JP2023059111A - 面発光量子カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の面発光量子カスケードレーザとは異なる、面発光量子カスケードレーザとしての優れたビーム品質を実現できる面発光量子カスケードレーザを提供することである。【解決手段】 レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂとからなり、組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、組成物Ｂは化合物半導体組成物であり、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｂからなる５角形の底面を有する柱状構造体を備える構造を有する、前記カスケードレーザである。【選択図】 なし

Description

本発明は、面発光量子カスケードレーザに関する。具体的には、共振モードの放射損比率を向上させる構造のフォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザに関し、また、レーザ素子中でのレーザ光の吸収を低減することが可能な構造のフォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザに関する。

量子カスケードレーザは、１９９４年に初めて発振が確認された比較的新しい半導体レーザで、波長３～５μｍを含む中赤外～遠赤外、さらにはテラヘルツ領域までの波長帯をカバーできる唯一の小型レーザ光源である。波長３～５μｍ帯には多様なガス種の吸収ピークが存在するため、量子カスケードレーザを利用することにより様々なガスの濃度測定が可能である。

また、量子カスケードレーザは、レーザの単一波長性を利用した同位体比の測定が可能であり、他に簡便な代替測定手法が無いことからも、非常に注目されている。

また、量子カスケードレーザは、レーザの直進性を利用して対向したミラー間にガスを通して分析するマルチパスミラー方式により感度を高めることができるため、ｐｐｂレベルの微量測定も可能である。この直進性をさらに応用することにより、火山の噴出ガス等の遠隔地の危険ガスの検出を可能にする新技術の創出が期待されてもいる。

しかしながら、量子カスケードレーザを上述のマルチパス方式による高感度化や遠隔地の危険ガス検出等に応用する場合、長い光路長でもビーム形状が維持できる高品質ビームが求められる。遠隔地の危険ガス検出へ応用する場合には加えて、遠方までレーザ光を伝搬させる必要があるため、高出力であることも求められる。
そこで、これらの特性を実現するため、量子カスケードレーザとして、レーザ素子の活性層（すなわち、発光層）に近接する位置にフォトニック結晶構造を組み込む、高出力でビーム品質の高い面発光量子カスケードレーザの研究や開発が行われている（特許文献１、２）。

例えば、特許文献１には、２種類の二次元格子（すなわち、２種類のフォトニック結晶）で構成されるいわゆる複合構造を有する面発光量子カスケードレーザによって、当該レーザの側面からのレーザ光の漏れの抑制を図ることが開示されている。

また、特許文献２には、正方格子の回折格子（すなわち、フォトニック結晶）を備え、その単位構造として底面を略直角３角形とする三角柱の形状を有することを特徴とする面発光半導体レーザ素子によって、レーザビーム品質の改善を図ることが開示されている。

特開２０１９－４７０２３号公報 特開２０１４－１９７６５９号公報

面発光量子カスケードレーザに用いられる前記フォトニック結晶は、屈折率の異なる複数の材料を周期的に２次元配列した構造体であり、電子線リソグラフィなどのナノ加工技術を用いて、レーザ素子の活性層に近接するように組み込む。その際、フォトニック結晶の光の共振モードを適切に設計して共振周波数をレーザの利得周波数帯に一致させることにより、レーザ発振を達成させるとともに、出射面に垂直方向へのレーザ光の面発光を実現させる。当該出射面は１００μｍ角以上の大面積にすることが可能であり、回折によるレーザビームの広がりを抑制することができるため、面発光量子カスケードレーザを用いると、優れたビーム品質の実現が原理的に可能である。また、レーザの活性領域の面積を大きくとることも可能であるため、面発光量子カスケードレーザによれば、大きなレーザ出力を得ることも期待できる。

しかしながら、一般に、量子カスケードレーザに電力を供給するためにはレーザ素子に通電する必要があるため、量子カスケードレーザでは、レーザ素子を構成する半導体層に不純物（すなわち、ドーパント）を添加（すなわち、ドープ）して半導体層の電気伝導度を大きくすることが必要になる。ところが、面発光量子カスケードレーザにおいて半導体層の電気伝導度を大きくすることは、レーザ光の吸収を引き起こし、また、フォトニック結晶の光共振モードの放射損比率を減少させることになるため、レーザ光の取出し効率を低下させる要因となってしまう。ここで放射損比率とは、吸収損を含む総損失に占めるレーザ出力の割合を意味する。

このように、面発光量子カスケードレーザでは、レーザ素子中の光吸収が原理的に不可避であることから、面発光量子カスケードレーザにおいては、レーザ光の取出し効率が低いという課題がある。これは、電気から光への変換効率の低下やレーザ出力の減少を引き起こすとともに、レーザ素子の内部で吸収されたレーザパワーの影響で素子温度が上昇する等の面発光量子カスケードレーザの特性の劣化に直結する数々の問題を引き起こしてしまう。

このような理由により、面発光量子カスケードレーザでは、レーザ光の取出し効率を向上させることが重要になるが、上述のような従来の面発光量子カスケードレーザでは、レーザ光の取出し効率が未だ十分とはいえない。また、面発光量子カスケードレーザでは、面発光量子カスケードレーザとしての優れたビーム品質を実現できることも重要である。そのため、従来の面発光量子カスケードレーザとは異なる新規の面発光量子カスケードレーザの開発が希求されている。

本発明では、上述の課題を解決すべく、従来の面発光量子カスケードレーザとは異なる新規の面発光量子カスケードレーザであって、面発光量子カスケードレーザとしての優れたビーム品質を実現できる面発光量子カスケードレーザを提供することを目的とする。

或いは、本発明では、共振モードの放射損比率を向上させることが可能な構造のフォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザを提供することを目的とする。当該放射損比率の向上によりレーザ光の取出し効率を高めることを目的とする。

或いは、本発明では、レーザ素子中でのレーザ光の吸収を低減させることが可能な構造のフォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザを提供することを目的とする。当該レーザ光の吸収の低減によりレーザ光の取出し効率を高めることを目的とする。

或いは、本発明では、レーザ素子を構成する半導体層にドープする不純物量を低減させても面発光量子カスケードレーザとしての優れたビーム品質を実現できる面発光量子カスケードレーザを提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶が、化合物半導体組成物又は金属組成物の組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる化合物半導体組成物の組成物Ｂとからなる場合に、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子が、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｂからなる５角形の底面を有する柱状構造体を備える構造を有する、前記カスケードレーザにより、上述の課題を解決できるという知見を得た。

また、本発明者らは、レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶が、化合物半導体組成物又は金属組成物の組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる化合物半導体組成物の組成物Ｂと、当該組成物ＡとＢの両方と屈折率が異なる誘電体組成物の組成物Ｃからなる場合に、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子が、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体を前記組成物Ｂからなる層上に備え、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｃからなる５角形の底面を有する柱状構造体を備え、当該５角形の底面を有する柱状構造体の底面は前記組成物Ｂからなる層上に位置し、前記組成物Ｃからなる５角形の底面を有する柱状構造体が、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体中に埋設されている、構造を有する、前記カスケードレーザによっても上述の課題を解決できるという知見を得た。

また、本発明者らは、レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶は、化合物半導体組成物又は金属組成物の組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる化合物半導体組成物の組成物Ｂとからなり、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体を前記組成物Ｂからなる層上に備え、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、空隙として５角形の底面を有する柱状の空隙構造体を備え、当該空隙構造体の底面は前記組成物Ｂからなる層上に位置し、前記空隙構造体は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体中に埋設されている、構造を有する、前記カスケードレーザによっても上述の課題を解決できるという知見を得た。

本発明者らは、これらの知見に基づき本発明を完成させるに至った。

本発明は、具体的には以下の［１］から［１５］の諸態様を有する。
［１］
レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、
前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、
前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂとからなり、
組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、
組成物Ｂは化合物半導体組成物であり、
前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｂからなる５角形の底面を有する柱状構造体を備える構造を有する、
前記カスケードレーザ。
［２］
前記正方形又は長方形の底面が、横方向の辺の長さをａ_１とし、縦方向の辺の長さをａ_２とする形状であって、当該横方向の辺の長さ（ａ_１）に対する当該縦方向の辺の長さ（ａ_２）の比（ａ_２／ａ_１）が１以上２以下の範囲であり、
前記５角形が、横方向の辺の長さをｂ_１、縦方向の辺の長さをｂ_２とする正方形又は長方形の一角から直角３角形の形状を欠いた形状であって、当該横方向の辺の長さ（ｂ_１）に対する当該縦方向の辺の長さ（ｂ_２）の比（ｂ_２／ｂ_１）が１以上２以下の範囲である、
［１］に記載のカスケードレーザ。
［３］
横方向の辺の長さをｂ_１、縦方向の辺の長さをｂ_２とする正方形又は長方形の一角から欠いた前記直角３角形が、ｂ_１の長さを有する当該横方向の辺の欠いた部分の長さをｂ_１´とする底辺と、ｂ_２の長さを有する当該縦方向の辺の欠いた部分の長さをｂ_２´とする高さとを有する形状を有し、
前記フォトニック結晶が長方格子の場合は、
前記横方向の辺の長さ（ｂ_１）に対する前記底辺の長さ（ｂ_１´）の比（ｂ_１´／ｂ_１）が０．１以上０．９以下であり、
前記縦方向の辺の長さ（ｂ_２）に対する前記高さの長さ（ｂ_２´）の比（ｂ_２´／ｂ_２）が０．３以上０．９以下であり、
前記フォトニック結晶が正方格子の場合は、
前記横方向の辺の長さ（ｂ_１）に対する前記底辺の長さ（ｂ_１´）の比（ｂ_１´／ｂ_１）が０．１以上０．５以下であり、
前記縦方向の辺の長さ（ｂ_２）に対する前記高さの長さ（ｂ_２´）の比（ｂ_２´／ｂ_２）が０．３以上０．９以下である、
［２］に記載のカスケードレーザ。
［４］
前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子に占める前記組成物Ｂからなる５角形の底面を有する柱状構造体の割合が２０％以上８０％以下である、［１］から［３］のいずれかに記載のカスケードレーザ。
［５］
前記レーザ活性層が２層以上の量子井戸層からなる多重量子井戸であって、各量子井戸層が、III－V族化合物半導体組成物、ＺｎＯとＺｎＭｇＯからなる化合物半導体組成物、又はＳｉとＳｉＧｅからなる化合物半導体組成物のいずれかを含む、［１］から［４］のいずれかに記載のカスケードレーザ。
［６］
前記III－V族半導体組成物が、ＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＡｓからなる化合物半導体組成物、ＧａＡｓとＩｎＧａＡｓからなる化合物半導体組成物、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる化合物半導体組成物、ＩｎＡｓとＡｌＧａＳｂからなる化合物半導体組成物、ＧａＮとＡｌＧａＮからなる化合物半導体組成物、及びＧａＮとＩｎＧａＮからなる化合物半導体組成物からなる群から選択される少なくとも一種である、［５］に記載のカスケードレーザ。
［７］
前記レーザ活性層のドーピング密度が１×１０^１８ｃｍ^－３以下であり、且つ、前記活性層を除く半導体層のドーピング密度が１×１０^１９ｃｍ^－３以下である、［１］から［６］のいずれかに記載のカスケードレーザ。
［８］
レーザ発振波長が３μｍ以上９μｍ以下である、［１］から［７］のいずれかに記載のカスケードレーザ。
［９］
前記組成物Ａ及び／又は前記組成物ＢがIII－V族化合物半導体組成物を含む、［１］から［８］のいずれかに記載のカスケードレーザ。
［１０］
前記III－V族化合物半導体組成物が、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、およびＧａＰからなる群から選択される少なくとも１種の化合物半導体組成物である、［９］に記載のカスケードレーザ。
［１１］
前記組成物ＡがＩｎＰ化合物半導体組成物又は金属組成物であり、前記組成物ＢがＩｎＧａＡｓ化合物半導体組成物である、［１］から［１０］のいずれかに記載のカスケードレーザ。
［１２］
前記組成物Ａが金属組成物である、［１］から［１１］のいずれかに記載のカスケードレーザ。
［１３］
前記金属組成物が主成分として金を含有する、［１］から［１２］のいずれかに記載のカスケードレーザ。
［１４］
レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、
前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、
前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂと、当該組成物ＡとＢの両方と屈折率が異なる組成物Ｃからなり、
組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、
組成物Ｂは化合物半導体組成物であり、
組成物Ｃは誘電体組成物であり、
前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、
前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体を前記組成物Ｂからなる層上に備え、
前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｃからなる５角形の底面を有する柱状構造体を備え、当該５角形の底面を有する柱状構造体の底面は前記組成物Ｂからなる層上に位置し、
前記組成物Ｃからなる５角形の底面を有する柱状構造体は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体中に埋設されている、
構造を有する、
前記カスケードレーザ。
［１５］
レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、
前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、
前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂとからなり、
組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、
組成物Ｂは化合物半導体組成物であり、
前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、
前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体を前記組成物Ｂからなる層上に備え、
前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、空隙として５角形の底面を有する柱状の空隙構造体を備え、当該空隙構造体の底面は前記組成物Ｂからなる層上に位置し、
前記空隙構造体は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体中に埋設されている、
構造を有する、
前記カスケードレーザ。

本発明によれば、従来の面発光量子カスケードレーザとは異なる新規の面発光量子カスケードレーザであって、面発光量子カスケードレーザとしての優れたビーム品質を実現できる面発光量子カスケードレーザを提供することができる。

或いは、本発明によれば、共振モードの放射損比率を向上させることが可能な構造のフォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザを提供することができる。当該放射損比率の向上によりレーザ光の取出し効率を高めることができる。

或いは、本発明によれば、レーザ素子中でのレーザ光の吸収を低減させることが可能な構造のフォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザを提供することができる。当該レーザ光の吸収の低減によりレーザ光の取出し効率を高めることができる。

或いは、本発明によれば、レーザ素子を構成する半導体層にドープする不純物量を低減させても面発光量子カスケードレーザとしての優れたビーム品質を実現できる面発光量子カスケードレーザを提供することができる。例えば、レーザ活性層のドーピング密度が１×１０^１８ｃｍ^－３以下であり、かつ、活性層を除く半導体層のドーピング密度が１×１０^１９ｃｍ^－３以下でも優れたビーム品質を実現できる面発光量子カスケードレーザを提供することができる。

上述のとおり、本発明によれば、当該放射損比率の向上が可能な構造のフォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザを提供することができる。ここで、当該フォトニック結晶の構造を効果的な放射損比率（具体的には、大きな放射損比率）となるように設計することにより、大きなレーザ光の取出し効率を実現することが可能になる。例えば、当該レーザ光の取出し効率として４０％超を実現できる。また、本発明によれば、フォトニック結晶の単位格子が正方格子の場合でも、単位格子として同じ正方格子のフォトニック結晶を使用する従来の面発光半導体レーザ素子よりも高いレーザ光の取出し効率（具体的には、凡そ１５％以上）を実現できる。本発明によれば、大きなレーザ光の取出し効率を実現することが可能になるので、レーザ出力の向上、電気から光への変換効率の向上、並びに、レーザ素子の温度上昇の抑制も期待できる。当該温度上昇の抑制により、素子冷却機構の簡素化も期待できる。

本発明によれば、放射損比率の向上が可能な構造のフォトニック結晶を使用するため、フォトニック結晶の光のバンド構造のうち、面発光レーザの重要な指標であるΓ点の共振モードのＱ値を精密に設計できる。そのため、大きなレーザ光の取出し効率の実現が期待できる。本発明で用いられる放射損比率の向上が可能な構造のフォトニック結晶は、従来から用いられてきた正方格子フォトニック結晶や３角格子フォトニック結晶よりも質的に格段に優れた特徴となり得る。

図１は、本発明の面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶の単位格子の一実施態様をレーザ光の射出方向から見た平面図である（ここで、図中の単位格子は、長さａ_１とａ_２からなる正方格子又は長方格子であり、屈折率がｎ_２の化合物半導体組成物又は金属組成物から構成され、中心部に屈折率がｎ_１の５角形の化合物半導体組成物を有する。当該５角形は、横方向の辺の長さをｂ_１、縦方向の辺の長さをｂ_２とする正方形又は長方形の一角から底辺の長さをｂ_１´、高さをｂ_２´とする直角３角形の形状を欠いた形状を有する。）。 図２は、実施例１－１で作製した面発光量子カスケードレーザの構造の一実施態様を示す図（側面図）である（ここで、図中の（ａ）は、フォトニック結晶の空洞の埋め込みにＩｎＰを用いた実施態様であり、図中の（ｂ）は、フォトニック結晶の空洞の埋め込みにＴｉ薄膜と金を用いた実施態様である。）。 図３は、実施例１－２で作製した面発光量子カスケードレーザの構造の一実施態様を示す図（側面図）である。 図４は、実施例１－２で作製した面発光量子カスケードレーザによるレーザ発振の出力特性を示す図である。 図５は、実施例１－２で作製した面発光量子カスケードレーザによるレーザビームの遠方場プロファイルを示す図である。 図６は、実施例１－２の方法を用いて新たに作製した３種類の面発光量子カスケードレーザによるレーザ発振スペクトルを、実施例１－２で作製した面発光量子カスケードレーザによるレーザ発振スペクトルとともに示す図である（図中のスペクトルは、面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶がいずれも正方格子の単位格子を有し、図１に示すａ_１とａ_２の長さが、ａ_１＝ａ_２＝１．３５５μｍ、１．３６０μｍ、１．３６５μｍ、１．３７０μｍであるものを上から順に示したものである）。 図７は、実施例１－２の方法を用いて面発光量子カスケードレーザを作製した場合の面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶中の単位格子構造に関し、図１中のａ_１とａ_２の長さが同じ１．３５５μｍの正方格子であって、中心部の５角形の大きさ（具体的には、（ｂ_１´／ｂ_１）と（ｂ_２´／ｂ_２））を変化させた場合のレーザ光の取出し効率（％）に与える影響を有限要素法による数値計算で算出した結果を示す図である。 図８は、比較例１－１の面発光量子カスケードレーザと実施例１－２の面発光量子カスケードレーザの出力特性（すなわち、レーザ発振特性）の比較結果を示す図である（図中、比較例１－１は、図１に示すフォトニック結晶単位格子中の５角形部分が円形構造である点で実施例１－２と異なる。）。 図９は、比較例１－１のレーザビームの遠方場プロファイルを示す図である。 図１０は、実施例１－２の方法を用いて面発光量子カスケードレーザを作製した場合の面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶中の単位格子構造に関し、図１中のａ_１とａ_２の長さが異なる長方格子（ａ_１＝１．３８０μｍ、ａ_２＝１．６５６μｍ）であって、中心部の５角形の大きさ（具体的には、（ｂ_１´／ｂ_１）と（ｂ_２´／ｂ_２））を変化させた場合のレーザ光の取出し効率（％）に与える影響を有限要素法による数値計算で算出した結果を示す図である。 図１１は、本発明の面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶の単位格子の図１とは別の一実施態様を示す図である（ここで、図中の（ａ）は、レーザ光の射出方向から見た平面図であり、図中の（ｂ）は、側面図を示す。）。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができることに留意すべきである。

本発明の一態様は、レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザである。そして、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂとからなり、組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、組成物Ｂは化合物半導体組成物である。更に、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｂからなる５角形の底面を有する柱状構造体を備える構造を有する。

本発明において、レーザ活性層は、いわゆる発光層のことであり、具体的には、複数の量子井戸層を積層したいわゆる「多重量子井戸（ＭＱＷ）」からなり、サブバンド間遷移によりレーザ光を放出させる層のことである。レーザ活性層は、単に「活性層」と称されることもあり、本願でも単に「活性層」と称することもある。

本発明において、レーザ活性層以外の半導体層とは、本発明の一態様である前記面発光量子カスケードレーザを構成するレーザ活性層以外の全ての半導体層（例えば、クラッド層やフォトニック結晶）のことである。

レーザ活性層を構成する各量子井戸層は、III－V族化合物半導体組成物、ＺｎＯとＺｎＭｇＯからなる化合物半導体組成物、又はＳｉとＳｉＧｅからなる化合物半導体組成物のいずれかを含む層であることが好ましい。ここで、「含む」とは、必要に応じてドーパント（すなわち、不純物）をドープ（すなわち、添加）してもよいという意味であり、レーザ素子を構成する半導体層へのドープ量低減という観点から、できるだけ少なくすることが望ましく、具体的には、レーザ活性層全体のドーピング密度が１×１０^１８ｃｍ^－３以下になる量とすることが好ましい。

前記III－V族化合物半導体組成物としては、ＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＡｓからなる化合物半導体組成物（当該組成物を「ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ」と表記することもある）、ＧａＡｓとＩｎＧａＡｓからなる化合物半導体組成物（当該組成物を「ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ」と表記することもある）、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる化合物半導体組成物（当該組成物を「ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ」と表記することもある）、ＩｎＡｓとＡｌＧａＳｂからなる化合物半導体組成物（当該組成物を「ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂ」と表記することもある）、ＧａＮとＡｌＧａＮからなる化合物半導体組成物（当該組成物を「ＧａＮ／ＡｌＧａＮ」と表記することもある）、及びＧａＮとＩｎＧａＮからなる化合物半導体組成物（当該組成物を「ＧａＮ／ＩｎＧａＮ」と表記することもある）からなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。この場合の基板は、III－V族化合物半導体組成物が「ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ」である場合、ＩｎＰ基板が好ましく、「ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ」又は「ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ」である場合、ＧａＡｓ基板が好ましく、「ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂ」である場合、ＩｎＡｓ基板が好ましく、「ＧａＮ／ＡｌＧａＮ」又は「ＧａＮ／ＩｎＧａＮ」である場合、ＧａＮ基板が好ましい。

ＺｎＯとＺｎＭｇＯからなる化合物半導体組成物（当該組成物を「ＺｎＯ／ＺｎＭｇＯ」と表記することもある）を使用する場合の基板は、ＺｎＯ基板が好ましい。
ＳｉとＳｉＧｅからなる化合物半導体組成物（当該組成物を「Ｓｉ／ＳｉＧｅ」と表記することもある）を使用する場合の基板は、Ｓｉ基板が好ましい。

フォトニック結晶は、屈折率が異なる物質を光の波長と同程度の間隔で並べた、ナノ周期構造を持つ人工結晶である。光が内部に閉じ込められたり、侵入できなかったりする現象が起きるため、光を小さな領域に閉じ込め、光と物質の相互作用を高めることに利用される。

本発明に用いられる正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、化合物半導体組成物又は金属組成物（当該組成物を本願では便宜上「組成物Ａ」と称する）と、組成物Ａと屈折率が異なる化合物半導体組成物（当該組成物を本願では便宜上「組成物Ｂ」と称する）からなる。

組成物Ａと組成物Ｂとしては、化合物半導体組成物としてIII－V族化合物半導体組成物を含むことが好ましい。代表的なものとして、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＰが挙げられ、これらの化合物半導体組成物からなる群から選択される少なくとも１種を使用することが好ましい。ここで、「含む」とは、必要に応じてドーパント（すなわち、不純物）をドープ（すなわち、添加）してもよいという意味であり、レーザ素子を構成する半導体層へのドープ量低減という観点から、できるだけ少なくすることが望ましく、具体的には、レーザ活性層以外の半導体層全体のドーピング密度が１×１０^１９ｃｍ^－３以下になる量とすることが好ましい。

組成物Ａと組成物ＢとしてIII－V族化合物半導体組成物を使用する場合、屈折率が互いに異なるIII－V族化合物半導体組成物を選択する必要がある。フォトニック結晶の構造にもよるが、一般的には、高屈折率のものと低屈折率のものを選択することが好ましく、高屈折率差になるように選択することがより好ましい。

組成物Ａと組成物Ｂの組み合わせに関しては、例えば、組成物Ａとして、ＩｎＰ化合物半導体組成物又は金属組成物を使用し、且つ、組成物ＢとしてＩｎＧａＡｓ化合物半導体組成物を使用することが好ましい。

組成物Ａとして金属組成物を使用する場合、当該金属組成物は、金属を含有する組成物のことである。代表的なものとして、例えば、金、銅、ニッケル、チタン、又はこれらの組み合わせを含有する組成物が挙げられ、これらの金属を単体で使用しても、主成分として使用してもよい。組成物Ａとして金属組成物を使用する場合、主成分として金を含有する金属組成物（例えば、金とＴｉからなり主成分を金とする金属組成物）を使用することが好ましい。なお、組成物Ａとして使用する金属組成物を、本願では単に「金属」と称することもある。

フォトニック結晶の単位格子は、正方格子又は長方格子である。放射損比率を高めるという観点から、長方格子が好ましい。

本発明の一態様である前記面発光量子カスケードレーザでは、正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子の構造は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、組成物Ｂからなる５角形の底面を有する柱状構造体を備える構造を有する。つまり、正方格子又は長方格子フォトニック結晶は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、組成物Ｂからなる５角形の底面を有する柱状構造体（すなわち、５角柱構造体）を備える構造を基本単位として、２次元周期配列しているものである。

正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子の構造の概略は、当該フォトニック結晶を用いて面発光量子カスケードレーザを作製したときのレーザ光の射出方向から見た平面図として図１に示す。

図１に示すとおり、正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子を２次元的に見ると、当該フォトニック結晶の単位格子の構造は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の形状部とその中心部に組成物Ｂからなる５角形の形状部を有する。

正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子の作製では、まず、５角形の形状部が、組成物Ｂ（例えば、図中の屈折率ｎ_１が３．４０のＩｎＧａＡｓ）を用いて、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法と有機金属気相成長法を用いた薄膜作製と、電子線リソグラフィを用いたナノ加工により作製される。作製された５角形の形状部は、組成物Ｂからなり、フォトニック結晶に対応する。次に、２次元周期配列している組成物Ｂからなる５角形間の間隙を組成物Ａ（例えば、屈折率ｎ_２が３．０７のＩｎＰ）で隙間なく埋め込むことにより、組成物Ａからなる正方形又は長方形の形状部が作製される。その結果、図１に示すとおり、前記フォトニック結晶の単位格子の構造は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の形状部とその中心部に組成物Ｂからなる５角形の形状部を有することになる。

図１に示すとおり、組成物Ａからなる正方形又は長方形の形状部（すなわち、正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子）の横方向の辺の長さをａ_１、縦方向の辺の長さをａ_２とすると、横方向の辺の長さ（ａ_１）に対する縦方向の辺の長さ（ａ_２）の比を示す（ａ_２／ａ_１）の値は、１以上２以下の範囲であることが好ましく、１以上１．８以下の範囲であることがより好ましく、１以上１．５以下の範囲であることがより一層好ましい。横方向の辺の長さａ_１、縦方向の辺の長さａ_２は、目標とするレーザ発振波長に応じて有限要素法による計算結果に基づいて調節すればよい。但し、通常は、フォトニック結晶の平均屈折率をｎ、レーザ発振波長をλ（単位：ｎｍ）とした場合、横方向の辺の長さａ_１は、ｎａ_１／λ＝０．８以上１．２以下を満たす値であることが好ましく、ｎａ_１／λ＝０．９以上１．１以下を満たす値であることがより好ましい。この場合、縦方向の辺の長さａ_２は、ｎａ_２／λ＝０．８以上２．４以下を満たす値であることが好ましく、ｎａ_１／λ＝０．９以上２．０以下を満たす値であることがより好ましい。

図１に示すとおり、組成物Ｂからなる５角形の形状部（すなわち、フォトニック結晶部）は、横方向の辺の長さをｂ_１、縦方向の辺の長さをｂ_２とする正方形又は長方形の一角から直角３角形の形状を欠いた（すなわち、取り除いた）形状であることが好ましい。この場合、横方向の辺の長さ（ｂ_１）に対する縦方向の辺の長さ（ｂ_２）の比を示す（ｂ_２／ｂ_１）の値は、１以上２以下の範囲であることが好ましく、１以上１．８以下の範囲であることがより好ましく、１以上１．５以下の範囲であることがより一層好ましい。ここで、横方向の辺の長さ（ｂ_１）は、単位格子に占める組成物Ｂの割合が２０％以上８０％以下の範囲であるように定めることが好ましい。したがって、横方向の辺の長さ（ａ_１）に対する比を示す（ｂ_１／ａ_１）の値は、ｂ_１／ａ_１＝０．２以上０．８以下の範囲であることが好ましく、０．３以上０．７以下の範囲であることがより好ましく、０．４以上０．６以下の範囲であることがより一層好ましい。

図１に示すとおり、前記直角３角形が、ｂ_１の長さを有する前記横方向の辺から欠いた部分の長さをｂ_１´とする底辺と、ｂ_２の長さを有する当該縦方向の辺の欠いた部分の長さをｂ_２´とする高さとを有する形状であるとすると、前記横方向の辺の長さ（ｂ_１）に対する前記底辺の長さ（ｂ_１´）の比を示す（ｂ_１´／ｂ_１）の値は、前記フォトニック結晶が長方格子の場合、０．１以上０．９以下の範囲であることが好ましく、０．２以上０．９以下の範囲であることがより好ましく、０．３以上０．９以下の範囲であることがより一層好ましい。また、縦方向の辺の長さ（ｂ_２）に対する前記高さの長さ（ｂ_２´）の比を示す（ｂ_２´／ｂ_２）の値は、前記フォトニック結晶が長方格子の場合、０．３以上０．９以下の範囲であることが好ましく、０．５以上０．９以下の範囲であることがより好ましく、０．６以上０．９以下の範囲であることがより一層好ましい。前記フォトニック結晶が正方格子の場合、（ｂ_１´／ｂ_１）の値は、０．１以上０．５以下の範囲であることが好ましく、０．２以上０．５以下の範囲であることがより好ましい。また、前記フォトニック結晶が正方格子の場合、（ｂ_２´／ｂ_２）の値は、０．３以上０．９以下の範囲であることが好ましく、０．５以上０．９以下の範囲であることがより好ましい。

本発明の一態様である前記面発光量子カスケードレーザでは、正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子に占める組成物Ｂからなる５角形の底面を有する柱状構造体の割合は、２０％以上８０％以下であることが好ましく、３０％以上７０％以下の範囲であることがより好ましく、４０％以上６０％以下の範囲であることがより一層好ましい。

本発明の一態様である前記面発光量子カスケードレーザでは、レーザ活性層としてドーパント（すなわち、不純物）をドープ（すなわち、添加）してもよいが、レーザ素子を構成する半導体層へのドープ量低減という観点から、できるだけ少なくすることが望ましく、具体的には、レーザ活性層のドーピング密度は１×１０^１８ｃｍ^－３以下であり、且つ、当該レーザ活性層以外の半導体層のドーピング密度も１×１０^１９ｃｍ^－３以下であることが好ましい。レーザ活性層のドーピング密度は、１×１０^１７以下であることがより好ましく、５×１０^１６以下であることがより一層好ましい。また、レーザ活性層以外の半導体層のドーピング密度は、１×１０^１８以下であることがより好ましく、５×１０^１７以下であることがより一層好ましい。

本発明の一態様である前記面発光量子カスケードレーザでは、多様なガス種分析への利用や優れたビーム品質等の観点から、レーザ発振波長が３μｍ以上９μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましい。

以下に、本発明に関し、本発明の一態様である前記面発光量子カスケードレーザとは別の一態様について述べる。その際、本発明の一態様である前記面発光量子カスケードレーザにおいて既に述べた説明については、特に断りがない限り、同様に適用される。

本発明の別の一態様は、レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであり、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂと、当該組成物ＡとＢの両方と屈折率が異なる組成物Ｃからなり、組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、組成物Ｂは化合物半導体組成物であり、組成物Ｃは誘電体組成物である。そして、前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体を前記組成物Ｂからなる層上に備え、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｃからなる５角形の底面を有する柱状構造体を備え、当該５角形の底面を有する柱状構造体の底面は前記組成物Ｂからなる層上に位置し、前記組成物Ｃからなる５角形の底面を有する柱状構造体は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体中に埋設されている構造を有する。

本発明の別の一態様である前記面発光量子カスケードレーザにおいて用いられるフォトニック結晶の単位格子は、化合物半導体組成物又は金属組成物（当該組成物を本願では便宜上「組成物Ａ」と称する）と、組成物Ａと屈折率が異なる化合物半導体組成物（当該組成物を本願では便宜上「組成物Ｂ」と称する）と、組成物ＡとＢの両方と屈折率が異なる誘電体組成物（当該組成物を本願では便宜上「組成物Ｃ」と称する）からなる。

組成物Ｃとしては、誘電体組成物としてＳｉＯ_２を使用することが好ましい。代表的なものとして、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ、ＴｉＯ_２が挙げられ、これらの誘電体組成物からなる群から選択される少なくとも１種を使用することが好ましい。

正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子の構造の概略は、当該フォトニック結晶を用いて面発光量子カスケードレーザを作製したときのレーザ光の射出方向から見た平面図と側面図としてそれぞれ、図１１（ａ）と図１１（ｂ）に示す。

図１１（ａ）に示すとおり、正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子を２次元的に見ると、当該フォトニック結晶の単位格子の構造は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の形状部とその中心部に組成物Ｃからなる５角形の形状部を有する。そして、図１１（ｂ）に示すとおり、正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体と、その中心部に備えられている（すなわち、配置されている）組成物Ｃからなる５角形の底面を有する柱状構造体とが、組成物Ｂからなる層上に位置する構造を有する。そして、組成物Ｃからなる５角形の底面を有する柱状構造体は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体に埋め込まれて埋設している構造を有する。

本発明の更なる別の一態様である前記面発光量子カスケードレーザにおいて用いられるフォトニック結晶の単位格子は、前記組成物Ｃで構成される部分を空隙とする。この場合の正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子の構造の概略は、図１１（ａ）と図１１（ｂ）に示すとおり、組成物Ｃで構成される部分を空隙に置き換えた構造となる。そのため、本発明の別の一態様である前記面発光量子カスケードレーザにおいて用いられる正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体と、その中心部に備えられている（すなわち、配置されている）空隙からなる５角形の底面を有する柱状の空隙構造体とが、組成物Ｂからなる層上に位置する構造を有する。そして、５角形の底面を有する柱状の空隙構造体は、組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体中に当該柱状構造体を貫通させることなく空隙として存在する。そのため、５角形の底面を有する柱状の空隙構造体は、図１１（ｂ）に示すとおり、組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体に埋め込まれて埋設している構造を有する。

本願において定めのない条件については、本発明の目的を達成できる限り、特に制限はない。

次に、実施例を挙げて本発明の実施の形態をより具体的に説明するが、本発明の実施の形態はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１－１
＜面発光量子カスケードレーザの製造及び効果（その１）＞
図２（ａ）と（ｂ）に示す２種類の面発光量子カスケードレーザを分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて作製した。図２（ａ）と（ｂ）は、作製した面発光量子カスケードレーザの側面図である。
図２の２種類の面発光量子カスケードレーザにおいて、発光層である活性層（レーザ活性層のことである）１４、２４は、ＩｎＧａＡｓ薄膜とＡｌＩｎＡｓ薄膜を主構成要素とする多重量子井戸（ＭＱＷ）からなり、下クラッド層１５、２５は、Ｎ型ＩｎＰ基板と当該基板上に形成されたＩｎＰ薄膜からなる。下クラッド層１５、２５は、ＩｎＰクラッド層１５、２５とも称する。下クラッド層１５、２５もＭＢＥ法を用いて作製した。前記多重量子井戸（ＭＱＷ）では、他の構成要素としてＳｉをドープし、当該ドープ量は、活性層１４、２４におけるドーピング密度が１×１０^１８ｃｍ^－３以下になる量とした。
活性層１４、２４の上面にはＩｎＧａＡｓを主成分とするフォトニック結晶１２、２２を組み込んだ。なお、図２（ｂ）では、活性層１４、２４の上面にＩｎＰの上クラッド層２７（当該層を「ＩｎＰクラッド層２７」とも称する。）を設けた。当該フォトニック結晶１２、２２の作製は、図２（ａ）では、活性層１４の上面に、図２（ｂ）では、ＩｎＰクラッド層２７の上面に、まず厚みが１μｍのＩｎＧａＡｓ薄膜をＭＢＥ法で作製し、さらに電子線レジストを塗布した後、図１に示す設計にしたがって電子線リソグラフィによる電子線露光とドライエッチングで５角柱の２次元周期配列に加工することにより実施した。
レーザ素子の発熱を効率的に拡散させて当該素子の温度上昇を抑制するため、図２（ａ）では、エッチングで生じたフォトニック結晶１２中の空洞（すなわち、隣接する５角柱の間隙）を、有機金属気相成長法でＩｎＰ膜を成長させることによってＩｎＰで埋め込むとともに更にその上部に厚みが凡そ３μｍのＩｎＰ膜を作製し、クラッド層（当該層を「埋め込みＩｎＰクラッド層１３」と称する。）とした。同様に、図２（ｂ）でも、エッチングで生じたフォトニック結晶２２中の空洞（すなわち、隣接する５角柱の間隙）を、金とＴｉからなり主成分を金とする金属（すなわち、Ｔｉ／Ａｕ金属）で埋め込むとともに更にその上部に厚みが凡そ１μｍのＴｉ／Ａｕ金属膜を作製し、Ｔｉ／Ａｕ金属層（当該層を「埋め込みＴｉ／Ａｕ金属層２３」と称する。）とした。５角柱の２次元周期配列の形成及び空洞（すなわち、隣接する５角柱の間隙）が隙間なく埋め込まれている（すなわち、充填されている）ことは、電子顕微鏡による観察で確認した。ＩｎＰで埋め込む場合には、その上面に電流注入用の電極としてＴｉとＡｕからなる金属電極（すなわち、Ｔｉ／Ａｕ電極１１）を作製した。図示していないが、図２（ｂ）でも、同様に金属電極を作製した。また、ＳｉＯ_２の絶縁膜を設けた。更に、前記ＩｎＰ基板の下面にも電流注入用の金属電極１６、２６（具体的には、Ｔｉ／Ａｕ電極）を取り付けた。中央にはレーザ光の取出し用の開口を設けた（図示せず）。
なお、活性層１４、２４以外にドープされたドーパントの量は、活性層１４、２４を除いたドーピング密度が１×１０^１９ｃｍ^－３以下になる量とした。
図１は、面発光量子カスケードレーザにおけるレーザ光の射出方向から見た、フォトニック結晶１２、２２の単位格子を示す平面図である。図１を用いて本実施例で設計されたフォトニック結晶１２、２２の構造を説明する。フォトニック結晶１２、２２の単位格子は、図中、ａ_１の長さが１．３７μｍ、ａ_２の長さが１．６４４μｍ、ｂ_１の長さが１．１２３μｍ、ｂ_２の長さが１．３４８μｍ、ｂ_１´の長さが０．７８６μｍ、そしてｂ_２´の長さが０．９４３μｍになるように設計した。つまり、フォトニック結晶１２、２２は、長方格子の単位格子を有する。そのため、フォトニック結晶１２、２２の単位格子は、その二次元構造が、縦方向の長さをａ_１とし、横方向の長さをａ_２とする長方形の形状を有するが、その中心部に当該長方形の形状を構成する材料とは異なる材料からなる５角形の形状も有する。ここで、正方形又は長方形の形状部分は、図２（ａ）では埋め込みＩｎＰクラッド層１３に相当し、図２（ｂ）では埋め込みＴｉ／Ａｕ金属層２３に相当するので、その材料は、図２（ａ）ではＩｎＰであり、図２（ｂ）ではＴｉ／Ａｕ金属である。また、５角形の形状部分は、図２（ａ）ではフォトニック結晶１２に相当し、図２（ｂ）ではフォトニック結晶２２に相当するので、その材料はドープ成分を除けばいずれもＩｎＧａＡｓである。
図２（ａ）では、５角形の形状部分の材料であるＩｎＧａＡｓの屈折率ｎ_１は、３．４０であり、長方形の形状部分の材料であるＩｎＰの屈折率ｎ_２は、３．０７である。
図２（ｂ）では、５角形の形状部分の材料であるＩｎＧａＡｓの屈折率ｎ_１は、３．４０であり、長方形の形状部分の材料であるＴｉ／Ａｕ金属の屈折率ｎ_２は、３．５３であった。
図２（ａ）と（ｂ）のいずれも、レーザ素子には前記構造を有する単位格子を約３６０個×３００個の量で、周期的に作製したことから、フォトニック結晶全体としての面積は、約５００μｍ×５００μｍの大きさであった。
作製した図２に示す２種類の面発光量子カスケードレーザの効果に関しては、液体窒素温度に冷却して電流注入によるレーザ発振を実施し、面発光量子カスケードレーザとしてレーザ発振が達成でき、優れたビーム品質を実現できることを確認した（図示せず）。

実施例１－２
＜面発光量子カスケードレーザの製造及び効果（その２）＞
図３に示す面発光量子カスケードレーザを、実施例１－１と同様の方法で作製した。図３は、作製した面発光量子カスケードレーザの側面図である。
具体的には、図３の面発光量子カスケードレーザにおいて、発光層である活性層３４は、ＩｎＧａＡｓ薄膜とＡｌＩｎＡｓ薄膜を主構成要素とする多重量子井戸（ＭＱＷ）からなり、下クラッド層３５は、Ｎ型ＩｎＰ基板と当該基板上に形成されたＩｎＰ薄膜からなり、ＩｎＰクラッド層３５とも称する。下クラッド層３５もＭＢＥ法を用いて作製した。前記多重量子井戸（ＭＱＷ）では、他の構成要素としてＳｉをドープし、当該ドープ量は、活性層３４におけるドーピング密度が１×１０^１８ｃｍ^－３以下になる量とした。
活性層３４の上面には、ＩｎＧａＡｓを主成分とするフォトニック結晶３２を組み込んだ。フォトニック結晶３２の作製は、活性層３４の上面にまず厚みが１μｍのＩｎＧａＡｓ薄膜をＭＢＥ法で作製し、さらに電子線レジストを塗布した後、図１に示す設計にしたがって電子線リソグラフィによる電子線露光とドライエッチングで５角柱の２次元周期配列に加工することにより実施した。
レーザ素子の発熱を効率的に拡散させて当該素子の温度上昇を抑制するため、エッチングで生じたフォトニック結晶３２中の空洞（すなわち、隣接する５角柱の間隙）を、有機金属気相成長法でＩｎＰ膜を成長させることによってＩｎＰで埋め込むとともに更にその上部に厚みが凡そ３μｍのＩｎＰ膜３７を作製し、クラッド層（当該層を「埋め込みＩｎＰクラッド層３３」とも称する）とした。５角柱の２次元周期配列の形成及び空洞（すなわち、隣接する５角柱の間隙）が隙間なく埋め込まれている（すなわち、充填されている）ことは、電子顕微鏡による観察で確認した。埋め込みＩｎＰクラッド層３３の上には、厚みが凡そ０．１μｍのＩｎＧａＡｓ層３７を更に形成した。ＩｎＧａＡｓ層３７の上面に電流注入用の電極としてＮｉとＡｕからなる金属電極（すなわち、Ｎｉ／Ａｕ電極３１）を作製した。また、ＳｉＯ_２の絶縁膜３９を設けた。さらに、ＩｎＰ基板３８の下面にも電流注入用の金属電極３６（具体的には、Ｎｉ／Ａｕ電極）を取り付けた。中央にはレーザ光の取出し用の開口を設けた（図示せず）。
なお、発光層（すなわち、活性層）３４以外にドープされたドーパントの量は、発光層３４を除くドーピング密度が１×１０^１９ｃｍ^－３以下になる量とした。
図１は、面発光量子カスケードレーザにおけるレーザ光の射出方向から見た、フォトニック結晶３２の単位格子を示す平面図である。図１を用いて本実施例で設計されたフォトニック結晶３２の構造を説明する。フォトニック結晶３２の単位格子は、図中、ａ_１とａ_２の長さがいずれも１．３５５μｍ、ｂ_１とｂ_２の長さがいずれも１．０６５μｍ、ｂ_１´の長さが０．４２６μｍ、そしてｂ_２´の長さが０．８５２μｍになるように設計した。つまり、フォトニック結晶３２は、正方格子の単位格子を有する。そのため、フォトニック結晶３２の単位格子は、その二次元構造が、縦方向の長さａ_１と横方向の長さａ_２が同じ正方形の形状を有するが、その中心部に当該正方形の形状を構成する材料とは異なる材料からなる５角形の形状も有する。ここで、正方形の形状部分は、埋め込みＩｎＰクラッド層３３に相当するので、その材料はＩｎＰである。また、５角形の形状部分は、フォトニック結晶３２に相当するので、その材料はＩｎＧａＡｓである。５角形の形状部分の材料であるＩｎＧａＡｓの屈折率ｎ_１は、３．４０であり、正方形の形状部分の材料であるＩｎＰの屈折率ｎ_２は、３．０７である。
レーザ素子には前記構造を有する単位格子を約３７０個×３７０個の量で、周期的に作製したことから、フォトニック結晶全体としての面積は、約５００μｍ×５００μｍの大きさであった。
作製した図３に示す面発光量子カスケードレーザの効果に関しては、実施例１と同様、液体窒素温度に冷却して電流注入によるレーザ発振を実施することにより確認した。図４に、本実施例で作製した面発光量子カスケードレーザの出力特性の結果を示す。この結果から、レーザ発振閾値電流は約２．８Ａ、最大出力は約５０ｍＷであることを確認した。
また、図５に、本実施例で作製した面発光量子カスケードレーザの出力レーザビームの遠方場プロファイルの結果を示す。この結果から、ビーム広がり角が小さい単峰の出力ビームが得られることを確認した。
これらの結果から、本実施例で作製した面発光量子カスケードレーザによれば、面発光量子カスケードレーザとしてレーザ発振が達成でき、優れたビーム品質を実現できることがわかった。

比較例１－１
＜比較用面発光量子カスケードレーザの製造＞
実施例１－２で作製した面発光量子カスケードレーザ中のフォトニック結晶３２を構成する単位格子中の５角柱部分の底面の形状だけを直径１．１０２μｍの円形の形状として円柱に置き換えただけの構造を有する一般的な面発光量子カスケードレーザを比較例１－１として作製した。当該作製方法は、単位格子中の５角柱部分の形状だけを円柱の形状に置き換えた以外、実施例１－２と同様である。
比較例１－１の面発光量子カスケードレーザの出力特性の結果を、実施例１－２の面発光量子カスケードレーザの出力特性の結果とともに図８に示す。
この結果から、比較例１－１の面発光量子カスケードレーザは、実施例１－２の面発光量子カスケードレーザと比べてレーザ出力が小さいことを確認した。
また、比較例１－１の面発光量子カスケードレーザによるレーザビームの遠方場プロファイルの結果を図９に示す。この遠方場プロファイルは、実施例１－２の面発光量子カスケードレーザによるレーザビームの遠方場プロファイルを示す図５の遠方場プロファイルとは異なり、ドーナッツ状の形状を示し、ビーム広がり角も大きいことを確認した。
これらの結果から、比較例１－１の面発光量子カスケードレーザでは、ビーム品質が低く、本発明の一実施態様の面発光量子カスケードレーザである実施例１－２のような優れたビーム品質は得られないことがわかった。

実施例２－１
＜フォトニック結晶の単位格子の構造がレーザ発振波長に与える影響＞
実施例１－２で作製した図３に示す面発光量子カスケードレーザを、実施例１－２と同様の方法により、新たに３種類作製した。これら３種類の面発光量子カスケードレーザは、面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶３２の単位格子の構造に関し、実施例１－２のフォトニック結晶３２の正方格子の単位格子の長さ（具体的には、図１中のａ_１とａ_２の長さがいずれも同じ１．３５５μｍ）だけが１．３５５μｍから１．３７０μｍの範囲内で異なるように作製した。具体的には、図３に示す面発光量子カスケードレーザにおいて、図１中のａ_１とａ_２の長さがいずれも同じ１．３６０μｍである面発光量子カスケードレーザ、ａ_１とａ_２の長さがいずれも同じ１．３６５μｍである面発光量子カスケードレーザ、そしてａ_１とａ_２の長さがいずれも同じ１．３７０μｍである面発光量子カスケードレーザの３種類である。
作製した３種類の面発光量子カスケードレーザの効果に関し、実施例１－２と同様、液体窒素温度に冷却して電流注入によるレーザ発振を実施して確認した。図６には、作製した３種類の面発光量子カスケードレーザのレーザ発振スペクトルの結果を、実施例１－２の面発光量子カスケードレーザのレーザ発振スペクトルの結果と共に示す。この結果から、フォトニック結晶３２の正方格子の単位格子の長さが増大するに伴い、レーザ発振波長（μｍ）が増大することを確認した。従って、フォトニック結晶３２の単位格子構造を調節することによってレーザ発振波長の調節が可能であることがわかった。また、図６の結果から、レーザ発振波長（μｍ）はいずれも、約４．３から４．４μｍであり、３μｍ以上９μｍ以下の範囲内であることを確認した。
このように、本実施例で作製した面発光量子カスケードレーザによれば、面発光量子カスケードレーザとしてレーザ発振が達成でき、優れたビーム品質を実現できることがわかった。

実施例２－２
＜フォトニック結晶の単位格子の構造がレーザ光の取出し効率に与える影響（その１）＞
実施例１－２と同様の方法で図３に示す面発光量子カスケードレーザを作製した場合に関し、面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶３２の単位格子の構造が、レーザ光の取出し効率に与える影響を調べた。具体的には、前記面発光量子カスケードレーザのレーザ光の取出し効率に関し、図１中のｂ_１´の長さとｂ_１の長さの比を示す（ｂ_１´／ｂ_１）の値、及び、ｂ_２´の長さとｂ_２の長さの比を示す（ｂ_２´／ｂ_２）の値に対する依存性を有限要素法による数値計算で算出した。レーザ光の取出し効率は、面発光量子カスケードレーザで生じる全エネルギー損失に占めるレーザ出力の割合で一般的に定義されるが、本実施例においては、計算の簡素化のために相対的に寄与の小さいためレーザ光の取出し効率に影響を与えない自然放出によるエネルギー損失は考慮せず、全エネルギー損失はレーザ光の素子内部での再吸収と素子外に放射されるレーザ出力の合計として定義した。そのため、レーザ光の取出し効率は、活性層の利得スペクトルに含まれる複数の電磁共振モードに関するレーザ光の取出し効率の平均値でもある。なお、フォトニック結晶３２の単位格子は、実施例１－２と同じ正方格子（すなわち、図１中のａ_１とａ_２の長さがいずれも同じ１．３５５μｍ）である。結果を図７に示す。
この結果から、レーザ光の取出し効率に関し、（ｂ_１´／ｂ_１）の値及び（ｂ_２´／ｂ_２）の値には最適値が存在し、具体的には、（ｂ_１´／ｂ_１）の値が０．１≦（ｂ_１´／ｂ_１）≦０．５を満たし、且つ、（ｂ_２´／ｂ_２）の値が０．３≦（ｂ_２´／ｂ_２）≦０．９を満たす場合に凡そ１５％以上の大きな取出し効率が得られることがわかった。
なお、この傾向は、実施例１－１と同様の方法で図２に示す面発光量子カスケードレーザを作製した場合に関しても当て嵌まることも確認した（図示せず）。

実施例２－３
＜フォトニック結晶の単位格子の構造がレーザ光の取出し効率に与える影響（その２）＞
面発光量子カスケードレーザからのレーザ光の取出し効率も、有限要素法による数値計算で算出した。その際、レーザ光の取出し効率を決める主たる要因だけ（具体的には、電磁モードの回折効率、及び、半導体層と上面電極による再吸収だけ）を考慮し、相対的に寄与が小さいためにレーザ光の取出し効率に実質的に影響を与えない、裏面電極による再吸収及び水平方向へのレーザ光の散逸は無視した。
実施例１－２と同様の方法により作製される面発光量子カスケードレーザに関し、当該面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶の構造がレーザ光の取出し効率に与える影響を調べた。具体的には、当該面発光量子カスケードレーザを構成するフォトニック結晶１２、２２、３２の単位格子は、図１中のａ_１の長さが１．３８０μｍで、ａ_２の長さが１．２×ａ_１（＝１．６５６μｍ）となる長方格子を有する。加えて、長方格子の単位格子の中心部に位置する５角柱の底面である５角形は、図１中のｂ_２の長さが１．２×ｂ_１で、ｂ_１の長さが当該５角形の面積が単位格子の面積の５０％を占めるように設計されている。
フォトニック結晶がこのような構造を有する前記面発光量子カスケードレーザに関し、ｂ_１´の長さとｂ_１の長さの比である（ｂ_１´／ｂ_１）の値とｂ_２´の長さとｂ_２の長さの比を示す（ｂ_２´／ｂ_２）の値が、レーザ光の取出し効率に与える影響を調べた。ここで、埋め込みＩｎＰクラッド層１３、３３とＩｎＧａＡｓのフォトニック結晶１２、２２、３３のドーピング密度はそれぞれ、４×１０^１６ｃｍ^－３と１×１０^１７ｃｍ^－３であり、多重量子井戸層のドーピング密度は５×１０^１６ｃｍ^－３とした。結果を図１０に示す。
この結果から、ａ_２の長さとａ_１の長さの比率が１：１．２の長方格子を採用する場合、（すなわち、図１中のａ_２の長さとａ_１の長さの比を示す（ａ_２／ａ_１）の値が１以上２以下の範囲内の１．２である長方格子を採用する場合）、レーザ光の取出し効率が飛躍的に向上し、（ｂ_１´／ｂ_１）＝（ｂ_２´／ｂ_２）＝０．９の場合、６１．５％という極めて高いレーザ光の取出し効率が得られることを確認した。
なお、この傾向は、実施例１－１と同様の方法で図２に示す面発光量子カスケードレーザを作製した場合に関しても当て嵌まることも確認した（図示せず）。

実施例２－４
＜ドーパント量の影響＞
実施例１－１及び１－２と同様の方法により作製される面発光量子カスケードレーザに関し、レーザ光の再吸収に与える影響を調べた。
ここで、面発光量子カスケードレーザ素子内部でのレーザ光の再吸収量は、有限要素法による数値計算で算出した。その際、レーザ光の再吸収を決める主たる要因だけ（具体的には、半導体層へのドーパントのドープにより生じたキャリヤと上面の金属電極中の自由電子による光の再吸収だけ）を考慮し、相対的に寄与が小さいためにレーザ光の再吸収に実質的に影響を与えない、多重量子井戸中のサブバンド間遷移及び裏面電極中の自由電子による光の再吸収は無視した。
数値計算に使用した前記面発光量子カスケードレーザは、フォトニック結晶１２、２２、３２の単位格子が、図１中のａ_１とａ_２の長さが同じ１．３９５μｍである正方格子である構造を有する。加えて、正方格子である単位格子の中心部に位置する５角柱の底面である５角形は、図１中のｂ_１´とｂ_１の長さの比を示す（ｂ_１´／ｂ_１）の値が０．４であり、ｂ_２´の長さとｂ_２の長さの比を示す（ｂ_２´／ｂ_２）の値が０．８であって、且つ、ｂ_１とｂ_２の長さが同じで、前記５角形が前記単位格子（正方格子）の５０％になるようにｂ_１の長さとｂ_２の長さを定めた構造を有する。当該面発光量子カスケードレーザにおけるＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層のドーピング密度は、４×１０^１６ｃｍ^－３とする。
ここで、前記面発光量子カスケードレーザ中の多重量子井戸層のドーピング密度を２．５×１０^１７ｃｍ^－３から５×１０^１６ｃｍ^－３へと５分の１に減らすと、全レーザ光発生量に占める再吸収の割合が９４．６％から９２．５％へ低減することを確認した（図示せず）。

本発明によれば、波長３～５μｍを含む中赤外～遠赤外、さらにはテラヘルツ領域までの波長帯をカバーできる小型レーザ光源としての利用が可能であり、様々なガス濃度測定への利用可能性がある。そのうえ、ｐｐｂレベルの微量ガスの濃度測定が可能であり、また、レーザとして直進性という特性を有するため、火山の噴出ガス等の遠隔地の危険ガスの検出としての利用可能性がある。また、レーザの単一波長性を利用した同位体比の測定への利用可能性がある。そのため、様々な分野（例えば、環境、食品、バイオ、化学、医薬、電子機器、自動車等）への利用可能性が大いに期待できる。

１１、３１ 金属電極（Ｔｉ／Ａｕ電極又はＮｉ／Ａｕ電極）
１２、２２、３２ フォトニック結晶
１３、２３、３３ 埋め込みＩｎＰクラッド層又は埋め込みＴｉ／Ａｕ金属層
１４、２４、３４ 活性層（発光層）
１５、２５、３５ 下クラッド層（ＩｎＰクラッド層）
１６、２６、３６ 金属電極（Ｔｉ／Ａｕ電極又はＮｉ／Ａｕ電極）
２７ 上クラッド層（ＩｎＰクラッド層）
３７ ＩｎＧａＡｓ層
３８ ＩｎＰ基板
３９ 絶縁膜

Claims (15)

1. レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、
   前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、
   前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂとからなり、
   組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、
   組成物Ｂは化合物半導体組成物であり、
   前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｂからなる五角形の底面を有する柱状構造体を備える構造を有する、
   前記カスケードレーザ。
2. 前記正方形又は長方形の底面が、横方向の辺の長さをａ_１とし、縦方向の辺の長さをａ_２とする形状であって、当該横方向の辺の長さ（ａ_１）に対する当該縦方向の辺の長さ（ａ_２）の比（ａ_２／ａ_１）が１以上２以下の範囲であり、
   前記五角形が、横方向の辺の長さをｂ_１、縦方向の辺の長さをｂ_２とする正方形又は長方形の一角から直角三角形の形状を欠いた形状であって、当該横方向の辺の長さ（ｂ_１）に対する当該縦方向の辺の長さ（ｂ_２）の比（ｂ_２／ｂ_１）が１以上２以下の範囲である、
   請求項１に記載のカスケードレーザ。
3. 横方向の辺の長さをｂ_１、縦方向の辺の長さをｂ_２とする正方形又は長方形の一角から欠いた前記直角３角形が、ｂ_１の長さを有する当該横方向の辺の欠いた部分の長さをｂ_１´とする底辺と、ｂ_２の長さを有する当該縦方向の辺の欠いた部分の長さをｂ_２´とする高さとを有する形状を有し、
   前記フォトニック結晶が長方格子の場合は、
   前記横方向の辺の長さ（ｂ_１）に対する前記底辺の長さ（ｂ_１´）の比（ｂ_１´／ｂ_１）が０．１以上０．９以下であり、
   前記縦方向の辺の長さ（ｂ_２）に対する前記高さの長さ（ｂ_２´）の比（ｂ_２´／ｂ_２）が０．３以上０．９以下であり、
   前記フォトニック結晶が正方格子の場合は、
   前記横方向の辺の長さ（ｂ_１）に対する前記底辺の長さ（ｂ_１´）の比（ｂ_１´／ｂ_１）が０．１以上０．５以下であり、
   前記縦方向の辺の長さ（ｂ_２）に対する前記高さの長さ（ｂ_２´）の比（ｂ_２´／ｂ_２）が０．３以上０．９以下である、
   請求項２に記載のカスケードレーザ。
4. 前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子に占める前記組成物Ｂからなる五角形の底面を有する柱状構造体の割合が２０％以上８０％以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載のカスケードレーザ。
5. 前記レーザ活性層が２層以上の量子井戸層からなる多重量子井戸であって、各量子井戸層が、III－V族化合物半導体組成物、ＺｎＯとＺｎＭｇＯからなる化合物半導体組成物、又はＳｉとＳｉＧｅからなる化合物半導体組成物のいずれかを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のカスケードレーザ。
6. 前記III－V族半導体組成物が、ＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＡｓからなる化合物半導体組成物、ＧａＡｓとＩｎＧａＡｓからなる化合物半導体組成物、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる化合物半導体組成物、ＩｎＡｓとＡｌＧａＳｂからなる化合物半導体組成物、ＧａＮとＡｌＧａＮからなる化合物半導体組成物、及びＧａＮとＩｎＧａＮからなる化合物半導体組成物からなる群から選択される少なくとも一種である、請求項５に記載のカスケードレーザ。
7. 前記レーザ活性層のドーピング密度が１×１０^１８ｃｍ^－３以下であり、且つ、前記活性層を除く半導体層のドーピング密度が１×１０^１９ｃｍ^－３以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載のカスケードレーザ。
8. レーザ発振波長が３μｍ以上９μｍ以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載のカスケードレーザ。
9. 前記組成物Ａ及び／又は前記組成物ＢがIII－V族化合物半導体組成物を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のカスケードレーザ。
10. 前記III－V族化合物半導体組成物が、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、およびＧａＰからなる群から選択される少なくとも１種の化合物半導体組成物である、請求項９に記載のカスケードレーザ。
11. 前記組成物ＡがＩｎＰ化合物半導体組成物又は金属組成物であり、前記組成物ＢがＩｎＧａＡｓ化合物半導体組成物である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のカスケードレーザ。
12. 前記組成物Ａが金属組成物である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のカスケードレーザ。
13. 前記金属組成物が主成分として金を含有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載のカスケードレーザ。
14. レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、
    前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、
    前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂと、当該組成物ＡとＢの両方と屈折率が異なる組成物Ｃからなり、
    組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、
    組成物Ｂは化合物半導体組成物であり、
    組成物Ｃは誘電体組成物であり、
    前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、
    前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体を前記組成物Ｂからなる層上に備え、
    前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、前記組成物Ｃからなる五角形の底面を有する柱状構造体を備え、当該五角形の底面を有する柱状構造体の底面は前記組成物Ｂからなる層上に位置し、
    前記組成物Ｃからなる五角形の底面を有する柱状構造体は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体中に埋設されている、
    構造を有する、
    前記カスケードレーザ。
15. レーザ活性層以外の半導体層と前記レーザ活性層を有し、
    前記レーザ活性層上に正方格子又は長方格子フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザであって、
    前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、組成物Ａと、当該組成物Ａと屈折率が異なる組成物Ｂとからなり、
    組成物Ａは化合物半導体組成物又は金属組成物であり、
    組成物Ｂは化合物半導体組成物であり、
    前記正方格子又は長方格子フォトニック結晶の単位格子は、
    前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体を前記組成物Ｂからなる層上に備え、
    前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体の中心部に、空隙として五角形の底面を有する柱状の空隙構造体を備え、当該空隙構造体の底面は前記組成物Ｂからなる層上に位置し、
    前記空隙構造体は、前記組成物Ａからなる正方形又は長方形の底面を有する柱状構造体中に埋設されている、
    構造を有する、
    前記カスケードレーザ。

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