JP6464895B2 - 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。

非特許文献１は、埋込ヘテロ構造の量子カスケード半導体レーザを開示する。

Journal of Modern Optics, vol.52, No. 16, pp. 2303-2308, 2005

非特許文献１は、一素子エリアに設けられた単一のストライプ状メサと、このストライプ状メサの幅と同一幅を有し一素子エリアに設けられた分布反射領域とを含む構造を開示する。

ストライプ状メサの幅より広い分布反射領域を備える従来の埋込ヘテロ構造（Buried Heterostructure、以下BHと略す）量子カスケード半導体レーザでは、各素子エリアに単一のストライプ状メサを形成した後に、ストライプ状メサを再成長により埋め込んで半導体領域を形成する。この半導体領域上に分布反射領域のためのマスクを形成すると共に、このマスクを用いて半導体領域をエッチングして分布反射領域のための構造を形成する。

発明者の知見によれば、広い幅の分布反射領域を備える従来の埋込ヘテロ構造量子カスケード半導体レーザでは、素子表面の平坦性が良好でない。発明者の検討によれば、平坦性に係る不具合は、埋込再成長により形成された半導体領域の表面の平坦性に関連している。

この従来の埋込ヘテロ構造量子カスケード半導体レーザの作製において、光導波路のためのストライプ状メサが、一素子サイズの間隔にて、ウエハ上に複数配列される。ここで、１つのストライプ状メサと、それに隣接する両側のストライプ状メサの間の領域は、埋込領域を形成する半導体により埋め込まれて、ストライプ状メサの間に埋込領域が満たされる。発明者の注意深い観察によれば、隣接するストライプ状メサの間の埋込領域の厚さは、一方のストライプ状メサから離れるにつれて小さくなって最小値を取り、その後他方のストライプ状メサに向けて最小値から大きくなる。従って、埋込領域は、隣接する素子エリアのストライプ状メサの間に窪みを有している。この窪みは、ストライプ状メサと同じ方向に延在する。分布反射領域が形成されるべき半導体領域においても、ストライプ状メサの両側に位置する埋込領域の厚さは、ストライプ状メサから離れるにつれて薄くなる。

発明者の更なる検討によれば、上記埋込領域の厚さにおける大きなばらつきは、ストライプ状メサの幅より広い分布反射領域を形成するに際して障害になり得るレベルである。具体的には、幅広い分布反射領域の高屈折率部を規定する誘電体膜等から成るマスクは、ストライプ状メサと、その両側の埋込再成長により形成された半導体領域上に形成される。ここで上記のように、ストライプ状メサの両側に位置する個々の埋込領域に窪みがあると、マスク形成のためのレジストパターニングの際の、最適な露光条件が場所により変動するため、領域全体に対し、最適な条件での露光が困難となり、その結果、レジストの露光状態に不均一が生じる。このような不均一な露光は、高屈折率部を規定するマスク形成のためのレジストのパターン幅に分布を生じさせる。これは、結果として、導波路軸方向における分布反射領域の高屈折率部、及び高屈折率部間の低屈折率部の幅のばらつきに至る。即ち、上記のように埋込領域の平坦性が悪いと、そこに形成される分布反射領域の加工精度も低下する。

上記のように、幅広い分布反射領域の形成に際しては、これが形成される半導体領域の構造が、分布反射領域の特性に大きく関連する。具体的には、埋込領域の平坦性が悪いと、分布反射領域の加工精度が低下するので、分布反射領域の反射率の面内均一性や再現性が悪化し、素子歩留りを低下させる原因となる。

本発明の一側面は、このような事情を鑑みて為されたものであり、メサ導波路より幅広い分布反射領域において、反射率の面内均一性や再現性が改善され、高い歩留まりを有する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導波路エリア及び分布反射エリアを含む主面を備える半導体基板と、前記半導体基板の前記導波路エリア上に設けられたレーザ本体領域と、前記半導体基板の前記分布反射エリア上に設けられた分布反射領域と、前記レーザ本体領域上に設けられた上部電極と、を備え、前記レーザ本体領域は、前記第１軸の方向に延在する第１側面及び第２側面を有するメサ導波路、前記メサ導波路の前記第１側面上及び前記半導体基板の前記主面上に設けられた第１埋込領域、及び前記メサ導波路の前記第２側面上及び前記半導体基板の前記主面上に設けられた第２埋込領域を備え、前記メサ導波路は、導波路軸に沿って延在しており、前記メサ導波路は、前記上部電極に接続され、前記分布反射領域は、分布反射のための一又は複数の半導体壁を含み、前記半導体壁の各々は、前記半導体基板の前記主面の法線軸の方向に延在しており、前記半導体壁は、複数の第１バルク半導体領域及び複数の第１積層領域を含み、前記半導体壁において、前記第１バルク半導体領域及び前記第１積層領域は、前記第１軸及び前記法線軸に交差する第２軸の方向に交互に配列され、前記メサ導波路及び前記第１積層領域は第１半導体積層構造を有しており、前記第１半導体積層構造は、コア層のための第１半導体層と上部クラッド層のための第２半導体層とを含む。

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、本発明の一側面によれば、メサ導波路より幅広い分布反射領域において、反射率の面内均一性や再現性が改善され、高い歩留まりを有する量子カスケード半導体レーザが提供される。

図１は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。 図２は、図１に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。 図３は、図１に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。 図４は、図１に示されたＩＶ−ＩＶ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザのレーザ本体領域を模式的に示す図面である。 図５は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。 図６は、図５に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。 図７は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。 図８は、図７に示されたＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。 図９は、図７に示されたＩＸ−ＩＸ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。 図１０は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。 図１１は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。 図１２は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。 図１３は、実施例2に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１４は、実施例2に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１５は、実施例2に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１６は、実施例2に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１７は、バルク半導体領域及び積層領域の交互配列が適用されない分布反射領域の高屈折率部を作製すべきエリアにおける一素子サイズの幅で断面を示す図面である。 図１８は、分布反射領域及びレーザ本体領域のいすれにもバルク半導体領域及び積層領域の交互配列が適用されない量子カスケード半導体レーザの実装を示す図面である。 図１９は、実施例２に係る量子カスケード半導体レーザの実装を示す図面である。 図２０は、図１２に示された量子カスケード半導体レーザを作製する際における素子区画の配列を示す平面図である。

以下、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導波路エリア及び分布反射エリアを含む主面を備える半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板の前記導波路エリア上に設けられたレーザ本体領域と、（ｃ）前記半導体基板の前記分布反射エリア上に設けられた分布反射領域と、（ｄ）前記レーザ本体領域上に設けられた上部電極と、を備え、前記レーザ本体領域は、前記第１軸の方向に延在する第１側面及び第２側面を有するメサ導波路、前記メサ導波路の前記第１側面上及び前記半導体基板の前記主面上に設けられた第１埋込領域、及び前記メサ導波路の前記第２側面上及び前記半導体基板の前記主面上に設けられた第２埋込領域を備え、前記メサ導波路は、導波路軸に沿って延在しており、前記メサ導波路は、前記上部電極に接続され、前記分布反射領域は、分布反射のための一又は複数の半導体壁を含み、前記半導体壁の各々は、前記半導体基板の前記主面の法線軸の方向に延在しており、前記半導体壁は、複数の第１バルク半導体領域及び複数の第１積層領域を含み、前記半導体壁において、前記第１バルク半導体領域及び前記第１積層領域は、前記第１軸及び前記法線軸に交差する第２軸の方向に交互に配列され、前記メサ導波路及び前記第１積層領域は第１半導体積層構造を有しており、前記第１半導体積層構造は、コア層のための第１半導体層と上部クラッド層のための第２半導体層とを含む。

この量子カスケード半導体レーザによれば、分布反射のための高屈折率部として機能する半導体壁の各々が複数の第１バルク半導体領域及び複数の第１積層領域を含むと共に、メサ導波路及び第１積層領域は第１半導体積層構造を有する。第１バルク半導体領域及び第１積層領域は、第２軸の方向に交互に配列される。第１バルク半導体領域は第１積層領域を埋め込むように成長されて、半導体壁の各々において第１積層領域間に第１バルク半導体領域が設けられる。これ故に、半導体壁は、第２軸の方向に第１バルク半導体領域が長く延在することなく第１バルク半導体領域及び第１積層領域によって構成される交互配列を備える。半導体壁における第２軸の方向への交互配列は、前記法線軸方向における半導体壁の高さの均一性を第２軸の方向に関して高めるために有効である。高さの均一性に起因して、分布反射のための半導体壁の形状の精度が、メサ導波路の両サイドの領域を第１バルク半導体領域のみで構成する半導体壁に比べて良好になる。

具体的に説明すれば、この量子カスケード半導体レーザでは、分布反射のための高屈折率部である半導体壁は、第２軸の方向に交互に配置される第１積層領域及び第１バルク半導体領域を含む半導体領域を加工して形成される。この半導体領域の形成において、第１バルク半導体領域が埋込成長により第１積層領域間に形成される。埋込成長される第１バルク半導体領域が第１積層領域により区切られるので、この半導体領域の表面の平坦性が良好になる。半導体壁は、この半導体領域上の半導体壁となる領域を規定する誘電体膜等から成るマスクを用いて、エッチングにより形成されるが、上記のように半導体領域表面の平坦性が良好なため、本マスクを形成するためのレジストをパターニングする際の最適な露光条件が場所に依らず同一となる。従って、場所に依存せずに、最適条件での均一な露光が可能となり、レジストのパターニング精度が向上する。そのため、本レジストを用いてエッチングされる、上記マスクの加工精度も向上し、これを用いてエッチングされる半導体壁の加工精度も改善される。この結果、分布反射領域の加工精度に起因する素子歩留りの低下を回避できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域の各々は、第２バルク半導体領域及び第２積層領域を含み、前記第２バルク半導体領域及び前記第２積層領域は、前記第２軸の方向に交互に配列され、前記第２積層領域は、前記第１軸の方向に延在すると共に前記第１半導体積層構造を有する。

この量子カスケード半導体レーザによれば、第１埋込領域及び第２埋込領域の各々が第２バルク半導体領域及び第２積層領域を含むと共に、メサ導波路及び第２積層領域は第１半導体積層構造を有する。また、第２バルク半導体領域及び第２積層領域は、第２軸の方向に配列されると共に、第２積層領域において第１半導体積層構造は第１軸の方向に延在する。第２バルク半導体領域は第２積層領域を埋め込むように成長される。第２バルク半導体領域が第２積層領域間に埋込成長により形成されるので、第１埋込領域及び第２埋込領域のための半導体領域の高さの均一性が第２軸の方向に関して良好になる。

このように、第２バルク半導体領域及び第２積層領域の交互配列により、レーザ本体領域の素子表面の平坦性が良好になることで、量子カスケード半導体レーザをエピダウン形態で実装することが容易になる。このため、量子カスケード半導体レーザに優れた放熱性のエピダウン実装を提供でき、エピダウン形態により、量子カスケード半導体レーザ特性が放熱不良に起因して劣化することを回避できる。

第１埋込領域及び第２埋込領域内の複数の第２積層領域は、メサ導波路と同一のエッチング工程で形成される。一素子エリア内に配置された第２積層領域及びメサ導波路を一括して形成する。この一括形成により、一素子エリア当たりのエッチングされるべき面積が小さくなるので、第１埋込領域及び第２埋込領域内の第２積層領域とメサ導波路を一括形成する際のエッチングレートを増加できる。このエッチングレートの増加により、量子カスケード半導体レーザの作製における課題である高いメサ導波路の形成が容易となる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域の各々は、第１埋込部分及び第２埋込部分を含み、前記第１埋込部分及び前記第２埋込部分は、前記第２軸方向において、前記導波路軸から当該量子カスケード半導体レーザの側面への向きに順に配置され、前記第１埋込部分が、前記第２積層領域及び前記第２バルク半導体領域を含むと共に、前記第２埋込部分が前記第２積層領域を含まず、前記第２埋込部分は前記２バルク半導体領域を含み、前記第２埋込部分の前記２バルク半導体領域は前記第２軸の方向に延在し、前記第２積層領域及び前記第２バルク半導体領域は、前記第１埋込部分において前記第２軸の方向に沿って交互に配列されている。

この量子カスケード半導体レーザによれば、第１埋込領域及び第２埋込領域の各々は、導波路軸の近くに位置する第１埋込部分を含み、導波路軸から離れており第１埋込部分の外側に位置する第２埋込部分を含む。第２埋込部分は第２バルク半導体領域を含み、この第２バルク半導体領域は第２軸の方向に延在する。第２埋込部分は、単一の材料からなる高抵抗のバルク半導体で形成される。第２埋込部分への高抵抗のバルク半導体の適用により、第１埋込領域及び第２埋込領域をより高抵抗にでき、第１埋込領域及び第２埋込領域を流れる漏れ電流をより低減できる。これによって、量子カスケード半導体レーザの特性を更に改善できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、前記第２バルク半導体領域が、アンドープ又は半絶縁性の半導体を備える。

この量子カスケード半導体レーザによれば、第２バルク半導体領域は、これらの高抵抗材料を備えメサ導波路の第１側面及び第２側面にそれぞれ接する第１部分及び第２閉込部を有する。第２バルク半導体領域の第１閉込部及び第２閉込部は、メサ導波路に電流を狭窄するための電流ブロック層として良好に機能する。また、メサ導波路から離れた第１埋込領域及び第２埋込領域が、上記の高抵抗の第２バルク半導体領域を備えるので、これらの半導体領域の高抵抗性の寄与により、第１埋込領域及び第２埋込領域が全体として高抵抗を示す。その結果、メサ導波路を埋め込む第１埋込領域及び第２埋込領域に流れる漏れ電流をより低減できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、前記半導体壁上に設けられた第１半導体キャップ層を更に備え、前記第１半導体キャップ層は前記半導体壁の前記第１バルク半導体領域に接触を成し、前記第１半導体キャップ層の材料は前記第１バルク半導体領域と同一の材料である。

この量子カスケード半導体レーザによれば、半導体壁の第１バルク半導体領域が、第１バルク半導体領域と同じ材料の第１半導体キャップ層によって互いに接続される。第１バルク半導体領域及び第１半導体キャップ層は、同一の材料から成るので、これらは結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、半導体壁の強度が高められる。この第１半導体キャップ層によって、分布反射のための半導体壁の破損を低減することが可能となり、素子の製造歩留まり及び素子の耐久性を改善することが可能になる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体壁は、第１部分及び第２部分を含み、前記第１部分及び前記第２部分は、前記第２軸方向において、前記導波路軸から当該量子カスケード半導体レーザの側面への向きに順に配置され、前記第１部分が、前記第１積層領域及び前記第１バルク半導体領域を含むと共に、前記第２部分が前記第１積層領域を含まず、前記第２部分は前記第１バルク半導体領域を含み、前記第１積層領域及び前記第１バルク半導体領域は、前記第１部分において前記第２軸の方向に沿って交互に配列されている。

この量子カスケード半導体レーザによれば、半導体壁は、導波路軸の近くに位置する第１部分を含み、導波路軸から離れており第１部分の外側に位置する第２部分を含む。第２部分は第１バルク半導体領域を含み、この第１バルク半導体領域は第２軸の方向に延在する。第２部分は、第１積層領域を含まずバルク半導体で形成される、第２部分へのバルク半導体の適用により、半導体壁の第２部分における機械的強度を増強でき、分布反射のための半導体壁が破損しにくくできる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、誘電体材料から成る絶縁膜を更に備え、前記絶縁膜は、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域と前記上部電極との間に設けられる。

この量子カスケード半導体レーザによれば、誘電体の絶縁膜は、優れた耐久性及び絶縁性を有する。また、この絶縁膜は、一般的な誘電体膜成膜装置を用いて容易に成膜でき、誘電体の絶縁膜を製造プロセスに導入することが容易である。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、アンドープ半導体又は半絶縁性半導体から成る第２半導体キャップ層を更に備え、前記第２半導体キャップ層は、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域と前記上部電極との間に設けられる。

この量子カスケード半導体レーザによれば、第２半導体キャップ層が半絶縁性半導体及びアンドープ半導体から成り、これらの半導体は良好な熱伝導を有する。また、第２半導体キャップ層は、下地の半導体領域(メサ導波路、第１、第２埋込領域)の表面の凹凸を軽減するように、それらの表面上に成長される。従って、前記誘電体絶縁膜を用いる場合に比べて、レーザ本体領域の表面平坦性がより改善される。このようなレーザ本体領域の表面平坦性の向上により、エピダウン実装の際における素子放熱性がより高められるため、量子カスケード半導体レーザの特性が放熱不良により劣化することの回避がより容易となる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、前記半導体壁のうちの第１壁及び第２壁を互いに接続する第１補強部を更に備える。

この量子カスケード半導体レーザによれば、複数の半導体壁、具体的には半導体壁の内の第１壁及び第２壁が第１補強部を介して接続されて、第１補強部、第１壁及び第２壁が一体化される。この補強構造により、分布反射領域の機械的強度を増加できる。その結果、分布反射領域が破損しにくくなって、素子の製造歩留まり及び素子の耐久性を更に改善することが可能となる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１壁は、前記第１補強部に接続された第１１部分を有し、前記第２壁は、前記第１補強部に接続された第２１部分を有し、前記第１補強部、前記第１１部分、及び前記第２１部分の材料は同じである。

この量子カスケード半導体レーザによれば、第１補強部、第１１部分、及び第２１部分の材料が同じであるので、これら第１補強部、第１１部分、及び第２１部分は、結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、分布反射領域の強度をより効果的に増加できる。また、第１補強部、第１１部分及び第２１部分が同じ材料であるので、これらを一括形成できる。一括形成により、量子カスケード半導体レーザの製造プロセスを簡略化できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、前記半導体壁を前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域に接続する第２補強部を更に備える。

この量子カスケード半導体レーザによれば、第２補強部を介して分布反射領域の半導体壁をレーザ本体領域に接続して、一体化された構造を形成する。この構造によれば、分布反射領域の機械的強度を増加でき、その結果、分布反射領域の破損を回避できる。この第２補強部によって、素子の製造歩留まり及び素子の耐久性を改善することが可能になる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体壁は、前記第２補強部に接続された接続部を含み、前記半導体壁の前記接続部の材料は、前記第２補強部の材料と同じである。

この量子カスケード半導体レーザによれば、半導体壁の接続部及び第２補強部は同一の材料からなるので、これらは結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、分布反射領域の強度をより効果的に増加できる。また半導体壁の接続部及び第２補強部の材料が同じであるので、これらを一括形成できる。一括形成により、量子カスケード半導体レーザの製造プロセスを簡略化できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１埋込領域は、前記第２補強部に接続された第１１埋込部を含み、前記第２埋込領域は、前記第２補強部に接続された第２１埋込部を含み、前記第２補強部、前記第１１埋込部及び前記第２１埋込部の材料は同じである。

この量子カスケード半導体レーザによれば、第２補強部、第１１埋込部及び第２１埋込部の材料が同じであるので、これらは結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、分布反射領域の強度をより効果的に増加できる。また、第２補強部、第１１埋込部及び第２１埋込部の材料が同じであるので、これらを一括形成できる。一括形成により、量子カスケード半導体レーザの製造プロセスを簡略化できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体壁の長さは、前記第２軸の方向において前記半導体基板の幅より短い。

この量子カスケード半導体レーザによれば、本量子カスケード半導体レーザの作製に関して、素子サイズに対応するエリアにおける一素子エリアの幅より該素子エリア上の半導体壁の長さを短くすることで、分布反射のための半導体壁を形成するエッチングにおける面内均一性及び再現性が改善される。また、該量子カスケード半導体レーザの作製において、素子分離の際に生じうる半導体壁の破損に起因する製造歩留まり低下を回避でき、且つ半導体壁の機械的強度を増強でき、破損が生じにくくなる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１バルク半導体領域が、アンドープ又は半絶縁性の半導体を備える。

この量子カスケード半導体レーザによれば、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体では、自由キャリアに起因する光吸収が中赤外の波長領域において微小であるので、分布反射領域の半導体壁における導波光の吸収を低減できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記上部クラッド層はＩｎＰを備える。

この量子カスケード半導体レーザによれば、ＩｎＰは中赤外の発振光に対して実質的に光吸収を示さず透明であるので、クラッド層材料として好適である。また、ＩｎＰは２元混晶であると共にＩｎＰ基板に格子整合するので、ＩｎＰ基板上の成長が容易である、また、ＩｎＰの熱伝導性が高いので、ＩｎＰクラッド層は、コア層からの良好な放熱性を提供でき、量子カスケード半導体レーザの温度特性向上に寄与する。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記コア層は、発光領域である複数の活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための複数の注入層を含み、前記活性層及び前記注入層が交互に配列されている。

この量子カスケード半導体レーザによれば、注入層と活性層の多段接続は、量子カスケード半導体レーザのコア層構造として有用であり、活性層間に注入層を設けてこれらを接続することにより、電子は隣接する活性層に連続的にスムーズに受け渡されて伝導帯サブバンド間を遷移でき、その結果、良好な量子カスケードレーザ発振が得られる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記活性層及び前記注入層の各々は、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列を備える。

この量子カスケード半導体レーザによれば、上記の超格子列は、中赤外域の波長に相当する伝導帯サブバンド間遷移を提供できるので、中赤外量子カスケード半導体レーザのコア層の材料として好適である。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記基板はｎ型ＩｎＰ基板である。

この量子カスケード半導体レーザによれば、量子カスケード半導体レーザを構成する半導体層は、ＩｎＰに近い格子定数を有する。従って、量子カスケード半導体レーザのための基板としてＩｎＰ基板を用いることにより、量子カスケード半導体レーザを構成する半導体層を良好な結晶品質で成長することが可能となる。また、ＩｎＰ基板は、中赤外波長領域の光に対して実質的に光吸収を示さず透明であるので、ＩｎＰ基板を下部クラッドとして使用できる。

一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記メサ導波路と前記半導体壁との間に空隙が設けられており、前記半導体壁間に別の空隙が設けられている。

この量子カスケード半導体レーザによれば、半導体壁は分布反射エリアに設けられて高屈折率部を構成し、メサ導波路と半導体壁との間の空隙及び半導体壁間の別の空隙は、前記分布反射エリアに設けられて低屈折率部を構成する。

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、実施形態に係る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。なお以下の各実施例では、レーザ本体領域に単一モード発振のための回折格子層を導入した、分布帰還型(Distributed Feedback、以下DFBと略す)量子カスケード半導体レーザを例示した。

図１は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。図２は、図１に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図３は、図１に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。更に、図４は、図１に示されたＩＶ−ＩＶ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザ１のレーザ本体領域を模式的に示す図面である。

図１〜図３を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１は、半導体基板１１、レーザ本体領域１２、及び分布反射領域１３、１４、を備える。半導体基板１１は主面１１ａを備え、主面１１ａは、第１軸Ａｘ１の方向（Ｘ方向）に配列された導波路エリア１１ｂ及び分布反射エリア１１ｃ、１１ｄを含む。レーザ本体領域１２が、半導体基板１１の導波路エリア１１ｂ上に設けられる。分布反射領域１３、１４が、それぞれ、分布反射エリア１１ｃ、１１ｄ上に設けられる。分布反射領域１３、１４は素子端面３ｃ、３ｄを各々有す。引き続く説明は、半導体基板１１の分布反射エリア１１ｃ上の分布反射領域１３について行われるが、この説明は、分布反射エリア１１ｄ上の分布反射領域１４にも適用される。

レーザ本体領域１２は、メサ導波路１７、第１埋込領域１９、及び第２埋込領域２１を備える。メサ導波路１７は、第１軸Ａｘ１に平行な導波路軸ＷＧに沿って延在する。メサ導波路１７は、第１軸Ａｘ１の方向に延在する第１側面１７ｂ及び第２側面１７ｃを有する。第１埋込領域１９は、メサ導波路１７の第１側面１７ｂ上、及び半導体基板１１の主面１１ａ上に設けられ、第２埋込領域２１は、メサ導波路１７の第２側面１７ｃ上、及び半導体基板１１の主面１１ａ上に設けられる。

分布反射領域１３は、分布反射のための一又は複数の半導体壁２９を含み、各半導体壁２９は、半導体基板１１の主面１１ａに対する法線軸ＮＸ（直交座標系ＳにおけるＺ軸）の方向に主面１１ａから延在する。半導体壁２９は、分布反射エリア１１ｃ内において、第１軸Ａｘ１の方向に配列されており、本実施例では、分布反射領域１３は、３つの半導体壁２９を含む。各半導体壁２９は、複数の第１バルク半導体領域３３及び複数の第１積層領域３５を含む。個々の半導体壁２９において、第１バルク半導体領域３３及び複数の第１積層領域３５は、第１軸Ａｘ１及び法線軸ＮＸに交差する第２軸Ａｘ２の方向（Ｙ方向）に交互に配列される。本実施例では、量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａ、３ｂの一方から他方にまで、第１バルク半導体領域３３及び複数の第１積層領域３５の交互配列が、第２軸Ａｘ２の方向に延在する。

この量子カスケード半導体レーザ１によれば、分布反射のための半導体壁２９の各々が複数の第１バルク半導体領域３３及び複数の第１積層領域３５を含むと共に、メサ導波路１７及び第１積層領域３５は第１半導体積層構造２３を有する。第１バルク半導体領域３３及び第１積層領域３５は、第２軸Ａｘ２の方向に交互に配列される。第１バルク半導体領域３３は第１積層領域３５を埋め込むように成長されて、半導体壁２９の各々において第１積層領域３５の間に第１バルク半導体領域３３が設けられる。これ故に、半導体壁２９は、第２軸Ａｘ２の方向に第１バルク半導体領域３３を広く延在させることになく第１バルク半導体領域３３及び第１積層領域３５によって構成される交互配列を備える。半導体壁２９における第２軸Ａｘ２の方向への交互配列は、第２軸Ａｘ２の方向に関して半導体壁２９の法線軸Ｎｘ方向における高さの均一性を高めるために有効である。高さの均一性に起因して、分布反射領域１３を高反射化するための半導体壁２９の加工精度が、第１バルク半導体領域のみで構成される半導体壁に比べて良好になる。

また、この量子カスケード半導体レーザ１では、分布反射のための半導体壁２９は、第２軸Ａｘ２の方向に交互に配置される第１積層領域３５及び第１バルク半導体領域３３を含む半導体領域を加工して形成される。この半導体領域の形成において、第１バルク半導体領域３３のバルク半導体が埋込成長により第１積層領域３５間に形成される。埋込成長されるバルク半導体が第１積層領域３５により区切られるので、この半導体領域の表面の平坦性が良好になる。半導体壁２９は、この半導体領域上の半導体壁２９となる領域を規定する誘電体膜等から成るマスクを用いて、エッチングにより形成されるが、上記のように半導体領域表面の平坦性が良好なため、本マスクを形成するためのレジストをパターニングする際の最適な露光条件が場所に依らず同一となる。従って、場所に依存せずに最適条件での均一な露光が可能となり、レジストのパターニング精度が向上する。そのため、本レジストを用いてエッチングされる、上記マスクの加工精度が向上し、これを用いてエッチングされる半導体壁２９の加工精度も改善される。この結果、分布反射領域１３、１４の加工精度に起因する素子歩留りの低下を回避できる。

メサ導波路１７及び第１積層領域３５は第１半導体積層構造２３を有する。第１半導体積層構造２３は、コア層のための第１半導体層２７ａ及び上部クラッド層のための第２半導体層２７ｂを含み、本実施例では、第１半導体積層構造２３は、コンタクト層のための第３半導体層２７ｃ、下部クラッド層のための第４半導体層２７ｄ及び回折格子層のための第５半導体層２７ｅを更に含む。第４半導体層２７ｄ（下部クラッド層）、第１半導体層２７ａ（コア層）、第５半導体層２７ｅ（回折格子層）、第２半導体層２７ｂ（上部クラッド層）及び第３半導体層２７ｃ（コンタクト層）は、法線軸ＮＸの方向に順に配列されている。

メサ導波路１７の端部は、半導体壁２９から離間して設けられて、本実施例ではメサ導波路１７の端部と半導体壁２９の側面との間に空隙２２を構成する。半導体壁２９は互いに離間して設けられて、半導体壁２９間には、本実施例では別の空隙２４が設けられている。半導体壁２９は分布反射エリア１１ｃに設けられて高屈折率部を構成し、メサ導波路１７と半導体壁２９との間の空隙２２、半導体壁２９間の別の空隙２４、及び最も端面３ｃに近い半導体壁２９と端面３ｃの間の空隙２６は、分布反射エリア１１ｃに設けられて低屈折率部を構成する。これによって、分布反射領域１３は、高屈折率部及び低屈折率部の交互配列を含む。また第１軸Ａｘ１方向において、高屈折率部及び低屈折率部は、各々ＷＨ、及びＷＬの幅を有している。

量子カスケード半導体レーザ１では、第１バルク半導体領域３３はアンドープ半導体及び／又は半絶縁性半導体を備えることが好ましい。アンドープ半導体及び半絶縁性半導体では、自由キャリアに起因する光吸収が中赤外の波長領域において微小であるので、分布反射領域１３の半導体壁２９における導波光の吸収を低減できる。

量子カスケード半導体レーザ１は、メサ導波路１７の上面１７ａに接触を成す上部電極１５と、半導体基板１１の裏面１１ｆに設けられた下部電極４１とを備える。上部電極１５の材料は、メサ導波路１７の上面１７ａにオーミック接触を可能にするものである。下部電極４１の材料は、半導体基板１１の裏面１１ｆにオーミック接触を可能にするものである。また、量子カスケード半導体レーザ１は、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１との間に設けられた分離層４３を備えることができる。

量子カスケード半導体レーザ１は、必要な場合には、半導体壁２９の上面上を延在する第１半導体キャップ層４７を更に備えることができる。第１半導体キャップ層４７は半導体壁２９の第１バルク半導体領域３３に接触を成す。第１半導体キャップ層４７の材料は第１バルク半導体領域３３と同一の材料であることが好ましい。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、半導体壁２９の第１バルク半導体領域３３が、第１バルク半導体領域３３と同じ材料の第１半導体キャップ層４７によって互いに接続される。第１バルク半導体領域３３及び第１半導体キャップ層４７は、同一の材料から成るので、これらは結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、半導体壁２９の強度が高められる。この第１半導体キャップ層４７は、分布反射のための半導体壁２９の破損を低減することに役立ち、素子の製造歩留まり及び素子の耐久性を改善することを可能にする。

第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と上部電極１５との間に、分離層４３として働く誘電体絶縁膜及び半導体キャップ層の少なくともいずれかを設けることができる。分離層４３は、メサ導波路１７の上面１７ａ上に位置する開口４３ａを有する。この開口４３ａを介して、上部電極１５は、メサ導波路１７の上面１７ａに接触を成す。

量子カスケード半導体レーザ１では、分離層４３は、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と上部電極１５との間に設けられる誘電体材料から成る絶縁膜を含むことができる。誘電体材料から成る絶縁膜は、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と上部電極１５との間に設けられる。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、絶縁膜は、優れた耐久性及び絶縁性を有する。また、この絶縁膜は、一般的な誘電体膜成膜装置を用いて容易に成膜でき、誘電体の絶縁膜を製造プロセスに導入することが容易である。絶縁膜は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、及びポリイミド樹脂の少なくともいずれかを備えることができる。

また、量子カスケード半導体レーザ１では、分離層４３は、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と上部電極１５との間に設けられる第２半導体キャップ層を含むことができる。この第２半導体キャップ層はアンドープ半導体又は半絶縁性半導体を備えることができる。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、第２半導体キャップ層が半絶縁性半導体及びアンドープ半導体から成り、これらの半導体は良好な熱伝導を有する。また、第２半導体キャップ層は、下地の半導体領域（メサ導波路１７、第１、第２埋込領域１９、２１）の表面の凹凸を軽減するように、それらの表面上に成長される。従って、前記誘電体絶縁膜を用いる場合に比べて、レーザ本体領域１２の表面平坦性がより改善される。このようなレーザ本体領域１２の表面平坦性の向上により、エピダウン実装の際における素子放熱性がより高められ、また、量子カスケード半導体レーザの特性が放熱不良により劣化することの回避がより容易となる。

量子カスケード半導体レーザ１の一例。
半導体基板１１：ｎ型ＩｎＰ基板。
第１半導体層２７ａ（コア層）：活性層及び注入層が交互に積層された構造。
活性層２８ａ：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子構造。
注入層２８ｂ：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子構造。
第２半導体層２７ｂ（上部クラッド層）：ｎ型ＩｎＰ。
第３半導体層２７ｃ（コンタクト層）：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
第４半導体層２７ｄ（下部クラッド層）：ｎ型ＩｎＰ。
第５半導体層２７ｅ（回折格子層）：アンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓ。
第１バルク半導体領域３３：半絶縁性ＩｎＰ、アンドープＩｎＰ。
上部電極１５及び下部電極４１：Ｔｉ／Ａｕ、Ｇｅ／Ａｕ。

好適な実施例では、半導体基板１１はｎ型ＩｎＰ基板を備える。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、量子カスケード半導体レーザ１を構成する半導体層はＩｎＰに近い格子定数を有するので、ＩｎＰ基板の適用は、これらの層を良好な結晶品質で成長することを可能にする。また、ＩｎＰ基板は中赤外の発振光に対して透明であるので、基板のＩｎＰが下部クラッドとして機能する。

また、第２半導体層２７ｂによって提供される上部クラッド層は、ＩｎＰを備える。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、ＩｎＰは中赤外の発振光に対して透明であるので、クラッド層材料として好適である。また、ＩｎＰは２元混晶であり、ＩｎＰ基板に格子整合するので、ＩｎＰの成長は容易である。更に、ＩｎＰの熱伝導性が良好であるので、ＩｎＰクラッド層を介してコア層からの熱を良好な放出でき、ＩｎＰクラッド層の使用により、量子カスケード半導体レーザの温度特性を向上できる。下部クラッド層２７ｄもＩｎＰを備えるようにしても良い。

第１半導体層２７ａによって提供されるコア層は、発光領域である複数の活性層２８ａと、活性層２８ａにキャリアを注入するための複数の注入層２８ｂとを含む。活性層２８ａ及び注入層２８ｂは交互に配列される。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、活性層２８ａ及び注入層２８ｂの多段接続は、量子カスケード半導体レーザ１のコア層に適用可能である。活性層２８ａ間に注入層２８ｂを設けて活性層２８ａを接続することによって、隣接する活性層２８ａに電子が連続的にスムーズに受け渡されて伝導帯サブバンド間の電子の遷移が可能になり、その結果、良好な量子カスケード半導体レーザの発振が提供される。例えば、活性層２８ａ及び注入層２８ｂはＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子構造によって構成される。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、この超格子列は、中赤外域の波長に相当する伝導帯サブバンド間の電子の遷移を提供でき、この結果、中赤外のレーザ発振のためのコア層として好適である。

第１埋込領域１９の構造例及び第２埋込領域２１の構造例を説明する。

（構造例１）
図１〜図３に示されるように、第１埋込領域１９は、電流ブロックのための第２バルク半導体領域３９を備えることができる。第１埋込領域１９は、メサ導波路１７の第１側面１７ｂ上に沿って延在する第１閉込部３９ｂ含み、本実施例では、第１閉込部３９ｂが、量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａに到達している。また、第２埋込領域２１は、同様に、メサ導波路１７の第２側面１７ｃ上に沿って延在する第２閉込部３９ｃを含み、本実施例では、第２閉込部３９ｃが、量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ｂに到達している。第２バルク半導体領域３９の、第１閉込部３９ｂ及び第２閉込部３９ｃは共に、半絶縁性半導体又はアンドープ半導体の少なくともいずれかを備える。これらの高抵抗材料は、第２バルク半導体領域３９がメサ導波路１７に電流（キャリア）を狭窄するための電流ブロック層として良好に機能することを可能にする。また、メサ導波路１７の側面上とは別の領域に設けられた第２バルク半導体領域３９は、その高抵抗性に起因して、メサ導波路１７外の半導体領域に、高抵抗を提供でき、メサ導波路１７の外部を流れる漏れ電流を低減するために役立つ。

より具体的には、第２バルク半導体領域３９は半絶縁性半導体を備える。この半絶縁性半導体は、遷移金属がドープされた半導体であることができる。遷移金属は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びＣｏの少なくともいずれかであることができる。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、これらの遷移金属を添加することによって、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に半絶縁性を付与でき、この結果、電子に対して例えば１０^５（Ω・ｃｍ）以上の充分な高抵抗性が得られる。従って、これらの遷移金属の添加は、量子カスケード半導体レーザ１内のバルク半導体領域の高抵抗材料の提供に好適である。

（構造例２）
図５は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。図６は、図５に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図５に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面は、既に図２に示されている。第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の各々は、複数の第２積層領域３７と、該複数の第２積層領域３７を埋め込む第２バルク半導体領域３９とを備える。本実施例では、第２バルク半導体領域３９は、第１埋込領域１９においては、第１軸Ａｘ１方向に延在する第１閉込部３９ｂと複数の第１バルク部分３９ｄから成り、一方、第２埋込領域２１においては、第１軸Ａｘ１方向に延在する第２閉込部３９ｃと複数の第１バルク部分３９ｄから成る。また、第２積層領域３７は、第１軸Ａｘ１の方向に延在すると共に第１半導体積層構造２３を有する。第２バルク半導体領域３９、及び第２積層領域３７が第２軸Ａｘ２の方向に交互に配列される。

具体的には、図５に示されるように、第２バルク半導体領域３９は、第１埋込領域１９に設けられた複数の第１バルク部分３９ｄを含むことができる。第１埋込領域１９において、メサ導波路１７から量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａへの方向に第１バルク部分３９ｄ及び第２積層領域３７が交互に配列される。具体的には、メサ導波路１７の第１側面１７ｂに沿って第１閉込部３９ｂが延在し、第１閉込部３９ｂに沿って第２積層領域３７が延在し、この第２積層領域３７に沿って最初の第１バルク部分３９ｄが延在する。第１埋込領域１９は、更なる第１バルク部分３９ｄ及び第２積層領域３７を含むことができ、結果として第１埋込領域１９において、第１バルク部分３９ｄ及び第２積層領域３７が第２軸Ａｘ２の方向に交互に配列される。メサ導波路１７から側縁３ａまでのエリアの全体にわたって第１バルク部分３９ｄ及び第２積層領域３７の配列が設けられて、本実施例では、側縁３ａには第１バルク部分３９ｄが現れている。第１埋込領域１９は、第１閉込部３９ｂ及び複数の第１バルク部分３９ｄを備え、これらは、互いに第２積層領域３７によって隔てられている。第２積層領域３７と上部電極１５との間には分離層４３が設けられて、上部電極１５は第２積層領域３７に接続されない。また、第２埋込領域２１は、第２閉込部３９ｃ及び複数の第１バルク部分３９ｄを備え、これらは、互いに第２積層領域３７によって隔てられている。第１閉込部３９ｂが第２閉込部３９ｃに置き換えられる点を除いて、第２埋込領域２１は第１埋込領域１９と同一の構造を有しており、第２バルク半導体領域３９は、第２埋込領域２１においても、第１埋込領域１９と同様に配列された複数の第１バルク部分３９ｄを含むことができる。第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１において、第１閉込部３９ｂ、第２閉込部３９ｃ及び第１バルク部分３９ｄは、第１軸Ａｘ１の方向に延在し、これらは、互いにメサ導波路１７又は第２積層領域３７によって隔てられている。

この量子カスケード半導体レーザ１によれば、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の各々が第２バルク半導体領域３９及び第２積層領域３７を含むと共に、メサ導波路１７及び第２積層領域３７は第１半導体積層構造２３を有する。また、第２バルク半導体領域３９及び第２積層領域３７は、第２軸Ａｘ２の方向に交互に配列されると共に、第２積層領域３７は第１軸Ａｘ１の方向に延在し、この第２積層領域３７を埋め込むように、第２バルク半導体領域３９が成長される。第２バルク半導体領域３９が隣接する第２積層領域３７の間に埋込成長されて第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１のための半導体領域が形成されるので、この半導体領域の法線軸Ｎｘの方向における高さの均一性が、第２軸Ａｘ２の方向に関して良好になる。従って、レーザ本体領域１２の素子表面の平坦性が良好になる。

上記のように、第２バルク半導体領域３９及び第２積層領域３７の交互配列により、レーザ本体領域１２の素子表面の平坦性が良好になる。このため、量子カスケード半導体レーザ１をエピダウン形態で実装することが容易になる。このため、量子カスケード半導体レーザ１に優れた放熱性のエピダウン実装を提供でき、エピダウン実装により、量子カスケード半導体レーザ特性が放熱不良に起因して劣化することを回避できる。

第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１内の複数の第２積層領域３７は、メサ導波路１７と共に、同一のエッチング工程で一括して形成する。この一括形成に際してはより、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１への第２積層領域３７の適用によって、それ以外の第２バルク半導体領域３９となる領域のみをエッチングすることができる。従い、従来の第１埋込領域１９上、及び第２埋込領域２１上に形成された全半導体積層２３をエッチングする必要がある構造に比べて、一素子エリアでエッチングされるべき半導体の面積が少なくなる。このようなエッチング面積の低減により、エッチングレートを増加できるため、量子カスケード半導体レーザ１に所望される高いメサ導波路１７をエッチングにより形成することが容易となる。

（構造例３）
図７は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。図８は、図７に示されたＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図９は、図７に示されたＩＸ−ＩＸ線に沿ってとられた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。

第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の各々は、第１埋込部分２０ａ及び第２埋込部分２０ｂを含む。第１埋込部分２０ａ及び第２埋込部分２０ｂは、第１軸Ａｘ１に平行な導波路軸ＷＧから当該量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａ（３ｂ）への向きに順に配置される。第１埋込部分２０ａは、第２積層領域３７、第１閉込部３９ｂ、第２閉込部３９ｃ、及び第１バルク部分３９ｄ（第２バルク半導体領域３９）を含むと共に、第２積層領域３７及び第１バルク部分３９ｄが第２軸Ａｘ２の方向に交互に配列されている。これ故に、第１埋込部分２０ａが、構造例２における第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と同様の配列構造を有する。

第２埋込部分２０ｂは第２積層領域３７を含まないけれども、第２バルク半導体領域３９の１領域である３９ｅを含む。第２埋込部分２０ｂの第２バルク半導体領域３９ｅは、第１軸Ａｘ１の方向に、導波路エリア１１ｂと分布反射エリア１１ｃとの境界から導波路エリア１１ｂと分布反射エリア１１ｄとの境界まで延在する。また、第２埋込部分２０ｂの第２バルク半導体領域３９ｅは、第２軸Ａｘ２の方向に、第１埋込部分２０ａと第２埋込部分２０ｂとの境界から量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａ（３ｂ）まで延在する。

この量子カスケード半導体レーザ１によれば、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の各々は、導波路軸ＷＧの近くに位置する第１埋込部分２０ａと、導波路軸ＷＧから離れており第１埋込部分２０ａの外側に位置する第２埋込部分２０ｂとを含む。第２埋込部分２０ｂは第２バルク半導体領域３９ｅを含み、この第２バルク半導体領域３９ｅは第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２の方向に延在する。
第１埋込部分２０ａの配列構造は、構造例２と同様に、メサ導波路１７と第１埋込部分２０ａから成る領域の表面における平坦性を良好にする。また、第２埋込部分２０ｂは、単一の材料からなる高抵抗のバルク半導体で形成される。第２埋込部分２０ｂへの高抵抗のバルク半導体の適用により、構造例２に比べて、高抵抗のバルク半導体領域が第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１に占める割合を増やせる。従って、構造例２に比べて、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１をより高抵抗にでき、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１を流れる漏れ電流をより低減できる。これによって、量子カスケード半導体レーザの特性を更に改善できる。

構造例３においては、半導体壁２９は、第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂを含む。第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂは、導波路軸ＷＧから当該量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａ（３ｂ）への向きに順に配置される。半導体壁２９の第１部分２９ａは、導波路エリア１１ｂ上の第１埋込部分２０ａの位置に対応して設けられ、また半導体壁２９の第２部分２９ｂは、導波路エリア１１ｂ上の第２埋込部分２０ｂの位置に対応して設けられる。半導体壁２９の第１部分２９ａの全体にわたって、第１積層領域３５及び第１バルク半導体領域３３が第２軸Ａｘ２の方向に交互に配列される。また、半導体壁２９の第２部分２９ｂの全体にわたって、第２軸Ａｘ２の方向において、第１部分２９ａと第２部分２９ｂとの境界から当該量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａ（３ｂ）まで第１バルク半導体領域３３が延在する。本実施例では、半導体壁２９の第１部分２９ａは、第１埋込部分２０ａの配列構造に合わせて、第１積層領域３５及び第１バルク半導体領域３３を含む。また、半導体壁２９の第２部分２９ｂは、第２埋込部分２０ｂの構造に合わせて、第１積層領域３５を含まず、また第１バルク半導体領域３３を含む。

この量子カスケード半導体レーザ１によれば、半導体壁２９は、導波路軸ＷＧの近くに位置する第１部分２９ａを含み、導波路軸ＷＧから離れており第１部分２９ａの外側に位置する第２部分２９ｂを含む。第２部分２９ｂは第１バルク半導体領域３３を含み、この第１バルク半導体領域３３は第２軸Ａｘ２の方向に延在する。第２部分２９ｂは、第１積層領域３５を含まず単一の材料からなるバルク半導体で形成される、第２部分２９ｂへのバルク半導体の適用により、半導体壁の第２部分２９ｂにおける機械的強度を増強でき、その結果、構造例１，２に比べて、分布反射のための半導体壁２９を破損しにくくできる。また必要な場合には、図２に示した構造例１と同様に、図９に示したように、第１半導体キャップ層４７を半導体壁２９の最上部に形成しても良い。これの導入により、半導体壁２９の強度が増し、半導体壁２９がより波損しにくくなる。

構造例１、２、３において、第２バルク半導体領域３９（３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ、３９ｅ）が、アンドープ又は半絶縁性の半導体を備えることが好ましい。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、第２バルク半導体領域３９は、これらの高抵抗材料を備えメサ導波路１７の第１側面１７ｂ及び第２側面１７ｃにそれぞれ接する第１閉込部３９ｂ及び第２閉込部３９ｃを形成する。第１閉込部３９ｂ及び第２閉込部３９ｃは、メサ導波路１７に電流を狭窄するための電流ブロック層として良好に機能する。また、メサ導波路１７から離れた部分において第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１が上記の高抵抗材料を備える構造では、第２バルク半導体領域３９の高抵抗性の寄与により、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の高抵抗性がより高まる。その結果、メサ導波路１７を埋め込む第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１に流れる漏れ電流をより低減できる。

なお、第１埋込部分２０ａと第２埋込部分２０ｂの第２バルク半導体領域３９に用いられるバルク半導体材料は同一である必要は無く、必要に応じて各々に異なるバルク半導体材料を用いることが出来る。同じく、第１部分２９ａと第２部分２９ｂの第１バルク半導体領域３３に用いられるバルク半導体材料は同一である必要は無く、必要に応じて各々に異なるバルク半導体材料を用いることが出来る。

（構造例４）
図１０は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。本実施例の構造は、第１補強部３０ｄが付加されている以外は、構造例３と同一構造である。構造例３と同じく、分布反射領域１３（１４）の半導体壁２９として、第１部分２９ａと第２部分２９ｂから成る第１壁３０ａ、第２壁３０ｂ及び第３壁３０ｃを備える。分布反射領域１３（１４）は、第１壁３０ａ、第２壁３０ｂ及び第３壁３０ｃのうちの隣合う２つの半導体壁を互いに接続する第１補強部３０ｄを更に備えることができる。第１補強部３０ｄは、第１軸Ａｘ１の方向に延在して、本実施例では第２部分２９ｂにおいて、第１壁３０ａ、第２壁３０ｂ及び第３壁３０ｃを接続する。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、複数の半導体壁２９が第１補強部３０ｄを介して接続されて、第１補強部３０ｄと、互いに接続された半導体壁２９とが一体化される。この補強構造により、補強構造を有さない構造例３に比べて、分布反射領域１３（１４）の機械的強度をより増加できる。その結果、分布反射領域１３（１４）が破損しにくくなって、素子の製造歩留まり及び素子の耐久性を更に改善することが可能となる。

構造例４においては、第１壁３０ａと第２壁３０ｂとの接続では、第１壁３０ａは第１補強部３０ｄに接続された第２部分２９ｂ中の第１１部分３０ｅを有し、第２壁３０ｂは第１補強部３０ｄに接続された第２部分２９ｂ中の第２１部分３０ｆを有する。これらの接続部の材料は、第１補強部３０ｄと同じ半導体材料からなることが好ましい。第１補強部３０ｄ、第１１部分３０ｅ、及び第２１部分３０ｆの材料は同じであるので、これらは結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、分布反射領域１３（１４）の強度を効果的に増加できる。また、第１補強部３０ｄ、第１１部分３０ｅ、及び第２１部分３０ｆが同じ材料であるので、これらを一括形成できる。一括形成により、量子カスケード半導体レーザ１の製造プロセスを簡略化できる。なお以上では、構造例３に対し、第１補強部３０ｄを適用した例を説明したが、これには限定されず、他の実施例の構造に対しても同様に第１補強部３０ｄを適用できる。

（構造例５）
図１１は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。本実施例では、構造例４において、分布反射領域１３（１４）は，半導体壁２９を第１埋込領域１９及び／又は第２埋込領域２１に接続する第２補強部３０ｇを更に備えており、それ以外は構造例４と同一構造である。第２補強部３０ｇを介して分布反射領域１３（１４）の半導体壁２９（３０ａ）の第２部分２９ｂをレーザ本体領域１２の第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の第２埋込部分２０ｂに接続して、これらが一体化された構造を形成する。この構造によれば、分布反射領域１３（１４）の機械的強度を増加でき、その結果、分布反射領域１３（１４）の破損を回避できる。従って、この第２補強部３０ｇによって、素子の製造歩留まり及び素子の耐久性を改善することが可能になる。なお、本実施例では、量子カスケード半導体レーザ１は、更に第１補強部３０ｄを備えている。

第２補強部３０ｇのために、半導体壁２９（３０ａ）は第２補強部３０ｇに接続された第２部分２９ｂの接続部（例えば第１１部分３０ｅ）を備える。この接続部の材料は、第２補強部３０ｇの材料と同じであることが好ましい。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、半導体壁２９（３０ａ）の接続部（例えば第１１部分３０ｅ）及び第２補強部３０ｇは同一の材料からなるので、これらは結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、分布反射領域１３（１４）の強度を効果的に増加できる。また、半導体壁２９（３０ａ）の接続部及び第２補強部３０ｇの材料が同じであるので、これらを一括形成できる。一括形成により、量子カスケード半導体レーザの製造プロセスを簡略化できる。

構造例５において、第１埋込領域１９は、第２補強部３０ｇに接続された接続埋込部３９ａを含み、第２埋込領域２１も、同様に、第２補強部３０ｇに接続された接続埋込部３９ａを含む。第２補強部３０ｇ、第１埋込領域１９（第２埋込領域２１）の接続埋込部３９ａの材料は同じであることが好ましい。第２補強部３０ｇ、第１埋込領域１９（第２埋込領域２１）の接続埋込部３９ａの材料が同じであるとき、これらは結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、分布反射領域１３（１４）の強度を効果的に増加できる。また、第２補強部３０ｇ、第１埋込領域１９（第２埋込領域２１）の接続埋込部３９ａを同じ材料で形成することによって、これらを一括に形成できる。一括形成により、量子カスケード半導体レーザ１の製造プロセスを簡略化できる。なお以上では、第２補強部３０ｇと第１補強部３０ｄが同時に用いられた構造を示したが、これには限定されず、第２補強部３０ｇのみが適用された構造であっても良い。また第２補強部３０ｇは、構造例４以外の、他の実施例の構造に対しても同様に適用できる。

（構造例６）
図１２は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。本実施例では、構造例２において、分布反射領域１３（１４）では、第２軸Ａｘ２の方向における半導体壁２９の壁幅Ｗ５は、量子カスケード半導体レーザのための半導体基板１１の素子幅Ｗ６より短くなっており、それ以外は構造例２と同一構造である。分布反射エリア１１ｃ（１１ｄ）では、第２軸Ａｘ２の方向における半導体壁２９の一端及び他端が、それぞれ、量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａ、３ｂから離れており、側縁３ａ、３ｂに沿って、空隙接続部１６が形成されている。空隙接続部１６は、空隙２４（２２、２６）と同じく、主面１１ａが露出した空隙であり、また各空隙２４（２２、２６）を接続している。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、素子サイズに対応するエリアにおいて、当該エリアの半導体基板１１の素子幅Ｗ６より当該素子エリア上の半導体壁２９の壁幅Ｗ５が短いことに起因して、量子カスケード半導体レーザ１の作製において、分布反射のための半導体壁２９を形成するエッチングにおける面内均一性及び再現性が改善され、また、素子分離の際に生じうる半導体壁２９の破損に起因する製造歩留まり低下を回避でき、且つ半導体壁２９の機械的強度を増強でき、破損が生じにくくなる。

引き続き実施例を説明する。

（実施例１）
構造例１（図１〜図３）のような量子カスケード半導体レーザでは、メサ導波路１７の両側が高抵抗のアンドープ又は半絶縁性のバルク半導体３９ｂ、３９ｃによって埋め込まれている。この埋込（ＢＨ）構造の素子では、メサ導波路１７は、ｎ型半導体基板１１上にｎ型下部クラッド層２７ｄ、コア（発光）層２７ａ、回折格子層２７ｅ、ｎ型上部クラッド層２７ｂ、ｎ型コンタクト層２７ｃが積層されたエピタキシャル層の積層構造２３を有しており、また導波路軸ＷＧの方向に延在する。素子表面には、上部電極１５が設けられ、基板裏面１１ｆには下部電極４１が設けられている。埋込領域１９、２１の電流ブロック層３９ｂ、３９ｃと上部電極１５との間には絶縁膜４３が設けられている。一方、分布反射領域１３，１４の高屈折率部２９は、導波路軸ＷＧに交差する方向（Ａｘ２方向）に、基板主面１１ａに沿って、第１バルク半導体領域３３と第１積層領域３５が素子の一端部３ａから他端部３ｂまで交互に配列されている。この内、第１積層領域３５は、上記メサ導波路１７と同じ半導体積層構造２３を有しており、また第１バルク半導体領域３３には任意のバルク半導体を使用でき、例えば電流ブロック層３９ｂ，３９ｃと同じ高抵抗の半導体で形成される。また、分布反射領域１３、１４の低屈折率部２２、２４、２６は、基板上の半導体層２３が全て除去された空隙で構成されている。

各領域を構成する材料について説明する。

半導体基板１１は、例えばｎ型ＩｎＰ基板を備える。中赤外の量子カスケード半導体レーザを構成する半導体層はＩｎＰに近い格子定数の半導体材料で形成されるので、ＩｎＰ基板を用いることによって、これらの層を良好に結晶成長できる。またＩｎＰ基板は中赤外の発振光に対して透明であるので、これを下部クラッド層として使用することが可能である。基板に対する他の要件としては、素子への通電のためには基板は導電性を有する。量子カスケード半導体レーザは、単一極性のキャリアを用いており、このキャリアは一般に電子であるので、導電型としてはｎ型半導体基板が使用される。

上部クラッド層２７ｂ及び下部クラッド層２７ｄは、ｎ型ＩｎＰからなることができる。ＩｎＰは中赤外の発振光に対して透明であるので、ＩｎＰを上下のクラッド層材料に適用することが可能である。また、ＩｎＰは、２元混晶であって、ＩｎＰ基板に格子整合する。このため、ＩｎＰ基板上への良好な結晶成長が容易である。更に、ＩｎＰは中赤外量子カスケード半導体レーザに使用可能な半導体材料中、熱伝導が最良であるので、これをクラッド層に用いることによって、コア領域からの良好な放熱性が確保されて、量子カスケード半導体レーザの温度特性が向上する。

コア層２７ａについて説明する。コア層２７ａは、活性層２８ａと注入層２８ｂから成る単位構造が数十周期多段接続された構造で通常構成される。活性層２８ａと注入層２８ｂは共に、数ナノメートル厚の薄膜の量子井戸層と、同じく数ナノメートル厚の薄膜であって量子井戸層よりも高バンドギャップのバリア層とを備え、量子井戸層及びバリア層が交互に積層されて、超格子列を構成する。コア層２７ａ全体としては数百層の半導体層から成る超格子列が形成される。量子カスケード半導体レーザでは、キャリアとしては電子のみを利用し、伝導帯サブバンドの上準位と下準位の間の電子の遷移により発光が生じる。ここで、活性層２８ａを構成する量子井戸層とバリア層の材料組成、及び膜厚を適宜選択して、上準位と下準位のエネルギー差を適宜調節することで、３〜２０マイクロメートルの中赤外波長領域の光を発生できる。

現状中赤外発光に好適な材料として、活性層２８ａ、注入層２８ｂ共、量子井戸層には例えばＧａＩｎＡｓが適用され、バリア層には例えばＡｌＩｎＡｓが適用される。これらの材料の半導体層を用いてコア領域を構成する超格子列を形成することができ、超格子列内の多段接続された各単位構造において発光及び遷移が繰り返され、各単位構造での発光が足し合わさって、外部に光が放出される。電流増加と共に発光が強まり、発振閾値電流を超えると、レーザ発振が生じて、量子カスケード半導体レーザのレーザ光として放出される。

量子カスケード半導体レーザでは伝導帯のみを用い、伝導帯サブバンド間の電子遷移により発光が生じる。一方、ｐｎ接合を用いた光通信半導体レーザでは、伝導帯の電子が価電子帯にバンド間遷移して、価電子帯のホールと再結合する際に放出する遷移エネルギーにより発光が生じる。従って両者は、発光機構の点で異なる半導体レーザである。

回折格子層２７ｅについて説明する。本レーザはＤＦＢ型量子カスケード半導体レーザのため、図４に示すように、導波路軸ＷＧ方向（Ｘ方向）において、波長選択用の回折格子層２７ｅが形成されている。ここで、回折格子は凹部と凸部が周期Λで繰り返された構造となっており、Λの値を適宜設定することで、これに対応したブラッグ波長のみが回折格子で選択的に反射されて共振器内で増幅されるため、その波長のみでの単一モード発振が可能となる。回折格子の性能は、共振器内における、前進する導波光と後進する導波光の結合の大きさを示す結合係数で表され、分布帰還（ＤＦＢ）量子カスケード半導体レーザとしての良好な単一モード発振のためには、大きな結合係数が得られる回折格子が望ましい。このため、回折格子２７ｅの材料としては、大きい結合係数の実現に有利な高屈折率の半導体、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓが好ましい。

コンタクト層２７ｃについて説明する、上部電極１５との良好なオーミックコンタクトを形成するためには、低バンドギャップであってＩｎＰ基板に格子整合可能な材料が望ましく、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓが望ましい。また、上部電極１５及び下部電極４１として、例えばＴｉ／Ａｕ又はＧｅ／Ａｕの電極を用いることができる。

また、必要な場合には、コア領域への導波光の閉じ込めを強化するための光閉じ込め領域をコア領域の上下に付加しても良い。光閉じ込め領域には、コア領域への導波光の閉じ込めを強化するために、高屈折率を有しており且つＩｎＰ基板に格子整合可能な材料が望ましく、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓが適用される。

コンタクト層２７ｃが無くても、上部電極１５に対する良好なオーミックコンタクトが提供されるときには、コンタクト層２７ｃを省略しても良い。また、発振光に対して透明な材料（例えばＩｎＰ）で構成される基板１１を用いるときには、基板１１を下部クラッド層として利用できるので、下部クラッド層２７ｄを省略しても良い。

ｎ型半導体層を形成するためのドーパントとしては、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｅ等を用いることができる。

電流ブロック層３９ｂ、３９ｃについて説明する。電流ブロック層３９ｂ、３９ｃは、アンドープ半導体又は半絶縁半導体から成る。これらの半導体は、キャリアである電子に対して高抵抗を示すので、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃの材料として好適であり、メサ導波路領域１７に電流（キャリア）を狭窄するための電流ブロック層３９ｂ、３９ｃに適用可能である。電流ブロック層３９ｂ、３９ｃに使用可能な半絶縁性半導体としては、例えばＩｎＰやＡｌＩｎＡｓ等を使用できる。これらの半導体に、例えばＦｅ，Ｔｉ、Ｃｒ，Ｃｏ等の遷移金属を添加することによって、電子をトラップする深い準位を半導体の禁制帯中に形成して半絶縁化された半導体を得ることができる。特に、鉄（Ｆｅ）がドーパントとして一般に用いられている。これらの遷移金属を添加することによって、ＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、半絶縁性を示すようになって、電子に対して例えば１０^５（Ωｃｍ）以上の充分な高抵抗特性を提供でき、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃのための材料として良好に機能する。

アンドープ半導体で充分な高抵抗性が得られる場合は、半絶縁性半導体だけでなくアンドープ半導体を電流ブロック層３９ｂ、３９ｃに使用可能である。アンドープ、半絶縁性のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の具体例としては、ＩｎＰ基板１１と格子整合すると共に分子線エピタキシ又は有機金属気相成長法で成長が容易な材料、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといった半導体が例示される。

別の利点としては、アンドープ及び半絶縁性の半導体は、中赤外領域において強い光吸収源となる自由キャリア（ｎ型半導体で構成される量子カスケード半導体レーザでは、自由キャリアは自由電子である）が僅かしか存在しないので、中赤外光に対する自由キャリア吸収が微小である。したがって、上記の半導体からなる電流ブロック層３９ｂ、３９ｃでは、自由キャリア吸収が抑制されるため、良好な発振特性が維持される。

更に、これらのアンドープ及び半絶縁半導体は熱伝導が高いので、これらを電流ブロック層３９ｂ、３９ｃに用いれば、素子放熱性が改善され、素子の高温動作が可能となる。特にＩｎＰは、中赤外量子カスケード半導体レーザに使用可能な半導体材料中、熱伝導が最も高く、ＩｎＰの使用により高い放熱性を実現できること、またＩｎＰは２元混晶であってＩｎＰ基板１１上への良好な結晶成長が容易である等の理由により、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃの半導体としてはＩｎＰを用いることが多い。

しかしながら、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃに、他の半導体、例えばＡｌＩｎＡｓを用いても良い。ＡｌＩｎＡｓはＩｎＰよりも高バンドギャップを有するので、ＡｌＩｎＡｓを電流ブロック層３９ｂ、３９ｃに用いることによって、ＩｎＰを用いた場合と比較して、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃに隣接するメサ導波路１７を構成する各層と電流ブロック層３９ｂ、３９ｃとの間の伝導帯端のエネルギー不連続を大きくでき、これによって、メサ導波路１７と電流ブロック層３９ｂ、３９ｃとの界面に形成されるエネルギー障壁（電子に対するエネルギー障壁）がより増大する。したがって、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃ自体の高抵抗性であることに加えて、大きなエネルギー障壁の作用により、メサ導波路領域１７から電流ブロック層３９ｂ、３９ｃへの電子の侵入をより抑制することが可能となる。その結果、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃが電子に対してより高抵抗化され、電流がメサ導波路領域１７により強く狭窄される。この結果、より良好な量子カスケード半導体レーザ１の発振特性が得られる。

第１バルク半導体領域３３を説明する。上記電流ブロック層３９ｂ、３９ｃと同じアンドープまたは半絶縁性の半導体材料を第１バルク半導体領域３３に使用できる。アンドープ半導体及び半絶縁性半導体は、中赤外光に対する自由キャリア吸収が微小であるので、これらを第１バルク半導体領域３３に用いれば、分布反射領域１３、１４の高屈折率部２９における導波光の吸収を低減できる。また、第１積層領域３５は、メサ導波路１７と同一材料の半導体層で構成される。

必要であるときには電流ブロック層３９ｂ、３９ｃと上部電極１５との間に絶縁膜４３を設ける。この絶縁膜は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂といった誘電体膜を備えることができる。これらは、半導体素子の保護膜として優れた耐久性及び絶縁性を有する。また、これらの誘電体膜はスパッタ法、化学的気相成長法、スピンコート法といった成膜法の誘電体膜成膜装置を用いて形成でき、製造プロセスへの導入が容易である。但し本絶縁膜は必須では無く、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃのみでメサ導波路１７の外部を流れる漏れ電流を充分に防ぎ、メサ導波路１７への良好な電流狭窄を実現できる場合は、省略可能である。

本実施例では、分布反射領域１３、１４の高屈折率部２９は、第１バルク半導体領域３３及び第１積層領域３５がＡｘ２方向において、一方の素子側縁３ａから他方の素子側縁３ｂまで水平横方向に交互に配列された構造を有する。

（実施例２）
実施例１では、第１積層領域３５と第１バルク半導体領域３３が交互に配列された構造は分布反射領域１３、１４にのみに設けられる。しかしながら図５に示されるように、レーザ本体領域１２においても、メサ導波路１７を埋め込む埋込領域１９、２１に積層領域及びバルク半導体領域の交互配列を設けることができる。図５に示されるように、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１は、第２積層領域３７及び第２バルク半導体領域３９の交互配列を備えることができる。

また、本実施例では、実施例１と同様に、分布反射領域１３、１４の低屈折率部２２，２４，２６は空隙となっている。図６に示すように、レーザ本体領域１２のメサ導波路１７以外の領域には、下地半導体層（第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１）を上部電極１５から電気的に絶縁すると共にメサ導波路１７に電流狭窄するために、実施例１と同様に、分離層４３として誘電体絶縁膜が設けられている。

実施例２においても、第１積層領域３５と第１バルク半導体領域３３の交互配列の構造を分布反射領域１３、１４に適用することによって、高屈折率部２９を形成すべきエリアの表面平坦性が改善される。

図１３〜図１６を参照しながら、実施例２に係る量子カスケード半導体レーザ１を作製する方法を説明する。図１３〜図１６は、一素子サイズに対応するエリアを示す。図１３及び図１４は、実施例２に係る量子カスケード半導体レーザ１を作製する工程を示すための、メサ導波路１７の導波路軸ＷＧに直交する線にそって取られたＹＺ断面を示し、図１５及び図１６は、実施例２に係る半導体レーザ１を作製する工程を示すＸＹ平面図である。この作製方法は例示である。作製方法の説明において、理解を容易にするために、量子カスケード半導体レーザ１のために既に行われた説明における参照符合を用いる。

半導体ウエハといった半導体基板１１上に下部クラッド層２７ｄ、コア層２７ａ、回折格子層２７ｅの各半導体層を成長した後、導波路軸ＷＧ方向（Ｘ方向）において、周期Λの間隔で、回折格子の凸部となる回折格子層２７ｅの領域上にレジストをパターニングし、それをマスクとして、凹部となる領域の回折格子層２７ｅの一部、または全部を周期的にエッチングすることで、図４に示したような回折格子が形成される。なお上記レジストのパターニングには通常のフォトリソグラフィーやＥＢ露光を使用でき、またエッチングも通常のウエットエッチング、またはドライエッチングを使用できる。その後、２回目成長で、本回折格子上に上部クラッド層２７ｂとコンタクト層２７ｃを成長することで、図１３の（ａ）部に示されるように、メサ導波路１７のための半導体層が基板全面に形成される。次に、図１３の（ｂ）部に示されるように、メサ導波路１７を規定するパターン６１ａ及び分布反射領域１３、１４の第１積層領域３５とレーザ本体領域１２の第２積層領域３７を規定するパターン６１ｂを有するマスク６１を半導体層上に形成する。マスク６１は誘電体膜等から成る。本実施例では、マスク６１の開口サイズは、パターン幅より小さい。図１４の（ａ）部及び図１５の（ａ）部に示されるように、マスク６１を用いて、本マスクで保護されていない領域の半導体層をドライエッチングにより加工して、量子カスケード半導体レーザ１におけるメサ導波路１７及び積層領域（３５、３７）のための複数の第１半導体積層構造２３を形成する。複数の第１半導体積層構造２３の間には、空隙が形成される。次に、図１４の（ｂ）部及び図１５の（ｂ）部に示されるように、メサ導波路１７及び積層領域（３５、３７）上をマスク６１で保護した状態で、バルク半導体領域（３３、３９）を埋込再成長する。この再成長では、どのバルク半導体領域（３３、３９）の成長エリアも、積層領域（３５、３７）によって区切られた共通の構造を有するため、どのバルク半導体領域（３３、３９）の成長レートも近い値となる。従って、どの領域のバルク半導体層の厚さも同等となるため、良好な平坦性でバルク半導体領域（３３、３９）を形成できる。マスク６１を除去した後に、必要な場合には、第１、または第２半導体キャップ層４３、４７のための半導体層を成長する。次いで、図１６の（ａ）部に示すように、分布反射のための半導体壁２９を分布反射エリア１１ｃ、１１ｄに形成するためのマスク６３を形成する。マスク６３は誘電体膜等から成る。マスク６３は、導波路エリア１１ｂ上のレーザ本体領域１２を覆うパターン６３ａ及び分布反射エリア１１ｃ、１１ｄにおける半導体壁２９を規定するパターン６３ｂを有する。マスク６３を用いてエッチングを行うことによって、本マスクで保護されていない、分布反射領域の低屈折率部となる領域のみが選択的にエッチングされ、その結果、分布反射エリア１１ｃ、１１ｄに分布反射領域（１３、１４）が形成される。分布反射領域（１３、１４）は、複数の半導体壁２９の配列を含む。マスク６３を除去すると、図１６の（ｂ）部に示されるように、分布反射領域の高屈折率部２９と、低屈折率部、例えば空隙２２，２４，２６とが形成される。

この製造工程から理解されるように、分布反射領域１３，１４の第１バルク半導体領域３３の成長エリア、及びレーザ本体領域１２の第２バルク半導体領域３９の成長エリアは、場所に依らず、各々第１積層領域３５、及び第２積層領域３７によって区切られた共通の構造となっているため、これらの成長エリアにおける第１バルク半導体領域３３、及び第２バルク半導体領域３９の成長レートも成長エリアの位置に実質的に依存せず同等の値となる。したがって、素子全域にわたり、第１バルク半導体領域３３、及び第２バルク半導体領域３９の半導体層が実質的に均一な厚みで成長される。

分布反射領域１３，１４における第１バルク半導体領域３３、及びレーザ本体領域１２における第２バルク半導体領域３９の幅（図２におけるＷ１、及び図６におけるＷ３）は各々場所に依らず、一定であることが望ましい。この場合、埋込成長される第１、第２バルク半導体領域３３、３９の形状が場所に依らず同一となるので、この領域におけるバルク半導体の成長レートの均一性が更に改善され、その結果、素子全域において、バルク半導体領域の半導体層の厚みに高い均一性が得られる。

以上では、実施例２の構造の作製法を説明したが、実施例１に係る量子カスケード半導体レーザの作製のためには、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１に交互配列が作製されないように、マスク６１のパターンが規定される。

図１７は、従来のＢＨ構造量子カスケード半導体レーザにおける分布反射領域の高屈折率部を作製すべきエリアにおける一素子サイズの幅での断面を示す。メサ導波路１０を埋め込む電流ブロック層８は、前述の理由のため、第２軸Ａｘ２方向において、メサ導波路１０から素子境界１８に向かうに従い、徐々に薄くなる。従って、電流ブロック層８の表面は平坦ではない。そのため、高屈折率部となる半導体壁のエッチング用の誘電体マスクを形成するために、フォトリソグラフィーを用いてレジストパターンの露光を行う際、メサ導波路１０の位置に焦点を合わせて露光すると、メサ導波路１０から離れるにつれて焦点ズレが生じる。逆に、メサ導波路１０から離れた素子境界１８の付近の位置に焦点を合わせて露光するときには、メサ導波路１０付近において焦点ズレが生じる。このように素子表面の高さの違いＤＨに起因して、第２軸Ａｘ２方向における露光ビームのフォーカス状態に顕著な差が生じる。しかし、図１３〜図１６に示される作製方法では、分布反射領域１３，１４の素子表面を平坦化出来るため、上記のような、素子表面の高さの違いに起因する露光ビームのフォーカス状態の顕著な差が生じない。このため、従来のＢＨ構造量子カスケード半導体レーザに比べて、レジスト露光条件の最適化も容易となり、その結果、レジストのパターンニング精度が向上する。その結果、レジストマスクは良好なパターン精度を有するので、これを用いて形成される誘電体マスク６３ｂも良好なパターン精度を有する。従って、最終的に、本誘電体マスクを用いて作製される高屈折率部２９の加工精度、特に分布反射領域の反射率を決定する要因の１つである、第１軸Ａｘ１軸方向の半導体壁の厚さＷＨの加工精度も従来のＢＨ構造量子カスケード半導体レーザに比べて、大幅に改善される。

量子カスケード半導体レーザは消費電力が大きいため、その実装形態は、放熱性に優れるエピダウン実装を用いることが望ましい。エピダウン実装によれば、量子カスケード半導体レーザの動作時にコア層において発生する熱を、量子カスケード半導体レーザの厚い（〜１００μｍ）基板を介さずにヒートシンクに伝達できる。このため、良好な素子放熱性が期待される。図１８は、分布反射領域及びレーザ本体領域のいずれにもバルク半導体領域及び積層領域の交互配列が適用されない従来のＢＨ構造の量子カスケード半導体レーザの本体領域をエピダウンでダイボンドした実装形態を示す図面である。図１９は、実施例２に係る量子カスケード半導体レーザの本体領域をエピダウンでダイボンドした実装形態を示す図面である。図１８に示すように、従来のＢＨ構造素子では、レーザ本体領域表面の平坦性が悪いので、メサ導波路上の上部電極のみが半田材を介して、ヒートシンクに接触する。そのため、エピダウンでのダイボンド実装の際に、メサ導波路にダイボンドの全荷重が集中する。したがって、第１の問題点として、メサ導波路が機械的に損傷を受けやすく、これに起因して、発振不良等の素子劣化が生じやすい。また、第２の問題点として、実装の際の損傷がないとしても、メサ導波路付近の上部電極のみが半田材を介してヒートシンクにダイボンドされるので、コア層からの熱をヒートシンクに放出する経路が狭い。したがって、折角エピダウン実装しても、コア層の熱をヒートシンクへ効率よく逃がすことができず、熱的な特性劣化の回避が困難であった。

一方、図１９に示されるように、本実施例の構造は、分布反射領域１３，１４に加えてレーザ本体領域１２も同様に、第２積層領域３７及び第２バルク半導体領域３９の交互配列を有する埋込領域（１９、２１）を備える。このため、埋込領域（１９、２１）の平坦性が良好になって、素子全域において半導体領域の平坦性が良好になる。ここで、埋込領域（１９、２１）内の第２積層領域（３７）が、メサ導波路１７と同じ高さの支柱として働き、ダイボンドの荷重が分散される。このため、エピダウンでのダイボンド実装の際のメサ導波路１７への荷重が分散される。したがって、メサ導波路１７への機械的な損傷の可能性が低減されて、素子劣化が回避される。これ故に、エピダウン実装に関する第１の問題点を解決できる。

また、上記のような表面平坦性の改善の結果として、図１９における、量子カスケード半導体レーザ１をエピダウンで実装した組立て体５１では、埋込領域（１９、２１）及びメサ導波路（１７）の両方の上の上部電極１５の全面がエピダウンでのダイボンド実装において半田材５３を介してヒートシンク５５に融着される。このため、コア層２７ａからの熱をヒートシンク５５に効率良く放出できるようになって、エピダウン実装本来の良好な素子放熱性が得られる。その結果、熱的な特性劣化の回避が可能となる。したがって、エピダウン実装に関する第２の問題点を解決できる。

一例としては、分布反射領域１３、１４における第１バルク半導体領域３３の幅（図２に示されるＷ１）は、異常成長等の成長不良を避けるために１０マイクロメートル以上であることが良く、一方、第１バルク半導体領域３３の表面の良好な平坦性のために、７０マイクロメートル以下であることが好ましい。これによれば、上記の第１バルク半導体領域３３の成長不良が生じず、且つ、埋め込み再成長後の第１バルク半導体領域３３の表面は僅かな窪み程度に収まるようにできるため、分布反射領域１３、１４において、埋込領域の良好な平坦性が維持される。従って、上記のように、分布反射領域１３、１４の高屈折率部２９の加工に必要な、フォトリソグラフィーによるレジストパターニングにおいて、場所に依らず、均一な最適条件での露光が可能となり、加工精度が向上するため、従来構造に比べて、素子歩留まりを改善できる。

一例としては、分布反射領域１３、１４の第１積層領域３５の幅（図２に示されるＷ２）は、通常のフォトリソグラフィーやエッチング等の製造技術を用いて精度良く加工できる領域幅としては、１マイクロメートル以上であることが良く、一方、第１バルク半導体領域３３の埋め込み再成長時に第１積層領域３５上の誘電体マスク上にバルク半導体の多結晶が堆積してマスク除去が困難となるトラブルを避けるため、５０マイクロメートル以下であることが良い。

一例としては、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における第２バルク半導体領域３９の幅（図６に示されるＷ３）は、異常成長等の成長不良を避けるために１０マイクロメートル以上であることが良く、一方、第２バルク半導体領域３９の表面の良好な平坦性のために、７０マイクロメートル以下であることが好ましい。これによれば、上記、第２バルク半導体の成長不良が生じず、且つ、埋め込み再成長後の第２バルク半導体領域３９の表面は僅かな窪み程度に収まるようにできるため、エピダウンでダイボンド実装した際に、第２バルク半導体領域３９上の表面の窪みを半田材５３で空隙無く埋めることが可能となる。この結果、エピダウンでのダイボンド実装において、上部電極１５の全面が半田材５３を介してヒートシンク５５に空隙無く融着されるため、良好な素子放熱性が得られる。

一例としては、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の第２積層領域３７の幅（図６に示されるＷ４）は、通常のフォトリソグラフィーやエッチング等の製造技術を用いて精度良く加工できる領域幅としては、１マイクロメートル以上であることが良く、一方、第２バルク半導体領域３９の埋め込み再成長時に、第２積層領域３７上の誘電体マスク上にバルク半導体の多結晶が堆積してマスク除去が困難となるトラブルを避けるため、５０マイクロメートル以下であることが良い。

本実施例の素子構造における別の利点としては、本実施例における素子構造の作製では、メサ導波路１７の形成時にエッチングされる領域を、第１バルク半導体領域３３、及び第２バルク半導体領域３９が形成される狭い領域に限定している。これ故に、従来のＢＨ構造量子カスケード半導体レーザでは必要だった、メサ導波路１７を除いた残り全部の半導体積層の広範なエッチングが不要となり、エッチングガスが限定されたエッチング領域に集中して供給されるので、エッチングレートを所望の程度にまで増加できる。このような、素子構造に起因するエッチングレート増強により、深いメサエッチング、例えば５〜１０マイクロメートル程度の量子カスケード半導体レーザに必要な高いメサの形成が可能となる。

本実施例において、第２積層領域３７と上部電極１５との間に電気的絶縁のための分離層４３、例えば誘電体から成る絶縁膜を設けているけれども、それ自体が高抵抗である第２バルク半導体領域３９上の絶縁膜４３は必須ではない。

（実施例３）
上記の実施例では、分布反射領域１３、１４における高屈折率部である個々の半導体壁２９内の第１バルク半導体領域３３は互いに分離されている。本実施形態はこれに限定されない。例えば、図２、図９に示したように、第１バルク半導体領域３３を構成する半導体と同じ半導体で形成された第１半導体キャップ層４７を半導体壁２９上に設けて、第１バルク半導体領域３３を互いに接続するようにしても良い。この構造においても、実施例１、２と同様の改善が得られる。

一方、本実施例での新規の改善点を以下に説明する。分布反射領域１３、１４の高屈折率部である半導体壁２９の厚さ、換言すれば、導波路軸ＷＧの方向に関する幅（図１のＷＨ）は、数マイクロメートルのオーダーであり、非常に薄い。このため、半導体壁２９の機械的強度は弱く、振動・衝撃等で高屈折率部の破損が生じやすい。これに対し、本実施例の構造では、第１バルク半導体領域３３と同じ材料から成る第１半導体キャップ層４７を用いて第１バルク半導体領域３３が互いに接続されて、一体の構造を形成する。第１バルク半導体領域３３及び第１半導体キャップ層４７は、同一の材料から成るので、この接続の結果、これらは結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。従って、半導体壁２９の強度が高められる。したがって、第１バルク半導体領域３３が互いに分離している実施例１、２の構造に比べて、本実施例においては、分布反射領域１３、１４がより破損しにくくなる。このため、素子の製造歩留まりや、素子の耐久性を更に改善される。

（実施例４）
実施例１、２においては、図３、図６に示されるように、レーザ本体領域１２のメサ導波路１７を埋め込む埋込領域（１９、２１）における電気的絶縁のために、上部電極１５と埋込領域（１９、２１）との間に分離層４３として、誘電体絶縁膜を設けている。本実施形態はこれに限定されない。レーザ本体領域１２上に、誘電体絶縁膜の代わりに、高抵抗の半導体から成る第２半導体キャップ層を分離層４３として設けても良い。第２半導体キャップ層に適用可能な高抵抗の半導体層は、例えば第１、第２バルク半導体領域３３、３９に使用可能な遷移金属ドープの半絶縁性半導体、またはアンドープ半導体を使用できる。本実施例の構造においても、実施例１、２と同様の改善が得られる。

本実施例の構造における新規の利点としては、第２半導体キャップ層４３は上部電極１５と埋込領域１９、２１を電気的に絶縁すると共に、誘電体絶縁膜より遥かに高い熱伝導の半導体で形成されるため、放熱性も改善される。また実施例２においては、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における第２積層領域３７の配列に起因して、第２バルク半導体領域３９の埋め込み成長後に、第２積層領域３７間のバルク半導体領域３９の表面に窪みが生じたとしても、この窪みを埋め込んで素子表面を平坦化するように第２半導体キャップ層４３を成長することが可能である。従って、分離層４３として第２半導体キャップ層を用いれば、誘電体絶縁膜を用いた場合に比べて、素子表面の平坦性を更に改善できる。上記のように、本実施例の構造では、第２半導体キャップ層４３の優れた熱伝導性と本キャップ層による素子表面平坦性の更なる改善により、誘電体絶縁膜を用いる実施例２の構造に比べて、エピダウン実装の際の量子カスケード半導体レーザ１のチップからヒートシンクへの放熱性が更に改善される。したがって、エピダウン実装に関する第２の問題点をより簡単に解決できる。

（実施例５）
上記実施例２の説明では、分布反射領域１３，１４の全域に、第１バルク半導体領域３３と第１積層領域３５の交互配列を適用すると共に、レーザ本体領域１２の埋込領域１９，２１の全域にストライプ状の第２バルク半導体領域３９及びストライプ状の第２積層領域３７の交互配列を適用する。本実施形態は、これに限定されない。図７に示されるように、分布反射領域１３，１４における第１部分２９ａのみに、第１バルク半導体領域３３と第１積層領域３５の交互配列を適用すると共に、レーザ本体領域１２の第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における第１埋込部分２０ａのみにストライプ状の第２バルク半導体領域３９及びストライプ状の第２積層領域３７の交互配列を適用するようにしても良い。メサ導波路１７の近傍の第１埋込部分２０ａに交互配列を適用することによって、動作時に発熱するメサ導波路１７の近傍に良好な平坦性、及び良好な放熱性を提供できる。従って、実施例２と同様の改善が得られる。一方、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における残りの第２埋込部分２０ｂは、第２バルク半導体領域３９（３９ｅ）のみで埋め込むことができる。この第２バルク半導体領域３９として、任意のバルク半導体を使用できる。一例としては、中赤外光に対する光吸収が微小な半絶縁性半導体やアンドープ半導体の使用が望ましい。また、分布反射領域１３、１４の半導体壁２９は、導波路軸に近い第１部分２９ａに、第１バルク半導体領域３３と第１積層領域３５の交互配列を適用すると共に、この交互配列の外側に位置する第２部分２９ｂに第１バルク半導体領域３３を適用することができる。このバルク半導体領域として、任意のバルク半導体を使用できる。一例としては、中赤外光に対する光吸収が微小な上記半絶縁性半導体やアンドープ半導体の使用が望ましい。

本実施例においても、第２バルク半導体領域３９と第２積層領域３７の交互配列をレーザ本体領域１２に適用して、電流注入により発熱するコア層２７ａを含むメサ導波路１７の表面及びその近傍の表面において平坦性が改善される。このため、エピダウン実装が容易となり、実施例２と同様の改善が得られる。また、分布反射領域１３、１４においても、同じく交互配列を適用する第１部分２９ａは、導波光の反射の主体として働く。ここで、分布反射領域１３、１４の反射率を決定する主領域である高屈折率部の導波路軸ＷＧ近傍の領域である第１部分２９ａの表面平坦性が改善されるので、実施例１と同様の高屈折率部の加工精度の改善が得られる。

一方、本実施例における新規改善点としては、本実施例の構造では、レーザ本体領域１２及び分布反射領域１３，１４における導波路軸ＷＧ近傍の領域の外側のエリア２０ｂ、２９ｂをバルク半導体のみで埋め込んでいる。したがって、レーザ本体領域１２において、第２埋込部分２０ｂを高抵抗のバルク半導体で埋め込むことにより、実施例２の構造に比べて、埋込領域１９、２１をより高抵抗にできる。その結果、メサ導波路１７の外部の埋込領域１９，２１を流れる漏れ電流をより低減できる。これ故に、量子カスケード半導体レーザの特性が更に改善される。また、分布反射領域１３，１４に関しては、高屈折率部２９の第１積層領域３５に含まれるコア層２７ａは、上述のように量子井戸層とバリア層が数百層積層された超格子列で構成され、法線軸Ｎｘ方向における厚さが数マイクロメートルと厚い。この構造では、コア層２７ａを構成する各半導体層の基板に対する格子歪は僅かでも、これらが多数積層されると、この格子歪が累積されて、大きな歪応力となる。このような歪応力があると、高屈折率部２９の機械的強度が低下し、エッチングで高屈折率部２９を形成する際の加工ダメージにより、高屈折率部２９に亀裂や膜剥がれ等の結晶劣化が生じて、分布反射領域が破損しやすかった。特に高屈折率部２９は、導波路軸ＷＧ方向の幅ＷＨが数μｍと薄く、元々の強度が弱いため、このような破損が顕著に生じやすかった。これに対し、本実施例では、半導体壁２９の一部分（２９ｂ）が丈夫なバルク半導体領域を含むので、分布反射領域１３，１４の高屈折率部２９の機械的強度を向上できる。従って、本実施例の構造では、高屈折率部の機械的強度が増し、破損しにくくなる利点がある。

本実施例では、レーザ本体領域１２の第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と分布反射領域１３、１４との両方において、導波路軸ＷＧから離れた領域に部分的にバルク半導体領域を適用している。しかしながら、バルク半導体領域の部分適用は、レーザ本体領域１２及び分布反射領域１３、１４のいずれか一方に行われることができる。

（実施例６）
上記各実施例では、分布反射領域１３，１４内の高屈折率部である半導体壁２９の各々が独立して設けられている。しかしながら、本実施形態は、これには限定されない。半導体壁２９が互いに接続されていても良い。例えば、実施例５の構造に本実施例の構造を適用した場合を図１０に示す。図１０に示されるように、バルク半導体領域からなる第１補強部３０ｄが複数の高屈折率部３０ａ、３０ｂ、３０ｃの第２部分２９ｂを接続して、第１補強部３０ｄ、及び複数の高屈折率部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが一体化される構造を形成するようにしてもよい。例えば、第１壁３０ａと第２壁３０ｂとの接続では、第１壁３０ａの第２部分２９ｂ中の第１１部分３０ｅと、第２壁３０ｂの第２部分２９ｂ中の第２１部分３０ｆとが、第１補強部３０ｄで接続されている。

この実施例に係る量子カスケード半導体レーザ素子構造にも、実施例５に記載された諸改善が提供される。更に、本実施例では、第１補強部３０ｄの付加により、導波路軸ＷＧの方向に数マイクロメートル幅を有する薄片状の高屈折率部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが一体化されて、分布反射領域の機械的強度を増加できる。その結果、高屈折率部が分離されている上記他の実施例の構造に比べて、分布反射領域１３，１４が破損しにくくなって、素子の製造歩留まりや、素子の耐久性を更に改善できる。

第１補強部の材料としては半導体を用いることができる。例えば、上記高屈折率部に使用可能な半導体材料、具体的には上記ＩｎＰやＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといった半導体を使用できる。特に、第１補強部３０ｄと、該第１補強部３０ｄに接続される高屈折率部３０ａ、３０ｂ、３０ｃの第２部分２９ｂ（第１バルク半導体領域３３）の接続部とが、共にＦｅドープＩｎＰ等の同一の半導体材料で形成されていることが良く、この構造では、第１補強部３０ｄと高屈折率部３０ａ、３０ｂ、３０ｃの第２部分２９ｂの接続部の両者は結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。このため、分布反射領域１３、１４の強度を効果的に増加できる。また両者は、同じ材料で一括形成できる。このため、製造プロセスを簡略化できる利点もある。但し、第１補強部３０ｄの材料は、上記のものに限定はされず、必要に応じて、分布反射領域１３，１４の機械的強度を改善可能な他の材料を使用できる。

本実施例では、全ての高屈折率部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが第１補強部３０ｄにより結合されて一体化された分布反射構造を示している。本実施形態は、これには限定されない。複数の高屈折率部のうちの少なくとも２つの高屈折率部が第１補強部により接続されて、これらが一体化された構造を形成しても良い。この構造においても、分布反射領域の機械的強度を増加できる。

本実施例では、実施例５の構造に第１補強部３０ｄを追加している。本実施形態は、これには限定されない。実施例１〜４に実施例６の第１補強部３０ｄを導入することもでき、これらに第１補強部３０ｄを導入した場合でも、上記と同様の改善効果が得られる。

（実施例７）
実施例６では、高屈折率部が互いに第１補強部により一体化された構造を示したけれども、分布反射領域の補強構造はこれには限定されない。例えば、実施例６の構造に、図１１に示されるように、レーザ本体領域１２の端面に最も近い高屈折率部３０ａの第２部分２９ｂ中の第１１部分３０ｅが、レーザ本体領域１２の第２埋込部分２０ｂ中の接続埋込部３９ａに第２補強部３０ｇによって接続されて、一体化された構造となっていても良い。図１１に示された構造は、第２補強部３０ｇによる補強に加えて、実施例６に示された第１補強部３０ｄによる一体化構造も含んでいる。

本実施例の構造は、第２補強部３０ｇの導入を除いて、実施例６と同一の構造であり、実施例６に記載された諸改善が得られる。また、本実施例の構造では、高屈折率部３０ａとレーザ本体領域１２が第２補強部３０ｇにより一体化されているので、この一体化によって、分布反射領域１３、１４の機械的強度を増加でき、その結果、高屈折率部が分離されている上記他の実施例の構造に比べて、分布反射領域１３、１４が破損しにくくなる。これ故に、素子の製造歩留まりや、素子の耐久性を改善できる。

本実施例の構造のように、分布反射領域１３、１４が複数の高屈折率部２９を含む構造では、実施例６の構造と同様に、高屈折率部２９同士を第１補強部３０ｄによって結合して一体化構造を形成しても良い。この構造では、第２補強部３０ｇのみを用いる場合に比べて、分布反射領域１３、１４の機械的強度を更に増加でき、素子の製造歩留まりや、素子の耐久性を更に改善できる。なお、分布反射領域１３、１４内の一部の高屈折率部２９が第１補強部３０ｄによって結合されていても良い。

第２補強部３０ｇの材料は、例えば実施例６に記載された第１補強部３０ｄに使用可能な材料と同じ材料であることができる。特に、第２補強部３０ｇと高屈折率部３０ａの第２部分２９ｂ（第１バルク半導体領域３３）の接続部（３０ｅ）が同じＦｅドープＩｎＰ等のバルク半導体で形成されているとき、両者は結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。このため、分布反射領域１３，１４の強度を効果的に増加できる。また、この構造では、第２補強部３０ｇと高屈折率部３０ａの第２部分２９ｂの接続部（３０ｅ）の両者を同じ材料で一括形成できるので、製造プロセスを簡略化できる利点もある。更に、第２補強部３０ｇ、高屈折率部３０ａの第２部分２９ｂの接続部（３０ｅ）、及びレーザ本体領域１２の第２埋込部分２０ｂの接続部（３９ａ）が同じＦｅドープＩｎＰ等のバルク半導体で形成されたとき、これら三者は結晶的に一体化されて単一材料からなる構造となる。このため、分布反射領域の強度を更に効果的に増加できる。また、この構造では、これら三者は同じ材料で一括形成できるので、製造プロセスを更に簡略化できる利点もある。特に、全ての高屈折率部の第２部分２９ｂの接続部と第１補強部３０ｄ、第２補強部３０ｇ、及びレーザ本体領域１２の第２埋込部分２０ｂの接続部が同じバルク半導体から成り、且つ全ての高屈折率部の第２部分２９ｂとレーザ本体領域１２の第２埋込部分２０ｂが第１補強部３０ｄ及び第２補強部３０ｇによって結合された構造は、分布反射領域１３、１４の機械的強度を最大化出来るので、最も好ましい。

上記の説明では、実施例６の構造に本実施例の補強構造を導入しているけれども、本実施形態はこれに限定されない。例えば、実施例１〜５に実施例７の構造を適用することができ、これらの構造でも第２補強部３０ｇの導入により、上記と同様の改善効果が得られる。

（実施例８）
上記の実施例では、基板主面１１ａに沿った方向、つまり水平横方向（Ｙ方向）において、分布反射領域１３、１４の高屈折率部２９が素子端部３ａ、３ｂまで形成されている。本実施形態はこれには限定されない。水平横方向（Ｙ方向）において高屈折率部が素子端部にまでは形成されていなくても良い。例えば実施例２の構造に本実施例の分布反射構造を適用した場合を、図１２に示した。この実施例では、分布反射領域１３、１４以外の構造は、実施例２の構造と同一である。本実施例でも、実施例２に記載した諸改善が得られる。

また、本実施例では、水平横方向における分布反射領域の高屈折率部の壁幅（図１２におけるＷ５）が素子幅（図１２におけるＷ６）より短い。これに起因して、次のような新規の利点がある。即ち、実際の量子カスケード半導体レーザの製造では、半導体基板上において、量子カスケード半導体レーザ１のための素子区画が二次元に配列されて多数の素子が一括形成される。図２０は、図１２に示された量子カスケード半導体レーザ１を作製する際における半導体基板上における素子区画の配列を示す。図２０には、１２個の素子区画が示されている。図１２に示された量子カスケード半導体レーザ１では、分布反射領域１３，１４の高屈折率部２９の幅Ｗ５が素子区画の幅Ｗ６に比べて短い。従って、図２０に示すように、分布反射領域１３、１４の高屈折率部２９が素子区画の側縁境界３ａ、３ｂから離れて、分布反射領域１３、１４は、高屈折率部２９を含まずに側面境界３ａ、３ｂに沿って延在する分離領域ＧＡＰ（空隙接続部１６）を備える。本素子区画の配列構造においては、高屈折率部２９のドライエッチングの際に、分離領域ＧＡＰが無い素子区画の配列構造に比べて、第１軸Ａｘ１方向（Ｘ方向）において、エッチングガスが分離領域ＧＡＰを介して流れ易くなって、エッチング時のガスの循環が良くなる。その結果、基板面内におけるマイクロローディング効果に起因するエッチングレートの変動が軽減されるので、高屈折率部の形成において基板面内におけるエッチング均一性や再現性が改善される。

また、上記のように、本素子区画の配列では、素子区画の境界領域に高屈折率部２９が形成されていない分離領域ＧＡＰが設けられている。このため、劈開等により、第１軸Ａｘ１方向（Ｘ方向）に沿って、ＧＡＰ領域に亀裂を入れて素子分離する際に、高屈折率部２９が損傷を被らず、これ故に、分離領域ＧＡＰが無い素子区画の配列構造に比べて、素子分離において高屈折率部２９の破損に起因する製造歩留まり低下を回避できる。また、幅Ｗ５の短縮に起因して、高屈折率部２９の高さ（Ｚ軸方向の高屈折率部のサイズ）Ｈと高屈折率部の幅Ｗ５との比（Ｗ５／Ｈ）を小さくでき、これ故に、分離領域ＧＡＰが無い素子区画の配列構造に比べて、高屈折率部２９の機械的強度が増して高屈折率部２９の破損がより生じにくくなる利点もある。なお、以上では実施例２に本実施例の構造を適用した場合を示したが、それ以外の実施例にも本実施例の構造を適用でき、何れに適用した場合も、上記と同じ改善が得られる。

以上の実施例においては、分布反射領域１３、１４の低屈折率部２２，２４，２６が空隙、例えば空気層である構造を示した。空気の屈折率は想定されうる材料中、最も低く１程度であるので、低屈折率部２２、２４、２６が空隙である構造では、高屈折率部と低屈折率部との屈折率差が大きい。分布反射構造は、この屈折率差が大きいほど高反射化できるため、低屈折率部が空気層等の空隙で構成された場合は、分布反射構造を集積した共振器端面の高反射化が容易となる。しかしながら、低屈折率部２２、２４、２６はこれには限定されず、高屈折率部を構成する半導体壁２９より低屈折率の任意の材料を適用できる。このような材料は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂といった誘電体材料であることができる。低屈折率部２２、２４、２６がこれらの誘電体材料を備えるとき、低屈折率部２２、２４、２６の誘電体層は、数マイクロメートル程度の幅の薄片状の形状を有する高屈折率部の半導体壁２９を保持するように、その両側に設けられている。低屈折率部２２、２４、２６の誘電体層による保持によって、高屈折率部のための半導体壁２９の機械的強度を向上できる利点がある。
分布反射領域を集積したレーザ本体領域の端面を効率よく高反射化するためには、導波路軸ＷＧ方向における低屈折率部、及び高屈折率部の幅ＷＬ、ＷＨを以下のように設定するのが望ましい。
半導体壁（２９）の幅（ＷＨ）：λ／（４×ｎ１）の奇数倍、「ｎ１」は半導体壁の屈折率、「λ」は真空中の発振波長。
低屈折率部（２２、２４）の幅（ＷＬ）：λ／（４×ｎ２）の奇数倍、「ｎ２」は低屈折率部の屈折率。

上記の実施例に係る量子カスケード半導体レーザは、レーザ本体領域１２の両端近傍に分布反射領域１３、１４を集積した構造を有する。本実施形態は、これには限定されない。レーザ本体領域の両端のいずれか一方に、分布反射領域を設けても良い。また、上記の実施例では、分布反射領域における高屈折率部２９の数が３である。本実施形態は、これに限定されるものではなく、分布反射領域は、必要に応じて任意の数の高屈折率部を有することができ、基本的には高屈折率部の数の増加に伴って高反射が得られる。

上記の実施例に係る分布反射領域１３、１４は複数の高屈折率部２９を含む。このような分布反射領域では、必要に応じて、少なくともその一部を他と異なる半導体材料で形成しても良く、同様に、分布反射領域が複数の低屈折率部を含む構造では、必要に応じて、少なくともその一部を他と異なる材料で形成しても良い。これらの高屈折率部及び／又は低屈折率部を含む量子カスケード半導体レーザにおいても、本実施例と同じ改善が得られる。

上記の実施例では、ＤＦＢ型量子カスケード半導体レーザを説明してきた。実施形態に係る量子カスケード半導体レーザは、ＤＦＢ型に限定されず、上記の各実施例は、回折格子層を含まないファブリーペロー（ＦＰ）型の量子カスケード半導体レーザにも同様に適用でき、ＤＦＢ型量子カスケード半導体レーザと同様の改善が提供される。

上記の実施例では、量子カスケード半導体レーザを参照した説明を行ったが、上記の各実施形態は量子カスケード半導体レーザに限られず、上記の各実施例の素子構造と同様の構造を備える半導体素子、例えば光通信等に用いられるｐｎ接合を有する半導体レーザに適用可能であり、量子カスケード半導体レーザと同様の改善が提供される。

本実施形態の技術的意義を説明する。

本実施形態における積層領域（３５、３７）を分布反射領域及び埋込領域に設けない従来の分布反射領域集積のＢＨ構造量子カスケード半導体レーザでは、半導体基板の全面に下部クラッド層から回折格子層を含む半導体層を成長した後に、回折格子層に回折格子構造を形成する。この後に、回折格子層上に、上部クラッド層とコンタクト層を成長して、積層半導体領域を形成する。次に、導波路軸上のメサ導波路のストライプを規定する誘電体膜のマスクを積層半導体領域上に形成すると共に、このマスクを用いて積層半導体領域をエッチングする。これにより、マスクで保護されたストライプ状のメサ導波路のみ残り、その両側のエリア上の積層半導体領域が選択的に除去されて、空隙が形成される。この後に、マスクを残したまま、半導体結晶成長装置を用いて、半絶縁性半導体又はアンドープ半導体からなる埋込領域を選択再成長により形成すると、上記の空隙部に埋込領域の半導体が成長する。この成長に際して、メサ導波路近傍においては、基板主面上への成長及び導波路軸に沿ったメサ導波路側面上の成長の両方からの寄与により、電流ブロック層の成長レートが大きくなる。これに対して、メサ導波路から基板主面に沿って水平横方向（Ｙ方向）に離れたエリア上への成長では、メサ側面上の成長の影響が減って、基板主面上への成長のみとなるため、電流ブロック層の成長レートが小さくなる。その結果、電流ブロック層の厚さは、メサ導波路から水平横方向（Ｙ方向）に離れるにつれて徐々に薄くなる。従って、このＢＨ型量子カスケード半導体レーザでは、素子表面の平坦性が良くない（例えば、図１７に示されたＢＨ型量子カスケード半導体レーザ）。例えば、メサ導波路近傍と、メサ導波路から離れた素子側面付近の段差（図１７のＤＨ）は５〜６マイクロメートル程度と大きい。次に、上記埋め込み再成長用のマスクを除去した後に、新たな誘電体膜をウエハ全面に形成する。そして、レーザ本体領域全面を覆うパターン及び分布反射領域の高屈折率部となる領域上を覆うパターンを有する誘電体マスクを新たな誘電体膜から形成する。分布反射領域においては、導波路軸の方向に関して、高屈折率部の幅と低屈折率部の幅の各々が分布反射領域における高反射を得るために最適な値（例えば上記λ／（４×ｎ１）の奇数倍、及びλ／（４×ｎ２）の奇数倍）となるよう、高屈折率部となる領域上の誘電体マスクの幅、及び隣接する誘電体マスク間の幅が設定されている。この誘電体マスクを用いて下地の半導体領域をエッチングすると、誘電体マスクで保護されていない低屈折率部になる領域の半導体が選択的に除去されて基板が露出する。エッチング後に誘電体マスクを除去する。このエッチングにより分布反射領域の高屈折率部及び低屈折率部が形成される。この後に，レーザ本体領域のメサ導波路領域のコンタクト層上の絶縁膜に開口を形成し、その後に、上部電極及び下部電極を形成する。

上記構造の量子カスケード半導体レーザでは、埋め込み領域の表面平坦性が悪いので、上記分布反射領域の高屈折率部を規定する誘電体マスクを形成するためのフォトリソグラフィーやＥＢリソグラフィーによるレジストパターニングに際して、上記メサ導波路近傍のエリアと素子側面近傍のエリアにおける高低差（ＤＨ）に起因して、メサ導波路近傍と素子側面近傍では、レジストパターニングのための、最適なレジストの露光条件に大きな違いが生じる。そのため、水平横方向（Ｙ方向）に関しては、高屈折率部形成のための、レジストパターン全体に最適化された露光条件を適用するのが困難となり、レジストのパターンニング精度が低下する。レジストパターンニング精度の低下は、これをマスクとしてエッチングされる誘電体マスクのパターンニング精度の低下を生じさせる。その結果、更に誘電体マスクを用いてエッチングされる分布反射領域の高屈折率部、及び低屈折率部の導波路軸方向の幅の加工精度も悪化する。このような分布反射領域の加工精度の悪化により、最終的には、分布反射領域の反射率の面内均一性や再現性が悪化し、素子歩留りを低下させる原因となる。

これに対し、本実施形態に係る分布反射領域によれば、ＢＨ構造素子における上記表面平坦性の改善により、メサ導波路より幅広い分布反射領域において、反射率の面内均一性や再現性が改善され、高い歩留まりを有する量子カスケード半導体レーザが提供される。

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、本実施形態によれば、メサ導波路より幅広い分布反射領域において、反射率の面内均一性や再現性が改善され、高い歩留まりを有する量子カスケード半導体レーザが提供される。

１…量子カスケード半導体レーザ、１１…半導体基板、１２…レーザ本体領域、１３、１４…分布反射領域、１１ｂ…導波路エリア、１１ｃ、１１ｄ…分布反射エリア、２９…半導体壁、３３…第１バルク半導体領域、３５…第１積層領域、２７ａ…第１半導体層、２７ｂ…第２半導体層。

Claims (14)

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導波路エリア及び分布反射エリアを含む主面を備える半導体基板と、
   前記半導体基板の前記導波路エリア上に設けられたレーザ本体領域と、
   前記半導体基板の前記分布反射エリア上に設けられた分布反射領域と、
   前記レーザ本体領域上に設けられた上部電極と、
   を備え、
   前記レーザ本体領域は、前記第１軸の方向に延在する第１側面及び第２側面を有するメサ導波路、前記メサ導波路の前記第１側面上及び前記半導体基板の前記主面上に設けられた第１埋込領域、及び前記メサ導波路の前記第２側面上及び前記半導体基板の前記主面上に設けられた第２埋込領域を備え、前記メサ導波路は、導波路軸に沿って延在しており、前記メサ導波路は、前記上部電極に接続され、
   前記分布反射領域は、分布反射のための一又は複数の半導体壁を含み、前記半導体壁の各々は、前記半導体基板の前記主面の法線軸の方向に延在しており、前記半導体壁は、複数の第１バルク半導体領域及び複数の第１積層領域を含み、
   前記半導体壁において、前記第１バルク半導体領域及び前記第１積層領域を前記第１軸及び前記法線軸に交差する第２軸の方向に交互に配列して、前記分布反射領域の幅を前記メサ導波路の幅より広くすると共に前記第１積層領域間に前記第１バルク半導体領域を設け、
   前記メサ導波路及び前記第１積層領域は第１半導体積層構造を有しており、前記第１半導体積層構造は、コア層のための第１半導体層と上部クラッド層のための第２半導体層とを含む、量子カスケード半導体レーザ。
2. 前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域の各々は、第２バルク半導体領域及び第２積層領域を含み、前記第２バルク半導体領域及び前記第２積層領域は、前記第２軸の方向に交互に配列され、前記第２積層領域は、前記第１軸の方向に延在すると共に前記第１半導体積層構造を有する、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザ。
3. 前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域の各々は、第１埋込部分及び第２埋込部分を含み、前記第１埋込部分及び前記第２埋込部分は、前記第２軸の方向において、前記導波路軸から当該量子カスケード半導体レーザの側面への向きに順に配置され、前記第１埋込部分が、前記第２積層領域及び前記第２バルク半導体領域を含むと共に、前記第２埋込部分が前記第２積層領域を含まず、前記第２埋込部分は前記第２バルク半導体領域を含み、
   前記第２埋込部分の前記第２バルク半導体領域は前記第２軸の方向に延在し、
   前記第２積層領域及び前記第２バルク半導体領域は、前記第１埋込部分において前記第２軸の方向に沿って交互に配列されている、請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザ。
4. 前記第２バルク半導体領域が、アンドープ又は半絶縁性の半導体を備える、請求項２又は請求項３に記載された量子カスケード半導体レーザ。
5. 前記半導体壁の前記第１バルク半導体領域上に設けられた第１半導体キャップ層を更に備え、
   前記第１半導体キャップ層は前記半導体壁の前記第１バルク半導体領域に接触を成し、
   前記第１半導体キャップ層の材料は前記第１バルク半導体領域と同一の材料である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載に記載された量子カスケード半導体レーザ。
6. 前記半導体壁は、第１部分及び第２部分を含み、前記第１部分及び前記第２部分は、前記第２軸の方向において、前記導波路軸から当該量子カスケード半導体レーザの側面への向きに順に配置され、前記第１部分が、前記第１積層領域及び前記第１バルク半導体領域を含むと共に、前記第２部分が前記第１積層領域を含まず、前記第２部分は前記第１バルク半導体領域を含み、
   前記第１積層領域及び前記第１バルク半導体領域は、前記第１部分において前記第２軸の方向に沿って交互に配列されている、請求項１〜請求項５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。
7. 誘電体材料から成る絶縁膜を更に備え、
   前記絶縁膜は、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域と前記上部電極との間に設けられる、請求項１〜請求項６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。
8. アンドープ半導体又は半絶縁性半導体から成る第２半導体キャップ層を更に備え、
   前記第２半導体キャップ層は、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域と前記上部電極との間に設けられる、請求項１〜請求項７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。
9. 前記半導体壁のうちの第１壁及び第２壁を互いに接続する第１補強部を更に備える、請求項１〜請求項８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。
10. 前記第１壁は、前記第１補強部に接続された第１１部分を有し、前記第２壁は、前記第１補強部に接続された第２１部分を有し、
    前記第１補強部、前記第１１部分、及び前記第２１部分の材料は同じである、請求項９に記載された量子カスケード半導体レーザ。
11. 前記半導体壁を前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域に接続する第２補強部を更に備える、請求項１〜請求項１０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。
12. 前記半導体壁は、前記第２補強部に接続された接続部を含み、
    前記半導体壁の前記接続部の材料は、前記第２補強部の材料と同じである、請求項１１に記載の量子カスケード半導体レーザ。
13. 前記第１埋込領域は、前記第２補強部に接続された第１１埋込部を含み、前記第２埋込領域は、前記第２補強部に接続された第２１埋込部を含み、
    前記第２補強部、前記第１１埋込部及び前記第２１埋込部の材料は同じである、請求項１１又は請求項１２に記載された量子カスケード半導体レーザ。
14. 前記半導体壁の長さは、前記第２軸の方向において前記半導体基板の幅より短い、請求項１〜請求項１３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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