JP2016072302A - 量子カスケード半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。図1を参照すると、分布ブラッグ反射構造を含む量子カスケード半導体レーザ11が示されている。図1は、量子カスケード半導体レーザ11のレーザ導波路の延在方向に沿って取られた断面を示す。量子カスケード半導体レーザ11は、基板13と、半導体積層15と、分布ブラッグ反射構造17と、別の分布ブラッグ反射構造19とを備える。基板13は、第1領域13a、第2領域13b及び第3領域13cを含み、第1領域13a、第2領域13b及び第3領域13cは量子カスケード半導体レーザ11のレーザ導波路の延在方向を示す第1軸Ax1に沿って配列されている。基板13は半導体主面13d及び裏面13eを有し、これ故に、第1領域13a、第2領域13b及び第3領域13cの各々も半導体主面13d及び裏面13eを有する。
下部の半導体クラッド層21a:Siドープn型InP。
コア層21b:量子井戸層及びバリア層を含む量子井戸構造。
量子井戸層にはGaInAs、バリア層にはAlInAsを用いる。
上部の半導体クラッド層21c:Siドープn型InP。
コンタクト層21d:Siドープn型GaInAs。
基板13:n型InP。
InPは二元結晶であるので、結晶成長、及びエッチングによる加工が容易であり、安定したプロセスを提供できる。また、InPは中赤外の発光に適用可能な半導体材料のなかでも最高の熱伝導を示し、これ故に、InPを量子カスケード半導体レーザのためのクラッド層に適用することにより、量子カスケード半導体レーザに良好な放熱性を提供できる。
分布ブラッグ反射構造17(19)の一例。
半導体壁17b(19b):半絶縁性又はアンドープのInP。
被覆半導体壁17a(19a):半絶縁性又はアンドープのInP。
電流ブロック構造の一例。
電流ブロック半導体層27:半絶縁性又はアンドープのInP。
絶縁膜29:シリコン窒化物又はシリコン酸化物(SiN、又はSiO2)。
上部電極31:Ti/Au、またはGe/Au。
裏面電極33:Ti/Au、またはGe/Au。
(1)被覆半導体壁17a(19a)が存在せず、レーザ本体領域は半導体積層15のみで構成され、従ってレーザ本体領域の端部には、半導体積層15の端面15a(15b)が露出している
(2)半導体壁17a(19a)、及び追加半導体壁17g(19g)、17h(19h)が半導体積層15を構成するコア層やクラッド層等を含む複数の半導体層と同一の複数の半導体層で形成されている
以外は図1の素子構造と同じ構造を有している。従来の量子カスケード半導体レーザでは、レーザ本体領域及び半導体壁は、第1軸Ax方向に延在する、上記半導体積層及び半導体壁を構成する複数の異なる材料から成る半導体層を所定の位置において、基板に達するまでエッチングすることにより、一括形成される。
これ故に、従来の量子カスケード半導体レーザでは、レーザ本体領域の端面(エッチングにより形成された端面)及び分布ブラッグ反射構造の高屈折率部の半導体壁の側面(エッチングにより形成された側面)には、異なる材料で構成されたコア層やクラッド層等の複数の半導体層の端面が現れている。
しかしながら、これらの半導体層を同一のエッチング条件でエッチングすると、各半導体層毎にエッチングレートやエッチング方位が異なるため、全体が均一にはエッチングされず、異なる半導体層の界面におけるサイドエッチやエッチングの異方性等の不均一なエッチングにより、レーザ本体領域端面及び高屈折率部の半導体壁側面に凹凸が生じやすい。特に量子カスケード半導体レーザの場合は、波長が3〜20μm程度と長いことに起因して、導波光がコア層外のクラッド層や基板に広く拡散して分布するため、分布ブラッグ反射構造で高反射を得るには、第2軸Ax2方向におけるエッチング深さとしては、5〜10μm程度と通信用の半導体レーザに分布ブラッグ反射構造を導入する場合に比べて2倍程度の深いエッチングが必要となる。従って、上記不均一なエッチングによる、レーザ本体領域端面、及び高屈折率部の半導体壁側面に凹凸がより顕著に生じやすい。このような凹凸が生じると、レーザ本体領域端面及び分布ブラッグ反射構造の半導体壁の側面の垂直性が損なわれるが、このような垂直性の悪化は分布ブラッグ反射構造の実効的な反射率の低下をもたらす。例えば、半導体壁の側面、及びレーザ本体領域の端面が導波路軸(第1軸Ax1)に垂直な基準面に対して5度程度の角度で度傾くと、分布ブラッグ反射構造の実効的な反射率が85%(理論値)から30%(測定値)に大幅に低下する。従って、従来の量子カスケード半導体レーザでは分布ブラッグ反射構造による高反射化が困難であった。
このような垂直性の悪化を防ぐには、レーザ本体領域及び分布ブラッグ反射構造の半導体壁を形成するコア層やクラッド層といった各半導体層に対し、最適なエッチング条件を選択する必要があるが、各半導体層毎にエッチング条件出しを行うのは多大な労力を要する。また各半導体層に対する最適なエッチング条件を見出したとしても、端面の垂直性が得られる保証は無く、また仮に得られたとしても、エッチング工程が複雑化し、生産性が悪化するため、実用化は困難であった。
(1)計算モデルの量子カスケード半導体レーザはFe-InP埋め込みヘテロ構造を備え、発振波長7.54μmを有する。
(2)分布ブラッグ反射構造は、サイドエッチ等の影響がない、理想的な垂直性及び平坦性を有する端面及び側面を有しており、分布ブラッグ反射構造の高屈折率部(被覆半導体壁、半導体壁、追加半導体壁)はFe-InPの半絶縁性半導体からなり、低屈折率部は空気で満たされた空隙から成る。この構造に基づき、分布ブラッグ反射構造による光吸収は無いと仮定する。
(3)高屈折率部である個々の半導体壁の厚さWH2、及び空気からなる低屈折率部の幅WLとしては、これらが分布ブラッグ反射構造の高反射化に最適な上記λ/(4×n)の奇数倍の値、具体的には、λ/(4×n)、または3×λ/(4×n)の値に設定されている構造を仮定した。以下では前者をλ/(4×n)構造と呼び、後者を3×λ/(4×n)構造と呼ぶこととする。図3の(a)部には、λ/(4×n)構造、及び3×λ/(4×n)構造における、WH2とWLの具体的な値を記載した。ここで、λは(1)に記載の通り7.54μmであり、nの値としては、高屈折率部は3.098(波長7.54μmにおけるFe-InPの屈折率)、また低屈折率部は空気層のため1とした。
この条件の下で、平面波近似による多層膜反射モデルを用いて、分布ブラッグ反射構造の実効的な反射率を計算した。
図3(b)〜(e)に計算結果を示した。図3の(b)部、(c)部、(d)部及び(e)部は各々、被覆半導体壁の厚さWH1が0μm(被覆半導体壁無し)、0.3μm、0.6μm、0.9μmの各場合における計算結果であり、各図における特性線(1)、(2)、(3)及び(4)は以下の構造の計算結果を示す。
特性線(1)のモデル:半導体壁の間隔(低屈折率部の幅)WL及び半導体壁の厚さWH2が共にλ/(4×n)であり、分布ブラッグ反射構造は2つの半導体壁を備える。
特性線(2)のモデル:間隔WL及び厚さWH2が共にλ/(4×n)であり、分布ブラッグ反射構造は1つの半導体壁を備える。
特性線(3)のモデル:間隔WL及び厚さWH2が共に3×λ/(4×n)であり、分布ブラッグ反射構造は2つの半導体壁を備える。
特性線(4)のモデル:間隔WL及び厚さWH2が共に3×λ/(4×n)であり、分布ブラッグ反射構造は1つの半導体壁を備える。
即ち、特性線(1)、(2)がλ/(4×n)構造の、また特性線(3)、(4)が3×λ/(4×n)構造の計算結果である。
図4〜図12を参照しながら、量子カスケード半導体レーザを作製する方法を説明する。図4〜図12において、個々の図面における(a)部は、レーザ導波路の延在方向に直交する線(例えば図4においては(d)部に示されたIVa−IVa線)に沿って取られ、レーザ本体領域となる半導体積層における断面を示し、個々の図面における(b)部は、レーザ導波路の延在方向に直交する線(例えば図4においては(d)部に示されたIVb−IVb線)に沿って取られ、分布ブラッグ反射構造の被覆半導体壁における断面を示し、個々の図面における(c)部は、レーザ導波路の延在方向に直交する線(例えば図4においては(d)部に示されたIVc−IVc線)に沿って取られ、分布ブラッグ反射構造の半導体壁における断面を示し、個々の図面における(d)部は、レーザ導波路の延在方向の線(例えば図4においては(a)部に示されたIVd−IVd線)に沿って取られレーザ導波路を示す断面を示し、個々の図面における(e)部は、レーザ導波路の延在方向の線(例えば図4においては(a)部に示されたIVe−IVe線)に沿って取られ電流ブロック半導体領域を示す断面を示す。
図13の(a)部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ11aが示される。量子カスケード半導体レーザ11aは、量子カスケード半導体レーザ11の分布ブラッグ反射構造17(19)に替えて、分布ブラッグ反射構造81(83)を備える。分布ブラッグ反射構造81(83)は、半導体積層15の半導体端面15a、15bを覆う被覆半導体壁81a(83a)と、一又は複数の半導体壁81b(83b)とを備える。被覆半導体壁81a(83a)及び半導体壁81b(83b)は第1軸Ax1の方向に配列されて、分布ブラッグ反射構造81(83)を構成する。被覆半導体壁81a(83a)及び半導体壁81b(83b)の上端と半導体基板13の裏面との間隔D3は、半導体積層15の上面と半導体基板13の裏面との間隔D2に比べて大きい。即ち、被覆半導体壁81a(83a)及び半導体壁81b(83b)は、出射光の広がり角を考慮して出射光全体を反射できるよう必要なだけAx2方向に延長されている。これ故に、分布ブラッグ反射構造81(83)は、半導体積層15の半導体端面15a(15b)から出射されたより多くの光を受けることができる。この出射光の広がり角を考慮して延長された被覆半導体壁81a(83a)及び半導体壁81b(83b)を用いることにより、分布ブラッグ反射構造81(83)がより多くの出射光を反射できるようになるため、分布ブラッグ反射構造81(83)を用いれば端面の高反射化が容易となる。この構造の形成は、図6における分布ブラッグ反射構造となる領域の埋め込み再成長時に形成される単一半導体層57の最上面が、レーザ本体領域の半導体積層55の最上面よりも高くなるように再成長する以外は、第1実施形態と同様の製法により作成することができる。
図14を参照すると、量子カスケード半導体レーザ11cが示される。量子カスケード半導体レーザ11cは、量子カスケード半導体レーザ11の分布ブラッグ反射構造17(19)に替えて、分布ブラッグ反射構造85(87)を備える。分布ブラッグ反射構造85(87)は、半導体積層15の半導体端面15a、15bを覆う被覆半導体壁85a(87a)と、一又は複数の半導体壁85b(87b)を備える。被覆半導体壁85a(87a)及び半導体壁85b(87b)は第1軸Ax1の方向に配列されて、分布ブラッグ反射構造85(87)を構成する。半導体壁85b(87b)の上端と半導体基板13の裏面との間隔D4は、被覆半導体壁85a(87a)の上端と半導体基板13の裏面との間隔D5に比べて小さい。より具体的には、被覆半導体壁85a(87a)の上端と半導体基板13の裏面との間隔D5は半導体積層15の上面と半導体基板13の裏面との間隔D2と実質的に同じであるけれども、半導体壁85b(87b)の上端と半導体基板13の裏面との間隔D4は、半導体積層15の上面と半導体基板13の裏面との間隔D2に比べて小さい。この構造の形成は、図6における単一半導体層57を埋め込み再成長した後に、分布ブラッグ反射構造を形成する領域の半導体層57の上部のみを必要量エッチングして、レーザ本体領域よりも分布ブラッグ反射構造を形成する領域の方が低くなるように加工する以外は、第1実施形態と同様の製法により作製することができる。被覆半導体壁85a(87a)が半導体積層15の半導体端面15a(15b)の全体を覆って、半導体端面15a(15b)を保護しているため、半導体端面15a(15b)の酸化による素子劣化を回避できる。半導体積層15からの出射光の広がり角が狭い場合は本実施例の構造のように、出射光の広がり角に対応して半導体壁85b(87b)の上端の高さを半導体積層15の上端の高さより低くしても、出射光全体を反射でき、分布ブラッグ反射構造における実効的な反射率の低下は生じない。本実施例の構造では、半導体壁85b(87b)の形成のためのエッチングの深さが小さいので、少ないエッチング量で半導体壁85b(87b)を加工できる。従って、この構造は半導体壁85b(87b)の加工精度の向上に寄与する。
図15の(a)部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ11cが、ヒートシンク等の搭載部材89上に半田材88を介してエピダウンで実装されている。このようなエピダウンでのダイボンド実装の形態では、半導体積層15上の上部電極31が半田材88を介して搭載部材89によって支持される。これ故に、分布ブラッグ反射構造85(87)内の比較的薄い壁の半導体壁85b(87b)は搭載部材89によって直接に支持されることはない。このため、ダイボンド実装を行う際に、半導体壁85b(87b)を下地の半田材、ヒートシンク等の実装部材と接触させずにダイボンドできる。したがって、このダイボンド実装の際における半導体壁85b(87b)の物理的損傷の可能性を回避でき、エピダウン実装形態において、この損傷に起因する歩留まり低下を避けることができる。なお半田材としてはIn、AuSn等が適用可能であり、またヒートシンクの材料としてはCu、ダイヤモンド、AlN等が適用可能である。
図16の(a)部は、図1及び図2に示された量子カスケード半導体レーザ11の平面図を示す。図16の(a)部では、レーザ構造体25の上面は、上部電極31によって覆われている。このため、半導体メサ導波路MESAが破線で示されている。量子カスケード半導体レーザ11では、被覆半導体壁17a(19a)が第1軸Ax1及び第2軸Ax2に直交する第3軸Ax3の方向に、基板13(半導体基板)の一側面13gの上縁から他側面13hの上縁まで延在して、半導体端面15a、15bをしっかりと覆っている。また、半導体壁17b(19b)が第3軸Ax3の方向に基板13の一側面13gの上縁から他側面13hの上縁まで延在すると共に、レーザ構造体25の被覆半導体壁17a(19a)と一緒になって分布ブラッグ反射構造を形成するように第1軸Ax1の方向に周期的に配列されている。
補強のための第1接続部17c(19c)及び第3接続部17d(19d)としては、既に説明した半導体壁17b(19b)の材料を適用できる。図16の(b)部に示された量子カスケード半導体レーザ11dでは、第1接続部17c(19c)及び第3接続部17d(19d)は、半導体壁17b(19b)の全てを接続しているけれども、これらは複数の半導体壁17b(19b)の一部を接続してもよい。
図17に示されるように、量子カスケード半導体レーザ11eでは、分布ブラッグ反射構造17(19)は第2接続部17e(19e)を更に備えることができる。第2接続部17e(19e)は、半導体壁17b(19b)とレーザ構造体25の被覆半導体壁17a(19a)とを互いに接続する。第2接続部17e(19e)は第1軸Ax1の方向に延在する。この量子カスケード半導体レーザ11eによれば、第2接続部17e(19e)は、レーザ構造体25の被覆半導体壁17a(19a)を半導体壁17b(19b)に接続して、第2接続部17e(19e)、半導体壁17b(19b)及び被覆半導体壁17a(19a)は一体の構造物として纏められる。従って、第2接続部17e(19e)により、分布ブラッグ反射構造17(19)の機械的強度を増加でき、分布ブラッグ反射構造17(19)が破損しにくくなる。その結果として、量子カスケード半導体レーザ11eの製造歩留まりの低下を抑制でき、また量子カスケード半導体レーザ11eの耐久性を改善できる。図17においては、量子カスケード半導体レーザ11eは第2接続部17e(19e)に加えて第1接続部17c(19c)を備えるが、第1接続部17c(19c)を備えていなくてもよく、また第2接続部17e(19e)を備えていなくても良い。
図18に示されるように、量子カスケード半導体レーザ11fにおいては、半導体壁17b(19b)は、第3軸Ax3の方向に関する壁幅WWを有し、基板13は第3軸Ax3の方向に関する基板幅WSを有する。この形態では、半導体壁17b(19b)の左右両端は、いずれも基板13の一側面13gの上縁、他側面13hの上縁から離れている。量子カスケード半導体レーザ11fでは、壁幅WWが基板幅WSより短い。この量子カスケード半導体レーザ11fによれば、壁幅WWは基板幅WSより短いので、ドライエッチングによる半導体壁17b(19b)の形成時において、後述のようにマイクロローディング効果に起因するエッチングレートの変動が軽減されるため、エッチングの面内均一性や再現性を改善できる。また、この構造では、後述のように、素子分離の際における半導体壁17b(19b)の破損に起因する製造歩留まり低下を回避できる。また、素子分離の際における押圧力が半導体壁17b(19b)に加わらないので、半導体壁の破損の可能性が低減される。
図4〜図12に示した量子カスケード半導体レーザの製造では、半導体ウエハ上の多数の素子区画に配列された、多数の量子カスケード半導体レーザを一括して形成して、前記基板生成物SPを完成させる。この後に、基板生成物SPを個々の半導体素子に分離する。図19の(a)部は、量子カスケード半導体レーザ11の基板生成物SPを示す。図19の(a)部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ11のための6個の素子区画90が示されている。図19の(b)部は、量子カスケード半導体レーザ11fの基板生成物SPを示す。図19の(b)部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ11fのための6個の素子区画100が示されている。
Claims (14)
- 量子カスケード半導体レーザであって、
前記量子カスケード半導体レーザの導波路の延在方向を示す第1軸に沿って配列された第1領域及び第2領域を含み、半導体主面を有する基板と、
前記第1軸に交差する半導体端面を有しており、前記基板の前記第2領域の前記半導体主面上に設けられる半導体積層と、
前記半導体積層の前記半導体端面に光学的に結合され、前記基板の前記第1領域の前記半導体主面上に設けられた分布ブラッグ反射構造と、
を備え、
前記半導体積層の前記半導体端面は、前記基板の前記第1領域と前記第2領域との境界に位置し、
前記半導体積層は、前記量子カスケード半導体レーザのためのコア層及び半導体クラッド層を有し、前記コア層及び前記半導体クラッド層は、前記半導体主面に交差する第2軸の方向に配列されており、前記半導体積層の前記半導体端面は前記コア層の端面及び前記半導体クラッド層の端面を含み、
前記分布ブラッグ反射構造は、前記第2軸の方向に延在する半導体壁と、前記半導体積層の前記半導体端面を覆う被覆半導体壁とを含み、前記半導体壁及び前記被覆半導体壁は単一の半導体材料からなり、
前記半導体積層及び前記分布ブラッグ反射構造の前被覆半導体壁はレーザ構造体を構成し、前記レーザ構造体は前記基板の前記第1領域及び前記第2領域上に設けられ、前記レーザ構造体は、前記第1軸の方向に交差すると共に前記第2軸の方向に延在する第1端面を備え、前記被覆半導体壁は前記第1端面を提供し、
前記半導体壁は第1側面及び第2側面を有し、前記第1側面及び前記第2側面は、前記第1軸の方向に交差すると共に前記第2軸の方向に延在し、前記レーザ構造体の前記第1端面は、前記半導体壁の前記第1側面及び前記第2側面から離れている、量子カスケード半導体レーザ。 - 前記第1軸の方向に関して、前記第1端面、前記第1側面及び前記第2側面は、この順に配列されており、
前記第1端面と前記第1側面との間隔は低屈折率部としてλ/(4×n1)の奇数倍であり、前記第1側面と前記第2側面との間隔は高屈折率部としてλ/(4×n2)の奇数倍であり、「λ」は、前記量子カスケード半導体レーザの真空中の発振波長を示し、「n1」は前記発振波長における前記低屈折率部の実効屈折率を示し、「n2」は前記発振波長における前記高屈折率部の実効屈折率を示す、請求項1に記載された量子カスケード半導体レーザ。 - 前記分布ブラッグ反射構造は、一又は複数の追加半導体壁を備え、前記分布ブラッグ反射構造は、前記半導体壁と前記追加半導体壁、または前記追加半導体壁同士を接続する第1接続部を更に含み、前記第1接続部は、前記第1軸の方向に延在する、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。
- 前記第1接続部及び前記追加半導体壁が前記半導体壁と同一の半導体材料からなる、請求項3に記載された量子カスケード半導体レーザ。
- 前記半導体壁と前記レーザ構造体の前記被覆半導体壁とを互いに接続する第2接続部を更に備え、前記第2接続部は前記第1軸の方向に延在する、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。
- 前記第2接続部は前記半導体壁と同一の半導体材料からなる、請求項5に記載された量子カスケード半導体レーザ。
- 前記半導体壁及び前記レーザ構造体の前記被覆半導体壁は、前記第2接続部と同一の半導体材料からなる、請求項6に記載された量子カスケード半導体レーザ。
- 前記半導体材料はアンドープ半導体である、請求項1〜請求項7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。
- 前記半導体材料は半絶縁性半導体である、請求項1〜請求項7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。
- 前記半導体壁の最上部が、前記第2軸の方向に関して、前記レーザ構造体の最上部より高い、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。
- 前記半導体壁の最上部が、前記第2軸の方向に関して、前記レーザ構造体の最上部より低い、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。
- 前記半導体壁は、前記第1軸及び前記第2軸に交差する第3軸の方向に関する壁幅を有し、
前記基板は、前記第3軸の方向に関する基板幅を有し、
前記壁幅は前記基板幅より短い、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。 - 前記分布ブラッグ反射構造は、前記半導体壁と前記被覆半導体壁との間、又は前記半導体壁と前記追加半導体壁との間、又は前記追加半導体壁と前記追加半導体壁との間に設けられた充填領域を更に備え、
前記充填領域は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、アルミナ、BCB樹脂、ポリイミド樹脂の少なくともいずれかを備える、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。 - 前記半導体壁と前記被覆半導体壁との間、又は前記半導体壁と前記追加半導体壁との間、又は前記追加半導体壁と前記追加半導体壁との間には、空隙が設けられている、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。
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