されていない、ということである。その結果、自己組織化量子ドットの光学ゲインスペクトルは、所望の波長で十分な飽和したモードゲインに足らず、基底状態遷移エネルギと励起状態遷移エネルギとの分離が所望のものより大きく、
または、不均一な広がりが小さすぎるもしくは大きすぎる、おそれがある。
【００１３】
必要なのは、所望の光学ゲイン特性を有する自己組織化量子ドットを形成するための技術である。
【発明の開示】
【００１４】
所望の光学ゲイン特性を有する量子ドット層を有する光学デバイスを製作するための技術が開示されている。１つの実施の形態において、量子ドットは、分子ビームエピキタシによってGaAs基板上に成長させられたInGaAs量子井戸に形成された自己組織化InAs量子ドットである。第１のAlGaAsまたはGaAs障壁層が成長させられる。該第１の障壁層上には、第１のInGaAs井戸層が成長させられる。InAsの十分なモノレイヤ等価厚みが前記InGaA上に成長させられることによって、自己組織化島が形成される。前記量子ドットを埋め込むために、前記InAs島上に第２のInGaAs井戸層が成長させられる。そして、前記量子井戸を完成するために、第２のAlGaAsまたはGaAs障壁層が成長させられる。前記量子井戸層の光学的ゲイン特性は、まわりの層の組成不均一、ドットサイズ分布、ドット密度、および、転移形成のための臨界厚みを超えることなく活性領域内に配置可能なドットレイヤの数によって影響される。
【００１５】
一実施の形態において、ドット密度は、ドットが核化するその下方の井戸材料の組成を選択すること、および、前記ドットの成長温度を選択することによって調節される。また、前記成長温度は、一実施の形態において、所望のドットサイズ分布を実現するために前記温度およびドットについてのInAsの等価モノレイヤ領域が選択されるよう、前記ドットのサイズ分布に影響する。一実施の形態において、前記井戸材料は、約In0.15Ga0.85As〜In0.20Ga0.8Asの範囲内のインジウム合金組成を有する。一実施の形態において、前記ドットの成長温度は、約４５０℃〜５４０℃の範囲内になるよう選択される。
【００１６】
一実施の形態において、前記下方のInGaAsの組成均一性は、InAsのフローティング層（浮遊層）を堆積させて前記InGaAsを予め充満させることによって改善され、これにより、ドット形成に先立って、極めて薄い最下位層が成長させられ得る。前記ドットが核化する下方に横たわる最下位層InGaAs井戸層は、約２ナノメータ以下の厚みを有することができ、一実施の形態においては、約１ナノメータの厚みを有することができる。
【００１７】
一実施の形態において、前記ドットの空間的均一性は、前記ドット上に成長させられた最上位InGaAs井戸層から過剰なInAsを除去する処理を行うことによって改善される。該除去処理は、５６０℃〜６５０℃の温度で実行されてよい。一実施の形態において、前記除去処理は、前記最上位InGaAs井戸層の上方に突出するInAsの一部を平坦化するのに十分な時間長にわたって継続され、これにより、InAsドットの均一性を改善できる。
【００１８】
前記量子ドットの後に成長させられる層の成長温度は、前記ドットの発光波長をより短い波長にブルーシフトするのを阻止するよう選択されてよい。一実施の形態において、前記量子ドットの後に成長させられるクラッド層の成長温度は、６１０℃未満になるよう選択される。
【００１９】
一実施の形態において、１つまたは複数の量子ドット層を有する量子ドットレーザが形成される。一実施の形態において、前記成長温度は、光学ゲインスペクトルの実質的に不均一な広がりを生じるサイズ分布を実現するよう選択され、これは、広い範囲の動作波長を有する波長調整（チューニング）可能なレーザおよびレーザアレイにとって有利である。他の実施の形態において、前記層構造および成長条件は、約２５cm-1を超える飽和した基底状態モードゲインを実現するよう選択される。
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】
【００５４】
【００５５】
【００５６】
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
本発明は、量子ドットの密度、サイズ分布、均一性、井戸内におけるドットの位置、および、隣り合う量子ドット層間の間隔を制限する歪み−厚み積、等の光学的ゲイン特性を決定する量子ドット特性を制御するための改良制御技術を含む、光学デバイス用の自己組織化（self-assembled）（又は自己集合化）量子ドット層を製作するための技術に関する。さらに、改良された光学的ゲイン特性を有するレーザ構造も開示されている。
【００５８】
図３は、障壁層３０５の間に挟まれた量子井戸層３１０に埋め込まれた多数の個々の量子ドット３２０を含む理想的な量子ドット層３３０を示す斜視図。前記個々の量子ドット３２０は低バンドギャップ幅の半導体材料らなり、前記量子井戸層３１０は中間的なバンドギャップ幅のエネルギを有する半導体からなり、前記障壁層３０５は高バンドギャップ幅の半導体材料からなる。好ましくは、前記半導体材料は、III-V族化合物半導体からなる。
【００５９】
なお、前記量子ドット層は、活性領域内で発生した光を光学的に閉じ込めるための光導波構造を備えたｐ−ｉ−ｎレーザダイオード構造の活性領域内に含まれていてよい。例えば、前記レーザ構造は、第１のドーピング極性を有する最下位光学クラッド層と、第１のアンドープ導波コア層と、量子ドット活性領域と、第２のアンドープ導波コア層と、第２のドーピング極性を有する最上位光学クラッド層とからなっていてよい。
【００６０】
多数の量子ドット３２０によって提供される巨視的光学的ゲインは、前記量子ドットの集団の光学的ゲインに左右される。単一の量子ドット層３３０または１列（シーケンス）の量子ドット層を含む活性領域のモードゲインは、前記活性領域内の前記量子ドットの集団の累積的なゲイン、および、（図３に図示していない）他の導波層による前記量子ドット３２０に対する光結合（しばしば、横方向光導波モードの“光閉じ込め”として知られている）の結果である。波長の関数としてモードゲインは、しばしば、光学ゲインスペクトルとして記述される。
【００６１】
個々の量子ドット３２０は、量子閉じ込め状態の光遷移に対応づけられた、注入された電流に応じた光学的ゲインを有する。１つの理想的な量子ドットは、鋭い原子のような状態密度を有し、該ドットのサイズによって決定される遷移エネルギで鋭いピークを有する発光スペクトルを有することになる。注入された電流の影響で均一な広がりが生じ、個々のドットから２０ｍｅＶを超える発光エネルギの広がりが起こる。
【００６２】
量子ドットの集団の遷移エネルギの均一な広がりは、ドットサイズによる影響のためである。量子ドットは、高さと幅と長さとを有する量子箱として設計可能である。前記高さは、前記ドットの成長した状態での厚みに対応する。また、前記幅と長さとは、量子井戸の面内での寸法に対応する。周知のように、一次近似法によると、理想的な量子箱の各次元に沿った第１の閉じ込め量子状態は、前記長さの２乗とは逆比例して変化する。すなわち、長さＬｘ、幅Ｌｙおよび高さＬｚを有する無限障壁を持つ理想的な量子箱のエネルギレベルＥn1,n2,n3は、Ｅn1,n2,n3＝ΔＥ0（ｎ12／Ｌｘ2＋ｎ22／Ｌｙ2＋ｎ32／Ｌｚ2）である。ここで、ｎ1、ｎ2およびｎ3の各々は、１以上の整数であり、ΔＥ0は材料定数である。有限障壁を持つ量子箱の場合、量子状態間のエネルギ分離は、障壁層中への量子の機械波動関数の浸透により、より低速で変化する。ドットの集団の場合、各ドットのサイズは、平均値を中心として変化し、各ドットにおける電子および正孔の量子閉じ込めエネルギを拡大する。
【００６３】
本発明の実施の形態は、個々のドット、個々の量子ドット層および量子ドット層の列の特性についての改良された制御を可能にする成長技術を含むものである。後で詳述するように、これらの技術は、様々な装置用途について、望ましい光学的ゲイン特性を持つレーザ構造の形成を容易にする。
【００６４】
図４Ａ〜４Ｃは、自己組織化量子ドット層を形成するために使用されるステップのいくつかを例示する成長層シーケンスの図である。しかし、完全なレーザまたは光増幅構造を形成するためには、付加的な層（例えば、導波層）が必要となる、ということが理解されよう。好ましい成長技術は、量子ドット層が４５０℃〜５４０℃の温度で成長させられる分子線エピタキシである。前記温度を測定するために、従来の光学パイロメータを使用してよい。好ましくは、ヒ素の安定した面を実現するために、ヒ素フラックスが選択される。図４Ａに示すように、基板４０１上に最下位障壁層４０２が形成される。一実施の形態において、前記基板はＧａＡｓ基板であり、前記最下位障壁層４０２はＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層である。
【００６５】
好ましくはＩｎＧａＡｓからなる最下位井戸層４０４は、厚みＴｗ１まで堆積される。一実施の形態において、前記最下位井戸層４０４の厚みは、約０．５〜５ナノメータの厚みとされる。一実施の形態において、前記最下位障壁層４０２の表面は、ＩｎＧａＡｓ井戸層の成長に先んじて、約約０．５〜１．６モノレイヤのインジウムフローティング層で予め充満される。
【００６６】
図４Ｂに示すように、好ましくはＩｎＡｓからなるドット層が、前記最下位井戸層４０４に堆積されて、ＩｎＡｓ島４０６を形成している。前記ＩｎＡｓは、その下方に横たわる半導体層より約２％以上大きい緩和された格子定数を有するので、十分な数のＩｎＡｓの等価モノレイヤが堆積されたとき、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ（Ｓ−Ｋ）成長モードが発生する。（後で詳述するように、一実施の形態において、前記堆積されたＩｎＡｓの等価モノレイヤは、前記最下位障壁層４０２に堆積されたＩｎＡｓと、前記最下位井戸層４０４の成長に先立って前記最下位障壁層４０２にＩｎＡｓに予め充満された層を堆積することによるＩｎＡｓモノレイヤの厚みとを含む）。前記Ｓ−Ｋ成長モードにおいて、前記島形成のための駆動力は、弾性変形によって与えられる歪みエネルギの減少である。すなわち、Ｓ−Ｋ成長のためには、転位発生よって歪みを緩和するよりも、島を形成することによって表面エネルギを増加する方が、エネルギ的により好ましい。Ｓ−Ｋ成長モードにおいて、大きな格子定数の材料が初期ウェット層で臨界厚みまで成長された後、該成長は３次元となる。その結果、ＩｎＡｓ島４０６が、前記最下位ＩｎＧａＡｓ層４０４上で成長する。島４０４を形成するための等価ＩｎＡｓモノレイヤの典型的な範囲は、他の成長パラメータならびに所望のドットサイズおよび密度に応じて、約１．８〜４．０モノレイヤである。大きな等価ＩｎＡｓモノレイヤは、より密および／またはより大きな量子ドットのために使用される。ある成長状態のために、ＩｎＡｓの薄いウェット層４０５が前記最下位ＩｎＧａＡｓ層４０４に残っていてよい。
【００６７】
その後、好ましくはＩｎＧａＡｓからなる最上位井戸層４０８が、成長させられ、前記ＩｎＡｓ島４０６を覆う（埋めこむ）。一実施の形態において、前記最上位ＩｎＧａＡｓ層４０８は、４〜１２ナノメータの範囲内の厚みを有していてよい。所望の場合、前記最上位井戸層の成長温度を調節しおよび／または前記量子のオズワルド熟成を考慮するために、前記ドット層成長の後に、成長中断を行ってよい。
【００６８】
その後、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなる最上位障壁層４１０の成長が行われて、前記量子井戸が完成する。一実施の形態において、いくつかのＧａＡｓ単分子層が最上位障壁層４１０で成長させられた後、成長中断が行われ、その成長中断中、温度が５８０〜６５０℃の範囲内の温度に上昇させられ、成長面に浮遊している余分なインジウムを除去する。その後の層の成長温度は、前記量子ドットの光学的品質を保つよう選択されてよい。
【００６９】
ＩｎＧａＡｓ井戸のバンドギャップは、ＩｎＡｓ島のバンドギャップと、該ＩｎＧａＡｓ井戸を囲むＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ障壁層のバンドギャップの中間である。一実施の形態において、ＩｎxＧａ1-xＡｓは、約０．１〜０．３の範囲の合金分率を有する。高いインジウム合金分率は、量子ドットへのキャリア閉じ込めを向上するという利点を有するが、層のひずみも増加させる。各量子ドットは、より高いバンドギャップの材料によって四方が囲まれた低いバンドギャップの材料の島からなる。なお、前記埋め込む処理における相互拡散、相分離およびスピノーダル分解を考慮する必要がある。というのは、これらが量子ドットの形状および組成に影響する可能性があるからである。
【００７０】
成長した構造における量子ドットのコアを形成する前記ＩｎＡｓ島は、成長条件に依存する統計的な特性を有する。図５は、ＩｎＧａＡｓ層上に堆積されたＩｎＡｓ島５０５の斜視図を示す原子間力顕微鏡による画像である。前記島は、分子線エピキタキシによって成長させられたものである。前記ドットは、前記ＩｎＧａＡｓ層の面内において約２０〜３０ナノメータの平均直径を有し、約７ナノメータの高さ（前記ＩｎＧａＡｓ層の面に対して垂直な高さ）を有する。前記ドットは、典型的には２：１未満の幅、対、長さの比を有する。しかしながら、前記ドットは、平均的なサイズおよびこれに対応する多様性によって特徴づけられ得るようなサイズ分布を有する。十分大きな面積にわたり、ドット層におけるドットは、ドット密度（例えば、単位面積当たりのドット数）によっても特徴づけられ得る。
【００７１】
図６は、２つの異なるＩｎＧａＡｓ井戸層組成で成長させられた量子ドットについての、量子ドット密度、対、成長温度を示す図。量子ドット密度は温度および最下位井戸層の組成に強く依存している、ことが分かる。約４７０℃の成長温度では、1 x 1011cm-2のドット密度が実現可能である。４７０℃から５４０℃の範囲の成長温度を選択することによって、ドット密度を５倍以上調節可能である。量子ドットがInGaAs層上で成長させられる場合の量子密度は、同等温度でGaAs層上で成長させられる場合に比べて、少なくとも２倍以上高い、ということが実験によって示されている。また、InGaAs合金の組成がIn0.1Ga0.9AsからIn0.2Ga0.8Asに増加させられると、量子密度も増加する。前記最下位InGaAs井戸層の厚みが極めて薄いものの、該最下位InGaAs井戸層の量子ドットの核化に関して、厚い井戸層と同じ効果を有することができる、ということが本発明者の実験によって示された。従って、再現可能なドット密度を実現するためには、前記最下位井戸層が一貫した再現可能な厚みおよび合金組成を有すればよい。約１ナノメータの厚みが再現可能な成長にはより容易であるが、前記最下位井戸層はわずか0.5nmの厚みを有することができる。
【００７２】
図６から判るように、成長温度はドット密度に大きな影響を及ぼす。従って、最下位InGaAs層の組成および成長温度を選択することによって、量子ドット密度はかなりの範囲にわたって選択され得る。さらに、成長温度の上昇と共に、ドットサイズは大きくなり、ドット密度は低くなる。また、前記ドットは、成長温度の上昇に伴って、サイズがより均等化する傾向がある。成長条件によるドットサイズの変化は、原子間力顕微鏡によって確認可能である。しかしながら、高バンドギャップ材料に埋められたドットを有する構造にあっては、ドットサイズの変化は、複数の異なる成長条件についての半値全幅（ＦＷＨＭ）のフォトルミネッセンス測定値から推断可能である。一般的に、量子ドットサイズが大きいほど、フォトルミネッセンスＦＷＨＭ測定値が大きくなる。このため、特定の用途において、一連の複数の量子ドットが異なる温度で成長させられ、前記フォトルミネッセンスＦＷＨＭ測定値がサイズ不均一性の表示として使用されてよい。
【００７３】
量子ドットの後に成長させられる層の成長条件は、量子ドットの光学的品質に影響する。特に、最上位量子井戸層の成長温度は、量子ドットのフォトルミネッセンス品質に影響する。図７は、複数の異なる温度で成長させられた上方InGaAs井戸層を有するＩｎＡｓ量子ドット構造についてのフォトルミネッセンス測定値を示す。フォトルミネッセンスの変化は、高い温度での上方（覆い）井戸層の分解に起因するものである。そのため、一実施の形態において、上方井戸層の成長温度は、量子ドット層の光学的品質を向上するよう選択される。レーザの一実施の形態において、前記上方井戸層の成長温度は、４６０℃〜４９０℃の範囲内になるよう選択される。というのは、この温度範囲は、良好な材料品質と比較的長い発光波長に対応する基底状態遷移エネルギとの組合せを実現することを容易にするからである。
【００７４】
量子ドット層の後の厚い層の成長は、前記量子ドットの光学的特性にも影響する。図８は、レーザ構造における導波クラッド層の成長をシミュレートするために、複数の異なる温度でアニールされた量子ドットテスト構造についてのフォトルミネッセンススペクトルを示す。高いアニール温度では、かなりのブルーシフト（より短い波長へのシフト）が生じる。これは、長い波長のレーザ（例えば、１．２４ミクロンを超える波長のレーザ）にあっては、量子ドット層の後に成長させられるクラッド層について比較的低い成長温度（例えば、約６１０℃未満のＡｌＧａＡｓクラッド層成長温度）を選択するのが望ましい、ということを示している。
【００７５】
最下位層４０４を含むＩｎＧａＡｓ半導体の表面は、再現可能なＩｎＧａＡｓ合金組成を有する、のが望ましい。これは、図６に示すように、部分的には、最下位層４０４のＩｎＧａＡｓ合金組成のドット密度に強く依存しているからである。しかしながら、電界効果型シランジスタの分野においては、ＩｎＧａＡｓがインジウムを含まないＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓのような層の最上部で成長させられる場合、前記ＩｎＧａＡｓが有限的な厚みに関して選別された合金組成を有することができる、ということが知られている。これは、分子線エピキタシ成長の間、インジウムがＩｎＧａＡｓの面（surface）において偏析／分離（segregate）する傾向があるからである。このように分離したインジウムは、インジウムの“フローティング層”としても知られている。該フローティング層におけるインジウムの量は、結局、特定の成長温度および名目上の（厚い膜状）ＩｎＧａＡｓ成長温度についての定常状態値にまで増加する。約５００℃で成長させられるＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓにあっては、前記インジウムのフローティング層は、ＩｎＡｓの略１モノレイヤに相当する。図９は、従来技術による、偏析／分離したインジウム（等価モノレイヤ領域）、対、名目的なＩｎＧａＡｓの厚みを示す図である。表面上におけるインジウムの初期的な濃度（モノレイヤ（ＭＬｓ）のＸ0）がゼロであるならば、３〜４ナノメータのＩｎＧａＡｓが定常状態まで成長させられなければならない、ということが分かる。
【００７６】
図１０は、最下位障壁層４０２の後に成長が中断され、平衡モノレイヤ領域に近似するインジウムノレイヤの厚み（例えば、０．５〜１．５の範囲内の等価モノレイヤ領域が有利であるが、ＩｎＡｓの１等価モノレイヤ）を有するＩｎＡｓのフローティング層１０１０が堆積される。その後、最下位井戸層４０４が成長させられる。図９に示すように、前記ＩｎＧａＡｓ層がその平衡値に近いモノレイヤ領域で始まる場合、比較的薄いＩｎＧａＡｓ層が再現可能な合金組成を実現するよう成長させられればよい。その結果、本発明者は、最下位井戸層４０４の表面の再現可能な合金組成を実現しながら、２ナノメータ未満の厚みを有する最下位井戸層４０４を成長させることが可能である、ということを認識した。一実施の形態において、最下位井戸層４０４は、１ナノメータ以下の厚みを有する。なお、ＩｎＡｓのフローティング層１０１０は、ドット４０６を形成するためのＩｎＡｓがその後に堆積された場合にドットの形成をもたらすことになる前記表面上の全体的なＩｎＡｓモノレイヤ領域の形成に貢献する。従って、一実施の形態において、ＩｎＡｓドット４０６を形成するための等価モノレイヤ領域は、予備充満層とも言えるフローティング層１０１０のＩｎＡｓモノレイヤ領域と組み合わされた最下位井戸層４０４の成長の後に堆積されるＩｎＡｓモノレイヤを含む、ことが理解されるであろう。一例として、量子ドットを形成するための前記所望の等価ＩｎＡｓモノレイヤ領域が２．４モノレイヤであり、ＩｎＡｓの１つのモノレイヤがＩｎＡｓのフローティング層１０１０として堆積される場合、２．４等価モノレイヤの所望の等価ＩｎＡｓモノレイヤ領域を実現するためには、最下位井戸層４０４の成長の後にＩｎＡｓの約１．４モノレイヤが堆積されればよい。
【００７７】
本発明者のフォトルミネッセンスの研究によって、必ずしも量子ドットの全てが上方障壁層に浸透しない方が望ましい、ということが分かった。図１１Ａは、最上位ＩｎＧａＡｓ井戸層４０８がＩｎＡｓ島４０６上に成長させられた後の、成長プロセスの一部を示す。上述のように、前記成長プロセスの統計的性質により、ＩｎＡｓ島４０６のサイズはランダムに分布する。従って、前記最上位井戸層４０８が前記島６０６の最大厚み変化より厚くされない限り、前記島４０６のいくつかは前記井戸層４０８内に埋め込まれない突出部１１０５を有することになる。本特許出願に係る発明者による研究は、前記突出部１１０５は、特にアニール直後における前記構造の光学的品質を低下させるとともに、その他の不利な影響を及ぼすおそれがある、ことを示している。前記突出部１１０５は、これに対応する量子ドット４０６の光学的特性に実質的な変化を起こす可能性があるので、突出部１１０５を有するドットの割合を減少させるのが望ましい。
【００７８】
図１１Ｂは、量子ドットが量子井戸内に完全に埋め込まれることを確実にするための、層シーケンスを示す側面図である。図１１Ｂに示す実施の形態において、最上位井戸層４０８の厚みｄ2は平均的なドットの厚みｔｄより大きいよう選択されている。なお、量子は井戸層の中心に対照的に配置される必要はない。例えば、一実施の形態において、厚みｄ2は下方の井戸層４０４の厚みｄ1よりかなり厚い。一実施の形態において、最下位井戸層４０４の厚みは、再現可能な組成を実現しながら、できる限り薄くなるよう選択されている（例えば、１〜２ナノメータの厚み）。一例として、下方の井戸層４０４は２ナノメータの名目的な厚みを有することができ、上方の井戸層４０８は８ナノメータの名目的な厚みを有することができる。一定した合計井戸層厚みｔwを実現するために、このような構成により、全てのドットが井戸内に埋め込まれた状態で、ドット高さをできる限り広く異ならせることができる。
【００７９】
図１１Ｃは、除去ステップを使用して、ドット４０６の突出部１１０５が除去される実施の形態における成長シーケンスを示す。この実施の形態において、前記上方井戸層４０８が成長させられた後、該成長は、十分高い温度で、且、十分長い時間の間中断され、これにより、突出部１１０５からＩｎＡｓを放出除去する（突出部１１０５は、除去ステップの間に、実質的に平坦な面となるよう除去されるので、該突出部１１０５は図１１Ｃにおいて想像線で示されている）。一実施の形態において、前記除去ステップに先立って、少数のＧａＡｓモノレイヤが成長させられてよい。前記除去ステップの後に前記成長が再開され、障壁層４１０が成長させられる。
【００８０】
前記突出部１１０５を除去するための除去時間および温度を選択するために、フォトルミネッセンスおよび他の特徴判断技術を使用してよい。典型的な時間および温度としては、ヒ素安定ＧａＡｓ面を維持するのに十分なヒ素フラックスで１分間、５９０℃の除去温度が使用される。一実施の形態において、ＧａＡｓ面は安定するがＩｎＡｓは消失するよう、温度が選択される。上述のように、一実施の形態において、前記除去プロセスの間に前記上方ＩｎＧａＡｓ井戸層の平坦部分の品質を容易に保持できるよう、前記除去プロセスに先立って、少数のＧａＡｓモノレイヤが堆積されてもよい。斜線部分で示すように、前記除去ステップは、最終的な構造において、結果としての量子ドット４０６が上方障壁層４１０中に入り込まない、ことを確実にする。フォトルミネッセンスの実験により、図１１Ｃに示したプロセスが約２５〜３５ｍｅＶの量子ドットについて、図１１Ｂに示したプロセスを使用して形成された量子ドットについてのフォトルミネッセンスＦＷＨＭ測定値より約２倍低いフォトルミネッセンスＦＷＨＭ測定値を有し、これが量子ドットの厚みにおける均等化の改善によるものである、ということが示された。従って、図１１Ｂに示した実施の形態は、前記突出部分を除去でき、量子ドットの厚み均等化を改善できる、という２つの有利な効果を提供する。一実施の形態において、成長した島の平均的な厚みは、前記上方ＩｎＧａＡｓ井戸層の厚みより大きいものが選択される。従って、この実施の形態において、前記除去ステップによって、全ての量子ドットの高さが揃えられ、前記上方ＩｎＧａＡｓ井戸層と略同じ厚みを有することになる。
【００８１】
本発明の成長技術による１つの有利な効果は、比較的薄い量子井戸内で成長させられる量子ドットの高い密度を可能にし、これが、特定のドット密度および量子ドットの対応するピーク光学ゲインを実現できるよう歪み−厚み積を減少する、ということである。さらに、これは、少なくとも１２６０ナノメータの発光波長のような、商業的利用に適した比較的長い基底状態発光波長で、同時に実現されることが可能である。例えば、９ナノメータの井戸厚み、０．１５のインジウム合金分率、１平方センチメータ当たり１ｘ１０11のドット密度に対応する温度で成長させられた２．１モノレイヤのＩｎＡｓモノレイヤ領域である場合、これに対応する歪み−厚み積（前記ＩｎＡｓドットおよびＩｎＧａＡｓ井戸層に関する等価ＩｎＡｓ厚みの加重平均により、２０％の前記井戸における平均的インジウム合金分率を算出）は、前記井戸の厚み（９０オングストローム）を乗じた平均的組成（１．４５％）に対応した歪みであり、すなわち、１３０．５Å−％である。
【００８２】
図１２は、光学デバイスの活性領域１２００の成長層シーケンスおよび層厚みを示す。なお、前記活性領域１２００は、他の光学導波クラッド層内の導波コアの一部または全部からなっていてよい。低い歪み−厚み積を有する個々の量子ドットを形成する能力は、約２００〜３００ナノメータの範囲内のコア導波路厚みＴactiveを有する適当なレーザウェーブガイドの活性領域に４つ以上の量子ドット層を積ね重ねることを容易にする。
【００８３】
個々の量子ドット層または量子ドット層シーケンスを設計する上での重要な制約は、活性領域の歪み−厚み積である。ＧａＡｓ基板上で成長させられるＩｎＧａＡｓ層は、歪みのある層である。該歪みのある層の歪み−厚み積が十分に低いものである場合、高い品質の、歪みのある層が実現され得る。しかしながら、前記歪み−厚み積が高すぎる場合、臨界的な厚みを超えると、ぴったり合わない転位が生じがちである。１つの歪みのある層の臨界的な厚みを算出するために、従来より様々な技術が使用されている。
【００８４】
図１３は、（埋め込まれる量子ドット層の下限を算出するために使用されてよい）均等な合金組成を有する歪みのある層の臨界的な厚みを算出するために一般的に使用されているＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ関係を示す。曲線１３０５は、臨界的な厚みを示す曲線である。該曲線１３０５の上方の領域は、転位を生じがちである。Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ曲線１３０５は、平均的な井戸層の組成およびＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓのドットを有する１つの量子ドット層が、せいぜい１２ナノメータの臨界的な厚み有する、ことを示している。しかしながら、前記量子ドット自体が転位されない場合、Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界的厚みは非平衡結晶成長についての伝統的な概算である。
【００８５】
さらに、活性領域１２００の量子ドット層シーケンスにおいて、平均的な歪み−厚み積は、スレシュホルド平均的歪み（例えば、０．５％）未満でなければならない。Ｅwが井戸層の歪み、Ｔwが井戸の厚みとした場合、個々の量子ドット層の歪み−厚み積は、ＥwＴwである。また、Ｅbが障壁層の歪み、Ｔbが障壁層の厚みとした場合、個々の障壁層の歪み−厚み積は、ＥbＴbである。ｎドット層のシーケンスの場合、平均的歪みＥavは、
【００８６】
【数１】
2007318165.tif 000003
数式１
【００８７】
（歪みの無い）ＧａＡｓ障壁の場合、これは次のように簡略化される。
【００８８】
【数２】
2007318165.tif 000004
数式２
【００８９】
上記数式１は、障壁の厚み、井戸の厚み、修正された平均歪み、障壁の歪み、および、井戸の歪みの間の関係として表現し直すことができる。
【００９０】
【数３】
2007318165.tif 000005
数式３
【００９１】
ＧａＡｓ基板上で成長させられるＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓの場合、
【数６】
2007318165.tif 000006
であり、従って、前記障壁の厚みは、
【００９２】
【数４】
2007318165.tif 000007
数式４
【００９３】
上記式は、最小の障壁層の厚みについての関係を求めるために使用可能である。平均的歪みが最大平均歪み（例えば、約０．５１％未満の平均歪み）Ｅavmax未満に選択される場合、次の関係が成り立つ。
【００９４】
【数５】
2007318165.tif 000008
数式５
【００９５】
一例として、約Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓの平均的Ｉｎ合金組成について、前記Ｅavmaxが０．４でＥWが１．４５である場合、Ｔｂ＞２．６２５Ｔｗ（ｎ／（ｎ＋１））である。ある構造についてのＴｗが９ｎｍである場合、６量子ドットレイヤを要する構造の最小障壁厚みは約２０ナノメータである。
【００９６】
前記量子ドットは、様々なレーザ構造に利用可能である。例えば、図３１において、AlGaAsクラッド層１３２０および３１２５を使用して、長さLを有する光学キャビティの量子ドット活性層３１０５に対して縦方向の光閉じこめを実現してよい。反射ファセットまたはブラッグ格子等の任意の適当な手段を使用して、光学キャビティのための光学フィードバックを行ってよい。任意の適当な処理を使用して、横方向の光閉じこめを実現してよい。例えば、横方向の光閉じこめを実現するために、リッジ導波路を使用してよい。個々のレーザは、ファブリ・ペローレーザ、分散型ブラッグ反射器レーサ゛、分散型フィードバックレーザまたは外部キャビティレーザとして製作されてよい。不利なブルーシフトを回避するよう成長条件を選択することによって、量子ドットのサイズ(高さ、幅および長さ)を、商業的に重要な１．３波長範囲のような様々な波長でのゲインを実現するよう選択され得る。
【００９７】
図１４Aは、単一の量子ドット層を有するレーザの成長シーケンスを示す図であり、図１４Bは、対応する伝導帯エネルギを示す図である。前記伝導帯エネルギ図から理解されるように、前記量子井戸は、中央量子井戸層のバンドギャップエネルギがその周りの量子井戸障壁層に比べて低いことによって、量子ドットが注入されたキャリアを捕捉して保持するのを補助する。図１４Aにおいて、n型GaAs緩衝層がGaAs基板上に成長させられる。その後、約２ミクロンの厚みを有する第１のAlGaAsクラッド層が成長させられる。その後、約０．１１ミクロンの厚みを有する（非トープ）アンドープGaAs導波層が成長させられる。InAsの約１モノレイヤからなる予備充満層１４１５すなわちフローティング層が、成長中断ステップ時に堆積される。前記成長中断時に、成長温度が約４９０℃に調整される。その後、約２ナノメータのInGaAs最下位井戸層１４２０が成長させられる。InAs島を形成するために、約１．４モノレイヤの単分子膜被覆率に対応するInAs層が堆積される。なお、InAsの１モノレイヤの予備充満層１４１５すなわちフローティング層が前記最下位井戸層１４２０に先立って堆積させられるので、前記InAs島を形成するInGaAs最下位井戸の表面上におけるInAsの合計被覆率は約２．４等価モノレイヤとなる。その後、約７．６ナノメータの厚みを有するInGaAs最上位井戸層１４４０が成長させられる。一実施の形態において、その後に、数モノレイヤのGaAsが成長させられ、これに引き続き、基板温度が約６１０℃に上げられる成長中断ステップが行われる。好ましくは、前記成長中断ステップは、前記第１の導波層と略同じ厚みを有する第２のGaAs導波層１４４５の成長を開始する前に前記表面から余分な偏析／分離されたインジウムを除去するために、十分長い期間継続される。その後、上方AlGaAsクラッド層１４５０が成長させられ、しかる後、GaAs被覆層１４５５が成長させられる。
【００９８】
層１４１０、１４２０、１４３０、１４４０および１４４５は、その周りのAlGaAsクラッド層１４０５および１４５０より高い屈折率を有する導波コア領域を構成する。その結果、横光学モードが前記レーザ構造によって閉じこめられる。前記横光学モードの一部分は、前記レーザ構造における量子ドットによって占拠される部分に閉じこめられることになる。
【００９９】
前記p型層、アンドープ層およびn型層は、ｐ−ｉ−ｎレーザ構造を構成する。１つの基板極性のみが示されているが、前記層のドーピング極性は図示のものとは逆にしてもよい。前記量子井戸層１４２０および１４４０は、量子ドットに対するキャリア捕捉を向上するという付加的な効果を実現するとともに、前記ドットからのキャリアの熱放射を減少させる作用も有する。これは、量子ドットレーザに重要な利点をもたらす。量子ドットレーザにおいて、個々の量子ドット層における量子ドットの充填率（フィルファクタ）は、低く、ドット密度および平均的ドットサイズに応じて典型的には１０%未満である。場合によっては、前記充填率は５%未満であることもある。量子ドットは量子井戸内に配設されるので、量子井戸の井戸層によって捕捉されるキャリアは、当然、量子ドットに進入する。さらに、前記量子井戸の障壁層も、前記ドットからのキャリアの熱放射を減少させる作用を有する。
【０１００】
図１５は図１４と同様な層シーケンスを示す。しかしながら、図１５に示すように、前記活性層の成長温度は、量子ドットの密度を制御するために変化させられてもよい。
【０１０１】
図１６は、測定されたモードゲイン、対、２つの異なるドット密度を実現する成長温度で成長させられたレーザ構造の関係を示す図である。図１６において、実験データは、飽和基底状態モードゲインがドット密度に対して略リニアに上昇する、ことを示している。
【０１０２】
図１７は、図１４のものと同様なレーザ構造の基底状態モードゲインを示すものであるが、前記InGaAs井戸層の合金組成が変化させられている。飽和(最大)基底状態モードゲインはIn合金成分が増えるに従って増加する、ということが分かる。
【０１０３】
上述のように、前記量子井戸内の歪みが転位のための臨界厚み未満であり続け、また、前記導波コアによる平均的歪みが平均的歪みスレシュホルド値未満であり続けるのに十分な程度に、量子ドット層間の分離が大きいものである限り、多数の量子ドット層を活性領域に使用できる。図１８は、１つの量子ドット層を有するレーザ構造についてのモード、対、電流密度の関係を示す曲線１８０５、および、３つの量子ドット層を有するレーザ構造についての同様な曲線１８２０を示し、ここにおいて、各量子ドット層の量子井戸は１０ナノメータの厚みの障壁層を介して隣接する量子ドット層から分離している。この例において、個々の量子ドット層は、各量子ドット層の光閉じこめは単一の量子ドット層のものと略同じになる程度に十分近接して離隔しており、その結果、総合的なモードゲインが累積的に３倍増加する。
【０１０４】
前記量子ドットレーザの成長条件および層シーケンスは、特定の用途に適合されてよい。ある用途においては、比較的高い基底状態飽和モードゲインが望ましい。例えば、OC-48およびOC-192に対応したレーザ等の商業的なレーザの用途において、少なくとも１２６０ナノメータの発光波長および５００ミクロン未満キャビティ長が必要であり、光子の寿命を短くするためには３００ミクロンのキャビティ長が望ましい。この波長は、レーザを基底状態(最長波長発光)で動作するよう設計し、且つ、成長時における量子ドットのブルーシフトを最小化する成長条件を選択する(すなわち、上述のようなブルーシフトを最小化するよう被覆層および厚いクラッド層の成長条件を適当に選択することによって)、実現可能である。さらに、ドットの高さ、ドットの直径、ドットの組成、ならびに、InGaAs井戸の幅および組成は、基底状態遷移エネルギに影響し、１２６０ナノメータを超える発光波長を有する基底状態光遷移を実現するよう選択されてよい。
【０１０５】
本発明の量子ドットの利点は、これらが極めて低い線幅増大係数を有する、ということである。レーザがその駆動電流(その光出力を変化させるためにp-i-nレーザダイオードに注入される電流)を変化させることによって直接変調される際、低い線幅増大係数は好ましくない波長変動を減少させる。前記線幅増大係数αは、レーザ発光波長λでのある特定のゲインに関して、キャリア密度Nの変化が活性層の屈折率nを変化させる程度を示すものである。該線幅増大係数は、
【０１０６】
【数７】
2007318165.tif 000009
のように数学的に表すことができる。
【０１０７】
本発明者の実験は、前記量子ドットレーザの線幅増大係数がわずか０．１であり、これは略同じ波長の同等の量子井戸レーザに比べて約２０倍低い、ということを示している。この低い線幅増大係数は、レーザの高周波数直接変調の波長チャープを減少させる。チャープは、変調データ速度が上がるのに伴い、ファイバオプティクスに使用される従来のレーザにおいてますます深刻な問題となる。従って、ある従来のファイバオプティクスにおいては、レーザの一定のパワー出力を変調するために、外部の変調器(前記レーザとは別個の変調器)が使用される。比較すると、本発明の量子ドットレーザの０．２未満の低い線幅増加係数は、極めてわずかなチャープでレーザの直接的高速変調を可能にする。このため、本発明の量子ドットレーザは、レーザが少なくとも１２６０ナノメータの波長を有し、１Gbpsより高いデータ速度で直接変調され、これにより外部の変調器を不要にする用途にとって魅力的なものになる。
【０１０８】
OC-48およびOC-192に対応したレーザ等の様々な商業的なレーザは、１Gbpsを超える変調速度を必要とする。直接変調レーザにおいて、緩和振動周波数frは、
【０１０９】
【数８】
2007318165.tif 000010
の式で与えられ、ここで、Ｐは光子密度、ηは導波路の有効屈折率、ｃは真空状態での光の速度、τは光子の寿命、ｄg/ｄNは差動ゲインを示す。
【０１１０】
量子ドットレーザの直接変調に関し、高いデータ速度で直接変調されるレーザには短い光子寿命が必要であり、このことは、５００ミクロン未満のキャビティ長、好ましくは３００ミクロン未満のキャビティ長が必要であることを暗示している。飽和基底状態でのモードゲインは、長さが５００ミクロンのキャビティであって前後のファセットのファセット反射率がそれぞれ１０％／９０％である場合、少なくとも２５ｃｍ-1でなければならず、また、長さが３００ミクロンのキャビティであって前後のファセットのファセット反射率がそれぞれ１０％／９０％である場合、少なくとも４０ｃｍ-1でなければならない。さらに、前記レーザは、前記差動ゲイン（dg/dN）が高くあり続けるよう飽和基底状態でモードゲインより十分低く選択されるスレシュホルドゲインで動作するのが望ましい。
【０１１１】
高い飽和基底状態モードゲインを必要とする用途では、厚みが約３００ナノメータ以下の導波コア領域内に複数の量子ドット層が含まれるのが好ましい。というのは、約２００〜３００ナノメータの範囲内の導波コアの厚みは、量子ドット層毎に最適な光閉じ込めを実現するからである。（なお、２００〜３００ナノメータの範囲内の厚みは、ＡｌＧａＡｓ導波層の屈折率について１．３ミクロンの発光波長の約半分に当たる距離に対応し、これについて量子ドット層毎に高い光閉じ込めが実現され得る）。１つの量子ドット層について、７ｃｍ-1を超える飽和基底状態モードゲインを得ることができるので、高いピーク光学ゲインを必要とする多くの用途には、４〜８個の範囲の合計量子ドット層で十分である。合計４〜８個の量子ドット層を有するレーザの成長シーケンスの一例が図１９に示されている。前記導波コアの全厚みは、好ましくは約２００〜３００ナノメータの範囲内であるのが好ましい。というのは、この範囲は、量子ドット層当たりの最高の光閉じこめを実現するからである。対応するAlGaAsクラッド層は、モル分率xが０．６〜０．８(６０%〜８０%のアルミニウム・ヒ素比率のような百分率で記述されてもよい)の範囲内とするAlxGa1-xAsクラッド層であるのが好ましい。というのは、この範囲が成長中の高品質光学層に一致した高い光閉じこめ率を実現するからである。前記AlGaAsクラッド層はより低いモル分率で成長させられてもよいが、前記AlGaAsにおけるアルミニウムのモル分率が減少させられるのに伴って、光閉じこめ率が幾分低くなる。
【０１１２】
なお、直接変調レーザ構造はレーザのp-i-nダイオードに対して変調された電流を供給するために任意の公知のパッケージングおよび接点を使用してよい。例えば、前記レーザは、１Gbpsを超える速度で変調される電流をダイオードに供給するようパッケージングされたリッジ導波レーザであってよい。
【０１１３】
なお、ドット密度を増加させる成長条件とドットのサイズ均一性との間には考慮すべき兼ね合いがある。各レーザにおける高ドット密度は、ゲインを実現するのに役立つドットの数を増加させる。しかしながら、これは、ドット密度を上げる成長条件がドットのサイズにおける差異を大きくもするという事実によって幾分相殺される。高い飽和基底状態光学ゲインを有するレーザ構造については、可能な限り高いドットサイズ均一性（最少の不均一な広がり）を有する量子ドット当たりの高ドット密度に合った成長条件を選択するのが望ましい。従って、マルチ量子ドット層レーザの一実施の形態において、各量子ドット層レーザの成長シーケンスは、図１１Cに示した実施の形態と同様な量子ドットをトリムするよう選択される。
【０１１４】
あるレーザの用途において、比較的低い注入レベルで広い波長範囲にわたって延びる光学ゲインスペクトルを有するのが望ましい。このような状況では、波長調整（チューニング）を容易にするために、比較的低い飽和基底状態モードゲインが望ましい。図２０Aは、単一の量子ドットに関する光学遷移エネルギを例示する図である。個々の量子ドットは、その長さ、幅および高さに対応した量子閉じこめエネルギを有する。ここでは、ドットのサイズ、組成および形状に応じて、第１励起状態遷移エネルギ、第２励起状態遷移エネルギ、そして、おそらく、付加的な遷移エネルギが存在することになる。高さがわずか７ナノメータで、直径が３０ナノメータであるInAs量子ドットについて、前記基底状態遷移と第１励起状態遷移との間における遷移エネルギの差は、約８０mｅVである。図２０Bにおいて、平均サイズを中心とするサイズ分布を有する量子ドットの集団については、斜線領域によって示されるように、サイズ分布に対応する不均一な広がりが生じることになる。量子ドットが注入されると、均一な広がりも生じる。不均一な広がりの程度は、ドットのサイズ変化を増加または減少する成長条件を選択することによって調節可能である。フォトルミネッセンスの研究により、成長条件を調節することによって、前記不均一な広がりを約３０meVの最小値から少なくとも７０meVに変化させることができる、ということが分かっている。数kA/cm2の注入レベルで、２４meVを超える均一な広がりが実現され得る。前記均一な広がりは、例えば、電子と光子および他の電子との衝突に帰因すると思われる。
【０１１５】
均一な広がりと不均一な広がりとの相互作用は、光学ゲインスペクトルを拡大するよう作用する。該均一な広がりと不均一な広がりとの相互作用は、ゲイン応答の幅を二倍以上に大きくする。レーザ発光モード光子は、エネルギ的に共鳴するドットのみならず、均一な広がり範囲内に存在する他の共鳴しないドットからも、ゲインを得る。従って、中央基底状態遷移エネルギと連続的な励起状態との差が約３０meV〜８０meVの範囲内である場合、均一な広がりと不均一な広がりが連続したゲインスペクトルを作り出すので、比較的低い電流密度で連続した光学ゲインスペクトルが実現され得る。
【０１１６】
本発明の一実施の形態において、成長パラメータは、約３０〜８０meVの範囲内の連続的量子ドット遷移エネルギのエネルギ値における差を実現するよう選択される。特に、一実施の形態において、量子ドットの平均サイズを変化させてそれらの遷移エネルギを調節できるよう、前記成長パラメータを選択してよい。好ましくは、前記成長パラメータは、さらに、十分な程度の不均一な広がりを実現するよう選択されてもよい。一実施の形態において、前記不均一な広がりは、前記基底状態遷移エネルギ値と前記第１励起状態遷移エネルギとの間におけるエネルギ値の差の少なくとも半分になるよう選択される。他の実施の形態において、前記不均一な広がりは、前記均一な広がりと不均一な広がりの組合せが比較的低いスレシュホルド電流で連続した光学ゲインスペクトルを形成するように、前記エネルギレベルの差を下回る約２０〜３０meVとなるよう選択される。
【０１１７】
量子ドット活性領域を含む半導体レーザは、比較的低い電流で、広い波長範囲にわたって動作するよう設計される。図２１は、選択された電流での、量子ドット活性領域のキャビティ光学ゲインの例示的な曲線２１１０である（ｅ2gL、ここで、gは単位長さ当たりのゲイン、Lはキャビティにおけるゲイン媒体の長さを示す）。図２１において、量子ドット活性領域は、波長λ1でのピーク２１０５に対応する基底状態量子レベルを有するよう設計されてよい。図において、ミラー損失および吸収損失を含む共鳴損失を克服できるよう、波長λ1での基底状態モードゲインは、最小ゲインｇminより大きな飽和値で飽和させられる。より拡張された波長調整範囲が所望の場合、駆動電流は前記励起状態を定住させるよう選択される。例えば、ドットの長方向さおよび幅方向に沿った量子閉じ込めに対応した第１励起量子状態（例えば、第１励起状態２１１０および第２励起状態２１１５）は、λ1とλ2との間のピーク２１１０および２１１５によって示されるように、付加的なより高いエネルギ状態を実現するよう設計されてもよい。比較すると、同等の波長にわたってゲインを実現する従来の量子ドット活性領域は、量子井戸の第１の基底状態で飽和可能なゲインを得ることができず、全波長範囲にわたって最小ゲインを実現するために極めて高い電流密度を必要とする。本発明者の大雑把な見積もりによると、量子ドットレーザは、従来の同等の量子井戸レーザに比べて約１０倍少ない電流によって、広い波長調整範囲を実現することができる。一実施の形態において、前記不均一な広がりならびに前記基底状態遷移エネルギ、第１励起状態遷移エネルギおよび第２励起状態遷移エネルギのエネルギ差は、最大スレシュホルド電流密度について少なくとも１５０ナノメータの連続した光学ゲインを可能にするよう選択される。好ましくは、駆動電流は、少なくとも基底状態モードゲインを飽和させるよう選択される。量子ドットのマルチ層を有する一実施の形態において、各量子ドット層が、広くて連続した光学ゲインスペクトルを形成するのを容易にする複数層の遷移エネルギ系列を構成するよう選択された異なる遷移エネルギ系列を有するよう、互いに異なる層のドットの成長パラメータを選択してよい。例えば、第１の量子ドット層は、第１の基底状態遷移エネルギとこれに対応した励起状態遷移エネルギレベルを有することができる。また、第２の量子ドット層は、前記第１の量子ドット層の対応する励起状態遷移エネルギレベルに対して、その基底状態遷移エネルギとこれに対応した励起状態遷移エネルギレベル(例えば、第１および第２励起状態遷移エネルギ)の値(例えば、１０〜４０meV)をオフセットさせるよう選択されるドット特性(例えば、サイズ、形状および組成)を有することができる。
【０１１８】
図２２は、増幅された自然発光強度、対、図１４Bに示されたものと同様な構造から製作され１つの量子ドット層を有するレーザキャビティの波長との関係を示す図である。名目的なドットの高さは約４９０℃の温度で成長させられた約７ナノメータであり、ドット密度は約７．５x１０10cm2に対応している。前方ファセットはファブリ−ペローレーザ光発光を抑えるための非反射（ＡＲ）コーティングであり、キャビティ長は約１．７mmである。曲線２２０５は５００mAの駆動電流を示し、曲線２２１０は６００mAの駆動電流を示し、曲線２２１５は７００mAの駆動電流を示す。これら３つの曲線に係る駆動電流は基底状態モードゲインが飽和させられるのに十分な程度に高く、これが、１．２０〜１．３０ミクロンの範囲内での曲線収束の原因である。また、前記駆動電流は、２００ナノメータ以上にわたる連続したゲインに対応する励起量子ドット状態が定住するのに十分な程度に大きい。曲線２２１０および２２１５のより高い注入レベルでは、第２励起状態(1.05ミクロン)でのレーザ光発光が始まる。
【０１１９】
図２３は、より短い波長に調整（チューニング）されたわずか１．３ミクロンの波長についての、波長調整範囲、対、電流密度の関係を例示する図である。量子ドットを示す曲線２３８０は、本発明者の実験データに基づいている。量子井戸を示す曲線２３９０は、文献に発表された様々な数値に基づいている。曲線２２８０に示すように、量子ドットレーザは、１kA/cm2の注入電流密度の上昇毎に、約７０nmの波長調整（チューニング）を可能にする。比較のために言うと、従来の量子井戸は、７０nmの波長調整（チューニング）範囲を実現するために約２．３kA/cm2を必要とする。前記曲線２３９０に示すように、波長調整範囲が名目波長(この場合１５０nm)の１０%を超えると、量子井戸はスレシュホルド電流範囲において急激な増加を示す。１０%の波長調整範囲を超えると、バイアス電流は、劇的に上昇し、典型的には１０kA/cm2を超える。しかしながら、動作寿命を長くするために、一般的に、波長調整可能なレーザに使用される量子井戸レーザは、約７０nmの波長調整に対応する最大電流密度で動作させられる。曲線２３８０に示すように、本発明の量子ドット活性領域は、２〜３kA/cm2の範囲内の電流密度で、１５０nmを超える(例えば、２００nmを超える)波長に同調され得る。これは、例えば、１つの量子ドットレーザを使用して、従来の量子井戸レーザでは実現不可能であった約３kA/cm2未満の電流密度での１８０ナノメータの波長調整範囲を実現する、ことを可能にする。
【０１２０】
本発明の量子ドットレーザは、波長調整可能な外部キャビティレーザの有効ゲイン媒体として使用され得る。図２４は、一般的な外部キャビティレーザを示す上端面図である。レーザ光発光のためのスレシュホルド条件は、共鳴器損失(ミラー損失および内部損失)の総和がゲイン媒体の光学ゲインによってバランスさせられる、ということである。波長調整可能なレーザにおいては、波長の関数である反射率を有する波長セレクタ２４４０が設けられる。典型的には、レーザダイオード２４０２の後方ファセット２４０５は高い反射率を保持する一方、該レーザダイオード２４０２の前方ファセット２４１０は極めて低い反射率を有するよう処理される。外部キャビティシステムのスレシュホルド条件は、R1ｅ2(g-αi)L1R(λ) ｅ(-2αeL2)＝1であり、ここで、R1は前記レーザダイオードの後方ファセットの反射率を示し、gは該レーザダイオードの単位長さ当たりのゲインを示し、αiは該レーザダイオードの単位長さ当たりの損失を示し、L1は該レーザダイオードのキャビティ長を示し、R(λ)は前記波長セレクタの反射率を示し、αeは前記外部キャビティの単位長さ当たりの平均的損失を示す、L2は前記外部キャビティの有効長さを示す。
【０１２１】
外部キャビティ、波長調整可能レーザにおいて、前記波長セレクタは、その波長の関数としての透過率または反射率応答が前記レーザに対する光学的フィードバックを狭い波長帯に制限するよう制御され得る外部要素の任意の組合せであってよい。波長調整可能、外部キャビティレーザは、典型的には、波長選択型分散に基づく波長選択型光学フィードバックを実現するよう構成された外部格子を使用する。図２５Aおよび２５Bに示すように、外部キャビティ、半導体レーザにおいては、典型的には、レーザダイオードの一方のファセットが高い反射率(HR)の材料によってコーティングされ、他方のファセットが反射防止(AR)膜によってコーティングされる。典型的には、外部格子は、レーザダイオードに対して波長選択型フィードバックを実現し、また、出力カプラとして機能するよう構成される。好ましくは、前記AR膜の反射率および前記レーザキャビティの長さは、該レーザにおけるファブリ−ペロー(FP)モードを抑制するよう選択される。なお、例えば、デバイス製作時に非誘導ウィンドウ領域を組み込む、または、劈開ファセットに対してレーザストライプを傾斜させるなどのような、ある波長範囲にわたって劈開ファセットからのファブリ−ペローモードを抑制するための公知技術を使用してもよい。好ましくは、前記半導体レーザの長さおよび前記ARコーティングされたファセットの残留反射率は、前記外部格子のみがレーザ光発光波長を決定するよう選択される。一実施の形態において、前記半導体レーザの長さおよび前記ARコーティングされたファセットの残留反射率は、当該レーザが、外部格子からのフィードバックなしに、量子ドットの基底状態以外および少なくとも第１励起状態でレーザ光を発光することができない、よう選択される。
【０１２２】
外部キャビティレーザにおいて、最小ゲインは、前記半導体レーザの長さおよび前記ARコーティングされたファセットの残留反射率は、キャビティ損失を上回る必要がある。従って、図２４において、広い波長調整範囲を実現するために、基準状態の飽和レーザゲインは、吸収損失およびミラー損失を含む共鳴器損失の総和より大きくなるよう選択すべきである。しかしながら、前記格子によって選択される波長は、約２０nmの自走発光波長内のみでのファブリ−ペローモードを抑制するだけで、均一的なゲイン拡大範囲内の光学ゲインを消耗させるのみである。従って、一実施の形態において、好ましくは、高量子状態でのピークゲインgpは、前方ファセットの残留ファセット反射率によるFPモードからの不利なレーザ光発光を阻止するのに十分低いよう選択される。
【０１２３】
２つの一般的な外部キャビティ構造は、Littman-Metcalf外部キャビティおよびLittrow外部キャビティである。図２５Bは、Littman-Metcalfレーザキャビティを例示する図である。また、図２５Aは、Littrowレーザキャビティを例示する図である。前記Littrowキャビティにおいては、レーザ２５１０から格子２５３０によって受光される光の入射角は、前記レーザキャビティの１つのミラーの機能を実行するレーザにビームが反射され返されるような入射角である。前記格子２５３０の角度が波長を決定する。キャビティ帯域幅を減少させるために、Littrow構造にエタロンが含まれることがある。前記Littman-Metcalf構造２５００において、格子２５３０は波長調整用ミラー２５１０(再帰反射器としても知られている)に向けて光を屈折させ、該ミラー２５１０がフィードバックを決める。典型的には、レーザ出力の前記格子への結合を向上させるために、コリメータレンズ２５０５が外部キャビティレーザに設けられる。
【０１２４】
本発明に従う波長調整可能なレーザの１つの用途は、テストおよびモニタ（Ｔ＆Ｍ）用途である。このようなテストおよびモニタ用途の実用的な波長調整可能なレーザは、妥当なレーザ寿命を実現するよう選択される最大動作電流を有さなければならない(例えば、典型的には、１０kA/cm2を超える電流密度が寿命低下に関連づけられる)。量子井戸ゲイン媒体を有する商業的に入手可能な波長調整可能なレーザにおいて、量子井戸レーザは、約７０ナノメータの有効波長範囲を有する。しかしながら、多くの用途において、大きな波長調整範囲を有するのが望ましい。従来より、２００ナノメータの波長調整範囲にわたるテストおよびモニタ用途には、各々が複数の異なる波長範囲について最適化された量子井戸ゲイン媒体を有する３つの波長調整可能なレーザが必要であった。比較のために述べると、本発明の量子ドットレーザは、実用的な電流密度について少なくとも２００ナノメータの連続した波長調整範囲を有する。
【０１２５】
なお、本発明の量子ドット活性領域は、レーザ光波長を調整するために、一体化された波長セレクタ要素を有する。当該技術においては、波長セレクタ要素を有する様々な種類の半導体レーザが公知である。特に、波長整調可能な分散型Bragg反射器(DBR)および分散型フィードバックレーザ構造(DFB)が、レーザ発光技術において公知である。前記DBRレーザは、λm=2nΛ/mによって与えられるBragg波長条件を定義する格子（Bragg格子：ブラッグ格子）を含み、ここで、Λは格子周期、nは使用されている材料の屈折率を示し、mは回折次数を示す。前記Bragg波長条件は、前記格子に対応した高い有効反射率を有する波長を定義する。図２６に示すように、レーザの格子２６２０の一部の屈折率、すなわち、そのBragg波長を調整するために、前記レーザの１つのセクションにおける電流が調整され得る複数のセクション２６０５，２６１０，２６１５を有するマルチセクションDFBレーザおよびマルチセクションDBRレーザが、当該技術分野において公知である。適当な波長調整可能なDFBレーザまたはDBRレーザが、本発明の量子ドット活性領域２６３０を含むよう変更されてよい。
【０１２６】
さらに、量子ドット活性領域を有する半導体レーザの出力波長が、温度に対応して調整されてもよい。図２７Aにおいて、量子ドット活性領域を２７０５有する分散型フィードバックレーザは、複数の異なる屈折指数を有する導波層２７２０，２７３０上に製作される格子の周期性からBraggレーザ光発光状態を確立するために任意の適当な格子構造を含んでいてもよい。従来のDFBレーザにおいては、熱膨張および前記屈折指数の温度依存性によって、約０．１nm/℃のBragg波長に変化が生じる。従来の１．３ミクロンのレーザにおいて、ゲインピークは、約０．４℃だけ変化する。その結果、DFBレーザが良好なモード特性を維持する温度範囲が制限される(例えば、典型的には約４０℃)。すなわち、ゲインピークが波長においてBragg波長より実質的に長くなるよう温度が上昇すると、前記DFBレーザは高すぎるスレシュホルド電流を有するか、または、乏しいモード識別性を有しがちになる。図２７Bは、従来の１．３ミクロンのレーザについてのBragg波長の変化およびゲインピーク、対、温度の関係を示す。量子ドット活性領域は、温度感度の低下に至る量子ドットの三次元の量子閉じこめに関連したデルタ関数状態密度を有する。本発明者による実験は、量子ドットが、前記三次元の量子閉じこめに関連したデルタ関数状態密度によって、わずか約０．１７nm/℃のピークゲイン変化を有する、ことを示した。ゲインピークの低下した温度感度は、広いゲイン関数と共に、温度に応じて波長調整されたDFB量子ドットレーザが従来のバルクまたは量子井戸DFBレーザに比べて広い波長調整範囲を実現可能にする。DFBレーザの一実施の形態において、前記Bragg波長は、第１の動作温度では光学ゲインスペクトルの長い波長側で動作するよう選択され、これにより、より高い動作温度で前記レーザを動作させるのを容易にする(これが前記光学ゲインスペクトルをより長い波長にシフトさせる)。
【０１２７】
本発明の量子ドット活性領域は、レーザのモノリシックのマルチ波長アレイにも使用され得る。図２８は、レーザ２８２０のマルチ波長アレイ２８００を示す斜視図である。各レーザ２８２０はリッジレーザ、埋め込み型ヘテロ構造レーザ、または横光閉じこめを実現するその他のレーザ構造として製作可能である。各レーザは、長手方向キャビティ長Lを有する。従来の劈開またはエッチング処理を使用してレーザファセット２８１５を形成してよい。前記アレイ２８００は、量子ドット活性領域２８１０を有する共通の基板２８０５上に形成されている。前記量子ドット活性領域２８１０の成長パラメータは、所望の電流密度範囲内で所望の波長調整範囲(例えば、１００〜２００nm)を実現するよう選択される。各前記レーザは、好ましくは、該レーザの所望の波長を実現するよう選択された格子周期性Λを持つ少なくとも１つの格子セクション２８３０を有するDFBまたはDBRレーザである。前記モノリシックのマルチ波長アレイ２８００の１つの利点は、前記量子ドット活性領域２８１０の大きな波長調整範囲によって、多数の異なる出力波長を有するDFBまたはDBRレーザ２８２０が密な波長分割多重方式(DWDM)での用途のために同時に製作可能である、ということである。代案として、前記波長アレイ２８００は、かなりの波長間隔を持つより少数の波長を有するのが望ましい広い波長分割多重方式(DWDM)での用途に使用されてもよい。例えば、一実施の形態において、前記波長アレイ２８００は、１２７０ナノメータ〜１３５５ナノメータの波長の範囲(例えば７５乃至８５ナノメータ範囲)をカバーするよう使用され得る。一実施の形態において、前記不均一な広がりおよび前記基底状態遷移エネルギと第１励起状態遷移エネルギとのエネルギ差は、最大スレシュホルド電流密度について少なくとも７５ナノメータの連続した光学ゲインスペクトルを可能にするよう選択される。
【０１２８】
また、前記アレイ２８８０の量子ドット活性領域２８１０の光学特性は、各前記レーザが高いデータ速度で直接変調されることを可能にする。本発明者の理論的研究により、最適化された量子ドットレーザが従来の量子井戸レーザに比べて約５〜１０倍低い線幅増大係数、ならびに、より高い差動ゲインを有するはずである、ということが示されている。これにより、受け入れ可能なチャープで、高いデータ速度(例えば、10-40Gbit/s)で量子ドットレーザを直接変調することが実現可能になる。これは、チャープ効果を減少させるために、典型的には外部変調器によって高いデータ速度で変調されていた従来の量子井戸レーザとは対照的である。さらに、本発明の量子ドットレーザの低いスレシュホルド電流密度は、直接レーザ変調を容易にする。典型的には、直接変調される高周波数レーザは、スレシュホルド電流の数倍の駆動電流を必要とする。前記マルチ波長列２８００の各レーザの比較的低いスレシュホルド電流は、高いデータ速度での直接変調を容易にする。従って、一実施の形態において、前記マルチ波長列２８００の各レーザは、その駆動電流を変化させることによって直接変調される。これにより、従来のDWDMシステムに使用されている外部変調器、フィルタおよび光アイソレータが不要になる。
【０１２９】
図２９に示すように、前記アレイの各レーザが直接変調される場合、それらの出力は、光学結合器(MUX)２９５０モジュールによって直接受光され、光ファイバに結合されてよい。なお、直接電流変調の実施の形態においては、任意の適当な高周波数パッケージング技術を使用して、マイクロウェーブ周波数の駆動電流を各レーザに結合するのを容易にしてよい。実施の形態において、各レーザはワイヤボンドによって駆動される。しかしながら、ワイヤボンドは、ボンディングワイヤの大きな長さが極めて高いデータ速度での性能を低下させるような寄生インダクタンスを有する。他の実施の形態において、アレイ２９００上にマイクロウェーブ送信ラインが形成され、各レーザに対するマイクロウェーブ駆動電流の結合を容易にする。さらに他の実施の形態において、前記アレイ２９００は、各レーザにマイクロウェーブ電流を供給するのに適したサブマウント上に取り付けられる。
【０１３０】
本発明のマルチ波長アレイ２８００の１つの利点は、温度調整を使用して多数の波長を細かく調整できる、ということである。図３０は、２つの異なる温度についてのゲインスペクトルと (光ネットワークグリッドが”杭柵”形状を有する) レーザアレイのBragg波長とを同じ図に示している。図３０において、一実施の形態によると、第１の温度T1での名目的なDFB波長は、ゲインスペクトルの上方波長範囲をカバーするよう選択される。アレイ２８００の温度をより高い温度T2で調整することによって、ゲインスペクトルはBragg波長より幾分高いレートのゲインスペクトルを移行させる。ゲイン曲線の大きな初期幅および量子ドットレーザのゲイン応答の温度低下による移行のために、大きな波長範囲にわたるDFBレーザのモノリシックアレイは、広範囲にわたって同時に調整されることができる。
【０１３１】
前記アレイ２８０の他の利点は、前記低いしきい電流密度および温度によるゲイン応答のゆるやかなドリフトによって、前記レーザが前記レーザを加熱および温度クロストークの影響を受けにくくなる、ということである。これにより、例えば、個々のレーザは、従来の量子井戸レーザに比べて、より近接してパッケージされ得る(例えば、小さなレーザ間分離)。さらに、前記アレイ２８００の温度特性は、アップ状態、すなわち、基板をヒートシンクに取り付けた状態でのアレイ接合を操作するのを容易にする。レーザ技術分野で周知のように、接合ダウン構成(エピタキシャル層がヒートシンクに取り付けられた構成)は、温度抵抗が小さいが、典型的には、パッケージンクの煩雑さおよびコストを増していた。前記アレイ２８００のさらに他の利点は、WWDM等の用途に応じて、ヒートシンクを冷却する必要性がなくなる、ということである。
【０１３２】
以上、InGaAs量子井戸に埋設されたInAsからなる量子ドット層に関連して発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は関連したIII-V族化合物半導体材料に実施されてもよい。例えば、前記InGaAs量子井戸はAlInGaAs井戸に代えてもよい。同様に、前記障壁層は、AlGaAsまたはAlGaInAsPのような各種III-V族材料からなっていてよい。例えば、前記障壁層は、量子ドット層間の障壁層が歪み補償層として機能するよう選択された格子定数を有する材料からなっていてもよい。
【０１３３】
また、本発明は、GaAs基板上に成長させられるレーザ構造に関連して説明された。該GaAs基板は、他のIII-V族基板に対して、比較的大きなウエーハサイズのような多くの利点を有する。しかし、本発明はGaAs基板上に形成される材料に関連して説明されたが、本発明の実施の形態は、InP基板のような他の種類の基板上に実施されてもよい。さらに、好ましい製作技術として分子線エピキタシを説明したが、本発明の実施の形態は、他のエピキタシ技術を使用して実施されてもよい。
【０１３４】
また、本発明の特定の実施の形態および用途を図示し説明したが、本発明は、ここに開示された構成および構成要素に限定されるものではなく、添付請求の範囲に定義された発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者に自明様々な一部変更、変更および変形をここに開示された本発明の方法および装置の構成、作用および詳細部分に施してよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃおよび１Ｄは、バルク半導体、量子井戸、量子細線および量子ドットに関する状態密度関数を示す図。
【図２Ａ】量子ドット光出力強度、対、様々な長さの量子ドットレーザの波長を示す従来技術説明図。
【図２Ｂ】図２Ａのレーザについてのスレシュホルド電流、対、キャビティ長を示す従来技術説明図。
【図３】量子井戸に埋め込まれた量子ドットの理想的な量子ドット層を示す斜視図。
【図４Ａ】量子ドット層を形成する成長層シーケンス形態の一部を示す図。
【図４Ｂ】量子ドット層を形成する成長層シーケンス形態の一部を示す図。
【図４Ｃ】量子ドット層を形成する成長層シーケンス形態の一部を示す図。
【図５】ＩｎＡｓ量子ドットの原子間力顕微鏡画像。
【図６】核化層の２つの異なる組成についての量子ドット密度、対、成長温度を示す図。
【図７】いくつかの異なる被覆層成長温度についての、フォトルミネッセンス強度、対、量子ドットの波長を示す図。
【図８】いくつかの異なるアニール温度および時間についての、フォトルミネッセンス強度、対、量子ドットの波長を示す図。
【図９】ＩｎＧａＡｓ成長の異なる名目的な厚みを示す図。
【図１０】最下位ＩｎＧａＡｓ井戸層をインジウムのフローティング層によって予め充満させる成長シーケンス示す図。
【図１１Ａ】量子ドットの厚みにおける変化によって、いくつかの量子ドットの一部が量子井戸から障壁層中に突入する状態を示す側面図。
【図１１Ｂ】量子ドットを井戸に埋め込むのを容易にするめたの、井戸内にドットを非対称的に配置した層の第１の成長シーケンスを示す図。
【図１１Ｃ】前記井戸層成長の後、前記量子ドットの厚みを減少させる層成長シーケンスを示す図。
【図１２】複数の量子ドット層を有する活性領域の層成長シーケンスを示す図。
【図１３】１つの層の臨界厚みを算出するための関係を示す図。
【図１４Ａ】量子ドットレーザついての成長シーケンスを示す図。
【図１４Ｂ】図１４Ａのレーザ構造の伝導帯を示す図。
【図１５】各層を成長させるための好ましい温度範囲を有する量子ドットレーザの成長シーケンスを示す図。
【図１６】２つの異なる量子ドット密度を有する量子ドットレーザについての、測定されたモードゲイン、対、スレシュホルド電流密度を示す図。
【図１７】前記ＩｎＧａＡｓ量子井戸の３つの異なる組成を持つ１つの量子ドット層を有する量子ドットレーザについての、基底状態モードゲイン、対、スレシュホルド電流密度を示す図。
【図１８】１つの量子ドット層および３つの量子ドット層を有する量子ドットレーザについての、モードゲイン、対、スレシュホルド電流密度を示す図。
【図１９】高い基底状態モードゲインを実現するよう選択された量子ドット層シーケンスを有する量子ドットレーザについての成長シーケンスを示す図。
【図２０Ａ】１つの理想的な量子ドットの遷移エネルギを示す図。
【図２０Ｂ】ドット集団のドットサイズ不一致に対応した遷移エネルギの不均一な広がりを示す図。
【図２１】拡張された波長範囲にわたる連続的な量子ドット光学ゲインスペクトルを形成する方法を示す図。
【図２２】拡張された波長範囲にわたる連続的光学ゲインスペクトルを実現するよう選択された３つの異なる駆動電流による量子ドットレーザ構造のエレクトロルミネッサンス強度、対、波長とを示す図。
【図２３】量子ドットおよび量子井戸レーザの波長調整範囲、対、電流とを示す図。
【図２４】一般的な外部キャビティレーザ構造を示すブロック図。
【図２５Ａ】外部キャビティレーザ構造例を示すブロック図。
【図２５Ｂ】別の外部キャビティレーザ構造例を示すブロック図。
【図２６】波長調整可能レーザの斜視図。
【図２７Ａ】ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）格子を有する単一波長レーザ構造を示す。
【図２７Ｂ】ブラッグ格子の波長応答と比較した、従来の量子井戸活性領域および量子ドット活性領域についての波長応答、対、温度を示す比較図。
【図２８】量子ドット活性領域を有するレーザのマルチ波長アレイを示す図。
【図２９】図２８のマルチ波長アレイが光学的マルチプレクサによって光ファイバに結合される実施の形態を示すブロック図。
【図３０】対応するＤＦＢ波長を重ねた状態で、２つの異なる動作温度での波長アレイの光学ゲインスペクトルを示す図。
【図３１】量子ドットレーザキャビティの側面図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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