WO2007007434A1 - Quantum cascade laser - Google Patents

Abstract

A quantum cascade laser (1) is configured by using a laser element unit (10) of a semiconductor layer body having m1-stage cascade structure in which quantum well light emission layers and injection slayers are alternately layered in vertical direction and including an active layer (20) for generating light by transition between sub-bands in the quantum well structure. Furthermore, m2 pieces of the laser element unit (10) including the active layer (20) are arranged apart from one another in a horizontal direction. By connecting the laser element units (101 to 10m2) in series, it is possible to realize two-dimensional cascade structure having actual stages m1 × m2. This realizes a quantum cascade laser having a narrow line width characteristic and capable of operating with a low threshold value and a high output.

Description

明 細 書  Specification

量子カスケードレーザ  Quantum cascade laser

技術分野  Technical field

[0001] 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。  [0001] The present invention relates to a quantum cascade laser using intersubband transition in a quantum well structure.

背景技術  Background art

[0002] 中赤外の波長領域 (例えば波長 3〜： LO m)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 、る。  [0002] Light in the mid-infrared wavelength region (for example, wavelength 3 to: LO m) corresponds to the energy region of vibration of various molecules, and can identify individual molecules. Wavelength range. Accordingly, there is an increasing need for a high-performance coherent light source in such a wavelength region.

[0003] 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。  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 above 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 electron transition between subbands in a semiconductor quantum well structure.

特許文献 1：特開平 8 - 279647号公報  Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 8-279647

特許文献 2：特開 2004 - 200375号公報  Patent Document 2: JP 2004-200375 A

特干文献 1： R.M.Williams et al., "Kilohertz linewidth from frequency— staDilizea mi d— infrared quantum cascade lasers", OPTICS LETTERS Vol.24 (1999) pp.1844— 184 6  Special Reference 1: R.M.Williams et al., “Kilohertz linewidth from frequency—staDilizea mid—infrared quantum cascade lasers”, OPTICS LETTERS Vol.24 (1999) pp.1844— 184 6

発明の開示  Disclosure of the invention

発明が解決しょうとする課題  Problems to be solved by the invention

[0004] 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 quantum cascade laser described above, high-efficiency and high-power operation can be realized by cascading quantum well light-emitting layers that are configured with a quantum well structure and serve as an active region in multiple stages. The characteristics are superior to those of conventional bipolar laser elements including pn junctions. Regarding the spectral line width, for example, in Non-Patent Document 1, the spectral line width in the quantum cascade laser is extremely small, 12 kHz. The threshold has been reported. On the other hand, as quantum cascade lasers are applied to various fields, it is hoped to develop laser elements that can operate with lower threshold and higher output while maintaining such narrow linewidth characteristics. It is rare.

[0005] 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 provides a quantum cascade laser having a narrow linewidth characteristic and capable of operating at a low threshold and a high output. With the goal.

課題を解決するための手段  Means for solving the problem

[0006] 量子カスケードレーザの狭線幅特性にっ 、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として、線幅は（1 + α 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 (X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。し力しながら、この α〜0という条件だけでは 、上記した 12kHzと 、うような非常に狭 、スペクトル線幅を説明することはできな!、。 [0006] Tsu narrow linewidth characteristics of the quantum cascade laser, Te, in Non-Patent Document 1, as the linewidth enhancement factor due to the refractive index change caused by variations in the inversion alpha, line width (1 + alpha ²⁾ In addition, the quantum cascade laser concludes that the line width is narrower because of its transition mechanism (X is almost zero. And very narrow, can not explain the spectral line width!

[0007] 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っ 、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 一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。  [0007] On the other hand, the inventor of the present application has conducted a detailed examination on the above characteristics of the quantum cascade laser. As a result of faithfully reproducing the structure of the laser element in which the light-emitting layers having a quantum well structure are cascade-connected in multiple stages in the rate equation and analyzing the oscillation characteristics, the number of stages m in the cascade structure is increased. As a result, the present inventors have found that operation at a low threshold and high output becomes possible.

[0008] 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 ml段のカスケード構造 (ml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 ml X 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) ml-stage cascade structure in which quantum well light-emitting layers and injection layers are alternately stacked in the first direction (ml is an integer of 2 or more). And a semiconductor stack including at least an active layer that generates light by intersubband transition in a quantum well structure. (2) The semiconductor stack is separated from each other in a second direction different from the first direction. In this state, m2 pieces (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 ml x m2 stages. It is characterized by being.

[0009] 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。 [0009] In the quantum cascade laser described above, the active layer cascade structure in which the quantum well light-emitting layers and the injection layers are alternately stacked in a predetermined direction is an element portion configured to include such a cascade structure. A semiconductor laminate is used. A plurality of semiconductor products are arranged in an arrangement direction (second direction) set in a direction different from the stacking direction (first direction). A two-dimensional cascade structure is realized by arranging layered bodies and cascading them in series. 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. Therefore, a quantum cascade laser having a narrow linewidth characteristic and capable of operating at a low threshold and high output is realized.

[0010] 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）をカスケ一 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。 発明の効果  Here, various configurations may be used for a wiring structure for cascade-connecting m 2 semiconductor stacked bodies (laser element portions) arranged in the second direction. As such a wiring structure, for example, there is a wiring structure formed by 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 the submount on which the laser chip is placed is formed. The invention's effect

[0011] 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。  [0011] According to the quantum cascade laser of the present invention, a plurality of semiconductor stacks including active layers having a cascade structure in which quantum well light-emitting layers and injection layers are alternately stacked are used, and a plurality of stacks are arranged in an arrangement direction different from the stacking direction. By arranging semiconductor stacks and cascading them in series to realize a multistage, two-dimensional cascade structure, it has narrow linewidth characteristics, low threshold, high output, and high temperature. Operation is possible.

図面の簡単な説明  Brief Description of Drawings

[0012] [図 1]図 1は、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。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic configuration of a quantum cascade laser.

[図 2]図 2は、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。  FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the active layer in the quantum cascade laser and the intersubband transition in the quantum well structure.

[図 3]図 3は、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。  FIG. 3 is a schematic diagram showing a cascade structure of an active layer in a quantum cascade laser.

[図 4]図 4は、レーザ素子の電流一光出力特性を模式的に示すグラフである。  FIG. 4 is a graph schematically showing the current-light output characteristics of a laser element.

[図 5]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 る。  FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor laminated structure used in a quantum cascade laser.

[図 6]図 6は、カスケード構造を有する活性層の具体的な構成例を示す表である。  FIG. 6 is a table showing a specific configuration example of an active layer having a cascade structure.

[図 7]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る。  FIG. 7 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of the quantum cascade laser of the first example.

[図 8]図 8は、第 1実施例のレーザの平面構成を示す上面図である。 圆 9]図 9は、第 1実施例のレーザの立体構成を示す斜視図である。 FIG. 8 is a top view showing a planar configuration of the laser of the first embodiment. [9] FIG. 9 is a perspective view showing a three-dimensional configuration of the laser of the first embodiment.

[図 10]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。  FIG. 10 is a cross-sectional view showing a semiconductor laminated structure used in a quantum cascade laser.

[図 11]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る  FIG. 11 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of the quantum cascade laser according to the second embodiment.

[図 12]図 12は、第 2実施例のレーザの平面構成を示す上面図である。 FIG. 12 is a top view showing a planar configuration of a laser according to a second embodiment.

[図 13]図 13は、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。  FIG. 13 is a side sectional view showing a three-dimensional configuration of a laser according to a second embodiment.

[図 14]図 14は、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  FIG. 14 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of the quantum cascade laser according to the third embodiment.

[図 15]図 15は、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 FIG. 15 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of the quantum cascade laser of the fourth embodiment.

[図 16]図 16は、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 符号の説明 FIG. 16 is a top view showing a planar configuration of the quantum cascade laser according to the fifth embodiment.

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、  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,

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 ノッド、 112…サブマウント、  11... Laser element section 110 ... Semiconductor substrate 21 ... Active layer 410, 415 ... Core layer 411 ... Cladding layer 412 ... Highly doped layer 51, 56 ... Electrode 71 ... High Resistive layer, 111… Electrode node, 112… Submount,

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、  12 ... Laser element part, 120 ... Semiconductor substrate, 22 ... Active layer, 420, 425 ... Core layer, 421, 426 ... Clad layer, 422, 427 ... Highly doped layer 52 .. Electrode 72. High resistance layer 121 121 Electrode pad

13···レーザ素子部、 130…半導体基板、 23···活性層、 53…電極、 73···エアギヤ ップ部、  13 ... Laser element part, 130 ... Semiconductor substrate, 23 ... Active layer, 53 ... Electrode, 73 ... Air gap part,

14…レーザ素子部、 140…半導体基板、 24···活性層、 54···電極、 74···エアギヤ ップ部、 79···高抵抗層、 15· ··レーザ素子部。 14 ... Laser element part 140 ... Semiconductor substrate 24 ... Active layer 54 ... Electrode 74 ... Air gap part 79 ... High resistance layer 15 ··· Laser element.

発明を実施するための最良の形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

[0014] 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 descriptions are omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

[0015] 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。  FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic configuration of a quantum cascade laser according to the present invention.

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 〜： L0 を備えて構成されている。  The quantum cascade laser 1 according to the present embodiment is a monopolar type laser element that generates light using electronic transition between subbands in a semiconductor quantum well structure. As described later, a plurality of (m2, m2 Is an integer greater than or equal to 2), and is configured to include a laser element portion 10 ~: L0.

1 m2  1 m2

[0016] 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, in FIG. 1, the “vertical direction” 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 present laser 1 and the resonator axial direction in 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.

[0017] 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 10〜10  First, m2 laser element units 10 to 10 constituting the quantum cascade laser 1 of FIG.

1 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 10〜10 のうちで図中の  Explain each 1 m2 configuration. Of these laser elements 10 to 10,

1 m2  1 m2

最も左側に位置する第 1レーザ素子部 10を例にとると、第 1レーザ素子部 10は、活 性層 20と、クラッド層 40、 45と、電極 50、 55とを有している。また、活性層 20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 (ml段、 mlは 2以上の整数)を有する。  Taking the first laser element unit 10 located on the leftmost side as an example, the first laser element unit 10 includes an active layer 20, cladding layers 40 and 45, and electrodes 50 and 55. In addition, the active layer 20 has a multi-stage cascade structure (ml stage, ml is an integer of 2 or more) in which the quantum well light-emitting layers and the injection layers are alternately stacked with the vertical direction (first direction) being the stacking direction. Have.

[0018] これにより、レーザ素子部 10は、 ml段のカスケード構造を有する活性層 20を少 なくとも含む半導体積層体となっている。活性層 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。 Accordingly, the laser element unit 10 is a semiconductor multilayer body including at least the active layer 20 having a cascade structure of ml steps. The active layer generates light of a predetermined wavelength (for example, light in the mid-infrared wavelength region) in a cascade manner by the intersubband transition in the quantum well structure by the cascade structure described above. Quantum well light-emitting layer in active layer 20 The number of injection layers stacked is set as appropriate.

[0019] 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っ 、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 、る。  FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the active layer 20 in the laser element section 10 of the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1 and the intersubband transition in the quantum well structure. In FIG. 2, for the sake of explanation, among the multi-stage repetitive structure composed 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.

[0020] 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 h v 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、下力も順に準位 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 、る。  As shown in FIG. 2, the quantum well light-emitting layer 201 is composed of 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 h v 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. Yes. Further, an electron injection layer 206 is provided between the light emitting layer 201 and the next light emitting layer. This injection layer 206 is composed of a quantum well layer 207 and a quantum barrier layer 208.

[0021] 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 h Vが生成される。  In the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1, injection is performed in a state where a bias voltage is applied to the laser element portion 10 which is a semiconductor stacked body having the active layer 20 having such a quantum level structure. The electrons 200 from the layer 206 are injected into level 3 of the light emitting layer 201. The electron 200 injected into level 3 emits a transition to level 2. At this time, light h V having a wavelength corresponding to the energy level difference between the level 3 and level 2 quantum levels is generated. The

[0022] 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、力 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 h v 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。  In addition, 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 emission transition in the laminated structure of the active layer 20, force-scale light is generated 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, electrons 200 move one after another in a cascade manner in the light-emitting layers 201, and in each light-emitting layer 201. Light hv is generated during the intersubband transition. Further, by resonating such light in the optical resonator of the laser 1, laser light having a predetermined wavelength is generated.

[0023] 図 1に示すレーザ 1のレーザ素子部 10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_ιに対し、活性層 20_ιにお ヽ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を間に挟むクラッド層 40 、 45が設けられている。さらに、クラッド層 40の活性層 20とは反対側（図中の上側 )に電極 50が形成され、クラッド層 45の活性層 20とは反対側（図中の下側）に電 極 55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が構成されている。 In the laser element section 10 of the laser 1 shown in FIG. 1, the cascaded stacked structure shown in FIG. As a waveguide structure for the light generated in the active layer 20 _ι to be guided in the direction of the resonator in the laser 1 with respect to the active layer 20 _ι having the structure, the active layer 20 is sandwiched therebetween. Cladding layers 40 and 45 are provided. Furthermore, an electrode 50 is formed on the side of the cladding layer 40 opposite to the active layer 20 (upper side in the figure), and an electrode 55 is formed on the side of the cladding layer 45 opposite to the active layer 20 (lower side in the figure). As a result, the laser element section 10 in the quantum cascade laser 1 of the present embodiment is configured.

[0024] 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 10〜10 力も構成されている。これらのうち、第 2〜第 m2レーザ素子部 10〜10 [0024] In addition, as described above, the quantum cascade laser 1 of the present embodiment is also configured with m2 laser element units 10 to 10. Among these, the second to m2th laser element units 10 to 10

1 m2 2 の構造については、上記した第 1レーザ素子部 10の構造と同様であり、それぞれ m2 1 The structure of 1 m2 2 is the same as that of the first laser element unit 10 described above, and m2 1

活'性層 20〜20 、クラッド層 40  Active layer 20-20, clad layer 40

2〜40  2-40

m2、 45  m2, 45

2〜45 、及び電極 50  2 to 45 and electrode 50

2 m2 m2 2〜50  2 m2 m2 2 ~ 50

m2、 55 2 m2, 55 2

〜55 を有して構成されている。 ~ 55.

[0025] 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 〜10 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 〜10 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 Next, an arrangement configuration of a plurality of laser element units (semiconductor laminates) 10 to 10 in the quantum cascade laser 1 will be described. As shown in FIG. 1, the m2 laser element portions 10 to 10 constituting the laser 1 are arranged in a horizontal direction (second direction) perpendicular to the stacking direction of the semiconductor layers.

1 m2 1 m2

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。  Direction) is arranged one-dimensionally in a state of being electrically separated from each other.

[0026] 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 一ザ素子部 10〜10 は、第 1レーザ素子部 10から第 m2レーザ素子部 10 へと  [0026] Further, in such an array structure of the laser element units, m2 laser element units 10 to 10 constituting the laser 1 are transferred from the first laser element unit 10 to the m2th laser element unit 10.

1 m2 1 m2 順に、配線 60〜60 によって直列に接続されている。これにより、活性層 20  1 m2 Connected in series by wiring 60-60 in order of 1 m2. As a result, the active layer 20

2 m2 1〜20 m を含む半導体積層体である m2個のレーザ素子部 10〜： LO 1S 必要な電極及び 2 m2 1 to 20 m of a semiconductor laminate including m2 laser element parts 10 to: LO 1S Necessary electrode and

2 1 m2 2 1 m2

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 ml X m2段の 2次元状 のカスケード構造が得られる。  It is connected in series by a wiring structure including wiring, etc., and a two-dimensional cascade structure with ml x m2 stages can be obtained effectively.

[0027] 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の上側の電極 50、 及び第 m2レーザ素子部 10 の下側の電極 55 に対し、外部の電源装置に対する 接続用の配線 60、及び配線 60 が接続されている。また、第 1レーザ素子部 10  In the configuration example shown in FIG. 1, specifically, the upper electrode 50 of the first laser element unit 10 and the lower electrode 55 of the m2 laser element unit 10 are connected to an external power supply device. Connection wiring 60 and wiring 60 are connected. The first laser element section 10

1 1112 + 1 1 の下側の電極 55と、第 2レーザ素子部 10の上側の電極 50と力 配線 60によって  1 1112 + 1 1 lower electrode 55, second laser element 10 upper electrode 50 and force wiring 60

1 2 2 2 接続されている。同様に、配線 60  1 2 2 2 Connected. Similarly, wiring 60

3〜60 によってレーザ素子部 10  3 ~ 60 by laser element part 10

m2 2〜10 が接続 m2 されて、上記した 2次元カスケード構造が実現されて 、る。  m2 2 to 10 are connected m2 to realize the above-described two-dimensional cascade structure.

[0028] また、 m2個のレーザ素子部 10  [0028] In addition, m2 laser element portions 10

1〜10 での活性層 20  Active layer from 1 to 10 20

m2 1〜20 、クラッド層 40  m2 1 ~ 20, clad layer 40

m2 1〜4 0 、及びクラッド層 45〜45 は、それぞれ上記したように互いに電気的に分離され m2 1 m2 m2 1-4 0 and the cladding layers 45 to 45 are electrically separated from each other as described above. M2 1 m2

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。  On the other hand, optically, 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.

[0029] 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の左端面、及 び第 m2レーザ素子部 10 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 In addition, mirror surfaces are respectively formed on the left end surface of the first laser element unit 10 and the right end surface of the m2 laser element unit 10 corresponding to both end surfaces of the laser 1 in the horizontal direction. These laser element sections 10

1〜10 での光導波路構造、及び両端面での鏡面により m2  M2 due to optical waveguide structure at 1 to 10 and mirror surface at both ends

、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〜： L0 の分離境界について、図中で垂直  An optical resonator as a whole of the laser 1 is configured. In FIG. 1, the separation boundaries of the laser element portions 10 to: L0 that are electrically separated from each other are perpendicular to each other in the figure.

1 m2  1 m2

方向に延びる点線によって模式的に示して 、る。  This is schematically indicated by a dotted line extending in the direction.

[0030] 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。 [0030] The effects of the quantum cascade laser 1 according to the present embodiment will be described.

[0031] 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 ml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〜 20 を含む複数の半導体積層体であるレーザ素子部 10〜10 を配列し、それらを m2 1 m2 In the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1, the cascade structure of the ml layer 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 used. A plurality of semiconductor laminates that are element parts configured to be used are used. Then, laser element units 10 to 10 which are a plurality of semiconductor stacked bodies including active layers 20 to 20 are arranged in an arrangement direction set as a direction different from the lamination direction, and m2 1 m2

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 ml X m2段となる 2次元状のカス ケード構造を実現している。  Cascade connection in series realizes a two-dimensional cascade structure that has a cascade structure in both the vertical and horizontal directions, and the number of stages m is effectively ml x m2. Yes.

[0032] 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一ドレ 一ザ 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一 ド構造の段数 ml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 having a narrow linewidth characteristic and capable of operating at a low threshold and a high output is realized for the obtained laser beam. Further, in the above configuration, by increasing the number m2 of cascade connections in the arrangement direction of the laser element portions, it is possible to reduce the number of cascade structure stages ml in the stacking direction in the laser element portions. This makes it possible to shorten the growth time of the semiconductor multilayer structure constituting the laser element. This also makes it possible to improve the quality of the crystal obtained and to reduce the cost of the device.

[0033] 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からわ力るように、レーザ素子部 10 Here, regarding the stacking direction of the semiconductor layers in the laser element portion and the arrangement direction of the laser element portions, the stacking direction is perpendicular to the crystal growth surface of the semiconductor layer in the configuration shown in FIG. In addition to the straight direction, the arrangement direction is a horizontal direction with respect to the crystal growth surface. As a result, a two-dimensional cascade structure including a plurality of laser element portions can be suitably realized. In particular, in such a configuration, as shown in FIG.

1〜10 の分 m2 割構造を除けば、レーザ 1の全体での半導体積層構造は、通常の量子カスケ一ドレ 一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。  Except for the 1-20 split m2 structure, the entire semiconductor stacked structure of the laser 1 is the same as the device structure of a normal quantum cascade laser. 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 A high-power laser 1 can be easily realized.

[0034] また、複数の半導体積層体 (レーザ素子部 10〜10 )を互いに分離するための構  [0034] Further, a structure for separating a plurality of semiconductor stacked bodies (laser element portions 10 to 10) from each other.

1 m2  1 m2

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 一ザ素子部）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。  As a composition, a configuration in which adjacent semiconductor stacked bodies (adjacent laser element portions) among m2 arranged semiconductor stacked bodies are separated from each other by a high resistance layer formed therebetween is used. Can do. 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 portion formed therebetween. Alternatively, the high resistance layer and the gap may be used in combination. The separation structure of these semiconductor laminates will be further described later.

[0035] また、水平方向に配列された m2個のレーザ素子部 10〜： LO をカスケード接続し  [0035] In addition, m2 laser element units 10 to: LO arranged in a horizontal direction are cascade-connected.

1 m2  1 m2

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っ 、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カ卩的な配 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〜： LO は、それらを直列に接続することで、実効的に ml X m  For the wiring structure for realizing a two-dimensional cascade structure, various configurations may be used. 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 an additional wiring such as a wire wiring if necessary. . Alternatively, there is a wiring structure in which a necessary wiring pattern is formed on a submount on which a laser chip is placed. In general, m2 arrayed laser elements 10 ~: LO is effectively connected by connecting them in series, and ml x m

1 m2  1 m2

2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 、れば良 、。  It would be fine if it could be configured to have a two-stage two-dimensional cascade structure.

[0036] 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。 [0036] The effects 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 inventors. 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-emitting 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.

[0037] 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  [0037] 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):

[数 1]  [Number 1]

dN_ci l dt = Pi - N_ci I τ_Γί - N_ci I r_nr - (E_32i - E_23i )n …（1 ) _{dN ci l dt = Pi - N} ci I τ Γί - N ci I r nr - (E 32i - E 23i) n ... (1)

となる。ここで、  It becomes. here,

N ：準位 3を占有している電子数  N: Number of electrons occupying level 3

P :ポンプレート  P: Pump rate

N Ζ τ ：自然放出レート  N Ζ τ: Spontaneous release rate

Ν  Ν

ci Ζ τ ：非発光レート  ci Ζ τ: Non-luminous rate

nr  nr

E ：光子数当たりの誘導放出レート  E: Stimulated emission rate per photon

32i  32i

E ：光子数当たりの吸収レート  E: Absorption rate per photon

23i  23i

n：光共振器内に存在する光子数  n: Number of photons present in the optical resonator

である。また、以降の式は、すべて「i」を「 」として 2次元カスケード構造に拡張した場 合にも成立する力 ここでは、簡単のため単に「i」と表記する。  It is. In addition, the following equations are all forces that can be realized even when they are expanded to a two-dimensional cascade structure with “i” as “”. Here, for simplicity, they are simply expressed as “i”.

[0038] また、自然放出光結合係数を β iとすると、アインシユタインの関係より、 [0038] If the spontaneous emission light coupling coefficient is β i,

[数 2]  [Equation 2]

(A Z )W„ = £₃₂, - -(2) (AZ) W „= £ ₃₂ ,--(2)

が成り立つ。また、準位 2→準位 1の緩和が充分に速ぐかつ準位 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 =0  Holds. If the relaxation of level 2 → level 1 is fast enough and the existence of electrons in the thermal equilibrium state of level 2 can be ignored, E = 0

23i とおくことができる。  23i.

[0039] 一方、光子数 nにつ 、ては、以下のように表すことができる。  On the other hand, the photon number n can be expressed as follows.

[数 3]  [Equation 3]

dn l dt = -[γ -∑ ( ₂, - ₃, )]" +∑ (A I τ_η )N_CI dn l dt =-[γ -∑ ( ₂ , _-3 ,)] "+ ∑ (AI τ _η ) N _CI

= -[ -∑ (A I τ_π )N_a +∑ (β, Iて具 -(3) ここで、 y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。 _{= - [-Σ (AI τ π} ) N a + Σ (β, ingredients Te I - (3) where, y is the rate der the number of photons is reduced by the release of the absorption or the optical resonator outside light The

[0040] また、 dZdt→0、 p =p =〜 = p=〜 = pとして定常状態を考えると、上記の（1)  [0040] Further, when dZdt → 0, p = p = ~ = p = ~ = p and considering the steady state, the above (1)

1 2 i 0  1 2 i 0

式、（3)式は、以下のようになる。  Equations (3) are as follows.

画  Picture

0 = Ρ₀ -(]/_{τη +}\/τ_η,. +β_ιη/τ_η)Ν_α ...(4) 0 = Ρ _0- (] / _{τη +} \ / τ _{η ,.} + Β _ι η / τ _η ) Ν _α ... (4)

0 = -7n + {n +

lT_ri)N_ci '..(5) さらに、（4)式において光子数 n=0、（5)式において n》lとすると、発振閾値ポンプ レート P は 0 = -7n + {n +

lT _ri ) N _ci '.. (5) Furthermore, if the number of photons is n = 0 in equation (4) and n >> l in equation (5), the oscillation threshold pump rate P is

th  th

[数 5]

[Equation 5]

と求められる。ただし、 1Ζ τ =ΐ/τ +ΐ/τ である。  Is required. However, 1Ζτ = ΐ / τ + ΐ / τ.

ti ri nr  ti ri nr

[0041] ポンプレートを規格ィ匕した形に書き、 r=P ZP として、 rの全領域に対して成立す  [0041] Write the pump rate in a standardized form, and r = P ZP.

0 th  0 th

る関係を得るために  To get a relationship

[数 6]  [Equation 6]

[τ Iて,！ ]A = [½

- = [r_tm Iて ,,„ W„, = [τ₍ I τ,. W [τ I ,! ] A = [½

-= [r _tm I ,, „W„, = [τ ₍ I τ ,. W

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  Assume that In addition, as the effective coupling coefficient, β

eff  eff

[数 7] [Equation 7]

^r = [ ,.] …(フ）  ^ r = [,.]… (Fu)

を導入すると、光子数 ηは  Then the photon number η is

[数 8]  [Equation 8]

" = (1 / 2β ){(ν -l) + [(r-l)² + 4fi_effr]^U2 } … (8) となる。また、閾値は "= (1 / 2β) {(ν -l) + [(rl) ² + 4fi _eff r] ^U2 }… (8) and the threshold is

[数 9]  [Equation 9]

P,_h =rKm _eff) --(9) 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。 P, _h = rKm _eff )-(9) Here, m is the number of stages of the cascade structure in the active layer of the quantum cascade laser.

[0042] 今、ポンプレートが閾値より小さい、すなわち r< 1で、条件 [数 10] [0042] Now, if the pump rate is less than the threshold, ie r <1, the condition [Equation 10]

4 -/(厂- 1)² 《1 が成り立つならば、光子数 nは 4-/ (厂-1) ² << If 1 holds, the photon number n is

[数 11]  [Equation 11]

n = r/ \-r) ---(10)  n = r / \ -r) --- (10)

となる。一方、ポンプレートが閾値より大きい、すなわち r>lで、条件  It becomes. On the other hand, if the pump rate is greater than the threshold, ie r> l, the condition

[数 12]  [Equation 12]

(r- 1)² 》 4 , (r- 1) ² 》 4,

が成り立つならば、光子数 nは  If n holds, the photon number n is

[数 13]  [Equation 13]

« = (1 / β )(r - 1) = (1 / _eff ) { (P₀ IP -X) …ひ «= (1 / β) (r-1) = (1 / _eff ) {(P ₀ IP -X)…

となる。また、このとき、出力効率は  It becomes. At this time, the output efficiency is

[数 14]

[Equation 14]

となる。ここで、 γ 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。  It becomes. Here, γ is a rate at which the number of photons decreases due to emission outside the optical resonator.

0  0

[0043] これらの（10)式、（11)式より、閾値 Ρ =Ρ 付近において、光子数 ηは急激に 1Z  [0043] From these equations (10) and (11), near the threshold Ρ = は, the photon number η

0 th  0 th

β 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 eff r It can be seen that it rises by a factor of β. Here, in the quantum cascade laser, usually τ eff r

》 て - て （ て 〜10^_8secゝ τ 〜10^_12secゝ j8〜10^_3)であるので、 β は例えば t nr r nr eff 》--(〜 ~ 10 ^_8 sec τ τ ~ 10 ^_12 sec 8 j8 ~ 10 ^_3 ), so β is t nr r nr eff

io_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〉 10⁶ 個）となる。 a very small value and io_ ⁷ degree. In addition, the number of photons after oscillation is a huge value (eg> 10 ⁶ ).

[0044] また、スペクトル線幅 (角周波数で表した半値全幅）は  [0044] The spectral line width (full width at half maximum expressed in angular frequency) is

[数 15]  [Equation 15]

δθ) = [ Ι 2](1 + ) β_φ (N_ci lT_ti)ln ---(13) となる。ここで、 OC 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。 δθ) = [Ι 2] (1 +) β _φ (N _ci lT _ti ) ln --- (13) Here, OC is the line width increase coefficient due to the refractive index change caused by the fluctuation of inversion distribution.

[0045] β = β として、 r>lでの関係  [0045] When β = β, the relation for r> l

effi eff  effi eff

[数 16] (Ν_εί / τ_ιί ) = (γ/ ηιβ_είί ) 及び（11)式を用いると、スペクトル線幅は [Equation 16] Using (Ν _εί / τ _ιί ) = (γ / ηιβ _είί ) and (11), the spectral line width is

[数 17] [Equation 17]

= [1 /2](1 + « ) ? ,/ - 1) ...(14)  = [1/2] (1 + «)?, /-1) ... (14)

となる。ただし、 r > l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。  It becomes. However, r> l. As shown in the above equation, the line width is determined regardless of the number of stages m of the cascade structure.

[0046] 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 a はほぼ 0であり、さらに 13 《 1である。したがって、スペクトル線幅は原 c eff [0046] In the quantum cascade laser, a is almost 0 and further 13 << 1 because it utilizes electronic transition between subbands in the conduction band. Therefore, the spectral linewidth is the original c eff

理的に非常に狭くなり、し力も、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 a r

From the above formula, it can be seen that the force becomes very narrow and the force is independent of the number of steps m of the light emitting layer, which is characteristic of the quantum cascade laser. Where ar as an example

= 1. 5、 γ = 5 X 10UZsecとし、 δ f ( = δ ω Z2 π )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。  When δ f (= δ ω Z2 π) is obtained with = 1.5 and γ = 5 × 10 UZsec, the line width shown in Non-Patent Document 1 described above can be well explained.

[0047] ここで、量子カスケードレーザでは、上記したように j8 < 1であるため、（9)式から eff [0047] Here, in the quantum cascade laser, since j8 <1, as described above, eff

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 « 1の効果を緩和して、閾値を低減することが eff  As can be seen, the threshold is essentially high. On the other hand, from equation (9), it is possible to reduce the threshold by reducing the effect of β «1 by increasing the number of stages m of the cascade structure.

可能である。ただし、この実効結合係数 j8 は、（7)式に示されているように、 [ て /  Is possible. However, this effective coupling coefficient j8 is [

eff t て 〜10_⁴に起因して非常に小さ ヽ値となって ヽる。 Ru become a very smallヽvalue due Te eff t to ～10_ ^4.

[0048] 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= 10 00程度とするには、活性層の厚さだけで数 10 m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 ml = 100段以上を実現できたとして も導波路中心付近力 離れた部分の活性領域はレーザ発振に寄与しない。したがつ 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 ml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 20〜20 (複数のレーザ素子部 10 [0048] Therefore, 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 reduce the number of steps to about m = 100 in a conventional quantum cascade laser, the thickness of the active layer alone is several tens of meters, which is not realistic. Moreover, even if ml = 100 steps or more can be realized with high quality in the vertical direction by crystal growth, the active region in the region near the center of the waveguide does not contribute to laser oscillation. Therefore, the threshold does not decrease in inverse proportion to the number of steps. In contrast to this, in the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1, as described above, the activity of the ml-stage cascade structure in which the quantum well light-emitting layers 201 and the injection layers 206 are alternately stacked in the vertical direction (stacking direction) as described above. As for the layer 20, a plurality of active layers 20 to 20 (a plurality of laser element portions 10 in the horizontal direction (arrangement direction)).

1 m2 1 1 m2 1

〜10 )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 m 1を過度に大きくすることなぐ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。 ~ 10) are arranged and cascaded in series to form a two-dimensional cascade structure. According to such a configuration, the number m of cascade stages in a single active layer The two-dimensional structure can effectively increase the total number of stages m of the cascade structure that constitutes the laser element without making 1 too large.

[0049] この場合、実効結合係数 |8 の値は、電極が分割された状態でセグメント化された [0049] In this case, the value of the effective coupling coefficient | 8 was segmented with the electrodes split.

eff  eff

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 に依存しない。ま  It does not depend on the dimension L in the arrangement direction (resonator direction) of each laser element part. Ma

A  A

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 ml =m (=m )、配  In addition, the number of stages of the cascade structure in the vertical direction, which is the stacking direction, is ml = m (= m).

vertical v 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 (=m)とすると、  vertical v If the number of cascade connections in the horizontal direction (column direction) is m2 = m (= m),

lateral 1  lateral 1

全体としてのレーザ素子の実効的な段数は m m X mとなる。  The effective number of stages of the laser element as a whole is m m X m.

1  1

[0050] 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 =40とし、水平方向に ついては共振器長 3mmに 100 μ mの電極が 20 μ m間隔で配置されるセグメント構 造によって m =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  [0050] For example, the number of vertical stages formed by crystal growth is m = 40, and in the horizontal direction, m = 40 mm by a segment structure in which 100 μm electrodes are arranged at 20 μm intervals in a resonator length of 3 mm. 25. In this configuration example, the overall stage of the two-dimensional cascade structure

1  1

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 13  The number is m = 1000. With such a number of stages, the threshold value in the quantum cascade laser can be effectively reduced. At this time, the spectral line width is 13 in equation (14).

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 lZ(m Xm)によって減少する。また、出力効率は（12)式より（m Xm)倍とな  Narrow line width is maintained by the effect of eff << 1. The threshold is reduced by lZ (m Xm) in equation (9). The output efficiency is (m Xm) times from equation (12).

1 1 る。  1 1

[0051] 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 ml =m =10、水平方向の接続数を m2=m =3 4程  [0051] If the laser element has the same threshold and efficiency as the conventional quantum cascade laser, the number of vertical stages is ml = m = 10 and the number of horizontal connections is m2 = m = 34

1  1

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 力 S10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、低コストィ匕が実現可能である。  It can be realized with a moderate configuration. In this case, the cascade force in the vertical direction is reduced to S10, and the growth time when fabricating the semiconductor multilayer structure can be greatly shortened, so that it is possible to improve the crystal quality and achieve low cost. .

[0052] 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 Vヽては熱平衡分布 N(²⁾ が存在する。なお、素子の安定動作のために電子注入層 [0052] Next, in the above description, the existence of electrons in the thermal equilibrium state of level 2 is negligible. Here, however, carriers are thermally distributed in level 2 as in, for example, room temperature operation. Think about it. In general, even if the relaxation from level 2 to level 1 is fast, a thermal equilibrium distribution N ( ²⁾ exists at level 2 for V. For stable operation of the device, an electron injection layer

therm  therm

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、  As impurities are required to be doped, electrons are always present at level 2 when operating at room temperature. In this case, the minimum pump rate required for the inversion distribution is

[数 18]  [Equation 18]

P_min = N⁽²⁾ _tlierm Iて _t = n^{2) _iherm(w_AL_A)lT_t ---(15) となる。ここで、 N⁽²⁾ は熱的に分布している電子数、 n⁽²⁾ は熱的に分布してい therm therm P _min = N ⁽²⁾ _tlierm I _t = n ⁽²⁾ _iherm (w _A L _A ) lT _t --- (15) It becomes. Here, N ⁽²⁾ is the number of electrons that are thermally distributed, n ⁽²⁾ has been thermally distributed therm therm

る電子数の面密度、 L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は  The surface density of the number of electrons

A A  A A

レーザ素子部の Lと直交する方向の寸法である。  This is the dimension in the direction perpendicular to L of the laser element part.

A  A

[0053] したがって、この場合、閾値は  [0053] Therefore, in this case, the threshold is

[数 19]

[Equation 19]

となる。た し、上記したよつに m=ml Xm2=m Xmである。  It becomes. However, as described above, m = ml Xm2 = m Xm.

v 1  v 1

[0054] 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とす  [0054] Here, it is assumed that the cavity length is L, and the gap length between the laser element portions as segments is L.

G  G

ると、  Then

[数 20]  [Equation 20]

L_A =(L/m_lateral)[L_A/(L_A+L_G)] -(17) L _A = (L / m _lateral ) [L _A / (L _A + L _G )]-(17)

である。この（17)式を（15)式に代入すると、  It is. Substituting this equation (17) into equation (15),

[数 21]  [Number 21]

P_min = \n^{1 _hernw_A /T,][L/ _fn_LATERAL][L_A l(L_A + L_G )] --(18) P _min = \ n ^{1 _hern w _A / T,] [L / _f n _LATERAL ] [L _A l (L _A + L _G )]-(18)

となる。これにより、閾値 P は以下のように表される。  It becomes. As a result, the threshold value P is expressed as follows.

th  th

[数 22]  [Number 22]

= (1 »_klleral ){Υ /(m_verlica^_ff ) + [n^{1 _hermw_ALI τ, ] [L_A /(L_A + L_G)]} ·'·(19) 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= (1 » _klleral ) {Υ / (m _verlica ^ _ff ) + [n ^{1 _herm w _A LI τ,] [L _A / (L _A + L _G )]} · '· (19) Therefore, the level Even if the influence of the thermal equilibrium distribution in 2 appears prominently, the threshold can be effectively reduced by m. That is, the above-mentioned two-dimensional residue

1 1

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。  The cascade structure is overwhelmingly advantageous compared to the conventional structure when operating at high temperatures above room temperature, and is very effective in applying and deploying quantum cascade lasers in various fields.

[0055] なお、レーザ素子を構成するウェハの結晶構造、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 Zm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 [0055] Note that when 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 portions, The current required to operate the device is simply 1 Zm, which is a fraction of the horizontal division. At this time, the current density per laser element is the same. Ie

1 1

、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。 Since the crystal structure is the same, the current density required for oscillation itself remains constant without change. The

[0056] 例えば、面積 lcm²の素子で駆動電流 10Aの場合、電流密度は lOAZcm²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となる力 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. lcm²であり、電流密度自体は 1 OAZcm²のままで一定となる。このとき、理想的な場合を考えると、その電流一光出 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。 [0056] For example, when the driving current 10A in the element area lcm ^2, the current density becomes lOAZcm ^2. If such a drive current element 10 divides the horizontally thought laser portion is a force one segment to be 1A, the area is 0. lcm ^2, the current density itself of 1 OAZcm ² It remains constant. At this time, considering the ideal case, the current-to-light output characteristics are as shown in Fig. 4. 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.

[0057] ここで、垂直方向での段数 m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。  [0057] Here, when the number of steps m in the vertical direction is increased, the current density itself decreases, but when the threshold current density is lowered, the influence of electrons thermally distributed in level 2 increases, and at room temperature or higher. When considering the operation of, it cannot be less than a certain value. On the other hand, by increasing the number of horizontal divisions (the number of arrays) m, it becomes possible to overcome the above-mentioned limit.

1  1

[0058] 以下、量子カスケードレーザの具体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 ザの構成例にっ 、て説明する。  [0058] Hereinafter, according to specific embodiments of the quantum cascade laser, a configuration of a laser element unit including an active layer having a cascade structure, a separation structure for separating a plurality of laser element units from each other, and cascade connection thereof A configuration example of a quantum cascade laser including a wiring structure for the purpose will be described.

[0059] 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、力 スケード構造を有する活性層の具体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 example 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 a force scale. It is a table | surface which shows the specific structural example of the active layer which has a structure. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the cross-sectional configuration of the quantum cascade laser of the first embodiment, FIG. 8 is a top view showing the flat configuration of the laser, and FIG. 9 shows the three-dimensional configuration of the laser. It is a perspective view.

[0060] 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 Ga Asコア層 415、 In Ga _ As/In Al _ As量子井戸活性層 21、 In Ga Asコア層 410、 In Al Asクラッド層 411、及び高濃度ドープ In Ga As層 412 を順次ェピタキシャル成長によって形成する。ここで、 In Ga As、及び In Al As のそれぞれの組成は、 InP基板と格子整合するように In Ga As, In Al A  In the semiconductor stacked structure shown in FIG. 5, an InGaAs core layer 415, an InGa_As / InAl_As quantum well active layer 21, on an n-type InP substrate 110 by a solid source MBE method, An InGaAs core layer 410, an InAlAs cladding layer 411, and a highly doped InGaAs layer 412 are sequentially formed by epitaxial growth. Here, each composition of In Ga As and In Al As is lattice matched to the InP substrate.

0. 53 0. 47 0. 52 0. 48 0. 53 0. 47 0. 52 0. 48

S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。 S. Examples of the film thickness and doping concentration of these semiconductor layers are as follows.

高濃度層 412 : 0. 5 m、 3 X 10¹⁸cm_³ クラッド層 411 : 2 /ζ πι、 2 X 10 cm High concentration layer 412: 0.5 m, 3 X 10 ¹⁸ cm_ ³ Cladding layer 411: 2 / ζ πι, 2 X 10 cm

コア層 410 : 0. 65 ^ m, 5 X 10¹⁶cm"³ Core layer 410: 0. 65 ^ m, 5 X 10 ¹⁶ cm " ³

活性層 21  Active layer 21

コア層 415 : 0. 65 ^ m, 5 X 10¹⁶cm"³ Core layer 415: 0.65 ^ m, 5 X 10 ¹⁶ cm " ³

InP基板 110  InP substrate 110

[0061] 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 A ppl. 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 一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、発振波長え = 10 /z m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 ヽる。  [0061] Further, the active layer 21 is a general one as disclosed in, for example, JP-A-8-279647 or the document A ppl. Phys. Lett, vol.75 (1999) p.665. Similar to the structure of the quantum cascade laser, the quantum well light emitting layer and the electron injection layer are alternately stacked. As an example of the specific configuration, the thickness of each semiconductor layer constituting the active layer is as shown in the table of FIG. 6, for example, where the oscillation wavelength is 10 / z m. In FIG. 6, Table (a) shows a configuration example of a semiconductor multilayer structure of a quantum well light-emitting layer, and Table (b) shows a configuration example of a semiconductor multilayer structure of an electron injection layer.

[0062] 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、ウエットエツチン 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 を形成して、 m2個のレーザ素子  [0062] A ridge stripe type laser element structure is fabricated for the semiconductor laminate having such a structure by a normal lithography technique, a wet etching technique, etc., and as shown in FIG. Forming divided electrode 51, m2 laser elements

1〜51  1 to 51

m2  m2

部 11〜11 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 The element structure is segmented into parts 11-11. As an example of the electrode, Au electrode

1 m2 1 m2

用!、ることができる。  For!

[0063] 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 10 m、共振器長 3mmの素子では、電極幅を 100 μ m、電極間隔を 50 mとすることで、最大 20分割、すなわち m = 20とすることが可  [0063] 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 with a ridge width of 10 m and a resonator length of 3 mm, a maximum of 20 divisions, that is, m = 20, can be achieved by setting the electrode width to 100 μm and the electrode spacing to 50 m.

1  1

能である。この場合、ェ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 = 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 X 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。  Noh. 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 = 20, the effective number of stages in the two-dimensional cascade structure is 20 X 20 = 400, which is A cascade structure with a very large number of stages, which was difficult with this structure, can be realized.

[0064] 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 11〜11 のそれぞれの間に対して 、電極 51〜51 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[0064] Regarding the separation structure of a plurality of laser element portions in the horizontal direction which is the laser resonator direction, a high resistance layer is formed between adjacent laser element portions (adjacent semiconductor laminates). It is possible to use a structure separated by As an example of such a high resistance layer, as shown in FIG. 7, between each of the divided laser element portions 11 to 11 The semiconductor layer is raised by proton implantation using the electrodes 51 to 51 as a metal mask.

1 m2 1 m2

抵抗化し、素子部 11〜11 を互いに分離するための高抵抗層 71〜71 を形成  High resistance layers 71-71 are formed to resist and separate element parts 11-11 from each other

1 m2 2 m2 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 56〜56 を形成して素子部を分離する。  1 m2 to 2 m2. Further, on the back surface side of the element, after thinning by polishing, electrodes 56 to 56 similarly divided in the direction of the resonator are formed to separate the element portion.

1 m2  1 m2

[0065] 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 A1N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 11〜11 の水平方向でのカスケード接続を実現すること  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, the electrode pad 111 is formed in a predetermined pattern. Mount the laser chip on the insulating A1N submount 112. Bonding the electrodes on the chip and the electrode pads on the submount as shown in the figure realizes cascade connection of the divided laser element parts 11 to 11 in the horizontal direction.

1 m2  1 m2

ができる。  Can do.

[0066] 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。  FIGS. 10 to 13 are diagrams showing a second example of the quantum cascade laser, and FIG. 10 is a cross-sectional view showing a semiconductor multilayer 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.

[0067] 図 10に示す半導体積層構造では、半絶縁性の ΙηΡ基板 120上に、高濃度ドープ I n Ga As層 427、 In Al Asクラッド層 426、 In Ga Asコア層 425、 In Ga A s/ln Al As量子井戸活性層 22、 In Ga Asコア層 420、 In Al Asクラッド層 l -y x l -x l -y  [0067] In the semiconductor multilayer structure shown in FIG. 10, a highly doped InGaAs layer 427, InAlAs cladding layer 426, InGaAs core layer 425, InGaAs on a semi-insulating ΙηΡ substrate 120. / ln Al As quantum well active layer 22, In Ga As core layer 420, In Al As cladding layer l -yxl -xl -y

421、及び高濃度ドープ In_xGa As層 422を順次ェ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。 421 and a heavily doped In _x Ga As layer 422 are sequentially formed by epitaxy. 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.

高濃度層 422 ： 0. 5 m、 3 X 10¹⁸cm"³ High concentration layer 422: 0.5 m, 3 X 10 ¹⁸ cm " ³

クラッド層 421： 2 m、 2 X 10¹⁷cm"³ Cladding layer 421: 2 m, 2 X 10 17 cm "3

コア層 420 ： 0. 65 m、 5 X 10¹⁶cm"³ Core layer 420: 0.65 m, 5 X 10 ¹⁶ cm " ³

活性層 22  Active layer 22

コア層 425 : 0. 65 ^ m, 5 X 10¹⁶cm"³ Core layer 425: 0.65 ^ m, 5 X 10 ¹⁶ cm " ³

クラッド層 426： 2 m、 2 X 10¹⁷cm"³ Cladding layer 426: 2 m, 2 X 10 ¹⁷ cm " ³

高濃度層 427 ： 0. 5 m、 3 X 10¹⁸cm"³ InP基板 120 The high concentration layer 427: 0. 5 m, 3 X 10 18 cm "3 InP substrate 120

[0068] 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、ウエットエツチン 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 2 を形成して、 m2個のレーザ素子  [0068] A ridge stripe type laser element structure is fabricated for the semiconductor laminated body having such a structure by a normal lithography technique, a wet etching technique, etc., and as shown in FIG. Forming divided electrode 52 2, m2 laser elements

1〜5  1-5

m2  m2

部 12  Part 12

1〜12 にセグメント化された素子構造とする。  The element structure is segmented into 1-12.

m2  m2

[0069] 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 12〜12 のそれぞれの間に対して、電極 52  As for the separation structure of the laser element portions, as in the first embodiment, as shown in FIG. 11, an electrode 52 is provided between each of the divided laser element portions 12 to 12.

1〜52 をメ 1 to 52

1 m2 m2 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ィ匕し 、素子部 12〜12 を互いに分離するための高抵抗層 72 1 m2 m2 A high resistance layer for isolating the semiconductor elements 12 to 12 from the semiconductor layer by making proton implantation to the substrate portion as a tall mask to isolate the element parts 12-12 from each other.

1 m2 2〜72 を形成する。  1 m2 2 to 72 are formed.

m2  m2

[0070] 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上に形成されたェピ タキシャル成長層で下側に位置する高濃度ドープ In Ga As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 ンデイングすることで、分割されたレーザ素子部 12 でのカスケ  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, an epitaxial formed on the InP substrate 120 is used. A heavily doped In Ga As layer 427 located below the growth layer 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 electrode on the chip and the electrode pad on the contact layer as shown in the figure, the cascade in the divided laser element section 12 is obtained.

1〜12 の水平方向  1-12 horizontal

m2 一 ド接続を実現することができる。  m2 node connection can be realized.

[0071] 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 example is the same as that of the second example, for example.

[0072] 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ぐ隣 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 1 3〜13 のそれぞれの間に対して、電極 53〜53 をメタルマスクとし、 RIBEなど With respect to the separation structure of the laser element portion, in this embodiment, a structure is used in which separation is performed by forming a gap portion between adjacent laser element portions that is not a high resistance layer. As an example of such a gap portion, as shown in FIG. 14, between the divided laser element portions 13 to 13, the electrodes 53 to 53 are used as a metal mask, and RIBE or the like is used.

1 m2 1 m2 1 m2 1 m2

のドライプロセスの手法を利用して、素子部 13  Using the dry process method of the element 13

1〜13 を互いに分離するための間隙 m2  Gap m2 to separate 1-13 from each other

部である発振波長間隔以下のエアギャップ部 73  Air gap part below the oscillation wavelength interval

2〜73 を基板まで形成する。なお m2  2 to 73 are formed up to the substrate. M2

、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。 [0073] 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 ケードレーザにぉ ヽて、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。 The configuration including the quantum cascade laser wiring structure using the laser chip shown in FIG. 14 is the same as that of the second embodiment, for example. [0073] As shown in the first to third embodiments, a plurality of laser element parts each of which is a semiconductor stacked body including an active layer are arranged in a quantum cascade laser having a two-dimensional cascade structure. As a structure for separating each other in the direction, adjacent semiconductor stacked bodies are separated from each other by a high resistance layer formed between them, or adjacent semiconductor stacked bodies are formed between them. Various configurations can be used, such as configurations separated from each other by a gap.

[0074] 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 13〜13 In the configuration shown in FIG. 14, the laser element portions 13 to 13 arranged in the resonator direction.

1 m 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 There will be a gap between 1 m, but the interval is less than the oscillation wavelength interval as described above.

2 2

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 It is preferable to form the gaps at sufficiently narrow intervals, for example, by setting them below. This

、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。 At the oscillation wavelength, the laser element portions are optically connected to each other, and an optical resonator structure as a whole of the laser is realized.

[0075] 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 showing a fourth example of the quantum cascade laser, and is a sectional view showing a sectional configuration of the quantum cascade laser of the fourth example. The semiconductor multilayer structure used for the quantum cascade laser in this example is the same as that of the second example, for example.

[0076] 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ぐ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、ェピタキシャル成長層の全域 にわたつてプロトン注入による高抵抗ィ匕を行うことが困難となる。  [0076] Regarding the separation structure of the laser element portion, in this embodiment, a hybrid structure is used in which the high resistance layer by proton injection described above and the gap portion by RIBE are used together. Here, for example, when the cladding layer is set to be sufficiently thick in order to strengthen the optical confinement structure with a long oscillation wavelength in the laser element, the high density by proton injection over the entire area of the epitaxial growth layer. It becomes difficult to perform resistance.

[0077] 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 14〜14 のそれぞれの  In such a case, as described above, it is effective to form an element isolation structure by combining proton implantation and a dry process such as RIBE. As an example of such a separation structure, as shown in FIG. 15, each of the divided laser element portions 14 to 14 is provided.

1 m2  1 m2

間に対して、電極 54〜54 をメタルマスクとし、 RIBEなどによってエアギャップ部 7  With the electrodes 54 to 54 as a metal mask, the air gap 7

1 m2  1 m2

4〜74 を上部クラッド層まで形成する。さらに、同様に電極 54〜54 をメタルマ 4 to 74 are formed up to the upper cladding layer. Similarly, connect electrodes 54 to 54 to metal

2 m2 1 m2 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ィ匕を行って高抵抗層 79〜79 を形成する。これにより、素子部 14〜14 を互いに分離するための間隙High resistance layers 79 to 79 are formed by applying high resistance by proton implantation to the lower part from the active layer. As a result, a gap for separating the element portions 14 to 14 from each other is obtained.

2 m2 1 m2 2 m2 1 m2

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。このようなハイプリ 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。 A hybrid separation structure combining the part and the high resistance layer is obtained. High Prix like this In general, it is preferable to form a high resistance layer by forming a gap portion in a predetermined range in the upper part of the element structure and further injecting protons in the lower part in the head isolation structure.

[0078] 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 showing a fifth example of the quantum cascade laser, and is a top view showing a planar configuration of the quantum cascade laser of the fifth example. Note that the semiconductor multilayer structure used for the quantum cascade laser in this embodiment is the same as in the _second and third embodiments, for example.

[0079] 例えば文献 SCIENCE vol.286 (1999) p.749に示されて!/、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力 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 15〜15 において、図 16に示すよ  [0079] For example, as shown in the literature SCIENCE vol.286 (1999) p.749! /, The quantum cascade laser operates even when a force current flows up and down. In this embodiment, the laser element portions 15 to 15 having such a structure are shown in FIG.

1 m2  1 m2

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。  Thus, 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.

[0080] 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 のではなぐ様々な変形が可能である。例えば、上記した実施例では、 ΙηΡ基板に格 子整合する InGaAsZlnAlAs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、 In GaAs/lnAlAs系のものを示した力 例えば GaAs系、 GaSb系、 GaN系、 SiZSiG e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。  [0080] 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 InGaAsZlnAlAs that is lattice-matched to the ΙηΡ substrate, but a strain system that deviates from the lattice matching condition may be used. Moreover, in the above-described embodiments, the force shown in the In GaAs / lnAlAs system, for example, GaAs system, GaSb system, GaN system, SiZSiGe system, etc., which can form a quantum cascade structure using electronic transition between subbands. If so, any material may be used. 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 a MOCVD method may be used.

[0081] ここで、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 ml段のカスケード構造 (ml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 ml X 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 されていることが好ましい。  Here, the quantum cascade laser has (1) ml-stage cascade structure in which quantum well light-emitting layers and injection layers are alternately stacked in the first direction (ml is an integer of 2 or more) A semiconductor multilayer body including at least an active layer that generates light by intersubband transition in a quantum well structure, and (2) the semiconductor stacked body is separated from each other in a second direction different from the first direction. In this state, m2 pieces (m2 is an integer of 2 or more) are arranged, and by connecting them in series, it is possible to effectively create a two-dimensional cascade structure of ml X m2 stages. It is preferable.

[0082] 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。 [0082] Regarding the stacking direction of the semiconductor layers and the arrangement direction of the semiconductor stacks, The first direction is the 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 as the arrangement direction is the horizontal direction to the crystal growth surface. It is preferable that Accordingly, the above-described two-dimensional cascade structure can be suitably realized by using a configuration in which the grown semiconductor stacked structure is divided in the horizontal direction to form a plurality of semiconductor stacked bodies.

[0083] 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 、に分離されて!、る構成を用 V、ることができる。 [0083] Further, as a configuration for separating a plurality of semiconductor stacked bodies from each other, adjacent semiconductor stacked bodies among m2 arranged semiconductor stacked bodies are separated from each other by a high resistance layer formed therebetween. The structure which is made can be used. Alternatively, of the m2 arrayed semiconductor stacks, adjacent semiconductor stacks can be separated from each other by a gap formed between them.

産業上の利用可能性  Industrial applicability

[0084] 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。 The present invention can be used as a quantum cascade laser having a narrow line width characteristic and capable of operating at a low threshold and a high output.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims

[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 ml段のカスケ一 ド構造 (ml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、  [1] Quantum well light-emitting layer and injection layer are alternately stacked in the first direction, and have a ml-stage cascade structure (ml is an integer of 2 or more), and the intersubband transition in the quantum well structure Comprising a semiconductor laminate including at least an active layer for generating light by

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 ml X 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 The semiconductor stacked 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, Effectively configured to be a two-dimensional cascade structure with ml x m2 stages.

V、ることを特徴とする量子カスケードレーザ。 V, a quantum cascade laser.

[2] 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。  [2] The first direction is a direction perpendicular to a crystal growth surface of the semiconductor layer including the quantum well light emitting layer and the injection layer, and the second direction is horizontal to the crystal growth surface. 2. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein the quantum cascade laser is in a direction.

[3] 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!ヽ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 adjacent semiconductor stacked bodies among the m2 arrayed semiconductor stacked bodies are separated from each other by a high resistance layer formed therebetween, and are characterized in that they are separated from each other. The quantum cascade laser described.

[4] 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 [4] The semiconductor stacked bodies adjacent to each other among the m2 stacked semiconductor stacked bodies are separated from each other by a gap formed therebetween.

V、ずれか一項記載の量子カスケードレーザ。 V, a quantum cascade laser according to any one of the above.