JP2015088517A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】 レーザ素子の製造工程における反射制御膜の変質、劣化を抑制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上に設けられて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する活性層１５とを備え、基板１０を含む基体部２０と、活性層１５を含むストライプ状のリッジ部２５とを有して量子カスケードレーザ１Ａを構成する。また、レーザ１Ａの共振方向の端面１１上に、リッジ端面上から基体端面上にわたって反射制御膜３０を形成するとともに、基体端面上において、基体端面のリッジ部２５側の第１辺に隣接する第２辺、第３辺、及び第１辺に対向する第４辺について、それらの３辺のそれぞれから所定幅の近傍領域を除く領域に反射制御膜３０が形成されている構成とする。
【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３〜３０μｍ）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。
特開２０１１−２４３７８１号公報 特開平１−１５２７８８号公報 特開２００５−３１４８０２号公報
一般に、分光計測やセンシングなどへのレーザ素子の応用では、安定したシングルモード動作が求められる。上記した量子カスケードレーザにおいて、例えば外部共振器（ＥＣ：External Cavity）型、あるいは分布帰還（ＤＦＢ：DistributedFeed Back）型の構成によってレーザ発振モードを制御する場合、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、及びそれによる反射率制御が必須となっている（反射制御膜の形成については、例えば、特許文献２、３参照）。
例えば、波長７μｍ以下の光を出力する量子カスケードレーザでは、反射制御膜の材料としてＡｌ２Ｏ３を用いて、比較的薄い膜厚で反射防止膜（無反射膜）を実現することができる。これに対して、波長７μｍ以上の長波長領域では、光の吸収が大きいために、Ａｌ２Ｏ３を使用することはできない。このため、このような波長の光に対しては、その波長領域で透明な材料（充分な光透過性を有する材料）を用いた低屈折率膜と、高屈折率膜とを交互に積層した多層膜によって、反射制御膜を構成することとなる。
多層膜で反射制御膜を構成する場合、低屈折率膜の材料としては、例えばＣｅＯ２、ＺｎＳを用いることができる。また、高屈折率膜の材料としては、例えばＧｅを用いることができる。このような材料を用いて構成される反射制御多層膜では、そのトータルの膜厚は１μｍ以上となり、また、その膜厚はレーザの波長が長波長化するほど厚くなる。
ここで、量子カスケードレーザの製造工程において、レーザ素子の共振方向の端面に対する反射制御膜のコーティングは、通常、複数のレーザ素子が光の共振方向に直交する方向に配列されたレーザバーの状態で行われる。反射制御膜がコーティングされたレーザバーは、その後、へき開等によって各レーザ素子（単素子）に分割され、レーザ素子毎に、サブマウントへのハンダ付け等の工程が行われる。
反射制御膜の膜厚が充分に薄い場合は、レーザバー端面の全面にコーティングしても、反射制御膜に剥離やクラックなどの損傷を発生させることなく、容易に単素子に分割することができる。一方、長波長領域に対応する厚い反射制御膜の場合、単素子にへき開する際に、半導体母材と一緒には反射制御膜が分断されず、バリや剥離等が発生する。また、レーザ素子をサブマウント上に実装する際に、応力によって反射制御膜にクラック等が発生する。このようなレーザ素子の製造工程での反射制御膜の変質、劣化は、レーザ素子の製造歩留りや信頼性の低下の原因となる。
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、レーザ素子の製造工程における反射制御膜の変質、劣化を抑制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）半導体基板を含む基体部と、活性層を含んで基体部上に設けられ、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ける共振方向にストライプ状に延びるリッジ部とを有して構成され、（４）共振方向において互いに対向する第１端面及び第２端面のうちで少なくとも第１端面上に、活性層の端部を含むリッジ部のリッジ端面上から基体部の基体端面上にわたって反射制御膜が形成されているとともに、（５）基体端面上において、基体端面のリッジ部側の第１辺、第１辺に隣接する第２辺、第３辺、及び第１辺に対向する第４辺について、第２辺から所定幅の領域、第３辺から所定幅の領域、及び第４辺から所定幅の領域を除く領域に、反射制御膜が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、半導体基板を含む基体部と、カスケード構造の活性層を含み、基体部よりも狭い幅で共振方向に延びるストライプ状に形成されたリッジ部とを有するリッジ構造によって、レーザ素子を構成している。また、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２つの素子端面のうちで、少なくとも一方の面（第１端面）上に、活性層の端部を含むリッジ端面上から基体端面上にわたって連続するように反射制御膜を形成している。
さらに、上記構成で、反射制御膜のうちで基体端面上に形成される部分において、基体端面のリッジ部側の第１辺（上辺）に隣接する２辺である第２辺、第３辺（側辺）、及び第１辺に対向する１辺である第４辺（下辺）について、第２辺から所定幅ｗ２の領域、第３辺から所定幅ｗ３の領域、及び第４辺から所定幅ｗ４の領域には反射制御膜が形成されておらず、それらの領域を除く領域に反射制御膜を形成する構成としている。
このように、基体端面の２側辺及び１下辺の３辺の近傍領域に反射制御膜を形成しない構成によれば、レーザ素子の製造工程におけるバリ、剥離、クラック等の発生による反射制御膜の変質、劣化を抑制することができる。したがって、反射制御膜の劣化によって製造歩留りや信頼性を低下させることなく、反射制御膜によってレーザ発振モードが好適に制御された量子カスケードレーザを実現することが可能となる。
ここで、上記した量子カスケードレーザにおいて、反射制御膜は、その周縁部において膜厚が減少する断面形状に形成されていることが好ましい。これにより、レーザ素子の製造工程におけるバリ、剥離、クラック等の発生による反射制御膜の変質、劣化を、さらに充分に抑制することができる。
また、反射制御膜は、基体端面上から基体部のリッジ部側の面である上面上に、及びリッジ端面上からリッジ部の上面上、両側面上にそれぞれ回り込むように付加的に形成された付加膜部を有することが好ましい。このような構成によっても、レーザ素子の製造工程におけるバリ、剥離、クラック等の発生による反射制御膜の変質、劣化を、さらに充分に抑制することができる。
また、反射制御膜については、具体的には、少なくとも１層のＣｅＯ２膜を含む構成を用いることができる。ＣｅＯ２（酸化セリウム）は、長波長、中赤外領域の光に対して高い透過性を示し、かつ、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膜を含む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、素子端面での反射率制御を好適に実現することが可能となる。
また、反射制御膜は、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としても良い。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設定、制御することができる。また、反射制御膜がＣｅＯ２膜を含む場合には、ＣｅＯ２膜は、通常、低屈折率膜として用いられる。
また、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）を端面に形成することにより、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。
本発明の量子カスケードレーザによれば、半導体基板を含む基体部と、活性層を含むリッジ部とを有するリッジ構造とし、活性層で生成される所定波長の光に対し、共振方向に位置する２つの端面のうちで少なくとも一方の第１端面上に、活性層の端部を含むリッジ端面上から基体端面上にわたって反射制御膜を形成するとともに、基体端面上において、基体端面のリッジ部側の第１辺に隣接する第２辺、第３辺、及び第１辺に対向する第４辺について、第２辺から所定幅の領域、第３辺から所定幅の領域、及び第４辺から所定幅の領域を除く領域に反射制御膜を形成する構成とすることにより、レーザ素子の製造工程における反射制御膜の変質、劣化を抑制することが可能となる。
量子カスケードレーザの一実施形態の構成を示す斜視図である。 図１に示した量子カスケードレーザの構成を示す正面図である。 図１に示した量子カスケードレーザの構成を示す側面断面図である。 複数のレーザ素子が配列されたレーザバーの構成を示す（ａ）斜視図、及び（ｂ）底面図である。 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。 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。 反射制御膜の第２の構成例を示す側面図である。 反射制御膜の形成工程において用いられる（ａ）レーザバー固定ジグ、及び（ｂ）マスクの構成の一例を示す斜視図である。 レーザバー固定ジグ及びマスクを用いた反射制御膜の形成工程の一例を示す（ａ）斜視図、及び（ｂ）平面断面図である。 レーザバー固定ジグ及びマスクを用いた反射制御膜の形成工程の他の例を示す（ａ）斜視図、及び（ｂ）平面断面図である。
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一実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。また、図２は、図１に示した量子カスケードレーザの構成を示す正面図である。また、図３は、図１に示した量子カスケードレーザの構成を示す側面断面図である。ここで、図３においては、レーザ素子のリッジ構造におけるリッジ部の中心線に沿った側面断面図を示している。また、以下の各図においては、説明の便宜のため、ｘｙｚ座標系を示している。この座標系において、ｘ軸方向は、後述するレーザバーにおけるレーザ素子の配列方向であり、ｙ軸方向は、レーザ共振器構造における共振方向であり、ｚ軸方向は、レーザ素子本体における各半導体層の積層方向である。
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、及びリッジ部２５側には、それぞれレーザ１Ａを駆動するための電極が形成されている。ただし、図１〜図３においては、電極の図示を省略している。
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（図３参照）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。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。なお、活性層１５における量子井戸構造、及びそれによるサブバンド準位構造については、詳しくは後述する。
量子カスケードレーザ１Ａにおける半導体基板１０、活性層１５以外の半導体積層構造については、図３にその具体的な一例を示している。図３に示す構成例では、半導体基板１０として、ｎ型ＩｎＰ単結晶基板を用いている。そして、このＩｎＰ基板１０上に、基板側から順に、ＩｎＰ下部クラッド層５０、ＩｎＧａＡｓ下部コア層５１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、ＩｎＧａＡｓ上部コア層５２、ＩｎＰ上部クラッド層５３、及びＩｎＧａＡｓコンタクト層５４が順次積層されることで、量子カスケードレーザ１Ａの素子本体における半導体積層構造が形成されている。
本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａは、図１に示すように、半導体基板１０を含む基体部２０と、活性層１５を含んで基体部２０上に設けられたリッジ部２５とを有するリッジ構造に形成されている。リッジ部２５は、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、光の共振方向（ｙ軸方向）に延びるストライプ状に形成されている。また、リッジ部２５は、基体部２０のｘ軸方向の素子幅ｗに対し、それよりも狭い幅ｗ０（図２参照）で形成されている。
図３に示す構成例では、このリッジ部２５は、下部クラッド層５０、下部コア層５１、活性層１５、上部コア層５２、上部クラッド層５３、及びコンタクト層５４を含んで構成されている。このようなリッジ状のレーザ素子構造は、通常のエッチングプロセスで形成することができる。この場合、基体部２０において、半導体基板１０の上面が基体部２０の上面として露出する構成となる。
また、本実施形態のレーザ１Ａでは、共振方向において互いに対向する第１端面１１、及び第２端面１２のうちで少なくとも一方の面である第１端面１１上に、反射制御膜３０が形成されている。この反射制御膜３０は、図１〜図３に示すように、活性層１５の共振方向での一方の端部を含むリッジ部２５のリッジ端面１１５上から、基体部２０の基体端面１１０上にわたって連続して形成されている。
また、反射制御膜３０の形成範囲については、リッジ端面１１５上では、その全面に反射制御膜３０が形成されている。一方、基体端面１１０上においては、基体端面１１０のリッジ部２５側の第１辺１１１、第１辺１１１に隣接する第２辺１１２、第３辺１１３、及び第１辺１１１に対向する第４辺１１４について、図２に示すように、第２辺１１２から所定幅ｗ２の領域、第３辺１１３から所定幅ｗ３の領域、及び第４辺１１４から所定幅ｗ４の領域を除く領域に、反射制御膜３０が形成されている。
また、本実施形態では、反射制御膜３０は、基体端面１１０上の基体側膜部３１、及びリッジ端面１１５上のリッジ側膜部３２に加えて、基体端面１１０上から基体部２０の上面（リッジ部２５側の面）上に所定幅ｗ５で回り込むように付加的に形成された付加膜部３３、及びリッジ端面１１５上からリッジ部２５の上面上、両側面上に同じく回り込むように付加的に形成された付加膜部３４を有して構成されている。
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。
上記実施形態の量子カスケードレーザ１Ａでは、半導体基板１０を含む基体部２０と、カスケード構造の活性層１５を含み、共振方向に延びるストライプ状に形成されたリッジ部２５とを有するリッジ構造によって、レーザ素子を構成している。また、活性層１５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２つの素子端面１１、１２のうちで、少なくとも一方の第１端面１１上に、活性層１５の端部を含むリッジ端面１１５上から基体端面１１０上にわたって連続するように、反射制御膜３０を形成している。
さらに、上記構成で、反射制御膜３０のうちで基体端面１１０上に形成される基体側膜部３１において、基体端面１１０のリッジ部側の第１辺（上辺）１１１に隣接する２辺である第２辺（側辺）１１２、第３辺（側辺）１１３、及び第１辺１１１に対向する１辺である第４辺（下辺）１１４について、第２辺１１２から所定幅ｗ２の領域、第３辺１１３から所定幅ｗ３の領域、及び第４辺１１４から所定幅ｗ４の領域（ただし、ｗ２＞０、ｗ３＞０、ｗ４＞０）には反射制御膜３０を形成せず、それらの３辺周辺の領域を除く領域に反射制御膜３０を形成する構成としている。
このように、基体端面１１０の２側辺１１２、１１３、及び１下辺１１４の３辺の近傍領域に反射制御膜３０を形成しない構成によれば、量子カスケードレーザ１Ａのレーザ素子の製造工程におけるバリ、剥離、クラック等の発生による反射制御膜３０の変質、劣化を抑制することができる。したがって、反射制御膜３０の劣化によって製造歩留りや信頼性、素子寿命等を低下させることなく、反射制御膜３０によってレーザ発振モードが好適に制御された量子カスケードレーザ１Ａを実現することが可能となる。
なお、上記した反射制御膜３０の構成において、基体端面１１０上で反射制御膜３０を形成しない領域の幅ｗ２、ｗ３、ｗ４については、各辺１１２、１１３、１１４について同一の幅であっても良く、あるいは互いに異なる幅であっても良い。また、この領域の幅ｗ２、ｗ３、ｗ４は各辺の全体に対して一定の幅である必要はなく、反射制御膜３０が形成されていない領域の幅が辺に沿って変化していく構成であっても良い。一般には、上記したように、基体端面１１０の２側辺及び１下辺の３辺の近傍領域に反射制御膜３０が形成されない構成であれば良い。
上記構成の量子カスケードレーザ１Ａにおいて、そのサイズ等の具体的な構成条件は各レーザ素子に求められる特性等に応じて適宜に設定することができる。そのような構成の一例としては、レーザ素子の共振器長がｌ＝２〜４ｍｍ、素子のチップ幅がｗ＝５００μｍ、リッジ部２５のストライプ幅がｗ０＝５〜２０μｍ、素子高さについては、基体部２０の高さがｈ１＝１５０μｍ、リッジ部２５の高さがｈ２＝１０μｍである。
また、レーザ１Ａの素子端面１１上に形成される反射制御膜３０について、基体端面１１０上における反射制御膜３０の形成幅がｗ１＝１００〜４００μｍ、基体端面１１０の下辺１１４の近傍で反射制御膜３０が形成されない領域幅がｗ４＝５〜５０μｍ、基体部２０の上面上、リッジ部２５の上面上、両側面上に回り込む付加膜部３３、３４の形成幅（回り込み量）がｗ５＝１０〜１００μｍである。
上記構成による量子カスケードレーザ１Ａでの反射制御膜３０の変質、劣化の抑制について、さらに説明する。図４は、それぞれ上記構成の量子カスケードレーザ１Ａである複数のレーザ素子が所定方向に配列されたレーザバーの構成を示す図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は半導体基板の下面側から見た底面図を示している。
上述したように、量子カスケードレーザ１Ａの製造工程では、反射制御膜３０の端面１１上へのコーティングは、通常、複数の量子カスケードレーザ素子が光の共振方向（ｙ軸方向）に直交する方向（ｘ軸方向）に配列、一体化されたレーザバー２Ａの状態で行われる。反射制御膜３０が形成されたレーザバー２Ａは、図４において分割ライン２１を破線によって示すように、へき開等の分割手法によって個別のレーザ素子１Ａに分割され、また、その後、レーザ素子１Ａ毎に、サブマウントへの実装工程が行われる。
このとき、例えば長波長領域のレーザ素子のように、反射制御膜３０の膜厚が厚く、かつ分割ライン２１上を含む端面１１の全面に形成されている構成では、分割ライン２１で単素子にへき開する際に、素子本体と一緒には反射制御膜３０が分断されず、バリ、剥離等が発生する場合がある。また、半導体基板１０の下面を実装面としてレーザ素子１Ａをサブマウント上に実装する際に、例えば導電性接着剤や半田等によってチップをサブマウントに固定するが、この実装工程における熱応力等によって反射制御膜３０にクラック、剥離等が発生する場合がある。
これに対して、上記実施形態の量子カスケードレーザ１Ａでは、上記したように、基体端面１１０の２側辺１１２、１１３、及び１下辺１１４の近傍領域に反射制御膜３０を形成しない構成としている。このような構成によれば、レーザバー２Ａでの分割ライン２１に対応する２側辺１１２、１１３の近傍領域に反射制御膜３０を形成しないことにより、へき開によるレーザ素子の分割の際のバリ、剥離等の発生が抑制される。また、下辺１１４の近傍領域に反射制御膜３０を形成しないことにより、素子下面を実装面としてレーザ１Ａをサブマウント上に実装する際のクラック等の発生が抑制される。これにより、レーザ素子の製造工程における反射制御膜３０の変質、劣化を抑制することが可能となる。
ここで、上記した量子カスケードレーザ１Ａにおいて、反射制御膜３０は、図３、及び図４（ｂ）にその断面形状を示すように、反射制御膜３０の周縁部において膜厚が減少する断面形状に形成されていることが好ましい。これにより、レーザ素子１Ａの製造工程におけるバリ、剥離、クラック等の発生による反射制御膜の変質、劣化を、さらに充分に抑制することができる。上記実施形態のレーザ１Ａでは、活性層１５の端部を含む所定領域では、反射制御膜３０は一定の膜厚で形成されて所望の反射特性を実現している。一方、周縁部に近づくと、反射制御膜３０の膜厚が漸減して膜厚０に至る構成となっており、これにより、反射制御膜３０の剥離等の発生が抑制される。
また、反射制御膜３０は、図１に示すように、基体端面１１０上から基体部２０のリッジ部２５側の面である上面上に、及びリッジ端面１１５上からリッジ部２５の上面上、両側面上にそれぞれ回り込むように付加的に形成された付加膜部３３、３４を有することが好ましい。このような付加膜部３３、３４を設ける構成によっても、レーザ素子１Ａの製造工程におけるバリ、剥離、クラック等の発生による反射制御膜の変質、劣化を、さらに充分に抑制することができる。
また、反射制御膜３０については、具体的には、少なくとも１層のＣｅＯ２膜を含む構成を用いることができる。ＣｅＯ２（酸化セリウム）は、長波長、中赤外領域の光に対して高い透過性を示し、かつ、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膜を含む反射制御膜３０を量子カスケードレーザ１Ａに適用することにより、素子端面での反射率制御を好適に実現することが可能となる。
また、反射制御膜３０は、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としても良い。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設定、制御することができる。また、反射制御膜３０が上記のＣｅＯ２膜を含む場合には、ＣｅＯ２膜は、通常、低屈折率膜として用いられる。
また、反射制御膜３０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）を端面に形成することにより、量子カスケードレーザ１Ａ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。なお、図１においては、レーザ素子１Ａの第１、第２端面１１、１２のうちで、第１端面１１に反射制御膜３０が形成されている構成を例示したが、第１、第２端面１１、１２の両面にそれぞれ反射制御膜が形成されている構成としても良い。
量子カスケードレーザ１Ａにおける活性層１５の構成について、その具体的な構成例とともに説明する。図５は、図１に示した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。なお、図５に示した構成例については、特許文献１（特開２０１１−２４３７８１号公報）を参照することができる。
図５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。
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａにおいて活性層１５を構成する単位積層体１６は、図５に示すように、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、第１発光上準位Ｌｕｐ１と、第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第２発光上準位Ｌｕｐ２と、それぞれ第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する複数の発光下準位Ｌｌｏｗとを有している。
また、本実施形態において、発光層１７は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の井戸層を含んで構成されるとともに、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２について、その一方が、最も前段の注入層１８ａ側の第１井戸層における基底準位に起因する準位であり、他方が、第１井戸層を除く井戸層（第２〜第ｎ井戸層）における励起準位に起因する準位である構成となっている。また、第１発光上準位Ｌｕｐ１と第２発光上準位Ｌｕｐ２とのエネルギー間隔は、縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギーＥＬＯよりも小さく設定されている。
ここで、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、例えば、量子井戸層の半導体材料としてＩｎＧａＡｓを想定した場合、ＥＬＯ＝３４ｍｅＶである。また、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、量子井戸層をＧａＡｓとした場合に３６ｍｅＶ、ＩｎＡｓとした場合に３２ｍｅＶであり、上記した３４ｍｅＶとほぼ同程度である。
このような準位構造において、２つの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２は、好ましくは、動作電界の条件下で、それぞれの準位のエネルギー位置が一致し、波動関数が強く結合（アンチクロッシング）するように設計される。この場合、これらの２つの上準位は、エネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞う。このような構造では、２つの上準位の結合の大きさを変化させることにより、発光の半値幅（ＦＷＨＭ）を制御することが可能である。また、複数の発光下準位Ｌｌｏｗは、複数の準位を含む下位ミニバンドＭＢを構成しており、第１、第２発光上準位からの発光遷移は下位ミニバンドへ分散する。
また、図５の単位積層体１６では、発光層１７と、前段の注入層１８ａとの間に、注入層１８ａから発光層１７へと注入される電子に対する注入障壁（injection barrier）層１７１が設けられている。また、発光層１７と、注入層１８との間においても、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層１９１が必要に応じて設けられる。ただし、図５では、発光層１７と注入層１８との間については、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層のみを設ける構成を例示している。
また、本準位構造において、ミニバンドＭＢは、量子井戸発光層１７内でのミニバンドと、注入層１８内でのミニバンドとが結合して、発光層１７から注入層１８まで複数の準位が広がって分布するバンド構造を有している。このような構成により、ミニバンドＭＢは、そのうちの高エネルギー側で発光層１７内にある部分が、上述した複数の発光下準位Ｌｌｏｗからなる下位ミニバンドとして機能するとともに、低エネルギー側で注入層１８内にある部分が、発光遷移後の電子を発光下準位Ｌｌｏｗから後段の発光層１７ｂへと緩和させる緩和準位Ｌｒを含む緩和ミニバンドとして機能している。
このように、発光下準位Ｌｌｏｗ及び緩和準位Ｌｒに連続準位を用いることで、極めて高効率に反転分布を形成することができる。また、緩和ミニバンドを構成する複数の緩和準位Ｌｒのうちで、注入層１８内の基底準位Ｌｇは、好ましくは、動作電界の条件下で、後段の単位積層体での発光層１７ｂにおける第２発光上準位Ｌｕｐ２と強く結合するように設計される。
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでの緩和準位Ｌｒからの電子ｅ−は、注入障壁を介して共鳴トンネル効果によって発光層１７へと注入され、これによって、緩和準位Ｌｒと結合している第２発光上準位Ｌｕｐ２が強く励起される。また、このとき、電子−電子散乱などの高速散乱過程を介して、第１発光上準位Ｌｕｐ１にも充分な電子が供給されて、２つの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２の両方に充分なキャリアが供給される。
第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２に注入された電子は、下位ミニバンドを構成する複数の発光下準位Ｌｌｏｗのそれぞれへと遷移し、このとき、上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と、下準位Ｌｌｏｗと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、放出される。また、このとき、上記したように、２つの上準位がエネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞うため、得られる発光スペクトルは均一な広がりを有するスペクトルとなる。なお、図５においては、図の見易さのため、上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２から最も高エネルギー側の下準位Ｌｌｏｗへの発光遷移のみを示し、他の下準位への遷移については図示を省略している。
発光下準位Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、ミニバンドＭＢにおいて、ＬＯフォノン散乱、電子−電子散乱などを介したミニバンド内緩和によって高速で緩和される。このように、ミニバンド内緩和を利用した発光下準位Ｌｌｏｗからのキャリアの引き抜きでは、容易に、２つの上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と複数の下準位Ｌｌｏｗとの間で、反転分布が形成される。また、発光下準位Ｌｌｏｗから注入層１８内の準位Ｌｒへと緩和された電子は、低エネルギー側の緩和準位である注入層１８内の基底準位Ｌｇを介して後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２へとカスケード的に注入される。
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５を構成する複数の単位積層体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、量子井戸発光層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１６でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。また、このような光がレーザ１Ａの光共振器において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。このように、広い発光スペクトルを実現可能な構成は、例えば外部共振器型、あるいは分布帰還型の構成によるシングルモード連続波長可変光源において、極めて有用である。
図６は、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。図６に示す構成は、図５に示したサブバンド準位構造を有する活性層の具体例となっている。また、本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、発振波長を１０μｍとして設計された例を示している。なお、このような量子カスケードレーザ１Ａの半導体積層構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。
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が所定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、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。これらの各半導体層のうち、量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、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多重量子井戸構造によって構成されている。
また、このような単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８とについては、図６に示す積層構造において、４層の井戸層１６１〜１６４、及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分となっている。また、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１７への電子に対する注入障壁層となっている。
なお、本構成例においては、発光層１７と、注入層１８との間に位置し、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁層については、実効的に抽出障壁として機能している障壁層は存在していない。図６においては、障壁層１９１を形式的に抽出障壁層と規定し、その前後で、発光層１７と注入層１８とを機能的に区分している。また、活性層１５において発光層１７、及び注入層１８を構成する井戸層、障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計される。
次に、量子カスケードレーザ１Ａの素子端面１１上に形成される反射制御膜３０の具体例について説明する。以下に示す反射制御膜の構成例では、波長１０μｍ帯の光を対象として、多層膜によって反射制御膜３０を構成するとともに、多層膜の低屈折率材料としてＣｅＯ２、ＺｎＳを用い、高屈折率材料としてＧｅを用いている。ＣｅＯ２は、波長１０μｍ帯で透明、低屈折率であって、優れた絶縁性を有し、かつ空気中で安定であるため、反射制御多層膜において素子本体と接触する第１層、及び最外層に好適な材料である。また、以下において、各材料の屈折率ｎについては、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）１Ａの素子本体はｎ＝３．１９、また、ＣｅＯ２はｎ＝１．６、ＺｎＳはｎ＝２．２、Ｇｅはｎ＝４．０としている。
図７は、量子カスケードレーザ１Ａに形成される反射制御膜３０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３１０は、波長λ＝１０．０μｍ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、レーザ素子１Ａの端面１１上に、厚さ１００ｎｍのＣｅＯ２膜３１１、厚さ５０ｎｍのＺｎＳ膜３１２、厚さ５１０ｎｍのＧｅ膜３１３、厚さ１２３０ｎｍのＺｎＳ膜３１４、及び厚さ１００ｎｍのＣｅＯ２膜３１５を積層することで、多層膜による反射防止膜３１０が構成されている。この反射防止膜３１０の合計厚さは１９９０ｎｍ、光の反射率は０．００１％である。
図８は、量子カスケードレーザ１Ａに形成される反射制御膜３０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３２０は、波長λ＝１０．０μｍの光に対する高反射（ＨＲ）膜として設計されたものであり、レーザ素子１Ａの端面１１上に、厚さ１００ｎｍのＣｅＯ２膜３２１、厚さ１２５０ｎｍのＺｎＳ膜３２２、厚さ６２５ｎｍのＧｅ膜３２３、厚さ１２５０ｎｍのＺｎＳ膜３２４、厚さ６２５ｎｍのＧｅ膜３２５、厚さ１２５０ｎｍのＺｎＳ膜３２６、厚さ６２５ｎｍのＧｅ膜３２７、厚さ５０ｎｍのＺｎＳ膜３２８、及び厚さ１００ｎｍのＣｅＯ２膜３２９を積層することで、多層膜による高反射膜３２０が構成されている。この高反射膜３２０の合計厚さは５８７５ｎｍ、光の反射率は９５．９７９％である。
これらの構成例に示すように、波長１０μｍ帯などの長波長領域では、低屈折率膜及び高屈折率膜の多層膜等による反射制御膜の設計膜厚が非常に厚くなり、レーザ素子の製造工程における反射制御膜の変質、劣化が問題となる。これに対して、上記構成の量子カスケードレーザ１Ａによれば、基体端面のリッジ部側の上辺を除く２側辺、及び１下辺の近傍領域に反射制御膜を形成しない構成とすることにより、反射制御膜の膜厚が厚くなった場合でも、その製造工程での変質、劣化を防止することができる。
次に、上記構成の反射制御膜３０を有する量子カスケードレーザ１Ａの製造方法について説明する。図９は、反射制御膜３０の形成工程において用いられるレーザバー固定ジグ及びマスクの構成の一例を示す斜視図であり、図９（ａ）はレーザバー固定ジグ６０の構成を示し、図９（ｂ）は反射制御膜形成用の板状マスク６５の構成を示している。また、図１０は、図９に示したレーザバー固定ジグ６０及びマスク６５を用いた反射制御膜３０の形成工程の一例を示す図であり、図１０（ａ）は斜視図、図１０（ｂ）は平面断面図を示している。
量子カスケードレーザ１Ａの端面への反射制御膜３０の形成は、上述したようにレーザバー２Ａ（図４参照）の状態で、例えば電子ビーム蒸着装置などの真空蒸着装置を用いて行われる。図９に示すレーザバー固定ジグ６０では、枠体６１内において、所定本数（例えば１０本程度）のレーザバー２Ａを並べて配置する。このとき、レーザバー２Ａは、隣接するレーザバー２Ａの間にダミーバーを挟んだ状態で、反射制御膜３０が形成される素子端面が図中の上方に露出するように配列され、両端の固定バー６２、及び固定バネ６３によって、枠体６１に固定される。
このように固定ジグ６０に固定された複数のレーザバー２Ａの露出端面に対し、その上方を板状マスク６５で覆い、図１０（ａ）に示すように、マスク６５を固定ジグ６０の枠体６１に固定する。この板状マスク６５は、レーザバー２Ａにおけるレーザ素子１Ａの配置間隔（反射制御膜３０の形成間隔）に一致した周期で形成された複数のスリット（開口部）６６を有するスリット板である。このようなスリット板は、例えば、Ｓｉ基板などの半導体基板を用い、通常のリソグラフィー技術及びエッチング技術によって形成することができる。
このような固定ジグ６０及び板状マスク６５を用いる構成では、図１０（ｂ）に示すように、スリットの配置間隔ｄ１及び開口幅ｄ２を、量子カスケードレーザ１Ａの素子幅及び反射制御膜３０の形成幅に合わせて適切に設定することにより、活性層１５の端部等を含む所定領域に反射制御膜３０が形成されるとともに、レーザ１Ａでの基体端面の２側辺に対応するレーザバー２Ａでの分割ライン２１の近傍領域はマスクされて、反射制御膜３０が形成されないこととなる。また、このような方法によって形成された反射制御膜３０では、その断面形状は、膜の周縁部において膜厚が漸減する形状となる。なお、このような構成の一例として、スリットの配置間隔をｄ１＝５００μｍ、開口幅をｄ２＝１００〜２００μｍに設定することができる。
また、レーザバー２Ａにおけるレーザ１Ａでの基体端面の下辺の近傍領域については、固定ジグ６０にダミーバーとともにレーザバー２Ａを固定する際に、高さが異なるダミーバーでレーザバー２Ａを挟んで固定することで、その下辺の近傍領域に反射制御膜３０が形成されない構成を実現することができる。すなわち、レーザバー２Ａにおけるレーザ１Ａの基体部２０側に、レーザバー２Ａよりも高さが高いダミーバーを配置し、リッジ部２５側に、レーザバー２Ａよりも低いダミーバーを配置する。
このとき、基体部２０側に配置された高いダミーバーがシャドーマスクとして作用し、反射制御膜３０の素子下面への回り込みを防ぐとともに、このシャドーマスクにより、素子下辺の近傍領域に反射制御膜３０が形成されないこととなる。また、リッジ部２５側に低いダミーバーを配置することにより、反射制御膜３０が素子上面等に回り込んだ付加膜部３３、３４が形成される。これによって、付加膜部３３、３４のアンカー効果により、素子上面からの反射制御膜３０の剥離等を抑制することができる。
なお、反射制御膜の形成に用いられる固定ジグ及びマスクについては、図９、図１０に示す構成に限られるものではなく、具体的には様々な構成を用いることができる。図１１は、レーザバー固定ジグ及びマスクを用いた反射制御膜３０の形成工程の他の例を示す図であり、図１１（ａ）は斜視図、図１１（ｂ）は平面断面図を示している。図１１に示す構成では、固定ジグ６０に固定された複数のレーザバー２Ａの端面を覆うマスクとして、複数の棒状部材を所定間隔で配置した棒状マスク６８を用いている。
このような固定ジグ６０及び棒状マスク６８を用いる構成によっても、図１１（ｂ）に示すように、棒状部材の配置間隔ｄ３及び幅ｄ４を適切に設定することにより、活性層１５の端部等を含む所定領域に反射制御膜３０が形成されるとともに、レーザ１Ａでの基体端面の２側辺に対応するレーザバー２Ａでの分割ライン２１の近傍領域はマスクされて反射制御膜３０が形成されないこととなる。なお、このような構成の一例として、棒状部材の配置間隔をｄ３＝５００μｍ、幅をｄ４＝３００μｍに設定することができる。また、マスクの具体的な構成については、本構成例では複数の棒状部材によって棒状マスク６８を構成しているが、このような構成に限らず、例えば複数の板状部材によってマスクを構成しても良い。
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ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、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、例えばＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法など、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、量子カスケードレーザの活性層における量子井戸構造、及びサブバンド準位構造についても、図５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。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。
また、量子カスケードレーザの端面上に形成される反射制御膜３０についても、具体的には図１〜図３に示した構成に限らず、様々な構成を用いて良い。例えば、上記構成例において、基体部２０の上面上、及びリッジ部２５の上面上、両端面上にそれぞれ回り込むように形成された付加膜部３３、３４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、反射制御膜３０の形成方法についても、図９〜図１１に示した方法に限らず、具体的には様々な方法を用いることが可能である。
本発明は、レーザ素子の製造工程における反射制御膜の変質、劣化を抑制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…量子カスケードレーザ、２Ａ…レーザバー、１０…半導体基板（ＩｎＰ基板）、１１…第１端面、１２…第２端面、１１０…基体端面、１１５…リッジ端面、１１１…第１辺、１１２…第２辺、１１３…第３辺、１１４…第４辺、
１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、２０…基体部、２１…分割ライン、２５…リッジ部、３０…反射制御膜、３１…基体側膜部、３２…リッジ側膜部、３３、３４…付加膜部、５０…ＩｎＰ下部クラッド層、５１…ＩｎＧａＡｓ下部コア層、５２…ＩｎＧａＡｓ上部コア層、５３…ＩｎＰ上部クラッド層、５４…ＩｎＧａＡｓコンタクト層、
６０…レーザバー固定ジグ、６１…枠体、６２…固定バー、６３…固定バネ、６５…板状マスク（スリット板）、６６…スリット、６８…棒状マスク。

Claims (6)

  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、
    前記半導体基板を含む基体部と、前記活性層を含んで前記基体部上に設けられ、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ける共振方向にストライプ状に延びるリッジ部とを有して構成され、
    前記共振方向において互いに対向する第１端面及び第２端面のうちで少なくとも前記第１端面上に、前記活性層の端部を含む前記リッジ部のリッジ端面上から前記基体部の基体端面上にわたって反射制御膜が形成されているとともに、
    前記基体端面上において、前記基体端面の前記リッジ部側の第１辺、前記第１辺に隣接する第２辺、第３辺、及び前記第１辺に対向する第４辺について、前記第２辺から所定幅の領域、前記第３辺から所定幅の領域、及び前記第４辺から所定幅の領域を除く領域に、前記反射制御膜が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、その周縁部において膜厚が減少する断面形状に形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。
  3. 前記反射制御膜は、前記基体端面上から前記基体部の上面上に、及び前記リッジ端面上から前記リッジ部の上面上、両側面上にそれぞれ回り込むように付加的に形成された付加膜部を有することを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
  4. 前記反射制御膜は、少なくとも１層のＣｅＯ２膜を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  5. 前記反射制御膜は、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ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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。
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