DE112021002037T5

DE112021002037T5 - Quantenkaskadenlaserelement und Quantenkaskadenlaservorrichtung

Info

Publication number: DE112021002037T5
Application number: DE112021002037.4T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Sugiyama; Tadataka Edamura; Naota Akikusa
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2023-01-19
Also published as: WO2021200583A1; JP2021163925A; US20230132974A1

Abstract

Ein Quantenkaskadenlaserelement hat: ein Halbleitersubstrat; eine Halbleiter-Mesa, welche auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur zu haben und sich entlang einer Lichtwellenleiterrichtung zu erstrecken; eine Einbettungsschicht, welche ausgebildet ist, um die Halbleiter-Mesa entlang einer Breitenrichtung des Halbleitersubstrats einzufassen; eine über der Halbleiter-Mesa und über der Einbettungsschicht ausgebildete Hüllschicht; und eine auf der Hüllschicht ausgebildete Metallschicht. Ein Paar von Rillenabschnitten, die sich entlang der Lichtwellenleiterrichtung erstrecken, ist in einer Fläche auf einer Seite der Hüllschicht gegenüber von dem Halbleitersubstrat ausgebildet. Das Paar von Rillenabschnitten ist entsprechend in zwei äußeren Bereichen ausgebildet, wenn die Hüllschicht in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats gleichmäßig in vier Bereiche geteilt ist. Die Metallschicht tritt in das Paar von Rillenabschnitten ein.

Description

Technisches Gebiet
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Quantenkaskadenlaserelement und eine Quantenkaskadenlaservorrichtung.
Stand der Technik
Es ist ein Quantenkaskadenlaserelement bekannt, mit einem Halbleitersubstrat, einem Halbleiterschichtstoff, welcher auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um einen Gratabschnitt zu haben, einer Stromblockerschicht, die über den Gratabschnitt und über das Halbleitersubstrat ausgebildet ist, einer Isolierschicht, die auf der Stromblockerschicht ausgebildet ist, und einer Metallschicht, die auf einer oberen Fläche des Gratabschnitts und auf der Isolierschicht ausgebildet ist (siehe beispielsweise Patentliteratur 1).
Liste der Zitierungen
Patentliteratur
Patent Literatur 1: JP 2018-98262 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In dem vorstehend beschriebenen Quantenkaskadenlaserelement sind eine Verbesserung einer Wärmeableitung und eine Verbesserung der Stabilität eines Laserelements benötigt. Folglich ist eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung, ein Quantenkaskadenlaserelement und eine Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Verbesserung einer Wärmeableitung und eine Verbesserung einer Stabilität zu erreichen.
Problemlösung
Ein Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat: ein Halbleitersubstrat; eine Halbleiter-Mesa, welche auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur zu haben und sich entlang einer Lichtwellenleiterrichtung zu erstrecken; eine Einbettungsschicht, welche ausgebildet ist, um die Halbleiter-Mesa entlang einer Breitenrichtung des Halbleitersubstrats einzufassen; eine über der Halbleiter-Mesa und über der Einbettungsschicht ausgebildete Hüllschicht; und eine auf der Hüllschicht ausgebildete Metallschicht. Ein Paar von Rillenabschnitten, die sich entlang der Lichtwellenleiterrichtung erstrecken, ist in einer Fläche der Hüllschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite ausgebildet. Das Paar von Rillenabschnitten ist entsprechend in zwei äußeren Bereichen angeordnet, wenn die Hüllschicht in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats gleichmäßig in vier Bereiche geteilt ist. Die Metallschicht tritt in das Paar von Rillenabschnitten ein.
Das Quantenkaskadenlaserelement weist die Einbettungsschicht auf, die ausgebildet ist, um die Halbleiter-Mesa entlang der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats einzufassen. Dementsprechend kann in der aktiven Schicht generierte Wärme effektiv abgeleitet werden. Außerdem ist das Paar von Rillenabschnitten, die sich entlang der Lichtwellenleiterrichtung erstrecken, in der Fläche der Hüllschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite ausgebildet. Das Paar von Rillenabschnitten ist entsprechend in den zwei äußeren Bereichen angeordnet, wenn die Hüllschicht in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats gleichmäßig in die vier Bereiche geteilt ist. Die Metallschicht tritt in jeden der Rillenabschnitte ein. Da die Metallschicht in jeden der Rillenabschnitte eintritt, kann eine Verbindungsstärke zwischen der Metallschicht und der Hüllschicht verbessert werden. Infolgedessen kann das Abschälen oder eine Schädigung der Metallschicht unterdrückt werden und die Stabilität des Laserelements kann verbessert werden. Insbesondere, da die Metallschicht in jeden der Rillenabschnitte in den äußeren Bereichen eintritt, in denen das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht wahrscheinlich auftritt, kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht effektiv unterdrückt werden. Da das Paar von Rillenabschnitten in den äußeren Bereichen angeordnet ist, kann darüber hinaus eine Breite eines Abschnitts zwischen dem Paar von Rillenabschnitten in der Hüllschicht erweitert werden. Infolgedessen kann eine Wärmeableitung weiter verbessert werden. Folglich können gemäß dem Quantenkaskadenlaserelement eine Verbesserung einer Wärmeableitung und eine Verbesserung einer Stabilität erreicht werden.
Das Paar von Rillenabschnitten kann die Einbettungsschicht erreichen. In diesem Fall kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht effektiver unterdrückt werden.
Das Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ferner eine auf der Metallschicht ausgebildete Beschichtungsschicht haben. Ein vertiefter Abschnitt kann in einer Fläche der Beschichtungsschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite ausgebildet sein. Wenn das Quantenkaskadenlaserelement durch ein Fügematerial an ein Stützbauteil gefügt ist, kann in diesem Fall der vertiefte Abschnitt als ein Ausweichabschnitt des Fügematerials fungieren und das Fügematerial kann daran gehindert werden, Seitenflächen des Quantenkaskadenlaserelements hinaufzukriechen.
Ein Paar der vertieften Abschnitte kann bereitgestellt sein und das Paar von vertieften Abschnitten kann das Paar von Rillenabschnitten betrachtet in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats entsprechend überlappen. Solche vertieften Abschnitte lassen sich leicht durch ein Ausbilden der Metallschicht und der Beschichtungsschicht auf der Hüllschicht, die die Rillenabschnitte aufweist, ausbilden.
Das Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ferner eine zwischen der Hüllschicht und der Metallschicht angeordnete dielektrische Schicht haben. Eine Öffnung, die die Hüllschicht von der dielektrischen Schicht in einem Bereich freilegt, der betrachtet in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats die Halbleiter-Mesa überlappt, kann in der dielektrischen Schicht ausgebildet sein und die Metallschicht kann mit der Hüllschicht durch die Öffnung in Kontakt stehen. In diesem Fall kann die Verbindungsstärke zwischen der Metallschicht und der Hüllschicht durch die dielektrische Schicht verbessert werden und das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht kann weiter unterdrückt werden.
Die dielektrische Schicht kann in das Paar von Rillenabschnitten eintreten. In diesem Fall kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht weiter unterdrückt werden.
Eine Breite der Öffnung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats kann größer oder gleich einem Zweifachen einer Breite der Halbleiter-Mesa sein. In diesem Fall kann ein Bereich, in dem die Metallschicht mit der Hüllschicht in Kontakt steht, erweitert werden und eine Wärmeableitung kann noch weiter verbessert werden.
Eine Breite der Öffnung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats kann größer oder gleich einem Zehnfachen einer Dicke der Hüllschicht sein. In diesem Fall kann der Bereich, in dem die Metallschicht mit der Hüllschicht im Kontakt steht, erweitert werden und eine Wärmeableitung kann noch weiter verbessert werden.
Das Quantenkaskadenlaserelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ferner eine Leitung aus Metall haben, die mit der Metallschicht elektrisch verbunden ist. Eine Anschlussposition zwischen der Metallschicht und der Leitung kann die dielektrische Schicht in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats betrachtet überlappen. In diesem Fall kann das Auftreten des Abschälens oder dergleichen der Metallschicht, welches durch eine Zugspannung verursacht wird, die die Leitung auf die Metallschicht ausübt, unterdrückt werden.
Eine Dicke der Hüllschicht kann in einem zweiten Bereich, welcher sich in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats außerhalb eines ersten Bereichs befindet, dünner sein als in dem ersten Bereich, von dem mindestens ein Teil die Halbleiter-Mesa in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats betrachtet überlappt, und die Metallschicht kann sich über den ersten Bereich und den zweiten Bereich erstrecken.
Um in dem Quantenkaskadenlaserelement stabil Licht eines Basismodus mit einer Intensitätsspitze an einem Mittelabschnitt des Gratabschnitts in einer Breitenrichtung auszugeben, ist eine Unterdrückung der Oszillation von Licht eines Modus hoher Ordnung, der eine Intensitätsspitze an beiden Seiten des Mittelabschnitts hat, notwendig. Wenn die Einbettungsschicht, die die Halbleiter-Mesa entlang der Breitenrichtung einfasst, bereitgestellt ist, ist es wahrscheinlich, dass das Licht des Modus hoher Ordnung oszilliert wird, da eine Wärmeableitung verbessert werden kann, aber ein Lichteinschlusseffekt der Einbettungsschicht schwach ist. In dieser Hinsicht ist im Quantenkaskadenlaserelement die Dicke der Hüllschicht in den zweiten Bereichen, die sich in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats außerhalb des ersten Bereichs befinden, dünner als in dem ersten Bereich, von dem zumindest ein Teil die Halbleiter-Mesa in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats betrachtet überlappt, und die Metallschicht erstreckt sich über den ersten Bereich und den zweiten Bereich. Dementsprechend kann das Licht des Modus hoher Ordnung durch die Metallschicht absorbiert werden, welche ausgebildet ist, um den zweiten Bereich zu erreichen, und die Oszillation des Modus hoher Ordnung kann unterdrückt werden.
Eine Breite der Hüllschicht in dem ersten Bereich kann größer oder gleich einer Breite der Halbleiter-Mesa sein. In diesem Fall kann die Oszillation des Modus hoher Ordnung unter Unterdrückung eines Verlustes in dem Basismodus unterdrückt werden.
Eine Breite der Hüllschicht in dem ersten Bereich kann kleiner oder gleich einem Vierfachen einer Breite der Halbleiter-Mesa sein. In diesem Fall kann die Oszillation des Modus hoher Ordnung wirksam unterdrückt werden.
Die Dicke der Hüllschicht in dem zweiten Bereich kann kleiner oder gleich einer Hälfte der Dicke der Hüllschicht in dem ersten Bereich sein. In diesem Fall kann die Oszillation des Modus hoher Ordnung noch effektiver unterdrückt werden.
Die Fläche der Hüllschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite kann eine geneigte Fläche aufweisen, die in einem Grenzabschnitt zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ausgebildet ist, und die geneigte Fläche kann, in der Lichtwellenleiterrichtung betrachtet, geneigt sein, um sich nach außen zu erstrecken, während sie sich dem Halbleitersubstrat nähert. In der Lichtwellenleiterrichtung betrachtet, kann die geneigte Fläche so gekrümmt sein, dass sie hin zu der aktiven Schicht vorspringt. In diesen Fällen kann die Gleichmäßigkeit der auf der geneigten Fläche ausgebildeten Metallschicht verbessert werden und kann das Auftreten einer Variation einer Charakteristik einer Unterdrückung der Oszillation des Modus hoher Ordnung unterdrückt werden.
Eine Dicke der Hüllschicht kann bis auf einen Abschnitt gleichmäßig sein, an dem das Paar von Rillenabschnitten ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine Wärmeableitung noch weiter verbessert werden.
Eine Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat: das Quantenkaskadenlaserelement; und eine Antriebseinheit, die das Quantenkaskadenlaserelement antreibt. In der Quantenkaskadenlaservorrichtung können eine Verbesserung einer Wärmeableitung und eine Verbesserung einer Stabilität erzielt werden.
Die Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ferner ein Stützbauteil, das ein Elektrodenpad hat und das Quantenkaskadenlaserelement stützt, und ein Fügematerial haben, welches das Stützbauteil und das Quantenkaskadenlaserelement fügt. Das Quantenkaskadenlaserelement kann eine auf der Metallschicht ausgebildete Beschichtungsschicht aufweisen. Ein vertiefter Abschnitt kann in einer Fläche der Beschichtungsschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite ausgebildet sein. Das Fügematerial kann das Elektrodenpad und die Beschichtungsschicht in einem Zustand fügen, in dem sich die Halbleiter-Mesa mit Bezug auf das Halbleitersubstrat auf einer Seite des Stützbauteils befindet und das Fügematerial in den vertieften Abschnitt eintritt. Da der vertiefte Abschnitt in diesem Fall als ein Ausweichabschnitt des Fügematerials fungiert, wird das Fügematerial daran gehindert, die Seitenflächen des Quantenkaskadenlaserelements hinaufzukriechen.
Die Antriebseinheit kann das Quantenkaskadenlaserelement antreiben, um Laserlicht kontinuierlich zu oszillieren. In diesem Fall wird in der aktiven Schicht sehr viel Wärme generiert. In dieser Hinsicht kann in der Quantenkaskadenlaservorrichtung in der aktiven Schicht generierte Wärme gut abgeleitet werden, da eine Wärmeableitung wie vorstehend beschrieben verbessert wird.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, das Quantenkaskadenlaserelement und die Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Verbesserung einer Wärmeableitung und eine Verbesserung einer Stabilität zu erreichen.
Figurenliste

1 ist eine Schnittdarstellung eines Quantenkaskadenlaserelements gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II der 1.
3(a) und 3(b) sind Ansichten, die ein Fertigungsverfahren eines Quantenkaskadenlaserelements zeigen.
4(a) und 4(b) sind Ansichten, die das Fertigungsverfahren eines Quantenkaskadenlaserelements zeigen.
5(a) und 5(b) sind Ansichten, die das Fertigungsverfahren eines Quantenkaskadenlaserelements zeigen.
6(a) und 6(b) sind Ansichten, die das Fertigungsverfahren eines Quantenkaskadenlaserelements zeigen.
7 ist eine Schnittdarstellung einer Quantenkaskadenlaservorrichtung.
8 ist ein Graph, welcher ein Beispiel einer elektrischen Feldintensitätsverteilung in dem Quantenkaskadenlaserelement zeigt.
9(a) ist eine Ansicht, welche ein Beispiel einer Erstreckung eines Basismodus zeigt, und 9(b) ist eine Ansicht, welche ein Beispiel einer Erstreckung eines primären Modus zeigt.
10 ist eine Schnittdarstellung eines Quantenkaskadenlaserelements gemäß einem Modifikationsbeispiel.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen oder entsprechenden Elemente verwendet und werden redundante Beschreibungen weggelassen.
[Konfiguration eines Quantenkaskadenlaserelements]
Wie in 1 und 2 gezeigt, hat ein Quantenkaskadenlaserelement 1 ein Halbleitersubstrat 2, eine untere Hüllschicht 3, eine Halbleiter-Mesa 4, eine Einbettungsschicht 5, eine obere Hüllschicht 6, eine dielektrische Schicht 7, eine erste Elektrode 8 und eine zweite Elektrode 9. Das Halbleitersubstrat 2 ist beispielsweise ein S-dotiertes InP-Einkristallsubstrat mit einer rechteckigen Plattenform. In einem Beispiel ist eine Länge des Halbleitersubstrats 2 etwa 2 mm, eine Breite des Halbleitersubstrats 2 etwa 500 µm und eine Dicke des Halbleitersubstrats 2 etwa einhundert und einige zehn µm.
In der folgenden Beschreibung ist eine Breitenrichtung des Halbleitersubstrats 2 als eine X-Achsenrichtung, eine Längenrichtung des Halbleitersubstrats 2 als eine Y-Achsenrichtung und eine Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 2 als eine Z-Achsenrichtung bezeichnet. Eine Seite, auf der sich die Halbleiter-Mesa 4 in Bezug auf das Halbleitersubstrat 2 in der Z-Achsenrichtung befindet, wird als eine erste Seite S1 bezeichnet und eine Seite, auf der sich das Halbleitersubstrat 2 in Bezug auf die Halbleiter-Mesa 4 in der Z-Achsenrichtung befindet, wird als eine zweite Seite S2 bezeichnet. Das Quantenkaskadenlaserelement 1 ist so konfiguriert, dass es in Bezug auf eine Mittellinie, die durch die Mitte des Quantenkaskadenlaserelements 1 verläuft und in der Y-Achsenrichtung gesehen parallel zur Z-Achse verläuft, achsensymmetrisch ist.
Die untere Hüllschicht 3 ist auf einer Fläche 2a auf der ersten Seite S1 des Halbleitersubstrats 2 ausgebildet. Die untere Hüllschicht 3 hat einen Körperabschnitt 31 und einen Vorsprungsabschnitt 32, der vom Körperabschnitt 31 zur ersten Seite S1 vorsteht. Die Halbleiter-Mesa 4 hat eine aktive Schicht 41 mit einer Quantenkaskadenstruktur und erstreckt sich entlang der Y-Achsenrichtung. Die Halbleiter-Mesa 4 ist auf der Fläche 2a des Halbleitersubstrats 2 ausgebildet, wobei die untere Hüllschicht 3 dazwischen angeordnet ist. In diesem Beispiel ist die Halbleiter-Mesa 4 auf dem Vorsprungsabschnitt 32 der unteren Hüllschicht 3 bereitgestellt.
Die Halbleiter-Mesa 4 hat eine obere Fläche 4a und ein Paar von Seitenflächen 4b. Die obere Fläche 4a ist eine Fläche auf der ersten Seite S1 der Halbleiter-Mesa 4. Das Paar von Seitenflächen 4b sind Flächen auf beiden Seiten der Halbleiter-Mesa 4 in der X-Achsenrichtung. In diesem Beispiel ist jede der oberen Fläche 4a und der Seitenflächen 4b eine ebene Fläche. In der Y-Achsenrichtung betrachtet ist das Paar von Seitenflächen 4b so geneigt, dass sie sich einander annähern, während sie sich weg vom Halbleitersubstrat 2 erstrecken (hin zu der ersten Seite S1).
Die Einbettungsschicht 5 ist auf einer Fläche 31a auf der ersten Seite S1 des Körperabschnitts 31 der unteren Hüllschicht 3 ausgebildet und fasst den Vorsprungsabschnitt 32 der unteren Hüllschicht 3 und die Halbleiter-Mesa 4 in der X-Achsenrichtung ein. Das heißt, die Einbettungsschicht 5 ist in der X-Achsenrichtung auf beiden Seiten des Vorsprungsabschnitts 32 und der Halbleiter-Mesa 4 bereitgestellt und bettet den Vorsprungsabschnitt 32 und die Halbleiter-Mesa 4 ein. Die Einbettungsschicht 5 steht mit jeder von Seitenflächen des Vorsprungsabschnitts 32 und mit jeder der Seitenflächen 4b der Halbleiter-Mesa 4 in Kontakt. Eine Fläche 5a auf der ersten Seite S1 der Einbettungsschicht 5 befindet sich in derselben Ebene (bündig damit) wie die obere Fläche 4a der Halbleiter-Mesa 4. Eine Dicke der Einbettungsschicht 5 beträgt beispielsweise etwa 2 µm.
Die obere Hüllschicht 6 ist über der oberen Fläche 4a der Halbleiter-Mesa 4 und über der Fläche 5a der Einbettungsschicht 5 ausgebildet. Obwohl dies nicht dargestellt ist, ist eine untere Führungsschicht zwischen der unteren Hüllschicht 3 und der aktiven Schicht 41 angeordnet und ist eine obere Führungsschicht zwischen der oberen Hüllschicht 6 und der aktiven Schicht 41 angeordnet. Die obere Führungsschicht hat eine Beugungsgitterstruktur, die als eine verteilte Rückkopplungsstruktur (DFB-Struktur) fungiert.
Die Halbleiter-Mesa 4 ist durch die untere Führungsschicht, die aktive Schicht 41 und die obere Führungsschicht ausgebildet. Eine Breite der Halbleiter-Mesa 4 in der X-Achsenrichtung ist schmaler als eine Breite des Halbleitersubstrats 2 in der X-Achsenrichtung. Eine Länge der Halbleiter-Mesa 4 in der Y-Achsenrichtung ist gleich einer Länge des Halbleitersubstrats 2 in der Y-Achsenrichtung. In einem Beispiel beträgt die Länge der Halbleiter-Mesa 4 etwa 2 mm, die Breite der Halbleiter-Mesa 4 etwa 5 bis 6 µm und eine Dicke der Halbleiter-Mesa 4 etwa 2 µm. Die Halbleiter-Mesa 4 befindet sich in der X-Achsenrichtung in der Mitte des Halbleitersubstrats 2.
Die aktive Schicht 41 hat beispielsweise eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aus InGaAs/InAlAs. Die aktive Schicht 41 ist ausgelegt, um Laserlicht mit einer vorbestimmten Mittelwellenlänge zu oszillieren. Die Mittelwellenlänge hat beispielsweise einen beliebigen Wert von 4 µm bis 11 µm und kann einen beliebigen Wert von 4 µm bis 6 µm betragen. Die untere Hüllschicht 3 und die obere Hüllschicht 6 sind beispielsweise jeweils eine Si-dotierte InP-Schicht. Die untere Führungsschicht und die obere Führungsschicht sind beispielsweise jeweils eine Si-dotierte InGaAs-Schicht. Die Einbettungsschicht 5 ist eine Halbleiterschicht, die beispielsweise aus einer Fe-dotierten InP-Schicht ausgebildet ist.
Die Halbleiter-Mesa 4 hat eine erste Stirnfläche 4c und eine zweite Stirnfläche 4d, die beide Stirnflächen in einer Lichtwellenleiterrichtung A sind (2). Die Lichtwellenleiterrichtung A ist eine Richtung parallel zu der Y-Achsenrichtung, die eine Erstreckungsrichtung der Halbleiter-Mesa 4 ist. Die erste Stirnfläche 4c und die zweite Stirnfläche 4d fungieren als lichtemittierende Stirnflächen. Die erste Stirnfläche 4c und die zweite Stirnfläche 4d befinden sich auf denselben Ebenen wie beide von jeweiligen Stirnflächen des Halbleitersubstrats 2 in der Y-Achsenrichtung.
Die obere Hüllschicht 6 hat einen ersten Abschnitt 61, der sich in einem ersten Bereich (inneren Bereich) R1 befindet, und ein Paar von zweiten Abschnitten 62, die sich in zweiten Bereichen (äußeren Bereichen) R2 befinden. In der Z-Achsenrichtung betrachtet, überlappt ein Teil auf einer mittleren Seite des ersten Bereichs R1 die Halbleiter-Mesa 4. Jeder der zweiten Bereiche R2 befindet sich in der X-Achsenrichtung außerhalb des ersten Bereichs R1 (an einer Außenkantenseite des Halbleitersubstrats 2). Jeder der zweiten Bereiche R2 ist mit dem ersten Bereich R1 zusammenhängend. Der erste Abschnitt 61 ist die obere Hüllschicht 6 in dem ersten Bereich R1 und die zweiten Abschnitte 62 sind die obere Hüllschicht 6 in den zweiten Bereichen R2. Der erste Abschnitt 61 und die zweiten Abschnitte 62 sind einstückig ausgebildet. Die zweiten Abschnitte 62 (obere Hüllschicht 6) erreichen in der X-Achsenrichtung Stirnflächen des Quantenkaskadenlaserelements 1.
Eine Dicke T2 der zweiten Abschnitte 62 ist dünner als eine Dicke T1 des ersten Abschnitts 61. Das heißt, eine Dicke der oberen Hüllschicht 6 ist in den zweiten Bereichen R2 dünner als in dem ersten Bereich R1. In diesem Beispiel ist die Dicke T2 kleiner oder gleich einer Hälfte der Dicke T1. Der erste Abschnitt 61 ist ein dicker Abschnitt, der dicker als die zweiten Abschnitte 62 ist, und die zweiten Abschnitte 62 sind dünne Abschnitte, die dünner als der erste Abschnitt 61 sind. Die Dicke T1 des ersten Abschnitts 61 ist eine maximale Dicke des ersten Abschnitts 61 in der Z-Achsenrichtung und die Dicke T2 der zweiten Abschnitte 62 ist eine maximale Dicke der zweiten Abschnitte 62 in der Z-Achsenrichtung. Wenn, wie in diesem Beispiel, ein Verbindungsabschnitt 63 gebildet ist, der sich in seiner Dicke ändert, ist die Dicke T1 des ersten Abschnitts 61 eine maximale Dicke eines anderen Abschnitts als des Verbindungsabschnitts 63 und ist die Dicke T2 der zweiten Abschnitte 62 eine maximale Dicke eines anderen Abschnitts als des Verbindungsabschnitts 63.
Beispielsweise beträgt die Dicke T1 der ersten Abschnitte 61 etwa 1 bis 3,5 µm und beträgt die Dicke T2 der zweiten Abschnitte 62 1,0 µm oder weniger.
Jeder der zweiten Abschnitte 62 hat den Verbindungsabschnitt 63, der in einem Grenzabschnitt zwischen jedem der zweiten Abschnitte 62 und dem ersten Abschnitt 61 ausgebildet ist. Eine Dicke des Verbindungsabschnitts 63 in der Z-Achsenrichtung nimmt hin zu dem ersten Abschnitt 61 zu. Entsprechend ist eine Fläche auf der ersten Seite S1 des Verbindungsabschnitts 63 eine geneigte Fläche 63a. In der Y-Achsenrichtung betrachtet, ist die geneigte Fläche 63a nach außen geneigt, wenn sie sich dem Halbleitersubstrat 2 nähert (hin zu der zweiten Seite S2 verläuft). Darüber hinaus ist die geneigte Fläche 63a in der Y-Achsenrichtung gesehen so gekrümmt, dass sie zu der aktiven Schicht 41 hin vorspringt.
Eine Breite W1 des ersten Abschnitts 61 ist größer oder gleich einer Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4 und kleiner oder gleich einem Vierfachen der Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4. Die Breite W1 des ersten Abschnitts 61 ist eine Breite des ersten Abschnitts 61 in der X-Achsenrichtung und ist eine Breite eines Endabschnitts auf der ersten Seite S1 des ersten Abschnitts 61 (obere Fläche 61 a des ersten Abschnitts 61). Die Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4 ist eine Breite der Halbleiter-Mesa 4 in der X-Achsenrichtung und ist eine Breite eines Endabschnitts auf der ersten Seite S1 der Halbleiter-Mesa 4 (obere Fläche 4a der Halbleiter-Mesa 4). In einem Beispiel beträgt die Breite W1 des ersten Abschnitts 61 etwa 12 µm und beträgt die Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4 etwa 5 µm.
Ein Paar von Rillenabschnitten (Furchen) 68, die entlang der Y-Achsenrichtung verlaufen, sind in einer Fläche 6a auf der ersten Seite S1 der oberen Hüllschicht 6 ausgebildet. Genauer ausgedrückt, sind die Rillenabschnitte 68 jeweils in den zweiten Abschnitten 62 der oberen Hüllschicht 6 ausgebildet. Das Paar von Rillenabschnitten 68 ist entsprechend in zwei äußeren Bereichen P2 angeordnet, wenn die obere Hüllschicht 6 in der X-Achsenrichtung gleichmäßig in vier Bereiche P1 und P2 geteilt ist. In diesem Beispiel sind zwei Bereiche P1 innere Bereiche und die zwei Bereiche P2 äußere Bereiche. Eine Breite der Bereiche P1 in der X-Achsenrichtung ist gleich einer Breite der Bereiche P2 in der X-Achsenrichtung. Das Paar von Rillenabschnitten 68 ist außerhalb gerader Linien Q ausgebildet, die jeweils durch einen Mittelpunkt eines Bereichs zwischen den Seitenflächen 4b der Halbleiter-Mesa 4 und einer Außenkante des Quantenkaskadenlaserelements 1 (Außenkante des Halbleitersubstrats 2) in der X-Achsenrichtung verlaufen und betrachtet in der Y-Achsenrichtung jeweils parallel zu der Z-Achsenrichtung sind.
Die Rillenabschnitte 68 erreichen ausgehend von Flächen 62a auf der ersten Seite S1 der zweiten Abschnitte 62 in der Z-Achsenrichtung jeweils die Einbettungsschicht 5. Das heißt, jeder der Rillenabschnitte 68 durchdringt die obere Hüllschicht 6. Die Rillenabschnitte 68 strecken sich jeweils linear in der Y-Achsenrichtung, um beide Außenkanten der oberen Hüllschicht 6 zu erreichen. Eine Breite der Rillenabschnitte 68 in der X-Achsenrichtung verengt sich hin zu unteren Abschnitten der Rillenabschnitte 68. Eine maximale Breite jedes der Rillenabschnitte 68 in der X-Achsenrichtung (Breite eines Endabschnitts auf der ersten Seite S1) beträgt beispielsweise etwa 10 µm bis 20 µm. In diesem Beispiel ist die obere Hüllschicht 6 durch die Rillenabschnitte 68 in eine Anzahl an Abschnitten aufgeteilt, die obere Hüllschicht 6 hat jedoch die Anzahl an Abschnitten. Die Anzahl an Abschnitten ist aus dem gleichen Material mit im Wesentlichen der gleichen Dicke hergestellt.
Die dielektrische Schicht 7 ist beispielsweise eine aus einer SiN-Folie oder einer SiO2-Folie ausgebildete dielektrische Schicht (Isolierschicht). Die dielektrische Schicht 7 ist auf Flächen 65a äußerer Abschnitte 65 der zweiten Abschnitte 62 so ausgebildet, dass ein Teil der Fläche 6a der oberen Hüllschicht (obere Fläche 61 a des ersten Abschnitts 61 und Flächen 64a von inneren Abschnitten 64 der zweiten Abschnitte 62) von der dielektrischen Schicht 7 freigelegt ist. Die inneren Abschnitte 64 sind jeweils Abschnitte der zweiten Abschnitte 62, die mit dem ersten Abschnitt 61 zusammenhängend sind, und haben die Verbindungsabschnitte 63. Die äußeren Abschnitte 65 sind jeweils Abschnitte der zweiten Abschnitte 62, die sich in der X-Achsenrichtung außerhalb der inneren Abschnitte 64 befinden. Die Flächen 64a sind Flächen auf der ersten Seite S1 der inneren Abschnitte 64 und die Flächen 65a sind Flächen auf der ersten Seite S1 der äußeren Abschnitte 65. Jede der Flächen 64a der inneren Abschnitte 64 hat die geneigte Fläche 63a des Verbindungsabschnitts 63.
Die dielektrische Schicht 7 ist auf den Flächen 65a der äußeren Abschnitte 65 ausgebildet und ist nicht auf den Flächen 64a der inneren Abschnitte 64 ausgebildet, um die Flächen 64a freizulegen. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist eine Öffnung 7a, die den ersten Abschnitt 61 und die inneren Abschnitte 64 der zweiten Abschnitte 62 von der dielektrischen Schicht 7 freilegt, in der dielektrischen Schicht 7 ausgebildet. Die Öffnung 7a legt die obere Fläche 61 a des ersten Abschnitts 61 und die Flächen 64a der inneren Abschnitte 64 des zweiten Abschnitts 62 von der dielektrischen Schicht 7 frei. Eine Außenkante der dielektrischen Schicht 7 erreicht eine Außenkante der oberen Hüllschicht 6 (Außenkante des Halbleitersubstrats 2) sowohl in der X-Achsenrichtung als auch in der Y-Achsenrichtung. Die dielektrische Schicht 7 fungiert zudem als eine Haftschicht, die eine Haftung zwischen der oberen Hüllschicht 6 und einer später beschriebenen Metallschicht 81 verbessert.
Eine Breite W3 der Öffnung 7a in der X-Achsenrichtung ist größer oder gleich einem Zweifachen der Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4 in der X-Achsenrichtung. Die Breite W3 kann größer oder gleich einem Fünffachen der Breite W2 sein. In einem Beispiel beträgt die Breite W3 etwa 50 µm und die Breite W2 etwa 5 µm. Außerdem ist die Breite W3 der Öffnung 7a größer oder gleich einem Zehnfachen der Dicke der oberen Hüllschicht 6. Die Dicke der oberen Hüllschicht 6 ist eine maximale Dicke der oberen Hüllschicht 6 in der Z-Achsenrichtung und ist in diesem Beispiel die Dicke T1 des ersten Abschnitts 61 der oberen Hüllschicht 6. Wie vorstehend beschrieben, beträgt die Dicke T1 des ersten Abschnitts 61 beispielsweise etwa 3,5 µm.
Die dielektrische Schicht 7 tritt in jeden des Paars von Rillenabschnitten 68 ein. Die dielektrische Schicht 7 erstreckt sich innerhalb der Rillenabschnitte 68 entlang von Innenflächen der Rillenabschnitte 68 und haftet an den Innenflächen der Rillenabschnitte 68.
Die erste Elektrode 8 hat die Metallschicht 81 und eine Beschichtungsschicht 82. Die Metallschicht 81 ist beispielsweise eine Ti/Au-Schicht und fungiert als eine Basisschicht (Keimschicht) zum Ausbilden der Beschichtungsschicht 82. Die Beschichtungsschicht 82 ist auf der Metallschicht 81 ausgebildet. Die Beschichtungsschicht 82 ist beispielsweise eine Au-Beschichtungsschicht. Eine Dicke der ersten Elektrode 8 in der Z-Achsenrichtung beträgt beispielsweise 8 µm oder mehr.
Die Metallschicht 81 ist integral ausgebildet, um sich über die Fläche 6a der oberen Hüllschicht 6 zu erstrecken. Genauer ausgedrückt, ist die Metallschicht 81 über der oberen Fläche 61 a und Seitenflächen des ersten Abschnitts 61 und über den Flächen 62a der zweiten Abschnitte 62 einschließlich der geneigten Flächen 63a der Verbindungsabschnitte 63 ausgebildet. D.h., die Metallschicht 81 erstreckt sich über den ersten Bereich R1 und über die zweiten Bereiche R2. Die Metallschicht 81 tritt in jeden des Paars von Rillenabschnitten 68 ein. Die Metallschicht 81 erstreckt sich innerhalb der Rillenabschnitte 68 entlang der Innenflächen der Rillenabschnitte 68 und ist über die dielektrische Schicht 7 mit den Innenflächen der Rillenabschnitte 68 gebondet.
Die Metallschicht 81 steht durch die Öffnung 7a der dielektrischen Schicht 7 in Kontakt mit der oberen Fläche 61a und den Seitenflächen der ersten Abschnitte 61 sowie mit den Flächen 64a der inneren Abschnitte 64 der zweiten Abschnitte 62 einschließlich der geneigten Flächen 63a des Verbindungsabschnitts 63. Die Metallschicht 81 ist an den äußeren Abschnitten 65 der zweiten Abschnitte 62 über die dielektrische Schicht 7 auf den zweiten Abschnitten 62 ausgebildet. Das heißt, die dielektrische Schicht 7 ist zwischen den äußeren Abschnitten 65 der zweiten Abschnitte 62 und der ersten Elektrode 8 angeordnet.
Zwischen der Metallschicht 81 und der oberen Fläche 61 a des ersten Abschnitts 61 der oberen Hüllschicht 6 ist eine Kontaktschicht (nicht dargestellt) angeordnet. Die Kontaktschicht ist beispielsweise eine Si-dotierte InGaAs-Schicht. Die Metallschicht 81 steht über die Kontaktschicht mit der oberen Fläche 61a des ersten Abschnitts 61 in Kontakt. Entsprechend ist die erste Elektrode 8 über die Kontaktschicht mit der oberen Hüllschicht 6 elektrisch verbunden. Eine Außenkante der Metallschicht 81 befindet sich sowohl in der X-Achsenrichtung als auch in der Y-Achsenrichtung innerhalb der Außenkante der dielektrischen Schicht 7 (Außenkante des Halbleitersubstrats 2). Ein Abstand zwischen der Außenkante der Metallschicht 81 und der Außenkante der dielektrischen Schicht 7 (Außenkante des Halbleitersubstrats 2) in der X-Achsenrichtung beträgt beispielsweise etwa 50 µm.
Die Beschichtungsschicht 82 tritt in jeden des Paars von Rillenabschnitten 68 ein. Dementsprechend ist in einer Fläche 82a auf der ersten Seite S1 der Beschichtungsschicht 82 ein Paar von vertieften Abschnitten (Rillenabschnitten) 83 ausgebildet. Das Paar von vertieften Abschnitten 83 überlappt betrachtet in der Z-Achsenrichtung das Paar der jeweiligen Rillenabschnitte 68. Die vertieften Abschnitte 83 erstrecken sich jeweils linear in der Y-Achsenrichtung, um beide Außenkanten der Beschichtungsschicht 82 zu erreichen. Eine Form der vertieften Abschnitte 83 in einem Querschnitt senkrecht zu der Y-Achsenrichtung ist eine Form, die den Rillenabschnitten 68 entspricht (eine Form ähnlich derjenigen der Rillenabschnitte 68).
Eine Anzahl an Leitungen WR aus Metall sind mit der Fläche 82a der Beschichtungsschicht 82 elektrisch verbunden. Jede der Leitungen WR ist beispielsweise durch Leitungsbonden ausgebildet und über die Beschichtungsschicht 82 mit der Metallschicht 81 elektrisch verbunden. Eine Anschlussposition zwischen der Metallschicht 81 (Beschichtungsschicht 82) und jeder der Leitungen WR überlappt die dielektrische Schicht 7 betrachtet in der Z-Achsenrichtung. Die Anschlussposition befindet sich in der X-Achsenrichtung innerhalb der vertieften Abschnitte 83. Im Übrigen ist die Anzahl der Leitungen WR nicht begrenzt und es kann nur eine Leitung WR bereitgestellt sein.
Die zweite Elektrode 9 ist auf einer Fläche 2b auf der zweiten Seite S2 des Halbleitersubstrats 2 ausgebildet. Die zweite Elektrode 9 ist beispielsweise eine AuGe/Au-Folie, eine AuGe/Ni/Au-Folie oder eine Au-Folie. Die zweite Elektrode 9 ist über das Halbleitersubstrat 2 elektrisch mit der unteren Hüllschicht 3 verbunden.
In dem Quantenkaskadenlaserelement 1 wird, wenn durch die erste Elektrode 8 und durch die zweite Elektrode 9 eine Vorspannung an die aktive Schicht 41 angelegt ist, Licht von der aktiven Schicht 41 emittiert und wird Licht mit einer vorbestimmten Mittelwellenlänge des Lichts in der verteilten Rückkopplungsstruktur geschwungen. Dementsprechend wird das Laserlicht mit der vorbestimmten Mittelwellenlänge von jeder der ersten Stirnfläche 4c und der zweiten Stirnfläche 4d emittiert. Auf einer der ersten Stirnfläche 4c und der zweiten Stirnfläche 4d kann eine Hochreflexionsfolie ausgebildet sein. In diesem Fall wird das Laserlicht mit der vorbestimmten Mittelwellenlänge von der anderen Stirnfläche der ersten Stirnfläche 4c und der zweiten Stirnfläche 4d emittiert. Alternativ kann auf einer Stirnfläche der ersten Stirnfläche 4c und der zweiten Stirnfläche 4d eine Niedrigreflexionsfolie ausgebildet sein. Außerdem kann auf der anderen Stirnfläche, die sich von der Stirnfläche, auf der die Niedrigreflexionsfolie ausgebildet ist, unterscheidet, eine Hochreflexionsfolie ausgebildet sein. In beiden Fällen wird das Laserlicht mit der vorbestimmten Mittelwellenlänge von einer Stirnfläche der ersten Stirnfläche 4c und der zweiten Stirnfläche 4d emittiert. Im ersteren Fall wird das Laserlicht sowohl von der ersten Stirnfläche 4c als auch von der zweiten Stirnfläche 4d emittiert.
[Verfahren zur Fertigung eines Quantenkaskadenlaserelements]
Ein Verfahren zur Fertigung des Quantenkaskadenlaserelements 1 wird unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschrieben. Zunächst wird, wie in 3(a) gezeigt, ein Halbleiterwafer 200 mit einer ersten Hauptoberfläche 200a und einer zweiten Hauptoberfläche 200b vorbereitet und werden eine Halbleiterschicht 300 und eine Halbleiterschicht 400 auf der ersten Hauptoberfläche 200a des Halbleiterwafers 200 ausgebildet. Der Halbleiterwafer 200 ist beispielsweise ein S-dotierter InP-Einkristall (100)-Wafer. Der Halbleiterwafer 200 hat eine Anzahl an Abschnitten, von denen jeder zum Halbleitersubstrat 2 wird, und wird in einem später zu beschreibenden Nachbearbeitungsprozess entlang einer Linie L zerteilt. Gleichermaßen hat die Halbleiterschicht 300 eine Anzahl an Abschnitten, von denen jeder zur unteren Hüllschicht 3 wird, und hat die Halbleiterschicht 400 eine Anzahl an Abschnitten, von denen jeder zur Halbleiter-Mesa 4 wird. Die Halbleiterschichten 300 und 400 werden beispielsweise durch epitaktisches Wachsen jeder Schicht (das heißt, eine Schicht, die jeweils die untere Hüllschicht 3, die untere Führungsschicht, die aktive Schicht 41 und die obere Führungsschicht wird) unter Verwendung von MO-CVD ausgebildet.
Anschließend wird auf einem Abschnitt der Halbleiterschicht 400 ein Beugungsgittermuster ausgebildet, wobei der Abschnitt zur Halbleiter-Mesa 4 wird (ein Abschnitt, welcher zur oberen Führungsschicht wird). Konkret wird beispielsweise das Beugungsgittermuster auf der Halbleiterschicht 400 durch Ausbilden einer Dielektrikumsfolie mit einer dem Beugungsgittermuster entsprechenden Form auf der Halbleiterschicht 400 und durch Trocken-Ätzen der Halbleiterschicht 400 unter Verwendung der Dielektrikumsfolie als einer Maske ausgebildet. Die Dielektrikumsfolie wird beispielsweise aus einer SiN-Folie oder einer SiO2-Folie ausgebildet. Die Dielektrikumsfolie wird durch Ätzen entfernt.
Anschließend wird, wie in 3(b) gezeigt, eine Dielektrikumsfolie 100 auf einem Abschnitt der Halbleiterschicht 400 ausgebildet, wobei der Abschnitt zur Halbleiter-Mesa 4 wird, und wird die Halbleiterschicht 400 unter Verwendung der Dielektrikumsfolie 100 als einer Maske bis zur Halbleiterschicht 300 trockengeätzt. Die Dielektrikumsfolie 100 wird beispielsweise aus einer SiN-Folie oder einer SiO2-Folie ausgebildet. Die Dielektrikumsfolie 100 wird beispielsweise durch die Photolithographie und Ätzen in einer in 3(b) gezeigten Form gestaltet. Eine Breite der Dielektrikumsfolie 100 in der X-Achsenrichtung beträgt beispielsweise etwa 6 µm.
Anschließend wird, wie in 4(a) gezeigt, die Halbleiterschicht 400 unter Verwendung der Dielektrikumsfolie 100 als einer Maske nassgeätzt. Dementsprechend wird die Halbleiter-Mesa 4 in der Halbleiterschicht 400 ausgebildet.
Anschließend wird, wie in 4(b) gezeigt, eine Einbettungsschicht 500 auf der Halbleiterschicht 400 ausgebildet. Die Einbettungsschicht 500 hat eine Anzahl an Abschnitten, von denen jeder die Einbettungsschicht 5 wird. Die Einbettungsschicht 500 wird beispielsweise durch Kristallwachstum mittels MO-CVD ausgebildet. Da die Dielektrikumsfolie 100 als eine Maske fungiert, wird die Einbettungsschicht 500 nicht auf der Dielektrikumsfolie 100 ausgebildet.
Anschließend wird, wie in 5(a) gezeigt, die Dielektrikumsfolie 100 durch Ätzen entfernt und wird auf der Einbettungsschicht 500 eine Halbleiterschicht 600 ausgebildet. Die Halbleiterschicht 600 hat eine Anzahl an Abschnitten, von denen jede die obere Hüllschicht 6 wird. Die Halbleiterschicht 600 wird beispielsweise durch Kristallwachstum mittels MO-CVD ausgebildet. Zusätzlich wird zu dieser Zeit eine Halbleiterschicht (nicht gezeigt) mit einer Anzahl an Abschnitten, von denen jeder die Kontaktschicht wird, auf der Halbleiterschicht 600 durch Kristallwachstum unter Verwendung von MO-CVD ausgebildet.
Anschließend wird, wie in 5(b) gezeigt, eine Dielektrikumsfolie 110 auf einem Abschnitt der Halbleiterschicht 600 ausgebildet, wobei der Abschnitt zum ersten Abschnitt 61 der oberen Hüllschicht 6 werden soll, und wird die Halbleiterschicht 600 unter Verwendung der Dielektrikumsfolie 110 als einer Maske geätzt. Dementsprechend sind in der Halbleiterschicht 600 die obere Hüllschicht 6 einschließlich des ersten Abschnitts 61 und der zweiten Abschnitte 62 ausgebildet. Die Dielektrikumsfolie 110 ist beispielsweise aus einer SiN-Folie oder einer SiO2-Folie ausgebildet. Die Dielektrikumsfolie 110 wird in einer in 5(b) gezeigten Form gestaltet, beispielsweise durch Photolithographie und Ätzen. Die Dielektrikumsfolie 110 wird durch Ätzen entfernt. Anschließend wird das Paar von Rillenabschnitten 68 in der Halbleiterschicht 600 und in der Einbettungsschicht 500 ausgebildet. Konkret wird beispielsweise das Paar von Rillenabschnitten 68 durch Ausbilden einer Dielektrikumsfolie auf der oberen Hüllschicht 6 und durch Ätzen der Halbleiterschicht 600 und der Einbettungsschicht 500 unter Verwendung der Dielektrikumsfolie als einer Maske ausgebildet. Die Dielektrikumsfolie wird durch Ätzen entfernt.
Anschließend wird, wie in 6(a) gezeigt, eine dielektrische Schicht 700 auf der Halbleiterschicht 600 ausgebildet. Die dielektrische Schicht 700 hat eine Anzahl an Abschnitten, von denen jeder die dielektrische Schicht 7 wird. Die dielektrische Schicht 700 ist in einer in 6(a) gezeigten Form beispielsweise durch Photolithographie und Ätzen gestaltet. Entsprechend ist die Öffnung 7a (Kontaktloch) in der dielektrischen Schicht 700 ausgebildet.
Anschließend wird, wie in 6(a) gezeigt, eine Metallschicht 810 über dem ersten Abschnitt 61 und den zweiten Abschnitten 62 der oberen Hüllschicht 6 ausgebildet und wird dann eine Beschichtungsschicht 820 auf der Metallschicht 810 ausgebildet. Die Metallschicht 810 hat eine Anzahl an Abschnitten, von denen jeder die Metallschicht 81 wird, und die Beschichtungsschicht 820 hat eine Anzahl an Abschnitten, von denen jeder die Beschichtungsschicht 82 wird. Die Metallschicht 810 ist eine ohmsche Elektrode, die beispielsweise ausgebildet wird, indem Ti mit einer Dicke von etwa 50 nm und Au mit einer Dicke von etwa 100 nm der Reihe nach gesputtert oder verdampft werden. Eine Dicke der Beschichtungsschicht 820 beträgt beispielsweise etwa 5 µm bis 8 µm. Die Metallschicht 810 auf der Linie L wird beispielsweise durch Ätzen entfernt, nachdem die Beschichtungsschicht 820 ausgebildet ist. Die Linie L ist eine geplante Zerteilungslinie, die eine Anzahl von Abschnitten unterteilt, die zu den Quantenkaskadenlaserelementen 1 werden.
Anschließend wird, wie in 6(b) gezeigt, der Halbleiterwafer 200 durch Polieren der zweiten Hauptoberfläche 200b des Halbleiterwafers 200 verdünnt. Anschließend wird auf der zweiten Hauptoberfläche 200b des Halbleiterwafers 200 eine Elektrodenschicht 900 ausgebildet. Die Elektrodenschicht 900 hat eine Anzahl an Abschnitten, von denen jeder die zweite Elektrode 9 wird. Die Elektrodenschicht 900 kann einer Legierungswärmebehandlung unterzogen werden. Anschließend werden der Halbleiterwafer 200, die Halbleiterschicht 300, die Einbettungsschicht 500, die Halbleiterschicht 600 und die dielektrische Schicht 700 entlang der Linie L zerteilt. Dementsprechend wird eine Anzahl der Quantenkaskadenlaserelemente 1 erlangt.
[Konfiguration der Quantenkaskadenlaservorrichtung]
Wie in 7 gezeigt, hat eine Quantenkaskadenlaservorrichtung 10 ein Quantenkaskadenlaserelement 1A, ein Stützbauteil 11, ein Fügematerial 12 und eine CW-Antriebseinheit (Antriebseinheit) 13. Das Quantenkaskadenlaserelement 1A hat die gleiche Konfiguration wie das oben beschriebene Quantenkaskadenlaserelement 1, mit der Ausnahme, dass die Leitungen WR nicht bereitgestellt sind.
Das Stützbauteil 11 hat einen Körperabschnitt 111 und ein Elektrodenpad 112. Das Stützbauteil 11 ist beispielsweise ein Untergestell, bei dem der Körperabschnitt 111 aus AIN hergestellt ist. Das Stützbauteil 11 stützt das Quantenkaskadenlaserelement 1A in einem Zustand, in dem sich die Halbleiter-Mesa 4 mit Bezug auf das Halbleitersubstrat 2 auf einer Seite des Stützbauteils 11 befindet (das heißt, einem Zustand mit nach unten gewandter Epi-Seite). Im Übrigen kann in einer Quantenkaskadenlaservorrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Quantenkaskadenlaserelement 1 das Stützbauteil 11 das Quantenkaskadenlaserelement 1 in einem Zustand stützen, in dem sich die Halbleiter-Mesa 4 mit Bezug auf das Halbleitersubstrat 2 gegenüber dem Stützbauteil 11 befindet (das heißt, einem Zustand mit nach oben gewandter Epi-Seite).
Das Fügematerial 12 fügt das Elektrodenpad 112 des Stützbauteils 11 und die erste Elektrode 8 des Quantenkaskadenlaserelements 1A im Zustand mit nach unten gewandter Epi-Seite. Das Fügematerial 12 ist beispielsweise ein Lötmittel aus AuSn. Das Fügematerial 12 tritt in das in der Beschichtungsschicht 82 der ersten Elektrode 8 ausgebildete Paar von vertieften Abschnitten 83 ein. Eine Dicke eines Abschnitts des Fügematerials 12 zwischen dem Elektrodenpad 112 und der ersten Elektrode 8 beträgt beispielsweise etwa mehrere µm.
Die CW-Antriebseinheit 13 treibt das Quantenkaskadenlaserelement 1A so an, dass das Quantenkaskadenlaserelement 1A kontinuierlich Laserlicht oszilliert. Die CW-Antriebseinheit 13 ist jeweils mit dem Elektrodenpad 112 des Stützbauteils 11 und der zweiten Elektrode 9 des Quantenkaskadenlaserelements 1A elektrisch verbunden. Um die CW-Antriebseinheit 13 jeweils mit dem Elektrodenpad 112 und der zweiten Elektrode 9 elektrisch zu verbinden, ist jeweils an dem Elektrodenpad 112 und der zweiten Elektrode 9 Leitungsbonden durchgeführt.
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung 10 ist auf der Seite des Stützbauteils 11 eine Wärmesenke (nicht dargestellt) bereitgestellt. Aus diesem Grund kann, da das Quantenkaskadenlaserelement 1A auf dem Stützbauteil 11 im Zustand mit nach unten gewandter Epi-Seite montiert ist, die Wärmeableitung der Halbleiter-Mesa 4 verbessert werden. Wenn das Quantenkaskadenlaserelement 1A dazu angetrieben wird, das Laserlicht kontinuierlich zu oszillieren, ist eine Konfiguration mit nach unten gewandter Epi-Seite effektiv. Insbesondere wenn die aktive Schicht 41 ausgelegt ist, um Laserlicht mit einer relativ kurzen Mittelwellenlänge (beispielsweise einer Mittelwellenlänge von einem beliebigen Wert von 4 µm bis 6 µm) in einem Mittelinfrarot-Bereich zu oszillieren und das Quantenkaskadenlaserelement 1A angetrieben wird, um das Laserlicht kontinuierlich zu oszillieren, ist die Konfiguration mit nach unten gewandter Epi-Seite effektiv. Im Übrigen liegt der Grund dafür, dass das Quantenkaskadenlaserelement 1A im Zustand mit nach unten gewandter Epi-Seite montiert werden kann, darin, dass eine Fläche der ersten Elektrode 8 im Wesentlichen eben ausgebildet ist, indem die obere Hüllschicht 6 und die erste Elektrode 8 auf einer Ebene ausgebildet sind, welche durch die Fläche 5a der Einbettungsschicht 5 und die obere Fläche 4a der Halbleiter-Mesa 4 gebildet ist.
[Funktionen und Wirkungen]
Das Quantenkaskadenlaserelement 1 hat die Einbettungsschicht 5, die so ausgebildet ist, dass sie die Halbleiter-Mesa 4 entlang der X-Achsenrichtung (Breitenrichtung des Halbleitersubstrats 2) einfasst. Dementsprechend kann Wärme, die in der aktiven Schicht 41 generiert wird, effektiv abgeleitet werden. Zudem ist das Paar von Rillenabschnitten 68, die sich entlang der Y-Achsenrichtung (Lichtwellenleiterrichtung) erstrecken, in der Fläche 6a auf der ersten Seite S1 (dem Halbleitersubstrat 2 gegenüberliegende Seite) der oberen Hüllschicht 6 ausgebildet. Das Paar von Rillenabschnitten 69 ist entsprechend in den zwei äußeren Bereichen P2 angeordnet, wenn die obere Hüllschicht 6 in der X-Achsenrichtung gleichmäßig in vier Bereiche P1 und P2 geteilt ist. Die Metallschicht 81 tritt in jeden der Rillenabschnitte 68 ein. Da die Metallschicht 81 in jeden der Rillenabschnitte 68 eintritt, kann die Verbindungsstärke zwischen der Metallschicht 81 und der oberen Hüllschicht 6 verbessert werden. Dadurch kann das Abschälen oder eine Schädigung der Metallschicht 81 unterdrückt werden und die Stabilität des Laserelements kann verbessert werden. Insbesondere, da die Metallschicht 81 in jeden der Rillenabschnitte 68 in den äußeren Bereichen P2 eintritt, in denen das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht 81 wahrscheinlich auftritt, kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht 81 effektiv unterdrückt werden. Da das Paar von Rillenabschnitten 68 in den äußeren Bereichen P2 angeordnet ist, kann darüber hinaus eine Breite eines Abschnitts zwischen dem Paar von Rillenabschnitten 68 in der oberen Hüllschicht 6 erweitert werden. Infolgedessen kann eine Wärmeableitung weiter verbessert werden. Folglich kann gemäß dem Quantenkaskadenlaserelement 1 eine Verbesserung einer Wärmeableitung und eine Verbesserung einer Stabilität erzielt werden. Infolgedessen kann selbst dann, wenn das Quantenkaskadenlaserelement 1 angetrieben wird, um das Laserlichts mit einer relativ kurzen Mittelwellenlänge (beispielsweise einer Mittelwellenlänge eines beliebigen Werts von 4 µm bis 6 µm) in dem Mittelinfrarot-Bereich kontinuierlichen zu oszillieren, eine Verbesserung einer Wärmeableitung und die Unterdrückung der Oszillation des Modus hoher Ordnung ausreichend erzielt werden und es kann eine hohe Ertragsquote realisiert werden. Im Übrigen ist eine Erhöhung einer Antriebsspannung erforderlich, um Laserlicht mit einer Mittelwellenlänge von 6 µm oder weniger im Quantenkaskadenlaser zu oszillieren, aber wenn die Antriebsspannung erhöht ist, ist die Menge der generierten Wärme erhöht. Aus diesem Grund ist eine Sicherstellung einer guten Wärmeableitung erforderlich, um eine durchgehende Oszillation zu realisieren.
Jeder der Rillenabschnitte 68 erreicht die Einbettungsschicht 5. Dementsprechend kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht 81 effektiver unterdrückt werden. Darüber hinaus ist die obere Hüllschicht 6 durch das Paar von Rillenabschnitten 68 elektrisch getrennt. Dementsprechend kann, wenn das Quantenkaskadenlaserelement 1 durch Zerteilen eines Halbleiterwafers erhalten wird, der eine Anzahl von Abschnitten hat, von denen jeder zum Quantenkaskadenlaserelement 1 wird, eine Anzahl der Quantenkaskadenlaserelemente 1 individuell elektrisch und optisch in einem Zustand einer Laserstange geprüft werden, in der die Elemente vor einer Zerteilung nur in einer lateralen Richtung verbunden sind.
Die vertieften Abschnitte 83 sind in der Fläche 82a auf der ersten Seite S1 der Beschichtungsschicht 82 ausgebildet. Dementsprechend können die vertieften Abschnitte 83 als Ausweichabschnitte des Fügematerials 12 fungieren, wenn das Quantenkaskadenlaserelement 1A durch das Fügematerial 12 mit dem Stützbauteil 11 gefügt wird, und ein Hinaufkriechen des Fügematerials 12 an Seitenflächen des Quantenkaskadenlaserelements 1A kann verhindert werden.
Das Paar von vertieften Abschnitten 83 überlappt in der Z-Achsenrichtung betrachtet entsprechend das Paar von Rillenabschnitten 68. Die vertieften Abschnitte 83 können durch ein Ausbilden der Metallschicht 81 und der Beschichtungsschicht 82 auf der oberen Hüllschicht 6, welche die Rillenabschnitte 68 aufweist, leicht ausgebildet werden.
Die Öffnung 7a, die die obere Hüllschicht 6 von der dielektrischen Schicht in dem ersten Bereich R1 freilegt, der die Halbleiter-Mesa 4 betrachtet in der Z-Achsenrichtung überlappt, ist in der dielektrischen Schicht 7, die zwischen der oberen Hüllschicht 6 und der Metallschicht 81 angeordnet ist, ausgebildet. Die Metallschicht 81 steht mit der oberen Hüllschicht 6 durch die Öffnung 7a in Kontakt. Dementsprechend kann eine Verbindungsstärke zwischen der Metallschicht 81 und der oberen Hüllschicht 6 durch die elektrische Schicht 7 verbessert werden und das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht 81 kann weiter unterdrückt werden.
Die dielektrische Schicht 7 tritt in jeden der Rillenabschnitte 68 ein. Dementsprechend kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht 81 noch weiter unterdrückt werden.
Die Breite W3 der Öffnung 7a in der X-Achsenrichtung ist größer oder gleich einem Zweifachen der Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4. Dementsprechend kann ein Bereich, in dem die Metallschicht 81 mit der oberen Hüllschicht 6 in Kontakt steht, erweitert werden und eine Wärmeableitung kann noch weiter verbessert werden.
Die Breite W2 der Öffnung 7a in der X-Achsenrichtung ist größer oder gleich einem Zehnfachen der Dicke der oberen Hüllschicht 6 (Dicke T1 des ersten Abschnitts 61). Dementsprechend kann ein Bereich, in dem die Metallschicht 81 mit der oberen Hüllschicht 6 in Kontakt steht, erweitert werden und eine Wärmeableitung kann noch weiter verbessert werden.
Die Anschlussposition zwischen der Metallschicht 81 und jeder der Leitungen WR überlappt in der Z-Achsenrichtung betrachtet die dielektrische Schicht 7. Dementsprechend kann das Abschälen oder dergleichen der Metallschicht 81 unterdrückt werden, welches durch eine Zugspannung verursacht wird, die die Leitungen WR auf die Metallschicht 81 ausüben.
Die Dicke der oberen Hüllschicht 6 in den zweiten Bereichen R2, die in der X-Achsenrichtung außerhalb des ersten Bereichs R1 liegen, kann dünner als in dem ersten Bereich R1 sein, von dem zumindest ein Teil die Halbleiter-Mesa betrachtet in der Z-Achsenrichtung überlappt, und die Metallschicht 81 kann sich über den ersten Bereich R1 und über die zweiten Bereiche R2 erstrecken. Um in dem Quantenkaskadenlaserelement 1 stabil Licht eines Basismodus mit einer Intensitätsspitze an einem Mittelabschnitt des Gratabschnitts in einer Breitenrichtung auszugeben, ist eine Unterdrückung der Oszillation von Licht eines Modus hoher Ordnung mit einer Intensitätsspitze an beiden Seiten des Mittelabschnitts notwendig. Wenn die Einbettungsschicht 5, die die Halbleiter-Mesa 4 entlang der Breitenrichtung einfasst, bereitgestellt ist, wird das Licht des Modus hoher Ordnung wahrscheinlich oszilliert, da eine Wärmeableitung verbessert werden kann, aber ein Lichteinschlusseffekt der Einbettungsschicht 5 schwach ist. In dieser Hinsicht ist in dem Quantenkaskadenlaserelement 1 die Dicke der oberen Hüllschicht 6 in den zweiten Bereichen R2 dünner, die in der X-Achsenrichtung außerhalb des ersten Bereichs R1 angeordnet sind, als in dem ersten Bereich R1, von dem zumindest ein Teil die Hableiter-Mesa 4 betrachtet in der Z-Achsenrichtung überlappt, und die Metallschicht 81 erstreckt sich über den ersten Bereich R1 und über die zweiten Bereiche R1. Dementsprechend kann das Licht des Modus hoher Ordnung durch die Metallschicht 81, die ausgebildet ist, um die zweiten Bereiche zu erreichen, absorbiert werden und die Oszillation des Modus hoher Ordnung kann unterdrückt werden.
Nachfolgend wird ein Effekt eines Unterdrückens der Oszillation eines Transversalmodus hoher Ordnung mit Bezug auf 8 und 9 weiter beschrieben. 8 zeigt eine elektrische Feldintensitätsverteilung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats 2, wobei die Mitte der Halbleiter-Mesa 4 als ein Ursprung einer X-Achse festgelegt ist. Eine Intensitätsverteilung eines Basismodus M0 ist durch eine durchgezogene Linie dargestellt und eine Intensitätsverteilung eines primären Modus M1 ist durch eine wechselweise lang-kurz-kurz-gestrichelte Linie dargestellt. Wie in 8 gezeigt, hat Licht des Basismodus M0 in der Nähe der Mitte der Halbleiter-Mesa 4 eine Intensitätsspitze und Licht des primären Modus M1 hat auf beiden Seiten der Mitte der Halbleiter-Mesa 4 eine Intensitätsspitze.
9(a) ist eine Ansicht, die eine Erstreckung des Basismodus M0 in der Lichtwellenleiterrichtung A betrachtet zeigt, und 9(b) ist eine Ansicht, die eine Erstreckung des primären Modus M1 in der Lichtwellenleiterrichtung A betrachtet zeigt.
Wie in 9(a) und 9(b) gezeigt, haben sowohl der Basismodus M0 als auch der primäre Modus M1 eine im Wesentlichen elliptische Erstreckung, deren eine Hauptachse entlang der Z-Achsenrichtung verläuft. Da die Metallschicht 81, die Licht leicht absorbiert, wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, um die zweiten Bereiche R2 (an den zweiten Abschnitten 62) zu erreichen, kann die Oszillation des Lichts des primären Modus M1 unterdrückt werden, während ein Verlust des Lichts des Basismodus M0 unterdrückt ist (während das Licht des Basismodus M0 einschlossen ist).
Die Breite W1 der oberen Hüllschicht 6 in dem ersten Bereich R1 (erster Abschnitt 61 der oberen Hüllschicht 6) ist größer oder gleich einem Zweifachen der Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4. Dementsprechend kann die Oszillation des Modus hoher Ordnung unter Unterdrückung eines Verlustes im Basismodus unterdrückt werden.
Die Breite W1 der oberen Hüllschicht 6 in dem ersten Bereich 61 ist kleiner oder gleich einem Vierfachen der Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4. Dementsprechend kann die Oszillation des Modus hoher Ordnung effektiv unterdrückt werden.
Die Dicke T2 der oberen Hüllschicht 6 in den zweiten Bereichen R2 (zweiten Abschnitten 62 der oberen Hüllschicht 6) ist kleiner oder gleich einer Hälfte der Dicke T1 der oberen Hüllschicht 6 in dem ersten Bereich R1. Dementsprechend kann die Oszillation des Modus hoher Ordnung sogar noch effektiver unterdrückt werden.
Die Fläche 6a auf der ersten Seite S1 der oberen Hüllschicht 6 hat die geneigten Flächen 63a, die jeweils im Grenzabschnitt zwischen dem ersten Bereich R1 und dem zweiten Bereich R2 ausgebildet sind, und die geneigten Flächen 63a sind bei Betrachtung in der Y-Achsenrichtung geneigt, um sich nach außen zu erstrecken, während sie sich dem Halbleitersubstrat 2 nähern. In der Y-Achsenrichtung betrachtet sind die geneigten Flächen 63a gekrümmt, um hin zu der aktiven Schicht 41 vorzuspringen. Dementsprechend kann die Gleichmäßigkeit der auf den geneigten Flächen 63a ausgebildeten Metallschicht 81 verbessert werden und kann das durch die Ungleichmäßigkeit der Metallschicht 81 verursachte Auftreten einer Variation in einer Charakteristik einer Unterdrückung der Oszillation des Modus hoher Ordnung unterdrückt werden. Außerdem kann die Metallschicht 81 auf den geneigten Flächen 63a entlang des Basismodus geformt sein. Infolgedessen ist der vorstehende Effekt, dass die Oszillation des Modus hoher Ordnung unterdrückt werden kann, während ein Verlust im Basismodus unterdrückt wird, bemerkenswert gezeigt.
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung 10 fügt das Fügematerial 12 das Elektrodenpad 112 und die Beschichtungsschicht 82 in einem Zustand, in dem sich die Halbleiter-Mesa 4 mit Bezug auf das Halbleitersubstrat 2 auf der Seite des Stützbauteils 11 befindet und das Fügematerial 12 in die vertieften Abschnitte 83 eintritt. Da die vertieften Abschnitte 83 dementsprechend als Ausweichabschnitte des Fügematerials 12 fungieren, wird das Fügematerial 12 daran gehindert, die Seitenflächen des Quantenkaskadenlaserelements 1A hinaufzukriechen. Da die dielektrische Schicht 7 außerdem die Außenkante der oberen Hüllschicht 6 (Außenkante des Halbleitersubstrats 2) erreicht, kann das Fügematerial 12 weiter daran gehindert werden, zu einer Seite der Fläche 2b des Halbleitersubstrats 2 hinaufzukriechen.
Die CW-Antriebseinheit 13 treibt das Quantenkaskadenlaserelement 1A an, um Laserlicht kontinuierlich zu oszillieren. In diesem Fall wird in der aktiven Schicht 41 sehr viel Wärme generiert. In dieser Hinsicht kann in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 10 in der aktiven Schicht 41 generierte Wärme gut abgeleitet werden, da eine Wärmeableitung wie vorstehend beschrieben verbessert ist.
[Modifikationsbeispiel]
In einem Quantenkaskadenlaserelement 1B ist gemäß einem Modifikationsbeispiel, das in 10 gezeigt ist, die Dicke der oberen Hüllschicht 6 gleichmäßig (unverändert), abgesehen von Abschnitten, an denen das Paar der Rillenabschnitte ausgebildet ist. Das Quantenkaskadenlaserelement 1B hat abgesehen von diesem Punkt die gleiche Konfiguration wie das Quantenkaskadenlaserelement 1 der Ausführungsform. Selbst in dem Quantenkaskadenlaserelement 1B kann, ähnlich zu dem Quantenkaskadenlaserelement 1 der Ausführungsform, eine Verbesserung einer Wärmeableitung und eine Verbesserung einer Stabilität erreicht werden. Da ein Abschnitt der oberen Hüllschicht 6, der dick ausgebildet ist, breit ist, kann außerdem eine Wärmeableitung noch weiter verbessert werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend-beschriebene Ausführungsform und das Modifikationsbeispiel beschränkt. Das Material und die Form jeder Konfiguration sind nicht auf das vorstehend beschriebene Material und die vorstehend beschriebene Form beschränkt und es können verschiedene Materialien und Formen angenommen werden. Eine andere bekannte Quantenkaskadenstruktur ist auf die aktive Schicht 41 anwendbar. Die obere Führungsschicht muss keine Beugungsgitterstruktur aufweisen, die als eine verteilte Rückkopplungsstruktur fungiert.
Die Außenkante der Metallschicht 81 in der Y-Achsenrichtung kann die Außenkante der dielektrischen Schicht 7 erreichen. In diesem Fall kann eine Wärmeableitung an der ersten Stirnfläche 4c und an der zweiten Stirnfläche 4d verbessert werden. Die Beschichtungsschicht 82 muss nicht bereitgestellt sein und nur die Metallschicht 81 kann die erste Elektrode 8 ausbilden. In diesem Fall können die Leitungen WR mit einer Fläche auf der ersten Seite S1 der Metallschicht 81 verbunden sein.
Die Dicke T2 der oberen Hüllschicht 6 (zweite Abschnitte 62) in den zweiten Bereichen R2 kann Null sein. In anderen Worten ausgedrückt, können die zweiten Abschnitte 62 nicht bereitgestellt sein und die obere Hüllschicht 6 kann nur den ersten Abschnitt 61 haben, der sich in dem ersten Bereich R1 befindet. Auch in diesem Fall kann die Dicke der oberen Hüllschicht 6 in den zweiten Bereichen R2 als dünner als in dem ersten Bereich R1 angesehen werden. In diesem Fall ist die Metallschicht 81 über dem ersten Abschnitt 61 der oberen Hüllschicht 6 und über der Einbettungsschicht 5 ausgebildet. Mit einem solchen Modifikationsbeispiel kann, ähnlich wie bei der Ausführungsform, eine Verbesserung einer Wärmeableitung und die Unterdrückung der Oszillation des Modus hoher Ordnung erzielt werden.
Die Fläche 5a auf der ersten Seite S1 der Einbettungsschicht 5 kann sich mit Bezug auf die obere Fläche 4a der Halbleiter-Mesa 4 auf der ersten Seite S1 befinden oder kann sich mit Bezug auf die obere Fläche 4a auf der zweiten Seite S2 befinden. Die Breite W1 des ersten Abschnitts 61 der oberen Hüllschicht 6 kann gleich der Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4 sein oder kleiner als die Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4 sein. Mindestens ein Teil des ersten Bereichs R1 kann die Halbleiter-Mesa 4 in der Z-Achsenrichtung betrachtet überlappen und die Gesamtheit des ersten Bereichs R1 kann die Halbleiter-Mesa 4 überlappen. In diesem Fall ist die Breite W1 des ersten Abschnitts 61 kleiner oder gleich einem Zweifachen der Breite W2 der Halbleiter-Mesa 4. Der Verbindungsabschnitt 63 muss nicht am Grenzabschnitt zwischen dem ersten Abschnitt 61 und jedem der zweiten Abschnitte 62 ausgebildet sein. Die Rillenabschnitte 68 können die Einbettungsschicht 5 nicht erreichen. Die Rillenabschnitte 68 können durch die obere Hüllschicht 6 und die Einbettungsschicht 5 hindurchdringen, um die untere Hüllschicht 3 zu erreichen.
Bezugszeichenliste

1, 1A, 1B: Quantenkaskadenlaserelement,
2: Halbleitersubstrat,
4: Halbleiter-Mesa,
41: aktive Schicht,
5: Einbettungsschicht,
6: obere Hüllschicht,
6a: Fläche,
63a: geneigte Fläche,
68: Rillenabschnitt,
7: dielektrische Schicht,
7a: Öffnung,
10: Quantenkaskadenlaservorrichtung,
11: Stützbauteil,
112: Elektrodenpad,
12: Fügematerial,
13: CW-Antriebseinheit (Antriebseinheit),
81: Metallschicht,
82: Beschichtungsschicht,
83: vertiefter Abschnitt,
A: Lichtwellenleiterrichtung,
P1: innerer Bereich,
P2: äußerer Bereich,
R1: erster Bereich,
R2: zweiter Bereich,
WR: Leitung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201898262 A [0003]

Claims

Quantenkaskadenlaserelement mit: einem Halbleitersubstrat; einer Halbleiter-Mesa, welche auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, um eine aktive Schicht mit einer Quantenkaskadenstruktur zu haben und sich entlang einer Lichtwellenleiterrichtung zu erstrecken; einer Einbettungsschicht, welche ausgebildet ist, um die Halbleiter-Mesa entlang einer Breitenrichtung des Halbleitersubstrats einzufassen; einer über der Halbleiter-Mesa und über der Einbettungsschicht ausgebildeten Hüllschicht; und einer auf der Hüllschicht ausgebildeten Metallschicht, wobei ein Paar von Rillenabschnitten, die sich entlang der Lichtwellenleiterrichtung erstrecken, in einer Fläche der Hüllschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, das Paar von Rillenabschnitten entsprechend in zwei äußeren Bereichen angeordnet ist, wenn die Hüllschicht in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats gleichmäßig in vier Bereiche geteilt ist, und die Metallschicht in das Paar von Rillenabschnitten eintritt.
Quantenkaskadenlaserelement nach Anspruch 1, wobei das Paar von Rillenabschnitten die Einbettungsschicht erreicht.
Quantenkaskadenlaserelement nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer auf der Metallschicht ausgebildeten Beschichtungsschicht, wobei in einer Fläche der Beschichtungsschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite ein vertiefter Abschnitt ausgebildet ist.
Quantenkaskadenlaserelement nach Anspruch 3, wobei ein Paar der vertieften Abschnitte bereitgestellt ist, und das Paar von vertieften Abschnitten entsprechend das Paar von Rillenabschnitten in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats betrachtet überlappt.
Quantenkaskadenlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einer zwischen der Hüllschicht und der Metallschicht angeordneten dielektrischen Schicht, wobei eine Öffnung, die die Hüllschicht von der dielektrischen Schicht in einem Bereich freilegt, der die Halbleiter-Mesa betrachtet in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats überlappt, in der dielektrischen Schicht ausgebildet ist, und die Metallschicht mit der Hüllschicht durch die Öffnung in Kontakt steht.
Quantenkaskadenlaserelement nach Anspruch 5, wobei die dielektrische Schicht in das Paar von Rillenabschnitten eintritt.
Quantenkaskadenlaserelement nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Breite der Öffnung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats größer oder gleich einem Zweifachen einer Breite der Halbleiter-Mesa ist.
Quantenkaskadenlaserelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei eine Breite der Öffnung in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats größer oder gleich einem Zehnfachen einer Dicke der Hüllschicht ist.
Quantenkaskadenlaserelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, ferner mit einer Leitung aus Metall, die mit der Metallschicht elektrisch verbunden ist, wobei eine Anschlussposition zwischen der Metallschicht und der Leitung die dielektrische Schicht bei Betrachtung in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats überlappt.
Quantenkaskadenlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Dicke der Hüllschicht in einem zweiten Bereich, welcher sich in der Breitenrichtung des Halbleitersubstrats außerhalb eines ersten Bereichs befindet, dünner als in dem ersten Bereich ist, von dem zumindest ein Teil die Halbleiter-Mesa in einer Dickenrichtung des Halbleitersubstrats betrachtet überlappt, und die Metallschicht sich über den ersten Bereich und den zweiten Bereich erstreckt.
Quantenkaskadenlaserelement nach Anspruch 10, wobei eine Breite der Hüllschicht in dem ersten Bereich größer oder gleich einer Breite der Halbleiter-Mesa ist.
Quantenkaskadenlaserelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Breite der Hüllschicht in dem ersten Bereich kleiner oder gleich einem Vierfachen einer Breite der Halbleiter-Mesa ist.
Quantenkaskadenlaserelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Dicke der Hüllschicht in dem zweiten Bereich kleiner oder gleich einer Hälfte der Dicke der Hüllschicht in dem ersten Bereich ist.
Quantenkaskadenlaserelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Fläche der Hüllschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite eine an einem Grenzabschnitt zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ausgebildete geneigte Fläche hat, und die geneigte Fläche, in der Lichtwellenleiterrichtung betrachtet, geneigt ist, um sich nach außen zu erstrecken, während sie sich dem Halbleitersubstrat nähert.
Quantenkaskadenlaserelement nach Anspruch 14, wobei die geneigte Fläche, in der Lichtwellenleiterrichtung betrachtet, gekrümmt ist, um hin zu der aktiven Schicht vorzuspringen.
Quantenkaskadenlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Dicke der Hüllschicht gleichmäßig ist, außer an einem Abschnitt, an dem das Paar von Rillenabschnitten ausgebildet ist.
Quantenkaskadenlaservorrichtung mit dem Quantenkaskadenlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16; und einer Antriebseinheit, die das Quantenkaskadenlaserelement antreibt.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach Anspruch 17, ferner mit: einem Stützbauteil, das ein Elektrodenpad hat und das Quantenkaskadenlaserelement stützt; und einem Fügematerial, das das Stützbauteil und das Quantenkaskadenlaserelement fügt, wobei das Quantenkaskadenlaserelement eine auf der Metallschicht ausgebildete Beschichtungsschicht hat, ein vertiefter Abschnitt in einer Fläche der Beschichtungsschicht auf einer dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, und das Fügematerial das Elektrodenpad und die Beschichtungsschicht in einem Zustand fügt, in dem sich die Halbleiter-Mesa mit Bezug auf das Halbleitersubstrat auf einer Seite des Stützbauteils befindet sowie das Fügematerial in den vertieften Abschnitt eintritt.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Antriebseinheit das Quantenkaskadenlaserelement antreibt, um Laserlicht kontinuierlich zu oszillieren.