JP2019186278A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】所望の角度範囲の放射角でレーザビームを出射すると共に大きな電力投入に耐え得る構造を有する量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】量子カスケードレーザは、第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面、並びに第１メサ部及び第２メサ部を含む半導体メサを含むレーザ構造体と、レーザ構造体の半導体メサ上に設けられた第１電極を備え、第１メサ部は第１端面から延在し、第２メサ部は端部を有し、半導体メサは、第１メサ部と第２メサ部との境界において第１メサ幅を有し、第２メサ部は、端部において第２メサ幅を有し、第２メサ部は境界から第２端面への方向に第１メサ幅から変化するメサ幅を有し、第２メサ幅は第１メサ幅より小さく、半導体メサは、第１端面から境界を越えて延在する導電性半導体領域及びコア層を含み、第２メサ部は、導電性半導体領域より高い比抵抗を有する高比抵抗半導体領域を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、量子カスケードレーザに関する。
非特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。
APL, vol.83, pp.1929-1931, 2003
発明者の知見によれば、量子カスケードレーザは、中赤外（３〜２０μｍ）での発振が可能な半導体レーザであるが、大きな放射角でレーザビームを出射する。求められていることは、量子カスケードレーザからのレーザビームの放射角が所望の角度範囲に収まることである。
量子カスケードレーザは、レーザ発振に大きな電力投入を必要とする。放射角を所望の角度範囲内に調整する形状へレーザ導波路を変更することは、量子カスケードレーザにおける温度の不均一を拡大する可能性がある。
本発明の一側面は、所望の角度範囲の放射角でレーザビームを出射すると共に大きな電力投入に耐え得る構造を有する量子カスケードレーザを提供することにある。
本発明の一側面に係る量子カスケードレーザは、第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面、第１メサ部及び第２メサ部を含む半導体メサ、並びに前記半導体メサを搭載する基板を含むレーザ構造体と、前記レーザ構造体の前記半導体メサ上に設けられた第１電極と、前記レーザ構造体の前記基板上に設けられた第２電極と、を備え、前記第１メサ部は前記第１端面から延在し、前記第２メサ部は端部を有し、前記第１メサ部及び第２メサ部は、前記第１端面と前記第２端面との間に配置され、前記半導体メサは、前記第１メサ部と前記第２メサ部との境界において第１メサ幅を有し、前記第２メサ部は、前記端部において第２メサ幅を有し、前記第２メサ部は、前記境界から前記第２端面への方向に前記第１メサ幅から変化するメサ幅を有し、前記第２メサ幅は前記第１メサ幅より小さく、前記半導体メサは、前記第１端面から前記境界を越えて延在する導電性半導体領域及びコア層を含み、前記第２メサ部は、前記導電性半導体領域より高い比抵抗を有する高比抵抗半導体領域を含む。
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、所望の角度範囲の放射角でレーザビームを出射すると共に大きな電力投入に耐え得る構造を有する量子カスケードレーザが提供される。
図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す図面である。 図２は、図１に示されたＩＩａ−ＩＩａ線、ＩＩｂ−ＩＩｂ線及びＩＩｃ−ＩＩｃ線に沿って取られた断面を示す図面である。 図３は、量子カスケードレーザＤＶ及び量子カスケードレーザＣＶの近視野像及び遠視野像を示す図面である。 図４は、量子カスケードレーザと光導波路構造物との光結合を模式的に示す図面である。 図５は、量子カスケードレーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図６は、量子カスケードレーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図７は、量子カスケードレーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図８は、量子カスケードレーザの具体例を示す図面である。 図９は、量子カスケードレーザの具体例を示す図面である。 図１０は、量子カスケードレーザの具体例を示す図面である。 図１１は、量子カスケードレーザの具体例を示す図面である。 図１２は、量子カスケードレーザの具体例を示す図面である。 図１３は、量子カスケードレーザの具体例を示す図面である。 図１４は、量子カスケードレーザの具体例を示す図面である。 図１５は、量子カスケードレーザの具体例を示す図面である。
いくつかの具体例を説明する。
具体例に係る量子カスケードレーザは、（ａ）第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面、第１メサ部及び第２メサ部を含む半導体メサ、並びに前記半導体メサを搭載する基板を含むレーザ構造体と、（ｂ）前記レーザ構造体の前記半導体メサ上に設けられた第１電極と、（ｃ）前記レーザ構造体の前記基板上に設けられた第２電極と、を備え、前記第１メサ部は前記第１端面から延在し、前記第２メサ部は端部を有し、前記第１メサ部及び前記第２メサ部は、前記第１端面と前記第２端面との間に配置され、前記半導体メサは、前記第１メサ部と前記第２メサ部との境界において第１メサ幅を有し、前記第２メサ部は、前記端部において第２メサ幅を有し、前記第２メサ部は、前記境界から前記第２端面への方向に前記第１メサ幅から変化するメサ幅を有し、前記第２メサ幅は前記第１メサ幅より小さく、前記半導体メサは、前記第１端面から前記境界を越えて延在する導電性半導体領域及びコア層を含み、前記第２メサ部は、前記導電性半導体領域より高い比抵抗を有する高比抵抗半導体領域を含む。
量子カスケードレーザによれば、半導体メサが、第１メサ部と第２メサ部との境界から第２端面への方向に第１メサ幅から変化するメサ幅の第２メサ部を提供できる。第２メサ部は、第２端面から出射される光に小さい放射角をもたらす。第２メサ部の高比抵抗半導体領域は、第１電極が第２メサ部に投入する電力を制限して、細幅の第２メサ部の端部における電流集中を避けることを可能にする。
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記高比抵抗半導体領域は、前記第２端面に到達する。
この量子カスケードレーザによれば、高比抵抗半導体領域は、幅細の第２メサ部の端部において電流集中を避けることができる。
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の上面に到達する。
この量子カスケードレーザによれば、第２メサ部の最上部に位置する高比抵抗半導体領域は、幅細の第２メサ部の導電性半導体が第１電極に接触を成すことを妨げる。
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の前記コア領域を前記第２端面から隔てる。
この量子カスケードレーザによれば、高比抵抗半導体領域は、幅細の第２メサ部内のコア領域において電流集中を避けることができる。
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の前記導電性半導体領域を前記第２端面から隔てる。
この量子カスケードレーザによれば、高比抵抗半導体領域は、幅細の第２メサ部内の導電性半導体領域において電流集中を避けることができる。
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の上面から前記半導体基板の主面まで延在する。
この量子カスケードレーザによれば、高比抵抗半導体領域は、第２端面の近傍において電流集中を避けることができる。
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第１電極は、前記第２端面から離れた端部を有し、前記高比抵抗半導体領域は、前記第２端面から離れている。
この量子カスケードレーザによれば、第２端面から離れた高比抵抗半導体領域は、第２端面に近傍に位置する幅細のメサ部分に電流が流れ込むことを妨げる。
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第２メサ部の上面は、前記第１軸の方向に配列された第１エリア及び第２エリアを含み、前記第１エリアは前記第２エリアから前記第２端面まで延在しており、前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の前記第２エリアから前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在しており、当該量子カスケードレーザは、前記第２メサ部の前記第１エリア上に設けられた絶縁膜を更に備える。
量子カスケードレーザによれば、第２メサ部の第１エリア上の絶縁膜は、第２端面近傍における電流集中を回避できる。
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第１電極及び前記第２電極の少なくともいずれか一方は、前記第２端面から離れている。
この量子カスケードレーザによれば、第２端面から離れている第１電極又は第２電極は、第２端面の近傍において電流集中を避けることを可能にする。
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、量子カスケードレーザ、及び量子カスケード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。
図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す図面である。具体的には、図１の（ａ）部は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す平面図であり、図１の（ｂ）部〜（ｋ）部の各々は、図１の（ａ）部に示されたＩ−Ｉ線に沿って取られ、様々な具体例に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。引き続く説明においては、図１の（ｂ）部〜（ｋ）部に示された量子カスケードレーザ１１は、それぞれ、参照符合「１１ｂ」、「１１ｃ」、「１１ｄ」、「１１ｅ」、「１１ｆ」、「１１ｇ」、「１１ｈ」、「１１ｉ」、「１１ｊ」及び「１１ｋ」として参照される。図２の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部、（ｄ）部は、図１の（ａ）部に示されたＩＩａ−ＩＩａ線、並びに図１の（ｂ）部に示されたＩＩｂ−ＩＩｂ線、ＩＩｃ−ＩＩｃ線、及び図１の（ａ）部に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ線に沿って取られた断面を示す図面である。
量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）は、第１電極１５、第２電極１７、及びレーザ構造体２３を備える。レーザ構造体２３は、基板１３、第１端面１９ａ及び第２端面１９ｂといった端面１９、及び半導体メサ２１を含む。基板１３は、主面１３ａ及び裏面１３ｂを有しており、主面１３ａは裏面１３ｂの反対側にある。基板１３は、半導体メサ２１を搭載しており、具体的には。半導体メサ２１は主面１３ａ上を延在する。第１端面１９ａ及び第２端面１９ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に配置されている。第１電極１５は、レーザ構造体２３上に設けられ。第２電極１７は、レーザ構造体２３の基板１３上に設けられ、具体的には。基板１３の裏面１３ｂ上を延在する。
半導体メサ２１は、第１メサ部２１ａ及び第２メサ部２１ｂを含み、第２メサ部２１ｂは、端部２１ｃを有する。第１メサ部２１ａ及び第２メサ部２１ｂは、第１端面１９ａと第２端面１９ｂとの間に配置される。第１メサ部２１ａ及び第２メサ部２１ｂは、第１端面１９ａ及び第２端面１９ｂの一方から他方への方向、本実施例では第１軸Ａｘ１の方向に配列される。
半導体メサ２１は、第１メサ部２１ａと第２メサ部２１ｂとの境界ＢＤＹにおいて第１メサ幅Ｗ１ＷＧを有し、第２メサ部は２１ｂは、端部２１ｃにおいて第２メサ幅Ｗ２ＷＧを有する。第２メサ幅Ｗ２ＷＧは第１メサ幅Ｗ１ＷＧより小さい。第２メサ部２１ｂは、境界ＢＤＹから第２端面１９ｂへの方向に第１メサ幅Ｗ１ＷＧから変化するメサ幅を有する。第１メサ部２１ａは、境界ＢＤＹから第１端面１９ａへの方向に、実質的に第１メサ幅Ｗ１ＷＧに等しいメサ幅を有する。第１メサ幅Ｗ１ＷＧは、例えば３〜２０マイクロメートルである。第２メサ幅Ｗ２ＷＧは、例えば１〜５マイクロメートルである。第２メサ部２１ｂは、例えば１００〜１０００マイクロメートルの長さＬ２ＷＧ（第２端面１９ｂと境界ＢＤＹとの距離）を有する。基板１３は、半導体メサ２１を搭載しており、半導体メサ２１に沿って第１軸Ａｘ１の方向に延在するリッジ１３ｃを有する。リッジ１３ｃは、半導体メサ２１の台座として働いて半導体導波路に半導体メサ２１より大きな高さを提供できる。第１メサ部２１ａ及び第２メサ部２１ｂ並び台座１３ｃの高さの和は、例えば５〜１５マイクロメートルの高さＨ１ＷＧ、Ｈ２ＷＧを有する。半導体メサ２１は、一側面２１ｅ及び他側面２１ｆを有し、メサ幅は一側面２１ｅと他側面２１ｆとの間隔により規定される。
半導体メサ２１は、第１端面１９ａから境界ＢＤＹを越えて延在するコア層２２ａ及び導電性半導体領域２２ｂを含み、導電性半導体領域２２ｂは、具体的には、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄを含む。コア層２２ａは、上部導電性半導体層２２ｃと下部導電性半導体層２２ｄとの間に設けられる。コア層２２ａ、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄは、第１メサ部２１ａ及び第２メサ部２１ｂ内を第１軸Ａｘ１の方向に延在する。下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ、及び上部導電性半導体層２２ｃは、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列されている。コア層２２ａは、約３〜約２０マイクロメートルの中赤外波長領域においてレーザ発振を可能にする。
第２メサ部２１ｂは、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄより高い比抵抗を有する高比抵抗半導体領域２５を含む。高比抵抗半導体領域２５は、半導体メサ２１の一側面２１ｅから他側面２１ｆまで延在することができる。
第１電極１５は、半導体メサ２１上、具体的には第１メサ部２１ａ及び第２メサ部２１ｂを延在する。具体的には、第１電極１５は、半導体メサ２１の上面２１ｄに接触を成す。第２電極１７は、レーザ構造体２３の基板１３上に設けられ、具体的には、裏面１３ｂに接触を成す。第１メサ部２１ａは、第１端面１９ａから延在して、第２メサ部２１ｂに至る。
単調に変化するメサ幅を有する半導体メサ２１は、第２メサ部２１ｂにおいて、境界ＢＤＹから第２端面１９ｂへの方向に第１メサ幅Ｗ１ＷＧから単調に減少するメサ幅を有する部分を含み、具体的には、第２端面１９ｂから遠い第１距離の位置におけるメサ幅は、第２端面１９ｂに近い第２距離（第１距離＞第２距離）の位置におけるメサ幅以上である。また、単調に減少するメサ幅を有する半導体メサ２１は、第１距離の位置におけるメサ幅は、第２距離（第１距離＞第２距離）の位置におけるメサ幅より大きい。
本実施例では、第２メサ部２１ｂは、図１の（ａ）部に示されるように、テーパ形状を有するように、境界ＢＤＹから端部２１ｃに向く方向に徐々に小さくなる幅を有する。第１メサ部２１ａは、均一なメサ幅のストライプ形状を有している。
量子カスケードレーザ１１によれば、半導体メサ２１が、第１メサ部２１ａと第２メサ部２１ｂとの境界ＢＤＹから第２端面１９ｂへの方向に第１メサ幅Ｗ１ＷＧから単調に変化するメサ幅の第２メサ部２１ｂを提供できる。第２メサ部２１ｂは、第２端面１９ｂから出射される光に小さい放射角をもたらす。第２メサ部２１ｂの高比抵抗半導体領域２５は、第１電極１５が第２メサ部２１ｂに投入する電力を制限して、細幅の第２メサ部２１ｂにおける電流集中を避けることを可能にする。
レーザ構造体２３は、半導体メサ２１を埋め込む半導体埋込領域２９を含むことができる。半導体埋込領域２９は、第１メサ部２１ａ及び第２メサ部２１ｂを埋め込む。半導体埋込領域２９は、高比抵抗、例えばアンドープ半導体及び／又は半絶縁性半導体を含むことができる。
量子カスケードレーザ１１ｂ及び量子カスケードレーザ１１ｇでは、高比抵抗半導体領域２５は、上部導電性半導体層２２ｃの回折格子層２２ｅ及び上部クラッド層２２ｇの一部を第２端面１９ｂから隔てて、第２端面１９ｂにおける電流集中を避ける。
量子カスケードレーザ１１ｃでは、高比抵抗半導体領域２５は、コア層２２ａを第２端面１９ｂから隔てて、第２端面１９ｂにおける電流集中を避ける。
量子カスケードレーザ１１ｄでは、高比抵抗半導体領域２５は、上部導電性半導体層２２ｃを第２端面１９ｂから隔てて、第２端面１９ｂにおける電流集中を避ける。
量子カスケードレーザ１１ｅでは、高比抵抗半導体領域２５は、コア層２２ａ及び上部導電性半導体層２２ｃを第２端面１９ｂから隔てて、第２端面１９ｂにおける電流集中を避ける。
量子カスケードレーザ１１ｆでは、高比抵抗半導体領域２５は、コア層２２ａ及び導電性半導体領域２２ｂを第２端面１９ｂから隔てて、第２端面１９ｂにおける電流集中を避ける。
図１の（ｂ）部〜（ｇ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｇ）では、高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂに到達する。量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｇ）によれば、高比抵抗半導体領域は、幅細の第２メサ部２１ｂの端部２１ｃにおいて電流集中を避けることができる。必要な場合には、高比抵抗半導体領域２５は、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する第３軸Ａｘ３の方向に第２端面１９ｂに沿って延在することができる。
図１の（ｄ）部〜（ｆ）部及び（ｈ）部〜（ｋ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｄ〜１１ｆ、１１ｈ〜１１ｋ）では、高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂの上面に到達する。この量子カスケードレーザ１１（１１ｄ〜１１ｆ、１１ｈ〜１１ｋ）によれば、第２メサ部２１ｂの最上部に位置する高比抵抗半導体領域２５は、幅細の第２メサ部２１ｂの導電性半導体が第１電極１５に接触を成すことを妨げる。
図１の（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｇ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ、１１ｃ、１１ｇ）では、高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂの上面から隔置される。この量子カスケードレーザ１１（１１ｂ、１１ｃ、１１ｇ）によれば、第２メサ部２１ｂの上面から離れた高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂを流れるキャリアが幅細の第２メサ部２１ｂの第２端面１９ｂの近傍から離れるように迂回させる。
図１の（ｃ）部、（ｅ）部、（ｆ）部、（ｈ）部及び（ｋ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｃ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｈ、１１ｋ）では、高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂにおいて電流の流れるコア層２２ａを第２端面１９ｂから隔てる。量子カスケードレーザ１１（１１ｃ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｈ、１１ｋ）によれば、高比抵抗半導体領域２５は、幅細の第２メサ部２１ｂ内のコア層２２ａにおいて電流集中を避けることができる。
図１の（ｆ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｆ）では、高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂの導電性半導体領域２２ｂを第２端面１９ｂから隔てる。量子カスケードレーザ１１（１１ｆ）によれば、高比抵抗半導体領域２５は、幅細の第２メサ部２１ｂ内の導電性半導体領域２２ｂにおいて電流集中を避けることができる。
また、図１の（ｆ）部に示されるように、高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂの上面から延在して基板１３に到達することができる。量子カスケードレーザ１１（１１ｆ）によれば、高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂの近傍において電流集中を避けることができる。
さらに、図１の（ｆ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｆ）では、第２メサ部２１ｂ内の導電性半導体（例えば、コア層２２ａ、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄ）は、第２端面１９ｂから離れて終端する。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂのコア層２２ａ及び導電性半導体領域２２ｂを第２端面１９ｂから隔てる。量子カスケードレーザ１１（１１ｆ）によれば、高比抵抗半導体領域２５は、幅細の第２メサ部２１ｂ内の導電性半導体領域２２ｂにおける電流集中を避けることができる。
図１の（ｇ）部、（ｈ）部及び（ｉ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ）では、第１電極１５は、第２端面１９ｂから離れた端部１５ａを有する。第２端面１９ｂから離れた第１電極１５と高比抵抗半導体領域２５とは、幅細の第２メサ部２１ｂの端部２１ｃにおいて電流集中を避けることができる。
また、図１の（ｂ）部〜（ｆ）部、（ｊ）部及び（ｋ）部に示される量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｆ、１１ｊ、１１ｋ）でも、同様に、第１電極１５に、第２端面１９ｂから離れた端部１５ａを提供することができる。第２端面１９ｂから離れた第１電極１５と高比抵抗半導体領域２５とは、幅細の第２メサ部２１ｂの端部において電流集中を避けることができる。
図１の（ｈ）部及び（ｉ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｈ、１１ｉ）では、高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂから離れており、基板１３の主面１３ａに交差する軸（第２軸Ａｘ２）の方向に第２メサ部２１ｂの上面から延在する。高比抵抗半導体領域２５は、第１メサ部２１ａから第２メサ部２１ｂに延在する導電性半導体（例えば、コア層２２ａ、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄ）の少なくとも一部分を第２メサ部２１ｂ内において終端させる。また、高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂから第１端面１９ａへの方向に第２端面１９ｂから延在する導電性半導体（例えば、コア層２２ａ、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄ）の少なくとも一部分を第２メサ部２１ｂ内において終端させる。
量子カスケードレーザ１１（１１ｈ、１１ｉ）によれば、高比抵抗半導体領域２５は、幅細の第２メサ部２１ｂの端部２１ｃの近傍において電流集中を避けることができる。
第１電極１５は、第２端面１９ｂから離された端部１５ａを有するようにしてもよい。第２端面１９ｂから離された端部１５ａ及び第２端面１９ｂから離された高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂの近傍に位置する幅細のメサ部分に電流が流れ込むことを防ぐことができる。本実施例では、第１電極１５の端部１５ａは、高比抵抗半導体領域２５上に位置する。
量子カスケードレーザ１１（１１ｊ、１１ｋ）では、図１の（ｊ）部及び（ｋ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｊ、１１ｋ）は、シリコン系無機絶縁体といった絶縁膜２７を更に備えることができる。絶縁膜２７は、第２端面１９ｂから第２メサ部２１ｂ上を延在する。量子カスケードレーザ１１（１１ｊ、１１ｋ）によれば、第２メサ部２１ｂ上の絶縁膜２７は、第２端面１９ｂの近傍における電流集中を回避できる。
必要な場合には、絶縁膜２７が、図１の（ｂ）部〜（ｆ）部に示される量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｆ）に提供される。絶縁膜２７は、第２端面１９ｂから第２メサ部２１ｂの上面を覆うと共に、境界ＢＤＹから離れた位置において終端する。絶縁膜２７は、第２メサ部２１ｂ上に設けられ、第１電極１５とレーザ構造体２３との間に延在する。絶縁膜２７は、幅細の第２メサ部２１ｂの端部において電流集中を避けることができる。
量子カスケードレーザ１１ｇでは、図１の（ｇ）部に示されるように、第１電極１５及び第２電極１７の少なくともいずれか一方は、第２端面１９ｂから離れるようにしてもよい。第２端面１９ｂから離れている第１電極１５及び／又は第２電極１７は、第２端面１９ｂの近傍において電流集中を低減可能にする。具体的には、以下の配置が量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）に可能である：第１電極１５及び第２電極１７の両方が、第２端面１９ｂから離れることができる；第１電極１５が、第２端面１９ｂから離れると共に第２電極１７が、第２端面１９ｂに到達することができる；第１電極１５が、第２端面１９ｂに到達すると共に第２電極１７が、第２端面１９ｂから離れることができる。
量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｇ）の例示。
高比抵抗半導体領域２５：半絶縁性又はアンドープのＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体。
上部導電性半導体層２２ｃ：ｎ型ＩｎＰ上部クラッド層２２ｇ、必要な場合には、回折格子層２２ｅ（例えば、ｎ型ＧａＩｎＡｓ）、コンタクト層２２ｆ（例えば、ｎ型ＧａＩｎＡｓ）。
コア層２２ａ：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓ。
下部導電性半導体層２２ｄ：ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２２ｈ。
基板１３：ｎ型ＩｎＰ。
半導体埋込領域２９：半絶縁性又はアンドープのＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体。
第１電極１５及び第２電極１７：Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、またはＧｅ／Ａｕ。
ｎ型ドーパント：シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、錫（Ｓｎ）、セレン（Ｓｅ）。
（実施例）
量子カスケードレーザ（参照符合「ＤＶ」により参照される）は、５マイクロメートルの第１メサ幅Ｗ１ＷＧ及び１マイクロメートルの第２メサ幅Ｗ２ＷＧを有する半導体メサを含む。量子カスケードレーザ（参照符合「ＣＶ」により参照される）は、５マイクロメートルの単一のメサ幅を有する半導体メサを含む。
量子カスケードレーザＤＶ及び量子カスケードレーザＣＶの構造。
半導体基板；ｎ型ＩｎＰ。
上部クラッド層及び下部クラッド層；ｎ型ＩｎＰ。
コア層：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子層。
回折格子層：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
コンタクト層：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
半導体埋込領域：ＦｅドープＩｎＰ。
発振波長は、７．３６５マイクロメートル。
図３は、量子カスケードレーザＤＶ及び量子カスケードレーザＣＶの近視野像及び遠視野像（波長：７．３６５マイクロメートル）を示す。
具体的には、図３の（ａ）部及び（ｂ）部は、量子カスケードレーザの近視野像（ＮＦＰ）のプロファイルを示す。図３の（ａ）部では、縦軸は、光の規格化相対強度を示し、横軸は水平方向における座標（半導体メサの中心を原点し、それより左側をマイナス領域、また右側をプラス領域とする座標）を示す。図３の（ｂ）部では、縦軸は、光の規格化相対強度を示し、横軸は垂直方向における座標（主面１３ａを原点とし、それより下方の基板１３側をマイナス領域、また上方の半導体メサ２１側をプラス領域とする座標）を示す。
図３の（ａ）部に示される近視野像（出射端面上における水平方向の光強度分布）では、量子カスケードレーザＤＶは、ピーク位置の両側に量子カスケードレーザＣＶに比べて大きな裾引きを示す。また、図３の（ｂ）部に示される近視野像（出射端面上における垂直方向の光強度分布）では、量子カスケードレーザＤＶは、基板内に量子カスケードレーザＣＶに比べて大きな裾引きを示す。
図３の（ｃ）部及び（ｄ）部は、量子カスケードレーザの遠視野像（ＦＦＰ）のプロファイルを示す。図３の（ｃ）部では、縦軸は、光の規格化相対強度を示し、横軸は導波路軸を基準にした水平方向における角度を示す。図３の（ｄ）部では、縦軸は、光の規格化相対強度を示し、横軸は導波路軸を基準にした垂直方向における角度を示す。
図３の（ｃ）部に示される遠視野像（出射端面から充分に離れた地点における水平方向の光強度分布）では、量子カスケードレーザＣＶは、ピーク位置の両側に量子カスケードレーザＤＶに比べて大きな裾引きを示す。また、図３の（ｄ）部に示される遠視野像（出射端面から充分に離れた地点における垂直方向の光強度分布）では、量子カスケードレーザＣＶは、半導体メサ内及び基板内の両方において量子カスケードレーザＤＶに比べて大きな裾引きを示す。
遠視野像における具体的な半値全幅（ＦＷＨＭ： Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）の値を以下に示す。
量子カスケードレーザＣＶ。
水平方向のビーム放射角：３８度。
垂直方向のビーム放射角：４９度。
量子カスケードレーザＤＶ。
水平方向のビーム放射角：２２度。
垂直方向のビーム放射角：２６度。
量子カスケードレーザＤＶでは、水平方向及び垂直方向のビーム放射角のいずれにおいても縮小される。
図４の（ａ）部は、量子カスケードレーザＣＶと光導波路構造物ＦＢとの光結合を模式的に示す図面である。図４の（ｂ）部は、量子カスケードレーザＤＶと光導波路構造物ＦＢとの光結合を模式的に示す図面である。
量子カスケードレーザＣＶと量子カスケードレーザＤＶとの間の遠視野像における大小関係は、量子カスケードレーザＣＶと量子カスケードレーザＤＶとの間の近視野像における大小関係と逆転している。この逆転によれば、所望の光結合を得るために、遠視野像において小さい放射角を示す量子カスケードレーザＤＶを図４の（ｂ）部に示されるように、光ファイバといった光導波路構造物ＦＢに直接に光結合させることを可能にする。しかし、遠視野像において大きい放射角を示す量子カスケードレーザＣＶは、図４の（ａ）部に示されるように、光導波路構造物ＦＢに２つのレンズ（ＬＺ１、ＬＺ２）を介して光結合されて、所望の光結合を得る。
量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）は、中赤外及び赤外の波長域に使用できるレンズ（ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｇｅといった高価な材料）を使用せずに、光導波路といった外部光学部品に光結合されることができる。
図１の（ａ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）は、レーザ構造体２３を含み、レーザ構造体２３は、半導体メサ２１、基板１３、及び高比抵抗半導体領域２５を含む。第２メサ部２１ｂのメサ幅は、実質的に一定のメサ幅の第１メサ部２１ａのメサ幅より小さい。第１メサ部２１ａは、具体的には、ｎ型の下部クラッド層２２ｈ（下部導電性半導体層２２ｄ）、コア層２２ａ（発光層）、及び上部導電性半導体層２２ｃ（回折格子層２２ｅ、ｎ型の上部クラッド層２２ｇ、ｎ型のコンタクト層２２ｆ）を含み、第２メサ部２１ｂは、具体的には、これらの半導体層に加えて、高比抵抗半導体領域２５を更に含む。第２メサ部２１ｂは、小さいメサ幅及び高比抵抗半導体領域２５の包含の点で、第１メサ部２１ａと異なる。本実施例では、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）は、第１端面１９ａ及び第２端面１９ｂを含む光共振器を備え、レーザ光は第２端面１９ｂから出射する。下部クラッド層２２ｈ及び上部クラッド層２２ｇは、同じ導電型（例えば、ｎ型）を有する。第１電極１５及び第２電極１７の一方、例えば第１電極１５がアノード電極として働き、他方の電極、例えば第２電極１７がカソード電極として働く。量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）への印加電圧は、例えば１０〜１５ボルト程度である。
量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）内の半導体を具体的に説明する。
基板１３は、良好な導電性を有しており、例えばｎ型ＩｎＰウエハを含むことができる。ｎ型ＩｎＰの使用は、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）がキャリアとして電子を使用することを可能にする。中赤外発光の量子カスケードレーザのための半導体層は、ＩｎＰに近い格子定数を有する。ＩｎＰウエハの使用は、中赤外発光（発振波長：３〜２０マイクロメートル）の量子カスケードレーザのための半導体層の結晶成長を容易にする。
導電性半導体領域２２ｂに含まれる上部クラッド層２２ｇ及び下部クラッド層２２ｈの各々は、ｎ型のＩｎＰを含むことができる。２元混晶のＩｎＰは、ＩｎＰウエハへの良好な結晶成長を可能にする。また、ＩｎＰは、中赤外発光の量子カスケードレーザに使用可能な半導体材料中で最も高い熱伝導を示す。ＩｎＰのクラッド層は、量子カスケードレーザに高い放熱性能を提供でき、また量子カスケードレーザに良好な温度特性を提供できる。
下部導電性半導体層２２ｄの下部クラッド層２２ｈは、必要な場合に、量子カスケードレーザに提供される。中赤外の発振光に対して透明なＩｎＰ基板は、下部クラッドとして使用可能である。半導体基板がクラッドを提供できる。
コア層２２ａは、活性層及び注入層から成る単位構造の積層、例えば数十周期の積層を含む。この積層では、複数の活性層と複数の注入層が交互に配置される。活性層及び注入層は、共に、数ナノメートル厚の薄膜の量子井戸層と、数ナノメートル厚の薄膜のバリア層とを含む超格子列を有する。バリア層は、量子井戸層よりも高いバンドギャップを有する。量子カスケードレーザは、単極性キャリア、例えば電子の伝導帯サブバンド間遷移を利用して光を生成する。活性層が、電子の光遷移のためのサブバンド上準位及びサブバンド下準位を提供する。コア層２２ａの低電位側の活性層は、高電位側の活性層に注入層を介して接続される。隣り合う活性層間の注入層は、電子を高電位の活性層に連続的に与えることを可能にする。例えば、ＧａＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰの量子井戸層、並びにＡｌＩｎＡｓのバリア層が、中赤外発振を可能にする。
高比抵抗半導体領域２５は、アンドープまたは半絶縁半導体を含む。これらの半導体は、キャリアの電子に対して高抵抗を示す。半導体の半絶縁性は、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属をホスト半導体に添加することにより得られる。遷移金属の添加は、ホスト半導体内に電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成する。半絶縁性半導体のための典型的なドーパントは、鉄（Ｆｅ）である。鉄（Ｆｅ）をＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に添加すると、電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有するＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成できる。アンドープ及び半絶縁のためのホスト半導体は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を包含する。これら半導体はＩｎＰ基板と格子整合し、また分子線エピタキシー（ＭＢＥ）及び有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）といった成長法を用いて成長される。
量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）は、ファブリペロー型又は分布帰還型を有することができる。回折格子層２２ｅは、必要な場合に、量子カスケードレーザに提供され、回折格子層２２ｅは、単一モード動作可能な分布帰還型量子カスケードレーザを可能にする。本実施例では、回折格子層２２ｅは、上部導電性半導体層２２ｃの上部クラッド層２２ｇとコア層２２ａとの間に設けられる。回折格子層２２ｅは、上部導電性半導体層２２ｃの上部クラッド層２２ｇと回折格子層２２ｅとの界面が第１軸Ａｘ１の方向に周期的な屈折率分布を提供できる構造を有する。この屈折率分布構造は、半導体メサ２１を伝搬するレーザ光の波長選択を可能にする。屈折率分布構造は、図２の（ｄ）部に示される周期ＲＭＤを有する。周期ＲＭＤはブラッグ波長を規定する。回折格子層２２ｅは、量子カスケードレーザに分布帰還構造を提供して、良好な単一モード発振を可能にする。高屈折率の半導体、例えばＧａＩｎＡｓの回折格子層２２ｅは、大きな結合係数を量子カスケードレーザ１１に提供できる。回折格子層２２ｅは、例えばｎ型又はアンドープの半導体を含むことができる。
コンタクト層２２ｆは、必要な場合に、量子カスケードレーザに提供される。本実施例では、コンタクト層２２ｆは、上部導電性半導体層２２ｃの上部クラッド層２２ｇと第１電極１５との間に設けられる。コンタクト層２２ｆは、低バンドギャップで且つＩｎＰに格子整合可能な半導体、例えばＧａＩｎＡｓであって、良好なオーミックコンタクトを量子カスケードレーザ１１に提供できる。
半導体埋込領域２９は、アンドープまたは半絶縁半導体を含む。これらの半導体は、キャリアの電子に対して高抵抗を示す。半導体の半絶縁性は、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった遷移金属をホスト半導体に添加することにより得られる。半絶縁性半導体のための典型的なドーパントは、鉄（Ｆｅ）である。鉄（Ｆｅ）をＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に添加すると、電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有するＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を形成できる。アンドープ半導体及び半絶縁性のホスト半導体は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を包含する。
必要な場合には、量子カスケードレーザは、下部導電性半導体層２２ｄの下部クラッド層２２ｈとコア層２２ａとの間、及び上部導電性半導体層２２ｃの上部クラッド層２２ｇとコア層２２ａとの間の少なくともいずれか一方に設けられた光閉込領域を備えることができる。光閉込領域は、コア層２２ａへの導波光の閉じ込めを強化できる。光閉込領域は、例えばＩｎＰ基板に格子整合可能な高屈折率の材料、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓを備えることができる。
図５、図６及び図７を参照しながら、量子カスケードレーザ１１を作製する方法を概略的に説明する。引き続く説明において、可能な場合には、図１〜図３を参照して為された記述における参照符合を用いる。
図５の（ａ）部に示されルように、第１基板生産物ＳＰ１を準備する。第１基板生産物ＳＰ１は、成長用基板４１及び半導体積層４３を含む。半導体積層４３は、下部導電性半導体層２２ｄの下部クラッド層２２ｈ、コア層２２ａ、回折格子層２２ｅ、及び上部導電性半導体層２２ｃの上部クラッド層２２ｇの下部のための半導体層を含む。半導体積層４３は、成長用基板４１上に成長される。
図５の（ｂ）部に示されルように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、無機絶縁体のマスクＭ１を第１基板生産物ＳＰ１上に形成する。マスクＭ１は、ストライプ状の開口を有する。マスクＭ１を用いて半導体積層４３をエッチングして、コア層のための半導体層に到達する窪み４４を半導体積層４３に形成する。
図５の（ｃ）部に示されルように、マスクＭ１を除去することなく、高比抵抗半導体領域２５のための半導体層を再成長して、ストライプ状の窪み４４を高比抵抗半導体領域２５で埋め込んで、半導体積層４３の半導体層及び再成長された半導体層（２５）を含む半導体積層４５を有する第２基板生産物ＳＰ２を形成する。
マスクＭ１を除去した後に、図６の（ａ）部に示されルように、上部クラッド層２２ｇの上部分及びコンタクト層のための半導体層を第２基板生産物ＳＰ２の全面に成長して、第３基板生産物ＳＰ３を形成する。
図６の（ｂ）部に示されルように、第３基板生産物ＳＰ３上に、無機絶縁体のマスクＭ２を形成する。マスクＭ２は、半導体メサ２１内の第１メサ部２１ａ及び第２メサ部２１ｂの形状を規定する。
図６の（ｃ）部に示されルように、マスクＭ２を用いて成長用基板４１及び半導体積層４５をエッチングして、半導体メサ２１を形成する。
図７の（ａ）部に示されルように、マスクＭ２を除去することなく、半導体メサ２１を半導体埋込領域２９で埋め込む。
マスクＭ２を除去して、図７の（ｂ）部及び（ｃ）部に示されるように、第４基板生産物ＳＰ４を得る。
図７の（ｄ）部及び（ｅ）部に示されるように、第４基板生産物ＳＰ４上に第１電極１５及び第２電極１７を形成して、量子カスケードレーザのための第５基板生産物ＳＰ５を得る。必要な場合には、第１電極１５の形成に先だって、絶縁膜２７を形成することができる。
これらの工程により、量子カスケードレーザ１１ｂが完成される。マスクＭ１のパターン、マスクＭ１を用いるエッチングの深さ、このエッチング後の再成長に応じて、量子カスケードレーザ１１（１１ｃ〜１１ｋ）が形成される。
引き続き、図８〜図１２及び図１５を参照しながら、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｆ）を説明する。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ内に設けられて、第２端面１９ｂの近傍において第１電極１５と第２電極１７との間の電流経路の一部又は全部を終端させる。本実施例では、高比抵抗半導体領域２５は、半導体メサ２１の一側面２１ｅから他側面２１ｆまで延在することができる。
量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｆ、１１ｇ）を具体的に説明する。具体的には、第２メサ部２１ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に配列された第１部分２１ｂａ及び第２部分２１ｂｂを有する。第１部分２１ｂａは、第１メサ部２１ａに至る導電性半導体（例えば、コア層２２ａ、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄ）を含む。第２部分２１ｂｂは、第１部分２１ｂａから第２端面１９ｂまで延在する。第２部分２１ｂｂは、高比抵抗半導体領域２５を含み、高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂに到達する。第２部分２１ｂｂは、第１部分２１ｂａによって第１メサ部２１ａから隔てられており、高比抵抗半導体領域２５も第１メサ部２１ａから隔てられる。
また、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｆ）では、第１電極１５の端部１５ａは、図１の（ｇ）部に示されるように、第２部分２１ｂｂに設けられること無く第１部分２１ｂａ上に位置するようにしてもよい。
図８の（ａ）部は、図１に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ線及びＩｂ−Ｉｂ線にそってとられた断面であって、量子カスケードレーザ１１ｂを示す。図８の（ｂ）部は、図８の（ａ）部に示されたＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線にそってとられた断面を示し、図８の（ｃ）部は、図８の（ａ）部に示されたＶＩＩＩｃ−ＶＩＩＩｃ線にそってとられた断面を示す。
量子カスケードレーザ１１ｂでは、コア層２２ａ及び下部導電性半導体層２２ｄは、第１端面１９ａから第２端面１９ｂに到達している。高比抵抗半導体領域２５は、第１端面１９ａから上部導電性半導体層２２ｃによって離されており、第２端面１９ｂに到達している。上部導電性半導体層２２ｃ内の回折格子層２２ｅは、第１端面１９ａから高比抵抗半導体領域２５まで延在しており、第２端面１９ｂから高比抵抗半導体領域２５によって離されている。高比抵抗半導体領域２５は、コア層２２ａと上部導電性半導体層２２ｃとの間に設けられ、コア層２２ａに接触している。
高比抵抗半導体領域２５は、厚さ（Ｔ２）を有しており、厚さ（Ｔ２）は例えば１００ｎｍ以上であることができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
高比抵抗半導体領域２５は、量子カスケードレーザ１１ｂ〜１１ｇにおける第２端面１９ｂから半導体メサ２１内を長さ（ＬＨＶ）で延在することができ、長さ（ＬＨＶ）は例えば１０マイクロメートル以上であることができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
図９の（ａ）部は、図１に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ線及びＩ−Ｉ線にそってとられた断面であって、量子カスケードレーザ１１ｃを示す。図９の（ｂ）部は、図９の（ａ）部に示されたＩＸｂ−ＩＸｂ線にそってとられた断面を示し、図９の（ｃ）部は、図９の（ａ）部に示されたＩＸｃ−ＩＸｃにそってとられた断面を示す。
量子カスケードレーザ１１ｃでは、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄは、第１端面１９ａから第２端面１９ｂに到達している。高比抵抗半導体領域２５は、第１端面１９ａからコア層２２ａによって離されており、第２端面１９ｂに到達している。
高比抵抗半導体領域２５は、コア層２２ａと実質的に同じ厚さを有している。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂから半導体メサ２１内を長さ（ＬＨＶ）で延在することができ、第２端面１９ｂから長さ（ＬＨＶ）の範囲にあることができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
量子カスケードレーザ１１ｃの製造では、下部導電性半導体層２２ｄ及びコア層２２ａのための半導体層を成長すると主に、マスクを用いてコア層２２ａを部分的にエッチングして下部導電性半導体層２２ｄのための半導体層に至る開口をコア層２２ａのための半導体層に形成する。該マスクを用いて開口内に高比抵抗半導体領域２５のための半導体層を再成長する。再成長の後に、マスクを除去すると共に上部導電性半導体層２２ｃのための半導体層を成長して、第１基板生産物ＳＰ１を形成する。既に説明されたプロセスを第１基板生産物ＳＰ１に適用して、量子カスケードレーザ１１ｃを得る。
図１０の（ａ）部は、図１に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ線及びＩ−Ｉ線にそってとられた断面であって、量子カスケードレーザ１１ｄを示す。図１０の（ｂ）部は、図１０の（ａ）部に示されたＸｂ−Ｘｂ線にそってとられた断面を示し、図１０の（ｃ）部は、図１０の（ａ）部に示されたＸｃ−Ｘｃ線にそってとられた断面を示す。
量子カスケードレーザ１１ｄでは、コア層２２ａ及び下部導電性半導体層２２ｄは、第１端面１９ａから第２端面１９ｂに到達している。高比抵抗半導体領域２５は、第１端面１９ａから上部導電性半導体層２２ｃによって離されており、第２端面１９ｂに到達している。上部導電性半導体層２２ｃは、第１端面１９ａから高比抵抗半導体領域２５まで延在しており、第２端面１９ｂから高比抵抗半導体領域２５によって離されている。高比抵抗半導体領域２５は、コア層２２ａの上面からレーザ構造体２３の上面２３ａまで延在しており、本実施例では、コア層２２ａに接触すると共に第１電極１５に接触している。
高比抵抗半導体領域２５は、上部導電性半導体層２２ｃと実質的に同じ厚さを有することができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂから半導体メサ２１内を長さ（ＬＨＶ）で延在することができ、第２端面１９ｂから長さ（ＬＨＶ）の範囲にあることができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
量子カスケードレーザ１１ｄの製造では、下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ、及び上部導電性半導体層２２ｃのための半導体層を成長して、エピ生産物を形成する。マスクを用いてエピ生産物の上部導電性半導体層２２ｃのための半導体層を部分的にエッチングして、コア層２２ａのための半導体層に至る開口を上部導電性半導体層２２ｃのための半導体層に形成する。該マスクを用いて開口内に高比抵抗半導体領域２５のための半導体層を再成長する。再成長の後に、マスクを除去して、第１基板生産物ＳＰ１を形成する。既に説明されたプロセスを第１基板生産物ＳＰ１に適用して、量子カスケードレーザ１１ｄを得る。
図１１の（ａ）部は、図１に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ線及びＩｂ−Ｉｂ線にそってとられた断面であって、量子カスケードレーザ１１ｅを示す。図１１の（ｂ）部は、図１１の（ａ）部に示されたＸＩｂ−ＸＩｂ線にそってとられた断面を示し、図１１の（ｃ）部は、図１１の（ａ）部に示されたＸＩｃ−ＸＩｃ線にそってとられた断面を示す。
量子カスケードレーザ１１ｅでは、下部導電性半導体層２２ｄは、第１端面１９ａから第２端面１９ｂに到達している。高比抵抗半導体領域２５は、コア層２２ａ及び上部導電性半導体層２２ｃによって第１端面１９ａから離されており、第２端面１９ｂに到達している。コア層２２ａ及び上部導電性半導体層２２ｃは、第１端面１９ａから高比抵抗半導体領域２５まで延在しており、高比抵抗半導体領域２５によって第２端面１９ｂから離されている。高比抵抗半導体領域２５は、レーザ構造体２３の上面２３ａから延在して下部導電性半導体層２２ｄに到達しており、本実施例では、下部導電性半導体層２２ｄに接触すると共に第１電極１５に接触している。
高比抵抗半導体領域２５は、上部導電性半導体層２２ｃ及びコア層２２ａの厚さの和と実質的に同じであることができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂから半導体メサ２１内を長さ（ＬＨＶ）で延在することができ、第２端面１９ｂから長さ（ＬＨＶ）の範囲にあることができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
量子カスケードレーザ１１ｅの製造では、下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ、及び上部導電性半導体層２２ｃのための半導体層を成長して、エピ生産物を形成する。マスクを用いてエピ生産物の上部導電性半導体層２２ｃ及びコア層２２ａのための半導体層を部分的にエッチングして、下部導電性半導体層２２ｄのための半導体層に至る開口を上部導電性半導体層２２ｃ及びコア層２２ａのための半導体層に形成する。該マスクを用いて開口内に高比抵抗半導体領域２５のための半導体層を再成長する。再成長の後に、マスクを除去して、第１基板生産物ＳＰ１を形成する。既に説明されたプロセスを第１基板生産物ＳＰ１に適用して、量子カスケードレーザ１１ｅを得る。
図１２の（ａ）部は、図１に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ線及びＩｂ−Ｉｂ線にそってとられた断面であって、量子カスケードレーザ１１ｆを示す。図１２の（ｂ）部は、図１２の（ａ）部に示されたＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線にそってとられた断面を示し、図１２の（ｃ）部は、図１２の（ａ）部に示されたＸＩＩｃ−ＸＩＩｃ線にそってとられた断面を示す。
量子カスケードレーザ１１ｆでは、高比抵抗半導体領域２５は、下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ及び上部導電性半導体層２２ｃによって第１端面１９ａから離されており、第２端面１９ｂに到達している。下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ及び上部導電性半導体層２２ｃは、第１端面１９ａから高比抵抗半導体領域２５まで延在しており、高比抵抗半導体領域２５によって第２端面１９ｂから離されている。高比抵抗半導体領域２５は、基板１３からレーザ構造体２３の上面２３ａまで延在しており、本実施例では、基板１３に接触すると共に第１電極１５に接触している。
高比抵抗半導体領域２５は、上部導電性半導体層２２ｃ、コア層２２ａ及び下部導電性半導体層２２ｄの厚さの和と実質的に同じ、又はその和より大きいことができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
高比抵抗半導体領域２５は、第２端面１９ｂから半導体メサ２１内を長さ（ＬＨＶ）で延在することができ、第２端面１９ｂから長さ（ＬＨＶ）の範囲にあることができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
量子カスケードレーザ１１ｆの製造では、下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ、及び上部導電性半導体層２２ｃのための半導体層を成長して、エピ生産物を形成する。マスクを用いてエピ生産物の下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ、及び上部導電性半導体層２２ｃのための半導体層を部分的にエッチングして、基板１３に至る開口を下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ、及び上部導電性半導体層２２ｃのための半導体層に形成する。該マスクを用いて開口内に高比抵抗半導体領域２５のための半導体層を再成長する。再成長の後に、マスクを除去して、第１基板生産物ＳＰ１を形成する。既に説明されたプロセスを第１基板生産物ＳＰ１に適用して、量子カスケードレーザ１１ｆを得る。
図１３及び図１４を参照しながら、量子カスケードレーザ１１（１１ｈ〜１１ｋ）を説明する。これらの図は、図１に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ線及びＩ−Ｉ線にそってとられた断面図である。量子カスケードレーザ１１（１１ｈ〜１１ｋ）では、高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ内に設けられ、第１端面１９ａ及び第２端面１９ｂから隔置されると共に半導体メサ２１から基板１３への方向にレーザ構造体２３の上面から延在することができる。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂにおいて半導体メサ２１の一側面２１ｅから他側面２１ｆまで延在する。この延在により、第２メサ部２１ｂを二つの部分に分ける。一方の部分は、第１メサ部２１ａに繋がると共に、第１電極１５に接触を成す。他方の部分は、高比抵抗半導体領域２５と第２端面１９ｂとの間に位置して第１メサ部２１ａに繋がらず、また第１電極１５に接触しない。
高比抵抗半導体領域２５は、半導体メサ２１の一側面２１ｅから他側面２１ｆまで延在して、半導体メサ２１内の導電性半導体の一部又は前部を終端させる。高比抵抗半導体領域２５から第２端面１９ｂまでの領域内の下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ、及び上部導電性半導体層２２ｃの少なくとも一部を、高比抵抗半導体領域２５から第１端面１９ａまでの領域内の下部導電性半導体層２２ｄ、コア層２２ａ、及び上部導電性半導体層２２ｃの少なくとも一部から隔てる。
具体的には、第２メサ部２１ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に配列された第１部分２１ｂａ、第２部分２１ｂｂ及び第３部分２１ｂｃを有する。第１部分２１ｂａは、第１メサ部２１ａに至る導電性半導体（例えば、コア層２２ａ、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄ）を含む。第２部分２１ｂｂは、第２メサ部２１ｂの上面から延在する高比抵抗半導体領域２５を含む。第３部分２１ｂｃは、第２端面１９ｂに到達する導電性半導体（例えば、コア層２２ａ、上部導電性半導体層２２ｃ及び下部導電性半導体層２２ｄ）を含む。
量子カスケードレーザ１１ｈ及び量子カスケードレーザ１１ｋでは、高比抵抗半導体領域２５は、第２部分２１ｂｂにおいて、第２メサ部２１ｂの上面から下部導電性半導体層２２ｄに到達するように設けられる。
量子カスケードレーザ１１ｉ及び量子カスケードレーザ１１ｊでは、高比抵抗半導体領域２５は、第２部分２１ｂｂにおいて、第２メサ部２１ｂの上面からコア層２２ａに到達するように設けられる。
第１電極１５の端部１５ａは、第１部分２１ｂａ又は第２部分２１ｂｂ上に位置するようにしてもよい。量子カスケードレーザ１１（１１ｈ、１１ｉ）では、第１電極１５は、図１の（ｈ）部及び（ｉ）部に示されるように、第３部分２１ｂｃから離れるように第２部分２１ｂｂにおいて終端する端部１５ａを有する。
図１３の（ａ）部及び（ｂ）部を参照すると、量子カスケードレーザ１１（１１ｉ、１１ｊ）では、高比抵抗半導体領域２５は、レーザ構造体２３の上面２３ａから上部導電性半導体層２２ｃを貫通してコア層２２ａに到達する。
高比抵抗半導体領域２５は、高比抵抗半導体領域２５から第２端面１９ｂまでの領域内の上部導電性半導体層２２ｃを、高比抵抗半導体領域２５から第１端面１９ａまでの領域内の上部導電性半導体層２２ｃから隔てる。第１電極１５に係るキャリアは、高比抵抗半導体領域２５によって阻止されて、第２端面１９ｂの近傍に到達できない。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
具体的には、図１３の（ａ）部に示されルように、量子カスケードレーザ１１（１１ｉ）では、第１電極１５の端部１５ａは、第２端面１９ｂから離れており、レーザ構造体２３の上面２３ａにおいて高比抵抗半導体領域２５上に位置する。
或いは、図１３の（ｂ）部に示されルように、量子カスケードレーザ１１（１１ｊ）は、第２端面１９ｂから延在して高比抵抗半導体領域２５上において終端する絶縁膜２７を備える。絶縁膜２７は、高比抵抗半導体領域２５から第２端面１９ｂまでの半導体メサ２１の上面の全体を覆う。第１電極１５の端部１５ａは、絶縁膜２７上に位置しており、本実施例では、第２端面１９ｂに到達する。絶縁膜２７は、第１電極１５が第２端面１９ｂの近傍において第２メサ部２１ｂに接触を成すことを妨げる。絶縁膜２７は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ、ポリイミドといった誘電体を備える。
図１４の（ａ）部及び（ｂ）部を参照すると、量子カスケードレーザ１１（１１ｈ、１１ｊｋ）では、高比抵抗半導体領域２５は、レーザ構造体２３の上面２３ａから上部導電性半導体層２２ｃ及びコア層２２ａを貫通して下部導電性半導体層２２ｄに到達する。
高比抵抗半導体領域２５は、高比抵抗半導体領域２５から第２端面１９ｂまでの領域内の上部導電性半導体層２２ｃ及びコア層２２ａを、高比抵抗半導体領域２５から第１端面１９ａまでの領域内の上部導電性半導体層２２ｃ及びコア層２２ａから隔てる。第１電極１５に係るキャリアは、高比抵抗半導体領域２５によって阻止されて、第２端面１９ｂの近傍に到達できない。高比抵抗半導体領域２５は、第２メサ部２１ｂ、具体的には、第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
具体的には、図１４の（ａ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｈ）では、第１電極１５の端部１５ａは、第２端面１９ｂから離れており、レーザ構造体２３の上面において高比抵抗半導体領域２５上に位置する。
或いは、図１４の（ｂ）部に示されるように、量子カスケードレーザ１１（１１ｋ）は、第２端面１９ｂから延在して高比抵抗半導体領域２５上において終端する絶縁膜２７を備える。絶縁膜２７は、高比抵抗半導体領域２５から第２端面１９ｂまでの半導体メサ２１の上面の全体を覆う。第１電極１５の端部１５ａは、絶縁膜２７上に位置している。絶縁膜２７は、第１電極１５が第２端面１９ｂの近傍において第２メサ部２１ｂに接触を成すことを妨げる。
量子カスケードレーザ１１（１１ｈ〜１１ｋ）では、第２端面１９ｂから高比抵抗半導体領域２５までの距離（Ｌ３）は、例えば１０〜１００マイクロメートルであることができ、高比抵抗半導体領域２５の幅（Ｌ４）は、例えば１０〜１００マイクロメートルであることができる。
図１３及び図１４を参照すると、レーザ構造体２３の上面２３ａは、第２メサ部２１ｂにおいて、第１エリア２１ｃａ及び第２エリア２１ｃｂを含み、第１エリア２１ｃａ及び第２エリア２１ｃｂは、第１端面１９ａから第２端面１９ｂへの方向に配列される。第１エリア２１ｃａは第２エリア２１ｃｂから第２端面１９ｂまで延在する。第２エリア２１ｃｂは、第１エリア２１ｃａから境界ＢＤＹまで延在する。高比抵抗半導体領域２５は、第１エリア２１ｃａと第２エリア２１ｃｂとの境における第２メサ部２１ｂの上面から基板１３への方向に延在する。絶縁膜２７は、第２メサ部２１ｂの第１エリア２１ｃａ上に設けられ、第１電極１５とレーザ構造体２３との間を延在する。
量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）では、第１電極１５及び第２電極１７の少なくともいずれか一方が、第２端面１９ｂから後退する端部１５ａ、１７ａを有することができる。例えば、図１５を参照すると、量子カスケードレーザ１１（１１ｇ）では、第１電極１５及び第２電極１７の両方が、第２端面１９ｂから後退する端部１５ａ、１７ａを有することができる。第２端面１９ｂから第１電極１５までの距離（Ｌ３）は、例えば１０〜１００マイクロメートルであることができ、また第２端面１９ｂから第２電極１７までの距離（Ｌ５）は、例えば１０〜１００マイクロメートルであることができる。第１電極１５及び第２電極１７の少なくともいずれか一方における後退は、第２メサ部２１ｂ、具体的には第２端面１９ｂの近傍に流れる電流を制限でき、第２端面１９ｂの近傍における電流密度を小さくできる。
量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）では、コア層２２ａが伝導帯サブバンド間における電子の発光遷移を引き起こすために、１０ボルト以上の動作電圧を必要とする。また、レーザ発振において、数百ミリアンペアの電流が半導体レーザに流れる。このような電気パワーは、通信用のレーザダイオードに比べて２桁程度大きな電流密度をなる。
高比抵抗半導体領域２５の導入により、第２端面１９ｂ近傍の電流密度を低減ができる結果、本領域への投入電力も低減できるため、第２端面１９ｂに近い第２メサ部２１ｂの端部２１Ｃ近傍における発熱量を抑えられる。この結果として、発熱による温度上昇により端部２１Ｃが融点に達して融解することで、第２端面１９ｂが破壊されることにより引き起こされる、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）の偶発的な故障の発生を下げると共に、量子カスケードレーザ１１（１１ｂ〜１１ｋ）の信頼性を改善できる。
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、所望の角度範囲の放射角でレーザビームを出射すると共に大きな電力投入に耐え得る構造を有する量子カスケードレーザが提供される。
１１、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ、１１ｋ…量子カスケードレーザ、１３…基板、１３ａ…主面、１３ｂ…裏面、１５…第１電極、１７…第２電極、１９…端面、１９ａ…第１端面、１９ｂ…第２端面、２１…半導体メサ、２１ａ…第１メサ部、２１ｂ…第２メサ部、２３…レーザ構造体、Ａｘ１…第１軸、Ａｘ２…第２軸、Ａｘ３…第３軸。

Claims (9)

  1. 量子カスケードレーザであって、
    第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面、第１メサ部及び第２メサ部を含む半導体メサ、並びに前記半導体メサを搭載する基板を含むレーザ構造体と、
    前記レーザ構造体の前記半導体メサ上に設けられた第１電極と、
    前記レーザ構造体の前記基板上に設けられた第２電極と、
    を備え、
    前記第１メサ部は、前記第１端面から延在し、
    前記第２メサ部は、端部を有し、
    前記第１メサ部及び前記第２メサ部は、前記第１端面と前記第２端面との間に配置され、
    前記半導体メサは、前記第１メサ部と前記第２メサ部との境界において第１メサ幅を有し、前記第２メサ部は、前記端部において第２メサ幅を有し、前記第２メサ部は、前記境界から前記第２端面への方向に前記第１メサ幅から変化するメサ幅を有し、前記第２メサ幅は前記第１メサ幅より小さく、
    前記半導体メサは、前記第１端面から前記境界を越えて延在する導電性半導体領域及びコア層を含み、
    前記第２メサ部は、前記導電性半導体領域より高い比抵抗を有する高比抵抗半導体領域を含む、量子カスケードレーザ。
  2. 前記高比抵抗半導体領域は、前記第２端面に到達する、請求項１に記載された量子カスケードレーザ。
  3. 前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の上面に到達する、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケードレーザ。
  4. 前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の前記コア層を前記第２端面から隔てる、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザ。
  5. 前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の前記導電性半導体領域を前記第２端面から隔てる、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レーザ。
  6. 前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の上面から前記基板まで延在する、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザ。
  7. 前記第１電極は、前記第２端面から離れた端部を有し、
    前記高比抵抗半導体領域は、前記第２端面から離れている、請求項１に記載された量子カスケードレーザ。
  8. 前記第２メサ部の上面は、前記第１軸の方向に配列された第１エリア及び第２エリアを含み、前記第１エリアは前記第２エリアから前記第２端面まで延在しており、
    前記高比抵抗半導体領域は、前記第２メサ部の前記第２エリアから前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在しており、
    当該量子カスケードレーザは、前記第２メサ部の前記第１エリア上に設けられた絶縁膜を更に備える、請求項１又は請求項７に記載された量子カスケードレーザ。
  9. 前記第１電極及び前記第２電極の少なくともいずれか一方は、前記第２端面から離れている、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザ。
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