JP2018088456A - Quantum cascade semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子カスケード半導体レーザに関する。 The present invention relates to a quantum cascade laser.
特許文献1は、フォトニック結晶を含む光集積回路を開示する。特許文献2は、フォトニック結晶を含む面発光レーザを開示する。非特許文献1は、フォトニックバンドギャップを開示する。 Patent Document 1 discloses an optical integrated circuit including a photonic crystal. Patent Document 2 discloses a surface emitting laser including a photonic crystal. Non-Patent Document 1 discloses a photonic band gap.
量子カスケードレーザは、サブバンド間遷移を利用して3〜20マイクロメートル帯の中赤外光を生成できる。このような波長帶の光は、レーザ加工用途の光源や光学式ガス検知器において有用である。低消費電力動作が求められる量子カスケードレーザの用途に、例えばガス検知器用途がある。量子カスケードレーザのしきい値電流を低減することにより、低消費電力動作が可能になる。しきい値電流の低減には、量子カスケードレーザが短い共振器長を持つことにより可能になる。短い共振器長は、それ故の小さな半導体チップの端面に共振器のための端面反射膜を形成すことを必要とする。小型の半導体チップのハンドリングは、煩雑である。 The quantum cascade laser can generate 3 to 20 micrometers mid-infrared light using intersubband transition. Such light having a wavelength of 有用 is useful in a light source for laser processing or an optical gas detector. Examples of applications of quantum cascade lasers that require low power consumption operation include gas detector applications. By reducing the threshold current of the quantum cascade laser, low power consumption operation is possible. The threshold current can be reduced because the quantum cascade laser has a short cavity length. A short resonator length therefore requires the formation of an end-face reflective film for the resonator on the end surface of a small semiconductor chip. Handling a small semiconductor chip is complicated.
発明者の検討によれば、レーザバーに端面反射膜を形成する工程を不要にする素子構造は、このハンドリングを回避することを可能にする。 According to the inventor's study, the element structure that eliminates the step of forming the end face reflection film on the laser bar makes it possible to avoid this handling.
本発明の一側面は、共振器の高反射ミラーのために端面反射膜を用いない構造を有する端面出射型の量子カスケード半導体レーザを提供することを目的とする。 An object of one aspect of the present invention is to provide an end face emission type quantum cascade laser having a structure in which an end face reflection film is not used for a high reflection mirror of a resonator.
本発明の一側面に係る量子カスケード半導体レーザは、第1エリア、第2エリア、第3エリア及び第4エリアを有する主面を含む基板と、前記基板の前記第1エリア及び前記第2エリア上に設けられた第1半導体領域と、前記基板の前記第3エリア上に設けられ第1軸の方向に延在する半導体メサと、を備え、前記第1エリア、前記第2エリア、前記第3エリア及び前記第4エリアは、前記第1軸の方向に順に配列され、前記第1半導体領域は、第1フォトニック結晶構造体を含み、前記第1半導体領域は、前記第1フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、前記第1フォトニック結晶構造体は、前記孔が前記第1軸の方向に間引かれ前記第2エリア上に設けられた第1フォトニック導波路部を有し、前記半導体メサはコア層及びクラッド層を含み、前記半導体メサは、前記第3エリアと前記第4エリアとの境界に位置する端面を有する。 A quantum cascade laser according to an aspect of the present invention includes a substrate including a main surface having a first area, a second area, a third area, and a fourth area, and the first area and the second area of the substrate. And a semiconductor mesa provided on the third area of the substrate and extending in the direction of the first axis, the first area, the second area, the third area The area and the fourth area are sequentially arranged in the direction of the first axis, the first semiconductor region includes a first photonic crystal structure, and the first semiconductor region includes the first photonic crystal structure. The first photonic crystal structure includes a plurality of holes arranged so that the body has a photonic band gap, and the holes are thinned out in the direction of the first axis and provided on the second area. First photonic Has a waveguide section, said semiconductor mesa comprises a core layer and a cladding layer, said semiconductor mesa has an end face positioned on the boundary between the third area and the fourth area.
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。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明の一側面によれば、共振器の高反射ミラーのために端面反射膜を用いない構造を有する端面出射型の量子カスケード半導体レーザが提供される。 As described above, according to one aspect of the present invention, there is provided an edge emission type quantum cascade laser having a structure that does not use an edge reflection film for a high reflection mirror of a resonator.
いくつかの具体例を説明する。 Some specific examples will be described.
具体例に係る量子カスケード半導体レーザは、(a)第1エリア、第2エリア、第3エリア及び第4エリアを有する主面を含む基板と、(b)前記基板の前記第1エリア及び前記第2エリア上に設けられた第1半導体領域と、(c)前記基板の前記第3エリア上に設けられ第1軸の方向に延在する半導体メサと、を備え、前記第1エリア、前記第2エリア、前記第3エリア及び前記第4エリアは、前記第1軸の方向に順に配列され、前記第1半導体領域は、第1フォトニック結晶構造体を含み、前記第1半導体領域は、前記第1フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、前記第1フォトニック結晶構造体は、前記孔が前記第1方向に間引かれ前記第2エリア上に設けられた第1フォトニック導波路部を有し、前記半導体メサはコア層及びクラッド層を含み、前記半導体メサは、前記第3エリアと前記第4エリアとの境界に位置する端面を有する。 A quantum cascade laser according to a specific example includes: (a) a substrate including a main surface having a first area, a second area, a third area, and a fourth area; and (b) the first area and the first area of the substrate. A first semiconductor region provided on two areas; and (c) a semiconductor mesa provided on the third area of the substrate and extending in a direction of a first axis, the first area, the first The second area, the third area, and the fourth area are sequentially arranged in the direction of the first axis, the first semiconductor region includes a first photonic crystal structure, and the first semiconductor region includes the first semiconductor region, The first photonic crystal structure includes a plurality of holes arranged to have a photonic band gap, and the first photonic crystal structure has the second area in which the holes are thinned out in the first direction. First photo provided above Tsu has a click waveguide portion, said semiconductor mesa comprises a core layer and a cladding layer, said semiconductor mesa has an end face positioned on the boundary between the third area and the fourth area.
量子カスケード半導体レーザによれば、第1半導体領域は、第1フォトニック結晶構造体を可能にする複数の孔の配列を含む。第1フォトニック結晶構造体がカラムの配列を含まないので、第1半導体領域は、量子カスケード半導体レーザの機械的な強度を高めることができる。半導体メサのコア層は、量子カスケード半導体レーザに係る光を生成する。第1フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドギャップは、量子カスケード半導体レーザのレーザ光の波長に合わされる。第1フォトニック導波路部及び半導体メサは第1軸の方向に整列されており、第1フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドギャップは、半導体メサに係る半導体導波路部から第1フォトニック導波路部に入射して第1フォトニック導波路部を伝搬する光を反射できる。反射された光は、第1フォトニック導波路部を伝播して半導体導波路部に入射する。第1フォトニック結晶構造体は、量子カスケード半導体レーザの光共振器ミラーとして機能する。第1フォトニック導波路部が、半導体メサに繋がれる導波路として機能する。第1フォトニック導波路部は、量子カスケード半導体レーザにおけるレーザ導波路の一端を、第1フォトニック結晶構造体の縁及び半導体メサの縁から離れた位置に設けることを可能にする。第1フォトニック結晶構造体の利用により、当該光共振器ミラーのために端面反射膜を堆積することを必要とせず、当該量子カスケード半導体レーザは、この端面反射膜の堆積に起因する共振器長の制約から開放される。 According to the quantum cascade laser, the first semiconductor region includes an array of holes that enables the first photonic crystal structure. Since the first photonic crystal structure does not include the column arrangement, the first semiconductor region can increase the mechanical strength of the quantum cascade laser. The core layer of the semiconductor mesa generates light related to the quantum cascade laser. The photonic band gap of the first photonic crystal structure is matched to the wavelength of the laser light of the quantum cascade laser. The first photonic waveguide portion and the semiconductor mesa are aligned in the direction of the first axis, and the photonic band gap of the first photonic crystal structure is the first photonic waveguide from the semiconductor waveguide portion related to the semiconductor mesa. Light that enters the waveguide portion and propagates through the first photonic waveguide portion can be reflected. The reflected light propagates through the first photonic waveguide portion and enters the semiconductor waveguide portion. The first photonic crystal structure functions as an optical resonator mirror of the quantum cascade laser. The first photonic waveguide portion functions as a waveguide connected to the semiconductor mesa. The first photonic waveguide section makes it possible to provide one end of the laser waveguide in the quantum cascade laser at a position away from the edge of the first photonic crystal structure and the edge of the semiconductor mesa. By using the first photonic crystal structure, it is not necessary to deposit an end face reflecting film for the optical resonator mirror, and the quantum cascade laser has a cavity length resulting from the deposition of the end face reflecting film. It is released from the restrictions.
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第1フォトニック結晶構造体は、前記孔に設けられた誘電体を備える。 In the quantum cascade laser according to the specific example, the first photonic crystal structure includes a dielectric provided in the hole.
量子カスケード半導体レーザによれば、第1フォトニック結晶構造体の孔内の誘電体は、量子カスケード半導体レーザの機械的な強度を高めることができる。 According to the quantum cascade laser, the dielectric in the hole of the first photonic crystal structure can increase the mechanical strength of the quantum cascade laser.
具体例に係る量子カスケード半導体レーザは、前記第4エリア上に設けられた第2半導体領域を更に備え、前記第2半導体領域は、第2フォトニック結晶構造体を含み、前記第2半導体領域は、前記第2フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、前記第2半導体領域は、前記端面からの光のスポットサイズを変更可能なように前記孔が間引かれ前記第1軸の方向に延在する第2フォトニック導波路部を有し、前記第2フォトニック導波路部は、前記半導体メサの前記端面に光学的に結合されている。 The quantum cascade laser according to a specific example further includes a second semiconductor region provided on the fourth area, wherein the second semiconductor region includes a second photonic crystal structure, and the second semiconductor region includes The second photonic crystal structure includes a plurality of holes arranged to have a photonic band gap, and the second semiconductor region has the holes so that a spot size of light from the end surface can be changed. Is thinned out and extends in the direction of the first axis, and the second photonic waveguide portion is optically coupled to the end face of the semiconductor mesa.
量子カスケード半導体レーザによれば、第2半導体領域は、第2フォトニック結晶構造体を可能にする複数の孔の配列を含む。第2フォトニック結晶構造体がカラムの配列を含まないので、第2半導体領域は、量子カスケード半導体レーザの機械的な強度を高めることができる。第2フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドギャップは、量子カスケード半導体レーザの発振波長に合わされる。第2フォトニック結晶構造体は半導体メサの端面に光学的に結合され、第1フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドギャップは、第2フォトニック導波路部に光を閉じ込めることができる。半導体メサの端面からの光は、第2半導体領域における孔を設けていない第2フォトニック導波路部に従って第2フォトニック導波路部を伝搬する。 According to the quantum cascade laser, the second semiconductor region includes an array of holes that enables the second photonic crystal structure. Since the second photonic crystal structure does not include a column arrangement, the second semiconductor region can increase the mechanical strength of the quantum cascade laser. The photonic band gap of the second photonic crystal structure is matched with the oscillation wavelength of the quantum cascade laser. The second photonic crystal structure is optically coupled to the end face of the semiconductor mesa, and the photonic band gap of the first photonic crystal structure can confine light in the second photonic waveguide portion. The light from the end face of the semiconductor mesa propagates through the second photonic waveguide portion according to the second photonic waveguide portion that is not provided with a hole in the second semiconductor region.
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第2半導体領域は、前記第1軸の方向に前記孔が間引かれ前記第1軸の方向に延在する第3フォトニック導波路部を有し、前記第3フォトニック導波路部は、前記半導体メサの前記端面に光学的に結合され、前記第3フォトニック導波路部は前記半導体メサと前記第2フォトニック導波路部との間に設けられる。 In the quantum cascade laser according to the specific example, the second semiconductor region has a third photonic waveguide portion in which the hole is thinned out in the direction of the first axis and extends in the direction of the first axis. The third photonic waveguide portion is optically coupled to the end face of the semiconductor mesa, and the third photonic waveguide portion is provided between the semiconductor mesa and the second photonic waveguide portion. It is done.
量子カスケード半導体レーザによれば、半導体メサ、第2フォトニック導波路部、及び第3フォトニック導波路部は、第1軸の方向に整列されている。第2フォトニック導波路部及び第3フォトニック導波路部は、光共振器の外側に設けられた外部導波路として機能する。第2フォトニック導波路部及び第3フォトニック導波路部は、量子カスケード半導体レーザにおけるレーザ導波路の他端からの光が量子カスケード半導体レーザから外部に出力されることを可能にする。 According to the quantum cascade laser, the semiconductor mesa, the second photonic waveguide portion, and the third photonic waveguide portion are aligned in the direction of the first axis. The second photonic waveguide portion and the third photonic waveguide portion function as an external waveguide provided outside the optical resonator. The second photonic waveguide portion and the third photonic waveguide portion allow light from the other end of the laser waveguide in the quantum cascade laser to be output to the outside from the quantum cascade laser.
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、量子カスケード半導体レーザ、量子カスケード半導体レーザを作製する方法に係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments relating to a quantum cascade laser and a method of manufacturing a quantum cascade laser will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面面である。図2の(a)部は、図1に示されたIIa−IIa線に沿って取られた断面を示す。図2の(b)部は、図1に示されたIIb−IIb線に沿って取られた断面を示す。図2の(c)部は、図1に示されたIIc−IIc線に沿って取られた断面を示す。図2の(d)部は、図1に示されたIId−IId線に沿って取られた断面を示す。 FIG. 1 is a plan view schematically showing the quantum cascade laser according to this embodiment. Part (a) of FIG. 2 shows a cross section taken along the line IIa-IIa shown in FIG. Part (b) of FIG. 2 shows a cross section taken along the line IIb-IIb shown in FIG. (C) part of FIG. 2 shows the cross section taken along the IIc-IIc line | wire shown by FIG. (D) part of FIG. 2 shows the cross section taken along the IId-IId line | wire shown by FIG.
量子カスケード半導体レーザ11は、基板13と、第1半導体領域15と、半導体メサ17とを備える。基板13は主面13aを含む。主面13aは、第1エリア13b、第2エリア13c、第3エリア13d及び第4エリア13eを有し、第1エリア13b、第2エリア13c、第3エリア13d及び第4エリア13eは、第1軸Ax1の方向に順に配列される。
The
半導体メサ17は、基板13の第3エリア13d上に設けられ、また第1軸Ax1の方向に延在する。半導体メサ17は、第3エリア13dと第4エリア13eとの境界25に位置する端面17eを有する。
The
図1並びに図2の(a)部及び(c)部に示されるように、第1半導体領域15は、基板13の第1エリア13b及び第2エリア13c上に設けられる。第1半導体領域15は、第1フォトニック結晶構造体21を含む。また、第1半導体領域15は、第1フォトニック結晶構造体21がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔23を含む。
As shown in FIGS. 1 and 2 (a) and (c), the
図2の(b)部に示されるように、半導体メサ17は、コア層17a(例えばInGaAs/AlInAs超格子、2.282マイクロメートル厚)及びクラッド層17b(例えばn型InP、3マイクロメートル厚)を含み、必要な場合には、回折格子層17c(例えばn型InGaAs層、500nm厚)及びコンタクト層17d(例えばn型InGaAs層、100nm厚)を含むことができる。コア層17a、クラッド層17b、回折格子層17c及びコンタクト層17dは、端面17eから第1軸Ax1の方向に延在しており、また、基板13の主面13aの法線方向に順に配列されている。回折格子層17cの上面は、波長選択のための周期構造(突起及び窪みの配列)を有する。半導体メサ17のコア層17aは、量子カスケード半導体レーザ11に係るレーザ光を生成し、レーザ光の波長は、例えば4〜10マイクロメートルの範囲にある。必要な場合には、半導体メサ17は、コア層17aと基板13との間に設けられたクラッド領域17fを備えることができ、本実施例では、クラッド領域17fは、基板13のリッジ構造13rにより提供される。半導体メサ17のメサ幅WMは、例えば3〜5マイクロメートルの範囲にあることができる。短い共振器の実現ために、半導体メサ17の長さLは、300〜500マイクロメートルの範囲にあることができる。
As shown in FIG. 2B, the
本実施例では、半導体メサ17は、第3エリア13dにおいて埋込半導体領域27により埋め込まれている。量子カスケード半導体レーザ11は、第3エリア13dに設けられた絶縁膜29、第1電極31a及び第2電極31bを含むことができ、絶縁膜29は、埋込半導体領域27上の上面を覆うと共に、半導体メサ17の上面に位置する開口29aを有する。第1電極31aは、埋込半導体領域27及び半導体メサ17上に設けられ、開口29aを介して半導体メサ17の上面に接触を成す。第2電極31bは、導電性の基板13の裏面13fに接触を成す。
In the present embodiment, the
埋込半導体領域27は、第1エリア13b及び第2エリア13cにも設けられている。第1半導体領域15は、周期的な孔23の配列を有する埋込半導体領域27を含む。埋込半導体領域27は、例えば半絶縁性InPを備えることができ、孔23の径は例えば1.81マイクロメートルであることができ、フォトニック結晶における孔23の配列の周期は、例えば3.15マイクロメートルであることができる。
The embedded
具体的には、第1半導体領域15は、図1に示されるように、基板13の第1エリア13bにおいて、孔23が二方向又は三方向に周期的に配列されて、フォトニック結晶を形成しており、フォトニック結晶における格子構造は、例えば、正方格子、三角格子、及び六方格子であることができる。本実施例では、孔23は三方向に周期的に配列されて三角格子を形成する。
Specifically, as shown in FIG. 1, in the
第1フォトニック結晶構造体21は、図1及び図2の(c)部に示されるように、第2エリア13c上に設けられた第1フォトニック導波路部21aを有し、第1フォトニック導波路部21aは、第1軸Ax1の方向に孔23(24)が間引かれて、第1軸Ax1の方向に連続する半導体導波路部16aを有する。この半導体導波路部16aの両側には、基板13の第2エリア13cにおいて、孔23が二方向又は三方向に周期的に配列されて、フォトニック結晶を形成している。第1エリア13b及び第2エリア13cにおいて、第1フォトニック結晶構造体21は、フォトニックバンドギャップを有するように設けられた孔23の第1配列A1RYを有している。第1配列A1RYにおける孔23(24)の配列は、フォトニックバンドギャップを有する第1フォトニック結晶構造体21内に光の伝搬を可能にするための例示的な構造である。必要な場合には、半導体導波路部16aは、半導体メサ17と同じ半導体積層を含むことができる。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2C, the first
量子カスケード半導体レーザ11によれば、第1半導体領域15は、第1フォトニック結晶構造体21を可能にする複数の孔23の第1配列A1RYを含む。第1フォトニック結晶構造体21がカラムの配列を含まず孔23(例えば、空孔)の配列を含むので、第1半導体領域は、量子カスケード半導体レーザ11の機械的な強度を高めることができる。半導体メサ17のコア層17aは、量子カスケード半導体レーザ11に係る光を生成する。第1フォトニック結晶構造体21のフォトニックバンドギャップは、量子カスケード半導体レーザ11のレーザ光の波長に合わされる。第1フォトニック導波路部21a及び半導体メサ17は第1軸Ax1の方向に整列されており、第1フォトニック結晶構造体21のフォトニックバンドギャップは、半導体メサ17に係る半導体導波路部16bから第1フォトニック導波路部21a(半導体導波路部16a)に入射して、半導体導波路部16bを伝搬する光を反射できる。反射された光は、第1フォトニック導波路部21a(半導体導波路部16a)から半導体導波路部16aに戻る。第1フォトニック結晶構造体21は、量子カスケード半導体レーザ11の光共振器ミラーとして機能する。また、半導体メサ17の端面17eは、量子カスケード半導体レーザ11の光共振器ミラーとして機能する。第1フォトニック導波路部21aが、半導体メサ17に繋がれる導波路として機能する。第1フォトニック導波路部21aは、量子カスケード半導体レーザ11におけるレーザ導波路16の一端16Eを、第1フォトニック結晶構造体21の縁E21及び半導体メサ17の縁E17から離れた位置に設けることを可能にする。第1フォトニック結晶構造体21の利用により、当該光共振器ミラーのために端面反射膜を堆積することを必要とせず、量子カスケード半導体レーザ11は、この端面反射膜の堆積による共振器長の制約から開放される。
According to the
本実施例では、図2の(a)、(c)部及び(d)部に示されるように、孔23は、基板13内に位置する底23aを有する。量子カスケード半導体レーザ11によれば、第1フォトニック結晶構造体21は、基板13に到達する深さの孔23を有する。深い孔23の配列は、半導体メサ17を伝搬する長波長の光を反射するために有効である。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 2A, 2 </ b> C, and 2 </ b> D, the
図1及び図2の(d)部に示されるように、量子カスケード半導体レーザ11は、第4エリア13e上に設けられた第2半導体領域33を更に備える。第2半導体領域33は、第2フォトニック結晶構造体35を含み、第2半導体領域は、第2フォトニック結晶構造体35がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔23を含む。埋込半導体領域27は、第4エリア13eにも設けられている。第2半導体領域33は、周期的な孔23の配列を有する埋込半導体領域27を含む。埋込半導体領域27は、例えば半絶縁性InPを備えることができ、孔23の径は例えば1.81マイクロメートルであることができ、フォトニック結晶における孔23の配列の周期は、例えば3.15マイクロメートルであることができる。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2D, the
第2半導体領域33は、端面17eからの光のスポットサイズを変更可能なように孔23(24)が間引かれて、第4エリア13eにおいて第1軸Ax1の方向に延在する第2フォトニック導波路部35aを有する。第2フォトニック導波路部35aは、半導体メサ17の端面17eに光学的に結合されている。本実施例では、第2フォトニック導波路部35aは、第1エリア13bから第4エリアeへの方向に、孔23(24)の間引き数が増えるように間引かれて成る形状、例えば扇形を有している。
The
量子カスケード半導体レーザ22によれば、第2半導体領域33は、第2フォトニック結晶構造体35を可能にする複数の孔23の配列を含む。第2フォトニック結晶構造体35がカラムの配列を含まないので、第2半導体領域33は、量子カスケード半導体レーザ11の機械的な強度を高めることができる。第2フォトニック結晶構造体35のフォトニックバンドギャップは、量子カスケード半導体レーザ11のレーザ光の波長に合わされる。第2フォトニック結晶構造体35は半導体メサ17の端面17eに光学的に結合され、第2フォトニック結晶構造体35のフォトニックバンドギャップは、第2フォトニック導波路部35aに光を閉じ込めることができる。半導体メサ17の端面17eからの光は、第2半導体領域33における孔23を設けていない第2フォトニック導波路部33bに従って第2フォトニック導波路部33bを伝搬して、量子カスケード半導体レーザ11の外部に出射される。
According to the quantum cascade laser 22, the
第2半導体領域33は、第1軸Ax1の方向に孔23(24)が間引かれて第1軸Ax1の方向に延在する第3フォトニック導波路部35bを有する。第3フォトニック導波路部35bは、半導体メサ17の端面17eに光学的に結合される。第3フォトニック導波路部35bは、半導体メサ17の端面17eを第2フォトニック結晶構造体35の縁E35及び半導体メサ17の縁E17から離れた位置に設けることを可能にする。また、第3フォトニック導波路部35bは半導体メサ17と第2フォトニック導波路部35aとの間に設けられることができる。
The
量子カスケード半導体レーザ11によれば、半導体メサ17、第3フォトニック導波路部35b及び第2フォトニック導波路部35aが、第1軸Ax1の方向に整列されている。第2フォトニック導波路部35a及び第3フォトニック導波路部35bは、光共振器の外側において基板13上に設けられた導波路(半導体導波路部16c、16d)として機能する。第2フォトニック導波路部35a及び第3フォトニック導波路部35bは、量子カスケード半導体レーザ11におけるレーザ導波路の他端からの光が量子カスケード半導体レーザ11から外部に出力されることを可能にする。
According to the
第2フォトニック結晶構造体35は、図1及び図2の(d)部に示されるように、第4エリア13e上に設けられた第2フォトニック導波路部35a及び第3フォトニック導波路部35bを有し、第2フォトニック導波路部35a及び第3フォトニック導波路部35bは、第1軸Ax1の方向に孔23が間引かれて、第1軸Ax1の方向に連続する半導体導波路部16c、16dを有する。この半導体導波路部16c、16dの両側には、基板13の第4エリア13eにおいて、孔23が二方向又は三方向に周期的に配列されてフォトニック結晶を形成している。第4エリア13eにおいて、第2フォトニック結晶構造体35は、フォトニックバンドギャップを有するように設けられた孔23の第2配列A2RYを有している。第2配列A2RYにおける孔23(24)の間引きは、フォトニックバンドギャップを有する第2フォトニック結晶構造体35内に光の伝搬及びスポットサイズの変換を可能にするための例示的な構造である。
The second
図3の(a)部、(b)部、(c)部及び(d)部は、それぞれ、図2の(a)部、(b)部、(c)部及び(d)部に対応する断面である。図3の(a)部〜(d)部に示されるように、第1フォトニック結晶構造体21及び/又は第2フォトニック結晶構造体35は、孔23に設けられた誘電体37を備えることができる。第1フォトニック結晶構造体21及び/又は第2フォトニック結晶構造体35の孔23内の誘電体37は、量子カスケード半導体レーザ11の機械的な強度を高めることができる。誘電体37は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物又はシリコン酸窒化物といったシリコン系無機絶縁体を含むことができる。
The (a) part, (b) part, (c) part, and (d) part of FIG. 3 correspond to the (a) part, (b) part, (c) part, and (d) part of FIG. 2, respectively. It is a section to do. As shown in (a) to (d) of FIG. 3, the first
図4〜図6を参照しながら、本実施形態に係る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。引き続く説明は、可能な場合には、理解を容易にするために、上記の説明において用いられた参照符号を用いて為される。また、図4〜図6の各々には、個々の工程における生産物の向きを表すために、直交座標系Sが描かれている。図4の(a)部に示されるように、InP基板といった半導体ウエハ(以下、「ウエハW」と記す)を準備する。このウエハW上に、コア層17aのための半導体超格子(InGaAs/AlInAs)を成長すると共に、この半導体超格子上に回折格子層17cのための半導体層を成長する。これらの成長により、下部積層体41aが形成される。成長は、例えば有機金属気相成長法又は分子線エピタキシ法により行われる。
A method of manufacturing the quantum cascade laser according to this embodiment will be described with reference to FIGS. Subsequent description will be made, where possible, using the reference numerals used in the above description for ease of understanding. Also, in each of FIGS. 4 to 6, an orthogonal coordinate system S is drawn in order to represent the direction of the product in each process. As shown in part (a) of FIG. 4, a semiconductor wafer such as an InP substrate (hereinafter referred to as “wafer W”) is prepared. A semiconductor superlattice (InGaAs / AlInAs) for the
図4の(b)部に示されるように、回折格子のための第1マスク43を下部積層体41a上に形成する。第1マスク43は、例えば100nm厚のSiN膜を含むことができる。第1マスク43は、y軸(第1軸Ax1)の方向に周期的に配列された架橋43a及び開口43bを含むパターンを有する。
As shown in FIG. 4B, a
この第1マスク43を用いて、臭化水素酸(エッチャント)を用い下部積層体41をエッチングして、凹部及び凸部を含む回折格子層17cを形成する。回折格子層17cにおいて、凹部の深さDは、例えば100〜200nmであり、凸部の高さHは、例えば100〜200nmであることができる。加工された下部積層体41bがエッチングにより形成される。エッチングの完了後に、第1マスク43を除去する。
Using this
エッチングの後に、図4の(c)部に示されるように、ウエハW上に、加工された下部積層体41b上にクラッド層17b(n型InP、3マイクロメートル厚)を成長すると共に、クラッド層17b上にコンタクト層17d(n型InGaAs、100nm厚)を成長する。これらの成長により、上部積層体41cが形成される。成長は、例えば有機金属気相成長法又は分子線エピタキシ法により行われる。
After the etching, as shown in FIG. 4C, a
この再成長の後に、図4の(d)部に示されるように、メサを規定する第2マスク47を上部積層体41c上に形成する。第2マスク47は、例えば500〜1000nm厚のSiN膜を含むことができる。第2マスク47は、y軸(第1軸Ax1)の方向に延在するストライプ形状のパターンを有する。
After this regrowth, as shown in FIG. 4D, a
この第2マスク47を用いて、ハロゲン系ガスを使用したドライエッチングを用い上部積層体41c及び下部積層体41bをエッチングして、半導体メサ17を形成する。半導体メサ17のメサ幅WMは、例えば3〜10マイクロメートルであ、メサ高HMは、例えば7マイクロメートルであることができる。本実施例では、半導体メサ17を形成するために、上部積層体41c及び下部積層体41bに加えて、ウエハWをエッチングする。半導体メサ17のストライプは、第1エリア13b、第2エリア13c及び第3エリア13dに形成され、第4エリア13eには形成されない。エッチングの完了後においても、第2マスク47を除去せずに残す。
Using the
第2マスク47を残したまま、図5の(a)部に示されるように、選択成長を行って埋込半導体領域27により半導体メサ17を埋め込む。埋込半導体領域27は、例えばFeドープInPを含む。埋込成長が終了した後に、第2マスク47を除去する。
With the
埋込成長の後に、図5の(b)部に示されるように、半導体メサ17及び埋込半導体領域27上に第3マスク49を形成する。第3マスク49は、第1フォトニック結晶構造体21のためのパターンを有する。第3マスク49は、例えば500nm厚のSiN膜を含むことができる。第3マスク49は、第1エリア13b及び第2エリア13c上に、フォトニック結晶のための開口の配列を含むパターンを有する。
After the buried growth, a
第3マスク49を用いて第1エリア13b及び第2エリア13c上の埋込半導体領域27、存在する場合には半導体メサ17をハロゲン系ガスを使用したドライエッチングによりエッチングして、第1フォトニック結晶構造体21を形成する。第1フォトニック結晶構造体21の孔23のための径は、例えば8〜10マイクロメートルであり、孔23の深さDP1は、例えば8マイクロメートルであることができる。具体的には、利得を有する導波路の長さGWは、例えば500マイクロメートルであることができ、長さGMは、300〜500マイクロメートルの範囲にある。
Using the
本実施例では、第1フォトニック結晶構造体21を形成するために.半導体メサ17及び埋込半導体領域27に加えて、ウエハWをエッチングして、半導体メサ17のエッチングより深い孔23を形成する。望ましくは、深さDPはメサ高HMより大きく、これにより基板からの光の導波を遮断するためである。エッチングの完了後において、第3マスク49を除去する。
In this embodiment, in order to form the first
第1フォトニック結晶構造体21を形成した後に、図5の(c)部に示されるように、半導体メサ17及び埋込半導体領域27上に第4マスク51を形成する。第4マスク51は、第2フォトニック結晶構造体35のためのパターンを有する。第4マスク51は、例えば500nm厚のSiN膜を含むことができる。第4マスク51は、第4エリア13e上に、フォトニック結晶のための開口の配列を含むパターンを有する。
After the first
第4マスク51を用いて第4エリア13e上の埋込半導体領域27をハロゲン系ガスを使用したドライエッチングによりエッチングして、第2フォトニック結晶構造体35を形成する。第2フォトニック結晶構造体35の孔23のための径は、例えば1〜3マイクロメートルであり、孔23の深さDP2は、例えば8〜10マイクロメートルであることができる。
Using the
本実施例では、第2フォトニック結晶構造体35を形成するために.埋込半導体領域27をエッチングして、孔23を形成する。第2フォトニック結晶構造体35の孔23の深さDP1は、第2フォトニック結晶構造体35の孔23の深さDP2以上であることが好ましく、これにより基板からの光の導波を遮断できる。エッチングの完了後において、第4マスク51を除去する。なお、第1フォトニック結晶構造体21の形成に先立って、第2フォトニック結晶構造体35の形成を行うことができる。また、可能である場合には、第1フォトニック結晶構造体21及び第2フォトニック結晶構造体35の形成を一緒に行うようにしてもよい。
In this embodiment, in order to form the second
図6の(a)部に示されるように、パッシベーション膜53を成長する。パッシベーション膜53は、例えば300nm厚のSiN又はSiONを含むことができる。第1フォトニック結晶構造体21及び第2フォトニック結晶構造体35上にパッシベーション膜53が形成されないようするために、バッファードフッ酸によるパッシベーション膜の除去を用いることができる。
As shown in part (a) of FIG. 6, a
図6の(b)部に示されるように、パッシベーション膜53に開口53aを形成する。この形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いることができる。開口53aを形成した後に、第3エリア13d上のパッシベーション膜53上に第1電極55を形成する。第1電極55は、Ti/Pt/Au構造を有することができる。
As shown in part (b) of FIG. 6, an opening 53 a is formed in the
図6の(c)部に示されるように、ウエハWの裏面を研磨して、100マイクロメートル厚の基板を形成すると共に、この基板の裏面に第2電極57を形成する。第2電極57は、AuGeNi/Au構造を有することができる。
As shown in FIG. 6C, the back surface of the wafer W is polished to form a substrate having a thickness of 100 micrometers, and the
これらの工程によりウエハ生産物が形成された。このウエハ生産物をへき開により分離して、埋め込みヘテロ型量子カスケードレーザを形成することができる。量子カスケードレーザはTM偏波であるので、フォトニック結晶構造(21、35)においてフォトニックバンドギャップが広くとれる。本実施形態に係る三角格子における半導体充填率(定義:(SH)/((DIS)2×SQRT(3)/4))は0.1であり、ここで、孔の面積は“SH”として表され、孔の間隔は“DIS”として表される。“SQRT(A)”はAの平方根を表す。波長7マイクロメートル帯の量子カスケードレーザのフォトニック結晶構造の実施例では、TM偏波がフォトニックバンドギャップ内に入るように、規格化周波数を0.9である。発振波長及び規格化周波数から求めた三角格子の周期は、3.15マイクロメートルである。三角格子の周期及び半導体充填率から、フォトニクス結晶構造の孔の直径は1.81マイクロメートルである。この径は、縮小投影露光装置を用いて解像可能である。さらに、微細な孔を求める4マイクロメートル帯以下の波長領域における量子カスケードレーザの作製では、ナノインプリント法を用いて2次元フォトニック結晶のパターン形成を行うことが可能である。単一波長の波長選択を確実にするために、半導体メサには、分布帰還型の回折格子を設けることが良い。量子カスケードレーザ部分の横方向の光閉じ込めは、電流狭窄のための高抵抗半導体層により行われる。実施例に係る分布帰還型埋め込みヘテロ構造量子カスケードレーザは、共振器長500マイクロメートル以下の共振器長を有することができる。 A wafer product was formed by these steps. The wafer product can be separated by cleavage to form a buried hetero quantum cascade laser. Since the quantum cascade laser has TM polarization, a wide photonic band gap can be obtained in the photonic crystal structure (21, 35). The semiconductor filling factor (definition: (SH) / ((DIS) 2 × SQRT (3) / 4)) in the triangular lattice according to the present embodiment is 0.1, where the area of the hole is “SH”. And the hole spacing is represented as “DIS”. “SQRT (A)” represents the square root of A. In the example of the photonic crystal structure of the quantum cascade laser with a wavelength of 7 micrometers, the normalized frequency is 0.9 so that the TM polarized wave falls within the photonic band gap. The period of the triangular lattice determined from the oscillation wavelength and the normalized frequency is 3.15 micrometers. From the period of the triangular lattice and the semiconductor filling factor, the hole diameter of the photonic crystal structure is 1.81 micrometers. This diameter can be resolved using a reduction projection exposure apparatus. Furthermore, in the production of a quantum cascade laser in a wavelength region of 4 micrometers or less where a fine hole is required, a two-dimensional photonic crystal pattern can be formed using a nanoimprint method. In order to ensure selection of a single wavelength, the semiconductor mesa is preferably provided with a distributed feedback diffraction grating. Optical confinement in the lateral direction of the quantum cascade laser portion is performed by a high resistance semiconductor layer for current confinement. The distributed feedback embedded heterostructure quantum cascade laser according to the embodiment may have a resonator length of 500 micrometers or less.
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。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
以上説明したように、本実施形態によれば、共振器の高反射ミラーのために端面反射膜を用いない構造を有する端面出射型の量子カスケード半導体レーザが提供される。 As described above, according to the present embodiment, there is provided an end face emission type quantum cascade laser having a structure that does not use an end face reflection film for the high reflection mirror of the resonator.
11…量子カスケード半導体レーザ、13…基板、13a…主面、13b…第1エリア、13c…第2エリア、13d…第3エリア、13e…第4エリア、15…第1半導体領域、17…半導体メサ、17a…コア層、17b…クラッド層、17c…回折格子層、17d…コンタクト層、17e…端面、Ax1…第1軸、21…第1フォトニック結晶構造体、23…孔、25…境界、27…埋込半導体領域、33…第2半導体領域、35…第2フォトニック結晶構造体。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
第1エリア、第2エリア、第3エリア及び第4エリアを有する主面を含む基板と、
前記基板の前記第1エリア及び前記第2エリア上に設けられた第1半導体領域と、
前記基板の前記第3エリア上に設けられ第1軸の方向に延在する半導体メサと、
を備え、
前記第1エリア、前記第2エリア、前記第3エリア及び前記第4エリアは、前記第1軸の方向に順に配列され、
前記第1半導体領域は、第1フォトニック結晶構造体を含み、
前記第1半導体領域は、前記第1フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、
前記第1フォトニック結晶構造体は、前記孔が前記第1軸の方向に間引かれ前記第2エリア上に設けられた第1フォトニック導波路部を有し、
前記半導体メサはコア層及びクラッド層を含み、
前記半導体メサは、前記第3エリアと前記第4エリアとの境界に位置する端面を有する、量子カスケード半導体レーザ。 A quantum cascade laser,
A substrate including a main surface having a first area, a second area, a third area, and a fourth area;
A first semiconductor region provided on the first area and the second area of the substrate;
A semiconductor mesa provided on the third area of the substrate and extending in the direction of the first axis;
With
The first area, the second area, the third area, and the fourth area are sequentially arranged in the direction of the first axis,
The first semiconductor region includes a first photonic crystal structure,
The first semiconductor region includes a plurality of holes arranged so that the first photonic crystal structure has a photonic band gap;
The first photonic crystal structure has a first photonic waveguide portion in which the hole is thinned out in the direction of the first axis and provided on the second area,
The semiconductor mesa includes a core layer and a cladding layer,
The semiconductor semiconductor mesa is a quantum cascade laser having an end face located at a boundary between the third area and the fourth area.
前記第2半導体領域は、第2フォトニック結晶構造体を含み、
前記第2半導体領域は、前記第2フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、
前記第2半導体領域は、前記端面からの光のスポットサイズを変更可能なように前記孔が間引かれ前記第1軸の方向に延在する第2フォトニック導波路部を有し、前記第2フォトニック導波路部は、前記半導体メサの前記端面に光学的に結合されている、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。 A second semiconductor region provided on the fourth area;
The second semiconductor region includes a second photonic crystal structure;
The second semiconductor region includes a plurality of holes arranged so that the second photonic crystal structure has a photonic band gap,
The second semiconductor region includes a second photonic waveguide portion in which the hole is thinned and extends in the direction of the first axis so that the spot size of light from the end face can be changed. 3. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein the two-photonic waveguide portion is optically coupled to the end face of the semiconductor mesa.
前記第3フォトニック導波路部は前記半導体メサと前記第2フォトニック導波路部との間に設けられる、請求項3に記載された量子カスケード半導体レーザ。 The second semiconductor region has a third photonic waveguide portion extending in the first axis direction with the hole being thinned out in the first axis direction, and the third photonic waveguide portion is , Optically coupled to the end face of the semiconductor mesa,
4. The quantum cascade laser according to claim 3, wherein the third photonic waveguide portion is provided between the semiconductor mesa and the second photonic waveguide portion.
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