(57)【要約】低減されたフィルファクタ及び低減された損失を有するＤＦＢレーザ。ＤＦＢグレーティングを有するレーザリッジの上面のすべての他の領域が誘電体によって金属コンタクト層から絶縁されるので、金属トップコンタクト層とＤＦＢグレーティングとの間の電気的コンタクトが、エッチングされた開口部においてのみなされるように、ＤＦＢグレーティング層を有するレーザリッジの上に存在する誘電体層に複数の離間配置のコンタクト開口部がエッチングされる。コンタクト開口部のサイズ及び形状及びそれらの間隔は、開口部の総面積とレーザリッジの総面積との比が１００％未満のフィルファクタを提供するように構成される。【選択図】図２
2018518053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたレーザリッジと、レーザリッジの上面に配置され、ＤＦＢグレーティングが上部に形成された、ＤＦＢグレーティング層と、前記ＤＦＢグレーティング層の上面に配置され、前記レーザリッジの上面を覆う、誘電体絶縁フィルムと、を備えるレーザ構造体を備え、前記レーザリッジが、トップ金属コンタクト層及びボトム金属コンタクト層によって電圧源への電気的コンタクトがなされている、低フィルファクタのトップコンタクトを有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであって、
前記誘電体フィルムが、開口部によって露出された前記リッジの領域においてのみ前記レーザリッジへの電気的コンタクトを提供するべく、前記レーザリッジの上面上で、内部に形成された所定の複数の離間配置のコンタクト開口部を有し、前記リッジの残りは前記誘電体フィルムによって電気的コンタクトから絶縁され、
前記コンタクト開口部が、前記コンタクト開口部の総面積と前記レーザリッジの上面の総面積との比が１００％未満の所定のフィルファクタを提供するように構成される、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ。
【請求項２】
前記レーザがインターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）である、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項３】
前記レーザが量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）である、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項４】
前記コンタクト開口部のサイズ、形状、及び分布のうちの少なくとも１つが不規則である、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項５】
前記コンタクト開口部が、所定の一様な幅ｗ及び所定の周期的間隔Ｐを有し、ｗ及びＰが、所定のフィルファクタｗ／Ｐ＜１００％を提供するように構成される、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項６】
前記コンタクト開口部が、所定の一様な幅ｗ及び所定の周期的間隔Ｐを有し、ｗ及びＰが、所定のレーザデューティサイクルを提供するように構成される、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項７】
前記コンタクト開口部のそれぞれが、対応する幅Ｗｉを有し、（ｉ＋１）番目の隣接するコンタクト開口部から対応する間隔Ｐｉだけ分離され、前記幅Ｗｉのすべて及び前記間隔Ｐｉのすべては、前記すべての幅Ｗｉの平均と前記すべての前記距離Ｐｉの平均との比が１００％未満であるように構成される、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項８】
前記コンタクト開口部が、前記レーザリッジの中央を覆うように配置される、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項９】
前記コンタクト開口部が、前記レーザリッジの中央を覆わないように配置される、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１０】
前記コンタクト開口部が、それぞれ前記レーザリッジの外縁の近くに配置される２つの平行な列を含む、請求項９に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１１】
前記２つの平行な列における前記コンタクト開口部が、互いに位相を合わせて配列されるように構成される、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１２】
前記２つの平行な列における前記コンタクト開口部が、互いに位相をずらして配列されるように構成される、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１３】
前記ＤＦＢグレーティング層がＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂである、請求項２に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢインターバンドカスケードレーザ。
【請求項１５】
前記誘電体絶縁フィルムがＳｉＮである、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１６】
前記ＤＦＢグレーティング層と前記誘電体絶縁フィルムとの間の前記リッジの中央付近に配置された前記コンタクト金属又は前記誘電体に対して高い屈折率を有するポール層をさらに備える、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１７】
前記ポール層がＳｉである、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
相互参照
本願は、２０１５年６月５日に出願された米国特許仮出願第６２／１７１，２６９号、２０１５年８月２５日に出願された米国特許仮出願第６２／２０９，５５４号、及び２０１５年１１月５日に出願された米国特許仮出願第６２／２５１，１５４号に基づく米国特許法第１１９条の下での優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、インターバンドカスケードレーザ及び量子カスケードレーザ、特に、インターバンドカスケードレーザ及び量子カスケードレーザにおける損失を低減するための構造設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）は、中赤外（ここでは２．５〜６μｍとして定義される）スペクトル領域、潜在的にはより長波長に関する有望な半導体コヒーレント源である。
【０００４】
ＩＣＬの基本概念は、１９９４年にＲｕｉ  Ｙａｎｇによって彼がトロント大学にいたときに発明され、その少し後に彼がヒューストン大学にいたときに特許された。米国特許第５，５８８，０１５号「Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｔｙｐｅ  ＩＩ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」参照。
【０００５】
ＩＣＬは、ＩＣＬが中赤外量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）によって用いられるサブバンド間活性遷移ではなくバンド間遷移を採用するという点でＱＣＬとは異なる。バンド間遷移に関連したキャリア寿命は、通常、サブバンド間遷移よりも３桁長く、これは最終的にＩＣＬでの１桁以上低い駆動パワーをもたらす。ほとんどのＩＣＬでの活性遷移は、空間的に間接（タイプＩＩ型）であり、隣接する電子（例えばＩｎＡｓ）及び正孔（例えばＧａｌｎＳｂ）の量子井戸（ＱＷ）においてそれぞれピークの電子及び正孔の波動関数を有する。従来のダイオードレーザとは対照的に、ＩＣＬとＱＣＬとの両方は、電流の流れのための、デバイスの両方の端にある、２つのｎ型コンタクト領域を有する。
【０００６】
ＩＣＬの各活性ステージは、高異方性の電気伝導を呈する短周期チャープ超格子を含む。ＱＣＬの活性ステージも電気的に異方性であるが、ＱＣＬは通常、電気的に等方性のバルクＩｎＰクラッド層を有する。
【０００７】
加えて、短周期超格子の平面内の電子移動度は、成長軸に沿った電子移動度よりもはるかに高いことから、光閉じ込めを提供するために、ほとんどのＩＣＬは、同じく異方性の電気抵抗を有する中程度にｎドープされたＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子クラッド層を採用する。
【０００８】
ＩＣＬの最初の開発の後に、正孔インジェクタを形成するべく１つよりも多い正孔井戸を含むなどの、基本ＩＣＬ構造への重要な改良が、本発明の発明者のうちの２人と共同してＤｒ．Ｙａｎｇによる共同特許においてなされた。Ｍｅｙｅｒ他の米国特許第５，７９９，０２６号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｂｌｏｃｋｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」参照。この後に、本発明の発明者の一部によるいくつかのさらなる特許が続き、ＩＣＬ構造及び動作への多くのさらなる改良を導入した。Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ他の米国特許第８，１２５，７０６号「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」、Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ他の米国特許第８，４９３，６５４号「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」、Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ他の米国特許第８，２９０，０１１号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」、Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ他の米国特許第８，３８５，３７８号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」、Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ他の米国特許第８，７９８，１１１号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ」、及びＶｕｒｇａｆｔｍａｎ他の米国特許第９，０５９，５７０号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ」参照。
【０００９】
最も重要な改良のうちの１つは、電子インジェクタにおけるドープ密度を実質的に増加させることで活性ＱＷでの電子密度を増加させ、これによりレージング閾値電流密度を低下させること（「キャリア・リバランシング」）であった。上記の米国特許第８，７９８，１１１号及び米国特許第９，０５９，５７０号である。これは、ＩＣＬ動作に関する閾値パワーを室温で２９ｍＷほどの低さに劇的に低減させた。
【００１０】
しかしながら、電気的コンタクトに関する構成及びレージングモードに関する導波管を最適化するためにこれまでにとられた処置のほとんどは、半導体レーザ業界では公知の従来の一般原理に従うものであった。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この概要は、発明を実施するための形態でさらに説明される概念の選択を簡略化された形態で紹介することを意図される。この概要は、特許請求される主題の重要な又は本質的な特徴を特定することを意図されず、特許請求される主題の範囲を決定する助けとして用いられることも意図されない。代わりに、これは本明細書で説明され特許請求される主題の単なる簡単な概略として提示される。
【００１２】
本発明は、ＩＣＬ、ＱＣＬ、及び他のクラスの半導体レーザにおける、低減した内部損失、導波管又は堆積された材料の上部にエッチングされたＤＦＢグレーティングへのより大きな結合、並びに、実質的な電流拡散及び所与の大きさの内部損失と共により低い熱抵抗を結果的にもたらすことになる、ＤＦＢレーザの構造への重要な改良を提供する。本発明に従って提供される改良された構造は、高いパワー及び輝度のために設計されるＤＦＢレーザ又はリッジのいずれかの効率及び最大出力パワーも改良し得る。
【００１３】
本発明は、トップコンタクト層のフィルファクタを減少させること、すなわち、金属との電気的コンタクトがなされるリッジの上面の割合を減少させることによって内部損失を低減させるための手法を提供する。本発明は、レーザリッジの上面のすべての他の領域が誘電体によって金属コンタクト層から絶縁されるので、コンタクト開口部用にパターン形成された領域においてのみ金属トップコンタクト層とレーザリッジとの電気的コンタクトがなされるように、レーザリッジの上に存在する誘電体層の少なくとも一部にエッチングされる離間配置のコンタクト開口部を提供することによってこれを達成する。
【００１４】
一部の実施形態では、コンタクト開口部は所定の幅ｗ及び間隔Ｐを有し、ｗ及びＰは、１００％未満の所定のトップコンタクトフィルファクタｗ／Ｐを提供するように構成される。
【００１５】
一部の実施形態では、ストライプをリッジ軸に垂直に形成することによって低いフィルファクタが達成されてよい。
【００１６】
他の実施形態では、低減されたフィルファクタのコンタクトストライプは、それらがリッジの中央を占有しないように、各縁の近くに且つリッジ軸に平行に配置されてよい。
【００１７】
一部の実施形態では、コンタクトパターンは周期的であってよく、このような実施形態では、コンタクトの幅ｗ及び間隔Ｐは、特定の波長及び温度範囲でのレーザ性能を最適化する所定のデューティサイクルを有するＩＣＬをもたらすように調整することができる。しかしながら、コンタクトパターンは、開口部の総面積とレーザリッジの総面積との比が１００％未満である限り、周期的である必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術に係るレーザリッジの上部の分布帰還型（ＤＦＢ）グレーティング及びリッジの上面のほとんどを覆うトップコンタクトを有する例示的な従来のインターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）の概略図である。
【図２】本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクト構造体を有するＩＣＬの例示的な実施形態の態様の概略図である。
【図３】本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクト構造体を有するＩＣＬの別の例示的な実施形態の態様の概略図である。
【図４】本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクト構造体を有するＩＣＬのさらに別の例示的な実施形態の態様の概略図である。
【図５】本発明の１つ又は複数の態様に係る薄いトップクラッドを有する例示的なＩＣＬ及びトップコンタクトの種々の周期的なコンタクトデューティサイクルに関する室温での持続波（ｃｗ）モードにおける光−電流特徴のプロットである。
【図６Ａ】本発明の１つ又は複数の態様に係る薄いトップクラッドを有する例示的なＩＣＬに関するパルス閾値電流密度とトップコンタクトの種々の周期的なコンタクトデューティサイクルとの依存性を例示するプロットである。
【図６Ｂ】本発明の１つ又は複数の態様に係る薄いトップクラッドを有する例示的なＩＣＬに関するパルススロープ効率とトップコンタクトの種々の周期的なコンタクトデューティサイクルとの依存性を例示するプロットである。
【図７】本発明の１つ又は複数の態様に係る薄いトップクラッドを有する例示的なＤＦＢ  ＩＣＬに関する光−電流特徴とトップコンタクトの種々の周期的なコンタクトデューティサイクルのプロットである。
【図８Ａ】本発明の１つ又は複数の態様に係る薄いトップクラッドを有する例示的なＤＦＢ  ＩＣＬに関する閾値電流対周期的なコンタクトデューティサイクルを例示するプロットである。
【図８Ｂ】本発明の１つ又は複数の態様に係る薄いトップクラッドを有する例示的なＤＦＢ  ＩＣＬに関する微分スロープ効率対周期的なコンタクトデューティサイクルを例示するプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上記で要約した本発明の態様及び特徴は、種々の形態で具体化することができる。以下の説明は、態様及び特徴を実施に移すことができる組み合わせ及び構成を例証として示す。説明される態様、特徴、及び／又は実施形態は単なる例であることと、当業者は本開示の範囲から逸脱することなく他の態様、特徴、及び／又は実施形態を使用し得る又は構造的及び機能的修正をなし得ることが理解される。
【００２０】
狭いスペクトル線で放射する半導体分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを実現するための最も単純な幾何学的構造は、グレーティング領域への光学モードの実質的な侵入を可能にする低減された厚さを有するトップクラッドを備える構造体の上面にグレーティングをエッチングすることである。例えば、Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  −ｗａｖｅ  ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｔｏ  ８０  ℃，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０１，０６１１０４（２０１２）（「Ｋｉｍ  ２０１２」）参照。
【００２１】
例えば、Ｉｇｏｒ  Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃｈａｄｗｉｃｋ  Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｃｈｕｌ  Ｓｏｏ  Ｋｉｍ，Ｍｉｊｉｎ  Ｋｉｍ，Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，  Ｊｏｓｈｕａ  Ａｂｅｌｌ，ａｎｄ  Ｊｅｒｒｙ  Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｐｏｗｅｒｓ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ｏｕｔｐｕｔ  Ｐｏｗｅｒｓ，”ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１９，１２００１２０（２０１３）、Ｍｉｃｈａｅｌ  ｖｏｎ  Ｅｄｌｉｎｇｅｒ，Ｊｕｌｉａｎ  Ｓｃｈｅｕｅｒｍａｎｎ，Ｒｏｂｅｒｔ  Ｗｅｉｈ，Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ  Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ，Ｌａｒｓ  Ｎａｈｌｅ，Ｍａｒｃ  Ｆｉｓｃｈｅｒ，Ｊｏｈａｎｎｅｓ  Ｋｏｅｔｈ，Ｓｖｅｎ  Ｈｏｆｌｉｎｇ，ａｎｄ  Ｍａｒｔｉｎ  Ｋａｍｐ，”Ｍｏｎｏｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｔ  ５．２  μｍ  ｆｏｒ  Ｎｉｔｒｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ，”ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．２６，４８０（２０１４）、及びＷ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｊ．Ｒ．Ｌｉｎｄｌｅ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｆｏｒ  λ＝３−４．５μｍ，”Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｓｙｓｔ．２１，１２５００１４（２０１２）、並びにＳ．Ｆｏｒｏｕｈａｒ，Ｃ．Ｂｏｒｇｅｎｔｕｎ，Ｃ．Ｆｒｅｚ，Ｒ．Ｍ．Ｂｒｉｇｇｓ，Ｍ．Ｂａｇｈｅｒｉ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｒｅｌｉａｂｌｅ  ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｌａｔｅｒａｌｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０５，０５１１１０（２０１４）のように、側部グレーティング又はダブルメサなどの代替的なＤＦＢ幾何学的構造が可能であるが、これらの手法は、グレーティングへの結合強度、加工／性能歩留まり、及び／又は最大単一モード出力パワー及び効率に関係した他の欠点を有する。
【００２２】
ＤＦＢグレーティングは、代替的に、エピタキシャルＩＩＩ−Ｖ半導体材料にエッチングするのではなく、リッジの上部に堆積されたＧｅ又は他の半導体又は誘電体層に形成することができる。上記のＫｉｍ２０１２参照。ｅ−ビーム蒸着又は当該技術分野では公知のいくつかの他のプロセスによるＧｅ（又は他の）層の堆積後に、リフトオフリソグラフィ又はいくつかの他の手段によってグレーティングが形成される。この手法は、エピタキシャルＩＩＩ−Ｖ半導体の無傷の上面へのどのようなエッチング損傷も回避するという利点を有する。最近まで、利用可能なｅ−ビームリソグラフィシステムのほとんどに関する遅い書き込み時間は、この手法を、より大きい市販のデバイスロットを生産するための実用的なツールを提供するのではなく、一度にほんの少しのＤＦＢレーザでパターン形成することに制限していた。例えば、Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｊ．Ｒ．Ｌｉｎｄｌｅ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｍｉｄｗａｖｅ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ，”ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．１９，１５８（２００７）（「Ｋｉｍ  ２００７」）参照。しかしながら、Ｒａｉｔｈ  Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ＧｍｂＨから入手可能なＶｏｙａｇｅｒ（商標）電子ビームリソグラフィシステムなどのより新しいｅ−ビーム書き込み装置が、実用的な書き込み時間内で広い面積にパターン形成することを現在ではすっかり実行可能にしている。
【００２３】
図１の概略図は、このような従来のＤＦＢ  ＩＣＬの例示的な構成を示す。図１に例示されるように、従来技術に係る典型的なＤＦＢ  ＩＣＬは、その上面にボトムクラッド層１０３（通常はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ短周期超格子）が配置されているＧａＳｂバッファ／基板層１０２を備えるチップ上に形成されたレーザリッジ１０１を含む。レーザリッジ１０１は、ボトム及びトップ分離閉じ込め層（ＳＣＬ）１０４及び１０６（通常は軽度にｎドープされたＧａＳｂ）を備え、ＳＣＬ層１０４／１０６間に１つ以上の活性ステージ１０５が存在し、トップＳＣＬ１０６の上面にトップクラッド層１０７（同じく通常はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ短周期超格子）が堆積されている。グレーティングがエッチングされ得る一様な比較的高屈折率の材料を提供するべく、トップＳＣＬの上部にグレーティング層（通常はＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂ）が堆積されてよい。この層の上部は、電気的コンタクトのために普通はより重度にｎドープされる。前述のように、Ｇｅ又は一部の他の材料の層は、代替的に、グレーティングを受け入れるべく構造体の上部に堆積されてよく、この場合、重度にｎドープされたトップＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂコンタクト層は非常に薄くされてよい。図面に示されていないのは、１つの領域から次の領域への電気輸送を支援する種々の領域間に配置される種々のチャープ遷移超格子である。
【００２４】
絶縁誘電体フィルム１０８（例えば、薄いＳｉＮフィルム）が、レーザリッジ１０１の側壁を含むチップの上面に堆積され、例えば、リフトオフリソグラフィ又は当該技術分野では公知の任意の他の適切な手段によってリッジの上面から除去される。単一スペクトルモードのレージングを選択するのに普通は十分な分布帰還をもたらすべく、露出されたトップグレーティング層、薄いトップクラッド層１０７、Ｇｅなどの他の堆積された材料、又はこれらのいくつかの組み合わせに、ＤＦＢグレーティング１０９がエッチングされる。次いで、ｎ型ＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂ（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなど）とコンタクトをなすのに適する金属又は金属の組み合わせ１１０が、電気注入のためのコンタクトを提供する及びワイヤボンディングのために十分に大きい、通常はリッジの側部に配置される、金属パッドへの電気接続部を提供するために、チップの上面全体に堆積される。リッジの上部を除くチップのすべての領域において、金属１１０は、デバイスのトップとボトムの短絡を防ぐために堆積された誘電体層１０８の上部に位置する。リッジ１１０の上部のトップ金属コンタクト１１０と、通常はＧａＳｂ基板の底部に堆積されるボトム金属コンタクト層１１１によってレーザにパワーが与えられる。トップコンタクト及びボトムコンタクトは、電圧源１２０の相対する端に接続される。側壁の短絡を防ぐために誘電体１０８によって覆われたままの側壁の近くの細い部分を除いて、ＤＦＢグレーティング１０９がパターン形成されるリッジ１０１の上面は誘電体フィルム１０８によって覆われないので、ＤＦＢパターン形成されたレーザリッジの全体への電気的コンタクトがなされる。
【００２５】
一部の半導体レーザ材料系は、トップ光学クラッド層を完成させ且つ半導体レーザに電流を注入するための経路も提供するために、モード屈折率よりも低い屈折率を有する電気伝導性の半導体のオーバーグロースを可能にする。しかしながら、ＧａＳｂ又はＩｎＡｓ基板上に成長するＩＣＬに関する適切なオーバーグロース能力は現在利用可能ではない。したがって、ＩＣＬに関して、グレーティング自体の上部が、トップ電気コンタクトを提供するためにメタライズされなければならない。このような場合、結合係数は、トップクラッドの厚さと共に指数関数的に減少し、ゆえに、λ≒３．５μｍで放射するＩＣＬに関して、トップクラッドの厚さは、グレーティングへの光学的結合が非共振縦モードを抑制し且つ狭線幅の放射を保証するのに十分であるべき場合に、多くとも≒５００ｎｍに低減されなければならない。
【００２６】
この幾何学的構造の主な欠点は、オーバーグロースしたスペーサ層なしでは、レージングモードが金属コンタクトに侵入し、クラッドの厚さと共に同じく指数関数的に変化するさらなる光学的損失を導入することである。追加損失の大きさは、さらに後述するようにコンタクトメタライゼーションの方式に依存するが、従来のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕコンタクトを有するＩＣＬに関する典型的な値は２〜３ｃｍ−１である。これは、組み合わされたすべての他のソースから生じる内部損失に相当するので、損失の多い金属とのモードオーバーラップは、スロープ効率及びウォールプラグ効率を必然的に低下させる。グレーティングへの光学的結合を強化するべくトップクラッド層がより薄くされる又はグレーティングがより深くエッチングされる場合、対応して損失が増加する。
【００２７】
したがって、本発明は、ＩＣＬ、ＱＣＬ、及び他のクラスの半導体レーザにおける、低減した内部損失、導波管又は堆積された材料の上部にエッチングされたＤＦＢグレーティングへのより大きな結合、並びに、実質的な電流拡散及び所与の大きさの内部損失と共により低い熱抵抗を結果的にもたらすことになる、ＤＦＢ  ＩＣＬレーザの構造への重要な改良を提供する。本発明に従って提供される改良された構造は、高いパワー及び輝度のために設計されるグレーティングなしのＤＦＢレーザ又はリッジのいずれかの効率及び最大出力パワーも改良し得る。
【００２８】
本発明は、トップコンタクト層のフィルファクタを減少させること、すなわち、金属との電気的コンタクトがなされるリッジの上面の割合を減少させることによって追加損失を低減させるための手法を提供する。本発明は、レーザリッジの上に存在する、好ましい実施形態ではリッジ側壁を保護し且つチップの他の部分上の短絡を防ぐ同じ誘電体層である誘電体層の少なくとも一部にエッチングされる複数の離間配置のコンタクト開口部を提供することによってこれを達成する。コンタクト開口部用にパターン形成された領域においてのみこの誘電体層にエッチングすることは、レーザリッジの上面のすべての他の領域が誘電体によって金属コンタクト層から絶縁され光学的に分離されるので、金属と、露出されたグレーティング、ＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂトップコンタクト層、又は誘電体の下に位置するトップクラッド層とのコンタクトを提供する。
【００２９】
したがって、本発明によれば、誘電体層に複数のｎ個のコンタクト開口部を形成することができ、この場合、コンタクト開口部及び開口部間の間隔は、開口部の総面積とレーザリッジの総面積との比が１００％未満であるように構成される。したがって、本発明に係るＩＣＬの構造は、リッジの上部のすべて又はほぼすべてが金属コンタクト層に露出される、すなわち、それらがほぼ１００％のフィルファクタのトップコンタクト層を有する、今日までに報告されたすべての以前のＩＣＬで用いられる構造とは対照的なものである。
【００３０】
一部の実施形態では、本発明に係るＩＣＬのコンタクト開口部は、全カバー範囲でリッジ軸に垂直であり且つリッジ軸に沿って所定の幅ｗ及び間隔Ｐを有するほぼ長方形の「コンタクトストライプ」の形態をとることができ、この場合、ｗ及びＰは、１００％未満の所定のトップコンタクトフィルファクタｗ／Ｐを提供するように構成される。しかしながら、他の実施形態では、開口部は、任意の形状を有することができる。加えて、一部の実施形態では、コンタクト開口部は、規則的に配置される及び／又はリッジの側部に対して対称に配置されるが、必ずしもこのような規則的な及び／又は対称な配置である必要はなく、一部の実施形態では、開口部は、レーザリッジの表面上に不規則に配置することができる。したがって、コンタクト開口部がレーザリッジへの一様な電流拡散を提供することができないほど離間されない限り、且つ、開口部の総面積とレーザリッジの総面積との比が１００％未満のフィルファクタを提供する限り、コンタクト開口部の任意の形状及び／又は間隔を用いることができる。
【００３１】
コンタクト金属とのモードオーバーラップに関連した内部損失の部分は、トップコンタクトのフィルファクタの減少と共に直線的に減少する。例えば、フィルファクタが１００から２０％に減少する、すなわち、５分の１に減少する場合、追加損失も５分の１に、例えば、値＜１ｃｍ−１に減少する。このような損失レベルは、レーザキャビティ内の他の損失よりも小さいので、デバイス性能への最小限の影響を有する場合があり、一方、≒２〜３ｃｍ−１のより高い値は、普通は、デバイスの効率及び最大出力パワーの著しい減少をもたらすことになる。５〜１０％の範囲内のさらに低いフィルファクタは、適切な電気伝導を提供し、結果的にトップクラッド層を薄くすることに関連したさらなる損失のさらなる低減をもたらし得る。
【００３２】
高い信頼性及び高い再現性を有する光リソグラフィで容易にパターン形成され得る各コンタクトストライプ又は他のコンタクト開口部特徴の最小幅は、ｗ≒１０μｍのオーダーである。したがって、典型的なコンタクトパターンは、２０％のフィルファクタに対応する、５０μｍ周期で１０μｍ幅のストライプを採用し得る。後述するように、より細いストライプ及びより低いフィルファクタが、電子ビームリソグラフィでより容易に実現される。
【００３３】
しかしながら、最適なフィルファクタに影響するさらなる考慮事項は、半導体上面がさらなる熱抵抗を生じる介在する誘電体層なしにトップ金属層と直接物理的に接触する（すなわち、高フィルファクタの）領域を最大にすることによって放熱が概して最適化されることである。したがって、光学的損失を最小にするべくフィルファクタを減少させることは、レーザコアでの活性ステージの加熱が、損失を最小にするよりも大きい影響を有するまでになるので、或る時点で、レーザ性能を向上させるのではなく劣化させる場合がある。この影響は今日まで体系的に調査されていなかったが、後述の予備実験の結果は、一部の実施形態では１４〜３３％の範囲内の中程度のフィルファクタが最適であり得ることを示唆する。
【００３４】
より詳細に後述するように、一部の実施形態では、コンタクト開口部はすべて、コンタクトストライプが周期的であるように同じ幅ｗ及び同じ間隔Ｐを有する。しかしながら、上で述べたように、コンタクト開口部の位置は、コンタクト開口部間のギャップのいずれも電流拡散長よりも大きくない限り、且つ、開口部間の総間隔が１００％未満の低フィルファクタを提供する限り、周期的である必要はない。
【００３５】
一部の実施形態では、コンタクト開口部は、リッジ軸に垂直に配置され、リッジの中央を占有し、一方、他の実施形態では、コンタクト開口部は、図３に示すようにコンタクトストライプがリッジの中央を占有しないように、リッジの一方又は両方の縁の近くに、リッジ軸に平行に配置されてよい。
【００３６】
他の実施形態では、コンタクトストライプの幅ｗはまた、平均幅がＷ／Ｐ＜１００％であるように構成される限り、一様でないものとすることもできる。
【００３７】
さらに他の実施形態では、誘電体層に形成される添字ｉのｎ個のコンタクトストライプのそれぞれは、すべての幅Ｗｉの平均とすべての距離Ｐｉの平均との比が１００％未満、すなわち、
【数１】
2018518053.tif 000003
であるように、対応する幅Ｗｉを有し、（ｉ＋１）番目の隣接するストライプから対応する間隔Ｐｉだけ分離することができる。
【００３８】
加えて、ＩＣＬのトップコンタクト層のデューティサイクルは、コンタクトパターンが周期的である場合にそのフィルファクタに直接関係する、すなわち、２０％のデューティサイクルの周期的トップコンタクトパターンを有するＩＣＬレーザリッジは、同じく２０％のフィルファクタを有することになる。「低デューティサイクルのコンタクトパターン」、「低デューティサイクルのトップコンタクト」、及び「低フィルファクタ」コンタクトパターンという用語は、一連の周期的開口部を備えるコンタクトパターンを説明するためにいくらか交換可能に用いることができる。したがって、コンタクトストライプが周期的である場合、それらの幅ｗ及び周期Ｐは、特定の波長及び温度範囲でのレーザ性能を最適化する所定のデューティサイクルを有するＩＣＬをもたらすように調整することができる。
【００３９】
しかしながら、すべての場合において、パターン形成されたコンタクトの周期Ｐ及びフィルファクタＷ／Ｐを最適化する際に幾分注意をしなければならない。製作を容易にし且つ光学モードへの寄生フィードバックの影響を回避するために、Ｐ≧１０μｍの比較的大きい周期が好ましい（又は、コンタクト開口部間の間隔は、パターンが周期的ではない場合に少なくともその大きさであるべきである）。注入された電流は１００μｍのオーダーの大きい距離にわたって拡散することが分かっているので、ＩＣＬはこれに関して特に有利である。例えば上記のＦｏｒｏｕｈａｒ参照。これは、トップクラッド領域と活性領域が、両方とも、その平面内の方が成長方向に沿ってよりもはるかに低い電気抵抗を有する短周期超格子からなるためである。電流拡散に関するこのような大きい距離により、５０〜２００μｍまでのコンタクトパターン周期が実用的な場合があり、一方、非常に限られた電流拡散を有するほとんどの非カスケード半導体レーザに関しては、非実用的な小さい周期が必要とされるであろう。
【００４０】
図２〜図４は、本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクトを有するＩＣＬの種々の例示的な実施形態の態様を例示する。図２〜図４及び以下の説明では、構造要素が１つよりも多い図面で現れる（前述の図１で現れる）場合、これらの要素は同じ参照番号によって表され、最初の数字だけがそれらが示される図面を反映するべく変えられていることに留意されたい。例えば、前述の図１に示されたレーザリッジ１０１は、図２に示されたレーザリッジ２０１、図３に示されたレーザリッジ３０１、及び図４に示されたレーザリッジ４０１に対応する。
【００４１】
したがって、本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクトを有するインターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）の第１の例示的な実施形態の態様が、図２に示された概略図で例示される。
【００４２】
図２で分かるように、本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクトを有する例示的なＩＣＬは、図１の従来のＤＦＢ  ＩＣＬ構造に関連して前述したのと同じ層と共に形成されたレーザリッジ２０１を含む。これらは、ＧａＳｂ基板及びバッファ層２０２、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子ボトムクラッド層２０３、ボトムＧａＳｂ  ＳＣＬ２０４、１つ以上の活性ステージ２０５、トップＧａＳｂ  ＳＣＬ２０６、及びＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子トップクラッド層２０７を含む。図１に関して前述した従来のＤＦＢ  ＩＣＬと同様に、図２に示された実施形態に係るＤＦＢ  ＩＣＬはまた、レーザリッジ２０１の長さの一部に沿って延びるＤＦＢグレーティング層２０９を含み、グレーティング層は、重度にｎドープされたＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂエッチング層、トップクラッド層（例えば、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子トップクラッド層）、又はＧｅ層などの一部の他の適切な材料層であってよい。トップ金属コンタクト層２１０及びボトム金属コンタクト層２１１は、電圧源２２０からレーザへの電流の流れを提供する。
【００４３】
トップ金属コンタクトが（金属が側壁に達して短絡路を生じるのを防ぐために各側壁に隣接する細いストライプを除いて）レーザリッジの上面全体を覆い、したがって、約１００％のトップコンタクトフィルファクタを有する図１の従来のＩＣＬとは対照的に、本発明に係るＩＣＬでは、ＳｉＮなどの絶縁誘電体フィルム２０８が、レーザリッジ２０１の上部の少なくとも一部、並びに、レーザリッジ２０１に隣接する側壁及び平坦な領域を覆い、ボトムクラッド層２０３を覆うべく横方向に延びる。複数の離間配置のコンタクト開口部又は「コンタクトストライプ」２１２が、エッチングされた領域のＤＦＢグレーティング層２０９を露出するべく、レーザリッジの上部にある誘電体フィルム２０８にエッチングされる。一部の実施形態では、コンタクト開口部は、所定の幅ｗ及び所定の周期的間隔Ｐを有し、Ｐは、開口部の対応する縁間の距離、例えば図２に示すように開口部の右側の縁間の距離として測定され、この場合、ｗ及びＰは、１００％未満の所定のトップコンタクトフィルファクタｗ／Ｐを提供するように構成される。
【００４４】
したがって、本発明によれば、金属トップコンタクト層２１０とレーザリッジ２０１との電気的コンタクトは、レーザリッジの上面のすべての他の領域が誘電体２０８によって金属コンタクト層から絶縁されるので、コンタクト開口部用にパターン形成された領域においてのみなされる。
【００４５】
一部の実施形態では、コンタクトストライプの間隔Ｐは、意図せぬ波長選択性をもたらすトップコンタクトにおける損失及び屈折率の変調に起因する共振効果を防ぐためにグレーティングの周期よりもはるかに大きく構成することができる。他の実施形態では、コンタクトストライプの分布は、どのような意図せぬ共振も回避するために、一定の周期Ｐを採用するのではなく不規則にされてよいが、これはほとんどの状況で問題となるとは思われない。
【００４６】
本発明の低フィルファクタのコンタクトが実装されると、構造体は、随意的に、放熱を改善するべく厚い金層で電気めっきされてよく、次いで、ヒートシンク上にエピタキシャルサイドアップ又はエピタキシャルサイドダウンのいずれかでマウントすることができる。
【００４７】
その態様が図３に例示される、本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢ  ＩＣＬの別の実施形態では、コンタクトストライプは、図２に示された実施形態でのようにリッジの中央を覆わないように形成されるが、リッジの一方又は両方の側部の近くに配置され、レーザリッジの軸に平行に走る。
【００４８】
この実施形態では、図１の従来の構成及び図２の本発明の例示的な実施形態に関して前述したのと同じ層を備えるレーザリッジ３０１を基板上に形成し、図２に関して前述したように薄い誘電体フィルム３０８で覆うことができる。本発明のこの実施形態によれば、図２に関して前述した実施形態と同様に、ＤＦＢグレーティング層３０９とトップ金属コンタクトとの間の低フィルファクタのトップコンタクトを提供するべく、誘電体フィルム３０８に一連の細いコンタクトストライプ３１２を形成することができる。
【００４９】
しかしながら、図３で分かるように、その中央を含むリッジの全横幅にわたって走るのではなく、この実施形態では、コンタクトストライプ３１２は、リッジの一方又は両方の側部の近くの領域を占有し、リッジ軸に沿って、リッジの縁に平行に走る。誘電体にストライプをパターン形成するのにｅ−ビームリソグラフィを用いることは、リッジの各縁から≒１μｍに存在する≒１〜２μｍほどの細さのコンタクトを確実に提供するはずである。上記のＫｉｍ２００７参照。
【００５０】
図３に示された実施形態などの一部の実施形態では、コンタクトストライプ３１２は、２つの平行な列を成し、各ラインはリッジの縁に近く、一方、他の実施形態では、コンタクトストライプは、リッジの一方の側部だけを占有してよい。コンタクトストライプの２つの平行な列を有する実施形態では、ストライプは、位相が合うように互いに正対していてよく、一方、図３に示された実施形態などの他の実施形態では、ストライプは、互いに位相がずれていてよく、これは、所与のフィルファクタのパターンに必要とされる電流拡散距離を最小限にするという利点を有する。低デューティサイクルのコンタクトストライプ３１２はまた、望ましくない波長での分布帰還の可能性をさらに最小化にするために、周期的インターバルではなく不規則に配置されてもよい。
【００５１】
図３に例示されるように、コンタクトストライプを、中央を覆わない状態でリッジの側部に配置する本発明の実施形態では、コンタクトストライプは、中央よりもリッジの縁においてより多くの損失を課し、結果として、波形側壁の効果と類似した方法でより高次の横モードを抑制する。２つの途切れのないストライプコンタクトをリッジ軸に平行にリッジの各縁の近くをその全長に沿って走るようにパターン形成すること（上記のＫｉｍ２００７の場合のように）も、リッジの中央に金属が存在しないので、コンタクトデューティサイクルをいくらか効果的に低減させることになるが、このような手法は、フィルファクタを調整するための非常に限られた融通性を与え、一方、本発明の場合のように間にギャップを有する複数のコンタクトストライプのパターンは、低減されたフィルファクタを得る際にはるかに高い度合いの融通性を与える。
【００５２】
別の例示的な実施形態では、本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクトを有するレーザは、グレーティングの上のリッジの中央に堆積される「ポール」を採用してよく、この場合、ポールは、比較的高い屈折率を有するＳｉ又は別の適切な材料からリッジのほぼ半分の幅で形成される。
【００５３】
図４は、本発明のこの実施形態の例示的な構成の態様を例示する。図４に例示されるように、レーザリッジ４０１が基板上に形成される。レーザリッジ４０１の層構造は、図１及び図２に関して前述したものと同じであり、したがってここでは詳細に説明しない。
【００５４】
上記の図２及び図３に関して説明した他の実施形態と同様に、レーザ構造体はまた、レーザリッジ４０１の上部のＤＦＢグレーティング層４０９を含み、ＤＦＢグレーティング層は、ｎドープされたＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂエッチング層、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子トップクラッド層、又はＧｅ層などの一部の他の適切な材料層であってよい。同じく、本発明の他の実施形態と同様に、図４に例示される実施形態では、絶縁誘電体層４０８が、レーザリッジ４０１の上部及び側部を含む構造全体の上に堆積され、前述のようにコンタクトフィルファクタを減少させるために誘電体層４０８に一連のコンタクト開口部４１２が形成される。一部の実施形態では、コンタクト開口部４１２は周期的であり、この場合、ストライプは、図２に関して前述した様態で低フィルファクタのトップコンタクト層を提供するように構成された幅ｗ及び間隔Ｐを有する。
【００５５】
加えて、本発明のこの実施形態によれば、誘電体層４０８が堆積される前に、コンタクト金属又は誘電体に対して高い屈折率を有するＳｉ又は一部の他の材料の薄いポール層４１３が、ＤＦＢグレーティング層４０９の上のリッジの中央部に堆積される。この高い屈折率を有するさらなる材料をリッジの中央付近に堆積することは、リッジの中央部の屈折率を効果的に高め、リッジの中央でその最高強度を有する所望の基本横モードの選択を強化する。Ｎａｖａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＮＲＬ）で発明者らによって（低フィルコンタクトなしで）実施化されたときに、このようなポール層の使用は、優れたモード選択を有するＤＦＢをもたらした。
【００５６】
これらの実施形態では、リッジの中央において、金属は、絶縁層４０８とＳｉポール層４１３との両方の上、並びにエッチング層又はＧｅなどの他の堆積された材料の上に存在するので、ＩＣＬ構造におけるこのＳｉポール層４１３の存在は、この実施形態では、レージングモードとトップ金属コンタクトとの間のさらなる分離を提供することによって損失をさらに低減させる。図４に例示される実施形態では、コンタクトストライプは、図３に示すようにリッジの縁の近くに、リッジ軸に平行に、且つリッジの中央部を覆わずに配置される。他の実施形態では、コンタクトストライプは、図２に示すようにリッジの中央部も全て覆うべくリッジ軸に垂直に配置することができる。
【００５７】
図４に示されたコンタクトストライプ４１２は、一様であり、周期的であり、且つレーザリッジの軸に平行であることがここで注目されるが、本明細書で説明されるコンタクトストライプの他の構成もこの実施形態の範囲内で可能である、すなわち、ストライプは、コンタクト開口部がレーザリッジへの一様な電流拡散を提供することができないほど離間されない限り、且つ開口部の総面積とレーザリッジの総面積との比が１００％未満のフィルファクタを提供する限り、一様でない、周期的でない、及び／又はレーザリッジの軸に垂直とすることができることを当業者は認識するであろう。
【００５８】
本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクト構造体の利点が以下の実施例から分かるであろう。
【００５９】
実施例１
第１の実施例として、低フィルトップコンタクトの幾何学的構造に関する予備実験の結果が、λ≒３．４μｍで放射するＩＣＬに関して得られている。試験した構造体は、被覆されていないファセットを有し、放熱のために金の電気めっきと共にエピタキシャルサイドアップでマウントされた、幅１９μｍ及び長さ２ｍｍの細いリッジであった。５段のＩＣＬ設計は、コンタクトをなすために上部に厚さ２０ｎｍのｎ＋−ＩｎＡｓ層を備える厚さ５７０ｎｍのトップクラッド層を有した。クラッドは、レージングモードとコンタクトメタライゼーションとの顕著なオーバーラップを可能にするのに十分なだけ薄かった。メタライゼーションの前にＳｉＮ誘電体絶縁層をリッジの上部及び側部に堆積させ、その後、光リソグラフィを用いて、絶縁フィルムにコンタクトストライプを図２に例示されるように周期的な低デューティサイクルパターンでパターン形成した。コンタクトは、各コンタクトストライプの幅ｗが一定に保たれ、周期が１０％（周期Ｐ＝１００μｍ）、２０％（Ｐ＝５０μｍ）、及び５０％（Ｐ＝２０μｍ）のデューティサイクルを得るべく調節されるようにパターン形成された。結果を、１００％のコンタクトデューティサイクルに対応する、金属コンタクトがリッジの上面全体を覆う（図１の場合のように、ＤＦＢグレーティングだけが無い）従来の設計を有するリッジに関する結果と比較した。
【００６０】
図５のプロットは、１０％、２０％、５０％、及び１００％のデューティサイクルを有する構造に関して測定された結果的に得られるｃｗ光−電流特徴を示す。図５のプロットから分かるように、２０％のデューティサイクルのデバイスのスロープ効率は、１００％のデューティサイクルを有するパターン形成されていない対照サンプルに対して、＞７０％改善され、一方、閾値電流は、ほぼ２分の１に減少する。
【００６１】
スロープ効率及びレージング閾値におけるこれらの改善は、トップコンタクトからの金属の損失の低減に直接起因する。８０％の典型的な内部効率が想定される場合、１５ｃｍ−１までの損失の低減が推定される。同等のスロープ効率及び閾値が１０％のデューティサイクルに関して観察され、これは、利用可能な損失の低減のほとんどが２０％のデューティサイクルの場合に既に実現され得ることを示唆している。１０％のデューティサイクルのデータに関するＬ−Ｉ特徴のより急なロールオーバーは、より低いコンタクトデューティサイクルに関連した不適切な電流拡散又はより高い熱抵抗のいずれかに起因する場合がある。このかなり予備的な実施化の結果は、好ましいデューティサイクルが１０〜３０％の範囲内であることを示唆する。
【００６２】
図６Ａ及び図６Ｂは、各デューティサイクルの２つの薄いトップクラッドＩＣＬデバイスに関する周期的なコンタクトデューティサイクルに対する閾値電流密度Ｊｔｈ及びスロープ効率の依存性に関する類似のパルス結果をプロットしており、図６Ａは、薄いトップクラッドＩＣＬ（幅１９μｍ、長さ２ｍｍのリッジ）に関する室温でのパルス閾値電流密度対コンタクトデューティサイクルを示し、図６Ｂは、室温でのパルススロープ効率対コンタクトデューティサイクルを示す。
【００６３】
図６Ａ及び図６Ｂのプロットから分かるように、デューティサイクルが減少する際に、レージング閾値電流密度Ｊｔｈ（図６Ａ）は減少し、レーザ効率（図６Ｂ）は増加する。１０％の最低デューティサイクルに下がるまで、レージング閾値は減少し続け、効率は増加し続ける。これらの結果は、本発明に係る低フィルファクタのトップコンタクト層から得られる、より低いデューティサイクルは、従来のＩＣＬで採用される１００％のフィルファクタの構造と比べて優れた性能をもたらすという結論を支持する。１０％のデューティサイクルのレーザに関して観察された穏やかな連続的な改善は、より高い熱抵抗が、図５に示されたｃｗ結果におけるより急なロールオーバーの原因であることを示唆する。
【００６４】
実施例２
第２の実施例として、本発明の低フィルファクタのトップコンタクト構造を、３．３μｍ付近の波長で動作するＤＦＢ  ＩＣＬに適用した。ＩＣＬ構造体は、ＤＦＢグレーティングをエッチングすることができるグレーティング層を提供するためにトップＩｎＡｓ層が厚さ２５０ｎｍであったこと以外は上記の第１の実施化で採用したウェーハに関する設計と類似した積層設計でＧａＳｂ基板上に成長させた。この構造体の上部２０ｎｍだけが重度に（５×１０１８ｃｍ−３に）ドープされ、一方、本発明のより好ましい実施形態では、グレーティング層全体が重度にドープされることになる。ＩｎＡｓはＧａＳｂ基板と格子整合していなかったので、該層は、緩和され、クロスハッチモルフォロジを呈した。それにもかかわらず、５５８〜５６８ｎｍの範囲内のグレーティングピッチを有するＤＦＢのほとんどは、温度及び電流の少なくとも一部の範囲にわたって単一スペクトルモードでレーザを発した。このデバイスのロットは、本発明の一部の実施形態の低損失Ａｇ又はＴｉ−Ａｇコンタクトを採用せず、代わりに、トップコンタクト金属のための従来のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を使用していた。デバイスは、低フィルファクタのトップコンタクト層を提供するために本発明に従って形成された周期的なコンタクト開口部を備える、ＤＦＢデバイスのトップクラッド層上に堆積された誘電体層を有していた。上記の第１の実施例と同様に、コンタクトの幅は、ｗ＝１０μｍに一定に保ち、一方、周期Ｐは、フィルファクタｗ／Ｐ、したがって、デューティサイクルが１４％から１００％までの間で変化するように調整した。
【００６５】
図７は、様々なコンタクトデューティサイクル（１４〜１００％）を有する一連のＤＦＢ  ＩＣＬリッジに関して測定したｃｗ光−電流特徴を示し、この場合、リッジは、幅約４．５μｍ及び長さ約２ｍｍであり、被覆されていないファセット及び放熱のための金電気めっきを有する状態で、エピタキシャルサイドアップでマウントされた。これらのデバイスはすべて、温度及び電流の一部の範囲で、しかし一部は２５℃よりも上の温度でのみ、単一スペクトルモードでレーザを発した。観察されたスロープは、２０％及び３３％のデューティサイクルのデバイスに関して最高であることと、閾値電流とスロープ効率との両方が１００％のデューティサイクルのデバイスに関して非常に悪かったことが図から分かる。単一スペクトルモードでレーザを発する傾向は、コンタクトデューティサイクルへのどのような明白な依存も示さなかった。単一スペクトルモードで放射される最高ｃｗパワーは、３３％のデューティサイクルのＤＦＢに関して６．８ｍＷであった。
【００６６】
図８Ａ及び図８Ｂは、テストしたＤＦＢ  ＩＣＬのすべてに関する対応する閾値電流及び微分スロープ効率対デューティサイクルをプロットし、図８Ａは、ＤＦＢ  ＩＣＬ（測定される各デューティサイクルの少なくとも２つのＤＦＢデバイス）に関する室温での持続波レージングのための閾値電流対コンタクトデューティサイクルを示し、図８Ｂは、図８Ａの場合と同じＤＦＢ  ＩＣＬに関する室温でのｃｗ微分スロープ効率対コンタクトデューティサイクルを示す。
【００６７】
データに散乱が存在するが、最良の閾値は５０％以下のデューティサイクルで明らかに減少し、一方、効率は増加する。最低の閾値は２０％のデューティサイクルで得られ、一方、最高のスロープ効率は３３％で得られた。実施例１の場合と同様に、このテストは、本発明の低減されたコンタクトデューティサイクルのデバイスが、従来の１００％のデューティサイクルのデバイスよりも優れた性能を示すことを明らかに示す。
【００６８】
同じ加工ロットからの同じリッジ幅の、しかしＤＦＢグレーティングを有していないデバイスを、ＤＦＢデバイスと並行して加工した。これらのデバイスへのコンタクトは、２０、３３、及び１００％のデューティサイクルを有していた。Ｔ＝２５℃で、１００％のデューティサイクルの非ＤＦＢデバイスは、ｃｗモードでまったくレーザを発さず、一方、２０％のデューティサイクルのものは、３３％のデューティサイクルのものよりも低い閾値及び高い微分スロープ効率を有した。ＤＦＢグレーティングを有するデバイスよりも、閾値は、概してはるかに高く、効率は、はるかに低かった。これは、非ＤＦＢリッジに関するエッチングの方が、ＤＦＢグレーティングを有するものよりも深かったためであろう。
【００６９】
利点及び新しい特徴
本発明の低デューティサイクルのトップコンタクトの主な利点は、実質的な電流拡散を被る材料から構築された半導体レーザは、薄いトップクラッド層を使用し、光学モードとコンタクトメタライゼーションとのオーバーラップによって誘起される低い内部損失をそれでも維持し得ることである。本発明は、ハイパワーインターバンドカスケードレーザ及びハイパワーを高効率で放射する単一モードＤＦＢ  ＩＣＬに適用されるときに特に有利であろう。重度にドープされたＩｎＡｓ０．９１Ｓｂ０．０９トップグレーティング／キャップ層と、低デューティサイクルのトップコンタクトメタライゼーションとの組み合わせは、十分に歪みバランスのとれた構造で高い加工歩留まりを維持しながらＤＦＢ  ＩＣＬの最大出力パワー及び効率を最大化するであろう。
【００７０】
代替的な実施形態及び設計考慮事項
本発明は、上記で提示される好ましい実施形態のいくつかのバリエーションを包含する。詳細は若干変化し得るが、本発明の利点は、どのＩＣＬコア設計、放射波長、タイプＩＩ又はタイプＩ型活性量子井戸などにも等しく適用される。本発明は、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）に適用されるときにも、これらのデバイスも実質的な電流拡散を呈することができるので有利であり得る。Ａ．Ｌｙａｋｈ，Ｐ．Ｚｏｒｙ，Ｄ．Ｗａｓｓｅｒｍａｎ，Ｇ．Ｓｈｕ，Ｃ．Ｇｍａｃｈｌ，Ｍ．Ｄ’Ｓｏｕｚａ，Ｄ．Ｂｏｔｅｚ，ａｎｄ  Ｄ．Ｂｏｕｒ，”Ｎａｒｒｏｗ  Ｓｔｒｉｐｅ−  Ｗｉｄｔｈ，Ｌｏｗ−Ｒｉｄｇｅ  Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９０，１４１１０７（２００７）参照。ＩｎＰ又はＧａＡｓ基板上に成長したＱＣＬは、低損失のＤＦＢデバイスを提供するためにグレーティングのエッチングに続く再成長ステップを採用してよいが、この付加的なステップは、製造経費を付加し、加工歩留まりに負の影響を及ぼすことがある。本発明が効果的となるのに十分な電流拡散（約２０μｍよりも大きい）を同じく呈する他のダイオードレーザタイプ又は特定のデバイスの幾何学的構造が存在し得るが、このようなデバイスでは、電流拡散が、妥当なパターン形成周期が採用される場合に一様な電流注入を維持するのに不十分であるので、ほとんどの場合、本発明は従来のダイオードレーザに適用可能ではないであろう。
【００７１】
加えて、上で述べたように、閾値電流を減少させ且つ出力効率を増加させるのに本発明を有利に用いることができる１つのタイプのデバイスは、このような構造では薄いトップクラッド層がグレーティングへの光学モードの適切な結合を保証するのに必須であるため、リッジの上部にＤＦＢグレーティングを有する単一モードＩＣＬである。
【００７２】
ＮＲＬでの未公表のデバイス加工調査は、コンタクトメタライゼーションとの所与のモードオーバーラップによって誘起される内部損失は、コンタクトに用いられる特定の金属に依存することを示している。ｎ＋−ＩｎＡｓとコンタクトをなすためのほとんどの頑健な広く用いられているメタライゼーションはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕであるが、この組み合わせは中赤外波長での高い損失を誘起する。
【００７３】
種々の該当する金属に関する公表された光学定数を組み入れたモードシミュレーションは、Ａｇコンタクトに関して実証されているように、Ｔｉ及びＰｔ層の厚さが大いに低減される又は完全になくされる場合に損失が下がるはずであることを示す。これは、異なるトップコンタクトメタライゼーションレシピを用いて加工されたＩＣＬに関するスロープ効率の測定を通じてＮＲＬで実験により確認されている。ＡｇはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕほど半導体表面にうまく付着しないが、最初に堆積される非常に薄い（例えば、１０ｎｍ）Ｔｉ層が付着を助けることにより、より低い損失（薄いＴｉであっても）を適切な物理的頑健性と組み合わせることができる。
【００７４】
この手法は、より低い損失のためにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕコンタクト又は（Ｔｉ）／Ａｇコンタクトのいずれかを採用し得るが、格子整合していないＩｎＡｓが使用されるときのグレーティング層の弛緩に関する上記の制限又は格子整合されたＩｎＡｓＳｂが使用されるときのボトムコンタクトのアニール中のエピ層へのＡｇの拡散もこの実施形態にあてはまる。非常に低いフィルファクタが可能であるが、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕコンタクトの使用に関連した光学的損失は、比較的問題にならない場合がある。
【００７５】
一般に、非ＤＦＢ  ＩＣＬに関して、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によるエピタキシャル成長の最終層は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ又はＡｇコンタクトが堆積された後で低い電気抵抗をもたらすｎ＋−ＩｎＡｓキャップ層である。ＩｎＡｓはＧａＳｂと格子整合されないが、ＩｎＡｓキャップ層の典型的な厚さはたったの約２０ｎｍであるため、残りのエピタキシャル構造体とは異なり、歪み弛緩に関連した欠陥は、普通は深刻ではない。
【００７６】
しかしながら、これらの考慮事項は、ＤＦＢグレーティングがエピタキシャル構造体の上部にエッチングされるべきときに変化する。ほとんどの点でＩｎＡｓグレーティング層が好適であるが、レージングモードへの適切な結合を保証するのに必要とされるグレーティング深さは、少なくとも≒１５０〜３００ｎｍである。ＮＲＬ実験は、ＩｎＡｓはＧａＳｂ基板上に成長した残りのＩＣＬ構造体と格子整合されないので、必要とされる厚さに成長したＩｎＡｓグレーティング層の表面モルフォロジは、生じる多数の転位に起因してかなりのクロスハッチングを呈することを示している。
【００７７】
予備実験は、ＩｎＡｓグレーティング層の疑わしい品質にもかかわらず高性能のＩＣＬリッジが可能であり得ることを示唆するが、格子整合された又は歪み補償されたグレーティング／キャップ層が好ましいであろう。このような層は、低い加工歩留まり及び／又は短いデバイス寿命のリスクを低減させることになる。
【００７８】
キャップ層に関する２つの可能なものは、ＩｎＡｓ（僅かにより小さいバンドギャップを有する）と類似した特性を有するがＧａＳｂと格子整合しているＩｎＡｓ０．９１Ｓｂ０．０９合金、又は光学クラッド層（薄い、より重度にドープされた超格子又はＩｎＡｓキャップ層と組み合わされる）のために使用される同じ短周期ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子である。ＩｎＡｓＳｂの選択肢がコンタクトの観点から好ましいが、ＮＲＬ実験は超格子コンタクトも容認可能であり得ることを示す。
【００７９】
これらの選択肢の両方とも別の難しさを与えるが、これはさらなるＮＲＬ加工調査の過程で浮上した。Ａｇコンタクト（薄いＴｉ付着層を有する又は有さない）がＩｎＡｓＳｂ又はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子のいずれかに適用されるときに、Ａｇは、ｎ＋−ＧａＳｂ基板へのＣｒ／Ｐｔ／Ａｕバックコンタクトの付着を保証するのに必要とされるアニーリングステップ（３００℃での）中にエピタキシャル半導体構造体内のより遠くへ拡散する。この拡散は、エピタキシャル材料、特に、グレーティングの品質を低下させる。この過度の拡散は、ＡｇコンタクトがＩｎＡｓＳｂ又はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂではなくＩｎＡｓ上に堆積されるときには起こることが観察されないので、拡散は、Ｓｂ（もしかするとＡｌも）の存在に関連すると思われる。その結果として、本発明の低フィルファクタのコンタクトスキームなしでは、トップコンタクトＤＦＢ  ＩＣＬの性能は、疑わしい加工品質（厚い格子整合していないＩｎＡｓキャップ層がＡｇコンタクトメタライゼーションと組み合わされるとき）又は過度の光学的損失に起因する低いレーザ効率（ＩｎＡｓＳｂ又はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子トップコンタクトがＴｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライゼーションと併せて用いられるとき）のいずれかによって必然的に制約される。
【００８０】
比較的厚いグレーティング層材料として中程度にドープされた（＜１０１７ｃｍ−３）ＩｎＡｓを用いることの第２の顕著な制限は、バンド間吸収が、約３．５μｍを下回るどのレージング波長でも出力パワー及び効率を低下させることになり、約３．２μｍよりも短いどの波長でもレージングを不可能にする可能性がかなり高いことである。そのさらに小さいエネルギーギャップにより、中程度にドープされたＩｎＡｓ０．９１Ｓｂ０．０９は、約４．６μｍほどの長さの波長で吸収し始め、λ≦４．１μｍで強く吸収することになる。
【００８１】
より定量的に、ドープされていないＩｎＡｓ及びＩｎＡｓＳｂは、それぞれ３．５及び４．６ｕｍのそれらのエネルギーギャップよりも短いどの波長でも非常に強く吸収する。これらの波長制限は、良好な電気輸送を保証するべく層が５×１０１７ｃｍ−３にドープされるときに、伝導帯内を満たしているバンドによって課されるエネルギーギャップのバースタイン・モスシフトに起因して若干より長くなる。レージングに関する最大フォトンエネルギーは、（フェルミ準位を下回る電子状態の一部は占有されないままなので）電子及び正孔の擬フェルミエネルギーの差よりも２ｋＢＴ（ここで、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは温度である）小さくなければならないと仮定すると、レージングが起こることが期待され得る最小フォトンエネルギーは、それぞれ約３．２及び４．１μｍに減少する。これらの値は、高性能の単一モードレージングがトップコンタクトＤＦＢから期待され得る利用可能な波長に対して顕著な制約を依然として課す。
【００８２】
以下で開示されるグレーティング／キャップ層設計のさらなる修正と組み合わせて、これらの課題のすべてを、本発明の低フィルファクタのコンタクトの幾何学的構造を取り入れることによって克服することができる。本発明に係る構造はレージングモードと金属との真のオーバーラップを実質的に低減させるので、格子整合されたＩｎＡｓ０．９１Ｓｂ０．０９（又はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子）グレーティング層と併せてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕコンタクトを使用することができ、一方、エピタキシャル層の上部に侵入するモードの一部だけが実際に何らかの金属に遭遇するので、内部損失を依然として低減させることができる。
【００８３】
この幾何学的構造を４．１μｍよりも短い波長で放射するＤＦＢ  ＩＣＬにあてはめるために、一部の実施形態では、ＩｎＡｓ０．９１Ｓｂ０．０９キャップ層は、≧２×ｌ０１８ｃｍ−３に重度にｎドープすることができ、≒２．５×ｌ０１８ｃｍ−３が好ましく、ドープは、電気的コンタクトをなすのに用いられるトップキャップ層においてだけでなく層全体にわたる。これは、はるかにより短い波長への効果的なバンドギャップの実質的なバースタイン・モスシフトを誘起する効果を有するであろう。この修正により、バンド間吸収損失は、３μｍを下回る波長で放射するＤＦＢ  ＩＣＬでは無視できるままであろう。モードオーバーラップのシミュレーションに基づいて、重度のドープに関連したさらなる自由キャリア吸収損失は約０．１ｃｍ−１を上回らないことも推定され、これは導波管内の他の内部損失に比べて問題にはならない。しかしながら、グレーティング層全体が２．５×ｌ０１８ｃｍ−３をはるかに超えてドープされる場合、結果的なプラズマによる屈折率の減少が、ＤＦＢグレーティングの結合強度を低下させることになる。
【００８４】
さらに、本発明の低フィルファクタのトップコンタクト層は、薄いトップクラッド層を有する従来のＩＣＬ構造体のグレーティング層にエッチングされたＤＦＢグレーティングの上部に堆積されるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕコンタクトに関連した損失を低減させるが、これらの金属の使用は、デバイスの効率及び最大出力パワーを低下させるさらなる損失を依然として誘起する。本発明の低フィルファクタのトップコンタクトを用いる場合でも、トップコンタクトのために低損失のＡｇ又はＴｉ／Ａｇ（Ｔｉはたったの≒１０ｎｍの厚さ）を使用することが依然として好ましい。
【００８５】
したがって、本発明の別の実施形態は、普通の加工ステップを、トップコンタクトが形成される前にＣｒ／Ｐｔ／Ａｕボトムコンタクトを（ＧａＳｂ又はＩｎＡｓ基板に）その高温アニールと共に形成することに並べ替え、次いで、後の段階でトップコンタクトを堆積する。これは、Ａｇが存在するときのアニールが上記のグレーティング層への容認できない広範囲にわたるＡｇ拡散を引き起こすので、トップＡｇメタライゼーションが堆積された後で高温アニールする必要性をなくすという利点を有する。
【００８６】
さらに、ＮＲＬでの実験は、ＤＦＢ又は他のリッジＩＣＬのエピタキシャルサイドダウンマウンティング中に生じる高温へのはるかにより短い暴露は、Ａｇの同じ有害な過度の拡散を引き起こさないことを確認した。
【００８７】
しかしながら、この手法の主な欠点は、ダイがレーザキャビティに劈開されるときの高いファセット品質を保証するために、ウェーハは、ボトムコンタクトが堆積される前に最初に≒２００〜２５０μｍに薄くされなければならないことである。ＮＲＬ実験は、より薄いダイの取り扱いは、すべての後続の加工ステップの全体を通して意図せぬ破損の発生を実質的に増加させ、これにより、デバイスの歩留まりを低下させることを見出した。修正された加工プロトコルを開発することによってこの短所を緩和することが可能であり得る。別の実施形態では、ダイを薄くするステップは、高い取扱の歩留まりを保つためになくされてよいが、劈開の品質及び歩留まりが低下する場合がある。
【００８８】
別の実施形態では、ボトムコンタクトは、従来の加工の場合のようにＡｇ又はＴｉ／Ａｇトップコンタクトの後で堆積されるが、アニーリングステップは省略される。ＮＲＬのこの手法の実施化は、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕボトムコンタクトのアニールをしなかったことが、レーザを動作させるのに必要とされるバイアスへの少なくとも１．１Ｖのさらなる電圧バリアを導入したことが分かった。このさらなる電圧は、デバイスの閾値駆動パワーを増加させ、ウォールプラグ効率を低下させることになる。しかしながら、アニールの省略に関連した電圧ペナルティを低減させ又はなくし、これにより、明白な制限を軽減する、代替的なボトムコンタクト金属を特定する又は代替的な加工プロトコルを開発することが可能であり得る。
【００８９】
ｃｗ又は高デューティサイクルパルスモードで動作するハイパワー（非ＤＦＢ）エピタキシャルサイドダウンマウントレーザの場合、最大の到達可能なパワーは、普通は主としてデバイスの加熱によって制限される。
【００９０】
ほとんどのＩＣＬ設計でトップクラッド材料として用いられる短周期ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子は非常に低い熱伝導率を有するので、レージングモードとトップコンタクトメタライゼーションとのオーバーラップが増加したときに生じるさらなる内部損失を軽減するために、本発明の使用と併せて、従来の設計よりもより薄いトップクラッドを使用することが有利な場合がある。デバイスの活性コアからヒートシンクまでの熱経路が短くなるので、どの所与の注入条件によって引き起こされる温度の増加もより低くなる。
【００９１】
しかしながら、この利点はまた、レーザコアで発生した熱が、半導体からリッジの上面全体を覆う金属に直接に流れるのではなく、コンタクト金属に達する前にいくつかの領域において誘電体材料を通って流れなければならないときに生じるより高い熱抵抗に対してトレードされなければならない。所与の低フィルファクタのコンタクトパターンに関するこのさらなる熱抵抗は、光学的損失を低下させ、リッジ側壁上の絶縁破壊を防ぐことができる、非コンタクト領域における半導体表面と金属との間の最小誘電体厚さを採用することによって、或る程度軽減され得る。
【００９２】
多くの実施形態において、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕトップコンタクト金属の使用は、フィルファクタが１００％よりも著しく低いので、比較的低い光学的損失を誘起し得る。或いは、損失をさらに低減させるために（Ｔｉ）／Ａｇトップコンタクト金属が使用されてよい。Ｇｅトップグレーティングは、半導体にエッチングするどのような必要性もなくすので、エピタキシャル構造体の上部は、ボトムコンタクトのアニール中のグレーティング品質のどのような劣化も有さないｎ＋−ＩｎＡｓＳｂ又は薄い緩和されていないｎ＋−ＩｎＡｓトップコンタクト層のいずれかであってよい。
【００９３】
従来の光リソグラフィの使用は、高い再現性及び歩留まりが維持されるべき場合に最小ストライプ幅を≒１０μｍに制限することを上記で言及した。はるかにより高い空間分解能、したがって考えられ得るパターン構成のはるかにより高い融通性をもってパターン形成することは、電子ビームリソグラフィを用いて達成することができる。
【００９４】
最近まで、利用可能なｅ−ビームリソグラフィシステムのほとんどに関する遅い書き込み時間は、この手法を一度にほんの少しのＤＦＢレーザでパターン形成することに制限していたことも上記で述べた、例えば上記のＫｉｍ２００７参照。しかしながら、Ｒａｉｔｈ  ＮａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎのＶｏｙａｇｅｒ（商標）電子ビームリソグラフィシステムなどのより新しいｅ−ビーム書き込み装置が、実用的な書き込み時間内で広い面積にパターン形成することを今ではすっかり実行可能にしている。
【００９５】
ｅ−ビームリソグラフィを用いることの１つの可能性のある利点は、これが、フィルファクタ＜１０％の、しかし電流拡散が一様な電流注入を提供するのに十分なだけ近接して配置されるトップコンタクトをパターン形成するのに実用的となることである。例えば、幅ｗ＝３μｍ及び周期Ｐ＝３０〜５０μｍの周期的なコンタクトストライプは、６〜１０％のデューティサイクルに適する。低い内部損失のための低いトップコンタクトデューティサイクル、低い散乱損失のための直線形の側壁、及び低活性領域のための比較的短いキャビティを有する細いリッジが、中赤外レーザ分光法に基づく多くの化学センシングシステムに関する重要なメトリックである閾値駆動パワーを最小にするのに最適なはずである。しかしながら、活性デバイス領域の減少は、或る点までだけは有利である。ＮＲＬ実験は、最小最適リッジ幅が、≒５μｍよりも細いリッジに関して生じる過度の側壁散乱によって最終的に制限され、一方、最小キャビティ長さは、≒１ｍｍよりも短いキャビティに関する電流閾値の増加によって制限されることを見出した。
【００９６】
他方では、主目的が、単一スペクトルモードで到達可能な出力パワーを最大にすることである場合には、低フィルファクタのコンタクト、波形側壁（例えば、正弦波振動の形態の）、及び単一横モードの出力を維持する最大幅を有するリッジを使用することが最適であり得る。波形側壁は、より高次の横レージングモードがリッジ境界付近のそれらのより高い強度に起因して選択的に散乱されるので、より高次の横レージングモードを抑制する。例えば、Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｊ．Ｒ．Ｌｉｎｄｌｅ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ−ｓｉｄｅｗａｌｌ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｍｉｄｗａｖｅ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ａｔ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９５，２３１１０３（２００９）（「Ｋｉｍ  ２００９」）参照。
【００９７】
ＮＲＬ実験は、波形側壁を有する最適化されたデバイスは、直線形側壁を有するリッジから得ることができるよりも単一モードでより多くのパワーを一貫して生じることを確認した。
【００９８】
波形は、側壁での基本モードのさらなる散乱に起因してスロープ効率も僅かに（通常≒１０％）減少させるが、より広いリッジのより大きい活性領域は、パワーの真の利得をもたらす。λ≒３．５μｍの例に関して、単一横モードは、側壁が波形のときに１０〜１２μｍのオーダーの幅に維持することができるが、側壁が直線形であるときにはたったの５〜７μｍである。ＮＲＬは、２〜１６μｍの波形周期及び２〜３．５μｍの波形振幅を研究した。
【００９９】
より大きい波形周期は、僅かにより高いレージング閾値及び僅かにより低いスロープ効率でより良好なビーム品質を提供することが見出される。より大きい周期は、確実に且つ再現可能に加工することがはるかに難しくないというさらなる利点を有するので、≒１０μｍの波形周期及び≒２μｍの振幅を有する側壁をもつリッジが一部の実施形態において好ましい。
【０１００】
さらなる考慮事項は、単一横モード（及びもしかすると単一スペクトルモード）の最大ｃｗ出力パワーが主目的である場合には、非常に低いフィルファクタのコンタクトに関連したより高い熱抵抗が、Ｌ−Ｉ特徴のより早いロールオーバーにつながり得ることである。その結果、単一モードｃｗ出力パワーを最大化するのに最適なコンタクトフィルファクタは、閾値駆動パワーを最小にするフィルファクタよりも若干大きい場合がある。
【０１０１】
特定の実施形態、態様、及び特徴が説明及び例示されているが、本明細書で説明される本発明は、これらの実施形態、態様、及び特徴だけに限定されないことと、当業者によって修正がなされてもよいことを当業者は容易に理解するであろう。本願は、本明細書で説明され特許請求される基礎にある発明の精神及び範囲内のいずれかの及びすべての修正を考慮しており、すべてのこのような組み合わせ及び実施形態は本開示の範囲及び精神内にある。
【図１】
2018518053.tif 000004
【図２】
2018518053.tif 000005
【図３】
2018518053.tif 000006
【図４】
2018518053.tif 000007
【図５】
2018518053.tif 000008
【図６Ａ】
2018518053.tif 000009
【図６Ｂ】
2018518053.tif 000010
【図７】
2018518053.tif 000011
【図８Ａ】
2018518053.tif 000012
【図８Ｂ】
2018518053.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月24日(2018.1.24)
【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】
光学的損失を低減させるように構成された低フィルファクタのトップコンタクトを有する分布帰還型（ＤＦＢ）インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）又は量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）であって、
基板上に形成されたレーザリッジ、
を備え、前記レーザリッジが、
ボトムクラッド層と、
前記ボトムクラッド層の上に配置された活性利得領域と、
前記活性利得領域の上に配置され、ＤＦＢグレーティングが内部に形成された、ＤＦＢグレーティング層と、
前記ＤＦＢグレーティング層と前記活性利得領域との間に配置された薄いトップクラッド層であって、前記薄いトップクラッド層の厚さは、前記グレーティングへの光学的結合が非共振縦モードを抑制し且つ前記レーザからの狭線幅の放射を保証するのに十分となるように構成される薄いトップクラッド層と、
前記ＤＦＢグレーティング層の上面に配置され、前記レーザリッジの上面を覆う、誘電体絶縁フィルムと、
を備え、
前記誘電体絶縁フィルムが、その内部に形成され前記レーザリッジの縦方向の長さに沿って走る所定の複数の繰り返しの離間配置のコンタクト開口部を有し、前記コンタクト開口部のそれぞれが、前記レーザリッジの縦軸に垂直に、前記レーザリッジの上面にわたって横方向に延び、且つ前記誘電体フィルムにおいて隣接するコンタクト開口部から少なくとも１０μｍの距離だけ分離され、
前記レーザリッジが、前記誘電体絶縁フィルムの上面に配置されたトップ金属コンタクトをさらに含み、前記トップ金属コンタクトが、前記コンタクト開口部によって露出された領域において前記レーザリッジへの電気的コンタクトを提供するべく電圧源に接続され、電気的コンタクトによって生じた電流が、前記レーザリッジの上面にわたって一様に拡散し、
前記活性領域によって生成されるレージングモードが、前記誘電体フィルムにより前記トップ金属コンタクトから絶縁され、
前記コンタクト開口部のサイズ及び間隔が、前記レーザの光学的損失の低減を提供するべく前記レージングモードと前記トップ金属コンタクトとの間のオーバーラップの減少を提供する前記トップ金属コンタクトのフィルファクタの所定の減少を提供するように構成される、
分布帰還型（ＤＦＢ）インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）又は量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）。
【請求項２】
前記コンタクト開口部のサイズ及び形状のうちの少なくとも１つが不規則である、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項３】
前記コンタクト開口部が、所定の一様な幅ｗ及び所定の周期的間隔Ｐを有し、ｗ及びＰが、所定のフィルファクタｗ／Ｐ＜１００％を提供するように構成される、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項４】
前記コンタクト開口部のそれぞれが、対応する幅Ｗｉを有し、（ｉ＋１）番目の隣接するコンタクト開口部から対応する間隔Ｐｉだけ分離され、前記幅Ｗｉのすべて及び前記間隔Ｐｉのすべては、前記すべての幅Ｗｉの平均と前記すべての前記距離Ｐｉの平均との比が１００％未満であるように構成される、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項５】
前記コンタクト開口部が、前記レーザリッジの中央にわたって縦方向に走る軸にわたって延びるように配置される、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項６】
前記ＤＦＢグレーティング層が、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、又はＩｎＡｓＳｂ層、又はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子層である、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢインターバンドカスケードレーザ。
【請求項７】
前記誘電体絶縁フィルムがＳｉＮである、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項８】
前記ＤＦＢグレーティング層と前記誘電体絶縁フィルムとの間の前記リッジの中央付近に配置された前記誘電体に対して高い屈折率を有するポール層をさらに備える、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項９】
前記ポール層がＳｉである、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１０】
光学的損失を低減させるように構成された低フィルファクタのトップコンタクトを有する分布帰還型（ＤＦＢ）インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）又は量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）であって、
基板上に形成されたレーザリッジ、
を備え、前記レーザリッジが、
ボトムクラッド層と、
前記ボトムクラッド層の上に配置された活性利得領域と、
前記活性利得領域の上に配置され、ＤＦＢグレーティングが内部に形成された、ＤＦＢグレーティング層と、
前記ＤＦＢグレーティング層と前記活性利得領域との間に配置された薄いトップクラッド層であって、
前記薄いトップクラッド層の厚さは、前記グレーティングへの光学的結合が非共振縦モードを抑制し且つ前記レーザからの狭線幅の放射を保証するのに十分となるように構成される薄いトップクラッド層と、
前記ＤＦＢグレーティング層の上面に配置され、前記レーザリッジの上面を覆う、誘電体絶縁フィルムと、
を備え、
前記誘電体絶縁フィルムが、その内部に形成され前記レーザリッジの縦方向の長さに沿って走る所定の複数の繰り返しの離間配置のコンタクト開口部を有し、前記コンタクト開口部が２つの平行な列に配列され、各列が、前記レーザリッジの外縁の近くに、前記レーザリッジの縦軸に平行に配置され、前記コンタクト開口部のそれぞれが、前記誘電体フィルムにおいて隣接するコンタクト開口部から少なくとも１０μｍの距離だけ分離され、
前記レーザリッジが、前記誘電体絶縁フィルムの上面に配置されたトップ金属コンタクトをさらに含み、前記トップ金属コンタクトが、前記コンタクト開口部によって露出された領域において前記レーザリッジへの電気的コンタクトを提供するべく電圧源に接続され、電気的コンタクトによって生じた電流が、前記レーザリッジの上面にわたって一様に拡散し、
前記活性領域によって生成されるレージングモードが、前記誘電体フィルムにより前記トップ金属コンタクトから絶縁され、
前記コンタクト開口部のサイズ及び間隔が、前記レーザの光学的損失の低減を提供するべく前記レージングモードと前記トップ金属コンタクトとの間のオーバーラップの減少を提供する前記トップ金属コンタクトのフィルファクタの所定の減少を提供するように構成される、
分布帰還型（ＤＦＢ）インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）又は量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）。
【請求項１１】
前記開口部の列の一方又は両方における前記コンタクト開口部のサイズ及び形状のうちの少なくとも１つが不規則である、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１２】
前記コンタクト開口部のそれぞれが、対応する幅Ｗｉを有し、（ｉ＋１）番目の隣接するコンタクト開口部から対応する間隔Ｐｉだけ分離され、前記幅Ｗｉのすべて及び前記間隔Ｐｉのすべては、前記すべての幅Ｗｉの平均と前記すべての前記距離Ｐｉの平均との比が１００％未満であるように構成される、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１３】
前記２つの平行な列における前記コンタクト開口部が、互いに位相を合わせて配列されるように構成される、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１４】
前記２つの平行な列における前記コンタクト開口部が、互いに位相をずらして配列されるように構成される、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１５】
前記ＤＦＢグレーティング層が、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、又はＩｎＡｓＳｂ層、又はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子層である、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢインターバンドカスケードレーザ。
【請求項１６】
前記誘電体絶縁フィルムがＳｉＮである、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１７】
前記ＤＦＢグレーティング層と前記誘電体絶縁フィルムとの間の前記リッジの中央付近に配置された前記誘電体に対して高い屈折率を有するポール層をさらに備える、請求項８に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１８】
前記ポール層がＳｉである、請求項１７に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項１９】
前記コンタクト開口部の分布が不規則である、請求項１に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【請求項２０】
前記開口部の列の一方又は両方における前記コンタクト開口部の分布が不規則である、請求項１０に記載の低フィルファクタのトップコンタクトを有するＤＦＢレーザ。
【国際調査報告】
2018518053.tif 000014
2018518053.tif 000015