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JP2006080122A - 量子ナノ構造半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】 埋め込み構造を用いることなく、簡単で再現性の良い製造プロセスを用いて作製できる構造であって、低閾値化と発振周波数の安定化に優れた量子ナノ構造半導体レーザを提供する。
【解決手段】 化合物半導体基板11上に形成され、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状で、その表面に、それぞれは光進行方向と直交して伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝22を有するリッジ21を設ける。このリッジ21の上に、一連の結晶成長により形成された下部クラッド層12、複数の量子細線13、上部クラッド層14を含む光導波路を設ける。複数の量子細線13はＶ溝22のそれぞれに対応した位置に形成されて、個々にそれぞれ、発振させるべきレーザ光のストライプ巾に対応する有限長のレーザ活性層領域を構成する。光導波路は台形形状であって、少なくとも量子細線13の高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層17以外の層では覆われないようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に分布帰還(DFB)半導体レーザに適用するに好適な量子ナノ構造半導体レーザの改良に関する。
半導体レーザにおいて、導波路の進行方向に屈折率や利得の周期構造を設けた分布帰還半導体レーザは発振波長を厳密に制御することが可能な点で、またファブリー・ペロー・レーザのように劈開工程の必要が無いので集積化が容易にもなる点で、今後の波長多重通信において用いる素子として極めて重要な役割を持つ。
こうした分布帰還半導体レーザに関し、まず問題となるのがその製造工程の簡素化である。初期の頃は、例えば下記非特許文献１に開示のように、基板から下部クラッド層、下部ガイド層、活性層および上部ガイド層を第一回目の結晶成長工程で形成し、ガイド層上に導波路内波長に対応したグレーティングを形成した後、別途な工程により第二回目の結晶成長を行い、周期構造を有するガイド層上に上部クラッド層を形成していた。
P.K.York,J.C.Connolly他，「MOCVD regrowth over GaAs/AlGaAs gratings forhigh power long-lived InGaAs/AlGaAs lasers」， Journal of Crystal Growth 124(1992) 709-715)。
さらに，こうした基本的工程群に加えて、横方向の閉じ込め効果を得るためには、光導波路に沿ったストライプを二酸化シリコン等をマスクにしてエッチングなどで形成し、第三回目の成長によりその側面を埋め込むと共に電流ブロック層を形成し、次に、選択成長に使用した二酸化シリコンマスクを除去して第四回目の成長を行うことで、オーミックコンタクトの形成および基板の平滑化を行っていた。
このような、多数回のリソグラフィおよび結晶成長は、製造コストの高騰を招き、産業への普及を阻害する。また、再成長界面が活性層の近傍にあるために、再結合電流などが増加し、閾値電流の増大の原因ともなる。従って、こうした手法は原理的に限界があり、将来的にもそのまま継続的に適用できる手法とはなり得ない。
一方、活性領域に量子細線や量子ドットを用いた量子ナノ構造半導体レーザでは、特定のエネルギー準位に電子系の状態密度が集中するために高性能な光デバイスの実現に適している。さらに、当初想定されていた量子効果以外にも種々の長所があることが判明し、例えば量子ドットでは特に、ドットの周りはバンドギャップの広い材料で囲まれているので、デバイス形状に拘わりなくキャリアをドット内に閉じ込め得るし、結晶成長条件を変更するのみで製造コストの増加を招かず、機能の追加を狙うこともできる。また、高速変調に際しても、キャリアの空間的な移動が抑制されるために、発振特性が安定であることが予測される。
ところで一般に、安定な高速変調を実現するためには、主発振モードとサイドモードとの利得比（サイドモード抑制比)が大きいことが必要である。従来の屈折変調型DFBレーザの場合、二本の等価な縦モードが存在し、共振器中央にレーザ活性層領域の媒質内波長の1／4に相当する移相機構を設けた移相シフトDFBレーザが考案されている。しかし、屈折変調型DFBレーザは、共振器方向に沿って光強度の分布が発生し、下記非特許文献２にて述べられているように、スペーシャル・ホール・バーニングによる発振モードの不安定性が問題になっている。一方、後に明らかになるように、本発明でもその範疇に属するレーザを提供できるが、利得変調型DFBレーザの場合、発振可能モードは唯１本で、しかも共振器方向に光強度の分布がないので、下記非特許文献３等に認められるように、良好な動的単一モードが得られている。結局、こうしたモード安定化と製作プロセスの簡素化が、これから本格的な「ファイバー・トゥ・ホーム（fiber to home)」の時代に入るに、そこで用いられる半導体レーザ等を構築する上で極めて有利に働く。
Haruhisa Soda他, "Stability in Single Longitudinal ModeOperation inGaInAsP/InP Phase-Adjusted DFB Lasers"，IEEE Journal of QuantumElectronics,Vol.QE-23, No.6, June 1987 S.Yang他,"EnhancedPerformance of Uncooled Strongly-Gain-Coupled MQW DFB lasers in 10Gb/s Link Applications", ECOC'01Proceedings-27th European Conference on Optical Communication Volume:2,Page(s): 124- 125 ( 2001)
換言すれば、製造工程の問題をクリアするにしても、上記のような構造を実現することをも目的とした方が合理的である。つまり、均一かつ高密度に量子細線や量子ドットを特定の法則性をもった位置関係に集積するに際し、一回の結晶成長でこれが実現できればそれに越したことはなく、これにより、波長制御された半導体レーザや、超高速固体レーザの自励発振に必要な過飽和吸収体を合理的に実現することができる。
光を半導体導波路に閉じこめるためには、上下のクラッド層を少なくとも 0.5〜1μm程度の厚さに形成する必要がある。そこで基板上にグレーティングを形成し、そのような厚さの下部クラッド層を成長した後にも、当該下部クラッド層の表面においてグレーティングを満足な形状に保持できれば、一回の結晶成長でクラッド層のグレーティングに近接した活性層を形成することが可能となり、分布帰還半導体レーザの製作工程を著しく簡素化し得ることになる。
こうした観点から、本発明者等はまず、下記特許文献１にて、化合物基板の初期形状と混晶比に応じ適切な結晶成長温度を設定することにより、成長厚さ方向に1μm以上、当該Ｖ溝形状を良好に保ちながら成長する技術を開示し、また、この形状保存成長技術を用いることで、量子細線を半導体光導波路に直交させ、レーザ活性層の媒質内波長の1／4の整数倍の周期に配置した構造を一回のMOCVD成長により構築することができ、モード競合の起こりにくい利得結合型DFBレーザを実現することに成功した。
特許第3536978号公報
さらに、本願出願時点では未だ公知ではないが、本発明者は既に特願2002-51548号において、半導体レーザのストライプ幅に応じて有限長の量子細線を形成することにより、一回の結晶成長により量子細線の両端を閉じた構造を実現した。光導波路に直交して通常の量子細線を形成した場合、細線に沿ってキャリアが光共振器外に散逸してしまうという問題を、この出願に開示の技術によって、量子細線の両端をクラッド層で囲むことで解決することができ、量子ドットが持つようなキャリア閉じこめ効果と量子細線の形状、位置制御性を同時に満足することができた。
できるだけ少ない結晶成長により光導波路構造および電流狭窄構造を形成し、制作工程の簡素化および低閾値化を達成する目的では、これまでにも多数の報告がある。例えば、下記特許文献２に認められるように、リッジ基板上のMOCVD選択成長において、側面に形成される高次面方位が基板面(100)面より成長速度の遅いことを利用し、一回の成長により埋め込み型ファブリー・ペロー・レーザを形成する技術がある。また、本件発明者等も、下記特許文献３に認められるように、誘電体の窓で成長領域を制限することで疑似埋め込み構造を有するファブリー・ペロー・レーザを形成する技術を開示した。
特許第2716693号公報 特許第2081665号公報
段差基板を用いる手法で、上記特許文献２に開示されたような埋め込み構造を形成することは可能であるが、サイリスタ効果による電流ブロック層の貫通電流の抑制が困難な点もある。そこで、下記特許文献４に認められるように、ｎ型基板にあらかじめｐ型の電流阻止層を設けたり、下記特許文献５に認められるように、ｎ型ブロック層の濃度を抑え、キャップ層のストライプ部分を選択拡散してｐ型高濃度コンタクト層を形成する等の改良がなされている。また、今後重要となる高速変調特性を向上させるためには、寄生容量の低減が重要となり、下記特許文献６ではAlAs酸化膜による電流狭窄を図っている。
特公平05-55692号公報 特開2003-234543号公報 特開2003-243774号公報
しかし、上記特許文献４〜６に開示された手法は素子の製造プロセスを複雑にする点で望ましくない。埋め込み構造に拘ることで、余計な手間や工夫を必要とする。一方、現時点では最も望ましいと考えられる、上記特許文献１に開示の技術を発展させた上記の既出願：特願2002-51548号に添付の明細書及び図面に開示されている手法でも、結晶成長後、エッチングによりリッジ導波路を形成するに際し、一般にリッジ導波路のエッチ深さの制御が困難で、特性上の再現性が得られにくいという問題が残っていた。
本発明は、こうした点に鑑みてなされたもので、上記特許文献2〜6に認められたような埋め込み構造を用いることなく、電流閉じ込め効果の高い光導波路構造ないし電流狭窄構造を段差基板上の一回の結晶成長により形成し、簡単で再現性の良い製造プロセスを用いて作製できる、低閾値化と発振周波数の安定化に優れた量子ナノ構造半導体レーザを提供せんとするものである。
本発明では、上記目的を達成するため、まず、独立請求項で定義される第一の発明として、
化合物半導体基板上に形成され、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状で、その表面に、それぞれは光進行方向と直交して伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有するリッジと；
このリッジの上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層、複数の量子細線、上部クラッド層を含む光導波路とを有し；
複数の量子細線はＶ溝のそれぞれに対応した位置に形成されて、個々にそれぞれ、発振させるべきレーザ光のストライプ巾に対応する有限長のレーザ活性層領域を構成していると共に；
光導波路は台形形状であって、少なくとも量子細線の高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないこと；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザを提案する。
ここで、製法上の利便性とその後の一連の結晶成長における有利性を考え、上記のリッジは、逆メサ形状である構造も提案し、また、リッジの高さを、リッジ上にのみ限定しての結晶成長ではなく、リッジの周りの化合物半導体基板上にも、同時に下部クラッド層、レーザ活性領域、上部クラッド層を含む積層構造を構成するのと同じ各層材料から成る積層構造を成長させた場合にも、当該リッジの周りに形成された積層構造の上面が、少なくともリッジ上に形成された下部クラッド層の高さを越えない高さとなるように図ることも提案する。
本発明ではまた、独立請求項で定義される第二の発明として、
化合物半導体基板上に形成された誘電体層に開けられるか誘電体層で挟まれ、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状に化合物半導体層を露出する窓と；
この窓を介して露出した化合物半導体基板の表面に、それぞれは光進行方向と直交して伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝と；
窓を介して露出しているこれら複数のＶ溝の上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層、複数の量子細線、上部クラッド層を含む光導波路とを有し；
複数の量子細線は、Ｖ溝のそれぞれに対応した位置に形成されて、個々にそれぞれ、発振させるべきレーザ光のストライプ巾に対応する有限長のレーザ活性層領域を構成していると共に；
上記光導波路は台形形状であって、少なくとも上記量子細線の高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないこと；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザを提案する。
上記の構成において、量子細線の各々の両端が、それぞれ光導波路の内部に位置することで、それら量子細線の各々は実質的に上下のクラッド層により全体が覆われている構成や、量子細線の各々の両端が、それぞれ船の舳先のように収束して閉じた形状となっている構成も提案できる。
さらに、独立請求項で定義できる第三の発明として、
化合物半導体基板上に形成され、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状で、その表面に、それぞれは光進行方向と直交して伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有するリッジと；
このリッジの上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層、臨界膜厚以上の成長により形成された複数の量子ドット、上部クラッド層を含む光導波路とを有し；
複数の量子ドットは、Ｖ溝のそれぞれに対応した位置に形成され、個々のＶ溝に対応する位置内の量子ドットは、あいまって発振させるべきレーザ光のレーザ活性層領域を構成していると共に；
光導波路は台形形状であって、少なくとも量子ドットの高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないこと；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザも提案する。なお、こうした構成においても、既述したリッジの形状、高さに関する限定を望ましくは援用することができる。
本発明では、同じく独立請求項で定義できる第四の発明として、
化合物半導体基板上に形成された誘電体層に開けられるか誘電体層で挟まれ、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状に該化合物半導体層を露出する窓と；
該窓を介して露出した該化合物半導体基板の表面に、それぞれは上記光進行方向と直交して伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝と；
該窓を介して露出した該複数のＶ溝の上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層、臨界膜厚以上の成長により形成された複数の量子ドット、上部クラッド層を含む光導波路とを有し；
該複数の量子ドットは、上記Ｖ溝のそれぞれに対応した位置に形成され、個々のＶ溝に対応する位置内の量子ドットはあいまって上記発振させるべきレーザ光のレーザ活性層領域を構成していると共に；
上記光導波路は台形形状であって、少なくとも上記量子ドットの高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないこと；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザも提案する。
上記の本発明各態様において、望ましい材質例も提案でき、上記のＶ溝は、GaAs(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり、レーザ活性層領域、すなわち量子細線あるいは量子細線ドットは、この有限長のＶ溝上に成長させられたGaAsまたはInGaAsから作製されたものであって、この量子細線または量子細線ドットを覆うように、GaAsまたはAlGaAsのクラッド領域が設けられている半導体レーザや、Ｖ溝がInP(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線ないし量子細線ドットは、この有限長のＶ溝上に成長させられたInGaAsから作製されたもので、この量子細線または量子細線ドットを覆うように、InAlAsあるいはInPのクラッド領域が設けられている半導体レーザとすることができる。
ここで、上記したＶ溝の並設周期は、上記レーザ活性層領域の媒質内波長の1／4の整数倍の周期とするのが普通であり、このような半導体レーザは、利得結合型または屈折率結合型の分布帰還レーザとして用い得るが、意図的に当該1／4の整数倍の周期から変位させると、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることができ、モードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
本発明ではまた、上記した本発明による量子ナノ構造半導体レーザの応用装置も提案できる。例えば、上記したいずれかの構成に従う量子ナノ構造半導体レーザの光進行方向の前後のどちらかに一つ、または双方に一つずつの計二つ、発振させるべきレーザを変調する変調器を設けた装置は汎用性のある応用使途が考えられる。
さらに、上記したいずれかの構成の本発明量子ナノ構造半導体レーザを拡散光トモグラフィ装置の光源として用いることも提案できる。
本発明によると、望ましくは一回の選択成長により、有限長の高密度多重量子細線や量子ドットが量子ナノ構造半導体レーザのデバイス構造における所望の位置に形成され、さらに半導体レーザや変調器に必要な光導波路構造が実現するため、製作プロセスが極めて簡単になる。
また、上掲の従来例に認められたような埋め込み構造を持たないため（すなわち、光導波路において少なくともレーザ活性領域の高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないため）、埋め込みに用いている半導体層（導電層）による電流リークの問題等が本質的に発生せず、キャリア注入条件によるサイリスタ効果も発生しない。従来構造においては必要であった、そうした不具合に対処する措置を全く必要としない利点がある。寄生容量も小さくなるので、高速動作にも適している。
さらに、量子細線の配列をチャープさせたモードロックレーザ等、さらに高度な量子ナノ構造半導体レーザを得るのも簡単になり、光多重通信用の多波長半導体レーザアレイ、半導体変調器等、種々の光機能素子への有意な応用が期待できる。
将来的に見ると、通信波長帯はなお拡大する方向にあり、1.0〜1.6μmの波長帯域が重要となりつつあるが、本発明を利用することにより、波長範囲を拡大することができる。再成長が必要無いため、クラッド層としてバンドギャップの大きなAl組成を含んだ混晶を使用すること等もできるので、動作温度に影響されにくい（Toの高い）レーザを作製することが可能となり、一般家庭や自動車等、温度条件を厳密に制御することが困難な民生用途に適した波長安定化レーザを実現することができる。
既述のように、本発明の量子ナノ構造半導体レーザでは寄生容量が低く、レーザ本体が直接高速変調に適しているし、導電性の埋め込み層等は無いために、電極を分割することで簡単に変調器部分を形成することも可能になる。例えばレーザ発振部の両端に変調領域を設けることで可干渉二波長変調光を得ることができる。この構造を利用しての光ヘテロダイン検出法は、光検出器の低周波ノイズの影響を除去し、直進光成分を分離できる利点があり、生体等、散乱の大きい対象の撮像に関して有効である。したがってさらに、本発明による変調器付き分布帰還量子ナノ構造半導体レーザで発生した二波長光を利用し、有効で小型な拡散光トモグラフィ装置を構成することも可能になる。
図１(A) には、本発明に従って構成された望ましい第一の実施形態としての量子ナノ構造半導体レーザ10の構造例が示され、同図(B)には要部の拡大図が走査型電子顕微鏡写真による撮像画像として示されている。全体の物理的ないし機械的支持基板ともなっている化合物半導体基板11には、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状で、図示の場合は製法上、好ましい形である逆メサ形状のリッジ21が形成されている。このリッジ21の表面には、それぞれは当該リッジ21の長さ方向（光進行方向）と直交して伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝22が穿たれている。
このリッジ21の上には、先掲の特許文献１を初め、既に公知となっている手法により、少なくとも下部クラッド層12、各Ｖ溝22のある位置に対応した位置に形成される有限長の量子細線13、上部クラッド層14の他、さらにその上にキャップ層15も結晶成長させられており、こうした全体構造の上に、平坦化および電極分離のため、絶縁層17、例えば望ましくはポリイミド層17が形成されている。また、図示の実施形態では、実際には下部、上部の各クラッド層12，14と量子細線13の間に、ガイド層31も設けられている。レーザ発振構造を得るのにこうしたガイド層31を挟み込むこと自体は公知であり、設計事項である。
リッジ21上にこのような積層構造12〜15を成長させるのに際し、これも公知の結晶成長（材質的にはIII-V化合物選択成長)における結晶方位異方性を利用すれば、リッジ21上に成長させられて実質的に発振させるレーザ光の光導波路構造となる部分は、自然に高次結晶面による台形形状23となる。換言すれば半導体レーザを構築する上で必要な各層を結晶成長により形成すると同時に、必要な光導波路の幾何的構造も追加加工なしに決定できることになる。
本発明によるこうした量子ナノ構造半導体レーザ10では、実質的にレーザ活性層領域となる複数の量子細線13は、リッジ21の幅をはみ出すことがなく、その量子細線自身の長さ方向（光進行方向とは直交する方向）の両端は、望ましくは図示のように、船の舳先のように収束して閉じていて、電流の横方向閉じ込めに関し、高い閉じ込め能力を得ることができる。
そして、本発明では埋め込み構造は全く採用されておらず、光導波路の台形形状23の周側面はこの実施例の場合、ポリイミド層である絶縁層17にてのみ覆われ、従来の埋め込み構造に見られるような半導体層等、導電性を有する層により覆われていることはない。そのため、そうした埋め込み層を介しての電流リークの問題はそもそも発生せず、寄生容量も小さくなるので高速動作性に優れている。もちろん、従来は時として必要であった、そうした電流リークを防ぐ別途な工夫、手間も不要となる。
なお、図示の場合には、リッジ21上にのみ限定しての結晶成長ではなく、リッジ21の周りの化合物半導体基板11上にも同時に上記の下部クラッド層12、複数の量子細線13、上部クラッド層14、キャップ層15を構成する各層材料12a,13a,14a,15aから成る積層構造を成長させてしまうことを考えているが、こうした場合にも、当該リッジ21の周りに形成された当該積層構造の上面が、少なくともリッジ上に形成された下部クラッド層の高さを越えないようにリッジ21の高さを十分に取っている。実際、図示の場合にはリッジ21の高さは十分高く、リッジ21の周りにあって化合物半導体基板11上に積層形成された積層構造の上面はリッジ21の上縁24よりもずっと下にある。換言すれば、リッジ21の高さが図示の場合よりずっと低くても、リッジ21の周りに積層された層が、あたかも埋め込み構造におけると同様、光導波路の下部クラッド層12を越えて光導波路の周側面を覆ってしまうようなことがないように、リッジ高さを確保する，ということである。なお、このように、他の導電性層による被覆を防げるのであれば、特に光導波路の周側面を絶縁層17にて覆わず、露出させたままにしての使用も十分考えられる。
先にも述べたように、本発明の量子ナノ構造半導体レーザ10を作製する手法自体は公知手法に依ることができるが、ここで参考のため、本発明量子ナノ構造半導体レーザ10の作製例に就き述べておく。
まず図２(A)に示すように、(100)基板11上に[1-10]方向に有限長Ｖ溝群22をレーザ活性領域の媒質内波長の1／4の整数倍の周期で形成し、さらに[110]方向にＶ溝の幅に対応したメサ構造（ここでは逆メサ形状）を形成して、ストライプ状のリッジ21を構築する。図２(B)は実際の作製過程において得られた、Ｖ溝22の整列の模様を良く示す走査型電子顕微鏡写真である。
次に、図３(A),(B)に示すように、例えばAl組成比が 0.4程度のＮ型AlGaAs下部クラッド層12、Al組成比が 0.2程度のノンドープAlGaAsガイド層31を形成し、さらにIn組成比が0.1程度のInGaAs量子細線13を形成した後に、Al組成比が0.2程度のノンドープAlGaAsガイド層31（形成後には量子細線11を覆う一体部材のようにもなることから、図中では上下ガイド層を共に符号31で示している)、Al組成比が0.4程度のＰ型AlGaAs上部クラッド層14、Ｐ型GaAsキャップ層15を連続的に成長させる。ここでは、量子細線13は、例えば特許文献１に開示されているような公知の手法に従い、三重のものとなっているが、この積層数は必要に応じた任意の問題である。また、図３(B)は、図３(A) の特にリッジ21の部分における各層積層関係を模式的に示すものである。
図４(A),(B)は、このようにして作製されたリッジ21上の構造部分の透過型電子顕微鏡による得られた断面図(TEM断面図)を示している。図４(B) は図４(A)の要部の拡大図であり、各符号はもちろん、これまでに説明してきた図面における同一符号が示す構成要素と同じ構成要素を示しており、この点はまた、本明細書を通じて他の実施形態に関する他の図面においても同様である。リッジ21に穿たれたＶ溝の形状は、約1μmの厚さの下部クラッド層12を介しても当該下部クラッド層上面において十分良好に保存され、その上にノンドープAlGaAsガイド層31、湾曲した三重InGaAs量子細線13が形成されている。この後、ポリイミドにて側面を被覆し、適宜電極を形成すれば、既に図１に掲げた、本発明に従う量子ナノ構造半導体レーザ10として、特に分布帰還型半導体レーザ10が完成する。
既に述べた既出願：特願2002-51548号に開示の構造でも、周期配列された量子細線13の長さ方向の両端が閉じて有限長となっているため、少数キャリアの横方向の拡散が抑制されるが、本発明による構造では側面(111)面の結晶成長速度が遅いため、横方向の閉じこめがより強固になる。また、光導波路が結晶成長により自然に形成されるため、従来に比し、より低閾値でのレーザ発振が可能となり、しかもこれが、基板加工の後、一回の成長と平坦化、電極形成という、より簡単なプロセス手法で可能となる。
なお、既存の作製技術として、GaAs(100)基板に限らず、GaAs(311)A基板を用いても、その[01-1]方向にＶ溝を形成する実例があるので、GaAsまたはInGaAs量子細線13はこうした基板上にも形成できるし、InP(100)または(311)A基板を用いて、その[01-1]方向に有限長のInGaAs量子細線13を形成することもできる。
図５(A) は、赤外顕微鏡により撮像した、本発明により作製されたリッジ導波路付き分布帰還半導体レーザ10の作製例における発光分布の一例を示す近視野像であり、図５(B)
は図５(A) の説明図である。発光部分51は、量子細線活性層が形成されている領域に限定され、有効な電流集中が実現できていることを示す。また、こられの図面に示すように、基板上に予め形成するリッジ21は、いわゆるダブルチャネル52に挟まれた構造でも良い。こうした構造は、平坦化が容易である利点がある。
図６は、図５の近視野を撮った素子の電流、光出力特性例を示している。その閾値電流は15mAと極めて優秀で、既掲の既出願：特願2002-51548号に開示の構造で本発明者が得ることに成功した値、28mAに比較し、半減している。
図７は、同じく図５の画像を撮った素子の発振スペクトラムを示しており、パルス駆動においても、閾値の三倍程度に及ぶまで、安定な縦単一モードが得られていることを示している。
本発明に従う光導波路構造を作成する手法として、これまで述べてきたリッジ21を有する基板（リッジ基板と略称できる）の代わりに、既掲の特許文献３にて開示されているように、化合物半導体基板上に形成された誘電体層に開けられるか誘電体層で挟まれ、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状に化合物半導体層を露出する窓を有する基板11も利用することができる。
図８はそうした実施形態の一つを示しており、化合物半導体基板11上に一対の誘電体ストライプ61，61が形成され、その間のストライプ状の窓25における化合物半導体基板11の表面に、それぞれは当該ストライプ状の窓の長さ方向（作成後の発振レーザ光の進行方向となる）と直交して伸び、互いには当該長さ方向（光進行方向）に沿って平行に並設された複数のＶ溝22が穿たれている。こうした構造を実現するためには、例えば、まず誘電体薄膜を形成し、電子線露光装置またはエキシマレーザステッパ等により、有限幅のストライプ形状の開口（窓）25を形成する。その後、ウェットエッチングによりＶ溝22を基板11の表面に形成してから二本のストライプ形状をフォトトレジストで保護し、不要な誘電体薄膜をドライあるいはウェットプロセスにより除去する。
こうした構造の上に、これは既に図３，４で示したと同様のエピタキシャル薄膜を結晶成長させると、図９に示すように、本発明に従う第二の実施形態による量子ナノ構造半導体レーザ10が実現する。この構造でも、窓25の上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層14、複数の量子細線13、上部クラッド層12、さらにこの場合はキャップ層15を含む光導波路が一回の選択成長により自己形成的に台形形状に構築され、この光導波路にあって少なくとも量子細線13の高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないようにすることができる。このように誘電体マスクを用いる場合、マスク端面の凹凸や、マスク上に発生する多結晶の影響により、境界面の平滑性にはリッジ21を用いる実施形態に比べて劣るものの、深いウェットエッチング工程が省略できることにより、基板形状の再現性が高いという利点が生まれる。なお、一対の誘電体ストライプ61，61で挟まれた窓25に代え、誘電体層に開けられた窓25、すなわち枠型の誘電体層で囲まれた窓25を用いることもできる。
材質についても、本発明による構造が実現できれば制限はないが、Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させると、量子細線に代え、InGaAsまたはInAs量子ドットが各Ｖ溝に対応する位置に複数個形成さる。図示してはいないが、これは既述した第一、第二の実施形態の各改変構造となり、それぞれ本発明の要旨構成上、第三、第四の独立請求項で規定され得る発明となるが、こうした量子ドットをレーザ活性層領域として利用する構造では、光電流の閉じ込め効果がより強くなる。こうした構造の場合にも、Ｖ溝基板は
GaAs(100)または(311)A基板かInP(100)または(311)A基板であることが望ましい。
さて、半導体レーザの直接電流駆動による高速変調では、緩和振動数による変調周波数の制限があり、また変調時の周波数変位が問題となる。そこで、40GHz以上の動作速度においては、連続波(CW)状態で駆動した半導体レーザを、外部あるいは隣接した変調器で強度変調ないし位相変調することが行われている。本発明に従い構成された量子ナノ構造半導体レーザは、レーザ本体の静電容量が低く、電流阻止層に沿った横方向の導通が無いために、変調器複合型半導体レーザを構築するのに適している。
そこで例えば、図10に示すように、本発明による分布帰還半導体レーザ10の光進行方向の前後に一つずつ、計二つの変調器71，72を設けることにより、互いに可干渉性の高い二光束を生成し得る変調器付き分布帰還半導体レーザ70を構築することができる。これで第一の変調器71を周波数f1、第二の変調器72を周波数f2に設定すれば、光ヘテロダイン変復調方式に必要な発振周波数の異なる可干渉二光束を発生することができる。なお、変調器部分の構成自体については公知であり、下記特許文献７に開示のような電界吸収効果素子を用いるものや、下記特許文献８等に認められるように、マッハチェンダ型変調器とすることができる。
特公平7-32279公報 特許第2817602号公報
また、本発明によるリッジ導波路付き分布帰還半導体レーザ10の中央部分の電極18を分離し、ここに可飽和吸収体を設けることで、モードロック半導体レーザを実現することができる。
さらにモードロックについては、下記特許文献９に開示されているように、Ｖ溝22の並設周期を既述してきた所とは異なり、意図的にレーザ活性層領域の媒質内波長の1／4の整数倍の周期から変位させることで発振モード間の分散補償を図ることができるので、本発明により作製される量子ナノ構造半導体レーザにおいてもこれを利用し、モードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたり、導波路モードを安定化させることもできる。
特許第3338869号公報
以下では本発明により実現される量子ナノ構造半導体レーザ10の有意義な応用装置例について説明する。まず図11には、ハイブリッド実装が可能な多波長ヘテロダイン変復調モジュール80の構成例が模式的に示されていて、ここでは図１，９に示した分布帰還型の本発明量子ナノ構造半導体レーザ10の両端に図10に示したように変調器71，72を取り付けて構成した変調器付き分布帰還半導体レーザ70が複数個、アレイ状に用いられている。この構造を便宜上、多波長レーザ変調器アレイ73と呼ぶ。変調器付き分布帰還半導体レーザ70の個々における各変調器は、それぞれ光スプリッタ81，81を介し、二波長（二周波数f1，f2）に対応した二本の出力光ファイバ82，83に接続している。一方で受光ファイバ84はアレイ型の波長分波器85を介し、適当なる光検出器、望ましくは未だ公開にはなっていないが既出願：特願2004-5580号にて開示されている光検出素子を用いたゲート付き光ディテクタアレイ86に接続し、光ディテクタアレイ86と多波長レーザ変調器アレイ73は変復調集積回路87により接続されて受光信号が処理され、多波長レーザ変調器アレイ73の動作が制御される。
このような多波長ヘテロダイン変復調モジュール80は様々な応用が考えられるが、例えば図12は、本発明の量子ナノ構造半導体レーザ10を用いて構成され、図11に示した多波長ヘテロダイン変復調モジュール80を拡散光トモグラフィ（Diffuse Optical Tomography: DOT）装置90に応用した例を示している。既述の変調器付きレーザアレイ73からの出力光は、多数の出力光ファイバ群91から光ファイバコリメータ93を介して生体試料（図示の場合は人の頭部）95に照射され、微弱な反射光ないし透過光は、受光用に設けられている光ファイバコリメータ93により集光され、局所光となるもう一群の出力光ファイバ群92の光と合波された後、受光ファイバ94から光ファイバディテクタアレイ86に導かれる。
こうした医療電子技術では、例えば下記非特許文献４に認められるように、無侵襲な脳機能イメージング手法として、近赤外光トポグラフが注目され、脳の表面付近における活動状況が明らかになりつつある。しかし、従前のこうした技術は、光ヘテロダイン方式ではなく、電気的なロックインアンプによる検出のため、光ディテクタによる雑音の影響が大きく、また、数十台のロックインアンプを用意するために装置自体の可搬性が失われ、必ずしも医療現場に適用できる状況にはないという問題があった。これに対して、光による生体観察は、現状では、手術中の脳内酸素量モニタや血流計として１〜数チャネルの簡単な装置が市販されている程度であるが、図12のような本発明を利用しての技術に従い、多波長ヘテロダイン変復調モジュール80により、百チャンネル程度のコヒーレント三次元光トモグラフィ装置をコンパクトに実現すれば、臨床医療に大きく貢献し得る。
小泉英明他、"脳と心を観る - 無侵襲高次脳機能イメージング"電気通信学会誌 平成１６年３月 vol.87 No.3 p.207-214
なお、一般的に言って、レーザアレイを構成する各エレメント、すなわち本発明に従って構成された個々の量子ナノ構造半導体レーザ10からの発光は、変調周波数あるいはビット変調符号系列等により判別可能であるため、多元計測に必ずしも波長を変化させる必要はない。しかし、例えばヘモグロビンの光吸収スペクトラムは酸素の吸着状態により変化するため、780nmおよび830nmの二波長用レーザを用意し、それらの波長におけるスペクトラム変化を比較する等、有効な応用も考えられる。こうした場合に、本発明に従って構成された分布帰還型半導体レーザは再成長を必要としないため、酸化が問題になるAlGaAs系材料を用いる上記波長帯において特に有効である。
その他、本発明の量子ナノ構造半導体レーザを用いての応用例は多岐に亘り、他の医療電子装置の外、光ルータや、構築が必須とされている光ネットワークの開発にも大いに寄与するものである。なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本願要旨構成に即する限り、任意の改変が自由である。
同図(A) は本発明により構成された量子ナノ構造半導体レーザの第一の実施形態の概略的な斜視図であり、同図(B)は要部を拡大して示す走査型電子顕微鏡による図面代用写真である。 同図(A) はＶ溝の幅に対応したメサ構造のストライプ状リッジを示す概略構成図、同図(B)はその要部構造を走査顕微鏡を用いて撮像した図面代用写真である。 同図(A) はリッジ上の光導波路部分を説明する概略構成図であり、同図(B)はその積層関係を模式的に説明する説明図である。 同図(A)は、リッジ上の構造部分の透過型電子顕微鏡による得られた断面図の図面代用写真であり、同図(B)はその要部拡大図としての図面代用写真である。 同図(A) は本発明によるリッジ導波路付き分布帰還半導体レーザの作製例における発光分布例を赤外顕微鏡で撮像した図面代用写真であり、同図(B)はその説明図である。 図５の画像を撮った素子の電流、光出力特性である。 図５の画像を撮った素子の発振スペクトラムである。 本発明に従う第二の実施形態を作製する際の初期の工程における説明図である。 本発明に従う第二の実施形態による量子ナノ構造半導体レーザの概略構成図である。 本発明により構成された変調器付き量子ナノ構造半導体レーザの概略構成図である。 本発明による量子ナノ構造半導体レーザを含んで構成された多波長ヘテロダイン変復調モジュールの概略構成図である。 本発明による量子ナノ構造半導体レーザを用いて構成される拡散光トモグラフィ装置の概略構成図である。
符号の説明
10 本発明による量子ナノ構造半導体レーザ
11 化合物半導体基板
12 下部クラッド層
13 量子細線
14 上部クラッド層
15 キャップ層
17 絶縁層（ポリイミド層）
18 電極
21 リッジ
22 Ｖ溝
23 台形形状
24 リッジの上縁
25 窓
31 ガイド層
51 発光部分
52 ダブルチャネル
61 誘電体ストライプ
71，72 変調器
80 多波長ヘテロダイン変復調モジュール
81 光スプリッタ
82，83 出力光ファイバ
84 受光ファイバ
85 アレイ型波長分波器
86 光ディテクタアレイ
87 変復調集積回路
90 拡散光トモグラフィ装置
91，91 出力光ファイバ群
93 光ファイバコリメータ
94 受光ファイバ群
95 生体試料

Claims (14)

  1. 化合物半導体基板上に形成され、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状で、その表面に、それぞれは該光進行方向と直交して伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有するリッジと；
    該リッジの上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層、複数の量子細線、上部クラッド層を含む光導波路とを有し；
    該複数の量子細線は、上記Ｖ溝のそれぞれに対応した位置に形成されて、個々にそれぞれ、上記発振させるべきレーザ光のストライプ巾に対応する有限長のレーザ活性層領域を構成していると共に；
    上記光導波路は台形形状であって、少なくとも上記量子細線の高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないこと；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  2. 化合物半導体基板上に形成された誘電体層に開けられるか誘電体層で挟まれ、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状に該化合物半導体層を露出する窓と；
    該窓を介して露出した該化合物半導体基板の表面に、それぞれは上記光進行方向と直交して伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝と；
    該窓を介して露出した該複数のＶ溝の上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層、複数の量子細線、上部クラッド層を含む光導波路とを有し；
    該複数の量子細線は、上記Ｖ溝のそれぞれに対応した位置に形成されて、個々にそれぞれ、上記発振させるべきレーザ光のストライプ巾に対応する有限長のレーザ活性層領域を構成していると共に；
    上記光導波路は台形形状であって、少なくとも上記量子細線の高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないこと；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  3. 化合物半導体基板上に形成され、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状で、その表面に、それぞれは該光進行方向と直交して伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有するリッジと；
    該リッジの上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層、臨界膜厚以上の成長により形成された複数の量子ドット、上部クラッド層を含む光導波路とを有し；
    該複数の量子ドットは、上記Ｖ溝のそれぞれに対応した位置に形成され、個々のＶ溝に対応する位置内の量子ドットはあいまって上記発振させるべきレーザ光のレーザ活性層領域を構成していると共に；
    上記光導波路は台形形状であって、少なくとも上記量子ドットの高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないこと；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  4. 化合物半導体基板上に形成された誘電体層に開けられるか誘電体層で挟まれ、発振させるべきレーザ光の光進行方向を長さ方向とするストライプ状に該化合物半導体層を露出する窓と；
    該窓を介して露出した該化合物半導体基板の表面に、それぞれは上記光進行方向と直交して伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝と；
    該窓を介して露出した該複数のＶ溝の上に一連の結晶成長により形成された下部クラッド層、臨界膜厚以上の成長により形成された複数の量子ドット、上部クラッド層を含む光導波路とを有し；
    該複数の量子ドットは、上記Ｖ溝のそれぞれに対応した位置に形成され、個々のＶ溝に対応する位置内の量子ドットはあいまって上記発振させるべきレーザ光のレーザ活性層領域を構成していると共に；
    上記光導波路は台形形状であって、少なくとも上記量子ドットの高さ位置以上での周側面は埋め込まれずに露出するか、または絶縁層以外の層では覆われていないこと；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  5. 請求項１または３記載の量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記リッジは、逆メサ形状であること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  6. 請求項１または３記載の量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記リッジの高さは、該リッジ上にのみ限定しての結晶成長ではなく、該リッジの周りの上記化合物半導体基板上にも同時に上記下部クラッド層、上記レーザ活性領域、上記上部クラッド層を含む積層構造を構成するのと同じ各層材料から成る積層構造を成長させた場合にも、該リッジの周りに形成された該積層構造の上面が、少なくとも上記リッジ上に形成された上記下部クラッド層の高さを越えない高さとなっていること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  7. 請求項１または２記載の量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記量子細線の各々の両端は、それぞれ上記光導波路の内部に位置することで、該量子細線の各々は実質的に上記上下のクラッド層により全体が覆われていること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  8. 請求項７記載の量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記量子細線の各々の両端は、それぞれ船の舳先のように収束して閉じた形状となっていること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  9. 請求項１から４のどれか一つに記載された量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記Ｖ溝は、GaAs(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
    上記レーザ活性層領域は、該有限長のＶ溝上に成長させられたGaAsまたはInGaAsから作製されたものであって；
    上記下部クラッド層及び上部クラッド層の材質は、GaAsまたはAlGaAsであること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  10. 請求項１から４のどれか一つに記載された量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記Ｖ溝は、InP(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
    上記レーザ活性層領域は該有限長のＶ溝上に成長させられたInGaAsから作製されたものであって；
    上記レーザ活性層領域を覆うように、InAlAsあるいはInPの上記下部クラッド層及び上記上部クラッド層が設けられていること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  11. 請求項１から４のどれか一つに記載された量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記Ｖ溝の並設周期は、上記レーザ活性層領域の媒質内波長の1／4の整数倍の周期であること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  12. 請求項１から４のどれか一つに記載された量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記Ｖ溝の並設周期は、上記レーザ活性層領域の媒質内波長の1／4の整数倍の周期から意図的に変位させてあること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  13. 請求項１から４のどれか一つに記載された量子ナノ構造半導体レーザであって；
    上記光進行方向の前後のどちらかに一つ、または双方に一つずつの計二つ、上記発振させるべきレーザを変調する変調器を有すること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
  14. 請求項１から４のどれか一つに記載された量子ナノ構造半導体レーザであって；
    拡散光トモグラフィ装置の光源として用いられていること；
    を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
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