JP2021163926A - 量子カスケードレーザ素子及び量子カスケードレーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性の向上、高次モードの発振の抑制、及び安定性の向上を図ることができる量子カスケードレーザ素子及び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素子１は、半導体基板２と、活性層３１を含んで構成されるリッジ部３０を有する半導体積層体３と、リッジ部３０の側面３０ｂ上に形成された第１部分４１、及び、第１部分４１から半導体基板２の幅方向に沿って延在する第２部分４２を有する埋め込み層４と、リッジ部３０の頂面３０ａ、第１部分４１及び第２部分４２上に形成された金属層６１と、第２部分４２と金属層６１との間に配置された誘電体層５と、を備える。誘電体層５は、第２部分４２の一部が誘電体層５から露出するように、形成されており、金属層６１は、当該一部において第２部分４２に接触している。【選択図】図１

Description

本発明は、量子カスケードレーザ素子及び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素子として、半導体基板と、リッジ部を有するように半導体基板上に形成された半導体積層体と、リッジ部及び半導体基板上にわたって形成された電流ブロック層と、電流ブロック層上に形成された絶縁層と、リッジ部の頂面及び絶縁層上にわたって形成された金属層と、を備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１８−９８２６２号公報
上述したような量子カスケードレーザ素子では、幅方向におけるリッジ部の中央部に強度のピークを有する基本モードの光を安定的に出力するために、中央部の両側に強度のピークを有する高次モードの光の発振を抑制することが求められる。また、放熱性の向上、及びレーザ素子としての安定性の向上が併せて求められる。
本発明は、放熱性の向上、高次モードの発振の抑制、及び安定性の向上を図ることができる量子カスケードレーザ素子及び量子カスケードレーザ装置を提供することを目的とする。
本発明の量子カスケードレーザ素子は、半導体基板と、量子カスケード構造を有する活性層を含んで構成されるリッジ部を有するように半導体基板上に形成された半導体積層体と、リッジ部の側面上に形成された第１部分、及び、第１部分における半導体基板側の縁部から半導体基板の幅方向に沿って延在する第２部分を有する埋め込み層と、リッジ部の頂面、第１部分、及び第２部分上に形成された金属層と、第２部分と金属層との間に配置された誘電体層と、を備え、誘電体層は、第２部分の一部が誘電体層から露出するように、形成されており、金属層は、一部において第２部分に接触している。
この量子カスケードレーザ素子では、リッジ部の側面上に形成された第１部分、及び、第１部分における半導体基板側の縁部から半導体基板の幅方向に沿って延在する第２部分を有する埋め込み層が設けられている。これにより、活性層で生じる熱を効果的に放熱することができる。また、リッジ部の側面に形成された第１部分上に金属層が形成されている。これにより、基本モードの損失を抑制しつつ、高次モードの発振を抑制することができる。また、第２部分と金属層との間に誘電体層が配置されている。これにより、金属層と埋め込み層との間の結合強度を向上することができる。その結果、金属層の剥がれ又は劣化を抑制することができ、レーザ素子としての安定性を向上することができる。また、第２部分の一部が誘電体層から露出しており、当該一部において金属層が第２部分に接触している。これにより、放熱性を一層向上することができる。よって、この量子カスケードレーザ素子によれば、放熱性の向上、高次モードの発振の抑制、及び安定性の向上を図ることができる。
誘電体層には、第２部分のうち第１部分に連続する内側部分を誘電体層から露出させる開口が形成されており、金属層は、開口を介して内側部分に接触していてもよい。この場合、リッジ部に近い内側の領域において金属層が第２部分に接触するため、放熱性をより一層向上することができる。一方、リッジ部から遠い外側の領域においては、金属層が誘電体層を介して第２部分に強固に結合されている。金属層の剥がれ等が生じ易い外側の領域において金属層が第２部分に強固に結合されていることで、金属層の剥がれ等を効果的に抑制することができる。また、誘電体層の内縁（開口の内縁）の近傍には製造時の劈開工程に起因して劈開筋が形成される可能性があるが、開口の内縁がリッジ部から離れていることで、劈開筋が光出力特性に影響を及ぼすのを抑制することができる。
半導体基板の幅方向における開口の幅は、活性層の幅の２倍以上であってもよい。この場合、金属層が第２部分に接触する領域を広くすることができ、放熱性をより一層向上することができる。また、劈開筋が光出力特性に影響を及ぼすのを一層抑制することができる。
半導体基板の幅方向における開口の幅は、第２部分の厚さの１０倍以上であってもよい。この場合、金属層が第２部分に接触する領域を一層広くすることができ、放熱性をより一層向上することができる。また、劈開筋が光出力特性に影響を及ぼすのを一層抑制することができる。
本発明の量子カスケードレーザ素子は、金属層に電気的に接続された金属製のワイヤを更に備え、金属層とワイヤとの接続位置は、半導体基板の厚さ方向から見た場合に、誘電体層と重なっていてもよい。この場合、ワイヤから金属層に作用する引張応力によって金属層に剥がれ等が生じるのを抑制することができる。
半導体基板の厚さ方向において、第２部分における半導体基板とは反対側の表面は、活性層における半導体基板とは反対側の表面と半導体基板側の表面との間に位置しており、半導体基板の幅方向から見た場合に、第１部分上の金属層の一部は、活性層と重なっていてもよい。この場合、活性層の脇に第２部分を位置させて放熱性を効果的に向上しつつ、活性層の脇に第１部分上の金属層を位置させて高次モードの発振を効果的に抑制することができる。その結果、放熱性の向上及び高次モードの発振の抑制の双方をバランス良く実現することができる。
第１部分の厚さは、第２部分の厚さよりも薄くてもよい。この場合、放熱性の向上及び高次モードの発振の抑制の双方を一層バランス良く実現することができる。
金属層は、第１部分上に直接に形成されていてもよい。この場合、金属層を活性層に近づけることができ、金属層による光吸収によって高次モードの発振を効果的に抑制することができる。また、例えば、金属層と第１部分との間に別の層が形成されている場合、当該別の層の製造誤差に起因して高次モードの発振抑制特性にばらつきが生じるおそれがあるが、金属層が第１部分上に直接に形成されていることで、そのような事態を抑制することができ、歩留まりを向上することができる。
本発明の量子カスケードレーザ装置は、上記量子カスケードレーザ素子と、量子カスケードレーザ素子を駆動する駆動部と、を備える。この量子カスケードレーザ装置によれば、放熱性の向上、高次モードの発振の抑制、及び安定性の向上を図ることができる。
本発明によれば、放熱性の向上、高次モードの発振の抑制、及び安定性の向上を図ることができる量子カスケードレーザ素子及び量子カスケードレーザ装置を提供することが可能となる。
一実施形態に係る量子カスケードレーザ素子の断面図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、量子カスケードレーザ素子の製造方法を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、量子カスケードレーザ素子の製造方法を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、量子カスケードレーザ素子の製造方法を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、量子カスケードレーザ素子の製造方法を示す図である。 量子カスケードレーザ素子における電界強度分布の例を示すグラフである。 （ａ）は、基本モードの広がりの例を示す図であり、（ｂ）は、１次モードの広がりの例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［量子カスケードレーザ素子の構成］
図１及び図２に示されるように、量子カスケードレーザ素子１は、半導体基板２と、半導体積層体３と、埋め込み層４と、誘電体層５と、第１電極６と、第２電極７と、を備えている。半導体基板２は、例えば、長方形板状のＳドープＩｎＰ単結晶基板である。一例として、半導体基板２の長さは３ｍｍ程度であり、半導体基板２の幅は５００μｍ程度であり、半導体基板２の厚さは百数十μｍ程度である。以下の説明では、半導体基板２の幅方向をＸ軸方向といい、半導体基板２の長さ方向をＹ軸方向といい、半導体基板２の厚さ方向をＺ軸方向という。Ｚ軸方向において半導体基板２に対して半導体積層体３が位置する側を第１の側Ｓ１といい、Ｚ軸方向において半導体積層体３に対して半導体基板２が位置する側を第２の側Ｓ２という。
半導体積層体３は、半導体基板２における第１の側Ｓ１の表面２ａ上に形成されている。半導体積層体３は、量子カスケード構造を有する活性層３１を含んでいる。半導体積層体３は、所定の中心波長（例えば、中赤外領域の波長であって、４〜１１μｍのいずれかの値の中心波長）を有するレーザ光を発振するように構成されている。本実施形態では、半導体積層体３は、下部クラッド層３２、下部ガイド層（図示省略）、活性層３１、上部ガイド層（図示省略）、上部クラッド層３３及びコンタクト層（図示省略）が半導体基板２側からこの順に積層されることで構成されている。上部ガイド層は、分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）構造として機能する回折格子構造を有している。
活性層３１は、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多重量子井戸構造を有している。下部クラッド層３２及び上部クラッド層３３の各々は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。下部ガイド層及び上部ガイド層の各々は、例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。コンタクト層は、例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。
半導体積層体３は、Ｙ軸方向に沿って延在するリッジ部３０を有している。リッジ部３０は、下部クラッド層３２における第１の側Ｓ１の部分、並びに、下部ガイド層、活性層３１、上部ガイド層、上部クラッド層３３及びコンタクト層によって構成されている。Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の幅は、Ｘ軸方向における半導体基板２の幅よりも狭い。Ｙ軸方向におけるリッジ部３０の長さは、Ｙ軸方向における半導体基板２の長さに等しい。一例として、リッジ部３０の長さは３ｍｍ程度であり、リッジ部３０の幅は８μｍ程度であり、リッジ部３０の厚さは８μｍ程度である。リッジ部３０は、Ｘ軸方向において半導体基板２の中央に位置している。Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の両側には、半導体積層体３を構成する各層が存在していない。
リッジ部３０は、頂面３０ａと、一対の側面３０ｂと、を有している。頂面３０ａは、リッジ部３０における第１の側Ｓ１の表面である。一対の側面３０ｂは、Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の両側の表面である。この例では、頂面３０ａ及び側面３０ｂの各々は、平坦面である。各側面３０ｂは、Ｙ軸方向から見た場合に、半導体基板２から離れるにつれて（第１の側Ｓ１に向かうにつれて）リッジ部３０の中心線ＣＬに近づくように、中心線ＣＬに対して傾斜している。中心線ＣＬは、Ｙ軸方向から見た場合におけるリッジ部３０の中心（幾何中心）を通り且つＺ軸方向に平行な直線である。量子カスケードレーザ素子１は、Ｙ軸方向から見た場合に中心線ＣＬに関して線対称に構成されている。
半導体積層体３は、光導波方向Ａにおけるリッジ部３０の両端面である第１端面３ａ及び第２端面３ｂを有している。光導波方向Ａは、リッジ部３０の延在方向であるＹ軸方向に平行な方向である。第１端面３ａ及び第２端面３ｂは、光出射端面として機能する。第１端面３ａ及び第２端面３ｂは、Ｙ軸方向における半導体基板２の両端面とそれぞれ同一平面上に位置している。
埋め込み層４は、例えば、ＦｅドープＩｎＰ層からなる半導体層である。埋め込み層４は、一対の第１部分４１と、一対の第２部分４２と、を有している。一対の第１部分４１は、リッジ部３０の一対の側面３０ｂ上にそれぞれ形成されている。一対の第２部分４２は、それぞれ、一対の第１部分４１における第２の側Ｓ２の縁部４１ａからＸ軸方向に沿って延在している。各第２部分４２は、下部クラッド層３２の表面３２ａ上に形成されている。表面３２ａは、下部クラッド層３２のうちリッジ部３０を構成していない部分における第１の側Ｓ１の表面である。
Ｚ軸方向において、各第２部分４２における第１の側Ｓ１の表面４２ａは、活性層３１における第１の側Ｓ１の表面３１ａと第２の側Ｓ２の表面３１ｂとの間に位置している。換言すれば、Ｘ軸方向から見た場合に、第２部分４２における第１の側Ｓ１の一部は、活性層３１における第２の側Ｓ２の一部と重なっている。
各第１部分４１は、リッジ部３０の側面３０ｂの全面にわたって形成されており、Ｚ軸方向において、リッジ部３０の頂面３０ａから第１の側Ｓ１に突出している。各第１部分４１におけるリッジ部３０とは反対側の表面４１ｂは、第１傾斜面４３と、第２傾斜面４４と、を有している。この例では、第１傾斜面４３及び第２傾斜面４４の各々は、平坦面である。
第１傾斜面４３は、光導波方向Ａから見た場合に、半導体基板２から離れるにつれてリッジ部３０の側面３０ｂから離れるように、リッジ部３０の側面３０ｂに対して傾斜している。この例では、第１傾斜面４３は、光導波方向Ａから見た場合に、半導体基板２から離れるにつれてリッジ部３０の中心線ＣＬから離れるように、中心線ＣＬに対しても傾斜している。第１傾斜面４３は、第２部分４２における第１の側Ｓ１の表面４２ａに連続している。第１傾斜面４３における半導体基板２側の縁部は、Ｘ軸方向から見た場合に、活性層３１と重なっている。
第２傾斜面４４は、第１傾斜面４３に対して第１の側Ｓ１に位置し、第１傾斜面４３に連続している。第２傾斜面４４は、光導波方向Ａから見た場合に、半導体基板２から離れるにつれてリッジ部３０の中心線ＣＬに近づくように、中心線ＣＬに対して傾斜している。この例では、第２傾斜面４４は、光導波方向Ａから見た場合に、半導体基板２から離れるにつれてリッジ部３０の側面３０ｂに近づくように、側面３０ｂに対しても傾斜している。第２傾斜面４４は、Ｚ軸方向において、リッジ部３０の頂面３０ａから第１の側Ｓ１に突出している。
第１部分４１の厚さＴ１は、第２部分４２の厚さＴ２よりも薄い。第１部分４１の厚さＴ１は、第２部分４２の厚さＴ２の半分以下であってもよい。第１部分４１の厚さＴ１とは、Ｘ軸方向における第１部分４１の最大厚さである。この例では、第１部分４１の厚さは、第２の側Ｓ２から第１傾斜面４３と第２傾斜面４４との間の境界に近づくにつれて増加し、第１の側Ｓ１に向けて当該境界から離れるにつれて減少する。つまり、第１部分４１の厚さは、当該境界の位置において最大となっている。したがって、第１部分４１の厚さＴ１は、リッジ部３０の側面３０ｂと当該境界との間の距離である。第２部分４２の厚さＴ２とは、Ｚ軸方向における第２部分４２の最大厚さである。この例では、第２部分４２の厚さは、第２部分４２の全体にわたって一様である。一例として、第１部分４１の厚さＴ１は１〜２μｍ程度であり、第２部分４２の厚さＴ２は３．０μｍ程度である。
誘電体層５は、例えば、ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜からなる絶縁層である。誘電体層５は、リッジ部３０の頂面３０ａ、第１部分４１の表面４１ｂ、及び第２部分４２の内側部分４６の表面４６ａが誘電体層５から露出するように、第２部分４２の外側部分４７の表面４７ａ上に形成されている。内側部分４６は、第２部分４２のうち第１部分４１に連続する部分であり、外側部分４７は、第２部分４２のうち内側部分４６よりもＸ軸方向における外側に位置する部分である。表面４６ａは、内側部分４６における第１の側Ｓ１の表面であり、表面４７ａは、外側部分４７における第１の側Ｓ１の表面である。
誘電体層５は、外側部分４７の表面４７ａ上に形成されており、内側部分４６の表面４６ａ上には形成されておらず、表面４６ａを露出させている。換言すれば、誘電体層５には、内側部分４６を誘電体層５から露出させる開口５ａが形成されている。開口５ａは、リッジ部３０の頂面３０ａ、第１部分４１の表面４１ｂ、及び第２部分４２の内側部分４６の表面４６ａを誘電体層５から露出させている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれにおいても、誘電体層５の外縁は、埋め込み層４の外縁に至っている。誘電体層５は、埋め込み層４と後述する金属層６１との間の密着性を高める密着層としても機能する。
Ｘ軸方向における開口５ａの幅Ｗ１は、Ｘ軸方向における活性層３１の幅Ｗ２の２倍以上である。幅Ｗ１は、幅Ｗ２の５倍以上であってもよい。一例として、幅Ｗ１は５０μｍ程度であり、幅Ｗ２は９μｍ程度である。本実施形態のように活性層３１の幅が第１の側Ｓ１に向かうにつれて狭くなる場合、活性層３１の幅Ｗ２とは、第１の側Ｓ１の端部における幅である。
Ｘ軸方向における開口５ａの幅Ｗ１は、Ｚ軸方向における埋め込み層４の厚さＴ３の１０倍以上であってもよい。埋め込み層４の厚さＴ３は、第１部分４１の厚さＴ１及び第２部分４２の厚さＴ２の厚い方であり、この例では厚さＴ２である。つまり、開口５ａの幅Ｗ１は、第２部分４２の厚さＴ２の１０倍以上であってもよい。上述したとおり、第２部分４２の厚さＴ２は、例えば３μｍ程度である。
第１電極６は、金属層６１と、メッキ層６２と、を有している。金属層６１は、例えば、Ｔｉ／Ａｕ層であり、メッキ層６２を形成するための下地層として機能する。メッキ層６２は、金属層６１上に形成されている。メッキ層６２は、例えばＡｕメッキ層である。Ｚ軸方向における第１電極６の厚さは、例えば６μｍ以上である。
金属層６１は、リッジ部３０の頂面３０ａ上、並びに、埋め込み層４の第１部分４１及び第２部分４２上にわたって延在するように、一体的に形成されている。金属層６１は、リッジ部３０の頂面３０ａに接触している。これにより、第１電極６は、コンタクト層を介して上部クラッド層３３に電気的に接続されている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれにおいても、金属層６１の外縁は、埋め込み層４及び誘電体層５の外縁の内側に位置している。Ｘ軸方向における金属層６１の外縁と誘電体層５の外縁（半導体基板２、半導体積層体３及び埋め込み層４の外縁）との間の距離は、例えば５０μｍ程度である。
金属層６１は、第１部分４１上に直接に形成されている。すなわち、金属層６１と第１部分４１との間には別の層（例えば、誘電体層又は絶縁層）が形成されていない。金属層６１は、第１部分４１の表面４１ｂの全面にわたって形成されており、第１傾斜面４３及び第２傾斜面４４上にわたって延在している。Ｘ軸方向から見た場合に、第１傾斜面４３上の金属層６１の一部は、活性層３１と重なっている。より具体的には、第１傾斜面４３上の金属層６１における第２の側Ｓ２の縁部が、活性層３１と重なっている。金属層６１は、第１部分４１のうちリッジ部３０の頂面３０ａから突出した部分を覆うように設けられている。
金属層６１は、第２部分４２の内側部分４６においては、誘電体層５に形成された開口５ａを介して内側部分４６の表面４６ａに接触している。金属層６１は、第２部分４２の外側部分４７においては、誘電体層５を介して第２部分４２上に形成されている。すなわち、誘電体層５は、第２部分４２の外側部分４７と第１電極６との間に配置されている。Ｚ軸方向から見た場合に、第１電極６の外縁は、半導体基板２、半導体積層体３、埋め込み層４及び誘電体層５の外縁よりも内側に位置している。
メッキ層６２における第１の側Ｓ１の表面６２ａには、複数のワイヤ８が電気的に接続されている。各ワイヤ８は、例えばワイヤボンディングにより形成され、メッキ層６２を介して金属層６１に電気的に接続されている。金属層６１（メッキ層６２）と各ワイヤ８との接続位置は、Ｚ軸方向から見た場合に、誘電体層５と重なっている。なお、ワイヤ８の本数は限定されず、１本のワイヤ８のみが設けられていてもよい。
第２電極７は、半導体基板２における第２の側Ｓ２の表面２ｂ上に形成されている。第２電極７は、例えば、ＡｕＧｅ／Ａｕ膜、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜、又はＡｕ膜である。第２電極７は、半導体基板２を介して下部クラッド層３２に電気的に接続されている。
量子カスケードレーザ素子１では、第１電極６及び第２電極７を介して活性層３１にバイアス電圧が印加されると、活性層３１から光が発せられ、当該光のうち所定の中心波長を有する光が分布帰還構造において共振させられる。これにより、所定の中心波長を有するレーザ光が第１端面３ａ及び第２端面３ｂの各々から出射される。なお、第１端面３ａ及び第２端面３ｂの一方の端面に高反射膜が形成されていてもよい。この場合、所定の中心波長を有するレーザ光が第１端面３ａ及び第２端面３ｂの他方の端面から出射される。或いは、第１端面３ａ及び第２端面３ｂの一方の端面に低反射膜が形成されていてもよい。また、低反射膜が形成された端面とは異なる他方の端面に高反射膜が形成されてもよい。これらのいずれの場合にも、所定の中心波長を有するレーザ光が第１端面３ａ及び第２端面３ｂの一方の端面から出射される。前者の場合には、第１端面３ａ及び第２端面３ｂの両方からレーザ光が出射される。
量子カスケードレーザ素子１は、量子カスケードレーザ素子１を駆動する駆動部と共に、量子カスケードレーザ装置を構成し得る。駆動部は、第１電極６及び第２電極７に電気的に接続される。駆動部は、例えば、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光をパルス発振するように量子カスケードレーザ素子１を駆動するパルス駆動部である。
［量子カスケードレーザ素子の製造方法］
量子カスケードレーザ素子１の製造方法について、図３〜図６を参照しつつ説明する。まず、図３（ａ）に示されるように、第１主面２００ａ及び第２主面２００ｂを有する半導体ウェハ２００を用意し、半導体ウェハ２００の第１主面２００ａ上に半導体層３００を形成する。半導体ウェハ２００は、例えばＳドープＩｎＰ単結晶（１００）ウェハである。半導体ウェハ２００は、各々が半導体基板２となる複数の部分を含んでおり、後述するように後工程においてラインＬに沿って劈開される。同様に、半導体層３００は、各々が半導体積層体３となる複数の部分を含んでいる。半導体層３００は、例えば、ＭＯ−ＣＶＤによって各層（すなわち、下部クラッド層３２、下部ガイド層、活性層３１、上部ガイド層、上部クラッド層３３及びコンタクト層の各々となる層）をエピタキシャル成長させることで形成される。
続いて、図３（ｂ）に示されるように、半導体層３００のうちリッジ部３０となる部分上に誘電体膜１００を形成し、誘電体膜１００をマスクとして、半導体層３００を下部クラッド層３２に至るまでドライエッチングする。誘電体膜１００は、例えば、ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜からなる。誘電体膜１００は、例えばフォトリソグラフィ及びエッチングにより、図３（ｂ）に示される形状にパターニングされる。Ｘ軸方向における誘電体膜１００の幅は、例えば１０μｍ程度である。
続いて、図４（ａ）に示されるように、誘電体膜１００をマスクとして半導体層３００をウェットエッチングする。これにより、半導体層３００にリッジ部３０が形成される。
続いて、図４（ｂ）に示されるように、半導体層３００上に埋め込み層４００を形成する。埋め込み層４００は、各々が埋め込み層４となる複数の部分を含んでいる。埋め込み層４００は、例えば、ＭＯ−ＣＶＤによる結晶成長により形成される。誘電体膜１００がマスクとして機能することで、誘電体膜１００上には埋め込み層４００が形成されない。
続いて、図５（ａ）に示されるように、誘電体膜１００をエッチングにより除去し、埋め込み層４００上に誘電体層５００を形成する。誘電体層５００は、各々が誘電体層５となる複数の部分を含んでいる。誘電体層５００は、例えばフォトリソグラフィ及びエッチングにより、図５（ａ）に示される形状にパターニングされる。これにより、誘電体層５００には開口５ａ（コンタクトホール）が形成される。
続いて、図５（ｂ）に示されるように、リッジ部３０の頂面３０ａ上、並びに埋め込み層４の第１部分４１及び第２部分４２上にわたって金属層６１０を形成する。続いて、図６（ａ）に示されるように、メッキにより、金属層６１０上にメッキ層６２０を形成する。金属層６１０は、各々が金属層６１となる複数の部分を含んでおり、メッキ層６２０は、各々がメッキ層６２となる複数の部分を含んでいる。金属層６１０は、例えば、５０ｎｍ程度の厚さを有するＴｉと３００ｎｍ程度の厚さを有するＡｕをこの順序でスパッタ又は蒸着することで形成される。ラインＬ上の金属層６１０は、メッキ層６２０の形成後に、例えばエッチングにより除去される。ラインＬは、量子カスケードレーザ素子１となる複数の部分同士の間を仕切る劈開予定ラインである。
続いて、図６（ｂ）に示されるように、半導体ウェハ２００の第２主面２００ｂを研磨することにより、半導体ウェハ２００を薄化する。続いて、半導体ウェハ２００の第２主面２００ｂ上に電極層７００を形成する。電極層７００は、各々が第２電極７となる複数の部分を含んでいる。電極層７００には、合金熱処理が施されてもよい。続いて、ラインＬに沿って半導体ウェハ２００及び半導体層３００を劈開させる。これにより、複数の量子カスケードレーザ素子１が得られる。
［作用及び効果］
量子カスケードレーザ素子１では、リッジ部３０の側面３０ｂ上に形成された第１部分４１、及び、第１部分４１における第２の側Ｓ２の縁部４１ａからＸ軸方向（半導体基板２の幅方向）に沿って延在する第２部分４２を有する埋め込み層４が設けられている。これにより、活性層３１で生じる熱を効果的に放熱することができる。また、リッジ部３０の側面３０ｂに形成された第１部分４１上に金属層６１が形成されている。これにより、基本モードの損失を抑制しつつ、高次モードの発振を抑制することができる。また、第２部分４２と金属層６１との間に誘電体層５が配置されている。これにより、金属層６１と埋め込み層４との間の結合強度を向上することができる。その結果、金属層６１の剥がれ又は劣化を抑制することができ、レーザ素子としての安定性を向上することができる。また、第２部分４２の一部が誘電体層５から露出しており、当該一部において金属層６１が第２部分４２に接触している。これにより、放熱性を一層向上することができる。よって、この量子カスケードレーザ素子１によれば、放熱性の向上、高次モードの発振の抑制、及び安定性の向上を図ることができる。なお、一般的に、ＳｉＮ又はＳｉＯ２等の誘電体の熱伝導率は、半導体及び金属の熱伝導率よりも低い。
ここで、図７及び図８を参照しつつ、高次横モードの発振抑制効果について更に説明する。図７は、リッジ部３０の中心をＸ軸の原点として、半導体基板２の幅方向における電界強度分布を示している。基本モードＭ０の強度分布が実線で示され、１次モードＭ１の強度分布が二点鎖線で示されている。図７に示されるように、基本モードＭ０の光は、リッジ部３０の中心付近に強度のピークを有しており、１次モードＭ１の光は、リッジ部３０の中心の両側に強度のピークを有している。
図８（ａ）は、光導波方向Ａから見た場合の基本モードＭ０の広がりを示す図であり、図８（ｂ）は、光導波方向Ａから見た場合の１次モードＭ１の広がりを示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように、基本モードＭ０及び１次モードＭ１の各々は、長軸がＺ軸方向に沿った略楕円状の広がりを有している。上述したとおり、光を吸収し易い金属層６１が第１部分４１上に形成されていることで、基本モードＭ０の光の損失を抑制しつつ（基本モードＭ０の光をリッジ部３０内に閉じ込めつつ）、１次モードＭ１の光の発振を抑制することができる。
誘電体層５には、第２部分４２のうち第１部分４１に連続する内側部分４６を誘電体層５から露出させる開口５ａが形成されており、金属層６１が、開口５ａを介して内側部分４６に接触している。これにより、リッジ部３０に近い内側の領域において金属層６１が第２部分４２に接触するため、放熱性をより一層向上することができる。一方、リッジ部３０から遠い外側の領域においては、金属層６１が誘電体層５を介して第２部分４２に強固に結合されている。金属層６１の剥がれ等が生じ易い外側の領域において金属層６１が第２部分４２に強固に結合されていることで、金属層６１の剥がれ等を効果的に抑制することができる。また、誘電体層５の内縁（開口５ａの内縁）の近傍には製造時の劈開工程に起因して劈開筋が形成される可能性があるが、開口５ａの内縁がリッジ部３０から離れていることで、劈開筋が光出力特性に影響を及ぼすのを抑制することができる。劈開筋は、例えば、埋め込み層４に形成され、下部クラッド層３２及び半導体基板２に至り得る。
Ｘ軸方向における開口５ａの幅Ｗ１が、活性層３１の幅の２倍以上である。これにより、金属層６１が第２部分４２に接触する領域を広くすることができ、放熱性をより一層向上することができる。また、劈開筋が光出力特性に影響を及ぼすのを一層抑制することができる。
Ｘ軸方向における開口５ａの幅Ｗ１が、第２部分４２の厚さＴ３の１０倍以上である。これにより、金属層６１が第２部分４２に接触する領域を一層広くすることができ、放熱性をより一層向上することができる。また、劈開筋が光出力特性に影響を及ぼすのを一層抑制することができる。
金属製のワイヤ８が金属層６１に電気的に接続されており、金属層６１とワイヤ８との接続位置が、Ｚ軸方向（半導体基板２の厚さ方向）から見た場合に、誘電体層５と重なっている。これにより、ワイヤ８から金属層６１に作用する引張応力によって金属層６１に剥がれ等が生じるのを抑制することができる。
Ｚ軸方向において、第２部分４２における第１の側Ｓ１（半導体基板２とは反対側）の表面４２ａが、活性層３１における第１の側Ｓ１の表面３１ａと第２の側Ｓ２（半導体基板２側）の表面３１ｂとの間に位置しており、Ｘ軸方向から見た場合に、第１部分４１上の金属層６１の一部が、活性層３１と重なっている。これにより、活性層３１の脇に第２部分４２を位置させて放熱性を効果的に向上しつつ、活性層３１の脇に第１部分４１上の金属層６１を位置させて高次モードの発振を効果的に抑制することができる。その結果、放熱性の向上及び高次モードの発振の抑制の双方をバランス良く実現することができる。
第１部分４１の厚さＴ１が、第２部分４２の厚さＴ２よりも薄い。これにより、放熱性の向上及び高次モードの発振の抑制の双方を一層バランス良く実現することができる。
金属層６１が、第１部分４１上に直接に形成されている。これにより、金属層６１を活性層３１に近づけることができ、金属層６１による光吸収によって高次モードの発振を効果的に抑制することができる。また、例えば、金属層６１と第１部分４１との間に別の層（例えば、誘電体層又は絶縁層）が形成されている場合、当該別の層の製造誤差に起因して高次モードの発振抑制特性にばらつきが生じるおそれがある。例えば、アライメント誤差により、Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の一方側と他方側とで当該別の層の厚さが異なり、屈折率構造が異なってしまうおそれがある。この点、量子カスケードレーザ素子１では、金属層６１が第１部分４１上に直接に形成されていることで、そのような事態を抑制することができ、歩留まりを向上することができる。
［変形例］
本発明は、上述した実施形態に限定されない。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。活性層３１には、公知の他の量子カスケード構造を適用することができる。半導体積層体３には、公知の他の積層構造を適用することができる。一例として、半導体積層体３において、上部ガイド層は、分布帰還構造として機能する回折格子構造を有していなくてもよい。
Ｙ軸方向における金属層６１の外縁は、埋め込み層４及び誘電体層５の外縁に至っていてもよい。この場合、第１端面３ａ及び第２端面３ｂでの放熱性を向上することができる。リッジ部３０の各側面３０ｂは、中心線ＣＬと平行に延在していてもよい。金属層６１は、互いに分離された複数の部分を含んで構成されていてもよい。例えば、第１部分４１上の金属層６１が、第２部分４２上の金属層６１から分離して設けられていてもよい。
メッキ層６２が設けられず、金属層６１のみによって第１電極６が構成されていてもよい。この場合、ワイヤ８は、金属層６１における第１の側Ｓ１の表面に接続されていてもよい。上記実施形態では、第２部分４２の内側部分４６が誘電体層５から露出し、金属層６１が内側部分４６に接触していたが、第２部分４２の一部が誘電体層５から露出し、金属層６１が当該一部において第２部分４２に接触していればよい。上記実施形態では、メッキ層６２の表面６２ａがリッジ部３０の頂面３０ａよりも第２の側Ｓ２に位置していたが、表面６２ａは、頂面３０ａよりも第１の側Ｓ１に位置していてもよい。表面６２ａが頂面３０ａよりも第１の側Ｓ１に位置するようにメッキ層６２がメッキにより形成された後に、表面６２ａが研磨によって平坦化されてもよい。
１…量子カスケードレーザ素子、２…半導体基板、３…半導体積層体、４…埋め込み層、５…誘電体層、５ａ…開口、８…ワイヤ、３０…リッジ部、３０ａ…頂面、３０ｂ…側面、３１…活性層、３１ａ，３１ｂ…表面、４１…第１部分、４１ａ…縁部、４２…第２部分、４２ａ…表面、４６…内側部分、６１…金属層。

Claims (9)

  1. 半導体基板と、
    量子カスケード構造を有する活性層を含んで構成されるリッジ部を有するように前記半導体基板上に形成された半導体積層体と、
    前記リッジ部の側面上に形成された第１部分、及び、前記第１部分における前記半導体基板側の縁部から前記半導体基板の幅方向に沿って延在する第２部分を有する埋め込み層と、
    前記リッジ部の頂面、前記第１部分、及び前記第２部分上に形成された金属層と、
    前記第２部分と前記金属層との間に配置された誘電体層と、を備え、
    前記誘電体層は、前記第２部分の一部が前記誘電体層から露出するように、形成されており、
    前記金属層は、前記一部において前記第２部分に接触している、量子カスケードレーザ素子。
  2. 前記誘電体層には、前記第２部分のうち前記第１部分に連続する内側部分を前記誘電体層から露出させる開口が形成されており、
    前記金属層は、前記開口を介して前記内側部分に接触している、請求項１に記載の量子カスケードレーザ素子。
  3. 前記半導体基板の幅方向における前記開口の幅は、前記活性層の幅の２倍以上である、請求項２に記載の量子カスケードレーザ素子。
  4. 前記半導体基板の幅方向における前記開口の幅は、前記第２部分の厚さの１０倍以上である、請求項２又は３に記載の量子カスケードレーザ素子。
  5. 前記金属層に電気的に接続された金属製のワイヤを更に備え、
    前記金属層と前記ワイヤとの接続位置は、前記半導体基板の厚さ方向から見た場合に、前記誘電体層と重なっている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子。
  6. 前記半導体基板の厚さ方向において、前記第２部分における前記半導体基板とは反対側の表面は、前記活性層における前記半導体基板とは反対側の表面と前記半導体基板側の表面との間に位置しており、
    前記半導体基板の幅方向から見た場合に、前記第１部分上の前記金属層の一部は、前記活性層と重なっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子。
  7. 前記第１部分の厚さは、前記第２部分の厚さよりも薄い、請求項１〜６のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子。
  8. 前記金属層は、前記第１部分上に直接に形成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子と、
    前記量子カスケードレーザ素子を駆動する駆動部と、を備える、量子カスケードレーザ装置。
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