JP2017168594A - 面発光量子カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線からテラヘルツ波の波長帯において、高出力化が容易な面発光量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】面発光量子カスケードレーザは、活性層と、第１の半導体層と、第１の電極と、を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光を放出する。前記第１の半導体層は、前記活性層の上に設けられ、複数のピットが二次元の格子を構成するように設けられた第１の面を有する。前記第１の電極は、前記第１の半導体層の上に設けられ、周期的な開口部を有する。それぞれのピットは、前記格子の辺に平行な線に関して非対称である。前記レーザ光は、前記開口部に露出したピットから前記活性層に対して概ね垂直方向に出射される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、面発光量子カスケードレーザに関する。

近赤外線からテラヘルツ波におけるレーザ発振は、ホールと電子との再結合発光では困難となる。

多重量子井戸構造をカスケード接続する構造を用いると、電子のサブバンド間遷移により赤外線からテラヘルツ波（３０ＧＨｚ−３０ＴＨｚ）におけるレーザ発振が可能となる。

この場合、素子端面に形成されたミラーを用いるファブリペローレーザでは、端面出射面の厚さが小さくなり光密度が高くなる。このため、高出力化に限界がある。

特開２００９−２３１７７３号公報

赤外線からテラヘルツ波の波長帯において、高出力化が容易な面発光量子カスケードレーザを提供する。

実施形態の面発光量子カスケードレーザは、活性層と、第１の半導体層と、第１の電極と、を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光を放出する。前記第１の半導体層は、前記活性層の上に設けられ、複数のピットが二次元の格子を構成するように設けられた第１の面を有する。前記第１の電極は、前記第１の半導体層の上に設けられ、周期的な開口部を有する。それぞれのピットは、前記格子の辺に平行な線に関して非対称である。前記レーザ光は、前記開口部に露出したピットから前記活性層に対して概ね垂直方向に出射される。

本発明の第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式斜視図である。 第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分拡大模式上面図である。 ストライプ部の配置を表す部分模式上面図である。 電極配置を示す模式平面図である。 電極ストライプ部の１周期内のピット数に対する電流注入の均一度、および相対光取り出し効率のグラフ図である。 第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの製造方法のフロー図である。 第２の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分拡大模式斜視図である。 図７のＡ−Ａ線に沿って切断した模式斜視図である。 第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式斜視図である。 図１０（ａ）はピット形成後の模式断面図、図１０（ｂ）は電極形成後の模式断面図、である。 図１１（ａ）は第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式下面図、図１１（ｂ）は基板側からみた面発光量子カスケードレーザの模式斜視図、である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、面発光量子カスケードレーザの組み立て工程を説明する模式断面図である。 第４の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式斜視図である。 図１３のＣ−Ｃ線に沿った模式断面図である。 図１５（ａ）は第４の実施形態の第１変形例にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式平面図、図１５（ｂ）は第４の実施形態の第２変形例にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式上面図、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式斜視図である。
面発光量子カスケードレーザ５は、積層体２０と、第１の電極５０と、有する。積層体２０は、活性層２４と、第１の半導体層２１と、を有する。なお、以下において、量子カスケードレーザは、ＱＣＬ（Quantum Cascade laser）で表す。

第１の半導体層２１は、たとえば、第１クラッド層２７と、第１ガイド層２５と、を有する。また、積層体２０は、第２ガイド層２３と、第２クラッド層２２と、をさらに有してもよい。第１クラッド層２７の屈折率と、第２クラッド層２２の屈折率と、は、第１ガイド層２５、活性層２４、および第２ガイド層２３の屈折率のいずれよりも低い。このため、レーザ光６０は、積層方向（Ｚ）に沿って活性層２４内に閉じ込められる。

活性層２４は、井戸層と障壁層とを含む量子井戸層からなるサブバンド間遷移発光領域と、緩和領域と、が交互に積層された構成とされる。量子井戸は、たとえば、ＳｉがドープされＩｎ_{０．６６９}Ｇａ_{０．３３１}Ａｓからなる井戸層と、ＳｉがドープされＩｎ_{０．３６２}Ａｌ_{０．６３８}Ａｓからなる障壁層と、を含む。量子井戸層は、さらに少なくとも２つの井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi−Quantum Well)構造であることがより好ましい。また、緩和領域も、量子井戸層を含むことができる。

第１の半導体層２１は、活性層２４の上に設けられる。その第１の面２０ａに開口端を有する複数のピット１０１が二次元格子状に設けられ、周期構造ＰＣ（フォトニック結晶）として作用する。たとえば、ピット１０１は、積層体２０の第１の面２０ａから深さ方向に向かって円柱状の領域が切り出された形状とされる。レーザ光６０は、周期構造ＰＣによりモードが選択され、さらに回折効果により、第１の面２０ａに略垂直な光軸６２に沿って、第１の面２０ａ（光出射面となる）から放出される。なお、切り出される領域は、円錐や円錐台でもよい。

また、積層体２０は、第１のコンタクト層２８と、バッファ層２６とをさらに有することができる。たとえば、第１のコンタクト層２８は、第１の電極５０に電気的に接続される。バッファ層２６は、基板１０の裏面に設けられる第２の電極５２に電気的に接続される。

図２は、第１の実施形態にかかるＱＣＬの部分拡大模式上面図である。
また、図３は、第１の電極のストライプ部の配置を表す部分模式上面図である。
周期構造ＰＣ（Photonic Crystal：フォトニック結晶)を構成する正方格子は、ＸＹ面内において２つの直交する辺Ｄ、Ｅの交点を格子点Ｇとし、その格子間隔をＭとする。格子点Ｇは、たとえば、ピット１０１の平面形状の重心などと考えることができる。それぞれのピット１０１は、正方格子の２つの辺Ｄ、Ｅのうちの１辺に関してそれぞれ非線対称とされる。なお、格子は正方格子でなく、２辺が直交する格子でもよい。

第１の電極５０と基板１０の裏面に設けられた第２の電極５２との間で積層方向Ｚに沿って電流を流すと、第１のクラッド層２７と第２のクラッド層２２との間に光が閉じ込められるとともに、周期構造ＰＣにより誘導放出の波長が選択されかつ光の回折を生じる。周期構造ＰＣは、特定波長を通過させるバンド構造として作用するので、第１の半導体層２１をフォトニック結晶と呼ぶことができる。

この場合、ピット１０１は正方格子の２辺Ｄ、Ｅに関して非線対称であると、光学異方性を生じる。ピット１０１の形状、配置、深さなどを適正に選択することにより、第１の面２０ａに直交する光軸６２に沿ってレーザ光６０を放出できる。もし、ピット１０１が正方格子の２辺Ｄ、Ｅに関して線対称であると、レーザ光は第１の面２０ａに直交する光軸６２に交差する方向に出射される。

第１の電極５０は、第１の半導体層２１の上に設けられ、枠部５０ａ、５０ｂと、両端部が枠部５０ａ、５０ｂに連結された複数のストライプ部５０ｃと、を有する。複数のストライプ部５０ｃは、幅Ｌ１を有しかつ枠部５０ａに対して斜め（交差角α）に交差し、枠部５０ｂに対して斜め（交差角β）にそれぞれ交差する。複数のストライプ部５０ｃは、ピッチＬ２を有する。複数のストライプ部５０ｃのそれぞれの幅L1は、同一であることが好ましい。また、複数のストライプ部５０ｃ間のピッチＬ２は、同一であることが好ましい。本図では、α＝β＝４５°とするが、本発明ではこれに限定されない。レーザ光６０は、第１の電極５０の開口部５０ｄから出射する。第１の電極５０の周期的な開口部５０ｄは、格子の辺Ｄ、Ｅに平行な線に関して非対称である。

第１の実施形態のＱＣＬでは、領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は円柱がそれぞれ切り出された形状とされ、３つの円柱の中心Ｏが直角三角形をなすように配置される。ＱＣＬは、活性層２４と第１クラッド層２７と第１クラッド層２２とを有する積層部２０の積層方向（Ｚ）と直交する方向に光を回折するピット１０１が設けられ活性層２４で生ずる光に対して光を回折する機能を具備する。

このＱＣＬに電流を流すと、第１クラッド層２７と第２クラッド層２２により導波構造が構成され、活性層２４に光が閉じ込められ、周期的に設けられたピット１０１により、誘導放出の波長選択が生じるとともに干渉が生じる。この際、発振の方向と交差する方向に光を取り出せるように周期的なピット１０１が設けられているので、活性層２４で発光した光をピット１０１を介して外部に取り出すことにより、光軸６２に沿った方向にレーザ光６０を出射することが可能となる。光軸６２は、活性層２４に対して概ね垂直方向となる。なお、本明細書において、概ね垂直方向とは、活性層２５の表面に対して、８１度以上、９９度以下であるものとする。

ピット１０１は円柱形とされ、中心Ｏが直角三角形をなすように配置された３つを一組として、その形状が正方格子に配置される。この配置により面内において導波された光は、面とは垂直な方向に放射される。

ＱＣＬは偏光方向が活性層２４の表面と平行なＴＭ（Transverse Magnetic）偏光であり、ｐｎ接合面発光レーザのように活性層を表面と裏面で挟むように共振器ミラーでは偏光と光の進行方向が一致するために誘導放出は生じない。すなわち、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser:面発光型レーザ）の実現が不可能であった。

これに対して、第１の実施形態にかかるＱＣＬは、誘導放出光の進行方向は活性層２４の表面と平行な方向であるので、誘導放出光が共振かつ増幅することが可能である。さらに、周期的にかつ周期構造に異方性を持った構造の場合、誘導放出光を活性層２４の表面とは概ね垂直方向に取り出すことが可能となる。つまり、これまでＱＣＬでのみ実現可能である中赤外領域よりも長い波長領域で、面発光型のレーザを実現可能となる。

面発光型レーザは、端面発光レーザのようなへき開による共振器の形成が必要なく、へき開による歩留まりの低下を防ぐことができる。さらに端面発光レーザはへき開によって始めて共振器が形成されるため、検査をへき開後に行う必要があり、ウェーハのまま、オートプローバ等で検査ができるＬＥＤ等に比べ、検査のコストがかかる。これに対して第１の実施形態にかかるＱＣＬは、ウェーハ状態でオートプローバによる評価が可能であり、検査コストや歩留まりの面で、コストを下げる大きな効果が期待でき、これまで高価であったＱＣＬの低価格化、量産化が容易になる。

さらにまた、通常半導体レーザでは電極を発光層の上下に形成する必要があり、面発光型の場合には、光の出射方向に電極があるために光の取り出しを阻害することとなる。第１の実施形態では、ピット１０１が存在しない領域に電極を波長以下の幅で配置し、電流注入とレーザ光の取り出しを両立できる。図３に表すように、第１の電極５０は３つの円柱を配置した正方格子とは、たとえば、略４５度の角度をなすストライプ部５０ｃを有する。このように電極を配置することにより、正方格子で配置された３つの円柱を４５度方向に１列形成しない領域を設けて、最大の幅を持つ電極を形成することができる。このため広いコンタクト面積を確保することができ、金属と半導体との界面の接触抵抗が低減され、ＱＣＬの動作電圧が低減される。なお、本明細書において、正方格子に対して略４５度をなすとは、正方格子の１つの辺に対して角度が４０度以上、かつ５０度以下であるものとする。

図４は、素子の電極配置を示す模式平面図である。
ストライプ部５０ｃを斜めに設ける領域は、図１〜図３に限定されない。図３とは異なり、４組の繰り返しのうち1組を、電極を形成する領域としてもよい。この電極を形成する領域は、３つの円柱を１組とし２組に１組を電極を形成する領域とすることも可能である。

図５は、電極ストライプ部の１周期内のピット数に対する電流注入の均一度、および相対光取り出し効率のグラフ図である。
横軸は電極ストライプ部の１周期内のピット数、縦軸は電流注入の均一度、および相対光取り出し効率、を表す。電流注入の均一度は、電極５０のストライプ部５０ｃが１次元周期構造を有する場合、ストライプ部５０ｃに直交する方向に沿った１周期内に２つのピットが含まれる場合を１００として規格化した。また、相対光取り出し効率は、電極５０のストライプ部５０ｃが１次元周期構造を有する場合、ストライプ部５０ｃに直交する方向に沿った１周期内に５０のピットが含まれる場合を１００として規格化した。

ストライプ部５０ｃに直交する方向に沿った１周期内のピット１０１の数が増加するに従って、電流注入の均一度が低下するが相対光取り出し効率が増加する。すなわち、１周期内のピット１０１の数を５以上かつ２０以下とすることにより、電流注入の均一度とレーザ光の取り出し効率とが両立できる。このように、第１の電極５０の開口面積と電流注入の効率の関係、および第１の電極５０の周期構造が光取り出し時の回折効果に影響を与える関係より最適解が求まる。

図６は、第１の実施形態にかかる面発光ＱＣＬの製造方法のフロー図である。
ｎ形ＩｎＰからなる基板１０を結晶成長装置の中に配置して、この基板１０上にＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いた結晶成長により、Ｓｉがドープされｎ形ＩｎＧａＡｓからなるバッファ層２６、Ｓｉがドープされたｎ形ＩｎＰからなる第２クラッド層２２、アンドープＩｎＧａＡｓからなる第２ガイド層２３、Ｉｎ_{０．６６９}Ｇａ_{０．３３１}Ａｓからなる井戸層およびＩｎ_{０．３６２}Ａｌ_{０．６３８}Ａｓからなる障壁層とを含む多重量子井戸からなる活性層２４、アンドープＩｎＧａＡｓ第１ガイド層２５、Ｓｉがドープされたｎ形ＩｎＰからなる第１クラッド層２７、Ｓｉがドープされたｎ形ＩｎＧａＡｓからなる第１コンタクト層２８をこの順に結晶成長する（Ｓ１００）。

なお、活性層２４は厚さの異なる量子井戸層の組み合わせにより量子準位が動作時に重なるように設計する。たとえば、２０層の量子井戸の組み合わせを１組として、これを４０組重ねた積層構造とすることができる。

次に、結晶成長を行った基板１０を結晶成長装置から取り出し、第１コンタクト層２８上にＳｉＯ_２などの絶縁膜４０を形成する（Ｓ１０２）。絶縁膜４０の表面に第１電極形成用のレジストパターンを形成する。第１の電極５０は、フォトレジストパターンが設けられない領域に形成される。絶縁膜４０がＳｉＯ_２の場合、フッ化アンモニウム液などによりエッチング除去される。この状態で電子ビーム蒸着装置にウェーハを導入し、電極金属Ｔｉ／Ａｌを蒸着する。蒸着装置よりウェーハを取り出し、フォトレジストを除去液で除去すると、スペーサリフトオフにより第１の電極５０が形成される（Ｓ１０４）。

次に、再度絶縁膜（図示せず）を積層する（Ｓ１０６）。その後フォトレジストを塗布し、３つの円を配置した正方格子のパターンを形成し、このフォトレジストパターンを用いて絶縁膜をウェットエッチングでパターニングする。絶縁膜に３つの円からなる開口部を形成する（Ｓ１０８）。

フォトレジストを除去したのち、絶縁膜をマスクとしてドライエッチングにより第１クラッド層２７の中間部まで到達するピット１０１を形成する（Ｓ１１０）。さらに積層体２０の表面を１０ｎｍ程度ウェットエッチングで除去し、ドライエッチングによるダメージ層を除去する（Ｓ１１２）。

再度絶縁膜を積層し、積層体２０が露出している部分を覆う（Ｓ１１４）。フォトレジストを塗布して、ボンディングパッド（図示せず）を形成する部分のみ開口したパターンを作成し、その部分の絶縁膜のみを除去して、この状態で電子ビーム蒸着装置にウェーハを導入し、電極金属Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。蒸着装置よりウェーハを取り出し、フォトレジストを除去すると、電極金属が電極形成領域に残り、ボンディングパッドを形成できる（Ｓ１１６）。以上により、ウェーハステップが終了する。

次に、それぞれの素子をプローバなどを用いて電流を通電し、検査を行うことが出来る。製品に近い状態で検査が可能である。次に基板１０の裏面を研磨（Ｓ１２０）により１００μｍ程度に薄層化したのち、電子ビーム蒸着装置にウェーハを導入し、電極金属Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する（Ｓ１２２）。なお、裏面電極形成ステップ（Ｓ１２２）ののち、基板１０の裏面側を金属に接触させることで検査を行ってもよい（Ｓ１２４）。

次に基板側とは反対の表面よりダイシングのためのスクライブを行う。各素子の大きさになるようスクライブを行い、ブレーキングマシーンで素子を分割する。スクライブの際に伸縮性のある粘着シートに貼り付けており、ブレーキングの後シートを伸ばして素子と素子の間を広げ、素子のピックアップ性を向上させる。最終的にこの状態でプローバで全数検査を行う。この前に行っているいくつかの検査はこの工程で行ってもよい。素子を粘着シートから取り出し、ＣｕＷなどのヒートシンクに実装する。実装は、検査ステップでのデータを用いて選別して行うことで、歩留まりの良い生産が可能となる。実装する際の接合はＡｕＳｎでもよい。熱伝導の良いＡｇがより好ましい。工程数も少なく、検査に要する時間も少なくすることができる。

ヒートシンクに実装した素子を測定したところ４．３５５μｍの波長で１００ｍＷの出力が得られ、モードは単一モードであった。他方、端面発光型では、高出力を得るために高電流注入を行うとモードが単一でなく、ＱＣＬから照射されたレーザ光は複数のピークを持つために、高出力を得ることが困難であった。

図７は、第２の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分拡大模式斜視図である。
また、図８は、図７のＡ−Ａ線に沿って切断した模式斜視図である。第２の実施形態の面発光量子カスケードレーザは、第１の実施形態の積層体２０と同一の組成であるものとする。

ピット１０１は、積層体２０の第１の面２０ａの側から下方に向かって三角錘や三角錐台が切り出されて形状となる。図７において、ピット１０１の開口端は直角三角形で表される。直角を挟む２つの辺は枠部５０ａ、５０ｂの２つの辺にそれぞれ平行であり、斜辺は、第１電極５０のストライプ部５０ｃに平行である。

次に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。
図６に表した絶縁膜形成ステップ（Ｓ１０６）までのステップは、第１の実施形態と共通とする。絶縁膜形成ステップ（Ｓ１０６）ののち、直角三角形のレジストパターンを形成し、ＳｉＯ_２などの絶縁膜４０をウェットエッチングし、絶縁膜４０に開口部（図示せず）を形成する。

フォトレジストを除去後、絶縁膜４０をマスクとして第１クラッド層２７の中間までウェットエッチングを行い三角錐が切り出された領域であるピット１０１を形成する。図６に表すステップ１１４以降は、第１の実施形態と略同様である。

図９は、第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式斜視図である。
ピット１０１は三角柱が切り出された形状となり、正方格子状に配置される。この配置により第１の面２０ａに沿って導波された光は、第１の面２０ａとは垂直な光軸６２の方向に放射される。

図１０（ａ）はピット形成後の図９のＢーＢ線に沿った模式断面図、図１０（ｂ）は電極形成後のＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
図６に表す表面ウェットエッチングプロセス（Ｓ１１２）により、図１０（ａ）に表すように、ピット１０１が形成される。ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置を用いてピット１０１内をＳｉＯ_２のような絶縁膜４２で充填する。このあと、絶縁膜４２の厚さがピットの深さと同一になるように、ドライエッチングを行う。

さらに、図１０（ｂ）に表すように、絶縁膜４２の表面と第１の面２０ａの表面２０ａとで構成される略平坦な面を覆うようにＡｕを含む金属を蒸着し、第１の電極７０とする。なお、外周部には、Ｔｉ／Ａｕを設けると、Ａｕのみの場合よりも密着性が良くなる。また、たとえば、窒素雰囲気中でシンタリングを行うとＡｕとＩｎＧａＡｓとが合金化するので密着性はさらに増す。

図１１（ａ）は第３の実施形態にかかるＱＣＬ素子の模式下面図、図１１（ｂ）は基板側からみたＱＣＬ素子の模式斜視図、である。
図１０に表すステップののち、基板１０を研磨により１００μｍ程度に薄層化し、フォトレジストを塗布し、両面マスクアライナーでＱＣＬの表面に合わせてパターニング露光を行う。電子ビーム蒸着装置にウェーハを導入したのち、電極金属Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、光の取り出しを妨げないよう外周部に第２の電極５２を形成する。

次に基板とは反対の側の表面よりダイシングのためのスクライブを行う。各素子の所定のサイズになるようスクライブを行い、ブレーキングマシーンで素子を分割して行く。スクライブの際に伸縮性のある粘着シートに貼り付けており、ブレーキングの後シートを伸ばして素子と素子の間を広げ、素子のピックアップ性を向上させる。最終的にこの状態でプローバで全数検査を行う。

図１２（ａ）、（ｂ）は、ＱＣＬ素子の組み立て工程を説明する模式断面図である。
ＱＣＬ素子を粘着シートから取り出し、基板１０と反対側の表面の第１の電極７０と、ＣｕＷなどのヒートシンク７２の上の導電部７４と、を向かい合わせて（図１２（ａ））、接合する（図１２（ｂ））。第３の実施形態は、第１の電極７０により光が反射され、基板１０の側から光を取り出す構造となる。接合はＡｕＳｎでもよいが、熱伝導の良いＡｕナノ粒子ペーストがより好ましい。

図１３は、第４の実施形態にかかる量子カスケードレーザを部分切断した模式斜視図である。
また、図１４は、図１３のＣ−Ｃ線に沿った模式断面図である。
ピット１０１は３つの所定領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が切り出された円柱状であり、図１３に表すように円の中心が直角三角形を構成する３つの領域を一組として、正方格子に配置される。この配置により面内において導波された光は活性層２４の表面に垂直な方向に放射される。

次に、第４の実施形態のＱＣＬの製造方法について説明する。まず、ｎ形ＩｎＰからなる基板（図示せず）を結晶成長装置の中に配置して、基板上にＭＢＥ法を用いて、Ｓｉがドープされｎ形ＩｎＧａＡｓからなるバッファ層２６、第２クラッド層２２、第２光ガイド層２３、活性層２４、第１光ガイド層２５、第１クラッド層２７、Ｓｉがドープされｎ形ＩｎＧａＡｓからなる第１コンタクト層２８をこの順に結晶成長する。

次に、ウェーハを結晶成長装置から取り出し、第１コンタクト層２８上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなる電極６０を形成する。さらにＩｎＰからなる他の基板８０を用意して表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層６１を形成する。この２枚のウェーハのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、真空中で結晶方位を合わせて重ね合わせ、加熱することにより、ウェーハ接合を行う。この接合はＡｕ−Ａｕ接合と呼ばれ、接合金属層６２によりウェーハが接合されている。

次に接合されたウェーハの表面側を研磨により１０μｍ程度まで薄くしてその後塩酸で除去する。ＩｎＧａＡｓは塩酸ではエッチングされないためバッファ層２６でエッチングがストップする。このウェーハを電子ビーム蒸着機に導入し、Ｔｉ／Ａｕを蒸着する。電子ビーム蒸着機から取り出し、フォトレジストによりパターニングを行う。パターンは円形で円の中心が直角三角形の配置を持つ３つを一組として、その形状を正方格子に配置する。

次に、パターニングしたウェーハをドライエッチング装置に導入し、Ｔｉ／Ａｕをエッチングしピット１０１を形成する。なお、第１の電極５４に設けられたピットにより露出した積層体２０にドライエッチングなどでさらにピットを設けることができる。ドライエッチング装置より取り出し、次に基板８０を研磨により１００μｍ程度に薄膜化したのち、電子ビーム蒸着装置にウェーハを導入し、電極金属Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、第２の電極５６を形成する。

図１５（ａ）は、第４の実施形態の第１変形例にかかるＱＣＬの部分模式上面図、図１５（ｂ）は第４の実施形態の第２変形例にかかるＱＣＬの部分模式上面図、である。
ピット１０１は、平面視において、三角形（図１５（ａ））や菱形（図１５（ｂ））、平行四辺形などでもよい。

第１の電極５０と第１の半導体層２０との界面は、プラズモン導波路であってもよい。たとえば、レーザ光がテラヘルツ波であるものとすると、第１の電極５０と第１の半導体層２０との界面を、表面プラズモン導波路とすることができる。このため、第１の電極５０の誘電率の実部がマイナスとなり、屈折率を虚数にできる。この場合、レーザ光は第１の電極５０に侵入しないので、クラッド層を設けなくてもレーザ光を閉じ込めることができる。

第１〜第４の実施形態およびそれに付随する変形例によれば、赤外線からテラヘルツ波の波長帯において、高出力化が容易な面発光量子カスケードレーザが提供される。これらの面発光カスケードレーザは、レーザ加工、環境測定、呼気分析などに広く利用できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５ 面発光量子カスケードレーザ、２０ａ 第１の面、２１ 第１の半導体層、２４ 活性層、４０、４２ 絶縁膜、５０、７０ 第１の電極、５０ａ、５０ｂ 枠部、５０ｃ ストライプ部、５０ｄ 開口部、６０ レーザ光、１０１ ピット、Ｌ２ （ストライプ部の）ピッチ、Ｄ 正方格子の１辺、Ｅ 正方格子の１辺

実施形態の面発光量子カスケードレーザは、活性層と、第１の半導体層と、第１の電極と、を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光を放出する。前記第１の半導体層は、前記活性層の上に設けられ、二次元格子がフォトニック結晶を構成しかつ第１の面を有する。前記二次元格子のそれぞれの格子点はピットによりそれぞれ構成される。前記ピットは前記第１の面から後退した凹部を少なくとも１つ有しかつ前記二次元格子の辺に平行な線に関して非対称である。前記第１の電極は、前記第１の半導体層の上に設けられ、周期的な開口部を有する。前記レーザ光は、前記開口部から前記活性層に対して概ね垂直方向に出射される。

実施形態の面発光量子カスケードレーザは、活性層と、第１の半導体層と、第１の電極と、を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光を放出する。前記第１の半導体層は、前記活性層の上に設けられ、二次元格子がフォトニック結晶を構成しかつ第１の面を有する。前記二次元格子のそれぞれの格子点はピットによりそれぞれ構成される。前記ピットは前記第１の面から後退した凹部を有し、前記それぞれのピットの平面形状は前記平面形状の重心を通りかつ前記二次元格子の２辺それぞれに平行な線に関して非対称である。前記第１の電極は、前記第１の半導体層の上に設けられ、周期的な開口部を有し、前記それぞれのピットは前記開口部内に配置される。前記レーザ光は、前記開口部から前記活性層に対して概ね垂直方向に出射される。

Claims (20)

1. 複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光を放出可能な活性層と、
   前記活性層の上に設けられ、複数のピットが二次元の格子を構成するように設けられた第１の面を有する第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の上に設けられ、周期的な開口部を有する第１の電極と、
   を備え、
   それぞれのピットは、前記格子の辺に平行な線に関して非対称であり、
   前記レーザ光は、前記開口部に露出したピットから前記活性層に対して概ね垂直方向に出射される、面発光量子カスケードレーザ。
2. 前記二次元格子は、前記第１の半導体層のうちの所定領域を前記第１の面から深さ方向に向かって切り出された形状からなるピットにより構成された、請求項１記載の面発光量子カスケードレーザ。
3. 前記所定領域は、複数の円柱または複数の円錐を含む請求項２記載の面発光量子カスケードレーザ。
4. 前記所定領域は、ｍ（ｍは３以上の整数）角柱またはｎ角錐（ｎは３以上の整数）である請求項２記載の面発光量子カスケードレーザ。
5. 前記第１の電極は、枠部と両端部が枠部に連結された複数のストライプ部とを有し、
   前記複数のストライプ部は、所定のピッチを有しつつ互いに平行に配置され、かつ前記枠部と斜めに交差する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
6. 前記第１の電極の開口部は、前記格子の辺に平行な線に関して非対称である、請求項５記載の面発光量子カスケードレーザ。
7. 前記二次元格子は正方格子である請求項１〜５のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
8. 前記正方格子の２つの辺は、前記枠部の前記２つの辺とそれぞれ直交する請求項７記載の面発光量子カスケードレーザ。
9. 前記枠部の前記２つの辺は、前記ストライプ部とそれぞれ略４５度で交差する請求項８記載の面発光量子カスケードレーザ。
10. 前記ストライプ部は、前記ピットの非形成領域に設けられた請求項５〜９のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
11. 複数の量子井戸構造が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光を放出可能な活性層と、
    前記活性層の上に設けられ、複数のピットが二次元格子を構成するように設けられた第１の面を有する第１の半導体層と、
    前記複数のピット内に充填された絶縁膜であって、前記絶縁膜の厚さは前記ピットの深さと同一である、絶縁膜と、
    前記第１の半導体層の前記第１の面と前記絶縁膜の上面とを覆い、前記レーザ光を前記活性層の側に反射する第１の電極と、
    を備え、
    それぞれのピットは、前記二次元格子の１辺に平行な線に関して非対称であり、
    前記第１の電極により反射された前記レーザ光は、前記活性層を通過し、前記活性層に対して概ね垂直方向に出射する、面発光量子カスケードレーザ。
12. 前記二次元格子は、前記第１の半導体層のうちの所定領域を前記第１の面から深さ方向に向かって切り出された形状からなるピットにより構成された、請求項１１記載の面発光量子カスケードレーザ。
13. 前記所定領域は、複数の円柱、複数の円錐、複数の円錐台、ｍ（ｍは３以上の奇数）角柱、ｍ角錐（ｍは３以上の奇数）、ｍ角錐（ｍは３以上の奇数）台のいずれかを含む請求項１１記載の面発光量子カスケードレーザ。
14. 前記二次元格子は正方格子である請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
15. 前記第１の電極とは反対となる前記活性層の側に設けられ、開口部を有する枠部を含む第２の電極をさらに備え、
    前記レーザ光は、前記活性層に対して概ね垂直方向に出射し、前記第２の電極の前記開口部を通過する、請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
16. 複数の量子井戸構造が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光を放出可能な活性層と、
    前記活性層の上に設けられた第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層の上に設けられ、複数のピットが二次元格子を構成するように設けられた第１の電極と、
    を備え、
    それぞれのピットは、前記格子の１辺に平行な線に関して非対称であり、
    前記複数のピットを通過した前記レーザ光は、前記第１の電極の表面に対して概ね垂直方向に出射する、面発光量子カスケードレーザ。
17. 前記ピットは、円孔である請求項１４記載の面発光量子カスケードレーザ。
18. 前記ピットは、ｓ（ｓは３以上の整数）角孔である請求項１４記載の面発光量子カスケードレーザ。
19. 前記第１の半導体層の前記第１の電極の前記ピットの下方の領域には、ピットが設けられた請求項１６〜１８のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
20. 前記二次元格子は、正方格子である請求項１６〜１９のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。

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