JP2007019339A

JP2007019339A - Quantum cascade laser

Info

Publication number: JP2007019339A
Application number: JP2005200721A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Yamanishi; 正道山西; Tadataka Edamura; 忠孝枝村; Naohiro Akikusa; 直大秋草; Atsushi Sugiyama; 厚志杉山
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-25
Also published as: WO2007007434A1

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum cascade laser having narrow line width characteristics and operable at a low threshold and with high output. <P>SOLUTION: The quantum cascade laser 1 is composed by using a laser element 10 of a semiconductor laminated body having a cascade structure of m1 stages, in which a quantum-well light-emitting layer and an implantation layer are alternately and vertically laminated, and including an active layer 20 for generating light by the transition between subbands in the quantum well structure. The laser 1 is composed so that the m2 laser elements 10 including the active layer 20 are arranged in a state of being separated horizontally from each other. A two-dimensional cascade structure in which the number of effective stages is m1×m2 stages can be achieved by serially connecting the laser elements 10<SB>1</SB>-10<SB>m2</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。 The present invention relates to a quantum cascade laser using intersubband transition in a quantum well structure.

中赤外の波長領域（例えば波長３〜１０μｍ）の光は、様々な分子の振動のエネルギー領域に相当しており、個々の分子を識別できることから、分光分析分野において重要な波長領域となっている。これに伴い、このような波長領域における高性能なコヒーレント光源の必要性が高まってきている。 The light in the mid-infrared wavelength region (for example, the wavelength of 3 to 10 μm) corresponds to the energy region of vibration of various molecules, and can identify individual molecules, and thus becomes an important wavelength region in the spectroscopic analysis field. Yes. Accordingly, there is an increasing need for a high-performance coherent light source in such a wavelength region.

一般に、分光分析用の光源としては、高分解能で計測を行うためにｋＨｚオーダーの狭スペクトル線幅が求められている。これに対し、上記波長領域の光源として、近年、量子カスケードレーザが注目を集めている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１参照）。量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造でのサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。
特開平８−２７９６４７号公報特開２００４−２００３７５号公報 R.M.Williams et al., "Kilohertzlinewidth from frequency-stabilized mid-infrared quantum cascade lasers",OPTICS LETTERS Vol.24 (1999) pp.1844-1846 In general, a light source for spectroscopic analysis is required to have a narrow spectral line width on the order of kHz in order to perform measurement with high resolution. On the other hand, quantum cascade lasers have recently attracted attention as light sources in the wavelength region (see, for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1). A quantum cascade laser is a monopolar type laser element that generates light by utilizing electronic transition between subbands in a semiconductor quantum well structure.
JP-A-8-279647 JP 2004-200375 A RMWilliams et al., "Kilohertzlinewidth from frequency-stabilized mid-infrared quantum cascade lasers", OPTICS LETTERS Vol.24 (1999) pp.1844-1846

上記した量子カスケードレーザでは、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能であり、ｐｎ接合を含む従来型のバイポーラレーザ素子を凌駕する特性が得られている。また、そのスペクトル線幅については、例えば、非特許文献１においては、量子カスケードレーザでのスペクトル線幅として、１２ｋＨｚという極めて小さい値が報告されている。一方で、量子カスケードレーザを様々な分野に対して応用していく上で、このような狭線幅特性を保持しつつ、さらに低閾値、高出力での動作が可能なレーザ素子の開発が望まれている。 In the above-described quantum cascade laser, it is possible to realize high efficiency and high output operation by cascading the quantum well light-emitting layers that are formed in a quantum well structure and serve as an active region in multiple stages, and include a conventional pn junction. Characteristics superior to those of conventional bipolar laser elements are obtained. As for the spectral line width, for example, Non-Patent Document 1 reports a very small value of 12 kHz as the spectral line width in the quantum cascade laser. On the other hand, when applying quantum cascade lasers to various fields, it is hoped to develop laser elements that can operate at lower threshold and higher output while maintaining such narrow linewidth characteristics. It is rare.

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作が可能な量子カスケードレーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a quantum cascade laser that has a narrow linewidth characteristic and can operate at a low threshold and a high output.

量子カスケードレーザの狭線幅特性について、上記非特許文献１では、反転分布の変動によって生じる屈折率変化による線幅増大係数をα_ｃとして、線幅は（１＋α_ｃ ^２）に比例し、また、量子カスケードレーザではその遷移機構よりα_ｃがほとんど０となるために線幅が狭くなると結論している。しかしながら、このα_ｃ〜０という条件だけでは、上記した１２ｋＨｚというような非常に狭いスペクトル線幅を説明することはできない。 For narrow linewidth characteristics of the quantum cascade laser, in the non-patent document 1, the linewidth enhancement factor due to the refractive index change caused by variations in the population inversion as alpha _c, the line width is proportional to (1 + α _{c ^2),} also, We conclude that the quantum cascade laser has a narrower line width because α _c is almost 0 due to its transition mechanism. However, a very narrow spectral line width such as 12 kHz cannot be explained only by the condition of α _c ˜0.

これに対し、本願発明者は、量子カスケードレーザの上記特性について詳細な検討を行った。そして、量子井戸構造を有する発光層が多段にカスケード結合されたレーザ素子の構造をレート方程式において忠実に再現して発振特性の解析を行った結果、そのカスケード構造での段数ｍを増やすことによって低閾値、高出力での動作が可能となることを見出し、本発明に到達した。 On the other hand, the inventor of the present application has made a detailed study on the above characteristics of the quantum cascade laser. As a result of analyzing the oscillation characteristics by faithfully reproducing the structure of the laser element in which the light emitting layers having the quantum well structure are cascade-coupled in multiple stages in the rate equation, the number of stages m in the cascade structure is reduced. The present inventors have found that it is possible to operate with a high threshold and a high output.

すなわち、本発明による量子カスケードレーザは、（１）量子井戸発光層及び注入層が交互に、第１の方向に積層されたｍ１段のカスケード構造（ｍ１は２以上の整数）を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層を少なくとも含む半導体積層体を備え、（２）半導体積層体は、第１の方向とは異なる第２の方向に、互いに分離された状態でｍ２個（ｍ２は２以上の整数）配列されるとともに、それらを直列に接続することで、実効的にｍ１×ｍ２段の２次元状のカスケード構造とすることが可能に構成されていることを特徴とする。 That is, the quantum cascade laser according to the present invention has (1) an m1-stage cascade structure (where m1 is an integer of 2 or more) in which quantum well light-emitting layers and injection layers are alternately stacked in a first direction. A semiconductor stack including at least an active layer that generates light by intersubband transition in a well structure, and (2) the semiconductor stack is separated from each other in a second direction different from the first direction And m2 (m2 is an integer of 2 or more) are arranged, and by connecting them in series, it is possible to effectively form a two-dimensional cascade structure of m1 × m2 stages. It is characterized by.

上記した量子カスケードレーザにおいては、所定の方向に量子井戸発光層及び注入層が交互に積層される活性層のカスケード構造について、そのようなカスケード構造を含んで構成された素子部分である半導体積層体を用いる。そして、積層方向（第１の方向）とは異なる方向で設定された配列方向（第２の方向）に複数の半導体積層体を配列し、それらを直列にカスケード接続することにより、２次元状のカスケード構造を実現している。このような構成によれば、レーザ素子を構成するカスケード構造の段数ｍを全体として充分に増やすことが可能となる。したがって、狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作が可能な量子カスケードレーザが実現される。 In the above-described quantum cascade laser, a semiconductor stacked body which is an element portion including such a cascade structure with respect to a cascade structure of active layers in which quantum well light emitting layers and injection layers are alternately stacked in a predetermined direction Is used. Then, by arranging a plurality of semiconductor stacked bodies in an arrangement direction (second direction) set in a direction different from the stacking direction (first direction) and cascading them in series, two-dimensional A cascade structure is realized. According to such a configuration, it is possible to sufficiently increase the total number m of cascade structures constituting the laser element as a whole. Therefore, a quantum cascade laser having a narrow line width characteristic and capable of operating at a low threshold and high output is realized.

ここで、第２の方向に配列されたｍ２個の半導体積層体（レーザ素子部）をカスケード接続するための配線構造については、様々な構成を用いて良い。そのような配線構造としては、例えば、量子カスケードレーザのレーザチップ上に形成された配線パターン、及びワイヤ配線を用いて構成される配線構造がある。あるいは、レーザチップを載置するサブマウントに必要な配線パターンを形成しておく配線構造がある。 Here, various configurations may be used for a wiring structure for cascading m2 semiconductor stacked bodies (laser element portions) arranged in the second direction. As such a wiring structure, for example, there is a wiring structure formed using a wiring pattern formed on a laser chip of a quantum cascade laser and a wire wiring. Alternatively, there is a wiring structure in which a wiring pattern necessary for a submount on which a laser chip is placed is formed.

また、半導体層の積層方向、及び半導体積層体の配列方向については、積層方向である第１の方向は、量子井戸発光層及び注入層を含む半導体層の結晶成長面に対して垂直方向であり、配列方向である第２の方向は、結晶成長面に対して水平方向であることが好ましい。これにより、成長された半導体積層構造を水平方向に分割して複数の半導体積層体とした構成を用いて、上記した２次元カスケード構造を好適に実現することができる。 Regarding the stacking direction of the semiconductor layers and the arrangement direction of the semiconductor stacks, the first direction which is the stacking direction is a direction perpendicular to the crystal growth surface of the semiconductor layer including the quantum well light emitting layer and the injection layer. The second direction as the arrangement direction is preferably a horizontal direction with respect to the crystal growth surface. Thereby, the above-described two-dimensional cascade structure can be suitably realized by using a configuration in which the grown semiconductor multilayer structure is divided into a plurality of semiconductor multilayer bodies in the horizontal direction.

また、複数の半導体積層体を互いに分離するための構成としては、ｍ２個配列された半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体同士が、その間に形成された高抵抗層によって互いに分離されている構成を用いることができる。あるいは、ｍ２個配列された半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体同士が、その間に形成された間隙部によって互いに分離されている構成を用いることができる。 Further, as a configuration for separating a plurality of semiconductor stacked bodies from each other, adjacent semiconductor stacked bodies among the semiconductor stacked bodies arranged in m2 are separated from each other by a high resistance layer formed therebetween. A configuration can be used. Alternatively, it is possible to use a configuration in which adjacent semiconductor stacked bodies are separated from each other by a gap formed between m2 semiconductor stacked bodies.

本発明の量子カスケードレーザによれば、量子井戸発光層及び注入層が交互に積層されるカスケード構造の活性層を含む半導体積層体を複数用い、積層方向とは異なる配列方向に複数の半導体積層体を配列し、さらに、それらを直列にカスケード接続して多段で２次元状のカスケード構造を実現することにより、狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力、高温での動作が可能となる。 According to the quantum cascade laser of the present invention, a plurality of semiconductor laminates including active layers having a cascade structure in which quantum well light-emitting layers and injection layers are alternately laminated are used, and a plurality of semiconductor laminates are arranged in an arrangement direction different from the lamination direction. Are arranged in series and cascaded in series to realize a multistage, two-dimensional cascade structure, so that it has a narrow line width characteristic and can operate at a low threshold, high output, and high temperature. .

以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of the quantum cascade laser according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

図１は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ１は、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、後述するように、複数個（ｍ２個、ｍ２は２以上の整数）の半導体積層体であるレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２を備えて構成されている。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic configuration of a quantum cascade laser according to the present invention. The quantum cascade laser 1 of the present embodiment is a monopolar type laser element that generates light by utilizing electron transition between subbands in a semiconductor quantum well structure. As will be described later, a plurality of (m2, m2 It is configured to include a laser element portion 10 ₁ to 10 _m2 which is an integer of 2 or more.

ここで、図１において、「垂直方向」とは半導体層の結晶成長面に対して垂直な方向を示している。この垂直方向は、本レーザ１における半導体層の積層方向に対応している。一方、「水平方向」とは半導体層の結晶成長面に対して水平な方向を示している。この水平方向は、本レーザ１におけるレーザ素子部の配列方向、及びレーザ光を発振させる光共振器での共振器軸方向に対応している。また、このような構成において、量子カスケードレーザ１でのレーザ素子部の配列方向は、半導体層の積層方向に対して直交している。 Here, “vertical direction” in FIG. 1 indicates a direction perpendicular to the crystal growth surface of the semiconductor layer. This vertical direction corresponds to the stacking direction of the semiconductor layers in the laser 1. On the other hand, the “horizontal direction” indicates a direction horizontal to the crystal growth surface of the semiconductor layer. This horizontal direction corresponds to the arrangement direction of the laser element portions in the laser 1 and the resonator axial direction of the optical resonator that oscillates the laser light. In such a configuration, the arrangement direction of the laser element portions in the quantum cascade laser 1 is orthogonal to the stacking direction of the semiconductor layers.

まず、図１の量子カスケードレーザ１を構成するｍ２個のレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２の個々の構成について説明する。これらのレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２のうちで図中の最も左側に位置する第１レーザ素子部１０_１を例にとると、第１レーザ素子部１０_１は、活性層２０_１と、クラッド層４０_１、４５_１と、電極５０_１、５５_１とを有している。また、活性層２０_１は、量子井戸発光層及び注入層が交互に、垂直方向（第１の方向）を積層方向として積層された複数段のカスケード構造（ｍ１段、ｍ１は２以上の整数）を有する。 First, the individual configurations of the _m2 laser element units 10 ₁ to 10 _m2 constituting the quantum cascade laser 1 of FIG. 1 will be described. Taking the first laser element 10 ₁ located on the leftmost side of FIG. Of these laser element portion ₁₀ 1 _{to 10 m @ 2} as an example, the first laser element portion 10 ₁ includes an active layer 20 _1, cladding The layers 40 ₁ and 45 ₁ and the electrodes 50 ₁ and 55 ₁ are provided. The active layer 20 _1, the quantum well active layer and the injection layer is alternately vertical cascade structure (first direction) a plurality of stages stacked as a laminate direction (m1 stage, m1 is an integer of 2 or more) Have

これにより、レーザ素子部１０_１は、ｍ１段のカスケード構造を有する活性層２０_１を少なくとも含む半導体積層体となっている。活性層２０_１は、上記したカスケード構造により、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によってカスケード的に所定波長の光（例えば中赤外の波長領域内にある光）を生成する。活性層２０_１における量子井戸発光層及び注入層の積層数は適宜設定される。 Thus, the laser element portion 10 ₁ has a semiconductor stack including at least an active layer 20 ₁ having a cascade structure of m1 stage. The active layer 20 _1, the cascade structure described above, to generate light (e.g., light in a mid-infrared wavelength region) of the cascade to a predetermined wavelength by intersubband transitions in quantum well structure. Stacking number of the quantum well active layer and the injection layer in the active layer 20 ₁ is set appropriately.

図２は、図１に示した量子カスケードレーザ１のレーザ素子部１０における活性層２０の構成、及びその量子井戸構造でのサブバンド間遷移について示す模式図である。なお、図２においては、説明のため、活性層２０を構成している量子井戸発光層及び注入層による多段の繰返し構造のうち、隣合う１層ずつの量子井戸発光層２０１及び注入層２０６によってその積層構造を示している。 FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of the active layer 20 in the laser element unit 10 of the quantum cascade laser 1 illustrated in FIG. 1 and the intersubband transition in the quantum well structure. In FIG. 2, for the sake of explanation, among the multistage repeating structure of the quantum well light emitting layer and the injection layer constituting the active layer 20, the adjacent quantum well light emitting layer 201 and injection layer 206 are adjacent to each other. The laminated structure is shown.

図２に示すように、量子井戸発光層２０１は、量子井戸層２０２と量子障壁層２０３とから構成されている。この発光層２０１は、活性層２０の半導体積層構造において光ｈνを生成する活性領域として機能する部分である。図２中においては、発光層２０１の量子井戸層２０２として、それぞれ厚さが異なる３つの量子井戸層を示している。また、この量子井戸発光層２０１では、これらの量子井戸層２０２及び量子障壁層２０３により、下から順に準位１、準位２、及び準位３の３つの量子準位が形成されている。また、発光層２０１と、次の発光層との間には、電子注入層２０６が設けられている。この注入層２０６は、量子井戸層２０７と量子障壁層２０８とから構成されている。 As shown in FIG. 2, the quantum well light-emitting layer 201 includes a quantum well layer 202 and a quantum barrier layer 203. The light emitting layer 201 is a portion that functions as an active region for generating light hν in the semiconductor stacked structure of the active layer 20. In FIG. 2, three quantum well layers having different thicknesses are shown as the quantum well layers 202 of the light emitting layer 201. In the quantum well light-emitting layer 201, the quantum well layer 202 and the quantum barrier layer 203 form three quantum levels of level 1, level 2, and level 3 in order from the bottom. Further, an electron injection layer 206 is provided between the light emitting layer 201 and the next light emitting layer. The injection layer 206 includes a quantum well layer 207 and a quantum barrier layer 208.

図１に示す量子カスケードレーザ１では、このような量子準位構造の活性層２０を有する半導体積層体であるレーザ素子部１０に対してバイアス電圧を印加した状態において、注入層２０６からの電子２００は発光層２０１の準位３へと注入される。この準位３に注入された電子２００は準位２へ発光遷移し、このとき、準位３及び準位２の量子準位間のエネルギー準位差に相当する波長の光ｈνが生成される。 In the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1, electrons 200 from the injection layer 206 are applied in a state where a bias voltage is applied to the laser element unit 10 that is a semiconductor stacked body having the active layer 20 having such a quantum level structure. Is injected into level 3 of the light emitting layer 201. The electron 200 injected into the level 3 makes an emission transition to the level 2, and at this time, light hν having a wavelength corresponding to the energy level difference between the quantum levels of the level 3 and the level 2 is generated. .

また、この準位２へと遷移した電子２００は準位１へと高速で緩和し、注入層２０６を介して次の発光層の準位３へとカスケード的に注入される。このような電子の注入、及び発光遷移を活性層２０の積層構造中で繰り返すことにより、活性層２０において、カスケード的な光の生成が起こる。すなわち、図２に示したような量子井戸発光層２０１及び注入層２０６を多数交互に積層することにより、電子２００は発光層２０１をカスケード的に次々に移動するとともに、各発光層２０１でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。また、このような光がレーザ１の光共振器において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。 Further, the electrons 200 that have transitioned to level 2 are relaxed to level 1 at high speed, and are cascade-injected to level 3 of the next light-emitting layer through injection layer 206. By repeating such electron injection and light emission transition in the stacked structure of the active layer 20, cascade generation of light occurs in the active layer 20. That is, by stacking a large number of quantum well light-emitting layers 201 and injection layers 206 as shown in FIG. 2, the electrons 200 move in cascade in the light-emitting layers 201, and sub- Light hν is generated during the interband transition. In addition, when such light is resonated in the optical resonator of the laser 1, laser light having a predetermined wavelength is generated.

図１に示すレーザ１のレーザ素子部１０_１では、図２に示したカスケード的な積層構造を有する活性層２０_１に対し、活性層２０_１において生成された光がレーザ１内で共振器方向に導波されるための導波路構造として、活性層２０_１を間に挟むクラッド層４０_１、４５_１が設けられている。さらに、クラッド層４０_１の活性層２０_１とは反対側（図中の上側）に電極５０_１が形成され、クラッド層４５_１の活性層２０_１とは反対側（図中の下側）に電極５５_１が形成されることにより、本実施形態の量子カスケードレーザ１におけるレーザ素子部１０_１が構成されている。 In the laser element portion 10 ₁ of the laser 1 shown in FIG. 1, the resonator direction to the active layer 20 ₁ having a cascade manner laminate structure shown in FIG. 2, light generated in the active layer 20 ₁ in the laser 1 as a waveguide structure to be directed, the cladding layer 40 _1, 45 ₁ between which the active layer 20 ₁ is provided. Further, the active layer 20 ₁ of the clad layer 40 _first electrode 50 ₁ is formed on the opposite side (upper side in the drawing), on the side opposite to the active layer 20 ₁ of the clad layer 45 ₁ (lower side in the drawing) by the electrode 55 ₁ is formed, the laser element portion 10 ₁ is formed in the quantum cascade laser 1 of the present embodiment.

また、本実施形態の量子カスケードレーザ１は、上述したようにｍ２個のレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２から構成されている。これらのうち、第２〜第ｍ２レーザ素子部１０_２〜１０_ｍ２の構造については、上記した第１レーザ素子部１０_１の構造と同様であり、それぞれ活性層２０_２〜２０_ｍ２、クラッド層４０_２〜４０_ｍ２、４５_２〜４５_ｍ２、及び電極５０_２〜５０_ｍ２、５５_２〜５５_ｍ２を有して構成されている。 Further, the quantum cascade laser 1 of the present embodiment is constituted by m2 pieces of laser portion 10 ₁ to 10 _m2, as described above. Among these, the structure of the second to m2 laser element portion ₁₀ 2 _{to 10 m2,} the same as the first laser element portion 10 ₁ structure described above, the active layer ₂₀ 2 _{to 20 m2} respectively, the cladding layer 40 _{_{_{_{2 ~40 m2, 45 2 ~45 m2}}}} , and has an electrode _{_{_{_{50 2 ~50 m2, 55 2 ~55}}}} m2 is constructed.

次に、量子カスケードレーザ１における複数のレーザ素子部（半導体積層体）１０_１〜１０_ｍ２の配列構成について説明する。レーザ１を構成するｍ２個のレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２は、図１に示すように、半導体層の積層方向に直交する水平方向（第２の方向）を配列方向とし、互いに電気的に分離された状態で１次元的に配列されている。 Next, an arrangement configuration of a plurality of laser element units (semiconductor laminates) 10 ₁ to 10 _{m2 in} the quantum cascade laser 1 will be described. As shown in FIG. 1, the _m2 laser element units 10 ₁ to 10 _m2 constituting the laser 1 have a horizontal direction (second direction) orthogonal to the stacking direction of the semiconductor layers as an array direction, and are electrically connected to each other. They are arranged one-dimensionally in a separated state.

また、このようなレーザ素子部の配列構造において、レーザ１を構成するｍ２個のレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２は、第１レーザ素子部１０_１から第ｍ２レーザ素子部１０_ｍ２へと順に、配線６０_２〜６０_ｍ２によって直列に接続されている。これにより、活性層２０_１〜２０_ｍ２を含む半導体積層体であるｍ２個のレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２が、必要な電極及び配線等を含む配線構造によって直列に接続され、実効的にｍ１×ｍ２段の２次元状のカスケード構造が得られる。 Further, in the arrangement of such a laser portion, m2 amino laser element portion ₁₀ 1 _{to 10 m2} constituting the laser 1, and in order from the first laser element portion 10 ₁ to the m2 laser element portion _{10 m2,} The wirings 60 _{2 to} 60 _m2 are connected in series. Thereby, m2 laser element portions 10 ₁ to 10 _m2 which are semiconductor stacked bodies including the active layers 20 _{1 to} 20 _m2 are connected in series by a wiring structure including necessary electrodes and wirings, and effectively m1 A two-dimensional cascade structure of × m2 stages is obtained.

図１に示した構成例では、具体的には、第１レーザ素子部１０_１の上側の電極５０_１、及び第ｍ２レーザ素子部１０_ｍ２の下側の電極５５_ｍ２に対し、外部の電源装置に対する接続用の配線６０_１、及び配線６０_ｍ２＋１が接続されている。また、第１レーザ素子部１０_１の下側の電極５５_１と、第２レーザ素子部１０_２の上側の電極５０_２とが、配線６０_２によって接続されている。同様に、配線６０_３〜６０_ｍ２によってレーザ素子部１０_２〜１０_ｍ２が接続されて、上記した２次元カスケード構造が実現されている。 In the configuration example shown in FIG. 1, specifically, to electrodes _{55 m2} of the lower first upper electrode 50 ₁ of the laser element portion 10 _1, and the m2 laser element portion _{10 m2,} the external power supply The connection wiring 60 ₁ and the wiring 60 _{m2 + 1} are connected to. Further, an electrode 55 ₁ of the first laser element portion 10 ₁ of the lower, and the electrode 50 ₂ of the second upper laser element portion 10 ₂ are connected by a wire 60 _2. Similarly, the laser element portions 10 ₂ to 10 _m ₂ are connected by the wirings 60 _{3 to} 60 _m ₂ to realize the above-described two-dimensional cascade structure.

また、ｍ２個のレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２での活性層２０_１〜２０_ｍ２、クラッド層４０_１〜４０_ｍ２、及びクラッド層４５_１〜４５_ｍ２は、それぞれ上記したように互いに電気的に分離される一方、光学的には、レーザ光の波長帯域において互いに光学的に接続されている。これにより、レーザ１において水平方向に延びる光導波路が構成されている。 The active layer ₂₀ 1 _{to 20 m2} in m2 pieces of laser portion ₁₀ 1 _{to 10 m2,} the cladding layer ₄₀ 1 _{to 40 m2,} and the cladding layers ₄₅ 1 _{to 45 m2} are electrically with each other, respectively above While being separated, they are optically connected to each other in the wavelength band of the laser light. Thus, an optical waveguide extending in the horizontal direction in the laser 1 is configured.

また、レーザ１の水平方向の両端面に相当する第１レーザ素子部１０_１の左端面、及び第ｍ２レーザ素子部１０_ｍ２の右端面には、それぞれ鏡面が形成されている。そして、これらのレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２での光導波路構造、及び両端面での鏡面により、本レーザ１の全体としての光共振器が構成されている。なお、図１においては、互いに電気的に分離されたレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２の分離境界について、図中で垂直方向に延びる点線によって模式的に示している。 Further, the left end surface of the first laser element portion 10 ₁ corresponding to both end surfaces of the horizontal direction of the laser 1, and the right end surface of the m2 laser element portion 10 _m2, is mirror respectively formed. The optical waveguide structure of these laser element portion 10 ₁ to 10 _{m @ 2,} and the mirror surface of at both end faces, the optical resonator is constituted as a whole of the laser 1. In FIG. 1, the separation boundaries of the laser element portions 10 ₁ to 10 _{m 2} that are electrically separated from each other are schematically shown by dotted lines extending in the vertical direction in the drawing.

本実施形態による量子カスケードレーザ１の効果について説明する。 The effect of the quantum cascade laser 1 according to the present embodiment will be described.

図１に示した量子カスケードレーザ１においては、垂直方向に量子井戸発光層２０１及び注入層２０６が交互に積層される活性層２０のｍ１段のカスケード構造について、そのようなカスケード構造を含んで構成された素子部分である半導体積層体を複数用いる。そして、積層方向とは異なる方向として設定された配列方向に活性層２０_１〜２０_ｍ２を含む複数の半導体積層体であるレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２を配列し、それらを直列にカスケード接続することにより、垂直方向及び水平方向の２方向についてそれぞれカスケード構造を有し、その段数ｍが実効的にｍ１×ｍ２段となる２次元状のカスケード構造を実現している。 In the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1, the m1-stage cascade structure of the active layer 20 in which the quantum well light emitting layers 201 and the injection layers 206 are alternately stacked in the vertical direction is configured to include such a cascade structure. A plurality of semiconductor laminates which are the formed element portions are used. Then, laser element units 10 ₁ to 10 _{m 2} that are a plurality of semiconductor stacked bodies including active layers 20 _{1 to} 20 _{m 2} are arranged in an arrangement direction set as a direction different from the lamination direction, and they are cascade-connected in series. As a result, a two-dimensional cascade structure having a cascade structure in each of the two directions, ie, the vertical direction and the horizontal direction, in which the number of stages m is effectively m1 × m2 stages is realized.

このような構成によれば、レーザ素子を構成するカスケード構造の段数ｍを、レーザ１の全体として充分に増やすことが可能となる。したがって、得られるレーザ光について狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作が可能な量子カスケードレーザ１が実現される。また、上記構成では、レーザ素子部の配列方向でのカスケード接続の接続数ｍ２を稼ぐことにより、レーザ素子部内における積層方向でのカスケード構造の段数ｍ１を減らすことが可能である。これにより、レーザ素子を構成する半導体積層構造の成長時間の短縮が可能となる。また、これにより、得られる結晶品質の向上、及び素子の低コスト化が実現できる。 According to such a configuration, the number of stages m of the cascade structure constituting the laser element can be sufficiently increased as a whole of the laser 1. Therefore, the quantum cascade laser 1 that has a narrow linewidth characteristic and can operate at a low threshold and a high output is realized for the obtained laser light. Further, in the above configuration, it is possible to reduce the number of stages m1 of the cascade structure in the stacking direction in the laser element unit by increasing the number m2 of cascade connections in the arrangement direction of the laser element units. This makes it possible to shorten the growth time of the semiconductor multilayer structure that constitutes the laser element. In addition, this makes it possible to improve the quality of the obtained crystal and reduce the cost of the device.

ここで、レーザ素子部内での半導体層の積層方向、及びレーザ素子部の配列方向については、図１に示した構成では、積層方向を半導体層の結晶成長面に対して垂直方向とするとともに、配列方向を結晶成長面に対して水平方向としている。これにより、複数のレーザ素子部を含む２次元カスケード構造を好適に実現することができる。特に、このような構成では、図１からわかるように、レーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２の分割構造を除けば、レーザ１の全体での半導体積層構造は、通常の量子カスケードレーザの素子構造と同様となっている。したがって、このようなカスケード接続構造によれば、成長された半導体積層構造を水平方向に分割して複数の半導体積層体とした構成を用いることができ、結晶構造自体はそのままで、低閾値、高出力のレーザ１を容易に実現することができる。 Here, regarding the stacking direction of the semiconductor layers in the laser element portion and the arrangement direction of the laser element portions, in the configuration shown in FIG. 1, the stacking direction is set to be perpendicular to the crystal growth surface of the semiconductor layer, and The arrangement direction is the horizontal direction with respect to the crystal growth surface. Thereby, a two-dimensional cascade structure including a plurality of laser element portions can be suitably realized. In particular, in this configuration, as can be seen from FIG. 1, except for the divided structure of the laser element portions 10 ₁ to 10 _m 2, the entire semiconductor stacked structure of the laser 1 is the same as that of a normal quantum cascade laser. It is the same. Therefore, according to such a cascade connection structure, it is possible to use a configuration in which the grown semiconductor stacked structure is divided into a plurality of semiconductor stacked bodies in the horizontal direction, and the low crystal The output laser 1 can be easily realized.

また、複数の半導体積層体（レーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２）を互いに分離するための構成としては、ｍ２個配列された半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体（隣合うレーザ素子部）同士が、その間に形成された高抵抗層によって互いに分離されている構成を用いることができる。あるいは、ｍ２個配列された半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体（隣合うレーザ素子部）同士が、その間に形成された間隙部によって互いに分離されている構成を用いることができる。あるいは、高抵抗層と間隙部とを併用する構成としても良い。これらの半導体積層体の分離構造等については、さらに後述する。 Further, as a configuration for separating a plurality of semiconductor stacked bodies (laser element units 10 ₁ to 10 _m2 ) from each other, adjacent semiconductor stacked bodies (adjacent laser element units) among m 2 arranged semiconductor stacked bodies. A configuration in which the two are separated from each other by a high resistance layer formed therebetween can be used. Alternatively, it is possible to use a configuration in which adjacent semiconductor stacked bodies (adjacent laser element portions) among m 2 arranged semiconductor stacked bodies are separated from each other by a gap formed therebetween. Or it is good also as a structure which uses a high resistance layer and a gap | interval part together. The separation structure of these semiconductor laminates will be further described later.

また、水平方向に配列されたｍ２個のレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２をカスケード接続して２次元状のカスケード構造を実現するための配線構造については、様々な構成を用いて良い。そのような配線構造としては、例えば、量子カスケードレーザのレーザチップ上に形成された配線パターン、及び必要に応じてワイヤ配線等の追加的な配線を用いて構成される配線構造がある。あるいは、レーザチップを載置するサブマウントに必要な配線パターンを形成しておく配線構造がある。一般には、ｍ２個配列されたレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２は、それらを直列に接続することで、実効的にｍ１×ｍ２段の２次元状のカスケード構造とすることが可能に構成されていれば良い。 Various configurations may be used for the wiring structure for realizing a two-dimensional cascade structure by cascading _m2 laser element portions 10 ₁ to 10 _m2 arranged in the horizontal direction. As such a wiring structure, for example, there is a wiring structure formed using a wiring pattern formed on a laser chip of a quantum cascade laser and, if necessary, additional wiring such as wire wiring. Alternatively, there is a wiring structure in which a wiring pattern necessary for a submount on which a laser chip is placed is formed. In general, m2 arrayed laser element units 10 ₁ to 10 _m2 are configured so that an effective m1 × m2 stage two-dimensional cascade structure can be obtained by connecting them in series. Just do it.

上記構成の量子カスケードレーザによるレーザ動作の低閾値化、高出力化の効果について、本願発明者が得た知見に基づいて、詳細に説明する。図３は、量子カスケードレーザ１における活性層２０のカスケード構造について示す模式図である。ここでは、カスケード的な量子準位によって、活性層２０のカスケード構造を示している。このような量子準位構造において、発光層の準位３に注入された電子は、準位２との間で発光遷移を起こした後、準位１へと高速で緩和して注入層を介して次の発光層へと再び注入される。 The effect of lowering the threshold and increasing the output of the laser operation by the quantum cascade laser having the above configuration will be described in detail based on the knowledge obtained by the present inventor. FIG. 3 is a schematic diagram showing a cascade structure of the active layer 20 in the quantum cascade laser 1. Here, the cascade structure of the active layer 20 is shown by cascaded quantum levels. In such a quantum level structure, electrons injected into level 3 of the light emitting layer undergo a light emission transition with level 2 and then relax to level 1 at a high speed through the injection layer. Then, it is injected again into the next light emitting layer.

このとき、活性層のカスケード構造でのｉ番目の活性領域である量子井戸発光層における電子数のレート方程式は、以下の（１）式

となる。ここで、
Ｎ_ｃｉ：準位３を占有している電子数
Ｐ_ｉ：ポンプレート
Ｎ_ｃｉ／τ_ｒｉ：自然放出レート
Ｎ_ｃｉ／τ_ｎｒ：非発光レート
Ｅ_３２ｉ：光子数当たりの誘導放出レート
Ｅ_２３ｉ：光子数当たりの吸収レート
ｎ：光共振器内に存在する光子数
である。また、以降の式は、すべて「ｉ」を「ｉｊ」として２次元カスケード構造に拡張した場合にも成立するが、ここでは、簡単のため単に「ｉ」と表記する。 At this time, the rate equation of the number of electrons in the quantum well light emitting layer which is the i-th active region in the cascade structure of the active layer is expressed by the following equation (1):

It becomes. here,
N _ci : Number of electrons occupying level 3 P _i : Pump rate N _ci / τ _ri : Spontaneous emission rate N _ci / τ _nr : Non-emission rate E _32i : Stimulated emission rate per number of photons E _23i : Photon Absorption rate per number n: The number of photons present in the optical resonator. Further, the following formulas are all established when the “i” is extended to the two-dimensional cascade structure with “ij”, but here, for simplicity, it is simply expressed as “i”.

また、自然放出光結合係数をβ_ｉとすると、アインシュタインの関係より、

が成り立つ。また、準位２→準位１の緩和が充分に速く、かつ準位２の熱平衡状態での電子の存在が無視できるとすれば、Ｅ_２３ｉ＝０とおくことができる。 Also, if the spontaneous emission light coupling coefficient is β _i , from Einstein's relationship,

Holds. If the level 2 → level 1 relaxation is sufficiently fast and the presence of electrons in the thermal equilibrium state of level 2 can be ignored, E _23i = 0 can be set.

一方、光子数ｎについては、以下のように表すことができる。

ここで、γは光の吸収や光共振器外部への放出により光子数が減少するレートである。 On the other hand, the photon number n can be expressed as follows.

Here, γ is a rate at which the number of photons decreases due to light absorption and emission to the outside of the optical resonator.

また、ｄ／ｄｔ→０、Ｐ_１＝Ｐ_２＝…＝Ｐ_ｉ＝…＝Ｐ_０として定常状態を考えると、上記の（１）式、（３）式は、以下のようになる。

さらに、（４）式において光子数ｎ＝０、（５）式においてｎ≫１とすると、発振閾値ポンプレートＰ_ｔｈは

と求められる。ただし、１／τ_ｔｉ＝１／τ_ｒｉ＋１／τ_ｎｒである。 Further, considering the steady state as d / dt → 0, P ₁ = P ₂ =... = P _i =... = P ₀ , the above expressions (1) and (3) are as follows.

Further, when the number of photons n = 0 in the equation (4) and n >> 1 in the equation (5), the oscillation threshold pump rate P _th is

Is required. However, 1 / τ _ti = 1 / τ _ri + 1 / τ _nr .

ポンプレートを規格化した形に書き、ｒ＝Ｐ_０／Ｐ_ｔｈとして、ｒの全領域に対して成立する関係を得るために

と仮定する。さらに、新たに実効結合係数として、次式で表されるβ_ｅｆｆ

を導入すると、光子数ｎは

となる。また、閾値は

となる。ここで、ｍは量子カスケードレーザの活性層におけるカスケード構造の段数である。 Write the pump rate in a standardized form, r = P ₀ / P _th , to obtain a relationship that holds for the entire region of r

Assume that Furthermore, β _eff represented by the following equation as a new effective coupling coefficient

Then the photon number n is

It becomes. The threshold is

It becomes. Here, m is the number of stages of the cascade structure in the active layer of the quantum cascade laser.

今、ポンプレートが閾値より小さい、すなわちｒ＜１で、条件

が成り立つならば、光子数ｎは

となる。一方、ポンプレートが閾値より大きい、すなわちｒ＞１で、条件

が成り立つならば、光子数ｎは

となる。また、このとき、出力効率は

となる。ここで、γ_０は光共振器外部への放出により光子数が減少するレートである。 Now, the pump rate is smaller than the threshold value, that is, r <1, and the condition

Is true, the photon number n is

It becomes. On the other hand, if the pump rate is greater than the threshold, i.e. r> 1, the condition

Is true, the photon number n is

It becomes. At this time, the output efficiency is

It becomes. Here, γ ₀ is a rate at which the number of photons decreases due to emission to the outside of the optical resonator.

これらの（１０）式、（１１）式より、閾値Ｐ_０＝Ｐ_ｔｈ付近において、光子数ｎは急激に１／β_ｅｆｆ倍に上昇することがわかる。ここで、量子カスケードレーザにおいては、通常τ_ｒ≫τ_ｔ≒τ_ｎｒ（τ_ｒ〜１０^−８ｓｅｃ、τ_ｎｒ〜１０^−１２ｓｅｃ、β〜１０^−３）であるので、β_ｅｆｆは例えば１０^−７程度と非常に小さい値となる。また、発振後の光子数は巨大な値（例えば＞１０^６個）となる。 From these equations (10) and (11), it can be seen that the number of photons n rapidly increases to 1 / β _eff times in the vicinity of the threshold value P ₀ = P _th . Here, in the quantum cascade laser, since τ _r >> τ _t ≈τ _nr (τ _r ^-10 ⁻⁸ sec, τ _nr ^{-10 −12} sec, β 10 ⁻³ ), β _eff is, for example, 10 It becomes a very small value of about ^-7 . Further, the number of photons after oscillation becomes a huge value (for example,> 10 ⁶ ).

また、スペクトル線幅（角周波数で表した半値全幅）は

となる。ここで、α_ｃは反転分布の変動によって生じる屈折率変化による線幅増大係数である。 The spectral line width (full width at half maximum expressed in angular frequency) is

It becomes. Here, α _c is a line width increase coefficient due to a change in refractive index caused by fluctuation of the inversion distribution.

β_ｅｆｆｉ＝β_ｅｆｆとして、ｒ＞１での関係

及び（１１）式を用いると、スペクトル線幅は

となる。ただし、ｒ＞１である。上記式で示されるように、線幅はカスケード構造の段数ｍとは無関係に決定される。 β _effi = β _eff and r> 1

And using equation (11), the spectral linewidth is

It becomes. However, r> 1. As shown by the above formula, the line width is determined regardless of the number of stages m of the cascade structure.

量子カスケードレーザでは、伝導帯におけるサブバンド間の電子遷移を利用していることからα_ｃはほぼ０であり、さらにβ_ｅｆｆ≪１である。したがって、スペクトル線幅は原理的に非常に狭くなり、しかも、上記式より、量子カスケードレーザに特徴的である発光層の段数ｍには独立であることがわかる。ここで、例としてα_ｃ＝０、β_ｅｆｆ＝１０^−７、ｒ＝１．５、γ＝５×１０^１１／ｓｅｃとし、δｆ（＝δω／２π）を求めると約８ｋＨｚとなり、上述した非特許文献１に示された線幅を良く説明することができる。 In the quantum cascade laser, α _c is almost 0 and β _eff << 1 because electron transition between subbands in the conduction band is used. Therefore, the spectral line width is very narrow in principle, and it can be seen from the above formula that the spectral line width is independent of the number m of the light emitting layer characteristic of the quantum cascade laser. Here, as an example, α _c = 0, β _eff = 10 ⁻⁷ , r = 1.5, γ = 5 × 10 ¹¹ / sec and δf (= δω / 2π) is about 8 kHz. The line width shown in Patent Document 1 can be well described.

ここで、量子カスケードレーザでは、上記したようにβ_ｅｆｆ≪１であるため、（９）式から明らかなように、本質的に閾値は高くならざるを得ない。一方、（９）式より、カスケード構造の段数ｍを増やすことによりβ_ｅｆｆ≪１の効果を緩和して、閾値を低減することが可能である。ただし、この実効結合係数β_ｅｆｆは、（７）式に示されているように、［τ_ｔ／τ_ｒ］〜１０^−４に起因して非常に小さい値となっている。 Here, in the quantum cascade laser, since β _eff << 1 as described above, the threshold value must be essentially increased as is apparent from the equation (9). On the other hand, according to the equation (9), it is possible to reduce the threshold by relaxing the effect of β _eff << 1 by increasing the number of stages m of the cascade structure. However, the effective coupling coefficient β _eff is a very small value due to [τ _t / τ _r ] ^{-10 −4} as shown in the equation (7).

このため、例えばカスケード構造の段数がｍ＝４０〜５０程度では、その閾値低減効果は充分ではない。一方、従来構造の量子カスケードレーザにおいて段数をｍ＝１０００程度とするには、活性層の厚さだけで数１０μｍにも及ぶこととなり、現実的ではない。また、結晶成長により垂直方向に高品質にｍ１＝１００段以上を実現できたとしても導波路中心付近から離れた部分の活性領域はレーザ発振に寄与しない。したがって、閾値は段数に逆比例して低下することにはならない。これに対し、図１に示した量子カスケードレーザ１では、上記したように、垂直方向（積層方向）に量子井戸発光層２０１及び注入層２０６が交互に積層されるｍ１段のカスケード構造の活性層２０について、水平方向（配列方向）に複数の活性層２０_１〜２０_ｍ２（複数のレーザ素子部１０_１〜１０_ｍ２）を配列し、それらを直列にカスケード接続して２次元状のカスケード構造を構成している。このような構成によれば、単一の活性層でのカスケード構造の段数ｍ１を過度に大きくすることなく、レーザ素子を構成するカスケード構造の全体での段数ｍを２次元構造によって実効的に増やすことが可能となる。 For this reason, for example, when the number of stages of the cascade structure is about m = 40 to 50, the threshold reduction effect is not sufficient. On the other hand, in order to set the number of stages to about m = 1000 in a quantum cascade laser having a conventional structure, the thickness of the active layer alone reaches several tens of μm, which is not realistic. Further, even if m1 = 100 or more stages can be realized with high quality in the vertical direction by crystal growth, the active region in a portion away from the vicinity of the center of the waveguide does not contribute to laser oscillation. Therefore, the threshold value does not decrease in inverse proportion to the number of stages. On the other hand, in the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1, as described above, an active layer having a cascade structure of m1 in which the quantum well light emitting layers 201 and the injection layers 206 are alternately stacked in the vertical direction (stacking direction). 20, a plurality of active layers 20 _{1 to} 20 _m2 (a plurality of laser element units 10 ₁ to 10 _m2 ) are arranged in a horizontal direction (arrangement direction), and they are cascaded in series to form a two-dimensional cascade structure. It is composed. According to such a configuration, the number of stages m in the entire cascade structure constituting the laser element is effectively increased by the two-dimensional structure without excessively increasing the number of stages m1 of the cascade structure in the single active layer. It becomes possible.

この場合、実効結合係数β_ｅｆｆの値は、電極が分割された状態でセグメント化された個々のレーザ素子部における配列方向（共振器方向）での寸法Ｌ_Ａに依存しない。また、積層方向である垂直方向でのカスケード構造の段数をｍ１＝ｍ_{ｖｅｒｔｉｃａｌ}（＝ｍ_ｖ）、配列方向である水平方向でのカスケード接続の接続数をｍ２＝ｍ_{ｌａｔｅｒａｌ}（＝ｍ_ｌ）とすると、全体としてのレーザ素子の実効的な段数はｍ＝ｍ_ｖ×ｍ_ｌとなる。 In this case, the value of the effective coupling coefficient beta _eff does not depend on the size L _A in the array direction (resonator direction) of the individual laser element portion segmented in a state in which the electrode is divided. Further, if the number of cascade structures in the vertical direction, which is the stacking direction, is m1 = m _vertical (= m _v ), and the number of cascade connections in the horizontal direction, which is the arrangement direction, is m2 = m _lateral (= m _l ). The effective number of stages of the laser element as a whole is m = m _v × m _l .

例えば、結晶成長によって形成される垂直方向の段数をｍ_ｖ＝４０とし、水平方向については共振器長３ｍｍに１００μｍの電極が２０μｍ間隔で配置されるセグメント構造によってｍ_ｌ＝２５とする。この構成例では、全体としての２次元カスケード構造の段数はｍ＝１０００となる。このような段数であれば、量子カスケードレーザでの閾値を充分に効果的に低減することが可能である。このとき、スペクトル線幅は、（１４）式においてβ_ｅｆｆ≪１の効果により狭い線幅が維持される。また、閾値に関しては、（９）式において１／（ｍ_ｖ×ｍ_ｌ）によって減少する。また、出力効率は（１２）式より（ｍ_ｖ×ｍ_ｌ）倍となる。 For example, the number of vertical steps formed by crystal growth is set to m _v = 40, and in the horizontal direction, m _l = 25 is set by a segment structure in which 100 μm electrodes are arranged at a resonator length of 3 mm at intervals of 20 μm. In this configuration example, the number of stages of the two-dimensional cascade structure as a whole is m = 1000. With such a number of stages, the threshold in the quantum cascade laser can be reduced sufficiently effectively. At this time, the narrow spectral line width is maintained by the effect of β _eff << 1 in the equation (14). Further, the threshold value is decreased by 1 / (m _v × m _l ) in the equation (9). Further, the output efficiency is (m _v × m _l ) times from the equation (12).

また、これまでの量子カスケードレーザと同等の閾値、効率を有するレーザ素子であれば、垂直方向の段数をｍ１＝ｍ_ｖ＝１０、水平方向の接続数をｍ２＝ｍ_ｌ＝３〜４程度とした構成で実現が可能である。この場合、垂直方向でのカスケード構造の段数が１０と少なくなり、半導体積層構造を作製する際の成長時間を大幅に短縮できることから、その結晶品質の向上、低コスト化が実現可能である。 If the laser element has the same threshold and efficiency as the conventional quantum cascade laser, the number of vertical stages is m1 = m _v = 10, and the number of horizontal connections is about m2 = m _l = 3-4. This can be realized with the above configuration. In this case, the number of stages of the cascade structure in the vertical direction is reduced to 10 and the growth time for manufacturing the semiconductor multilayer structure can be greatly shortened, so that the crystal quality can be improved and the cost can be reduced.

次に、上記においては、準位２の熱平衡状態での電子の存在が無視できるとしたが、ここで、例えば室温動作時のように準位２に熱的にキャリアが分布している場合について考える。一般には、準位２から準位１への緩和が高速であっても、準位２においては熱平衡分布Ｎ^（２） _{ｔｈｅｒｍ}が存在する。なお、素子の安定動作のために電子注入層への不純物ドーピングが必要とされているので、室温動作時には、準位２には必ず電子が存在することになる。この場合、反転分布に必要な最小ポンプレートは、

となる。ここで、Ｎ^（２） _{ｔｈｅｒｍ}は熱的に分布している電子数、ｎ^（２） _{ｔｈｅｒｍ}は熱的に分布している電子数の面密度、Ｌ_Ａはセグメントであるレーザ素子部の共振器方向の寸法、ｗ_Ａはレーザ素子部のＬ_Ａと直交する方向の寸法である。 Next, in the above description, the presence of electrons in the thermal equilibrium state of level 2 is negligible. Here, for example, when carriers are thermally distributed in level 2 as in room temperature operation, for example. Think. In general, even when the relaxation from the level 2 to the level 1 is fast, a thermal equilibrium distribution N ⁽²⁾ _therm exists in the _level ² . In addition, since the impurity injection into the electron injection layer is required for the stable operation of the device, electrons always exist in the level 2 during the room temperature operation. In this case, the minimum pump rate required for the inversion distribution is

It becomes. ^Here, _{N (2) therm} is the number of electrons in thermal ^{distribution,} _{n (2) therm} is the surface density of the number of electrons that are thermally distributed, _{L A} resonator of the laser element portion is a segment dimension, w _a is the dimension in a direction perpendicular to the L _a of the laser portion.

したがって、この場合、閾値は

となる。ただし、上記したようにｍ＝ｍ１×ｍ２＝ｍ_ｖ×ｍ_ｌである。 So in this case, the threshold is

It becomes. However, as described above, m = m1 × m2 = m _v × _ml .

また、ここで、共振器長をＬ、セグメントであるレーザ素子部間のギャップ長をＬ_Ｇとすると、

である。この（１７）式を（１５）式に代入すると、

となる。これにより、閾値Ｐ_ｔｈは以下のように表される。

したがって、準位２における熱平衡分布の影響が顕著に現れる場合であっても、閾値は、ｍ_ｌによって効果的に低減させることが可能である。すなわち、上記した２次元カスケード構造では、室温以上の高温動作時において、従来構造に比べて圧倒的に有利であり、量子カスケードレーザを様々な分野に応用展開していく上で非常に有効である。 Also, here, the resonator length L, and the gap length between the laser portion is a segment to L _G,

It is. Substituting this equation (17) into equation (15),

It becomes. Accordingly, the threshold value P _th is expressed as follows.

Therefore, even if the influence of the thermal equilibrium distribution in level 2 is remarkable, the threshold may be reduced effectively by m _l. That is, the above-described two-dimensional cascade structure is overwhelmingly advantageous over the conventional structure when operating at a high temperature of room temperature or higher, and is very effective in applying and deploying quantum cascade lasers in various fields. .

なお、レーザ素子を構成するウエハの結晶構造、共振器長などのデバイスサイズが同一の場合に、従来構造と、複数のレーザ素子部に分割された上記構造とを比較すると、素子を動作させるのに必要な電流は、単純に水平方向の分割数分の１である１／ｍ_ｌとなる。このとき、１つのレーザ素子部当たりの電流密度は同じである。すなわち、結晶構造は同一であるので、発振に必要な電流密度自体は変化せずに一定となる。 When the device structure such as the crystal structure of the wafer constituting the laser element and the device size such as the resonator length are the same, comparing the conventional structure with the above structure divided into a plurality of laser element parts, the element is operated. current required becomes simply a horizontal split fraction 1 1 / m _l. At this time, the current density per laser element part is the same. That is, since the crystal structures are the same, the current density itself necessary for oscillation does not change and is constant.

例えば、面積１ｃｍ^２の素子で駆動電流１０Ａの場合、電流密度は１０Ａ／ｃｍ^２となる。このような素子を水平方向に１０分割すると駆動電流は１Ａとなるが、１つのセグメントであるレーザ素子部を考えた場合、その面積は０．１ｃｍ^２であり、電流密度自体は１０Ａ／ｃｍ^２のままで一定となる。このとき、理想的な場合を考えると、その電流−光出力特性は図４のようになる。すなわち、素子を水平方向で分割する上記構造によれば、その効率が上がって閾値電流は下がる。 For example, in the case of an element having an area of 1 cm ² and a driving current of 10 A, the current density is 10 A / cm ² . When such an element is divided into 10 in the horizontal direction, the drive current becomes 1 A. However, when considering a laser element portion which is one segment, the area is 0.1 cm ² and the current density itself is 10 A / cm ^2. It remains constant. At this time, considering an ideal case, the current-light output characteristic is as shown in FIG. That is, according to the above structure in which the element is divided in the horizontal direction, the efficiency is increased and the threshold current is decreased.

ここで、垂直方向での段数ｍ_ｖを増やすと電流密度そのものが減るが、閾値電流密度が低くなると準位２に熱的に分布している電子の影響が大きくなり、室温以上での動作を考えた場合に、ある値以下にはなり得ない。これに対し、水平方向の分割数（配列数）ｍ_ｌを増やすことによって、上記した限界を突破することが可能となる。 Here, reducing the current density itself by increasing the number of stages m _v in the vertical direction, the influence of electrons threshold current density is thermally distributed comes to level 2 low increases, the operation of the above room temperature When considered, it cannot be below a certain value. On the other hand, by increasing the number of horizontal divisions (number of arrays) _ml , it is possible to break through the above-mentioned limit.

以下、量子カスケードレーザの具合的な実施形態により、カスケード構造の活性層を含むレーザ素子部の構成、複数のレーザ素子部を互いに分離するための分離構造、及びそれらをカスケード接続するための配線構造等を含めた量子カスケードレーザの構成例について説明する。 Hereinafter, according to specific embodiments of the quantum cascade laser, the configuration of the laser element unit including the active layer of the cascade structure, the separation structure for separating the plurality of laser element units from each other, and the wiring structure for cascading them A configuration example of the quantum cascade laser including the above will be described.

図５〜図９は、量子カスケードレーザの第１実施例について示す図であり、図５は、量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造を示す断面図であり、図６は、カスケード構造を有する活性層の具合的な構成例を示す表である。また、図７は、第１実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図であり、図８は、レーザの平面構成を示す上面図であり、図９は、レーザの立体構成を示す斜視図である。 FIGS. 5 to 9 are diagrams showing a first embodiment of the quantum cascade laser, FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor stacked structure used in the quantum cascade laser, and FIG. 6 is an activity having a cascade structure. It is a table | surface which shows the specific structural example of a layer. 7 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of the quantum cascade laser according to the first embodiment, FIG. 8 is a top view showing a planar configuration of the laser, and FIG. 9 is a perspective view showing a three-dimensional configuration of the laser. FIG.

図５に示す半導体積層構造では、固体ソースＭＢＥ法にて、ｎ型のＩｎＰ基板１１０上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓコア層４１５、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ｉｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓ量子井戸活性層２１、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓコア層４１０、Ｉｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓクラッド層４１１、及び高濃度ドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層４１２を順次エピタキシャル成長によって形成する。ここで、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、及びＩｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓのそれぞれの組成は、ＩｎＰ基板と格子整合するようにＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ、Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓとなっている。また、これらの半導体層の膜厚及びドーピング濃度の一例は、以下の通りである。
高濃度層４１２：０．５μｍ、３×１０^１８ｃｍ^−３
クラッド層４１１：２μｍ、２×１０^１７ｃｍ^−３
コア層４１０：０．６５μｍ、５×１０^１６ｃｍ^−３
活性層２１
コア層４１５：０．６５μｍ、５×１０^１６ｃｍ^−３
ＩｎＰ基板１１０ In the semiconductor stacked structure shown in FIG. 5, an In _x Ga _1-x As core layer 415, In _x Ga _1-x As / In _y Al _{1-y is formed} on an n-type InP substrate 110 by a solid source MBE method. The As quantum well active layer 21, the In _x Ga _1-x As core layer 410, the In _y Al _1-y As clad layer 411, and the highly doped In _x Ga _1-x As layer 412 are sequentially formed by epitaxial growth. Here, the compositions of In _x Ga _1-x As and In _y Al _1-y As are In _0.53 Ga _0.47 As, In _0.52 Al _{0. It is 48} As. Examples of the film thickness and doping concentration of these semiconductor layers are as follows.
High concentration layer 412: 0.5 μm, 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³
Clad layer 411: 2 μm, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³
Core layer 410: 0.65 μm, 5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³
Active layer 21
Core layer 415: 0.65 μm, 5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³
InP substrate 110

また、活性層２１については、例えば、特開平８−２７９６４７号公報、あるいは文献 Appl. Phys.Lett. vol.75 (1999) p.665 などに示されているような一般的な量子カスケードレーザの構造と同様に、量子井戸発光層と電子注入層とが交互に積層されることで構成されている。その具体的な構成の一例としては、発振波長λ＝１０μｍとして、活性層を構成する各半導体層の厚さは、例えば図６の表に示すようになる。図６において、表（ａ）は量子井戸発光層の半導体積層構造の構成例を、また、表（ｂ）は電子注入層の半導体積層構造の構成例を示している。 As for the active layer 21, for example, a general quantum cascade laser as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-279647 or the document Appl. Phys. Lett. Vol. 75 (1999) p. Similar to the structure, the quantum well light-emitting layer and the electron injection layer are alternately stacked. As an example of the specific configuration, the oscillation wavelength λ = 10 μm and the thickness of each semiconductor layer constituting the active layer is as shown in the table of FIG. 6, for example. In FIG. 6, Table (a) shows a configuration example of the semiconductor multilayer structure of the quantum well light emitting layer, and Table (b) shows a configuration example of the semiconductor multilayer structure of the electron injection layer.

このような構造の半導体積層体に対し、通常のリソグラフィー技術、ウエットエッチング技術等によってリッジストライプ型のレーザ素子構造を作製するとともに、図７に示すように、共振器方向に分割された電極５１_１〜５１_ｍ２を形成して、ｍ２個のレーザ素子部１１_１〜１１_ｍ２にセグメント化された素子構造とする。電極の一例としては、Ａｕ電極を用いることができる。 A ridge stripe type laser element structure is produced for the semiconductor laminated body having such a structure by a normal lithography technique, a wet etching technique or the like, and an electrode 51 ₁ divided in the direction of the resonator as shown in FIG. ˜51 _m2 is formed to form an element structure segmented into _m2 laser element portions 11 _{1 to} 11 _m2 . As an example of the electrode, an Au electrode can be used.

また、電極の分割数は、素子の共振器長、電極幅、電極間隔等に応じて任意に決定可能である。例えば、リッジ幅１０μｍ、共振器長３ｍｍの素子では、電極幅を１００μｍ、電極間隔を５０μｍとすることで、最大２０分割、すなわちｍ_ｌ＝２０とすることが可能である。この場合、エピタキシャル成長によって形成される活性層でのカスケード構造の段数を２０段、すなわちｍ_ｖ＝２０とすると、２次元状のカスケード構造での実効的な段数は２０×２０＝４００となり、従来の構造では困難であった非常に多い段数のカスケード構造を実現できる。 The number of divided electrodes can be arbitrarily determined according to the resonator length of the element, the electrode width, the electrode interval, and the like. For example, in an element having a ridge width of 10 μm and a resonator length of 3 mm, a maximum of 20 divisions, that is, m _l = 20, can be achieved by setting the electrode width to 100 μm and the electrode interval to 50 μm. In this case, if the number of stages of the cascade structure in the active layer formed by epitaxial growth is 20, that is, m _v = 20, the effective number of stages in the two-dimensional cascade structure is 20 × 20 = 400. A cascade structure with a very large number of stages, which was difficult with the structure, can be realized.

レーザの共振器方向となる水平方向での複数のレーザ素子部の分離構造については、隣合うレーザ素子部同士（隣合う半導体積層体同士）の間に高抵抗層を形成することによって分離する構造を用いることができる。このような高抵抗層の例としては、図７に示すように、分割されるレーザ素子部１１_１〜１１_ｍ２のそれぞれの間に対して、電極５１_１〜５１_ｍ２をメタルマスクとしてプロトン注入を行うことによって半導体層を高抵抗化し、素子部１１_１〜１１_ｍ２を互いに分離するための高抵抗層７１_２〜７１_ｍ２を形成する。また、素子の裏面側については、研磨によって薄片化した後、同様に共振器方向に分割された電極５６_１〜５６_ｍ２を形成して素子部を分離する。 Regarding the separation structure of a plurality of laser element portions in the horizontal direction, which is the laser resonator direction, a structure in which separation is performed by forming a high resistance layer between adjacent laser element portions (adjacent semiconductor laminates). Can be used. As an example of such a high resistance layer, as shown in FIG. 7, proton implantation is performed between each of the divided laser element portions 11 _{1 to} 11 _m2 using the electrodes 51 _{1 to} 51 _m2 as a metal mask. the semiconductor layer a high resistance, to form a high-resistance layer ₇₁ 2 _{-71 m @ 2} for separating the element unit ₁₁ 1 _{to 11 m @ 2} together by performing. Further, the back side of the element is thinned by polishing, and thereafter, the electrodes 56 _{1 to} 56 _m2 similarly divided in the resonator direction are formed to separate the element portion.

図７に示すレーザチップを用いた量子カスケードレーザの配線構造等を含めた構成としては、例えば、図８及び図９に示すように、電極パッド１１１が所定のパターンで形成された絶縁性ＡｌＮサブマウント１１２上にレーザチップをマウントする。そして、チップ上の電極とサブマウント上の電極パッドとを図示のようにボンディングすることで、分割されたレーザ素子部１１_１〜１１_ｍ２の水平方向でのカスケード接続を実現することができる。 As a configuration including the wiring structure of the quantum cascade laser using the laser chip shown in FIG. 7, for example, as shown in FIGS. 8 and 9, an insulating AlN sub-layer in which electrode pads 111 are formed in a predetermined pattern is used. A laser chip is mounted on the mount 112. Then, by bonding the electrodes on the chip and the electrode pads on the submount as shown in the figure, it is possible to realize cascade connection of the divided laser element portions 11 _{1 to} 11 _{m2 in} the horizontal direction.

図１０〜図１３は、量子カスケードレーザの第２実施例について示す図であり、図１０は、量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造を示す断面図である。また、図１１は、第２実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図であり、図１２は、レーザの平面構成を示す上面図であり、図１３は、レーザの立体構成を示す側面断面図である。 10 to 13 are diagrams showing a second embodiment of the quantum cascade laser, and FIG. 10 is a cross-sectional view showing a semiconductor laminated structure used in the quantum cascade laser. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of the quantum cascade laser according to the second embodiment, FIG. 12 is a top view showing the planar configuration of the laser, and FIG. 13 is a side view showing the three-dimensional configuration of the laser. It is sectional drawing.

図１０に示す半導体積層構造では、半絶縁性のＩｎＰ基板１２０上に、高濃度ドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層４２７、Ｉｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓクラッド層４２６、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓコア層４２５、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ｉｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓ量子井戸活性層２２、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓコア層４２０、Ｉｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓクラッド層４２１、及び高濃度ドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層４２２を順次エピタキシャル成長によって形成する。活性層２２の具体的な構造等については、第１実施例と同様である。また、これらの半導体層の膜厚及びドーピング濃度の一例は、以下の通りである。
高濃度層４２２：０．５μｍ、３×１０^１８ｃｍ^−３
クラッド層４２１：２μｍ、２×１０^１７ｃｍ^−３
コア層４２０：０．６５μｍ、５×１０^１６ｃｍ^−３
活性層２２
コア層４２５：０．６５μｍ、５×１０^１６ｃｍ^−３
クラッド層４２６：２μｍ、２×１０^１７ｃｍ^−３
高濃度層４２７：０．５μｍ、３×１０^１８ｃｍ^−３
ＩｎＰ基板１２０ In the semiconductor stacked structure shown in FIG. 10, a highly doped In _x Ga _1-x As layer 427, In _y Al _1-y As cladding layer 426, and In _x Ga _1-x As are formed on a semi-insulating InP substrate 120. core layer _{_{425, In x Ga 1-x}} As / In y Al 1-y As quantum well active layer _{_{22, In x Ga 1-x}} As core layer _{_{420, In y Al 1-y}} As cladding layer 421, and a high concentration A doped In _x Ga _1-x As layer 422 is sequentially formed by epitaxial growth. The specific structure and the like of the active layer 22 are the same as in the first embodiment. Examples of the film thickness and doping concentration of these semiconductor layers are as follows.
High concentration layer 422: 0.5 μm, 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³
Clad layer 421: 2 μm, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³
Core layer 420: 0.65 μm, 5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³
Active layer 22
Core layer 425: 0.65 μm, 5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³
Clad layer 426: 2 μm, 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³
High concentration layer 427: 0.5 μm, 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³
InP substrate 120

このような構造の半導体積層体に対し、通常のリソグラフィー技術、ウエットエッチング技術等によってリッジストライプ型のレーザ素子構造を作製するとともに、図１１に示すように、共振器方向に分割された電極５２_１〜５２_ｍ２を形成して、ｍ２個のレーザ素子部１２_１〜１２_ｍ２にセグメント化された素子構造とする。 A ridge stripe type laser element structure is produced for the semiconductor laminated body having such a structure by a normal lithography technique, a wet etching technique or the like, and the electrodes 52 ₁ divided in the cavity direction as shown in FIG. ˜52 _m2 is formed to form an element structure segmented into _m2 laser element portions 12 _{1 to} 12 _m2 .

レーザ素子部の分離構造については、第１実施例と同様に、図１１に示すように、分割されるレーザ素子部１２_１〜１２_ｍ２のそれぞれの間に対して、電極５２_１〜５２_ｍ２をメタルマスクとして基板部分までプロトン注入を行うことによって半導体層を高抵抗化し、素子部１２_１〜１２_ｍ２を互いに分離するための高抵抗層７２_２〜７２_ｍ２を形成する。 The isolation structure of the laser element portion, as in the first embodiment, as shown in FIG. 11, with respect to between each of the laser element portion ₁₂ 1 _{to 12 m @ 2} to be divided, the electrode ₅₂ 1 _{to 52 m @ 2} The resistance of the semiconductor layer is increased by implanting protons to the substrate portion as a metal mask, and high resistance layers 72 _{2 to} 72 _m2 for separating the element portions 12 _{1 to} 12 _m2 from each other are formed.

図１１に示すレーザチップを用いた量子カスケードレーザの配線構造等を含めた構成としては、例えば、図１２及び図１３に示すように、ＩｎＰ基板１２０上に形成されたエピタキシャル成長層で下側に位置する高濃度ドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層４２７をコンタクト層とし、このコンタクト層をエッチング等で露出させて所定のパターンの電極パッド１２１を形成する。そして、チップ上の電極とコンタクト層上の電極パッドとを図示のようにボンディングすることで、分割されたレーザ素子部１２_１〜１２_ｍ２の水平方向でのカスケード接続を実現することができる。 As a configuration including the wiring structure of the quantum cascade laser using the laser chip shown in FIG. 11, for example, as shown in FIGS. 12 and 13, the epitaxial growth layer formed on the InP substrate 120 is positioned on the lower side. The highly doped In _x Ga _1-x As layer 427 to be used is used as a contact layer, and this contact layer is exposed by etching or the like to form an electrode pad 121 having a predetermined pattern. Then, by bonding the electrodes on the chip and the electrode pads on the contact layer as shown in the figure, it is possible to realize cascade connection of the divided laser element portions 12 _{1 to} 12 _{m 2 in} the horizontal direction.

図１４は、量子カスケードレーザの第３実施例について示す図であり、第３実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。なお、本実施例で量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造については、例えば第２実施例と同様である。 FIG. 14 is a diagram showing a third example of the quantum cascade laser, and is a sectional view showing a sectional configuration of the quantum cascade laser of the third example. The semiconductor multilayer structure used for the quantum cascade laser in this embodiment is the same as that of the second embodiment, for example.

レーザ素子部の分離構造については、本実施例においては高抵抗層ではなく、隣合うレーザ素子部同士の間に間隙部を形成することによって分離する構造を用いている。このような間隙部の例としては、図１４に示すように、分割されるレーザ素子部１３_１〜１３_ｍ２のそれぞれの間に対して、電極５３_１〜５３_ｍ２をメタルマスクとし、ＲＩＢＥなどのドライプロセスの手法を利用して、素子部１３_１〜１３_ｍ２を互いに分離するための間隙部である発振波長間隔以下のエアギャップ部７３_２〜７３_ｍ２を基板まで形成する。なお、図１４に示すレーザチップを用いた量子カスケードレーザの配線構造等を含めた構成は、例えば第２実施例と同様である。 As for the separation structure of the laser element portion, in this embodiment, a structure is used in which the gap is formed by forming a gap between adjacent laser element portions instead of the high resistance layer. As an example of such a gap portion, as shown in FIG. 14, electrodes 53 _{1 to} 53 _m2 are used as metal masks between the divided laser element portions 13 _{1 to} 13 _m2 , and RIBE or the like is used. Using the dry process technique, air gap portions 73 _{2 to} 73 _m2 having an oscillation wavelength interval or less, which are gap portions for separating the element portions 13 _{1 to} 13 _m2 from each other, are formed up to the substrate. The configuration including the wiring structure of the quantum cascade laser using the laser chip shown in FIG. 14 is the same as that of the second embodiment, for example.

これらの第１〜第３実施例に示したように、２次元カスケード構造を有する量子カスケードレーザにおいて、それぞれ活性層を含む半導体積層体である複数のレーザ素子部を配列方向で互いに分離するための構成としては、隣合う半導体積層体同士が、その間に形成された高抵抗層によって互いに分離されている構成、あるいは、隣合う半導体積層体同士が、その間に形成された間隙部によって互いに分離されている構成など、様々な構成を用いることができる。 As shown in these first to third embodiments, in a quantum cascade laser having a two-dimensional cascade structure, a plurality of laser element portions that are semiconductor stacked bodies each including an active layer are separated from each other in the arrangement direction. As a configuration, adjacent semiconductor stacked bodies are separated from each other by a high resistance layer formed therebetween, or adjacent semiconductor stacked bodies are separated from each other by a gap portion formed therebetween. Various configurations can be used, such as existing configurations.

なお、図１４に示した構成においては、共振器方向に並ぶレーザ素子部１３_１〜１３_ｍ２の間にギャップが存在することとなるが、上記したようにその間隔を発振波長間隔以下に設定するなど、充分に狭い間隔で間隙部を形成することが好ましい。これにより、発振波長においてはレーザ素子部が互いに光学的に接続されることとなり、レーザの全体としての光共振器構造が実現される。 In the configuration shown in FIG. 14, a gap exists between the laser element portions 13 _{1 to} 13 _m2 arranged in the cavity direction, but the interval is set to be equal to or less than the oscillation wavelength interval as described above. For example, the gaps are preferably formed at sufficiently narrow intervals. As a result, the laser element portions are optically connected to each other at the oscillation wavelength, and an optical resonator structure as a whole of the laser is realized.

図１５は、量子カスケードレーザの第４実施例について示す図であり、第４実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。なお、本実施例で量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造については、例えば第２実施例と同様である。 FIG. 15 is a diagram illustrating a fourth example of the quantum cascade laser, and is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional configuration of the quantum cascade laser of the fourth example. The semiconductor multilayer structure used for the quantum cascade laser in this embodiment is the same as that of the second embodiment, for example.

レーザ素子部の分離構造については、本実施例においては、上記したプロトン注入による高抵抗層、及びＲＩＢＥによる間隙部を併用するハイブリッド構造を用いている。ここで、例えば、レーザ素子での発振波長が長く、光閉じ込め構造を強固にするためにクラッド層を充分に厚く設定しているような場合、エピタキシャル成長層の全域にわたってプロトン注入による高抵抗化を行うことが困難となる。 As for the separation structure of the laser element portion, in this embodiment, a hybrid structure in which the high resistance layer by proton injection and the gap portion by RIBE are used in combination is used. Here, for example, when the oscillation wavelength of the laser element is long and the cladding layer is set sufficiently thick to strengthen the optical confinement structure, the resistance is increased by proton injection over the entire epitaxial growth layer. It becomes difficult.

このような場合には、上記したように、プロトン注入と、ＲＩＢＥなどのドライプロセスとを組み合わせて素子の分離構造を形成することが有効である。このような分離構造の例としては、図１５に示すように、分割されるレーザ素子部１４_１〜１４_ｍ２のそれぞれの間に対して、電極５４_１〜５４_ｍ２をメタルマスクとし、ＲＩＢＥなどによってエアギャップ部７４_２〜７４_ｍ２を上部クラッド層まで形成する。さらに、同様に電極５４_１〜５４_ｍ２をメタルマスクとし、活性層から下の部分に対してプロトン注入での高抵抗化を行って高抵抗層７９_２〜７９_ｍ２を形成する。これにより、素子部１４_１〜１４_ｍ２を互いに分離するための間隙部及び高抵抗層を組み合わせたハイブリッド分離構造が得られる。このようなハイブリッド分離構造では、一般には、素子構造の上部の所定範囲について間隙部を形成し、さらに下部についてプロトン注入を行って高抵抗層を形成することが好ましい。 In such a case, as described above, it is effective to form an isolation structure by combining proton injection and a dry process such as RIBE. As an example of such a separation structure, as shown in FIG. 15, the electrodes 54 _{1 to} 54 _m2 are used as metal masks between the divided laser element portions 14 _{1 to} 14 _m2 , and RIBE or the like is used. Air gap portions 74 ₂ to 74 _m2 are formed up to the upper cladding layer. Further, similarly, using the electrodes 54 _{1 to} 54 _m2 as a metal mask, the high resistance layers 79 _{2 to} 79 _m2 are formed by increasing the resistance by proton injection to the lower part from the active layer. Thereby, a hybrid separation structure in which the gap portion and the high resistance layer for separating the element portions 14 _{1 to} 14 _{m 2} from each other is combined is obtained. In such a hybrid separation structure, it is generally preferable to form a high resistance layer by forming a gap portion in a predetermined range on the upper portion of the element structure and further injecting protons in the lower portion.

図１６は、量子カスケードレーザの第５実施例について示す図であり、第５実施例の量子カスケードレーザの平面構成を示す上面図である。なお、本実施例で量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造については、例えば第２、第３実施例と同様である。 FIG. 16 is a diagram illustrating a fifth example of the quantum cascade laser, and is a top view illustrating a planar configuration of the quantum cascade laser of the fifth example. The semiconductor stacked structure used for the quantum cascade laser in this embodiment is the same as that in the second and third embodiments, for example.

例えば文献 SCIENCE vol.286 (1999) p.749 に示されているような上下対称なバンド構造であれば、量子カスケードレーザは上下どちらから電流を流しても動作する。本実施例では、このような構造のレーザ素子部１５_１〜１５_ｍ２において、図１６に示すように、電流を流す方向がレーザ素子部ごとに交互に変わるような配線としている。この場合、その配線構造を簡素化することができる。 For example, in the case of a vertically symmetric band structure as shown in the literature SCIENCE vol.286 (1999) p.749, the quantum cascade laser operates regardless of whether current flows from above or below. In the present embodiment, in the laser element portions 15 ₁ to 15 _{m2 having} such a structure, as shown in FIG. 16, the wiring is such that the direction in which the current flows is alternately changed for each laser element portion. In this case, the wiring structure can be simplified.

本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した実施例では、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって活性層のカスケード構造を構成した例を示したが、格子整合条件からずれた歪系であっても良い。また、上記した実施例では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系のものを示したが、例えばＧａＡｓ系、ＧａＳｂ系、ＧａＮ系、Ｓｉ／ＳｉＧｅ系など、サブバンド間の電子遷移を利用した量子カスケード構造が可能なものであれば、いずれの材料を用いても良い。また、半導体の結晶成長方法についても、上記した固体ソースＭＢＥ法に限らず、例えばガスソースＭＢＥ法や、ＭＯＣＶＤ法など、様々な方法を用いて良い。 The quantum cascade laser according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications are possible. For example, in the above-described embodiment, an example in which the cascade structure of the active layer is configured by InGaAs / InAlAs lattice-matched to the InP substrate is shown, but a strain system deviating from the lattice matching condition may be used. In the above-described embodiment, an InGaAs / InAlAs system is shown, but a quantum cascade structure using electron transition between subbands such as GaAs system, GaSb system, GaN system, and Si / SiGe system is possible. Any material may be used as long as it is. The semiconductor crystal growth method is not limited to the solid source MBE method described above, and various methods such as a gas source MBE method and an MOCVD method may be used.

本発明は、狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作が可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a quantum cascade laser having narrow line width characteristics and capable of operating at a low threshold and high output.

量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the basic composition of a quantum cascade laser. 量子カスケードレーザにおける活性層の構成、及びその量子井戸構造でのサブバンド間遷移について示す模式図である。It is a schematic diagram which shows about the structure of the active layer in a quantum cascade laser, and the intersubband transition in the quantum well structure. 量子カスケードレーザにおける活性層のカスケード構造について示す模式図である。It is a schematic diagram shown about the cascade structure of the active layer in a quantum cascade laser. レーザ素子の電流−光出力特性を模式的に示すグラフである。It is a graph which shows typically the current-light output characteristic of a laser element. 量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor laminated structure used for a quantum cascade laser. カスケード構造を有する活性層の具合的な構成例を示す表である。It is a table | surface which shows the specific structural example of the active layer which has a cascade structure. 第１実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross-sectional structure of the quantum cascade laser of 1st Example. 第１実施例のレーザの平面構成を示す上面図である。It is a top view which shows the planar structure of the laser of 1st Example. 第１実施例のレーザの立体構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the three-dimensional structure of the laser of 1st Example. 量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor laminated structure used for a quantum cascade laser. 第２実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross-sectional structure of the quantum cascade laser of 2nd Example. 第２実施例のレーザの平面構成を示す上面図である。It is a top view which shows the planar structure of the laser of 2nd Example. 第２実施例のレーザの立体構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the three-dimensional structure of the laser of 2nd Example. 第３実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross-sectional structure of the quantum cascade laser of 3rd Example. 第４実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross-sectional structure of the quantum cascade laser of 4th Example. 第５実施例の量子カスケードレーザの平面構成を示す上面図である。It is a top view which shows the planar structure of the quantum cascade laser of 5th Example.

符号の説明Explanation of symbols

１…量子カスケードレーザ、１０…レーザ素子部、２０…活性層、２００…電子、２０１…量子井戸発光層、２０２…量子井戸層、２０３…量子障壁層、２０６…注入層、２０７…量子井戸層、２０８…量子障壁層、４０、４５…クラッド層、５０、５５…電極、６０…配線、
１１…レーザ素子部、１１０…半導体基板、２１…活性層、４１０、４１５…コア層、４１１…クラッド層、４１２…高濃度ドープ層、５１、５６…電極、７１…高抵抗層、１１１…電極パッド、１１２…サブマウント、
１２…レーザ素子部、１２０…半導体基板、２２…活性層、４２０、４２５…コア層、４２１、４２６…クラッド層、４２２、４２７…高濃度ドープ層、５２…電極、７２…高抵抗層、１２１…電極パッド、
１３…レーザ素子部、１３０…半導体基板、２３…活性層、５３…電極、７３…エアギャップ部、
１４…レーザ素子部、１４０…半導体基板、２４…活性層、５４…電極、７４…エアギャップ部、７９…高抵抗層、
１５…レーザ素子部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Quantum cascade laser, 10 ... Laser element part, 20 ... Active layer, 200 ... Electron, 201 ... Quantum well light emitting layer, 202 ... Quantum well layer, 203 ... Quantum barrier layer, 206 ... Injection layer, 207 ... Quantum well layer 208, quantum barrier layer, 40, 45 ... cladding layer, 50, 55 ... electrode, 60 ... wiring,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Laser element part, 110 ... Semiconductor substrate, 21 ... Active layer, 410, 415 ... Core layer, 411 ... Cladding layer, 412 ... Highly doped layer, 51, 56 ... Electrode, 71 ... High resistance layer, 111 ... Electrode Pad, 112 ... submount,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Laser element part, 120 ... Semiconductor substrate, 22 ... Active layer, 420, 425 ... Core layer, 421, 426 ... Cladding layer, 422, 427 ... Highly doped layer, 52 ... Electrode, 72 ... High resistance layer, 121 ... electrode pads,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Laser element part, 130 ... Semiconductor substrate, 23 ... Active layer, 53 ... Electrode, 73 ... Air gap part,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 ... Laser element part, 140 ... Semiconductor substrate, 24 ... Active layer, 54 ... Electrode, 74 ... Air gap part, 79 ... High resistance layer,
15: Laser element part.

Claims

量子井戸発光層及び注入層が交互に、第１の方向に積層されたｍ１段のカスケード構造（ｍ１は２以上の整数）を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層を少なくとも含む半導体積層体を備え、
前記半導体積層体は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に、互いに分離された状態でｍ２個（ｍ２は２以上の整数）配列されるとともに、それらを直列に接続することで、実効的にｍ１×ｍ２段の２次元状のカスケード構造とすることが可能に構成されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。 The quantum well light emitting layer and the injection layer are alternately stacked in the first direction and have a m1 stage cascade structure (m1 is an integer of 2 or more), and generate light by intersubband transition in the quantum well structure. Comprising a semiconductor laminate including at least an active layer;
The semiconductor laminated body is arranged in a second direction different from the first direction and m2 (m2 is an integer of 2 or more) in a state of being separated from each other, and by connecting them in series, A quantum cascade laser characterized in that it can be effectively made into a two-dimensional cascade structure of m1 × m2 stages.

前記第１の方向は、前記量子井戸発光層及び前記注入層を含む半導体層の結晶成長面に対して垂直方向であり、前記第２の方向は、前記結晶成長面に対して水平方向であることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。 The first direction is a direction perpendicular to the crystal growth surface of the semiconductor layer including the quantum well light emitting layer and the injection layer, and the second direction is a horizontal direction to the crystal growth surface. The quantum cascade laser according to claim 1.

ｍ２個配列された前記半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体同士は、その間に形成された高抵抗層によって互いに分離されていることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。 3. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein among the semiconductor stacked bodies arranged in m 2, adjacent semiconductor stacked bodies are separated from each other by a high resistance layer formed therebetween.

ｍ２個配列された前記半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体同士は、その間に形成された間隙部によって互いに分離されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。 The adjacent semiconductor stacked bodies among the semiconductor stacked bodies arranged in m2 pieces are separated from each other by a gap portion formed therebetween. Quantum cascade laser.