JP2021077669A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】出射面におけるレーザ光の反射率を制御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方向にレーザ光を出射する出射面を有するレーザ構造体と、前記出射面１０ａ上に設けられた反射膜２０と、を備え、前記レーザ構造体は、コア層１４ｂを備え、前記出射面１０ａは、前記コア層１４ｂの端面を含み、前記端面は、第１領域１４ｂｅ1と、前記第１領域とは異なる第２領域１４ｂｅ２と、を含み、前記反射膜２０は、前記第１領域１４ｂｅ1を覆っており、前記第２領域１４ｂｅ２を覆っていない。
【選択図】図４

Description

本開示は、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。
Qi Jie Wang et al., "Highperformance quantum cascade lasers based on three-phononresonance design",APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.94, 011103 (2009)
量子カスケードから出射されるレーザ光の出射面に反射膜が設けられる場合がある。その場合、大きな光出力及び小さな閾値電流(レーザ発振に必要な電流)を得るために、反射膜の反射率は５０〜８０％程度とされる。そのような反射率を得るためには、反射膜の厚さを例えば１０ｎｍ未満と薄くする必要がある。しかしながら、蒸着又はスパッタリングにより反射膜としての金属膜を形成する場合、金属膜が薄すぎるため、金属粒子が堆積されない領域が生じるおそれがある。また、金属粒子の堆積時間が数秒程度と短時間であるため、成膜の再現性も低い。このように、反射膜の膜厚によって出射面におけるレーザ光の反射率を制御することは難しい。
本開示は、出射面におけるレーザ光の反射率を制御できる量子カスケードレーザを提供する。
本開示の一側面に係る量子カスケードレーザは、第１方向にレーザ光を出射する出射面を有するレーザ構造体と、前記出射面上に設けられた反射膜と、を備え、前記レーザ構造体は、コア層を備え、前記出射面は、前記コア層の端面を含み、前記端面は、第１領域と、前記第１領域とは異なる第２領域と、を含み、前記反射膜は、前記第１領域を覆っており、前記第２領域を覆っていない。
本開示によれば、出射面におけるレーザ光の反射率を制御できる量子カスケードレーザが提供され得る。
図１は、一実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、一実施形態に係る量子カスケードレーザの出射面を模式的に示す正面図である。 図５は、出射面におけるアルミナ膜厚と実効的な反射率との関係の例を示すグラフである。 図６は、出射面におけるスリットの幅と実効的な反射率との関係の例を示すグラフである。 図７は、スリットの幅と閾値電流との関係の例を示すグラフである。 図８は、スリットの幅を変化させた場合の電流と光出力との関係の例を示すグラフである。 図９は、スリットの幅及びアルミナ膜厚を変化させた場合の電流と光出力との関係の例を示すグラフである。 図１０は、一実施形態に係る量子カスケードレーザの製造方法における一工程を示す図である。 図１１の（ａ）は、一実施形態に係る量子カスケードレーザの製造方法における一工程を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿った断面図である。 図１２は、一実施形態に係る量子カスケードレーザの製造方法における一工程を示す上面図である。
［本開示の実施形態の説明］
一実施形態に係る量子カスケードレーザは、第１方向にレーザ光を出射する出射面を有するレーザ構造体と、前記出射面上に設けられた反射膜と、を備え、前記レーザ構造体は、コア層を備え、前記出射面は、前記コア層の端面を含み、前記端面は、第１領域と、前記第１領域とは異なる第２領域と、を含み、前記反射膜は、前記第１領域を覆っており、前記第２領域を覆っていない。
上記量子カスケードレーザによれば、コア層の端面の第１領域においてレーザ光の大部分は反射膜によって反射される。一方、コア層の端面の第２領域においてレーザ光の大部分は出射面から出射される。そのため、第１領域と第２領域との面積比を調整することによって、出射面におけるレーザ光の実効的な反射率を制御できる。
前記レーザ構造体は、前記コア層を含むメサ導波路を備え、前記メサ導波路は、前記第１方向に延在すると共に、前記第１方向に交差する第２方向に突出しており、前記反射膜は、前記第２領域に設けられたスリットを有し、前記スリットは、前記第２方向に延在してもよい。この場合、スリットの幅を調整することによって、第１領域と第２領域との面積比を調整できる。
前記スリットの幅は、前記メサ導波路の幅よりも小さくてもよい。この場合、出射面におけるレーザ光の実効的な反射率を大きくできる。
前記第２方向において、前記スリットの長さが前記出射面における前記レーザ光のスポットサイズの大きさよりも大きくてもよい。この場合、第２方向におけるレーザ光のスポットサイズの全長にわたってスリットが位置する。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。
図１は、一実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、一実施形態に係る量子カスケードレーザの出射面を模式的に示す正面図である。図１〜図４には、互いに交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向（第１方向）及びＺ軸方向（第２方向）が示される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は例えば互いに直交している。
図１〜図４に示される量子カスケードレーザ１は、例えば産業用レーザ加工装置又は、環境分析、産業ガス分析、医療診断等における光計測装置に用いられる。量子カスケードレーザ１は、レーザ構造体１０を備える。レーザ構造体１０は、Ｙ軸方向にレーザ光Ｌを発振可能な共振器である。レーザ構造体１０は、Ｙ軸方向にレーザ光Ｌを出射する出射面１０ａと、Ｙ軸方向において出射面１０ａとは反対側の反射面１０ｂとを有する。出射面１０ａは、前端面である。反射面１０ｂは後端面である。出射面１０ａ及び反射面１０ｂのそれぞれは、Ｙ軸方向に対して直交してもよい。出射面１０ａ及び反射面１０ｂのそれぞれは、例えば矩形形状を有する。レーザ構造体１０の形状は、例えば直方体である。レーザ構造体１０は、Ｙ軸方向において例えば１〜３ｍｍの長さＬ１、Ｘ軸方向において例えば４００〜８００μｍの幅Ｗ１、Ｚ軸方向において１００〜２００μｍの厚さＨ１を有する。
レーザ構造体１０は、基板１２と、基板１２の主面１２ｓ上に設けられたメサ導波路１４と、メサ導波路１４の側面を埋め込む電流ブロック領域１６とを備える。Ｘ軸方向において、メサ導波路１４は、一対の電流ブロック領域１６間に配置される。この場合、レーザ構造体１０は、埋め込みヘテロストラクチャー（ＢＨ）構造を有する。電流ブロック領域１６は、例えばＦｅがドープされたＩｎＰ領域等のアンドープ又は半絶縁性のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体領域である。
基板１２は、例えばｎ型ＩｎＰ基板等のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板である。基板１２は、Ｙ軸方向に延在する凸部１２ａを有する。凸部１２ａ上にはメサ導波路１４が設けられる。
メサ導波路１４は、Ｙ軸方向に延在すると共にＺ軸方向に突出している。Ｙ軸方向はメサ導波路１４の導波路方向である。メサ導波路１４は、主面１２ｓからの高さＨＭを有する。メサ導波路１４は、Ｚ軸方向に積層された複数の半導体層を含む積層体である。メサ導波路１４は、基板１２の凸部１２ａ上に設けられた下部クラッド層１４ａと、下部クラッド層１４ａ上に設けられたコア層１４ｂと、コア層１４ｂ上に設けられた回折格子層１４ｃと、回折格子層１４ｃ上に設けられた上部クラッド層１４ｄと、上部クラッド層１４ｄ上に設けられたコンタクト層１４ｅとを備える。Ｚ軸方向において、凸部１２ａ、下部クラッド層１４ａ、コア層１４ｂ、回折格子層１４ｃ、上部クラッド層１４ｄ及びコンタクト層１４ｅは、この順に配列される。
コンタクト層１４ｅ及び電流ブロック領域１６上には、上部電極４０が設けられる。上部電極４０と電流ブロック領域１６との間には保護膜４２が設けられる。基板１２の裏面（主面１２ｓとは反対側の面）には下部電極５０が設けられる。量子カスケードレーザ１が動作する際には、上部電極４０及び下部電極５０のうち一方がカソード電極、他方がアノード電極として働く。上部電極４０と下部電極５０との間に所定の電圧が印加されることによってコア層１４ｂに電流が注入される。その結果、レーザ光Ｌが発振される。上部電極４０及び下部電極５０は、例えばＴｉ／Ａｕ膜、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜又はＧｅ／Ａｕ膜等である。
下部クラッド層１４ａ及び上部クラッド層１４ｄは、例えばｎ型ＩｎＰ層等のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層である。ＩｎＰは中赤外線に対して透明である。
コア層１４ｂは、複数の活性層及び複数の注入層が交互に積層された構造を有する。活性層及び注入層のそれぞれは、複数の井戸層と複数のバリア層とが交互に積層された超格子列を有する。井戸層及びバリア層のそれぞれは、数ｎｍの厚さを有する。超格子列としては、例えばＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ等が使用可能である。キャリアとしては、電子のみが用いられる。伝導帯サブバンド間遷移により、中赤外領域（例えば波長７μｍ）のレーザ光Ｌが発振される。
回折格子層１４ｃは、Ｙ軸方向にピッチΛで周期的に配列された複数の凹部１４ｃ１を有する。ピッチΛは、レーザ光Ｌの発振波長λを規定する。各凹部１４ｃ１は、Ｘ軸方向に延在する溝である。これにより、量子カスケードレーザ１は、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）のレーザとして機能する。回折格子層１４ｃの凹部１４ｃ１は上部クラッド層１４ｄによって埋め込まれる。回折格子層１４ｃは、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓ層等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層である。
コンタクト層１４ｅは、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓ層等のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層である。
下部クラッド層１４ａとコア層１４ｂとの間に光閉じ込め層が設けられてもよい。回折格子層１４ｃとコア層１４ｂとの間に光閉じ込め層が設けられてもよい。光閉じ込め層は、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓ層等のｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層である。
ｎ型のドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｅ等が使用可能である。
量子カスケードレーザ１は、反射膜２０と反射膜３０とを備える。反射膜２０は、保護膜２２を介して出射面１０ａ上に設けられる。保護膜２２は例えば出射面１０ａの全面を覆う。反射膜３０は、保護膜３２を介して反射面１０ｂ上に設けられる。保護膜３２及び反射膜３０は例えば反射面１０ｂの全面を覆う。保護膜２２及び保護膜３２は、例えばアルミナ膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜等の誘電体膜又は絶縁膜である。
反射膜２０及び反射膜３０は、例えば金を含む。反射膜２０及び反射膜３０のそれぞれは、例えばＴｉ／Ａｕ膜、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜又はＧｅ／Ａｕ膜である。反射膜２０及び反射膜３０の厚さは１０ｎｍ以上であってもよいし、５０ｎｍ以上であってもよいし、１００ｎｍ以上であってもよい。反射膜３０の厚さは、２００ｎｍ以下であってもよい。膜厚を５０ｎｍ以上にすると反射膜の製造の再現性がよい。膜厚が厚いほど反射率を上げることができるが、反射膜が２００ｎｍより厚くなると反射率の増加が少なくなる。波長７μｍの光に対する反射膜２０及び反射膜３０の反射率は、８０％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。反射率が高いほど閾値電流を下げることができる。
図４に示されるように、出射面１０ａは、基板１２の端面、メサ導波路１４の端面及び電流ブロック領域１６の端面を含む。より具体的には、出射面１０ａはコア層１４ｂの端面１４ｂｅを含む。端面１４ｂｅは、第１領域１４ｂｅ１と、第１領域１４ｂｅ１とは異なる第２領域１４ｂｅ２とを含む。反射膜２０は、第１領域１４ｂｅ１を覆っており、第２領域１４ｂｅ２を覆っていない。すなわち、反射膜２０は、コア層１４ｂの端面１４ｂｅを部分的に覆っている。本実施形態では、Ｘ軸方向において、第２領域１４ｂｅ２が一対の第１領域１４ｂｅ１間に配置される。
反射膜２０は、第２領域１４ｂｅ２に設けられたスリット２０ａを有する。スリット２０ａは、Ｚ軸方向に延在している。スリット２０ａの幅ＷＳは、メサ導波路１４の幅ＷＭよりも小さい。この場合、反射膜２０は、基板１２の端面の一部、メサ導波路１４の端面の一部、及び電流ブロック領域１６の端面を覆う。本実施形態において、スリット２０ａにおける出射面１０ａ上には保護膜２２が設けられる。これにより、例えば酸化等により出射面１０ａの半導体結晶が劣化することを抑制できる。また、保護膜２２が、スリット２０ａに対応するスリットを有してもよい。この場合、スリット２０ａにおいて、基板１２の端面の一部及びメサ導波路１４の端面の一部が空間に露出することになる。これにより、出射面１０ａにおける放熱性が向上するので、量子カスケードレーザ１の温度特性を改善できる。スリット２０ａの幅ＷＳは、例えば１〜５μｍである。メサ導波路１４の幅ＷＭは例えば２〜５μｍである。Ｚ軸方向において、スリット２０ａの長さＨＳは、出射面１０ａにおけるレーザ光ＬのスポットサイズＳＰの大きさＨＳＰよりも大きい。
出射面１０ａのうち反射膜２０によって覆われている領域（第１領域１４ｂｅ１等）において、波長７μｍの光に対する反射率は、例えば９０％以上である。一方、出射面１０ａのうち反射膜２０によって覆われていない領域（第２領域１４ｂｅ２等）において、波長７μｍの光に対する反射率は、例えば３０％以下である。波長７μｍの光に対する出射面１０ａの実効的な反射率は、例えば２０〜８０％である。幅ＷＳが１〜５μｍのスリット２０ａにより、この範囲の実効的な反射率が得られる。
発振波長に対する出射面１０ａの実効的な反射率Ｒｅｆｆ（％）は、下記式（１）のように表される。
Ｒｅｆｆ＝１００−Γ×（１−Ｒ／１００） … （１）
Γは、出射面１０ａのうち反射膜２０によって覆われていない領域（スリット２０ａの領域）に分布する光強度の百分率（％）を表す。Γは、ビーム伝搬法（ＢＰＭ：Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）により計算される。Ｒは、反射膜２０が設けられていない状態において発振波長に対する出射面１０ａの反射率（％）を表す。例えば、Γが４６％、Ｒが２４％の場合、Ｒｅｆｆは６５％となる。
本実施形態の量子カスケードレーザ１によれば、コア層１４ｂの端面１４ｂｅの第１領域１４ｂｅ１においてレーザ光Ｌの大部分は反射膜２０によって反射される。一方、コア層１４ｂの端面１４ｂｅの第２領域１４ｂｅ２においてレーザ光Ｌの大部分は出射面１０ａから出射される。そのため、第１領域１４ｂｅ１と第２領域１４ｂｅ２との面積比を調整することによって、出射面１０ａにおけるレーザ光Ｌの実効的な反射率Ｒｅｆｆを制御できる。第１領域１４ｂｅ１が第２領域１４ｂｅ２に対して小さくなるに連れて、出射面１０ａにおけるレーザ光Ｌの実効的な反射率は小さくなる。反対に、第１領域１４ｂｅ１が第２領域１４ｂｅ２に対して大きくなるに連れて、出射面１０ａにおけるレーザ光Ｌの実効的な反射率は大きくなる。実効的な反射率は、波長７μｍの光に対して例えば２０〜８０％の範囲で調整可能である。よって、反射膜２０の膜厚を高精度に制御する必要がない。さらに、レーザ光Ｌの光出力を例えば１０ｍＷ以上とすることもできる。
反射膜２０がスリット２０ａを有していると、スリット２０ａの幅ＷＳを調整することによって、第１領域１４ｂｅ１と第２領域１４ｂｅ２との面積比を調整できる。例えば、スリット２０ａの幅ＷＳを大きくすると、出射面１０ａにおけるレーザ光Ｌの実効的な反射率が小さくなる。スリット２０ａの幅ＷＳがメサ導波路１４の幅ＷＭよりも小さいと、出射面１０ａにおけるレーザ光Ｌの実効的な反射率を大きくできる。スリット２０ａの長さＨＳが出射面１０ａにおけるレーザ光ＬのスポットサイズＳＰの大きさＨＳＰよりも大きいと、Ｚ軸方向におけるレーザ光ＬのスポットサイズＳＰの全長にわたってスリット２０ａが位置する。
以下、図５〜図９を参照しながら、量子カスケードレーザ１と同様の構成を有する量子カスケードレーザを例として行ったシミュレーションについて説明する。ただし、本例の量子カスケードレーザは、回折格子層を有していないファブリペロー（ＦＰ）型の量子カスケードレーザである。この量子カスケードレーザは、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層、コア層、ｎ−ＧａＩｎＡｓ上部光閉じ込め層、ｎ−ＩｎＰ上部クラッド層、ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層が順に形成されたメサ導波路を有する。コア層は、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列からなる活性層及び注入層により構成される単位構造が積層された構成を有する。メサ導波路の幅はＷＭである。メサ導波路の側面は、Ｆｅ−ＩｎＰ電流ブロック領域によって埋め込まれる。ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層上にはＡｕ上部電極が設けられる。ｎ型ＩｎＰ基板の裏面にはＡｕ下部電極が設けられる。レーザ構造体の後端面の全面には、アルミナ絶縁膜を介してＡｕ高反射膜（反射率ほぼ１００％）が設けられる。レーザ構造体の前端面（出射面）の全面には、アルミナ絶縁膜を介してスリットを有するＡｕ高反射膜（反射率ほぼ１００％）が設けられる。スリットは、メサ導波路に対応する位置に設けられる。スリットの幅はＷＳである。レーザ光の発振波長は、７．３６５μｍである。本波長に対するアルミナの吸収は無視できる程度に微小であるため、アルミナの吸収をゼロと近似して計算を行った。Ａｕ高反射膜の厚さは、全反射が得られる程度の十分な厚さ（例えば１００〜２００ｎｍ）とした。
レーザ光の出射面における反射率は、Ａｕ高反射膜だけでなく、アルミナ絶縁膜の膜厚にも依存する。アルミナ絶縁膜の膜厚は、λ（＝λ０／ｎ）を単位として表される。λ０は、真空中での発振波長（すなわち７．３６５μｍ）を表す。ｎは、波長λ０に対するアルミナの屈折率（すなわち約１．３７８３）を表す。レーザ光の出射面における反射率は、アルミナ絶縁膜が形成された端面のアルミナ絶縁膜の膜厚に対して正弦波を描くように０．５λの周期で変動する。よって、反射率は、０〜λ／４の膜厚範囲における変化を繰り返すことになるので、当該膜厚範囲における反射率の変化を考慮して計算を行えば、反射率の全範囲が網羅される。そこで、メサ導波路の幅ＷＭを、波長７μｍ帯の量子カスケードレーザにおいて一般的な５μｍで固定し、アルミナ膜厚を０〜λ／４の範囲で変化させ、スリットの幅ＷＳを１〜５μｍの範囲で変化させて実効的な反射率の計算を行った。計算結果を図５に示す。
図５は、出射面におけるアルミナ膜厚と実効的な反射率との関係の例を示すグラフである。図５中、Ｒ０は、出射面にコーティングが無い場合（出射面として半導体面が空間に露出している場合）の結果を示す。Ｒ１はスリットの幅ＷＳが１μｍである時の結果を示す。Ｒ２はスリットの幅ＷＳが２μｍである時の結果を示す。Ｒ３はスリットの幅ＷＳが３μｍである時の結果を示す。Ｒ４はスリットの幅ＷＳが４μｍである時の結果を示す。Ｒ５はスリットの幅ＷＳが５μｍである時の結果を示す。図５に示されるように、スリットの幅ＷＳを減少させると、実効的な反射率は上昇する。一方、アルミナ膜厚を増加させると、実効的な反射率は緩やかに低下する。しかし、低下率は小さいので、実効的な反射率のアルミナ膜厚への依存性は小さいことが分かる。このように、スリットの幅ＷＳ及びアルミナ膜厚を調整することによって、実効的な反射率を約２０〜８０％の範囲内で調整できる。
続いて、アルミナ膜厚をλ／４に固定し、メサ導波路の幅ＷＭを１〜５μｍの範囲で変化させ、スリットの幅ＷＳを１〜５μｍの範囲で変化させて計算を行った。計算結果を図６に示す。
図６は、出射面におけるスリットの幅ＷＳと実効的な反射率との関係の例を示すグラフである。図６中、Ｒ０は、出射面にコーティングが無い場合の結果を示す。Ｒ１１はメサ導波路の幅ＷＭが１μｍである時の結果を示す。Ｒ１２はメサ導波路の幅ＷＭが２μｍである時の結果を示す。Ｒ１３はメサ導波路の幅ＷＭが３μｍである時の結果を示す。Ｒ１４はメサ導波路の幅ＷＭが４μｍである時の結果を示す。Ｒ１５はメサ導波路の幅ＷＭが５μｍである時の結果を示す。図６に示されるように、スリットの幅ＷＳを調整することによって、実効的な反射率を約２０〜８０％の範囲内で調整できる。また、メサ導波路の幅ＷＭが２〜５μｍの場合の実効的な反射率に比べて、メサ導波路の幅ＷＭが１μｍの場合の実効的な反射率は有意に大きくなっている。メサ導波路の幅ＷＭが１μｍと小さくなると、メサ導波路内への光の閉じ込めが困難となる。その結果、メサ導波路の外側に拡散した光が増加し、当該光がＡｕ高反射膜によって全反射されるので、メサ導波路の幅ＷＭが１μｍの場合の実効的な反射率が大きくなる。
図５及び図６から分かるように、メサ導波路の幅ＷＭ、スリットの幅ＷＳ及びアルミナ膜厚を調整することによって、出射面における実効的な反射率を約２０〜８０％の範囲内で調整できる。また、スリットの位置では、出射面にＡｕ高反射膜が形成されず、アルミナ絶縁膜のみが形成されているので、Ａｕ高反射膜によるレーザ光の吸収を回避できる。その結果、高い光出力（例えば１０ｍＷ以上）のレーザ光が得られる。さらに、メサ導波路の幅ＷＭ、スリットの幅ＷＳ及びアルミナ膜厚を調整することによって、出射面にコーティングが無い場合（図５及び図６のＲ０）よりも低い実効的な反射率を得ることも可能である。
また、図６に対応する閾値電流の計算を行った。計算結果を図７に示す。図７は、スリットの幅ＷＳと閾値電流との関係の例を示すグラフである。図７中、Ｉ１は、メサ導波路の幅ＷＭが１μｍの場合の結果を示す。Ｉ２は、メサ導波路の幅ＷＭが２μｍの場合の結果を示す。Ｉ３は、メサ導波路の幅ＷＭが３μｍの場合の結果を示す。Ｉ４は、メサ導波路の幅ＷＭが４μｍの場合の結果を示す。Ｉ５は、メサ導波路の幅ＷＭが５μｍの場合の結果を示す。図６及び図７から分かるように、メサ導波路の幅ＷＭの各値において、スリットの幅ＷＳが減少すると、実効的な反射率が高まるため、閾値電流は減少する。メサ導波路の幅ＷＭが２〜５μｍの範囲では、スリットの幅ＷＳが同じであれば、メサ導波路の幅ＷＭが小さくなるほど閾値電流も小さくなる。これは、メサ導波路の幅ＷＭが小さくなると、電流が注入されるコア層の幅も小さくなるためである。しかし、メサ導波路の幅ＷＭが１μｍの場合、実効的な反射率は最大になるにも拘らず、閾値電流は最大となっている。上述の通り、メサ導波路の幅ＷＭが１μｍと小さいと、メサ導波路内への光の閉じ込めが困難となるため、コア層における誘導放出による光の増幅が困難となる。その結果、閾値電流が増加する。実効的な反射率の増加による閾値電流の低減効果よりも、光の増幅が困難になることによる閾値電流の増加効果の方が大きいので、閾値電流が大きくなる。メサ導波路の幅ＷＭが５μｍより大きくなると、発振横モードの多モード化により発振特性が不安定になる場合があり、好ましくない。
また、メサ導波路の幅ＷＭを５μｍ、アルミナ膜厚をλ／４に固定し、スリットの幅ＷＳを変化させた場合の電流−光出力特性の計算を行った。計算結果を図８に示す。図８は、スリットの幅を変化させた場合の電流と光出力との関係の例を示すグラフである。図８中、Ｌ０は、出射面にコーティングが無い場合の結果を示す。Ｌ１は、スリットの幅ＷＳが１μｍの場合の結果を示す。Ｌ２は、スリットの幅ＷＳが２μｍの場合の結果を示す。Ｌ３は、スリットの幅ＷＳが３μｍの場合の結果を示す。Ｌ４は、スリットの幅ＷＳが４μｍの場合の結果を示す。Ｌ５は、スリットの幅ＷＳが５μｍの場合の結果を示す。図８に示されるように、スリットの幅ＷＳが小さくなると、実効的な反射率が増加するため、閾値電流を低減できる。しかし、スリットからの出射光の取り出しが困難化するため、出射光のスロープ効率が減少する。よって、高出力が得られにくい。一方、スリットの幅ＷＳが大きくなると、実効的な反射率が減少するため、閾値電流が増加する。しかし、スリットからの出射光の取り出しが容易になるため、出射光のスロープ効率が増加する。よって、高出力が得られやすい。また、スリットの幅ＷＳが４μｍでは、出射面にコーティングが無い場合とほぼ同じ結果が得られる。これは、図５及び図６に示されるように、スリットの幅ＷＳが４μｍでは、出射面にコーティングが無い場合とほぼ同じ実効的な反射率が得られるからである。
また、メサ導波路の幅ＷＭを５μｍに固定し、アルミナ膜厚をλ／４又はλ／１６とし、スリットの幅ＷＳを変化させた場合の電流−光出力特性の計算を行った。計算結果を図９に示す。図９は、スリットの幅及びアルミナ膜厚を変化させた場合の電流と光出力との関係の例を示すグラフである。図９中、Ｌ１は、アルミナ膜厚がλ／４であり、スリットの幅ＷＳが１μｍの場合の結果を示す。Ｌ１１は、アルミナ膜厚がλ／１６であり、スリットの幅ＷＳが１μｍの場合の結果を示す。Ｌ３は、アルミナ膜厚がλ／４であり、スリットの幅ＷＳが３μｍの場合の結果を示す。Ｌ１３は、アルミナ膜厚がλ／１６であり、スリットの幅ＷＳが３μｍの場合の結果を示す。Ｌ５は、アルミナ膜厚がλ／４であり、スリットの幅ＷＳが５μｍの場合の結果を示す。Ｌ１５は、アルミナ膜厚がλ／１６であり、スリットの幅ＷＳが５μｍの場合の結果を示す。図５において説明した通り、スリットの幅ＷＳが同じ場合、アルミナ膜厚が大きい方が実効的な反射率が低減される。よって、図９に示されるように、スリットの幅ＷＳが同じ場合、アルミナ膜厚が大きくなると閾値電流が増加する一方、高出力が得られる。また、アルミナ膜厚が同じ場合は、スリットの幅ＷＳが大きくなると閾値電流が増加する一方、高出力が得られる。これは、図８における傾向と同じである。
次に、図１０〜図１２を参照して、本実施形態に係る量子カスケードレーザ１の製造方法の例について説明する。図１０は、一実施形態に係る量子カスケードレーザの製造方法における一工程を示す図である。図１１の（ａ）は、一実施形態に係る量子カスケードレーザの製造方法における一工程を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿った断面図である。図１２は、一実施形態に係る量子カスケードレーザの製造方法における一工程を示す上面図である。量子カスケードレーザ１は、例えば以下のように製造される。
まず、図１０に示されるように、基板１２上に設けられた複数のメサ導波路１４を備える基板製品１００ａを準備する。基板製品１００ａは、図１〜図４に示すレーザ構造体１０がＸ軸方向及びＹ軸方向に複数配列され、互いに連結された構造を有する。基板製品１００ａは、隣り合うメサ導波路１４間に設けられた電流ブロック領域１６を備える。電流ブロック領域１６上には保護膜４２が設けられる。メサ導波路１４及び保護膜４２上には、上部電極４０が設けられる。基板１２の裏面には下部電極５０が設けられる。基板製品１００ａは例えば以下のように得られる。
例えばｎ型ＩｎＰ基板等の基板上に、例えば有機金属成長法（ＯＭＶＰＥ法）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ法）により複数の半導体層を順に成長させる。複数の半導体層は、下部クラッド層１４ａ、コア層１４ｂ、回折格子層１４ｃ、上部クラッド層１４ｄ及びコンタクト層１４ｅである。一例において、下部クラッド層１４ａとなる半導体層はＳｉドープＩｎＰ層であり、コア層１４ｂとなる半導体層はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列からなる活性層及び注入層の積層体であり、回折格子層１４ｃとなる半導体層はＳｉドープＧａＩｎＡｓ層であり、上部クラッド層１４ｄとなる半導体層はＳｉドープＩｎＰ層であり、コンタクト層１４ｅとなる半導体層はＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。回折格子層１４ｃとなる半導体層には、フォトリソグラフィー及びエッチングにより凹部１４ｃ１が形成される。
次に、メサ導波路１４を形成するための絶縁マスクを用いて各半導体層をドライエッチングすることによって、ストライプ状のメサ導波路１４を形成する。一例において、基板１２の主面１２ｓからのメサ導波路１４の高さＨＭは７μｍ、メサ導波路１４の幅ＷＭは５μｍである。その後、メサ導波路１４の側面を埋め込む電流ブロック領域１６を成長させる。電流ブロック領域１６は、例えば有機金属成長法により形成される。一例において、電流ブロック領域１６はＦｅドープＩｎＰ領域である。メサ導波路１４の高さ方向（Ｚ軸方向）における電流ブロック領域１６の厚さは、メサ導波路１４から離れるに連れて小さくなる。そのため、Ｙ軸方向から見て、メサ導波路１４が電流ブロック領域１６に対して突出することになる。よって、フォトリソグラフィーにおける露光装置、収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置等において、メサ導波路１４の位置を視認できる。続いて、絶縁マスクを除去した後、メサ導波路１４及び電流ブロック領域１６上に保護膜４２を形成する。一例において、保護膜４２はＳｉＯ２層である。その後、メサ導波路１４上の保護膜４２にストライプ状の開口を形成し、当該開口にコンタクト層１４ｅを露出させる。続いて、コンタクト層１４ｅに接触する上部電極４０を例えば蒸着により形成する。一例において、上部電極４０はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜である。その後、基板１２の裏面を研磨することによって、基板１２の厚さを例えば１００〜２００μｍまで薄くする。次に、基板１２の裏面に、例えば蒸着により下部電極５０を形成する。一例において、下部電極５０はＧｅ／Ａｕ膜である。
次に、例えば格子状の切断線に沿って基板１２を切断することにより、複数のレーザバー１００が得られる。切断の例は、へき開である。各レーザバー１００は、図１〜図４に示すレーザ構造体１０がＸ軸方向に複数配列され、互いに連結された構造を有する。
次に、上部電極４０及び下部電極５０のそれぞれの上に第１保護板を配置した状態で、レーザバーの前端面（出射面１０ａとなる面）及び後端面（反射面１０ｂとなる面）にそれぞれ保護膜２２及び３２を順に形成する。保護膜２２及び３２は、例えばスパッタリング又はＣＶＤ法により形成される。Ｙ軸方向において、第１保護板の長さは、レーザバーの共振器長（レーザ構造体１０の長さＬ１）よりも小さい。続いて、第１保護板を除去し、上部電極４０及び下部電極５０のそれぞれの上に第２保護板を配置した状態で、各保護膜２２及び３２上に反射膜２０又は反射膜３０となる金属膜を例えば蒸着により形成する。Ｙ軸方向において、第２保護板の長さは、第１保護板よりも長い。これにより、反射膜２０又は反射膜３０の縁と上部電極４０又は下部電極５０の縁との間隔を大きくできるので、短絡を抑制できる。
次に、図１１の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、治具２００を用いて複数のレーザバー１００を固定する。治具２００は、複数のレーザバー１００を収容する金属容器２１０と、金属容器２１０に収容され、複数のレーザバー１００を押圧する押圧板２２０と、押圧板２２０に当接した先端を有する押圧ねじ２３０とを備える。金属容器２１０は、例えばアルミニウム製の箱である。押圧ねじ２３０は、金属容器２１０に設けられたねじ孔２１０ａに螺合され、回転によって一方向に移動する。押圧ねじ２３０が移動すると、押圧ねじ２３０の先端によって押圧板２２０が押圧されて移動する。
治具２００を用いて複数のレーザバー１００を固定するには、まず、例えばピンセット等を用いて、レーザバー１００の前端面（出射面１０ａとなる面）が上面となるように、複数のレーザバー１００を金属容器２１０内に配置する。レーザバー１００の前端面は、金属容器２１０の高さよりも高くなっている。複数のレーザバー１００は押圧ねじ２３０の進行方向に配列される。押圧板２２０は、複数のレーザバー１００と押圧ねじ２３０との間に配置される。次に、押圧ねじ２３０を回して押圧板２２０を移動させることによって、複数のレーザバー１００を金属容器２１０の内壁に押し付ける。このようにして、複数のレーザバー１００は固定される。
次に、図１２に示されるように、例えばスピンコートにより複数のレーザバー１００上にレジスト膜３００を形成した後、露光及び現像によりレジスト膜３００に複数のスリット３００ａを形成する。露光では、例えば非接触のフォトマスク及びステッパーが用いられる。メサ導波路１４の高さＨＭが電流ブロック領域１６の厚さよりも大きくなっているので、フォトリソグラフィーにおける露光装置において、メサ導波路１４の位置を視認できる。メサ導波路１４の位置にフォトマスクのパターンを位置合わせすることによって、メサ導波路１４上にスリット３００ａを形成できる。次に、金属膜をウェットエッチングすることによって、スリット２０ａを有する反射膜２０を形成する。金属膜が金を含む場合、エッチャントは、例えばヨウ素とヨウ化カリウムとの混合溶液である。このエッチャントは、金属膜を選択的にエッチングし、保護膜３２をエッチングしない。ウェットエッチングの代わりに、ドライエッチング（ＲＩＥ又はイオンミリング）を用いてもよい。エッチング後、レジスト膜３００を除去する。
反射膜２０のスリット２０ａは、レジスト膜を用いずに、ＦＩＢ装置を用いて形成されてもよい。この場合、まず、図１１の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、治具２００を用いて複数のレーザバー１００を固定する。次に、ＦＩＢ装置を用いて、イオンビームをメサ導波路１４に沿って走査する。これにより、金属膜のうちイオンビームが照射された部分がスパッタリングにより除去される。これにより、スリット２０ａが形成される。イオンビームの走査の位置合わせは、電流ブロック領域１６に対して突出したメサ導波路１４を目印にして行われる。ＦＩＢ装置では、各メサ導波路１４に対してイオンビームの位置合わせを毎回行うことができる。よって、ＦＩＢ装置を用いると、図１２のレジスト膜を利用する方法に比べて、スリット２０ａとメサ導波路１４との間の位置合わせ精度が向上する。
次に、治具２００からレーザバー１００を取り出し、隣り合うメサ導波路１４間に位置する切断線に沿ってレーザバー１００を切断する。これにより、複数の量子カスケードレーザ１が得られる。切断の例は、へき開、ダイシング等である。
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。
例えば、量子カスケードレーザ１は回折格子層１４ｃを備えなくてもよい。この場合、量子カスケードレーザ１は、分布帰還型ではなくファブリペロー型のレーザとして動作する。
１…量子カスケードレーザ
１０…レーザ構造体
１０ａ…出射面
１０ｂ…反射面
１２…基板
１２ａ…凸部
１２ｓ…主面
１４…メサ導波路
１４ａ…下部クラッド層
１４ｂ…コア層
１４ｂｅ…端面
１４ｂｅ１…第１領域
１４ｂｅ２…第２領域
１４ｃ…回折格子層
１４ｃ１…凹部
１４ｄ…上部クラッド層
１４ｅ…コンタクト層
１６…電流ブロック領域
２０…反射膜
２０ａ…スリット
２２…保護膜
３０…反射膜
３２…保護膜
４０…上部電極
４２…保護膜
５０…下部電極
１００…レーザバー
１００ａ…基板製品
２００…治具
２１０…金属容器
２１０ａ…ねじ孔
２２０…押圧板
２３０…押圧ねじ
３００…レジスト膜
３００ａ…スリット
Ｌ…レーザ光
ＳＰ…スポットサイズ

Claims (4)

  1. 第１方向にレーザ光を出射する出射面を有するレーザ構造体と、
    前記出射面上に設けられた反射膜と、
    を備え、
    前記レーザ構造体は、コア層を備え、
    前記出射面は、前記コア層の端面を含み、
    前記端面は、第１領域と、前記第１領域とは異なる第２領域と、を含み、
    前記反射膜は、前記第１領域を覆っており、前記第２領域を覆っていない、量子カスケードレーザ。
  2. 前記レーザ構造体は、前記コア層を含むメサ導波路を備え、
    前記メサ導波路は、前記第１方向に延在すると共に、前記第１方向に交差する第２方向に突出しており、
    前記反射膜は、前記第２領域に設けられたスリットを有し、
    前記スリットは、前記第２方向に延在している、請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
  3. 前記スリットの幅は、前記メサ導波路の幅よりも小さい、請求項２に記載の量子カスケードレーザ。
  4. 前記第２方向において、前記スリットの長さが前記出射面における前記レーザ光のスポットサイズの大きさよりも大きい、請求項２又は請求項３に記載の量子カスケードレーザ。
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