DE112021002019T5

DE112021002019T5 - Quantenkaskadenlaserelement und Quantenkaskadenlaservorrichtung

Info

Publication number: DE112021002019T5
Application number: DE112021002019.6T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Sugiyama; Kousuke Shibata; Takahide OCHIAI
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2023-01-26
Also published as: JPWO2021200670A1; WO2021200670A1; US20230142086A1

Abstract

Ein Quantenkaskadenlaserelement das aufweist: ein Halbleitersubstrat, einen Halbleiterschichtstoff, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur zu haben und um eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche zu haben, die einander in einer Lichtwellenleiterrichtung zugewandt sind, eine erste Elektrode, die auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite des Halbleiterschichtstoffs ausgehend von dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, eine zweite Elektrode, die auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats ausgehend von dem Halbleiterschichtstoff ausgebildet ist, eine Isolierschicht, die von der zweiten Stirnfläche bis zu einem Bereich auf einer Seite der zweiten Stirnflächen von zumindest einer Fläche aus einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode von dem Halbleiterschichtstoff und einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite von der zweiten Elektrode ausgehend von dem Halbleitersubstrat durchgängig ausgebildet ist, und eine Metallfolie aufweist, die auf der Isolierschicht ausgebildet ist, um zumindest die aktive Schicht bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung zu bedecken. Eine Außenkante der Metallfolie erreicht bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung nicht die eine Fläche.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Quantenkaskadenlaserelement und eine Quantenkaskadenlaservorrichtung.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist ein Quantenkaskadenlaserelement bekannt, welches ein Halbleitersubstrat, einen Halbleiterschichtstoff, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, eine erste Elektrode, die auf einer Fläche auf einer ausgehend von dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite des Halbleiterschichtstoffs ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode aufweist, die auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats ausgehend von dem Halbleiterschichtstoff ausgebildet ist, wobei auf einer Stirnfläche von einem Paar Stirnflächen eine Metallfolie ausgebildet ist, die in dem Halbleiterschichtstoff ausgebildet ist, der eine aktive Schicht hat, wobei eine Isolierschicht dazwischen angeordnet ist (siehe beispielsweise JP 2019-93 46 A ). In solch einem Quantenkaskadenlaserelement kann eine effiziente Lichtausgabe erzielt werden, da die andere Stirnfläche von dem Paar Stirnflächen als eine lichtemittierende Fläche fungiert, während die Metallfolie als eine Reflexionsfolie fungiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn das zuvor beschriebene Quantenkaskadenlaserelement an einem Stützabschnitt, wie zum Beispiel an einem Untergestell, montiert ist, kann die erste Elektrode oder die zweite Elektrode mit einem Elektrodenkissen des Stützabschnitts unter Verwendung eines Verbindungselements, wie zum Beispiel eines Lötmittelelements, verbunden sein. Wenn das Verbindungselement in diesem Fall an der Metallfolie anhaftet, verschlechtert sich eine Lichtausgabeeigenschaft des Quantenkaskadenlaserelements, was Besorgnis hervorruft. Als eine Gegenmaßnahme zu der Verschlechterung ist denkbar, dass die Metallfolie mit einem Isolierelement bedeckt ist, so dass das Verbindungselement nicht an der Metallfolie anhaftet. Allerdings wird in solch einer Konfiguration Wärme, die in der aktiven Schicht erzeugt wird, wahrscheinlich eingeschlossen und folglich verschlechtert sich die Lichtausgabeeigenschaft des Quantenkaskadenlaserelements, was Besorgnis hervorruft.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Quantenkaskadenlaserelement und eine Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, die jeweils eine effiziente Lichtausgabe erzielen können, während eine Verschlechterung einer Lichtausgabeeigenschaft unterdrückt wird.
Problemlösung
Ein Quantenkaskadenlaserelement hat gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Halbleitersubstrat, einen Halbleiterschichtstoff, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur zu haben und um eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche zu haben, die einander in einer Lichtwellenleiterrichtung zugewandt sind, eine erste Elektrode, die auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite des Halbleiterschichtstoffs ausgehend von dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; eine zweite Elektrode, die auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats ausgehend von dem Halbleiterschichtstoff ausgebildet ist, eine Isolierschicht, die durchgängig ausgehend von der zweiten Stirnfläche bis zu einem Bereich auf einer Seite der zweiten Stirnfläche von einer Fläche (einer Fläche) auf einer gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode ausgehend von dem Halbleiterschichtstoff und/oder einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der zweiten Elektrode ausgehend von dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und eine Metallfolie, die auf der Isolierschicht ausgebildet ist, um zumindest die aktive Schicht zu bedecken, bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung. Eine Außenkante der Metallfolie erreicht bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung nicht die eine Fläche.
In dem Quantenkaskadenlaserelement ist die Metallfolie auf der zweiten Stirnfläche der ersten Stirnfläche bereitgestellt und die zweite Stirnfläche ist in dem Halbleiterschichtstoff, mit der Isolierschicht dazwischen, angeordnet. Da dementsprechend die erste Stirnfläche als eine lichtemittierende Fläche fungiert, während die Metallfolie als eine Reflexionsfolie fungiert, wird eine effiziente Lichtausgabe erzielt. Weiter ist die Isolierschicht durchgängig ausgehend von der zweiten Stirnfläche des Halbleiterschichtstoffs bis zu dem Bereich auf der Seite der zweiten Stirnfläche von der Fläche der ersten Elektrode und/oder der Fläche der zweiten Elektrode ausgebildet, und die Außenkante der Metallfolie, die auf der Isolierschicht ausgebildet ist, erreicht nicht die eine Fläche (und zwar eine Elektrode, die einen Bereich hat, in der die Isolierschicht ausgebildet ist (im Nachfolgenden als eine „Elektrode, um die die Isolierfolie gewickelt ist“ verwiesen)), bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung. Um dementsprechend das Quantenkaskadenlaserelement an einem Stützabschnitt zu montieren, wenn die Elektrode, um die die Isolierfolie gewickelt ist, mit einem Elektrodenkissen des Stützabschnitts unter Verwendung eines Verbindungselements verbunden ist, ist es unwahrscheinlich, dass das geschmolzene Verbindungselement die Metallfolie erreicht. Zudem ist es unwahrscheinlich, in der aktiven Schicht erzeugte Wärme einzuschließen, beispielsweise im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der die Metallfolie mit einem Isolierelement bedeckt ist. Aus diesen Gründen ist die Verschlechterung einer Lichtausgabeeigenschaft des Quantenkaskadenlaserelements unterdrückt. Wie zuvor beschrieben, kann gemäß dem Quantenkaskadenlaserelement eine effiziente Lichtausgabe erzielt werden, während die Verschlechterung der Lichtausgabeeigenschaft unterdrückt wird.
In dem Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der Halbleiterschichtstoff einen Kammabschnitt / Scheitelabschnitt / Kantenabschnitt haben. Gemäß diesem Aspekt kann bei der zuvor beschriebenen Konfiguration der Isolierschicht und der Metallfolie eine Reduzierung in dem Antriebsstrom des Quantenkaskadenlaserelements und eine Reduzierung in dem Stromverbrauch des Quantenkaskadenlaserelements, während eine effizienten Lichtausgabe gesichert ist, erzielt werden. Zu dieser Zeit erhöht sich die Leuchtdichte sowohl auf der ersten Stirnfläche als auch auf der zweiten Stirnfläche um den Betrag, um den sich die aktive Schicht verengt, aber bei der zuvor beschriebenen Konfiguration der Isolierschicht und der Metallfolie kann eine Wärmeableitung sichergestellt werden, so dass die Verschlechterung der Lichtausgabeeigenschaft des Quantenkaskadenlaserelements unterdrückt werden kann.
In dem Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Dicke eines Abschnitts der Metallfolie, die auf der zweiten Stirnfläche ausgebildet ist, größer als eine Dicke eines Abschnitts der Isolierschicht, die auf der zweiten Stirnfläche ausgebildet ist, sein. Gemäß diesem Aspekt kann eine Wärmeableitung auf der zweiten Stirnfläche, auf der die Isolierschicht und die Metallfolie ausgebildet sind, verbessert werden, im Vergleich dazu, wenn das Dickenverhältnis umgekehrt ist.
In dem Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Isolierschicht durchgängig ausgehend von der zweiten Stirnfläche bis zu zumindest einem Bereich auf der Seite der zweiten Stirnflächen der Fläche der ersten Elektrode ausgebildet sein und die Außenkante der Metallfolie darf nicht bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung die Fläche der ersten Elektrode erreichen. Da die erste Elektrode, die eine Elektrode ist, um die die Isolierfolie gewickelt ist, mit dem Elektrodenkissen des Stützabschnitts verbunden ist, kann gemäß diesem Aspekt die aktive Schicht näher an dem Stützabschnitt angeordnet werden, im Vergleich dazu, wenn die zweite Elektrode mit dem Elektrodenkissen des Stützabschnitts verbunden ist. Daher kann die in der aktiven Schicht erzeugte Wärme effizient zu einer Seite des Stützabschnitts freigesetzt werden.
In dem Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Dicke eines Abschnitts der ersten Elektrode, die der aktiven Schicht in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats entspricht, größer als eine Dicke eines Abschnitts der Metallfolie, die auf der zweiten Stirnfläche ausgebildet ist, sein. Wenn die erste Elektrode, die eine Elektrode ist, um die die Isolierfolie gewickelt ist, mit dem Elektrodenkissen des Stützabschnitts verbunden ist, kann gemäß diesem Aspekt die in der aktiven Schicht erzeugte Wärme effizienter zu der Seite des Stützabschnitts freigesetzt werden.
In dem Quantenkaskadenlaserelement kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung die Isolierschicht eine Al₂O₃-Folie oder eine CeO₂-Folie sein. Da gemäß diesem Aspekt das geschmolzene Verbindungselement wahrscheinlich nicht zu der Isolierfolie spritzt, kann das geschmolzene Verbindungselement zuverlässiger daran gehindert werden, die Metallfolie zu erreichen.
Eine Quantenkaskadenlaservorrichtung hat gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung das Quantenkaskadenlaserelement und eine Antriebseinheit, die konfiguriert ist, das Quantenkaskadenlaserelement anzutreiben.
Gemäß der Quantenkaskadenlaservorrichtung kann eine effiziente Lichtausgabe erzielt werden, während die Verschlechterung der Lichtausgabeeigenschaft unterdrückt ist.
Die Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann weiter einen das Quantenkaskadenlaserelement stützenden Stützabschnitt haben und kann ein Verbindungselement haben, das ein in dem Stützabschnitt vorhandenes Elektrodenkissen und die erste Elektrode in einem Zustand verbindet, in dem sich der Halbleiterschichtstoff auf einer Seite des Stützabschnitts in Bezug auf das Halbleitersubstrat befindet. Die Isolierschicht kann durchgängig ausgehend von der zweiten Stirnfläche bis zu zumindest einem Bereich auf der Seite der zweiten Stirnfläche der Fläche der ersten Elektrode ausgebildet sein und die Außenkante der Metallfolie darf nicht die Fläche der ersten Elektrode bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung erreichen. Gemäß diesem Aspekt kann in der aktiven Schicht erzeugte Wärme effizient zu der Seite des Stützabschnitts freigesetzt werden.
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Dicke eines Abschnitts der ersten Elektrode, die der aktiven Schicht in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats entspricht, größer als eine Dicke eines Abschnitts des Verbindungselements, das zwischen dem Elektrodenkissen und der ersten Elektrode angeordnet ist, sein. Wenn das Quantenkaskadenlaserelement an dem Stützabschnitt montiert ist, kann gemäß diesem Aspekt der Abstand zwischen der Außenkante bzw. dem Außenrand der Metallfolie und der Fläche der ersten Elektrode, bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung, ausreichend gesichert werden, so dass das geschmolzene Verbindungselement zuverlässiger daran gehindert werden kann, die Metallfolie zu erreichen.
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung die Antriebseinheit das Quantenkaskadenlaserelement antreiben, so dass das Quantenkaskadenlaserelement durchgängig Laserlicht oszilliert. Wenn das Quantenkaskadenlaserelement durchgängig Laserlicht oszilliert, ist die Menge an der in der aktiven Schicht erzeugten Wärme, im Vergleich dazu, wenn das Quantenkaskadenlaserelement Laserlicht auf eine gepulste Art und Weise oszilliert, erhöht, so dass die zuvor beschriebene Konfiguration des Quantenkaskadenlaserelements besonders effektiv ist.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, das Quantenkaskadenlaserelement und die Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, und dabei eine effiziente Lichtausgabe zu erzielen, während eine Verschlechterung einer Lichtausgabeeigenschaft unterdrückt wird.
Figurenliste

1 ist eine Schnittdarstellung eines Quantenkaskadenlaserelements einer Ausführungsform.
2 ist eine Schnittdarstellung des Quantenkaskadenlaserelements, die entlang Linie II-II gemäß 1 gezogen ist.
3 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements gemäß 1 zeigt.
4 ist eine Ansicht, die das Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements gemäß 1 zeigt.
5 ist eine Ansicht, die das Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements gemäß 1 zeigt.
6 ist eine Schnittdarstellung einer Quantenkaskadenvorrichtung, die das Quantenkaskadenlaserelement gemäß 1 hat.
7 ist eine Schnittdarstellung eines Quantenkaskadenlaserelements gemäß einem Modifikationsbeispiel.
8 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements gemäß 7 zeigt.
9 ist eine Schnittdarstellung einer Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß eines Modifikationsbeispiels.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Im Übrigen sind in den Zeichnungen die gleichen oder äquivalenten Abschnitte durch die gleichen Bezugszeichen sprachlich bezeichnet und eine doppelte Beschreibung wird ausgelassen.
[Konfiguration eines Quantenkaskadenlaserelements]
Wie in 1 und 2 gezeigt, hat ein Quantenkaskadenlaserelement 1 ein Halbleitersubstrat 2, einen Halbleiterschichtstoff 3, eine Isolierschicht 4, eine erste Elektrode 5, eine zweite Elektrode 6, eine Isolierschicht 7 und eine Metallfolie 8. Das Halbleitersubstrat 2 ist beispielsweise ein S-dotiertes InP Einkristallsubstrat mit einer rechteckigen Plattenform. In einem Beispiel ist eine Länge des Halbleitersubstrates 2 etwa 2 mm, eine Breite des Halbleitersubstrats 2 ist etwa 500 µm und eine Dicke des Halbleitersubstrats 2 ist etwa Einhundert und mehrere Dutzend µm. In der nachfolgenden Beschreibung ist eine Breitenrichtung des Halbleitersubstrates 2 als eine X-Achsenrichtung bezeichnet, eine Längenrichtung des Halbleitersubstrates 2 ist als eine Y-Achsenrichtung bezeichnet und eine Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 2 ist als eine Z-Achsenrichtung bezeichnet.
Der Halbleiterschichtstoff 3 ist auf einer Fläche 2a des Halbleitersubstrats 2 ausgebildet. Der Halbleiterschichtstoff 3 hat eine aktive Schicht 31 mit einer Quantenkaskadenstruktur. Der Halbleiterschichtstoff 3 ist konfiguriert, Laserlicht mit einer vorbestimmten Zentralwellenlänge zu oszillieren (beispielsweise eine Zentralwellenlänge von jedem Wert zwischen 4 und 11 µm, die eine Wellenlänge in einem Mittelinfrarotbereich ist). In der vorliegenden Ausführungsform ist der Halbleiterschichtstoff 3 mittels Stapeln einer unteren Verkleidungsschicht 32, einer unteren Führungsschicht (nicht dargestellt), der aktiven Schicht 31, einer oberen Führungsschicht (nicht dargestellt), einer oberen Verkleidungsschicht 33 und einer Kontaktschicht (nicht dargestellt), der Reihe nach von einer Seite des Halbleitersubstrats 2 aus ausgebildet. Die obere Führungsschicht hat eine Beugungsgitterstruktur, die als eine verteilte Rückkopplungsstruktur (DFB) fungiert.
Die aktive Schicht 31 ist beispielsweise eine Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur mit InGaAs / InAlAs. Sowohl die untere Verkleidungsschicht 32 als auch die obere Verkleidungsschicht 33 ist beispielsweise eine Si-dotierte InP-Schicht. Sowohl die untere Führungsschicht als auch die obere Führungsschicht ist beispielsweise eine Si-dotierte InGaAs-Schicht. Die Kontaktschicht ist beispielsweise eine Si-dotierte InGaAs-Schicht.
Der Halbleiterschichtstoff 3 hat einen sich entlang der Y-Achsenrichtung streckenden Kammabschnitt 30. Der Kammabschnitt 30 ist aus einem Abschnitt auf einer gegenüberliegenden Seite der unteren Verkleidungsschicht 32 von dem Halbleitersubstrat 2, der unteren Führungsschicht, der aktiven Schicht 31, der oberen Führungsschicht, der oberen Verkleidungsschicht 33 und der Kontaktschicht ausgebildet. Eine Breite des Kammabschnitts 30 in der X-Achsenrichtung ist kleiner als eine Breite des Halbleitersubstrats 2 in der X-Achsenrichtung. Eine Länge des Kammabschnitts 30 in der Y-Achsenrichtung ist gleich einer Länge des Halbleitersubstrats 2 in der Y-Achsenrichtung. In einem Beispiel ist die Länge des Kammabschnitts 30 etwa 2 mm, die Breite des Kammabschnitts 30 ist etwa einige bis zehn µm und einige µm und eine Dicke des Kammabschnitts 30 ist etwa einige µm. Der Kammabschnitt 30 befindet sich in der Mitte des Halbleitersubstrats 2 in der X-Achsenrichtung. Jede Schicht, die den Halbleiterschichtstoff 3 ausbildet, liegt in der X-Achsenrichtung nicht auf beiden Seiten des Kammabschnitts 30 vor.
Der Halbleiterschichtstoff 3 hat eine erste Stirnfläche 3a und eine zweite Stirnfläche 3b, die einander in einer Lichtwellenleiterrichtung A des Kammabschnitts 30 zugewandt sind. Die Lichtwellenleiterrichtung A ist eine zu der Y-Achsenrichtung parallele Richtung, die eine verlängerte Richtung des Kammabschnitts 30 ist. Die erste Stirnfläche 3a und die zweite Stirnfläche 3b fungieren als lichtemittierende Stirnflächen. Die erste Stirnfläche 3a und die zweite Stirnfläche 3b befinden sich in der Y-Achsenrichtung auf den gleichen Ebenen wie die beiden jeweiligen Seitenflächen des Halbleitersubstrats 2.
Die Isolierschicht 4 ist auf Seitenflächen 30b des Kammabschnitts 30 und auf einer Fläche 32a der unteren Verkleidungsschicht 32 ausgebildet, so dass eine Fläche 30a auf einer gegenüberliegenden Seite des Kammabschnitts 30 von dem Halbleitersubstrat 2 freigelegt ist. Die Seitenflächen 30b des Kammabschnitts 30 sind beide in der X-Achsenrichtung einander zugewandte Seitenflächen des Kammabschnitts 30. Die Fläche 32a der unteren Verkleidungsschicht 32 ist eine Fläche eines Abschnitts auf einer gegenüberliegenden Seite der unteren Verkleidungsschicht 32 ausgehend von dem Halbleitersubstrat 2, wobei der Abschnitt nicht den Kammabschnitt 30 ausbildet. Die Isolierschicht 4 ist beispielsweise eine SiN-Folie oder eine SiO₂-Folie.
Die erste Elektrode 5 ist auf einer Fläche 3c auf einer von dem Halbleitersubstrat 2 gegenüberliegenden Seite des Halbleiterschichtstoffs 3 ausgebildet. Die Fläche 3c des Halbleiterschichtstoffs 3 ist eine Fläche, die von der Fläche 30a des Kammabschnitts 30, den Seitenflächen 30b des Kammabschnitts 30 und der Fläche 32a der unteren Verkleidungsschicht 32 ausgebildet ist. Bei Betrachtung in die Z-Achsenrichtung befindet sich eine Außenkante der ersten Elektrode 5 innerhalb der Außenkanten des Halbleitersubstrats 2 und des Halbleiterschichtstoffs 3. Die erste Elektrode 5 ist in Kontakt mit der Fläche 30a des Kammabschnitts 30 auf der Fläche 30a des Kammabschnitts 30 und ist in Kontakt mit der Isolierschicht 4 auf den Seitenflächen 30b des Kantenabschnitts 30 und auf der Fläche 32a der unteren Verkleidungsschicht 32. Dementsprechend ist die erste Elektrode 5 durch die Kontaktschicht elektrisch mit der oberen Verkleidungsschicht 33 verbunden.
Die erste Elektrode 5 hat eine Metallgrundlagenschicht 51 und eine Metallbeschichtungsschicht 52. Die Metallgrundlagenschicht 51 ist ausgebildet, um sich entlang der Fläche 3c des Halbleiterschichtstoffes 3 zu erstrecken. Die Metallgrundlagenschicht 51 ist beispielsweise eine Ti/Au-Schicht. Die Metallbeschichtungsschicht 52 ist so auf der Metallgrundlagenschicht 51 ausgebildet, dass der Kammabschnitt 30 in die Metallbeschichtungsschicht 52 eingebunden ist. Die Metallbeschichtungsschicht 52 ist beispielsweise eine Au Beschichtungsschicht. Eine Fläche 52a auf einer gegenüberliegenden Seite der Metallbeschichtungsschicht 52 von dem Halbleitersubstrat 2 ist eine ebene Fläche lotrecht zu der Z-Achsenrichtung. In einem Beispiel ist die Fläche 52a der Metallbeschichtungsschicht 52 eine polierte Fläche, die durch chemisch-mechanisches Polieren geglättet ist, und es sind Polierflecken auf der Fläche 52a der Metallbeschichtungsschicht 52 ausgebildet. Im Übrigen bedeutet der Fakt, dass der Kammabschnitt 30 in die Metallbeschichtungsschicht 52 eingebunden ist, dass der Kammabschnitt 30 mit der Metallbeschichtungsschicht 52 in einem Zustand bedeckt ist, in dem eine Dicke der Abschnitte der Metallbeschichtungsschicht 52 (Dicke der Abschnitte in der Z-Achsenrichtung) größer ist als die Dicke des Kammabschnitts 30 in der Z-Achsenrichtung, in der X-Achsenrichtung befinden sich die Abschnitte auf beiden Seiten des Kammabschnitts 30.
Die zweite Elektrode 6 ist auf einer Fläche 2b auf einer von dem Halbleiterschichtstoff 3 gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats 2 ausgebildet. Die zweite Elektrode 6 ist beispielsweise eine AuGe/Au-Folie, eine AuGe/Ni/Au-Folie oder eine Au-Folie. Die zweite Elektrode 6 ist elektrisch mit der unteren Verkleidungsschicht 32 durch das Halbleitersubstrat 2 verbunden.
Die Isolierschicht 7 ist durchgängig von der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleiterschichtstoffs 3 bis zu einem Bereich 5r auf einer Seite der zweiten Stirnfläche 3b von einer Fläche 5a der ersten Elektrode 5 und zu einem Bereich 6r auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b von einer Fläche 6a der zweiten Elektrode 6 ausgebildet. Die Fläche 5a ist eine Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode 5 des Halbleiterschichtstoffs 3 (in der vorliegenden Ausführungsform die Fläche 52a der Metallbeschichtungsschicht 52). Die Fläche 6a ist eine Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der zweiten Elektrode 6 des Halbleitersubstrats 2. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Isolierschicht 7 ausgebildet, um sich entlang der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleiterschichtstoffs 3 zu erstrecken, entlang eines Bereichs 3r auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der Fläche 3c des Halbleiterschichtstoffs 3, entlang einer Seitenfläche 5b auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der ersten Elektrode 5, entlang des Bereichs 5r auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der Fläche 5a der ersten Elektrode 5, entlang einer Seitenfläche 2c auf der der Seite der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleitersubstrats 2, entlang einer Seitenfläche 6b auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der zweiten Elektrode 6 und entlang des Bereichs 6r auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der Fläche 6a der zweiten Elektrode 6.
Die Metallfolie 8 ist auf der Isolierschicht 7 ausgebildet, um bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A die aktive Schicht 31 zu bedecken (und zwar um bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A die aktive Schicht 31 aufzuweisen). In der vorliegenden Ausführungsform ist die Metallfolie 8 nur auf der Isolierschicht 7 ausgebildet, um sich entlang der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleiterschichtstoffs 3, entlang des Bereichs 3r auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der Fläche 3c des Halbleiterschichtstoffs 3, entlang der Seitenfläche 2c auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleitersubstrats 2, entlang der Seitenfläche 6b auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der zweiten Elektrode 6 und entlang des Bereichs 6r auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der Fläche 6a der zweiten Elektrode 6 zu erstrecken. Eine Außenkante 80 der Metallfolie 8 erreicht bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A nicht die Fläche 5a der ersten Elektrode 5. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich ein Abschnitt 80a auf einer Seite der ersten Elektrode 5 der Außenkante 80 der Metallfolie 8 auf dem Bereich 3r auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der Fläche 3c des Halbleiterschichtstoffs 3 und ein Abschnitt 80b auf einer Seite der zweiten Elektrode 6 der Außenkante 80 der Metallfolie 8 befindet sich auf dem Bereich 6r auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b der Fläche 6a der zweiten Elektrode 6.
Eine Dicke eines Abschnitts der Metallfolie 8, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet ist, ist größer als eine Dicke eines Abschnitts der Isolierschicht 7, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet ist. Eine Dicke eines Abschnitts der ersten Elektrode 5, die der aktiven Schicht 31 in der Z-Achsenrichtung entspricht, ist größer als eine Dicke eines Abschnitts der Metallfolie 8, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet ist. Die Dicke des Abschnitts der Isolierschicht 7, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet ist, ist beispielsweise etwa 300 nm. Die Dicke des Abschnitts der Metallfolie 8, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet, ist beispielsweise etwa 500 nm. Die Dicke des Abschnitts der ersten Elektrode 5, die der aktiven Schicht 31 in der Z-Achsenrichtung entspricht, beträgt beispielsweise 5 µm oder mehr. Im Übrigen, wenn eine Dicke eines Abschnitts nicht konstant ist, ist die Dicke des Abschnitts ein durchschnittlicher Wert der Dicke des Abschnitts.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Isolierschicht 7 eine Al₂O₃-Folie oder eine CeO₂-Folie und die Metallfolie 8 ist eine Au-Folie. Wenn der Halbleiterschichtstoff 3 konfiguriert ist Laserlicht mit einer Zentralwellenlänge jeden Wertes von 4 bis 7,5 µm zu oszillieren, ist es wünschenswert, dass die Isolierschicht 7 eine Al₂O₃-Folie mit einer Eigenschaft zur Übertragung von Licht mit einer Wellenlänge von 4 bis 7,5 µm ist. Wenn der Halbleiterschichtstoff 3 konfiguriert ist Laserlicht mit ein Zentralwellenlänge von jedem Wert zwischen 7,5 bis 11 µm zu oszillieren, ist es wünschenswert, dass die Isolierschicht 7 eine CeO₂-Folie mit einer Eigenschaft zur Übertragung von Licht mit einer Wellenlänge von 7,5 bis 11 µm ist. Wenn der Halbleiterschichtstoff 3 konfiguriert ist Laserlicht mit einer Zentralwellenlänge jeden Wertes von 4 bis 11 µm zu oszillieren, ist es wünschenswert, dass die Metallfolie 8 eine Au-Folie ist, die effektiv als eine Reflexionsfolie fungiert, um Licht mit einer Wellenlänge von 4 bis 11 µm zu reflektieren.
Wenn in dem Quantenkaskadenlaserelement 1, das wie zuvor beschrieben konfiguriert ist, eine Vorspannung an die aktive Schicht 31 durch die erste Elektrode 5 und durch die zweite Elektrode 6 angelegt ist, wird Licht von der aktiven Schicht 31 emittiert und Licht mit einer vorbestimmten Zentralwellenlänge des Lichts wird in der verteilten Rückkopplungsstruktur oszilliert. Zu dieser Zeit fungiert die Metallfolie 8, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet ist, als eine Reflexionsfolie. Dementsprechend fungiert die erste Stirnfläche 3a als eine lichtemittierende Fläche und das Laserlicht mit der vorbestimmten Zentralwellenlänge ist von der ersten Stirnfläche 3a emittiert.
[Verfahren zur Fertigung eines Quantenkaskadenlaserelements]
Ein Verfahren zur Fertigung des wie zuvor beschriebenen Quantenkaskadenlaserelements 1 wird in Bezug auf 3 und 4 beschrieben. Zuerst, wie in 3(a) gezeigt, ist ein Wafer 100 ausgebildet, der eine Vielzahl von Abschnitten 110 hat, von denen jeder das Quantenkaskadenlaserelement 1 wird. In dem Wafer 100 sind die Vielzahl von Abschnitten 110 in ein Matrixmuster in der X-Achsenrichtung als einer Zeilenrichtung und in der Y-Achsenrichtung (und zwar die Lichtwellenleiterrichtung A der Abschnitte 110, wobei jeder das Quantenkaskadenlaserelement 1 wird) als einer Spaltenrichtung angeordnet. In einem Beispiel ist der Wafer 100 nach dem nachfolgenden Verfahren gefertigt.
Und zwar ist ein Verfahren zur Fertigung des Wafers 100 ein Verfahren, das die folgenden Schritte aufweist: einen Schritt zum Ausbilden einer Halbleiterschicht, die eine Vielzahl von Abschnitten hat, von denen jeder der Halbleiterschichtstoff 3 wird, und zwar auf einer Fläche eines Halbleiterwafers, der eine Vielzahl von Abschnitten hat, von denen jeder das Halbleitersubstrat 2 wird; ein Schritt zum Entfernen eines Teils der Halbleiterschicht durch Ätzen, so dass die Abschnitte der Halbleiterschicht, von denen jeder der Halbleiterschichtstoff 3 wird, die Kammabschnitte 30 haben; ein Schritt zum Ausbilden einer Isolierschicht, die eine Vielzahl von Abschnitten hat, wobei jeder die Isolierschicht 4 auf der Halbleiterschicht wird, so dass die Fläche 30a von jedem der Kammabschnitte 30 freigelegt ist; ein Schritt zum Ausbilden einer Metallgrundlagenschicht, die eine Vielzahl von Abschnitten hat, wobei jeder die Metallgrundlagenschicht 51 wird, um die Fläche 30a von jeder der Kammabschnitte 30 zu bedecken und die Isolierschicht zu bedecken; ein Schritt zum Ausbilden einer Vielzahl von Metallbeschichtungsschichten, wobei jeder die Metallbeschichtungsschicht 52 auf der Metallgrundlagenschicht wird und Einbetten des Kammabschnitts 30 in jeder der Metallbeschichtungsschichten; ein Schritt zum Glätten einer Fläche jeder der Metallbeschichtungsschichten durch Polieren und ein Schritt zum Verdünnen des Halbleiterwafers durch Polieren einer Rückfläche des Halbleiterwafers und Ausbildung einer Elektrodenschicht, die eine Vielzahl von Abschnitten hat, wobei jeder die zweite Elektrode 6 auf der Rückfläche des Halbleiterwafers wird.
Anschließend werden, wie in 3(b) gezeigt, eine Vielzahl von Laserbarren 200 durch Spalten des Wafers 100 entlang der X-Achsenrichtung erhalten. In jedem der Laserbarren 200 sind die Vielzahl von Abschnitten 110 eindimensional entlang der X-Achsenrichtung angeordnet. Jeder der Laserbarren 200 hat ein Paar Stirnflächen 200a und 200b, die einander in der Y-Achsenrichtung zugewandt sind. Die Stirnfläche 200a hat eine Vielzahl von ersten Stirnflächen 3a, die eindimensional entlang der X-Achsenrichtung angeordnet sind, und die Stirnfläche 200b hat eine Vielzahl von zweiten Stirnflächen 3b, die eindimensional entlang der X-Achsenrichtung angeordnet sind.
Anschließend ist, wie in 4(a) gezeigt, eine Isolierschicht 700 auf einer Fläche eines Abschnitts 210 des Laserbarren 200 ausgebildet, der Abschnitt 210 hat die Stirnfläche 200b und eine Metallschicht 800 ist auf der Isolierschicht 700 ausgebildet. Die Isolierschicht 700 ist eine Schicht, die eine Vielzahl von Abschnitten hat, wobei jeder die Isolierschicht 7 wird, und die Metallschicht 800 ist eine Schicht, die eine Vielzahl von Abschnitten hat, wobei jeder die Metallfolie 8 wird. Anschließend werden, wie in 4(b) gezeigt, eine Vielzahl der Quantenkaskadenlaserelemente 1 durch Spalten des Laserbarrens 200 entlang der Y-Achsenrichtung erhalten.
Die Ausbildung der Isolierschicht 700 und der Metallschicht 800 auf dem Laserbarren 200 wird in Bezug auf 5 beschrieben. Zuerst wird, wie in 5(a) gezeigt, eine Vielzahl der Laserbarren 200 und eine Vielzahl von Anfahrsträngen / Kaltsträngen 300 vorbereitet. Eine Länge der Anfahrstränge 300 in der Y-Achsenrichtung ist kleiner als eine Länge der Laserbarren 200 in der Y-Achsenrichtung. Eine Länge der Anfahrstränge 300 in der X-Achsenrichtung ist gleich oder größer als eine Länge der Laserbarren 200 in der X-Achsenrichtung.
Anschließend werden in einem Zustand, in dem sich die Stirnfläche 200a jedes Laserbarrens 200 und eine Stirnfläche 300a jedes Anfahrstrangs 300 (eine Stirnfläche jedes Anfahrstrangs 300 in der Y-Achsenrichtung) auf der gleichen Ebene befinden, die Laserbarren 200 und die Anfahrstränge 300 abwechselnd angeordnet, um in der Z-Achsenrichtung aneinander angrenzend zu sein, und die Vielzahl von Laserbarren 200 und die Vielzahl von Anfahrsträngen 300 werden durch ein Halteelement (nicht dargestellt) gehalten. Dementsprechend steht der Abschnitt 210 von jedem Laserbarren 200 von einer Stirnfläche 300b des daneben angeordneten Anfahrstrangs 300 (die andere Stirnfläche von jedem Anfahrstrang 300 in der Y-Achsenrichtung) hervor. Die Isolierschicht 700 ist auf der Fläche des Abschnitts 210 von jedem Laserbarren 200 ausgebildet, indem in diesem Zustand Aufstäuben von Al₂O₃ oder CeO₂ ausgeführt wird.
Anschließend wird, wie in 5(b) gezeigt, eine Vielzahl von Anfahrsträngen 400 vorbereitet. Eine Länge der Anfahrstränge 400 in der Y-Achsenrichtung ist größer als die Länge der Anfahrstränge 300 in der Y-Achsenrichtung und ist kleiner als die Länge der Laserbarren 200 in der Y-Achsenrichtung. Eine Länge der Anfahrstränge 400 in der X-Achsenrichtung ist gleich oder größer als die Länge der Laserbarren 200 in der X-Achsenrichtung. Im Übrigen ist in 5(b) die Illustration der Isolierschicht 700, die auf der Fläche des Abschnitts 210 von jedem Laserbarren 200 ausgebildet ist, ausgelassen.
Anschließend sind in einem Zustand, in dem sich die Stirnfläche 200a von jedem Laserbarren 200 und eine Stirnfläche 400a von jedem Anfahrstrang 400 (eine Stirnfläche von jedem Anfahrstrang 400 in der Y-Achsenrichtung) auf der gleichen Ebene befinden, die Laserbarren 200 und die Anfahrstränge 400 abwechselnd angeordnet, um in der Z-Achsenrichtung aneinander angrenzend zu sein, und die Vielzahl von Laserbarren 200 und die Vielzahl von Anfahrsträngen 400 werden durch ein Halteelement (nicht dargestellt) gehalten. Dementsprechend steht ein Abschnitt des Abschnitts 210 von jedem Laserbarren 200 von einer Stirnfläche 400b des daran angrenzenden Anfahrstrangs 400 hervor (die andere Stirnfläche von jedem der Anfahrstränge 400 in der Y-Achsenrichtung), wobei der Abschnitt die Stirnfläche 200b hat. Die Metallschicht 800 wird auf der Isolierschicht 700 ausgebildet, indem in diesem Zustand ein Aufstäuben von Au durchgeführt wird. Im Übrigen, bevor die Metallschicht 800 auf der Isolierschicht 700 durch Aufstäuben ausgebildet wird, nachdem der Laserbarren 200 und die Anfahrstränge 400 abwechselnd angeordnet wurden, kann eine Plasmaaktivierungsbehandlung für eine Fläche der Isolierschicht 700 durch sogenanntes Rückwärts-bzw. Reverse-Aufstäuben durchgeführt werden, wobei ionisierte Inertgasatome fürs Aufstäuben (beispielsweise Ar-Ionen) dazu gebracht werden, mit der Fläche der Isolierschicht 700 zu kollidieren, indem die Entladepolarität in Bezug auf eine Entladepolarität zum Aufstäuben zum Ausbilden der Metallschicht 800 umgedreht / umgekehrt wird. Dementsprechend kann die Haftung der Metallschicht 800 an der Isolierschicht 700 verbessert werden, da die Fläche der Isolierschicht 700 gesäubert wird.
[Konfiguration einer Quantenkaskadenlaservorrichtung]
Eine Quantenkaskadenlaservorrichtung 10A, die das zuvor beschriebene Quantenkaskadenlaserelement 1 hat, wird in Bezug auf 6 beschrieben. Wie in 6 gezeigt, hat die Quantenkaskadenlaservorrichtung 10A das Quantenkaskadenlaserelement 1, einen Stützabschnitt 11, ein Verbindungselement 12 und eine CW-Antriebseinheit (Antriebseinheit) 13.
Der Stützabschnitt 11 hat einen Körperabschnitt 111 und ein Elektrodenkissen 112. Der Stützabschnitt 11 ist beispielsweise ein Untergestell, in dem der Körperabschnitt 111 aus AIN hergestellt ist. Der Stützabschnitt 11 stützt das Quantenkaskadenlaserelement 1 in einem Zustand, in dem sich der Halbleiterschichtstoff 3 auf einer Seite des Stützabschnitts 11 in Bezug auf das Halbleitersubstrat 2 (ein epi-Seite-unten-Zustand) befindet.
Das Verbindungselement 12 verbindet das Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 und die erste Elektrode 5 des Quantenkaskadenlaserelements 1 in dem epi-Seite-unten-Zustand. Das Verbindungselement 12 ist beispielsweise ein Lötmittelelement, wie zum Beispiel ein AuSn-Element.
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung 10A bringt das Verbindungselement 12 die Isolierschicht 7 dazu, die Fläche 5a der ersten Elektrode 5 zu umwickeln, die mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 verbunden ist. Allerdings erreicht die Außenkante 80 der Metallfolie 8 bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A die Fläche 5a der ersten Elektrode 5.
Die Dicke des Abschnitts der ersten Elektrode 5, die der aktiven Schicht 31 in der Z-Achsenrichtung entspricht, ist größer als eine Dicke eines Abschnitts des Verbindungselements 12, das zwischen dem Elektrodenkissen 112 und der ersten Elektrode 5 angeordnet ist. Die Dicke des Abschnitts der ersten Elektrode 5, die der aktiven Schicht 31 in der Z-Achsenrichtung entspricht, ist beispielsweise 5 µm oder mehr. Die Dicke des Abschnitts des Verbindungselements 12, das zwischen dem Elektrodenkissen 112 und der ersten Elektrode 5 angeordnet ist, ist beispielsweise etwa 2 bis 3 µm.
Die CW-Antriebseinheit 13 treibt das Quantenkaskadenlaserelement 1 an, so dass das Quantenkaskadenlaserelement 1 durchgängig Laserlicht oszilliert. Die CW-Antriebseinheit 13 ist sowohl mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 als auch mit der zweiten Elektrode 6 des Quantenkaskadenlaserelements 1 elektrisch verbunden. Um die CW-Antriebseinheit 13 sowohl mit dem Elektrodenkissen 112 als auch mit der zweiten Elektrode 6 elektrisch zu verbinden, wird Drahtbonden sowohl für das Elektrodenkissen 112 als auch für die zweite Elektrode 6 ausgeführt.
[Vorgänge und Effekte]
In dem Quantenkaskadenlaserelement 1 ist die Metallfolie 8 auf der zweiten Stirnfläche 3b der ersten Stirnfläche 3a und der zweiten Stirnfläche 3b vorgesehen, die in dem Halbleiterschichtstoff 3 enthalten ist, wobei die Isolierschicht 7 dazwischen angeordnet ist. Da dementsprechend die erste Stirnfläche 3a als eine lichtemittierende Fläche fungiert, während die Metallfolie 8 als eine Reflexionsfolie fungiert, wird eine effiziente Lichtausgabe erzielt. Weiter ist die Isolierschicht 7 durchgängig von der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleiterschichtstoffs 3 bis zu dem Bereich 5r auf der Seite der zweiten Stirnflächen 3b der Fläche 5a der ersten Elektrode 5 ausgebildet und die Außenkante 80 der Metallfolie 8, die auf der Isolierschicht 7 ausgebildet ist, erreicht bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A nicht die Fläche 5a der ersten Elektrode 5. Um dementsprechend das Quantenkaskadenlaserelement 1 auf dem Stützabschnitt 11 zu montieren, wenn die erste Elektrode, um die die Isolierschicht 7 gewickelt ist, mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 unter Verwendung des Verbindungselements 12 verbunden ist, erreicht das geschmolzene Verbindungselement 12 wahrscheinlich nicht die Metallfolie 8. Zudem ist die in der aktiven Schicht 31 erzeugte Wärme wahrscheinlich nicht eingeschlossen, beispielsweise im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der die Metallfolie 8 mit einem Isolierelement bedeckt ist. Da außerdem die erste Elektrode 5, um die die Isolierschicht 7 gewickelt ist, mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 verbunden ist, kann die aktive Schicht 31 näher an dem Stützabschnitt 11 angeordnet werden, im Vergleich dazu, wenn die zweite Elektrode 6 mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 verbunden ist. Daher kann die in der aktiven Schicht 31 erzeugte Wärme effizient zu der Seite des Stützabschnitts 11 freigesetzt werden. Aus diesen Gründen ist die Verschlechterung einer Lichtausgabeeigenschaft des Quantenkaskadenlaserelements 1 unterdrückt. Wie zuvor beschrieben, kann gemäß dem Quantenkaskadenlaserelement 1 eine effiziente Lichtausgabe erzielt werden, während eine Unterdrückung der Verschlechterung der Lichtausgabeeigenschaft erzielt werden kann.
Wenn im Übrigen das Quantenkaskadenlaserelement 1 auf dem Stützabschnitt 11 montiert ist, falls das geschmolzene Verbindungselement 12 die Metallfolie 8 erreicht, breitet sich das geschmolzene Verbindungselement 12 rasch auf der Metallfolie 8 aus, was Besorgnis hervorruft. Falls sich das geschmolzene Verbindungselement 12 auf der Metallfolie 8 ausbreitet, diffundiert beispielsweise in dem Verbindungselement 12 enthaltenes Sn in die Metallfolie 8 ein und die Zuverlässigkeit des Quantenkaskadenlaserelements 1 nimmt ab, was Besorgnis hervorruft. Wenn außerdem das geschmolzene Verbindungselement 12 an der Metallfolie 8 anhaftet, blättert die Metallfolie 8 aufgrund der Schrumpfung des Verbindungselements 12 beim Aushärten von der Isolierschicht 7 ab, was Besorgnis hervorruft. Gemäß der Konfiguration der Isolierschicht 7 und der Metallfolie 8 in dem Quantenkaskadenlaserelement 1 wird verhindert, dass das geschmolzene Verbindungselement 12 an der Metallfolie 8 anhaftet, um einen Kurzschluss zwischen der ersten Elektrode 5 und der zweiten Elektrode 6 zu verursachen, und es kann verhindert werden, dass die zuvor beschriebene Situation auftritt.
In dem Quantenkaskadenlaserelement 1 hat der Halbleiterschichtstoff 3 den Kammabschnitt 30. Dementsprechend kann durch die zuvor beschriebene Konfiguration der Isolierschicht 7 und der Metallfolie 8 eine Reduzierung des Antriebsstroms des Quantenkaskadenlaserelements 1 und eine Reduzierung des Stromverbrauchs des Quantenkaskadenlaserelements 1, während einer Unterdrückung einer effizienten Lichtausgabe, erzielt werden. Zu dieser Zeit erhöht sich die Leuchtdichte auf jeder der ersten Stirnfläche 3a und der zweiten Stirnfläche 3b um den Betrag, um den sich die aktive Schicht 31 verengt, aber eine Wärmeableitung ist durch die zuvor beschriebene Konfiguration der Isolierschicht 7 und der Metallfolie 8 gesichert, so dass die Verschlechterung der Lichtausgabeeigenschaft des Quantenkaskadenlaserelements 1 unterdrückt werden kann. Außerdem kann durch Wärme verursachter Schaden für die Isolierschicht 7 unterdrückt werden.
In dem Quantenkaskadenlaserelement 1 ist die Dicke des Abschnitts der Metallfolie 8, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet ist, größer als die Dicke des Abschnitts der Isolierschicht 7, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet ist. Dementsprechend kann eine Wärmeableitung der zweiten Stirnfläche 3b, auf der die Isolierschicht 7 und die Metallfolie 8 ausgebildet sind, verbessert werden im Vergleich dazu, wenn das Dickenverhältnis umgekehrt ist.
In dem Quantenkaskadenlaserelement 1 ist die Dicke des Abschnitts der ersten Elektrode 5, die der aktiven Schicht 31 in der Z-Achsenrichtung entspricht, größer als die Dicke des Abschnitts der Metallfolie 8, die auf der zweiten Stirnfläche 3b ausgebildet ist. Wenn dementsprechend die erste Elektrode 5, um die die Isolierschicht 7 gewickelt ist, mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnittes 11 verbunden ist, kann in der aktiven Schicht 31 erzeugte Wärme effizienter zu der Seite des Stützabschnitts 11 freigesetzt werden.
In dem Quantenkaskadenlaserelement 1 ist die Isolierschicht 7 eine Al₂O₃-Folie oder eine CeO₂-Folie. Da dementsprechend das geschmolzene Verbindungselement 12 wahrscheinlich nicht zu der Isolierschicht 7 spritzt, kann das geschmolzene Verbindungselement 12 zuverlässiger daran gehindert werden, die Metallfolie 8 zu erreichen.
Gemäß der Quantenkaskadenvorrichtung 10A kann durch die zuvor beschriebene Konfiguration des Quantenkaskadenlaserelements 1 eine effiziente Lichtausgabe erzielt werden, während die Verschlechterung der Lichtausgabeeigenschaft unterdrückt wird.
In der Quantenkaskadenvorrichtung 10A ist die Dicke des Abschnitts der ersten Elektrode 5, die der aktiven Schicht 31 in der Z-Achsenrichtung entspricht, größer als die Dicke des Abschnitts des Verbindungselements 12, das zwischen dem Elektrodenkissen 112 und der ersten Elektrode 5 angeordnet ist. Dementsprechend kann, wenn das Quantenkaskadenlaserelement 1 auf dem Stützabschnitt 11 montiert ist, der Abstand zwischen der Außenkante 80 der Metallfolie 8 und der Fläche 5a der ersten Elektrode 5, bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A, ausreichend sichergestellt werden, so dass das geschmolzene Verbindungselement 12 zuverlässiger daran gehindert werden kann, die Metallfolie 8 zu erreichen.
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung 10A treibt die CW-Antriebseinheit 13 das Quantenkaskadenlaserelement 1 an, so dass das Quantenkaskadenlaserelement 1 durchgängig Laserlicht oszilliert. Wenn das Quantenkaskadenlaserelement 1 durchgängig Laserlicht oszilliert, ist die Menge an in der aktiven Schicht 31 erzeugten Wärme erhöht, im Vergleich dazu, wenn das Quantenkaskadenlaserelement 1 Laserlicht auf eine gepulste Art und Weise oszilliert, so dass die zuvor beschriebene Konfiguration des Quantenkaskadenlaserelements 1 besonders effektiv ist.
[Modifikationsbeispiele]
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform begrenzt. Beispielsweise kann eine bekannte Quantenkaskadenstruktur für die aktive Schicht 31 verwendet werden. Außerdem kann eine bekannte Stapelstruktur für den Halbleiterschichtstoff 3 verwendet werden. In einem Beispiel darf in dem Halbleiterschichtstoff 3 die obere Führungsschicht keine Beugungsgitterstruktur haben, die als eine verteilte Rückkopplungsstruktur fungiert.
Außerdem kann bei Betrachtung in der Z-Achsenrichtung eine Außenkante der Metallgrundlagenschicht 51 der ersten Elektrode 5 mit den Außenkanten des Halbleitersubstrats 2 und des Halbleiterschichtstoffs 3 übereinstimmen. Im Übrigen kann, wenn die Außenkante der Metallgrundlagenschicht 51 der ersten Elektrode 5 mit zumindest der ersten Stirnfläche 3a und der zweiten Stirnfläche 3b, bei Betrachtung in der Z-Achsenrichtung, übereinstimmen, eine Wärmeableitung auf der ersten Stirnfläche 3a und auf der zweiten Stirnfläche 3b sichergestellt werden.
Außerdem kann die Isolierschicht 7 durchgängig von der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleiterschichtstoffs 3 bis zu dem Bereich auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b von zumindest einer Fläche aus einer Fläche 5a der ersten Elektrode 5 und der Fläche 6a der zweiten Elektrode 6 ausgebildet sein, und in diesem Fall darf die Außenkante 80 der Metallfolie 8 bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A die eine Fläche nicht erreichen. Außerdem kann die Metallfolie 8 auf der Isolierschicht 7 ausgebildet sein, um zumindest die aktive Schicht 31, bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A, zu bedecken.
Als ein Modifikationsbeispiel, wie in 7 gezeigt, kann die Außenkante 80 der Metallfolie 8 weder die Fläche 5a der ersten Elektrode 5 noch die Fläche 6a der zweiten Elektrode 6, bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A, erreichen. In dem Quantenkaskadenlaserelement 1, gezeigt in 7, ist die Metallfolie 8 nur auf der Isolierschicht 7 ausgebildet, um sich entlang der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleiterschichtstoffs 3 und entlang der Seitenfläche 2c auf der Seite der zweiten Stirnfläche 3b des Halbleitersubstrats 2 zu erstrecken.
Ein Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements 1, das in 7 gezeigt ist, unterscheidet sich von dem Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements 1, das in 1 und 2 gezeigt ist, in Bezug auf die Ausbildung der Isolierschicht 700 und der Metallschicht 800 an dem Laserbarren 200. Wie in 8(a) gezeigt, werden in dem Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements 1, gezeigt in 7, eine Vielzahl der Laserbarren 200 und eine Vielzahl der Anfahrstränge 300 vorbereitet. Eine Länge der Anfahrstränge 300 in der Y-Achsenrichtung ist kleiner als eine Länge der Laserbarren 200 in der Y-Achsenrichtung. Eine Länge der Anfahrstränge 300 in der X-Achsenrichtung ist gleich oder größer als eine Länge der Laserbarren 200 in der X-Achsenrichtung.
Anschließend sind in einem Zustand, in dem sich die Stirnfläche 200a von jedem Laserbarren 200 und die Stirnfläche 300a von jedem Anfahrstrang 300 auf der gleichen Ebene befinden, die Laserbarren 200 und die Anfahrstränge 300 abwechselnd angeordnet, um in der Z-Achsenrichtung aneinander angrenzend zu sein, und die Vielzahl der Laserbarren 200 und die Vielzahl der Anfahrstränge 300 werden durch ein Halteelement (nicht dargestellt) gehalten. Dementsprechend steht der Abschnitt 210 von jedem Laserbarren 200 von der Stirnfläche 300b des daran angrenzenden Anfahrstrangs 300 hervor. Die Isolierschicht 700 ist auf der Fläche des Abschnitts 210 von jedem Laserbarren 200 ausgebildet, das in diesem Zustand durch Aufstäuben von AI₂O₃ oder CeO₂ ausgeführt wird.
Anschließend wird, wie in 8(b) gezeigt, eine Vielzahl der Anfahrstränge 500 vorbereitet. Eine Länge der Anfahrstränge 500 in der Y-Achsenrichtung ist größer als die Länge der Laserbarren 200 in der Y-Achsenrichtung. Eine Länge der Anfahrstränge 500 in der X-Achsenrichtung ist gleich oder größer als die Länge der Laserbarren 200 in der X-Achsenrichtung. Im Übrigen ist in 8(b) die Illustration der Isolierschicht 700, die auf der Fläche des Abschnitts 210 von jedem Laserbarren 200 ausgebildet ist, ausgelassen.
Anschließend sind in einem Zustand, in dem sich die Stirnfläche 200a von jedem Laserbarren 200 und eine Stirnfläche 500a von jedem Anfahrstrang 500 (eine Stirnfläche von jedem Anfahrstrang 500 in der Y-Achsenrichtung) auf der gleichen Ebene befinden, die Laserbarren 200 und die Anfahrstränge 500 abwechselnd angeordnet, um in der Z-Achsenrichtung aneinander anzugrenzen, und die Vielzahl der Laserbarren 200 und die Vielzahl der Anfahrstränge 500 werden durch ein Halteelement (nicht dargestellt) gehalten. Dementsprechend ist ein Abschnitt des Abschnitts 210 von jedem Laserbarren 200 in Bezug auf eine Stirnfläche 500b des daran angrenzenden des Anfahrstrangs 500 vertieft (die andere Stirnfläche von jedem Anfahrstrang 500 in der Y-Achsenrichtung), wobei der Abschnitt die Stirnfläche 200b hat. Die Metallschicht 800 wird in diesem Zustand auf der Isolierschicht 700 durch schrägt ausgeführtes Aufstäuben von Au ausgebildet. Im Übrigen kann, bevor die Laserbarren 200 und die Anfahrstränge 500 abwechselnd angeordnet werden, eine Plasmaaktivierungsbehandlung an einer Fläche der Isolierschicht 700 durch so genannten Rückwärts-Aufstäuben durchgeführt werden, bei dem ionisierte Inertgasatome zum Aufstäuben (beispielsweise Ar Ionen) dazu gebracht werden, mit der Fläche der Isolierschicht 700 zu kollidieren, indem die Entladepolarität in Bezug auf eine Entladepolarität zum Aufstäuben zum Ausbilden der Metallschicht 800 umgedreht / umgekehrt wird. Dementsprechend kann die Haftung der Metallschicht 800 an der Isolierschicht 700 verbessert werden, da die Fläche der Isolierschicht 700 gesäubert ist.
Außerdem ist die Isolierschicht 7 nicht auf eine Al₂O₃-Folie oder auf eine CeO₂-Folie beschränkt und die Metallfolie 8 ist nicht auf eine Au-Folie beschränkt. Beispielsweise kann die Metallfolie 8 durch Stapeln einer Ti-Folie und einer Au-Folie in dieser Reihenfolge, und zwar von einer Seite der Isolierschicht 7 aus, ausgebildet werden. In diesem Fall ist eine Dicke der Ti-Folie beispielsweise etwa 30 nm und eine Dicke der Au-Folie ist beispielsweise etwa 500 nm.
Außerdem kann, wie in 9 gezeigt, das Quantenkaskadenlaserelement 1 an dem Stützabschnitt 11 in einem Zustand montiert werden, in dem sich das Halbleitersubstrat 2 auf der Seite des Stützabschnitts 11 in Bezug auf den Halbleiterschichtstoff 3 befindet (epi-Seite-oben-Zustand). In dem in 9 gezeigten Quantenkaskadenlaserelement 1 verursacht das Verbindungselement 12 die Isolierschicht 7, sich um die Fläche 6a der zweiten Elektrode 6 zu wickeln, die mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 verbunden ist. Allerdings erreicht die Außenkante 80 der Metallfolie 8, bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung A, nicht die Fläche 6a der zweite Elektrode 6.
Um bei dem in 9 gezeigten Quantenkaskadenlaserelement 1 das Quantenkaskadenlaserelement 1 an dem Stützabschnitt 11 zu montieren, wenn die zweite Elektrode 6, um die die Isolierschicht 7 gewickelt ist, mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 unter Verwendung des Verbindungselements 12 verbunden ist, erreicht das geschmolzene Verbindungselement 12 wahrscheinlich nicht die Metallfolie 8. Zudem ist die in der aktiven Schicht 31 erzeugte Wärme wahrscheinlich nicht eingeschlossen, im Vergleich beispielsweise zu einer Konfiguration, bei der die Metallfolie 8 mit einem Isolierelement bedeckt ist. Aus diesen Gründen ist die Verschlechterung einer Lichtausgabeeigenschaft des Quantenkaskadenlaserelements 1 unterdrückt.
Im Nachfolgenden wird eine in 9 gezeigte Quantenkaskadenlaservorrichtung 10B beschrieben. Wie in 9 gezeigt, hat die Quantenkaskadenlaservorrichtung 10B das Quantenkaskadenlaserelement 1, den Stützabschnitt 11, das Verbindungselement 12 und eine Impulsantriebseinheit (Antriebseinheit) 14.
Der Stützabschnitt 11 hat den Körperabschnitt 111 und das Elektrodenkissen 112. Der Stützabschnitt 11 ist beispielsweise ein Untergestell, in welchem der Körperabschnitt 111 aus AIN hergestellt wird. Der Stützabschnitt 11 stützt das Quantenkaskadenlaserelement 1 in dem epi-Seite-oben-Zustand.
Das Verbindungselement 12 verbindet das Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 und die zweite Elektrode 6 des Quantenkaskadenlaserelements 1 in dem epi-Seite-oben-Zustand. Das Verbindungselement 12 ist beispielsweise ein Lötmittelelement, wie zum Beispiel ein AuSn-Element. Eine Dicke eines Abschnitts des Verbindungselements 12, das zwischen dem Elektrodenkissen 112 und der zweiten Elektrode 6 angeordnet ist, beträgt beispielsweise etwa einige µm.
Die Impulsantriebseinheit 14 treibt das Quantenkaskadenlaserelement 1 an, so dass das Quantenkaskadenlaserelement 1 Laserlicht auf eine gepulste Art und Weise oszilliert. Eine Impulsbreite des Laserlichts ist beispielsweise 50 bis 500 ns und eine Wiederholfrequenz des Laserlichts ist beispielsweise 1 bis 500 kHz. Die Impulsantriebseinheit 14 ist sowohl mit dem Elektrodenkissen 112 des Stützabschnitts 11 als auch mit der ersten Elektrode 5 des Quantenkaskadenlaserelements 1 elektrisch verbunden. Um die Impulsantriebseinheit 14 sowohl mit dem Elektrodenkissen 112 als auch mit der ersten Elektroden 5 elektrisch zu verbinden, wird Drahtbonden sowohl für das Elektrodenkissen 112 als auch für die erste Elektrode 5 verwendet.
Im Übrigen ist in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 10A, gezeigt in 6, und in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 10B, gezeigt in 9, ein Kühlkörper (nicht dargestellt) auf der Seite des Stützabschnitts 11 bereitgestellt. Aus diesem Grund wird bei einer Konfiguration, bei der das Quantenkaskadenlaserelement 1 auf dem Stützabschnitt 11 in dem epi-Seite-unten-Zustand (epi-Seite-unten-Konfiguration in 6 gezeigt) montiert ist, eine Wärmeableitung des Halbleiterschichtstoffs 3 einfach sichergestellt im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der das Quantenkaskadenlaserelement 1 auf dem Stützabschnitt 11 in dem epi-Seite-oben-Zustand (epi-Seite-oben-Konfiguration, die in 9 gezeigt ist) montiert ist. Wenn daher das Quantenkaskadenlaserelement 1 dazu angetrieben wird, durchgängig Laserlicht zu oszillieren, ist die epi-Seite-unten-Konfiguration effektiv. Besonders wenn der Halbleiterschichtstoff 3 konfiguriert ist, Laserlicht mit einer relativ kurzen Zentralwellenlänge (beispielsweise einer Zentralwellenlänge von jedem Wert zwischen 4 und 6 µm in einem Bereich von 4 bis 11 µm) in dem Mittelinfrarotbereich zu oszillieren, und das Quantenkaskadenlaserelement 1 angetrieben ist, durchgängig das Laserlicht zu oszillieren, ist die epi-Seite-unten-Konfiguration effektiv. Allerdings ist, abhängig von Bedingungen oder dergleichen, das Quantenkaskadenlaserelement 1 in der epi-Seite-unten-Konfiguration nicht darauf beschränkt so angetrieben zu werden, dass es durchgängig Laserlicht oszilliert, und in der epi-Seite-oben-Konfiguration ist das Quantenkaskadenlaserelement 1 nicht darauf beschränkt, so angetrieben zu werden, dass es Laserlicht auf eine gepulste Art und Weise zu oszilliert.
Verschiedene Materialien und Formen können bei jeder Konfiguration in der zuvor beschriebenen Ausführungsform verwendet werden, ohne auf die zuvor beschriebenen Materialien und Formen beschränkt zu sein. Außerdem kann jede Konfiguration einer zuvor beschriebenen Ausführungsform oder gemäß den oben beschriebenen Modifikationsbeispielen beliebig auf jede Konfiguration in einer anderen Ausführungsform oder in einem anderen Modifikationsbeispiel angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Quantenkaskadenlaserelement,
2: Halbleitersubstrat,
2b: Fläche,
3: Halbleiterschichtstoff,
3a: erste Stirnfläche,
3b: zweite Stirnfläche,
3c: Fläche,
5: erste Elektrode,
5a: Fläche,
5r: Bereich,
6: zweite Elektrode,
6a: Fläche,
6r: Bereich,
7: Isolierfolie
8: Metallfolie,
10A, 10B: Quantenkaskadenlaservorrichtung,
11: Stützabschnitt,
12: Verbindungselement,
13: CW-Antriebseinheit (Antriebseinheit),
14: Impulsantriebseinheit (Antriebseinheit),
30: Kantenabschnitt,
31: aktive Schicht,
80: Außenkante,
112: Elektrodenkissen,
A: Lichtwellenleiterrichtung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 20199346 A [0002]

Claims

Quantenkaskadenlaserelement, das aufweiset: ein Halbleitersubstrat, einen Halbleiterschichtstoff, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur zu haben und um eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche zu haben, die einander in einer Lichtwellenleiterrichtung zugewandt sind, eine erste Elektrode, die auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite des Halbleiterschichtstoffs ausgehend von dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, eine zweite Elektrode, die auf einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats ausgehend von dem Halbleiterschichtstoff ausgebildet ist; eine Isolierschicht, die ausgehend von der zweiten Stirnfläche bis zu einem Bereich auf einer Seite der zweiten Stirnfläche von zumindest einer Fläche aus einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode ausgehend von dem Halbleiterschichtstoff und einer Fläche auf einer gegenüberliegenden Seite der zweiten Elektrode ausgehend von dem Halbleitersubstrat durchgängig ausgebildet ist und eine Metallfolie, die auf der Isolierschicht ausgebildet ist, um bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung zumindest die aktive Schicht zu bedecken, wobei eine Außenkante der Metallfolie bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung die eine Fläche nicht erreicht.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiterschichtstoff einen Kammabschnitt hat.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke eines Abschnitts der Metallfolie, die auf der zweiten Stirnfläche ausgebildet ist, größer als eine Dicke eines Abschnitts der Isolierschicht ist, die auf der zweiten Stirnfläche ausgebildet ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Isolierschicht ausgehend von der zweiten Stirnfläche bis zu zumindest einem Bereich auf der Seite der zweiten Stirnfläche der Fläche der ersten Elektrode durchgängig ausgebildet ist, und die Außenkante der Metallfolie bei Betrachtung in die Lichtwellenleiterrichtung die Fläche der ersten Elektrode nicht erreicht.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß Anspruch 4, wobei eine Dicke eines Abschnitts der ersten Elektrode, die der aktiven Schicht in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats entspricht, größer als eine Dicke eines Abschnitts der Metallfolie ist, die auf der zweiten Stirnfläche ausgebildet ist.
Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Isolierschicht eine Al₂O₃-Folie oder eine CeO₂-Folie ist.
Quantenkaskadenlaservorrichtung, die aufweist: das Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, und eine Antriebseinheit, die konfiguriert ist, das Quantenkaskadenlaserelement anzutreiben.
Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß Anspruch 7, die weiter aufweist: einen Stützabschnitt, der das Quantenkaskadenlaserelement stützt, und ein Verbindungselement, das ein Elektrodenkissen, das in dem Stützabschnitt enthalten ist, und die erste Elektrode in einem Zustand verbindet, in dem sich der Halbleiterschichtstoff auf einer Seite des Stützabschnitts in Bezug auf das Halbleitersubstrat befindet, wobei die Isolierschicht ausgehend von der zweiten Stirnfläche bis zu zumindest einem Bereich auf der Seite der zweiten Stirnflächen der Fläche der ersten Elektrode durchgängig ausgebildet ist, und die Außenkante der Metallfolie bei Betrachtung in der Lichtwellenleiterrichtung die Fläche der ersten Elektrode nicht erreicht.
Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei eine Dicke eines Abschnitts der ersten Elektrode, der der aktiven Schicht in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats entspricht, größer als eine Dicke eines Abschnitts des Verbindungselements ist, das zwischen dem Elektrodenkissen und der ersten Elektrode angeordnet ist.
Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Antriebseinheit das Quantenkaskadenlaserelement antreibt, so dass das Quantenkaskadenlaserelement durchgängig Laserlicht oszilliert.