JP2022002245A - 面発光型量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】発振しきい値電流を低減することができる面発光型量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】面発光型量子カスケードレーザは、基板１０と、基板上に設けられた半導体積層体のメサ部２０であって、キャリアのサブバンド間遷移により発光する発光層１３と、二次元回折格子を含むフォトニック結晶層１４とを有するメサ部と、メサ部の側壁に設けられた反射膜５１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、面発光型量子カスケードレーザに関する。
二次元回折格子を含むフォトニック結晶層を利用することで面発光可能な量子カスケードレーザが提案されている。このような面発光型量子カスケードレーザにおいて、製造上のばらつきなどから、フォトニック結晶層によって制御される発振波長が、発光層のゲインカーブのピーク波長からずれてしまうと、発振しきい値電流の増大をまねいてしまう。
Applied Physics Letters 114,031102(2019)、「Room temperature surface emission on large-area photonic crystal quantum cascade lasers」、 Published Online:January 23,2019
本発明の実施形態は、発振しきい値電流を低減することができる面発光型量子カスケードレーザを提供する。
本発明の実施形態によれば、面発光型量子カスケードレーザは、基板と、前記基板上に設けられた半導体積層体のメサ部であって、キャリアのサブバンド間遷移により発光する発光層と、二次元回折格子を含むフォトニック結晶層とを有するメサ部と、前記メサ部の側壁に設けられた反射膜と、を備える。
実施形態の面発光型量子カスケードレーザの模式断面図である。 実施形態の面発光型量子カスケードレーザの模式平面図である。 実施形態の面発光型量子カスケードレーザにおけるフォトニック結晶層の模式平面図である。 （ａ）は実施形態の面発光型量子カスケードレーザの発振のゲインスペクトルを示す図であり、（ｂ）は面発光型量子カスケードレーザの電流−光出力特性を示す図である。 実施形態の面発光型量子カスケードレーザにおいて反射膜の他の例を示す模式断面図である。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
図１は、実施形態の面発光型量子カスケードレーザの模式断面図である。
実施形態の面発光型量子カスケードレーザは、基板１０と、半導体積層体のメサ部２０と、第１電極３１と、第２電極３２と、反射膜５１とを有する。
基板１０上に第１クラッド層１１が設けられ、第１クラッド層１１上にメサ部２０が設けられている。メサ部２０は、第１クラッド層１１上に柱状に突出して設けられ、第１電極３１および第２電極３２を通じて発光層１３に供給される電流の狭窄構造を構成している。
図２（ａ）は、実施形態の面発光型量子カスケードレーザの光出射面側（図１の下面側）から見た模式平面図である。Ｘ方向およびＹ方向は、光出射面１０ａに平行な面内で互いに直交する２方向を表す。
メサ部２０は、４つの側壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを有する四角柱状に設けられている。図２（ａ）に示す例では、メサ部２０の上面または下面の形状は正方形である。
図１に示すように、メサ部２０は、第１クラッド層１１上に設けられた第１ガイド層１２と、第１ガイド層１２上に設けられた発光層１３と、発光層１３上に設けられたフォトニック結晶層１４と、フォトニック結晶層１４上に設けられた第２クラッド層１５とを有する。
発光層１３は、キャリアのサブバンド間遷移を生じさせる量子井戸構造を有する。例えば、発光層１３は、シリコンがドープされたｎ型のIII-Ｖ族化合物半導体層を含み、電子のサブバンド間遷移により発光する。
第１クラッド層１１の屈折率および第２クラッド層１５の屈折率は、第１ガイド層１２の屈折率、発光層１３の屈折率、およびフォトニック結晶層１４の屈折率よりも低い。
フォトニック結晶層１４は、二次元回折格子を含む。発光層１３が発した光は、二次元回折格子により、発光層１３の表面に沿った方向に共振するとともに、モードが選択され、発光層１３の表面に対して概ね垂直な方向に放出される。概ね垂直な方向とは、発光層１３の表面に対する角度が８１°以上９９°以下の方向を表す。
図３は、フォトニック結晶層１４の模式平面図である。
フォトニック結晶層１４は、二次元回折格子として、例えば周期的に配置された複数のピット１４ａを有する。ピット１４ａは、フォトニック結晶層１４において例えば直角三角柱状の領域が切り出された形状である。なお、ピット１４ａの形状および配置は、図３に示す形状および配置に限らない。
図１に示すように、メサ部２０の側壁２０ａ、２０ｂに反射膜５１が設けられている。図２（ａ）に示す４つの側壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄのうち少なくとも相対する２つの側壁２０ａ、２０ｂに反射膜５１が設けられている。本例では、メサ部２０のすべての側壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに反射膜５１が設けられている。
発光層１３が発する光に対して、反射膜５１の反射率は、メサ部２０を構成する半導体層と空気との界面における反射率よりも高い。発光層１３が発する光に対する反射膜５１の反射率は４０％以上である。図１に示す例では、反射膜５１は金属膜であり、例えば、金を含む。
第１電極３１は、反射膜５１と連続してメサ部２０の表面（図１における上面）に設けられている。第１電極３１は、メサ部２０の表面にベタ上に設けられ、メサ部２０の表面に接している。第１電極３１と反射膜５１は、同材料で同時に形成される。第１電極３１と反射膜５１は、例えば、蒸着法やスパッタリング法により形成することができる。
メサ部２０の側壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄと反射膜５１との間に絶縁膜４１が設けられている。絶縁膜４１は、例えばシリコン酸化膜である。反射膜５１の例えば金膜と、絶縁膜４１との間に、密着膜として例えばチタン膜を設けることができる。
第１クラッド層１１の表面におけるメサ部２０の周辺にも、絶縁膜４１の一部が設けられている。そのメサ部２０の周辺の絶縁膜４１上にも、反射膜５１の一部が設けられている。
基板１０における、メサ部２０を含む半導体積層体が積層された面の反対側の面に、第２電極３２が設けられている。図２（ａ）に示すように、例えば、第２電極３２は四角い枠状に設けられている。第２電極３２が設けられた基板１０の面における第２電極３２に囲まれた領域は、光出射面（窓）１０ａとして機能する。
図４（ａ）は、実施形態の面発光型量子カスケードレーザの発振のゲインスペクトルを示す図である。
図４（ａ）において、細い実線は、発光層１３のゲインカーブを表す。これは、発光層１３の組成や量子井戸の幅によって決まる。
図４（ａ）において、破線は、フォトニック結晶層１４によって制御（選択）された面発光の発振波長のゲインスペクトルを表す。フォトニック結晶層１４の二次元回折格子は、発振波長が発光層１３のゲインカーブのピーク波長に合致するように設計される。しかしながら、製造上のばらつきなどにより、図４（ａ）に示すように、フォトニック結晶層１４によって制御された発振波長が、発光層１３のゲインカーブのピーク波長からずれてしまうことがある。すなわち、ピークよりも少し低いゲインの波長で発振してしまい、これは発振しきい値電流が理想よりも高くなる原因になる。
図４（ｂ）は、面発光型量子カスケードレーザの電流−光出力特性（ＩＬ特性）を示す図である。
図４（ｂ）において、点線で表すＩＬ特性ａは、フォトニック結晶層１４によって制御された発振波長が、発光層１３のゲインカーブのピーク波長に合致した場合の理想的なＩＬ特性を示す。これに対して、フォトニック結晶層１４によって制御された発振波長が発光層１３のゲインカーブのピーク波長からずれてしまうと、図４（ｂ）において破線で示すＩＬ特性ｂのように、理想的なＩＬ特性ａよりも、発振しきい値電流が高くなる。
本実施形態によれば、メサ部２０の側壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに反射膜５１を設けることで、面発光する前に、メサ部２０内でファブリペロー共振器による共振を誘発できる。
図４（ａ）において、太い実線は、ファブリペロー共振器による発振波長のゲインスペクトルを表す。
ファブリペロー共振器による発振の縦モード（マルチモード）のどれかが発光層１３のゲインピークに合致し、これをきかっけにして発振したレーザ光が、フォトニック結晶層１４の二次元回折格子によって、発光層１３の表面に対して概ね垂直な方向に取り出される。ファブリペロー共振器による発振の縦モード（マルチモード）の中に、フォトニック結晶層１４で規定する波長が含まれていれば、その波長でレーザ光は面発光する。
図４（ｂ）において、本実施形態の面発光型量子カスケードレーザのＩＬ特性ｃを実線で表す。
本実施形態によれば、フォトニック結晶層１４によって制御される発振波長が発光層１３のゲインカーブのピーク波長からずれてしまっても、反射膜５１を利用したファブリペロー共振器による縦モードを利用して発振を誘発し、発振しきい値電流を低減することができる。本実施形態の面発光型量子カスケードレーザは、特に、要求される光出力が低い領域において有効である。
量子カスケードレーザは、キャリアのサブバンド間遷移により発光する。サブバンド間遷移では、発振波長はバンドギャップエネルギーに依存しなため、キャリアの注入がない、または注入量が少ないメサ部２０の側壁に近い領域における光吸収が少ない。このため、反射膜５１による反射で、メサ部２０の側壁に近い領域を利用して発振させても、その領域における損失は少ない。
図５は、実施形態の面発光型量子カスケードレーザにおいて反射膜の他の例を示す模式断面図である。
図５に示す例においてメサ部２０の側壁２０ａ、２０ｂに設けられた反射膜５２は、誘電体多層膜である。この誘電体多層膜における光学膜厚は、発振波長に応じて設計される。
図２（ａ）に示すように、メサ部２０の平面形状（上面または下面の形状）が正方形の場合、Ｘ方向またはＹ方向のいずれか一方向に優先的に発振する。Ｘ方向とＹ方向のどの方向に発振するかは制御できない場合が多く、反射膜５１、５２はメサ部２０のすべての側壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに設けることが好ましい。
図２（ｂ）に示すように、メサ部２０の平面形状は矩形であってもよい。この場合、長手方向（Ｘ方向）に発振しやすい。したがって、反射膜５１、５２を側壁２０ａ、２０ｂに設け、側壁２０ｃ、２０ｄには反射膜５１、５２を設けなくてもよい場合もある。
実施形態の面発光型量子カスケードレーザは、例えば、中赤外からテラヘルツ領域の単一モードのレーザ光を出射することができる。実施形態の面発光型量子カスケードレーザは、例えば、ガス分光法による分析に用いることができる。また、実施形態の面発光型量子カスケードレーザは、例えば、赤外線カメラでガス漏れを検知する用途における赤外線照明として用いることができる。
メサ部２０は、円柱状に設けられていてもよい。円柱状のメサ部２０の上面または下面の形状は円形状である。ここで、円形状とは、真円に限らず、真円から歪んだ円形や、楕円も含む。円柱状のメサ部２０の側壁において、少なくとも、中心軸を挟んだ位置にある２カ所に前述した反射膜５１または反射膜５２が設けられている。例えば、円柱状のメサ部２０のすべての側壁に反射膜５１または反射膜５２が設けられることが好ましい。また、メサ部２０は、八角柱や六角柱などの多角柱状に設けられてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…基板、１０ａ…光出射面、１３…発光層、１４…フォトニック結晶層、２０…メサ部、２０ａ〜２０ｄ…側壁、４１…絶縁膜、５１…反射膜（金属膜）、５２…反射膜（誘電体多層膜）、３１…第１電極、３２…第２電極

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた半導体積層体のメサ部であって、キャリアのサブバンド間遷移により発光する発光層と、二次元回折格子を含むフォトニック結晶層とを有するメサ部と、
    前記メサ部の側壁に設けられた反射膜と、
    を備える面発光型量子カスケードレーザ。
  2. 前記メサ部は、４つの側壁を有する四角柱状に設けられ、
    前記反射膜は、前記４つの側壁のうち少なくとも相対する２つの側壁に設けられた請求項１記載の面発光型量子カスケードレーザ。
  3. 前記メサ部は、円柱状に設けられた請求項１記載の面発光型量子カスケードレーザ。
  4. 前記発光層が発する光に対する前記反射膜の反射率は４０％以上である請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光型量子カスケードレーザ。
  5. 前記反射膜は、金属膜である請求項１〜４のいずれか１つに記載の面発光型量子カスケードレーザ。
  6. 前記金属膜は、金を含む請求項５記載の面発光型量子カスケードレーザ。
  7. 前記反射膜と連続して前記メサ部に設けられた電極と、
    前記メサ部の前記側壁と、前記反射膜との間に設けられた絶縁膜と、
    をさらに備える請求項５または６に記載の面発光型量子カスケードレーザ。
  8. 前記反射膜は、誘電体多層膜である請求項１〜４のいずれか１つに記載の面発光型量子カスケードレーザ。
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