JP2018046128A - 量子カスケードレーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光波長の制御性・再現性が高められた量子カスケードレーザ装置を提供する。【解決手段】量子カスケードレーザ装置は、基板と、半導体積層体と、第１電極と、を有する。前記半導体積層体は、サブバンド間光学遷移により赤外線レーザ光を放出可能である。また、前記半導体積層体は、前記基板上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第１クラッド層と、を有する。前記半導体積層体には、リッジ導波路が設けられ、前記第１クラッド層の上面には前記リッジ導波路が延在する第１の直線に沿って分布帰還領域が設けられる。前記第１電極は、前記分布帰還領域の上面に設けられる。前記分布帰還領域には、所定のピッチを有する回折格子が前記第１の直線に沿って配置される。前記分布帰還領域は、前記第１の直線に直交する方向に沿った回折格子の長さが前記分布帰還領域の一方の端部から他方の端部に向かうに従って増大する領域を含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、量子カスケードレーザ装置に関する。
量子カスケードレーザ装置は、電子などのキャリアのサブバンド間遷移により広い波長範囲の赤外線を放出する。
赤外線波長は、カスケード接続された量子井戸層のエネルギー準位により決まる。それぞれの井戸層の厚さが１０ｎｍ以下と薄いと、たとえば、ウェーハ間での井戸層の厚さや組成元素のモル比などの制御性・再現性が十分とは言えない。このため、赤外線波長が、所定の範囲からずれることがある。
特開２０１０−２７８３２６号公報
発光波長の制御性・再現性が高められた量子カスケードレーザ装置を提供する。
実施形態の量子カスケードレーザ装置は、基板と、半導体積層体と、第１電極と、を有する。前記半導体積層体は、サブバンド間光学遷移により赤外線レーザ光を放出可能である。また、前記半導体積層体は、前記基板上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第１クラッド層と、を有する。前記半導体積層体には、リッジ導波路が設けられ、前記第１クラッド層の上面には前記リッジ導波路が延在する第１の直線に沿って分布帰還領域が設けられる。前記第１電極は、前記分布帰還領域の上面に設けられる。前記分布帰還領域には、所定のピッチを有する回折格子が前記第１の直線に沿って配置される。前記分布帰還領域は、前記第１の直線に直交する方向に沿った回折格子の長さが前記分布帰還領域の一方の端部から他方の端部に向かうに従って増大する領域を含む。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置の部分模式平面図、図１（ｂ）は第１の直線に沿った温度分布を説明するグラフ図、である。 図２（ａ）は第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置のＡ−Ａ線に沿った部分拡大模式断面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３における波長に対する利得依存性をシミュレーションにより求めたグラフ図である。 図４（ａ）は比較例にかかる量子カスケードレーザ装置の分布帰還領域の模式平面図、図４（ｂ）は第１の直線に沿った温度分布を説明するグラフ図、である。 井戸層厚さの変化率に対するピーク波長の依存性を表すグラフ図である。 （表１）に表す構造において波長に対する利得依存性を表すグラフ図である。 図７（ａ）は分布帰還領域の第１変形例を表す模式平面図、図７（ｂ）は分布帰還領域の第２変形例を表す模式平面図、である。 図８（ａ）は第２の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置の部分模式平面図、図８（ｂ）は第３の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置の部分模式平面図、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（ａ）は第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置の部分模式平面図、図１（ｂ）は第１の直線に沿った温度分布を説明するグラフ図、である。
図１（ａ）は、第１電極３０が設けられる前のリッジ導波路ＲＧの上面を表す。
また、図２（ａ）は第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置のＡ−Ａ線に沿った部分拡大模式断面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
図２（ａ）、（ｂ）に表すように、第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置は、基板１０と、半導体積層体２０と、第１電極３０と、を有する。
半導体積層体２０は、サブバンド間光学遷移により赤外線レーザ光９０を放出可能でありかつ基板１０上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられた第１クラッド層１４と、を有する。半導体積層体２０には、リッジ導波路ＲＧが設けられる。
第１クラッド層１４の上面にはリッジ導波路ＲＧが延在する第１の直線（Ａ−Ａ線に平行）５０に沿って分布帰還領域４０が設けられる。第１電極３０は、分布帰還領域４０の上面に設けられる。また、リッジ導波路ＲＧの両側面および基板１０の上面を誘電体層６０設けてもよい。基板１０が導電性の場合、基板１０の裏面に第２電極３２を設けることができる。
図１（ａ）および図２（ａ）に表すように、分布帰還領域４０には、所定のピッチＤ１を有する回折格子１４ａが第１の直線５０に沿って配置される。第１の直線５０に直交する方向に沿った回折格子１４ａの長さは、分布帰還領域４０の一方の端部４０ａから第１の直線５０に沿って他方の端部４０ｂに向かうに従って増大する。たとえば、一方の端部４０ａにおける回折格子４０ａの長さをＷ１とし、他方の端部４０ｂの長さをＷ２とする。
すなわち、第１の実施形態では、回折格子１４ａの長さにおいて、Ｗ１＜Ｗ２とする。１．５Ｗ１≦Ｗ２≦３Ｗ１などとすると、横方向のビーム広がり角を所定範囲に保ちつつ温度分布を制御することが容易となる。
図１（ｂ）は、第１の直線５０に沿った位置Ｘに対するチップ表面の温度Ｔの依存性を表す。Ｂ−Ｂ線に沿った方向において回折格子１４ａの長さが長くなると、活性層１２を縦方向に流れる電流が増加する。このため、位置Ｘが他方の端部４０ｂに近づくのに従って、一方の端部４０ａの近傍よりも発生熱量が大きくなる。すなわち、温度分布は、（位置Ｐ１の温度）＜（位置Ｐ２の温度）＜（位置Ｐ３の温度）とできる。
一方の端部４０ａの端面に高反射膜４３を設け、他方の端部４０ｂに低反射膜４４を設けると、赤外線レーザ光９０は、図２（ａ）の右方向に出射する。但し、２つの反射膜の位置を互いに逆にすると、赤外線レーザ光９０は左方向に出射する。
また、たとえば、リッジ導波路ＲＧの両側面方向（Ｂ−Ｂ線に平行）にＩｎＰなどの埋め込み層を設けることにより放熱性を高めると、温度の傾きを逆にすることができる。
図３は、位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３における波長に対する利得依存性をシミュレーションにより求めたグラフ図である。
縦軸は利得（１／ｃｍ）を表し、横軸は波長（μｍ）を表す。なお、このような利得依存性を有する量子カスケードレーザ装置の構成に関しては、のちに説明する。
最も温度が低い位置Ｐ１では、利得がピークとなる波長を約５．８５μｍであるとする。最も温度が高い位置Ｐ３では、利得がピークとなる波長を約６．１５μｍであるとする。温度がこれらの中間となる位置Ｐ２では、利得がピークとなる波長を約６．０μｍであるとする。たとえば、ピーク波長での活性層の利得を約１００ｃｍ−１とする。それぞれの位置において利得が５０ｃｍ−１以上となる帯域は、約０．１６μｍと狭い。
しかし、活性層が位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を中心とする３つ領域からなると考えると、活性層はピーク波長が約５．８５、６．０、６．１５μｍである３つの利得帯域を含むものと考えてもよい。実際にはそれぞれの領域の間には境界はないので、波長に対する利得依存性は破線で表す包絡線状となる。
たとえば、利得が５０ｃｍ−１以上となる帯域は、５．７８μｍから６．２５μｍと広がる。但し、活性層内の温度分布を大きくすると利得のピーク値が低下し帯域が変化することもある。
分布帰還領域により単一モードで発振可能な量子カスケードレーザ装置において、ピーク波長の温度依存性は、たとえば、０．５〜１．０ｎｍ／℃である。もし、温度依存性が１ｎｍ／℃であると、位置Ｐ３の温度を位置Ｐ１の温度よりも約２００℃高くすれば位置Ｐ３のピーク波長を位置Ｐ１のピーク波長よりも約２００ｎｍ長くできる。
すなわち、第１の実施形態によれば、チップ内で回折格子の長さを変化させ第１の直線（光軸の方向）５０に沿って温度差を設けることにより、実効的に利得が広帯域にできる。
図４（ａ）は比較例にかかる量子カスケードレーザ装置の分布帰還領域の模式平面図、図４（ｂ）はその第１の直線に沿った温度分布を説明するグラフ図、である。
比較例において、回折格子１１４ａの長さＷ３は均一とする。発生熱は第１の直線５０に沿ってほぼ均一なので、第１の直線５０に沿った位置Ｘに対する温度は平坦な変化に近づく。このため、利得帯域は第１の実施形態に比較して狭くなる。
図５は、ＩｎＧａＡｓ井戸層厚さの変化率に対するピーク波長の依存性を表すグラフ図である。
◆印で表すシミュレーションによれば、井戸層厚さの変化率がマイナス側からプラス側に変化するに従ってピーク波長が長くなる。ＩｎＧａＡｓ井戸層の基準とする厚さに対してマイナス７％の井戸層厚さを目標値に設定した第１ウェーハのピーク波長平均値は、約３．７μｍ（○印）である。また、ＩｎＧａＡｓ井戸層の基準とする厚さに対してプラス３％の井戸層厚さを目標値に設定した第２ウェーハのピーク波長平均値は、約３．９μｍ（▲印）である。その波長差は、約０．２μｍと大きい。
実際のＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)やＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いた結晶成長プロセスにおいては、ウェーハ間のピーク波長差がこの程度となる。回折格子による単一モード動作を行う場合、活性層の利得帯域幅を０．２μｍよりも広くすることは容易ではない。
もし、設定された単一モード波長が、活性層の利得帯域からはみ出すと、所望のサブバンド間光学遷移が生じない。すなわち、所望のピーク波長を有するレーザ素子の製造歩留まりが低下する。
次に、第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置の量子井戸構造の一例を（表１）に表す。

単位量子井戸層は、注入障壁層と、発光領域と、抽出障壁層と、電子注入領域と、を有する。発光領域は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓからなる４つの井戸層と、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓからなる障壁層と、が交互に積層されている。抽出障壁層ＢＥを挟んで設けられた電子注入領域は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓからなる８つの井戸層と、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓからなる障壁層と、が交互に積層されている。この単位量子井戸層は、たとえば、数十〜数百層カスケード接続される。
図６は、（表１）に表す構造において、波長に対する利得依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図である。
縦軸は利得（１／ｃｍ）、横軸は波長（μｍ）、である。なお、回折格子の長さは同一とする。波長が６．０μｍにおいて利得はピーク値である約１００ｃｍ−１となる。利得が約２分の１でる５０ｃｍ−１となる帯域は約０．１５μｍである。
また、波長が約５．８μｍ以下、および波長が６．１５μｍ以上では利得が０以下となる。すなわち、回折格子の長さを均一とすると、利得帯域は０．１５μｍと狭い。たとえば、発光領域を構成する井戸層の厚さＷ１を変えることにより、利得のピーク波長を変えることができる。
これに対して、第１の実施形態では、温度分布を大きくして、活性層内の利得帯域を広げている。すなわち、図３に例示したように、活性層内の利得帯域を実効的に広げて、所望の波長の単一モードレーザ光を確実に出射させることができる。この結果、結晶成長プロセスで活性層の膜厚や組成の変動を生じても、レーザ素子歩留まりを高く保つことができる。
図７（ａ）は分布帰還領域の第１変形例を表す模式平面図、図７（ｂ）は分布帰還領域の第２変形例を表す模式平面図、である。
図７（ａ）に表すように、分布帰還領域４０は、長さがＷ１である領域４０ｃと、長さがＷ２（＞Ｗ１）である領域４０ｅと、それらに挟まれ長さが単調に増大する領域４０ｄと、を有してもよい。
また、図７（ｂ）に表すように、長さがＷ１からＷ４に単調に増大する領域４０ｆと、長さがＷ４である領域４０ｇと、長さがＷ４からＷ２に単調に増大する領域４０ｈと、を有してもよい。
図８（ａ）は第２の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置の部分模式平面図、図８（ｂ）は第３の実施形態にかかる量子カスケードレーザ装置の部分模式平面図、である。
図８（ａ）に表すように、分布帰還領域４１は、一方の端部４１ａの側の領域４１ｃと他方の端部４１ｂの側の領域４１ｄとを有する。第１電極３０は、領域４１ｃの上の第１領域３０ａと領域４１ｄの上の第２領域３０ｂとを有する。たとえば、第１電極３０の第２領域３０ｂの印加電圧を第１電極３０の第１領域３０ａの印加電圧よりも高くすると、電流密度を高めて領域４１ｄの温度をさらに高めることができる。この結果、活性層の利得帯域をさらに広げることができる。
図８（ｂ）に表すように、分布帰還領域４２は、一方の端部４２ａの側の領域４２ｃと他方の端部４２ｂの側の領域４２ｄとを有する。領域４２ｃに設けられる回折格子１４ｂのピッチＤ４は、領域４２ｄに設けられる回折格子１４ｃのピッチＤ５よりも小さい。第１電極３０は、領域４２ｃの上の第１領域３０ａと領域４２ｄの上の第２領域３０ｂとに分割しても良いし、同一電極としてもよい。回折格子のピッチＤ４とＤ５を異なるようにすると、ピッチＤ４に対応する波長およびピッチＤ５に対応する波長が選択可能となる。このため、活性層の利得帯域をさらに広げることができる。
本発明の実施形態によれば、発光波長の制御性・再現性が高められた量子カスケードレーザ装置が提供される。これらの量子カスケードレーザ装置は、各種のガス分析装置、特定物質の検出装置などに広く用いることができる。
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。
１０ 基板、１２ 活性層、１４ 第１クラッド層、１４ａ 回折格子、２０ 半導体積層体、３０ 第１電極，３０ａ （第１電極の）第１領域、３０ｂ （第１電極の）第２領域、４０、４１、４２ 分布帰還領域、４０ａ 一方の端部、４０ｂ 他方の端部、５０ 第１の直線、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４、Ｄ５ （回折格子の）ピッチ、ＲＧ リッジ導波路、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４ （回折格子の）長さ

Claims (5)

  1. 基板と、
    サブバンド間光学遷移により赤外線レーザ光を放出可能でありかつ前記基板上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第１クラッド層と、を有し、リッジ導波路が設けられた半導体積層体であって、前記第１クラッド層の上面には前記リッジ導波路が延在する第１の直線に沿って分布帰還領域が設けられた、半導体積層体と、
    前記分布帰還領域の上面に設けられた第１電極と、
    を備え、
    前記分布帰還領域には、所定のピッチを有する回折格子が前記第１の直線に沿って配置され、
    前記分布帰還領域は、前記第１の直線に直交する方向に沿った回折格子の長さが前記分布帰還領域の一方の端部から他方の端部に向かうに従って増大する領域を含む、量子カスケードレーザ装置。
  2. 前記増大する領域は、前記第１クラッド層の前記上面の全面に配置された請求項１記載の量子カスケードレーザ装置。
  3. 前記第１電極は前記一方の端部の側の第１領域と前記他方の端部の第２領域とを有し、
    前記第１領域および前記第２領域には独立に電圧を供給可能である、請求項１または２に記載の量子カスケードレーザ装置。
  4. 前記活性層は、多重量子井戸層からなる発光領域と多重量子井戸層からなる電子注入領域とを含む単位積層体が複数積層された、請求項１〜３のいずれか１つに記載の量子カスケードレーザ装置。
  5. 前記発光領域の前記多重量子井戸層および前記電子注入領域の前記多重量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層とＩｎＡｌＡｓからなる障壁層とをそれぞれ含む、請求項４記載の量子カスケードレーザ装置。
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