JP2008218915A - 量子カスケードレーザ素子 - Google Patents

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Naohiro Akikusa
直大 秋草
Tadataka Edamura
忠孝 枝村
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Abstract

【課題】スロープ効率が優れ安定して横モード単一化が可能な量子カスケードレーザ素子を提供する。
【解決手段】量子カスケードレーザ素子１は、基板１０の一方の主面上に、積層体１１が所定方向に沿ってストライプ状に形成され、この積層体１１の両側部に絶縁層１５が形成され、これら積層体１１および絶縁層１５の上に絶縁層１６および金属層１７が順に形成されている。積層体１１は、基板１０の側から順にクラッド層１２，活性層１３およびクラッド層１４が形成されたものである。活性層１３は、発光層と注入層とが交互に積層されていて、量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移によって光を生成する。積層体１１が延在する方向に垂直な積層体１１の断面の形状は矩形または逆メサ形とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子カスケードレーザ素子に関するものである。
量子カスケードレーザ（Quantum CascadeLaser）素子は、発光層と注入層とが交互に積層された活性層を含む積層体が基板の主面上に形成されており、その活性層において量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移によって光を生成することができるモノポーラタイプの素子である。量子カスケードレーザ素子は、発光層と注入層とを交互に多段にカスケード結合したものを活性層とすることで、高効率かつ高出力の動作を実現することが可能で、中赤外域からＴＨｚ領域に亘る高性能半導体光源として期待されている。
量子カスケードレーザ素子では、積層体の上下間に電圧が印加されると、発光層の量子準位構造において電子が上準位から下準位へ遷移し、その電子遷移の際に準位間エネルギ差に応じた波長の光が生成される。発光層の下準位へ遷移した電子は、隣の注入層を経て次の発光層の上準位へ移動して、その発光層においても同様に、上準位から下準位へ遷移し、その電子遷移の際に準位間エネルギ差に応じた波長の光が生成される。このようにして、各発光層において光が生成される。
特許文献１に開示された量子カスケードレーザ素子では、基板の主面上に所定方向に沿ってストライプ状に積層体が形成されており、その所定方向の積層体の両端面がレーザ共振器を構成するミラーとなっている。また、この文献に開示された量子カスケードレーザ素子では、その所定方向に垂直な積層体の断面の形状が順メサ形とされている。
特表２００３−５２６２１４号公報
特許文献１に開示された量子カスケードレーザ素子は、積層体の断面の形状が順メサ形とされていて、積層体の上部の幅より下部（基板側）の幅が広くなっている。このことから、電流の狭窄効率が悪く、スロープ効率（レーザ発振時の電流増分ΔＩに対する光出力増分ΔＰの比（ΔＰ／ΔＩ））が低い。また、発光層の幅が広くなるので、横モードが単一になりにくい。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、スロープ効率が優れ安定して横モード単一化が可能な量子カスケードレーザ素子を提供することを目的とする。
本発明に係る量子カスケードレーザ素子は、発光層と注入層とが交互に積層されていて量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移によって光を生成する活性層を含む積層体が、基板の主面上に所定方向に沿ってストライプ状に形成されており、上記所定方向に垂直な積層体の断面の形状が矩形または逆メサ形であり、基板の主面上であって積層体の両側部に絶縁層が形成されていることを特徴とする。このように、本発明に係る量子カスケードレーザ素子は、積層体の断面形状が矩形または逆メサ形であることにより、スロープ効率が優れ、安定して横モード単一化が可能である。また、駆動時に活性層で発生する熱が絶縁層を経て放熱されるので、放熱性が向上する。
また、本発明に係る量子カスケードレーザ素子は、基板が (1,0,0)ＩｎＰ基板であり、上記所定方向が基板における [0,1,-1]方向または [0,-1,1]方向であるのが好適であり、この場合には、絶縁層の選択的埋め込み成長時の積層体上への被覆成長が発生し難くなる。
本発明に係る量子カスケードレーザ素子は、スロープ効率が優れ、安定して横モード単一化が可能である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面における寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
（第１実施形態）
先ず、本発明に係る量子カスケードレーザ素子の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１の斜視図である。この図に示される量子カスケードレーザ素子１は、基板１０の一方の主面上に、積層体１１が所定方向に沿ってストライプ状に形成され、この積層体１１の両側部に絶縁層１５が形成され、これら積層体１１および絶縁層１５の上に絶縁層１６および金属層１７が順に形成されている。また、基板１０の他方の主面には金属層１８が形成されている。積層体１１の両端面は、レーザ共振器を構成するミラーとなっている。
積層体１１は、基板１０の側から順にクラッド層１２，活性層１３およびクラッド層１４が形成されたものである。活性層１３は、発光層と注入層とが交互に積層されていて、量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移によって光を生成する。絶縁層１６はクラッド層１４の上部において開口を有していて、その開口において金属層１７はクラッド層１４に電気的に接続されている。この開口は、積層体１１が延在する所定方向に延びている。金属層１７および金属層１８それぞれは、電圧が印加される電極として用いられる。
特に第１実施形態では、積層体１１が延在する方向に垂直な積層体１１の断面の形状は矩形（長方形）とされている。なお、積層体１１の断面形状は、上部または下部の角が丸くなって、必ずしも理想的な矩形とならない場合がある。しかし、このような場合であっても、積層体１１に含まれる活性層１３の断面形状は、より理想的な矩形に近い形とされ得る。
各層の組成の一例は以下のとおりである。基板１０はＩｎＰからなる。クラッド層１２，１４はＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓからなる。活性層１３はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造からなる。絶縁層１５はＦｅドープＩｎＰからなる。絶縁層１５は、熱抵抗が低い絶縁性材料であれば、何れの材料からなるものであってもよい。絶縁層１６はＳｉＮまたはＳｉＯ２からなる。金属層１７はＴｉ/Ａｕからなる。また、金属層１８はＡｕＧｅ/Ａｕからなる。好適には、基板１０は (1,0,0)ｎ型ＩｎＰ基板であり、積層体１１が延在する方向は基板１０における [0,1,-1]方向または [0,-1,1]方向である。
図２は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１における活性層１３の構成、および、活性層１３における量子井戸構造でのサブバンド間の電子遷移を説明する模式図である。この図において、横方向は活性層１３の厚み方向に相当し、縦方向はエネルギレベルに相当する。また、この図では、説明の便宜のため、活性層１３を構成している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層ずつの発光層１３１及び注入層１３６の積層構造を示している。
図２に示すように、発光層１３１は、量子井戸層１３２と量子障壁層１３３とから構成されている。この発光層１３１は、活性層１３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１３１の量子井戸層１３２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、この発光層１３１では、これらの量子井戸層１３２及び量子障壁層１３３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１３１と、次の発光層との間には、電子注入層１３６が設けられている。この注入層１３６は、量子井戸層１３７と量子障壁層１３８とから構成されている。
量子カスケードレーザ素子１では、このような量子準位構造の活性層１３を有する積層体１１に対してバイアス電圧を印加した状態において、注入層１３６からの電子１３０は発光層１３１の準位３へと注入される。この準位３に注入された電子１３０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準位差に相当する波長の光ｈνが生成される。
また、準位２へと遷移した電子１３０は準位１へと高速で緩和し、注入層１３６を経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１３の積層構造中で繰り返すことにより、活性層１３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に示したような発光層１３１及び注入層１３６を多数交互に積層することにより、電子１３０は発光層１３１をカスケード的に次々に移動するとともに、各発光層１３１でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。また、このような光が量子カスケードレーザ素子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。
量子カスケードレーザ素子１の積層体１１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１３において生成された光が量子カスケードレーザ素子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１３を間に挟むクラッド層１２およびクラッド層１４が設けられている。
次に、第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１を製造する方法の一例について説明する。図３〜図５は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１の製造方法を説明する工程図である。なお、以下では、各層の組成を上記のとおりとして説明する。
初めに、(1,0,0)ｎ型ＩｎＰ基板１０の一方の主面上に、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法または有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓからなるクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造からなる活性層１３、および、ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓからなるクラッド層１４が順に形成される（図３（ａ））。さらに、クラッド層１４の上に、絶縁層３１が形成され、更にレジスト３２が塗布される（図３（ｂ））。絶縁層３１は例えばＳｉＮまたはＳｉＯ２からなる。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、絶縁層３１およびレジスト３２は、基板１０における [0,1,-1]方向または [0,-1,1]方向に延在する一定幅のストライプ形状の領域部分が残され、他の領域が除去される（図３（ｃ））。
これら一定幅のストライプ形状の絶縁層３１およびレジスト３２がマスクとして用いられてドライエッチングが行われ、その後、レジスト３２が除去される（図４（ａ））。このドライエッチングにより、マスク下のクラッド層１２，活性層１３およびクラッド層１４が残り、これにより、断面が矩形である積層体１１が形成される。このとき用いられるドライエッチング法としては、例えば、温度２００℃以上に加熱した状態でのＣｌ系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法、室温でのメタン系ガスによるＲＩＥ法、室温でのＣｌ系ガスによるイオンビームエッチング法などが挙げられる。
続いて、一定幅のストライプ形状の絶縁層３１がクラッド１４上に残っている状態で、絶縁層３１が選択的埋め込み成長のマスクとして用いられ、積層体１１の両側部において基板１０の主面上に絶縁層１５が形成される（図４（ｂ））。絶縁層１５は、ＦｅドープＩｎＰからなり、ＭＯＶＰＥ法により形成される。絶縁層１５は、熱抵抗が低い絶縁性材料であれば、何れの材料からなるものであってもよい。絶縁層１５は、活性層１３が埋め込まれる厚さ以上であることが必要であり、また、マスクとしての絶縁層３１の上面を超えない厚さであることが好ましい。絶縁層１５が形成された後、マスクとしての絶縁層３１がエッチングにより除去される（図４（ｃ））。
更に続いて、クラッド層１４および絶縁層１５の上に、ＳｉＮまたはＳｉＯ２からなる絶縁膜１６が形成され、フォトリソグラフィおよびエッチングにより絶縁膜１６に開口が形成される（図５（ａ））。更に、その上に、Ｔｉ/Ａｕからなる金属層１７が形成される（図５（ｂ））。金属層１７の開口は、クラッド層１４の上部において積層体１１が延在する方向に延びており、その開口において金属層１７はクラッド層１４に電気的に接続される。また、基板１０の下面が研磨されて基板１０が薄肉化され、その基板１０の下面に、ＡｕＧｅ/Ａｕからなる金属層１８が形成される（図５（ｃ））。そして、へき開により両端面が形成されて、レーザ共振器構造とされる。このとき、共振器の一方の端面は、Ａｕなどの高反射膜でコーティングされてもよい。
以上のようにして製造される第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１は、積層体１１が延在する方向に垂直な積層体１１の断面の形状が矩形とされていることにより、順メサ形の場合と比較して、電流の狭窄効率が優れ、スロープ効率が高いものとなる。また、積層体１１の断面の形状が矩形とされていることにより、発光層の幅が狭くなり、発光点が広がり難くなるので、横単一モードのビームプロファイルが安定して得られる。このことは、分光分析分野での応用が期待されている光源としては非常に重要である。
また、第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１は、活性層１３を含む積層体１１の両側部に熱伝導率が優れた絶縁層１５が設けられていることにより、駆動時に活性層１３で発生する熱が絶縁層１５を経て放熱されるので、放熱性が向上する。これにより、高効率な屈折率閉じ込めが可能となり、高温領域での高デューティおよび連続（ＣＷ）高出力の動作が実現できる。
さらに、第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１は、積層体１１が延在する方向が基板１０における[0,1,-1]方向または[0,-1,1]方向であることにより、絶縁層１５の選択的埋め込み成長時の積層体１１上への被覆成長が発生し難くなる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る量子カスケードレーザ素子の第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る量子カスケードレーザ素子２の斜視図である。この図に示される量子カスケードレーザ素子２は、基板１０の一方の主面上に、積層体１１が所定方向に沿ってストライプ状に形成され、この積層体１１の両側部に絶縁層１５が形成され、これら積層体１１および絶縁層１５の上に絶縁層１６および金属層１７が順に形成されている。また、基板１０の他方の主面には金属層１８が形成されている。積層体１１の両端面は、レーザ共振器を構成するミラーとなっている。
積層体１１は、基板１０の側から順にクラッド層１２，活性層１３およびクラッド層１４が形成されたものである。活性層１３は、発光層と注入層とが交互に積層されていて、量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移によって光を生成する。絶縁層１６はクラッド層１４の上部において開口を有していて、その開口において金属層１７はクラッド層１４に電気的に接続されている。この開口は、積層体１１が延在する所定方向に延びている。金属層１７および金属層１８それぞれは、電圧が印加される電極として用いられる。
特に第２実施形態では、積層体１１が延在する方向に垂直な積層体１１の断面の形状は逆メサ形とされている。なお、積層体１１の断面形状は、上部または下部の角が丸くなって、必ずしも理想的な逆メサ形とならない場合がある。しかし、このような場合であっても、積層体１１に含まれる活性層１３の断面形状は、より理想的な逆メサ形に近い形とされ得る。
各層の組成の一例は、第１実施形態の場合と同様である。また、第２実施形態に係る量子カスケードレーザ素子２における活性層１３の構成、および、活性層１３における量子井戸構造でのサブバンド間の電子遷移についても、図２を用いて説明した第１実施形態の場合と同様である。
次に、第２実施形態に係る量子カスケードレーザ素子２を製造する方法の一例について説明する。図７および図８は、第２実施形態に係る量子カスケードレーザ素子２の製造方法を説明する工程図である。
初めに、(1,0,0)ｎ型ＩｎＰ基板１０の一方の主面上に、クラッド層１２，活性層１３およびクラッド層１４が順に形成され、さらに、クラッド層１４の上に絶縁層３１が形成され、レジスト３２が塗布される。そして、絶縁層３１およびレジスト３２は、基板１０における [0,1,-1]方向または [0,-1,1]方向に延在する一定幅のストライプ形状の領域部分が残され、他の領域が除去される。ここまでの工程は、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明した第１実施形態の場合と同様である。
これら一定幅のストライプ形状の絶縁層３１およびレジスト３２がマスクとして用いられてドライエッチングが行われ、その後、レジスト３２が除去される（図７（ａ））。このドライエッチングにより、マスク下のクラッド層１２，活性層１３およびクラッド層１４が残り、これにより、断面が逆メサ形である積層体１１が形成される。このとき用いられるドライエッチング法としては、例えば、チルト機構付きイオンビームエッチングが好適に用いられて、逆メサ形の積層体１１が再現性良く実現され得る。積層体１１が延在する方向を軸として、イオンビーム加速方向に対して基板１０が例えば約±１０°傾けられて、エッチングが行われる。エッチング中に角度が変更されることにより、積層体１１の断面形状は左右対称に形成され得る。
続いて、一定幅のストライプ形状の絶縁層３１がクラッド１４上に残っている状態で、絶縁層３１が選択的埋め込み成長のマスクとして用いられ、積層体１１の両側部において基板１０の主面上に絶縁層１５が形成される（図７（ｂ））。絶縁層１５が形成された後、マスクとしての絶縁層３１がエッチングにより除去される（図７（ｃ））。更に続いて、クラッド層１４および絶縁層１５の上に絶縁膜１６が形成され、フォトリソグラフィおよびエッチングにより絶縁膜１６に開口が形成される（図８（ａ））。更に、その上に金属層１７が形成される（図８（ｂ））。また、基板１０の下面が研磨されて基板１０が薄肉化され、その基板１０の下面に金属層１８が形成される（図８（ｃ））。そして、へき開により両端面が形成されて、レーザ共振器構造とされる。これら図７（ａ）より後の工程は、第１実施形態の場合と同様である。
以上のようにして製造される第２実施形態に係る量子カスケードレーザ素子２は、第１実施形態の場合と同様の効果を奏することができる他、積層体１１が延在する方向に垂直な積層体１１の断面の形状が逆メサ形とされていることにより、以下のような効果をも奏することができる。すなわち、マスクとしての絶縁層３１の幅が一定であれば、積層体１１の断面の形状が逆メサ形とされていることにより、矩形の場合と比較しても更に、電流の狭窄効率が優れ、スロープ効率が高いものとなる。また、発光層の幅が狭くなり、発光点が広がり難くなるので、横単一モードのビームプロファイルが安定して得られる。
第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１の斜視図である。 第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１における活性層１３の構成、および、活性層１３における量子井戸構造でのサブバンド間の電子遷移を説明する模式図である。 第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１の製造方法を説明する工程図である。 第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１の製造方法を説明する工程図である。 第１実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１の製造方法を説明する工程図である。 第２実施形態に係る量子カスケードレーザ素子２の斜視図である。 第２実施形態に係る量子カスケードレーザ素子２の製造方法を説明する工程図である。 第２実施形態に係る量子カスケードレーザ素子２の製造方法を説明する工程図である。
符号の説明
１，２…量子カスケードレーザ素子、１０…基板、１１…積層体、１２…クラッド層、１３…活性層、１４…クラッド層、１５…絶縁層、１６…絶縁層、１７…金属層、１８…金属層。

Claims (2)

  1. 発光層と注入層とが交互に積層されていて量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移によって光を生成する活性層を含む積層体が、基板の主面上に所定方向に沿ってストライプ状に形成されており、
    前記所定方向に垂直な前記積層体の断面の形状が矩形または逆メサ形であり、
    前記基板の前記主面上であって前記積層体の両側部に絶縁層が形成されている、
    ことを特徴とする量子カスケードレーザ素子。
  2. 前記基板が (1,0,0)ＩｎＰ基板であり、前記所定方向が前記基板における [0,1,-1]方向または [0,-1,1]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素子。
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