(57)【要約】【課題】リッジ幅が実効的に縮小されかつ高い製造歩留まりが可能な量子カスケードレーザおよびその製造方法を提供する。【解決手段】量子カスケードレーザは、リッジ導波路が設けられた半導体積層体を有する。前記半導体積層体は、Ａｌを含む層を有する量子井戸領域を有しモノキャリアのサブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出する活性層を含む。前記Ａｌを含む層は、前記光軸に直交する断面において、前記活性層の表面に平行な方向に沿って前記活性層の外縁から内側に向かって所定の深さまで到達しかつＡｌ酸化物を含んだ第１領域と、前記第１領域に挟まれかつＡｌ酸化物を含まない第２領域と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌを含む層を有する量子井戸領域を有しモノキャリアのサブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出する活性層を含み、かつリッジ導波路が設けられた半導体積層体を備え、
前記レーザ光の光軸は、前記リッジ導波路の延在する方向に平行であり、  
前記Ａｌを含む層は、前記光軸に直交する断面において、前記活性層の表面に平行な方向に沿って前記活性層の外縁から内側に向かって所定の深さまで到達しかつＡｌ酸化物を含んだ第１領域と、前記第１領域に挟まれかつＡｌ酸化物を含まない第２領域と、を有する、量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記第１領域は、電流狭窄層である請求項１記載の量子カスケードレーザ。
【請求項３】
基板をさらに備え、
前記半導体積層体は前記基板上に設けられた請求項１または２に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記断面において、前記活性層の外縁は平行であるかまたは前記基板に向かって拡幅する請求項３記載の量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記基板は、ＩｎＰを含む請求項３または４に記載の量子カスケードレーザ。  
【請求項６】
前記量子井戸領域は、ＩｎＧａＡｓを含む井戸層とＡｌＩｎＡｓを含む障壁層とを有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の量子カスケードレーザ。
【請求項７】
前記半導体積層体を構成する複数の層のＡｌモル比のうち、前記量子井戸領域の第２領域のＡｌモル比が最大である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の量子カスケードレーザ。
【請求項８】
サブバンド間光学遷移によってレーザ光を放出する量子カスケードレーザの製造方法であって、
基板上にＡｌを含む層を有する量子井戸領域を含む活性層を有する半導体積層体を結晶成長し、    
前記半導体積層体のうち少なくとも前記活性層を含み所定のリッジ幅を有するリッジ導波路をパターニングし、
水蒸気雰囲気中で、所定の温度および所定の時間にて酸化処理を行い、前記活性層の表面に平行な方向に沿って前記活性層の外縁から内側に向かって所定深さまでの領域で前記Ａｌを含む層をＡｌ酸化層を含む層に選択的に変換する、量子カスケードレーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、量子カスケードレーザおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リッジ導波路型半導体レーザにおいて、リッジ導波路幅を狭くすると、横モード制御が容易でかつしきい値電流が低減可能となる。
【０００３】
たとえば、半導体レーザが赤外光を放出可能な量子カスケードレーザである場合、ＩｎＰ系材料を使うことができる。しかしながら、ＩｎＰ系材料は脆弱で、幅が狭いリッジ導波路を高い歩留まりで形成することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３５９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リッジ幅が実効的に縮小されかつ高い製造歩留まりが可能な量子カスケードレーザおよびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の量子カスケードレーザは、リッジ導波路が設けられた半導体積層体を有する。
前記半導体積層体は、Ａｌを含む層を有する量子井戸領域を有しモノキャリアのサブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出する活性層を含む。前記Ａｌを含む層は、前記光軸に直交する断面において、前記活性層の表面に平行な方向に沿って前記活性層の外縁から内側に向かって所定の深さまで到達しかつＡｌ酸化物を含んだ第１領域と、前記第１領域に挟まれかつＡｌ酸化物を含まない第２領域と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザの模式断面図である。
【図２】第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザのＹ方向相対位置に対する伝導帯エネルギー準位図である。
【図３】動作電流に対する光出力依存性を表すグラフ図である。
【図４】第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザのリッジ導波路の断面のＳＥＭ写真図である。
【図５】図５（ａ）は断面のbright-field−STEM写真図、図５（ｂ）はＥＤＸによる酸素分析を示す図、図５（ｃ）はＥＤＸによるＡｌ分析を示す図、図５（ｄ）はＥＤＸによるＧａ分析を表す図、図５（ｅ）はＥＤＸによるＡｓ分析を表す図、図５（ｆ）はＥＤＸによるＩｎ分析を表す図、である。
【図６】第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザの製造方法を説明するフロー図である。
【図７】酸化時間の平方根に対する酸化深さ依存性を表すグラフ図である。
【図８】図８（ａ）はｐｎ接合型面発光レーザの模式断面図、図８（ｂ）はそのエネルギー準位図、である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザの模式断面図である。
また、図２は、第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザのＹ方向相対位置に対する伝導帯エネルギー準位図、である。
【０００９】
図１は、Ｚ軸に対して垂直方向の模式断面図を表す。量子カスケードレーザは、半導体積層体５を有する。半導体積層体５は、活性層１０を含む。活性層１０は、Ａｌを含む層を有する量子井戸領域を有し、モノキャリアのサブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出する。また、半導体積層体５には、リッジ導波路６０が設けられる。
【００１０】
レーザ光の光軸９０は、リッジ導波路６０の延在する方向（Ｚ軸）に平行である。Ａｌを含む層は、光軸９０に直交する断面（紙面の表面）において、活性層１０の表面１０ａに平行な方向に沿って活性層１０の外縁１０ｂ、１０ｃから内側に向かって所定深さＬ２まで到達しかつＡｌ酸化層を含んだ第１領域１１と、第１領域１１に挟まれかつＡｌ酸化層を含まない第２領域と、を有する。本図において、モノキャリアは電子とする。
【００１１】
リッジ導波路６０は、光共振器を構成する。この結果、レーザ光は、リッジ導波路６０の２つの端面の少なくともいずれかから光軸９０に沿って放出される。
【００１２】
図１に表すように、半導体積層体５は、下部クラッド層２０、上部クラッド層３０、コンタクト層４０、などをさらに有することができる。また、半導体積層体５は、基板５０の上に結晶成長を行ったのち、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法などを用いて所望のリッジ幅Ｌ１に加工される。
【００１３】
リッジ導波路６０の側面６０ａ、６０ｂ、およびリッジ導波路が設けられない基板５０の表面には絶縁膜６２が設けられる。絶縁膜６２は、ＳｉＯｘなどとすることができる。コンタクト層４０の上面４０ａおよび絶縁膜６２の上部には上部電極６４が設けられ、基板５０の裏面には裏面電極７０が設けられる。
【００１４】
活性層１０内の量子井戸領域に設けられたＡｌ酸化物を含む層の一部は、上部電極６４と下部電極７０との間において、電流Ｊに対して狭窄層となる。この結果、実効リッジ幅Ｌ３をリッジ幅Ｌ１よりも狭くすることができる。
【００１５】
図２は、第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザのＹ方向相対位置に対する伝導帯エネルギー準位図である。
発光量子井戸領域８０と注入量子井戸領域８１とのペアがカスケードの１段を構成し、たとえば、Ｙ軸方向に３０〜１００段などが繰り返し積層されて活性層１０となる。この結果、１段でサブバンド間光学遷移を生じたモノキャリア（この場合は電子）は、積層数だけ光学遷移を繰り返す。このため、リッジ高さＨ１は、たとえば、８μｍなどと大きくなる。
【００１６】
発光量子井戸領域８０において、キャリアである電子９２は、伝導帯に形成された上位準位ＵＬと下位準位ＬＬとの間でサブバンド間光学遷移が生じる。発光波長は、エネルギー差（ＵＬ−ＬＬ＝ｈn）に対応する。電子９２は下流側の注入量子井戸領域８１に輸送され、ミニバンドＭでより低いエネルギー準位に緩和される。この緩和されたエネルギー準位は、さらに下流の発光量子井戸領域に引き継がれ、再び上位準位ＵＬとなり、サブバンド間光学遷移を再び生じる。すなわち、量子カスケードレーザは、伝導帯の電子と価電子帯のホールとが再結合しバンドギャップエネルギーＥｇに対応した波長の光を放出するｐｎ接合型レーザとは異なる構造を有し異なる原理で発光する。
【００１７】
発光波長が中〜遠赤外光範囲の場合、たとえば、半導体材料はＩｎＰ系材料とすることができる。発光量子井戸領域は、Ｉｎ０．６７Ｇａ０．３３Ａｓ（井戸層）／Ｉｎ０．３３Ａｌ０．６７Ａｓ（障壁層）などとすることができる。また、注入量子井戸領域８１は、Ｉｎ０．６７Ｇａ０．３３Ａｓ（井戸層）／Ｉｎ０．６７Ａｌ０．３３Ａｓ（障壁層）などとすることができる。なお、Ｉｎ０．６７Ｇａ０．３３Ａｓのバンドギャップエネルギーは、Ｉｎ０．３３Ａｌ０．６７Ａｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいのでＩｎ０．６７Ｇａ０．３３Ａｓが井戸層となり、Ｉｎ０．３３Ａｌ０．６７Ａｓが障壁層となる。
【００１８】
また、下部クラッド層２０および上部クラッド層３０は、それぞれＩｎＰなどとすることができる。コンタクト層４０は、ＩｎＧａＡｓなどとすることができる。また、基板５０は、ｎ形ＩｎＰなどとすることができる。
【００１９】
図３は、動作電流に対する光出力依存性を表すグラフ図である。
縦軸は光出力（ｍＷ）、横軸は動作電流（ｍＡ）である。実線は、第１の実施形態の一例であり、リッジ幅Ｌ１が１２μｍ、Ａｌ酸化層を含む第１領域１１の幅Ｌ２が３μｍ、実効リッジ幅が６μｍ、とする。破線は、第１比較例であり、リッジ幅Ｌ１が１２μｍ、Ａｌ酸化層は形成されないものとする。一点鎖線は、第２比較例であり、リッジ幅Ｌ１が９μｍ、Ａｌ酸化層が形成されないものとする。
【００２０】
第１比較例では、Ａｌ酸化層が設けられないので電流が狭窄されない。このため、実効リッジ幅は１２μｍと広いままであり、電流密度、光密度が低くしきい値電流が約５２０ｍＡと高い。第２比較例では、Ａｌ酸化層が設けられないので電流が狭窄されないが、リッジ幅Ｌ１を９μｍと狭くするので、しきい値電流が約４１０ｍＡと低減されている。しかし、第２比較例のしきい値では十分に低いとは言えない。これに対して、第１の実施形態では、Ａｌ酸化層を含む第１領域１１の幅（所定深さＬ２）が３μｍであるので実効リッジ幅Ｌ３が約６μｍとなる。このため、しきい値電流は、約２９０ｍＡと低減され、高光出力化が可能となる。
【００２１】
次に、量子カスケードレーザにおいて、リッジ幅Ｌ１をパターニングにより狭くすることに限界があることを説明する。まず、レーザ光の横モード制御と低しきい値化を実現するためには、リッジ幅Ｌ１を２〜６μｍなどと狭くすることが好ましい。ところが、量子カスケードレーザを高出力化するには、発光量子井戸領域８０と注入量子井戸領域８１とのペアの積層数を３０〜１００段などと増やす必要がある。このため、リッジ高さＨ１は、８μｍなどと大きくなり、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いて上下方向に細長いリッジ導波路を形成するプロセスは容易ではなくかつその製造歩留まりも低くなる。また、中〜遠赤外光を放出可能な量子カスケードレーザは、基板５０やクラッド層２０、３０などにＩｎＰを含む材料が通常用いられる。この場合、６μｍ以下のリッジを形成すると、ＩｎＰの機械的脆弱性のために、リッジ導波路が破損しやすくなる。
【００２２】
これに対して、第１の実施形態では、リッジ幅Ｌ１を６〜１４μｍなどとして、リッジの高さＨ１に対する幅の比（Ｌ１／Ｈ１）を、０．７５〜１．７５などと大きくできる。このため、ＩｎＰを含む材料であっても、リッジ導波路６０の破損が抑制されかつ高い歩留まりで形成できる。また、Ａｌ酸化物を含む層１１を所定深さＬ２だけ制御よく形成し、実効リッジ幅Ｌ３を６μｍ以下にできる。
【００２３】
図４は、第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザのリッジ導波路の断面のＳＥＭ(Scanning  Electron  Microscope)写真図である。
活性層１０の量子井戸領域を構成するＡｌを含む層が、活性層１０の２つの外縁１０ｂ、１０ｃ、から内側に向かって所定深さＬ２となる領域がＡｌ酸化物を含む層１１に置換されている。Ａｌを含む層がＩｎＡｌＡｓ層の場合、Ｉｎ酸化物をさらに生じることもある。Ａｌ酸化物を含む層は、電流狭窄領域となる。本図は、雰囲気温度が４６０℃で水蒸気酸化を８時間行ったリッジ導波路６０の断面である。酸化が進行して、電流狭窄領域の一部に空隙部１５を生じているが、光学特性に影響はない。
【００２４】
図５（ａ）は断面のBright-field−STEM写真図、図５（ｂ）はＥＤＸによる酸素分析を示す図、図５（ｃ）はＥＤＸによるＡｌ分析を示す図、図５（ｄ）はＥＤＸによるＧａ分析を表す図、図５（ｅ）はＥＤＸによるＡｓ分析を表す図、図５（ｆ）はＥＤＸによるＩｎ分析を表す図、である。
ＥＤＸ（Energy  Dispersive  X-ray Spectroscopy）は、電子線照射により発生する特性Ｘ線を検出し、エネルギーを分光することにより組成分析を行う方法である。図５（ａ）のＳＴＥＭ写真に対応して、Ｏ、Ａｌ、Ｇａ、ＡｓおよびＩｎの元素分布が測定される。図５（ｂ）の灰色の細いストライプはＯ元素の存在を表す。また、図５（ｅ）の黒色の細いストライプはＡｓが少ないことを表し、灰色状に広がった部分はＡｓが多いことを表す。また、図５（ｃ）の細いストライプを含む広い灰色の部分は、Ａｌが広がっていることを表す。
【００２５】
これらの図から、図５（ｂ）の灰色の細いストライプ部分は、Ａｌの酸化物を含む層を構成していると考えられる。Ａｌ酸化物を含む層の厚さが薄くなると、検出が困難な場合もある。また、図４のＳＥＭ写真で観察された空隙部１５は、Ｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎが存在しない黒い部分に対応していると考えられる。
【００２６】
（表１）は、活性層１０の外縁１０ａ、１０ｂ近傍のＥＤＸによる元素分析の結果の一例である。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
また、（表２）は、活性層の中央部近傍のＥＤＸによる元素分析の結果の一例である。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
活性層１０の外縁１０ｂ、１０ｃ近傍では、Ａｌ酸化層が形成されているのでＯ元素の原子％が１２．４％と高い。他方、活性層１０の中央部近傍では酸化が進まず、酸素元素の原子％が１．３％と低い。また、Ａｌ元素の原子％、Ｇａ元素の原子％、Ｉｎ元素の原子％は、（表１）と（表２）との間で差異が小さい。このように、ＥＤＸによる組成分析により、量子井戸構造の組成に対応して、活性層１０内にＡｌ酸化物を含む層が規則的に配置され電流狭窄層となることが判明した。
【００３１】
図６は、第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザの製造方法を説明するフロー図である。
まず、基板５０上にＡｌを含む層を有する量子井戸領域を含む活性層１０を有する半導体積層体５を結晶成長する（Ｓ１００）。結晶成長には、ＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition)法やＭＢＥ（Molecular Beam  Epitaxy ）法などを用いることができる。
【００３２】
次に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法などを用いて、半導体積層体５をパターニングする。これにより、半導体積層体のうち少なくとも活性層１０を含み所定のリッジ幅Ｌ１を有するリッジ導波路６０が形成される（Ｓ１０２）。この場合、図４に表すように、光軸９０に直交する断面において、活性層１０の外縁１０ｂ、１０ｃは平行であるかまたは基板５０に向かって拡幅する形状とすることができる。
【００３３】
次に、活性層１０の外縁１０ｂ、１０ｃから内側に向かって所定の深さＬ２まで、水蒸気酸化法を用いて、Ａｌを含む層を含む量子井戸層を酸化する（Ｓ１０４）。Ａｌを含む層は、Ａｌ酸化物を含んだ第１領域１１と、第１領域１１に挟まれかつＡｌ酸化物を含まない第２領域と、になる。水蒸気酸化法は、たとえば、水蒸気雰囲気中で、所定の温度および所定の時間で酸化を進める。
【００３４】
このあと、図１に表すように、リッジ導波路６０の側面６０ａ、６０ｂ、およびリッジ導波路が設けられない基板５０の表面には絶縁膜６２を設ける。絶縁膜６２は、ＳｉＯｘなどとすることができる。さらに、コンタクト層４０の上面４０ａおよび絶縁膜６２の上部に上部電極６４を設け、基板５０の裏面に裏面電極７０を設けることができる。
【００３５】
図７は、酸化時間の平方根に対する酸化深さ依存性を表すグラフ図である。
縦軸は酸化深さ（μｍ）、横軸は酸化時間の平方根（ｈ１／２）、である。活性層１０を構成する量子井戸を構成するＡｌを含む層をＡｌ０．６７Ｉｎ０．３３Ａｓとする。雰囲気温度を４６０℃、酸化時間を６〜１５時間（ｈ）、水分量を１００ｇ／ｈとした。酸化深さは、酸化時間の平方根に対して単調に増大する。    
【００３６】
次に、量子カスケードレーザにおいては、活性層内に酸化狭窄層を設けても発光効率の低下が生じないことを説明する。
図８（ａ）はｐｎ接合型面発光レーザの模式断面図、図８（ｂ）はそのエネルギー準位図、である。
ｐｎ接合型面発光レーザは、図８（ａ）に表すように、裏面電極１７０、基板１５０、ＡｌＡｓ層１１３、Ａｌ酸化層１１１、下部クラッド層１２０、活性層１１０、上部クラッド層１３０、上部電極１６４などを有する。また、図８（ｂ）に表すように、活性層１１０は、数層の井戸を含む量子井戸領域を有する。ホールと電子とは、量子井戸層領域で再結合し、バンドギャップエネルギーに対応するバンドギャップ波長でレーザ発振する。
【００３７】
比較例では、活性層１１０の下方にＡｌＡｓ層１１３が設けられる。ＡｌＡｓ層１１３はリッジ外縁から内側に向けてＡｌ酸化物を含む層１１１に置換され、電流狭窄層に変化する。この場合、Ａｌを含む層の酸化を行うと、層内で体積変化や歪変化を生じる。結果として、図８（ｂ）に表すように、量子井戸領域の周辺のバンドギャップ内に欠陥準位を生じさせ、キャリアと欠陥準位との間で非発光再結合を生じ発光効率を低下させる。発光効率の低下を抑制するために、ｐｎ接合レーザでは、Ａｌ酸化物を含む層１１１は、活性層１１０から離間して下方に設けられる。この結果、活性層１１０において、電流ＪＪを十分には狭窄できず、光閉じ込めも不十分となる。
【００３８】
これに対して、発明者らの実験によれば、第１の実施形態では、酸化狭窄により伝導帯のサブバンド間の光学準位に影響を生じない。このため、バンドギャップ内に欠陥準位が発生する悪影響が回避され、かつ光閉じ込めも可能となる。その結果として、発光効率が低下が抑制されることが判明した。
【００３９】
本実施形態によれば、リッジ幅が実効的に縮小されかつ高い製造歩留まりが可能な量子カスケードレーザおよびその製造方法が提供される。この量子カスケードレーザは、低しきい値電流化が可能で、赤外光からテラヘルツ波の高出力レーザ光を得ることができる。高感度ガスセンサー、バイオメディカル機器、樹脂材料加工機などに広く応用できる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
５  半導体積層体、１０  活性層、１０ｂ、１０ｃ  （活性層の）外縁、１１  （Ａｌ酸化物を含む層の）第１領域、５０  基板、６０  リッジ導波路、Ｌ１  リッジ幅、Ｌ２  所定深さ、Ｌ３  実効リッジ幅、９０  光軸、Ｈ１  リッジ高さ  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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