CN109802300B - 面发光量子级联激光器 - Google Patents

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Abstract

提供能够在高输出时改善光学特性的面发光量子级联激光器。面发光量子级联激光器具有半导体层叠体、上部电极、以及下部电极。半导体层叠体具有：活性层，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层，设于活性层之上，并且具有凹部构成矩形光栅的光子晶体层；以及设于活性层的下方的第二半导体层。下部电极设于第二半导体层的下表面中的与上部电极重叠的区域。在俯视时，半导体层叠体具有包含光子晶体层的面发光区域、以及设有上部电极并且将面发光区域包围的电流注入区域。活性层产生子带间跃迁，能够通过二维衍射光栅产生光谐振，并且向面发光区域的垂直方向放出红外激光。

Description

面发光量子级联激光器
技术领域
本发明的实施方式涉及面发光量子级联激光器。
背景技术
面发光量子级联激光器在TM(Transverse Magnetic，横磁)模式下振荡，并且放出从红外线到太赫兹波长的激光。
光谐振器能够通过与活性层接近而设置的二维光子晶体来构成。
具有二维光子晶体的面发光量子级联激光器，作为能够在与活性层的表面大致垂直的方向上放出激光的面发光型而动作。
在电流注入部与光子晶体部处于同一区域的构造中，若为了获得高输出而提高动作电流，则芯片动作温度变高，因此光子晶体部的折射率的变化变大，光学特性降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014－197659号公报
发明内容
提供能够在高输出时改善光学特性的面发光量子级联激光器。
实施方式的面发光量子级联激光器具有半导体层叠体、上部电极、以及下部电极。所述半导体层叠体具有活性层，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层，设于所述活性层之上，并且具有凹部构成矩形光栅的光子晶体层；以及设于所述活性层的下方的第二半导体层。所述上部电极设于所述第一半导体层的上表面。所述下部电极设于所述第二半导体层的下表面中的、至少与所述上部电极重叠的区域。在所述第一半导体层的所述上表面的一侧设有所述光子晶体层。所述凹部的开口端的平面形状关于经过所述平面形状的重心并且分别与所述矩形光栅的两个边平行的线，为非对称。在俯视时，所述半导体层叠体具有包含所述光子晶体层的面发光区域、以及从所述面发光区域的外缘以放射状朝向外侧延伸的电流注入区域。所述上部电极设于所述第一半导体层的所述上表面中的所述电流注入区域。所述活性层能够在所述电流注入区域中基于流过所述上部电极与所述下部电极之间的电流，通过所述子带间跃迁来产生增益，在所述面发光区域中基于所述二维衍射光栅来产生光谐振，并且向所述面发光区域的大致垂直方向放出所述红外激光。
附图说明
图1(a)是第一实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图1(b)是沿着A－A线的示意主视图。
图2是第一实施方式的面发光量子级联激光器的面发光区域的示意立体图。
图3是第一实施方式的面发光量子级联激光器的二维光栅区域的示意俯视图。
图4是比较例的面发光量子级联激光器。
图5(a)是第二实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图5(b)是沿着B－B线的示意剖面图。
图6(a)是第三实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图6(b)是放大了M部的示意俯视图。
图7(a)是pn结型激光二极管中的波长所对应的增益·吸收或者发光光谱依赖性的曲线图，图7(b)是量子级联激光器中的波长所对应的增益·吸收或者发光光谱依赖性的曲线图。
图8(a)是量子级联激光器的电流注入时的能带图，图8(b)是零偏置时的能带图。
图9(a)是第三实施方式的变形例的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图9(b)是放大了M部的示意俯视图。
图10(a)是第四实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图10(b)是发光的远场图形的曲线图。
符号说明
10半导体层叠体，20活性层，30第一半导体层，30a(第一半导体层的)表面，31光子晶体层，39第二半导体层，53上部电极，52、54下部电极，54a开口部，56金属层，63凹部，70面发光区域，70a(面发光区域的)外缘，72电流注入区域，90、91、92锥形谐振器，90a、91a(锥宽度的)最小区域，G1(凹部的)重心，J电流
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1(a)是第一实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图1(b)是沿着A－A线的示意主视图。
第一实施方式的面发光量子级联激光器具有半导体层叠体10、上部电极50、以及下部电极52。
半导体层叠体10具有：活性层20，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层30，设置在活性层20之上，并且具有包含二维衍射光栅的光子晶体层；以及设置于所述活性层20的下方的第二半导体层39。
上部电极50设于第一半导体层30的上表面。下部电极52设于第二半导体层39的下表面中的、至少与上部电极50重叠的区域。在第一半导体层30的上表面30a侧设有光子晶体层31。
在俯视时，半导体层叠体10具有包含光子晶体层31的面发光区域70、以及从面发光区域70的外缘70a以放射状朝向外侧延伸的电流注入区域72。即，如图1(b)所示，面发光区域70表示第一半导体层30的一部分(包含光子晶体层31)、活性层20的一部分、以及第二半导体层39的一部分层叠于芯片的中央部而得到的区域。此外，电流注入区域72表示第一半导体层30的其他一部分、活性层20的其他一部分、以及第二半导体层39的其他一部分层叠于芯片的外周部而得到的区域。
上部电极50设于第一半导体层30的上表面30a中的电流注入区域72。另外，在图1(a)中，电流注入区域72在第一半导体层30的上表面30a沿相互正交的两个直线设置。
利用流经上部电极50与下部电极52之间的电流J，使得电流注入区域72所含的活性层20产生子带间跃迁，通过二维衍射光栅能够产生光谐振，并且向面发光区域22的垂直方向放出红外激光80。
如图1(b)所示，利用流经上部电极50与下部电极52之间的电流J，能够进行子带间跃迁，在电流注入区域72中产生的光L1、L2、L3朝向面发光区域70行进，利用面发光区域70的光子晶体层31能够产生光谐振，并且向面发光区域70的垂直方向放出红外激光80。
上部电极50也可以以从第一半导体层30的上表面30a沿相互正交的两个直线朝向外侧延伸的方式设于电流注入区域72的第一半导体层30上表面。
第一半导体层30也可以在活性层20侧具有包覆层。此外，第二半导体层39也可以在活性层20侧具有包覆层39a，在下部电极52侧具有基板39b。
图2是第一实施方式的面发光量子级联激光器的面发光区域的示意立体图。
此外，图3是第一实施方式的面发光量子级联激光器的二维光栅区域的示意俯视图。
凹部63的平面形状相对于经过平面形状的重心G1并且与二维矩形光栅的至少一边平行的线(51或者53)为非对称。红外激光80相对于活性层20向大致垂直方向放出。另外，在本说明书中，大致垂直方向指的是相对于活性层20的表面为81°以上且99°以下。电流注入区域72与矩形光栅的两个边51、53中的某一个正交。
在图2、3中，凹部63被设为直角三棱柱(平面形状为直角三边形)。其中，凹部63的平面形状并不限定于直角三边形，只要相对于光栅的两个边51、53分别为非对称即可。
若第一半导体层30以及第二半导体层39分别包括n型层，则发生子带间跃迁的载流子是电子。第一半导体层30的厚度能够设为几μm，第二半导体层39的厚度能够设为几μm等。
在对上部电极50以及下部电极52施加的电场的作用下，载流子经过量子阱层，由此发生子带间跃迁，例如放出波长为2μm至100μm的单一模式的激光。第一凹部63的光栅间隔P1能够设为红外激光80的介质内波长程度。
图4是比较例的面发光量子级联激光器。
在比较例中，上部电极150设于第一半导体层130的光子晶体层上表面，面发光区域与电子注入区域处于同一区域。因此，注入电流JJ在光子晶体层内沿垂直方向流动。光(水平方向的箭头)在设于第一半导体层130的下方的活性层120内产生，利用二维光栅谐振并且向上方放出。比较例虽然构造简单且芯片尺寸较小，但若增加电流，则元件内部温度上升，折射率变化。由于光学特性降低，所以高输出化较难。
与此相对，在第一实施方式中，电流注入区域72与面发光区域70分离。因此，在电流注入区域72内产生的热量大多经由下部电极52以及下方所设置的散热片向外部排出。因此，不易向设于电流注入区域72的内侧的面发光区域70传导热量。其结果，抑制温度上升导致的面发光区域70的折射率的变化所引起的光学特性的降低，高输出化变得容易。
图5(a)是第二实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图5(b)是沿着B－B线的示意剖面图。
在第二实施方式中，以覆盖包含设于第一半导体层30的上表面的凹部63的内表面以及底面在内的光子晶体层31的方式设置金属层56。在该情况下，能够在设有凹部63的周期构造的面发光区域70中进行面发光。在下部电极54设置能够供由金属层56反射的红外激光朝向外部放出的开口部54a。金属层56的上表面以及上部电极50的上表面能够设为散热片安装面。
面发光区域70中虽然不进行电流注入，但在凹部63的内部设置热传导性较好的金属层56。金属层56与第一半导体层30接触。此外，由于能够使金属层56以及上部电极50接触散热片58，因此能够将电流注入区域72中产生的热量、在面发光区域70中略微产生的热量高效地向外部排出。其结果，温度特性得以改善，高输出化变得容易。
图6(a)是第三实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图6(b)是放大了M部的示意俯视图。
第三实施方式是在无激励区域内置有光学的功能元件的面发光量子级联激光器。光学的功能元件例如能够设为锥形谐振器90。在锥形谐振器90未设置上部电极50，因此锥形谐振器90的活性层的区域为无激励。锥形谐振器90的锥宽的最小区域90a连接于面发光区域70。锥形谐振器90在光子晶体层31内维持单一模式的同时扩散激光，并且使来自光子晶体层31的返回光向谐振器返回。
图7(a)是pn结型激光二极管中的波长所对应的增益·吸收或者发光光谱依赖性的曲线图，图7(b)是量子级联激光器中的波长所对应的增益·吸收或者发光光谱依赖性的曲线图。
此外，图8(a)是量子级联激光器的电流注入时的能带图，图8(b)是零偏置时的能带图。
如图7(a)所示，pn结型激光二极管通过空穴与电子再结合，以与带隙能量Eg相应的波长进行振荡。即，在不存在载流子的注入的情况下(点划线)，在振荡波长(对应于Eg)附近，光吸收较大。因此，如虚线所示，若注入电流而不增大增益，则锥形谐振器中的光损失变大。
与此相对，如图7(b)、图8(a)、(b)所示，第三实施方式的面发光量子级联激光器通过电子的子带间跃迁发光。在子带间跃迁中，振荡波长不取决于带隙能量。因此，在发光波长下，即使在不存在载流子的注入(点划线所示)的情况下，光吸收也较少。因此，即使在无激励状态下，也能够设置二维衍射光栅、DBR(Dstributed Black Reflector，分布式反射镜)等光学的功能元件。
图9(a)是第三实施方式的变形例的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图9(b)是放大了M部的示意俯视图。
第三实施方式的变形例是在无激励区域内置有光学的功能元件的面发光量子级联激光器。光学的功能元件能够设为锥形谐振器91。在锥形谐振器91中设置有使锥内产生谐振的DBR(Dstributed Black Reflector)。
在图9(a)、(b)中，在锥形谐振器91未设置上部电极50。但是，也可以在锥区域设置上部电极50。锥形谐振器91的锥宽的最小区域91a连接于面发光区域70。锥形谐振器91在光子晶体层31维持单一模式的同时扩散，并且使来自光子晶体层31的返回光向锥形谐振器91返回。
图10(a)是第四实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图10(b)是合成的发光的远视场层的曲线图。
在第四实施方式中，如图10(a)所示，锥形谐振器92以并列阵列状设置，成为光学的功能元件。在本图中，一个上部电极50被分割为五个锥形谐振器。
五个锥形谐振器附近的各个远场图形(虚线)成为具有光子晶体层31中重合的实线那样的强度的光分布。由此，在光子晶体层31中，可实现光的强度具有单一的峰值的强度分布，通过光子晶体层31内的衍射作用，沿垂直方向取出的光的强度也同样以具有单一的峰值的分布出射。
根据第三实施方式以及其随附的变形例、以及第四实施方式，量子级联激光器的量子阱构造即使在无激励状态下光吸收也较小，因此能够在面发光区域70和电流注入区域72之间设置光学的功能元件。因此，易于利用光学的功能元件控制光学特性。
另外，若对量子阱构造执行进行各种离子注入的无序化，或者导入氧化层，则能够进一步减少光吸收，更接近透明。基于离子注入的无序化如以下那样进行。例如，若将氢注入光子晶体层31的区域，将基板温度设为600℃，进行30分钟退火，则量子阱的界面处存在的原子产生相互扩散，在量子阱的界面产生混晶化、无序化。由此，与退火前相比，由于Al在量子阱的阱部分处扩散，使得阱的量子能级整体成为高能量。或者若注入B那样的相对较重的原子的话，量子阱整体无序化而使量子阱自身消失，子带不再存在。由此，光子晶体层31的子带间跃迁的光吸收完全不存在。
此外，作为另一手段，存在将作为活性层的量子阱的势垒层的InAlAs层的Al进行水蒸气氧化的手段。通过干式蚀刻来加工光子晶体层31，在形成绝缘膜前将晶圆导入水蒸气氧化炉。若进行水蒸气氧化，则在光子晶体层31被加工的区域，光子晶体的孔部分的侧面暴露于水蒸气而被氧化。例如向450℃的水蒸气氧化炉导入晶圆，进行6小时的氧化。由此，InAlAs势垒层被从侧面氧化1.8μm。在孔的间隔较宽的部分也未离开3.6μm，因此在具有孔的区域，量子阱的InAlAs层全部被氧化，在该区域内，成为InAlO与InGaAs层叠的构造，势垒层的能隙变得非常大，量子阱内的子带下的吸收不再是该波长区域。
根据第一以及第二实施方式，可提供改善了高温特性的面发光量子级联激光器。此外，根据第三以及第四实施方式，可提供通过具有光吸收较少的光学的功能元件而能够控制光学特性、并且改善了高温特性面发光量子级联激光器。这些面发光量子级联激光器能够利用于气体分析装置、环境测定装置、激光加工机等。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，不意图限定发明的范围。这些新的实施方式，能够以其他各种各样的方式实施，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形，包含在发明的范围及宗旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。

Claims (8)

1.一种面发光量子级联激光器，具备：
半导体层叠体，具有：活性层，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层，设于所述活性层之上，并且具有凹部构成矩形光栅的光子晶体层；以及设于所述活性层的下方的第二半导体层；
上部电极，设于所述第一半导体层的上表面；
下部电极，设于所述第二半导体层的下表面中的、至少与所述上部电极重叠的区域，
在所述第一半导体层的所述上表面的一侧设有所述光子晶体层，
所述凹部的开口端的平面形状关于经过所述平面形状的重心并且分别与所述矩形光栅的两个边平行的线，为非对称，
在俯视时，所述半导体层叠体具有包含所述光子晶体层的面发光区域、以及从所述面发光区域的外缘以放射状朝向外侧延伸的电流注入区域，
所述上部电极设于所述第一半导体层的所述上表面中的所述电流注入区域，
所述活性层能够在所述电流注入区域中基于流过所述上部电极与所述下部电极之间的电流，通过所述子带间跃迁而产生增益，能够在所述面发光区域中基于作为二维衍射光栅的所述矩形光栅产生光谐振，并且向所述面发光区域的大致垂直方向放出所述红外激光。
2.如权利要求1所述的面发光量子级联激光器，
所述电流注入区域在所述第一半导体层的所述上表面上沿相互正交的两个直线设置。
3.如权利要求2所述的面发光量子级联激光器，
所述电流注入区域与所述矩形光栅的所述两个边的至少某一个正交。
4.如权利要求1至3中任一项所述的面发光量子级联激光器，
还具备将包含所述光子晶体层的所述凹部在内的所述面发光区域覆盖的金属层，
在所述下部电极设有开口部，该开口部能够供由所述金属层反射的所述红外激光朝向外部放出，
所述金属层的上表面以及所述上部电极的上表面被设为散热片安装面。
5.如权利要求1至3中任一项所述的面发光量子级联激光器，
所述面发光区域的所述活性层的所述量子阱层的一部分被无序化。
6.如权利要求1至3中任一项所述的面发光量子级联激光器，
所述面发光区域的所述活性层的所述量子阱层的一部分被氧化。
7.如权利要求1至3中任一项所述的面发光量子级联激光器，
在所述电流注入区域与所述面发光区域之间具有锥形谐振器，
所述红外激光为单一模式，
所述锥形谐振器的锥宽的最小区域连接于所述面发光区域。
8.如权利要求7所述的面发光量子级联激光器，
所述锥形谐振器以并列阵列状设置。
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