特表 2023-540832 複数のモノリシックレーザダイオードを含むＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ端面発光型半導体レーザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-27

(54)【発明の名称】複数のモノリシックレーザダイオードを含むＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ端面発光型半導体レーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/40 20060101AFI20230920BHJP

   H01S 5/22 20060101ALI20230920BHJP

   H01S 5/24 20060101ALI20230920BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20230920BHJP

   H01S 5/042 20060101ALI20230920BHJP

【ＦＩ】

H01S5/40

H01S5/22

H01S5/24

H01S5/343

H01S5/042 610

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022574185

(86)(22)【出願日】2021-05-10

(85)【翻訳文提出日】2023-01-30

(86)【国際出願番号】 US2021031540

(87)【国際公開番号】W WO2021247201

(87)【国際公開日】2021-12-09

(31)【優先権主張番号】16/889,963

(32)【優先日】2020-06-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】507092089

【氏名又は名称】セミネックス・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＳＥＭＩＮＥＸ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100205659

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 拓也

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100185269

【弁理士】

【氏名又は名称】小菅 一弘

(72)【発明者】

【氏名】アボウッジャ シディ

(72)【発明者】

【氏名】ビーン デイヴィッド エム．

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA08

5F173AD04

5F173AD10

5F173AF06

5F173AF15

5F173AF58

5F173AG20

5F173AH14

5F173AJ03

5F173AP42

5F173AR02

5F173AR07

5F173AR14

(57)【要約】

アルミニウムインジウムガリウムヒ素リン化ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料系を用い、長波長（１２５０ｎｍ～１７２０ｎｍ）で放射する複数のレーザダイオードを含むモノリシックな端面発光型半導体レーザ装置である。各レーザダイオードは、アルミニウムインジウムガリウムヒ素量子井戸（ＡｌＩｎＧａＡｓ ＱＷ）とアルミニウムインジウムガリウムヒ素（ＡｌＩｎＧａＡｓ）障壁とを含む活性領域を備え、トンネル接合部と呼ばれる高濃度ドープ、低バンドギャップ及び低抵抗性のインジウムガリウムヒ素接合により、その後のモノリシックレーザダイオードに接続される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウムインジウムガリウムヒ素リン化ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料系を用い、長波長（１２５０ｎｍ～１７２０ｎｍ）で放射する複数のモノリシックレーザダイオードを含む端面発光型半導体レーザ装置であって、
前記モノリシックレーザダイオードは、１つ以上のトンネル接合部により互いに接続され、
各モノリシックレーザダイオードは、比率の異なるアルミニウム、ガリウム、インジウム、ヒ素で構築された障壁及び３つ以下の量子井戸を有する活性領域を備える、端面発光型半導体レーザ装置。

【請求項2】

アルミニウムインジウムガリウムヒ素の量子井戸のサイズは、５ｎｍ～１０ｎｍであり、前記活性領域は、Ｐドープされた閉じ込め層が５ｅ１６ｃｍ^－３－２５％／＋５０％の濃度で始まり、最終濃度１ｅ１７ｃｍ^－３－２５％／＋５０％まで増加する逆導電型ドーピングの２つの閉じ込め層の間に配置され、前記Ｐドープされた閉じ込め層の直後の界面層は、前記閉じ込め層の最終ドーピング濃度と１ｅ１８ｃｍ^－３＋／－３００％との間の一定のドーピング濃度を有する、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

１ｅ１７ｃｍ^－３と６ｅ１７ｃｍ^－３との間のドーピング濃度を有する各モノリシックレーザダイオードにおけるＩｎＰ基板とクラッド層を更に含む、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

各モノリシックレーザダイオードのＰドープされたクラッド層には、亜鉛がドープされる、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

各モノリシックレーザダイオードは、活性領域と少なくとも１つのクラッド層との間のアルミニウムインジウムヒ素層を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

各モノリシックレーザダイオードにおけるアルミニウムインジウムヒ素層には、亜鉛がドープされ、濃度が１ｅ１８ｃｍ^－３以下である、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記モノリシックレーザダイオードの数は、２つ、３つ、４つであり、各モノリシックレーザダイオードは、屈折率分布型の閉じ込め層を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

１つ、２つ又は全てのモノリシックレーザダイオードにおいて、Ｐ型アルミニウムインジウムガリウムヒ素導波路層は、１ｅ１７ｃｍ^－３以下である、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

１つ、２つ又は全てのモノリシックレーザダイオードにおいて、Ｐ型アルミニウムインジウムガリウムヒ素クラッド層のドーピング濃度は、１ｅ１８ｃｍ^－３以下である、請求項１に記載の装置。

【請求項10】

１つ、２つ又は全てのモノリシックレーザダイオードにおいて、Ｎ型アルミニウムインジウムガリウムヒ素導波路層のドーピング濃度は、１ｅ１７ｃｍ^－３以下である、請求項１に記載の装置。

【請求項11】

１つ、２つ又は全てのモノリシックレーザダイオードにおいて、Ｎ型アルミニウムインジウムガリウムヒ素クラッド層のドーピング濃度は、５ｅ１７ｃｍ^－３以下である、請求項１に記載の装置。

【請求項12】

各モノリシックレーザダイオードにおける複数の空間モードをサポートする上部モノリシックレーザのリッジ導波路構造を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項13】

前記活性領域を介して上部ｐ型インジウムガリウムヒ素接触層からエッチングされた溝を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項14】

前記溝の深さは、２μｍ～１０μｍであり、前記溝を形成する壁は、４５度～８０度の角度で傾斜する、請求項１３に記載の装置。

【請求項15】

開口幅は、２～３５０μｍであり、キャビティの長さは、０．５ｍｍ～４ｍｍである、請求項１に記載の装置。

【請求項16】

光は、１２５０μｍ及び１７２０μｍのスペクトル範囲で放射する、請求項１に記載の装置。

【請求項17】

複数のモノリシックレーザダイオードを含むリン化インジウム基板上に成長した端面発光型半導体レーザであって、前記モノリシックレーザダイオードは、トンネル接合部により互いに接続され、各モノリシックレーザダイオードは、比率の異なるアルミニウム、ガリウム、インジウム、ヒ素で構築された障壁及び量子井戸を有する活性領域を備え、複数の活性領域の前記量子井戸の構造は、少なくとも２つの放射領域が少なくとも５ｎｍだけ異なる放射波長を有するように、層の厚さ及び／又は材料組成の点で互いに異なる、端面発光型半導体レーザ。

【請求項18】

複数のモノリシックレーザダイオードを含むリン化インジウム基板上に成長した端面発光型半導体レーザ装置であって、前記モノリシックレーザダイオードは、トンネル接合部により互いに接続され、各モノリシックレーザダイオードは、比率の異なるアルミニウム、ガリウム、インジウム、ヒ素で構築された障壁及び量子井戸を有する活性領域を備え、複数の活性領域の前記量子井戸の構造は、全ての放射領域が５ｎｍ内の範囲で同じ放射波長を有するように、層の厚さ及び／又は材料組成の点で同じであるか又は互いに異なる、端面発光型半導体レーザ装置。

【請求項19】

１つのモノリシックレーザダイオードと別のモノリシックレーザダイオードとの間のフォトルミネセンス放射差は、５ｎｍ未満である、請求項１８に記載の装置。

【請求項20】

各モノリシックレーザダイオードは、５ｎｍ～１０ｎｍの厚さを有するアルミニウムインジウムガリウムヒ素障壁を備える、請求項１８に記載の装置。

【請求項21】

前記モノリシックレーザダイオードは、トンネル接合部により互いに接続され、前記トンネル接合部の厚さは、５０ｎｍ以下である、請求項１８に記載の装置。

【請求項22】

前記トンネル接合部は、Ｐ型及びＮ型の２種類のインジウムガリウムヒ素層を備える、請求項１８に記載の装置。

【請求項23】

前記トンネル接合部のＰ型インジウムガリウムヒ素層には、５ｅ１８ｃｍ^－３より高く、１ｅ２０ｃｍ^－３以下のドーピング濃度を有する炭素又は亜鉛がドープされる、請求項１８に記載の装置。

【請求項24】

前記トンネル接合部のＮ型インジウムガリウムヒ素層には、５ｅ１８ｃｍ^－３より高く、１ｅ２０ｃｍ^－３以下のドーピング濃度を有するシリコン又はテルリウムがドープされる、請求項１８に記載の装置。

【請求項25】

前記トンネル接合部のＰ型インジウムガリウムヒ素層の厚さは、５０ｎｍ未満であり、Ｎ型インジウムガリウムヒ素層の厚さは、５０ｎｍ未満である、請求項１８に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願
本願は、２０２０年６月２日に出願された米国特許出願第１６／８８９９６３号の優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

ＬｉＤＡＲ（光検出と測距）は、レーザ放射を利用して距離を検出する技術である。ＬＩＤＡＲは、対象物からの反射後、レーザからの信号の放出から検出器に戻るまでの時間差を測定する。通常、複数のモノリシックレーザは、パルス状態で使用されており、レーザと検出器とは、互いに近接している。レーザパルスは、放射され、一部のパルスは、対象物から反射されて検出器によって集光される。パルス放射から検出器に戻るまでの時間差を計算する。この情報に基づいて距離を計算する。特定の視野で異なる距離を検出して測定することにより、三（３）次元画像を生成する。生成された画像は、処理され、自動運転及びアダプティブクルーズコントロールシステムなどの自動車用途に利用される。

【0003】

従来、ガリウムヒ素ＧａＡｓ、アルミニウムガリウムヒ素ＡｌＧａＡｓ、インジウムガリウムヒ素ＩｎＧａＡｓ材料を用いて９０５ナノメートル（ｎｍ）の範囲で動作する近赤外レーザは、ＬＩＤＡＲシステムに用いられる。これらのレーザ材料系は、単一のモノリシックレーザに対して１ワット毎アンペア（Ｗ／Ａ）という高効率を示す。しかし、高出力９０５ｎｍレーザは、眼に安全でなく、網膜を損傷する可能性がある。

【0004】

端面発光型レーザダイオードでは、出力パワーを大きくするために、２つ、３つ、４つ以上のレーザダイオードを半田接合により互いに積層してレーザ同士を接続する製造が多く行われている。積層半田接合されたレーザダイオードの出力パワーは、２つのレーザダイオードの積層構成における単一のレーザダイオードの出力パワーのほぼ二（２）倍であり、３つのレーザダイオードの積層構成における単一のレーザ出力パワーの三（３）倍である。また、積層されたレーザの電圧低下は、２つのレーザダイオードを積層すると２倍になり、３つのレーザダイオードを積層すると３倍になる。２つの積層レーザダイオードの光学出力サイズ径は、一般的に、単一のレーザチップの厚さと接合線の厚さの合計に等しい。３つの積層レーザダイオードの光学出力サイズ径は、２つのレーザダイオードの厚さと２つの接合線の厚さの合計に等しい。

【発明の概要】

【0005】

一方、長波長（波長＞１３００ｎｍ）の単一モノリシックレーザ効率は、通常、９０５ｎｍレーザ効率の約半分しかない。同時に、積層された半田接合レーザダイオードは、いくつかの用途に適していない。レーザファイバ結合とＬＩＤＡＲなどの長距離用途の場合、複数のレーザダイオードからの分離された出力を正確に焦点を合わせることは、困難である。

【0006】

一般的に、本発明は、１３００ｎｍより高い波長を有する、眼に安全な領域で動作する長波長の高出力レーザに関することが多い。複数のモノリシックレーザを使用して高出力レーザを達成する。

【0007】

このようなレーザには多くの用途がある。これらの用途には、軍事ＩＦＦ（敵味方識別装置）及びミサイル防衛システムのための軍事測距用途が含まれる。これらの眼に安全なレーザは、自動車用ＬＩＤＡＲ及びアダプティブ・クルーズ・コントロール（ＡＣＣ）用途など、他の多くの用途にも使用することができる。更に、これらの眼に安全な高出力レーザは、視覚制御及び機械制御などの産業環境でも適用することができる。

【0008】

本発明は、１Ｗ／Ａに近づくより高い効率を達成でき、眼を安全にし、長距離ＬＩＤＡＲ用途に適している複数のモノリシック長波長レーザに適用することができる。多くの場合、これらの複数のモノリシックレーザは、１ナノ秒（ｎｓ）と１５０ｎｓの間のパルス条件用途に使用される。

【0009】

一般的に、一態様では、本発明は、アルミニウムインジウムガリウムヒ素リン化ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料系を用い、長波長（１２５０ｎｍ～１７２０ｎｍ）で放射する複数のモノリシックレーザダイオードを含む端面発光型半導体レーザであって、モノリシックレーザダイオードは、１つ以上のトンネル接合部により互いに接続され、各モノリシックレーザダイオードは、比率の異なるアルミニウム、ガリウム、インジウム、ヒ素で構築された障壁及び３つ以下の量子井戸を有する活性領域を備える、端面発光型半導体レーザを特徴とする。

【0010】

実施形態では、アルミニウムインジウムガリウムヒ素の量子井戸のサイズは、５ｎｍ～１０ｎｍであり、前記活性領域は、Ｐドープされた閉じ込め層が５ｅ１６ｃｍ^－３－２５％／＋５０％の濃度で始まり、最終濃度１ｅ１７ｃｍ^－３－２５％／＋５０％まで増加する逆導電型ドーピングの２つの閉じ込め層の間に配置され、前記Ｐドープされた閉じ込め層の直後の界面層は、前記閉じ込め層の最終ドーピング濃度と１ｅ１８ｃｍ^－３＋３００％との間の一定のドーピング濃度を有する。

【0011】

好ましくは、１ｅ１７ｃｍ^－３と６ｅ１７ｃｍ^－３との間のドーピング濃度を有する各モノリシックレーザダイオードにおけるＩｎＰ基板とクラッド層が使用される。また、各モノリシックレーザダイオードのＰドープされたクラッド層には、亜鉛がドープされてもよい。

【0012】

現在、各モノリシックレーザダイオードは、活性領域と少なくとも１つのクラッド層との間のアルミニウムインジウムヒ素層を備える。更に、各モノリシックレーザダイオードにおける前記アルミニウムインジウムヒ素層には、亜鉛がドープされてもよく、濃度が１ｅ１８ｃｍ^－３以下であってもよい。

【0013】

前記モノリシックレーザダイオードの数は、２つ、３つ、４つであってもよく、各モノリシックレーザダイオードは、屈折率分布型の閉じ込め層を含む。また、１つ、２つ又は全てのモノリシックレーザダイオードにおいて、Ｐ型アルミニウムインジウムガリウムヒ素導波路層は、１ｅ１７ｃｍ^－３以下である場合がある。更に、１つ、２つ又は全てのモノリシックレーザダイオードにおいて、Ｐ型アルミニウムインジウムガリウムヒ素クラッド層のドーピング濃度は、１ｅ１８ｃｍ^－３以下であってもよい。１つ、２つ又は全てのモノリシックレーザダイオードにおいて、Ｎ型アルミニウムインジウムガリウムヒ素導波路層のドーピング濃度は、１ｅ１７ｃｍ^－３以下であってもよい。また、１つ、２つ又は全てのモノリシックレーザダイオードにおいて、Ｎ型アルミニウムインジウムガリウムヒ素クラッド層のドーピング濃度は、５ｅ１７ｃｍ^－３以下であってもよい。

【0014】

各モノリシックレーザダイオードにおける複数の空間モードをサポートする上部モノリシックレーザでは、リッジ導波路構造を使用してもよい。また、溝は、前記活性領域を介して上部ｐ型インジウムガリウムヒ素接触層からエッチングされてもよい。更に、前記溝の深さは、２μｍ～１０μｍであってもよく、前記溝を形成する壁は、４５度～８０度の角度で傾斜する。

【0015】

開口幅は、２～３５０μｍであってもよく、キャビティの長さは、０．５ｍｍ～４ｍｍである。

【0016】

現在、光は、１２５０μｍ及び１７２０μｍのスペクトル範囲で放射する。

【0017】

一般的に、別の態様では、本発明は、複数のモノリシックレーザダイオードを含むリン化インジウム基板上に成長された端面発光型半導体レーザであって、モノリシックレーザダイオードは、トンネル接合部により互いに接続され、各モノリシックレーザダイオードは、比率の異なるアルミニウム、ガリウム、インジウム、ヒ素で構築された障壁及び量子井戸を有する活性領域を備え、複数の活性領域の前記量子井戸の構造は、少なくとも２つの放射領域が少なくとも５ｎｍの範囲で異なる放射波長を有するように、層の厚さ及び／又は材料組成の点で異なる、端面発光型半導体レーザを特徴とする。

【0018】

一般的に、別の態様では、本発明は、複数のモノリシックレーザダイオードを含むリン化インジウム基板上に成長された端面発光型半導体レーザであって、前記モノリシックレーザダイオードは、トンネル接合部により互いに接続され、各モノリシックレーザダイオードは、比率の異なるアルミニウム、ガリウム、インジウム、ヒ素で構築された障壁及び量子井戸を有する活性領域を備え、複数の活性領域の前記量子井戸の構造は、全ての放射領域が５ｎｍ内の範囲で同じ放射波長を有するように、層の厚さ及び／又は材料組成の点で同じであるか又は異なる、端面発光型半導体レーザを特徴とする。

【0019】

１つのモノリシックレーザダイオードと別のモノリシックレーザダイオードとの間のフォトルミネセンス放射差は、多くの場合、５ｎｍ未満である。また、各モノリシックレーザダイオードは、多くの例では、５ｎｍ～１０ｎｍの厚さを有するアルミニウムインジウムガリウムヒ素障壁を含む。好ましくは、前記モノリシックレーザダイオードは、トンネル接合部により互いに接続され、前記トンネル接合部の厚さは、５０ｎｍ以下である。

【0020】

トンネル接合部は、多くの場合、Ｐ型及びＮ型の２種類のインジウムガリウムヒ素層を備える。前記トンネル接合部のＰ型インジウムガリウムヒ素層には、５ｅ１８ｃｍ^－３より高く、１ｅ２０ｃｍ^－３未満のドーピング濃度を有する炭素又は亜鉛がドープされてもよい。トンネル接合部のＮ型インジウムガリウムヒ素層には、５ｅ１８ｃｍ－３より高く、１ｅ２０ｃｍ^－３未満のドーピング濃度を有するシリコン又はテルリウムがドープされてもよい。トンネル接合部のＰ型インジウムガリウムヒ素層の厚さは、５０ｎｍ未満である場合があり、Ｎ型インジウムガリウムヒ素層の厚さは、５０ｎｍ未満である場合がある。

【0021】

以下では、構成要素の構造及び組合せに関する新規的な種々の詳細も含め、本発明の前述した特徴、その他の特徴及びその他の利点を、添付の図面を参照しながら詳細に説明し、更に、添付の特許請求の範囲に規定する。なお、本発明の実施形態として示す装置及び方法は、あくまでも例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の原理及び特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく多様な数多くの実施形態で用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

添付の図面において、同一の参照符号は異なる図面においても同一の部品を指す。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。

【0023】

【図1】複数のモノリシックレーザダイオード構造の本発明に係る、エピタキシャル層構造を示す概略側断面図である。

【図2】２つのトンネル接合部により接続された３つのレーザダイオードを有する本発明に係る半導体装置の構造を示す概略横断面図である。

【図3】シングルレーザダイオード、ダブルモノリシックレーザダイオード、トリプルモノリシックレーザダイオードの電流の関数としてのミリワットの出力パワーのプロットである。

【図4】リッジ導波路を有する複数のモノリシックレーザダイオード構造を有する加工後レーザチップを示す概略側断面図である。

【図5】薄い低温半田を用いて銅製のヒートシンクに実装されたパッケージ化されたレーザチップを示す概略側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明を更に詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。

【0025】

本明細書で使用されるように、用語「及び／又は」は、関連するリストされた項目のうちの１つ以上の任意及び全ての組合せを含む。更に、単数形と冠詞“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”は、特に明記しない限り、複数形も同様に包含することを意図する。更に、含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）、含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）及び／又は備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）という用語は、本明細書で使用される場合、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、素子、及び／又はコンポーネントの存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、素子、コンポーネント、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことを理解されたい。更に、コンポーネント又はサブシステムを含む素子が別の素子に接続されるか又は結合されると言及され、及び／又は示される場合、他の素子又は介入素子に直接接続されるか又は結合され得ることを理解されたい。

【0026】

本明細書では、第１、第２などの用語を使用して様々な素子を説明するが、これらの素子は、これらの用語によって限定されないことを理解されたい。これらの用語は、１つの素子を別の素子から区別するためにのみ使用される。したがって、本発明の教示から逸脱することなく、以下で説明される素子を第２の素子と称することができ、同様に、第２の素子を第１の素子と称することができる。

【0027】

特に定義されない限り、本明細書では使用されるすべての用語（技術用語及び学術用語を含む）は、本発明が属する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書で定義されているような用語は、関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り、理想的又は過度に形式的な意味で解釈されることはないことが更に理解されたい。

【0028】

一般的に、多くの実施形態では、モノリシックレーザダイオード構造を用いて、レーザダイオードの光源サイズを小さくし、出力パワーを増加させる。これは、複数のレーザダイオードを他のレーザダイオードの上にエピタキシャルに堆積させてモノリシック構造を生成することにより達成される。ダイオードは、トンネル接合部と呼ばれる低抵抗性の薄い接合部で接続される。

【0029】

図１は、本発明の原理に従って構築された複数（トリプル）モノリシックレーザダイオード構造７００のエピタキシャル層構造を示す。図２の側面図は、モノリシックレーザダイオード構造の各レーザダイオードが、ビーム１、ビーム２、ビーム３という独自のビームをどのように生成するかを示す。

【0030】

より詳細には、例示の実施形態では、３つのモノリシックレーザダイオード４００、５００、６００は、エピタキシャルに積層される。しかしながら、他の例では、２つ又は３つ以上のレーザダイオードは、積層される。

【0031】

複数のモノリシックレーザダイオード構造７００の厚さは、シングルレーザダイオードよりもわずかに厚い。更に、複数のモノリシックレーザダイオード構造７００の電圧低下は、場合によってはシングルレーザダイオードより１０倍以上高い。
具体的には、電圧低下は、ダブルモノリシックレーザダイオード構造では、シングルダイオードの電圧の２倍以上である。電圧低下は、トリプルモノリシックレーザダイオード構造では、シングルレーザの電圧の３倍以上である。

【0032】

更に、複数のモノリシックレーザダイオード構造７００のそれぞれのレーザダイオード４００、５００、６００の活性領域１００、２００、３００内の温度は、その電圧が高くなり、その厚さが厚くなるため、シングルレーザダイオードの活性領域に比べて高い。一般的に、複数のレーザダイオードをエピタキシャルに積層することは、高電圧と厚さのために問題であり、これにより、レーザを発熱させる光学的及び電気的損失を増加させ、光学性能を低下させ、信頼性を低下させる。

【0033】

例示の例では、モノリシックレーザダイオード４００、５００、６００は、それぞれのトンネル接合部により互いに接続される。各トンネル接合部は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層とｐ型ＩｎＧａＡＳ層で形成される。具体的には、第１トンネル接合は、下部レーザダイオード４００とその後のモノリシックレーザダイオード５００との間に位置し、ｐ型ＩｎＧａＡＳ層１４とｎ型ＩｎＧａＡＳ層１５を備える。第２トンネル接合部は、中間のレーザダイオード５００と上部モノリシックレーザダイオード６００との間に位置し、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２８とｎ型ＩｎＧａＡＳ層２９を備える。

【0034】

より高いパワーが必要な場合、モノリシックレーザダイオード構造７００には、より多く、例えば、３つ以上のレーザダイオードを有してもよい。

【0035】

図１に示すように、各モノリシックレーザダイオードは、活性領域１００、２００、３００を含む。第１レーザダイオード４００の活性領域１００は、第１ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層６と、第１ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸７と、中間のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁８と、第２ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸８と、第２ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁９とを備える。同様に、第２レーザダイオード５００の活性領域２００は、第１ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層２０と、第１ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸２１と、中間のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁２２と、ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸２３と、第２ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁２４とを備える。最後に、第３のレーザダイオード６００の活性領域３００は、第１ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層３４と、第１ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸３４と、中間のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁３６と、第２ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸３７と、第２ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁３８とを備える。

【0036】

活性領域１００、２００、３００は、導波路層と内側クラッド層及び外側クラッド層との間に位置する。一般的に、内側クラッド層の厚さは、外側クラッド層の厚さより薄い。

【0037】

更に、レーザダイオード４００、５００、６００の活性領域１００、２００、３００は、単一又は多重量子井戸構造を含むことになる。現在、量子井戸材料の組成及び層厚は、１２５０ｎｍ～１７２０ｎｍの所望の半導体レーザ放射波長に基づいて選択される。

【0038】

多くの実施形態では、レーザダイオード４００、５００、６００が同じ波長で放射することは、重要である。多くの用途では、複数のレーザの中心波長放射は、動作時には互いに１０ｎｍ以内、好ましくは動作時には５ｎｍ以内、理想的には１ｎｍ以内である必要がある。

【0039】

放射波長の測定は、複数のモノリシックレーザダイオード１０を、レーザの加熱又は冷却を行う室温で動作させ、放射波長を測定することにより行うことができる。また、波長測定の代替方法は、エピタキシャルウェハのレベルで行われるフォトルミネセンス放射又は好ましくは脱金属化の状態でレーザダイオードエミッタによる測定により測定することである。これらの近接又は同じ波長で動作する波長を達成することは、構造７００の深さ及び隣接するレーザの熱伝達の程度によって、各モノリシックレーザダイオード４００、５００、６００が異なる温度で自然に動作するため、困難である。言い換えれば、深いエミッタは、構造の冷却側から遠くにあり、熱くなる。更に、他のエミッタの間に挟まれたエミッタは、隣接するエミッタによって加熱され、はるかに熱くなる。

【0040】

一般的に、レーザダイオード４００、５００、６００を加熱することにより動作波長が長くシフトするため、各レーザダイオード４００、５００、６００が異なる温度で動作すると、異なる方式で高い温度へシフトする。

【0041】

一般的な半導体において、複数のレーザダイオード（４００、５００、６００）のそれぞれの動作波長を近づけるために、各レーザダイオード（４００、５００、６００）の組成及び厚さを、熱による波長シフトを補償する程度に十分に異ならせる必要がある。低温又は未加熱の各エミッタの波長は、エミッタに熱を誘発させずに、波長を測定するフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定法を用いて測定してもよい。この動作を補償するために、エミッタのＰＬ測定法は、最小１ｎｍおよび最大１０ｎｍだけ異なる場合がある。

【0042】

更に、本実施形態では、ｐドーピングは、亜鉛である。１つ、２つ又は３つのモノリシック活性領域のうちの活性領域における亜鉛の拡散は、波長をより高い値にシフトさせ、該値は、フォトルミネセンス時に測定される。同じ波長で２つ又は３つのモノリシックレーザを全て放射するために、活性領域の厚さ及び／又は材料組成を変更することにより、波長を補償する必要がある。

【0043】

具体的には、異なる放射波長を達成するために、複数のモノリシックレーザダイオード４００、５００、６００では、量子井戸の厚さ及び量子井戸の材料組成がモノリシックレーザごとに異なる。いくつかの実施形態では、異なるモノリシックダイオード間で５ｎｍ以上の異なる放射波長を有することが好ましい。他のいくつかの実施形態では、異なるモノリシックダイオード間で５ｎｍ以内で近接するか又は同じである放射波長を有することが好ましい。

【0044】

モノリシックレーザダイオード４００、５００、６００の活性領域１００、２００、３００の温度が異なることによる活性領域１００、２００、３００間の波長放射差は、材料組成補償により低減される。

【0045】

量子井戸の組成及び厚さは、活性領域１００、２００、３００のいずれか１つの活性領域から他の１つの活性領域への放射が同じ波長又は異なる波長にあるように調整される。これは、エピタキシャルウェハのレベルでＸ線回折特性を用いて測定してもよい。

【0046】

更に、ｎドープ型リン化インジウム基板層ｎ＋ＩｎＰ ０は、電気伝導性ＩｎＰ基板である。エピタキシャル層成長の最後にｐ型ＧａＩｎＡｓ層４５を成長させて、Ｐ－オーミック接触層とする。

【0047】

基板上に成長された第１層０は、ｎ＋ＩｎＰバッファ層１に続き、該バッファ層は、モノリシックレーザダイオード４００、５００、５００を含む複数のモノリシックレーザダイオード７００をエピタキシャルに成長させるために使用される。バッファ層の厚さは、約１μｍである。

【0048】

複数のモノリシックレーザの活性領域１００、２００、３００のそれぞれは、ステップインデックス型又は屈折率分布型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＧＲＩＮ－ＳＣＨ）のいずれかの光閉じ込め層の中央に位置する。各活性領域１００、２００、３００の各側にあるＩｎＰ層は、光閉じ込め構造のための光クラッド層及び多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層を形成する。側方光閉じ込めは、埋め込みへテロ構造又はリッジ導波路構造のいずれかによって提供される。

【0049】

この装置は、縦電流注入型で動作する。側方電流閉じ込めは、埋め込み紐幾何形状、隆起したリッジのリッジ導波路又は二重トレンチ形成のいずれかによって達成される。これに代えて、堆積酸化物が電流を側方光閉じ込め構造の中心領域に閉じ込める埋め込み絶縁又はメサ絶縁であってもよい。

【0050】

一般的な目的は、長波長域（１２５０ｎｍ～１７２０ｎｍ）で複数のビームを放射するモノリシック半導体レーザダイオード構造を提供することである。複数のモノリシックレーザダイオードは、トンネル接合部により接続される。複数のモノリシックレーザ層及びトンネル接合層は、応力を低減し、各レーザダイオード及び各活性領域で発生する放熱性を向上させるように設計される。複数の活性領域間の温度ばらつきを低減することにより、複数のモノリシックレーザダイオードの活性領域間の波長差を低減する。

【0051】

吸収及び損失を低減するために、トンネル接合部（１４、１５）、（２８、２９）が薄くなることが望ましい。トンネル接合部の厚さは、５０ｎｍ以下であってもよい。

【0052】

複数のモノリシック半導体レーザ構造は、アルミニウムインジウムガリウムヒ素（ＡｌＩｎＧａＡｓ）、ガリウムインジウムヒ素リン（ＧａＩｎＡｓＰ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムリン（ＩｎＰ）（ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ）材料系を用いる。各モノリシックレーザ設計、活性領域層、光キャビティの設計及びトンネル接合部の設計は、活性領域の温度上昇を最小化し、レーザ効率への影響を最小化するために最適化されることが好ましい。

【0053】

その結果、図３に示すように、１２５０ｎｍ～１７２０ｎｍの波長の高出力パワーの半導体レーザが得られる。シングルレーザの出力パワーは、高く、ダブルモノリシックレーザの出力パワーは、シングルレーザの出力パワーの約２倍である。トリプルモノリシックレーザダイオードの出力パワーは、シングルレーザの出力パワーの約３倍である。４つ以上のモノリシックレーザダイオードについても同様のパワー増加が期待される。

【0054】

図１の複数のモノリシック半導体レーザ構造は、複数のモノリシックダイオード４００、５００、６００を含み、各レーザダイオードは、活性領域（１００、２００、３００）を含む。活性領域（１００、２００及び３００）は、導波路層（５、１１、１９、２５、３３及び３９）の間にエピタキシャルに成長する。導波路層（５、１１、１９、２５、３３及び３９）は、クラッド層（２、３、１３、１６、１７、２７、３０、３１、４１）により囲まれる。クラッド層は、導波路層及び活性領域の上下にエピタキシャルに成長する。各モノリシックレーザダイオードは、トンネル接合部（１４、１５）及び（２８、２９）によりその後のモノリシックレーザに接続される。

【0055】

この構造において、各モノリシックレーザダイオード（１００、２００、３００）の活性領域は、圧縮歪ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸（７、９、２１、２３、３５、３７）と引っ張り歪ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層（６、８、１０、２０、２２、２４、３４、３６、３８）とを含む歪補償多重量子井戸構造である。量子井戸の厚さは、１０ナノメートル（ｎｍ）以下である。井戸の幅は、臨界厚さの限度内で所望の動作波長を得るように調整される。

【0056】

複数のモノリシックレーザダイオードの各活性領域は、ステップインデックス型又は屈折率分布型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＧＲＩＮＳＣＨ）のいずれかの光閉じ込め層の中央に位置する。各側（２、１３）、（１６、２７）、（３０、４１）にあるＩｎＰ層は、各モノリシックレーザダイオード（４００、５００、６００）及び多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層（１００、２００、３００）の光閉じ込め構造のための光クラッド層を形成する。側方光閉じ込めは、埋め込みへテロ構造又はリッジ導波路構造のいずれかによって提供される。

【0057】

複数のレーザダイオード活性領域（１００、２００、３００）は、ＡｌＩｎＧａＡｓ障壁で囲まれた１つ、２つ、３つ以上の量子ＡｌＩｎＧａＡｓ井戸を含む。活性領域は、Ｐ型及びＮ型ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ導波路の中央に配置される。導波路層（５、１１）、（１９、２５）及び（３３、３９）は、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰクラッド層（２、１３）、（１７、２７）、（３０、４１）に囲まれる。各モノリシックレーザダイオード（４００、５００、６００）は、トンネル接合部ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ（１４、１５）、（２８、２９）によって次のモノリシックレーザに接続される。

【0058】

図１は、本実施形態のように、複数のモノリシックレーザ装置を構築するために用いられる複数の半導体レーザの層構造を示す。図１に示すエピタキシャル構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）及び分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などの従来のＩＩＩ－Ｖ化合物半導体エピタキシャル成長技術を使用する。

【0059】

好ましい構造は、次のとおりである。出発基板０は、Ｎ型ＩｎＰであり、１μｍのＮ型ＩｎＰバッファ層に続き、その上に、シリコン（Ｓｉ）ドーピング濃度が最大で３ｅ１８ｃｍ^３である厚さ１μｍのＮ＋ＩｎＰの下部クラッド層を成長させ、次に、格子整合させた厚さ１５ｎｍの遷移領域、（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））Ｉｎ０．５３Ａｓ（ここで０．５＜ｘ＜１）からＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓに遷移した層３～４が、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層４～１２で続く。次は、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓから始まり（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））Ｉｎ０．５３Ａｓ（ここで、０．５＜ｘ＜１）で終わる厚さ４５ｎｍの下部屈折率分布型（ＧＲＩＮ）層５がある。シリコンドーピング濃度は、ｎ型下部クラッド層２から遷移層３～４を経由して下部ＧＲＩＮ層５まで３ｅ１８ｃｍ^－３から徐々に減少し、ＧＲＩＮ層５でシリコンドーピング濃度は、５ｅ１６ｃｍ^－３となる。

【0060】

ドーピングしないレーザ活性領域１００は、一組の圧縮歪ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸７、９を有し、これらは、歪が互いに補償され転位の臨界厚さが中和されるように、各側をＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層６、８、１０によって引っ張り歪の下で閉じ込められる。各々５ｎｍ～１０ｎｍの井戸厚さを有する２つの量子井戸７、９が示される。障壁層の厚さは、層６、８及び１０についてそれぞれ５ｎｍ～１０ｎｍである。

【0061】

次に、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｉｎ０．５３（ここで、０．５＜ｘ＜１）から始まりＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓの界面層１２で終わる厚さ４０ｎｍの上部ＧＲＩＮ分離閉じ込め層（ＧＲＩＮ ＳＣＨ）１１が配置され、これはレーザ活性領域１００の上に成長する。層１２には、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓの追加層が含まれる。ｐ型Ｚｎドーピング濃度は、層１２の完成に向かって成長が進むと、５ｅ１６ｃｍ^－３から徐々に増加し、濃度は、６ｅ１７ｃｍ^－３に達する。代替的に、ステップインデックス型分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＩＳＣＨ）をＧＲＩＮ ＳＣＨの代わりに活性領域１００の周りの閉じ込めとして用いることができるであろう。

【0062】

ＧＲＩＮ層１１～１２の上に、１ｅ１７ｃｍ^－３から始まる濃度でＺｎドープされた厚さのｐ型ＩｎＰの上部クラッド層１３を成長させる。層１１、１２及び１３は、下部層３、４及び５の光インデックスプロファイルの鏡像であり、最下層のモノリシックレーザダイオード４００を形成する。

【0063】

最下層のモノリシックレーザダイオード４００の上部クラッド層１３上には、トンネル接合層１４、１５が成長する。層１４は、２５ｎｍ＋１００％／－７５％のＩｎＧａＡｓに亜鉛又は炭素を１ｅ１９ｃｍ^－３の濃度でＰドープしたものである。Ｐ－ＩｎＧａＡｓ濃度は、５ｅ１８ｃｍ^－３と１ｅ２０ｃｍ^－３との間の任意の値であってもよい。層１５は、２５ｎｍ＋１００％／－７５％のＩｎＧａＡｓにシリコン又はテルリウムを１ｅ１９ｃｍ^－３の濃度でＮドープしたものである。Ｐ－ＩｎＧａＡｓ濃度は、５ｅ１８ｃｍ^－３～１ｅ２０ｃｍ^－３の任意の値であってもよい。

【0064】

トンネル接合Ｎ－ＩｎＧａＡｓ層１５上には、１．５μｍの厚さのＮ＋ＩｎＰから始まり第２モノリシックレーザ５００が成長する。シリコン（Ｓｉ）ドーピング濃度が最大で３ｅ１８ｃｍ^－３である下部クラッド層１６を成長させ、次に、格子整合させた厚さ１５ｎｍの遷移領域、（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））Ｉｎ０．５３Ａｓ（ここで０．５＜ｘ＜１）からＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓに遷移した層１７～１８が、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層１８～２６で続く。
次は、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓから始まり（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））Ｉｎ０．５３Ａｓ（ここで、０．５＜ｘ＜１）で終わる厚さ４５ｎｍの下部屈折率分布型（ＧＲＩＮ）層１９がある。シリコンドーピング濃度は、ｎ型下部クラッド層１６から遷移層１７～１８を経由して下部ＧＲＩＮ層１９まで徐々に減少し、ＧＲＩＮ層５でシリコンドーピング濃度は、５ｅ１６ｃｍ^－３となる。

【0065】

ドープされていないレーザ活性領域２００は、一組の圧縮歪ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸２１、２３を有し、これらは、歪が互いに補償されるように、各側をＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層２０、２２、２４によって引っ張り歪の下で閉じ込められる。各々５ｎｍ～１０ｎｍの井戸厚さを有する２つの量子井戸２１、２３が示される。障壁層の厚さは、層２０、２２及び２４についてそれぞれ５ｎｍ～１０ｎｍである。

【0066】

次に、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｉｎ０．５３（ここで、０．５＜ｘ＜１）から始まりＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓの界面層２６で終わる厚さ４０ｎｍの上部ＧＲＩＮ分離閉じ込め層（ＧＲＩＮ ＳＣＨ）２５が配置され、これはレーザ活性領域２００の上に成長する。層２６には、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓの追加層が含まれる。ｐ型Ｚｎドーピング濃度は、層２６の完成に向かって成長が進むと、５ｅ１６ｃｍ^－３から徐々に増加し、濃度は、６ｅ１７ｃｍ^－３に達する。代替的に、ステップインデックス型分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＩＳＣＨ）をＧＲＩＮ ＳＣＨの代わりに活性領域２００の周りの閉じ込めとして用いることができるであろう。

【0067】

ＧＲＩＮ層２５～２６の上に、１ｅ１７ｃｍ^－３から始まる濃度でＺｎドープされた１．５μｍの厚さのｐ型ＩｎＰの上部クラッド層２７を成長させる。層２５、２６、２７は、下部層１７、１８及び１９の光インデックスプロファイルの鏡像であり、活性領域２００の周りに第２モノリシックレーザダイオード５００を形成する。

【0068】

第２モノリシックレーザダイオード５００の上部クラッド層２７上には、トンネル接合層２８、２９が成長する。層２８は、２５ｎｍ＋１００％／－７５％のＩｎＧａＡｓに亜鉛又は炭素を１ｅ１９ｃｍ^－３の濃度でＰドープしたものである。Ｐ－ＩｎＧａＡｓ濃度は、５ｅ１８ｃｍ^－３～１ｅ２０ｃｍ^３の任意の値であってもよい。層２９は、２５ｎｍ＋１００％／－５０％のＩｎＧａＡｓにシリコン又はテルリウムを１ｅ１９ｃｍ^－３の濃度でＮドープしたものである。Ｐ－ＩｎＧａＡｓ濃度は、５ｅ１８ｃｍ^－３～１ｅ２０ｃｍ^－３の任意の値であってもよい。

【0069】

トンネル接合Ｎ－ＩｎＧａＡｓ層上には、１．５μｍの厚さのＮ＋ＩｎＰから始まり第３モノリシックレーザ６００が成長する。シリコン（Ｓｉ）ドーピング濃度が最大で３ｅ１８ｃｍ^－３である下部クラッド層３０を成長させ、次に、格子整合させた厚さ１５ｎｍの遷移領域、（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））Ｉｎ０．５３Ａｓ（ここで０．５＜ｘ＜１）からＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓに遷移した層３１～３２が、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層３２～４０で続く。次は、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓから始まり（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））Ｉｎ０．５３Ａｓ（ここで、０．５＜ｘ＜１）で終わる厚さ４５ｎｍの下部屈折率分布型（ＧＲＩＮ）層３３がある。シリコンドーピング濃度は、ｎ型下部クラッド層３０から遷移層３１～３２を経由して下部ＧＲＩＮ層３３まで徐々に減少し、ＧＲＩＮ層５でシリコンドーピング濃度は、５ｅ１６ｃｍ^－３となる。

【0070】

ドープされていないレーザ活性領域３００は、一組の圧縮歪ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸３５、３７を有し、これらは、歪が互いに補償されるように、各側をＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層３４、３６、３８によって引っ張り歪の下で閉じ込められる。各々５ｎｍ～１０ｎｍの井戸厚さを有する２つの量子井戸３５、３７が示される。障壁層の厚さは、層３４、３６及び３８についてそれぞれ５ｎｍ～１０ｎｍである。

【0071】

次に、（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））Ｉｎ０．５３（ここで、０．５＜ｘ＜１）から始まりＡｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓの界面層４０で終わる厚さ４０ｎｍの上部ＧＲＩＮ分離閉じ込め層（ＧＲＩＮ ＳＣＨ）３９が配置され、これはレーザ活性領域３００の上に成長する。層４０には、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓの追加層が含まれる。ｐ型Ｚｎドーピング濃度は、層４０の完成に向かって成長が進むと、徐々に増加し、濃度は、６ｅ１７ｃｍ^－３に達する。代替的に、ステップインデックス型分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＩＳＣＨ）をＧＲＩＮ ＳＣＨの代わりに活性領域３００の周りの閉じ込めとして用いることができるであろう。

【0072】

ＧＲＩＮ層３９～４０の上に、１ｅ１７ｃｍ^－３、好ましくは６ｅ１７ｃｍ^－３以下から始まる濃度でＺｎドープされた１．５μｍの厚さのｐ型ＩｎＰの上部クラッド層４１を成長させる。層３９、４０、４１は、下部層３１、３２、３３の光インデックスプロファイルの鏡像であり、活性領域３００の周りに上部モノリシックレーザダイオード６００を形成する。

【0073】

上部クラッド層４１上には、ｐオーミック接触層４３～４６が形成される。
クラッド層４１と接触層４３～４６との間に、レーザ加工中にリッジ導波路をエッチングする際のストップ深さを制御するために、厚さ２０ｎｍのｐ－ＧａｘＩｎ（１－ｘ）ＡｓｙＰ（１－ｙ）（ここで、０．１＜ｘ＜０．５及び０．２＜ｙ＜０．８）のエッチストップ層４２を成長させる。エッチストップ層は、Ｐ型導波路層３９とｐオーミック接触層４３～４６との間の任意の位置に位置してもよい。次に、Ｚｎドープされた厚さ１μｍのｐ－ＩｎＰ層４３が成長し、続いてＺｎドープされたｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層４４からＩｎＧａＡｓ層４５へと徐々に続き、これらは、レーザ加工中にオーミック接触層になる。最終的に、Ｚｎドープされたｐ－ＩｎＰ層４６のキャッピング層が成長してレーザ層構造が完成する。

【0074】

説明した詳細なドーピングレベルは、好ましいレベルであるが、２５％以下～５０％以上の範囲は、許容可能である。１ｅ１８ｃｍ^－３を超えるドーピング層は、２倍又は３倍の範囲を許容範囲とすることができる。

【0075】

上記層の厚さは、好ましい実施形態であるが、上下へ１０％の変動は、許容可能である。

【0076】

シングルモノリシックレーザダイオードには、亜鉛がｐドープされる。複数のモノリシックレーザ構造ＭＯＣＶＤ成長時間が長く、ＭＯＣＶＤ成長温度が高いため、亜鉛が活性領域に拡散する確率が高い。活性領域での亜鉛拡散は、レーザダイオード放射の低い波長への波長シフトを引き起こす。

【0077】

活性領域１００における亜鉛の拡散を低減し制御するために、最下層のモノリシックレーザダイオードの層１１、１２には、亜鉛ドーピングが変更される。層１１及び１２の亜鉛ドーピング濃度は、１ｅ１７ｃｍ^－３未満である。

【0078】

活性領域２００における亜鉛の拡散を低減し制御するために、第２モノリシックレーザダイオードの層２５、２６には、亜鉛ドーピングが変更される。層２５及び２６の亜鉛ドーピング濃度は、１ｅ１７ｃｍ^－３未満である。

【0079】

トンネル接合部における吸収損失をなくすために、トンネル接合部Ｐ－ＩｎＧａＡｓ／Ｎ－ＩｎＧａＡｓの厚さは、非常に薄く、例えば、５０ｎｍである。

【0080】

エピタキシャル層の数を低下させることで、複数のモノリシックレーザダイオードにおける電流拡散を低減する。上部モノリシックレーザ以外、多くの層は、他のモノリシックレーザダイオードから除去されており、そのうち一部の層は、厚い層である。厚い層を除去することにより、複数のレーザダイオード４００、５００、６００の複数の活性領域１００、２００、３００における電流拡散を低減する。

【0081】

好ましくは、装置は、ＳＣＨ及びクラッド用ドープｐ型の縦電流注入型半導体層と、ＳＣＨ及びクラッド用ドープｎ型の他方の組とを有する。側方電流閉じ込めは、埋め込み紐幾何形状、隆起したリッジのリッジ導波路又は二重トレンチ形成のいずれかによって達成される。これに代えて、堆積酸化物が電流を側方光閉じ込め構造の中心領域に閉じ込める埋め込み絶縁又はメサ絶縁であってもよい。

【0082】

図４は、図１に示す構造を用いてエピタキシャル成長させたウェハで製造された複数のモノリシックレーザ構造７００の加工後チップ７１０を示す。加工後の複数のモノリシックレーザチップ７００は、モノリシックレーザダイオードとトンネル接合部を備えたリッジ構造７１２を有するリッジ導波路型レーザである。各モノリシックレーザダイオードは、屈折率導波型の側方導波路閉じ込め構造を有する。

【0083】

リッジ構造７１２は、電流閉じ込め構造を形成する活性層を介してエッチングされることが好ましい。リッジ導波路構造の側面は、マルチモード光動作をサポートする。基板のオーミック直列抵抗及びオーミック加熱を低減するために、ｎ型ＩｎＰ基板７１４の裏面は、研削及び研磨手順を用いて薄化される。ｎ型オーミック接触層７１６は、薄化された基板７１４の裏面に形成される。

【0084】

装置ウェハのリッジ側壁７１８及び上面は、ＳｉＯ_２などの絶縁層７２０で被覆される。図５に示すように、ＳｉＯ_２絶縁層７２０は、接合部の短絡を回避し、装置がＰ側の下に実装された後、リッジの下の活性領域を通過するように電流を閉じ込める。薄化された複数のモノリシックレーザチップ７１０は、半導体産業における標準プロセスを用いたダイ分離と面劈開が行われた後、低温半田７３２を用いて銅製のヒートシンク７３０に実装され、図５に示す複数のモノリシック装置が形成される。複数のモノリシックレーザの最適化設計と組み合わせた実装構成により、活性領域１００、２００、３００の装置温度が低くなり、より高い電流密度でレーザ出力パワーを増加させることができる。

【0085】

本実施形態では、１ｎｓ～１００ｎｓの短い電気パルス条件で、複数のモノリシックレーザチップ７１０をヒートシンク７３０のｐ側の上に実装することができる。複数のモノリシックレーザの最適化設計及び短い電気パルス条件と組み合わせた実装構成により、活性領域１００、２００、３００の装置温度が低くなり、より高い電流密度でレーザ出力パワーを増加させることができる。

【0086】

一例では、複数のモノリシックレーザは、マルチチャンネルバーとして加工され、各チャンネルが単一のエミッタに対応する。エミッタの数は、２～１９個である。チャネルは、互いに電気的及び光学的に分離される。この場合、一部のＬＩＤＡＲ及びビジョンの用途の必要に応じて各チャネルを個別に動作させることができる。チャネル間の分離は、活性領域１００、２００、３００を介したｐ－オーミックＩｎＧａＡｓ接触層からの深い溝エッチにより達成される。溝の深さは、３μｍ～１５μｍであり、溝の側壁の角度は、４５度～８２度である。

【0087】

他の例では、複数のモノリシックレーザは、チャネル間で電気的に分離されることなく、マルチチャンネルバーとして加工される。各バーには、２～１９個の単一のエミッタが含まれ、一部の高出力レーザ用途の必要に応じて全てのエミッタを同時に動作させることができる。

【0088】

この複数のモノリシックレーザチップのキャビティは、劈開加工によって形成されたフロントファセットミラーとバックファセットミラーとの間に形成される。複数のモノリシックレーザチップのキャビティの長さは、０．５～４．０ｍｍである。レーザチップの開口幅は、５０～３５０μｍである。これらの装置のパラメータ範囲は、電子注入と熱散逸を大きな面積に分散することによって、レーザの熱的及び電気的効率を良好に最適化する。

【0089】

本発明を、その好ましい実施形態を参照して詳しく示し、記載したが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に種々の変更を加えてもよいことが当業者には理解される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】