JP2013254765A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】 レーザ素子端面での中赤外領域の光に対する反射率制御を好適に実現することが可能な量子カスケードレーザを提供する。
【解決手段】 半導体基板１０と、基板１０上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体１６が多段に積層されることで発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層１５とを備えて量子カスケードレーザ１Ａを構成する。また、活性層１５で生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、互いに対向する第１端面１１及び第２端面１２のそれぞれの面上に、ＣｅＯ２絶縁膜２１、３１、及び反射制御膜２０、３０を順に形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。
中赤外の波長領域（例えば波長４〜１５μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）が注目を集めている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１参照）。
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。
米国特許第５４５７７０９号公報 特開２００９−２０６３４０号公報 特開２００８−１０７３３号公報 特開２００６−７２０３１号公報 特開２００９−８６５３３号公報
J. Nguyen et al., "Optical coatings by ion-beam sputteringdeposition for long-wave infrared quantum cascade lasers", Appl. Phys.Lett. Vol.89 (2006) 111113-1 - 111113-3
上記した中赤外領域の量子カスケードレーザにおいて、そのレーザ共振器構造での端面の反射率制御は非常に重要である。例えば、外部共振器（ＥＣ：External Cavity）型、あるいは素子中に回折格子を配置した分布帰還（ＤＦＢ：Distributed Feed Back）型の量子カスケードレーザなどの単一モード動作のレーザ素子では、光の共振方向に位置する素子端面における反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）膜、あるいは高反射（ＨＲ：High Reflection）膜などの反射制御膜の形成が必須となっている。
しかしながら、このような量子カスケードレーザの素子端面での反射制御膜の形成において、中赤外領域内の光、特に、７〜１５μｍの波長領域内の光に対して高い透過性（透明性）を示し、かつ、素子端面に形成したときに素子本体との絶縁を確保するために良好な絶縁性を示す材料は、これまでに充分には知られていない。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、レーザ素子端面での中赤外領域の光に対する反射率制御を好適に実現することが可能な量子カスケードレーザを提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで、量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層とを備え、（３）活性層で生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、互いに対向する第１端面及び第２端面の少なくとも一方の面上に、ＣｅＯ２絶縁膜、及び反射制御膜が順に形成されていることを特徴とする。
上記した量子カスケードレーザでは、活性層で生成される所定波長の光に対し、レーザ共振器構造で共振方向に位置する第１、第２端面の少なくとも一方の面上に、ＣｅＯ２絶縁膜、及び反射制御膜を順に形成している。ここで、本願発明者の検討結果によれば、詳しくは後述するように、ＣｅＯ２（酸化セリウム）は中赤外領域の光に対して高い透過性を示し、かつ、レーザ素子端面に形成したときに良好な絶縁性を示す材料である。したがって、ＣｅＯ２絶縁膜を端面上の第１層として、絶縁膜及び反射制御膜を量子カスケードレーザに適用することにより、レーザ素子本体との絶縁を確保しつつ、素子端面での中赤外領域の光に対する反射率制御を好適に実現することが可能となる。
なお、上記したレーザ素子端面上のＣｅＯ２絶縁膜については、反射制御膜とは別個に端面上に設けられる構成とすることができる。この場合、素子本体の第１端面及び第２端面の少なくとも一方の面上に、ＣｅＯ２絶縁膜が形成され、さらにその上に反射制御膜が形成される構成となる。あるいは、ＣｅＯ２絶縁膜が反射制御膜に含まれており、絶縁膜が反射制御膜の端面側の第１層を構成していても良い。
ここで、ＣｅＯ２絶縁膜とともに端面上に形成される反射制御膜については、具体的には、それぞれ所定の材料からなる低屈折率膜と、高屈折率膜とが積層された多層膜である構成を用いることができる。このような反射制御多層膜によれば、低屈折率膜及び高屈折率膜を用いた多層構造の具体的な設計により、素子端面での所定波長の光に対する反射率を好適に制御することができる。
また、このように反射制御膜を多層膜として構成する場合、ＣｅＯ２絶縁膜は、反射制御膜に含まれており、多層膜における低屈折率膜として機能する構成としても良い。このように、多層膜における低屈折率膜として、ＣｅＯ２膜を用いることにより、多層構造の反射制御膜を好適に構成することができる。
また、多層膜における高屈折率膜は、Ｇｅ膜であることが好ましい。このように、多層膜における高屈折率膜として、Ｇｅ膜を用いることにより、多層構造の反射制御膜を好適に構成することができる。また、この場合、低屈折率膜であるＣｅＯ２膜と、高屈折率膜であるＧｅ膜とを交互に積層することで、反射制御多層膜を構成しても良い。
あるいは、この反射制御膜については、金属膜を含んで構成されていることとしても良い。このような構成によっても、素子端面での所定波長の光に対する反射率を好適に制御することができる。また、この場合、金属膜による反射制御膜は、ＣｅＯ２絶縁膜とは別個に、絶縁膜上に形成される。
また、上記構成の量子カスケードレーザにおいて、レーザ素子端面に形成される反射制御膜は、所定波長の光に対する反射防止膜、または所定波長の光を所定の反射率で反射する反射膜であることが好ましい。このような反射防止（ＡＲ）膜、または反射膜（例えば高反射（ＨＲ）膜）を用いることにより、量子カスケードレーザを、その具体的な共振器構造に応じて好適に構成することができる。
量子カスケードレーザの素子端面における反射制御膜の構成、及びレーザ共振器構造については、具体的には例えば、レーザ共振器構造は、第１端面に第１反射制御膜として反射防止膜が形成され、第２端面に第２反射制御膜として反射膜が形成されて、外部共振器型に構成されていることとしても良い。あるいは、レーザ共振器構造は、第１端面に第１反射制御膜として反射防止膜が形成され、第２端面に第２反射制御膜として反射防止膜が形成されて、分布帰還型に構成されていることとしても良い。
上記したＣｅＯ２絶縁膜及び反射制御膜による積層構造を用いる構成によれば、第１、第２端面にそれぞれ適切な反射制御膜を形成することにより、量子カスケードレーザにおけるレーザ共振器構造を好適に実現することができる。
本発明の量子カスケードレーザによれば、カスケード構造を有する活性層でサブバンド間遷移によって生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、互いに対向する第１端面及び第２端面の少なくとも一方の面上に、ＣｅＯ２絶縁膜、及び反射制御膜を順に形成することにより、レーザ素子本体との絶縁を確保しつつ、素子端面での中赤外領域の光に対する反射率制御を好適に実現することが可能となる。
量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。 量子カスケードレーザの活性層の構成、及び活性層におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。 酸化物系光学材料の屈折率ｎの波長依存性を示すグラフである。 酸化物系光学材料の消衰係数ｋの波長依存性を示すグラフである。 酸化物系光学材料の消衰係数ｋの波長依存性を示すグラフである。 ＣｅＯ２の消衰係数ｋの波長依存性を示すグラフである。 量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。 活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。 反射制御膜の第１の構成例を示す側面図である。 図９に示した反射制御膜の光学特性を示すグラフである。 反射制御膜の第２の構成例を示す側面図である。 図１１に示した反射制御膜の光学特性を示すグラフである。 反射制御膜の第３の構成例を示す側面図である。 図１３に示した反射制御膜の光学特性を示すグラフである。 反射制御膜の第４の構成例を示す側面図である。 反射制御膜の第５の構成例を示す側面図である。 図１６に示した反射制御膜の光学特性を示すグラフである。 反射制御膜の第６の構成例を示す側面図である。 図１８に示した反射制御膜の光学特性を示すグラフである。 量子カスケードレーザでの共振器構造の第１の構成例を示す図である。 量子カスケードレーザでの共振器構造の第２の構成例を示す図である。 量子カスケードレーザでの共振器構造の第３の構成例を示す図である。
以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図１は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０と、基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。また、この量子カスケードレーザ１Ａに対して、基板１０側（図中の下側）、及び活性層１５側（図中の上側）には、それぞれレーザ１Ａを駆動するための電極１３、１４が形成されている。
活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
図２は、図１に示した量子カスケードレーザ１Ａの活性層の構成、及びその活性層において形成されるサブバンド準位構造の一例を示す図である。なお、図２においては、量子カスケードレーザ１Ａの活性層１５における単位積層体１６による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を模式的に示している。また、この図において、横方向は活性層内での積層方向の位置に相当し、縦方向はエネルギーに相当する。
図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、電子注入層１８とによって構成されている。これらの発光層１７及び注入層１８は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
本構成例では、活性層１５における１周期分の単位積層体１６は、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。また、このような積層構造において、４層の井戸層１６１〜１６４及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が発光層１７となり、７層の井戸層１８１〜１８７及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が注入層１８となっている。
発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１７１が、前段の注入層と発光層１７との間に位置し、前段の注入層から発光層への電子に対する注入障壁（injection barrier）層となっている。また、注入層１８の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１９１が、発光層１７と注入層１８との間に位置し、発光層から注入層への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層となっている。
図２に示す単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、サブバンド間遷移による発光に関わる準位として、発光上準位（準位３）及び発光下準位（準位２）を有している。また、単位積層体１６は、これらの発光上準位、下準位に加えて、上準位３よりも高いエネルギー準位である注入準位（準位４）、及び下準位２よりも低いエネルギー準位である緩和準位（準位１）を有している。
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層からの電子ｅ−は、注入障壁層１７１を介して、共鳴トンネル効果によって発光層１７の注入準位４へと注入される。また、注入準位４に注入された電子は、例えば縦光学（ＬＯ）フォノン散乱などによって上準位３へと供給される。さらに、上準位３に供給された電子は下準位２へと発光遷移し、このとき、準位３及び準位２のサブバンド準位間のエネルギー差に相当する波長の光ｈνが生成される。また、下準位２へと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱などによって緩和準位１へと緩和されて引き抜かれる。これにより、上準位３と下準位２との間でレーザ発振を実現するための反転分布が形成される。
また、緩和準位１に緩和された電子は抽出障壁層１９１及び注入層１８を介して、後段の発光層の注入準位へと注入される。このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５の複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体でのサブバンド間遷移の際に所定波長の光ｈνが生成される。また、このような光がレーザ１Ａのレーザ共振器構造で共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。
なお、活性層１５の単位積層体１６における半導体積層構造、量子井戸構造、及びサブバンド準位構造については、図２はその一例を示すものであり、具体的には上記した構成に限らず、様々な構成を用いて良い。一般には、活性層１５は、カスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成することが可能に構成されていれば良い。例えば、図２に示したサブバンド準位構造のうち、注入準位４、緩和準位１については、不要であれば設けない構成としても良い。また、発光層１７、注入層１８を構成する量子井戸層、障壁層の層数、各層厚についても、発光動作に必要な具体的な準位構造等に応じて適宜に設定して良い。
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａでは、図１に模式的に示すように、活性層１５で生成される所定波長の光ｈνに対するレーザ共振器構造において、共振方向（図中の左右方向）に互いに対向して、第１端面１１及び第２端面１２の両端面が設けられている。そして、これらの各レーザ素子端面について、第１端面１１上に、第１ＣｅＯ２絶縁膜２１及び第１反射制御膜２０を順に形成し、また、第２端面１２上に、第２ＣｅＯ２絶縁膜３１及び第２反射制御膜３０を順に形成している。第１、第２反射制御膜２０、３０は、それぞれ例えば反射防止（ＡＲ）膜、または高反射（ＨＲ）膜などの反射膜である。なお、絶縁膜２１、３１、及び反射制御膜２０、３０の構成については、具体的にはさらに後述する。
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａの効果について説明する。
図１及び図２に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、活性層１５において生成される所定波長の光ｈνに対し、レーザ共振器構造で共振方向に位置する第１、第２端面１１、１２に、ＣｅＯ２絶縁膜２１、３１、及び第１、第２反射制御膜２０、３０を端面側から順に形成している。ここで、本願発明者の検討結果によれば、ＣｅＯ２（酸化セリウム）は中赤外領域内の光、例えば、７〜１５μｍの波長領域内の光に対して高い透過性（透明性）を示し、かつ、端面１１、１２上に形成したときに、良好な絶縁性を示す光学材料である。したがって、ＣｅＯ２絶縁膜２１、３１を端面１１、１２上の第１層として、絶縁膜２１、３１及び反射制御膜２０、３０を量子カスケードレーザ１Ａのレーザ素子端面に適用することにより、レーザ素子本体との絶縁を確保しつつ、素子端面１１、１２での中赤外領域の光に対する反射率制御を好適に実現することが可能となる。
なお、上記したレーザ素子端面上のＣｅＯ２絶縁膜２１、３１については、反射制御膜２０、３０とは別個に端面上に設けられる構成とすることができる。この場合、素子本体の第１端面１１及び第２端面１２の面上に、ＣｅＯ２絶縁膜２１、３１が形成され、さらにその上に反射制御膜２０、３０が形成される構成となる。あるいは、ＣｅＯ２絶縁膜２１、３１が反射制御膜２０、３０に含まれており、絶縁膜２１、３１が反射制御膜２０、３０の端面側の第１層を構成していても良い。
詳述すると、量子カスケードレーザ１Ａの素子端面での反射率制御において、例えば波長４μｍ以上の中赤外領域では、一般に可視領域、近赤外領域で広く用いられている光学材料では光の吸収が大きく、好適な特性が得られない。また、例えばＣａＦ２、ＢａＦ２などのフッ化物系の材料においても、１０μｍ以上の波長領域には対応が難しい。
このような波長領域に用いる反射制御膜としては、例えば、低屈折率材料としてＺｎＳまたはＺｎＳｅを用い、高屈折率材料としてＧｅを用いた多層膜が考えられる。しかしながら、これらの光学材料を用いた構成では、レーザ素子との絶縁の確保が難しく、また、１０μｍ以上の波長領域には対応が難しい。一方、素子端面上にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの材料による絶縁膜を形成した場合には、絶縁膜での光の吸収によってレーザ光出力が低下してしまう。また、光の透過性を確保するために薄い絶縁膜とした場合には、充分な絶縁が確保できずに素子の安定動作が得られない。また、例えば非特許文献１では、ＺｎＯ／ＰｂＴｅ多層膜による反射防止膜を用いているが、このような構成においても、充分な特性は得られていない。
また、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＰｂＴｅなどを反射制御膜の材料として用いた場合、これらの材料は、蒸着などの方法で多層膜を形成する際にＶＩ族元素の組成制御が難しいため、素子としての歩留りが低下する場合がある。また、これらの材料は、その物質としての有害性、法律による規制などを考慮すると、実験室レベルではなく、広く普及するレーザ素子を構成する上で問題がある。
このような問題に対し、レーザ素子との絶縁の確保を考慮すると、素子端面上に形成される反射制御膜を含む積層構造での絶縁光学材料としては、一般に酸化物を用いることが考えられる。これについて、本願発明者は、分光エリプソメータを用いて、様々な材料について中赤外領域における光学定数を調べたところ、上述したＣｅＯ２が有望であり、また、端面上の絶縁膜に好適に適用可能であるとの知見を得た。このＣｅＯ２は毒劇物には該当せず、通常の取扱いが可能な物質である。
ここで、光学材料の特性を調べるための分光エリプソメトリーについて簡単に説明しておく。光学材料の屈折率（refraction index）、消衰係数（extinctioncoefficient）などの光学特性を、所望の波長範囲で正確に把握することは、反射制御膜などの機能性光学薄膜の設計において非常に重要である。本願発明者は、波長２〜３０μｍの範囲まで測定可能な分光エリプソメータを導入し、中赤外領域において様々な材料の光学特性の直接的な評価を行っている。
エリプソメトリーでは、２つの独立な量、すなわち、振幅比Ψ及び位相差Δを測定することが可能であり、複素誘電率（複素屈折率）の実部と虚部とを直接得ることができる。振幅比Ψ、位相差Δは以下のように表され、試料での反射光、または透過光の偏光状態の変化として記述される。
Figure 2013254765
ここで、ｒｐ、ｒｓは入射面での偏光（ｐ偏光、ｓ偏光）に対する測定試料の反射係数である。分光エリプソメトリーは、この複素比ρを波長の関数として測定する。
多入射角分光エリプソメトリーでは、波長と入射角との両方を関数として上記の測定を実行することにより、未知の多層膜の評価が可能となる。また、振幅比Ψ、位相差Δは、次式により直接、材料の光学定数に変換することができる。
Figure 2013254765
ここで、φは光の入射角である。入射角を変えて何点か（例えば３点）の測定を行い、入射角の変化によって光路長が変わっても同時に関係式を満足するようにフィッティングを行うことにより、膜厚に依存することなく、測定試料の屈折率ｎ、消衰係数ｋを精度良く求めることができる。
図３は、酸化物系光学材料の屈折率ｎの波長依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波長（μｍ）を示し、縦軸は屈折率ｎを示している。また、図３のグラフにおいて、グラフＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、それぞれ、酸化物系光学材料であるＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３の屈折率特性を示している。
図４、５は、酸化物系光学材料の消衰係数ｋの波長依存性を示すグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は波長（μｍ）を示し、縦軸は消衰係数ｋを示している。また、図４のグラフにおいて、グラフＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、それぞれ、酸化物系光学材料であるＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３の消衰係数特性を示している。また、図５のグラフにおいて、グラフＢ６、Ｂ７、Ｂ８、Ｂ９は、それぞれ同様に、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３の消衰係数特性を一部拡大して示している。
例えば、反射制御膜として高屈折率材料をＧｅとする多層膜を想定すると、Ｇｅは屈折率がｎ＝４であるので、低屈折率材料については、その屈折率が少なくともｎ≦４、好ましくはｎ＜２．５であって、また、波長１０μｍ以上の領域でも充分に透明である必要がある。これに対して、図３のグラフに示すように、ＣｅＯ２は屈折率がｎ＜２であり、反射制御多層膜における低屈折率材料として好適に用いることが可能である。
また、図４、５のグラフに示すように、他の酸化物系材料と比較して、ＣｅＯ２は波長１５μｍ付近まで高い透過性を有している。したがって、ＣｅＯ２は、中赤外領域の光に対する絶縁膜、反射制御膜において好適に適用可能である。なお、上記した非特許文献１では、Ａｕ膜を含む高反射膜に対して、その素子端面側に、Ａｌ２Ｏ３膜等に代わる絶縁膜としてＹ２Ｏ３膜を形成している。これに対し、図４、５のグラフによれば、Ｙ２Ｏ３は波長１０μｍ以上で吸収が大きくなっており、中赤外領域の光に対する絶縁膜、反射制御膜において好適に用いることはできないと考えられる。
また、端面上の絶縁膜、反射制御膜においてＣｅＯ２膜を用いる場合、ＣｅＯ２は大気中の水分と反応する性質があり、このため、図４、５のグラフに示すように、波長１０μｍ以下の領域においてＯＨ基による吸収が発生する場合がある。このような場合、例えば電子ビーム蒸着などによるＣｅＯ２膜の成膜の際に基板加熱を行うことが好ましい。
図６はＣｅＯ２の消衰係数ｋの波長依存性を示すグラフであり、グラフＣ１は室温で成膜を行った場合のＣｅＯ２の消衰係数特性を示し、グラフＣ２は２５０℃で基板加熱して成膜を行った場合のＣｅＯ２の消衰係数特性を示している。このグラフに示すように、成膜時に基板加熱を行うことにより、水分の混入の防止、及び膜質の向上等によってＯＨ基による吸収の影響が低減され、また、透明領域も長波長側に延びることがわかる。
本発明による量子カスケードレーザの構成の具体例について説明する。図７は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。なお、以下に示す図においては、量子カスケードレーザの基板側、活性層側にそれぞれ形成される電極１３、１４（図１参照）については、図示を省略する。
ここで、量子カスケードレーザの素子構造の形成方法については、充分に高品質な単結晶薄膜が成長できる方法であれば、様々な方法を用いて良い。そのような形成方法としては、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、あるいは有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長がある。
図７に示す量子カスケードレーザ１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０として、ｎ型ＩｎＰ単結晶基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ３．５μｍのＩｎＰ下部クラッド層５１、厚さ０．２５μｍのＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５２、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、厚さ０．２５μｍのＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５３、厚さ３．５μｍのＩｎＰ上部クラッド層５４、及び厚さ２０ｎｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層５５が順次積層されることで、量子カスケードレーザ１Ｂの素子構造が形成されている。なお、本構成例においても、そのレーザ共振器構造については、図１と同様の構造（図７においては図示省略）を用いている。
本構成例における活性層１５は、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８を含む単位積層体１６が４０周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図２に模式的に示した構成例と同様に、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。
これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層は、それぞれＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、それぞれＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。これにより、活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。図８に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。本構成例でのレーザ発振光の波長は、λ＝８．５μｍである。
量子カスケードレーザの素子端面に形成される絶縁膜及び反射制御膜の具体的な構成について、さらに説明する。上述したＣｅＯ２絶縁膜、及び反射制御膜については、図１の量子カスケードレーザ１Ａでは、共振方向の第１、第２端面１１、１２の両端面に対して絶縁膜２１、３１、及び反射制御膜２０、３０を設ける構成を例示している。このような構成によれば、レーザ素子における共振器構造を好適に構成することができる。ただし、このようなＣｅＯ２絶縁膜、及び反射制御膜を含む反射制御用の積層構造については、一般には、レーザ共振器構造の具体的な構成等に応じて、互いに対向する第１、第２端面１１、１２の少なくとも一方に形成されていれば良い。
また、レーザ素子端面でＣｅＯ２絶縁膜とともに端面上に形成される反射制御膜については、具体的には、それぞれ所定の材料からなる低屈折率膜と、高屈折率膜とが交互に積層された多層膜である構成を用いることができる。このような反射制御多層膜によれば、低屈折率膜及び高屈折率膜を用いた多層構造における層数、層厚などの具体的な設計により、素子端面での所定波長の光に対する反射率を好適に設定、制御することができる。
また、このように反射制御膜を多層膜として構成する場合、ＣｅＯ２絶縁膜は、反射制御膜に含まれており、多層膜における低屈折率膜として機能する構成としても良い。このように、多層膜における低屈折率膜として、ＣｅＯ２膜を用いることにより、多層構造の反射制御膜を好適に構成することができる。
また、多層膜における高屈折率膜は、図３の屈折率のグラフに関して上述したように、Ｇｅ膜であることが好ましい。このように、多層膜における高屈折率膜として、Ｇｅ膜を用いることにより、多層構造の反射制御膜を好適に構成することができる。また、この場合、低屈折率膜である１または複数のＣｅＯ２膜と、高屈折率膜である１または複数のＧｅ膜とを交互に積層することで、反射制御多層膜を構成しても良い。
あるいは、このような反射制御膜については、上記のように多層膜によって構成するのではなく、Ａｕ膜などの金属膜を含んで反射制御膜を構成することとしても良い。このような構成によっても、素子端面での所定波長の光に対する反射率を好適に制御することができる。また、この場合、金属膜による反射制御膜は、ＣｅＯ２絶縁膜とは別個に、絶縁膜上に形成される。
また、上記構成の量子カスケードレーザにおいて、レーザ素子端面に形成される反射制御膜は、所定波長の光に対する反射防止膜、または所定波長の光を所定の反射率で反射する反射膜であることが好ましい。このような反射防止（ＡＲ）膜、または反射膜（例えば高反射（ＨＲ）膜）を用いることにより、量子カスケードレーザを、その具体的な共振器構造に応じて好適に構成することができる。以下、図９〜図１９を参照して、ＣｅＯ２絶縁膜、及び反射制御膜の構成の具体例、及びその特性について説明する。
図９は、反射制御膜の第１の構成例を示す側面図である。本構成例の反射制御膜１１０は、波長λ＝１０μｍの光に対する反射防止（ＡＲ）膜として設計されたものであり、支持体１００の端面１０１上に、厚さ０．１９３μｍのＣｅＯ２膜１１１、厚さ０．４１８μｍのＧｅ膜１１２、厚さ０．８２６μｍのＣｅＯ２膜１１３、厚さ０．１０７μｍのＧｅ膜１１４、及び厚さ０．６３３μｍのＣｅＯ２膜１１５を積層することで、ＣｅＯ２低屈折率膜及びＧｅ高屈折率膜による多層膜の反射防止膜１１０が構成されている。本構成例では、端面１０１上のＣｅＯ２絶縁膜１１１は反射防止膜１１０に含まれている。
なお、図９に示した構成において、支持体１００は、例えば、図１に示した構成における基板１０及び活性層１５を含む量子カスケードレーザ１Ａの素子本体部分に相当する。また、反射防止膜１１０が形成される端面１０１は、レーザ１Ａの共振器構造における第１端面１１、または第２端面１２に相当する。また、図９に示した厚さ１０ｎｍのＳｉ膜１１８は、後述するように、反射防止膜１１０の光学特性に影響を与えない膜厚で最外層として形成した保護膜である。
図１０は、図９に示した反射制御膜１１０の光学特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波長（μｍ）を示し、縦軸は光の透過率または反射率（％）を示している。また、図１０のグラフにおいて、グラフＤ１は透過率を示し、グラフＤ２は反射率を示している。この多層膜の構成例では、波長１０μｍの光に対してＴ＝９９．９９５％と高い透過率Ｔが得られている。
図１１は、反射制御膜の第２の構成例を示す側面図である。本構成例の反射制御膜１２０は、波長λ＝１０μｍを含む広帯域の光に対する反射防止（ＡＲ）膜として設計されたものであり、支持体１００の端面１０１上に、厚さ０．２８３μｍのＣｅＯ２膜１２１、厚さ０．３３６μｍのＧｅ膜１２２、厚さ０．２８３μｍのＣｅＯ２膜１２３、厚さ１．２５μｍのＧｅ膜１２４、厚さ０．６３３μｍのＣｅＯ２膜１２５、及び厚さ０．１０７μｍのＧｅ膜１２６を積層することで、多層膜の反射防止膜１２０が構成されている。本構成例においても、ＣｅＯ２絶縁膜１２１は反射防止膜１２０に含まれている。
図１２は、図１１に示した反射制御膜１２０の光学特性を示すグラフである。図１２のグラフにおいて、グラフＤ３は透過率を示し、グラフＤ４は反射率を示している。この多層膜の構成例では、波長１０μｍの光に対してＴ＝９６．８５５％と高い透過率が得られており、また、波長１０μｍを含む広い波長帯域で高い透過率Ｔが得られている。
図１３は、反射制御膜の第３の構成例を示す側面図である。本構成例の反射制御膜１３０は、波長λ＝１０μｍの光に対する高反射（ＨＲ）膜として設計されたものであり、支持体１００の端面１０１上に、厚さ１．７０μｍのＣｅＯ２膜１３１、厚さ０．６２５μｍのＧｅ膜１３２、厚さ１．７０μｍのＣｅＯ２膜１３３、及び厚さ０．６２５μｍのＧｅ膜１３４を積層することで、多層膜の高反射膜１３０が構成されている。本構成例においても、ＣｅＯ２絶縁膜１３１は高反射膜１３０に含まれている。
図１４は、図１３に示した反射制御膜１３０の光学特性を示すグラフである。図１４のグラフにおいて、グラフＤ５は透過率を示し、グラフＤ６は反射率を示している。この多層膜の構成例では、波長１０μｍの光に対してＲ＝９７．７４６％と高い反射率Ｒが得られている。
図１５は、反射制御膜の第４の構成例を示す側面図である。本構成例の反射制御膜１４０は、金属膜を用いた高反射（ＨＲ）膜として構成されている。具体的には、支持体１００の端面１０１上に、ＣｅＯ２絶縁膜１４１が形成され、さらにその上に、金属膜であるＡｕ膜１４２が形成され、このＡｕ膜１４２によって高反射膜１４０が構成されている。このような絶縁膜１４１、及び高反射膜１４０を含む積層構造は、例えば、端面１０１上に、厚さ３００ｎｍのＣｅＯ２絶縁膜１４１、及び厚さ２００ｎｍのＡｕ膜１４２を順に形成することで構成することができる。また、必要があれば、ＣｅＯ２絶縁膜１４１と、Ａｕ膜１４２との間に、ＣｅＯ２との密着性を良くするための１または複数の所定材料の膜、例えば厚さ５ｎｍのＴｉ膜を形成しても良い。
図９〜１４に示した反射制御膜の第１〜第３の構成例では、いずれも波長λ＝１０μｍの光を反射制御の対象として、反射防止膜または高反射膜として設計された例を示している。ただし、このような反射制御膜は、波長１０μｍの光に限らず、一般に任意の波長の光に対して同様に設計、適用することが可能である。
図１６は、反射制御膜の第５の構成例を示す側面図である。本構成例の反射制御膜２１０は、波長λ＝８μｍの光に対する反射防止（ＡＲ）膜として設計されたものであり、支持体１００の端面１０１上に、厚さ０．１５５μｍのＣｅＯ２膜２１１、厚さ０．３３２μｍのＧｅ膜２１２、厚さ０．６５５μｍのＣｅＯ２膜２１３、厚さ０．０７９μｍのＧｅ膜２１４、厚さ０．５０１μｍのＣｅＯ２膜２１５、及び厚さ０．０１０μｍのＧｅ膜２１６を積層することで、多層膜の反射防止膜２１０が構成されている。本構成例では、ＣｅＯ２絶縁膜２１１は反射防止膜２１０に含まれている。
図１７は、図１６に示した反射制御膜２１０の光学特性を示すグラフである。図１７のグラフにおいて、グラフＥ１は透過率を示し、グラフＥ２は反射率を示している。この多層膜の構成例では、波長８μｍの光に対してＴ＝９９．６４４％と高い透過率Ｔが得られている。
図１８は、反射制御膜の第６の構成例を示す側面図である。本構成例の反射制御膜２２０は、波長λ＝１３μｍの光に対する反射防止（ＡＲ）膜として設計されたものであり、支持体１００の端面１０１上に、厚さ０．２５０μｍのＣｅＯ２膜２２１、厚さ０．５５２μｍのＧｅ膜２２２、厚さ１．０７７μｍのＣｅＯ２膜２２３、厚さ０．１７４μｍのＧｅ膜２２４、厚さ０．８２７μｍのＣｅＯ２膜２２５、及び厚さ０．０１０μｍのＧｅ膜２２６を積層することで、多層膜の反射防止膜２２０が構成されている。本構成例においても、ＣｅＯ２絶縁膜２２１は反射防止膜２２０に含まれている。
図１９は、図１８に示した反射制御膜２２０の光学特性を示すグラフである。図１９のグラフにおいて、グラフＥ３は透過率を示し、グラフＥ４は反射率を示している。この多層膜の構成例では、波長１３μｍの光に対してＴ＝９９．８６９％と高い透過率Ｔが得られている。
なお、上述したＣｅＯ２膜を含む絶縁膜及び反射制御膜の積層構造について、例えば反射制御膜が形成されたレーザ素子を長期間大気中に暴露される環境で使用するなど、ＣｅＯ２の潮解性が問題となる場合には、その反射制御膜の最外層として、ＣｅＯ２膜を保護するための保護膜を設けることが好ましい。また、そのような保護膜としては、特にＳｉ膜を用いることが好ましい。
例えば、図９に示すように反射制御膜１１０の最外層がＣｅＯ２膜１１５である場合、さらにその外側にＳｉ膜などの保護膜１１８を形成する。この場合、Ｓｉ保護膜は、反射制御膜１１０の光学特性に大きな影響を与えない程度に薄い膜厚（例えば１０ｎｍ程度の膜厚）で形成することが好ましい。一方、例えば、図１１の反射制御膜１２０に示すように、反射制御膜の最外層がＧｅ膜である場合には、このＧｅ膜がＣｅＯ２膜に対する保護膜として機能する。図１５に示す構成でのＡｕ膜１４２についても同様である。なお、図９に示すように、反射制御膜の最外層がＣｅＯ２膜である場合でも、レーザ素子の使用条件等によってＣｅＯ２の潮解性が問題とならない場合には、Ｓｉ保護膜等の最外保護膜を設けない構成としても良い。
ＣｅＯ２／Ｇｅ多層膜などの多層膜によって反射制御膜を構成した場合の反射制御膜の設計方法について、簡単に説明する。まず、最も基本となる単一膜の場合を考える。光の入射側媒質、反射薄膜、及び支持体の屈折率を、それぞれｎ０、ｎ、ｎｍとし、波長λの光が膜厚ｄの薄膜に垂直入射する場合、反射防止（無反射）コーティングにおいて反射率Ｒが０となる条件は、
ｎｄ＝ｑλ／４ （ｑ＝１，３，５，…）
ｎ＝（ｎ０ｎｍ）１／２
となる。この２式はそれぞれ、波長と膜厚の関係、及び屈折率の関係を示している。
膜厚がλ／４、λ／２などの組合せで、種々の支持体上に反射制御膜のコーティングを施すためには、目的とする波長域において、上記の式で求められた任意の屈折率の薄膜を用意する必要がある。このような問題を解決する１つの方法として、等価膜という考え方がある。すなわち、この考え方は、屈折率ｎ、膜厚λ／４の薄膜を、低屈折率ｎ１の材料の薄膜と、高屈折率ｎ２の材料の薄膜との周期的な多層構造によって等価的に構成するというものである。この場合、屈折率、各層の膜厚、層数の組合せは理論的には無限に可能であるが、その中から現実的な解を採用して反射制御膜を設計することとなる。
例えば、λ／４の２層として反射率Ｒ＝０となる屈折率の組合せｎ１、ｎ２（ただし、ｎ１＜ｎｍ＜ｎ２）を算出する。そして、そのｎ１、ｎ２と屈折率が等価となるように、それぞれ実際の物質（例えば、ＣｅＯ２とＧｅ）の周期構造で置き換える。なお、上記においては、Ｒ＝０となる反射防止膜について説明したが、例えばＲ＝１となる高反射膜などの反射膜についても同様の考え方によって設計が可能である。また、反射制御膜の設計における実際の計算は、例えば、市販の設計ソフトウェア、あるいは汎用の計算プログラム等によっても実行可能である。
上記構成の絶縁膜及び反射制御膜を含む積層構造の製造方法の一例について、簡単に説明する。まず、通常の量子カスケードレーザの製造工程と同様に、例えばＩｎＰ基板等の所定材料の基板上に、ＭＯＣＶＤ法等によってレーザ構造の結晶成長を行う。そして、フォトリソグラフィ、エッチング技術を用いてストライプ構造を形成し、レーザ共振器構造における素子端面をへき開によって形成して、レーザバーの状態とする。
続いて、真空蒸着装置、例えば電子ビーム（ＥＢ）蒸着装置において、専用のジグを用いて素子端面のみが露出するようにレーザバーを固定し、所望の材料の薄膜を必要な膜厚となるように端面上に形成する。例えば、反射制御膜を、その第１層のＣｅＯ２絶縁膜を含むＣｅＯ２／Ｇｅ多層膜とする場合には、ＣｅＯ２、Ｇｅを蒸着源としたマルチソースで蒸着を行い、ＣｅＯ２膜とＧｅ膜とが交互に積層された反射制御多層膜を形成する。また、反射制御膜の外側にＳｉ保護膜を形成する場合には、ＣｅＯ２、Ｇｅに加えて、Ｓｉを蒸着源としたマルチソースで蒸着を行えば良い。ここで、ＣｅＯ２、Ｇｅ、Ｓｉは、ともに電子ビーム蒸着で成膜が可能であり、マルチソースの蒸着装置にて真空を破ることなく、絶縁膜、多層膜、及び保護膜を形成することが可能である。
また、図６のグラフに関して上述したように、このような反射制御膜の形成工程において、例えば２５０℃での基板加熱を行うことにより、水分の混入の防止、及び膜質の向上などの効果が得られる。量子カスケードレーザの素子端面に反射制御膜を形成した後は、レーザバーの状態から１チップに切り出し、組立工程、パッケージング工程を行うことによって、レーザ素子が完成する。なお、ＣｅＯ２絶縁膜、反射制御膜の成膜については、一般には上記した電子ビーム蒸着が用いられるが、例えば抵抗加熱蒸着、スパッタなどの他の方法を用いても、同様に成膜が可能である。
上記構成の絶縁膜、反射制御膜を含む量子カスケードレーザについて、その共振器構造の具体的な構成例とともに、さらに説明する。ここで、近年、量子カスケードレーザの応用において、レーザ吸収分光、あるいは環境ガス計測などの多くの応用分野で、スペクトル純度が高い単一モード発振を維持するレーザ素子が要求されている。しかしながら、共振器長の軸モードに起因して多モード発振するファブリペロー（ＦＰ：Fabry-Perot）型のレーザ素子では、このような単一モード発振の要求を満たすことは難しい。
そこで、量子カスケードレーザにおいても、通信波長帯域の半導体レーザと同様に、各種の動的単一モードレーザが開発されている。動的単一モードを実現するためには、発振閾値利得に顕著なモード依存性を持たせて、基本モード以外の発振を阻止すれば良い。そのようなレーザ素子として、例えば外部共振器（ＥＣ）型の量子カスケードレーザ、分布帰還（ＤＦＢ）型の量子カスケードレーザなどがある。上記したＣｅＯ２絶縁膜及び反射制御膜は、これらの量子カスケードレーザに対して好適に適用することができる。
量子カスケードレーザの素子端面における反射制御膜の構成、及びレーザ共振器構造については、具体的には例えば、レーザ共振器構造は、第１端面に第１反射制御膜として反射防止膜が形成され、第２端面に第２反射制御膜として反射膜が形成されて、外部共振器（ＥＣ）型に構成されていても良い。あるいは、レーザ共振器構造は、第１端面に第１反射制御膜として反射防止膜が形成され、第２端面に第２反射制御膜として反射防止膜が形成されて、分布帰還（ＤＦＢ）型に構成されていても良い。
上記したＣｅＯ２絶縁膜及び反射制御膜による積層構造を用いる構成によれば、第１、第２端面にそれぞれ適切な特性の反射制御膜を形成することにより、量子カスケードレーザにおけるＥＣ型、ＤＦＢ型などのレーザ共振器構造を、それぞれ好適に実現することができる。以下、図２０〜図２２を参照して、量子カスケードレーザの構成の具体例について説明する。
図２０は、量子カスケードレーザにおけるレーザ共振器構造の第１の構成例を示す図である。本構成例による量子カスケードレーザ１Ｃでは、半導体基板１０、及び単位積層体が多段に積層された活性層１５を含むレーザ素子本体に対し、その第１端面１１上に、ＣｅＯ２絶縁膜２１ｃを介して、第１反射制御膜として反射防止（ＡＲ）膜２０ｃが形成され、また、第２端面１２上に、ＣｅＯ２絶縁膜３１ｃを介して、第２反射制御膜として高反射（ＨＲ）膜３０ｃが形成されている。このような構成において、第１端面１１は、素子本体から外部へのレーザ光の出力端面となっている。
また、本構成例では、レーザ素子本体の第１端面１１、絶縁膜２１ｃ、及び反射防止膜２０ｃと対向する外部の所定位置に、反射手段として、素子本体からの光のうちで狭い波長範囲の光のみを共振方向に帰還させる回折格子ミラー６１が配置されている。これにより、第２端面１２上の高反射膜３０ｃと、外部の回折格子ミラー６１とによって、ＥＣ型のレーザ共振器が構成されている。
このような構成では、素子固有のＦＰモードは第１端面１１の反射防止膜２０ｃによって抑制され、縦モードのうちで回折格子ミラー６１によって最も強く帰還されるもののみが、レーザ共振器構造において発振する。また、回折格子ミラー６１で共振方向とは異なる方向に反射された光は、反射ミラー６２を介してレーザ光として外部へと出力される。また、素子本体に対する回折格子ミラー６１の設置角度を変化させることにより、利得スペクトルの範囲内で出力レーザ光の波長を連続的に可変とすることができる。
図２１は、量子カスケードレーザにおけるレーザ共振器構造の第２の構成例を示す図である。本構成例による量子カスケードレーザ１Ｄでは、半導体基板１０上に、下部クラッド層７１、下部ガイド層７２、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、上部ガイド層７３、及び上部クラッド層７４が積層されることで、レーザ素子本体が構成されている。さらに、上部クラッド層７４において回折格子構造７５が形成され、これによって、ＤＦＢ型のレーザ共振器が構成されている。
また、このように基板１０、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、及び回折格子構造７５を含むＤＦＢ型のレーザ素子本体に対し、その第１端面１１上に、ＣｅＯ２絶縁膜２１ｄを介して、第１反射制御膜として反射防止（ＡＲ）膜２０ｄが形成され、また、第２端面１２上に、ＣｅＯ２絶縁膜３１ｄを介して、第２反射制御膜として同じく反射防止（ＡＲ）膜３０ｄが形成されている。
ここで、素子本体の導波路内に設けられた回折格子構造７５については、格子ピッチが一様な均一回折格子では一般に発振閾利得が最小のモードが２つ存在し、それに対応して２モード発振が起きやすい。これに対して、図２１の構成例では、回折格子構造７５において、途中で位相を反転させた位相シフト回折格子を用いている。このような構成では、発振閾利得が最小のモードが原理的に１つなので、単一モード発振が得られる。
しかしながら、このように位相シフト回折格子構造７５を用いたＤＦＢ型のレーザ１Ｄにおいても、例えば反射率３０％程度のへき開面のように、素子本体の両端面１１、１２で光の反射がある場合は、端面での回折格子の位相によって発振モードが複雑な振る舞いをするために、安定した単一モード動作を得ることが難しい。これに対して、上記したように素子本体の端面１１、１２に反射防止膜２０ｄ、３０ｄを設ける構成によれば、安定した単一モード動作を実現することができる。なお、このような反射防止膜を用いた構成は、通常の回折格子構造を有するレーザ素子においても同様に適用可能である。
図２２は、量子カスケードレーザにおけるレーザ共振器構造の第３の構成例を示す図である。本構成例による量子カスケードレーザ１Ｅでは、半導体基板１０、及び単位積層体が多段に積層された活性層１５を含むレーザ素子本体に対し、その第１端面１１上に、ＣｅＯ２絶縁膜２１ｅを含む第１反射制御膜として反射防止（ＡＲ）膜２０ｅが形成され、また、第２端面１２上に、ＣｅＯ２絶縁膜３１ｅを介して、第２反射制御膜として高反射（ＨＲ）膜３０ｅが形成されている。
このような構成において、素子本体の第１端面１１上の絶縁膜２１ｅを含む反射防止膜２０ｅは、例えば、ＣｅＯ２膜とＧｅ膜とが交互に積層された多層膜によって構成することができる。また、第２端面１２にあるＣｅＯ２絶縁膜３１ｅ上の高反射膜３０ｅは、例えば、ＣｅＯ２膜を含む反射制御膜によって構成することができる。
あるいは、高反射膜３０ｅとして、例えば、Ａｕ膜などの金属膜を用いる構成としても良い。この場合、高反射膜３０ｅは、ＣｅＯ２透明絶縁膜３１ｅを介してＡｕなどの金属を蒸着することによって形成される。具体的な構成例としては、ＣｅＯ２絶縁膜３１ｅ上に、ＣｅＯ２との密着性を良くするための厚さ５ｎｍのＴｉ膜を形成し、さらにそのＴｉ膜の上に厚さ２００ｎｍのＡｕ膜を形成する構成を用いることができる。
本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による発光遷移が可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ、Ｓｉ／ＳｉＧｅなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。また、量子カスケードレーザの活性層における積層構造、及びレーザ素子全体としての半導体積層構造についても、上記した構造以外にも様々な構造を用いて良い。
また、反射制御膜については、上記実施形態では、半導体基板及び活性層を含むレーザ素子本体に対し、レーザ共振器構造における第１、第２端面の両方にＣｅＯ２絶縁膜及び反射制御膜を形成する構成を示しているが、このような構成に限られるものではない。一般には、量子カスケードレーザは、活性層で生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、互いに対向する第１端面及び第２端面の少なくとも一方の面上に、ＣｅＯ２絶縁膜、及び反射制御膜が順に形成されている構成であれば良い。また、量子カスケードレーザの共振器構造については、上記した各構成例ではＥＣ型、ＤＦＢ型を例示したが、それら以外のレーザ共振器構造を用いても良い。
本発明は、レーザ素子端面での中赤外領域の光に対する反射率制御を好適に実現することが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。
１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１１…第１端面、１２…第２端面、１３、１４…電極、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、２０…第１反射制御膜、２１…ＣｅＯ２絶縁膜、３０…第２反射制御膜、３１…ＣｅＯ２絶縁膜、１００…支持体、１０１…端面、１１０〜１４０、２１０、２２０…反射制御膜、１１８…保護膜、
１Ｃ〜１Ｅ…量子カスケードレーザ、２０ｃ…反射防止膜、３０ｃ…高反射膜、２０ｄ…反射防止膜、３０ｄ…反射防止膜、２０ｅ…反射防止膜、３０ｅ…高反射膜、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ…絶縁膜、６１…回折格子ミラー、６２…反射ミラー、７１…下部クラッド層、７２…下部ガイド層、７３…上部ガイド層、７４…上部クラッド層、７５…回折格子構造、
５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＰ下部クラッド層、５２…ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層、５３…ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層、５４…ＩｎＰ上部クラッド層、５５…ＩｎＧａＡｓコンタクト層。

Claims (8)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層とを備え、
    前記活性層で生成される所定波長の光に対するレーザ共振器構造において、互いに対向する第１端面及び第２端面の少なくとも一方の面上に、ＣｅＯ２絶縁膜、及び反射制御膜が順に形成されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。
  2. 前記反射制御膜は、それぞれ所定の材料からなる低屈折率膜と、高屈折率膜とが積層された多層膜であることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。
  3. 前記ＣｅＯ２絶縁膜は、前記反射制御膜に含まれており、前記多層膜における前記低屈折率膜として機能することを特徴とする請求項２記載の量子カスケードレーザ。
  4. 前記多層膜における前記高屈折率膜は、Ｇｅ膜であることを特徴とする請求項２または３記載の量子カスケードレーザ。
  5. 前記反射制御膜は、金属膜を含んで構成されていることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。
  6. 前記反射制御膜は、前記所定波長の光に対する反射防止膜、または前記所定波長の光を所定の反射率で反射する反射膜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  7. 前記レーザ共振器構造は、前記第１端面に第１反射制御膜として前記反射防止膜が形成され、前記第２端面に第２反射制御膜として前記反射膜が形成されて、外部共振器型に構成されていることを特徴とする請求項６記載の量子カスケードレーザ。
  8. 前記レーザ共振器構造は、前記第１端面に第１反射制御膜として前記反射防止膜が形成され、前記第２端面に第２反射制御膜として前記反射防止膜が形成されて、分布帰還型に構成されていることを特徴とする請求項６記載の量子カスケードレーザ。
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