JP2013254907A - 量子カスケード半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】水平横方向の導波モードにおける高次モードを抑圧可能な構造を有する量子カスケード半導体レーザを提供する。
【解決手段】量子カスケード半導体レーザ１１では、埋め込み領域１５の第１半導体層１７が、メサ導波路１３に接する側部１７ａと、支持基体主面２１ａに接する底部１７ｂとを有しており、この第１半導体層１７は半絶縁性半導体及びｐ型半導体いずれか一方を含む。第２半導体層１９は、ｎ型ドーパントを含むｎ型半導体を備える。埋め込み領域１５内の半導体層にはドーパントが添加されているので、浸み出し光成分は、半導体内のドーパントに吸収されて減衰する。これ故に、埋め込み領域１５の上記構造は、基本横モードを余り減衰させず、高次横モードを選択的に減衰させる。その結果、電流増加時の高次モード発振を効果的に抑制でき、高電流域まで安定して基本横モードのレーザ発振が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子カスケード半導体レーザに関する。
特許文献１には量子カスケードレーザ(Quantum Cascade Laser：略称QCL)とその製造方法が記載されている。量子カスケードレーザは電気絶縁層を含み、この電気絶縁層は鉄ドープＩｎＰ又はドープされていないＩｎＰからなる。
特表２００３−５２６２１４号公報
半導体レーザ、オーム社 Handbook on Physical Properties ofSemiconductors,vol.2, III-Ｖ Compound Semiconductors, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS Applied Physics Letters, vol. 56, pp. 638-640, 1990 Journal of Crystal Growth, vol.62, pp.198-202, 1983
量子カスケード半導体レーザは、例えば約３〜約２０μｍの中赤外波長領域におけるレーザ光を生成可能である。この中赤外波長領域にレーザ発振可能な量子カスケード半導体レーザは、環境ガス分析、医療診断、産業加工といった、今後高い成長の期待される技術分野に適用される。この分野の応用において、量子カスケード半導体レーザは、小型で低コストの光源として期待されており、現在開発中である。
特許文献１に示されるように、量子カスケード半導体レーザは、例えばメサ導波路を含み、このメサ導波路は、半絶縁性半導体から成る埋め込み層で埋め込まれる。この埋め込み層は、電子に対して高抵抗を示すので、電流ブロック層として機能する。このメサ導波路構造では、電流がメサ導波路に強く閉じ込めされる。
この構造の半導体レーザにおいては、効率よく導波光を増幅するために、利得領域を含むメサ導波路に導波光を強く閉じ込める必要がある。これにより、良好な発振が実現される。メサ導波路に導波光を強く閉じ込めるためには、一般に発振波長と同程度のメサ幅を用いることが必要とされる。そのため、中赤外量子カスケード半導体レーザのメサ導波路幅は、発振波長と同等の３〜２０μｍ程度である。このとき、中赤外波長領域のレーザ光を生成可能な量子カスケード半導体レーザのメサ導波路幅は、光通信用の半導体レーザに比べて広く、また導波光の波長の長くなるにつれて増加する。
発明者らの知見によれば、この波長域の量子カスケード半導体レーザでは、その導波光の波長の長さ故に、高次モードに対する抑圧が必要とされる。具体的に説明すると、上記の量子カスケード半導体レーザは、上記のような大きなメサ導波路幅を採用するので、水平横方向の導波モードとして高次モードがカットオフとなりにくく、基本モードだけでなく高次モードも発振する可能性がある。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、水平横方向の導波モードにおける高次モードを抑圧可能な構造を有する量子カスケード半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明に係る量子カスケードレーザは、（ａ）ｎ型半導体からなる主面を有する支持基体上に設けられ、コア層及びｎ型上部クラッド層を含むメサ導波路と、（ｂ）前記メサ導波路の側面を埋め込むように、前記メサ導波路及び前記支持基体の前記主面上に設けられた第１半導体層と、（ｃ）前記メサ導波路を埋め込むように前記第１半導体層上に設けられた第２半導体層とを備える。前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記第１半導体層上において前記メサ導波路を埋め込む埋め込み領域を構成し、前記第１半導体層は半絶縁性半導体及びｐ型半導体の少なくともいずれか一方を含むと共に前記第２半導体層は、ｎ型ドーパントを含むｎ型半導体を含み、前記埋め込み領域の前記第１半導体層は、前記メサ導波路と接する側部と、前記支持基体の前記主面に接する底部とを有し、前記第１半導体層が前記メサ導波路と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１半導体層が前記支持基体の前記主面と前記第２半導体層との間に設けられ、前記コア層は前記支持基体の前記主面と前記ｎ型上部クラッド層との間に設けられる。
この量子カスケード半導体レーザによれば、メサ導波路を伝搬する光の導波モードは、基本モードだけでなく高次モードも潜在的に可能である。高次モードは、基本モードに比べてメサ導波路から横方向に浸み出して、メサ導波路だけでなく埋め込み領域にも大きな振幅を有する。
埋め込み領域の第１半導体層が、メサ導波路に接する側部と、支持基体主面に接する底部とを有しており、この第１半導体層は半絶縁性半導体及びｐ型半導体の少なくともいずれか一方を含む。一方、第２半導体層は、ｎ型ドーパントを含むｎ型半導体を備える。
埋め込み領域内の半導体層にはドーパントが添加されているので、浸み出し光成分は、半導体層内のドーパントに吸収されて減衰する。これ故に、埋め込み領域の上記構造は、基本モードを余り減衰させず、高次モードを選択的に減衰させることを可能にする。その結果、例えば電流増加時の高次モード発振を抑制することが可能となり、高電流域まで安定して基本モードのレーザ発振が可能になる。
第１半導体層が半絶縁性半導体及びｐ型半導体の少なくともいずれか一方を含み、この第１半導体層がメサ導波路と第２半導体層との間に設けられると共に第２半導体層と支持基体の主面との間に設けられる。これ故に、埋め込み領域はキャリアである電子に対して高抵抗化され、メサ導波路領域に電流(キャリア)を狭窄するための電流ブロック層としても機能する。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第２半導体層の前記ｎ型半導体は３．３×１０１６ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を有することが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、ｎ型半導体が３．３×１０１６ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を有するとき、光導波路内の基本モードを余り減衰させず、埋め込み領域に浸み出す高次モードを顕著に減衰させることに有効であり、埋め込み領域は、高次モード抑制のための光吸収に寄与する。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１半導体層は、前記第２半導体層と異なる半導体から成り、前記第１半導体層は、前記第２半導体層の半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する半導体を含むことが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、第１半導体層が第２半導体層と異なる半導体を備えるとき、埋め込み領域の設計の自由度が高まる。また、第１半導体層が第２半導体層より大きいバンドギャップを有する半導体を備えるとき、第１半導体層はメサ導波路への電流狭窄の強化に有効に寄与する。また、第２半導体層が第１半導体層に比べて低い屈折率を示すとき、第２半導体層は屈折率の面からメサ導波路への光閉じ込め強化に有効に寄与する。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザは、前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備えることができる。前記第２半導体層は前記第３半導体層と異なる半導体からなることができる。
この量子カスケード半導体レーザによれば、第３半導体層が第２半導体層と異なる半導体を備えるとき、埋め込み領域の設計の自由度が高まる。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザは、前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備えることができる。前記第２半導体層は前記第３半導体層より低い屈折率の半導体を備えることが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、第２領域が低屈折率の材料からなるとき、埋め込み領域の実質的な屈折率と導波路メサ領域の屈折率との屈折率差を拡大でき、メサ導波路を伝搬する光の基本モードが導波路メサ領域により強く閉じ込められる。この埋め込み領域は、より安定な基本モード発振を量子カスケード半導体レーザに可能にする。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザは、前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備えることができる。前記第３半導体層は前記第２半導体層と異なるｎ型ドーパント濃度のｎ型半導体を備え、前記第３半導体層の前記ｎ型半導体は前記第２半導体層のｎ型ドーパント濃度より小さいｎ型ドーパント濃度を有することが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、第３半導体層が第２半導体層と異なるｎ型ドーパント濃度のｎ型半導体からなるとき、埋め込み領域の設計の自由度が増加でき、構造最適化や特性改善の検討をより容易にする。また、第３半導体層が低いドーパント濃度を有するｎ型半導体を備えるので、第３半導体層が高い比抵抗を有する。これ故に、埋め込み層に流れる漏れ電流がより抑制され、メサ導波路領域への電流狭窄がより強まる。この結果、閾値電流の更なる低減が期待できる。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザは、前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備えることができる。前記第３半導体層はアンドープ半導体からなることが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、第３半導体層がアンドープであり低いキャリア濃度であるので、第３半導体層が高い比抵抗を有する。これ故に、埋め込み層に流れる漏れ電流がより抑制され、メサ導波路領域への電流狭窄がより強まる。この結果、閾値電流の更なる低減が期待できる。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザは、前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備えることができる。前記第３半導体層は半絶縁性半導体からなることが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、第３半導体層が半絶縁性半導体であるので、第３半導体層が非常に高い比抵抗を有する。これ故に、埋め込み層に流れる漏れ電流がより抑制され、メサ導波路領域への電流狭窄がより強まる。この結果、閾値電流の更なる低減が期待できる。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半絶縁性半導体は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＣｏのうちの少なくともいずれかの遷移金属を含むことができる。
この量子カスケード半導体レーザによれば、これらの遷移金属をドーパントとしてＩｎＰやＡｌＩｎＡｓ等の半導体に添加することにより、半導体に半絶縁を付与でき、キャリア（電子）に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高い比抵抗を提供できる。従って、半絶縁性半導体は電流ブロック層として良好に機能する。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザは、前記埋め込み領域の上面を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた電極とを更に備えることができる。前記絶縁膜は、前記メサ導波路の上面に設けられた開口を有し、前記電極は前記絶縁膜の前記開口を介して前記メサ導波路の前記上面に接触を成すことが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、絶縁膜が埋め込み領域の上面を覆うとき、絶縁膜がメサ導波路の上面に設けられた開口を有するので、この開口を介してメサ導波路に選択的にキャリアである電子が注入される。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記埋め込み領域の前記第1、第2又は第３半導体層は、ＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方であることが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、埋め込み領域の少なくとも一部分がＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓを含むとき、ドーパントによる安定した光吸収を提供できる。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記支持基体は、基板及び該基板上のｎ型ＩｎＰ半導体層、並びにｎ型ＩｎＰ基板のいずれか一方であり、前記ｎ型上部クラッド層はＩｎＰ半導体からなることができる。
この量子カスケード半導体レーザによれば、支持基体として、基板及び該基板上のｎ型ＩｎＰ半導体層を用いることができ、或いはｎ型ＩｎＰ基板を直接に用いることができる。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記コア層は、発光のための複数の発光層と、前記発光層にキャリアを注入するための複数の注入層とを含み、前記発光層及び前記注入層は交互に配列されており、前記発光層及び前記注入層の各々はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列を含むことが好ましい。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１半導体層は半絶縁性半導体を含み、前記埋め込み領域の前記第１半導体層は、前記メサ導波路の側面及び前記支持基体の前記主面の全体を覆うことが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、第１半導体層がメサ導波路の側面を覆うので、コア層の側面及びｎ型上部クラッド層側面が第１半導体層で覆われる。第１半導体層は半絶縁性半導体であるので、メサ導波路のコア層及びｎ型上部クラッド層を埋め込み領域の第２半導体層から半絶縁性半導体で電気的に分離できると共に、第２半導体層のｎ型半導体は、メサ導波路における伝搬の高次モードの発振を抑制できる。
本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１半導体層はｐ型半導体を含み、前記埋め込み領域の前記第１半導体層は、前記メサ導波路の側面及び前記支持基体の前記主面の全体を覆うことが好ましい。
この量子カスケード半導体レーザによれば、第１半導体層がメサ導波路の側面を覆うので、コア層の側面及びｎ型上部クラッド層側面が第１半導体層で覆われる。第１半導体層はｐ型半導体であるので、メサ導波路のコア層及びｎ型上部クラッド層を埋め込み領域の第２半導体層からｐ型半導体で電気的に分離できると共に、第２半導体層のｎ型半導体及び第２半導体層のｐ型半導体は、メサ導波路における伝搬の高次モードの発生を抑制できる。
以上説明したように、本発明によれば、水平横方向の導波モードにおける高次モードを抑圧可能な構造を有する量子カスケード半導体レーザが提供される。
図１は、本実施の形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す図面である。 図２は、半絶縁性の埋め込み領域を有する量子カスケード半導体レーザにおける導波光モードを示す図面である。 図３は、量子カスケード半導体レーザのためのコア層の一例を示す図面である。 図４は、量子カスケードレーザのための発光層の材料（典型材料ＧａＩｎＡｓ）及び埋め込み層の材料（典型材料：ＩｎＰ）の屈折率の波長依存性を計算した結果を示す図面である。 図５は、本実施の形態に係る構造例を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る構造例を示す図面である。 図７は、本実施の形態に係る構造例を示す図面である。 図８は、本実施の形態に係る構造例を示す図面である。
引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の量子カスケード半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施の形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す図面である。図１の（ａ）部を参照すると、量子カスケードレーザ１１は、メサ導波路１３と、メサ導波路１３を埋め込む埋め込み領域１５とを備える。メサ導波路１３及び埋め込み領域１５は、支持基体２１の主面２１ａ上に設けられている。主面２１ａはｎ型半導体からなり、好ましくは支持基体２１もｎ型半導体からなる。第１半導体層１７及び第２半導体層１９は埋め込み領域１５に含まれており、メサ導波路１３を埋め込む埋め込み領域１５を構成する。メサ導波路１３は、コア層２３及びｎ型上部クラッド層２５を含む。コア層２３は支持基体２１の主面２１ａとｎ型上部クラッド層２５との間に設けられる。第１半導体層１７は、半絶縁性半導体及びｐ型半導体の少なくともいずれか一方を含む。第２半導体層１９は、ｎ型ドーパントを含むｎ型半導体を含む。第１半導体層１７は、メサ導波路１３の側面１３ａを埋め込むようにメサ導波路１３及び支持基体２１の主面２１ａ上に設けられる。第２半導体層１９は、メサ導波路１３を埋め込むように第１半導体層１７上に設けられる。第１半導体層１７がメサ導波路１３と第２半導体層１９との間に設けられる。第１半導体層１７が支持基体２１の主面２１ａと第２半導体層１９との間に設けられる。
一実施例では、埋め込み領域１５内の第１半導体層１７は、メサ導波路１３の側面１３ａに接する側部１７ａと、支持基体２１の主面２１ａに接する底部１７ｂとを有する。
図２は、半絶縁性の埋め込み領域を有する量子カスケード半導体レーザにおける光学モードを示す図面である。図２では、光学モードは基本横モードＭ０及び一次横モードＭ１が例示的に示される。図２は、半絶縁性半導体から成る埋め込み領域を用いた量子カスケード半導体レーザの水平横モードをビーム伝搬法（ＢＰＭ：beampropagation method)を用いて計算した結果を示す。図２の横軸は、水平横方向の座標を示し、その原点は量子カスケード半導体レーザの素子中央を示す。このモデルにおいて、量子カスケード半導体レーザの発振波長は８マイクロメートルである、そのメサ幅は、発振波長と同等の長さの７μｍである。図２に示されるように、量子カスケード半導体レーザに固有の構造に起因して、基本横モードに加えて１次の高次モードが発生しうる。前述の通り、このような高次モードが発振するとき、このモードと基本横モードとの競合が生じる。この競合は、基本横モードの発振を阻害し、或いは不安定化させる。このとき、量子カスケード半導体レーザの電流−光出力特性には、キンクの発生が見られるようになり、また発振波長の変動や雑音の増加といった特性劣化を招き、実用上の障害となるので、高次モードの発生は、望ましくない。
しかしながら、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザ１１によれば、メサ導波路１３を伝搬する光の導波モードは、図２に示されるように、基本横モードＭ０だけでなく高次横モード（例えばＭ１）も潜在的に可能である。高次横モードは、基本横モードに比べてメサ導波路１３から横方向に浸み出して、メサ導波路１３だけでなく埋め込み領域１５にも大きな振幅を有する。
埋め込み領域１５の第１半導体層１７が、メサ導波路１３に接する側部１７ａと、支持基体主面２１ａに接する底部１７ｂとを有しており、この第１半導体層１７は半絶縁性半導体及びｐ型半導体の少なくともいずれか一方を含む。一方、第２半導体層１９は、ｎ型ドーパントを含むｎ型半導体を備える。
埋め込み領域１５内の半導体層には、光吸収を示す程度の濃度でドーパントが添加されているので、浸み出し光成分は、半導体内のドーパントに吸収されて減衰する。これ故に、埋め込み領域１５の上記構造は、基本横モードＭ０を余り減衰させず、高次横モード（例えばＭ１）を減衰させることをできる。その結果、例えば電流増加時の高次モード発振を選択的かつ効果的に抑制することが可能となり、広い電流域において安定して基本横モードのレーザ発振が可能になる。
再び図１を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１は、絶縁膜２７及び電極２９を更に備えることができる。量子カスケード半導体レーザ１１では、絶縁膜２７は、埋め込み領域１５の上面１５ｂを覆う。電極２９は絶縁膜２７上に設けられる。絶縁膜２７は、メサ導波路１３の上面１３ｂに設けられた開口２７ａを有する。電極２９は絶縁膜２７の開口２７ａを介してメサ導波路１３の上面１３ａに接触を成す。絶縁膜２７が埋め込み領域１５の上面１５ｂを覆うと、絶縁膜２７の開口２７ａがメサ導波路上面１３ｂに位置するので、電極２９からの電流が、この開口２７ａを介してメサ導波路１３に選択的に注入される。
埋め込み領域１５の第１半導体層１７はＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方であることが好ましい。埋め込み領域１５の第２半導体層１９はＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方であることができる。埋め込み領域１５の一部分又は全てがＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓを含むとき、添加されたドーパントによる安定した光吸収を提供できる。
量子カスケード半導体レーザ１１では、支持基体２１は、一例の構造は以下のものである。支持基体２１は、ＩｎＰ基板及び該ＩｎＰ基板上のｎ型ＩｎＰ半導体層、並びにｎ型ＩｎＰ基板のいずれか一方であることができる。ｎ型上部クラッド層２５はＩｎＰ半導体からなることができる。
図３は、量子カスケード半導体レーザのためのコア層の一例を示す図面である。量子カスケード半導体レーザ１１では、コア層２３は、発光のための複数の発光層３１と、この発光層３１にキャリアを注入するための複数の注入層３３とを含む。これら発光層３１及び注入層３３は交互に配列されており、発光層３１及び注入層３３の各々はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列を含むことが好ましい。図１に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１１は、コア層２３に隣接して設けられる光閉じ込め層４１、４３を備えることができる。光閉じ込め層４１は、コア層２３と上部クラッド層２５との間に設けられる。光閉じ込め層４３は、コア層２３と支持基体２１（存在する場合には、下部クラッド層）との間に設けられる。光閉じ込め層は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓ又はアンドープＧａＩｎＡｓ等からなることができる。
図３に示されるように、コア層２３は、発光層３１及び注入層３３から成る単位構造を含み、この単位構造が数十周期の多段に接続される。発光層３１及び注入層３３の各々は、数ｎｍ厚の薄膜の量子井戸層と、同じく数ｎｍ厚の薄膜で量子井戸層よりも高バンドギャップのバリア層とが交互に積層された超格子列からなる。
量子カスケード半導体レーザの発光原理を簡単に説明する。量子カスケード半導体レーザでは、キャリアとしては電子のみが利用され、伝導帯における電子のサブバンド間遷移により発光が生じる。図３に示されるように、超格子構造に起因して、発光層中には上準位と下準位１、２の合計３つのサブバンド準位が形成されている。このコア層に電界を印加すると、その電界によって電子にとって高電位側の発光層１の上準位に電子が注入されて下準位１に遷移する。その際に、両準位間のエネルギ差に対応する波長の発光が生じる。ここで、発光層を構成する量子井戸層とバリア層の材料組成及び膜厚を適切に選択して上準位と下準位１のエネルギ差を調節する。これによって、波長３〜２０μｍの中赤外発光を得ることができる。中赤外発光に良い材料として、本実施例では、量子井戸層にはＧａＩｎＡｓが適用され、バリア層にはＡｌＩｎＡｓが適用される。これらの材料をコア層超格子列に用いることにより、伝導帯サブバンド間遷移による、波長３〜２０μｍの中赤外領域で発振可能な量子カスケード半導体レーザを実現できる。
次に、発光層１の下準位１に遷移した電子は、ＬＯフォノンを放出して、更にその下の下準位２へ高速に緩和した後に、注入層１を経由して隣の単位構造の発光層２の上準位に注入される。この説明から理解されるように、下準位２は、下準位１に遷移した電子を高速に緩和させて下準位１のキャリアを枯渇させ、上準位との間でのキャリアの反転分布を効率よく形成するために用いられる。また、注入層は、図３に示すように、多数のサブバンド準位が密集したミニバンドと呼ばれる電子の輸送路が形成された構造となっていることができ、この電子の輸送路を電子が通過して、次の発光層へスムーズに注入される。発光層２に注入された電子は発光層１同様に発光遷移した後に、注入層２を経由して次の単位構造の発光層３に受け渡され、以下同様にして、多段に接続された各単位構造で発光遷移が繰り返される。量子カスケード半導体レーザの出力光としては、各単位構造での発光が足し合わさって放出されるが、電流注入増加と共に、発光が強まり、やがて発振閾値に達すると、利得が内部ロスや共振器ロスを上回って発振が生じる。
このようにコア層としては、注入層及び活性層を多段接続した構造が用いられ、活性層間を注入層で接続することで、電子は隣接する活性層に連続的にスムーズに受け渡されて、伝導帯サブバンド間遷移による発光が効率よく生じる。この説明から明らかなように、量子カスケード半導体レーザでは伝導帯のみを用い、伝導帯サブバンド間の電子遷移により発光が生じる。
一方、光通信等で用いられるｐｎ接合を用いた半導体レーザでは、伝導帯の電子が価電子帯にバンド間遷移し、価電子帯のホールと再結合する際に放出する遷移エネルギにより発光が生じる。したがって、量子カスケード半導体レーザは、ｐｎ接合を用いたレーザダイオードと異なる原理により発光している。
再び図１を参照して、量子カスケード半導体レーザ１１を説明する。第１半導体層１７が半絶縁性半導体及びｐ型半導体の少なくともいずれか一方を含み、この第１半導体層１７がメサ導波路１３と第２半導体層１９との間に設けられると共に第２半導体層１９と支持基体主面２１ａとの間に設けられる。これ故に、埋め込み領域１５はキャリアである電子に対して高抵抗化され、メサ導波路領域１３に電流(キャリア)を狭窄するための電流ブロック層としても機能する。
量子カスケードレーザ１１の一実施例では、第２半導体層１９のｎ型半導体は３．３×１０１６ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を有することが好ましい。ｎ型半導体における３．３×１０１６ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度は、光導波路内の基本横モードＭ０を余り減衰させず、埋め込み領域１５に浸み出す高次横モードを顕著に減衰させることに有効である。これ故に、埋め込み領域１５は、高次横モード抑制のための光吸収に寄与できる。また、ｎ型半導体のｎ型ドーパント濃度の上限は例えば1×１０２０ｃｍ−３以下である。
また、量子カスケードレーザ１１の一実施例では、第１半導体層１７は、第２半導体層１９と異なる半導体から成ることが好ましい。第１半導体層１７は、第２半導体層１９の半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する半導体を含むことが好ましい。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、第１半導体層１７が第２半導体層１９と異なる半導体を備えるとき、埋め込み領域１５の設計の自由度が高まる。また、第１半導体層１７が第２半導体層１９より大きいバンドギャップを有する半導体を備えるとき、第１半導体層１７は、電子に対するポテンシャル障壁の見地から電流をメサ導波路１３により強く閉じ込めることができる。また第２半導体層１９が第１半導体層１７に比べて低い屈折率を示すとき、第２半導体層１９は屈折率の見地から光をメサ導波路１３により強く光閉じ込めることに寄与できる。これらの相乗により、この構造は基本モードの安定化にも寄与する。
量子カスケード半導体レーザ１１における半絶縁性半導体は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＣｏのうちの少なくともいずれかの遷移金属を含むことができる。これらの遷移金属をドーパントとしてＩｎＰやＡｌＩｎＡｓ等の半導体に添加することにより、埋め込み領域１５内の半導体に半絶縁を付与でき、キャリア（電子）に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高い比抵抗を提供できる。従って、半絶縁性の半導体層は電流ブロック層として良好に機能する。
量子カスケード半導体レーザ１１の一実施例では、第１半導体層１７は半絶縁性半導体からなるとき、埋め込み領域１５の第１半導体層１７は、メサ導波路１３の側面１３ａ及び支持基体主面２１ａの全体を覆うことが好ましい。第１半導体層１７がメサ導波路側面１３ａを覆うので、コア層２３の側面２３ａ及びｎ型上部クラッド層２５の側面２５ａが第１半導体層１７で覆われる。第１半導体層１７は半絶縁性半導体であるので、埋め込み領域１５においては第１半導体層１７により、メサ導波路１３のコア層２３及びｎ型上部クラッド層２５を第２半導体層１９から電気的に分離できると共に、第２半導体層１９のｎ型半導体によりメサ導波路１３における高次モードＭ１を抑制できる。
量子カスケードレーザ１１の一実施例では、第１半導体層１７のｐ型半導体は例えば1×１０１７ｃｍ−３以上のｐ型ドーパント濃度を有することが好ましい。ｐ型半導体のｐ型ドーパント濃度が上記の値以上であるとき、ｐ型ドーパントは、例えばＺｎ、Ｂｅ、Ｃ等であることができる。これらの元素をｐ型ドーパントとしてＩｎＰやＡｌＩｎＡｓ等の半導体に添加することにより、埋め込み領域１５内の半導体にｐ導電性を付与でき、支持基体２１及びメサ導波路１３のｎ型半導体に対してｐｎ接合を形成できる。このため、支持基体２１及びメサ導波路１３内のキャリア（電子）に対してポテンシャル障壁を提供できる。ここで上記ｐn接合に逆バイアス電圧を印加することで、ｐn接合部が電子に対し高抵抗化するため、ｐ導電性の半導体はメサ導波路１３に対して電流ブロック層として良好に機能する。この埋め込み領域１５は、光導波路内の基本横モードＭ０を余り減衰させず、埋め込み領域１５に浸み出す高次横モードＭ１を顕著に減衰させることに有効であり、埋め込み領域１５は、高次横モード抑制のための光吸収に寄与できる。また、ｐ型半導体のｐ型ドーパント濃度の上限は例えば1×１０２０ｃｍ−３以下である。
埋め込み領域１５では、ｐ型半導体を含む第１半導体層１７が、メサ導波路側面１３ａ及び支持基体主面２１ａの全体を覆うことが好ましい。第１半導体層１７がメサ導波路側面１３ａを覆うので、コア層２３の側面２３ａ及びｎ型上部クラッド層２５の側面２５ａが第１半導体層１７で覆われる。第１半導体層１７がｐ型半導体であるとき、第１半導体層１７によりメサ導波路１３のコア層２３及びｎ型上部クラッド層２５を埋め込み領域１５の第２半導体層１９から電気的に分離できると共に第２半導体層１９のｎ型半導体によりメサ導波路１３における伝搬の高次モードを抑制できる。
既に図２を参照しながら、量子カスケードレーザに固有の問題を説明した。特に中赤外領域では、光通信領域（例えば、波長１．３〜１．６μm）に比べて、材料の特性に起因して、電流未注入時においても発光層（活性層）と埋め込み層との間の屈折率差が小さくなる。これ故に、発明者らの知見によれば、中赤外領域では、屈折率差の縮小に起因して、メサ導波路領域へ基本モードを閉じ込める能力が低下する。したがって、上記電流注入時の屈折率や利得分布の変動によって、基本モードが不安定化しやすくなるだけでなく、高次モードが発振する条件が光通信領域に比べて満たされやすい。
図４は、量子カスケードレーザのための発光層の材料（典型材料ＧａＩｎＡｓ）及び埋め込み層の材料（典型材料：ＩｎＰ）の屈折率の波長依存性を計算した結果を示す。ＧａＩｎＡｓの屈折率の波長依存性は、非特許文献１の第３６頁の式（２．１４）を利用して計算される。ＩｎＰの屈折率の波長依存性は、非特許文献２の第５５６頁の図面１６．１０．５の式を利用して計算される。
図４に示されるように、例えば典型的な光通信波長である１．５５μｍ帯においては、両材料の屈折率差が０．３６程度の大きな値であるのに対して、中赤外領域では屈折率差が急減し、例えば波長８μｍ帯では屈折率差が０．２４程度であり、波長１．５５μｍ帯における屈折率差に比べて３０％以上と大幅に屈折率差が減少する。したがって、中赤外波長領域は、光通信波長帯に比べて、電流注入時の屈折率や利得分布の変動によって、基本モードがより不安定化しやすい。その結果、高次モードがより発振しやすい条件が形成されやすい。高次モードの発振は、実用上の障害を生じさせる故に、これを回避する必要がある。
本実施の形態では、高次モードの発振を回避する方策として、埋め込み領域にｎ型半導体層を適用し、このｎ型半導体層の光吸収能を利用して、高次モードを選択的に抑制する構造を量子カスケードレーザに用いる。
図２に示すように、高次横モードは、基本横モードに比べて水平横方向に大きく広がって分布する。これ故に、高次横モードは、基本モードに比べて、埋め込み領域に大きな振幅を有する。ここで、光閉じ込め係数（つまり、ある導波光モードの全エネルギに対する、埋め込み領域中に存在する部分エネルギの比率）を用いて、埋め込み領域に存在する光の分布割合を見積もると、図２に示された２つのモードに関して、基本横モードの光閉じ込め係数は６．２％程度であり、基本横モードは埋め込み領域に僅かしか分布していない。しかしながら、１次横モードの光閉じ込め係数は３３．７％程度であり、１次横モードは埋め込み領域中へより多く分布している。したがって、埋め込み領域に中赤外領域の光を吸収する半導体層を含むとき、この半導体層は、基本横モードを余り減衰させず、高次横モードを選択的に減衰させることが可能となる。従って、本実施の形態に係る量子カスケードレーザは、埋め込み領域１５を用いて、基本モードの発振には影響を与えず、高次モードの発振を抑制できる。
非特許文献３に示されるように、Ｆｅ添加ＩｎＰ半絶縁性半導体は、エネルギ０．６ｅＶ以上（換算２．０７μｍ以下の波長）の光を吸収する。このため、光通信帯の光に対しては光吸収層として機能するが、中赤外波長領域の光は実質的に吸収しないので、光吸収層としては機能しない。一方ｎ型ドーパントを含む半導体は、そのドーピングにより生成された自由電子による光吸収を生じさせる。この吸収は、波長の２乗に比例して増大するので、波長が長い中赤外領域では強い光吸収を示す。
例えば、非特許文献４の第２００頁の図面２には、埋め込み領域に用いられる半導体として最も一般的なＩｎＰにｎ型ドーパントを添加したときの、ｎ型添加ＩｎＰの光吸収係数の波長依存性が示されている。この結果に従うとき、光通信波長帯（１．３〜１．６μｍ帯）における吸収係数は１ｃｍ−１未満程度であるが、中赤外波長領域ではその吸収係数が急増する。従って中赤外波長領域では、大きな吸収効果が得られる。例えば中赤外波長である８μｍ帯においては、非特許文献４の図２中における最低の添加密度（３．３×１０１６ｃｍ−３）の半導体でも、１７ｃｍ−１程度の大きな吸収係数が得られる。
量子カスケードレーザの共振器長をＬとおき、光吸収のための埋め込み領域の光吸収係数をαとおき、埋め込み領域の光閉じ込め係数をΓとおく。量子カスケードレーザの一方の反射端面から他方の反射端面まで導波光が伝搬する際に、この導波光が埋め込み領域における光吸収により被るエネルギ減衰量、つまり、導波前のエネルギのうち導波中に消失したエネルギ量の割合は、（１−ｅｘｐ（−Γ×α×Ｌ））×１００（％）で求められる。
例えば、３．３×１０１６ｃｍ−３のドーパント濃度のｎ型ＩｎＰを含む埋め込み領域１５を有する量子カスケードレーザにおいて、８μｍ波長帯における導波モードのエネルギ減衰量を計算する。共振器長Ｌを３ｍｍとおき、光吸収係数αを１７ｃｍ−１（３．３×１０１６ｃｍ−３のドーパント濃度における値）とおき、８μｍ帯の基本横モード及び１次横モードの光閉じ込め係数Γをそれぞれ上記の通り６．２％及び３３．７％とおく。上記の端面間にわたる光導波に際して、埋め込み領域により被るエネルギ減衰量は、基本横モードにおいて２７％程度あるのに対して、１次横モードでは８２％程度であり、この値は基本横モードのエネルギ減衰量に比べて３倍以上大きい。この理由は以下のものである：１次横モードは基本横モードに比べて埋め込み領域の光閉じ込め係数Γが大きく、即ち埋め込み領域中を導波する導波光成分のエネルギ比率が大きいので、基本横モードに比べて埋め込み領域で遥かに強い吸収を被る。なお、１次横モードより高い高次横モードは、１次横モードに比べて、更に水平横方向に広がって分布するので、これらの高次横モードの光閉じ込め係数Γは更に大きい値であり、これ故に、これらの高次横モードは、１次横モード以上に埋め込み領域により強く吸収されて、減衰される。
この説明から理解されるように、埋め込み領域１５は、基本モードを余り減衰さることなく、高次モードのみを選択的に顕著に減衰させる。その結果、埋め込み領域１５は、電流増加時の高次モード発振を効果的に抑制でき、高注入電流においても基本横モードでの安定した発振を可能にする。
非特許文献４の図２に示されるように、ｎ型半導体の自由キャリア吸収による光吸収は、光通信の波長帯では急激に弱まる。ｎ型ドーパント濃度３．３×１０１６ｃｍ−３のＩｎＰでは、波長８μｍ帯における吸収係数は１７ｃｍ−１と大きいけれども、光通信波長域の波長１．５５μｍ帯における吸収係数は０．１２ｃｍ−１程度であり、大きく減少する。この場合、上記と同様にして求めた減衰量（端面間での導波における１次横モードの減衰量）は、閉じ込め係数Γが１００％、即ち１次横モードの光成分の全体が埋め込み領域に分布すると仮定して１次横モードが最も強い吸収を被る場合を想定しても、３．５％程度であり、この値は減衰が僅かであることを示す。したがって、量子カスケード半導体レーザ１１の埋め込み構造は、光通信波長帯（１．３〜１．６μm）では高次横モードの発生を効果的に抑制することはできない。即ち、量子カスケード半導体レーザ１１の構造は、ｎ型半導体による光吸収が顕著に生じる波長域、つまり中赤外波長領域、遠赤外波長域、テラヘルツ波長域といった長波長領域（つまり、光通信帯より長い波長領域）において、高次横モード抑制の効果を発揮できる。また、ｎ型半導体のドーパント濃度としては、大きなドーパント濃度はより強い光吸収を提供できる点で好ましいが、上記のような３．３×１０１６ｃｍ−３のｎ型ドーパント濃度であれば、高次モード抑制のための光吸収を充分に得られると思われる。
上記の説明は、埋め込み領域の半導体としてＩｎＰについて説明したが、ＩｎＰには限定されることなく、他の半導体、例えばＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等においても適用される。
ｎ型ドーパントとしてはシリコン（Ｓｉ）、イオウ（Ｓ）、錫（Ｓｎ）、セレン（Ｓｅ）等を使用できる。また、ｎ型ドーパント及びｐ型のドーパントを共添加して、埋め込み領域が正味の導電型としてｎ型導電性を示すように、複数のドーパントを添加してｎ型半導体を作製することもできる。p型のドーパントとしては亜鉛（Ｚｎ）等を使用できる。
図１の（ｂ）部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１は、第２半導体層１９上に設けられたｐ型または半絶縁性の半導体層４５を更に備えることができる。第１半導体層１７及び半導体層４５により囲まれることで、ｎ型ドーパントを含む第２半導体層１９がメサ導波路１３から電気的に分離される。埋め込み領域１５の半導体層４５はＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方であることが好ましい。埋め込み領域１５の少なくとも一部分がＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓを含むとき、ドーパントによる安定した光吸収を提供できる。この実施例では、半導体層４５は絶縁膜２７に接しており、また埋め込み領域１５の下地の半導体（例えば、第２半導体層１９）に接している。この実施例では、半導体層４５は例えばＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等からなることができ、第２半導体層１９は例えばＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等からなることができる。
Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＣｏのうちの少なくともいずれかの遷移金属をドーパントとしてＩｎＰやＡｌＩｎＡｓ等の半導体に添加することにより、半導体に半絶縁を付与でき、キャリア（電子）に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高い比抵抗を提供できる。従って半絶縁性半導体は電流ブロック層として良好に機能する。
図１の（ｃ）部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１は、第３半導体層１８を更に備えることができる。第３半導体層１８は、メサ導波路１３を埋め込むように第２半導体層１７上に設けられる。
一実施例では、第３半導体層１８は、第２半導体層１９と異なるｎ型ドーパント濃度のｎ型半導体を備えることができる。第３半導体層１８のｎ型半導体は第２半導体層１９のｎ型ドーパント濃度より小さいｎ型ドーパント濃度を有することが好ましい。第３半導体層１８が第２半導体層１９と異なるｎ型ドーパント濃度のｎ型半導体からなるとき、埋め込み領域１５の設計の自由度が増加でき、構造最適化や特性改善の検討をより容易にする。また、第３半導体層１８が低いドーパント濃度を有するｎ型半導体を備えるので、第３半導体層１８が高い比抵抗を有する。これ故に、埋め込み領域１５に流れる漏れ電流がより抑制され、メサ導波路領域１３への電流狭窄がより強まる。この結果、閾値電流の更なる低減が期待できる。また、低いドーパント濃度のｎ型半導体は高いドーパント濃度のｎ型半導体より高い熱伝導を有するので、量子カスケード半導体レーザ１１の放熱性が向上される。
一実施例では、第３半導体層１８はアンドープ半導体からなることが好ましい。第３半導体層１８がアンドープであり低いキャリア濃度であるので、第３半導体層１８が高い比抵抗を有する。これ故に、埋め込み領域１５に流れる漏れ電流がより抑制され、メサ導波路領域１３への電流狭窄がより強まる。この結果、閾値電流の更なる低減が期待できる。また、アンドープ半導体は高いドーパント濃度のｎ型半導体より高い熱伝導を有するので、量子カスケード半導体レーザ１１の放熱性が向上される。
一実施例では、第３半導体層１８は半絶縁性半導体からなることが好ましい。第３半導体層１８が半絶縁性半導体であるので、第３半導体層１８が非常に高い比抵抗を有する。これ故に、埋め込み領域１５に流れる漏れ電流がより抑制され、メサ導波路領域１３への電流狭窄がより強まる。この結果、閾値電流の更なる低減が期待できる。また、半絶縁性半導体は高いドーパント濃度のｎ型半導体より高い熱伝導を有するので、量子カスケード半導体レーザ１１の放熱性が向上される。
埋め込み領域１５の第３半導体層１８はＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方であることが好ましい。この量子カスケード半導体レーザによれば、埋め込み領域の少なくとも一部分がＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓを含むとき、ドーパントによる安定した光吸収を提供できる。
図１の（ｄ）部に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１１では、埋め込み領域１５は、ｐ型または半絶縁性の半導体層４５及び第３半導体層１８を更に備えることができる。
図１の（ｃ）部及び図１の（ｄ）部に示される量子カスケード半導体レーザ１１では、第３半導体層１８は第２半導体層１９と組成の異なる半導体からなることができる。また、半導体層４５は第２半導体層１９と組成の異なる半導体からなることができる。さらに、第３半導体層１８及び半導体層４５は第２半導体層１９と異なる半導体からなることができる。
この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、第３半導体層１８及び／又は半導体層４５が第２半導体層１９と異なる半導体を備えるとき、埋め込み領域１５の設計の自由度が高まる。この実施例としては、第２半導体層１９は例えばＡｌＩｎＡｓからなり、第３半導体層１８は例えばＩｎＰからなり、半導体層４５は例えばＩｎＰからなる。
図１の（ｃ）部及び図１の（ｄ）部に示される量子カスケード半導体レーザ１１では、第２半導体層１９は第３半導体層１８より低い屈折率の半導体を備えることが好ましい。第２半導体層１９が低屈折率の材料からなるとき、埋め込み領域１５の実質的な屈折率と導波路メサ領域１３の屈折率との屈折率差を拡大でき、メサ導波路１３を伝搬する光の基本モードが導波路メサ領域１３により強く閉じ込められる。従って、この埋め込み領域１５は、より安定な基本モード発振を可能にする。
図１の（ａ）部、図１の（ｂ）部、図１の（ｃ）部及び図１の（ｄ）部に示される量子カスケード半導体レーザ１１では、第２半導体層１９は第１半導体層１７に接触を成すことができる。埋め込み領域１５では、コア層２３の側面２３ａにおける第２半導体層１９の層厚は、コア層２３の側面２３ａにおける第１半導体層１７の層厚より大きい。ここで、層厚は、支持基体主面２１ａの法線軸に直交する方向に規定される。埋め込み領域１５では、コア層２３の側面２３ａにおける第２半導体層１９の厚さがコア層２３の側面２３ａにおける第１半導体層１７の厚さより大きいので、第２半導体層１９が高次モード抑制のための光吸収に効果的に寄与する。
図１の（ａ）部、図１の（ｂ）部、図１の（ｃ）部及び図１の（ｄ）部に示される量子カスケード半導体レーザ１１では、第２半導体層１９は、第１半導体層１７に接触を成す第１部分と、該第１部分上に設けられた第２部分とを含むことができる。第２半導体層１９において、第１部分のキャリア濃度は第２部分のキャリア濃度より大きい。埋め込み領域１５では、コア層２３の側面２３ａにおける第１部分の厚さはｎ型上部クラッド層２５の側面２５ａにおける第１部分の厚さより大きい。埋め込み領域１５の第１半導体層１７では、コア層２３の側面２３ａにおける第１部分の厚さがｎ型上部クラッド層２５の側面２５ａにおける第１部分の厚さより大きいので、埋め込み領域１５は、コア層２３から埋め込み領域１５に浸み出す高次モードの抑制に寄与する。
引き続き、図５及び図６を参照しながら、本実施の形態のためのいくつかの実施例を説明する。これらの実施例は、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造を有する。
（実施例１）
図５〜図８に示される量子カスケード半導体レーザは、半導体基板上に設けられたメサ導波路と、このメサ導波路を埋め込むようにメサ導波路の両側を覆う埋め込み領域とを備える。メサ導波路は、素子中央部において半導体基板上に設けられ、また下部クラッド層、下部光閉じ込め層、コア層、上部光閉じ込め層、上部クラッド層、及びコンタクト層を含む。埋め込み領域は、メサ導波路の両側に順に積層を成す第１領域とこの第１領域上に第２領域から構成されるが形成されている。第１領域は、半絶縁半導体及び／又はｐ型半導体から成る。第２領域はｎ型半導体を含み、第１領域に接触を成す。第１領域はメサ導波路の両側に接触を成す。
ＱＣＬのメサ導波路に係る構造。
下部クラッド層：ｎ型ＩｎＰ。
下部光閉じ込め層：ＧａＩｎＡｓ。
コア層の発光層：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列。
コア層の注入層：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列。
上部光閉じ込め層：ＧａＩｎＡｓ。
上部クラッド層：ｎ型ＩｎＰ。
コンタクト層：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
絶縁膜（誘電体膜）：ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ。
上部電極：Ｔｉ／Ａｕ。
半導体基板：ｎ−ＩｎＰ基板。
下部電極：Ｔｉ／Ａｕ。
中赤外領域の発光を生成する量子カスケード半導体レーザを構成する半導体材料はＩｎＰに近い格子定数を有するので、基板にはＩｎＰを用いる。これによって、ＩｎＰ基板上に、ＱＣＬを構成する半導体層を良好に結晶成長できる。下部クラッド層及び上部クラッド層にはＩｎＰ半導体が一般に用いられる。ＩｎＰ半導体はＩｎＰ基板に格子整合するので、ＩｎＰ基板上への良好な結晶成長が容易であり、且つ熱伝導性がよい。このため、ＩｎＰをクラッド層に用いることより、コア層からの良好な放熱性が得られ、量子カスケード半導体レーザの温度特性が向上する。
ＢＨ構造量子カスケード半導体レーザにおいて良好な発振を実現するためには、利得領域であるメサ導波路内に導波光を強く閉じ込めて、効率よく誘導放出を生じさせてこの導波光を増幅する必要がある。導波光の波長が長いほど、導波光は、素子内において、水平横方向により拡散して分布する。このため、メサ導波路内への良好な光閉じ込めのためには、導波光の波長の増加と共にメサ導波路幅も大きくする。具体的にはメサ導波路幅には、発振波長と同程度の値を用いることが必要とされる。そのため、図５及び図６に示される構造において、量子カスケード半導体レーザが波長３〜２０μｍの中赤外波長の光を生成する場合は、量子カスケード半導体レーザの発振波長と同程度の３〜２０μｍ程度の広いメサ幅が適用される。
（構造例１）
埋め込み領域は、図５に示されるように、第２領域の全体はｎ型半導体から成し、この第１領域に接触を成すと共に、絶縁膜は第２領域に接触を成す。
（構造例２）
埋め込み領域は、図６に示されるように、第２領域の主要部はｎ型半導体から成し、この第１領域に接触を成すと共に第２領域の最上層はｐ型または半絶縁性半導体からなる。絶縁膜は第２領域の最上層に接触を成す。第２領域のｎ型半導体は、ｐ型半導体又は半絶縁性半導体によって、メサ導波路、及びメサ導波路に接続される導電体から隔置される。
（埋め込み領域の説明）
埋め込み領域の第１領域は、ｐ型または半絶縁の高抵抗半導体から成り、メサ導波路の側壁（図５及び図６におけるＣ領域）上と、基板主面、または基板主面上の半導体層と接する領域（図５及び図６におけるＤ領域）上とに形成される。この第１領域は、キャリアである電子に対して埋め込み領域を高抵抗化し、メサ導波路領域に電流を閉じ込めるために寄与する。半絶縁半導体の利用はそれ自体の高抵抗性により、またｐ型半導体層の利用はこのｐ型半導体層とその周囲のｎ型半導体やｎ型基板との間の逆バイアスのｐｎ接合により、埋め込み領域を高抵抗化する。半絶縁半導体としては、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の、電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成可能な遷移金属を半導体に添加することにより、半絶縁性が得られる。これらの遷移金属の添加により、ＩｎＰ基板と格子整合し良好な結晶成長が可能なＩｎＰやＡｌＩｎＡｓ等が半絶縁化され、電子に対して例えば１０５Ω・ｃｍ以上の充分な高抵抗が得られる。
また、ｐ型半導体層としては、例えば、亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型ドーパントを添加することで、ＩｎＰやＡｌＩｎＡｓ等にｐ型導電性を提供できる。既に説明したように、ｐ型ＩｎＰやｐ型ＡｌＩｎＡｓ等のｐ型半導体はｎ型半導体と同じく、中赤外波長以上の長い波長の光を強く吸収する。したがって、ｐ型半導体を第１領域に適用すれば、第１領域は、電流閉じ込め性に加えて、高次横モードの光成分を吸収する光吸収層としても機能するため、高次モード発振をより効果的に抑制できる。
Ｚｎ等をｐ型ドーパントに用いるｐ型半導体は、低温成長でも良好な結晶性を実現できる。例えばＦｅ等の遷移金属をドープした半絶縁性半導体は、摂氏６５０度以上の高温の成長が必要である。これに対しＺｎドープｐ型半導体層は、例えば摂氏５３０度〜５４０度といった摂氏５００度台の低温の成長でも良好な結晶性を有する。
超格子列で構成されるコア層は、隣接する多数の半導体層の界面において、熱的ストレスによる原子の相互拡散及びこの相互拡散に起因する結晶歪が生じやすく、相互拡散及び結晶歪が原因となって、結晶組成の変動や結晶性の劣化が発生しやすい。これ故に、第１領域に低温成長可能なｐ型半導体を用いれば、半絶縁性半導体を用いる場合に比べて、埋め込み領域の成長中にコア層が被る熱的なダメージを軽減できる。その結果、熱的なダメージによる、コア層の組成変動や結晶性の劣化を抑制することができ、これらに起因する、素子特性劣化や信頼性劣化を回避できる。
第１領域を構成する半絶縁性半導体層やｐ型半導体層の半導体は、第２領域と同じであるものに限定されることはなく、必要に応じて、第２領域とは異なる材料を第１領域に使用できる。このように、異なる半導体材料を組み合わせることで、埋め込み領域の設計の自由度が増し、構造最適化や特性改善の検討がより容易となる。
一例として、第１領域が、第２領域に比べて高いバンドギャップの半導体からなることができる。高バンドギャップの半導体としては、例えばＡｌＩｎＡｓがある。ＡｌＩｎＡｓは、クラッド層等に用いられるＩｎＰよりも高いバンドギャップを有するので、ＩｎＰを第１領域に用いる場合に比べて、電子に対するエネルギー障壁を増大させることができる。
この構造では、第１領域の高バンドギャップ化に起因して、第１領域に隣接する半導体層（クラッド層やコア層、光閉じ込め層、基板）と第１領域の間のバンドオフセットに起因する伝導帯端のエネルギー不連続が増加し、その結果、両者の界面に形成される電子に対するエネルギー障壁が増大する。したがって、本構造では、半絶縁性半導体のように半導体自体の高抵抗性やｐｎ逆バイアス接合のようなビルトイン障壁及び外部バイアスの障壁の効果に加えて、バンドオフセットによるエネルギ障壁増加の効果により、隣接層から埋め込み領域への電子の侵入をより効果的に抑制できる。従って、埋め込み領域は電子に対してより高い抵抗を示すようになるので、電流はメサ導波路領域により強く狭窄される。この結果、より良好な発振特性が得られる。
しかしながら、ＡｌＩｎＡｓは、成長条件や成長面の形状等により組成変動しやすい3元混晶で、且つ酸化されやすいＡｌを含むため、厚膜を結晶性良く成長するのは容易ではない。また熱伝導がＩｎＰより１桁悪い。従って、熱伝導、及び結晶成長の点から、必ずしも埋め込み領域全体をＡｌＩｎＡｓで形成する必要はない。例えば、上記高バンドギャップ材料が好適な第１領域のみにこれを用い、第２領域には、ＡｌＩｎＡｓよりもバンドギャップは小さいが、熱伝導が良好で、結晶成長も容易なＩｎＰを用いる方が、製造上、及びQCLの温度特性上、好ましい。
埋め込み領域に用いられるｎ型ＡｌＩｎＡｓやｎ型ＩｎＰといった半導体はＩｎＰ基板と格子整合するので、良好な結晶成長が可能であり、かつ既に説明したように、ｎ型ドーパントの添加により中赤外波長域においても十分な光吸収性を示し、高次モード抑制のために役立つ。
構造例１および構造例２に適用された光閉じ込め層は、ＱＣＬに必須ではないので、コア層に導波光が充分に閉じ込められるときには用いられない。同様に、コンタクト層は、ＱＣＬに必須ではなく、半導体層と上部電極との良好なオーミックコンタクトを得るために必要なときに用いられる。更に、下部クラッド層もＱＣＬに必須では無く、基板を下部クラッド層として兼用できない場合等、必要な場合に用いられる。また、絶縁膜もＱＣＬに必須では無く、これを付加しないと、埋め込み領域を電子に対し充分に高抵抗化できない場合等、必要な場合に用いられる。
（実施例２）
実施例１では、埋め込み領域における第２領域の全体が1種類のｎ型半導体で形成されている。しかしながら、第２領域の構造は、これに限定されるものではなく、第２領域は、異なる材料、異なる導電型、異なるドーパント濃度の半導体を組み合わせて構成されていても良い。第２領域は、例えば２種の半導体層Ａ及びＢから構成されることができる。図７及び図８の構造においては、導波光の高次横モードを抑制するために、半導体層Ａには、中赤外域の光吸収が可能であるｎ型半導体が用いられる。しかし、半導体層Ｂは、後述の通り、必要に応じて、異なる材料、異なる導電型、異なるドーパント濃度の半導体層を使用できる。本構造においても、半導体層Ａの寄与により、実施例１と同様に高次モード抑制に有効である。
第２領域がこのような複数の半導体層からなるとき、これらの半導体層が、異なる材料、異なる導電型、異なるドーパント濃度を有することができる。このときの改善点としては、材料、導電型、ドーパント濃度の違いに起因して屈折率、バンドギャップ、熱伝導、光吸収といった特性に関して、埋め込み領域の第２領域の設計に自由度が増す。
（構造例３）
ここで、材料が異なる半導体層Ａ及びＢの具体例を示す。図７に示される構造では、例えば、半導体層Ａには低屈折率の材料、例えばＡｌＩｎＡｓを用いるのが好ましい。例えば波長８μｍ帯において、ＩｎＰの屈折率は３．３５程度であるのに対して、ＡｌＩｎＡｓの屈折率は３．１５程度であり、ＩｎＰの屈折率に比べて低い。したがって、半導体層Ａに低い屈折率の材料（例えばＡｌＩｎＡｓ）を用いるとき、高い屈折率のＩｎＰに比べて、埋め込み領域とメサ導波路領域との屈折率差を大きくでき、導波光の基本モードを導波路メサ領域内により強く閉じ込めることができる。この結果、より安定な基本モード発振を得ることが期待できる。
また上記の通り、ＡｌＩｎＡｓが三元混晶であるので、より成長の容易な二元混晶のＩｎＰと組み合わせることが好ましい。基本モードは導波路メサ領域とその近傍の半導体層Ａの領域にその殆どが分布するため、例えば、この領域、即ち半導体層ＡにＡｌＩｎＡｓを用いる一方で、それ以外の領域、即ち半導体層ＢにＩｎＰを用いることが好ましい。ＩｎＰは上記の通り、良好な熱伝導、結晶成長の容易性を有している。このため、光閉じ込めの観点から低屈折率材料が好ましい半導体層Ａの領域のみにＡｌＩｎＡｓを用い、それ以外の領域、即ち半導体層Ｂには、熱伝導が良好で、結晶成長も容易なInPを用いた方が、製造上及び温度特性上において、有利である。しかしながら、必要な場合には、第２領域の全体をＡｌＩｎＡｓで形成しても良い。
（構造例４）
図８は別の構造を示す。図7同様、埋め込み領域は、半導体層Ａと半導体層Ｂを含み、更に埋め込み領域の最上層はｐ型または半絶縁性半導体からなる。絶縁膜は前記最上層に接触を成す。第２領域のｎ型半導体は、ｐ型半導体又は半絶縁性半導体によって、メサ導波路、及びメサ導波路に接続される導電体から隔置される。埋め込み領域中の高次モードは、メサ導波路領域とその近傍の埋め込み領域、即ち半導体層Ａの領域にその殆どが分布するため、高次モードの発振抑制のために、半導体層Ａには上記ドープ量３．３×１０１６ｃｍ−３程度以上のｎ型半導体を用いることが良い。一方で、半導体層Ｂでは高次モードの分布は微少のため、光吸収層としての機能は不要である。そこで、半導体層Ｂは、半導体層Ａより低いドーパント濃度のｎ型半導体またはアンドープ半導体、または半絶縁性半導体からなることが良い。
低いドーパント濃度のｎ型半導体、アンドープ半導体、または半絶縁性半導体を用いる構造では、半導体層Ｂが高い抵抗を示すので、埋め込み領域に流れる漏れ電流をより低減できる。この結果、電流がメサ導波路領域へより強く狭窄されて、閾値電流の更なる低減が期待できる。また、低いドーパント濃度のｎ型半導体、アンドープ半導体、または半絶縁性半導体は、高いドーパント濃度のｎ型半導体より高熱伝導を示し、これ故に、これらの半導体が半導体層Ｂに適用される構造では、放熱性が向上し、またＱＣＬの特性改善が期待できる。
なお、半導体層Ａと半導体層Ｂについては、その材料、ドーパント濃度、導電型の全ての点で互いに異なっていてもよいが、少なくとも１つが異なっていてもよい。
上記の説明において、いくつかの構造例を示してきた。これらの構造例においては、下部ｎ型クラッド層の一部がメサ導波路領域に含まれる。しかしながら、本実施の形態は、これに限定されず、下部ｎ型クラッド層の全体がメサ導波路領域に含まれていても良い。また、下部ｎ型クラッド層は、メサ導波路領域に含まれていなくてもよい。さらに、各構造例においては、基板がメサ導波路に含まれないけれど、必要な場合には、基板の一部がメサ導波路領域に含まれていてもよい。これら何れの構造も、上記の各構造例で得られる同じ効果を提供できる。以上埋め込みヘテロ型の量子カスケード半導体レーザについて、本実施の形態を説明したが、本発明は、これには限られず、実施例と同様の埋め込みヘテロ構造を有する量子カスケード半導体レーザ以外の素子にも、適用可能である。
本実施の形態に関する、発明者らの検討によれば、半導体レーザがしきい値近傍の低電流域で動作するとき、その領域で光学利得が最大の基本モードがまず発振する。しかし、注入電流の増加に伴って、発光層内において空間ホールバーニングと呼ばれるキャリアの不均一な分布が生じることがあり、また、電流増加に伴う発熱による発光層内部の温度の不均一分布が生じる。特に量子カスケード半導体レーザでは、例えば光通信用の半導体レーザに比べて大電力（ワット程度）での駆動に起因して発熱が大きくなるので、発光層における温度分布に顕著な不均一性が生じやすい。電流増加に伴う、このようなキャリアや温度の不均一分布に起因して、発光層内部の屈折率及び利得の分布が動的に変動する。この結果、高次モードの発振が生じやすくなる。
また、中赤外領域の光波長では、光通信領域（波長１．３〜１．６μｍ）に比べて、半導体材料固有の特性に起因して電流未注入時においても発光層と埋め込み層との屈折率差が小さい。これ故に、上記のような電流注入時の屈折率や利得分布の変動によって、基本モードが不安定化することに加えて、高次モードが発振する条件が動作中に満たされやすい。
さらに、中赤外量子カスケード半導体レーザでは、長い発振波長に関連して広いメサ幅を用いるため、これに起因する高次モード発振の可能性が高まる。
閾値近傍の低電流域では、そのメサ導波路領域で光学利得が最大の基本モードがまず発振するが、電流増加と共に、発光層である発光層内において、空間ホールバーニングと呼ばれるキャリアの不均一分布や、電流増加に伴う発熱による発光層内部の温度の不均一分布が生じる。特に、量子カスケード半導体レーザはワット級の大電力駆動に起因して大きな熱を発生し、これ故に、発光層（コア層）の温度分布に不均一が生じやすい。この不均一は、発光層内部の屈折率や利得の分布の変動を引き起こし、その結果、高次モードが発振しやすくなる。特に中赤外波長領域では、光通信領域（波長１．３〜１．６μｍ）に比べて、材料の特性上、材料固有の発光層と埋め込み層との屈折率差が小さい。このため、上記電流注入時の屈折率や利得分布の変動によって、基本モードが不安定化すると同時に、高次モードが発振する条件が満たされやすい。
高次モード発振は、キンクの発生、発振波長の変動、雑音の増加等の特性の劣化に至る。
本実施の形態によれば、量子カスケード半導体レーザにおける広いメサ幅に起因する高次モード発振による、キンクの発生や、発振波長の変動、雑音の増加等の特性の劣化を低減できる。
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
以上説明したように、本実施の形態によれば、水平横方向の導波モードにおける高次モードを抑圧可能な構造を有する量子カスケード半導体レーザが提供される。
１１…量子カスケードレーザ、１３…メサ導波路、１５…埋め込み領域、１７…第１半導体層、１９…第２半導体層、２１…支持基体、２３…コア層、２５…ｎ型上部クラッド層、Ｍ０…基本横モード、Ｍ１…１次横モード、２７…絶縁膜、２９…電極、３１…発光層、３３…注入層。

Claims (15)

  1. 量子カスケードレーザであって、
    ｎ型半導体からなる主面を有する支持基体上に設けられ、コア層及びｎ型上部クラッド層を含むメサ導波路と、
    前記メサ導波路の側面を埋め込むように、前記メサ導波路及び前記支持基体の前記主面上に設けられた第１半導体層と、
    前記メサ導波路を埋め込むように前記第１半導体層上に設けられた第２半導体層と、
    を備え、
    前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記第１半導体層上において前記メサ導波路を埋め込む埋め込み領域を構成し、
    前記第１半導体層は半絶縁性半導体及びｐ型半導体の少なくともいずれか一方を含むと共に、前記第２半導体層はｎ型ドーパントを含むｎ型半導体を含み、
    前記埋め込み領域の前記第１半導体層は、前記メサ導波路と接する側部と、前記支持基体の前記主面に接する底部とを有し、
    前記第１半導体層が前記メサ導波路と前記第２半導体層との間に設けられ、
    前記第１半導体層が前記支持基体の前記主面と前記第２半導体層との間に設けられ、
    前記コア層は前記支持基体の前記主面と前記ｎ型上部クラッド層との間に設けられる、量子カスケード半導体レーザ。
  2. 前記第２半導体層の前記ｎ型半導体は３．３×１０１６ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を有する、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  3. 前記第１半導体層は、前記第２半導体層と異なる半導体から成り、
    前記第１半導体層は、前記第２半導体層の半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する半導体を含む、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  4. 前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備え、
    前記第２半導体層は前記第３半導体層と異なる半導体からなる、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  5. 前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備え、
    前記第２半導体層は前記第３半導体層より低い屈折率の半導体を備える、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  6. 前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備え、
    前記第３半導体層は、前記第２半導体層と異なるｎ型ドーパント濃度のｎ型半導体を備え、
    前記第３半導体層の前記ｎ型半導体は、前記第２半導体層のｎ型ドーパント濃度より小さいｎ型ドーパント濃度を有する、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  7. 前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備え、
    前記第３半導体層はアンドープ半導体からなる、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  8. 前記メサ導波路を埋め込むように前記第２半導体層上に設けられた第３半導体層を更に備え、
    前記第３半導体層は半絶縁性半導体からなる、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  9. 前記半絶縁性半導体は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＣｏのうちの少なくともいずれかの遷移金属を含む、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  10. 前記埋め込み領域の上面を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に設けられた電極と、
    を更に備え、
    前記絶縁膜は、前記メサ導波路の上面に設けられた開口を有し、
    前記電極は前記絶縁膜の前記開口を介して前記メサ導波路の前記上面に接触を成す、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  11. 前記埋め込み領域の前記第１、第２、又は第３半導体層は、ＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方である、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  12. 前記支持基体は、基板及び該基板上のｎ型ＩｎＰ半導体層、並びにｎ型ＩｎＰ基板のいずれか一方であり、
    前記ｎ型上部クラッド層はＩｎＰ半導体からなる、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  13. 前記コア層は、発光のための複数の発光層と、前記発光層にキャリアを注入するための複数の注入層とを含み、
    前記発光層及び前記注入層は交互に配列されており、
    前記発光層及び前記注入層の各々はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列を含む、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  14. 前記第１半導体層は半絶縁性半導体を含み、
    前記埋め込み領域の前記第１半導体層は、前記メサ導波路の前記側面及び前記支持基体の前記主面の全体を覆う、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
  15. 前記第１半導体層はｐ型半導体を含み、
    前記埋め込み領域の前記第１半導体層は、前記メサ導波路の前記側面及び前記支持基体の前記主面の全体を覆う、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
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