JP6379696B2 - 量子カスケード半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、量子カスケード半導体レーザに関する。

特許文献１及び非特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。

特開２００１−３２０１３６号公報

S. Golka, et al. Journal of Modern Optics Vol.52, No.16, 10, November 2005, pp.2303-2308

量子カスケード半導体レーザは、サブバンド間遷移を利用しており、３μｍから１０μｍの波長帯の中赤外光を生成する。いくつかの利点のために、量子カスケード半導体レーザの共振器に、分布型反射器を適用する試みがある。量子カスケード半導体レーザにおいて分布型反射器を構成するために、レーザ共振器のための分布型反射器は、電気印加に応答して中赤外光を生成する量子カスケードコア層を含む半導体積層の出射端面から隔置された周期構造体を含む。出射端面から出射される光は拡がりながら分布型反射器に入射する。この光拡がりに起因した光損失の可能性が見出され、この光損失を分布型反射器において低減することが望ましい。分布型反射器を量子カスケード半導体レーザに適用するに際して、分布型反射器から出射端面に戻す光の量を増加させることが望まれる。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、改善された反射構造を有する分布ブラッグ反射器を含む量子カスケード半導体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半導体レーザは、第１軸の方向に配列された第１領域及び第２領域を有する第１導電型半導体領域と、前記第１軸に交差する第２軸の方向に順に配列された量子カスケードコア半導体層及び第１導電型の上部クラッド層を含み、前記第２領域上に設けられた半導体積層と、前記第２軸の方向に延在する側面を有する一又は複数の半導体壁を含み、前記第１領域上に設けられたブラッグ反射器と、を備え、前記半導体壁の前記側面は、前記半導体積層の端面に光学的に結合され、前記半導体壁は前記量子カスケードコア半導体層及び前記上部クラッド層を含み、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層は、第１部分、第２部分及び第３部分を有し、前記第２部分、前記第３部分及び前記第１部分は前記第２軸の方向に順に配列され、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の側面は、前記半導体壁内の前記上部クラッド層の側面に対して窪みを有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第１部分の側面は、逆メサ形状を有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第２部分の側面は、順メサ形状を有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第３部分は、前記窪みの最深部を有する。

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、本発明によれば、改善された反射構造を有する分布ブラッグ反射器を含む量子カスケード半導体レーザが提供される。

図１は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザの構造を模式的に示す図面である。 図２は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザのための埋込構造及びダブルチャネル構造を模式的に示す図面である。 図３は、一実施例に係る量子カスケード半導体レーザ（ダブルチャネル構造）を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図４は、一実施例に係る量子カスケード半導体レーザ（埋込構造）を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図５は、実施例に従って作製された量子カスケード半導体レーザの寸法を示す図面である。 図６は、実施例に従って作製された量子カスケード半導体レーザの断面、及びへき開端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。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、（ａ）第１軸の方向に配列された第１領域及び第２領域を有する第１導電型半導体領域と、（ｂ）前記第１軸に交差する第２軸の方向に順に配列された量子カスケードコア半導体層及び第１導電型の上部クラッド層を含み、前記第２領域上に設けられた半導体積層と、（ｃ）前記第２軸の方向に延在する側面を有する一又は複数の半導体壁を含み、前記第１領域上に設けられたブラッグ反射器と、を備え、前記半導体壁の前記側面は、前記半導体積層の端面に光学的に結合され、前記半導体壁は前記量子カスケードコア半導体層及び前記上部クラッド層を含み、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層は、第１部分、第２部分及び第３部分を有し、前記第２部分、前記第３部分及び前記第１部分は前記第２軸の方向に順に配列され、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の側面は、前記半導体壁内の前記上部クラッド層の側面に対して窪みを有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第１部分の側面は、逆メサ形状を有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第２部分の側面は、順メサ形状を有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第３部分は、前記窪みの最深部を有する。

この量子カスケード半導体レーザによれば、半導体積層の端面に光学的に結合される側面を有する半導体壁において、量子カスケードコア半導体層の第１部分の側面及び第２部分の側面は、それぞれ、逆メサ形状及び順メサ形状を有するので、半導体壁は、厚い量子カスケードコア半導体層の側面において窪んでいる。順メサ形状及び逆メサ形状を有する窪み構造は、半導体壁側面による光の反射に発散的というよりも収束的な性質を付与することを可能にし、この窪み構造は、ブラッグ反射器が半導体積層により多くの光を戻すことに寄与する。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記量子カスケードコア半導体層は、１．５μｍ以上の厚さを有することができる。この量子カスケード半導体レーザによれば、光通信用のレーザダイオードの活性層より厚い量子カスケードコア半導体層を利用して、光共振器のためのブラッグ反射器の反射光量を向上できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記量子カスケードコア半導体層は、交互に配列されたＡｌＩｎＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層を含むことができる。この量子カスケード半導体レーザによれば、ウエットエッチング及び／又はドライエッチングの適用により、半導体壁の量子カスケードコア半導体層の側面に順メサ構造及び逆メサ構造を付与できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、前記半導体積層を規定する第１溝及び第２溝を更に備えることができる。前記第１溝は、前記第１軸の方向に延在する第１テラスと前記半導体積層とにより規定され、前記第２溝は、前記第１軸の方向に延在する第２テラスと前記半導体積層とにより規定され、前記半導体壁は、前記第１テラスに接続された一端と、前記第２テラスに接続された他端とを有する。この量子カスケード半導体レーザによれば、第１テラス及び第２テラスは、量子カスケードコア半導体層の側面に窪みを有する半導体壁を支持する。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、前記半導体積層を埋め込む半導体埋込領域を更に備えることができる。前記半導体壁は、前記半導体埋込領域に接続された一端と、前記半導体埋込領域に接続された他端とを有する。この量子カスケード半導体レーザによれば、半導体埋込領域は、量子カスケードコア半導体層の側面に窪みを有する半導体壁を支持する。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法は、（ａ）第１導電型半導体領域上に順に配列された量子カスケードコア半導体層及び第１導電型の上部クラッド層を含む半導体積層上に、ブラッグ反射器のためのパターンを有するマスクを形成する工程と、（ｂ）前記量子カスケードコア半導体層に窪みを形成するように前記半導体積層のエッチングを前記マスクを用いて行って、ブラッグ反射器のための半導体壁を形成する工程とを備える。

この量子カスケード半導体レーザを作製する方法（作製方法）によれば、ブラッグ反射器のためのパターンを有するマスクを用いて、ブラッグ反射器のための形状を形成するエッチングを、量子カスケードコア半導体層に窪みを形成するように、半導体積層に適用する。このエッチングでは、上部クラッド層のエッチングの後に量子カスケードコア半導体層のエッチングが行われる。半導体壁を形成するエッチング中に、量子カスケードコア半導体層は以下のように、量子カスケードコア半導体層に窪みを形成するように加工される。量子カスケードコア半導体層は上部クラッド層に近い第１部分と、第１導電型半導体領域に近い第２部分と、第１部分と第２部分との間に位置する第３部分とに分けると、第３部分は、量子カスケードコア半導体層の多層構造を有する第１部分と第２部分とに挟まれる一方で、第１部分は、量子カスケードコア半導体層の多層構造を有する第３部分と上部クラッド層とに挟まれ、第２部分は、量子カスケードコア半導体層の多層構造を有する第３部分と第１導電型半導体領域とに挟まれる。半導体壁の形成中に量子カスケードコア半導体層の側面が形成される。量子カスケードコア半導体層の多層構造をエッチング可能なエッチャントにより、量子カスケードコア半導体層の多層構造を有する第１部分及び第２部分に挾まれる第３部分のエッチングが進行し、この進行の影響は、第３部分の隣の第１部分及び第２部分に及ぶ。第１部分及び第２部分のエッチングは、第３部分におけるエッチングの進行の影響を受ける一方で、コア層の第１部分及び第２部分に隣接する半導体層が上記のエッチャントによりエッチングされ難いことの影響に受ける。これ故に、量子カスケードコア半導体層の第１部分及び第２部分はエッチングされて、半導体壁の量子カスケードコア半導体層の第１部分の側面及び第２部分の側面は傾斜する。より具体的には、半導体壁において、第１部の側面は順メサ形状を有すると共に第２部の側面は逆メサ形状を有する。

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、量子カスケード半導体レーザ、及び量子カスケード半導体レーザを作製する方法に係る実施の形態を説明する。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は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザの構造を模式的に示す図面である。図１を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１は、第１導電型半導体領域１３と、半導体積層１５と、第１ブラッグ反射器１７と、第２ブラッグ反射器１９とを備える。半導体積層１５は、第１ブラッグ反射器１７と第２ブラッグ反射器１９との間に設けられる。本実施例では、量子カスケード半導体レーザ１１は、２つのブラッグ反射器を含むけれども、いずれか一個のブラッグ反射器を備えることができる。図１は、量子カスケード半導体レーザ１１のレーザ導波路ＬＤＷＧの向きを示す導波路ベクトルＷＧＶと第１導電型半導体領域１３の主面の法線軸ＮＶとにより規定される基準面に沿って取られた断面を示す。導波路ベクトルＷＧＶは第１ブラッグ反射器１７から第２ブラッグ反射器１９へ向かう方向を示す。第１ブラッグ反射器１７及び第２ブラッグ反射器１９は、量子カスケード半導体レーザ１１の光共振器を構成する。

第１導電型半導体領域１３は、第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃを有しており、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（例えば導波路ベクトルＷＧＶの方向）に配列されている。半導体積層１５は、第２領域１３ｂの主面上に設けられており、また量子カスケードコア半導体層２１及び第１導電型の上部クラッド層２３を含む。量子カスケードコア半導体層２１及び第１導電型の上部クラッド層２３は、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向（例えば法線軸ＮＶの方向）に順に配列されている。

第１ブラッグ反射器１７は、第１領域１３ａの主面上に設けられており、また一又は複数の半導体壁１７ａを含む。半導体壁１７ａ（１７ｂ）は、第２軸Ａｘ２の方向に延在する第１側面１７ａａ（１７ｂａ）及び第２側面１７ａｂ（１７ｂｂ）を有する。第２側面１７ａｂは第１側面１７ａａの反対側にある。第２ブラッグ反射器１９は、第３領域１３ｃの主面上に設けられており、また一又は複数の半導体壁１９ａ（１９ｂ）を含む。半導体壁１９ａ（１９ｂ）は、第２軸Ａｘ２の方向に延在する第１側面１９ａａ（１９ｂａ）及び第２側面１９ａｂ（１９ｂｂ）を有する。半導体壁１７ａの第１側面１７ａａは、半導体積層１５の第１端面１５ａに光学的に結合され、半導体壁１９ａの第１側面１９ａａは、半導体積層１５の第２端面１５ｂに光学的に結合される。

半導体壁１７ａ、半導体壁１７ｂ、半導体壁１９ａ、半導体壁１９ｂは量子カスケードコア半導体層２１及び上部クラッド層２３を含む。半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）の量子カスケードコア半導体層２１は、第１部分２５ａ、第２部分２５ｂ及び第３部分２５ｃを有し、第１部分２５ａ、第３部分２５ｃ及び第２部分２５ｂは第２軸Ａｘ２の方向に順に配列される。半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）の量子カスケードコア半導体層２１の側面は、半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）内の上部クラッド層２３の側面に対して窪み２７を有する。半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）の量子カスケードコア半導体層２１の第１部分２５ａの側面は逆メサ形状を有し、第２部分２５ｂの側面は順メサ形状を有する。第３部分２５ｃは窪み２７の最深部を有する。

この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、半導体積層１５の第１端面１５ａ（１５ｂ）に光学的に結合される第１側面１７ａａを有する半導体壁１７ａ（１９ａ）において、量子カスケードコア半導体層２１の第１部分２５ａの側面及び第２部分２５ｂの側面は、それぞれ、逆メサ形状及び順メサ形状を有するので、半導体壁１７ａ（１９ａ）は、厚い量子カスケードコア半導体層２１の側面において窪んでいる。順メサ形状及び逆メサ形状を有する窪み構造により、半導体壁１７ａ（１９ａ）の第１側面１７ａａ（１９ａａ）における反射に、発散的というよりも収束的な性質を付与でき、この窪み構造は、ブラッグ反射器（１７、１９）が半導体積層１５により多くの光を戻すことに寄与する。

量子カスケードコア半導体層２１は例えば１．５μｍ以上の厚さを有することが好ましい。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、光通信用のレーザダイオードの活性層より厚い量子カスケードコア半導体層２１を利用して、光共振器のためのブラッグ反射器（１５、１７）の反射光量を向上できる。また、量子カスケードコア半導体層２１の厚さは例えば３μｍ以下であることができる。

量子カスケードコア半導体層２１は超格子構造を備え、この超格子構造は異なる半導体層の交互配列を含む。本実施例では、超格子構造は、交互に配列されたＡｌＩｎＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層を含むことができる。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、ウエットエッチング及び／又はドライエッチングにより、半導体壁１７ａ（１９ａ）の量子カスケードコア半導体層２１の側面に順メサ構造及び逆メサ構造を付与できる。

第１導電型半導体領域１３は、好適には、基板を含むことができる。基板は、機械的な強度を提供する支持体として役立ち、また半導体のエピタキシャル成長を可能にする単結晶半導体表面を提供する。

半導体積層１５及び半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）は量子カスケードコア半導体層２１及び上部クラッド層２３上に設けられたコンタクト層２９を更に備えることができる。半導体積層１５及び半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）の表面は、パッシベーション膜３１で覆われることができる。パッシベーション膜３１は、半導体積層１５の上面上に設けられた開口を有しており、この開口を介して電極３３ａは半導体積層１５の上面に接触を成す。また、第１導電型半導体領域１３の裏面（基板の裏面）には、電極３３ｂが設けられる。一実施例では、電極３３ａ及び電極３３ｂは、それぞれ、アノード電極及びカソード電極に対応付けられる。

図２は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザの分布ブラッグ反射器の構造を示す平面図である。図１に示される量子カスケード半導体レーザ１１は、例えば図２の（ａ）部に示される半導体埋込領域３５を有することができる。この埋込構造では、第１軸Ａｘ１の方向に延在するレーザストライプが半導体埋込領域３５によって埋め込まれる。半導体埋込領域３５として、例えば半絶縁性半導体（例えばＦｅドープＩｎＰ）を適用でき、或いは樹脂体（例えばＢＣＢ樹脂）を適用できる。図１における断面は、量子カスケード半導体レーザ１１のレーザ導波路を示す導波路ベクトル及び基板の法線軸により規定される基準面に沿って取られており、これは図２の（ａ）部におけるＩ−Ｉ線における断面に対応する。

半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）は、半導体埋込領域３５に接続された一端と、半導体埋込領域３５に接続された他端とを有する。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、半導体埋込領域３５は、量子カスケードコア半導体層２１の側面に窪み２７を有する半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）を支持できる。半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）において、量子カスケードコア半導体層２１の側面の窪み２７は、量子カスケードコア半導体層２１と半導体埋込領域３５との境界で終端する。

図１に示される量子カスケード半導体レーザ１１は、例えば図２の（ｂ）部に示されるダブルチャネル構造３７を有することができる。このダブルチャネル構造３７では、量子カスケード半導体レーザ１１は、半導体積層１５を規定する第１溝３９ａ及び第２溝３９ｂを更に備える。第１溝３９ａは、第１軸Ａｘ１の方向に共に延在する第１テラス４１ａと半導体積層１５とにより規定される。第２溝３９ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に共に延在する第２テラス４１ｂと半導体積層１５とにより規定される。

半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）は、第１テラス４１ａに接続された一端と、第２テラス４１ｂに接続された他端とを有することができる。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、第１テラス４１ａ及び第２テラス４１ｂは、量子カスケードコア半導体層２１の側面に窪み２７を有する半導体壁１７ａ（１７ｂ、１９ａ、１９ｂ）を支持する。

（実施例１）
図３を参照しながら、一実施例に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法を説明する。この量子カスケード半導体レーザは、分布反射器を含むと共にダブルチャネル構造を有する。図３における各部分において、直交座標系Ｓにより生産物の向きを示す。図３においては、製造工程における生産物を一素子区画のサイズで描いており、描かれた生産物は、多くの場合、二次元に配列される形態で作製される。まず、ＩｎＰ基板５１を準備する。このＩｎＰ基板５１は、ｎ導電性を有しており、このためにドーパントとして錫を備える。エピタキシャル成長工程では、図３の（ａ）部に示されるように、ＩｎＰ基板５１の（１００）面上に量子カスケードコア層５３を成長する。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で行われる。量子カスケードコア層５３は、半導体の超格子構造を有しており、超格子構造は、発光部及び注入部として、例えばＩｎＧａＡｓ層及びＡｌＩｎＡｓ層を含む。ＩｎＧａＡｓ層の厚さは例えば0.5nm以上から10ｎｍ以下であり、ＡｌＩｎＡｓ層の厚さは例えば0.5nm以上から10ｎｍ以下である。各層の厚みは所望の発振波長に合わせて調整される。積層の繰り返しは、例えば20層以上から60層以下であり、本実施例では30層である。超格子構造の厚さは例えば２．３μｍである。この量子カスケードコア層５３上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層５５を成長する。ｎ型ＩｎＰクラッド層５５の厚さは例えば３μｍである。ｎ型ＩｎＰクラッド層５５上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７を成長する。ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７の厚さは例えば１００ｎｍである。ｎ型ＩｎＰクラッド層５５及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７にｎ導電性を付与するために、これらの半導体層には例えばシリコンがドーパントとして添加される。これらのエピタキシャル成長により、半導体積層５９が形成される。

次いで、エッチング工程では、図３の（ｂ）部及び（ｃ）部に示されるように、レーザストライプを形成する。このように成長された半導体積層５９の主面上にマスク６１を形成する。このマスク６１は、レーザストライプのための第１パターンと、分布ブラッグ反射器のための複数の半導体壁のための第２パターンとを有する。第１パターンは、（０−１−１）面に垂直な第１方向に延在する。第２パターンは、第１方向に垂直な第２方向（（０−１−１）面に平行な方向）に延在しており、第１方向に周期的に配列される。マスクは、例えば化学的気相成長法で堆積されたシリコン（ＳｉＮ）窒化膜を含むことができる。また、ＳｉＮ膜の厚さは、例えば５００ｎｍである。ＳｉＮ膜からマスク６１を作成するために、フォトリソグラフィ及びエッチングを適用できる。ＳｉＮ膜のマスク６１を用いて半導体積層５９のドライエッチングを行って、レーザストライプ６３ａ及び分布ブラッグ反射器６３ｂ、６３ｃを形成する。このドライエッチングに、ハロゲン系ガスを用いる誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を適用できる。このように作製された分布ブラッグ反射器のための半導体壁の側面においては、量子カスケードコア層５３の半導体超格子構造はその上下に位置するクラッド領域の側面に沿って延在する基準面から窪んでいる。量子カスケードコア層５３の半導体超格子構造は、半導体壁の側面において凹面状の曲面を備え、その曲面は、半導体超格子構造を構成する多数の半導体層が半導体壁側面において延在する方向に延在するように形成されている。窪みの一形態では、ｎ型ＩｎＰクラッド層５５からＩｎＰ基板５１への方向に、量子カスケードコア層５３の半導体超格子構造の端面がｎ型ＩｎＰクラッド層５５（上部クラッド領域）の縁からｎ型ＩｎＰクラッド層５５の側面を基準にして徐々に深くなり、この後にＩｎＰ基板５１（下部クラッド領域）の縁に向けて下部クラッド領域の側面を基準にして徐々に浅くなる。
本実施例におけるエッチング条件の一例。
ハロゲン系ガス：ＨＩ。
プラズマ励起ガス：Ａｒ。
これらのガスの（流量比）混合比：［ＨＩ］：［Ａｒ］＝２：８〜１０：０。又は、ＨＩガス１００％。
［ＨＩ］／（［ＨＩ］＋［Ａｒ］）＝０．２〜１。
量子カスケードコア層の半導体超格子構造のＡｌＩｎＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層のエッチングレートが、その上下に位置するクラッド領域のＩｎＰのエッチングレートに比べて大きいエッチング条件では、半導体超格子構造に対するエッチング異方性がクラッド領域に対するエッチング異方性に比べて弱まって、等方的なエッチング性が半導体超格子構造のエッチングに寄与することになる。半導体超格子構造とクラッド領域との間におけるエッチング異方性の差により、半導体超格子構造の側面は、その上下に位置するクラッド領域における一方のクラッド領域（下部）の側面に対して順メサ形状になり、他方のクラッド領域（上部）の側面に対して逆メサ形状になる。

或いは、クラッド領域と半導体超格子構造との選択比が小さいドライエッチング条件を用いて、半導体積層の加工を行ってブラッグ反射器のための半導体壁を形成する。この半導体壁の側面は、窪みを有する上記形態に比べて平坦である。半導体壁を形成した後に、該半導体壁にウエットエッチングを適用することにより半導体壁の側面に凹面状の曲面を形成することもできる。このウエットエッチングにおけるエッチャントの一例は、塩酸／酢酸／過酸化水素の混合液である。このエッチャントのウエットエッチングによっても、ＩｎＰとＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓとのエッチング選択性を利用して曲面構造を形成できる。

ドライエッチングにより、レーザストライプ６３ａ及び分布ブラッグ反射器６３ｂ、６３ｃを形成した後に、ＳｉＮのマスク６１をフッ酸で除去する。この後に、パッシベーション工程では、図３の（ｄ）部に示されるように、基板の全面にパッシベーション膜６５として、プラズマＣＶＤ法でシリコン系無機絶縁（例えばＳｉＮ、ＳｉＯＮ）膜を成長する。シリコン系無機絶縁膜の厚さは、例えば３００ｎｍである。

上部電極形成工程では、図３の（ｅ）部に示されるように、レーザストライプ上のシリコン系無機絶縁膜にコンタクト開口６５ａを形成する。このコンタクト開口６５ａは、レジストマスク及びウエットエッチングを用いて行われる。ウエットエッチングのエッチャントとしてフッ酸溶液が用いられる。開口形成の後に、電極６７ａ（例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造）のための金属膜を蒸着法で形成する。電極６７ａのパターン形成のために、フォトリソグラフィとリフトオフ法が適用される。電極６７ａの積層構造の厚さは例えば５００ｎｍである。

図３の（ｆ）部に示されるように、ＩｎＰ基板の裏面を研磨して、研磨面を形成する。研磨後のＩｎＰ基板の厚さは例えば１００μｍである。上部電極形成工程では、ＩｎＰ基板の裏面（例えばＩｎＰ研磨面）上に裏面電極６７ｂのための金属膜（ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕの積層構造）を蒸着により形成する。裏面電極の積層構造の厚さは例えば１μｍである。上記の工程により作製された基板生産物のへき開によりバー生産物を作製する。バー生産物から半導体チップを形成すれば、複素屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザが得られる。この実施例では、この量子カスケードレーザの作製に際して、コンタクト層、量子カスケードコア層の上部、又は量子カスケードコア層の下部に回折格子構造を形成して、単一モード発振を実現するようにしてもよい。

レーザストライプの端面から分布ブラッグ反射器の半導体壁のクラッド領域の側面までの距離は、当該量子カスケード半導体レーザの発振波長（λ）の１／４波長又は３／４波長である。

（実施例２）
図４を参照しながら、一実施例に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法を説明する。この量子カスケード半導体レーザは、分布反射器を含むと共にダブルチャネル構造を有する。実施例１と同様に準備したＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ層及びＡｌＩｎＡｓ層の積層を含む量子カスケードコア層、ＳｉドープＩｎＰクラッド層、及びＳｉドープＩｎＧａＡｓコンタクト層を成長する。この形態は、例えば図３の（ａ）部に示されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層の厚さは例えば３μｍであり、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の厚さは例えば０．５μｍである。これらのエピタキシャル成長により、半導体積層５９が形成される。本実施例では、半導体積層５９は、量子カスケードコア層５３、ｎ型ＩｎＰクラッド層５５及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７を含む。

本実施例では、次いで、図４の（ａ）部に示されるように、レーザストライプを形成する。このように成長された半導体積層５９の主面上にマスク６９を形成する。このマスク６９は、レーザストライプのためのパターンを有する。このパターンは、（０−１−１）面に垂直な第１方向に延在する。一素子区画の境界を越えて、複数の素子区画にわたって延在する。マスク６９は、例えば化学的気相成長法で堆積されたシリコン（ＳｉＮ）窒化膜を含むことができる。また、ＳｉＮ膜の厚さは、例えば５００ｎｍである。ＳｉＮ膜にフォトリソグラフィ及びエッチングを適用して、ＳｉＮのマスク６９を作成する。

マスク６９を用いたドライエッチングの半導体積層５９を行って、ストライプ状の半導体メサ７１ａを形成する。このドライエッチングに、ハロゲン系ガスを用いる誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を適用できる。
本実施例におけるエッチング条件の一例。
ハロゲン系ガス：ＨＩ。
プラズマ励起ガス：Ａｒ。
これらのガスの（流量比）混合比：［ＨＩ］：［Ａｒ］＝１：９〜２：８。
［ＨＩ］／（［ＨＩ］＋［Ａｒ］）＝０．１〜０．２。
メサストライプ形成のための上記ドライエッチングには、ハロゲン系ガスを用いる誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を適用できる。このエッチングにより、レーザストライプのための半導体メサ７１ａが作製される。エッチング条件の結果として、半導体メサ７１ａの量子カスケードコア層の側面に実質的な窪みは形成されない。半導体メサの形成の後に、図４の（ｂ）部に示されるように、ＳｉＮ製のマスク６９を除去することなくマスク６９を選択成長のためのマスクとして用いる。マスク６９を用いて半絶縁性ＩｎＰの埋め込み成長を行って、半導体メサ７１ａを埋め込む。この成長には、例えば有機金属気相成長法が用いられる。半導体メサ７１ａは、素子区画の境界を横切って素子区画の行方向に延在する。半導体メサ７１ａは、量子カスケードコア層５３、ｎ型ＩｎＰクラッド層５５、及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５７を含む。埋め込み成長により、半導体メサ７１ａの両側を埋め込む半絶縁性ＩｎＰ埋込領域７３が形成される。

図４の（ｃ）部に示されるように、分布ブラッグ反射器７１ｂ、７１ｃを形成する。上記のように成長された半絶縁性ＩｎＰ埋込領域７３及び半導体メサ７１ａ上にマスク７５を形成する。このマスク７５は、分布ブラッグ反射器７１ｂ、７１ｃのためのパターンを有する。このマスク７５は、（０−１−１）面に平行な方向に延在する複数のストライプ開口を有する。マスク７５は、例えば化学的気相成長法で堆積されたシリコン（ＳｉＮ）窒化膜を含むことができる。また、ＳｉＮ膜の厚さは、例えば５００ｎｍである。ＳｉＮ膜にフォトリソグラフィ及びエッチングを適用して、ＳｉＮ製のマスク７５を作成する。

このマスク７５を用いて半絶縁性ＩｎＰ埋込領域７３及び半導体メサ７１ａをエッチングする。マスク７５のストライプ開口は、半導体メサを横切って半導体メサ７１ａの一方側の半絶縁性ＩｎＰ埋込領域７３から半導体メサ７１ａの他方側の半絶縁性ＩｎＰ埋込領域７３まで延在する。

マスク７５を用いて半絶縁性ＩｎＰ埋込領域７３及び半導体メサ７１ａのドライエッチングを行って、メサ形状のレーザストライプに光学的に結合可能な分布ブラッグ反射器７１ｂ、７１ｃを形成する。このドライエッチングに、ハロゲン系ガスを用いる誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）法を適用できる。このように作製された分布ブラッグ反射器７１ｂ、７１ｃのための半導体壁の側面においては、量子カスケードコア層５３の半導体超格子構造はその上下に位置するクラッド領域の側面に沿って延在する基準面から窪んでいる。量子カスケードコア層５３の半導体超格子構造は、半導体壁の側面において凹面状の曲面を備え、その曲面は、半導体超格子構造を構成する多数の半導体層が半導体壁側面において積層される方向に直交する方向に延在する。
本実施例におけるエッチング条件の一例。
ハロゲン系ガス：ＨＩ。
プラズマ励起ガス：Ａｒ。
これらのガスの（流量比）混合比：［ＨＩ］：［Ａｒ］＝２：８〜１０：０。又は、ＨＩガス１００％。
［ＨＩ］／（［ＨＩ］＋［Ａｒ］）＝０．２〜１。
このドライエッチングにおいては、実施例１と同様の作用により、半導体超格子構造の側面は、その上下に位置するクラッド領域における一方のクラッド領域（下部）の側面に対して順メサ形状になり、他方のクラッド領域（上部）の側面に対して逆メサ形状になる。或いは、実施例１と同様に、半導体壁にウエットエッチングを適用することができる。

ドライエッチングにより分布ブラッグ反射器を形成した後に、マスク７５のＳｉＮ膜をフッ酸で除去する。この後に、図４の（ｄ）部に示されるように、基板の全面にパッシベーション膜７７として、プラズマＣＶＤ法でシリコン系無機絶縁（例えばＳｉＮ、ＳｉＯＮ）膜を成長する。シリコン系無機絶縁膜の厚さは、例えば３００ｎｍである。

図４の（ｅ）部に示されるように、半導体メサ７１ａ、及び分布ブラッグ反射器７１ｂ、７１ｃ上のシリコン系無機絶縁膜にコンタクト開口７７ａを形成する。この開口は、レジストマスク及びウエットエッチングを用いて行われる。ウエットエッチングのエッチャントとしてフッ酸溶液が用いられる。開口形成の後に、電極７９ａ（例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造）のための金属膜を蒸着法で形成する。電極７９ａのパターン形成のために、フォトリソグラフィとリフトオフ法が適用される。電極７９ａの積層構造の厚さは例えば５００ｎｍである。

次いで、実施例１と同様に、ＩｎＰ基板５１の裏面を研磨して研磨面を形成する。研磨後のＩｎＰ基板５１の厚さは例えば１００μｍである。ＩｎＰ基板５１の裏面（ＩｎＰ研磨面）上に裏面電極７９ｂのための金属膜（ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕの積層構造）を蒸着により形成する。裏面電極７９ｂの積層構造の厚さは例えば１μｍである。上記の工程により作製された基板生産物のへき開によりバー生産物を作製する。バー生産物から半導体チップを形成すれば、複素屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザが得られる。この実施例においても、この量子カスケードレーザの作製に際して、コンタクト層、量子カスケードコア層の上部、又は量子カスケードコア層の下部に回折格子構造を形成して、単一モード発振を実現するようにしてもよい。また、レーザストライプの端面から分布ブラッグ反射器の半導体壁のクラッド領域の側面までの距離は、当該量子カスケード半導体レーザの発振波長（λ）の１／４波長又は３／４波長である。

図５は、上記の実施例に従って作製された量子カスケード半導体レーザの寸法を示す図面である。
７μｍ波長帯の量子カスケード半導体レーザの構成例。
ストライプメサ長（共振器長）：０．３μｍ〜３ｍｍ。
ＩｎＰ基板の厚さ：１００μｍ。
ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子構造のコア層の厚さ：２．３μｍ。
メサストライプの幅：３μｍ〜１０μｍ。
ＩｎＰクラッド層の厚さ：３μｍ。
ＩｎＧａＡｓコンタクト層の厚さ：０．５μｍ。
上部電極の厚さ：５μｍ。
分布ブラッグ反射器の半導体壁の厚さ：２μｍ（３λ／４）又は０．６μｍ（λ／４）。
分布ブラッグ反射器の半導体壁の間隔：６μｍ（３λ／４）又は２μｍ（λ／４）。
コア層下に設けられる半導体壁の厚さ（掘り込み量）：１μｍ。
また、上記の実施例に従って作製された分布ブラッグ反射器の反射率を測定した。ＩｎＰ基板の（１００）面上に形成された分布ブラッグ反射器の半導体壁は、図６の（ａ）部に示される構造を有する。半導体壁の側面には、実施例で説明された窪みが形成されていた。
分布ブラッグ反射器：３λ／４構造の２周期（発振波長：λ）。
量子カスケードコア層（総厚：２．３μｍ、ＩｎＧａＡｓ層の厚さ：０．５ｎｍ以上から１０ｎｍ以下、ＡｌＩｎＡｓ層の厚さ：０．５ｎｍ以上から１０ｎｍ以下、各層の厚みは所望の発振波長に合わせて調整される。繰り返す数：２０層以上から６０層以下。
ｎ型ＩｎＰクラッド層（厚さ：３μｍ）。
ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層（厚さ：０．５μｍ）。
反射率：６０％。
図６の（ｂ）部に示される同様の半導体積層のへき開端面の反射率：３０％。
窪み無しの同様の構造の分布ブラッグ反射器の反射率：５０％。
レーザストライプの端面から分布ブラッグ反射器への方向に出射される光は広がる。この光は、分布ブラッグ反射器の多数の平坦な半導体壁側面によって反射されるけれども、平坦な半導体壁側面はレーザストライプ端面における光の広がりを収束させることができない。分布ブラッグ反射器の半導体壁側面の量子カスケードコア層の窪みは、レーザストライプを伝搬する光が、レーザストライプの量子カスケードコア層端面に分布ブラッグ反射器の平坦な半導体壁側面に比べてより多く戻ることに寄与する。

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、本実施の形態によれば、改善された反射構造を有する分布ブラッグ反射器を含む量子カスケード半導体レーザが提供される。

１１…量子カスケード半導体レーザ、１３…第１導電型半導体領域、１５…半導体積層、１７…第１ブラッグ反射器、１９…第２ブラッグ反射器、２１…量子カスケードコア半導体層、２３…上部クラッド層、１７ａ、１７ｂ、１９ａ、１９ｂ…半導体壁、７１ａ…半導体メサ。

Claims (5)

1. 量子カスケード半導体レーザであって、
   第１軸の方向に配列された第１領域及び第２領域を有する第１導電型半導体領域と、
   前記第１軸に交差する第２軸の方向に順に配列された量子カスケードコア半導体層及び第１導電型の上部クラッド層を含み、前記第２領域上に設けられた半導体積層と、
   前記第２軸の方向に延在する側面を有する一又は複数の半導体壁を含み、前記第１領域上に設けられたブラッグ反射器と、
   を備え、
   前記半導体壁の前記側面は、前記半導体積層の端面に光学的に結合され、
   前記半導体壁は前記量子カスケードコア半導体層及び前記上部クラッド層を含み、
   前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層は、第１部分、第２部分及び第３部分を有し、前記第２部分、前記第３部分及び前記第１部分は前記第２軸の方向に順に配列され、
   前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の側面は、前記半導体壁内の前記上部クラッド層の側面に対して窪みを有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第１部分の側面は、逆メサ形状を有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第２部分の側面は、順メサ形状を有し、前記半導体壁の前記量子カスケードコア半導体層の前記第３部分は、前記窪みの最深部を有する、量子カスケード半導体レーザ。
2. 前記量子カスケードコア半導体層は、１．５μｍ以上の厚さを有する、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザ。
3. 前記量子カスケードコア半導体層は、交互に配列されたＡｌＩｎＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層を含む、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザ。
4. 前記半導体積層を規定する第１溝及び第２溝を更に備え、
   前記第１溝は、前記第１軸の方向に延在する第１テラスと前記半導体積層とにより規定され、
   前記第２溝は、前記第１軸の方向に延在する第２テラスと前記半導体積層とにより規定され、
   前記半導体壁は、前記第１テラスに接続された一端と、前記第２テラスに接続された他端とを有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。
5. 前記半導体積層を埋め込む半導体埋込領域を更に備え、
   前記半導体壁は、前記半導体埋込領域に接続された一端と、前記半導体埋込領域に接続された他端とを有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された量子カスケード半導体レーザ。

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