(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メサ構造ＩＳＢ半導体光エミッタであって、
ユニポーラ活性領域が適切にポンピングされたときに光放射線がそれに沿って伝播する長手方向の軸を有する当該ユニポーラ活性領域と、
該活性領域に境を接する上部および下部クラッディング領域を有し、
前記エミッタは、前記軸に沿って延び、かつ少なくとも前記上部クラッディング領域および前記活性領域を通って延在する細長いメサを有し、さらに、
前記メサの側壁に積層される誘電体コーティングと、
前記側壁に沿って前記誘電体コーティングに積層される金属層とを有し、前記活性領域は中間ＩＲ波長での光放射線を発生するよう構成されており、前記コーティングはカルコゲナイドガラス導波コーティングを含むことを特徴とするメサ構造ＩＳＢ半導体光エミッタ。
【請求項２】
前記コーティングは、複数のカルコゲナイドガラス層を含む請求項１に記載のメサ構造ＩＳＢ半導体光エミッタ。
【請求項３】
前記コーティングは、比較的薄く、高い屈折率を有する第１の誘電体層を前記側壁上に有し、比較的厚く、低い屈折率を有するカルコゲナイドガラスの第２の層を前記第１の層の上に有する請求項２に記載のメサ構造ＩＳＢ半導体光エミッタ。
【請求項４】
前記第１の層はカルコゲナイドガラス層も含む請求項３に記載のメサ構造ＩＳＢ半導体光エミッタ。
【請求項５】
前記コーティングは、ブラッグ反射器を形成するように、異なる屈折率を有するカルコゲナイドガラス材料の複数の層を交互に含む請求項２に記載のメサ構造ＩＳＢ半導体光エミッタ。
【請求項６】
前記ガラス層は、ＧｅｘＳｅ１−ｘ、ＡｓｘＳ１−ｘ、ＧｅｘＡｓｙＳｅ１−ｘ−ｙおよびＧｅｘＳｂｙＳｅ１−ｘ−ｙからなる群から選択される材料を含む請求項１に記載のメサ構造ＩＳＢ半導体光エミッタ。
【請求項７】
前記メサの幅は、ブラッグ反射器を形成するように前記軸に沿って調整される請求項１に記載のメサ構造ＩＳＢ半導体エミッタ。
【請求項８】
前記光エミッタは、約３から１９μｍの中間ＩＲ範囲における中心波長で動作するレーザであり、前記カルコゲナイドガラス導波コーティングは前記金属層への前記中間ＩＲ放射の有意な透過を防止して放射線の導波性を提供する厚さである、請求項１に記載のメサ構造ＩＳＢ半導体エミッタ。
【請求項９】
前記レーザは、１７０Ｋ以上の温度でＣＷ動作をするＱＣレーザである請求項８に記載のメサ構造ＩＳＢ半導体エミッタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【政府契約】
本発明は、ＤＡＲＰＡ／ＵＳ陸軍研究所によって認められた契約番号第ＤＡＡＧ５５−９８−Ｃ００５０号の下で政府のサポートを受けて成し遂げられた。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、メサ構造半導体光エミッタ（たとえば、レーザ、自発放射源）に関し、特に、インターサブバンド（ＩＳＢ）リッジ導波路（ＲＷＧ）光エミッタに関する。
【０００３】
【従来の技術】
半導体光エミッタのクラスには、メサ構造エッジエミッタとして公知のサブセットが含まれる。このサブセット自体は、ＲＷＧ光エミッタとして公知の特定の設計を含む。ＲＷＧデバイスは、通常、活性領域と、活性領域と境を接し、導波路を形成する上部および下部クラッディング領域とを含む。用語リッジ導波路の名前は、光伝播軸（たとえば、レーザの共振器軸）に沿って長手方向に、および、少なくとも上部クラッディング領域、典型的には活性領域をも通って縦方向（断面）に延在する細長いメサから由来している。メサは、横方向の電流および光閉じ込めを共に提供する。適切なポンピング電流が活性領域に与えられると、これらの端面がどのようにコーティングされているか（またはコーティングされているか否か）によって、光は、メサのいずれかの端面または両端面から発光される。電流は、一対の対向する電極にわたって印加される電圧によって生成される。一方の電極は、デバイスの底部（たとえば、基板上）に形成された広域コンタクトであり、他方の電極は、メサの頂部に形成されたストライプ構造コンタクトである。後者は、例えば、まず、メサ上に誘電体層（たとえば、ＳｉＮＸまたはＳｉＯ２）を堆積させ、誘電体をパターン化してメサの頂部を露出させ、次に、金属層を誘電体層およびメサの露出した頂部に堆積させることによって規定される。この構造では、金属層は、通常、メサの側壁に沿って、活性領域のレベルまで延在する。側壁およびメサの底部に沿ったメタライゼーションは、一般には、デバイスの基本的な機能には必要はないが（メサの頂部にあるストライプ構造コンタクトのみが必要とされる）、実際には、金属は、外部配線を頂部コンタクトに適用するのに十分な面積を提供し、メサの頂部のコンタクト領域に電流を安全に案内するのに十分な導電性を提供するために必要とされる場合が多い。
【０００４】
言うまでもなく、ＲＷＧデバイスは、レーザまたは自発放射源（たとえば、ＬＥＤ）として用いてもよい。
【０００５】
ＲＷＧ光エミッタの性能は、特に、発光波長、動作温度、印加電圧、メサの幅、導波路の有効屈折率、誘電体層の屈折率および誘電体強度、ならびに頂部金属電極および誘電体層によって導入される損失を含む多くのパラメータの関数である。
【０００６】
約３から１９μｍの中間ＩＲ範囲で中心波長において動作するＩＳＢレーザ、特に、量子カスケード（ＱＣ）レーザの場合を例にとってみよう。これらのレーザは、比較的高い電圧デバイス（たとえば、６から１０ボルト）である傾向があり、多数のカスケード段階を有するか、またはより短い波長で動作するデバイスにはより高い電圧が必要とされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＱＣレーザでは、メサ構造は、横方向の電流閉じ込めを提供するが、メサの露出した側壁は、通常、上記のように誘電体層（たとえば、ＣＶＤ堆積されたＳｉＮＸまたはＳｉＯ２）で覆われている。この誘電体層は、ストライプ構造電極を規定するだけでなく、メサからの熱除去を（空気または真空と接触するメサと比較して）向上させるために用いられる。この構成は、以下の２つの問題を提起する。（１）金属電極は光損失を導入し、これによって、レーザの閾値電流密度は増加する。（２）誘電体層は、特に、高電圧／高電力動作条件下で破壊されやすい。概念上、誘電体層は、その破壊電圧を増加させるためにさらに厚くされ、それによって、より高い電圧／電力動作を可能にし得る。しかし、実際には、誘電体層をさらに厚くすることは、ＣＶＤ堆積されたＳｉＮＸまたはＳｉＯ２の固有の応力／歪みのために実現可能ではない。さらに、酸化物／窒化物を厚くすると、上に配置される金属電極への光学場の透過は低減されるが、これらの誘電体の吸収率がかなり増加する約８．５から１０．５μｍの波長範囲では勧められない。
【０００８】
あるいは、ＩＳＢレーザのカスケード段階の数を増加させることによって電力を引き上げることは可能であるが、このアプローチでは、印加電圧を増加させなければならず、これにより、言うまでもなく、誘電体破壊の問題がまず発生する。他のアプローチとしては、ＳｉＮＸまたはＳｉＯ２の代替として絶縁耐力のさらに高いポリマーを用いることが挙げられるが、中間ＩＲ範囲では、大抵のポリマー（たとえば、ポリイミド）は、強い吸収率を示し、その結果光の損失は大きくなる。
【０００９】
したがって、ＩＳＢレーザ技術では、中間ＩＲ範囲で低い吸収率を有し、高電力／高温の動作を可能にする高い絶縁耐力を有する誘電体材料が求められる。
【００１０】
上記のように、頂部金属電極は、ＲＷＧにおいて横方向の光損失を引き起こし、これにより、自己フォーカスプロセスを介した自己モード固定（自己パルセーション（self-pulsation）)が誘導されることを発明者は見出した。自己モード固定は、特に、連続波（ＣＷ）出力または誘導された制御パルセーションが所望される場合に不利になり得る。この問題は、電力動作が高くなり、メサＲＷＧ構成が狭くなるとさらに深刻になる。
【００１１】
従って、ＩＳＢレーザ技術では、導波プロセスに有意な損失または有意な非線形屈折率を導入しない導波路コーティングが求められる。
【００１２】
ＩＳＢレーザにおいてＣＷ動作が可能である最大温度を引き上げるために、メサは、（比較的大きな表面対容量比を確保するために）比較的狭くなければならず、メサコーティングは、メサ側壁を通して効率的な横方向の熱伝導性を提供しなければならない。しかし、コーティングが有意な光損失を引き起こすか、光モードを強く閉じ込めることができないか、または熱伝導性が不十分である場合には、狭いリッジの利点は失われてしまうかもしれない。
【００１３】
従って、ＩＳＢレーザ技術では、レージングのための閾値電流密度を増加させずに、横方向の光閉じ込めを提供し、メサの側壁を通した効率的な熱伝導を提供する低損失メサ誘電体コーティングが求められる。
【００１４】
最後に、分布帰還（ＤＦＢ）バージョンのＩＳＢレーザでは、格子が一旦形成されると、ブラッグ波長（単一モード放射波長）の微調整は、光モードによって浸透された材料の有効な屈折率を介してのみ行われ得る。温度はこの屈折率に影響を与えるが、デバイスの温度が適用または他のデバイス関連要因によって一旦設定されると、有効な屈折率は、側壁コーティングの屈折率を変更するだけでさらに変更され得る。これは、メサが比較的狭い（たとえば、数ミクロメータ）場合に限られる。しかし、上記のように、狭いメサの使用は、頂部金属電極における光の損失が増加するため妨げられる。
【００１５】
したがって、ＤＦＢ  ＩＳＢレーザ技術においては、比較的狭いメサ上の低損失コーテイングを介して中心波長を微調整する能力が必要とされる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様によると、メサ構造半導体光エミッタは、カルコゲナイド（ＣＧ）ガラスを含む誘電性コーティングを側壁上に有する。発明者は、これらの材料が、中間ＩＲ範囲において損失が非常に低く、屈折率が低いため、光閉じ込めを引き上げることを見出した。これらの材料はまた、静電気的に強く、比較的厚い層として、著しく歪みを蓄積することなく堆積され得る。
【００１７】
さらに、ＣＧガラスは、ＩＳＢ光エミッタの製造に用いられる現在の技術と適合する。
【００１８】
本発明の例示的な実施形態では、約８μｍで動作する１２段階のＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ  ＱＣレーザは、Ｇｅ０．２５Ｓｅ０．７５ガラスでコーティングされ、約１３０Ｋから約１７０Ｋの最大ＣＷ動作温度で３０から４０Ｋの増加を示した。
【００１９】
好ましい実施形態では、ＣＧガラスコーティングは、コーティング上に積層される金属電極への光放射線の有意な透過を防止し、放射線の有意な導波性を提供するのに十分な厚さを有する。
【００２０】
本発明の他の実施形態では、メサ構造光エミッタは、比較的薄く、高い屈折率を有する第１の層をメサの側壁上に有し、比較的厚く、低い屈折率を有する第２のＣＧ層を第１の層上に有し、メサへの光モードの閉じ込めを向上させる多層コーティングを有する。
【００２１】
本発明の他の実施形態では、メサ構造光エミッタは、ブラッグ反射器または等価物（チャープ格子など）を形成する異なる屈折率を有するＣＧ層を側壁上に交互に含む多層コーティングを有する。
【００２２】
本発明のメサ構造光エミッタのさらに他の実施形態では、メサの幅は、ブラッグ格子を側壁内に形成して表面対容量比を増加させ、可能であるならば、基本縦モードの帰還を向上させるように、長手方向の軸に沿って調整される。次に、ＣＧコーティングは、格子にわたって堆積される。
【００２３】
本発明は、その様々な特徴および利点とともに、添付の図面に関連する以下のさらに詳細な説明から容易に理解することができる。
【００２４】
明確および簡単にするため、図面は一律の縮尺に従って描かれていない。さらに、物理的または光学的寸法を記載する際、シンボルＡは、オングストロームを示すのに対して、電流を記載する際、シンボルＡは、アンペアを示す。
【００２５】
【発明の実施の形態】
ここで図１を参照する。ＩＳＢ半導体光エミッタ／ソース１０は、基板１４および基板１４の上に成長したエピタキシャル領域１３を有する。エピタキシャル領域は、上部クラッディング領域１７と、下部クラディング領域として作用する基板１４との間に挟まれたコア領域１２を有する。コア領域は、それぞれが、クラッディング領域の屈折率よりも高い屈折率を有する一対の領域１２．２および１２．３の間に挟まれた活性領域１２．１を有する。比較的高い導電率を有するコンタクト促進層１９は、通常、上部クラッディング領域１７の頂部に形成されている。エピタキシャル領域１３は、例として、リッジ導波路レーザ構造に典型的なメサまたは台形の形状で形成されている。メサは、活性領域１２．１の頂部で停止するように浅くエッチングされていてもよいし、またはメサが活性領域に延在するように深くエッチングされていてもよい。メサの使用によって、有意な光および電流の閉じ込めが有利に提供され、これによって、レーザとして機能する際にデバイスは比較的低い閾値電流で動作することが可能になる。電気的絶縁性の低光学吸収領域１６は、デバイスの頂部にわたって、メサの側壁に沿って形成されている。低光学吸収領域１６は、メサの頂部の一部を露出する開口部を形成するようにパターン化されている。第１の電極１８は、コンタクト促進層１９の露出部に接触するように絶縁領域１６にわたって開口部内に形成され、第２の電極２２は、基板１４の底部に形成されている。
【００２６】
あるいは、上部クラッディング領域を、Sirtoriら、Optics Lett.、２３巻１７号、１３６６〜１３６８頁（１９９８年９月）（本明細書ではこの文献を参考のために援用する）によって記載されるように、表面プラズモン導波路構造に置き換えてもよい。同様に、基板から分離した下部クラッディング領域を基板と活性領域との間に形成してもよい。
【００２７】
例示的には、このタイプの光エミッタは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、たとえば、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどから製造される。
【００２８】
駆動回路（図示せず）は、電極にわたって結合され、外部電圧バイアスを提供し、光を発生させるのに十分な大きさのポンピングエネルギー（たとえば、電流）をデバイスに供給する。エミッタは、非干渉性自発放射源（ＬＥＤに類似した）として動作するか、または干渉性誘導放射源として動作する。後者の場合、光学帰還が設けられていると、放射源は、レーザとして機能し得る。適切な光学帰還は、たとえば、劈開結晶端面、分布帰還（ＤＦＢ）格子、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）またはこれらの組み合わせによって形成される光学空洞共振器によって通常提供される。
【００２９】
本発明による自発放射源の設計によっては、特に、デバイスの動作波長で光を吸収する場合にはクラッディング領域を省略してもよい。
【００３０】
用語ＩＳＢ活性領域は、C.Gmachlら、Appl.Phys.Lett.、７３巻２６号、３３８０〜３３８２頁（１９９８年１２月）による論文（本明細書では参考のために援用する）に記載されているタイプの単一ステージ非カスケードデバイスを含む。この用語はまた、F.Capassoら、Solid State Communications、１０２巻２〜３号、２３１〜２３６頁（１９９７年）およびJ.Faistら、Science、２６４巻５５３〜５５６号（１９９４年）（本明細書では参考のために援用する）に記載されているタイプの多段階カスケードデバイス、すなわち、多数の実質的に同じ放射遷移（ＲＴ）領域およびＲＴ領域でインターリーブされた多数の注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域を含む。ＲＴ領域は、Ｉ／Ｒ領域だけでなく、バリア領域でインターリーブされた量子井戸領域を含み、それぞれ多数の半導体層を含む。各Ｉ／Ｒ領域の層の少なくともいくつかはドーピングされるが、いずれにせよ、ＲＴ領域だけでなくＩ／Ｒ領域は単極である。さらに、用語ＩＳＢ活性領域は、垂直レージング遷移だけでなく斜めレージング遷移を共に含むように意図されている。斜め遷移には、上部レーザエネルギーレベルと下部レーザエネルギーレベルとの間の放射遷移、またはこれらのレベルに対応する波動関数が同じＲＴ領域の異なる量子井戸内で実質的に集中する状態が含まれる。また米国特許第５、４５７、７０９号も参照のこと。本明細書では、この文献を参考のために援用する。他方、垂直遷移の場合、励起および低エネルギー状態は共に、実質的に、単一のＲＴ領域の同じ量子井戸に存在する。米国特許第５、５０９、０２５号を参照のこと。本明細書では、この文献を参考のために援用する。両タイプのレージング遷移についてはまた、F.Capassoら（上述）による文献にも記載されている。‘０２５特許だけでなくこの文献もまた、垂直遷移ＱＣレーザのＩ／Ｒ領域がミニ帯域およびミニ帯域間のミニギャップを含み、励起状態における電子に効果的なブラッグ反射器を形成し、低状態からの電子の迅速な逃げを確実にすることを指摘している。
【００３１】
本発明はまた、中間ＩＲ範囲の波長でも動作する周知のタイプＩＩＱＣレーザに適用可能である。
【００３２】
さらに、源は、上記の文献にあるように、単一の中心波長で動作するように設計されていてもよいし、または、たとえばA.Tredicucciら、Nature、３９６巻、３５０〜３５３号（１９９８年１１月）（本明細書では参考のために援用する）によって記載されているように多重波長で動作してもよい。動作波長は、通常、活性領域の特定の設計に応じて、約３から１９μｍの範囲である。
【００３３】
超格子（ＳＬ）レーザとして知られているさらに他のＩＳＢレーザもまた、本発明の実施から利益を受けることができる。ＳＬレーザでは、レーザレベルの波動関数は、各ＲＴ領域内の多数の量子井戸にわたって広がる。レーザ動作は、ミニ帯域間トンネリングによる単極注入によって成し遂げられる。G.Scamarcioら、Science、２７６巻、７７３から７７６頁（１９９７年５月）を参照のこと。本明細書では、この文献を参考のために援用する。予めバイアスされたＳＬは、本発明に含まれる他のタイプのＩＳＢレーザである。A.Tredicucciら、Appl.Phys.Lett.、７３巻１５号、３１０１〜３１０３頁（１９９８年１０月）を参照のこと。本明細書では、この文献を参考のために援用する。
【００３４】
本発明の１つの態様によると、電気的に絶縁性の低光学吸収領域１６は、カルコゲナイドガラス、すなわち、ＶＩ属元素（Ｓ、ＳｅまたはＴｅ）を含むが、有意な量の酸素を含まない非晶質半導体化合物を含む。この領域は、カルコゲナイドガラスの単一層であっても、少なくとも１つがカルコゲナイドガラスである多層を含んでいてもよい。
【００３５】
カルコゲナイドガラスの魅力的な特性としては、中間ＩＲ範囲において低い吸収率を有し、応力／歪みを比較的含まない比較的厚い層を製造する能力を有する。厚い誘電体層は、高い絶縁耐力を発生し、これによって、特にレーザとしてのエミッタ／ソース１０の高電力／高温動作が可能になる。さらに、これらのガラスは、導波プロセスに損失を導入しないため、これらのガラスを用いたＩＳＢレーザは、自己モード固定を示さない。さらに、レーザでは、カルコゲナイドガラス層は、レージングのための閾値電流密度を増加させずに光閉じ込めを提供し、メサの側壁を通した効率的な熱伝導を提供する。
【００３６】
これらの特性によって、１７０ＫでＱＣレーザのＣＷ動作を成し遂げることが可能となった。これは、同等の活性領域設計および実装技術を用いる従来技術において報告されている最良の結果よりも３０から４０Ｋ高い。以下、このレーザについて、さらに詳細に説明する。
【００３７】
カルコゲナイドガラスの低損失の性質はまた、本発明の他の態様をもたらす。すなわち、比較的狭いメサ（たとえば、導波路コアの中心で測定すると３から５μｍ）を有するＩＳＢメサ構造レーザを設計することが可能である。この特徴は３つの利点を有する。（１）第１に、メサの表面対容量比を増加させることができ、これにより、活性領域からの熱の除去が向上し、より高い温度でのＣＷ動作が可能になる。（２）第２に、格子がコアまたは導波路の上面に形成された後でも、ＤＦＢ  ＩＳＢメサ構造レーザを調整することが可能である。このようなレーザでは、動作波長は、約２ｎｅｆｆＬｇによって与えられる。ここで、ｎｅｆｆは、導波路の有効屈折率であり、Ｌｇは、格子周期である。したがって、調整は、これらの２つのパラメータのいずれかまたは両方を変更する能力に依存する。しかし、従来の設計では、格子が一旦配置されると、実際問題として、Ｌｇをかなり変更するために何もできない。ｎｅｆｆについては、光の場が誘電体材料を認識するのに十分に狭い場合には、従来技術で用いられている絶縁層１６用の酸化／窒化珪素誘電体は、ｎｅｆｆを変更するであろう。しかし、メサが、この効果を十分に利用するために十分薄く形成されている場合には、レージング閾値は、かなり増加するであろう。なぜなら、酸化／窒化珪素誘電体は、非常に損失性の大きい金属層に覆われ（また、これ自体、約８．５〜１０．５μｍの波長範囲で損失性が大きい）。これに対して、本発明で用いるカルコゲナイドガラスは、損失が比較的低いため、狭いメサの使用を可能にし、これによって、導波路の有効屈折率にカルコゲナイドの屈折率を導入することによって、ｎｅｆｆの微調整を可能にする。（３）第３に、狭いメサ、およびこれに対応する狭い導波路は、さらに高次の横向き光モードのためのより低い光学利得を生じる（これらを共に妨げ得る）。このこと自体は、基本横方向モード動作にとって有利である。
【００３８】
たとえば、ガラスはＧｅｘＳｅ１−ｘ（ここで、ほぼｘ≦０．４）などの二元化合物を含む。ｘ＞０．４の場合、Ｇｅは、合体する傾向があり、ガラスは、均質性をなすのがより困難になる。たとえば、発明者は、Ｇｅ０．２５Ｓｅ０．７５が適切なガラス層であることを見出した。あるいは、約８μｍ未満の動作波長では、ガラスはＡｓｘＳ１−ｘ（ここで、ｘは約０．４である）を含み得る。市販の代替物は、ＧｅｘＡｓｙＳｅ１−ｘ−ｙ（ここで、ｘは約０．３３およびｙは約０．１２である）およびＧｅｘＳｂｙＳｅ１−ｘ−ｙ（ここで、ｘは約０．２８およびｙは約０．１２である）などの三元化合物を含む。
【００３９】
カルコゲナイドガラス層の厚さは、主に、動作波長（波長が短くなると、より薄い層を用いることが可能になる）、メサの幅（メサの幅が小さくなると、より厚い層が必要となる）、およびガラス層の屈折率（屈折率が低いと、より厚い層を用いることが可能になる）に依存する。たとえば、ガラス層は、約８μｍの波長で放射線を生成し、約８μｍのメサ幅を有するＩＳＢレーザに対して約３から４μｍの厚さである。好ましくは、ＣＧ層は、損失性の大きい上部に位置する金属電極への光放射線の有意な浸透を防止し、放射線の有意な導波性を提供するのに十分厚くなっている。理論的には、カルコゲナイドガラス層は、メサによって形成される谷部を埋め、金属層は、メサの頂部で実質的に平坦となる。しかし、この設計により、厚いガラス層をパターン化する（すなわちメサの頂部でのストライプ構造コンタクトのためのウィンドウを形成する）ことがより困難になる。
【００４０】
カルコゲナイドガラス層は、いくつかの異なる製造技術によって堆積され得る。したがって、発明者は、パルスレーザアブレーション（ＰＬＡ）をうまく用いてきた。これは、一般に、Pulsed Laser Deposition of Thin Films、ed.D.B.Chriseyら、John Wiley&Sons、New York（１９９４年）に記載されている。本明細書では、この文献を参考のために援用する。カルコゲナイドを堆積させるためにＰＬＡを用いることについては、特に、K.E.Youdenら、Appl.Phys.Lett.、６３巻１２号、１６０１〜１６０３頁（１９９３年）に記載されている。本明細書では、この文献を参考のために援用する。好ましくは、ガラス層は、より高い温度で堆積され、その後室温に冷却される場合に蓄積されやすい応力／歪みを低減させるために室温で堆積される。しかし、室温よりも高い温度での堆積が所望される場合、ガラス層中の応力／歪みの大半は、おそらく、迅速な熱アニーリング（ＲＴＡ）の周知の技術によって低減され得る。
【００４１】
他の堆積技術としては、ガラスの予め混合された構成要素を含む単一のソースターゲットからのスパッタリングまたは個々の構成要素が別個のるつぼに配置される多重ポケットソースからの蒸発が挙げられる。スパッタリングされたカルコゲナイドガラス層については、S.Ramanchandranら、Appl.Phys.Lett.、７４巻１号、１３〜１５頁（１９９９年）によって記載されている。本明細書では、この文献を参考のために援用する。
【００４２】
電極１８は、カルコゲナイドガラス層１６上に堆積されるので、ガラスに対する接着性が良好な金属で形成されるべきである。ＧｅＳｅガラス上では、ＣｒだけでなくＴｉ／Ａｕを用いたが、前者の方が好ましい。
【００４３】
図２は、光閉じ込めを向上させる本発明の他の実施形態を示す。この場合、絶縁領域１６’は、少なくとも１つのカルコゲナイド層を含む多層構造である。例えば、領域１６’は、メサ上に形成された、比較的薄く屈折率の高い層１６．１、および層１６．１上に形成された比較的厚く屈折率の低いＣＧ層１６．２を有する。一般に、メサの有効屈折率は、層１６．１の屈折率と、層１６．２の屈折率との間であり、層１６．１の屈折率は、層１６．２の屈折率よりも高い。内部層１６．１は、カルコゲナイドガラスである必要はなく、例えば、Ｇｅ層であってもよい。電極１８は、層１６．２上に形成されている。
【００４４】
図３は、光閉じ込めを向上させるための他の実施形態を示す。ここで、絶縁領域１６”は、ブラッグ反射器、すなわち、２つの異なるカルコゲナイドガラス層（２つの異なる屈折率を有する）が交互に形成された多層構造を有する。これらの屈折率および厚さは、周知のブラッグ条件またはそれと同等の条件（たとえば、周知のチャープ格子の条件）を満足する。
【００４５】
図４は、メサの表面対容量比を増加させ、それによって、活性領域からの熱の抽出を向上させるためのさらに他の実施形態を示す。この場合、レーザは上面から示され、メサの側壁は、光伝播軸３０に沿って波形になっている。この波形は、軸３０と交差する方向に、実質的には、メサの層の面内でメサの幅を調整する適切なエッチング技術によって形成される。この波形によって散乱損失が望ましくないほど増加する場合には、波形は、レーザの中心波長と一致したブラッグ周期を用いて形成することができる。特に、波形は、Ｍλｇ／２ｎｅｆｆによって与えられる周期で形成される。ここで、λｇは、レーザが最大利得を有する波長であり、ｎｅｆｆは、導波路の有効屈折率であり、Ｍは、ゼロでない正の整数である。この設計はまた、本発明による自発放射デバイスにも適用できる。
【００４６】
【実施例】
本実施例は、本発明の１つの実施形態によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ＱＣレーザについて記載している。様々な材料、寸法、および動作条件は、例示のみを目的として提供され、特別な記載のない限り、本発明の範囲を限定するものではない。
【００４７】
本実験において用いたＱＣレーザの基本設計は、図１に示され、C.Gmachlら、IEEE J.Selected Topics in Quantum Electron.、５巻３号、８０８〜８１６頁（１９９９年）によって記載されている。本明細書では、この文献を参考のために援用する。特定の設計では、コア領域は１２段階を含み、活性領域は３つの量子井戸を含んでいた。この井戸では、レージング放射は、約８μｍの中心波長において垂直遷移であった。メサは、幅が８μｍであり、長さが約２．７ｍｍであった。動作電圧は、約３．５Ｖであった。
【００４８】
カルコゲナイドガラス層１６は、厚さが約３．５μｍのＧｅ０．２５Ｓｅ０。７５層を含んでいた。カルコゲナイド層１６を、以下の特性：２４８ｎｍの波長、１０Ｈｚの繰返し率、および約２〜４Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度を有するパルスを生成するＫｒＦエキシマレーザを用いて、ＰＬＡによって堆積させた。試料を室温で配置し、ピーク堆積率は１０分当たり１μｍであった。
【００４９】
発明者のレーザによって示される最良のＣＷ動作温度は、約１７０Ｋであり、これは、薄い窒化珪素（または二酸化珪素）の層および従来の基板側ダウン（substrate-side-down）実装技術を用いた従来のＱＣレーザよりも３０から４０Ｋ高かった。しかし、C.Gmachlら、IEEE J.Photon.Tech.Lett.、１１巻１１号、１３６９〜１３７１頁（１９９９年）、および１９９９年１１月２４日に提出され、その譲受人に譲渡された同時係属特許出願第０９／４４８、９２９号におけるJ.N.Baillargeonらによって記載されているｅｐｉ側ダウン（epi-side down）実装技術を用いると、動作温度のさらなる増加が成し遂げられると発明者は予想する。本明細書では、これらの文献を参考のために援用する。
【００５０】
３つの異なる動作温度（１５０Ｋ、１６０Ｋ、および１７０Ｋ）においてこのレーザに対して得られるスペクトルを図５ａに示す。
【００５１】
発明者のレーザの他の利点は、レージングの閾値を低下させたことであり、これを図５ｂに示す。Ｉ−Ｖ曲線は、発明者のレーザが、低温度、約２．６ｋＡ／ｃｍ２のパルス閾値電流密度を有し、IEEE J.Selected Topics in Quantum Electron.（上述）によって記載されるレーザの３ｋＡ／ｃｍ２閾値を超える明確な向上を示したことを示している。
【００５２】
図６は、本発明の他の実施例による１００段階パルスＱＣレーザの低温Ｉ−Ｖおよび光強度特性を示す。このレーザは、厚さが約５μｍのＧｅ０．２５Ｓｅ０．７５ガラス層で覆われた幅が約５μｍの狭いメサを有していた。あるいは、この設計は、IEEE J.Selected Topics in Quantum Electron.におけるC.Gmachlら（上述）によって記載されるものと実質的に同じであった。段階の数を多くすることによって、１８Ｖの動作電圧となり、これは、高い光強度が所望される場合でも受け入れ可能である。事実、図６（破線）は、約１．６Ｗ／Ａの平均ピークスロープ効率および約２Ｗ／Ａの最大ピークスロープ効率をパルス動作において示している。後者は、非常に魅力的であり、低損失波長、多数の段階、および有効な電流閉じ込めの組み合わせの結果である。カルコゲナイドガラス層の使用は、波長の低損失に大いに関与し、狭いメサの使用を可能にし、これによって、有効な電流閉じ込めが提供された。
【００５３】
上記の配置は、本発明の原理の応用を示すために考案され得るできるだけ多くの特定の実施形態を単に例示するものであることを理解されたい。多数の様々な他の配置は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに当業者によりこれらの原理に従って考えられ得る。
【００５４】
【発明の効果】
上記のように、本発明によると、ＩＳＢレーザ技術において、中間ＩＲ範囲で低い吸収率を有し、高電力／高温の動作を可能にする高い絶縁耐力を有する誘電体材料、導波プロセスに有意な損失または有意な非線形屈折率を導入しない導波路コーティング、およびレージングのための閾値電流密度を増加させずに、横方向の光閉じ込めを提供し、メサの側壁を通した効率的な熱伝導を提供する低損失メサ誘電体コーティングが提供される。さらに、ＤＦＢ  ＩＳＢレーザ技術において、比較的狭いメサ上の低損失コーテイングを介して中心波長を微調整する能力が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】メサの側壁に形成された単一のＣＧ層の使用を例示する、本発明の１つの実施形態によるメサ構造光エミッタの概略断面図。
【図２】メサの側壁に形成された多層ＣＧ構造の使用を例示する、本発明の１つの実施形態によるメサ構造光エミッタの概略断面図。
【図３】メサの側壁に形成されたＣＧブラッグ反射器の使用を例示する、本発明の１つの実施形態によるメサ構造光エミッタの概略断面図。
【図４】ブラッグ反射器が、メサの幅を長軸に沿って調整することによって形成される、本発明の１つの実施形態によるメサ構造光エミッタの概略上面図。
【図５ａ】レーザが１５０Ｋ、１６０Ｋおよび１７０ＫのＣＷで動作する、本発明の１つの実施例によるＱＣレーザの３つのスペクトルを示す図。
【図５ｂ】図５ａを参照しながら記載したのと同じレーザのＩ−Ｖ特性および光強度対電流特性を示すグラフ。
【図６】パルス低温モードで動作するＱＣレーザののＩ−Ｖ特性、ピーク光強度特性、およびスロープ効率を示すグラフ。
【符号の説明】
１０  ＩＳＢ半導体光エミッタ／ソース
１２  コア領域
１２．１  活性領域
１２．２、  １２．３  一対の領域
１３  エピタキシャル領域
１４  基板
１６  低光学吸収領域
１７  上部クラッディング領域
１８  第１の電極
１９  コンタクト促進層
２２  第２の電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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