JP2013254908A - 量子カスケード半導体レーザ - Google Patents

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１９が、メサ導波路１３に接する側部１９ａと、支持基体主面２１ａに接する底部１９ｂとを有しており、この第１半導体層１９はｐ型半導体を含む。第２半導体層１７は、半絶縁性半導体を備える。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等の半絶縁性半導体からなる。本量子カスケードレーザは、コア層を含む導波路がメサ状にエッチングされ、その両側壁が上記電気絶縁層で埋め込まれた埋め込みヘテロストラクチャー(Buried Heterostructure：略称ＢＨ)構造を有す。

特表２００３−５２６２１４号公報

半導体レーザ、オーム社 Handbook on Physical Properties of Semiconductors,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

中赤外波長領域にレーザ発振の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、産業加工といった技術分野に適用され、この分野は、今後高い成長が期待される。量子カスケード半導体レーザは、例えば中赤外波長の約３〜約２０μｍの波長領域におけるレーザ光を生成可能である。この波長域の応用分野において、量子カスケード半導体レーザは、現在開発中であり、小型で低コストの光源として期待されている。

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、半絶縁性半導体から成る埋め込み層で埋め込まれるメサ導波路を含む。この埋め込み層は、電子に対して高い抵抗を示すので、電流ブロックとして機能する。この埋め込み構造では、電流がメサ導波路に強く閉じ込めされる。

この構造の量子カスケード半導体レーザにおいては、良好な発振を実現するために、メサ導波路（利得領域）に導波光を強く閉じ込める必要がある。これにより、効率よく導波光が増幅される。量子カスケード半導体レーザでは、メサ導波路に導波光を強く閉じ込めるため、そのメサ導波路幅を、発振波長が長くなるにつれて増加する必要がある。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としては、発振波長と同等の３〜２０μｍ程度が通常用いられ、発振波長が長くなるに従い、メサ幅も増加する。

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のため、高次モードを抑圧することが必要であると考えている。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、上記のような広いメサ導波路幅を採用するので、水平横方向の導波モードのうち高次横モードがカットオフしにくく、基本モードだけでなく高次モードも利得を得て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、コア層を含むメサ導波路と、（ｂ）前記メサ導波路を埋め込むように、前記メサ導波路側面上、及び前記支持基体の前記主面上に設けられたｐ型半導体の第１半導体層とを備える。前記第１半導体層は、前記メサ導波路を埋め込む埋め込み領域を構成する。

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広範に分布する。この埋め込み領域は、メサ導波路側面上及び支持基体主面上に設けられて、メサ導波路側面上に設けられた側部と、支持基体主面上に設けられた底部とを有する。この埋め込み領域はｐ型半導体を含む。

埋め込み領域内の半導体層にはｐ型ドーパントが添加されているので、上記高次モードの浸み出し光成分は、この半導体層内のｐ型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、高い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。また埋め込み領域と隣接する各ｎ型半導体領域とp型の埋め込み領域との界面に形成されるｐｎ逆バイアス接合障壁により、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、その結果、メサ導波路へ電流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１半導体層の前記ｐ型半導体は６．０×１０^１６ｃｍ^−３以上のｐ型ドーパント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、ｐ型半導体が６．０×１０^１６ｃｍ^−３以上のｐ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は、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半絶縁性の第２半導体層を更に備えることができる。前記第２半導体層及び前記第１半導体層は前記埋め込み領域を構成し、前記第２半導体層は、前記メサ導波路の側面と前記第１半導体層との間に設けられた第１部分と、前記支持基体の前記主面と前記第１半導体層との間に設けられた第２部分と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、第２半導体層の第１部分がメサ導波路の側面と第１半導体層との間に設けられると共に第２半導体層の第２部分が支持基体主面と第１半導体層との間に設けられるので、第１半導体層による光吸収及び埋め込み領域の高抵抗化に加えて、第２半導体層の半絶縁性が埋め込み領域の高抵抗化の更なる強化に役立つ。このため、埋め込み領域へのキャリアの侵入による漏れ電流の発生がより低減されて、電流はメサ導波路により強く狭窄される。

本発明に係る量子カスケード半導体レーザは、前記第２半導体層及び前記第１半導体層上に設けられた半絶縁性半導体層を更に備えることができる。前記半絶縁性半導体層は前記第２半導体層及び前記第１半導体層と一緒になって前記埋め込み領域を構成し、前記半絶縁性半導体層は前記埋め込み領域の上面を構成し、前記半絶縁性半導体層は前記第２半導体層に接続されていることが好ましい。

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ｐ型半導体領域は、半絶縁性半導体層並びに第２半導体層の第１部分及び第２部分によって、他の導電領域から電気的に分離される。

本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第２半導体層は、前記第１半導体層と異なる半導体材料からなり、前記第２半導体層は、前記第１半導体層より高いバンドギャップを有する半導体材料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２半導体層が第１半導体層と異なる半導体材料からなるので、埋め込み領域の設計の自由度が増す。

また、第２半導体層のバンドギャップが第１半導体層のバンドギャップより高いので、第２半導体層は、メサ導波路を流れる電子に対して第１半導体層より高いエネルギー障壁を提供できる。従って、第２半導体層は、その高いエネルギー障壁に起因して、電子に対してより高抵抗となるため、メサ導波路への電流狭窄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、前記メサ導波路側面上、及び前記支持基体の前記主面上に設けられた第３半導体層を更に備えることができる。前記第１半導体層は前記第３半導体層と前記メサ導波路側面及び前記支持基体の前記主面との間に設けられ、前記第３半導体層は、前記第１半導体層と異なる材料、または異なる導電型、または異なるドーパント濃度の半導体材料からなり、前記第３半導体層は、前記第１半導体層と一緒になって前記埋め込み領域を構成し、前記第３半導体層は、アンドープ半導体、ｐ型半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれか一つ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、埋め込み領域の設計の自由度が増し、また素子特性改善の検討がより容易となる。

本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第３半導体層はアンドープ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、前記アンドープ半導体は、電子に対する埋め込み領域の高抵抗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では、前記第３半導体層は半絶縁性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、前記半絶縁性半導体は電子に対する埋め込み領域の高抵抗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では、前記半絶縁性半導体は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＣｏのうちの何れかの遷移金属がドープされた半導体であることができる。この量子カスケード半導体レーザによれば、第３半導体層の半絶縁性は、上記の遷移金属の添加により提供される。

本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第３半導体層はｐ型半導体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、埋め込み領域における光吸収を更に強化できる。

本発明に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第３半導体層のｐ型半導体は前記第１半導体層のｐ型ドーパント濃度より低ドープのｐ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、前記第３半導体層の低ドープのｐ型半導体は、電子に対する埋め込み領域の高抵抗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では、前記第１半導体層の屈折率は前記第３半導体層の屈折率より低いことが好ましい。この量子カスケード半導体レーザによれば、第１半導体層の屈折率が第３半導体層の屈折率より低いので、埋め込み領域と導波路メサとの屈折率差を大きくできる。このため、基本モードが導波路メサ領域中により強く閉じ込められるので、基本モード発振をより安定させることを期待できる。

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、これらの材料は、基板としてＩｎＰ基板を用いるとき、基板に格子整合を成して、良好な結晶成長が可能になる。また、これらの材料に遷移金属を添加するとき、遷移金属ドープのＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓは添加量に応じて、電子に対し高い抵抗を示す。また前記第１半導体層に、これらの材料にｐ型ドーパントを大量に添加するときした、ｐ型高ドープのＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓを用いれば、これらは添加量に応じて高い光吸収性を示して、高次モード抑制のために寄与すると共に、埋め込み領域と隣接する各ｎ型半導体領域と埋め込み領域との界面にｐｎ逆バイアス接合障壁が形成されるため、埋め込み領域は電子に対し高抵抗化される。その結果、メサ導波路へキャリア（電流）を狭窄するための電流ブロック層としても機能する。また、第３半導体層に低いｐ型ド−パント濃度やアンドープ、または半絶縁性のＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓの半導体層を用いるとき、第３半導体層は電子に対し高い抵抗を示す。このため、埋め込み領域への漏れ電流がより低減され、電流をメサ導波路領域により強く狭窄できる。更に、ＡｌＩｎＡｓは高いバンドギャップを示すので、これを第２半導体層に用いれば、電子に対し、より高いエネルギー障壁が形成される。その結果、電子に対して埋め込み領域をより高抵抗化できる。従って、埋め込み領域への漏れ電流がより低減され、電流をメサ導波路領域により強く狭窄できる。

これらの半導体層は、電流をメサ導波路領域により強く狭窄することを可能にして、量子カスケード半導体レーザにより良好な発振特性を提供する。また、ＡｌＩｎＡｓは低屈折率を示すので、例えば、第１半導体層と第３半導体層の2層で埋め込み領域が構成される場合は、これを第１半導体層に用いれば、埋め込み領域と導波路メサ領域との屈折率差が拡大し、その結果、基本モードが導波路メサ中により強く閉じ込められて、より安定な基本モード発振を得ることを期待できる。

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ることが好ましい。

中赤外量子カスケード半導体レーザを構成する各半導体材料は、ＩｎＰに近い格子定数を有するので、支持基体として、基板及び該基板上のｎ型ＩｎＰ半導体層、或いはｎ型ＩｎＰ基板を用いれば、支持基体上に量子カスケード半導体レーザを構成する各半導体層を良好に結晶成長できる。

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共に、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、電流がハイメサ構造の導波路に選択的に提供される。

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及び前記メサ導波路の上面を覆うｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の上面上に設けられた絶縁膜と、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ｎ型半導体層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ｎ型半導体層の前記上面に接触を成すことができる。

この量子カスケード半導体レーザによれば、本構造では、メサ高を低くできることにより、素子特性の改善が得られる。

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光学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量子カスケードレーザを模式的に示す図面である。 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。 図９は、本実施の形態に係る構造例を示す図面である。 図１０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、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１９及び第２半導体層１７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を構成する。メサ導波路１３は、コア層２３を含んでおり、またｎ型上部クラッド層２５を含むことができる。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１９は、メサ導波路１３の側面１３ａ及び支持基体２１の主面２１ａ上に設けられ、ｐ型半導体を備える。第１半導体層１９は、メサ導波路１３を埋め込む埋め込み領域１５を構成する。例えば、埋め込み領域１５の全体が第１半導体層１９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、メサ導波路１３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。埋め込み領域１５では、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大きく浸み出して、メサ導波路だけでなく埋め込み領域にも広範に分布する。本実施の形態では、埋め込み領域１５は、メサ導波路１３及び支持基体主面２１ａ上に設けられて、メサ導波路１３上に設けられた側部と、支持基体主面２１ａに設けられた底部とを有する。この埋め込み領域１５は、ｐ型ドーパントを含むｐ型半導体を備える。

埋め込み領域１５内の半導体層にはｐ型ドーパントが添加されているので、埋め込み領域１５中の高次モードの浸み出し光成分は、この半導体層内のｐ型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効果的に抑制することが可能となり、広い電流範囲において安定して基本モードのレーザ発振が可能になる。

埋め込み領域１５がｐ型半導体を含み、このｐ型半導体領域がメサ導波路１３の側面１３ａ上と、支持基体２１の主面２１ａ上とに接するように設けられる。その結果、埋め込み領域１５と、これと隣接する各ｎ型半導体領域との界面にｐｎ逆バイアス接合が形成されるため、埋め込み領域１５は電子に対し高抵抗化される。その結果、メサ導波路１３へキャリア（電流）を狭窄するための電流ブロック層としても機能する。

一実施例では、埋め込み領域１５の全体は第１半導体層１９からなることができ、この第１半導体層１９は、メサ導波路１３の側面１３ａに接する側部１９ａと、支持基体２１の主面２１ａに接する底部１９ｂとを有することができる。

図２は、特許文献１に記載の、従来の半絶縁性半導体の埋め込み領域を有するBH構造量子カスケード半導体レーザの１構造モデルにおける導波光の水平横モードをビーム伝搬法（ＢＰＭ：beam propagation method)を用いて計算した結果を示す図面である。図２では、導波モードは基本横モードＭ０及び一次横モードＭ１が例示的に示されており、更に高次のモードは省略されている。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の中心に位置する。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り、メサ幅は発振波長と同程度の７μｍと設定した。図２に示されるように、量子カスケード半導体レーザは、その固有の構造に起因して、基本横モードに加えて１次以上の高次モードが発生しうる。量子カスケード半導体レーザにおいて、高次モードが発振すると、この高次モードと基本横モードとの競合が生じる。このため、基本横モード発振が不安定化し、或いは阻害される。このような状況では、量子カスケード半導体レーザの電流−光出力特性において、キンクと呼ばれる電流に対し光出力が非線形に変化する現象が、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、モードの競合の発生は望ましくない。

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、基本横モードＭ０だけでなく、図２に示されるような高次横モード（例えば１次の高次モードＭ１）も潜在的に可能である。しかしながら、高次横モードは基本横モードに比べてメサ導波路から水平横方向に大きく浸み出してメサ導波路だけでなく埋め込み領域にも広範に広がって分布する。そこで量子カスケード半導体レーザ１１においては、埋め込み領域１５中のｐ型半導体層を光吸収層として機能させることで、埋め込み領域１５への浸み出しが小さい基本横モードは余り減衰させず、浸み出しが大きい高次横モードのみを選択的に顕著に減衰させることが可能となる。その結果、高次モードの発生を抑制することが可能となる。

本実施の形態に係る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１９が、メサ導波路１３に接する側部１９ａと、支持基体主面２１ａに接する底部１９ｂとを有しており、この第１半導体層１９がｐ型半導体を備える。

埋め込み領域１５内の少なくとも半導体の一部にｐ型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ｐ型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、埋め込み領域１５への浸み出しが小さい基本横モードＭ０を余り減衰させず、浸み出しが大きい高次横モード（例えばＭ１）のみを選択的に顕著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選択的に効果的に低減することが可能となり、低い注入電流域から高い電流注入域の広い範囲で安定して基本横モードのレーザ発振が可能になる。

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半導体層からなることができ、或いはｎ型ＩｎＰ基板をそのまま使用することができる。支持基体２１がＩｎＰ基板を含むとき、メサ導波路１３がｎ型上部クラッド層２５を含む構造では、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。中赤外発光に最適な材料として、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、光学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、注入層と発光層が多段接続された構造が用いられ、発光層間を注入層で接続することで、電子は隣接する発光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を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１は、埋め込み領域１５の上面１５ｂ及びメサ導波路１３の上面１３ｂを覆うｎ型半導体層２８を備えることができる。ｎ型半導体層２８は、ｎ型上部クラッド層２５及びｎ型コンタクト層２６を含む。このｎ型上部クラッド層２５の一部はメサ導波路１３内に設けられることができる。また、量子カスケード半導体レーザ１１は絶縁膜２７を備え、絶縁膜２７はｎ型半導体層２８の上面２８ｂ上に設けられる。この絶縁膜２７上には、電極２９が設けられる。絶縁膜２７は、ｎ型半導体層２８の上面２８ｂ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ｎ型コンタクト層２６の上面２６ｂに接触を成す。上記の通り、この量子カスケード半導体レーザでは、下部を除く上部クラッド層２５の領域とコンタクト層２６が、メサ導波路１３には含まれない低メサ導波路となっており、これに起因して後述の通り、種々の改善が得られる。支持基体２１の裏面２１ｂには、電極３０が接触を成す。

量子カスケードレーザ１１の一実施例では、第１半導体層１９のｐ型半導体は６．０×１０^１６ｃｍ^−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６．０×１０^１６ｃｍ^−３以上であるとき、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1×１０^２０ｃｍ^−３以下である。

量子カスケード半導体レーザ１１は、図１の（ｂ）部に示されるように、メサ導波路１３の側面１３ａ及び支持基体２１の主面２１ａ上に設けられた半絶縁性の第２半導体層１７を更に備えることができる。第１半導体層１９及び第２半導体層１７は埋め込み領域１５を構成する。第２半導体層１７は、メサ導波路１３の側面１３ａと第１半導体層１９との間に設けられた第１部分１７ａと、支持基体２１の主面２１ａと第１半導体層１９との間に設けられた第２部分１７ｂとを含むことができる。

この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、第２半導体層１７の第１部分１７ａがメサ導波路１３の側面１３ａと第１半導体層１９との間に設けられると共に第２半導体層１７の第２部分１７ｂが支持基体主面２１ａと第１半導体層１９との間に設けられるので、第１半導体層１９による光吸収及び埋め込み領域１５の高抵抗化に加えて、第２半導体層１７の半絶縁性が埋め込み領域１５の更なる高抵抗化の強化に役立つ。このため、埋め込み領域１５へのキャリアの侵入による漏れ電流の発生がより低減されて、電流はメサ導波路により強く狭窄される。その結果、量子カスケード半導体レーザ１１の閾値電流の低減等の発振特性の更なる改善が得られる。

一実施例では、埋め込み領域１５内の第２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とを有することができる。

量子カスケード半導体レーザ１１は、図１の（ｃ）部に示されるように、第１の半導体層１９に加えて、埋め込み領域１５の上面を覆う、或いは埋め込み領域１５の上面を構成する半絶縁性半導体層２０を更に備えることができる。半絶縁性半導体層２０は第２半導体層１７及び第１半導体層１９と一緒になって埋め込み領域１５を構成する。半絶縁性半導体層２０は、メサ導波路１３の上端近傍で第２半導体層１７に接続されていることが好ましい。

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１５のｐ型半導体領域は、半絶縁性半導体層２０並びに第２半導体層１７の第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂによって、他の導電領域から電気的に分離される。これによって、埋め込み領域１５に全体としてより高い抵抗になるような構造を付与でき、埋め込み領域１５に流れる漏れ電流の更なる抑制が可能になる。その結果、メサ導波路領域１３への電流狭窄がより強まるので、量子カスケード半導体レーザ１１のしきい値電流の更なる低減を期待できる。

埋め込み領域１５の第１半導体層１９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１７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、ｐ型ドーパントによる安定した光吸収を提供できる。

図１の（ｂ）部及び（ｃ）部に示された量子カスケード半導体レーザ１１では、第２半導体層１７は第１半導体層１９と異なる半導体材料からなることができる。このとき、第２半導体層１７が第１半導体層１９と異なる半導体材料からなるので、埋め込み領域１５の設計の自由度が増して、構造最適化や特性改善の検討がより容易となる。

また、第２半導体層１７は第１半導体層１９より高いバンドギャップを有する半導体材料からなることが好ましい。第２半導体層１７のバンドギャップが第１半導体層１９のバンドギャップより高いので、第２半導体層１７は、メサ導波路１３を流れる電子に対して第１半導体層１９より高いエネルギー障壁を提供する。従って、第２半導体層１７は、その高いエネルギー障壁に起因して、電子に対して埋め込み領域１５を一層高抵抗化するため、メサ導波路領域１３への電流狭窄がより強化される。その結果、量子カスケード半導体レーザ１１の発振特性が更に改善される。また、第２半導体層１７に第１半導体層１９に比べて低い屈折率の材料を用いれば、埋め込み領域１５とメサ導波路領域１３との屈折率差を大きくでき、基本モードの導波光を導波路メサ領域１３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。

量子カスケード半導体レーザ１１は、図１の（ｄ）部に示されるように、図１の（ａ）部に示される埋め込み領域１５の第１半導体層１９に追加して，第３半導体層２４を備えることができ、第３半導体層２４は、メサ導波路１３を埋め込むようにメサ導波路１３の側面１３ａ上、及び支持基体主面２１ａ上に設けられる。第３半導体層２４は第１半導体層１９と一緒になって埋め込み領域１５を構成する。第３半導体層２４は第１半導体層１９と異なる材料、または異なる導電型、または異なるドーパント濃度の半導体材料からなることができる。第３半導体層２４が、半絶縁性半導体、ｐ型半導体及びアンドープ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１９がメサ導波路１３と第３半導体層２４との間に設けられると共に第３半導体層２４と支持基体主面２１ａとの間に設けられる。本構造においても、ｐ型の第１半導体層１９と隣接する各ｎ型半導体領域と第１半導体層１９との界面にｐｎ逆バイアス接合が形成されるため、埋め込み領域１５は電子に対し高抵抗化される。その結果、本領域はメサ導波路１３へキャリア（電流）を狭窄するための電流ブロック層としても機能する。量子カスケード半導体レーザ１１では、第３半導体層２４は、上記図１の（ａ）部の埋め込み領域１５に適用した場合と同様に、図１の（ｂ）部及び（ｃ）部に示される埋め込み領域１５に対しても、第１半導体層１９に追加して設けられることができる。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２４の付加により、埋め込み領域１５の設計の自由度が増し、また素子特性改善の検討がより容易となる。

一実施例では、量子カスケード半導体レーザ１１では、第３半導体層２４はアンドープ半導体を含むことが好ましい。アンドープ半導体は低いキャリア濃度であるので、アンドープ半導体からなる第３半導体層２４は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。

また、一実施例では、量子カスケード半導体レーザ１１では、第３半導体層２４は半絶縁性半導体を含むことが好ましい。半絶縁性半導体は埋め込み領域１５の高抵抗化に役立つ。量子カスケード半導体レーザ１１では、半絶縁性半導体は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＣｏのうちの何れかの遷移金属がドープされた半導体であることができる。第３半導体層２４の半絶縁性は、上記の遷移金属の添加により提供される。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、第３半導体層２４の半導体に半絶縁性を付与でき、キャリア（電子）に対して例えば１０^５Ωｃｍ以上の高い比抵抗を提供できる。このような第３半導体層２４の非常に高い比抵抗のため、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ｐ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。

量子カスケード半導体レーザ１１の一実施例では、第２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２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２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（メサ導波路１３がｎ型上部クラッド層２５を含むときはその側面２５ａとコア層２３の側面２３ａ）が第２半導体層１７で覆われる。第２半導体層１７は半絶縁性半導体であるので、メサ導波路１３を埋め込み領域１５の第１半導体層１９から半絶縁性半導体で電気的に分離できると共に第１半導体層１９のｐ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。

さらに、一実施例では、量子カスケード半導体レーザ１１では、第３半導体層２４はｐ型半導体を含むことができる。第３半導体層２４が第１半導体層１９と異なるｐ型ドーパント濃度のｐ型半導体からなるとき、埋め込み領域１５の設計の自由度を増加でき、構造最適化や特性改善の検討をより容易にする。第３半導体層２４のｐ型半導体は第１半導体層１９のｐ型ドーパント濃度より低いｐ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２４が第１半導体層１９より低いｐ型ドーパント濃度を有するので、第３半導体層２４は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ｐ型半導体から成る第３半導体層２４は、高いドーパント濃度のｐ型半導体から成る第１半導体層１９より高い熱伝導を有するので、本埋め込み領域の構造によれば、量子カスケード半導体レーザ１１の放熱性が向上される。或いは、第３半導体層２４のｐ型半導体は第１半導体層１９のｐ型ドーパント濃度と同じか、より高いｐ型ドーパント濃度を有していてもよい。

量子カスケードレーザ１１の一実施例では、第３半導体層２４のｐ型半導体は1×１０^１５ｃｍ^−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、ｎ型上部クラッド層２５のｎ型半導体に対してｐｎ接合を形成できる。このため、このｐｎ接合が逆バイアスされるとき、キャリア（電子）に対して高いポテンシャル障壁を提供できる。従ってｐ導電性の半導体から成る第３半導体層２４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、第３半導体層２４のｐ型半導体のｐ型ドーパント濃度の上限は例えば1×１０^２０ｃｍ^−３以下である。

量子カスケード半導体レーザ１１では、第１半導体層１９の屈折率は第３半導体層２４の屈折率より低いことが好ましい。第１半導体層１９の屈折率が第３半導体層２４の屈折率より低いので、埋め込み領域１５とメサ導波路１３との屈折率差を大きくできる。このため、基本モードが導波路メサ領域中１３により強く閉じ込められるので、基本モード発振をより安定に期待できる。

これまで説明してきた埋め込み領域１５の材料について説明する。第１半導体層１９はｐ型のＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方であることができる。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、これらの材料にｐ型ドーパントを大量に添加するとき、ｐ型ドープのＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓは添加量に応じて高い光吸収性を示して、高次モード抑制のために寄与すると共に、ｐ型の第１半導体層１９と隣接する各ｎ型半導体領域と第１半導体層１９との界面にｐｎ逆バイアス接合が形成されるため、埋め込み領域１５は電子に対し高抵抗化され、その結果、メサ導波路１３へキャリア（電流）を狭窄するための電流ブロック層としても機能する。また第３半導体層２４に、低いｐ型ド−パント濃度やアンドープ、または半絶縁性のＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓの半導体層を用いれば第３半導体層２４は電子に対し高抵抗化されるため、埋め込み領域１５への漏れ電流をより低減できる。更に、ＡｌＩｎＡｓは高いバンドギャップを示すので、これを第２半導体層１７に用いれば、第２半導体層１７の高バンドギャップ化に起因して、電子に対して埋め込み領域１５をより高抵抗化できるため、埋め込み領域１５への漏れ電流をより低減できる。従って、第１半導体層１９、第２半導体層１７、または第３半導体層２４に上記各半導体層を用いれば、埋め込み領域１５への漏れ電流が低減され、電流をメサ導波路領域１３に強く狭窄できる。このため、より良好な量子カスケード半導体レーザの特性が得られる。

また、ＡｌＩｎＡｓは低屈折率を示すので、これを第１半導体層１９や第２半導体層１７に用いれば、埋め込み領域１５と導波路メサ領域１３との屈折率差の拡大を可能にし、基本モードが導波路メサ中により強く閉じ込められて、より安定な基本モード発振を得ることが期待できる。

第２半導体層１７はＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方であることができる。これらの材料に遷移金属を添加するとき、遷移金属ドープのＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓは添加量に応じて高い抵抗を示す。また、第３半導体層２４はＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓのいずれか一方であることができる。第３半導体層２４に低いｐ型ド−パント濃度やアンドープ、または半絶縁性のＩｎＰ、またはＡｌＩｎＡｓの半導体層を用いれば、第３半導体層２４は高抵抗化されるため、埋め込み領域１５への漏れ電流をより低減できる。またＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓは、基板としてＩｎＰ基板を用いるとき、基板に格子整合を為して、良好な結晶成長が可能になる。

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３半導体層２４は第２半導体層１７と異なる半導体からなることができる。また、第３半導体層２４は第１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によれば、第３半導体層２４が第２半導体層１７または第１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。材料の組み合わせに関する一実施例では、第１半導体層１９、第２半導体層１７および第３半導体層２４は、それぞれ、例えば第１半導体層１９はｐ型ＡｌＩｎＡｓ、第２半導体層１７は半絶縁性のＡｌＩｎＡｓ、第３半導体層２４はｐ型、アンドープ、または半絶縁性のＩｎＰからなることが好ましい。

図１の（ｂ）部及び図１の（ｃ）部に示される量子カスケード半導体レーザ１１の埋め込み領域１５に更に第3半導体層24が付加される場合は、第２半導体層１７は第３半導体層２４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１７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（ｂ）部及び図１の（ｃ）部に示されるに示される量子カスケード半導体レーザ１１では、第１半導体層１９は第２半導体層１７に接触を成す。埋め込み領域１５では、コア層２３の側面２３ａ上において、第２半導体層１７の層厚は、コア層２３の側面２３ａ上における第１半導体層１９の層厚より小さい。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上における第２半導体層１７の層厚がコア層２３の側面２３ａ上における第１半導体層１９の層厚より大幅に薄いので、埋め込み領域15において、高次モードの大半は第１半導体層１９に分布する。従って、第１半導体層１９は、コア層２３から埋め込み領域１５に浸み出す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（ｄ）部に示される量子カスケード半導体レーザ１１では、埋め込み領域１５は、第１半導体層１９と、第１半導体層１９に接触を成す第３半導体層２４とを含む。埋め込み領域１５では、コア層２３の側面２３ａ上における第１半導体層１９の層厚はｎ型上部クラッド層２５の側面２５ａ上における第１半導体層１９の層厚より大きい。コア層２３の側面２３ａ上における第１半導体層１９の層厚がｎ型上部クラッド層２５の側面２５ａ上における第１半導体層１９の層厚より大きいとき、埋め込み領域15において、高次モードの大半は第１半導体層１９に分布する。従って、第１半導体層１９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。

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。ここでは、量子カスケードレーザにおける課題を別の視点から説明する。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と埋め込み層との間の屈折率差が小さくなる。これ故に、中赤外領域では、屈折率差の低下に起因して、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。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ｐ型半導体層を適用し、このｐ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エネルギー分布を有する。ここで、埋め込み領域中の光閉じ込め係数（つまり、ある導波光モードの全エネルギーに対する、埋め込み領域中に存在する部分エネルギーの比率）を用いて、埋め込み領域に存在する光の分布を見積もると、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を用いることで、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を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、ｐ型ドーパントを含む半導体では、そのドーピングにより生成されたキャリアによる価電子帯間光吸収等の光吸収が生じ、この吸収は、長波長化に伴い急激に増大するので、波長が長い中赤外領域では強い光吸収を示す。

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ｐ型ドーパントを添加したときの、ｐ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０．５ｃｍ^−１未満と小さいが、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中における添加密度６×１０^１６ｃｍ^−３のｐ型InP半導体でも、６ｃｍ^−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ー減衰量、つまり、導波前のエネルギーのうち導波中に消失したエネルギーの割合は、（１−ｅｘｐ（−Γ×α×Ｌ））×１００（％）で求められる。

例えば、埋め込み領域１５が図１の（ａ）部に示すように第1半導体層１９のみで構成される構造を有し、更に第1半導体層１９が６．０×１０^１６ｃｍ^−３のドーパント濃度のｐ型ＩｎＰから成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ー減衰量を計算する。共振器長Ｌを３ｍｍとおき、光吸収係数αを６ｃｍ^−１（６．０×１０^１６ｃｍ^−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次横モードの埋め込み領域中の光閉じ込め係数Γを上記の通り、それぞれ６．２％及び３３．７％とおく。計算によれば、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ー減衰量は、基本横モードにおいて１０．６％程度あるのに対して、１次横モードでは４５．５％程度であり、この値は基本横モードのエネルギー減衰量に比べて４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１５中の光閉じ込め係数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ー比率が大きいので、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、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の図面２に示されるように、ｐ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。ｐ型ドーパント濃度６．０×１０^１６ｃｍ^−３のＩｎＰでは、波長８μｍ帯における吸収係数は６ｃｍ^−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０．４ｃｍ^−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、１１％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、ｐ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、ｐ型半導体のドーパント濃度としては、高い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６．０×１０^１６ｃｍ^−３以上のｐ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、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等においても適用される。

ｐ型のドーパントとしては亜鉛（Ｚｎ）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ｐ型導電性を示すように、複数のドーパントを添加してｐ型半導体を作製することもできる。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。

図５は、本実施の別の形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。量子カスケード半導体レーザ１１ａ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１１ａ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を介して前記メサ導波路１３の上面１３ｂ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に選択的に提供される。支持基体２１の裏面２１ｂには、電極３０が接触を成す。

図５を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１ａでは、ｎ型上部クラッド層２５の全てが、メサ導波路１３内に設けられている。量子カスケード半導体レーザ１１ａでは、絶縁膜２７が埋め込み領域１５の上面１５ｂを覆い、電極２９が絶縁膜２７上に設けられている。絶縁膜２７は、メサ導波路１３の上面１３ｂに設けられた開口２７ａを有しており、電極２９はこの開口２７ａを介してメサ導波路１３の上面１３ｂに接触を成す。必要な場合には、メサ導波路１３は、電極２９に接触を成しｎ型上部クラッド層２５上に設けられたコンタクト層２６を含むことができる。この量子カスケード半導体レーザ１１ａによれば、絶縁膜２７が埋め込み領域１５の上面１５ｂを覆うと、絶縁膜２７がメサ導波路１３の上面１３ｂに設けられた開口２７ａを有するので、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は、図１の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｄ）部のいずれかに示された埋め込み構造を有することができ、上記量子カスケード半導体レーザ１１の場合と同様の技術的寄与を得ることができる。

引き続き、図６〜図９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、埋め込みヘテロストラクチャー（ＢＨ）構造を有する。

（実施例１）
図６〜図９に示される量子カスケード半導体レーザＱＣＬ１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、メサ導波路の側面に設けられた第１領域と基板の上面に接触を成す第２領域とから構成される。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領域は半絶縁半導体及び／又はｐ型半導体からなる。

メサ導波路に係る構造は以下のものである。
下部クラッド層：ｎ型ＩｎＰ。
下部光閉じ込め層：ｎ型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：ｎ型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）：ＳｉＯ_２、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。
本実施例では、基板にはＩｎＰを用いる。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、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一般にＩｎＰが用いられる。ＩｎＰ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、素子内においてメサ導波路内だけでなくメサ導波路の外側により広がって分布する。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必要が有る。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６に示されるように、その全体がｐ型半導体から成る。この埋め込み領域は、第１領域、第２領域及び第３領域を有する。
第１領域がメサ導波路に接触を成すと共に、第２領域が基板又は下部ｎ型クラッド層に接触を成し、絶縁膜は第３領域に接触を成す。

（構造例２）
埋め込み領域は、図７に示されるように、埋め込み領域の半導体領域Ａはｐ型半導体から成り、埋め込み領域の半導体領域Ｂはこの半導体領域Ａ及びメサ導波路に接触を成すように、半導体領域Ａとメサ導波路との間に設けられた半絶縁性半導体からなる。絶縁膜は半導体領域Ａに接触を成す。半導体領域Ａのｐ型半導体は、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。本構造では、半導体領域Ｂの半絶縁性により、埋め込み領域がより高抵抗化する。このため、埋め込み領域へのキャリア（電子）の侵入による漏れ電流の発生がより低減されて、電流はメサ導波路により強く狭窄される。その結果、閾値電流の低減等の量子カスケード半導体レーザの発振特性の更なる改善が得られる。

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、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型半導体を半導体領域Ａに適用するとき、半導体領域Ａ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、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。一方、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。

超格子列で構成されるコア層は、超格子列内部の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。そこで、半導体領域Ａ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ストレスを軽減できる。その結果、熱的なストレスによる、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。

半導体領域Ｂを構成する半絶縁性半導体は、半導体領域Ａ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、半導体領域Ａとは異なる材料を半導体領域Ｂ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。

例えば、半導体領域Ｂが、半導体領域Ａ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、これを半導体領域Ｂに用いれば、ＩｎＰを半導体領域Ｂ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、半導体領域Ｂの高バンドギャップ化に起因して、半導体領域Ｂ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）と半導体領域Ｂと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、両者間に形成される電子に対するエネルギー障壁が増大する。このため、本構造では、半絶縁性半導体の高抵抗性に加えて、バンドオフセットによるエネルギー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強く抑制できる。したがって、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、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半導体領域Ｂのみにこれを用い、半導体領域Ａ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を用いた方が、量子カスケード半導体レーザの製造上、及び温度特性上、好ましい。

半導体領域Ａ及び半導体領域Ｂに用いられるＡｌＩｎＡｓや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、ｐ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３）
埋め込み領域は、図８に示されるように、埋め込み領域の半導体領域Ａはｐ型半導体から成り、埋め込み領域の半導体領域Ｂは、この半導体領域Ａ、メサ導波路、下部クラッド層、及び絶縁膜に接触を成すように、半導体領域Ａとメサ導波路との間、半導体領域Ａと下部クラッド層との間、及び半導体領域Ａと絶縁膜との間に設けられた半絶縁性半導体からなる。半導体領域Ａのｐ型半導体は、半導体領域Ｂの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電気的に隔置される。絶縁膜は上部電極と半導体領域Ｂとの間に設けられる。

構造例１、構造例２および構造例３に適用された光閉じ込め層は、ＱＣＬに必須ではなく、光閉じ込め層が無い場合でも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が得られる場合は不要である。更に、下部クラッド層もＱＣＬに必須では無く、基板が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、これが無いと埋め込み領域が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。

構造例１〜構造例３を、図５に示された量子カスケード半導体レーザの構造に基づき説明したけれども、これらの構造は、図１に示された量子カスケード半導体レーザの構造にも適用可能である。

構造例１では、埋め込み領域における全体がｐ型半導体で形成されている。しかしながら、埋め込み領域の構造は、これに限定されるものではなく、例えば構造例２及び構造例３に示されるように、埋め込み領域が半導体領域Ａ及び半導体領域Ｂから成る場合は、両者は、異なる材料、異なる導電型の半導体を組み合わせて構成されていても良い。これの技術的寄与としては、材料や導電型の違いに起因して屈折率、バンドギャップ、熱伝導、光吸収といった埋め込み領域の特性に関して、埋め込み領域の設計の自由度が増す。

構造例２及び構造例３について、材料が異なる半導体領域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、半導体領域Ｂ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、半導体領域Ｂ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。

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、埋め込み領域全体をＡｌＩｎＡｓで形成する必要はない。例えば、上記低屈折率材料が好適な半導体領域Ｂのみにこれを用い、半導体領域Ａには、ＡｌＩｎＡｓよりも屈折率は高いが、熱伝導が良好で、結晶成長も容易なＩｎＰを用いた方が、量子カスケード半導体レーザの製造上、及び温度特性上、好ましい。しかしながら、必要な場合には、半導体領域Ａ及び半導体領域ＢをＡｌＩｎＡｓで形成しても良い。

（実施例２）
構造例１では、埋め込み領域における全体がｐ型半導体で形成されている。しかしながら、埋め込み領域の構造は、これに限定されるものではなく、埋め込み領域は、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。埋め込み領域は、例えば図９に示されるように、２種の半導体領域Ｃ及びＤから構成されることができる。図９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、半導体領域Ｃには、中赤外域の光吸収が可能であるｐ型半導体が用いられる。一方、半導体領域Ｄには、必要に応じて、半導体領域Ｃとは異なる材料、異なる導電型、異なるドーパント濃度の半導体層を使用できる。本構造においても、半導体領域Ｃ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。

埋め込み領域がこのような複数の半導体層からなるとき、個々の半導体層が、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、このとき、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、光吸収といった埋め込み領域の特性に関して、埋め込み領域の設計の自由度が増す。

（構造例４）
図９を参照すると、埋め込み領域では、半導体領域Ｃは、半導体領域Ｃに分布する光成分を吸収できるｐ型半導体からなり、半導体領域Ｄは、必要に応じ、異なる材料や導電型、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、半導体領域Ｃの光吸収作用により、実施例１と同様の技術的寄与が提供される。

半導体領域Ｄが半導体領域Ｃと異なる材料や導電型、ドーパント濃度の半導体からなるとき、これらの違いに起因して、埋め込み領域は、屈折率、バンドギャップ、熱伝導、光吸収といった点で異なる特性の複数の半導体材料を組み合わせて構成できる。これ故に、埋め込み領域の設計の自由度が増し、また素子特性改善の検討がより容易となる。

半導体領域Ｃと半導体領域Ｄの材料が異なる具体例としては、例えば半導体領域Ｃには低い屈折率の材料、例えばＡｌＩｎＡｓを用いることが好ましい。例えば８μｍ波長帯において、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、ＡｌＩｎＡｓの屈折率はＩｎＰの屈折率より小さい。したがって、半導体領域ＣをＡｌＩｎＡｓといった低い屈折率材料で作製するとき、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、基本モードの伝搬光を導波路メサ領域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。

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、埋め込み領域全体をＡｌＩｎＡｓで形成する必要はない。例えば、上記低屈折率材料が好適な半導体領域Ｃのみにこれを用い、半導体領域Ｄには、ＡｌＩｎＡｓよりも屈折率は高いが、熱伝導が良好で、結晶成長も容易なＩｎＰを用いた方が、量子カスケード半導体レーザの製造上、及び温度特性上、好ましい。しかしながら、必要に応じ、半導体領域ＤにもＡｌＩｎＡｓを適用できる。

メサ導波路の外側における高次モードの殆どは、メサ導波路の近傍における埋め込み領域、つまり半導体領域Ｃに分布する。このため、高次モード発振抑制のために、半導体領域Ｃは、光吸収機能を有するドーパント濃度６×１０^１６ｃｍ^−３程度以上のｐ型半導体で構成される。一方、半導体領域Ｄはメサ導波路から離れているため、ここには高次モードは僅かしか存在しない。このため、半導体領域Ｄには光吸収機能を有する半導体を必ずしも用いる必要は無い。そこで半導体領域Ｄのドーパント濃度に関しては、ここには半導体領域Ｃより低いドーパント濃度のｐ型半導体及び／又はアンドープ半導体といった、光吸収機能が弱い半導体を用いても良い。また、これらの半導体材料は、上記理由からＩｎＰであることが好適である。

また、半導体領域Ｄの導電型に関しては、上記のように半導体領域Ｄには光吸収機能は不要のため、ここをＦｅドープＩｎＰ等の低光吸収の半絶縁性半導体で構成しても良い。

低ドープｐ型半導体、アンドープ半導体、又は半絶縁性半導体が半導体領域Ｄに適用されるとき、半導体領域Ｄに高ドープｐ型半導体を適用することに比べて、半導体領域Ｄに高い比抵抗を付与でき、埋め込み領域に流れる漏れ電流を低減できる。この結果、メサ導波路領域への電流狭窄がより強まるので、閾値電流の更なる低減が期待できる。また、低ドープｐ型半導体、アンドープ半導体、もしくは半絶縁性半導体は、高ドープｐ型半導体より高熱伝導率を有するので、これらの半導体を半導体領域Ｄに用いれば、素子の放熱性を向上でき、特性改善を可能にする。このように、半導体領域Dは、半導体領域Cと異なる材料、導電型、ドーパント濃度の半導体で構成することができる。また、半導体領域Ｄは、材料、導電型、ドーパント濃度の全てにおいて半導体領域Cと異なる必要は無く、これらの何れか1つにおいて異なっていてもよい。

なお、以上では半導体領域Ｃ及び半導体領域Ｄの組み合わせを構造例１の埋め込み領域に適用した場合を説明したが、これを構造例２及び構造例３の埋め込み領域の半導体領域Aにも適用できる。これらに適用した場合でも、構造例１に適用した場合と同様に、上記説明した半導体領域Ｃ及び半導体領域Ｄの組み合わせに起因する寄与を得ることができる。

（実施例３）
ハイメサ構造の量子カスケード半導体レーザを参照しながら、構造例１〜構造例４を説明してきた。ハイメサの導波路構造は、コア層上の上部クラッド層及びコンタクト層の全てを含むように、半導体積層のメサ状エッチングが行われた。構造例１〜構造例４における埋め込み領域の構造は、ハイメサ構造に限定されることなく、図１に示されるような低メサ構造にも適用される。図１０は、下部クラッド層上部、コア層、上下の光閉じ込め層、及び上部クラッド層下部を含み、下部以外の上部クラッド層とコンタクト層を実質的に含まない低メサ導波路を含む量子カスケード半導体レーザの構造を示す。この構造においても、上記の実施例と同様に、埋め込み領域のｐ型半導体層が光吸収層として機能する。このメサ構造により、中赤外波長領域における高次水平横モードの発生が抑制され、量子カスケード半導体レーザが基本モードで安定して発振することを実現できる。

図１０に示されるような低メサ導波路構造の利点を説明する。高メサ導波路構造では、コア層に加えて、コンタクト層、上部クラッド層全体の全てを含む高メサ導波路を形成するために、半導体積層を垂直方向に例えば５〜６μｍ以上といった深いエッチングを行う。このエッチングの場合、垂直縦方向のエッチングの進行に伴い、水平横方向にもサイドエッチによりエッチングが生じる。これ故に、完成されたメサ導波路の断面が矩形を有するように、異方的なエッチングを為すことが困難であり、メサ導波路の断面が台形状になりやすい。この場合、メサ導波路の上端部と下端部では、メサ導波路の幅が異なる。このため、メサ導波路内部において電界強度が異なるようになり、コア層への均一な電界印加が困難となる。量子カスケード半導体レーザでは、通常、均一な電界分布が得られる矩形状のメサ断面を仮定して、コア層内部の設計が行われる。従って、上記のようにメサ断面が矩形から有意に変化すると、設計の前提条件である均一電界の条件が満たされなくなり、量子カスケード半導体レーザの構造設計を精度良く行うことが困難となる。

一方低メサ構造では、上部クラッド層の大部分とコンタクト層がメサ領域に含まれない。このため、ハイメサ構造に比べて少ないエッチング量でメサ導波路を形成できる。これ故に、矩形状のメサ断面形状の実現が容易となる。そのため、高メサ構造に比べて、コア層における均一な電界の生成が容易となる。その結果、量子カスケード半導体レーザの特性を設計通りに実現することが可能となる。

量子カスケード半導体レーザに低メサ構造を採用するとき、メサ導波路を薄い埋め込み領域で埋め込むことができる。これ故に、埋め込み領域の成長時間を構造例１〜構造例４の高メサ構造に比べて短かくできる。したがって、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低減できる。その結果、熱的なダメージによるコア層の組成変動やコア層の結晶性劣化を抑制することができ、これらに起因する特性劣化や信頼性劣化を量子カスケード半導体レーザにおいて回避できる。

低メサ導波路構造では、メサ導波路及び埋め込み領域上に、大半の上部クラッド領域、及びコンタクト層が形成される。一方、ハイメサ構造ではコンタクト層及び上部クラッド層が狭いメサ領域にしか存在せず、このメサ領域上面に電極が形成される。この構造上の違いにより、低メサ導波路構造は、ハイメサ構造に比べて、素子コンタクト抵抗や素子直列抵抗を低減でき、その結果、量子カスケード半導体レーザの動作電圧が下がるため、量子カスケード半導体レーザの消費電力を低減できる。

更に図１に示される量子カスケード半導体レーザ構造は、図５に示される量子カスケード半導体レーザに対して、メサ高さを大幅に低減できるため、メサエッチング時間を短縮できる。従って、メサエッチングにおけるウエハ面内のメサ形状の均一性の確保や、プロセス毎のメサ形状の再現性の確保が容易となる。

上記全実施例においては、下部ｎクラッド層の一部がメサ領域に含まれる実施例を説明したけれども、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。或いは、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良い。上記全実施例では、基板はメサ導波路に含まれないけれども、これに限定されるものでは無く、必要に応じて、基板の一部がメサ導波路領域に含まれていても良い。本実施の形態では、上部ｎ型クラッド層の下部分がエッチングされてメサ導波路領域に含まれているけれども、これに限定されるものではなく、上部ｎ型クラッド層は、全くエッチングされずに、またメサ領域に含まれなくてもよい。これら何れの構造においても、上記の各構造例で得られる効果と同じ効果を提供できる。以上埋め込みヘテロストラクチャー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ストラクチャー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１．３〜１．６6μm）に比べて、半導体材料固有の特性に起因して電流の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の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２半導体層、１９…第１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 (17)

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、コア層を含むメサ導波路と、
   前記メサ導波路を埋め込むように、前記メサ導波路の側面上及び前記支持基体の前記主面上に設けられたｐ型半導体の第１半導体層と、
   を備え、
   前記第１半導体層は、前記メサ導波路を埋め込む埋め込み領域を構成する、量子カスケード半導体レーザ。
2. 前記第１半導体層の前記ｐ型半導体は６．０×１０^１６ｃｍ^−３以上のｐ型ドーパントを含む、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザ。
3. 前記メサ導波路の前記側面上及び前記支持基体の前記主面上に設けられた半絶縁性の第２半導体層を更に備え、
   前記第２半導体層及び前記第１半導体層は前記埋め込み領域を構成し、
   前記第２半導体層は、前記メサ導波路の側面と前記第１半導体層との間に設けられた第１部分と、前記支持基体の前記主面と前記第１半導体層との間に設けられた第２部分とを含む、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. 前記第２半導体層及び前記第１半導体層上に設けられた半絶縁性半導体層を更に備え、
   前記半絶縁性半導体層は前記第２半導体層及び前記第１半導体層と一緒になって前記埋め込み領域を構成し、
   前記半絶縁性半導体層は前記埋め込み領域の上面を構成し、
   前記半絶縁性半導体層は前記第２半導体層に接続されている、請求項３に記載された量子カスケード半導体レーザ。
5. 前記第２半導体層は、前記第１半導体層と異なる半導体材料からなり、
   前記第２半導体層は、前記第１半導体層より高いバンドギャップを有する半導体材料からなる、請求項３又は請求項４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、前記メサ導波路の前記側面上及び前記支持基体の前記主面上に設けられた第３半導体層を更に備え、
   前記第１半導体層は前記第３半導体層と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との間に設けられ、
   前記第３半導体層は、前記第１半導体層と異なる半導体材料からなり、
   前記第３半導体層は、前記第１半導体層と一緒になって前記埋め込み領域を構成し、
   前記第３半導体層は、アンドープ半導体、ｐ型半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを含む、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. 前記第３半導体層はアンドープ半導体を含む、請求項６に記載された量子カスケード半導体レーザ。
8. 前記第３半導体層は半絶縁性半導体を含む、請求項６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何れかの遷移金属がドープされた半導体である、請求項８に記載された量子カスケード半導体レーザ。
10. 前記第３半導体層は、ｐ型半導体を含む、請求項６に記載された量子カスケード半導体レーザ。
11. 前記第３半導体層のｐ型半導体は前記第１半導体層のｐ型ドーパント濃度より低いｐ型ドーパント濃度を有する、請求項１０に記載された量子カスケード半導体レーザ。
12. 前記第１半導体層の屈折率は前記第３半導体層の屈折率より低い、請求項６〜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る、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１４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。
16. 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、
    前記メサ導波路は、前記支持基体及び前記コア層上に設けられたｎ型上部クラッド層を含み、
    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１５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。
17. 前記埋め込み領域の上面及び前記メサ導波路の上面を覆うｎ型半導体層と、
    前記ｎ型半導体層の上面上に設けられた絶縁膜と、
    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ｎ型半導体層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ｎ型半導体層の前記上面に接触を成す、請求項１〜請求項１５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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