JP2021012990A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】へき開ラインを基準としたへき開面の位置ずれに係る影響を低減でき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端面及び前記第１端面の反対側の第２端面を有し、半導体積層及び半導体支持体を有するレーザ構造体を備え、前記半導体支持体は、前記半導体積層を搭載し、前記レーザ構造体は、コア層を含む半導体メサ及び前記半導体メサを埋め込む埋込領域を含み、前記レーザ構造体は、第１領域、第２領域及び第３領域を含み、前記第３領域は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１領域は、前記第１端面を含み、前記半導体メサは、前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域に、それぞれ、第１ストライプ部、第２ストライプ部、及び第１テーパー部を含む。【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、量子カスケード半導体レーザを開示する。

APL, vol.83, pp.1929-1931, 2003

量子カスケードレーザは、例えばＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備え、中赤外レーザ光を生成する。この量子カスケード半導体レーザは、前端面及び後端面を有し、これらの端面は、へき開により形成される。

量子カスケード半導体レーザのための基板生産物をへき開ラインに沿ってへき開してレーザバーを作製する。発明者の知見によれば、作製されるへき開面は、へき開ラインの左右の両側にずれることがある。

本発明の一側面は、へき開ラインを基準としたへき開面の位置ずれに係る影響を低減できる量子カスケードレーザを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る量子カスケードレーザは、第１端面及び前記第１端面の反対側の第２端面を有し半導体積層及び半導体支持体を含むレーザ構造体を備え、前記半導体支持体は、前記半導体積層を搭載し、前記レーザ構造体は、コア層を含む半導体メサ及び前記半導体メサを埋め込む埋込領域を含み、前記レーザ構造体は、第１領域、第２領域及び第３領域を含み、前記第３領域は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１領域は、前記第１端面を含み、前記半導体メサは、前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域に、それぞれ、第１ストライプ部、第２ストライプ部、及び第１テーパー部を含み、前記第１ストライプ部及び前記第２ストライプ部は、互いに異なるメサ幅を有する。

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、へき開ラインを基準としたへき開面の位置ずれに係る影響を低減できる量子カスケードレーザを提供できる。

図１の（ａ）部は、具体例に係る量子カスケードレーザを概略的に示す平面図である。図１の（ｂ）部は、図１の（ａ）部に示されたＩｂ−Ｉｂ線に沿って取られた断面を示す図面である。 図２の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部は、それぞれ、図１の（ａ）部に示された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の（ａ）部は、導波路軸に沿って取られた断面を示す図面である。図３の（ｂ）部は、図３の（ａ）部に示されたＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面を示す図面である。図３の（ｃ）部は、図３の（ａ）部に示されたＩＩＩｃ−ＩＩＩｃ線に沿った断面を示す図面である。 図４は、具体例に係る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概略的に示す図面である。 図５は、具体例に係る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概略的に示す図面である。 図６は、具体例に係る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概略的に示す図面である。 図７は、具体例に係る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概略的に示す図面である。 図８は、具体例に係る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概略的に示す図面である。 図９は、隣接する素子区画におけるテーパー部を直接に繋ぐ構造を有する生産物を作製する量子カスケードレーザを作製する方法におけるへき開工程を概略的に示す図面である。 図１０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面である。図１０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面である。 図１１の（ａ）部は、具体例に係る量子カスケードレーザを概略的に示す平面図である。図１１の（ｂ）部は、図１１の（ａ）部に示されたＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿って取られた断面を示す図面である。 図１２の（ａ）部は、具体例に係る量子カスケードレーザを概略的に示す平面図である。図１２の（ｂ）部は、図１２の（ａ）部に示されたＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線に沿って取られた断面を示す図面である。 図１３の（ａ）部は、具体例に係る量子カスケードレーザを概略的に示す平面図である。図１３の（ｂ）部は、図１３の（ａ）部に示されたＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ線に沿って取られた断面を示す図面である。

引き続きいくつかの具体例を説明する。

具体例に係る量子カスケードレーザは、第１端面及び前記第１端面の反対側の第２端面を有し半導体積層及び半導体支持体を含むレーザ構造体を備え、前記半導体支持体は、前記半導体積層を搭載し、前記レーザ構造体は、コア層を含む半導体メサ及び前記半導体メサを埋め込む埋込領域を含み、前記レーザ構造体は、第１領域、第２領域及び第３領域を含み、前記第３領域は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１領域は、前記第１端面を含み、前記半導体メサは、前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域に、それぞれ、第１ストライプ部、第２ストライプ部、及び第１テーパー部を含み、前記第１ストライプ部及び前記第２ストライプ部は、互いに異なるメサ幅を有する。

量子カスケードレーザによれば、第１ストライプ部及び第２ストライプ部に、それぞれのメサ幅を有する。レーザ構造体の第１領域及び第２領域にそれぞれ半導体メサの第１ストライプ部及び第２ストライプ部を設けて、テーパー部を第１端面から離すために第１ストライプ部を第１端面に到達させる。

また、量子カスケードレーザの第１端面は、量子カスケードレーザの製造によってもたらされる基板生産物からへき開により製造される。半導体メサの側面は、テーパー形状とストライプ形状との継ぎ目において曲がる。第１ストライプ部及び第１テーパー部の配列によれば、第１端面が、ストライプ形状とテーパー形状との繋ぎ目及び第１テーパー部から隔置される。この隔置により、へき開面が所望のへき開ラインからずれた場合においても、継ぎ目及び第１テーパー部が第１端面に現れることを避けることができる。

テーパー形状は、第２ストライプ部に対して、半導体メサを伝搬する導波光のスポットサイズを変換する変換器として働き、また第１ストライプ部によって第１端面から離される。第１ストライプ部は、第２ストライプ部のメサ幅より小さいメサ幅を有することができる。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記半導体メサは、前記第２領域に回折格子構造を有する半導体層を含む。

量子カスケードレーザによれば、第２領域の第２ストライプ部のストライプ部分の回折格子構造は、量子カスケードレーザの発振波長を規定する。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記回折格子構造は、前記第１端面から離れた終端を有する。

量子カスケードレーザによれば、第２ストライプ部のメサ幅より狭い半導体メサ内における回折格子構造からの帰還を減らすことができる。

具体例に係る量子カスケードレーザは、前記レーザ構造体上に設けられた電極を更に備え、前記電極は、前記第２領域の前記半導体メサに接続される。

量子カスケードレーザによれば、半導体メサは電極からのキャリアを受ける。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記電極は、第１縁及び該第１縁の反対側の第２縁を有し、前記電極の前記第１縁及び前記第２縁は、前記第１端面から前記第２端面への方向に順に配列され、前記第１縁は、前記第１端面から離れる。

量子カスケードレーザによれば、電極の第１縁の隔置は、ストライプ部分のメサ幅より狭い半導体メサへのキャリアの供給を減らすことができる。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記半導体メサは、前記第３領域に第２テーパー部及び第３ストライプ部を有し、前記第１テーパー部、前記第３ストライプ部及び前記第２テーパー部は、前記第１端面から前記第２端面への方向に順に配列される。

量子カスケードレーザによれば、半導体メサは、単一のテーパー部分に限定されることなく、複数のテーパー部分を含むことができる。また、複数のテーパー部分は、追加のストライプ部分を介して繋がれる。第１テーパー部、追加のストライプ部及び追加のテーパー部の配列は、新たな継ぎ目を半導体メサに与える。これらの継ぎ目も、第１端面から離される。

具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記第１端面は、第１基準面に沿って延在しており、前記半導体メサ及び前記半導体支持体は、前記第１基準面に交差する第２基準面に沿って配列され、前記第２基準面は、前記第１基準面とゼロ度より大きく９０度より小さい角度で傾斜する。

量子カスケードレーザによれば、第１ストライプ部は、ゼロ度より大きく９０度より小さい角度で第１端面に対して傾斜する。

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、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の（ａ）部は、本実施形態の具体例に係る量子カスケードレーザを概略的に示す平面図である。図１の（ｂ）部は、図１の（ａ）部に示されたＩｂ−Ｉｂ線に沿って取られた断面を示す図面である。図２の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部は、それぞれ、図１の（ａ）部に示された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。

量子カスケードレーザ１１は、レーザ構造体１３を備える。レーザ構造体１３は、第１端面１２ａ及び第２端面１２ｂを有し、第２端面１２ｂは、第１端面１２ａの反対側にある。

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３領域１３ｃは、第１領域１３ａと第２領域１３ｂとの間に設けられる。本実施例では、第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃは、第１軸Ａｘ１の方向に順に配列される。第１領域１３ａは、第１端面１２ａを含み、本実施例では、第２領域１３ｂは、第２端面１２ｂを含むことができる。

レーザ構造体１３は、半導体積層１５及び半導体支持体１７を含む。半導体支持体１７は、半導体積層１５を搭載する。

レーザ構造体１３は、半導体メサ２１及び埋込領域２３を含む。埋込領域２３は、第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃにおいて半導体支持体１７上に設けられ、また半導体メサ２１の側面を埋め込む。

埋込領域２３は、第１端面１２ａ及び第２端面１２ｂの各々において、半導体メサ２１の側面からレーザ構造体１３の側面まで設けられる。

半導体メサ２１は、半導体積層１５及び半導体支持体１７内に設けられる。また、半導体メサ２１は、量子カスケード遷移を可能にするコア層２７ａと、上部導電性半導体領域２７ｂとを含み、コア層２７ａは、上部導電性半導体領域２７ｂと半導体支持体１７との間に設けられる。必要な場合には、半導体メサ２１は、更に、半導体支持体１７上に設けられた下部導電性半導体領域２７ｃを含むことができ、コア層２７ａは、上部導電性半導体領域２７ｂと下部導電性半導体領域２７ｃとの間に設けられる。

具体的には、上部導電性半導体領域２７ｂ及び下部導電性半導体領域２７ｃは、それぞれ、上部クラッド層２７ｄ及び下部クラッド層２７ｅを含むことができる。コア層２７ａは、上部クラッド層２７ｄと下部クラッド層２７ｅとの間に設けられる。

本実施例では、半導体メサ２１は、更に、コンタクト層２７ｆを有することができる。上部導電性半導体領域２７ｂはコンタクト層２７ｆを含む。下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、上部クラッド層２７ｄ及びコンタクト層２７ｆが、半導体メサ２１内において半導体支持体１７の主面上に順に配列される。

また、半導体メサ２１は、更に、回折格子層２７ｇを有することができる。上部導電性半導体領域２７ｂは回折格子層２７ｇを含む。回折格子層２７ｇは、半導体メサ２１内において上部クラッド層２７ｄとコア層２７ａとの間に設けられて、コア層２７ａに光学的に結合される。回折格子層２７ｇは、クラッド層（２７ｄ）と回折格子層２７ｇとの界面に、分布帰還を可能にする回折格子構造ＧＲを提供できる。

半導体積層１５は、コア層２７ａ、上部クラッド層２７ｄ、下部クラッド層２７ｅ、回折格子層２７ｇ及びコンタクト層２７ｆを含む。

半導体メサ２１は、第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃに、それぞれ、第１ストライプ部２１ａ、第２ストライプ部２１ｂ、及び第１テーパー部２１ｃを含む。本実施例では、第１ストライプ部２１ａ、第１テーパー部２１ｃ、及び第２ストライプ部２１ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に順に配列される。第１ストライプ部２１ａ及び第２ストライプ部２１ｂは、互いに異なるメサ幅を有する。本実施例では、第１テーパー部２１ｃは、第１ストライプ部２１ａ及び第２ストライプ部２１ｂを互いに繋ぐ。

第１テーパー部２１ｃは、半導体メサ２１の第２ストライプ部２１ｂを伝搬する導波光のスポットサイズを変換する変換器として働き、また第１ストライプ部２１ａによって第１端面１２ａから離される。この第１ストライプ部２１ａは、第２ストライプ部２１ｂのメサ幅より小さいメサ幅を有することができる。

量子カスケードレーザ１１によれば、第１ストライプ部２１ａ及び第２ストライプ部２１ｂに、互いに異なるメサ幅を与える。レーザ構造体１３の第１領域１３ａ及び第３領域１３ｃにそれぞれ半導体メサ２１の第１ストライプ部２１ａ及び第１テーパー部２１ｃを設けて、第１テーパー部２１ｃを第１端面１２ａから離すために第１ストライプ部２１ａを第１端面１２ａに到達させる。

また、量子カスケードレーザ１１の第１端面１２ａは、量子カスケードレーザ１１の製造によってもたらされる結果物から破断により製造される。半導体メサ２１の側面は、テーパー形状とストライプ形状との継ぎ目において曲がる。第１ストライプ部２１ａ及び第１テーパー部２１ｃの配列によれば、第１端面１２ａが、ストライプ形状とテーパー形状との繋ぎ目及び第１テーパー部２１ｃから隔置される。この隔置により、第１端面１２ａは、繋ぎ目及びテーパー形状から生じる可能性のある結晶成長に係る品質低下から逃れることができる。

半導体メサ２１は、第２領域１３ｂに回折格子構造ＧＲを有する。この量子カスケードレーザ１１によれば、第２領域１３ｂの第２ストライプ部２１ｂの回折格子構造ＧＲが、量子カスケードレーザ１１の発振波長を規定する。

回折格子構造ＧＲは、第１端面１２ａから離れた終端を有する。半導体メサ２１の幅の違いは、半導体メサ２１を含む導波路の実効屈折率の違いを生じさせる可能性がある。回折格子構造ＧＲは、第１領域１３ａの第１ストライプ部２１ａから離れた終端を有するようにしてもよい。量子カスケードレーザ１１によれば、第２ストライプ部２１ｂのメサ幅より狭い第１ストライプ部２１ａ内における分布帰還を避けることができる。

量子カスケードレーザ１１は、上部電極３３及び下部電極３５を更に備える。レーザ構造体１３は、上部電極３３と下部電極３５との間にある。

上部電極３３は、レーザ構造体１３上に設けられ、第２領域１３ｂにおいて半導体メサ２１に接続される。具体的には、上部電極３３は、半導体メサ２１の第２ストライプ部２１ｂの上面に接触を成して、半導体メサ２１と界面を形成す。この界面を、半導体メサ２１と上部電極３３との間に流れるキャリア（例えば、電子）が通過する。

上部電極３３は、第１縁３３ａ及び第２縁３３ｂを有し、第２縁３３ｂは第１縁３３ａの反対側にある。上部電極３３の第１縁３３ａ及び第２縁３３ｂは、第１端面１２ａから第２端面１２ｂへの方向に順に配列される。第１縁３３ａは、第１端面１２ａから離れる。具体的には、上部電極３３は、第２領域１３ｂに設けられ、第１領域１３ａ及び第３領域１３ｃには設けられない。量子カスケードレーザ１１によれば、上部電極３３の第１縁３３ａの隔置は、第２ストライプ部２１ｂのメサ幅より狭い半導体メサへのキャリアの供給を減らすことができる。

下部電極３５は、レーザ構造体１３の裏面上に設けられ、第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃにおいて半導体メサ２１に接続される。具体的には、下部電極３５は、レーザ構造体１３の半導体支持体１７に接触を成して、界面を形成す。この界面を、半導体支持体１７と上部電極３３との間に流れるキャリア（例えば、電子）が通過する。

上部電極３３及び下部電極３５の一方、例えば上部電極３３がカソード電極として働き、他方の電極、例えば下部電極３５がアノード電極として働く。量子カスケードレーザ１１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は、光共振器を有する。本実施例では、量子カスケードレーザ１１は、第１端面１２ａ及び第２端面１２ｂを含む分布帰還型の光共振器を有する。量子カスケードレーザ１１は、第２端面１２ｂの反射率を高める反射構造物を備えるようにしてもよく、このような反射構造物は第２端面１２ｂを覆うと共に第２端面１２ｂの近傍においてレーザ構造体１３の上面及び下面にも形成される。或いは、量子カスケードレーザ１１は、第１端面１２ａの反対側に分布ブラッグ反射器を備えることができる。

量子カスケードレーザ１１の例示。
上部導電性半導体領域２７ｂ：ｎ型ＩｎＰ上部クラッド層２７ｄ、必要な場合には、回折格子層２７ｇ（例えば、ｎ型ＧａＩｎＡｓ）、コンタクト層２７ｆ（例えば、ｎ型ＧａＩｎＡｓ）。
コア層２７ａ：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓの超格子層。
下部導電性半導体領域２７ｃ：ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層２７ｅ。
半導体支持体１７：ｎ型ＩｎＰ基板。
埋込領域２３：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。
上部電極３３及び下部電極３５：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）。

図２の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部に示されるように、第１ストライプ部２１ａ、第２ストライプ部２１ｂ、及び第１テーパー部２１ｃは、それぞれ、幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）を有し、第１ストライプ部２１ａの幅（Ｗ１）は第２ストライプ部２１ｂの幅（Ｗ２）より小さく、第１テーパー部２１ｃは、第１ストライプ部２１ａを第２ストライプ部２１ｂに繋ぐように徐々に変化する幅（Ｗ３）を有する。

図３の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部、図４、図５、図６、図７、並びに図８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及び図２を参照して為された記述における参照符合を用いる。

図３の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部に示されるように、基板生産物ＳＰ１を準備する。図３の（ａ）部は、第１軸Ａｘ１に沿って取られた断面を示す図面である。図３の（ｂ）部は、図３の（ａ）部に示されたＩＩＩｂ−ＩＩＩｂに沿った断面を示す図面である。図３の（ｃ）部は、図３の（ａ）部に示されたＩＩＩｃ−ＩＩＩｃに沿った断面を示す図面である。図３の（ａ）部は、図３の（ｂ）部及び（ｃ）部に示されたＩＩＩａ−ＩＩＩａに沿った断面を示す図面である。

基板生産物ＳＰ１は、成長用基板（引き続く説明において、半導体支持体１７として参照する）及び半導体積層１５のための積層体４７を含む。積層体４７は、下部導電性半導体領域２７ｃの下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、並びに上部導電性半導体領域２７ｂの回折格子層２７ｇ、上部クラッド層２７ｄ及びコンタクト層２７ｆのための半導体層を含む。具体的には、下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、及び回折格子層２７ｇのための半導体層を半導体支持体１７上に成長すると共に、リソグラフィ及びエッチングを用いて、回折格子層２７ｇに回折格子構造ＧＲのための周期構造を形成する。回折格子構造ＧＲが形成された回折格子層２７ｇ上に、上部クラッド層２７ｄ及びコンタクト層２７ｆのための半導体層を成長する。半導体積層１５のための半導体層は、半導体支持体１７上に成長される。この成長は、例えば有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法によって行われる。

回折格子構造ＧＲは、上部導電性半導体領域２７ｂ又は下部導電性半導体領域２７ｃ内に設けられることができ、本実施例では、上部導電性半導体領域２７ｂに設けられる。回折格子構造ＧＲは、上部クラッド層２７ｄと回折格子層２７ｇとの界面に形成される。

図４に示されるように、基板生産物ＳＰ１は、量子カスケードレーザ１１のための素子区画の配列を有する。本実施例では、素子区画の配列は、粗い破線で示された矩形として示される。基板生産物ＳＰ１の素子区画の配列上に量子カスケードレーザ１１の半導体メサ２１を規定するマスクＭ１を形成する。具体的には、マスクＭ１のための無機絶縁膜を基板生産物ＳＰ１上に堆積すると共に、この無機絶縁膜からフォトリソグラフィ及びエッチングによりマスクＭ１を形成する。マスクＭ１は、素子区画の配列を横切って延在しメサ形状を規定するパターンを有する。

図５に示されるように、マスクＭ１を用いて積層体４７及び半導体支持体１７をエッチングする。このエッチングにより、個々の素子区画に半導体メサ２１が形成される。半導体メサ２１は、第１ストライプ部２１ａ、第１テーパー部２１ｃ、及び第２ストライプ部２１ｂを含む。図１に示されるように、第１ストライプ部２１ａ、第１テーパー部２１ｃ、及び第２ストライプ部２１ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に順に配列される。

本実施例では、素子区画内において、第１ストライプ部２１ａが第１テーパー部２１ｃに繋がり、第１テーパー部２１ｃが第２ストライプ部２１ｂに繋がる。これらの継ぎ目は、半導体メサ２１の側面に、第１テーパー部２１ｃのテーパー角（角度ＡＧ１、０．１度から５度の範囲、例えば０．６度）に係る曲がりを与える。

半導体メサ２１を形成した後に、マスクＭ１を残す。

図６に示されるように、半導体支持体１７上に埋込領域２３のための半導体を成長する。具体的には、マスクＭ１を用いて半絶縁性の半導体を半導体支持体１７上に成長して、半導体メサ２１を埋め込む埋込領域２３を形成する。

この埋込領域の成長において、角度ＡＧ１の結果として、第１テーパー部２１ｃを埋め込む結晶成長の速度が第２ストライプ部２１ｂを埋め込む結晶成長の速度と有意に異なることになる可能性がある。また、第１テーパー部２１ｃを埋め込む結晶成長の速度が第１ストライプ部２１ａを埋め込む結晶成長の速度と有意に異なることになる可能性があって、第１テーパー部２１ｃと第１ストライプ部２１ａとの継ぎ目では、角度ＡＧ１の結果として半導体メサ２１の側面が１８０度未満の角度を成して出会う。継ぎ目では埋込領域が厚くなる場合がある。厚くなった埋込領域をへき開面が通過すると、へき開面がへき開ラインからずれることがある。

埋込領域の成長の完了に引き続いて、マスクＭ１を除去する。必要な場合には、シリコン系無機絶縁膜といった保護膜を半導体支持体１７の全面に形成することができる。保護膜は、第２ストライプ部２１ｂへの電気的接続のための開口を有する。

図７に示されるように、半導体メサ２１及び埋込領域２３上に上部電極３３と、半導体支持体１７の裏面上に下部電極３５とを形成する。上部電極３３は、第２ストライプ部２１ｂ及び埋込領域２３に接触を成し、下部電極３５は、半導体支持体１７の裏面に接触を成す。

図８に示されるように、上記の工程により作製された生産物ＷＰからレーザバーを作製する。レーザバーの作製では、生産物ＷＰをへき開する。具体的には、生産物ＷＰにけがき線ＳＣＲを形成する。けがき線ＳＣＲは、へき開ラインを規定する。けがき線ＳＣＲを押圧して、その地点において生産物ＷＰをへき開することで、レーザバーＬＤＢ及び残りの生産物を作製する。次いで、残りの生産物を押圧して、レーザバーＬＤＢ及び更なる残りの生産物を順に作製して、レーザバーＬＤＢを繰り返し作製する。

けがき線ＳＣＲは、へき開を案内することができる一方で、へき開の破断は、へき開ラインから僅かに外れて伝搬することがある。素子区画毎の第１ストライプ部２１ａは、破断の外れが第１テーパー部２１ｃを横切ることを避けることを可能にする。

また、隣接する素子区画を分離するへき開の破断が、いずれかの素子区画の第１ストライプ部２１ａを通過する。第１ストライプ部２１ａは、素子区画内の継ぎ目をへき開の破断面（レーザバーのへき開面）から離すことができる。

これらの工程により、量子カスケードレーザ１１が完成される。マスクＭ１のパターンは、単一のテーパー形状に加えて追加のテーパー形状を備えることができる。

発明者に検討によれば、へき開ラインの左右の両側にずれることがあり、ずれ量は、へき開ラインを基準にして絶対値で２０〜３０マイクロメートルの範囲になる。

図９は、隣接する素子区画におけるテーパー部を直接に繋ぐ構造を有する生産物を作製する量子カスケードレーザを作製する方法におけるへき開工程を概略的に示す図面である。図９を参照すると、けがき線ＳＣＲによって示されるへき開ラインから僅かに外れて伝搬するへき開の破断線ＢＲＫを示す。

（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、スポットサイズ変換を可能に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、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のレーザ導波路幅：５マイクロメートル。
量子カスケードレーザＤＶの半導体メサのテーパー部：２００マイクロメートルの長さ、１マイクロメートルの短幅、５マイクロメートルの長幅。

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。
半導体支持体；ｎ型ＩｎＰ基板、ＩｎＰ主面の面方位（１００）。
半導体メサの延在方向：（０−１−１）。
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。
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１０の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｄ）部は、実施例に係る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）を示す図面である。

具体的には、図１０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１０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１０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（半導体支持体１７の主面を原点とし、それより下方の半導体支持体１７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１０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１０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１０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１０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１０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。

このようなビーム放射角の縮小は、第１ストライプ部２１ａによって第１端面１２ａから隔置された第１テーパー部２１ｃを備える量子カスケードレーザＤＶによって提供される。第１ストライプ部を備えない量子カスケードレーザでは、導波路軸に沿って幅の変化する第１テーパー部が第１端面に現れる。このため、へき開面のずれによって、遠視野像及び近視野像が、量子カスケードレーザＣＶの遠視野像及び近視野像に近づくので、好ましくない。

発明者の上記の検討及び更なる検討からの知見を以下に示す：第１テーパー部２１ｃは、第１端面１２ａから、例えば１０マイクロメートル以上の長さで離されることができる。また、第１テーパー部２１ｃは、第１端面１２ａから、例えば１００マイクロメートル以下の長さで離されることができる。

第２ストライプ部２１ｂは、第１端面１２ａから、例えば１１０から１１００マイクロメートルの範囲の長さで離されることができる。第１テーパー部２１ｃは、１００から１０００マイクロメートルの範囲の長さを有することができる。第１ストライプ部２１ａは、０．５から３マイクロメートルのメサ幅を有することができ、第２ストライプ部２１ｂは、３から１０マイクロメートルのメサ幅を有することができる。

量子カスケードレーザ１１内の半導体を具体的に説明する。

半導体支持体１７は、良好な導電性を有しており、例えばｎ型ＩｎＰ基板を含むことができる。ＩｎＰ基板の使用は、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。

上部クラッド層２７ｄ及び下部クラッド層２７ｅの各々は、ｎ型のＩｎＰを含むことができる。

コア層２７ａ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。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。

量子カスケードレーザ１１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。屈折率分布構造は、図１の（ｂ）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２７ｇ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２７ｇ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２７ｇ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。

本実施例では、コンタクト層２７ｆは、上部導電性半導体領域２７ｂの上部クラッド層２７ｄと上部電極３３との間に設けられる。コンタクト層２７ｆは、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。

埋込領域２３は、アンドープまたは半絶縁半導体を含むことができる。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。アンドープ半導体及び半絶縁性のホスト半導体は、ＩｎＰといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を包含する。

図１１の（ａ）部は、本実施形態の具体例に係る量子カスケードレーザを概略的に示す平面図である。図１１の（ｂ）部は、図１１の（ａ）部に示されたＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿って取られた断面を示す図面である。

回折格子構造ＧＲは、第１端面１２ａから離れた終端を有する。図１１の（ｂ）部を参照すると、回折格子構造ＧＲは、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃに設けられ、第１領域１３ａには含まれない。

また、上部電極３３の第１縁３３ａは、第１端面１２ａから離れる。上部電極３３は、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃ上に設けられ、第１領域１３ａ上には設けられない。

図１２の（ａ）部は、本実施形態の具体例に係る量子カスケードレーザを概略的に示す平面図である。図１２の（ｂ）部は、図１２の（ａ）部に示されたＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線に沿って取られた断面を示す図面である。

具体的には、半導体メサ２１は、第３領域１３ｃに第２テーパー部２１ｄ及び第３ストライプ部２１ｅを有することができる。

第１テーパー部２１ｃ、第３ストライプ部２１ｅ及び第２テーパー部２１ｄは、第１端面１２ａから第２端面１２ｂへの方向、例えば第１軸Ａｘ１の方向に順に配列される。

量子カスケードレーザ１１によれば、半導体メサ２１は、単一のテーパー部分に限定されることなく、複数のテーパー部分を含むことができる。また、複数のテーパー部分は、追加のストライプ部分を介して繋がれる。第１テーパー部２１ｃ、第３ストライプ部２１ｅ及び第２テーパー部２１ｄの配列は、新たな継ぎ目を半導体メサに与える。これらの継ぎ目も、第１端面１２ａから離される。

図１２の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、第１ストライプ部２１ａ、第２ストライプ部２１ｂ、第１テーパー部２１ｃ、第３ストライプ部２１ｅ及び第２テーパー部２１ｄは、それぞれ、幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５）を有する。第１ストライプ部２１ａの幅（Ｗ１）は、第３ストライプ部２１ｅの幅（Ｗ５）より小さく、第３ストライプ部２１ｅの幅（Ｗ５）は、第２ストライプ部２１ｂの幅（Ｗ２）より小さい。第１テーパー部２１ｃは、第３ストライプ部２１ｅを第１ストライプ部２１ａに繋ぐように徐々に変化する幅（Ｗ３）を有する。第２テーパー部２１ｄは、第２ストライプ部２１ｂを第３ストライプ部２１ｅに繋ぐように徐々に変化する幅（Ｗ４）を有する。

回折格子構造ＧＲは、第１端面１２ａから離れた終端を有する。図１２の（ｂ）部を参照すると、回折格子構造ＧＲは、第２領域１３ｂに設けられ、第１領域１３ａ及び第３領域１３ｃには含まれない。

必要な場合には、回折格子構造ＧＲは、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃに設けられ、第１領域１３ａには含まれないようにしてもよい。

また、必要な場合には、上部電極３３は、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃ上に設けられ、第１領域１３ａ上には設けられないようにしてもよい。

図１３の（ａ）部は、本実施形態の具体例に係る量子カスケードレーザを概略的に示す平面図である。図１３の（ｂ）部は、図１３の（ａ）部に示されたＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ線に沿って取られた断面を示す図面である。

第１端面１２ａは、第１基準面Ｒ１Ｆに沿って延在する。半導体メサ２１及び半導体支持体１７は、第１基準面Ｒ１Ｆに沿って交差する第２基準面Ｒ２Ｆに沿って配列される。図１３の（ａ）部に示すように、第２基準面Ｒ２Ｆは、第１基準面Ｒ１Ｆとゼロ度より大きく９０度より小さい角度ＡＧ２（例えば８０〜８５度）で傾斜する。

必要な場合には、上記のように傾斜する半導体メサ２１が、図１２の（ａ）部に示されるように複数のテーパー部を含むようにしてもよい。

回折格子構造ＧＲは、第１端面１２ａから離れた終端を有する。図１２の（ｂ）部を参照すると、回折格子構造ＧＲは、第２領域１３ｂに設けられ、第１領域１３ａ及び第３領域１３ｃには含まれない。

必要な場合には、回折格子構造ＧＲは、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃに設けられ、第１領域１３ａには含まれないようにしてもよい。

また、必要な場合には、上部電極３３は、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃ上に設けられ、第１領域１３ａ上には設けられないようにしてもよい。

量子カスケードレーザ１１によれば、第１ストライプ部２１ａ及び第２ストライプ部２１ｂを伝搬する導波光は、ゼロ度より大きく９０度より小さい角度で第１端面１２ａに対して入射する。この角度は例えば、８０から８５度の範囲にあることができる。

必要な場合には、第１端面１２ａは、第１基準面Ｒ１Ｆに沿って延在すると共に、半導体メサ２１及び半導体支持体１７が第２基準面Ｒ２Ｆに沿って配列されて、第２基準面Ｒ２Ｆは第１基準面Ｒ１Ｆに対して実質的に直交することができる。量子カスケードレーザ１１によれば、第１ストライプ部２１ａ及び第２ストライプ部２１ｂを伝搬する導波光は、実質的に９０度の角度で第１端面１２ａに入射する。

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、へき開ラインを基準としたへき開面の位置ずれに係る影響を低減できる量子カスケードレーザを提供できる。

１１…量子カスケードレーザ、１３…レーザ構造体、１２ａ…第１端面、１２ｂ…第２端面、１３ａ…第１領域、１３ｂ…第２領域、１３ｃ…第３領域、Ａｘ１…第１軸、１５…半導体積層、１７…半導体支持体、２１…半導体メサ、２３…埋込領域、２７ａ…コア層、２７ｂ…上部導電性半導体領域、２７ｃ…下部導電性半導体領域、２７ｄ…上部クラッド層、２７ｅ…下部クラッド層、２７ｆ…コンタクト層、２７ｇ…回折格子層、ＧＲ…回折格子構造、２１ａ…第１ストライプ部、２１ｂ…第２ストライプ部、２１ｃ…第１テーパー部、３３…上部電極、３５…下部電極、３３ａ…第１縁、３３ｂ…第２縁、ＳＰ１…基板生産物、４７…積層体、Ｍ１…マスク、ＡＧ１…角度、ＷＰ…生産物、ＳＣＲ…けがき線、ＢＲＫ…破断線、２１ｄ…第２テーパー部、２１ｅ…第３ストライプ部、Ｒ１Ｆ…第１基準面、Ｒ２Ｆ…第２基準面。

Claims (7)

1. 量子カスケードレーザであって、
   第１端面及び前記第１端面の反対側の第２端面を有し半導体積層及び半導体支持体を含むレーザ構造体を備え、
   前記半導体支持体は、前記半導体積層を搭載し、
   前記レーザ構造体は、コア層を含む半導体メサ及び前記半導体メサを埋め込む埋込領域を含み、
   前記レーザ構造体は、第１領域、第２領域及び第３領域を含み、
   前記第３領域は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、
   前記第１領域は、前記第１端面を含み、
   前記半導体メサは、前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域に、それぞれ、第１ストライプ部、第２ストライプ部、及び第１テーパー部を含み、
   前記第１ストライプ部及び前記第２ストライプ部は、互いに異なるメサ幅を有する、量子カスケードレーザ。
2. 前記半導体メサは、前記第２領域に回折格子構造を形成する半導体層を含む、請求項１に記載された量子カスケードレーザ。
3. 前記回折格子構造は、前記第１端面から離れた終端を有する、請求項２に記載された量子カスケードレーザ。
4. 前記レーザ構造体上に設けられた電極を更に備え、
   前記電極は、前記第２領域の前記半導体メサに接続される、請求項１から請求項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. 前記電極は、第１縁及び該第１縁の反対側の第２縁を有し、
   前記電極の前記第１縁及び前記第２縁は、前記第１端面から前記第２端面への方向に順に配列され、
   前記第１縁は、前記第１端面から離れる、請求項４に記載された量子カスケードレーザ。
6. 前記半導体メサは、前記第３領域に第２テーパー部及び第３ストライプ部を有し、
   前記第１テーパー部、前記第３ストライプ部及び前記第２テーパー部は、前記第１端面から前記第２端面への方向に順に配列される、請求項１から請求項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端面は、第１基準面に沿って延在しており、
   前記半導体メサ及び前記半導体支持体は、前記第１基準面に交差する第２基準面に沿って配列され、
   前記第２基準面は、前記第１基準面とゼロ度より大きく９０度より小さい角度で傾斜する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザ。

Images