JP7028049B2 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

Description

本発明は、量子カスケードレーザに関する。

非特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。

ＡＰＬ， ｖｏｌ．８３， ｐｐ．１９２９－１９３１， ２００３

量子カスケードレーザは、半導体メサ、出射端面及び反射端面を含む。半導体メサは、出射端面から反射端面への方向に延在する。半導体メサ内に電流分布を与えることができる構造は、素子特性に多様性を与える点で有用である。この素子構造は、具体的には、出射端面及び／又は反射端面の近傍における電流密度を出射端面及び反射端面から離れた内部における電流密度から実質的に変えることができる。

本発明に係る一側面は、半導体メサ内に電流分布を与えることができる構造を有する量子カスケードレーザを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る量子カスケードレーザは、第１軸の方向に配列された基板及び半導体メサを含み、前記第１軸の方向に交差する第２軸の方向に配置された第１端面及び第２端面を有するレーザ構造体と、前記半導体メサ上に設けられた第１電極と、を備え、前記レーザ構造体は、第１領域及び第２領域を含み、前記第１領域は、前記第１端面を含み、前記第２領域は、前記第２端面と前記第１領域との間にあり、前記半導体メサは、第１メサ部分及び第２メサ部分を含み、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分は、それぞれ、前記第１領域及び前記第２領域に含まれ、前記半導体メサは、第１超格子層、第２超格子層及び導電性半導体領域を含み、前記第１超格子層は、前記第１端面から前記第２軸の方向に延在し、前記第１超格子層は、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分に含まれ、前記第２超格子層は、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分のいずれか一方に設けられ、前記第１超格子層は、サブバンドを提供する単位超格子構造の配列を含み、前記第２超格子層は、サブバンドを提供する単位超格子構造の配列を含む。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明に係る一側面によれば、半導体メサ内に電流分布を与えることができる構造を有する量子カスケードレーザが提供される。

図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示す斜視図である。 図２の（ａ）部は、図１に示されたＩＩａ－ＩＩａ線に沿って取られた断面図である。図２の（ｂ）部及び（ｃ）部は、それぞれ、図１に示されたＩＩｂ－ＩＩｂ線及びＩＩｃ－ＩＩｃ線に沿って取られた断面図である。 図３は、本実施形態に係る量子カスケードレーザの構造を示す図面である。 図４は、量子カスケードレーザにおける単位超格子構造の積層数とターンオン電圧との関係を示す図面である。 図５は、単位超格子構造の積層数におけるターンオン電圧に比べて小さい印加電圧を受ける量子カスケードレーザのコア層の伝導帯のバンド構造を模式的に示す図面である。 図６は、単位超格子構造の積層数におけるターンオン電圧に比べて大きい印加電圧を受ける量子カスケードレーザのコア層の伝導帯のバンド構造を模式的に示す図面である。 図７は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図８は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図９は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１０は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。

いくつかの具体例を説明する。

具体例に係る量子カスケードレーザは、（ａ）第１軸の方向に配列された基板及び半導体メサを含み、前記第１軸の方向に交差する第２軸の方向に配置された第１端面及び第２端面を有するレーザ構造体と、（ｂ）前記半導体メサ上に設けられた第１電極と、を備え、前記レーザ構造体は、第１領域及び第２領域を含み、前記第１領域は、前記第１端面を含み、前記第２領域は、前記第２端面と前記第１領域との間にあり、前記半導体メサは、第１メサ部分及び第２メサ部分を含み、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分は、それぞれ、前記第１領域及び前記第２領域に含まれ、前記半導体メサは、第１超格子層、第２超格子層及び導電性半導体領域を含み、前記第１超格子層は、前記第１端面から前記第２軸の方向に延在し、前記第１超格子層は、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分に含まれ、前記第２超格子層は、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分のいずれか一方に設けられ、前記第１超格子層は、サブバンドを提供する単位超格子構造の配列を含み、前記第２超格子層は、サブバンドを提供する単位超格子構造の配列を含む。

量子カスケードレーザによれば、電流が、半導体メサを貫通して流れる。第１超格子層は、第１メサ部分及び第２メサ部分の両方に含まれ、第２超格子層は、第１メサ部分及び第２メサ部分のいずれか一方に含まれる。量子カスケードレーザの動作において、第２超格子層を含まないメサ部分におけるターンオン電圧（レーザ発振に至る電圧）は、第２超格子層を含むメサ部分におけるターンオン電圧と異なる。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第２超格子層は、前記第１メサ部分に設けられ、前記第１端面に到達する。

量子カスケードレーザによれば、第１超格子層及び第２超格子層は第１端面に到達しており、第１端面に係るリーク電流を低減できる。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第１電極は、前記第１端面から離れた端部を有する。

量子カスケードレーザによれば、第１電極をセットバックして、第１端面の近傍における電流密度を低減する。

具体例に係る量子カスケードレーザは、前記レーザ構造体の前記基板に接続された第２電極を更に備え、前記第２電極は、前記第１端面から離れた端部を有する。

量子カスケードレーザによれば、第２電極をセットバックして、第１端面の近傍における電流密度を低減する。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第１超格子層及び前記第２超格子層は、前記第１軸の方向において互いに接触するように配置される。

量子カスケードレーザによれば、互いに接触を成す第１超格子層及び第２超格子層は、これら第１超格子層及び第２超格子層の積層数の和をコア層に提供できる。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第１超格子層は前記第２超格子層から前記第１軸の方向において離れている。

量子カスケードレーザによれば、互いから隔置された第１超格子層及び第２超格子層は、これら第１超格子層及び第２超格子層の連続的な成長を避けることができる。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記半導体メサは、前記第２メサ部分から前記第１メサ部分への方向に減少するメサ幅を前記第１メサ部に有する。

量子カスケードレーザによれば、第２メサ部分から第１メサ部分への方向に減少するメサ幅を有する第１メサ部において、電流密度を低減できる。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第１超格子層の前記単位超格子構造は、サブバンド間遷移を可能にする活性層と、前記活性層にキャリアを注入する注入層とを含み、前記第２超格子層の前記単位超格子構造は、前記第１超格子層の前記単位超格子構造に実質的に同じある。

量子カスケードレーザによれば、第１超格子層及び第２超格子層は、実質的に同一の単位超格子構造を用いることができる。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第１超格子層の前記単位超格子構造は、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含む活性層と、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含む注入層とを含み、前記第２超格子層の前記単位超格子構造は、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含む活性層と、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含む注入層とを含む。

量子カスケードレーザによれば、活性層及び注入層の各々がＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含むことを可能にする。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、量子カスケードレーザに係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示す斜視図である。図２の（ａ）部は、図１に示されたＩＩａ－ＩＩａ線に沿って取られた断面図である。図２の（ｂ）部及び（ｃ）部は、それぞれ、図１に示されたＩＩｂ－ＩＩｂ線及びＩＩｃ－ＩＩｃ線に沿って取られた断面図である。図３の（ａ）部は、図１に示されたＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って取られた断面図である。図３の（ｂ）部～（ｉ）部は、本実施形態に係る量子カスケードレーザの端部に適用可能なデバイス構造を示す図面である。

量子カスケードレーザ１１は、レーザ構造体１３及び第１電極１５を備える。レーザ構造体１３は、基板１７及び半導体メサ１９を含み、基板１７及び半導体メサ１９は、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。半導体メサ１９は、基板１７の主面１７ａ上に搭載される。第１電極１５は、半導体メサ１９上に設けられる。レーザ構造体１３は、第１端面２１ａ及び第２端面２１ｂを有しており、第１端面２１ａ及び第２端面２１ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配置される。レーザ構造体１３は、第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂを含む。第１領域１３ａは、第１端面２１ａを含む。第２領域１３ｂは、第２端面２１ｂと第１領域１３ａとの間にある。

半導体メサ１９は、第１メサ部分１９ａ及び第２メサ部分１９ｂを含み、第１メサ部分１９ａ及び第２メサ部分１９ｂは、第１端面２１ａと第２端面２１ｂとの間に設けられる。第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂは、それぞれ、第１メサ部分１９ａ及び第２メサ部分１９ｂを含む。

半導体メサ１９は、コア層２４及び導電性半導体領域２７を含み、コア層２４は、第１超格子層２３及び第２超格子層２５を含む。第１超格子層２３及び導電性半導体領域２７は、第１メサ部分１９ａ及び第２メサ部分１９ｂにおいて第２軸Ａｘ２の方向に配列される。第１超格子層２３は、第１端面２１ａから第２軸Ａｘ２の方向に延在し、本実施例では第２端面２１ｂに到達する。第２超格子層２５は、第１メサ部分１９ａ及び第２メサ部分１９ｂのいずれか一方に設けられる。第１超格子層２３は、サブバンドを提供する単位超格子構造２９の配列を含み、第２超格子層２５は、サブバンドを提供する単位超格子構造３１の配列を含む。

量子カスケードレーザ１１は、第２電極３３を更に備え、第２電極３３は、レーザ構造体１３に接続される。第１電極１５及び第２電極３３の一方からの電流が、半導体メサ１９を経由して、第１電極１５及び第２電極３３の他方に流れ込む。本実施例では、第２電極３３は、レーザ構造体１３の基板１７の裏面１７ｂに接触を成す。

第１超格子層２３では、適切な外部電圧値の印加により単位超格子構造２９の配列においてサブバンドを整列させて、サブバンドを用いた光遷移を生じさせる。この外部電圧値は、第１超格子層２３のターンオン電圧、例えば第１ターンオン電圧として参照される。第１超格子層２３を含み第２超格子層２５を含まないメサ部分（本実施例では、第２メサ部分１９ｂ）は、第１ターンオン電圧以上の電圧の印加に応答して、光を発生する。

第１超格子層２３及び第２超格子層２５の配列は、単位超格子構造２９及び単位超格子構造３１の配列を規定できる。第１ターンオン電圧は、単位超格子構造２９及び単位超格子構造３１の配列におけるサブバンドを整列できず、この結果、第１超格子層２３及び第２超格子層２５の配列は電流を流せない。

量子カスケードレーザ１１によれば、第１電極１５及び第２電極３３のいずれかからの電流が、半導体メサ１９を貫通する。第１超格子層２３は、第１メサ部分１９ａ及び第２メサ部分１９ｂの両方に含まれ、第２超格子層２５は、第１メサ部分１９ａ及び第２メサ部分１９ｂのいずれか一方に含まれる。量子カスケードレーザ１１の動作において、第２超格子層２５を含まないメサ部分におけるターンオン電圧は、第２超格子層２５を含むメサ部分におけるターンオン電圧と異なる。

レーザ構造体１３は、第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂに加えて、第３領域１３ｃを含む。第３領域１３ｃは、第２端面２１ｂを含む。第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃは、第２軸Ａｘ２の方向に配列される。第２領域１３ｂは、第１端面２１ａと第３領域１３ｃとの間にある。また、半導体メサ１９は、第１メサ部分１９ａ及び第２メサ部分１９ｂに加えて、第３メサ部分１９ｃを含む。第１メサ部分１９ａ、第２メサ部分１９ｂ及び第３メサ部分１９ｃは、第２軸Ａｘ２の方向に配列される。第２メサ部分１９ｂは、第１メサ部分１９ａと第３メサ部分１９ｃとの間に位置する。

再び図１、図２の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部を参照すると、導電性半導体領域２７は、上部導電性半導体層２７ａ及び下部導電性半導体層２７ｂを含む。コア層２４は、上部導電性半導体層２７ａと下部導電性半導体層２７ｂとの間に設けられ、コア層２４が上部導電性半導体層２７ａ及び下部導電性半導体層２７ｂに接触を成す。本実施例では、下部導電性半導体層２７ｂは、第１メサ部分１９ａ、及び第２メサ部分１９ｂにおいて基板１７とコア層２４との間に設けられて、クラッドとして働く。

本実施例では、第１メサ部分１９ａにおいて、第１超格子層２３及び第２超格子層２５は、上部導電性半導体層２７ａと下部導電性半導体層２７ｂとの間に設けられ、第１超格子層２３及び第２超格子層２５は、それぞれ、下部導電性半導体層２７ｂ及び上部導電性半導体層２７ａに接触を成す。

必要な場合には、上部導電性半導体層２７ａは、量子カスケードレーザ１１にブラッグ波長を提供できる周期構造（周期ＲＭＤ）を有する回折格子層２７ｃを含むことができ、本実施例では、回折格子層２７ｃは、第２メサ部分１９ｂにおいて、第１超格子層２３に接触を成す。

必要な場合には、上部導電性半導体層２７ａは、上部クラッド層２７ｄに加えてコンタクト層２７ｅを含むことができ、本実施例では、コンタクト層２７ｅは、レーザ構造体１３の最上に位置して、第１電極１５に接触を成す。

第１メサ部分１９ａは、第１端面２１ａと第２メサ部分１９ｂとの間にある。第２メサ部分１９ｂは、第２端面２１ｂと第１メサ部分１９ａとの間にある。第３メサ部分１９ｃは、第２端面２１ｂと第２メサ部分１９ｂとの間にある。

量子カスケードレーザ１１は、基板１７の主面１７ａ上に設けられた半導体埋込領域２８を含むことができ、半導体埋込領域２８は半導体メサ１９を埋め込む。

（実施例）
量子カスケードレーザ１１の構造。
基板１７；ｎ型ＩｎＰ半導体。
上部クラッド層２７ｄ及び下部クラッド層（２７ｂ）；ｎ型ＩｎＰ。
第１超格子層２３及び第２超格子層２５（コア層）：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子層。
回折格子層２７ｃ：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
コンタクト層２７ｅ：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
半導体埋込領域２８：ＦｅドープＩｎＰ。

図４は、量子カスケードレーザにおける単位超格子構造の積層数とターンオン電圧との関係を示す。ターンオン電圧は、単位超格子構造の積層数とともに増加する。
単位超格子構造の積層数、ターンオン電圧。
２７、６．４ボルト。
３８、８．２ボルト。
５２、１０．８ボルト。

量子カスケードレーザ１１の例示。
第１構造は、第１メサ部分１９ａの第１超格子層２３及び第２超格子層２５が全部で５２段の単位超格子構造（２９、３１）を含むと共に、第２メサ部分１９ｂの第１超格子層２３が全部で３８段の単位超格子構造（２９）を含む。第１構造では、第１メサ部分１９ａの方が第２メサ部分１９ｂより単位超格子構造の積層数が多いため、第２メサ部分１９ｂがターンオンしても第１メサ部分１９ａはターンオンせず、高抵抗を維持する。その結果、本構造においては、第１端面２１ａにおけるリーク電流を低減できる為、これに起因し、量子カスケードレーザの故障の主原因となっていた、端面劣化を効果的に抑制することが可能となる。

第２構造は、第２メサ部分１９ｂの第１超格子層２３及び第２超格子層２５が全部で３８段の単位超格子構造（２９、３１）を含むと共に、第１メサ部分１９ａの第１超格子層２３が全部で２７段の単位超格子構造（２９）を含む。第２構造では、第２メサ部分１９ｂの方が第１メサ部分１９ａより単位超格子構造の積層数が多いため、第１メサ部分１９ａがターンオンしても第２メサ部分１９ｂはターンオンせず、高抵抗を維持する。この場合、第１メサ部分１９ａは、ターンオン後、電流が選択的に注入される為、発光領域として機能して中赤外光が生成され、一方、第２メサ部分１９ｂはターンオンしない為発光領域にはならず、その代りに第１メサ部分１９ａで生成された中赤外光中、回折格子層２７ｃのブラッグ波長近傍の光のみを選択的に反射する分布Ｂｒａｇｇ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ： ＤＢＲ）として機能する。従って、量子カスケードレーザ１１は、ＤＢＲで選択された単一波長での発振が可能な、所謂ＤＢＲレーザとして機能することが可能となる。

図３の（ａ）部～（ｉ）部を参照すると、具体的には、第２超格子層２５が、第１メサ部分１９ａに設けられ、また第１端面２１ａに到達する。第１端面２１ａ上において、第１超格子層２３は、第２超格子層２５と基板１７との間に設けられる。また、第２超格子層２５が、第３メサ部分１９ｃに設けられ、また第２端面２１ｂに到達する。第２端面２１ｂ上において、第１超格子層２３は、第２超格子層２５と基板１７との間に設けられる。第２超格子層２５を含まないメサ部分におけるターンオン電圧は、第２超格子層２５を含むメサ部分におけるターンオン電圧より低い。

量子カスケードレーザでは、端面劣化の低減が望まれている。端面の劣化は、端面における結晶性の低下に関連している。端面劣化は、結果として、量子カスケードレーザのしきい値電流の増加及び／又は光出力の低下に至る。発明者の知見によれば、端面におけるリーク電流が端面劣化を引き起こす一要因である。

量子カスケードレーザ１１によれば、第１超格子層２３及び第２超格子層２５は第１端面２１ａに到達しており、第１端面２１ａに係るリーク電流を低減できる。

図１並びに図２の（ａ）部及び（ｂ）部を参照すると、半導体メサ１９は、第２メサ部分１９ｂから第１メサ部分１９ａへの方向に実質的に同じメサ幅（Ｗ１、Ｗ２）を有することができる。メサ幅（Ｗ１、Ｗ２）は、例えば３～１０マイクロメートルの範囲にあることができる。

或いは、図１並びに図２の（ａ）部及び（ｃ）部を参照すると、半導体メサ１９は、第２メサ部分１９ｂのメサ幅（Ｗ２）から第１メサ部分１９ａへの方向に減少するメサ幅（Ｗ１ＴＰ）の部分（テーパー形状の部分）を第１メサ部分１９ａに有することができる（Ｗ１ＴＰ＜Ｗ２）。メサ幅（Ｗ１ＴＰ）は、例えば０．５～５マイクロメートルの範囲にあることができる。メサ幅（Ｗ２）は、例えば３～１０マイクロメートルの範囲にあることができる。この量子カスケードレーザ１１によれば、第２メサ部分１９ｂから第１メサ部分１９ａへの方向に減少するメサ幅を有する第１メサ部分１９ａにおいて、半導体メサ１９を伝搬する光の広がりが変わる。

図５は、単位超格子構造の積層数におけるターンオン電圧に比べて小さい印加電圧を受ける量子カスケードレーザへのコア層の伝導帯のバンド構造を模式的に示す図面である。図６は、単位超格子構造の積層数におけるターンオン電圧に比べて大きい、又は等しい印加電圧を受ける量子カスケードレーザのコア層の伝導帯のバンド構造を模式的に示す図面である。

図５及び図６を参照しながら、量子カスケードレーザの超格子構造を有するコア層２４の構造を記述する。引き続く説明では、単位超格子構造２９が参照されるが、この記述は単位超格子構造３１にも適用される。第１超格子層２３は、複数の単位超格子構造２９を含む。各単位超格子構造２９は、例えばサブバンド上準位ＵＥＬ及びサブバンド下準位ＬＥＬといったサブバンドを提供する活性層３５と、活性層３５にキャリアを注入する経路となる、多数のサブバンドが密集して形成されたミニバンド（ＭＢ）を提供する注入層３７とを含む。第１超格子層２３は、交互に配列された活性層３５及び注入層３７を含む。活性層３５は、サブバンドを提供するように配列されたバリア層３５ａ及び井戸層３５ｂの配列を含む。注入層３７は、ミニバンドを提供するように配列されたバリア層３７ａ及び井戸層３７ｂの配列を含む。量子カスケードレーザ１１では、第１超格子層２３及び第２超格子層２５は、実質的に同一の単位超格子構造２９、３１を用いることができる。

単位超格子構造（２９、３１）の積層数におけるターンオン電圧に比べて小さい印加電圧を受ける量子カスケードレーザ１１では、図５に示すように、注入層３７のミニバンドＭＢ中の各サブバンド準位が、活性層３５のサブバンド下準位ＬＥＬよりエネルギー的に高いため、サブバンド下準位ＬＥＬから注入層３７への電子移動が困難となる。即ち、注入層３７は活性層３５からの電子に対し、高抵抗層として機能する。その結果、コア層２４には電流が殆ど流れない。従って、活性層３５のサブバンド上準位ＵＥＬ上の電子Ｅはサブバンド下準位ＬＥＬへ遷移できないので、サブバンド間遷移ＳＢＴは生じない。

単位超格子構造（２９、３１）の積層数におけるターンオン電圧に比べて大きい印加電圧を受ける量子カスケードレーザ１１では、図６に示すように、活性層３５のサブバンド下準位ＬＥＬに対し、注入層３７のミニバンドＭＢ中のサブバンドが低エネルギー側にシフトし、且つミニバンドＭＢ中においては、活性層３５から遠ざかるにつれてエネルギー準位が単調に減少するようにサブバンドが配列され、且つ、注入層３７の右端に形成されたミニバンドＭＢ中の最低エネルギー準位のサブバンドは、隣接する低エネルギー側の単位超格子構造（２９、３１）の活性層３５のサブバンド上準位ＵＥＬと同等のエネルギー準位となるように伝導帯のサブバンド構造が構築される。本サブバンド構造においては、まず上部クラッド層２７ｄに隣接する最も高エネルギー側の単位超格子構造（２９、３１）内において、活性層３５のサブバンド上準位ＵＥＬからサブバンド下準位ＬＥＬへの電子Ｅのサブバンド間遷移により、両準位のエネルギー差に対応する中赤外のフォトンエネルギーの光Ｌが生成され、その後電子Ｅは、サブバンド下準位ＬＥＬから注入層３７のミニバンドＭＢに注入されるが、ミニバンドＭＢでは上記のように、エネルギー準位の高い方から低い方へと各サブバンドが配列されている為、電子ＥはミニバンドＭＢ中を高エネルギー準位のサブバンドから低エネルギー準位のサブバンドへとスムーズに移動でき、やがて注入層３７の右端の最低エネルギーのサブバンドに到達する。上記の通り、この最低エネルギーのサブバンドは、低エネルギー側の次の単位超格子構造（２９、３１）の活性層３５のサブバンド上準位ＵＥＬと同等のエネルギー準位にある為、電子Ｅは次の単位超格子構造（２９、３１）にもスムーズに注入され、以下各単位超格子構造（２９、３１）を移動して同様のサブバンド間遷移による中赤外光の生成を繰り返した後、最終的に下部クラッド層（２７ｂ）側に排出されることが可能となる。即ち、ターンオン後は、コア領域は電子に対し、低抵抗化して、コア領域への電流注入が可能となり、その結果、中赤外での発光が生成される。この様にして生じた中赤外光が、半導体メサ１９の共振器内部で増幅される結果、レーザ発振に至る。

単位超格子構造（２９、３１）の積層数と単位超格子構造（２９）の積層数との差は、量子カスケードレーザ１１の半導体メサ１９の第１メサ部分１９ａにおける電流密度と第２メサ部分１９ｂにおける電流密度が異なる結果になり、ターンオンしない第１メサ部分１９ａの単位超格子構造（２９、３１）の配列における電流密度は、実質的にゼロである。

単位超格子構造（２９、３１）の例示。
活性層３５：ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子。
注入層３７：活性層３５と異なるＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子。
レーザ発振波長：４～１５。
量子カスケードレーザ１１によれば、活性層３５のサブバンド構造及び注入層３７のミニバンド構造の各々は、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子によって提供される。

図３の（ａ）部、（ｂ）部、（ｄ）部、（ｆ）部及び（ｈ）部を参照すると、第１電極１５及び第２電極３３は、第１端面２１ａに到達する。第２超格子層２５が、第１メサ部分１９ａ及び第３メサ部分１９ｃに設けられ、また第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）に到達する。第１メサ部分１９ａ及び第３メサ部分１９ｃにおいて、第１超格子層２３は、第２超格子層２５と下部導電性半導体層２７ｂとの間に設けられる。回折格子層２７ｃの回折格子は、第２超格子層２５に到達して、そこで終端する。

図３の（ａ）部、（ｃ）部、（ｅ）部、（ｇ）部及び（ｉ）部を参照すると、第１電極１５及び第２電極３３の少なくともいずれか一方は、第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）からセットバックしている（離れている）端部を有することができる。第１電極１５及び第２電極３３の両方が、第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）からセットバックしていることができる。或いは、第１電極１５が、第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）からセットバックしており、第２電極３３が、第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）に到達することができる。また或いは、第２電極３３が、第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）からセットバックしており、第１電極１５が、第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）に到達することができる。第１電極１５をセットバックすれば、第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）の近傍における電流密度を低減できる。また、第２電極３３をセットバックすれば、第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）の近傍における電流密度を低減できる。

第２超格子層２５が、第１メサ部分１９ａ及び第３メサ部分１９ｃに設けられ、また第１端面２１ａ（第２端面２１ｂ）に到達する。第１メサ部分１９ａ及び第３メサ部分１９ｃにおいて、第１超格子層２３は、第２超格子層２５と下部導電性半導体層２７ｂとの間に設けられる。第２超格子層２５は、第１超格子層２３と上部クラッド層２７ｄとの間に設けられる。回折格子層２７ｃの回折格子は、第２超格子層２５に到達して、そこで終端する。

図３の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部、（ｆ）部及び（ｇ）部を参照すると、第１超格子層２３及び第２超格子層２５は、第１軸Ａｘ１の方向において互いに接触するように配置される。互いに接触を成す第１超格子層２３及び第２超格子層２５は、第１超格子層２３及び第２超格子層２５を連続的に成長することを可能にする。回折格子層２７ｃは、第２超格子層２５に到達して、そこで終端する。

図３の（ａ）部、（ｄ）部、（ｅ）部、（ｈ）部及び（ｉ）部を参照すると、第１超格子層２３は第２超格子層２５から第１軸Ａｘ１の方向において離れている。量子カスケードレーザ１１によれば、互いから隔置された第１超格子層２３及び第２超格子層２５は、第１超格子層２３及び第２超格子層２５の連続的な成長を避けることができ、また製造工程におけるエッチングのエッチング量で、単位超格子構造の積層数が決まることを回避できる。回折格子層２７ｃは、第２超格子層２５に到達して、そこで終端する。

具体的には、第１超格子層２３のための下側の単位超格子構造（ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ）の配列を形成すると共に、この単位超格子構造の配列上に半導体薄膜（中間層２６）を成長する。半導体薄膜は、超格子例を含むことなく、例えばＩｎＰを含むことができる。この半導体薄膜上に、第２超格子層２５のための上側の単位超格子構造（ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ）の配列を形成する。上側のＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓは、フォトリソグラフィ及びエッチング、例えばリン酸系エッチャントのウエットエッチングにより、中間層２６のＩｎＰに対して選択的に除去される。また、ＩｎＰは、例えば塩酸系エッチャントを用いたウエットエッチングによりＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓに対して選択的に除去される。中間層２６のための半導体薄膜は、例えば１０～５０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。回折格子層２７ｃと異なる材料の中間層２６によれば、回折格子層２７ｃは、第２超格子層２５に到達して、そこで終端する。

量子カスケードレーザ１１では、図３の（ｂ）部～（ｅ）部に示されたいずれかの構造を図３の（ｆ）部～（ｉ）部に示されたいずれかの構造と組み合わせることができる。また量子カスケードレーザ１１は、第３メサ部分１９ｃを有さず、第１メサ部分１９ａと第２メサ部分１９ｂを有していても良い。

量子カスケードレーザ１１内の半導体を具体的に説明する。

基板１７は、良好な導電性を有しており、例えばｎ型ＩｎＰウエハを含むことができる。ｎ型ＩｎＰの使用は、量子カスケードレーザ１１がキャリアとして電子を使用することを可能にする。中赤外発光の量子カスケードレーザのための半導体層は、ＩｎＰに近い格子定数を有する。ＩｎＰウエハの使用は、中赤外発光（発振波長：３～２０マイクロメートル）の量子カスケードレーザのための半導体層の結晶成長を容易にする。

導電性半導体領域２７に含まれる上部クラッド層２７ｄ及び下部導電性半導体層２７ｂ（下部クラッド層）の各々は、ｎ型のＩｎＰを含むことができる。２元混晶のＩｎＰは、ＩｎＰウエハへの良好な結晶成長を可能にする。また、ＩｎＰは、中赤外発光の量子カスケードレーザに使用可能な半導体材料中で最も高い熱伝導を示す。ＩｎＰのクラッド層は、量子カスケードレーザに高い放熱性能を提供でき、また量子カスケードレーザに良好な温度特性を提供できる。

下部導電性半導体層２７ｂの下部クラッド層は、必要な場合に、量子カスケードレーザに提供される。中赤外の発振光に対して透明なＩｎＰ基板は、下部クラッドとして使用可能である。半導体基板がクラッドを提供できる。

第１超格子層２３及び第２超格子層２５、又は第１超格子層２３は、コア層２４として働く。コア層２４は、活性層３５及び注入層３７から成る単位構造の積層、例えば数十周期の積層を含む。このコア層２４では、複数の活性層３５と複数の注入層３７が交互に配置される。活性層３５及び注入層３７は、共に、数ナノメートル厚の薄膜の量子井戸層と、数ナノメートル厚の薄膜のバリア層とを含む超格子列を有する。バリア層は、量子井戸層よりも高いバンドギャップを有する。量子カスケードレーザは、単極性キャリア、例えば電子の伝導帯サブバンド間遷移を利用して光を生成する。活性層が、電子の光遷移のためのサブバンド上準位ＵＥＬ及びサブバンド下準位ＬＥＬを提供する。コア層２４の低電位側の活性層３５は、高電位側の活性層３５に注入層を介して接続される。隣り合う活性層３５間の注入層３７は、電子を高電位の活性層に連続的に与えることを可能にする。例えば、ＧａＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰの量子井戸層、並びにＡｌＩｎＡｓのバリア層が、中赤外発振を可能にする。

量子カスケードレーザ１１は、回折格子層２７ｃが無いファブリペロー型又は回折格子層２７ｃが形成された分布帰還型を有することができる。回折格子層２７ｃは、必要な場合に、量子カスケードレーザに提供され、回折格子層２７ｃは、単一モード動作可能な分布帰還型量子カスケードレーザを可能にする。本実施例では、回折格子層２７ｃは、上部導電性半導体層２７ａの上部クラッド層２７ｄと第１超格子層２３との間に設けられる。回折格子層２７ｃは、上部導電性半導体層２７ａの上部クラッド層２７ｄと回折格子層２７ｃとの界面が第２軸Ａｘ２の方向に周期的な屈折率分布を提供できる構造を有する。この屈折率分布構造は、半導体メサ１９を伝搬するレーザ光の波長選択を可能にする。屈折率分布構造は、図３の（ａ）部に示される周期ＲＭＤを有する。周期ＲＭＤはブラッグ波長を規定する。回折格子層２７ｃは、量子カスケードレーザに分布帰還構造を提供して、良好な単一モード発振を可能にする。高屈折率の半導体、例えばＧａＩｎＡｓの回折格子層２７ｃは、大きな結合係数を量子カスケードレーザ１１に提供できるので、回折格子層２７ｃの材料として好適である。回折格子層２７ｃは、例えばｎ型又はアンドープの半導体を含むことができる。

コンタクト層２７ｅは、必要な場合に、量子カスケードレーザ１１に提供される。本実施例では、コンタクト層２７ｅは、上部クラッド層２７ｄと第１電極１５との間に設けられる。コンタクト層２７ｅは、低バンドギャップで且つＩｎＰに格子整合可能な半導体、例えばＧａＩｎＡｓであって、良好なオーミックコンタクトを量子カスケードレーザ１１に提供できる。

半導体埋込領域２８は、アンドープまたは半絶縁半導体を含む。これらの半導体は、キャリアの電子に対して高抵抗を示す。半導体の半絶縁性は、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった遷移金属をホスト半導体に添加することにより得られる。半絶縁性半導体のための典型的なドーパントは、鉄（Ｆｅ）である。鉄（Ｆｅ）をＩＩＩ－Ｖ化合物半導体に添加すると、電子に対して例えば１０^５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有するＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を形成できる。アンドープ半導体及び半絶縁性のホスト半導体は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を包含する。

必要な場合には、量子カスケードレーザ１１は、光閉込領域を含むことができ、具体的には、下部導電性半導体層２７ｂの下部クラッド層と第１超格子層２３との間、及び上部クラッド層２７ｄと第１超格子層２３又は第２超格子層２５との間の少なくともいずれか一方に設けられた閉込層を有する光閉込領域を備えることができる。光閉込領域はコア層２４への導波光の閉じ込めを強化できる。閉込層は、例えばＩｎＰ基板に格子整合可能で、コア層２４への光閉じ込め強化に好適な高屈折率の材料、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓを備えることができる。

図７、図８、図９及び図１０を参照しながら、量子カスケードレーザ１１を作製する方法を概略的に説明する。引き続く説明において、可能な場合には、図１～図３を参照して為された記述における参照符合を用いる。図７、図８、図９及び図１０には、第２軸Ａｘ２を描いて、個々の製造工程における生産物の向きを示す。

図７の（ａ）部に示されるように、第１基板生産物ＳＰ１を準備する。第１基板生産物ＳＰ１は、成長用基板４１及び半導体積層４３を含む。半導体積層４３は、下部導電性半導体層２７ｂのための半導体層４３ａ、第１超格子層２３及び第２超格子層２５のための半導体層４３ｂを含む。半導体積層４３は、成長用基板４１上に成長される。半導体の成長には、例えば分子線エピタキシー又は有機金属気相成長法を用いる。

図７の（ｂ）部に示されるように、無機膜の成長、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてマスクＭ１を第１基板生産物ＳＰ１上に形成する。マスクＭ１は、例えばシリコン系無機絶縁体を備える。マスクＭ１は、回折格子層２７ｃ及び第１超格子層２３を形成すべきエリア上に開口Ｍ１ＡＰを有する。マスクＭ１を用いて、超格子構造の半導体層４３ｂをエッチングして、半導体層４３ｂに窪み４４を形成する。窪み４４に残された半導体層４３ｂは、第１超格子層２３になり、エッチングされることなく残された半導体層４３ｂは、第１超格子層２３及び第２超格子層２５になる。

図７の（ｃ）部に示されるように、マスクＭ１を除去することなく、回折格子層２７ｃのための半導体層４５を選択成長して、第２基板生産物ＳＰ２を形成する。

図８の（ａ）部に示されるように、選択成長の後に、マスクＭ１を除去することなく、回折格子層２７ｃのパターンを規定するマスクＭ２を、第２基板生産物ＳＰ２、具体的には半導体層４５上に形成する。

図８の（ｂ）部に示されるように、マスクＭ１及びマスクＭ２を用いて半導体層４５をエッチングして、回折格子層２７ｃの周期構造を有する半導体層４５ａを形成する。回折格子層２７ｃを形成した後に、マスクＭ１、Ｍ２を除去して、第３基板生産物ＳＰ３を得る。

図８の（ｃ）部に示されるように、第３基板生産物ＳＰ３上に、上部クラッド層２７ｄのための半導体層４７ａ及びコンタクト層２７ｅのための半導体層４７ｂを成長して、第４基板生産物ＳＰ４を得る。

図９の（ａ）部に示されるように、無機膜の成長、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてマスクＭ３を第４基板生産物ＳＰ４上に形成する。マスクＭ３は、例えばシリコン系無機絶縁体を備える。マスクＭ３は、ストライプ形状を有しており、半導体メサ１９のパターンを規定する。

図９の（ｂ）部に示されるように、マスクＭ３を用いて第４基板生産物ＳＰ４をエッチングして、半導体メサ１９のためのストライプ半導体領域ＭＳを形成する。

図９の（ｃ）部に示されるように、マスクＭ３を除去することなく、半導体埋込領域２８のための半絶縁性半導体層４９を選択成長して、ストライプ半導体領域ＭＳを埋め込み、第５基板生産物ＳＰ５を形成する。

図１０の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、第５基板生産物ＳＰ５上に第１電極１５及び第２電極３３を形成して、量子カスケードレーザのための第６基板生産物ＳＰ６を形成する。この第６基板生産物ＳＰ６を矢印ＡＲＷ１の位置で分割して、量子カスケードレーザ１１のためのレーザバーＬＤＢを得る。必要な場合は、レーザバーＬＤＢの端面に反射膜を形成することができる。

図１０の（ｂ）部に示されるように、レーザバーＬＤＢを矢印ＡＲＷ２の位置で分割して、量子カスケードレーザ１１のための半導体チップを得る。

これらの工程により、量子カスケードレーザ１１が完成される。マスクＭ１のパターン及び分割位置、並びに電極のパターンの設計に応じて、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ～１１ｉ）が形成される。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

以上説明したように、本実施形態によれば、半導体メサ内に電流分布を与えることができる構造を有する量子カスケードレーザが提供される。

１１…量子カスケードレーザ、１３…レーザ構造体、１５…第１電極、１７…基板、１９…半導体メサ、１９ａ…第１メサ部分、１９ｂ…第２メサ部分、２１ａ…第１端面、２１ｂ…第２端面、２３…第１超格子層、２５…第２超格子層、２９、３１…単位超格子構造、３３…第２電極、Ａｘ１…第１軸、Ａｘ２…第２軸。

Claims (9)

1. 量子カスケードレーザであって、
   第１軸の方向に配列された基板及び半導体メサを含み、前記第１軸の方向に交差する第２軸の方向に配置された第１端面及び第２端面を有するレーザ構造体と、
   前記半導体メサ上に設けられた第１電極と、
   を備え、
   前記レーザ構造体は、第１領域及び第２領域を含み、前記第１領域は、前記第１端面を含み、前記第２領域は、前記第２端面と前記第１領域との間にあり、
   前記半導体メサは、第１メサ部分及び第２メサ部分を含み、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分は、それぞれ、前記第１領域及び前記第２領域に含まれ、
   前記半導体メサは、第１超格子層、第２超格子層及び導電性半導体領域を含み、前記第１超格子層は、前記第１端面から前記第２軸の方向に延在し、前記第１超格子層は、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分に含まれ、前記第２超格子層は、前記第１メサ部分及び前記第２メサ部分のいずれか一方に設けられ、前記第１超格子層は、サブバンドを提供する単位超格子構造の配列を含み、前記第２超格子層は、サブバンドを提供する単位超格子構造の配列を含む、量子カスケードレーザ。
2. 前記第２超格子層は、前記第１メサ部分に設けられ、前記第１端面に到達する、請求項１に記載された量子カスケードレーザ。
3. 前記第１電極は、前記第１端面からみて、前記第２端面に向かう方向に前記第１端面から離れた端部を有する、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケードレーザ。
4. 前記レーザ構造体の前記基板に接続された第２電極を更に備え、
   前記第２電極は、前記第１端面からみて、前記第２端面に向かう方向に前記第１端面から離れた端部を有する、請求項１～請求項３何れか一項に記載された量子カスケードレーザ。
5. 前記第１超格子層及び前記第２超格子層は、前記第１軸の方向において互いに接触するように配置される、請求項１～請求項４何れか一項に記載された量子カスケードレーザ。
6. 前記第１超格子層は前記第２超格子層から前記第１軸の方向において離れている、請求項１～請求項４何れか一項に記載された量子カスケードレーザ。
7. 前記半導体メサは、前記第２メサ部分から前記第１メサ部分への方向に減少するメサ幅を前記第１メサ部分に有する、請求項１～請求項６何れか一項に記載された量子カスケードレーザ。
8. 前記第１超格子層の前記単位超格子構造は、サブバンド間遷移を可能にする活性層と、前記活性層にキャリアを注入する注入層とを含み、
   前記第２超格子層の前記単位超格子構造は、前記第１超格子層の前記単位超格子構造に実質的に同じである、請求項１～請求項７何れか一項に記載された量子カスケードレーザ。
9. 前記第１超格子層の前記単位超格子構造は、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含む活性層と、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含む注入層とを含み、
   前記第２超格子層の前記単位超格子構造は、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含む活性層と、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子を含む注入層とを含む、請求項１～請求項８何れか一項に記載された量子カスケードレーザ。

Images