JP2016518031A - 垂直外部共振器面発光レーザーのための導光 - Google Patents

Abstract

本発明は、垂直発光レーザーデバイスのための活性利得層スタック（２１）であって、活性利得層スタック（２１）が半導体材料を含み、半導体材料が、垂直方向に延在するメサ（２４）を少なくとも１つ形成するように構成される、活性利得層スタック（２１）に関する。上記メサ（２４）を少なくとも部分的に囲む、横方向の隣接領域（２５）は、第２屈折率（ｎ２）を有する。上記メサ（２４）の少なくとも一部分は、第１屈折率（ｎ１）を有し、メサ（２４）の上記一部分に横方向に隣り合う隣接領域（２５）の一部分は、第２屈折率（ｎ２）を有する。上記第１屈折率（ｎ１）は、上記第２屈折率（ｎ２）よりも大きく、メサ（２４）の横方向の径は、活性利得層スタック（２１）の横方向の閉じ込め係数を増加させるように選ばれる。本発明は、このようなスタックを含むレーザーデバイス、さらにこのようなスタックの作動方法、ならびにこのようなスタックの製造方法にも関する。ＶＥＣＳＥＬは下部ミラーおよび外部共振器ミラーにて成長させたＩＶ−ＶＩ族の半導体利得材料を含む。単一の基板（２３）に複数のメサ（２２）を成長させることもできる。単一横モード作動を改善する、周囲の材料（２５）のより低い屈折率によって、反導波を防ぐ。

Description

本発明は、請求項１の前段部に記載の活性利得層スタック（又はアクティブゲインレイヤースタック）と、共振器（又はキャビティ）および上記活性利得層スタックを形成する２つのミラーを含むレーザーデバイスとに関する。加えて、本発明は、上記レーザーデバイスの作動方法と、上記活性利得層スタックの製造方法とに関する。

中赤外線用の半導体レーザーは、１９７０年代から既知である。オリジナルのデバイスは、レーザーダイオードの形態において電気的に励起される端面発光型（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｅｒ）であり、低温に冷却される必要があり、設計に依存して２マイクロメートルから２０マイクロメートルの波長のスペクトル範囲で発光する。この範囲を以下、「中赤外（ｍｉｄ−ＩＲ）」の範囲と呼ぶ。半導体材料として、ＰｂＳｎＴｅ、ＰｂＥｕＴｅ、ＰｂＳｒＴｅ（さまざまな組成物において、Ｔｅは、ＳｅまたはＳに、完全にまたは部分的に置き換えることができる）のような微小ギャップのＩＶ−ＶＩ族の半導体が使用された。後に、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰまたはＩｎＳｂ、およびこれらの化合物などの半導体を用いるＩＩＩ−Ｖ族系のレーザーも、中赤外線用に開発された。また、これらは、典型的には、電気的に励起されるレーザーダイオードであり、端面発光型である。波長は、約３．５マイクロメートルまで到達する。代替として、量子カスケードレーザーダイオードおよびインターバンドカスケードレーザーダイオード（ＱＣＬ、ＩＣＬ）（同様に端面発光型である）が有用であるとして認められている。これらのスペクトルの範囲は、約３マイクロメートルから２０マイクロメートル以上の波長にまで及ぶ。ＱＣＬおよびＩＣＬは、ＩＩＩ−Ｖ族の基板上にモノリシックに成長する数百もの半導体層から構成される精巧に階層化された構造を必要とする。これらの設計のなかには、室温以下、および連続波で作動するものもある。

端面発光レーザーダイオードの不都合な点は、それらの、一方向の非常に大きな発散角（例えば、６０°）を有する、大きな非点収差の発光ビームである。このビームの焦点または視準を、ガウシアン様の形状で１つに合わせるために、精巧で高価な光学素子が必要であり、出力のかなりの部分が失われる。この一方向における大口径（ｌａｒｇｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、閾値電流を低く保つための、利得構造（又はゲインストラクチャ）の非常に薄い層に起因する。

半導体レーザーを、その表面に対して垂直に発光させれば、多くの利得（又はゲイン）が得られる。少なくとも数マイクロメートルから数十マイクロメートルの典型的なビーム出口径を有するために、狭い円形の出力コーンは、数度のみの開き角度を生じる。このようなレーザーは、非常に小さな発散角（例えば、２°を下回る）と、単一（又は１）に近いビーム品質係数Ｍ^２とを有する、準完全放射対称なガウシアン形状の「優れたビーム品質」の発光を示す。対して、この係数Ｍ^２は、端面発光レーザーにおいて、はるかに高い。このような垂直共振器面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）（ＶＣＳＥＬ）（半導体ディスクレーザーとも呼ばれる）は、モノリシックに、またはさらなる高出力のために、外部共振器を備えて製造される。後者は、そのため、垂直外部共振器面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）（ＶＥＣＳＥＬ）と呼ばれる。ＶＣＳＥＬは、多くの場合、電気的に励起される。閾値レベルを超える十分な大電流を実現するために、いわゆる埋込型トンネル接合を用いて、活性領域を通して電流を導く。これは、本質的には、数マイクロメートルの径を有するエッチングされた構造であり、その後に、これは第２ミラーで成長する。電気的に励起されるＶＥＣＳＥＬの幾つかのケースにおいて、損失（又はロス）を誘発することによって、より高いオーダーの横モード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ ｍｏｄｅ）を抑制するために、活性領域の上部に構成される付加的な構造が使用される。光学的に励起されるＶＥＣＳＥＬは、高いビーム品質と、低損失と、高い出力とを得るための構成における利点を有する。励起スポットの径は、キャビティモードスポット（ｃａｖｉｔｙ ｍｏｄｅ ｓｐｏｔ）と合わせる必要があり、２、３マイクロメートルから数百マイクロメートルの範囲内にある。共振器（又はキャビティ）の長さと、ミラーの曲率と、発光モードのオーダーとに依存するレーザーモード径の精密度（又はデフィニション）をより良くするために、湾曲した外部ミラーを使用することができる。ＶＣＳＥＬならびにＶＥＣＳＥＬは、一般には、例えば、電気通信の用途に使用される。ＶＣＳＥＬは、低出力の用途に限定されるが、ＶＥＣＳＥＬを用いて非常に高い出力が達成されている。

ＩＩＩ−Ｖ族の半導体に基づくＶＥＣＳＥＬのための最長のレーザー中赤外波長は、２．８マイクロメートルを下回る。しかしながら、ＩＶ−ＶＩ族の材料を用いたＶＥＣＳＥＬは、中赤外の範囲の全体に及び得る。このようなデバイスは、非特許文献１（Ｍ．Ｆｉｌｌ、Ｆ．Ｆｅｌｄｅｒ、Ｍ．Ｒａｈｉｍ、Ａ．Ｋｈｉａｒ、Ｒ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ、Ｈ．Ｚｏｇｇ、Ａ．Ｉｓｈｉｄａの「Ｓｉ−基板上のＩＶ−ＶＩ族の中赤外のＶＥＣＳＥＬ」（ＩＶ−ＶＩ ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ ＶＥＣＳＥＬ ｏｎ Ｓｉ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、８２４２０Ｈ、２０１２）において記載されている。ＩＶ−ＶＩ族のＶＥＣＳＥＬは、赤外分光法にとって特に重要であり、狭く、単色であり、波長が調節可能（又はチューニング可能）な照射が必要とされている。このようなデバイスは、非特許文献２（Ｍ．Ｒａｈｉｍ、Ａ．Ｋｈｉａｒ、Ｍ．Ｆｉｌｌ、Ｆ．Ｆｅｌｄｅｒ、Ｈ．Ｚｏｇｇの「３．３μｍの波長における、分光のための、連続調節可能な単一モードのＶＥＣＳＥＬ」（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ＶＥＣＳＥＬ ａｔ ３．３ μｍ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｆｏｒ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．４７、１８、ｐ．１０３７−１０３９、２０１１）において記載されている。波長の調節範囲は、約３．２〜３．３マイクロメートルにわたる。ビームは、単色の単一モードであり、チューニングは、完全にモードホップフリーである。

このような調節可能なＶＥＣＳＥＬは、様々な用途の範囲の全体にわたって使用することができる。このような用途の１つは、例えば、環境モニタリングのための微量気体の分光である。その他の用途には、産業用プロセス制御または重篤な疾病の医療診断のための、微量気体、気体または液体の分光が含まれる。燃焼ガスおよび炭化水素は、３μｍから１０μｍの中赤外の波長に非常に強い吸収線を有する。そのため、気体の分光センサは、この波長領域内で作動する場合には非常に高感度を示す。中赤外の全域にアクセス可能とすることで、中赤外レーザーモジュールは、分光センサとしての最大限の能力を得ることができる。その他の用途には、医療手術（組織の切断または治癒）、材料加工、または軍事的な防衛手段が含まれる。中赤外（３〜５μｍおよび８〜１４μｍ）には２つの透明窓（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ ｗｉｎｄｏｗｓ）があり、ここでは、大気吸収が最も小さい。このことは、長い距離にわたる信頼度の高い信号伝達、すなわち、自由空間通信（ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）を可能にする。

Ｍ．Ｆｉｌｌ、Ｆ．Ｆｅｌｄｅｒ、Ｍ．Ｒａｈｉｍ、Ａ．Ｋｈｉａｒ、Ｒ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ、Ｈ．Ｚｏｇｇ、Ａ．Ｉｓｈｉｄａ、ＩＶ−ＶＩ ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ ＶＥＣＳＥＬ ｏｎ Ｓｉ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、８２４２０Ｈ、２０１２ Ｍ．Ｒａｈｉｍ、Ａ．Ｋｈｉａｒ、Ｍ．Ｆｉｌｌ、Ｆ．Ｆｅｌｄｅｒ、Ｈ．Ｚｏｇｇ、Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ＶＥＣＳＥＬ ａｔ ３．３ μｍ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｆｏｒ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．４７、１８、ｐ．１０３７−１０３９、２０１１

ＩＶ−ＶＩ族の半導体に基づく現在のレーザーは、効率良く作動させることができない。ＩＶ−ＶＩ族の材料が原因で、屈折率の温度依存性は、発生させたレーザー光に大きな反導波効果（ａｎｔｉ−ｇｕｉｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）をもたらす。この温度依存性は、基本物性であり、作用され得ない。この反導波効果は、著しく増加した発振閾値を生じる。結果として、このデバイスは、所望の高い温度において作動させることができないか、あるいは、より高い励起の出力を必要とするか、あるいは、より低い出力でしか発光しない。このような曲面は、パッケージングの複雑さを増加させ、余計なコストを発生させ、その用途におけるレーザーの使用をより困難にさせて、信頼性を低下させる。

そのため、本発明の目的は、前述の欠点を克服し、それらが電気的に励起されるか、または光学的に励起されるかに関わらず、垂直発光レーザー（特に、ＩＶ−ＶＩ族の半導体に基づくもの）のウォールプラグ効率を改善する活性利得層スタックを提供することである。

（発明の要旨）
この目的およびその他の目的は、垂直発光レーザーデバイスに活性利得層スタックを提供することによって達成される。上記活性利得層スタックは、半導体材料を含み、垂直方向に延在する少なくとも１つのメサ（ｍｅｓａ）と、少なくとも部分的に上記メサを囲む横方向の隣接領域とを形成するように構成されるものである。上記メサの少なくとも一部分は、第１屈折率を有する。ここで、上記メサの上記一部分に横方向に隣り合う隣接領域の一部分は、第２屈折率を有する。ここで、上記第１屈折率は、上記第２屈折率よりも大きい。ここで、上記メサの横方向の径は、活性利得層スタックの横方向の閉じ込め係数（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ）が増加するように選ばれる。ここで、上記半導体材料は、温度の上昇に伴って減少する屈折率を有する。

換言すれば、上記メサの横方向における径（又は直径）は、活性利得層スタックのレーザー光の横方向の閉じ込めを増加させるように選択される。

この垂直方向は、活性利得層スタック表面と実質的に垂直な方向、すなわち、レーザー光が照射される方向であり、これに対して横方向または水平方向は、活性利得層スタック表面と平行するものである。

用語「メサ」は、利得層スタック表面から、ミラーから、または基板から（これは、メサの高さ（または深さ）に対応するものである）の垂直方向の突出（物）として理解され得る。上記突出は、実質的に平坦な遠位面と急勾配の端面とを有する。この遠位面は、メサの上面である。メサは、実質的に長方形の形状または台形の形状である長手方向の断面を有し得、台形形状の場合、遠位面は、台形の２つの平行面の小さい方、または大きい方に提供することができる。メサは、マッシュルーム形状または洋なし形状の断面を有していてもよい。メサの典型的な高さは、活性利得層の厚さと同じくらいか、それ以上（例えば、活性利得層と基板との間に付加的な層がある場合）であり、基板の内側へ数マイクロメートル延在することもあり得る。複数のメサを、活性利得層スタック表面上、ミラー上、または基板上に、好ましくは規則的なパターンで配置できることが好ましい。メサが基板に提供される場合において、メサは、必ずしもそうではないが、メサの遠位面と向かい合うミラー層を含むことが好ましい。

好適な実施形態によれば、上記半導体材料は、ＰｂＳｎＴｅ、ＰｂＥｕＴｅ、ＰｂＳｒＴｅなどのＩＶ−ＶＩ族の半導体材料であり、ここで、Ｔｅは、ＳｅまたはＳで完全または部分的に置き換えることができる。上記材料の好適な組成物は、即ちＰｂ_１−ｘＳｒ_ｘＴｅ（ｘは０％〜１５％の範囲内である）から構成される。鉛塩は、好適な材料である。

活性利得層スタックまたはパッケージは、半導体材料を含むことが好ましく、この半導体材料は、第１屈折率を有していて、その表面において、その上に横方向に広がる少なくとも１つの発振スポットを形成するものである。この発振スポットは、メサの遠位面の少なくとも部分または全体であることが好ましい。活性利得層スタックは、メサ本体（ｂｏｄｙ）と、好ましくはメサ本体の下側に延在する活性領域とによって与えられる発振スポット領域をさらに含む。活性利得層スタックは、その上に活性領域が提供される基板をさらに含む。この基板は支持を提供する。活性発振スポット領域は、上記発振スポットから上記活性利得層スタックへと、その高さを実質的に垂直方向に延在する。ここで、発振スポット領域は、上記発振スポットを含み、ここで、上記半導体材料は、ＩＶ−ＶＩ族の半導体材料であり、ここで、発振スポット領域の少なくとも一部分の第１屈折率は、発振スポット領域の上記一部分の横方向に隣接して発振スポット領域の上記一部分を囲む活性利得層スタックの隣接領域の第２屈折率よりも高いため、活性利得層スタックにおける横方向の閉じ込め係数を増加させる。

ここで、Ｖ（Ｅ）ＣＳＥＬを作動させるために要求される閾値利得（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｇａｉｎ）、そのため、そのエネルギー効率が、モードの閉じ込め係数に依存することについて理解することが重要であり、これは、水平面における成分を有するものである。ＩＩＩ−Ｖ族の材料の場合において、この材料の屈折率の有利な温度依存性のおかげで、この閉じ込め係数は、単一（又は１）に近い。レーザーを励起することで温度勾配をもたらし、それにより、発光スポットの中央から外側へ向かう屈折率の勾配を生じさせて、レーザー光のための誘導構造をもたらす。しかしながら、ＩＶ−ＶＩ族の材料を用いた場合の温度依存性は、逆であり、屈折率は、より低い温度で増加する。このような反導波構造において、電場は、屈折率がより高い外側部分へと分散する。横方向の閉じ込め係数は、桁違いで小さく、それにより著しく増加した発振閾値と、低下したデバイス効率とをもたらす。

第１屈折率から第２屈折率への上記の差異は、特に、活性利得層スタックの作動の間、すなわち、活性発振スポット領域が作動温度にある間に存在する。最大加熱を有する発振スポットの中央からの３０°Ｃの温度勾配について、Ｐｂ_０．９５Ｓｒ_０．０５Ｔｅの屈折率は、発振スポットの周縁（又はリム）に向かって約１％増加する。

本発明による活性利得層スタックは、垂直発光レーザー（例えば、ＶＥＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬ）の活性利得領域に含まれ得る。

本発明は、発振モードを水平方向、すなわち横方向に制限することによって、有利な導光効果を達成する。エッチング処理した構造、もしくはエピタキシャルで成長させた構造、または空間的に異なる材料の組成物もしくは構造を用いることで、活性発振スポット領域の中央、特に発振スポットにおける高い屈折率、ならびに活性発振スポット領域の端面や外側および発振スポットのそれぞれにおける低い屈折率を備えて、屈折率勾配またはその空間依存性を効果的に反転させる。このとき、このレーザーモードは、高い屈折率を備える領域に空間的に集中する。この増加した閉じ込め係数は、レーザーの閾値出力を著しく低減させ、大いに改良された出力効率をもたらす。本発明を用いるデバイスは、より高い温度において、より高い負荷サイクルで、または連続的にであっても、作動させることができる。

空間的に規定された発振スポットを使用することは、後の実装における付加的な利点を有し、発振特性を付与する。レーザー光が発生する場所を正確かつ一意的に規定するために、１つの発振スポットのみを製造することができる。これは、光路を正確に知る必要があるか、または光学的なアライメントを簡易化する用途において重要である。光の発生がより大きな全出力を生じるように、複数の発振スポットをすぐそばに近接して同時に用いる。さらに、例えば、異なる発光波長を達成するために、発振特性を、異なる発振スポットの間で切り替えることによって調整することができる。

本発明は、ウォールプラグ効率を増加させることによって、なおかつ異なる作動モードを可能にすることによって、ＩＶ−ＶＩ族のレーザー技術を以下のように著しく発展させる。
・著しく増加した効率に起因して、このデバイスは、はるかに小さく組み立てることができる。ヒートシンクは完全に不用であり、非冷却運転が可能である。このことは、少量であっても、廃熱が望ましくない用途において、成功して使用することを可能にする。システム全体の安定性を改良して、より信頼性のある集積（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）をもたらす。
・より汎用性の高い、出力および発光スポットの正確な精密度に関する設計の可能性に起因して、新たな用途が可能になる。改良型デバイスは、作動のあいだに異なる発振形態の間で切り替えることができる。
熱電安定化を用いた簡単な組立であっても、室温近くの作動での連続波の放射が可能になる。

好ましくは、上述したような、メサを囲む活性利得層スタックの隣接領域は、
真空領域（又は減圧領域）、または
ガス充填領域、または
液体充填領域、または
固体領域（ここで、この固体領域の材料は、発振スポット領域の上記一部分の屈折率よりも低い屈折率を有する）
の少なくとも１つを含む。

真空およびガスは、約１の屈折率を有し、メサ自体と比較して、因子の非常に大きな差（又はコントラスト）を生じる（最大で約６である）。水または溶媒を含む液体は、典型的には、約１．３〜１．５の屈折率を有する。固体領域がメサを囲む場合には、屈折率の差は、材料およびその用いられる製造方法に依存して非常に小さい。典型的な値の範囲は、適切なＩＶ−ＶＩ族の材料組成物の数％から酸化ケイ素の係数の４にまで及ぶ。

従って、例として、第１方向における隣接領域は、固体材料であってもよく、ここで、第１方向に垂直な第２方向における隣接領域は、真空またはガス領域によって提供されてもよい。

本発明の好適な実施形態によれば、隣接領域は、上記メサの垂直方向に延在する高さの実質的に全てにわたって上記メサを囲み、好ましくは、上記メサを横方向に全面的に取り囲む。

別の好適な実施形態によれば、上述したような活性利得層スタックは、垂直方向に延在するメサを少なくとも１つその表面上に提供するように構成され、ここで、メサは、それぞれ、発振スポットを備える発振スポット領域を、その遠位面に形成する。発振スポット領域は、活性利得層スタックの中に、好ましくは基板に至るまで、メサの下側にさらに延在し得る。上記基板の少なくとも一部分がミラーとして作用することが好ましい。

メサが、活性利得層パッケージを載置する基板から離れる方向に、垂直方向に延在し得ること、あるいはメサが、上記基板に向かう方向に、垂直方向に延在し得ることを理解すべきである。前者の場合において、メサの周りの隣接領域は、所望の材料で充填されてもよく、ポンプで真空領域まで空に引いてもよい。後者の場合において、メサの周りの隣接領域は、メサが作られるのと同じ基材であってよく、隣接領域の材料は、より低い屈折率を有するように、すなわち、イオン注入、イオン照射または他の技術によって処理される。

発振スポット領域の高さ（すなわち、上述したようなメサの高さ）は、実質的には、活性利得層スタックの高さと等しいか、それよりも低いことが好ましい。好適な実施形態によれば、発振スポット領域の高さ、または上述したようなメサの高さは、基板に至るまで実質的に垂直方向に延在し、その上に活性利得層スタックが直接的又は間接的に提供される。典型的には、シリコンから作製される基板が、エッチストップ（etch stop）として作用し得るため、この基板に至る垂直方向の延在は、活性利得層スタックがエッチングプロセスによって製造される場合に特に有利である。

垂直方向において、メサは、垂直方向に指向する回転軸を持つ回転対称を有し得る。しかしながら、メサの側面または端面は、マッシュルーム様形状になるように下側を除去し得るか、あるいは側面が実質的にコーンまたは洋なし形状の形態を有するように傾斜を付けてもよい。

好適な実施形態によれば、発振スポット領域は、丸い断面を有する。ここで、丸い断面は、好ましくは、実質的に部分的な円形（ｐａｒｔ−ｃｉｒｃｕｌａｒ）の形状または円形の形状を有するか、あるいは発振スポット領域は、角のある断面を有している。

発振スポット領域または発振スポットあるいはメサの横方向における径（又は直径）は、５〜５００マイクロメートル、特に２０〜１００マイクロメートル、特に約４０マイクロメートルに及ぶ範囲内にあることが好ましい。実現されたデバイスは、約６０マイクロメートルの共振器（又はキャビティ）の長さに対応する発振スポットサイズに適する、約１マイクロメートルの高さと、約４０マイクロメートルの径（又は直径）とを有するメサから構成される。

メサの径（又は直径）は、より高いオーダーの横モードを抑制するように選ぶことが好ましい。

さらにもう１つの好適な実施形態によれば、活性利得層スタックは、複数の別個の上記発振スポット領域またはメサを有し、ここで、これら発振スポット領域のそれぞれが、同一または異なる発光特性を有する。

本発明のもう１つの目的は、改良されたウォールプラグ効率を有する垂直発光レーザーデバイスを提供することである。

この目的は、少なくとも１つの第１ミラー層を有する第１ミラーと、少なくとも１つの第２ミラー層を有していて上記第１ミラーと一緒に光学的な共振器を形成する第２ミラーと、第１ミラーと第２ミラーとの間の活性領域とを含み、上記活性領域が少なくとも１つの上述したような活性利得層スタックを含むことを特徴とする垂直発光レーザーデバイスによって達成される。

２つのミラーによって形成される共振器（又はキャビティ）が、１つの単一縦レーザーモード（ｓｉｎｇｌｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｌａｓｅｒ ｍｏｄｅ）のみ放出されるような長さを有して配置されることが好ましい。その波長は、共振器の長さを変更することによってモード−ホップ−フリー（ｍｏｄｅ−ｈｏｐ−ｆｒｅｅ）にシフトさせることができる。別法として、共振器の長さを長くしてよく、それにより、共振器の中で付加的な光学素子を用いることで、マルチ−モードの発光が生じ得るか、または単一モードの発光が生じ得る。ＩＶ−ＶＩ族の材料を用いてレーザーを製造し、電磁スペクトルの中赤外の範囲において発光させる。光学的に励起（又はポンピング）されることが好ましいが、本発明は、利得媒体の電気的な励起に対しても同様に有用である。

特に好適な実施形態において、上記活性利得層スタックは、第１ミラーに提供され、ここで、垂直方向のメサの高さは、活性利得層スタックの高さに等しいか、又は活性利得層スタックの高さの少なくとも１０％〜１００％の割合であり、すなわち、活性利得層は、それぞれのメサとして設けられる。メサが、活性利得層スタックを通って、または活性利得層スタックにわたって第１ミラーの中に延在するように、垂直方向のメサの高さは、上記活性利得層スタックの高さよりも高いことがより好ましい。このことは、それぞれのメサが活性利得層とミラーとを含むことを意味している。
この場合、基板に最も近いメサ層は、ミラー層であり、ここで、メサミラー層の横方向に隣接する一部分は、隣接領域の一部分であり、上述した通りである。そのため、メサは、ミラーの残存部分に提供される。より好ましくは、メサは、活性利得層スタック全体と、その上に第１のミラーが提供される基板の上または中の第１ミラーとを通して、又はそれらにわたって、垂直方向に延在する。この場合、メサは、ミラー層を含む。近位のメサ層が基板材料から作製されるように、メサを基板の中に延在させることも可能であり、または基板の一部分を含むことも可能である。

本発明による活性レーザースタックの好適な実施形態は、次のように記載され得る。基本構造として、１つは、（ａ）活性利得層が基板の表面に直接設けられている基板または（ｂ）基板の上にミラーが備えられており、そのミラーの表面に活性利得層が設けられている基板のいずれかを有する。あるいは、１つは、活性利得層スタックがミラー層を含み得ない（（ａ）の状態）か、またはメサミラー層を含み得る（（ｂ）の状態）とも言える。
メサ構造は、それぞれのメサが垂直方向において次のものを含み得るように、基本構造（ａ）または（ｂ）の中にもたらされる。
（ｉ）活性利得層の一部分のみ（すなわち、メサの高さが活性利得層スタックの高さよりも低く、メサは活性利得層に設けられる）；
（ｉｉ）活性利得層全体（すなわち、メサの高さが活性利得層スタックの高さと実質的に等しく、メサは、基板に設けられ、この基板は、ミラーであってよいものである）；
（ｉｉｉ＆ｉｖ）ミラーが設けられていない場合（（ａ）の状態）には、活性利得層スタック全体と基板の一部分であり、ミラーが設けられている場合（（ｂ）の状態）には、活性利得層スタック全体とそのミラーの一部分；
（ｖ）ミラーが設けられている場合（（ｂ）の状態）には、活性利得層スタックの全体およびミラー全体；
（ｖｉ）ミラーが設けられている場合（（ｂ）の状態）には、活性利得層スタック全体と、ミラー全体と、基板の一部分。

上記の変更（ｉ）〜（ｖｉ）は、１層ずつ積層すること（材料堆積プロセス）によって、もしくは基本構造から１層ずつ除去すること（すなわち、エッチングプロセス）によって、またはこれらの技術の両方を適用することによって達成することができる。

エッチング技術によってメサを製造する場合、エッチストップは、活性利得層スタックの中、ミラー層の上もしくは中、または基板層の上もしくは中から都合の良いように選択することができる。

ミラーまたは基板は、一般に、本来のエッチストップとして機能し得、このことはデバイスの製造をより簡単にする。

レーザーデバイスは、好ましくは、横方向におけるメサの径が、ＴＥＭ００モードのキャビティモードスポットサイズ（ｃａｖｉｔｙ ｍｏｄｅ ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ ｏｆ ａ ＴＥＭ００ ｍｏｄｅ）と実質的に等しいか、わずかに大きいように構成される。

垂直発光レーザーデバイスは、１つまたは少なくとも１つの発振スポット領域またはメサを励起（又はポンピング）させることによって使用または作動させることができる。この励起は、光学的な励起であっても、電気的な励起であってもよく、励起されたメサのそれぞれの遠位面が、活性発振スポットを形成する。

好適な実施形態によれば、複数の発振スポット領域が、同時に、または連続して励起される。ミラーを実質的に平行に配置した場合において、１つの発振エリアにおける全ての発振スポットは、同等の閾値、出力および波長で発振する。完全な平行からずれる場合において、すなわち湾曲したミラーが使用される場合、発光波長は別個の発振スポットで異なる。いずれの場合においても、出力を増加させながら、またはより広い発光スペクトルまたは波長調節節囲を達成しながら、本発明で提示される効率利得を十分に利用することができる。後者の場合において、複数の発振スポットにおける同等の発光は、複数の発振スポット領域を単純に励起させるだけで達成される。連続的な励起のために、閾値出力は、一度に１つの発振スポット領域でしか超えない。すなわち、励起光を別個のスポットにわたって移動させることによって超える。

上記のような垂直発光レーザーデバイスは、作動のあいだに異なる発振形態（ｌａｓｉｎｇ ｒｅｇｉｍｅ）の間での切り替えを適用することによって作動させることが好ましい。

さらにもう１つの本発明の目的は、上述したような活性利得層を製造する方法を提供することである。

エッチング技術を適用することで、またはエピタキシャル成長技術を適用することで活性利得層スタックを製造するという点で、この目的およびその他の目的は、上記活性利得層スタックまたは上記レーザーデバイスを製造する方法によって達成される。

この方法を用いることで、レーザーデバイスをウェハレベルで、またはチップ用に別個に製造する。

本発明の態様は、デバイス効率を改善するために、より高い屈折率を効果的に確保するために構成された活性領域であって、当該領域内で発振を生じさせ、それによりレーザーモードをこの空間領域に閉じ込める活性領域を使用することである。材料特性に起因して、本発明は、活性領域にＩＶ−ＶＩ族の半導体を用いる、光学的にも電気的にも励起されるレーザーによって特定される。活性領域の構成は、さまざまな理由のために頻繁に用いられてきたが、知る限り、記載された明細書中の導光構造を作り出すためのエッチングされた構造は設計されていない。一般に使用される導波は、境界面（又はインターフェース）における全反射によるものであったが、このことは本明細書において重要ではない。

本発明の好適な実施形態は、図を参照しながら以下に記載される。これは、本発明の好適な実施形態を説明する目的のためであって、同一のものに限定する目的のためではない。

図１は、レーザーの典型的な実施形態の略図を示す。 図２は、発振エリアの発振スポットの典型的な配置を示す。 図３は、ＩＩＩ−Ｖ族およびＩＶ−ＶＩ族の半導体材料におけるレーザーパルスの間の屈折率の勾配を示す。 図４は、図２に従って活性利得層スタックに提供されるメサの略図を示す。 図５は、先の図の組立に応じたＶＥＣＳＥＬの出力スペクトルを含む図表を示す。

（好ましい実施形態の説明）
本発明の目的のために、ＶＥＣＳＥＬタイプのレーザーデバイスは、以下のように広く定義することができる。ＶＥＣＳＥＬタイプのレーザーは、表面発光型半導体レーザーであり、これは、第１（“下部”）ミラーと、第２（“上部”）ミラーとを有し、第２ミラーは、第１ミラーから一定の間隔を開けて配置され、第１ミラーと一緒に光学的な共振器（又はキャビティ）を形成する。少なくとも１つの活性半導体層を含む活性領域（利得媒体）を共振器に配置し、この半導体層を、共振器で生じるレーザービームが層の平面と実質的に垂直になるように方向付ける。この活性領域は、場合により、量子井戸または量子ドットを含み得る。活性領域は、レーザーの作動のあいだ、この領域内の屈折率が、それを囲む領域よりも高く維持されるように製造される領域（発振エリア）を含む。この発振が可能なエリアは、サンプルマウントなどの巨視的な部分によって限定することができる。第１ミラーおよび／または第２ミラーは、出力ビーム用の出力カプラとして役立つ。レーザーは、光学的または電気的に励起することができる。

発振スポットは、典型的には丸い形であるが、より良い熱流束、１つ以上の特定の横モード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ ｍｏｄｅ）の選択、放出された光の偏光の選択、または表面不活性化（又はパッシベーション）を含む様々な理由のために、その他の形状を選択することができる。発振スポットのサイズを、閾値出力がおおよそ最小であるように選択する。発振閾値は、サイズが小さくなるにつれて、それにより閉じ込めが強くなるにつれて、減少するが、径を小さくしたために、付加的な損失が誘発されるため、増加する。最適なサイズは、その光路長などの共振器の複数のパラメーターと、ミラーの曲率とに依存する。共振器の長さの減少および曲率の増加に伴って、このサイズは、数マイクロメートルまで小さくなる。

その製造は、ウェハレベルで、またはより小さなチップのために別個に行うことができる。どちらの場合においても、均一な、または別個の特性を有する１つ以上の発振スポットを、発振が生じるエリアに設置する。典型的には、各々のこのような発振エリアにおいて、複数の発振スポットの対称的な繰り返しの配置が選択される。光を発するＩＶ−ＶＩ族の半導体のエピタキシャル堆積のあいだ、活性領域を構成するためにシャドウマスクを使用する。このマスクまたはそれよりもわずかに大きいものを、部分的な層およびミラーを形成する層を含む予め堆積された任意数の層に使用することもできる。別法として、成長の後に、標準的なリソグラフィおよびエッチング技術を用いて発振スポットをエッチングする。エッチングの深さは、部分的な層およびミラーを形成する層を含む任意数の層を、基板に至るまで貫くことができる。エッチングされた構造のサイズは、ミラー層において、わずかに大きくすることができる。低屈折率の材料は、真空（又は減圧）を使用するものと、大気を含むあらゆるガス混合気を使用するもののいずれであってもよい。また、例えば、活性領域からの熱除去を改善するために、発振スポットの周りの空間を活性領域に使用するＩＶ−ＶＩ族の半導体よりも低い屈折率を有するその他の材料で充填することもできる。どちらの場合においても、発振スポットの垂直壁に表面不活性化を適用することができる。選択したエリアでイオン注入を用いてＩＶ−ＶＩ族の半導体層の組成を変えることによって、屈折率勾配構造を作ることもできる。

平坦であるミラー、湾曲したミラーのいずれかを使用することができる。実質的に平行に配置された平坦なミラーの場合には、１つの発振エリアの全ての発振スポットが同等の閾値、出力および波長で発振する。完全な平行からずれる場合、または湾曲したミラーが使用される場合には、発光波長は、別個の発振スポットで異なる。湾曲したミラーの場合、別個の発振スポットでの発振特性もまた異なる。ミラー曲率が、レーザー共振器と最適に整合している１つの発振スポットにおいて、最も低い閾値が達成される。

本発明によるＶＥＣＳＥＬの好適な第１実施形態を図１および２に模式的に示す。なお、寸法が縮尺の通りでないことに留意されたい。レーザーデバイスにおける層の並びを示すために、特に、垂直方向に沿ったレーザーの別個の部分の厚さを、水平面の寸法に対して強調した。ＶＥＣＳＥＬ１０は、第１ミラー１１、第２ミラー１２および利得層領域１３ならびに外部共振器１４から構成される。活性利得層領域１３は、第２ミラー１２に設ける。別法として、第１ミラー１１に設けることもできる。ミラー１１、１２は、レーザー発光波長に関して高反射性であり、周知技術を用いること（例えば、金属コーティングを用いること、または分布ブラッグ反射鏡を適切な基板で用いること）によって実現される。活性領域１３は、レーザーデバイスにおいて一般に使用されるようなＩＶ−ＶＩ族の半導体材料から構成される。これは、表面２３から外へ突出する発振スポット２２を備えて構成され、発振エリア３１の内側にまとめられる。発振スポット２２とその近傍とに及ぶ模式的な屈折率プロファイルは、図３に示すように、通常のＩＶ−ＶＩ族の勾配３２から、その誘導されたプロファイル３３へと変わる。また、図３に同様に示される屈折率勾配３１は、比較のための、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料のものである。

図１および２の設計は単なる例である。２つのミラーは、平坦（平面的（ｐｌａｎａｒ））にするか、あるいは湾曲させることができる。活性領域でのキャビティモードのスポット径は、典型的には、約０．１ｍｍよりも小さいため、発振スポットの設計を非常に小型化することができる。加えて、発振には単一の発振スポットで十分である。全体のデバイスサイズを約１×１×１ｍｍ^３よりも小さくすることが可能である。

実験室で実現した具体的な組立の例は、５×５ｍｍ^２の発振エリアを使用する。活性領域を第１ミラーに直接的にエピタキシャルに成長させた。湾曲した第２ミラーを、おおよそ５０マイクロメートル離れた場所に設置した。ウェットエッチングを用いて発振スポットおよび発振スポット領域を作り出した。発振スポットサイズまたは横方向におけるメサの径は、５〜５００マイクロメートルの範囲であり、１００ｍｍのミラー曲率と、共振器の長さとの関連で、約４０マイクロメートルのサイズを好んで選択した。市販の１．５５μｍレーザーダイオードを用いて、このデバイスを光学的に励起し、パルス化されたモードにおいて、２０ｋＨｚの反復率、１０ｎｓのパルス幅で作動させ、フーリエ変換型赤外線分光計を用いて記録した。発振スポットが規定されていないデバイスと比較して、閾値出力は、少なくとも係数（又は因子）５だけ低減する。ピーク出力は、おおよそ１０ｍＷｐであり、励起ダイオードの出力によって限定される。発光波長は、作動温度と、共振器の長さとに依存する。図５は、このようなレーザーの発光スペクトル４１の例を示す。

図４は、垂直方向（図４における上方向）に延在する第１屈折率ｎ_１を有するメサ２４を有する活性利得層スタック２１の断面の概略図を示す。破線によって多層構造を示す。メサ２４の垂直方向における遠位面２２は、発振アクションのあいだ、すなわち、メサ２４が励起される場合に発振スポット２２を形成する。メサ２４は、横方向において、より低い第２屈折率ｎ_２を有する隣り合う隣接領域２５（ここでは、ガスまたは真空（又は減圧））によって完全に囲まれている。運転温度における（すなわち、メサ２４が発振する間の）屈折率ｎ_１とｎ_２との差は、活性利得層スタック２１が、上述の通り、より低い屈折率ｎ_２を有する隣接領域を有していない状態と比較して、活性利得層スタック２１の横方向の閉じ込め係数を向上させるようなものである。屈折率の空間的な変動は、図３の曲線３３に従い、ここで、曲線３３におけるジャンプの連続性は、メサ２４の横方向の端面に対応する。このような空間的に変動する屈折率を有することによって、利得層スタック２１のメサ構造は、当該技術水準から知られる反導波効果の不利益を克服する。活性利得層スタック２１は、基板２３に設けられ、ＶＥＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬにおける使用によく適合する。

複数のメサ２４は、利得層スタックまたはパッケージ２１に設けることが好ましい。ここで、複数のメサ２４は、隣接する次のメサ２４との間に、１マイクロメートルのオーダーで２００マイクロメートル以下の典型的な横方向の間隔（すなわち端面と端面との隙間（又はクリアランス））を有する規則的なパターンで配置されることが好ましい。

図５は、先の図の組立に応じるＶＥＣＳＥＬの出力スペクトルを示す。

（参照番号（符号）のリスト）
１１ 第１ミラー
１２ 第２ミラー
１３ 活性領域
１４ 外部共振器（又は外部キャビティ）
１５ 励起レーザー入射光（ｌｉｇｈｔ ｉｎ）
１６ 発生させたレーザー放射光（ｌｉｇｈｔ ｏｕｔ）
２１ 活性利得層スタック（場合により下にミラーを含む）
２２ 発振スポット
２３ 基板
２４ 発振スポット領域
２５ ２４への隣接領域
３１ 作動のあいだのＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料の屈折率
３２ 作動のあいだのＩＶ−ＶＩ族の半導体材料の屈折率
３３ 本発明によって達成される作動のあいだのＩＶ−ＶＩ族の半導体材料の屈折率
４１ 発光スペクトル
ｎ_１ 第１屈折率
ｎ_２ 第２屈折率

Claims (15)

1. 垂直発光レーザーデバイスのための活性利得層スタック（２１）であって、活性利得層スタック（２１）は、半導体材料を含み、
   活性利得層スタック（２１）が、垂直方向に延在する少なくとも１つのメサ（２４）を形成するように構成されることと、横方向の隣接領域（２５）が少なくとも部分的に前記メサ（２４）を囲んでいることとを特徴とし、
   前記メサ（２４）の少なくとも一部分は、第１屈折率（ｎ_１）を有し、
   メサ（２４）の前記一部分に横方向に隣り合う隣接領域（２５）の一部分は、第２屈折率（ｎ_２）を有し、
   前記第１屈折率（ｎ_１）は、前記第２屈折率（ｎ_２）よりも大きく、
   活性利得層スタック（２１）は、前記メサ（２４）の横方向の径が、活性利得層スタック（２１）の横方向の閉じ込め係数が増加するように選ばれることを特徴とし、
   前記半導体材料が、温度の上昇に伴って減少する屈折率（ｎ_１）を有する、
   活性利得層スタック（２１）。
2. 前記半導体材料が、ＩＶ−ＶＩ族の半導体材料である、請求項１に記載の活性利得層スタック（２１）。
3. 前記隣接領域（２５）が、
   真空領域、
   ガス充填領域、
   液体充填領域、および
   固体領域
   の少なくとも１つを含み、前記固体領域の材料は、メサ（２４）の前記一部分の屈折率（ｎ_１）よりも低い屈折率（ｎ_２）を有する、請求項１または２に記載の活性利得層スタック（２１）。
4. 前記隣接領域（２５）が、前記メサ（２４）の垂直方向に延在する高さの実質的に全てにわたって前記メサ（２４）を囲み、好ましくは前記メサ（２４）を横方向においても全面的に取り囲む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の活性利得層スタック（２１）。
5. 前記メサ（２４）の垂直方向に延在する高さが活性利得層スタック（２１）の高さと実質的に等しいか、それよりも低い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の活性利得層スタック（２１）。
6. 前記活性利得層スタック（２１）が、基板（１１；２３）を含み、メサ（２４）の垂直方向に延在する高さが、前記基板（１１；２３）に実質的に到達するまで、またはその中に延在し、好ましくは前記基板（１１；２３）の少なくとも一部分がミラー（１１）として作用する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の活性利得層スタック（２１）。
7. 前記メサ（２４）の横方向における径が５〜５００マイクロメートルにわたる範囲内にある、請求項１〜６のいずれか１項に記載の活性利得層スタック（２１）。
8. 前記活性利得層スタック（２１）が複数の別個の前記メサ（２４）を有し、これら別個のメサ（２４）が同一または異なる発光特性を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の活性利得層スタック（２１）。
9. エッチング技術を適用することによって、またはエピタキシャル成長の後に材料特性を局所的に変化させることによって、活性利得層スタック（２１）を製造することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の活性利得層スタック（２１）を製造する方法。
10. 少なくとも１つの第１ミラー層を有する第１ミラー（１１）と、少なくとも１つの第２ミラー層を有していて前記第１ミラー（１１）と一緒に光学的な共振器を形成する第２ミラー（１２）と、第１ミラーと第２ミラー（１１、１２）との間の活性領域（１３）とを含む垂直発光レーザーデバイスであって、前記活性領域（１３）が、請求項１〜８のいずれか１項に記載の活性利得層スタック（２１）を少なくとも１つ含むことを特徴とする、垂直発光レーザーデバイス。
11. 請求項１０に記載の垂直発光レーザーデバイスであって、前記活性利得層スタック（２１）が、第１ミラー（１１）に提供され、メサ（２４）の垂直方向の高さが、前記活性利得層スタック（２１）の高さの少なくとも１０％〜１００％の割合であり、
    好ましくは、メサ（２４）がミラー層を含むように、メサ（２４）が、活性利得層スタック（２１）の高さにわたって第１ミラー（１１）の中に延在するように、前記メサ（２４）の垂直方向の高さが前記活性利得層スタック（２１）の高さより大きく、
    より好ましくは、メサ（２４）が、活性利得層スタック（２１）およびミラー層を含むように、またはメサ（２４）が、活性利得層スタック（２１）、ミラー層および基板層を含むように、メサ（２４）が、活性利得層スタック（２１）および第１ミラー（１１）の高さ全体にわたって、その上に第１ミラー（１１）が提供される基板（２３）の上または中に垂直方向に延在する、
    垂直発光レーザーデバイス。
12. 前記メサ（２４）の横方向における径が、ＴＥＭ００モードのキャビティモードスポットサイズに実質的に等しい、請求項１０または１１に記載の垂直発光レーザーデバイス。
13. 前記メサ（２４）の径および形が、選択された横モードのみが発振するように選ばれる、請求項１０または１１に記載の製造方法。
14. １つまたは少なくとも１つのメサ（２４）を励起することによって前記レーザーデバイスを作動させ、励起されたメサ（２４）のそれぞれの遠位面が、活性発振スポットを形成する、請求項１１、１２または１３に記載の垂直発光レーザーデバイスの作動方法。
15. 複数のメサ（２４）を同時に励起させるか、または連続して励起させ、かつ／または作動のあいだに異なる発振形態の間での切り替えを適用することで垂直発光レーザーデバイスを作動させる、請求項１４に記載の作動方法。

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