(57)【要約】【課題】光吸収による導波損を低減する。【解決手段】量子カスケード半導体レーザ１０では、アンドープまたは半絶縁性の基板１１は、一方向に沿って順に配置された第１領域１１ａ、第２領域１１ｂ、第３領域１１ｃ及び第４領域１１ｄを有し、ｎ型の下部導電層１２は、第２領域１１ｂ、第３領域１１ｃ及び第４領域１１ｄ上に設けられ、コア層１３は、第２領域１１ｂ上の下部導電層１２上に設けられ、埋込層１４ａ，１４ｃは、コア層１３の両側面を埋め込むように第１領域１１ａ及び第３領域１１ｃ上に設けられ、ｎ型の上部導電層１５は、埋込層１４ａ及びコア層１３上に設けられ、アンドープまたは半絶縁性のクラッド層１６は、コア層１３を覆うように上部導電層１５上に設けられ、上部電極Ｅ１は、第１領域１１ａ上の上部導電層１５上に設けられ、下部電極Ｅ２は、第４領域１１ｄ上の下部導電層１２上に設けられる。【選択図】図１
2014170825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する基板と、
前記主面に設けられた半導体積層と、
前記半導体積層上に設けられた第１電極と、
前記半導体積層上に設けられた第２電極と、
を備え、
前記半導体積層は、量子カスケード半導体レーザにおける発光のためのコア層、下部導電層、上部導電層、第１埋込層、第２埋込層及びクラッド層を有し、
前記基板は、前記主面の法線軸に直交する一方向に沿って順に配置された第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域を有し、
前記下部導電層は、前記第２領域、前記第３領域及び前記第４領域上に設けられ、
前記コア層は、前記第２領域上において前記下部導電層上に設けられ、
前記第１埋込層は、前記コア層の一側面を埋め込むように前記第１領域上に設けられ、
前記第２埋込層は、前記コア層の他側面を埋め込むように前記第３領域上に設けられ、
前記上部導電層は、前記第１領域上において前記第１埋込層上に設けられ、前記第２領域上において前記コア層上に設けられ、
前記クラッド層は、前記第２領域上において前記上部導電層上に設けられ、
前記第１電極は、前記第１領域上において前記上部導電層上に設けられ、
前記第２電極は、前記第４領域上において前記下部導電層上に設けられ、
前記下部導電層の導電型は、前記上部導電層の導電型と同じであり、
前記基板及び前記クラッド層は、アンドープまたは半絶縁性の半導体によって構成され、
前記第１埋込層及び前記第２埋込層は、半絶縁性の半導体によって構成されていることを特徴とする量子カスケード半導体レーザ。
【請求項２】
前記クラッド層の前記一方向に沿った長さは、前記コア層の前記一方向に沿った長さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項３】
前記半導体積層上に設けられた絶縁膜をさらに備え、
前記絶縁膜は、前記第１領域上に設けられた第１開口部と、前記第４領域上に設けられた第２開口部と、を有し、
前記第１電極は、前記第１開口部を介して前記上部導電層に接触を成し、
前記第２電極は、前記第２開口部を介して前記下部導電層に接触を成すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項４】
前記絶縁膜は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物及び酸化アルミニウムのいずれかによって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１電極は、前記第２領域及び前記第３領域の上まで延びていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１領域上の前記半導体積層の高さ及び前記第４領域上の前記半導体積層の高さは、前記第２領域上の前記半導体積層の高さと同じであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項７】
前記クラッド層は、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒまたはＣｏのうちのいずれかの遷移金属を含む半導体によって構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項８】
前記第１埋込層及び前記第２埋込層は、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒもしくはＣｏのうちのいずれかの遷移金属を含むＩｎＰ、または、前記遷移金属を含むＡｌＩｎＡｓによって構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項９】
前記下部導電層、前記上部導電層及び前記クラッド層は、いずれもＩｎＰによって構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項１０】
前記コア層は、発光領域である複数の発光層と、前記発光層にキャリアを注入するための複数の注入層と、を有し、
前記発光層及び前記注入層は、交互に配列されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項１１】
前記発光層及び前記注入層の各々は、ＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓの超格子列によって構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項１２】
前記基板は、ＩｎＰにより構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子カスケード半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光素子として量子カスケード半導体レーザ（ＱＣＬ：Quantum  Cascade  Laser）が知られている。この量子カスケード半導体レーザは、環境ガス分析、医療診断、産業加工などの分野において使用可能な小型かつ低コストの光源として有望視されている。量子カスケード半導体レーザの電流狭窄構造としては、例えば非特許文献１に記載されている埋め込みヘテロストラクチャ（ＢＨ：Buried  Heterostructure）がある。
【０００３】
この埋め込みヘテロストラクチャの量子カスケード半導体レーザは、少なくともコンタクト層、上部クラッド層、光閉じ込め層及びコア層を有するメサ導波路と、電子に対し高抵抗の半絶縁性半導体からなり、メサ導波路の側壁を埋め込む埋込層と、メサ導波路の上に設けられた上部電極と、基板の裏面に設けられた下部電極と、を備える。この量子カスケード半導体レーザでは、上部電極と下部電極とに給電され、コア層に所定の電圧が印加されることによって、伝導帯の複数のサブバンド準位から構成される電子の移動経路がコア層に形成される。そして、この移動経路を伝って電子が高電位側のサブバンド準位から低電位側のサブバンド準位に発光遷移を繰り返しながら移動することにより、ＱＣＬとしてのレーザ発振が生じる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Applied  Physics  Letters,  vol.94,  011103,  2009
【非特許文献２】Journal  of  Crystal  Growth,  vol.62,  pp.198-202,  1983
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような量子カスケード半導体レーザでは、コア層に電圧を選択的に印加し、かつ、コア層への電流注入を容易にするために、埋込層及びコア層を除く半導体層と、基板はｎ型にドープされる。しかしながら、各層をｎ型にドープした場合、自由電子が発生し、この自由電子によって、光吸収が生じるおそれがある。特に、中赤外領域においては、波長が長いので強い光吸収が生じるおそれがある。このため、ｎ型にドープされた層の光吸収によって、導波損が増加するおそれがある。例えば、非特許文献１の素子では、８．７７（ｃｍ−１）といった大きな導波損が報告されている。導波損の増加は、閾値電流を増大し、レーザ発振を困難化するため好ましくない。
【０００６】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、光吸収による導波損を低減可能な構造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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一側面に係る量子カスケード半導体レーザは、（ａ）主面を有する基板と、（ｂ）前記主面に設けられた半導体積層と、（ｃ）前記半導体積層上に設けられた第１電極と、（ｄ）前記半導体積層上に設けられた第２電極と、を備える。前記半導体積層は、量子カスケード半導体レーザにおける発光のためのコア層、下部導電層、上部導電層、第１埋込層、第２埋込層及びクラッド層を有する。前記基板は、前記主面の法線軸に直交する一方向に沿って順に配置された第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域を有する。前記下部導電層は、前記第２領域、前記第３領域及び前記第４領域上に設けられる。前記コア層は、前記第２領域上において前記下部導電層上に設けられる。前記第１埋込層は、前記コア層の一側面を埋め込むように前記第１領域上に設けられる。前記第２埋込層は、前記コア層の他側面を埋め込むように前記第３領域上に設けられる。前記上部導電層は、前記第１領域上において前記第１埋込層上に設けられ、前記第２領域上において前記コア層上に設けられる。前記クラッド層は、前記第２領域上において前記上部導電層上に設けられる。前記第１電極は、前記第１領域上において前記上部導電層上に設けられる。前記第２電極は、前記第４領域上において前記下部導電層上に設けられる。前記下部導電層の導電型は、前記上部導電層の導電型と同じであり、前記基板及び前記クラッド層は、アンドープまたは半絶縁性の半導体によって構成され、前記第１埋込層及び前記第２埋込層は、半絶縁性の半導体によって構成される。
【０００８】
このような量子カスケード半導体レーザでは、コア層は上部導電層と下部導電層との間に設けられ、第１電極は上部導電層上に設けられ、第２電極は下部導電層上に設けられる。また、上部導電層の導電型及び下部導電層の導電型は同じである。このため、コア層への電圧の印加及び電流の注入は、上部導電層と下部導電層とを介して行われ得る。また、基板及びクラッド層は、アンドープの半導体または半絶縁性の半導体によって構成される。このため、基板及びクラッド層では、中赤外波長領域において光吸収が小さい。その結果、ｎ型半導体層の光吸収に起因する導波損の低減が可能となる。
【０００９】
前記クラッド層の前記一方向に沿った長さは、前記コア層の前記一方向に沿った長さよりも大きくてもよい。この場合、クラッド層によって、上部電極とコア層との距離を一定以上確保することができ、導波光の分布が上部電極に広がることを抑制できる。このため、上部電極による導波損の増加を低減することが可能となる。
【００１０】
量子カスケード半導体レーザは、前記半導体積層上に設けられた絶縁膜をさらに備えてもよい。前記絶縁膜は、前記第１領域上に設けられた第１開口部と、前記第４領域上に設けられた第２開口部と、を有してもよく、前記第１電極は、前記第１開口部を介して前記上部導電層に接触を成してもよく、前記第２電極は、前記第２開口部を介して前記下部導電層に接触を成してもよい。絶縁膜が半導体積層上に設けられる場合、絶縁膜が第１領域上に設けられた第１開口部と、第４領域上に設けられた第２開口部と、を有するので、例えば前記第１電極より前記第２電極が高電位となるように電圧を印加した場合、この第１開口部から上部導電層を介してコア層にキャリアである電子が注入され、第２開口部から下部導電層を介してキャリアである電子が外部に排出される。
【００１１】
前記絶縁膜は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、酸化アルミニウムのいずれかによって構成されてもよい。これらの化合物から構成されている絶縁膜は、半導体素子の保護膜として用いられており、優れた耐久性及び絶縁性を有する。また、これらの絶縁膜は、スパッタ及びＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）といった成膜装置を用いて容易に成膜することができる。このため、これらの絶縁膜の成膜は、製造プロセスに容易に導入することができる。
【００１２】
前記第１電極は、前記第２領域及び前記第３領域の上まで延びてもよい。第１電極が第１領域だけでなく、第２領域及び第３領域の上にも設けられることにより、コア層からの放熱性を向上することができる。その結果、量子カスケード半導体レーザの温度特性の向上が可能となる。
【００１３】
前記第１領域上の前記半導体積層の高さ及び前記第４領域上の前記半導体積層の高さは、前記第２領域上の前記半導体積層の高さと同じであってもよい。この量子カスケード半導体レーザがエピダウン実装される場合、量子カスケード半導体レーザは第１領域上の半導体積層、第２領域上の半導体積層及び第４領域上の半導体積層によって支えられる。このため、第１領域上の半導体積層、第２領域上の半導体積層及び第４領域上の半導体積層に荷重が加わり、圧力が分散される。その結果、メサ導波路領域が受ける物理的ダメージを低減でき、素子特性の劣化の低減が可能となる。
【００１４】
前記クラッド層は、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒまたはＣｏのうちのいずれかの遷移金属を含む半導体によって構成されてもよい。これらの遷移金属をドーパントとして半導体に添加することにより、半導体は半絶縁化される。そして、半絶縁化された半導体は、電子に対して高抵抗値を有する。このため、クラッド層を通過する漏れ電流を低減でき、クラッド層に注入される電子に起因する自由キャリアを低減できる。その結果、光吸収による導波損の低減が可能となる。
【００１５】
前記第１埋込層及び前記第２埋込層は、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒもしくはＣｏのうちのいずれかの遷移金属を含むＩｎＰ、または、前記遷移金属を含むＡｌＩｎＡｓによって構成されてもよい。これらの遷移金属をドーパントとしてＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓに添加することにより、ＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓは半絶縁化される。そして、半絶縁化されたＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓは、電子に対して高抵抗値を有するので、第１埋込層及び第２埋込層に電流が流れるのを抑制できる。その結果、電流はコア層に狭窄されるため、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。
【００１６】
前記下部導電層、前記上部導電層及び前記クラッド層は、いずれもＩｎＰによって構成されてもよい。ＩｎＰは熱伝導性が高いため、ＩｎＰを下部導電層、上部導電層及びクラッド層に用いることにより、コア層からの放熱性を向上することができる。その結果、量子カスケード半導体レーザの温度特性の向上が可能となる。
【００１７】
前記コア層は、発光領域である複数の発光層と、前記発光層にキャリアを注入するための複数の注入層と、を有してもよく、前記発光層及び前記注入層は、交互に配列されてもよい。発光層間に注入層を設けることにより、電子が隣り合う発光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遷移による発光が効率よく生じる。その結果、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。
【００１８】
前記発光層及び前記注入層の各々は、ＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓの超格子列によって構成されてもよい。この超格子列によって、発光層内の伝導帯サブバンド間遷移による中赤外での発光が得られる。
【００１９】
前記基板は、ＩｎＰにより構成されてもよい。半導体積層の格子定数は、ＩｎＰの格子定数に近い。このため、ＩｎＰ基板を用いることにより、半導体積層の結晶成長を良好に行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、光吸収による導波損を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る量子カスケード半導体レーザの構造を概略的に示す図である。
【図２】（ａ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＩａ−ＩＩａ線に沿っての断面を概略的に示す図、（ｂ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿っての断面を概略的に示す図である。
【図３】（ａ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿っての断面を概略的に示す図、（ｂ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿っての断面を概略的に示す図である。
【図４】（ａ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＶａ−ＩＶａ線に沿っての断面を概略的に示す図、（ｂ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿っての断面を概略的に示す図である。
【図５】図１の量子カスケード半導体レーザの概略平面図である。
【図６】図１の量子カスケード半導体レーザのコア層の一例を示す図である。
【図７】第２実施形態に係る量子カスケード半導体レーザの構造を概略的に示す図である。
【図８】第２実施形態に係る量子カスケード半導体レーザの変形例の構造を概略的に示す図である。
【図９】第３実施形態に係る量子カスケード半導体レーザの構造を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る量子カスケード半導体レーザの構造を概略的に示す図である。図２の（ａ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＩａ−ＩＩａ線に沿っての断面を概略的に示す図、（ｂ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿っての断面を概略的に示す図である。図３の（ａ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿っての断面を概略的に示す図、（ｂ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿っての断面を概略的に示す図である。図４の（ａ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＶａ−ＩＶａ線に沿っての断面を概略的に示す図、（ｂ）は図１の量子カスケード半導体レーザのＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿っての断面を概略的に示す図である。図５は、図１の量子カスケード半導体レーザの概略平面図である。
【００２４】
図１〜図５に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１０は、埋め込みヘテロストラクチャの電流狭窄構造を有する量子カスケード半導体レーザ素子であって、約３〜２０μｍの中赤外波長領域での発振が可能である。量子カスケード半導体レーザ１０は、基板１１と、半導体積層２０と、絶縁膜４１と、上部電極Ｅ１（第１電極）と、下部電極Ｅ２（第２電極）と、を備え得る。また、図５に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１０は、一方の光出射端面１０ｆ及び他方の光出射端面１０ｅを有している。
【００２５】
基板１１は、例えばアンドープの半導体基板であって、例えばＩｎＰにより構成されている。基板１１は、半絶縁性の半導体基板であってもよい。半絶縁性の半導体基板としては、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属をドープすることにより半絶縁化されたＩｎＰから構成される基板が用いられる。ドーパントとして用いられる遷移金属は、電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成可能である。これらの遷移金属をドープした基板１１は、電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有する。なお、ドーパントとしては、Ｆｅが一般に用いられる。基板１１では、中赤外波長領域における光吸収は微小である。このため、基板１１は、低光吸収損の導波層として機能する。基板１１の厚さは、例えば１００〜２００μｍ程度である。
【００２６】
基板１１は、主面１１ｍと、主面１１ｍと反対側の裏面１１ｎとを有する。また、基板１１は、主面１１ｍの法線軸ＮＶに直交する一方向（以下、「幅方向」という。）に沿って順に配置された第１領域１１ａ、第２領域１１ｂ、第３領域１１ｃおよび第４領域１１ｄを有する。この第１領域１１ａ、第２領域１１ｂ、第３領域１１ｃおよび第４領域１１ｄの各々は、主面１１ｍの法線軸ＮＶと幅方向とによって規定される面に直交する他方向に沿ってストライプ状に延びている。
【００２７】
半導体積層２０は、基板１１の主面１１ｍ上に設けられる。半導体積層２０は、下部導電層１２と、コア層１３と、埋込層１４ａ（第１埋込層）と、埋込層１４ｃ（第２埋込層）と、上部導電層１５と、クラッド層１６と、を含み得る。半導体積層２０に含まれる各層は、他方向に沿ってストライプ状に延びている。下部導電層１２は、基板１１の第２領域１１ｂ、第３領域１１ｃ及び第４領域１１ｄ上に設けられ、第１領域１１ａ上に設けられてもよい。下部導電層１２は、例えば導電型がｎ型の（以下、単に「ｎ型」という。）ＩｎＰにより構成され、その厚さは、例えば０．１〜２μｍ程度である。ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｓ、Ｓｎ及びＳｅ等が用いられる。コア層１３は、量子カスケード半導体レーザにおける発光のための層であって、基板１１の第２領域１１ｂ上において下部導電層１２上に設けられ、下部導電層１２及び上部導電層１５の間に位置する。コア層１３の主面は上部導電層１５に接触を成し、コア層１３の裏面は下部導電層１２に接触を成している。コア層１３の幅方向に沿っての長さＷ２は、例えば３〜２０μｍ程度である。
【００２８】
図６は、量子カスケード半導体レーザのためのコア層１３の一例を示す図面である。量子カスケード半導体レーザ１０では、コア層１３は、発光領域である複数の発光層３１と、この発光層３１にキャリアを注入するための複数の注入層３３とを含む。これら発光層３１及び注入層３３は交互に配列されており、発光層３１及び注入層３３の各々はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列を含んでもよい。
【００２９】
図６に示されるように、コア層１３は、発光層３１及び注入層３３から成る単位構造を含み、この単位構造が数十周期の多段に接続される。発光層３１及び注入層３３の各々は、数ｎｍ厚の薄膜の量子井戸層と、同じく数ｎｍ厚の薄膜で量子井戸層よりも高バンドギャップのバリア層とが交互に積層された超格子列からなる。
【００３０】
ここで、量子カスケード半導体レーザの発光原理を簡単に説明する。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が利用され、伝導帯における電子のサブバンド間遷移により発光が生じる。図６に示されるように、超格子構造に起因して、発光層中には上準位、下準位１及び下準位２の合計３つのサブバンド準位が形成されている。上部電極Ｅ１と下部電極Ｅ２との間に電圧を印加することにより、このコア層に電界を印加すると、これらのサブバンド準位で構成される電子の移動経路がコア層中に形成される。そして、この移動経路において、その電界によって電子にとって高電位側の発光層１の上準位に電子が注入されて下準位１に遷移する。その際に、両準位間のエネルギ差に対応する波長の発光が生じる。ここで、発光層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切に選択して上準位と下準位１のエネルギ差を調節する。これによって、波長３〜２０μｍの中赤外発光を得ることができる。中赤外発光に良い材料として、本実施形態では、量子井戸層にはＧａＩｎＡｓが適用され、バリア層にはＡｌＩｎＡｓが適用される。これらの材料をコア層超格子列に用いることにより、伝導帯サブバンド間遷移による、波長３〜２０μｍの中赤外領域で発振可能な量子カスケード半導体レーザを実現できる。
【００３１】
次に、発光層１の下準位１に遷移した電子は、ＬＯフォノンを放出して、更にその下の下準位２へ高速に緩和した後に、注入層１を経由して隣の単位構造の発光層２の上準位に注入される。この説明から理解されるように、下準位２は、下準位１に遷移した電子を高速に緩和させて下準位１のキャリアを枯渇させ、上準位との間でのキャリアの反転分布を効率よく形成するために用いられる。また、注入層は、図６に示されるように、多数のサブバンド準位が密集したミニバンドと呼ばれる電子の輸送路が形成された構造となっていることができ、この電子の輸送路を電子が通過して、次の発光層へスムーズに注入される。発光層２に注入された電子は発光層１と同様に発光遷移した後に、注入層２を経由して次の単位構造の発光層３に受け渡され、以下同様にして、多段に接続された各単位構造で発光遷移が繰り返される。量子カスケード半導体レーザの出力光としては、各単位構造での発光が足し合わさって放出されるが、電流注入増加と共に、発光が強まり、やがて発振閾値に達すると、利得が内部ロスや共振器ロスを上回って発振が生じる。
【００３２】
このようにコア層としては、注入層及び発光層を多段接続した構造が用いられ、発光層間を注入層で接続することで、電子は隣接する発光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遷移による発光が効率よく生じる。この説明から明らかなように、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。
【００３３】
一方、光通信等で用いられるｐｎ接合を用いた半導体レーザでは、伝導帯の電子が価電子帯にバンド間遷移し、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により発光が生じる。したがって、量子カスケード半導体レーザは、ｐｎ接合を用いたレーザダイオードと異なる原理により発光している。
【００３４】
図１〜図５を参照して、量子カスケード半導体レーザ１０の説明を続ける。埋込層１４ａは、コア層１３の一側面を埋め込むように基板１１の第１領域１１ａ上に設けられ、下部導電層１２及び上部導電層１５の間に位置する。埋込層１４ｃは、コア層１３の他側面を埋め込むように基板１１の第３領域１１ｃ上に設けられ、下部導電層１２及び上部導電層１５の間に位置する。埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃは、幅方向においてコア層１３を挟んで対向配置されている。埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃの厚さは、コア層１３の厚さと同程度であって、例えば１〜３μｍ程度である。
【００３５】
埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃは、半絶縁性の半導体により構成される。埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃに用いられる半絶縁性の半導体は、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属をドープすることにより半絶縁化されたＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓ等から構成される。ドーパントとして用いられる遷移金属は、電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成することで、半導体を半絶縁化する。これらの遷移金属をドープした半導体は、電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有する。埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃは、キャリアである電子に対して高抵抗であるので、メサ導波路領域に電流（キャリア）を狭窄するための電流ブロック層として機能する。なお、ドーパントとしては、Ｆｅが一般に用いられる。埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃでは、中赤外波長領域における光吸収は微小である。このため、埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃは、低光吸収損の導波層としても機能する。
【００３６】
上部導電層１５は、基板１１の第１領域１１ａ上において埋込層１４ａ上に設けられ、第２領域１１ｂ上においてコア層１３上に設けられる。上部導電層１５は、基板１１の第３領域１１ｃ上において埋込層１４ｃ上に設けられてもよい。上部導電層１５は、例えばｎ型のＩｎＰにより構成され、その厚さは、例えば０．１〜２μｍ程度である。ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｓ、Ｓｎ及びＳｅ等が用いられる。
【００３７】
クラッド層１６は、基板１１の第２領域１１ｂ上において上部導電層１５上に設けられる。すなわち、クラッド層１６は、上部導電層１５を挟んでコア層１３を覆うように設けられ、上部導電層１５の一部を覆っている。このため、量子カスケード半導体レーザ１０では、基板１１の第２領域１１ｂ上において半導体積層２０が突出している。また、クラッド層１６は、上部導電層１５と接触を成している。クラッド層１６の屈折率は、コア層１３の屈折率よりも小さい。
【００３８】
クラッド層１６は、例えばアンドープの半導体により構成される。アンドープの半導体としては、例えばＩｎＰが用いられる。クラッド層１６は、半絶縁性の半導体により構成されてもよい。クラッド層１６は、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒまたはＣｏのうちのいずれかの遷移金属を含む半絶縁性の半導体によって構成されてもよい。クラッド層１６に用いられる半絶縁性の半導体は、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属をドープすることにより半絶縁化されたＩｎＰ等から構成される。ドーパントとして用いられる遷移金属は、電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成することで、半導体を半絶縁化する。これらの遷移金属をドープした半導体は、電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有する。なお、ドーパントとしては、Ｆｅが一般に用いられる。クラッド層１６では、中赤外波長領域における光吸収は微小である。このため、クラッド層１６は、低光吸収損の導波層としても機能する。クラッド層１６の厚さは、例えば３〜５μｍ程度である。クラッド層１６の幅方向に沿っての長さＷ１は、コア層１３の幅方向に沿っての長さＷ２より大きい。クラッド層１６の幅方向に沿っての長さＷ１は、例えば１０〜４００μｍ程度である。
【００３９】
絶縁膜４１は、半導体積層２０を覆うようにして半導体積層２０上に設けられる。すなわち、絶縁膜４１は、基板１１の第１領域１１ａ、第２領域１１ｂ及び第３領域１１ｃ上において、上部導電層１５の主面、クラッド層１６の主面及び両側面を覆い、基板１１の第４領域１１ｄ上において下部導電層１２の主面を覆う。絶縁膜４１は、基板１１の第１領域１１ａ上に設けられた開口部４１ａ（第１開口部）を有する。また、絶縁膜４１は、基板１１の第４領域１１ｄ上に設けられた開口部４１ｄ（第２開口部）を有する。絶縁膜４１は、例えばシリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸窒化物（例えばＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（例えばアルミナ）等の誘電体膜により構成される。これらの誘電体膜は、半導体素子の保護膜として汎用的に用いられており、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、スパッタまたはＣＶＤなどの成膜装置を用いて成膜され、製造プロセスへの導入が容易である。
【００４０】
上部電極Ｅ１及び下部電極Ｅ２は、半導体積層２０上に設けられる。具体的には、上部電極Ｅ１は、基板１１の第１領域１１ａ上において上部導電層１５上に設けられ、絶縁膜４１の開口部４１ａを介して上部導電層１５に接触を成す。上部電極Ｅ１は、例えばＴｉ／ＡｕまたはＧｅ／Ａｕなどから構成される。下部電極Ｅ２は、基板１１の第４領域１１ｄ上において下部導電層１２上に設けられ、絶縁膜４１の開口部４１ｄを介して下部導電層１２に接触を成す。下部電極Ｅ２は、例えばＴｉ／ＡｕまたはＧｅ／Ａｕなどから構成される。
【００４１】
以上のように構成された量子カスケード半導体レーザ１０では、基板１１の第２領域１１ｂ上に、下部導電層１２、コア層１３、上部導電層１５及びクラッド層１６がこの順に設けられて、メサ導波路領域を成している。また、基板１１の第１領域１１ａ及び第３領域１１ｃ上に、コア層１３の両側面を埋め込むように埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃが設けられている。この埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃは、電子に対して高抵抗であるので、電流をコア層１３に狭窄するための電流ブロック層として機能する。そして、下部導電層１２は、基板１１の第１領域１１ａ、第２領域１１ｂ、第３領域１１ｃ及び第４領域１１ｄ上に設けられ、第４領域１１ｄ上において下部電極Ｅ２に接触を成している。また、上部導電層１５は、基板１１の第１領域１１ａ、第２領域１１ｂ及び第３領域１１ｃ上に設けられ、第１領域１１ａ上において上部電極Ｅ１に接触を成している。このため、上部電極Ｅ１及び下部電極Ｅ２に電圧が印加されることにより、コア層１３に所定の電界が印加され、量子カスケード半導体レーザ１０は発振する。
【００４２】
続いて、量子カスケード半導体レーザ１０の製造方法について説明する。まず、アンドープ、または半絶縁性の基板１１を準備する。そして、例えばＯＭＶＰＥ（Organometallic  Vapor  Phase  Epitaxy）またはＭＢＥ（Molecular  Beam  Epitaxy）等の結晶成長装置を用いて、基板１１の主面１１ｍ上にｎ型の下部導電層１２及びコア層１３を順に成長する。そして、素子中央のメサ導波路領域となる第２領域１１ｂのコア層１３上にマスクを形成し、マスクを用いてコア層をエッチングして、メサ導波路領域を形成する。
【００４３】
次に、上記コア層１３上のマスクを残した状態で、半絶縁性の半導体材料を用いて、メサ導波路領域に対する埋め込み再成長を行うことで、第１領域１１ａ上の下部導電層１２上に第１埋込層１４ａが、また第３領域１１ｃ、第４領域１１ｄの下部導電層１２上に第２埋込層１４ｃが各々形成される。一方、マスクで保護された第２領域１１ｂには、埋め込み層は成長しない。続いて、上記コア層１３上のマスクを除去した後、全領域上にｎ型の上部導電層１５と、アンドープまたは半絶縁性のクラッド層１６を連続成長する。次に、第１領域１１ａ、第２領域１１ｂ、第３領域１１ｃの表面上にマスクを形成し、これを用いて、第４領域１１ｄに対しエッチング処理を施すことで、第４領域１１ｄ上に形成された第２埋込層１４ｃと上部導電層１５を選択的に除去する。
【００４４】
その後、上記マスクを除去し、スパッタ法やＣＶＤ法により、全領域上に絶縁膜４１を形成する。さらにフォトリソグラフィー法を用いて、第１領域１１ａ、第４領域１１ｄにおける所定の領域に第１開口部４１ａ、第２開口部４１ｄを各々形成する。次に、例えば、リフトオフ法等を用いて、第１領域１１ａの第１開口部４１ａを含む絶縁膜４１上に上部電極Ｅ１を、また第４領域１１ｄの第２開口部４１ｄを含む絶縁膜４１上に下部電極Ｅ２を形成する。その後、劈開を容易にするため、半導体基板１１の裏面１１ｎを研磨等により、例えば１００〜２００μｍ程度まで薄くする。最後に、半導体基板１１を劈開することにより、所望の共振器長を有する量子カスケード半導体レーザ１０を作製する。なお、上記各マスク及び絶縁膜４１を構成する材料としては誘電体材料が好ましく、例えばシリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸窒化物（例えばＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（例えばアルミナ）等を用いることができる。
【００４５】
続いて、量子カスケード半導体レーザ１０の作用効果について説明する。従来の量子カスケード半導体レーザでは、コア層のみに電圧を効率よく印加するとともに、埋込層及びコア層以外の領域の抵抗値を低減して、コア層への電流注入を容易にするために、埋込層及びコア層を除く半導体層及び基板はｎ型にドープしている。一般的なドープ量の範囲としては、基板は１０１７（ｃｍ−３）台〜１０１８（ｃｍ−３）台、下部クラッド層は１０１６（ｃｍ−３）〜１０１７（ｃｍ−３）台、上部クラッド層は１０１６（ｃｍ−３）台〜１０１８（ｃｍ−３）台、光閉じ込め層は１０１６（ｃｍ−３）台、コンタクト層は上部電極との良好なオーミックコンタクト形成のため、１０１９（ｃｍ−３）台である。しかしながら、上記各層にｎ型のドーパントが添加されることにより自由電子が発生し、この自由電子によって光吸収が生じる。この光吸収は波長の２乗に比例して増大するので、波長が長い中赤外領域では光吸収が大きくなる。例えば、非特許文献２のｐ．２００の図２には、ＱＣＬを構成する主要な半導体材料の１つであるＩｎＰについて、ｎ型にドープした場合の光吸収係数の波長依存性が示されている。これによれば、光通信波長帯（１．３〜１．６μｍ帯)での吸収係数は１ｃｍ−１未満と小さいが、中赤外波長領域では吸収係数が急増し、大きな吸収損が生じることが分かる。例えば、中赤外波長である８μｍ帯においては、ドープ密度が３．３×１０１６（ｃｍ−３）の場合でも１７ｃｍ−１の大きな吸収損が生じることが分かる。このように、ｎ型半導体層の光吸収に起因して、量子カスケード半導体レーザ内部の導波損が増大する。
【００４６】
一方、量子カスケード半導体レーザ１０では、コア層１３への電圧の印加及び電流の注入は、上部電極Ｅ１に接触を成す上部導電層１５と、下部電極Ｅ２に接触を成す下部導電層１２と、を介して行われる。このため、コア層１３への電圧印加のためには、上部導電層１５の導電型及び下部導電層１２の導電型が同じｎ型であればよく、基板１１の導電型及びクラッド層１６の導電型は、ｎ型である必要はない。したがって、基板１１及びクラッド層１６は、中赤外波長領域における光吸収が微小である、アンドープの半導体または半絶縁性の半導体によって構成される。その結果、従来の構造に比べ、ｎ型半導体層の光吸収に起因する導波損を低減できる。
【００４７】
特に、基板の厚さ及びクラッド層の厚さは大きいので、基板及びクラッド層に分布する導波光の割合が高い。したがって、従来構造のように、基板及びクラッド層がｎ型である場合には、基板及びクラッド層において導波光は強く吸収され、大きな導波損が生じやすい。一方、量子カスケード半導体レーザ１０では、基板１１及びクラッド層１６は、低光吸収のアンドープ半導体または半絶縁性半導体から構成される。このため、基板１１及びクラッド層１６における導波損を低減できる。なお、下部導電層１２及び上部導電層１５の導電型はｎ型であるが、下部導電層１２及び上部導電層１５の厚さは、基板１１及びクラッド層１６の厚さと比較して小さく、０．１〜２μｍ程度である。このため、下部導電層１２及び上部導電層１５に分布する導波光の割合は小さいので、強い光吸収は生じない。以上のように、量子カスケード半導体レーザ１０では、従来のＢＨ構造に比べて、ｎ型ドーパントを含む半導体層による光吸収損を低減でき、導波損の低減が可能となる。
【００４８】
アンドープ半導体及び半絶縁性半導体は、高抵抗値を有する。したがって、基板１１及びクラッド層１６を通過する漏れ電流が低減され、漏れ電流によって基板１１及びクラッド層１６に注入される電子に起因する自由キャリアの発生が抑制される。このため、自由キャリアによる光吸収が低減される。したがって、量子カスケード半導体レーザ１０の動作時においても、基板１１及びクラッド層１６は低光吸収状態が維持され、良好な発振状態が維持される。
【００４９】
基板１１及びクラッド層１６は、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒまたはＣｏのうちのいずれかの遷移金属を含む半導体によって構成されてもよい。これらの遷移金属をドーパントとして半導体に添加することにより、半導体は半絶縁化される。そして、半絶縁化された半導体は、電子に対して高抵抗値を有する。このため、基板１１及びクラッド層１６を通過する漏れ電流を低減でき、漏れ電流によって基板１１及びクラッド層１６に注入される電子に起因する自由キャリアを低減できる。その結果、基板１１及びクラッド層１６における、漏れ電流に起因する自由キャリアによる光吸収が抑制されるため、量子カスケード半導体レーザ１０の動作時においても、基板１１及びクラッド層１６は低光吸収状態が維持され、良好な発振状態を実現できる。
【００５０】
次に、アンドープ半導体と半絶縁性半導体との優劣を比較する。まず半絶縁性半導体はアンドープ半導体より高抵抗値を有する。したがって、基板１１及びクラッド層１６に半絶縁性半導体を用いれば、アンドープ半導体を用いた場合に比べて、基板１１及びクラッド層１６への漏れ電流をさらに低減できる。また、Ｆｅ等をドープした半絶縁性半導体基板は、アンドープ半導体基板に比べて結晶欠陥が少ない。したがって、アンドープ半導体基板よりも半絶縁性半導体基板を用いて結晶成長した方が基板の欠陥の影響を受けにくい。その結果、結晶性がより良好な半導体層を基板１１上に成長することが可能となる。
【００５１】
一方、半絶縁性半導体を基板１１及びクラッド層１６に用いた場合は、結晶成長中に、半絶縁性半導体にドープされたＦｅ等の遷移金属が下部導電層１２及び上部導電層１５のｎ型のドーパントと相互拡散し、下部導電層１２及び上部導電層１５を高抵抗化して素子抵抗増加等の特性劣化を招く可能性がある。これに対し、アンドープ半導体を基板１１及びクラッド層１６に用いた場合には、このような相互拡散は生じないので、上記のような特性劣化を回避できる。
【００５２】
また、クラッド層１６の幅Ｗ１は、コア層１３の幅Ｗ２より大きくてもよい。導波光はコア層１３を中心として、コア層１３の外部にも広がって分布している。このため、クラッド層１６の幅Ｗ１がコア層１３の幅Ｗ２以下の場合は、導波光が上部電極Ｅ１にも広がって分布し、上部電極Ｅ１による強い光吸収によって導波損が増加するおそれがある。特に、電極材料として一般的なＡｕは中赤外波長領域において吸収損が大きいので、上部電極Ｅ１に導波光が存在すると大きな光吸収損が生じる。一方、クラッド層１６の幅Ｗ１が、コア層１３の幅Ｗ２より大きい場合、クラッド層１６によって上部電極Ｅ１とコア層１３との距離を一定以上確保できる。このため、導波光の分布が上部電極Ｅ１に広がることを抑制でき、上部電極Ｅ１に起因する導波損の増加を低減することが可能となる。
【００５３】
埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃは、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒもしくはＣｏのうちのいずれかの遷移金属を含むＩｎＰ、または、遷移金属を含むＡｌＩｎＡｓによって構成されてもよい。これらの遷移金属をドーパントとしてＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓに添加することにより、ＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓは半絶縁化される。そして、半絶縁化されたＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓは、電子に対して高抵抗値を有するので、埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃに電流が流れるのを抑制できる。その結果、電流はコア層１３に狭窄されるため、量子カスケード半導体レーザ１０の発振特性の向上が可能となる。
【００５４】
埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃは、高バンドギャップの半導体材料により構成されてもよい。この場合、埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃとコア層１３との間、埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃと下部導電層１２との間、並びに、埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃと上部導電層１５との間の伝導帯端のエネルギーの不連続が大きくなる。これによって、これらの隣接層（コア層１３、下部導電層１２及び上部導電層１５）と埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃとの界面に形成される、電子に対するエネルギー障壁がさらに増大する。このため、埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃ自体の高抵抗性に加えて、増大したエネルギー障壁により、隣接層から埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃへの電子の侵入をさらに低減することが可能となる。したがって、埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃは電子に対してさらに高抵抗となるので、電流はメサ導波路領域にさらに強く狭窄される。その結果、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。
【００５５】
高バンドギャップの半導体材料としては、例えばＡｌＩｎＡｓがある。ＡｌＩｎＡｓは電流ブロック層の材料として一般に用いられるＩｎＰよりも高バンドギャップを有する。このため、ＡｌＩｎＡｓを埋込層１４ａ及び埋込層１４ｃに用いることで、ＩｎＰを用いた場合に比べて、電子に対するエネルギー障壁をさらに増大させることができる。
【００５６】
また、量子カスケード半導体レーザ１０は、半導体積層２０の表面を覆う絶縁膜４１を備え得る。半導体積層２０の表面には、上部電極Ｅ１及び下部電極Ｅ２が設けられない領域がある。この領域を大気中に露出すると、大気中の酸素及び水分等が半導体積層２０に吸着され、酸化等による素子劣化が生じるおそれがある。このため、絶縁膜４１によって半導体積層２０の表面を覆うことが好ましい。これにより、半導体積層２０の表面は大気から隔離されるので、半導体積層２０の表面における酸化等を低減できる。その結果、酸化等による素子劣化が抑制され、量子カスケード半導体レーザ１０の信頼性の向上が可能となる。このように、絶縁膜４１を備えることにより、構造設計の自由度の向上とともに、特性及び信頼性の向上が可能となる。
【００５７】
また、クラッド層１６の上面、及び側面上には上部電極Ｅ１が設けられていないので、クラッド層１６の上面、及び側面上の上部電極Ｅ１への導波光の分布を防止できる。したがって、上部電極Ｅ１に起因する導波損の増加をさらに低減することが可能となる。
【００５８】
また、量子カスケード半導体レーザ１０を構成する各半導体層は、ＩｎＰに近い格子定数を有する。このため、基板１１がＩｎＰから構成される場合、基板１１上に半導体積層２０を良好に結晶成長できる。また、ＩｎＰは２元混晶で、ＩｎＰから構成される基板１１に自動的に格子整合する。したがって、これを下部導電層１２、上部導電層１５及びクラッド層１６に用いることにより、ＩｎＰから構成される基板１１上に下部導電層１２、上部導電層１５及びクラッド層１６を良好に結晶成長できる。さらに、ＩｎＰは熱伝導性が高い。このため、下部導電層１２、上部導電層１５及びクラッド層１６がＩｎＰから構成される場合、コア層１３からの放熱性を向上でき、量子カスケード半導体レーザ１０の温度特性を向上することが可能となる。
【００５９】
また、コア層１３が、複数の発光層と複数の注入層とが交互に配列されたカスケード構造を有し、発光層及び注入層の各々が、ＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓからなる超格子列で構成される場合、発光層内の伝導帯サブバンド間遷移による中赤外域での発光が得られる。また、発光層間に注入層が設けられることによって、電子は隣り合う発光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遷移による発光が効率よく生じる。その結果、量子カスケード半導体レーザ１０は、良好な発振が得られる。
【００６０】
なお、量子カスケード半導体レーザ１０の構造を、従来のｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子に適用した場合、上部導電層はｐ型となる。ここで、埋込層に用いられる半絶縁性半導体は、p型半導体の多数キャリアであるホールをトラップできず、ホールに対しては高抵抗にならない。このため、ホール電流は、埋込層を容易に通過できる。したがって、ホール電流に関しては、メサ導波路領域外にホールによる大きな漏れ電流が発生し、メサ導波路領域に電流狭窄できないので、良好な特性が得られない。一方、ＱＣＬの場合はｎ型半導体層のみで構成され、電子電流しか生じないので、量子カスケード半導体レーザ１０の構造により、メサ導波路領域に電流を強く狭窄でき、良好な発振特性が得られる。
【００６１】
（実施例）
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明がより具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例に限定されない。
【００６２】
量子カスケード半導体レーザ１０の効果を検証するため、図１に示される量子カスケード半導体レーザ１０の構成において、クラッド層１６の導電型及び基板１１の導電型をｎ型とした場合と、クラッド層１６及び基板１１を半絶縁性またはアンドープとした場合と、について、コア層１３以外の領域における導破損の変化を計算した。
【００６３】
（比較例１）
まずクラッド層１６及び基板１１がｎ型である場合の計算モデルとして、発振波長が７．８μｍである、以下のＱＣＬ構造を仮定した。
基板：ドープ量２×１０１７（ｃｍ−３）のｎ型ＩｎＰ。
下部導電層：ドープ量２×１０１７（ｃｍ−３）のｎ型ＩｎＰ、厚さ１μｍ。
コア層：発振波長７．８μｍに対応し、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子列で構成。厚さ１．４３３７μｍ、幅（Ｗ２）１０μｍ。
上部導電層：ドープ量２×１０１７（ｃｍ−３）のｎ型ＩｎＰ、厚さ１μｍ。
クラッド層：ドープ量２×１０１７（ｃｍ−３）のｎ型ＩｎＰ、厚さ３．５μｍ、幅（Ｗ１）３０μｍ。
埋込層：Ｆｅ−ＩｎＰ、厚さ１．４３３７μｍ。
【００６４】
ここで、上記各層の材料は最も一般的なものとし、ドープ量及び厚さは典型的な値とした。また、コア層の幅Ｗ２は、７〜８μｍの発振波長帯での典型的な値である１０μｍとし、クラッド層の幅Ｗ１は、導波光が上部電極Ｅ１上には全く分布しない程度に十分広い値である３０μｍとした。
【００６５】
（実施例１）
次にクラッド層１６及び基板１１が半絶縁性またはアンドープのＩｎＰである場合の計算モデルとして、以下のＱＣＬ構造を仮定した。基板及びクラッド層以外は比較例１と同じＱＣＬ構造とした。
基板：半絶縁性またはアンドープのＩｎＰ。
下部導電層：ドープ量２×１０１７（ｃｍ−３）のｎ型ＩｎＰ、厚さ１μｍ。
コア層：発振波長７．８μｍに対応し、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子列で構成。厚さ１．４３３７μｍ、幅（Ｗ２）１０μｍ。
上部導電層：ドープ量２×１０１７（ｃｍ−３）のｎ型ＩｎＰ、厚さ１μｍ。
クラッド層：半絶縁性またはアンドープのＩｎＰ、厚さ３．５μｍ、幅（Ｗ１）３０μｍ。
埋込層：Ｆｅ−ＩｎＰ、厚さ１．４３３７μｍ。
【００６６】
量子カスケード半導体レーザはＴＭモード発振のため、上記ＱＣＬ構造に対し、ＴＭ基本モードの導波光分布を計算し、それを基に導破損を計算した。比較例１のＱＣＬ構造では、導波損は７．０ｃｍ−１程度となった。一方、実施例１のＱＣＬ構造では、導波損は３．９ｃｍ−１程度にまで減少した。
【００６７】
以上の結果によれば、基板及びクラッド層をｎ型半導体から半絶縁性の半導体またはアンドープの半導体に変更することにより、導破損が約７．０ｃｍ−１から約３．９ｃｍ−１に、約４４％減少した。このように、量子カスケード半導体レーザ１０の構造が導破損の低減に有効であることが確認された。
【００６８】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る量子カスケード半導体レーザ１０の構造を概略的に示す図である。図７に示されるように、第２実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０は、上部電極Ｅ１が設けられる範囲において、上述した第１実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０と相違している。すなわち、第２実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０では、上部電極Ｅ１は、基板１１の第１領域１１ａ上だけでなく、第２領域１１ｂ及び第３領域１１ｃ上にまで延びて設けられている。なお、上部電極Ｅ１は、第１領域１１ａ上において絶縁膜４１の開口部４１ａを介して上部導電層１５に接触を成し、他の部分では絶縁膜４１によって他の半導体層と絶縁されている。
【００６９】
以上の第２実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０によっても、上述した第１実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０と同様の効果が奏される。また、第２実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０では、上部電極Ｅ１が基板１１の第２領域１１ｂ及び第３領域１１ｃ上にも設けられている。このため、電流注入時にコア層で生ずる熱の放熱効率が向上し、量子カスケード半導体レーザ１０の動作をさらに安定化することが可能となる。また、第２実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０では、クラッド層１６と上部電極Ｅ１との間に絶縁膜４１が設けられている。このため、絶縁膜４１が無い場合に比べて、クラッド層１６を経由する漏れ電流をさらに低減することができ、漏れ電流に起因するクラッド層１６の自由キャリアをさらに低減できる。その結果、クラッド層１６における、漏れ電流に起因する自由キャリアによる光吸収をさらに抑制できるため、絶縁膜４１が無い場合に比べて、量子カスケード半導体レーザ１０の動作時の、クラッド層１６における光吸収がさらに低減され、より良好な発振状態を実現できる。
【００７０】
クラッド層１６は、高抵抗のアンドープまたは半絶縁性の半導体から構成されるので、クラッド層１６を経由する漏れ電流は少ない。このため、図８に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１０は、絶縁膜４１を備えていなくても動作可能であり、従って、クラッド層１６に上部電極Ｅ１が接触を成していてもよい。
【００７１】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係る量子カスケード半導体レーザ１０の構造を概略的に示す図である。図９に示されるように、第３実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０は、半導体積層２０の形状において、上述した第１実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０と相違している。すなわち、第３実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０は、基板１１の第１領域１１ａ上に設けられたクラッド層１６ａと、基板１１の第４領域１１ｄ上に設けられた埋込層１４ｄと、埋込層１４ｄ上に設けられた上部導電層１５ｄと、上部導電層１５ｄ上に設けられたクラッド層１６ｄと、を備える。クラッド層１６ａは、開口部４１ａを挟んでクラッド層１６と対向している。埋込層１４ｄは、開口部４１ｄを挟んで埋込層１４ｃと対向している。また、上部電極Ｅ１はクラッド層１６ａ上まで延在しており、下部電極Ｅ２はクラッド層１６ｄ上まで延在している。
【００７２】
以上の第３実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０によっても、上述した第１実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０と同様の効果が奏される。また、第３実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０では、基板１１の第１領域１１ａ上の半導体積層２０の高さ及び基板１１の第４領域１１ｄ上の半導体積層２０の高さは、基板１１の第２領域１１ｂ上の半導体積層２０の高さと略同じである。第３実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０がエピダウン実装される場合、量子カスケード半導体レーザ１０は第１領域１１ａ上の半導体積層２０、第２領域１１ｂ上の半導体積層２０及び第４領域１１ｄ上の半導体積層２０によって支えられる。このため、第１領域１１ａ上の半導体積層２０、第２領域１１ｂ上の半導体積層２０及び第４領域１１ｄ上の半導体積層２０に荷重が加わり、圧力が分散される。その結果、メサ導波路領域が受ける物理的ダメージを低減でき、エピダウン実装時の素子特性の劣化の低減が可能となる。したがって、第３実施形態の量子カスケード半導体レーザ１０ではエピダウン実装の容易化が可能となる。なお、エピダウン実装におけるダイボンドの際、ヒートシンク上の半田材と量子カスケード半導体レーザ１０の電極が反応し、合金化することで、量子カスケード半導体レーザ１０がヒートシンクに実装される。従って図９に示されるように、半田材と接する第１領域１１ａ上の半導体積層２０、第２領域１１ｂ上の半導体積層２０、及び第４領域１１ｄ上の半導体積層２０の各表面には、上部電極Ｅ１または下部電極Ｅ２が形成された構造となっている。
【００７３】
なお、本発明に係る量子カスケード半導体レーザは上記実施形態に限定されない。例えば、量子カスケード半導体レーザ１０は、コア層１３に導波光を閉じ込めるために、コア層１３に隣接して設けられる下部光閉じ込め層及び上部光閉じ込め層を備えてもよい。下部光閉じ込め層は、コア層１３と下部導電層１２との間に設けられる。上部光閉じ込め層は、コア層１３と上部導電層１５との間に設けられる。光閉じ込め層は、好ましくは高屈折率で且つＩｎＰに格子整合可能な材料からなり、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓ等からなることができる。
【００７４】
また、量子カスケード半導体レーザ１０は、電極とのオーミックコンタクトを強化するために、コンタクト層を備えてもよい。コンタクト層は、上部電極Ｅ１と上部導電層１５との間、または、下部電極Ｅ２と下部導電層１２との間にそれぞれ設けられる。コンタクト層は、好ましくは低バンドギャップを有し、且つ、ＩｎＰに格子整合可能な材料からなり、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓ等からなることができる。
【００７５】
また、量子カスケード半導体レーザ１０は、下部クラッド層を備えてもよい。下部クラッド層は、基板１１と下部導電層１２との間に設けられる。下部クラッド層は、例えば基板１１が下部クラッド層として用いられない場合等に設けられ、例えば半絶縁性のＩｎＰまたはアンドープのＩｎＰからなることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１０…量子カスケード半導体レーザ、１１…基板、１１ａ…第１領域、１１ｂ…第２領域、１１ｃ…第３領域、１１ｄ…第４領域、１１ｍ…主面、１２…下部導電層、１３…コア層、１４ａ…埋込層（第１埋込層）、１４ｃ…埋込層（第２埋込層）、１５…上部導電層、１６…クラッド層、２０…半導体積層、３１…発光層、３３…注入層、４１…絶縁膜、４１ａ…開口部（第１開口部）、４１ｄ…開口部（第２開口部）、Ｅ１…上部電極（第１電極）、Ｅ２…下部電極（第２電極）、ＮＶ…法線軸、Ｗ１…幅、Ｗ２…幅。
【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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【図９】
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