JP2018026440A - 集積量子カスケードレーザ、半導体光装置 - Google Patents

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幸洋 辻
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Abstract

【課題】フリップチップ実装のための量子カスケードレーザに分布ブラッグ反射器を適用できる構造の集積量子カスケードレーザを提供する。
【解決手段】集積量子カスケードレーザは、第１領域から第３領域を含むレーザ構造体と、第３領域上に設けられパッド電極のための第１金属層及び第２金属層と、第１領域上に設けられた第３金属層及び第４金属層と、第１金属層から第４金属層上にそれぞれ設けられた第１バンプ金属から第４バンプ金属を備える。第１領域は、第１半導体メサ及び第２半導体メサを含み、第１半導体メサ及び第２半導体メサの各々は量子カスケードコア層を含み、第２領域は、分布反射のための一又は複数の半導体壁を含み、第１金属層及び第２金属層は、それぞれ第１半導体メサ及び第２半導体メサに電気的に接続され、第３金属層及び第４金属層は、第１金属層及び第２金属層から分離される。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積量子カスケードレーザ、及び半導体光装置に関する。
特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。
特願２００１−１３６１９３号公報
量子カスケードレーザは、例えば、小型・高速・高感度のガス検知器用光源として用いられる。互いに異なる発振波長の複数の量子カスケードレーザを集積することは、いくつかの用途において有用である。集積量子カスケードレーザを提供するためには、その低消費電力を実現することが必要である。発明者の検討によれば、低消費電力には、共振器ミラーに分布ブラッグ反射器を用いること、用途に応じて共振器長を短くすること、集積量子カスケードレーザの放熱特性をより良好にすることが効果的である。これらの内、集積量子カスケードレーザをフリップチップ実装することは、集積量子カスケードレーザからの熱を放出することを容易にする。
量子カスケードレーザの集積化は、フリップチップ実装を量子カスケードレーザに適用することを複雑にし、またフリップチップ実装のための量子カスケードレーザに分布ブラッグ反射器を適用することを複雑にしている。
本発明の一側面は、量子カスケードレーザに分布ブラッグ反射器を適用できる構造を有しフリップチップ実装可能な集積量子カスケードレーザを提供することを目的とし、また、本発明の別側面は、分布ブラッグ反射器を有する集積量子カスケードレーザがフリップチップ実装により支持体に搭載される半導体光装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る集積量子カスケードレーザは、第１軸の方向に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含むレーザ構造体と、前記第３領域上に設けられパッド電極のための第１金属層及び第２金Ｂ属層と、前記第１領域上に設けられた第３金属層及び第４金属層と、前記第１金属層、前記第２金属層、前記第３金属層及び前記第４金属層上にそれぞれ設けられた第１バンプ金属、第２バンプ金属、第３バンプ金属及び第４バンプ金属と、を備え、前記レーザ構造体は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に配置された基板及び積層体を有し、前記第１領域は、前記第１軸の方向に延在する第１半導体メサ及び第２半導体メサを含み、前記第１半導体メサ及び前記第２半導体メサの各々は、量子カスケードコア層を含み、前記第２領域は、分布反射のための一又は複数の半導体壁を含み、前記第１金属層は、前記第１半導体メサに電気的に接続され、前記第２金属層は、前記第２半導体メサに電気的に接続され、前記第３金属層及び前記第４金属層は、前記第１金属層及び前記第２金属層から分離される。
本発明の別の側面に係る半導体光装置は、集積量子カスケードレーザと、前記集積量子カスケードレーザの前記第１バンプ金属、前記第２バンプ金属、前記第３バンプ金属及び前記第４バンプ金属にそれぞれ支持する第１導体層、第２導体層、第３導体層及び第４導体層を備える搭載部材と、を備える。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、量子カスケードレーザに分布ブラッグ反射器を適用できる構造を有しフリップチップ実装可能な集積量子カスケードレーザが提供される。また、本発明の別側面によれば、分布ブラッグ反射器を有する集積量子カスケードレーザがフリップチップ実装により支持体に搭載される半導体光装置が提供される。
図１は、本実施形態に係る集積量子カスケードレーザを概略的に示す図面である。 図２は、本実施形態に係る集積量子カスケードレーザ、及び集積量子カスケードレーザを搭載する搭載部材を示す図面である。 図３は、本実施形態に係る半導体光装置を含む光装置を概略的に示す図面である。 図４は、本実施形態に係る光装置における半導体光装置を模式的に示す図面である。 図５は、本実施形態に係る集積量子カスケードレーザを作製する方法、及び本実施形態に係る半導体光装置を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図６は、本実施形態に係る集積量子カスケードレーザを作製する方法、及び本実施形態に係る半導体光装置を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図７は、本実施形態に係る集積量子カスケードレーザを作製する方法、及び本実施形態に係る半導体光装置を作製する方法における主要な工程を示す図面である。
引き続き、いくつかの具体例を説明する。
具体例に係る集積量子カスケードレーザは、（ａ）第１軸の方向に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含むレーザ構造体と、（ｂ）前記第３領域上に設けられパッド電極のための第１金属層及び第２金属層と、（ｃ）前記第１領域上に設けられた第３金属層及び第４金属層と、（ｄ）前記第１金属層、前記第２金属層、前記第３金属層及び前記第４金属層上にそれぞれ設けられた第１バンプ金属、第２バンプ金属、第３バンプ金属及び第４バンプ金属と、を備え、前記レーザ構造体は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に配置された基板及び積層体を有し、前記第１領域は、前記第１軸の方向に延在する第１半導体メサ及び第２半導体メサを含み、前記第１半導体メサ及び前記第２半導体メサの各々は、量子カスケードコア層を含み、前記第２領域は、分布反射のための一又は複数の半導体壁を含み、前記第１金属層は、前記第１半導体メサに電気的に接続され、前記第２金属層は、前記第２半導体メサに電気的に接続され、前記第３金属層及び前記第４金属層は、前記第１金属層及び前記第２金属層から分離される。
集積量子カスケードレーザによれば、第１バンプ金属は、第１半導体メサに接続された第１金属層上に設けられ、第２バンプ金属は、第２半導体メサに接続された第２金属層上に設けられる。第１バンプ金属及び第２バンプ金属は第３領域に設けられる一方で、第３バンプ金属及び第４バンプ金属は第１領域に設けられる。レーザ構造体の第２領域が、第１バンプ金属及び第２バンプ金属の配列を搭載する第３領域と、第３バンプ金属及び第４バンプ金属の配列を搭載する第１領域との間に設けられる。複数の領域にバンプ金属を配列することによれば、集積量子カスケードレーザを外部に接続する第１バンプ金属及び第２バンプ金属を第３領域に設けて効率的な接続を可能にし、また、第１領域の第３バンプ金属及び第４バンプ金属は、第１領域の半導体メサからの熱を放出することに寄与でき、さらに、半導体メサの配列を含む第１領域上に第３バンプ金属及び第４バンプ金属を設けて、第１領域の半導体メサ及び電極を実装の際に損傷から保護できる。
具体例に係る集積量子カスケードレーザでは、前記第１領域は、前記量子カスケードコア層が到達しており前記第１軸に交差する方向に延在する端面を含む。
集積量子カスケードレーザによれば、レーザ光は、第１領域の端面から放出される。
具体例に係る集積量子カスケードレーザでは、前記第１半導体メサは、上部分及び下部分を有し、前記基板は、前記第１半導体メサの前記下部分のためのリッジを含む。
集積量子カスケードレーザによれば、基板に到達する半導体メサは、量子カスケード半導体レーザの長波長の光を半導体メサに閉じ込めことを容易にする。
具体例に係る集積量子カスケードレーザでは、前記半導体壁は、上部分及び下部分を有し、前記基板は、前記半導体壁の前記下部分のためのリッジを含む。
集積量子カスケードレーザによれば、基板に到達する半導体壁は、量子カスケード半導体レーザにおいて、基板内を伝搬する成分を有する長波長の光を反射することを可能にする。
具体例に係る集積量子カスケードレーザでは、前記第１半導体メサ及び前記第２半導体メサを前記第１金属層及び前記第２金属層にそれぞれ接続する第１配線層及び第２配線層を更に備え、前記第１配線層及び前記第２配線層は、前記第２領域上においてエアーブリッジ構造を有する。
集積量子カスケードレーザによれば、エアーブリッジ構造は、第２領域内の分布反射構造の反射特性を低下させることなく、電気接続を実現する。
具体例に係る半導体光装置は、（ａ）集積量子カスケードレーザと、前記集積量子カスケードレーザの前記第１バンプ金属、前記第２バンプ金属、前記第３バンプ金属及び前記第４バンプ金属にそれぞれ支持する第１導体層、第２導体層、第３導体層及び第４導体層を備える搭載部材と、を備える。
半導体光装置によれば、集積量子カスケードレーザの第１半導体メサ及び第２半導体メサ上の電極が、搭載部材上の導電層に直接に触れることがない。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、集積量子カスケードレーザ、及び半導体光装置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の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｄ）部は、本実施形態に係る集積量子カスケードレーザを概略的に示す図面である。
集積量子カスケードレーザ１１は、レーザ構造体１３、第１金属層１５、第２金属層１６、第３金属層１９、第４金属層２１、第５金属層１７、第６金属層１８、第１バンプ金属２３、第２バンプ金属２４、第３バンプ金属２７、第４バンプ金属２９、第５バンプ金属２５及び第６バンプ金属２６を備える。レーザ構造体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は第１軸Ａｘ１の方向に配列される。レーザ構造体１３は基板３１及び積層体３３を有し、基板３１及び積層体３３は、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配置される。積層体３３は、基板３１の主面３１ａ上に設けられる。第１領域１３ａは、複数の半導体メサ３７（本実施例では、第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、及び第４半導体メサ３７ｄ）を含み、また第１軸Ａｘ１の方向に延在する。半導体メサ３７の各々は、量子カスケードコア層３３ａ、クラッド層３３ｂ及びコンタクト層３３ｃを含み、本実施例では、回折格子層３３ｄを含む。クラッド層３３ｂ及び回折格子層３３ｄは、回折格子ＧＲを構成する。本実施例では、回折格子ＧＲは第１領域１３ａに含まれ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃには含まれない。第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、及び第４半導体メサ３７ｄの各々は、第１端面３７ｅ及び第２端面３７ｆを含み、第３領域１３ｃは第３端面３７ｇを含む。第１端面３７ｅ、第２端面３７ｆ及び第３端面３７ｇの各々は、第１軸Ａｘ１に交差する基準面に沿って延在することができる。レーザ光は、第１領域１３ａの第１端面３７ｅから外部に放出される。また、レーザ光は、第２端面３７ｆを介して第１領域１３ａから第２領域１３ｂに入射し、第２端面３７ｆを介して第２領域１３ｂから第１領域１３ａに戻る。本実施例では、第３領域１３ｃは、パッド電極のための台座を提供する。台座は、第３領域１３ｃを含む。台座として働く第３領域１３ｃは、第１領域１３ａから第２領域１３ｂを介して第３領域１３ｃに到達する第１金属層１５、第２金属層１６、第３金属層１９、第４金属層２１の延在を容易にする。
本実施例では、第１端面３７ｅは、レーザ構造体１３の一端面１３ｆに位置しており、量子カスケードコア層３３ａ、回折格子層３３ｄ、クラッド層３３ｂ、コンタクト層３３ｃ、及び回折格子ＧＲは、第１端面３７ｅから第２端面３７ｆまで延在する。第２領域１３ｂは、分布反射のための一又は複数の半導体壁３９（３９ａ、３９ｂ）を含む。半導体壁３９は、分布ブラッグ反射器ＤＢＲを構成するように配列される。分布ブラッグ反射器ＤＢＲは、第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、及び第４半導体メサ３７ｄの個々における第２端面３７ｆに光学的に結合される。分布ブラッグ反射器ＤＢＲは、集積量子カスケードレーザ１１のレーザ共振器に含まれ、本実施例では、レーザ共振器は、第１端面３７ｅ又は第１端面３７ｅ上の反射膜ＲＦＭを含む。反射膜ＲＦＭは、例えば誘電体多層膜を含む。レーザ構造体１３は、半導体壁３９の側面の間、並びに第１端面３７ｅ及び第３端面３７ｇと半導体壁３９との間に設けられたボイドＢＤを含む。
レーザ構造体１３の第１領域１３ａは、第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、及び第４半導体メサ３７ｄを埋め込む埋込領域４５を含む。第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、第４半導体メサ３７ｄ及び埋込領域４５の配置は、第１領域１３ａの表面に実質的に平坦にする。本実施例では、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃが、第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、第４半導体メサ３７ｄの延長部を含み、これらの延長部は埋込領域４５によって埋め込まれる。第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、第４半導体メサ３７ｄ及び埋込領域４５の配置は、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃの表面に実質的に平坦にする。
第１金属層１５、第２金属層１６、第３金属層１９、第４金属層２１、第５金属層１７、及び第６金属層１８は、レーザ構造体１３上に設けられており、第１金属層１５、第２金属層１６、第５金属層１７、及び第６金属層１８は、それぞれ、第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ及び第４半導体メサ３７ｄに電気的に接続される。具体的には、集積量子カスケードレーザ１１は、第１配線層４７ａ、第２配線層４７ｂ、第１配線層４７ｃ及び第２配線層４７ｄを更に備え、第１配線層４７ａ、第２配線層４７ｂ、第１配線層４７ｃ及び第２配線層４７ｄは、それぞれ、第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、及び第４半導体メサ３７ｄを第１金属層１５、第２金属層１６、第５金属層１７、及び第６金属層１８に接続する。具体的には、絶縁膜４３が、レーザ構造体１３の上面１３ｄ上に設けられる。絶縁膜４３が、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃの表面を覆うと共に、第１領域１３ａでは、第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ、及び第４半導体メサ３７ｄの各々上に位置する開口４３ａを有する。第２領域１３ｂでは、絶縁膜４３は、半導体壁３９の上面及び側面を覆うと共に、第１端面１３ｅ及び第３端面１３ｇを覆う。第１金属層１５、第２金属層１６、第５金属層１７、及び第６金属層１８は、第２領域１３ｂ上においてエアーブリッジ構造を構成する。エアーブリッジ構造は、第２領域１３ｂ内の分布反射構造の反射特性を低下させることなく、電気接続を実現する。
第１金属層１５、第２金属層１６、第５金属層１７、及び第６金属層１８は、パッド電極のために第３領域１３ｃ上に設けられる。第３金属層１９及び第４金属層２１は、第１領域１３ａ上に設けられる。第１領域１３ａ上では、第３バンプ金属２７及び第４バンプ金属２９は、それぞれ、第３金属層１９及び第４金属層２１上に設けられる。第３領域１３ｃ上には、第１バンプ金属２３、第２バンプ金属２４、第５バンプ金属２５及び第６バンプ金属２６は、それぞれ、第１金属層１５、第２金属層１６、第５金属層１７及び第６金属層１８上に設けられる。第３金属層１９及び第４金属層２１は、第１金属層１５、第２金属層１６、第５金属層１７及び第６金属層１８から隔置されて、電気的に分離される。本実施例では、基板３１の裏面３１ｂに、共通の裏面電極４８が設けられる。
集積量子カスケードレーザ１１によれば、第１バンプ金属２３は、第１半導体メサ３７ａに接続された第１金属層１５上に設けられ、第２バンプ金属２４は、第２半導体メサ３７ｂに接続された第２金属層１６上に設けられる。第１バンプ金属２３及び第２バンプ金属２４は第３領域１３ｃに設けられる一方で、第３バンプ金属２７及び第４バンプ金属２９は第１領域１３ａに設けられる。レーザ構造体１３の第２領域１３ｂが、第１バンプ金属２３及び第２バンプ金属２４の配列を搭載する第３領域１３ｃと、第３バンプ金属２７及び第４バンプ金属２９の配列を搭載する第１領域１３ａとの間に設けられる。複数の領域（１３ａ、１３ｃ）にバンプ金属を配列することによれば、集積量子カスケードレーザ１１を外部に接続する第１バンプ金属２３及び第２バンプ金属２４を第３領域１３ｃに設けて効率的な接続を可能にし、また、第１領域１３ａの第３バンプ金属２７及び第４バンプ金属２９は、第１領域１３ａの半導体メサ３７からの熱を放出することに寄与でき、さらに、半導体メサ３７の配列を含む第１領域１３ａ上に第３バンプ金属２７及び第４バンプ金属２９を設けて、実装の際に第１領域１３ａの半導体メサ３７及び電極（１５、１６、１７、１８）を損傷から保護できる。
半導体メサ３７及び半導体壁３９の各々は、上部分３７ｕｐ及び下部分３７ｄｎを有する。上部分３７ｕｐは、基板３１と積層体３３との界面に沿って延在する基準面ＲＥＦより上に位置し、下部分３７ｄｎは基準面ＲＥＦより下に位置する。基板３１は、半導体メサ３７及び半導体壁３９の下部分３７ｄｎのためのリッジを含む。基板３１に到達する半導体メサ３７は、集積量子カスケードレーザ１１内の量子カスケードレーザの長波長光を半導体メサ３７に閉じ込めことを可能にする。
図１の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｄ）部において、集積量子カスケードレーザ１１は、搭載部材４９上に搭載されている。
集積量子カスケードレーザ１１の例示。
基板３１：ｎ型ＩｎＰ基板。
量子カスケードコア層３３ａ：ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ。
クラッド層３３ｂ；ｎ型ＩｎＰ。
コンタクト層３３ｃ：ｎ型ＩｎＧａＡｓ。
回折格子層３３ｄ：ＩｎＧａＡｓ。
埋込領域４５：半絶縁性ＩｎＰ。
絶縁膜４３：シリコン酸化膜。
金属層（１５、１６、１７、１８、１９、２１）：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ。
バンプ電極（２３。２４、２５、２６、２７、２９）：Ｉｎ。
集積量子カスケードレーザ１１は、第１半導体メサ３７ａ、第２半導体メサ３７ｂ、第３半導体メサ３７ｃ及び第４半導体メサ３７ｄを有するそれぞれの量子カスケード半導体レーザを含み、これらの量子カスケード半導体レーザは、必要な場合には、互いに異なる発振波長のレーザ光を生成する。
図２の（ａ）部は、集積量子カスケードレーザ１１を示す平面図である。図２の（ｂ）部は、図１の（ａ）部に示された集積量子カスケードレーザを搭載する搭載部材を示す平面図であり、図２の（ｃ）部は、図２の（ｂ）部に示された搭載部材４９を示す側面図である。
半導体光装置５１は、集積量子カスケードレーザ１１、及び搭載部材４９を備える。搭載部材４９は、例えばサブマウント、配線基板、プリント基板であることができる。搭載部材４９の主面４９ｄは、第１領域４９ａ、第２領域４９ｂ及び第３領域４９ｃを含み、第１領域４９ａ、第２領域４９ｂ及び第３領域４９ｃは、一方向に配列される。搭載部材４９は、第１導体層５３、第２導体層５４、第３導体層５７、第４導体層５９、第５導体層５５及び第６導体層５６を備え、第１導体層５３、第２導体層５４、第３導体層５７、第４導体層５９、第５導体層５５及び第６導体層５６は、主面４９ｄ上に設けられる。第３導体層５７及び第４導体層５９は第１領域４９ａに設けられ、第１導体層５３、第２導体層５４、第５導体層５５及び第６導体層５６は、第３領域４９ｃに設けられる。第１導体層５３、第２導体層５４、第３導体層５７、第４導体層５９、第５導体層５５及び第６導体層５６は、それぞれ、集積量子カスケードレーザ１１の第１バンプ金属２３、第２バンプ金属２４、第５バンプ金属２５及び第６バンプ金属２６を支持して、また集積量子カスケードレーザ１１に電気的に接続される。
半導体光装置５１では、搭載部材４９の導電層は、集積量子カスケードレーザ１１の配線層（４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ）に接触しない。搭載部材４９は、配線層（４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ）から独立した第３金属層１９及び第４金属層２１をそれぞれ第３バンプ金属２７及び第４バンプ金属２９を介して支持する。半導体光装置５１は、第３領域４９ｃの主面５９ｄ上に設けられた電子素子５（例えば、レーザ駆動素子）を含むことができる。また、半導体光装置５１は、搭載部材４９の裏面４９ｅ上に設けられた電子素子６３（例えば、レーザ駆動素子）を含むことができる。電子素子６３は、搭載部材４９の貫通ビア（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ）を介して第１導体層５３、第２導体層５４、第５導体層５５及び第６導体層５６に接続され、しかし第３導体層５７及び第４導体層５９には接続されない。
集積量子カスケードレーザ１１は、その一辺に沿って配置されたパッド電極及びバンプ電極を含む。この配列は、集積量子カスケードレーザ１１を外部の電子素子に接続することを容易にすると共に、電気接続が光学的な結合を妨げることがない。集積量子カスケードレーザ１１の支持用及び電気接続用のバンプ電極は、分布ブラッグ反射器ＤＢＲを含む第２領域１３ｂに設けられない。実装に際して加わる力が、分布ブラッグ反射器ＤＢＲに直接に加わることがない。
図３は、図１の（ａ）部に示された半導体光装置を含む光装置を概略的に示す図面である。図４は、光装置７１における半導体光装置５１を模式的に示す図面である。光装置７１は、半導体光装置５１、平面凸レンズ７３、光検出器７５及び容器７７を含む。容器７７は、被検知体を収容する。容器７７（例えば、ガスセル）が平面凸レンズ７３と光検出器７５との間に設けられる。半導体光装置５１からの赤外光ＩＲＬＤは、平面凸レンズ７３を介して、容器７７の被検知体に照射される。光検出器７５は、被検知体を収容する容器７７からの光を受ける。
半導体光装置５１の例示。
集積量子カスケードレーザ１１のサイズ：１ミリメートル×２ミリメートル。
集積量子カスケードレーザ１１の分布ブラッグ反射器の溝の深さ：１０マイクロメートル以上。
バンプ電極の厚さ：１０マイクロメートル以上。
金属層の厚さ：第２領域１３ｂ上において３マイクロメートル以上。
半導体メサ（４７）の間隔の下限：５０〜１００マイクロメートル。
半導体メサ（４７）の配列密度：１ミリメートル当たり１０〜２０チャネル。
電極パッドのための第１金属層１５、第２金属層１６、第５金属層１７及び第６金属層１８は、支持パッドのための第３金属層１９及び第４金属層２１と同じ工程で作製され、また同じ構造を有する。これらの金属層上には、バンプ電極が同じ工程で作製され、またバンプ電極は同じ構造を有する。支持用のバンプ電極が第１領域１３ａ上に設けられ、電機接続のバンプ電極が第３領域１３ｃ上に設けられる。集積量子カスケードレーザ１１は、第１領域１３ａ上の支持用のバンプ電極と、第１領域１３ａから離れた第３領域１３ｃ上の電機接続のバンプ電極とによって支持されている。集積量子カスケードレーザ１１の配線層は、搭載部材の電極に直接に接触することなく、バンプ電極によって支持される。特に、第２領域１３ｂ上の配線層は、搭載部材に接触しない。
図５〜図７を参照しながら、集積量子カスケードレーザ１１を作製する方法、及び半導体光装置を作製する方法における主要な工程を接続する。レーザ構造体１３のための構造物を素子区画毎に有する第１基板生産物を形成する。この作製を具体的に説明する。作製される生産物は、素子区画の配列を含む。また、一素子区画を描く図面を参照しながら、引き続く説明を行う。また、工程における生産物の向きを図示するために、図面には、直交座標系Ｓが描かれる。図５の（ａ）部に示されるように、ＩｎＰウエハとった半導体基板８１を準備する。半導体基板８１の主面８１ｄは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸によって規定される平面に沿って延在する。また、成長されるべき半導体層は、Ｚ軸方向に積み重ねられる。第１半導体積層８２を半導体基板８１上に成長する。この成長は、例えば分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法、及びその他の成長法により行われる。第１半導体積層８２は、量子カスケードコア層のための半導体層８２ａ（例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、厚さ２．３マイクロメートル）及び回折格子層のための半導体層８２ｂ（ＩｎＧａＡｓ、厚さ0.5マイクロメートル）を含む。図５の（ｂ）部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを利用して、回折格子ＢＲのための構造を有する半導体層８２ｃを形成する。第２半導体積層８２ｄは、半導体層８２ａ及び半導体層８２ｃを含む。図５の（ｃ）部に示されるように、クラッド層のための半導体層８２ｅ（ｎ型ＩｎＰ、厚さ３マイクロメートル）、及びコンタクト層のための半導体層８２ｆ（ｎ型ＩｎＧａＡｓ、厚さ１００ナノメートル）を第２半導体積層８２ｄ上に成長して、第３半導体積層８２ｇを形成する。図５の（ｄ）部に示されるように、レーザ導波路のためのマスク８３を第３半導体積層８２ｇ上に形成する。マスク８３は、シリコン系無機絶縁膜（例えば、ＳｉＮ）からなることができる。マスク８３は、素子区画あたり、例えば複数のストライプ形状のパターンを含み、ストライプ幅は、例えば３〜１０マイクロメートルであることができる。マスク８３を用いて第３半導体積層８２ｇをエッチングして、半導体メサ８４の配列を形成する。このエッチングは、例えば塩素、四塩化ケイ素、三塩化ホウ素、ヨウ化水素のガスを用いるドライエッチングであることができる。半導体メサ８４の高さは、例えば７マイクロメートル以上であることができる。半導体メサ８４は、半導体基板８１のリッジ部８１ｒを含む。マスク８３を除去することなく、図５の（ｅ）部に示されるように、埋込成長を行って第１半導体生産物ＳＰ１を形成する。埋込成長により、半導体メサ８４が埋め込む埋込領域４５（たとえば、半絶縁性ＩｎＰ）を成長する。埋込領域４５は、半導体メサ８４を埋め込んで実質的に平坦なレーザ構造体を作製できるような厚さに成長される。埋込成長の後に、マスク８３を除去する。
図６の（ａ）部に示されるように、半導体基板８１は、一区画内に、Ｘ軸の方向（図１に示される第１軸Ａｘ１の方向）に配列される第１領域８１ａ、第２領域８１ｂ及び第３領域８１ｃを備える。分布ブラッグ反射器ＤＢＲを作製するために、マスク８６を第１半導体生産物ＳＰ１上に形成する。マスク８６は、第１領域８１ａ及び第３領域８１ｃ上の半導体構造物を覆うと共に、第２領域８１ｂ上に分布ブラッグ反射器ＤＢＲを規定するパターンを有する。マスク８６を用いて第１半導体生産物ＳＰ１をエッチングして、分布ブラッグ反射器ＤＢＲのための構造物を含む第２半導体生産物ＳＰ２を形成する。このエッチングは、例えば塩素、四塩化ケイ素、三塩化ホウ素、ヨウ化水素のガスを用いるドライエッチングであることができる。分布ブラッグ反射器ＤＢＲのための構造物における半導体壁ＳＷの高さは、例えば７マイクロメートル以上、例えば１０マイクロメートルであることができる。半導体壁ＳＷは、半導体基板８１のリッジ部８１ｓを含む。共振器長が、５００マイクロメートル以下になるように、分布ブラッグ反射器ＤＢＲのためのマスクパターンを規定することが良い。
図６の（ｂ）部に示されるように、第２半導体生産物ＳＰ２の上面に、保護のための絶縁膜８７を堆積する。絶縁膜８７は、例えばシリコン酸窒化（ＳｉＯＮ）膜を備える。図６の（ｃ）部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、第１領域８１ａにおいて半導体メサ８４に対応づけて開口８７ａを絶縁膜８７に形成する。第２領域８１ｂ及び第３領域８１ｃ上における埋込領域８５上、並びに第１領域８１ａ上における半導体メサ８４及び開口８７ａ上に、電極層８８ａを形成すると共に、第１領域８１ａ上に支持金属層８８ｂを形成する。これらは、リフトオフ法を用いて同一の堆積工程により形成される。作製されるべき電極層８８ａが、分布ブラッグ反射器ＤＢＲのための半導体壁間のボイドを跨ぐエアーブリッジ構成を有するので、堆積に先立って半導体壁間のボイド（空隙）をレジストで埋める。電極層８８ａは、絶縁膜８７の開口８７ａを介して半導体メサ８４の上面に接触を成す。支持金属層８８は、電極層８８ａから隔置される。図６の（ｄ）部に示されるように、必要な場合には、半導体基板８１の裏面を研磨して、裏面に電極８９を形成する。図７の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、第３領域８１ｃ上の電極層８８ａ上にバンプ電極９０ａを、第１領域８１ａ上の支持金属層８８ｂ上にバンプ電極９０ｂを形成して、基板生産物ＳＰ３を形成する。バンプ電極９０ａ、９０ｂは、例えば同一の工程で形成されるインジウムバンプである。バンプ電極９０ａ、９０ｂは、第２領域８１ｂ上には形成されない。図７の（ｃ）部に示されるように、基板生産物ＳＰ３を分離して、半導体レーザ集積デバイスＬＤを形成する。
図７の（ｃ）部に示されるように、半導体レーザ集積デバイスＬＤを搭載部材９１上にマウントする。搭載部材９１は、ベースの主面９１ｄ上に設けられた導電層９２ａ及び導電層９２ｂを含む。半導体レーザ集積デバイスＬＤのバンプ電極９０ａが導電層９２ａに接続され、半導体レーザ集積デバイスＬＤのバンプ電極９０ｂが導電層９２ｂに接続される。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。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。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
以上説明したように、本実施形態によれば、量子カスケードレーザに分布ブラッグ反射器を適用できる構造を有しフリップチップ実装可能な集積量子カスケードレーザが提供される。また、本実施形態によれば、分布ブラッグ反射器を有する集積量子カスケードレーザがフリップチップ実装により支持体に搭載される半導体光装置が提供される。
１１…集積量子カスケードレーザ、１３…レーザ構造体、１５…第１金属層、１６…第２金属層、１９…第３金属層、２１…第４金属層、１７…第５金属層、１８…第６金属層、２３…第１バンプ金属、２４…第２バンプ金属、２７…第３バンプ金属、２９…第４バンプ金属、２５…第５バンプ金属、２６…第６バンプ金属、１３ａ…第１領域、１３ｂ…第２領域、１３ｃ…第３領域、３７…半導体メサ、３３ａ…量子カスケードコア層、３３ｂ…クラッド層、３３ｃ…コンタクト層、３３ｄ…回折格子層、ＧＲ…回折格子。

Claims (6)

  1. 集積量子カスケードレーザであって、
    第１軸の方向に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含むレーザ構造体と、
    前記第３領域上に設けられパッド電極のための第１金属層及び第２金属層と、
    前記第１領域上に設けられた第３金属層及び第４金属層と、
    前記第１金属層、前記第２金属層、前記第３金属層及び前記第４金属層上にそれぞれ設けられた第１バンプ金属、第２バンプ金属、第３バンプ金属及び第４バンプ金属と、
    を備え、
    前記レーザ構造体は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に配置された基板及び積層体を有し、
    前記第１領域は、前記第１軸の方向に延在する第１半導体メサ及び第２半導体メサを含み、
    前記第１半導体メサ及び前記第２半導体メサの各々は、量子カスケードコア層を含み、
    前記第２領域は、分布反射のための一又は複数の半導体壁を含み、
    前記第１金属層は、前記第１半導体メサに電気的に接続され、
    前記第２金属層は、前記第２半導体メサに電気的に接続され、
    前記第３金属層及び前記第４金属層は、前記第１金属層及び前記第２金属層から分離される、集積量子カスケードレーザ。
  2. 前記第１領域は、前記量子カスケードコア層が到達しており前記第１軸に交差する方向に延在する端面を含む、請求項１に記載された集積量子カスケードレーザ。
  3. 前記第１半導体メサは、上部分及び下部分を有し、
    前記基板は、前記第１半導体メサの前記下部分のためのリッジを含む、請求項１又は請求項２に記載された集積量子カスケードレーザ。
  4. 前記半導体壁は、上部分及び下部分を有し、
    前記基板は、前記半導体壁の前記下部分のためのリッジを含む、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された集積量子カスケードレーザ。
  5. 前記第１半導体メサ及び前記第２半導体メサを前記第１金属層及び前記第２金属層にそれぞれ接続する第１配線層及び第２配線層を更に備え、
    前記第１配線層及び前記第２配線層は、前記第２領域上においてエアーブリッジ構造を有する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された集積量子カスケードレーザ。
  6. 半導体光装置であって、
    第１導体層、第２導体層、第３導体層及び第４導体層を備える搭載部材と、
    請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された集積量子カスケードレーザと、
    を備え、
    前記第１導体層、前記第２導体層、前記第３導体層及び前記第４導体層は、それぞれ、前記集積量子カスケードレーザの前記第１バンプ金属、前記第２バンプ金属、前記第３バンプ金属及び前記第４バンプ金属を支持する、半導体光装置。
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