DE102013210438B4

DE102013210438B4 - Quantenkaskadenlaser

Info

Publication number: DE102013210438B4
Application number: DE102013210438.3A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Sugiyama; Tadataka Edamura; Naota Akikusa
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2022-09-22
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: US20130322479A1; US9246309B2; JP2013254764A; DE102013210438A1

Abstract

Quantenkaskadenlaser (1A), umfassend:ein Halbleitersubstrat (10), undeine aktive Schicht (15), die auf dem Halbleitersubstrat (10) vorgesehen ist und eine Kaskadenstruktur aufweist, in der Quantenwannenemissionsschichten (17) und Injektionsschichten (18) abwechselnd durch Mehrstufenlaminierungseinheitslaminatstrukturen laminiert sind, die alle aus der Quantenwannenemissionsschicht (17) und der Injektionsschicht (18) bestehen, die aktive Schicht (15) Licht durch Zwischenteilbandübergang in einer Quantenwannenstruktur erzeugt, wobeiin einer Laserhohlraumstruktur in einem Vorrichtungshauptkörper umfassend das Halbleitersubstrat (10) und die aktive Schicht (15), für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 7 bis 15 µm, das in der aktiven Schicht (15) zu erzeugen ist, ein Reflektionssteuerfilm (110) einschließlich zumindest einer Schicht eines CeO2-Film (111, 113, 115), auf einer Vorrichtungsendfläche (101) einer ersten Endfläche (11) und/oder einer zweiten Endfläche (12) des Vorrichtungshauptkörpers, die zueinander hinweisen, ausgebildet ist,der Reflektionssteuerfilm (110) ein Mehrschichtfilm ist, in dem eine Vielzahl von CeO2-Filmen (111, 113, 115), die als Niederbrechungsindexfilme dienen, und mindestens ein Ge-Film (112, 114), der als Hochbrechungsindexfilm dient, alternierend laminiert sind, undeine erste Schicht des Reflektionssteuerfilms (110), die direkt auf der Vorrichtungsendfläche (101) geformt ist, der CeO2-Films (111, 113, 115) ist, eine äußerste Schicht des Reflektionssteuerfilms (110) der CeO2-Film (111, 113, 115) ist, undein Si-Schutzfilm (118) weiterhin auf der äußeren Seite der äußersten Schicht des Reflektionssteuerfilms (110) mit einer Filmdicke, die keinen Effekt auf die optischen Charakteristika des Reflektionssteuerfilms (110) hat, geformt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Quantenkaskadenlaser, der einen Zwischenteilbandübergang in einer Quantenwannenstruktur aufweist.
Relevanter Hintergrund
Licht in einem mittleren Infrarotwellenlängenbereich (beispielsweise Wellen von 4 bis 16 µm) ist ein wichtiger Wellenlängenbereich im Gebiet der spektroskopischen Analyse. Als eine Hochleistungs-Halbleiterlichtquelle in diesem Wellenlängenbereich haben in den letzten Jahren Quantenkaskadenlaser (QCL) Aufmerksamkeit erlangt (siehe beispielsweise Patentdokumente 1 bis 3 und Nicht-Patentdokument 1).
Ein Quantenkaskadenlaser ist eine Lesevorrichtung vom monopolaren Typ, der eine Pegelstruktur einschließlich Teilbändern verwendet, die in einer Halbleiter-Quantenwannen- bzw. -Topfstruktur gebildet werden, und erzeugt Licht mittels Zwischen-Teilbandelektronenübergang, und kann eine hohe Effizienz und Betrieb bei hoher Ausgabe durch Mehrstufenkaskadenkopplung von Quantenwannenemissionsschichten realisieren, die durch Quantenwannenstrukturen gebildet sind und aktive Bereiche werden.
Weiterhin wird diese Kaskadenkopplung von Quantenwannenemissionsschichten unter Verwendung von Elektroneninjektionsschichten zum Injizieren von Elektronen in Emissionsoberpegel und alternativ Laminieren von Quantenwannenemissionsschichten und Injektionsschichten realisiert.
Weiterer Stand der Technik ist aus den Patentdokument 6 - 10 vorbekannt.
Insbesondere offenbart Patentdokument 6 einen Quantenkaskadenlaser dessen Architektur verschiedenartige Energiestrukturen aufweist, um so auch bei höheren Temperaturen betrieben werden zu können.
Aus Patentdokument 9 ist weiterhin ein Reflektor für eine Laserapparatur vorbekannt.

Patentdokument 1: US 5 457 709 A
Patentdokument 2: JP 2009-206340 A
Patentdokument 3: JP 2008-10733 A
Patentdokument 4: JP 2006-72031 A
Patentdokument 5: JP 2009-86533 A
Patentdokument 6: US 2006 / 0 039 431 A1
Patentdokument 7: JP H06 204 609 A
Patentdokument 8: US 5 140 458 A
Patentdokument 9: DE 23 42 911 A

Nicht-Patentdokument 1: J. Nguyen et al., „Optical coatings by ion-beam sputtering deposition for long-wave infrared quantum cascade lasers“, Appl. Phys. Lett. Vol. 89 (2006), 111113-1 bis 111113-3
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im oben beschriebenen mittleren Infrarot-Quantenkaskadenlaser ist eine Reflektionssteuerung an Endflächen in der Laserhohlraumstruktur sehr wichtig. Beispielsweise für eine Einzelmoduslaservorrichtung, wie etwa einen Quantenkaskadenlaser eines externen Hüllungs-(EC)-Typs oder eines verteilten Rückkopplungs-(DFB)-Typs, in welchen ein Diffraktionsgitter in der Vorrichtung angeordnet ist, ist es unabdingbar, einen Reflektionssteuerfilm, wie etwa einen Antireflektions- (AR)-Film oder einen Hochreflektions-(HR)-Film auf, in einer optischen Resonanzrichtung lokalisierten Vorrichtungsendflächen auszubilden.
Jedoch ist bei einer solchen Bildung eines Reflektionssteuerfilms an einer Vorrichtungsendfläche eines Quantenkaskadenlaser ein Material, das hohe Durchlässigkeit (Transparenz) gegenüber Licht innerhalb eines mittleren Infrarotbereichs zeigt, insbesondere gegenüber Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 7 bis 15 µm, und das gute Isolationseigenschaften bei Ausbildung auf der Vorrichtungsendfläche zeigt, nicht ausreichend bekannt gewesen.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um das oben beschriebene Problem zu lösen und es ist eine Aufgabe derselben, einen Quantenkaskadenlaser bereitzustellen, der zum bevorzugten Realisieren von Reflektionssteuerung in Bezug auf Licht innerhalb eines mittleren Infrarotbereichs auf Laservorrichtungsendflächen in der Lage ist.
Um die obige Aufgabe zu lösen, beinhaltet ein Quantenkaskadenlaser gemäß der vorliegenden Erfindung die Merkmale gemäß Anspruch 1.
Im oben beschriebenen Quantenkaskadenlaser wird ein Reflektionssteuerfilm, der einen CeO₂-Film beinhaltet, auf zumindest einer der der ersten und zweiten Endfläche ausgebildet, die in einer Resonanzrichtung in der Laserhüllenstruktur für Licht innerhalb einer vorgegebenen Wellenlänge lokalisiert sind, das in der aktiven Schicht zu erzeugen ist. Hier ist gemäß den Ergebnissen der Studie durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung, wie später im Detail beschrieben wird, CeO₂ (Ceriumoxid) ein Material, das eine hohe Durchlässigkeit für Licht innerhalb eines mittleren Infrarotbereichs aufweist, und gute Isoliereigenschaften zeigt, wenn es auf einer Laservorrichtungsendfläche gebildet wird. Entsprechend wird ein, ein CeO₂-Film enthaltender Reflektionssteuerfilm auf einen Quantenkaskadenlaser aufgebracht, wodurch es möglich ist, vorzugsweise eine Reflektionssteuerung für Licht innerhalb eines mittleren Infrarotbereiches auf der Vorrichtungsendfläche zu realisieren.
Gemäß dem Quantenkaskadenlaser der vorliegenden Erfindung wird in der Laserhohlstruktur für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge, das durch Zwischenteilbandübergang in der aktiven Schicht mit der Kaskadenstruktur erzeugt wird, ein, zumindest eine Schicht von CeO₂-Film ausbildender Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endfläche und/oder der zweiten Endfläche, die zueinander weisen, ausgebildet, wodurch es möglich ist, vorzugsweise eine Reflektionssteuerung für Licht innerhalb eines mittleren Infrarotbereichs auf den Laservorrichtungsendflächen zu realisieren.
Die vorliegende Erfindung wird aus der untenstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die lediglich illustrativ gegeben werden und nicht als die vorliegende Erfindung beschränkend angesehen werden, vollständiger verstanden werden.
Weiter wird der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgend gegebenen detaillierten Beschreibung ersichtlich. Jedoch versteht es sich, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anzeigen, lediglich illustrativ gegeben sind, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung Fachleuten aus der detaillierten Beschreibung ersichtlich sein werden.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die schematisch eine Basiskonfiguration eines Quantenkaskadenlasers zeigt.
2 ist ein Diagramm, das Beispiele einer Konfiguration einer aktiven Schicht des Quantenkaskadenlasers und einer Teilbandpegelstruktur in der aktiven Schicht zeigt.
3 ist ein Graph, der eine Wellenlängenabhängigkeit eines Brechungsindex n eines oxidbasierten optischen Materials zeigt.
4 ist ein Graph, der eine Wellenlängenabhängigkeit von Extinktionskoeffizienten k der oxidbasierten optischen Materialien zeigt.
5 ist ein Graph, der Wellenlängenabhängigkeit von Extinktionskoeffizienten k der oxidbasierten optischen Materialien zeigt.
6 ist ein Graph, der Wellenlängenabhängigkeit von Extinktionskoeffizienten k von CeO₂ zeigt.
7 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer spezifischen Konfiguration des Quantenkaskadenlasers zeigt.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Struktur einer Einheitslaminatstruktur einer Periode in der aktiven Schicht zeigt.
9 ist eine Seitenansicht, die ein erstes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt.
10 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 9 gezeigten Reflektionssteuerfilms zeigt.
11 ist eine Seitenansicht, die ein zweites Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt.
12 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 11 gezeigten Reflektionssteuerfilms zeigt.
13 ist eine Seitenansicht, die ein drittes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt.
14 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 13 gezeigten Reflektionssteuerfilms zeigt.
15 ist eine Seitenansicht, die ein viertes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt.
16 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 15 gezeigten Reflektionssteuerfilms zeigt.
17 ist eine Seitenansicht, die ein fünftes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt.
18 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 17 gezeigten Reflektionssteuerfilms zeigt.
19 ist eine Seitenansicht, die ein sechstes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt.
20 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 19 gezeigten Reflektionssteuerfilms zeigt.
21 ist ein Diagramm, das ein erstes Konfigurationsbeispiel einer Hohlraumstruktur im Quantenkaskadenlaser zeigt.
22 ist ein Diagramm, das ein zweites Konfigurationsbeispiel einer Hohlraumstruktur im Quantenkaskadenlaser zeigt.
23 ist ein Diagramm, das ein drittes Konfigurationsbeispiel einer Hohlraumstruktur im Quantenkaskadenlaser zeigt.
24 ist eine Seitenansicht, die ein modifiziertes Beispiel des in 9 gezeigten Reflektionssteuerfilms zeigt.
25 ist eine Seitenansicht, die ein modifiziertes Beispiel des in 15 gezeigten Reflektionssteuerfilms zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGFORMEN
Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Quantenkaskadenlasers gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung der Zeichnungen werden denselben Komponenten dieselben Bezugszeichen angeheftet und eine überlappende Beschreibung wird ausgelassen. Darüber hinaus sind die Dimensionsverhältnisse in den Zeichnungen nicht immer gleich zu jenen in der Beschreibung.
1 ist eine Ansicht, die schematisch eine Basiskonfiguration eines Quantenkaskadenlasers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. ein Quantenkaskadenlaser 1A der vorliegenden Erfindung ist eine Monopolartyplaservorrichtung, die Licht unter Verwendung eines Zwischenteilbandelektronenübergangs einer Halbleiter-Quantenwannenstruktur erzeugt. Dieser Quantenkaskadenlaser 1A beinhaltet ein Halbleitersubstrat 10 und eine aktive Schicht 15, die auf dem Substrat 10 ausgebildet ist. Weiterhin sind im Quantenkaskadenlaser 1A Elektroden 13 und 14 zum Antreiben des Lasers 1A jeweils auf der Substrat 10-Seite (der unteren Seite) und auf der aktiven Schicht 15-Seite (der oberen Seite in der Zeichnung) ausgebildet.
Die aktive Schicht 15 weist eine Kaskadenstruktur auf, die durch abwechselndes Multistufenlaminieren von Quantenwannenemissionsschichten, die zum Erzeugen von Licht zu verwenden sind, und Elektroneninjektionsschichten, die zum Injizieren von Elektronen in die Emissionsschichten zu verwenden sind, gebildet werden. Spezifisch ist eine aus einer Quantenwannenemissionsschicht und einer Injektionsschicht bestehenden Halbleiter-Laminatstruktur eine Einheitslaminatstruktur 16 von einer Periode, und durch Mehrstufenlaminieren der Einheitslaminatstruktur 16 wird die aktive Schicht 15, die eine Kaskadenstruktur aufweist, gebildet. Die Anzahl von Laminierungen der Einheitslaminatstrukturen 16, die alle die Quantenwannenemissionsschicht und die Injektionsschicht enthalten, ist beispielsweise etwa mehrere hundert, obwohl sie beliebig eingestellt wird. Die aktive Schicht 15 wird auf dem Halbleitersubstrat 10 direkt oder mittels einer anderen Halbleiterschicht ausgebildet.
2 ist ein Diagramm, das Beispiele einer Konfiguration der aktiven Schicht des in 1 gezeigten Quantenkaskadenlasers 1A und einer Teilbandpegelstruktur, die in der aktiven Schicht auszubilden ist, zeigt. Zusätzlich zeigt 2 schematisch die Quantenwannenstruktur und die Teilbandpegelstruktur in einem Teil der Mehrstufenrepetitivstruktur der Einheitslaminatstrukturen 16 in der aktiven Schicht 15 des Quantenkaskadenlasers 1A. Weiterhin ist in dieser Figur eine Position der Laminationsrichtung in der aktiven Schicht in horizontaler Richtung gezeigt und ist Energie in der vertikalen Richtung gezeigt.
Wie in 2 gezeigt, besteht jede aus der in der aktiven Schicht 15 enthaltenen Vielzahl von Einheitslaminatstrukturen 16 aus einer Quantenwannenemissionsschicht 17 und einer Elektroneninjektionsschicht 18. Sowohl die Quantenwannenemissionsschicht 17 als auch die Elektroneninjektionsschicht 18 ist ausgebildet, eine vorgegebene Quantenwannenstruktur einschließlich Quantenwannenschicht und Quantensperrschichten aufzuweisen. Entsprechend ist in der Einheitslaminatstruktur 16 eine Teilbandpegelstruktur, die eine Energiepegelstruktur gemäß einer Quantenwannenstruktur ist, ausgebildet.
In diesem Konfigurationsbeispiel ist die Einheitslaminatstruktur 16 einer Periode in der aktiven Schicht 15 als eine durch abwechselndes Laminieren von elf Quantenwannenschichten 161 bis 164 und 181 bis 187, und elf Quantenbarriereschichten 171 bis 174 und 191 bis 197 gebildete Quantenwannenstruktur gebildet. Weiter ist in dieser Laminierungsstruktur der aus den vier Wannenschichten 161 bis 164 und Barriereschichten 171 bis 174 bestehende Laminantionsteil die Emissionsschicht 17 und ist der aus den sieben Wannenschichten 181 bis 187 und Barriereschichten 191 bis 197 bestehende Laminantionsteil die Injektionsschicht 18.
Von den Halbleiterschichten der Emissionsschicht 17 ist die Quantensperrschicht 171 der ersten Stufe eine Injektorsbarriereschicht, die zwischen der Injektionsschicht der vorhergehenden Stufe und der Emissionsschicht 17 positioniert ist, und als eine Injektionsbarriere gegen Elektronen aus der Injektionsschicht der vorhergehenden Stufe in die Emissionsschicht dient. Aus den Halbleiterschichten der Injektionsschicht 18 ist die Quantensperrschicht 191 der ersten Stufe eine Ausgangssperrschicht, die zwischen der Emissionsschicht 17 und der Injektionsschicht 18 positioniert ist, und als eine Ausgangsbarriere gegen Elektronen aus der Emissionsschicht in die Injektionsschicht dient.
Die in 2 gezeigte Einheitslaminatstruktur 16 weist in der Teilbandpegelstruktur einen Emissionsoberpegel (Pegel 3) und einen Emissionsunterpegel (Pegel 2) als Pegel auf, die sich auf Lichtemission mittels eines Zwischenteilbandüberganges beziehen. Zusätzlich zu diesem Emissionsoberpegel und - unterpegel weist die Einheitslaminatstruktur 16 weiter einen Injektionspegel (Pegel 4) als einen Energiepegel höher als der obere Pegel 3 und einen Relaxationspegel (Pegel 1) als einen Energiepegel kleiner als der tiefere Pegel 2 auf.
In dieser Teilbandpegelstruktur werden Elektronen e^- aus der Injektionsschicht der vorhergehenden Stufe in den Injektionspegel 4 der Quantenwannenemissionsschicht 17 aufgrund eines Resonanztunneleffektes über die Injektionssperrschicht 171 injiziert. Weiterhin werden die in den Injektionspegel 4 injizierten Elektronen mittels beispielsweise einer longitudinalen optischen (LO) Phononenstreuung etc. zum oberen Pegel 3 geliefert. Darüber hinaus emissions-transiieren die dem oberen Pegel 3 zugeführten Elektronen zum unteren Pegel 2 und zu dieser Zeit wird Licht hν mit einer Wellenlänge entsprechend der Energiedifferenz zwischen den Teilbandpegeln des Pegels 3 und des Pegels 2 erzeugt. Weiterhin werden die Elektronen, die zum unteren Pegel 2 übergegangen sind, relaxiert und durch den Relationspegel 1 mittels der LO-Phononenstreuung etc. extrahiert. Entsprechend wird eine Populationsumkehrung zum Realisieren von Laseroszillation zwischen dem oberen Pegel 3 und dem unteren Pegel 2 gebildet.
Die auf den Relaxationspegel 1 relaxierten Elektronen werden in den Injektionspegeln der Emissionsschicht der nachfolgenden Stufe über die Ausgangssperrschicht 191 und Injektionsschicht 18 injiziert. Diese Injektion, Emissionsübergang und Relaxation von Elektronen werden in der Vielzahl von Einheitslaminatstrukturen 16, die die aktive Schicht 15 bilden, wiederholt, wodurch eine Lichterzeugung in einer Kaskadenweise in der aktiven Schicht 15 auftritt. Das heißt, dass sich durch alternierendes Laminieren vieler Emissionsschichten 17 und Injektionsschichten 18 die Elektronen sukzessive durch die Laminatstrukturen 16 in einer Kaskadenweise bewegen und Licht hv mit einer vorgegebenen Wellenlänge zum Zeitpunkt des Zwischenteilbandübergangslaminatstruktur erzeugt wird. Darüber hinaus wird ein solches Licht in der Laserhohlraumstruktur des Lasers 1A resoniert, wodurch ein Laserstrahl mit einer vorgegebenen Wellenlänge erzeugt wird.
2 zeigt ein Beispiel der Halbleiter-Laminatstruktur, der Quantenwannenstruktur und der Teilbandpegelstruktur in der Einheitslaminatstruktur 16 der aktiven Schicht 15, spezifisch können, ohne auf die oben beschriebene Konfiguration beschränkt zu sein, verschiedene andere Konfigurationen eingesetzt werden. Allgemein kann jede Konfiguration der aktiven Schicht 15 verwendet werden, solange wie die aktive Schicht eine Kaskadenstruktur aufweist und konfiguriert ist, in der Lage zu sein, Licht durch Zwischenteilbandübergang in der Quantenwannenstruktur zu erzeugen. Beispielsweise in der in 2 gezeigten Teilbandpegelstruktur mögen der Injektionspegel 4 und der Relaxationspegel 1 nicht vorgesehen sein, wenn sie unnötig sind. Weiterhin können die Anzahl von Quantenwannenschichten und Sperrschichten, welche die Emissionsschicht 17 und die Injektionsschicht 18 bilden, und die entsprechende Schichtdicke von jenen ebenfalls beliebig anhand einer spezifische Pegelstruktur etc. eingestellt werden, die für die Lichtemissionsoperationen notwendig ist.
In dem Quantenkaskadenlaser 1A gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie schematisch in 1 gezeigt, in der Laserhohlraumstruktur für Licht hν mit einer vorgegebenen Wellenlänge, das in der aktiven Schicht 15 zu erzeugen ist, sind die beiden Endflächen der ersten Endfläche 11 und der zweiten Endfläche 12 so vorgesehen, dass sie in Resonanzrichtung zueinander weisen (in der Zeichnung in Rechts- und Linksrichtung). Dann wird in Bezug auf diese entsprechenden Laservorrichtungsendflächen ein erster Reflektionssteuerfilm 20 auf der ersten Endfläche 11 ausgebildet und wird ein zweiter Reflektionssteuerfilm 30 auf der zweiten Endfläche 12 ausgebildet. Jeder der ersten und zweiten Reflektionssteuerfilme 20 und 30 ist beispielsweise ein Antireflektions-(AR)-Film oder ein Reflektionsfilm, wie etwa ein Hochreflektions-(HR)-Film. Weiterhin ist jeder dieser EIN-Zustand-Reflektionssteuerfilme 20 und 30 konfiguriert, zumindest eine Schicht von CeO₂-Film zu enthalten. Zusätzlich werden die Konfigurationen der Reflektionssteuerfilme 20 und 30 später spezifisch weiter beschrieben.
Die Effekte des Quantenkaskadenlasers 1A der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben.
In dem in 1 und 2 gezeigten Quantenkaskadenlaser 1A sind die jeweils CeO₂-Filme enthaltenden ersten und zweiten Reflektionssteuerfilme 20 und 30 auf den ersten und zweiten Endflächen 11 und 12 ausgebildet, die in Resonanzrichtung in der Laserhohlraumstruktur für Licht hν mit einer vorgegebenen Wellenlänge, das in der aktiven Schicht 15 zu erzeugen ist, lokalisiert sind. Hier ist in Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Studie durch die Erfinder der vorliegenden Anmeldung CeO₂ (Ceriumoxid) ein optisches Material, das eine hohe Durchlässigkeit (Transparenz) für Licht innerhalb beispielsweise eines mittleren Infrarotbereiches zeigt, beispielsweise Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 7 bis 15 µm, und das eine gute Isoliereigenschaft zeigt, wenn es auf den Endflächen 11 und 12 gebildet wird. Entsprechend werden solche, CeO₂-Filme enthaltenden Reflektionssteuerfilme 20 und 30 auf die Laservorrichtungsendflächen des Quantenkaskadenlasers 1A aufgebracht, wodurch es möglich ist, vorzugsweise eine Reflektionssteuerung für Licht innerhalb eines mittleren Infrarotbereichs auf den Vorrichtungsendflächen 11 und 12 zu realisieren.
Um dies im Detail zu beschreiben, weist bei der Reflektionssteuerung an der Vorrichtungsendfläche des Quantenkaskadenlasers 1A in einem mittleren Infrarotbereich mit eine Wellenlänge von beispielsweise 4 µm oder mehr ein optisches Material, das weitverbreitet in einem sichtbaren Bereich und einem nahen Infrarotbereich verwendet wird, allgemein eine hohe Absorption von Licht auf, das keine bevorzugte Charakteristika bereitstellt. Weiterhin ist es in einem fluorid-basierten Material wie etwa CaF₂ oder BaF₂ schwierig, auf einen Wellenlängenbereich von 10 µm oder mehr zu reagieren.
Als ein für einen solchen Wellenlängenbereich verwendeter Reflektionssteuerfilm kann beispielsweise ein ZnS oder ZnSe als ein Niederbrechungsindexmaterial verwendender Mehrschichtfilm und ein als Hochbrechungsindexmaterial verwendetes Ge erwogen werden. Jedoch ist es bei der Konfiguration, welche diese optischen Materialien verwendet, schwierig, die Isolation mit der Laservorrichtung sicherzustellen und es ist schwierig, auf einen Wellenlängenbereich von 10 µm oder mehr zu antworten. Andererseits wird in dem Fall, bei dem ein Isolationsfilm eines Materials, wie etwa Al₂O₃ oder SiO₂ auf einer Vorrichtungsendfläche ausgebildet wird, diw Laserstrahlausgabe aufgrund von Lichtabsorption im Isolationsfilm abgesenkt. Weiterhin ist es im Fall, bei dem ein dünner Isolationsfilm ausgebildet ist, um die Permeabilität von Licht sicherzustellen, nicht möglich, eine hinreichende Isolation sicherzustellen und ein stabiler Betrieb der Vorrichtung kann nicht erhalten werden. Weiterhin wird beispielsweise der aus einem Mehrschichtfilm von ZnO/PbTe bestehender Antireflektionsfilm im Nicht-Patentdokument 1 verwendet, jedoch sind ausreichende Charakteristika selbst bei einer solchen Konfiguration nicht erzielt worden.
Weiter ist im Fall, bei dem ZnS, ZnSe, PbTe oder dergleichen als ein Material des Reflektionssteuerfilms verwendet wird, in Bezug auf diese Materialien die Zusammensetzungssteuerung von Gruppe VI Elementen zum Zeitpunkt des Ausbildens eines Mehrschichtfilms durch ein Verfahren wie etwa Dampfabscheidung schwierig, was die Ausbeute an Vorrichtungen in einigen Fällen senken kann. Weiter gibt es im Hinblick auf den schädlichen Effekt als Substanzen, gesetzliche Regelungen und dergleichen, Probleme mit diesen Materialien, um die Laservorrichtung aufzubauen, was nicht im Labormaßstab ist, sondern weithin vertrieben werden soll.
In Bezug auf solche Probleme kann im Hinblick auf die Sicherstellung der Isolation mit der Laservorrichtung allgemein ein oxidatives Produkt als ein, einen Reflektionssteuerfilm aufbauendes optisches Material verwendet werden. In Bezug darauf haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung optische Konstanten im mittleren Infrarotbereich, von verschiedenen Materialien unter Verwendung eines Spektroskopie-Ellipsometers untersucht und das Wissen erlangt, dass das oben beschriebene CeO₂ erfolgversprechend ist. Dieses CeO₂ ist eine Substanz, die nicht unter die Kategorie giftiger Materialien fällt und eine normale Handhabung gestattet.
Hier wird eine spektroskopische Ellipsometrie zum Untersuchen der Charakteristika eines optischen Materials kurz beschrieben. Es ist beim Entwerfen eines funktionalen optischen Dünnfilms wie etwa eines Reflektionssteuerfilms sehr wichtig, die optischen Charakteristika wie etwa Brechungsindex oder einen Extinktionskoeffizienten eines optischen Materials innerhalb eines gewünschten Wellenlängenbereichs genau zu verstehen. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben ein spektroskopisches Ellipsometer eingeführt, welches in der Lage ist, eine Wellenlänge innerhalb eines Bereichs von 2 bis 30 µm zu messen und direkte Evaluierung von optischen Charakteristika verschiedener Materialien in einem mittleren Infrarotbereich auszuführen.
In der Ellipsometrie ist es möglich, zwei unabhängige Beträge zu messen, das heißt ein Amplitudenverhältnis ψ und ein Phasenverhältnis Δ, und es ist möglich, direkt einen Realteil und einen Imaginärteil einer komplexen dielektrischen Konstante (komplexer Brechungsindex) zu ermitteln. Ein Amplitudenverhältnis ψ und eine Phasenverhältnis Δ werden wie folgt ausgedrückt und werden als Änderungen im Polarisationszustand reflektierten Lichtes auf oder transmittierten Lichtes durch eine Probe beschrieben. $tan Ψ \cdot e^{i Δ} = ρ = \frac{r_{p}}{r_{s}}$
Hier sind r_p und r_s Reflektivitätskoeffizienten einer Messprobe in Bezug auf Polarisationen (p-Polarisation, s-Polarisation) auf einer Einfallsoberfläche. Die spektroskopische Ellipsometrie misst dieses komplexe Verhältnis ρ als eine Funktion der Wellenlänge.
In der Mehrfacheinfallswinkelspektroskopie-Ellipsometrie wird die oben beschriebene Messung sowohl mit einer Wellenlänge als auch einem Einfallswinkel, die als Funktionen dienen, ausgeführt, wodurch es möglich ist, einen unbekannten Mehrschichtfilm zu evaluieren. Weiter ist es möglich, direkt ein Amplitudenverhältnis ψ und ein Phasenverhältnis Δ in optische Konstanten der Materialien durch den folgenden Ausdruck zu konvertieren. $〈 ε 〉 = 〈 ε_{1} 〉 + i 〈 ε_{2} 〉 = {〈 \tilde{n} 〉}^{2} = {(〈 n 〉 + i 〈 k 〉)}^{2} = sin {(ϕ)}^{2} [1 + tan {(ϕ)}^{2} {(\frac{1 - ρ}{1 + ρ})}^{2}]$
Hier ist ϕ ein Einfallswinkel des Lichts. Messungen an verschiedenen Punkten (beispielsweise drei Punkten) werden während einer Änderung der Einfallswinkel vorgenommen und eine Abpassung wird so durchgeführt, dass der relationale Ausdruck erfüllt ist, während gleichzeitig die eine optische Pfadlänge anhand einer Änderung im Einfallswinkel geändert wird, wodurch es möglich ist, einem Brechungsindex n und einen Extinktionskoeffizienten k der Messprobe mit einer hohen Genauigkeit unabhängig von ihrer Filmdicke zu bestimmen.
3 ist ein Graph, der Wellenlängenabhängigkeit von Brechungsindizes n von oxidbasierten optischen Materialien zeigt. In diesem Graphen zeigt die horizontale Achse die Wellenlänge (µm) an und zeigt die vertikale Achse den Brechungsindex n an. Weiter zeigen im Graphen von 3 die Graphen A1, A2, A3 bzw. A4 die Charakteristika von Brechungsindizes von CeO₂, Al₂O₃, HfO₂ und Y₂O₃ anzeigen, die oxidbasierte optische Materialien sind.
4 und 5 sind Graphen, die Wellenlängenabhängigkeit des Extinktionskoeffizienten k der oxidbasierten optischen Materialien zeigen. In diesem Graphen zeigen die horizontalen Achsen die Wellenlänge (µm) an und zeigen die vertikalen Achsen den Extinktionskoeffizienten k an. Weiter zeigen im Graphen von 4 die Graphen B1, B2, B3 bzw. B4 die Charakteristika von Extinktionskoeffizienten von CeO₂, Al₂O₃, HfO₂ und Y₂O₃ an, die oxidbasierte optische Materialien sind. Weiter zeigen im Graphen von 5 die Graphen B6, B7, B8 bzw. B9 die Charakteristik von Extinktionskoeffizienten von CeO₂, Al₂O₃, HfO₂ und Y₂O₃ so an, dass sie jene teilweise auf die gleiche Weise vergrößern.
Beispielsweise ist es unter der Annahme eines Mehrschichtfilmes, dessen Hochbrechungsindexmaterial von Ge als einem Reflektionssteuerfilm angenommen wird, weil Ge einen Brechungsindex n = 4 aufweist, für ein Niederbrechungsindexmaterial notwendig, einen Brechungsindex von zumindest n ≤ 4, und vorzugsweise n < 2,5 aufzuweisen und es ist erforderlich, hinreichend transparent selbst in einem Bereich einer Wellenlänge von 10 µm oder mehr zu sein. Derweil, wie im Graphen von 3 gezeigt, weist CeO₂ einen Brechungsindex n < 2 auf, das vorzugsweise als ein Niederbrechungsindexmaterial im Reflektionssteuermehrschichtfilm verwendet werden kann.
Weiter, wie in den Graphen von 4 und 5 gezeigt, weist im Vergleich mit anderen oxidbasierten Materialien CeO₂ eine höhere Permeabilität bis ungefähr zu einer Wellenlänge von 15 µm auf. Entsprechend ist es möglich, vorzugsweise CeO₂ als Reflektionssteuerfilm für Licht in einem mittleren Infrarotbereich anzuwenden. Zusätzlich wird im oben beschriebenen Nicht-Patentdokument 1 in Bezug auf den Hochreflektionsfilm, der einen Au-Film beinhaltet, ein Y₂O₃-Film als ein Isolationsfilm anstelle eines Al₂O₃-Films oder dergleichen auf der Vorrichtungsendflächenseite derselben ausgebildet. Derweil wird gemäß den Graphen von 4 und 5 Y₂O₃ in seiner Absorption erhöht, wenn eine Wellenlänge 10 µm oder mehr beträgt, und es wird erwogen, dass Y₂O₃ nicht vorzugsweise für einen Reflektionssteuerfilm für Licht in einem mittleren Infrarotbereich verwendet werden kann.
Weiterhin weist im Fall, bei dem CeO₂-Film als Reflektionssteuerfilm verwendet wird, CeO₂ eine Eigenschaft des Reagierens mit Atmosphärenfeuchtigkeit auf, womit, wie in den Graphen von 4 und 5 gezeigt, eine Absorption aufgrund einer OH-Gruppe in einem Bereich einer Wellenlänge von 10 µm oder weniger in einigen Fällen auftreten kann. In solch einem Fall wird vorzugsweise Substraterhitzen zum Zeitpunkt der Ausbildung eines CeO₂-Films durch Elektronenstrahlverdampfung oder dergleichen durchgeführt.
6 ist ein Graph, der Wellenlängenabhängigkeit von Extinktionskoeffizienten k von CeO₂ zeigt, und der Graph C1 zeigt die Charakteristika des Extinktionskoeffizienten von CeO₂ in dem Fall, bei dem eine Filmausbildung bei Raumtemperatur durchgeführt wird, und der Graph C2 zeigt die Charakteristika eines Extinktionskoeffizienten von CeO₂ in dem Fall, bei dem eine Filmausbildung durch Ausführen von Substraterhitzung bei 250°C durchgeführt wird. Wie in diesem Graphen gezeigt, versteht es sich, dass durch Ausführen einer Substraterhitzung zum Zeitpunkt der Filmbildung der Effekt durch Absorption aufgrund der OH-Gruppe durch Verhindern des Mischens mit Feuchtigkeit reduziert wird, eine Verbesserung bei der Filmqualität und dergleichen reduziert wird und ein transparenter Bereich sich zu einer langen Wellenlängenseite erstreckt.
Ein spezifisches Beispiel der Konfiguration eines Quantenkaskadenlasers gemäß der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. 7 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer spezifischen Konfiguration des Quantenkaskadenlasers zeigt. Zusätzlich sind in den unten gezeigten Zeichnungen die Elektroden 13 und 14 (siehe 1), die jeweils auf der Substratseite bzw. der Seite deraktiven Schicht des Quantenkaskadenlasers ausgebildet sind, nicht gezeigt.
Hier können als ein Verfahren zum Ausbilden der Vorrichtungsstruktur des Quantenkaskadenlasers verschiedene Verfahren angewendet werden, solange wie ein einzelner Kristalldünnfilm mit hinreichend hoher Qualität wachsen kann. Als solch ein Bildungsverfahren ist beispielsweise Kristallwachstum durch die Molekularstrahlepitaxie-(MBE)-Methode oder die metall-organische Dampfphasenepitaxie-(MOVPE)-Methode verfügbar.
In der Halbleiterlaminationsstruktur eines in 7 gezeigten Quantenkaskadenlasers 1B wird ein n-Typ InP-Einkristallsubstrat 50 als ein Halbleitersubstrat 10 verwendet. Dann wird auf diesem InP-Substrat 50 in der Reihenfolge von der Substratseite eine InP-Niederabdeckschicht 51 mit einer Dicke von 3,5 µm, eine InGaAs-Niederleitschicht 52 mit einer Dicke von 0,25 µm, die durch Mehrstufenlaminierung der Einheitslaminatstrukturen 16 ausgebildete aktiven Schicht 15, eine InGaAs-Obenleitschicht 53 mit einer Dicke von 0,25 µm, eine InP-Obenabdeckschicht 54 mit einer Dicke von 3,5 µm und eine InGaAs-Kontaktschicht 55 mit einer Dicke von 20 nm sequentiell laminiert und entsprechend wird die Vorrichtungsstruktur des Quantenkaskadenlasers 1B ausgebildet. In diesem Konfigurationsbeispiel wird auch dieselbe Laserhohlraumstruktur wie in 1 (nicht in 7 gezeigt) verwendet.
Die aktive Schicht 15 in diesem Konfigurationsbeispiel ist durch Laminieren von 40 Perioden der Einheitslaminatstrukturen 16, die alle die Quantenwannenemissionsschicht 17 und die Injektionsschicht 18 enthalten, konfiguriert. Weiter ist die Einheitslaminatstruktur 16 als eine Quantenwannenstruktur konfiguriert, durch abwechselndes Laminieren von elf Quantenwannenschichten 161 bis 164 und 181 bis 187 und elf Quantenbarriereschichten 171 bis 174 und 191 bis 197 in der gleichen Weise wie das in 2 schematisch gezeigte Konfigurationsbeispiel.
Von diesen die Einheitslaminatstruktur 16 bildenden Halbleiterschichten werden die Quantenwannenschichten jeweils aus InGaAs-Schichten ausgebildet. Weiter sind die Quantensperrschichten jeweils aus InAlAs-Schichten ausgebildet. Entsprechend besteht die aktive Schicht 15 aus einer InGaAs/InAlAs-Quantenwannenstruktur. 8 zeigt ein Beispiel einer spezifischen Struktur der Einheitslaminatstruktur 16 einer Periode in der aktiven Schicht 15. Die Wellenlänge des Laseroszillationslichts in diesem Konfigurationsbeispiel beträgt λ = 8,5 µm.
Eine spezifische Konfiguration eines Reflektionssteuerfilms, der auf einer Vorrichtungsendfläche des Quantenkaskadenlasers auszubilden ist, wird weiter beschrieben. In Bezug auf den, den oben beschriebenen CeO₂-Film enthaltenden Reflektionssteuerfilm, wird die Konfiguration, in der die ersten und zweiten Reflektionssteuerfilme 20 und 30 an den beiden Endflächen der ersten und zweiten Endflächen 11 und 12 in Resonanzrichtung im Quantenkaskadenlaser 1A von 1 vorgesehen sind, exemplifiziert. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, vorzugsweise eine Höhlungsstruktur in der Laservorrichtung auszubilden. Jedoch kann allgemein ein solcher Reflektionssteuerfilm auf zumindest einer der ersten und zweiten Endflächen, die zueinander hinweisen, gemäß einer spezifischen Konfiguration etc. der Laserhohlraumstruktur ausgebildet werden.
Weiterhin kann ein solcher Reflektionssteuerfilm auf einer Laservorrichtungsendfläche spezifisch eine Konfiguration als ein Mehrschichtfilm aufweisen, in welchem CeO₂-Filme, die als Niederbrechungsindexfilme und Hochbrechungsindexfilme dienen, die aus einem anderen vorgegebenen Material als CeO₂ ausgebildet sind, laminiert werden. Gemäß einem solchen Reflektionssteuermehrschichtfilm ist es möglich, vorzugsweise eine Reflektion für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge auf der Vorrichtungsendfläche durch ein spezifisches Design der Anzahl von Schichten und der Schichtdicke oder dergleichen in der Mehrschichtstruktur unter Verwendung der Niederbrechungsindexfilme und der Hochbrechungsindexfilme einzustellen und zu steuern.
Weiterhin sind im Falle, bei dem der Reflektionssteuerfilm als ein Mehrschichtfilm auf diese Weise konfiguriert ist, Hochbrechungsindexfilme im Mehrschichtfilm vorzugsweise Ge-Filme, wie oben in Bezug auf den Graphen der Brechungsindizes von 3 beschrieben, in Bezug auf die als Niedrigbrechungsindexfilme fungierenden CeO₂-Filme. Somit ist es anhand der Struktur, in der einer oder eine Vielzahl von CeO₂-Filmen und einer oder eine Vielzahl von Ge-Filmen abwechselnd laminiert werden, möglich, vorzugsweise einen Reflektionssteuerfilm aufzubauen, der die Mehrschichtstruktur aufweist.
Alternativ kann ein solcher Reflektionssteuerfilm aus nicht einem, CeO₂-Filme enthaltenden Mehrschichtfilm aufgebaut sein, wie oben beschrieben, sondern einem einzelnen CeO₂-Film. Anhand einer solchen Konfiguration ist es ebenfalls möglich, vorzugsweise eine Reflektanz für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge auf einer Vorrichtungsendfläche durch ein spezifisches Design einer Filmdicke des CeO₂-Films oder dergleichen einzustellen und zu steuern.
Weiter ist im Quantenkaskadenlaser, der die oben beschriebene Konfiguration aufweist, der auf der Laservorrichtungsendfläche gebildete Reflektionssteuerfilm vorzugsweise ein Antireflektionsfilm für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge, oder ein Reflektionsfilm, der Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge bei einer vorgegebenen Reflektanz reflektiert. Unter Verwendung eines solchen Antireflektions-(AR)-Films oder eines Reflektionsfilms (beispielsweise ein Hochreflektions-(HR)-Film), die einen CeO₂-Film enthalten, ist es möglich, vorzugsweise einen Quantenkaskadenlaser gemäß der spezifischen Hohlraumstruktur desselben zu konstituieren. Nachfolgend wird ein spezifisches Beispiel einer Konfiguration und der Charakteristika des Reflektionssteuerfilms unter Referenz auf 9 bis 20 beschrieben.
9 ist eine Seitenansicht, die ein erstes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt. Ein Reflektionssteuerfilm 110 des vorliegenden Konfigurationsbeispiels ist als ein Antireflektions-(AR)-Film für Licht mit einer Wellenlänge X = 10 µm ausgelegt, und ein CeO₂-Film 111 mit einer Dicke von 0,193 µm, ein Ge-Film 112 mit einer Dicke von 0,418 µm, ein CeO₂-Film 113 mit einer Dicke von 0,826 µm, en Ge-Film 114 mit einer Dicke von 0,107 µm und ein CeO₂-Film 115 mit einer Dicke von 0,633 µm werden auf eine Endfläche 101 eines Halters 100 laminiert, wodurch der Antireflektionsfilm 110 als ein aus den CeO₂-Niederbrechungsindexfilmen und den Ge-Hochbrechungsindexfilmen bestehender Mehrschichtfilm aufgebaut wird.
Zusätzlich entspricht in der in 9 gezeigten Konfiguration der Halter 100 dem Vorrichtungshauptkörperteil des Quantenkaskadenlasers 1A, einschließlich des Substrats 10 und der aktiven Schicht 15, beispielsweise in der in 1 gezeigten Konfiguration. Weiterhin korrespondiert die Endfläche 101, auf der der Antireflektionsfilm 110 ausgebildet ist, zur ersten Endfläche 11 oder zur zweiten Endfläche 12 in der Hohlraumstruktur des Lasers 1A. Weiterhin ist ein Si-Film 118 mit einer Dicke von 10 nm, gezeigt in 9, wie später beschrieben wird, ein Schutzfilm, der auf der äußersten Schicht mit einer Filmdicke ausgebildet wird, die keinen Effekt auf die optischen Charakteristika des Antireflektionsfilms 110 hat.
10 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 9 gezeigten Reflektionssteuerfilms 110 zeigt. In diesem Graph zeigt die horizontale Achse die Wellenlänge (µm) an und zeigt die vertikale Achse die Transmittanz oder die Reflektanz von Licht (%) an. Weiter zeigt im Graphen von 10 der Graph D1 die Transmittanz an und zeigt der Graph D2 die Reflektanz an. In diesem Konfigurationsbeispiel des Mehrschichtfilmes wird eine hohe Transmittanz T = 99,995% für Licht mit einer Wellenlänge von 10 µm erhalten.
11 ist eine Seitenansicht, die ein zweites Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt. Ein Reflektionssteuerfilm 120 des vorliegenden Konfigurationsbeispiels ist als ein Antireflektions-(AR)-Film für Licht in einem breiten Band ausgelegt, das eine Wellenlänge λ = 10 µm beinhaltet, und ein CeO₂-Film 121 mit einer Dicke von 0,283 µm, ein Ge-Film 122 mit einer Dicke von 0,336 µm, ein CeO₂-Film 123 mit einer Dicke von 0,283 µm, ein Ge-Film 124 mit einer Dicke von 1,25 µm, ein CeO₂-Film 125 mit einer Dicke von 0,633 µm, und ein Ge-Film 126 mit einer Dicke von 0,107 µm werden auf der Endfläche 101 des Halters 100 laminiert, wodurch der Antireflektionsfilm 120 als ein Mehrschichtfilm komponiert wird.
12 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 11 gezeigten Reflektionssteuerfilms 120 zeigt. Im Graphen von 10 zeigt der Graph D3 die Transmittanz an und zeigt der Graph D4 die Reflektanz an. In diesem Konfigurationsbeispiel des Mehrschichtfilms wird eine hohe Transmittanz T = 96,855% für Licht mit einer Wellenlänge von 10 µm erhalten, und wird weiter eine hohe Transmittanz T in einem breiten Band an Wellenlänge einschließlich einer Wellenlänge von 10 µm erhalten.
13 ist eine Seitenansicht, die ein drittes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt. Ein Reflektionssteuerfilm 130 des vorliegenden Konfigurationsbeispiels ist als ein Hochreflektions-(HR)-Film für Licht mit einer Wellenlänge λ = 10 µm ausgelegt, und es werden ein CeO₂-Film 131 mit einer Dicke von 1,70 µm, ein Ge-Film 132 mit einer Dicke von 0,625 µm, ein CeO₂-Film 133 mit einer Dicke von 1,70 µm und ein Ge-Film 134 mit einer Dicke von 0,625 µm auf die Endfläche 101 des Halters 100 laminiert, wodurch der Hochreflektionsfilm 130 als ein Mehrschichtfilm komponiert wird.
14 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 13 gezeigten Reflektionssteuerfilms 130 zeigt. Im Graphen von 14 zeigt der Graph D5 die Transmittanz an, und zeigt der Graph D6 die Reflektanz an. In diesem Konfigurationsbeispiel des Mehrschichtfilms wird eine hohe Reflektanz R = 97,746% für Licht mit einer Wellenlänge von 10 µm erhalten.
15 ist eine Seitenansicht, die ein viertes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt. Ein Reflektionssteuerfilm 140 des vorliegenden Konfigurationsbeispiels wird als ein Antireflektions-(AR)-Film für Licht mit einer Wellenlänge X = 10 µm entworfen, und ein CeO₂-Film 141 mit einer Dicke von 1,70 µm ist auf der Endfläche 101 des Halters 100 ausgebildet, wodurch der aus einem einzelnen CeO₂-Film bestehende Antireflektionsfilm 140 aufgebaut wird. Zusätzlich wird hier InP als der Halter 100 angenommen. Der Brechungsindex von InP ist n = 3,2 und der Brechungsindex von CeO₂ ist n = 1,47. Weiterhin ist ein in 15 gezeigter Si-Film 148 ein auf der äußersten Schicht in einer Filmdicke, die keinen Effekt auf die optischen Charakteristika des Antireflektionsfilms 140 aufweist, gebildeter Schutzfilm.
16 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 15 gezeigten Reflektionssteuerfilms 140 zeigt. Im Graphen von 16 zeigt der Graph D7 die Transmittanz an und zeigt der Graph D8 die Reflektanz an. In diesem Konfigurationsbeispiel des einzelnen Films wird eine hohe Transmittanz T = 96,243% für Licht mit einer Wellenlänge von 10 µm erhalten. Zusätzlich ist die Reflektanz zu dieser Zeit R = 3,757%.
In den ersten bis vierten Konfigurationsbeispielen der in den 9 bis 16 gezeigten Reflektionssteuerfilmen ist jeglicher von diesen als ein Beispiel gezeigt, das als ein Antireflektionsfilm oder ein Hochreflektionsfilm für Licht mit einer Wellenlänge λ = 10 µm entworfen ist, als ein Objekt der Reflektionssteuerung. Jedoch ist es allgemein möglich, einen solchen Reflektionssteuerfilm in derselben Weise nicht nur für Licht mit einer Wellenlänge von 10 µm, sondern auch für Licht mit einer beliebigen Wellenlänge zu entwerfen und einzusetzen.
17 ist eine Seitenansicht, die ein fünftes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt. Ein Reflektionssteuerfilm 210 des vorliegenden Konfigurationsbeispiels ist als ein Antireflektions-(AR)-Film für Licht mit einer Wellenlänge λ = 8 µm entworfen, und ein CeO₂-Film 210 mit einer Dicke von 0,155 µm, ein Ge-Film 212 mit einer Dicke von 0,332 µm, ein CeO₂-Film 213 mit einer Dicke von 0,655 µm, ein Ge-Film 214 mit einer Dicke von 0,079 µm, ein CeO₂-Film 215 mit einer Dicke von 0,501 µm und ein Ge-Film 216 mit einer Dicke von 0,010 µm werden auf der Endfläche 101 des Halters 100 laminiert, wodurch der Antireflektionsfilm 210 als ein Mehrschichtfilm aufgebaut wird.
18 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 17 gezeigten Reflektionssteuerfilms 210 zeigt. Im Graphen von 18 zeigt der Graph E1 die Transmittanz an und zeigt der Graph E2 die Reflektanz an. In diesem Konfigurationsbeispiel des Mehrschichtfilms wird eine hohe Transmittanz T = 99,644% für Licht mit einer Wellenlänge von 8 µm erhalten.
19 ist eine Seitenansicht, die ein sechstes Konfigurationsbeispiel eines Reflektionssteuerfilms zeigt. Ein Reflektionssteuerfilm 220 des vorliegenden Konfigurationsbeispiels ist als ein Antireflektions-(AR)-Film für Licht mit einer Wellenlänge von λ = 13 µm entworfen und ein CeO₂-Film 221 mit einer Dicke von 0,250 µm, ein Ge-Film 222 mit einer Dicke von 0,552 µm, ein CeO₂-Film 223 mit einer Dicke von 1,077 µm, ein Ge-Film 224 mit einer Dicke von 0,174 µm, ein CeO₂-Film 225 mit einer Dicke von 0,827 µm und ein Ge-Film 226 mit einer Dicke von 0,010 µm sind auf die Endfläche 101 des Halters 100 laminiert, wodurch der Antireflektionsfilm 220 als ein Mehrschichtfilm aufgebaut wird.
20 ist ein Graph, der die optischen Charakteristika des in 19 gezeigten Reflektionssteuerfilms 220 zeigt. Im Graphen von 20 zeigt der Graph E3 Transmittanz an und zeigt der Graph E4 die Reflektanz an. In diesem Konfigurationsbeispiel des Mehrschichtfilms wird eine hohe Transmittanz T = 99,869% für Licht mit einer Wellenlänge von 13 µm erhalten.
Zusätzlich wird in Bezug auf den, den Ce02-Film enthaltenden, oben beschriebenen Reflektionssteuerfilm in dem Fall, bei dem Deliqueszenz von CeO₂ ein Problem wird, beispielsweise wenn die Laservorrichtung, auf der der Reflektionssteuerfilm ausgebildet ist, in einer Umgebung verwendet wird, die der Atmosphäre über einen langen Zeitraum ausgesetzt ist, ein Schutzfilm zum Schützen der in dem Reduktionsvorrichtung enthaltenen CeO₂-Filme vorzugsweise als die äußerste Schicht des Reflektionssteuerfilms vorgesehen. Weiterhin kann vorzugsweise als ein solcher Schutzfilm insbesondere ein Si-Film verwendet werden.
Wie beispielsweise in 9 gezeigt, wird in dem Fall, bei dem die äußerste Schicht des Reflektionssteuerfilms 110 der CeO₂-Film 115 ist, der Schutzfilm 118, wie etwa ein Si-Film, auf der äußeren Seite desselben ausgebildet. In diesem Fall wird der Si-Schutzfilm vorzugsweise so ausgebildet, dass er eine dünne Filmdicke (eine Filmdicke von beispielsweise etwa 10 nm) in dem Ausmaß aufweist, dass sie kein Effekt auf die optischen Charakteristika des Reflektionssteuerfilms 110 aufweist. Weiterhin ist der Si-Schutzfilm 148 in der in 15 gezeigten Konfiguration derselbe. Andererseits fungiert als der in 11 gezeigte Reflektionssteuerfilm 120 im Falle, bei dem die äußerste Schicht des Reflektionssteuerfilms ein Ge-Film ist, dieser Ge-Film als ein Schutzfilm für den CeO₂-Film. Zusätzlich, wie in 9 und 15 gezeigt, selbst in dem Fall, bei dem die äußerste Schicht des Reflektionssteuerfilms ein CeO₂-Film ist, wenn die Deliqueszenz von CeO₂ kein Problem wird anhand der Bedingungen der Verwendung und dergleichen für die Laservorrichtung, kann als modifizierte Beispiele der Reflektionssteuerfilme von 9 und 15, die in 24 und 25 gezeigt sind, die Laservorrichtung so konfiguriert sein, dass sie den äußersten Schutzfilm wie etwa einen Si-Schutzfilm nicht bereitstellt.
Ein Verfahren zum Bezeichnen eines aus einem einzelnen CeO₂-Film oder einem, CeO₂-Filme enthaltenen Mehrschichtfilms aufgebauten Reflektionssteuerfilm wird kurz beschrieben. Zuerst wird der einfachste Fall eines einzelnen Films erwogen. Gegeben, dass Brechungsindizes des lichteinfallsseitigen Mediums, ein Reflektionsdünnfilm und ein Unterstützungsmedium jeweils n₀, n, und n_m sind, die und im Fall, bei dem Licht mit einer Wellenlänge X vertikal einfallend auf den Dünnfilm mit einer Filmdicke d gemacht wird, sind die Bedingungen, unter welchen die Reflektanz R 0 auf der Antireflektions- (nicht reflektiven) Beschichtung wird, wie folgt. $\begin{array}{l} nd = q λ / 4 (q = 1, 3, 5, \dots) \\ n = {(n_{0} n_{m})}^{1 / 2} \end{array}$
Diese zwei Gleichungen zeigen die Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Filmdicke an, bzw. die Beziehung zwischen den Brechungsindizes.
Um eine Beschichtung eines Reflektionssteuerfilms auf verschiedene Halter in Kombination von Filmdicken von λ/4, λ/2 und dergleichen anzuwenden, ist es notwendig, einen Dünnfilm mit einem beliebigen Brechungsindex, der durch die oben beschriebenen Gleichungen bestimmt ist, in einem beabsichtigten Wellenlängenbereich vorzubereiten. Als eines der Verfahren zum Lösen dieses Problems gibt es eine Idee eines äquivalenten Films. Das heißt, dass die Idee ist, einen Dünnfilm mit einem Brechungsindex n und einer Filmdicke λ/4 mit einer periodischen Mehrschichtstruktur äquivalent zu bilden, welche aus Dünnfilmen von Material eines niedrigen Brechungsindex n₁ und Dünnfilmen von Material mit einem hohen Brechungsindex n₂ besteht. In diesem Fall ist es theoretisch unbegrenzt möglich, Brechungsindizes, Filmdicken und die entsprechenden Schichten und die Anzahl von Schichten zu kombinieren, jedoch ist aus jenen eine praktische Lösung zu verwenden, um einen Reflektionssteuerfilm zu entwerfen.
Beispielsweise wird eine Kombination von Brechungsindizes n₁ und n₂ der zwei Schichten von λ/4, die eine Reflektanz R = 0 macht (hier, n₁ < n_m < n₂), berechnet. Dann werden alle diese durch eine periodische Struktur einer tatsächlichen Substanz (beispielsweise CeO₂ und Ge) ersetzt, um so die n₁ und n₂ und den Brechungsindex äquivalent zu machen. Zusätzlich ist der Antireflektionsfilm von R = 0 in der obigen Beschreibung beschrieben worden, es ist jedoch möglich, einen Reflektionsfilm wie etwa einen Hochreflektionsfilm von beispielsweise R = 1 mit derselben Idee zu entwerfen. Weiterhin kann eine tatsächliche Berechnung im Entwurf eines Reflektionssteuerfilms ausgeführt werden, beispielsweise durch eine kommerziell verfügbare Entwurfs-Software, ein Universalzweckberechnungsprogramm oder dergleichen.
Ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Reflektionssteuerfilms mit der oben beschriebenen Konfiguration wird kurz beschrieben. Zuerst, in derselben Weise wie der Herstellprozess eines normalen Quantenkaskadenlasers, wird Kristallwachstum einer Laserstruktur durch ein MOCVD-Verfahren oder dergleichen auf einem Substrat eines vorgegebenen Materials, wie etwa einem InP-Substrat, durchgeführt. Dann wird eine Streifenstruktur unter Verwendung von Photolithographie und Ätztechniken gebildet und die Vorrichtungsendflächen in der Laserhohlraumstruktur werden durch Spaltung ausgebildet, um einen Laserstabzustand zu bilden.
Als Nächstes wird der Laserstab so fixiert, dass nur die Vorrichtungsendflächen exponiert sind, unter Verwendung einer Spezialzweckspannvorrichtung in einer Vakuumverdampfungsvorrichtung, beispielsweise einer Elektronenstrahl-(EB)-Verdampfungsvorrichtung, um einen Dünnfilm eines gewünschten Materials zu bilden, um so eine notwendige Filmdicke an den Endflächen aufzuweisen. Beispielsweise im Fall, bei dem der Reflektionssteuerfilm ein Mehrschichtfilm von CeO₂/Ge ist, wird Dampfabscheidung aus mehreren Quellen mit Dampfabscheidungsquellen von CeO₂ und Ge durchgeführt, um einen Reflektionssteuermehrschichtfilm zu bilden, in welchem CeO₂-Filme und Ge-Filme abwechselnd laminiert sind. Weiterhin, in dem Fall, bei dem ein Si-Schutzfilm auf der äußeren Seite des Reflektionssteuerfilms ausgebildet ist, kann eine Dampfabscheidung aus mehreren Quellen mit Dampfabscheidungsquellen mit Dampfabscheidungsquellen von Si zusätzlich zu CeO₂ und Ge durchgeführt werden. Hier ist die Abscheidung für CeO₂, Ge sowie Si durch Elektronenstrahlverdampfung möglich, und es ist möglich, einen Mehrschichtfilm und einen Schutzfilm zu bilden, ohne ein Vakuum zu unterbrechen, durch die Verdampfungsvorrichtung mit mehreren Quellen.
Weiterhin, wie oben in Bezug auf den Graphen von 6 beschrieben, indem beispielsweise eine Substraterhitzung bei 250°C im Prozess des Ausbildens des Reflektionssteuerfilms ausgeführt wird, werden die Effekte, das Mischen mit Feuchtigkeit zu verhindern und die Filmqualität zu verbessern, erhalten. Nachdem der Reflektionssteuerfilm auf den Vorrichtungsendflächen des Quantenkaskadenlasers ausgebildet ist, wird der Zustand des Laserstabs in einen Chip ausgeschnitten und werden der Montageprozess und der Verpackungsprozess ausgeführt, welche die Laservorrichtung komplettieren. Zusätzlich ist zur Ausbildung eines Reflektionssteuerfilms allgemein die oben beschriebene Elektronensteuerverdampfung verwendet, jedoch ist eine Abscheidung in derselben Weise unter Verwendung eines anderen Verfahrens möglich, wie etwa Widerstandsheizverdampfung oder Zerstäubung.
Der den Reflektionssteuerfilm mit der oben beschriebenen Konfiguration enthaltende Quantenkaskadenlaser wird weiter zusammen mit einem spezifischen Konfigurationsbeispiel der Hohlraumstruktur desselben beschrieben. Hier ist in den letzten Jahren in Bezug auf die Anwendung eines Quantenkaskadenlasers eine Laservorrichtung, die eine Einzelmodusoszillation aufrecht erhält, deren spektrale Reinheit hoch ist, in vielen Anwendungsgebieten der Laserabsorptionsspektroskopie, Umweltgasmessung und dergleichen verlangt worden. Jedoch ist es schwierig, durch eine Fabry-Perot-(FP)-Typ-Laservorrichtung, die mehr Modusoszillation durchführt, aufgrund eines axialen Modus einer Hohlraumlänge, einen solchen Bedarf an Einzelmodusoszillation zu erfüllen.
Dann sind in Bezug auf auch Quantenkaskadenlaser verschiedene dynamische Einzelmoduslaser in derselben Weise als Halbleiterlaser eines Kommunikationswellenlängenbandes entwickelt worden. Um einen dynamischen Einzelmodus zu realisieren, wird eine betonte Modusabhängigkeit zur Oszillationsschwellenwertverstärkung bereitgestellt, um andere Oszillationen als die Basismodus-Oszillation zu blockieren. Als solch eine Laservorrichtung gibt es beispielsweise einen externen Hohlraum-(EC)-Typ-Quantenkaskadenlaser, einen verteilten Rückkopplungs-DFB)-Typ-Quantenkaskadenlaser und dergleichen. Der den CeO₂-Film enthaltende Reflektionssteuerfilm, der oben beschrieben ist, kann vorzugsweise auf diese Quantenkaskadenlaser angewendet werden.
In Bezug auf die Konfiguration des Reflektionssteuerfilms auf der Vorrichtungsendfläche des Quantenkaskadenlasers und der Laserhohlraumstruktur kann spezifisch beispielsweise die Laserhohlraumstruktur durch einen externen Hohlraum-(EC)-Typ, in welchem ein Antireflektionsfilm als erster Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endfläche ausgebildet ist, konfiguriert sein, und es wird ein Reflektionsfilm als ein weiter Reflektionssteuerfilm auf der zweiten Endfläche ausgebildet. Alternativ kann die Laserhohlraumstruktur konfiguriert sein, ein verteilter Rückkopplungs-(DFB)-Typ zu sein, in welchem ein Antireflektionsfilm als ein erster Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endfläche gebildet wird, und ein Antireflektionsfilm als ein zweiter Reflektionssteuerfilm auf der zweiten Endfläche gebildet wird.
Entsprechend der Konfiguration, in der der den CeO₂-Film enthaltende Reflektionssteuerfilm wie oben beschrieben angewendet wird, ist es durch Ausbilden von Reflektionssteuerfilmen mit angemessenen Charakteristika jeweils auf den ersten und zweiten Endflächen möglich, vorzugsweise einen EC-Typ, einen DFB-Typ oder einen anderen Typ von Laserhohlraumstruktur jeweils im Quantenkaskadenlaser zu realisieren. Nachfolgend wird ein spezifisches Beispiel einer Konfiguration des Quantenkaskadenlasers unter Bezugnahme auf 21 bis 23 beschrieben.
21 ist ein Diagramm, das ein erstes Konfigurationsbeispiel einer Laserhohlraumstruktur in einem Quantenkaskadenlaser zeigt. In einem Quantenkaskadenlaser 1C gemäß dem vorliegenden Konfigurationsbeispiel wird in Bezug auf einen das Halbleitersubstrat 10 und die aktive Schicht 15 durch Mehrstufenlaminierungseinheitslaminatstrukturen beinhaltenden Laservorrichtungshauptkörper ein Antireflektions-(AR)-Film 20c als ein erster Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endfläche 11 ausgebildet und wird ein Hochreflektions-(HR)-Film 30c als ein zweiter Reflektionssteuerfilm auf der zweiten Endfläche 12 ausgebildet. In solch einer Konfiguration dient die erste Endfläche 11 als eine Ausgabeendfläche eines Laserstrahls aus dem Vorrichtungshauptkörper nach außerhalb.
Weiterhin ist in diesem Konfigurationsbeispiel ein Diffraktionsgitterspiegel 61, der nur Licht mit einem engen Wellenlängenbereich im Licht aus dem Vorrichtungshauptkörper in der Resonanzrichtung rückkoppelt, als Reflektionsmittel an einer extern vorgegebenen Position, die zur ersten Endfläche 11 weist, und dem Antireflektionsfilm 20c des Laservorrichtungshauptkörpers angeordnet. Dadurch besteht der EC-Typ-Laserresonator aus dem Hochreflektionsfilm 30c auf der zweiten Endfläche 12 und dem externen Diffraktionsgitterspiegel 61.
In solch einer Konfiguration wird der der Vorrichtung intrinsische FP-Modus durch den Antireflektionsfilm 20c auf der ersten Endfläche 11 gehemmt und oszilliert nur der Modus, der durch den Diffraktionsgitterspiegel 61 im längs gerichteten Modus am stärksten rückgekoppelt ist, in der Laserhohlraumstruktur. Weiterhin wird in einer anderen Richtung als der Resonanzrichtung durch den Diffraktionsgitterspiegel 61 reflektiertes Licht nach außerhalb als ein Laserstrahl über einen Reflektionsspiegel 62 ausgegeben. Weiter ist es durch Ändern eines Installationswinkels des Diffraktionsgitterspiegels 61 im Vorrichtungshauptkörper möglich, die Wellenlänge des äußeren Laserstrahls kontinuierlich variabel innerhalb des Bereichs des Verstärkungsspektrums zu machen.
22 ist ein Diagramm, das ein zweites Konfigurationsbeispiel einer Laserhohlraumstruktur in einem Quantenkaskadenlaser zeigt. In einem Quantenkaskadenlaser 1D gemäß dem vorliegenden Konfigurationsbeispiel sind eine untere Abdeckschicht 71, eine untere Leitschicht 72, eine aktive Schicht 15 durch Mehrstufenlaminieren der Einheitslaminatstrukturen 16, eine obere Leitschicht 73 und eine obere Abdeckschicht 74 auf das Halbleitersubstrat 10 laminiert, wodurch ein Laservorrichtungshauptkörper aufgebaut wird. Darüber hinaus wird eine Diffraktionsgitterstruktur 75 in der oberen Abdeckschicht 74 gebildet, wodurch ein DFB-Typ-Laserresonator gebildet wird.
Weiter wird in Bezug auf den das Halbleitersubstrat 10, die aktive Schicht 15 durch Mehrstufenlaminierung der Einheitslaminatstrukturen 16 und die Diffraktionsgitterstruktur 75 enthaltenen DFB-Typ-Laservorrichtungshauptkörper ein Antireflektions-(AR)-Film 20d als erster Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endfläche 11 ausgebildet und wird in derselben Weise ein Antireflektions-(AR)-Film 30d als ein zweiter Reflektionssteuerfilm auf der zweiten Endfläche 12 gebildet.
Hier gibt es in Bezug auf die in dem Wellenleiter des Vorrichtungshauptkörpers vorgesehenen Diffraktionsgitterstruktur 75 im Allgemeinen zwei Modi mit minimaler Oszillationsschwellenwertverstärkung in einem gleichförmigen Diffraktionsgitter, dessen Gitterabstände gleichmäßig sind und dementsprechend tritt eine bimodale Oszillation leicht auf. Derweil wird im Konfigurationsbeispiel von 22 ein Phasenverschiebungsdiffraktionsgitter, dessen Phase längs dem Weg invertiert ist, in der Diffraktionsgitterstruktur 75 verwendet. In einer solchen Konfiguration, weil es einen Modus mit minimaler Oszillationsschwellenwertverstärkung im Prinzip gibt, kann eine Einzelmodusosillation erhalten werden.
Jedoch wird auch im die Phasenverschiebungs-Diffraktionsgitterstruktur 75 verwendenden DFB-Typ-Laser 1D in dem Fall, bei dem Lichtreflektion an beiden Endflächen 11 und 12 des Hauptvorrichtungskörpers erzeugt wird, beispielsweise als der Spaltebene, deren Reflektanz ungefähr 30% ist, weil der Oszillationsmodus ein komplexes Verhalten abhängig von einer Phase eines Diffraktionsgitters auf der Endfläche erzeugt, schwierig, eine stabile Einzelmodusoperation zu erhalten. Derweil ist es gemäß der Konfiguration, in der die Antireflektionsfilme 20 d und 30d auf den Endflächen 11 und 12 des Vorrichtungshauptkörpers wie oben beschrieben vorgesehen sind, möglich, eine stabile Einzelmodusoperation zu realisieren. Zusätzlich kann eine solche Konfiguration, die Antireflektionsfilme verwendet, in derselben Weise auf eine Laservorrichtung mit einer normalen Diffraktionsgitterstruktur angewendet werden.
23 ist ein Diagramm, das ein drittes Konfigurationsbeispiel einer Laserhohlraumstruktur in einem Quantenkaskadenlaser zeigt. In einem Quantenkaskadenlaser 1E gemäß dem vorliegenden Konfigurationsbeispiel wird in Bezug auf einen das Halbleitersubstrat 10 und die aktive Schicht 15 durch Mehrstufenlaminierungseinheitslaminatstrukturen enthaltenden Laservorrichtungshauptkörper ein Antireflektions-(AR)-Film 20e als ein erster Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endfläche 11 ausgebildet und wird ein Hochreflektions-(HR)-Film 30e als ein zweiter Reflektionssteuerfilm über einen CeO₂-Isolationsfilm 31e auf der zweiten Endfläche 12 gebildet.
In einer solchen Konfiguration kann der Antireflektionsfilm 20e auf der ersten Endfläche 11 des Vorrichtungshauptkörpers aus beispielsweise einem Mehrschichtfilm komponiert sein, in welchem CeO₂-Filme und Ge-Filme abwechselnd laminiert sind. Weiterhin kann der Hochreflektionsfilm 30e auf dem CeO₂-Isolationsfilm 31e auf der zweiten Endfläche 12 aus beispielsweise einem, CeO₂-Filme enthaltenden Reflektionssteuerfilm aufgebaut sein.
Alternativ kann der Hochreflektionsfilm 30e beispielsweise aus einem Metallfilm wie etwa einem Au-Film aufgebaut sein. In diesem Fall wird der Hochreflektionsfilm 30e durch Verdampfen von Metall wie etwa Au über den transparenten CeO₂-Isolationsfilm 31e gebildet. Als ein spezifisches Konfigurationsbeispiel kann eine Konfiguration, in der ein Ti-Film mit einer Dicke von 5 nm zum Verbessern der Adhäsivität mit CeO₂ auf dem CeO₂-Isolationsfilm 31e ausgebildet wird, und weiter ein Au-Film mit einer Dicke von 200 nm auf dem Ti-Film ausgebildet wird, verwendet werden.
Der Quantenkaskadenlaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und Konfigurationsbeispiele beschränkt und verschiedene Modifikationen derselben sind möglich. Beispielsweise ist in den oben beschriebenen Konfigurationsbeispielen das Beispiel gezeigt worden, bei dem das InP-Substrat als das Halbleitersubstrat verwendet wird und die aktive Schicht aus InGaAs/InAlAs gemacht ist, jedoch können spezifisch verschiedene Konfigurationen verwendet werden, solange wie ein Emissionübergang aufgrund von Zwischenteilbandübergang in der Quantenwannenstruktur möglich ist.
Als das Halbleiter-Materialsystem können zusätzlich zum oben beschriebenen InGaAs/InAlAs verschiedene Materialsysteme wie etwa AlGaAs/GaAs, InAs/AlGaSb, AlGaN/InGaN, und Si/SiGe etc. verwendet werden. Auch können verschiedene Methoden als ein Halbleiterkristallwachstumverfahren verwendet werden. Weiterhin können als die Laminationsstruktur in der aktiven Schicht des Quantenkaskadenlasers und der Halbleiterlaminationsstruktur als ein gesamtes der Laservorrichtung verschiedene andere Strukturen als die oben beschrieben Strukturen verwendet werden.
Weiter ist als der Reflektionssteuerfilm in der oben beschriebenen Ausführungsform die Konfiguration, in der die Reflektionssteuerfilme auf sowohl der ersten als auch der zweiten Endfläche in der Laserhohlraumstruktur in Bezug auf den, das Halbleitersubstrat und die aktive Schicht beinhaltenden Laservorrichtungshauptkörper gebildet sind, gezeigt worden, jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration limitiert. Allgemein reicht es aus, solange wie der Quantenkaskadenlaser so konfiguriert ist, dass ein Reflektionssteuerfilm einschließlich zumindest einer Schicht von CeO₂-Film auf zumindest einer der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche, die zueinander hinweisen, in der Laserhohlraumstruktur für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge, das in der aktiven Schicht zu erzeugen ist, gebildet ist. Weiter sind als die Hohlraumstruktur des Quantenkaskadenlasers der EC-Typ und der DFB-Typ in den jeweiligen Konfigurationsbeispielen, die oben beschrieben sind, exemplifiziert worden, jedoch kann eine andere Laserhohlraumstruktur als jene verwendet werden. Weiter ist in der oben beschriebenen Ausführungsform die erste Schicht des Reflektionssteuerfilms ein CeO₂-Film, der als ein Isolationsfilm dient, jedoch kann eine andere Konfiguration angenommen werden.
Der Quantenkaskadenlaser gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform beinhaltet (1) ein Halbleitersubstrat und (2) eine aktive Schicht, die auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen ist, und weist eine Kaskadenstruktur auf, in der Quantenwannenemissionsschichten und die Injektionsschicht alternativ durch Mehrstufenlaminiereinheitslaminatstrukturen laminiert sind, die jeweils aus der Quantenwannenemissionsschicht und der Injektionsschicht bestehen, die aktive Schicht Licht durch einen Zwischenteilbandübergang in einer Quantenwannenstruktur erzeugt, und (3) in einer Laserhohlraumstruktur für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge, das in der aktiven Schicht zu erzeugen ist, ein zumindest eine Schicht von CeO₂-Film enthaltender Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endfläche und/oder einer zweiten Endfläche, die zueinander weisen, gebildet ist.
Hier kann als der Reflektionssteuerfilm spezifisch eine Konfiguration eines Mehrschichtfilms verwendet werden, in welchem der oben beschriebene CeO₂-Film, der als Niederbrechungsindexfilm dient, und ein Hochbrechungsindexfilm laminiert werden. Gemäß einem solchen Reflektionssteuermehrschichtfilm ist es möglich, vorzugsweise eine Reflektanz für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge auf den Vorrichtungsendflächen durch das spezifische Design der Mehrschichtstruktur, die Niederbrechungsindexfilme und die Hochbrechungsindexfilme verwendet, zu steuern.
Weiterhin, in dem Fall, bei dem der Reflektionssteuerfilm als ein Mehrschichtfilm auf diese Weise konfiguriert ist, ist der Hochbrechungsindexfilm im Mehrschichtfilm vorzugsweise ein Ge-Film, im Gegensatz zum als der Niederbrechungsindexfilm fungierenden CeO₂-Film. Somit ist es gemäß der Struktur, in der die CeO₂-Filme und die Ge-Filme abwechselnd laminiert sind, möglich, vorzugsweise einen Reflektionssteuerfilm, der die Mehrschichtstruktur aufweist, zu bilden.
Alternativ kann dieser Reflektionssteuerfilm nicht aus einem Mehrschichtfilm einschließlich CeO₂-Filmen aufgebaut sein, sondern aus einem einzelnen CeO₂-Film. Gemäß auch einer solchen Konfiguration ist es möglich, vorzugsweise eine Reflektanz für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge auf der Vorrichtungsendfläche zu steuern.
Weiter, im Quantenkaskadenlaser mit der oben beschriebenen Konfiguration, ist der auf der Laservorrichtungsendfläche ausgebildete Reflektionssteuerfilm vorzugsweise ein Antireflektionsfilm für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge, oder ein Reflektionsfilm, der Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge bei einer vorbestimmten Reflektanz reflektiert. Indem ein solcher Antireflektions-(AR)-Film oder ein Reflektionsfilm (beispielsweise ein Hochreflektions-(HR)-Film) verwendet wird, der einen CeO₂-Film enthält, ist es möglich, vorzugsweise einen Quantenkaskadenlaser gemäß einer spezifischen Hohlraumstruktur desselben zu konstituieren.
In Bezug auf die Konfiguration des Reflektionssteuerfilms auf der Vorrichtungsendfläche des Quantenkaskadenlasers und der Laserhohlraumstruktur, kann spezifisch beispielsweise die Laserhohlraumstruktur konfiguriert sein, ein externer Hohlraumtyp zu sein, in welchem der Antireflektionsfilm als ein erster Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endfläche ausgebildet ist, und der Reflektionsfilm als ein zweiter Reflektionssteuerfilm auf der zweiten Endfläche gebildet ist. Alternativ kann die Laserhohlraumstruktur konfiguriert sein, ein verteilter Rückkopplungstyp zu sein, in welchem der Antireflektionsfilm als ein erster Reflektionssteuerfilm auf der ersten Endoberfläche gebildet ist, und der Antireflektionsfilm als ein zweiter Reflektionssteuerfilm auf der zweiten Endfläche gebildet ist.
Gemäß der Konfiguration, in welcher der den oben beschriebenen CeO₂-Film enthaltende Reflektionssteuerfilm aufgebracht wird, ist es durch Ausbilden angemessener Reflektionssteuerfilme jeweils auf den ersten und zweiten Endflächen möglich, vorzugsweise die Laserhohlraumstruktur in dem Quantenkaskadenlaser zu realisieren.
Die vorliegende Erfindung ist als ein Quantenkaskadenlaser anwendbar, der in der Lage ist, vorzugsweise eine Reflektanzsteuerung mit Licht in einem mittleren Infrarotbereich auf einer Laservorrichtungsendfläche zu realisieren.
Aus der so beschriebenen Erfindung wird es ersichtlich sein, dass die Erfindung in vielen Weisen variiert werden kann. Solche Variationen werden nicht als Abweichung vom Geist und Schutzumfang der Erfindung angesehen, und alle solche Modifikationen, die dem Fachmann ersichtlich werden, sollen in dem Schutzumfang der folgenden Ansprüche beinhaltet sein.

Claims

Quantenkaskadenlaser (1A), umfassend: ein Halbleitersubstrat (10), und eine aktive Schicht (15), die auf dem Halbleitersubstrat (10) vorgesehen ist und eine Kaskadenstruktur aufweist, in der Quantenwannenemissionsschichten (17) und Injektionsschichten (18) abwechselnd durch Mehrstufenlaminierungseinheitslaminatstrukturen laminiert sind, die alle aus der Quantenwannenemissionsschicht (17) und der Injektionsschicht (18) bestehen, die aktive Schicht (15) Licht durch Zwischenteilbandübergang in einer Quantenwannenstruktur erzeugt, wobei in einer Laserhohlraumstruktur in einem Vorrichtungshauptkörper umfassend das Halbleitersubstrat (10) und die aktive Schicht (15), für Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 7 bis 15 µm, das in der aktiven Schicht (15) zu erzeugen ist, ein Reflektionssteuerfilm (110) einschließlich zumindest einer Schicht eines CeO₂-Film (111, 113, 115), auf einer Vorrichtungsendfläche (101) einer ersten Endfläche (11) und/oder einer zweiten Endfläche (12) des Vorrichtungshauptkörpers, die zueinander hinweisen, ausgebildet ist, der Reflektionssteuerfilm (110) ein Mehrschichtfilm ist, in dem eine Vielzahl von CeO₂-Filmen (111, 113, 115), die als Niederbrechungsindexfilme dienen, und mindestens ein Ge-Film (112, 114), der als Hochbrechungsindexfilm dient, alternierend laminiert sind, und eine erste Schicht des Reflektionssteuerfilms (110), die direkt auf der Vorrichtungsendfläche (101) geformt ist, der CeO₂-Films (111, 113, 115) ist, eine äußerste Schicht des Reflektionssteuerfilms (110) der CeO₂-Film (111, 113, 115) ist, und ein Si-Schutzfilm (118) weiterhin auf der äußeren Seite der äußersten Schicht des Reflektionssteuerfilms (110) mit einer Filmdicke, die keinen Effekt auf die optischen Charakteristika des Reflektionssteuerfilms (110) hat, geformt ist.
Quantenkaskadenlaser (1A) gemäß Anspruch 1, wobei der Reflektionssteuerfilm (110) ein Antireflektionsfilm für Licht mit der vorgegebenen Wellenlänge ist, oder ein Reflektionsfilm, der Licht mit der vorgegebenen Wellenlänge bei einer vorgegebenen Reflektanz reflektiert.
Quantenkaskadenlaser (1A) gemäß Anspruch 2, wobei die Laserhohlraumstruktur konfiguriert ist, ein externer Hohlraumtyp zu sein, in welchem der Antireflektionsfilm als ein erster Reflektionssteuerfilm (110) auf der ersten Endfläche (11) gebildet ist, und der Reflektionsfilm als ein zweiter Reflektionssteuerfilm (110) auf der zweiten Endfläche (12) gebildet ist.
Quantenkaskadenlaser (1A) gemäß Anspruch 2, wobei die Laserhohlraumstruktur konfiguriert ist, ein verteilter Rückkopplungstyp zu sein, in welchem der Antireflektionsfilm als der erste Reflektionssteuerfilm (110) auf der ersten Endfläche (11) gebildet ist und der Antireflektionsfilm als ein zweiter Reflektionssteuerfilm (110) auf der zweiten Endfläche (12) gebildet ist.