CN102916344A - 半导体激光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体激光器件具有叠层体和电介质层。叠层体具有包含量子阱层的活性层，设有脊形波导。并且，上述活性层具有通过上述量子阱层的子带间光学跃迁而能放出12μm以上且18μm以下的波长的红外线激光光的第1区域、与能缓和从上述第1区域注入的载流子的能量的第2区域交替地叠层而成的级联构造，在上述脊形波导延伸的方向上能射出上述红外线激光光。电介质层设置为在与上述脊形波导正交的截面，从两侧夹着上述叠层体的侧面的至少一部分。电介质层的光的透射率下降至50%的波长是16μm，具有比构成上述活性层的任一层的折射率还低的折射率。

Description

半导体激光器件
关联申请的引用
本申请以于2011年8月3日申请的在先日本国专利申请第2011－170145号的优先权的权益为基础，且要求享受其权益，通过引用而包含其全部内容。
技术领域
本发明涉及半导体激光器件。
背景的说明
放出红外光的激光器件应用于环境测定等宽的领域中。在多种激光器之中，由半导体构成的量子级联激光器件(quantum cascade lasers)小型，便利性高，能够进行高精度的测定。
量子级联激光器件例如具有GaInAs和AlInAs交替地叠层、且包含量子阱层的活性层。另外，活性层的两侧面例如具有被InP包覆层夹持的构造。这种情况，被级联连接的量子阱层能够通过载流子的子带间光学跃迁而放出波长4～10μm的红外线激光光。
但是，波长10μm以上的红外线激光光的情况，由于InP的晶格振动（振动量子，phonon）引起的光吸收，从活性层放出的红外线激光光被活性层的两侧面的InP包覆层所吸收。因此，发光効率下降，得到高输出的激光光变得困难。
发明内容
本发明提供能射出具有10μm以上、且18μm以下的波长的红外线的半导体激光器件。
实施方式的半导体激光器件具有叠层体(stacked body)和电介质层。叠层体具有包含量子阱层的活性层，设有脊形波导。并且，上述活性层具有第1区域和第2区域交替地叠层而成的级联构造，上述第1区域是通过上述量子阱层的子带间光学跃迁而能放出12μm以上、且18μm以下的波长的红外线激光光的区域，上述第2区域是能缓和从上述第1区域注入的载流子的能量的区域，上述活性层能将上述红外线激光光向上述脊形波导延伸的方向射出。在与上述脊形波导正交的截面，从两侧夹着上述叠层体的侧面的至少一部分地设置电介质层。上述电介质层的光的透射率下降至50%的波长是16μm，上述电介质层具有比构成上述活性层的任一层的折射率还低的折射率。
根据如上所述的构成，可以射出具有10μm以上、且18μm以下的波长的红外线。
附图说明
图1A是本发明的第1实施方式所涉及的半导体激光器件的示意立体图，图1B是沿着A－A线切断的部分示意截面图。
图2是说明第1实施方式所涉及的半导体激光器件的作用的能带图。
图3是示出红外线激光光的波长与AlxGa1-xAs的Al组成比(摩尔比：mole fraction)x的依存性的曲线图。
图4是示出InP的吸收波谱的曲线图。
图5是表示电介质材料的透射率(transmittance)与波数及波长的依存性的曲线图。
图6A～图6E是第1实施方式所涉及的半导体激光器件的制造方法之中到形成脊形波导(ridge waveguide)为止的工序截面图。
图7A～图7D是第1实施方式的半导体激光器件的制造方法的工序截面图之中到形成电极为止的工序截面图。
图8A是第1变形例所涉及的半导体激光器件的示意截面图，图8B是第2变形例所涉及的半导体激光器件的示意截面图。
图9是增益与波导损耗的依存性的曲线图。
图10是第2实施方式所涉及的半导体激光器件的示意截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1A是对本发明的第1实施方式所涉及的半导体激光器件进行部分切断而成的示意立体图，图1B是沿着A－A线的示意截面图。
半导体激光器件至少具有基板10、设置在基板10之上的叠层体20和电介质层40。在图1A中，还具有第1电极50、第2电极52和绝缘膜42。
叠层体20具有第1包覆层22、第1导引层23、活性层24、第2导引层25和第2包覆层28。第1包覆层22的折射率和第2包覆层28的折射率，比第1导引层23、活性层24及第2导引层25的折射率之中的任一个都低，在活性层24的叠层方向上适当地关闭红外线激光光60。并且，可以将第1导引层23和第1包覆层22合称为包覆层。并且，可以将第2导引层25和第2包覆层28合称为包覆层。
并且，叠层体20具有条纹的形状，可以称作脊形波导RG。若脊形波导RG的2个端面为镜面，则被诱导放出的光作为红外线激光光62而从光射出面放出。这种情况，光轴62定义为把将镜面作为共振面的光共振器的截面的中心连结起来的线。即，光轴62与脊形波导RG的延伸的方向一致。
在垂直于光轴62的截面，若与活性层24的第1面24a、第2面24b平行的方向的宽度WA过宽，则在水平横向上产生高次模，成为高输出是困难的。若活性层24的宽度WA例如为5～20μm等，则水平横向模的控制变得容易。若电介质层40的折射率比构成活性层24的任一层的折射率还低，则可以通过夹着叠层体20的侧面20a、20b而设置的电介质层40，沿着光轴62构成脊形波导RG。
图2是说明第1实施方式所涉及的半导体激光器件的作用的能带图。
活性层24具有第1区域25和第2区域26交替地叠层而成的级联构造。第1区域25通过量子阱层72的子带间光学跃迁，能放出例如12μm以上、18μm以下的波长的红外线激光光60。并且，第2区域26能缓和从第1区域25注入的载流子（例如电子）70的能量。
在量子阱层72，若使阱层的厚度WT例如为几nm以下这样小，则能量能级离散，产生子带72a（高能级Lu）、子带72b（低能级Ll）等。从注入势垒层73注入的电子70可以有效地关闭在量子阱层72中。载流子从高能级Lu向低能级Ll跃迁的情况下，放出与能量差（Lu－Ll）相对应的光（h）（光学跃迁）。并且，量子阱层72具有波动函数重合的多个阱，具有共通的能级Lu及Ll也可以。
子带间跃迁发生于导帯及价帯之一。即，不需要pn结的空穴和电子的复合，仅通过任一载流子的光学跃迁而发光。本图的情况，叠层体20通过施加在第1电极50和第2电极52之间的电圧，经由注入势垒层73将电子70注入量子阱层72，发生子带间跃迁。
第2区域26具有多个子带（也称作微带）。优选子带的能量差小，接近连续能量能带。其结果，由于电子的能量被缓和，所以在第2区域26中，不产生12～18μm的波长的红外线激光光。第1区域25的低能级Ll的电子通过抽出势垒层74，向第2区域26注入，被缓和，而向被级联连接的下一级的第1区域25注入（电子70），产生下一光学跃迁。即，在级联构造中，电子70在单位构造27内分别进行光学跃迁，在活性层24整体，取出高的光输出变得容易。
在第1实施方式中，量子阱层72可以包含GaAs，势垒层可以为包含AlxGa1-xAs（0＜x＜1）的层。这种情况，若使基板10为GaAs，则与量子阱层及势垒层的晶格匹配能良好。第1包覆层22及第2包覆层28通过进行Si掺杂，例如可以具有6×1018cm-3的n型杂质浓度，例如为1μm的厚度。并且，第1导引层23及第2导引层25通过进行Si掺杂，例如可以具有4×1016cm-3的n型杂质浓度，为3.5μm的厚度。并且，活性层24的宽度WA可以为14μm，脊形波导RG的长度L可以为3mm等。
对单位构造27进行50级的级联连接而成的活性层24，例如厚度为2μm等，其中，单位构造27是将势垒层的Al组成比x设为0.32，将由GaAs构成的量子阱层72的阱层的厚度WT例如设为2～6nm而能将电子有效地关闭在量子阱层72而成的。根据实验，通过第1电极50和第2电极52施加了33.5kV/cm的电场时，可以得到波长为16±0.3μm的红外线激光光。
图3是示出红外线激光光的波长与AlxGa1-xAs的Al组成比x的依存性的曲线图。根据实验，已经判明Al组成比x为0.25的情况下，波长是17.7±0.3μm，Al组成比为0.47的情况下，波长是12.3±0.3μm。即，如图3中虚线所示，通过改变Al组成比x，可以得到波长为12～18μm的要求波长范围的红外线激光光。
并且，也可以使基板10由InP（折射率：2.50）构成，使第1及第2包覆层22、28由InP（折射率：3.089）构成。即，若使活性层24为包含InAlAs及InGaAs的层，并控制量子阱层72的阱的厚度WT，则可以得到波长为12μm以上、18μm以下的范围的红外线激光光。
在环境测定等中，要求12～18μm的红外线激光光的情形较多。即使这种情况，例如，使用喇曼激光器件（Raman laser)对来自碳酸气体激光等波长10μm的红外线激光光进行波长变换也可以得到12μm以上的红外线激光光。但是，激光器件为复杂的构成，大型化。与之相对，量子级联激光器件是半导体激光，小型化是容易的。
图4是示出InP的吸收波谱的曲线图。
纵轴是光的吸收率（相对值），横轴是光的波数（cm-1）。InP的情况下，在波长16μm（波数：628cm-1）的附近，有振动量子的吸收峰。另外，从活性层24放射出的光的波长为16μm的情况下，如果将包括第1及第2包覆层22、28、活性层24在内的叠层体20的侧面20a、20b夹着的层是InP，那么吸收从活性层24放射的光的一部分。因此，在放射12～18μm的波长范围的红外线激光光的半导体激光器件中，将活性层24的侧面夹着的电介质层40，优选具有比针对16μm以上的波长的、InP的透射率还高的透射率。
图5是表示电介质材料的透射率与波数（wave number)的依存性的曲线图。
纵轴是透射率（%），横轴是波数（cm-1）或波长（cm）。透射率能使用分光光度计等来测定。
在本实施方式中，使用电介质的透射率（%）下降至50%的波长为16μm以上的材料。并且，在图3中，大多数材料的透射率的最大值不到100%。在本说明书中，所谓“透射率下降至50%的波长”，不意味着透射率下降至该最大值的二分之一的波长，而意味着使用“光度计（photometer)等测定出的透射率下降至50%的波长”。
若使用透射率下降至50%的波长为16μm以上的电介质材料，则可以抑制波长为12μm以上的红外线激光光被吸收，得到高的输出变得容易。作为这样的材料，可以使用KBr（折射率：1.5）、KRS－5（溴碘化铊，折射率：2.36）、KRS－6（溴氯化铊，折射率：2.14））、NaCl、KCl（折射率：1.49）、金刚石（折射率：2.4）、ZnSe（折射率：2.4）等。并且，根据发明人等的实验，判明也可以使用CdTe、AgBr、AgCl等。通过将这样的电介质层40设置在叠层体20的侧面20a、20b的一部分的两侧，可以容易地一边抑制红外线激光光的吸收一边控制水平横向模。若使电介质层40为基于外延生长的单结晶材料，则可以使光学特性更稳定。这种情况下，KRS－5、KRS－6、金刚石、ZnSe、CdTe等，单结晶化是容易的。
这种情况下，例如，GaAs的折射率是3.62，Al0.35Ga0.65As的折射率是3.47。并且，InGaAs、AlInAs的折射率在3.2～3.43之间。即，电介质层40的折射率比构成活性层24的任一层的折射率还低，红外线激光光的水平横向模的控制容易。
图6A～图6E是第1实施方式所涉及的半导体激光器件的制造方法之中到形成脊形波导的工序截面图。
基板10由n型GaAs构成。像图6A那样，在基板10的第1面10a，例如结晶生长由n型GaAs构成的第1包覆层22、由n型GaAs构成的第1导引层23、活性层24、由n型GaAs构成的第2导引层25、由n型GaAs构成的第2包覆28。并且，第1导引层23及第2导引层25可以省略。结晶生长法例如可以使用MBE（Molecular Beam Epitaxy)法、MOCVD（Metal ganicChemical Vapor Deposition)法。
在本实施方式中，可以使脊形波导RG的端面为镜面，为法布里-珀罗（Fabry-Perot）型光共振器。或者，也可以像图6B那样，在第2包覆层28等的表面，设置衍射晶格29。衍射晶格29如下设置：在光共振器的光轴方向上，凹凸的节距例如为介质内波长的二分之一波长。这样一来，为分布式反馈（DFB：Distributed Feedback）型、分布式布拉格反射（DBR：Distrbuted Blagg Reflector）型构造，可以为动态的单一模振荡(dynamicsingle mode oscillation)。再者，像图6C那样，在第2包覆层28的表面形成SiO2这样的绝缘膜30。
接着，如图6D那样，在成为脊形波导RG的区域，将光致抗蚀剂70构图形成为条纹状。将构图形成的光致抗蚀剂70作为掩膜，使用RIE（Reactive Ion Etching)法等来蚀刻叠层体20，形成脊形波导RG。进而除去绝缘膜30。
图7A～图7D是第1实施方式的半导体激光器件的制造方法之中到形成电极为止的工序截面图。
如图7A那样，以覆盖叠层体20的脊形波导RG的方式，使用激光烧蚀、溅射、蒸镀等形成电介质层40。进而，在其上，形成SiN（包括Si3N4）、SiO2等绝缘膜（钝化膜）42。电介质层40的材料，在16μm以上的波长，光的透射率为50%以上，例如，可以为KBr、ZnSe、NaCl、KCl、KRS－5、KRS－6、金刚石等。并且，虽然NaCl、KCl具有潮解性，但通过设置钝化膜42可以稳定地确保膜质。
形成衍射晶格(diffraction grating)的情况，如图7B那样，在衍射晶格29的上表面，以电介质层40露出的方式，在钝化膜42中设置开口部42a。接着，如图7C那样，除去电介质层40，露出叠层体20的上部的衍射晶格29。
接着，如图7D那样，在钝化膜42及露出的脊形波导RG的表面RS形成第1电极50。并且，在脊形波导RG的一个端面设置低反射膜作为光射出面，在另一端面设置高反射膜作为光反射面时，取出高输出变得容易。
图8A是第1实施方式的第1变形例所涉及的半导体激光器件的示意截面图，图8B是该第2变形例所涉及的半导体激光器件的示意截面图。
脊形波导RG不被设置在叠层体20的整体也可以。在图8A中，将第2包覆层28的一部分28a作为脊形波导RG。即，使第2包覆层28的上方的一部分28a为台形截面。电介质层40设置成覆盖台侧面28b及台非形成区域的表面28c。
并且，在图8B中，使活性层24、第2导引层25及第2包覆层28为脊形波导RG。即，使活性层24、第2导引层25及第2包覆层28为台形截面。电介质层40设置成覆盖台侧面及台侧面的两侧的第1导引层23。即使如图8A、图8B那样，也可以控制水平横向模。并且，若在第1电极50之上，设置包含厚的Au膜的电极51，则键合容易。
图9是表示增益与波导损耗的依存性的曲线图。
纵轴是增益（1/cm），横轴是波导损耗（1/m）。
若设置在脊形波导RG的侧面、控制水平横向模的电介质40吸收红外线激光光，则产生波导损耗（1/m）。另一方面，伴随着流到活性层24的电流增加，波导增益增加。
在激光振荡中，增益提高波导损耗是必要的，激光振荡所需要的动作电流为InP、GaAs、电介质材料的顺序。若动作电流高，则内部的发热量变大，产生连续动作变得困难、元件的劣化变早等问题。在本实施方式中，通过在活性层24的两侧面设置电介质层40，可以实现连续动作容易且寿命长的半导体激光器件。
图10是第2实施方式所涉及的半导体激光器件的示意截面图。
在第2实施方式中，活性层24的宽度WA和设置在活性层24的两侧面且与基板10的表面平行的电介质层40的长度之和W2，小于活性层24的厚度T2。这样一来，可以减少从活性层24朝向基板10的光，相对地增加从活性层24朝向其两侧面的电介质层40的光。因此，可以减少基板10的光吸收。本实施方式在基板10的光吸收大的InP等的情况下，抑制光输出的降低是容易的。
根据第1实施方式及随其所附的第1及第2变形例和第2实施方式，可以提供能射出具有12～18μm的波长范围的红外线激光光的半导体激光器件。这样的红外线激光光能被特定物质吸收，所以能应用于环境测定等。并且，半导体激光器件与碳酸气体激光器件、喇曼激光器件等相比较，容易小型化。
虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提示的，无意限定发明的范围。这些新的实施方式，能够用其他各种方式来实施，在不超出发明的要旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变形，都包含在发明的范围、要旨之内，而且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

Claims (20)

1.一种半导体激光器件，其特征在于，具备：
叠层体，具有包含量子阱层的活性层，并设有脊形波导，上述活性层具有交替地叠层了第1区域和第2区域的级联构造，上述第1区域通过上述量子阱层的子带间光学跃迁而能放出12μm以上且18μm以下的波长的红外线激光光，上述第2区域能缓和从上述第1区域注入的载流子的能量，上述叠层体能将上述红外线激光光向上述脊形波导延伸的方向射出；及
电介质层，在与上述脊形波导正交的截面，从两侧夹着上述叠层体的侧面的至少一部分而设置，光的透射率下降至50%的波长在16μm以上，具有比构成上述活性层的任一层的折射率还低的折射率。
2.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
还具备基板和第1电极，上述基板具有设置着上述叠层体的第1面，第1电极与上述脊形波导连接。
3.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
还具备对上述电介质层的表面进行覆盖的绝缘膜。
4.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
上述第2区域具有多个微带。
5.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
在上述第1区域和上述第2区域之间，设有抽出势垒层，
在上述第2区域和上述第1区域之间，设有注入势垒层。
6.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
在上述叠层体，沿着上述脊形波导延伸的上述方向设有衍射晶格。
7.根据权利要求6记载的半导体激光器件，其中，
上述衍射晶格的节距是介质内波长的二分之一。
8.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
上述脊形波导具有第1端面和成为与上述第1端面相反一侧的第2端面，在上述第1端面设有第1反射膜，在上述第2端面设有具有比上述第1反射膜的反射率还高的反射率的第2反射膜。
9.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
上述载流子是电子。
10.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
上述基板由GaAs及InP之一构成。
11.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
上述电介质层包含溴碘化铊、溴氯化铊、ZnSe、CdTe、NaCl、KCl、KBr、AgBr、AgCl、金刚石之中的任一个。
12.根据权利要求11记载的半导体激光器件，其中，
上述电介质层是单结晶材料。
13.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
上述活性层包含GaAs及AlxGa1-xAs，其中，0＜x＜1。
14.根据权利要求1记载的半导体激光器件，其中，
上述活性层包含InｙGa1-ｙAs及AlzIn1-zAs，其中，0＜ｙ＜1，0＜z＜1。
15.一种半导体激光器件，其特征在于，具备：
第1基板，具有第1面；
叠层体，设置在上述第1面，具有包含量子阱层的活性层，并设有脊形波导，上述活性层具有交替地叠层了第1区域和第2区域的级联构造，上述第1区域通过上述量子阱层的子带间光学跃迁而能放出12μm以上且18μm以下的波长的红外线激光光，上述第2区域能缓和从上述第1区域注入的载流子的能量，上述叠层体能将上述红外线激光光向上述脊形波导延伸的方向射出；
电介质层，在与上述脊形波导正交的截面，从两侧夹着上述叠层体的侧面的至少一部分而设置，光的透射率下降至50%的波长是16μm，具有比构成上述活性层的任一层的折射率还低的折射率；及
第1电极，与上述脊形波导连接；
上述脊形波导选择性地设置在上述叠层体之中的上述第1电极侧。
16.根据权利要求15记载的半导体激光器件，其中，
上述活性层包含于上述脊形波导。
17.根据权利要求15记载的半导体激光器件，其中，
上述脊形波导的侧面向上述基板扩宽。
18.根据权利要求15记载的半导体激光器件，其中，
上述第2区域具有多个微带。
19.一种半导体激光器件，其特征在于，具备：
第1基板，具有第1面；
叠层体，设置在上述第1面，具有包含量子阱层的活性层，并设有脊形波导，上述活性层具有交替地叠层了第1区域和第2区域的级联构造，上述第1区域通过上述量子阱层的子带间光学跃迁而能放出12μm以上且18μm以下的波长的红外线激光光，上述第2区域能缓和从上述第1区域注入的载流子的能量，上述叠层体能将上述红外线激光光向上述脊形波导延伸的方向射出；
电介质层，在与上述脊形波导正交的截面，从两侧夹着上述叠层体的侧面的至少一部分而设置，光的透射率下降至50%的波长是16μm，具有比构成上述活性层的任一层的折射率还低的折射率；及
第1电极，与上述脊形波导连接；
在上述截面，与在分别与上述第1面垂直的上述活性层的2个侧面设置的上述电介质层的上述第1面平行的长度和上述活性层的宽度之和，比上述活性层的厚度还小。
20.根据权利要求19记载的半导体激光器件，其中，
上述第2区域具有多个微带。
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