JP2013038092A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】１２μｍ以上、１８μｍ以下の波長を有する赤外線を出射可能な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ装置は、積層体と、誘電体層と、を有する。積層体は、量子井戸層を含む活性層を有し、リッジ導波路が設けられる。また、前記活性層は前記量子井戸層のサブバンド間光学遷移により１２μｍ以上、かつ１８μｍ以下の波長の赤外線レーザ光を放出可能な第１領域と、前記第１領域から注入されたキャリアのエネルギーを緩和可能な第２領域と、が交互に積層されたカスケード構造を有し、前記赤外線レーザ光を前記リッジ導波路が延在する方向に出射可能である。誘電体層は、前記リッジ導波路と直交する断面において、前記積層体の側面の少なくとも一部を両側から挟むように設けられる。前記誘電体層は、光の透過率が５０％に低下する波長が１６μｍ以上であり、前記活性層を構成するいずれの層の屈折率よりも低い屈折率を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体レーザ装置に関する。
赤外光を放出するレーザ装置は、環境測定など広い分野に応用されている。このうち、半導体からなる量子カスケードレーザ装置は、小型で利便性が高く、高精度の測定を可能とする。
量子カスケードレーザ装置は、例えばＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとが交互に積層され、量子井戸層を含む活性層を有する。そして、活性層の両側面が、例えばＩｎＰクラッド層により挟まれた構造を有している。この場合、カスケード接続された量子井戸層は、キャリアのサブバンド間光学遷移により波長４〜１０μｍの赤外線レーザ光を放出可能である。
しかしながら、波長１０μｍ以上の赤外線レーザ光の場合、ＩｎＰの格子振動（フォノン）による光吸収のため、活性層から放出された赤外線レーザ光が活性層の両側面のＩｎＰクラッド層で吸収される。このため、発光効率が低下し、高出力のレーザ光を得ることが困難となる。
特許第４１０８２９７号公報
１２μｍ以上、１８μｍ以下の波長を有する赤外線を出射可能な半導体レーザ装置を提供する。
実施形態の半導体レーザ装置は、積層体と、誘電体層と、を有する。積層体は、量子井戸層を含む活性層を有し、リッジ導波路が設けられる。また、前記活性層は前記量子井戸層のサブバンド間光学遷移により１２μｍ以上、かつ１８μｍ以下の波長の赤外線レーザ光を放出可能な第１領域と、前記第１領域から注入されたキャリアのエネルギーを緩和可能な第２領域と、が交互に積層されたカスケード構造を有し、前記赤外線レーザ光を前記リッジ導波路が延在する方向に出射可能である。誘電体層は、前記リッジ導波路と直交する断面において、前記積層体の側面の少なくとも一部を両側から挟むように設けられる。前記誘電体層は、光の透過率が５０％に低下する波長が１６μｍ以上であり、前記活性層を構成するいずれの層の屈折率よりも低い屈折率を有する。
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断した部分模式断面図、である。 第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の作用を説明するバンド図である。 ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓのＡｌ組成比ｘに対する赤外線レーザ光の波長依存性を示すグラフ図である。 ＩｎＰの吸収スペクトルを示すグラフ図である。 波数および波長に対する誘電体材料の透過率の依存性を表すグラフ図である。 図６（ａ）から（ｅ）は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法のうち、リッジ導波路を形成するまでの工程断面図である。 図７（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態の半導体レーザ装置の製造方法の工程断面図のうち、電極を形成するまでの工程断面図である。 図８（ａ）は第１変形例、図８（ｂ）は第２変形例、にかかる半導体レーザ装置の模式断面図である。 導波路ロスに対する利得依存性を示すグラフ図である。 第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式断面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置を部分切断した模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体レーザ装置は、基板１０と、基板１０の上に設けられた積層体２０と、誘電体層４０と、を少なくとも有する。図１（ａ）では、第１電極５０と、第２電極５２と、絶縁膜４２と、をさらに有している。
積層体２０は、第１クラッド層２２と、第１ガイド層２３と、活性層２４と、第２ガイド層２５と、第２クラッド層２８と、を有している。第１クラッド層２２の屈折率と、第２クラッド層２８の屈折率と、は、第１ガイド層２３、活性層２４、および第２ガイド層２５、の屈折率のいずれよりもそれぞれ低くし、活性層２４の積層方向に赤外線レーザ光６０を適正に閉じ込めるようにする。なお、第１ガイド層２３と第１クラッド層２２とを合わせて、クラッド層と呼ぶことができる。また、第２ガイド層２５と第２クラッド層２８とを合わせて、クラッド層と呼ぶことができる。
また、積層体２０は、ストライプの形状を有しており、リッジ導波路ＲＧと呼ぶことができる。リッジ導波路ＲＧの２つの端面をミラー面とすると、誘導放出された光は、赤外線レーザ光６２として、光出射面から放出される。この場合、光軸６２は、ミラー面を共振面とする光共振器の断面の中心を結ぶ線と定義する。すなわち、光軸６２は、リッジ導波路ＲＧの延在する方向と一致する。
光軸６２に対して垂直な断面において、活性層２４の第１の面２４ａ、第２の面２４ｂ、に平行な方向の幅ＷＡが広すぎると、水平横方向に高次モードを生じ、高出力とすることが困難となる。活性層２４の幅ＷＡは、例えば５〜２０μｍなどとすると、水平横方向モードの制御が容易となる。誘電体層４０の屈折率が活性層２４を構成するいずれの層の屈折率よりも低いものとすると、積層体２０の側面２０ａ、２０ｂを挟むように設けられた誘電体層４０により、光軸６２に沿ってリッジ導波路ＲＧを構成することができる。
図２は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の作用を説明するバンド図である。
活性層２４は、第１領域２５と、第２領域２６と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。第１領域２５は、量子井戸層７２のサブバンド間光学遷移により、例えば１２μｍ以上、１８μｍ以下の波長の赤外線レーザ光６０を放出可能である。また、第２領域２６は、第１領域２５から注入されたキャリア（例えば電子）７０のエネルギーを緩和可能である。
量子井戸層７２において、井戸幅ＷＴを、例えば数ｎｍ以下のように狭くしていくとエネルギー準位が離散して、サブバンド７２ａ（高準位Ｌｕ）、サブバンド７２ｂ（低準位Ｌｌ）、などを生じる。注入障壁層７３から注入された電子７０は、量子井戸層７２に効果的に閉じ込めることができる。高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアが遷移する場合、エネルギー差（Ｌｕ−Ｌｌ）に対応した光（ｈn）を放出する（光学遷移）。なお、量子井戸層７２は、波動関数が重なり合う複数の井戸を有し、共通の準位ＬｕおよびＬｌを有していてもよい。
サブバンド間遷移は、伝導帯および価電子帯のいずれにかにおいて生じる。すなわち、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合が必要ではなく、いずれかのキャリアのみの光学遷移により発光する。本図の場合、積層体２０は、第１電極５０と、第２電極５２と、の間に印加された電圧により、注入障壁層７３を介して電子７０を量子井戸層７２へ注入し、サブバンド間遷移を生じる。
第２領域２６は、複数のサブバンド（ミニバンドともいう）を有している。サブバンドにおけるエネルギー差は小さく連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、電子のエネルギーが緩和されるので、第２領域２６では、１２〜１８μｍの波長の赤外線レーザ光を生じない。第１領域２５の低準位Ｌｌの電子は、抽出障壁層７４を通過して、第２領域２６へ注入され、緩和されて、カスケード接続された次段の第１領域２５へ注入され（電子７０）次の光学遷移を生じる。すなわち、カスケード構造では、電子７０が単位構造２７内で光学遷移をそれぞれ行うので、活性層２４の全体において高い光出力を取り出すことが容易となる。
第１の実施形態において、量子井戸層７２はＧａＡｓを含み、障壁層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）を含むものとすることができる。この場合、基板１０をＧａＡｓとすると、量子井戸層および障壁層との格子整合が良好にできる。第１クラッド層２２および第２クラッド層２８は、Ｓｉドープにより、例えば６×１０１８ｃｍ−３のｎ形不純物濃度を有し、例えば１μｍの厚さとすることができる。また、第１ガイド層２３および第２ガイド層２５は、Ｓｉドープにより、例えば４×１０１６ｃｍ−３のｎ形不純物濃度を有し、３．５μｍの厚さとすることができる。また、活性層２４の幅ＷＡは１４μｍ、リッジ導波路ＲＧの長さＬは、３ｍｍなどとすることができる。
障壁層のＡｌ組成比ｘを０．３２とし、ＧａＡｓからなる量子井戸層７２の井戸幅ＷＴを、例えば２〜６ｎｍとして電子を量子井戸層７２に有効に閉じ込め可能な単位構造２７を５０段カスケード接続した活性層２４は、例えば厚さが２μｍなどとなる。発明者らの実験によれば、第１電極５０と第２電極５２とにより、３３．５ｋＶ／ｃｍの電界を加えたところ、波長が１６±０．３μｍの赤外線レーザ光を得ることができた。
図３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓのＡｌ組成比ｘに対する赤外線レーザ光の波長依存性を示すグラフ図である。発明者らの実験によれば、Ａｌ組成比ｘが０．２５の場合、波長は１７．７±０．３μｍ、Ａｌ組成比が０．４７の場合、波長は１２．３±０．３μｍであることが判明した。すなわち、図３で破線で示すように、Ａｌ組成比ｘを変化することにより、波長が１２〜１８μｍである要求波長範囲の赤外線レーザ光を得ることができた。
また、基板１０をＩｎＰ（屈折率：２．５０）、第１および第２クラッド層２２、２８をＩｎＰ（屈折率：３．０８９）からなるものとしてもよい。すなわち、活性層２４がＩｎＡｌＡｓおよびＩｎＧａＡｓを含むものとし、量子井戸層７２の井戸幅ＷＴを制御すると波長が１２μｍ以上、１８μｍ以下の範囲の赤外線レーザ光を得ることができる。
環境測定などにおいて、１２〜１８μｍの赤外線レーザ光が要求されることが多い。この場合、例えば、炭酸ガスレーザなどからの波長１０μｍの赤外線レーザ光をラマンレーザ装置で波長変換しても１２μｍ以上の赤外線レーザ光を得ることができる。しかしながら、レーザ装置が複雑な構成となり、大型化する。これに対して、量子カスケードレーザ装置は、半導体レーザであり、小型化が容易である。
図４は、ＩｎＰの吸収スペクトルを示すグラフ図である。
縦軸は光の吸収率（相対値）、横軸は光の波数（ｃｍ−１）、である。ＩｎＰの場合、波長１６μｍ（波数：６２８ｃｍ−１）の近傍にフォノンの吸収ピークがある。そして、活性層２４から放射される光の波長が１６μｍの場合、もし第１および第２クラッド層２２、２８、活性層２４を含む積層体２０の側面２０ａ、２０ｂを挟む層がＩｎＰであると、活性層２４から放射される光の一部を吸収する。このため、１２〜１８μｍの波長範囲の赤外線レーザ光を放射する半導体レーザ装置において、活性層２４の側面を挟む誘電体層４０は、１６μｍ以上の波長に対するＩｎＰの透過率よりも高い透過率を有することが好ましい。
図５は、波数に対する誘電体材料の透過率の依存性を表すグラフ図である。
縦軸は透過率（％）、横軸は波数（ｃｍ−１）または波長（ｃｍ）、である。透過率は、分光光度計などを用いて測定可能である。
本実施形態では、誘電体の透過率（％）が５０％に低下する波長が１６μｍ以上である材料を用いる。なお、図３において、多くの材料の透過率の最大値が１００％とはなっていない。本明細書で、「透過率が５０％に低下する波長」とは、透過率がその最大値の２分の１に低下する波長を意味するのではなくて、「光度計などを用いて測定した透過率が５０％に低下する波長」であることを意味する。
透過率が５０％に低下する波長が１６μｍ以上となる誘電体材料を用いると、波長が１２μｍ以上の赤外線レーザ光が吸収されるのを抑制でき、高い出力を得ることが容易となる。このような材料として、ＫＢｒ（屈折率：１．５）、ＫＲＳ−５（臭沃化タリウム、屈折率：２．３６）、ＫＲＳ−６（臭塩化タリウム、屈折率：２．１４））、ＮａＣｌ、ＫＣｌ（屈折率：１．４９）、ダイアモンド（屈折率：２．４）、ＺｎＳｅ（屈折率：２．４）などを用いることができる。なお、発明者らの実験によれば、ＣｄＴｅ、ＡｇＢｒ、ＡｇＣｌなどを用いてもよいことが判明した。このような誘電体層４０を、積層体２０の側面２０ａ、２０ｂの一部の両側に設けることにより、赤外線レーザ光の吸収を抑制しつつ水平横方向モードを制御することが容易となる。誘電体層４０を、エピタキシャル成長による単結晶材料とすると、光学特性をより安定にできる。この場合、ＫＲＳ−５、ＫＲＳ−６、ダイアモンド、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅなどは、単結晶化が容易である。
この場合、例えば、ＧａＡｓの屈折率は３．６２、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓの屈折率は３．４７である。また、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓの屈折率は、３．２〜３．４３の間である。すなわち、誘電体層４０の屈折率は活性層２４を構成するいずれの層の屈折率よりも低く、赤外線レーザ光の水平横方向モードの制御が容易となる。
図６（ａ）から（ｅ）は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法のうち、リッジ導波路を形成するまでの工程断面図である。
基板１０はｎ形ＧａＡｓからなるものとする。図６（ａ）のように、基板１０の主面１０ａに、例えばｎ形ＧａＡｓからなる第１クラッド層２２、ｎ形ＧａＡｓからなる第１ガイド層２３、活性層２４、ｎ形ＧａＡｓからなる第２ガイド層２５、ｎ形ＧａＡｓからなる第２クラッド２８を結晶成長する。なお、第１ガイド層２３および第２ガイド層２５は、省略することもできる。結晶成長法は、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法やＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。
本実施形態において、リッジ導波路ＲＧの端面をミラー面とし、ファブリーペロー型光共振器とすることができる。または、図６（ｂ）のように、第２クラッド層２８などの表面に、回折格子２９を設けてもよい。回折格子２９は、光共振器の光軸方向に、凹凸のピッチが、例えば、媒質内波長の２分の１波長となるように設ける。このようにすると、分布帰還（ＤＦＢ：Distributed Feedback)）型や分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Distrbuted Blagg Reflector）型構造とし、動的単一モード発振とすることができる。さらに、図６（ｃ）のように、第２クラッド層２８の表面にＳｉＯ２のような絶縁膜３０を形成する。
続いて、図６（ｄ）のように、リッジ導波路ＲＧとする領域に、フォトレジスト７０をストライプ状にパターニングする。パターニングされたフォトレジスト７０をマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)法などを用いて積層体２０をエッチングし、リッジ導波路ＲＧを形成する。さらに絶縁膜３０を除去する。（リッジ導波路ＲＧの表面には、第１電極５０が設けられ、積層体２０と電気的に接続可能となる。第１電極５０から注入されたキャリアは、活性層２４内の第１領域２５でサブバンド間光学遷移を生じる。）
図７（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態の半導体レーザ装置の製造方法のうち、電極を形成するまでの工程断面図である。
図７（ａ）のように、積層体２０のリッジ導波路ＲＧを覆うように、レーザアブレーション、スパッタリング、蒸着などを用いて誘電体層４０を形成する。さらに、その上に、ＳｉＮ（Ｓｉ３Ｎ４を含む）やＳｉＯ２などの絶縁膜（パッシベーション膜）４２を形成する。誘電体層４０の材料は、１６μｍ以上の波長において、光の透過率が５０％以上となるように、例えば、ＫＢｒ、ＺｎＳｅ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＫＲＳ−５、ＫＲＳ−６、ダイアモンド、などとすることができる。なお、ＮａＣｌやＫＣｌは潮解性を有しているが、パッシベーション膜４２を設けることにより、膜質を安定に保つことができる。
回折格子を形成する場合、図７（ｂ）のように、回折格子２９の上面において、誘電体層４０が露出するように、パッシベーション膜４２に開口部４２ａを設ける。続いて、図７（ｃ）のように、誘電体層４０を除去し、積層体２０の上部の回折格子２９を露出する。
続いて、図７（ｄ）のように、パッシベーション膜４２および露出したリッジ導波路ＲＧの表面ＲＳに第１電極５０を形成する。なお、リッジ導波路ＲＧの一方の端面に低反射膜を設けて光出射面とし、他方の端面に高反射膜を設けて光反射面とすると、高出力を取り出すことが容易となる。
図８（ａ）は第１の実施形態の第１変形例、図８（ｂ）はその第２変形例、にかかる半導体レーザ装置の模式断面図である。
リッジ導波路ＲＧは、積層体２０の全体に設けられなくともよい。図８（ａ）では、第２クラッド層２８の一部２８ａをリッジ導波路ＲＧとしている。すなわち、第２クラッド層２８の上方の一部２８ａをメサ形断面とする。誘電体層４０は、メサ側面２８ｂおよびメサ非形成領域の表面２８ｃを覆うように設けられる。
また、図８（ｂ）では、活性層２４、第２ガイド層２５、および第２クラッド層２８、をリッジ導波路ＲＧとしている。すなわち、活性層２４、第２ガイド層２５、および第２クラッド層２８をメサ形断面とする。誘電体層４０は、メサ側面およびメサ側面の両側の第１ガイド層２３を覆うように設けられる。図８（ａ）、（ｂ）のようにしても、水平横方向モードを制御することができる。また、第１電極５０の上に、厚いＡｕ膜を含むパッド電極５１を設けると、ワイヤボンディングが容易となる。
図９は、導波路ロスに対する利得依存性を示すグラフ図である。
縦軸は利得（１／ｃｍ）、横軸は導波路ロス（１／ｍ）、である。
リッジ導波路ＲＧの側面に設けられ、水平横方向モードを制御する誘電体４０が赤外線レーザ光を吸収すると導波路ロス（１／ｍ）を生じる。他方、活性層２４に流れる電流が増加するのに伴い導波路利得が増加する。
レーザ発振には、利得が導波路ロスを上回ることが必要であり、レーザ発振に必要な動作電流はＩｎＰ、ＧａＡｓ、誘電体材料、の順となる。動作電流が高いと内部での発熱量が大きくなり、連続動作が困難となったり、素子の劣化が早くなるなどの問題を生じる。本実施形態では、活性層２４の両側面に誘電体層４０を設けることにより、連続動作が容易で寿命の長い半導体レーザ装置が実現できる。
図１０は、第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式断面図である。
第２の実施形態において、活性層２４の幅ＷＡと、活性層２４の両側面に設けられ活性層２４の表面に沿った誘電体層４０の長さと、の和Ｗ２は、活性層２４の厚さＴ２よりも小さい。このようにすると、活性層２４から基板１０へ向かう光を低減し、活性層２４からその両側面の誘電体層４０へ向かう光を相対的に増加させることができる。このため、基板１０における光吸収を低減することができる。本実施形態は、基板１０における光吸収が大きいＩｎＰなどの場合、光出力の低下を抑制することが容易となる。
第１の実施形態、これに付随した第１および第２の変形例、および第２の実施形態によれば、１２〜１８μｍの波長範囲を有する赤外線レーザ光を出射可能な半導体レーザ装置が提供される。このような赤外線レーザ光は、特定物質に吸収されるので環境測定などに応用可能である。また、半導体レーザ装置は、炭酸ガスレーザ装置やラマンレーザ装置などと比較して、小型化が容易となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
２０ 積層体、２０ａ、２０ｂ 積層体の側面、２４ 活性層、２５ 第１領域、２６ 第２領域、４０ 誘電体層、４２ 絶縁膜、５０ 第１電極、６０ 赤外線レーザ光、７０ 電子、７２ 量子井戸層、７２ａ、７２ｂ サブバンド、ＲＧ リッジ導波路、ＲＳ リッジ導波路の表面、Ｔ２ 活性層の厚さ、Ｗ２ 活性層の幅とその両側の誘電体層の水平方向長さとの和

Claims (7)

  1. 量子井戸層を含む活性層を有し、リッジ導波路が設けられた積層体であって、前記活性層は前記量子井戸層のサブバンド間光学遷移により１２μｍ以上かつ１８μｍ以下の波長の赤外線レーザ光を放出可能な第１領域と、前記第１領域から注入されたキャリアのエネルギーを緩和可能な第２領域と、が交互に積層されたカスケード構造を有し、前記赤外線レーザ光を前記リッジ導波路が延在する方向に出射可能な積層体と、
    前記リッジ導波路と直交する断面において、前記積層体の側面の少なくとも一部を両側から挟むように設けられた誘電体層であって、光の透過率が５０％に低下する波長が１６μｍ以上であり、前記活性層を構成するいずれの層の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体層と、
    を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記断面において、前記活性層の幅と、前記活性層の２つの側面に設けられ前記活性層の表面に沿った前記誘電体層の長さと、の和は、前記活性層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記誘電体層は、臭沃化タリウム、臭塩化タリウム、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＡｇＢｒ、ＡｇＣｌ、ダイアモンドのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記誘電体層は、単結晶材料であることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記活性層は、ＧａＡｓおよびＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記活性層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）およびＡｌｚＩｎ１−ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記誘電体層の表面を覆う絶縁膜と、
    前記誘電体層に覆われない前記リッジ導波路の表面に設けられた電極と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
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