(57)【要約】      （修正有）【課題】短波長で、狭線幅、及び、超高速変調が可能であり、材料の制約が小さな量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】量子カスケードレーザは、多重量子井戸１２と半導体中間層１４とが交互に積層された活性層を備える。第１の多重量子井戸の伝導帯に含まれるミニバンド内を透過したキャリアが、第１の多重量子井戸よりも下位側に配設された第２の多重量子井戸の障壁層のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位にあるミニギャップ１３に衝突し、第２の多重量子井戸の伝導帯に含まれるミニギャップに遷移して発光する。【選択図】図１
2010238711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重量子井戸と半導体中間層とが交互に積層された活性層を備え、ミニバンド間のキャリアの遷移によって発光する量子カスケードレーザであって、
第１の多重量子井戸の伝導帯に含まれるミニバンド内を透過したキャリアが、前記第１の多重量子井戸よりも低準位側に配設された第２の多重量子井戸の障壁層のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位にあるミニギャップに衝突し、該第２の多重量子井戸の伝導帯に含まれるミニギャップに遷移して発光することを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記多重量子井戸が、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層とＩｎＰを含む障壁層とを有する、請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項３】
１．５５μｍ以下の発振波長を有する、請求項２に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記活性層が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成される、請求項１〜３の何れか一に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記活性層が、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、及び、Ｎから成る群から選択される複数の元素を含む、請求項４に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記第１の多重量子井戸のミニギャップと前記第２の多重量子井戸のミニギャップとの間のエネルギー準位の差が、１０ｍｅＶ以上、１ｅＶ以下である、請求項１〜５の何れか一に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項７】
前記活性層がスラブ型導波路を形成する、請求項１〜６の何れか一に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項８】
多重量子井戸と半導体中間層とが１５対以上繰り返し形成される、請求項１〜７の何れか一に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項９】
前記活性層が、シングルプラズモン型導波路、又は、ダブルプラズモン型導波路を形成する、請求項１〜８の何れか一に記載の量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子カスケードレーザに関し、更に詳しくは、量子井戸構造を有し且つミニバンド間のキャリアの遷移を利用した量子カスケードレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発振波長が３μｍを超える赤外線領域の半導体レーザ素子は、室温よりも冷却しなければ、発振しなかった。１９９４年に、赤外線領域の半導体レーザとして、発振波長が４μｍ以上で、量子井戸の伝導帯内におけるサブバンド間遷移を用いた量子カスケードレーザ素子が発表された(非特許文献１）。その後、発振波長が４μｍ以上で１３０μｍ（２．３１テラヘルツ（ＴＨｚ））までの量子カスケードレーザが発表されている。
【０００３】
通常の半導体レーザは、伝導帯の電子が禁制帯内を遷移し、価電子帯の正孔と結合することにより光が放出され、共振によりレーザ発振する。量子カスケードレーザは、伝導帯内の電子のみ、又は、価電子帯内の正孔のみが、伝導帯内のサブバンド間を遷移することにより、光が放出され、共振によりレーザ発振する。電子又は正孔のみのデバイス動作のため、量子カスケードレーザはユニポーラデバイスに分類される。
【０００４】
特許文献１は、ミニバンド間の遷移を利用する量子カスケードレーザを開示している。図６は、特許文献１で提案された量子カスケードレーザにおけるバンドプロファイルを示す。量子カスケードレーザは、複数の多重量子井戸（超格子構造）が半導体中間層を挟んで積層された構造の活性層を有する。各多重量子井戸の伝導帯の内部には、量子井戸層及び障壁層を構成する材料に依存して、電子が存在できる２つのミニバンドと、その間を分離し電子が存在できないミニギャップとが形成される。
【０００５】
各ミニバンドは、伝導帯内に形成される、近いエネルギー準位の複数のサブバンドの集合として形成される。例えば電子が、量子井戸内の上位側の量子井戸層から下位側の量子井戸層に注入されると、そのミニバンド内に注入された電子の一部は、トンネル効果によって、１又は複数の障壁層を透過し、同じ量子井戸内に配設される更に下位の量子井戸層に注入される。その量子井戸層が、注入された電子の準位と同じ準位にミニギャップを有すると、電子は注入されたミニバンドから、その量子井戸層内の下位のミニバンドに遷移し、次の障壁層を透過して、隣接する下位側の量子井戸に注入される。
【０００６】
上記のように、上位側から量子井戸に注入された電子は、量子井戸内のミニギャップに衝突すると、その量子井戸内の上位のミニバンドから下位のミニバンドに遷移する。電子は、そのバンド遷移に際して、エネルギー低下量に依存する波長の光を放出する。
【０００７】
各ミニバンド内においては、サブバンドのネルギーと運動量の関係（Ｅ−ｋ空間）に着目すると、上位のサブバンドと下位のサブバンドとではエネルギーの曲率が同じである。このため、ミニバンド内のサブバンド上の全ての電子が同じ遷移エネルギーで遷移する。つまり、結合状態密度はデルタ関数的になり、光利得は大きく増大するばかりでなく、発光の波長ゆらぎが小さくなる。このため、レーザ発振のスペクトル線幅が極めて小さくなる利点がある。
【０００８】
また、通常の半導体レーザ素子は、伝導帯と価電子帯との間でバンド間の遷移が発生するバンド間遷移レーザ素子である。バンド間の遷移においては、発光再結合寿命が数ナノ秒程度であるのに対し、量子カスケードレーザにおけるミニバンド間での遷移は数ピコ秒程度と極めて速い。このため、バンド間遷移レーザ素子では、オージェ再結合がレーザ特性に悪影響を与えることとなるのに対し、量子カスケードレーザでは、オージェ再結合はほとんど問題にならない。
【０００９】
更に、バンド間遷移レーザ素子では、結晶欠陥や不純物に起因した準位が禁制帯内に形成されると、電子のバンド間遷移確率を低下させる問題がある。しかし、量子カスケードレーザでは、禁制帯内をキャリアが遷移しないため、結晶品質の劣化はあまり問題にならない。更に、量子カスケードレーザでは、光の波長が禁制帯幅ではなく、サブバンド間で決定されるため、温度による発振波長の変動が極めて小さいという利点をも有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開１０−１４４９９５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】J. Faist et al., “Quantum Cascade Laser,” Science 264 (1994), pp.563
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の量子カスケードレーザなど、これまでに報告されている量子カスケードレーザは、その発振波長が量子井戸のバンドオフセットにより制限されている。このため、バンド間遷移レーザのような短波長のレーザ発振を実現するためには、より大きなバンドオフセットを有する材料の選定が不可欠となる。
【００１３】
例えば、光通信で用いられる１．５５μｍ帯の波長を量子カスケードレーザで実現するためには、バンドオフセットが少なくとも０．８ｅＶ以上の材料を選定しなければならない。このため、ＡｌＮ／ＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＮなどの窒化物半導体を除いては、ほとんど該当する材料がないのが現状である。また、半導体レーザでは、特に界面の凹凸やダングリングボンドに起因した欠陥準位がレーザ特性に大きく影響を与えるため、量子井戸と量子障壁層の格子定数が合致する格子整合系を用いなければならないという材料上の制約がある。さらに、半導体レーザをＡｌ系化合物で構成する際には、Ａｌの酸化などがレーザの信頼性に大きく劣化させるため、Ａｌを用いないことなどの制約もある。
【００１４】
本発明は、上記に鑑み、短波長、狭線幅、及び、高速変調が可能であり、且つ、材料の制約が小さな量子カスケードレーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、多重量子井戸と半導体中間層とが交互に積層された活性層を備え、キャリアのミニバンド間の遷移によって発光する量子カスケードレーザであって、
第１の多重量子井戸の伝導帯に含まれるミニバンド内を透過したキャリアが、前記第１の多重量子井戸よりも低準位側に配設された第２の多重量子井戸の障壁層のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位にあるミニギャップに衝突し、該第２の多重量子井戸の伝導帯に含まれるミニギャップに遷移して発光することを特徴とする量子カスケードレーザを提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の量子カスケードレーザでは、第１の多重量子井戸のミニバンド内を透過するキャリアが、第１の多重量子井戸の下位側の第２の多重量子井戸のミニバンドに遷移して発光する構成を採用した。このため、１つの多重量子井戸内でキャリアが遷移する従来のミニバンド間の遷移を用いる量子カスケードレーザに比して、大きなバンドギャップが得られ、その結果、材料の制約を克服しつつ、短波長の光発振が可能となる。また、ミニバンド間の遷移を利用するため、狭線幅、及び、高速変調という利点も得られる。
【００１７】
本発明の量子カスケードレーザでは、多重量子井戸が、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層とＩｎＰを含む障壁層とを有する構成の採用が可能である。また、発振波長として、１．５５μｍ以下の発振波長も可能となる。
【００１８】
本発明の量子カスケードレーザでは、活性層が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されることも可能である。この場合、活性層が、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、及び、Ｎから成る群から選択される複数の元素を含む構成も可能である。
【００１９】
第１の多重量子井戸のミニギャップと第２の多重量子井戸のミニギャップとの間のエネルギー準位の差が、１０ｍｅＶ以上で１ｅＶ以下である構成の採用が可能である。この場合、光通信で用いられる光波長での発振が可能である。
【００２０】
前記活性層が、製造が容易なスラブ型導波路を形成する構成の採用が可能である。多重量子井戸と半導体中間層とが１５対以上繰り返し形成される構成の採用も可能である。また、前記活性層が、シングルプラズモン型導波路、又は、ダブルプラズモン型導波路を形成する構成も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の量子カスケードレーザの原理を示す活性層内のバンドプロファイル。
【図２】本発明の実現性を実証するシミュレーションの結果を示すバンドプロファイル。
【図３】本発明の第１の実施形態の量子カスケードレーザの断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態の量子カスケードレーザの断面図。
【図５】本発明の第３の実施形態の量子カスケードレーザの断面図。
【図６】特許文献１に記載された量子カスケードレーザにおけるバンドプロファイル。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に、本発明の量子カスケードレーザにおける原理を示す、活性層内のバンドプロファイルを例示する。本発明の量子カスケードレーザ１０では、レーザ活性層は、複数の積層された多重量子井戸１２からなり、隣接する２つの多重量子井戸１２の間には半導体中間層１４が配設される。各多重量子井戸１２には、複数の量子井戸層と複数の障壁層とがペアになって配設される。各多重量子井戸１２のバンドプロファイルの上部には、障壁層のプロファイルのエネルギー準位の上位にこれと隣接してミニギャップ１３が形成される。
【００２３】
上記構成において、高電位側から多重量子井戸１２のミニバンド１５内に注入された電子１６は、その量子井戸内１２では遷移することなく、半導体中間層１４を透過する。半導体中間層１４を透過した電子１６は、次の多重量子井戸１２の障壁層のバンドプロファイルの準位よりも高い準位に形成されたミニギャップ１３に衝突して、それよりも下位の準位のミニバンド１５に遷移する。この構造を採用することにより、電子１６の遷移エネルギーが通常の量子カスケードレーザにおけるバンドオフセットよりも大きくなるため、発振のより短波長化が可能となる。従って、従来の量子カスケードレーザでは困難とされていたＩｎＧａＡｓ量子井戸層を用いて、１．５５μｍ帯で発振する量子カスケードレーザの実現が可能となる。
【００２４】
図２は、本発明の量子カスケードレーザを実現するために行ったシミュレーション結果を、バンドプロファイルで示す。同図には、活性層内で隣接する２つの多重量子井戸１２Ａ、１２Ｂと、その間に配設される半導体中間層１４とが示されている。各波線１１は、サブバンドを示し、各サブバンド１１Ａ、１１Ｂの集合がミニバンド１５Ａ、１５Ｂを構成する。隣接するミニバンド１５Ａ、１５Ｂの間は、ミニギャップ１３で分離されている。多重量子井戸１２Ａ、１２Ｂを構成する量子井戸層及び障壁層の組成を調整することにより、障壁層のプロファイルの上側の準位には、ミニギャップ１３が形成される。
【００２５】
シミュレーションの結果として、特定組成の材料を選定して、障壁層のエネルギー準位の上位の所望の準位にミニギャップ１３が配置できる。つまり、量子井戸層及び障壁層の材料の組成を適切に調整することにより、障壁層のエネルギー準位の直近の上位にエネルギー準位を有するミニギャップ１３の形成が可能である。また、１つの多重量子井戸内１２Ａ、１２Ｂに１つのミニバンド１５Ａ、１５Ｂが形成されるように構成することが可能である。
【００２６】
一例として、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＩｎＰ障壁層とを組み合わせた量子井戸を挙げると、ＩｎＰのバンドギャップは１．３５ｅＶであり、Ｉｎ組成が０．４８、Ｇａ組成０．５２のＩｎＧａＡｓ（以下、Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓと記載する。）のバンドギャップは０．７５ｅＶである。このとき、シミュレーションの結果として、図２に示すように、多重量子井戸１２Ｂの障壁層のエネルギー準位の直近の高い準位にエネルギー準位を有するミニギャップ１３が形成されることが判明した。このため、上位の多重量子井戸１２Ａから注入された電子１６は、ミニギャップ１３に衝突して、多重量子井戸１２Ｂの次のエネルギー準位にあるミニバンド１５Ｂに遷移する。本シミュレーションから、本発明の量子カスケードレーザの実現性が示された。
【００２７】
また、その他の量子井戸の組み合わせとしては、バンドギャップが１．６３ｅＶのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる障壁層と、バンドギャップが１．４２ｅＶのＧａＡｓからなる量子井戸層（以下、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ（１．６３ｅＶ）／ＧａＡｓ（１．４２ｅＶ）と記載する。）、  Ｉｎ０．５３Ａｌ０．４７Ａｓ（１．４２ｅＶ）／Ｇａ０．４６Ｉｎ０．５４Ａｓ（０．８６ｅＶ）、ＧａＮ（３．４ｅＶ）／Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（１．２４ｅＶ）
等が挙げられる。
【００２８】
第１の実施形態
図３は、本発明の第１の実施形態に係る量子カスケードレーザとしての半導体レーザの断面図を示す。半導体レーザ１０Ａは、下部クラッド層を構成するＩｎＰ基板（１００）２１と、そのＩｎＰ基板２１の表面上に順次に積層された、活性層２２、ＩｎＰ上部クラッド層２３、及び、上部電極（負極）２４と、ＩｎＰ基板２１の裏面に形成された下部電極（正極）２５とを有する。活性層２２は、複数の多重量子井戸２６と、隣接する２つの多重量子井戸２６に挟まれた半導体中間層２７とから構成される。各多重量子井戸２６は、それぞれがＩｎＧａＡｓ量子井戸層及びＩｎＰ障壁層を含む複数のペア層から構成される。
【００２９】
量子カスケードレーザ１０Ａは、共振器長が１ｍｍで、メサストライプを有するリッジ型レーザとして構成され、そのリッジ幅は１０μｍである。下部電極２５は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層から成り、上部電極２４は、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ層から成る。
【００３０】
双方のＩｎＰクラッド層２１、２３のバンドギャップは１．３５ｅＶである。ＩｎＧａＡｓ量子井戸層は、このＩｎＰに格子整合させるため、Ｉｎ組成を０．４８、Ｇａ組成を０．５２とする。この組成を有するＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓのバンドギャップは０．７５ｅＶである。ＩｎＧａＡｓ量子井戸層の厚さは２ｎｍであり、ＩｎＰ障壁層の厚さは１ｎｍである。量子井戸層及び障壁層のペア層の数は例えば４ペアである。この多重量子井戸２６は、活性層２２内に複数が形成されており、その間の半導体中間層２７として、厚さが４０ｎｍのＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ層が形成されている。
【００３１】
活性層２２の厚さは、光閉じ込め係数を出来るだけ大きくするために、全体で約８００ｎｍとする。この目的のために、各多重量子井戸２６と半導体中間層２７のペア数は例えば１５．５ペアとし、最下層及び最上層を多重量子井戸２６とする。さらに、ＩｎＰ上部クラッド層２３の厚さは、例えば３μｍである。ＩｎＰ下部クラッド層２１は、レーザ構造の結晶成長後に、ラッピング加工によって薄くする。例えば、ラッピング加工後の厚みとして、ハンドリングの容易さを勘案して、５０μｍ程度とする。
【００３２】
以下、第１の実施形態の量子カスケードレーザ１０Ａの製造方法を説明する。まず、ＩｎＰ基板を構成する下部クラッド層２１の上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長）により、成長温度６００℃で、２ｎｍ厚みのＩｎＧａＡｓと１ｎｍ厚みのＩｎＰとをペア層として、４ペアを含む多重量子井戸２６を成長する。次に、半導体中間層２７を構成するＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ層を４０ｎｍ厚みに成長する。これら多重量子井戸２６の成長と半導体中間層２７の成長とを交互に１５回繰り返す。
【００３３】
次に、ＩｎＰ上部クラッド層２３を３μｍの厚みに成長する。以上のようにして、半導体レーザ１０Ａを構成する半導体積層構造が完成する。次いで、半導体積層構造の表面にＳｉＮｘ層などでパターニングされたストライプ層を形成し、これをマスクとして、半導体積層構造のパターニングを行う。パターニングには、ドライエッチング装置を使用し、リッジ幅が１０μｍのメサストライプを形成する。
【００３４】
その後、パッシベーション膜として、上記のようにパターニングされた半導体積層構造の表面に、ＰＥＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長）により、図示しないＳｉＮｘ膜を１２０ｎｍ厚みに堆積する。次いで、エッチングにより、上部電極２４の形状に合わせた開口をＳｉＮｘ膜上に形成する。
【００３５】
次いで、ＥＢ蒸着法を用い、開口から露出する上部クラッド層の表面上に、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極２４を形成する。なお、蒸着の方法として、抵抗加熱蒸着法やスパッタ法などにより蒸着しても良い。
【００３６】
次に、ラッピング装置を用いて、ＩｎＰ基板２１の裏面から、ＩｎＰ基板２１の厚さが５０μｍになるように研磨する。その後、共振器構造を形成するため、半導体積層を含む基板を、ストライプメサの延長方向と垂直方向にへき開を行う。このへき開により、共振器長１ｍｍのメサが得られる。さらに、メサを挟んだ箇所を単位としてメサと平行方向に基板をダイシングして、基板を個々の半導体レーザ素子に分離する。必要に応じて、へき開面に誘電体反射膜を形成することにより、本実施形態の半導体レーザ１０Ａが完成する。
【００３７】
第２の実施形態
図４は、本発明の第２の実施形態に係る量子カスケードレーザから成る半導体レーザを示す断面図である。本実施形態の半導体レーザ１０Ｂは、基板を構成するＩｎＰクラッド層２１上に、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＩｎＰ量子障壁層とを交互に積層して形成した多重量子井戸２６と、ＩｎＧａＡｓ半導体中間層２７とを交互に積層して、活性層２２を形成する。活性層２２の上にＡｕからなる上部電極２４を堆積して、半導体積層構造を形成する。このような、クラッド層を有しない積層構造は、シングルプラズモン構造と呼ばれ、Ａｕ電極における大きな消衰係数のため、積層上部への光漏れが極めて小さいという利点を有する。このため、発生した光が、活性層２２内に効率的に閉じ込められる。この半導体レーザ１０Ｂは、例えば共振器長が１ｍｍのメサストライプを有するリッジ型のレーザであり、リッジ幅は例えば１０μｍである。
【００３８】
ここで、活性層２２の構成は、第１の実施形態と同様とする。
【００３９】
活性層２２の厚さは、光閉じ込め係数を出来るだけ大きくするために、全体で約２００ｎｍとする。このため、多重量子井戸２６と半導体中間層２７のペア数は３．５ペアとし、最上層及び最下層を多重量子井戸２６とする。Ａｕ上部電極２４の厚さは１０ｎｍである。ＩｎＰクラッド層２１は、レーザ積層構造の結晶成長後、ラッピング加工において薄くする。ハンドリングの容易さを勘案して、その最終厚みを５０μｍ程度とする。
【００４０】
以下、第２の実施形態に係る量子カスケードレーザを構成する半導体レーザ１０Ｂの製造方法を説明する。まず、ＩｎＰクラッド層２１を構成するＩｎＰ基板上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長）により、成長温度６００℃で、２ｎｍ厚みのＩｎＧａＡｓ層と、１ｎｍ厚みのＩｎＰ障壁層とから成る量子井戸構造を４ペア成長し多重量子井戸２６を形成する。次に、半導体中間層であるＩｎＧａＡｓ層２７を４０ｎｍ厚みに成長する。これら多重量子井戸２６と半導体中間層２７の成長を交互に１５回繰り返す。このようにして、半導体レーザを構成する半導体積層構造が完成する。
【００４１】
半導体積層構造の表面にストライプ状のＳｉＮｘ層を形成し、これをマスクとして半導体積層構造のパターニングを行う。パターニングには、ドライエッチング装置を用い、リッジ幅が１０μｍのメサストライプを形成する。その後、パッシベーション膜として、半導体積層構造の表面に、ＰＥＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長）を用いて、ＳｉＮｘ膜を１２０ｎｍ厚みに堆積する。次いで、上部電極の形状に合わせた開口をＳｉＮｘ膜上に形成する。
【００４２】
ＳｉＮｘ膜の開口内に露出する半導体積層の表面に、ＥＢ蒸着法を用い、Ａｕ上部電極を堆積する。蒸着の方法としては、抵抗加熱蒸着法やスパッタ法などを用いてもよい。次に、ラッピング装置を用いて、ＩｎＰ基板２１の裏面から、ＩｎＰ基板の最終厚さが５０μｍになるように研磨する。
【００４３】
その後、基板をメサストライプと垂直方向にへき開を行い、半導体レーザの共振器構造を形成する。このへき開により、共振器長が１ｍｍのレーザを得る。さらに、メサを挟んだ箇所を単位として、メサと平行方向にダイシングを行い、半導体基板を個々の半導体レーザ素子に分離する。必要に応じて、へき開面に誘電体反射膜を形成することにより、半導体レーザが完成する。以上の工程を経ることで、第２の実施形態の半導体レーザを製造できる。
【００４４】
第３の実施形態
図５は、本発明の第３の実施形態に係る量子カスケードレーザを構成する半導体レーザの断面図である。本半導体レーザ１０Ｃは、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＩｎＰ量子障壁層からなる複数の多重量子井戸２６を積層し、隣接する多重量子井戸２６の間に半導体中間層２７を挟んで活性層２２としている。活性層２２の上部にはＡｕ上部電極２４が形成されている。また、活性層２２の下部にはＡｕ下部電極２５が形成されている。このように活性層の上下にクラッド層を有しない構造は、ダブルプラズモン構造と呼ばれる。ダブルプラズモン構造は、積層の上下を挟むＡｕ電極２４、２５における大きな消衰係数のため、上部および下部への光のもれが極めて小さくなり、ほとんど全ての光が活性層２２内に閉じ込められる。この半導体レーザの共振器長は、例えば１ｍｍであり、メサを有するリッジ型のレーザとして構成され、リッジ幅は例えば１０μｍである。
【００４５】
ここで、活性層２２の構成は、第１の実施形態と同様とする。
【００４６】
活性層２２の厚さは、光閉じ込め係数を出来るだけ大きくするために、全体で約２００ｎｍとする。この目的のため、多重量子井戸２６と半導体中間層２７のペア数は３．５とする。また、上部および下部のＡｕ電極の厚さは、例えば５０ｎｍとする。
【００４７】
以下、図５の量子カスケードレーザを構成する半導体レーザの製造方法を説明する。まず、ＩｎＰ基板上にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長）により、成長温度６００℃で、１ｎｍ厚みのＩｎＧａＡｓ量子井戸層及び２ｎｍ厚みのＩｎＰ障壁層から成るペア層を４ペア含む多重量子井戸構造を４ペア成長する。次に、ＩｎＧａＡｓ半導体中間層でを４０ｎｍ厚みに成長する。これら多重量子井戸と半導体中間層の成長を交互に１５回繰り返す。以上のようにして、半導体レーザ構成する半導体積層構造が完成する。
【００４８】
次に、塩酸及び燐酸を含む混合液をエッチャントとし、ＩｎＰ基板を取り除く。この場合、ＩｎＰのエッチングレートはＩｎＧａＡｓのレートに比べて、十分に速いため、ＩｎＰが除去されると、ＩｎＧａＡｓ層でエッチストップする。半導体積層構造の表面にパターニングされたＳｉＮｘストライプ層を形成し、これをマスクとしてパターニングを行い、半導体積層構造をエッチングする。エッチングは、ドライエッチング装置で行い、リッジ幅が１０μｍの半導体レーザのメサストライプを形成する。
【００４９】
その後、パッシベーション膜として、半導体積層構造の表面にＰＥＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長）によりＳｉＮｘ膜を１２０ｎｍ堆積する。次いで、上部電極の形状に合わせた開口をＳｉＮｘ膜上に形成する。開口内に露出する半導体積層の表面に、ＥＢ蒸着法により、Ａｕ電極を形成する。なお、蒸着の方法として、抵抗加熱蒸着法やスパッタ法などにより蒸着しても良い。
【００５０】
その後、共振器構造を形成するため、基板をメサストライプと垂直方向にへき開する。へき開は、共振器長が１ｍｍとなるように行う。さらに、メサを挟んだ箇所を単位としてメサと平行方向にダイシングを行うことで、積層構造を個々の半導体レーザ素子に分離する。必要に応じて、へき開面に誘電体反射膜を形成することにより、半導体レーザが完成する。以上の工程を経ることで、実施形態３の半導体レーザを製造できる。
【００５１】
本発明は、短波長、狭線幅、及び、超高速変調の光通信用半導体レーザを実現できる量子カスケードレーザ提供する。本発明の量子カスケードレーザは、情報通信における伝送容量の大容量化、高速化を実現するために利用できる。
【００５２】
本発明を特別に示し且つ例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明は、その実施形態及びその変形に限定されるものではない。当業者に明らかなように、本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０：量子カスケードレーザ
１１：サブバンド
１２：多重量子井戸
１３：ミニギャップ
１４：半導体中間層
１５：ミニバンド
１６：電子
２１：下部クラッド層（ＩｎＰ基板）
２２：活性層
２３：上部クラッド層
２４：上部電極
２５：下部電極
２６：多重量子井戸
２７：半導体中間層
【図１】
2010238711.tif 000003
【図２】
2010238711.tif 000004
【図３】
2010238711.tif 000005
【図４】
2010238711.tif 000006
【図５】
2010238711.tif 000007
【図６】
2010238711.tif 000008