(57)【要約】【課題】素子端面の付近において乱反射を低減できる量子カスケード半導体レーザを提供する。【解決手段】量子カスケード半導体レーザは、第１端面、第２端面、第１領域及び第２領域を備えるレーザ構造体を備える。レーザ構造体は、基板、半導体積層領域、及び第１埋込半導体領域を含む。半導体積層領域及び第１埋込半導体領域は、基板の主面上に設けられる。第１領域及び第２領域は、半導体積層領域を含む。第１領域の半導体積層領域は、第１軸の方向に延在する第１凹部を含む。第２領域の半導体積層領域は、第１軸の方向に延在する半導体メサを有する。半導体メサはコア層を含み、半導体メサは端面を有する。第１凹部及び半導体メサは一列に整列される。第１埋込半導体領域は、半導体メサの端面を埋め込むように第１領域の第１凹部内に設けられる。【選択図】図１
2018098264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子カスケード半導体レーザであって、
第１端面、第２端面、第１領域及び第２領域を含むレーザ構造体を備え、
前記レーザ構造体は、基板、半導体積層領域、及び第１埋込半導体領域を含み、前記半導体積層領域及び前記第１埋込半導体領域は、前記基板の主面上に設けられ、
前記第１領域及び前記第２領域は、前記第１端面から前記第２端面への第１軸の方向に配列され、前記第１領域及び前記第２領域は、前記半導体積層領域を含み、
前記第１領域の前記半導体積層領域は、前記第１軸の方向に延在する第１凹部を含み、前記第２領域の前記半導体積層領域は、前記第１軸の方向に延在する半導体メサを有し、前記半導体メサはコア層を含み、前記半導体メサは、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する端面を有し、前記第１凹部及び前記半導体メサは整列されており、
前記第１埋込半導体領域は、前記半導体メサの前記端面を埋め込むように前記第１領域の前記第１凹部内に設けられる、量子カスケード半導体レーザ。
【請求項２】
前記半導体積層領域は、前記第１軸の方向に延在する第１積層構造体及び第２積層構造体を有し、
前記第２領域において、前記半導体メサは、前記半導体積層領域の前記第１積層構造体と前記第２積層構造体との間に設けられ、前記第１領域において、前記第１凹部は、前記半導体積層領域の前記第１積層構造体及び前記第２積層構造体によって規定され、
前記レーザ構造体の前記第２領域は、第２埋込半導体領域を含み、
前記第２埋込半導体領域は、前記第２領域において、前記第１積層構造体と前記半導体メサとの間、及び前記第２積層構造体と前記半導体メサとの間に設けられる、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１領域の前記半導体積層領域は、接続積層構造を含み、
前記第１積層構造体は前記接続積層構造に到達し、前記第２積層構造体は前記接続積層構造に到達する、請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１領域の前記半導体積層領域及び前記第１埋込半導体領域は、前記第１端面に到達する、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１埋込半導体領域は、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを含む、請求項１〜請求項４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。
【請求項６】
前記第１埋込半導体領域は、ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰの少なくともいずれかを含む、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。
【請求項７】
前記レーザ構造体は、前記半導体メサの側面上に設けられ前記半導体メサを埋め込む電流ブロック領域を更に備え、
前記第１埋込半導体領域の材料は、構成元素及び組成の点で、前記電流ブロック領域の材料と実質的に同一である、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。
【請求項８】
前記基板は、前記半導体メサを搭載するリッジを有し、前記基板は、劈開性を有する半導体からなり、前記半導体積層領域は、劈開性を有する半導体からなり、前記第１埋込半導体領域は、劈開性を有する半導体からなる、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。
【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】
非特許文献１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む中赤外量子カスケード半導体レーザを開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Applied  Physics  Letters,  vol.83,  pp.1929-1931,  2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者の知見によれば、量子カスケード半導体レーザのコア層の端面が半導体領域で覆われることがよい。この被覆により、動作中の電流経路にあるコア層が、酸素及び水を含む雰囲気に露出されることを避けることができる。
【０００５】
被覆を形成する一手法は以下のものである。コア層を含む半導体メサを半導体領域で埋め込んで埋込領域を形成する。該埋込領域が、半導体メサの端面を被覆する。
【０００６】
この手法により、半導体メサの端面を半導体領域で被覆できる。発明者の観察によれば、半導体領域の厚さは、半導体メサの端面から離れるにつれて小さくなり、半導体領域の平坦性は劣る。劣る平坦性は、半導体メサの端面からの光を端面の付近において乱反射させる。
【０００７】
本発明の一側面は、このような背景を鑑みて為されたものであり、素子端面の付近において乱反射を低減でき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】
【０００８】
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端面、第２端面、第１領域及び第２領域を含むレーザ構造体を備え、前記レーザ構造体は、基板、半導体積層領域、及び第１埋込半導体領域を含み、前記半導体積層領域及び前記第１埋込半導体領域は、前記基板の主面上に設けられ、前記第１領域及び前記第２領域は、前記第１端面から前記第２端面への第１軸の方向に配列され、前記第１領域及び前記第２領域は、前記半導体積層領域を含み、前記第１領域の前記半導体積層領域は、前記第１軸の方向に延在する第１凹部を有し、前記第２領域の前記半導体積層領域は、前記第１軸の方向に延在する半導体メサを有し、前記半導体メサはコア層を含み、前記半導体メサは、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する端面を有し、前記第１凹部及び前記半導体メサは一列に整列されており、前記第１埋込半導体領域は、前記半導体ストライプメサの前記端面を埋め込むように前記第１領域の前記第１凹部内に設けられる。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、素子端面の付近において乱反射を低減できる量子カスケード半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図３】図３は、図１に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図４】図４は、図１に示されたＩＶ−ＩＶ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図５】図５は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す平面図である。
【図６】図６は、図５に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図７】図７は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す平面図である。
【図８】図８は、図７に示されたＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図９】図９は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す平面図である。
【図１０】図１０は、図９に示されたＸ−Ｘ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザと異なる構造を有する量子カスケード半導体レーザを示す図面である。
【図１２】図１２は、図１１に示されたＸＩＩ−ＸＩＩに沿ってとられた断面を示す図面である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザのための基板生産物を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
引き続きいくつかの具体例を説明する。
【００１３】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザは、第１端面、第２端面、第１領域及び第２領域を含むレーザ構造体を備え、前記レーザ構造体は、基板、半導体積層領域、及び第１埋込半導体領域を含み、前記半導体積層領域及び前記第１埋込半導体領域は、前記基板の主面上に設けられ、前記第１領域及び前記第２領域は、前記第１端面から前記第２端面への第１軸の方向に配列され、前記第１領域及び前記第２領域は、前記半導体積層領域を含み、前記第１領域の前記半導体積層領域は、前記第１軸の方向に延在する第１凹部を有し、前記第２領域の前記半導体積層領域は、前記第１軸の方向に延在する半導体メサを有し、前記半導体メサはコア層を含み、前記半導体メサは、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する端面を有し、前記第１凹部及び前記半導体メサは一列に整列されており、前記第１埋込半導体領域は、前記半導体ストライプメサの前記端面を埋め込むように前記第１領域の前記第１凹部内に設けられる。
【００１４】
量子カスケード半導体レーザによれば、第１領域の第１凹部は、第２領域における半導体メサの端面に到達する。第１領域における半導体積層領域は、第１凹部を規定する第１側面及び第２側面を含む。第１領域の第１凹部及び第２領域の半導体メサの配置は、第１埋込半導体領域が第１側面及び第２側面並びに半導体メサの端面を埋め込むように第１領域の凹部内に設けられることを可能にする。この埋め込みのための成長に際して、第１埋込半導体領域は、レーザ構造体の第１領域及び第２領域の配置により一の方向及び／又は他の方向に区切られたエリアに選択成長されて、良好な平坦性を有する。半導体メサの端面は、第１領域内において良い平坦性の第１埋込半導体領域で覆われる。このような第１埋込半導体領域は、三方から支持される。
【００１５】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体積層領域は、前記第１軸の方向に延在する第１積層構造体及び第２積層構造体を有し、前記第２領域において、前記半導体メサは、前記半導体積層領域の前記第１積層構造体と前記第２積層構造体との間に設けられ、前記第１領域において、前記第１凹部は、前記半導体積層領域の前記第１積層構造体及び前記第２積層構造体によって規定され、前記レーザ構造体の前記第２領域は、第２埋込半導体領域を含み、前記第２埋込半導体領域は、前記第２領域において、前記第１積層構造体と前記半導体メサとの間、及び前記第２積層構造体と前記半導体メサとの間に設けられる。
【００１６】
量子カスケード半導体レーザによれば、半導体積層領域は、半導体メサに加えて、第１軸の方向に延在する第１積層構造体及び第２積層構造体を有する。第１積層構造体及び第２積層構造体は、第１領域において第１凹部を規定すると共に、第１領域から第２領域に延出する。第１積層構造体及び第２積層構造体の延出は、第２領域において第２凹部及び第３凹部を提供できる。具体的には、第２凹部は、第１積層構造体と半導体メサとの間に設けられ、第３凹部は、第２積層構造体と半導体メサとの間に設けられる。第２埋込半導体領域は、第１積層構造体と半導体メサとの間の第２凹部、及び第２積層構造体と半導体メサとの間の第３凹部に設けられる。第２凹部及び第３凹部は、第１軸の方向に延在する。第２埋込半導体領域は、第１積層構造体及び第２積層構造体の延出により一又は複数の方向に区切られたエリアに選択成長されて、良好な平坦性を有する。良好な平坦性の第２埋込半導体領域によれば、半導体メサの側面が平坦性の良い埋込領域で覆われる。
【００１７】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１領域の前記半導体積層領域は、接続積層構造を含み、前記第１積層構造体は前記接続積層構造に到達し、前記第２積層構造体は前記接続積層構造に到達する。
【００１８】
量子カスケード半導体レーザによれば、第１凹部は、第１積層構造体及び第２積層構造体を繋ぐ接続積層接続により終端される。接続積層構造は、第１凹部を終端させる側面を有する。第１凹部は、接続積層構造の側面から出発して、第１積層構造体の側面及び第２積層構造体の側面に従って、半導体メサの端面に向かう。接続積層構造の追加により、第１埋込半導体領域を成長するべきエリアが制限される。
【００１９】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１領域の前記半導体積層領域及び前記第１埋込半導体領域は、前記第１端面に到達する。
【００２０】
量子カスケード半導体レーザによれば、第１埋込半導体領域は、第１凹部の側面に沿って延在して基板の第１端面の上縁に到達する。半導体積層領域中の第１積層構造体、第２積層構造体、及び第１埋込半導体領域が第１端面を構成する。
【００２１】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１埋込半導体領域は、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを含む。
【００２２】
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といった高比抵抗半導体は、リーク電流の生成及びキャリアによる光吸収を低減できる。
【００２３】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１埋込半導体領域は、ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰの少なくともいずれかを含む。
【００２４】
量子カスケード半導体レーザによれば、ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰは、構成元素としてアルミニウムを含まず酸化による劣化を回避できる。
【００２５】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザは、前記レーザ構造体は、前記半導体メサの側面上に設けられ前記半導体メサを埋め込む電流ブロック領域を更に備え、前記第１埋込半導体領域の材料は、構成元素及び組成の点で、前記電流ブロック領域の材料と実質的に同一である。
【００２６】
量子カスケード半導体レーザによれば、実質的に同一な材料を用いることは、第１埋込半導体領域の材料及び電流ブロック層を同一の工程で形成することを可能にする。
【００２７】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記基板は、前記半導体メサを搭載するリッジを有し、前記基板は、劈開性を有する半導体からなり、前記半導体積層領域は、劈開性を有する半導体からなり、前記第１埋込半導体領域は、劈開性を有する半導体からなる。
【００２８】
量子カスケード半導体レーザによれば、レーザ構造体の端面は、劈開性を有する面方位を含む。
【００２９】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、量子カスケード半導体レーザに係る本実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３０】
図１は、本実施形態に係る分布帰還型量子カスケード半導体レーザ（１１ａ）を示す平面図である。図２は、図１に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図３は、図１に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図４は、図１に示されたＩＶ−ＩＶ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図５は、本実施形態に係る分布帰還型量子カスケード半導体レーザ（１１ｂ）を示す平面図である。図６は、図５に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図７は、本実施形態に係る分布帰還型量子カスケード半導体レーザ（１１ｃ）を示す平面図である。図８は、図７に示されたＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図９は、本実施形態に係る分布帰還型量子カスケード半導体レーザ（１１ｄ）を示す平面図である。図１０は、図９に示されたＸ−Ｘ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【００３１】
図１から図１０を参照しながら、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを説明する。量子カスケード半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）は、レーザ構造体１３、第１電極１５ａ及び第２電極１５ｂを備える。レーザ構造体１３は、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂを有する。レーザ構造体１３は、基板１７、半導体積層領域１９、及び第１埋込半導体領域２１ａを含む。半導体積層領域１９及び第１埋込半導体領域２１ａは、基板１７の主面１７ａ上に設けられる。レーザ構造体１３は、第１領域１３ｃ、第２領域１３ｄ及び第３領域１３ｅを備える、第２領域１３ｄは、第１領域１３ｃと第３領域１３ｅとの間に設けられている。第１領域１３ｃ、第２領域１３ｄ及び第３領域１３ｅは、第１端面１３ａから第２端面１３ｂへの第１軸Ａｘ１の方向に配列される。第３領域１３ｅは、例えば第１領域１３ｃと同じ構造を備えることができ、この同じ構造に限定されるものではない。第１領域１３ｃ及び第２領域１３ｄは、基板１７を含み、また半導体積層領域１９を含む。第１領域１３ｃ及び第３領域１３ｅの半導体積層領域１９は、ぞれぞれの第１凹部１９ａ、１９ｇを含み、第１凹部１９ａ、１９ｇは第１軸Ａｘ１の方向に延在する。第２領域１３ｄの半導体積層領域１９は半導体メサ１９ｄを有し、半導体メサ１９ｄは第１軸Ａｘ１の方向に延在する。半導体メサ１９ｄは、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に延在する端面１９ｅを有する。半導体メサ１９ｄの幅Ｗ１は、例えば３〜２０マイクロメートルの範囲にある。第１凹部１９ａ及び半導体メサ１９ｄは一列に整列されている。具体的には、第１凹部１９ａ及び半導体メサ１９ｄは、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。第１領域１３ｃの第１埋込半導体領域２１ａは、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅを埋め込むように第１領域１３ｃの第１凹部１９ａ内に設けられる。
【００３２】
半導体メサ１９ｄは、量子カスケードのためのコア層２３ａを含む。詳細には、半導体メサ１９ｄは、積層構造体２３を含み、積層構造体２３は、コア層２３ａに加えて、例えば下部クラッド層２３ｂ、回折格子層２３ｃ、上部クラッド層２３ｄ及びコンタクト層２３ｅを有する。第１領域１３ｃの半導体積層領域１９は、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃを含み、本実施例では、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃの各々は、積層構造体２３を含む。
【００３３】
具体的には、基板１７は、第１基板部分１７ｃ、第２基板部分１７ｄ及び第３基板部分１７ｅを含み、第１基板部分１７ｃ、第２基板部分１７ｄ及び第３基板部分１７ｅは、それぞれ、第１領域１３ｃ、第２領域１３ｄ及び第３領域１３ｅに対応する。
【００３４】
本実施例では、基板１７は、例えば導電性の半導体を備えることはできる。第１電極１５ａは、半導体メサ１９ｄのコンタクト層２３ｅに接続され、第２電極１５ｂは、基板１７を介して下部クラッド層２３ｂに接続される。第２領域１３ｄにおいては、レーザ構造体１３の上面は、絶縁膜２５によって覆われており、絶縁膜２５は、半導体メサ１９ｄの上面１９ｆ上に位置する開口２５ａを有する。第１電極１５ａは、開口２５ａを介して半導体メサ１９ｄの上面１９ｆに接触を成し、第２電極１５ｂは、基板１７の裏面１７ｂに接続される。
【００３５】
量子カスケード半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）によれば、第１領域１３ｃの第１凹部１９ａは、第２領域１３ｄにおける半導体メサ１９ｄの端面１９ｅに到達する。第１領域１３ｃにおける半導体積層領域１９は、第１凹部１９ａを規定する第１側面１９ｈ及び第２側面１９ｉを含む。第１領域１３ｃの第１凹部１９ａ及び第２領域１３ｄの半導体メサ１９ｄの配置は、第１埋込半導体領域２１ａが第１側面１９ｈ及び第２側面１９ｉ並びに半導体メサ１９ｄの端面１９ｅを埋め込むように第１領域１３ｃの第１凹部１９ａ内に設けられることを可能にする。この埋め込みのための成長に際して、第１埋込半導体領域２１ａは、第１領域１３ｃにおける半導体積層領域１９及び第２領域１３ｄにおける半導体メサ１９ｄの配置により一方向及び／又は他方向に区切られたエリアに選択成長されて、良好な平坦性を有する。半導体メサ１９ｄの端面１９ｅは、第１領域１３ｃ内において良い平坦性の第１埋込半導体領域２１ａで覆われる。このような第１埋込半導体領域２１ａは、半導体積層領域１９によって三方から支持される。
【００３６】
第１埋込半導体領域２１ａは、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを含むことができる。アンドープ半導体及び半絶縁性半導体といった高比抵抗半導体は、リーク電流の発生及びキャリアによる光吸収を低減できる。具体的には、第１埋込半導体領域２１ａは、例えばＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰの少なくともいずれかを含むことができる。ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰは、構成元素としてアルミニウムを含まず酸化による劣化を回避できる。
【００３７】
基板１７は、半導体メサ１９ｄを形成するために深くエッチングされて、半導体メサ１９ｄを搭載するリッジ１７ｆを有する。基板１７は、劈開性を有する半導体、例えばＩｎＰからなる。また、レーザ構造体１３は、劈開性を有する半導体からなる。第１埋込半導体領域２１ａは、劈開性を有する半導体からなる。レーザ構造体１３の第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂは、劈開性を示す面方位を含む。
【００３８】
図１から図４を参照しながら、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザ１１ａを説明する。量子カスケード半導体レーザ１１ａでは、半導体積層領域１９の第１凹部１９ａが第１領域１３ｃにおいて第１端面１３ａ（具体的には、第１基板部分１７ｃの上縁）から第１軸Ａｘ１の方向に延在し、また半導体積層領域１９の半導体メサ１９ｄの端面１９ｅにおいて終端する。第１凹部１９ａを第１埋込半導体領域２１ａが埋め込む。この選択成長の製造工程では、第１凹部１９ａのための溝は、隣接する半導体チップのための区画の境界において接続されて単一の溝を形成する。この溝は、隣接する区画の第１領域１３ｃにおける半導体積層領域１９の第１側面１９ｈ及び第２側面１９ｉ、並びに隣接する区画内におけるそれぞれの半導体メサ１９ｄの端面１９ｅによって囲まれる。第１領域１３ｃにおいては、半導体の選択成長は、半導体積層領域１９によって区画されたエリアに生じる。第２領域１３ｄにおいては、隣接する区画内の半導体メサ１９ｄの側面、及び隣接する区画内の第１領域１３ｃにおける半導体積層領域１９によって囲まれる。第２領域１３ｄにおいては、半導体の選択成長は、半導体メサ間隔及び半導体メサ長によって特徴付けられる広いエリアに生じて、半導体メサ１９ｄの側面を埋め込む電流ブロック領域２１ｃを形成する。電流ブロック領域２１ｃは高抵抗半導体より形成され、半導体メサ１９ｄへ電流を閉じ込める機能を有す。高抵抗半導体としては、第１埋込半導体領域２１ａ同様、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを含むことができる。アンドープ半導体及び半絶縁性半導体といった高比抵抗半導体は、半導体メサ１９ｄ外へのリーク電流の生成及びキャリアによる光吸収を低減できる。図２及び図３に示される第１領域１３ｃにおける第１埋込半導体領域２１ａの平坦性は、図４に示される第２領域１３ｄにおける電流ブロック領域２１ｃの平坦性に比べて優れる。
【００３９】
レーザ構造体１３は、上記のように、半導体メサ１９ｄを埋め込むように半導体メサ１９ｄの側面上に設けられた電流ブロック領域２１ｃを更に備える。第１埋込半導体領域２１ａの材料は、構成元素及び組成の点で、電流ブロック領域２１ｃの材料と実質的に同一である。実質的に同一な材料を用いることは、第１埋込半導体領域２１ａ及び電流ブロック領域２１ｃを同一の工程で形成することを可能にする。その結果、製造工程を簡素化できる。
【００４０】
第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂは、量子カスケード半導体レーザ１１ａのための光共振器に含まれる。図１及び図２に示されるように、第１領域１３ｃの第１長さＬ１は、第２領域１３ｄの第２長さＬ２より小さく、例えば０．５〜５０マイクロメートルの範囲にあることができる。回折格子層２３ｃは、発信波長を規定する周期構造を有する。図１及び図３に示されるように、第１凹部１９ａの幅Ｗ０は、例えば１０〜７０マイクロメートルの範囲にあることができる。
【００４１】
図５から図６を参照しながら、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザ１１ｂを説明する。量子カスケード半導体レーザ１１ｂにおける第１領域１３ｃの第１長さＬ１は、量子カスケード半導体レーザ１１ａおける第１領域１３ｃの第１長さＬ１より大きい。上記以外の量子カスケード半導体レーザ１１ｂの構造は、量子カスケード半導体レーザ１１ａと同じである。図６に示されるように、第１凹部１９ａは、第１埋込半導体領域２１ａによって埋め込まれて、量子カスケード半導体レーザ１１ｂにおいて、第１領域１３ｃの第１埋込半導体領域２１ａは、量子カスケード半導体レーザ１１ａの第１領域１３ｃの第１埋込半導体領域２１ａと同様に、良好な平坦性を示す。
【００４２】
図７から図８を参照しながら、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザ１１ｃを説明する。量子カスケード半導体レーザ１１ｃでは、図７に示されるように、第１凹部１９ａは、第１埋込半導体領域２１ａによって埋め込まれて、第１領域１３ｃの第１埋込半導体領域２１ａは、量子カスケード半導体レーザ１１ａの第１領域１３ｃの第１埋込半導体領域２１ａと同様に、良好な平坦性を示す。
【００４３】
第２領域１３ｄの半導体積層領域１９は、第１領域１３ｃと同様に、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃを含む。本実施例では、第２領域１３ｄの第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃの各々が、積層構造体２３を含む。量子カスケード半導体レーザ１１ｃにおいて、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃは、第１軸Ａｘ１の方向に第１端面１３ａから第２端面１３ｂまで延在する。
【００４４】
第２領域１３ｄでは、半導体メサ１９ｄは、第２領域１３ｄの半導体積層領域１９の第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃとの間に設けられる。第２領域１３ｄにおける第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃは、それぞれ、第１領域１３ｃにおける第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃを第３領域１３ｅにおける第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃに接続する。既に説明したように、第１領域１３ｃにおいて、第１凹部１９ａは半導体積層領域１９の第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃによって規定される。
【００４５】
量子カスケード半導体レーザ１１ｃでは、第２領域１３ｄは第２埋込半導体領域２１ｂを含む。第２埋込半導体領域２１ｂは、第１積層構造体１９ｂと半導体メサ１９ｄとの間、及び第２積層構造体１９ｃと半導体メサ１９ｄとの間に設けられる。上記以外の量子カスケード半導体レーザ１１ｃの構造は、量子カスケード半導体レーザ１１ｂと同じである。
【００４６】
量子カスケード半導体レーザ１１ｃによれば、半導体積層領域１９は、半導体メサ１９ｄに加えて、第１軸の方向に延在する第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃを第２領域１３ｄに有する。第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃは、第１領域１３ｃにおいて第１凹部１９ａ（１９ｇ）を規定すると共に、第１領域１３ｃから第２領域１３ｄに延出し、本実施例では更に、第３領域１３ｅに延出する。第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃの延出は、第２領域１３ｄにおいて第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎを提供できる。具体的には、第２凹部１９ｍは、第１積層構造体１９ｂ及び半導体メサ１９ｄによって規定される。第３凹部１９ｎは、第２積層構造体１９ｃ及び半導体メサ１９ｄによって規定される。第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎは、第１軸Ａｘ１の方向に延在する。第２埋込半導体領域２１ｂは、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃの延出により一又は複数の方向に区切られたエリアに選択成長されて、良好な平坦性を有する。第２埋込半導体領域２１ｂは、第１積層構造体１９ｂと半導体メサ１９ｄとの間の第２凹部１９ｍ、及び第２積層構造体１９ｃと半導体メサ１９ｄとの間の第３凹部１９ｎを平坦に埋め込む。良好な平坦性の第２埋込半導体領域２１ｂによれば、半導体メサの側面が平坦性の良い埋込領域で覆われる。
【００４７】
本実施例では、第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎは、第１領域１３ｃの第１凹部１９ａ及び第３領域１３ｅの第１凹部１９ｇを互いに繋ぐ。第２領域１３ｄでは、半導体メサ１９ｄの側面は、所望の絶縁性を有する第２埋込半導体領域２１ｂによって埋め込まれる。第１領域１３ｃでは、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅは、所望の高抵抗性を有する第１埋込半導体領域２１ａによって埋め込まれる。
【００４８】
第２埋込半導体領域２１ｂは電流ブロック領域２１ｃ同様、半導体メサ１９ｄへ電流を閉じ込めるための電流ブロック領域として機能し、高抵抗半導体より形成される。高抵抗半導体としては例えば、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを含むことができる。アンドープ半導体及び半絶縁性半導体といった高比抵抗半導体は、半導体メサ１９ｄ外へのリーク電流の生成及びキャリアによる光吸収を低減できる。また、第２埋込半導体領域２１ｂは、例えばＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰの少なくともいずれかを含むことができる。ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰは、構成元素としてアルミニウムを含まず酸化による劣化を回避できる。図７及び図８に示されるように、第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎの第２幅Ｗ２は、例えば１０〜７０マイクロメートルの範囲にあることができる。
【００４９】
量子カスケード半導体レーザ１１ａ、１１ｂ、１１ｃでは、第１領域１３ｃの半導体積層領域１９及び第１埋込半導体領域２１ａは、第１端面１３ａに到達する。第１埋込半導体領域２１ａは、第１凹部１９ａの第１側面１９ｈ及び第２側面１９ｉに沿ってレーザ構造体１３の第１端面１３ａまで延在し、また基板１７の上縁に到達する。
【００５０】
図９から図１０を参照しながら、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザ１１ｄを説明する。量子カスケード半導体レーザ１１ｄでは、図９に示されるように、第１領域１３ｃにおいては、半導体積層領域１９は、接続積層構造１９ｊを含む。第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃは接続積層構造１９ｊに到達する。接続積層構造１９ｊは第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃを接続して、第１凹部１９ａを三方向から囲み、残りの一方向には、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅが位置する。量子カスケード半導体レーザ１１ｄでは、第１凹部１９ａは、半導体メサ１９ｄに沿って延在する第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎに繋がる。上記以外の量子カスケード半導体レーザ１１ｄの構造は、量子カスケード半導体レーザ１１ｃと同じである。
【００５１】
第１凹部１９ａは、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃを繋ぐ接続積層構造１９ｊにより終端される。接続積層構造１９ｊは、第１凹部１９ａを終端させる第３側面１９ｐを有する。第１凹部１９ａは、接続積層構造１９ｊの第３側面１９ｐから、第１積層構造体１９ｂの第１側面１９ｈ及び第２積層構造体１９ｃの第２側面１９ｉに従って、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅに向かう。接続積層構造１９ｊの追加により、第１埋込半導体領域２１ａが成長されるべきエリアが制限される。
【００５２】
図１１は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザと異なる構造を有する量子カスケード半導体レーザ１ａ、１ｂを示す平面図である。図１２の（ａ）部は、図１１の（ａ）部のＸＩＩ−ＸＩＩの線に沿った量子カスケード半導体レーザ１ａの断面を示す図面であり、図１２の（ｂ）部は、図１１の（ｂ）部のＸＩＩ−ＸＩＩの線に沿った量子カスケード半導体レーザ１ｂの断面を示す図面である。量子カスケード半導体レーザ１ａ、１ｂは、レーザ構造体２、第１電極３ａ及び第２電極３ｂを備える。レーザ構造体２は、第１端面２ａ及び第２端面２ｂを有する。レーザ構造体２は、基板４、半導体メサ５ｄ、及び埋込半導体領域６を含む。半導体メサ５ｄ及び埋込半導体領域６は、基板４の主面４ａ上に設けられる。レーザ構造体２は、第１領域２ｃ、第２領域２ｄ及び第３領域２ｅを備える。第２領域２ｄは、第１領域２ｃと第３領域２ｅとの間に設けられている。第１領域２ｃ、第２領域２ｄ及び第３領域２ｅは、第１端面２ａから第２端面２ｂへの軸Ｃｘ１の方向に配列される。第２領域２ｄは、基板４を含み、また半導体メサ５ｄを含む。第１領域２ｃは、基板４を含み、また埋込半導体領域６を含む。半導体メサ５ｄは軸Ｃｘ１の方向に延在する。半導体メサ５ｄは、端面５ｅを有する。第１電極３ａは、半導体メサ５ｄの上面に接続され、第２電極３ｂは、基板４の裏面４ｂに接続される。第１領域２ｃの埋込半導体領域６は、半導体メサ５ｄの端面５ｅを埋め込むように設けられる。半導体メサ５ｄは、量子カスケードのためのコア層７ａを含む。詳細には、半導体メサ５ｄは、コア層７ａに加えて、例えば下部クラッド層７ｂ、回折格子層７ｃ、上部クラッド層７ｄ、及びコンタクト層７ｅを有する。
【００５３】
量子カスケード半導体レーザ１ａでは、第１領域２ｃには半導体積層領域が形成されていないため、第１領域２ｃの埋込半導体領域６は、半導体メサ５ｄの端面５ｅから離れるにつれて徐々に薄くなる。半導体メサ５ｄから出射された光は、埋込半導体領域６の曲面状の表面によって反射される。短い第１領域２ｃを有する量子カスケード半導体レーザ１ｂでも、半導体メサ５ｄから出射された光は、埋込半導体領域６の曲面状の表面によって反射される。なお、本構造においては、第３領域２ｅにも第１領域２ｃと同様の形状の埋込半導体領域６が形成されている。
【００５４】
本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザ１１の実施例を説明する。量子カスケード半導体レーザ１１では、第１領域１３ｃの半導体積層領域１９は、第１凹部１９ａを備える。第１凹部１９ａは、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅから延在すると共に、第１軸Ａｘ１の方向に延在する第１側面１９ｈ及び第２側面１９ｉによって規定される。第１凹部１９ａは、第１埋込半導体領域２１ａによって埋め込まれる。このための選択成長において、半導体は、第１側面１９ｈ及び第２側面１９ｉ並びに半導体メサ１９ｄの端面１９ｅに対応する半導体側面上に成長していき、このように成長された第１埋込半導体領域２１ａは、優れた平坦性を示す。
【００５５】
（実施例）
実施例に係る量子カスケード半導体レーザの半導体メサは、例えばｎ型の下部クラッド層２３ｂ、コア層２３ａ、回折格子層２３ｃ、ｎ型の上部クラッド層２３ｄ、及びｎ型のコンタクト層２３ｅを含む。半導体メサ１９ｄは、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いることによって、下部クラッド層２３ｂ、コア層２３ａ、回折格子層２３ｃ、上部クラッド層２３ｄ、及びコンタクト層２３ｅのためのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む積層から作製される。この積層はｎ型半導体基板１７上に設けられる。これらの半導体は、例えば有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法によってｎ型半導体基板上に成長される。
【００５６】
基板１７は、半導体基板を含む。半導体基板は、例えばｎ型ＩｎＰ基板であることができる。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ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備える。ＩｎＰ基板の使用は、これらの半導体に良好な結晶品質を提供できる。また、ＩｎＰ基板は、中赤外の光に対して実質的に透明であるという光学特性を有する。この光学特性により、ＩｎＰ基板を下部クラッド層として使用してもよい。
【００５７】
上部クラッド層２３ｄ及び下部クラッド層２３ｂは、例えばｎ型ＩｎＰ半導体を備えることができる。既に説明したように、ＩｎＰは、中赤外の光に対して透明であり、低い損失のクラッド層を量子カスケード半導体レーザに提供できる。また、ＩｎＰは２元混晶であって、ＩｎＰ基板１７の表面へ良好な結晶成長を可能にする。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のうち良好な熱伝導を示す。例えばＩｎＰクラッド層は、コア領域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を向上できる。下部クラッド層は、必要な場合に設けられ、可能な場合には、半導体基板を下部クラッドとして使用できる。
【００５８】
コア層２３ａは、数十周期の多段に接続された単位構造を含み、単位構造は、１対の活性層及び注入層を含む。活性層及び注入層の各々は、数ナノメートルの厚さの薄膜の量子井戸層と、数ナノメートルの厚さ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含み、量子井戸層及びバリア層が、交互に積層されてなる超格子列を有する。量子カスケード半導体レーザは、中赤外光を生成し、この中赤外光は、単一極性のキャリア、例えば電子が活性層内の伝導帯におけるサブバンドの上準位から下準位へ遷移することにより放出される。この中赤外光は、共振器内において増幅されて、中赤外の波長領域におけるレーザ発振が生じる。中赤外発振を可能にするために、量子井戸層は、例えばＧａＩｎＡｓ及び／又はＧａＩｎＡｓＰを含み、バリア層は、例えばＡｌＩｎＡｓを含む。これらの材料は、活性層を構成する超格子列に適用されて、伝導帯サブバンド間遷移による中赤外領域（例えば、３〜２０マイクロメートルの波長範囲）におけるレーザ発振を量子カスケード半導体レーザにおいて可能にする。
【００５９】
量子カスケード半導体レーザとしては、例えば図２に示されるように、半導体メサ１９ｄの延在方向に延在する波長選択のための周期構造（回折格子のための周期構造）を含んだ分布帰還型量子カスケード半導体レーザが例示される。回折格子のための周期構造は、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成される。回折格子は、その周期に対応したブラッグ波長の光を選択的に反射して、単一モード発振を可能にする。良好な単一モード発振を量子カスケード半導体レーザに提供するためには、高屈折率の半導体、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓが回折格子層２３ｃに用いられる。
【００６０】
電流ブロック層２１ｃ及び埋込半導体領域２１ａ、２１ｂは、アンドープ及び／又は半絶縁性の高抵抗を有すると共にＩｎＰに格子整合可能な半導体を備えることができる。半絶縁性半導体は、電子をトラップする深い準位を化合物半導体のバンドギャップ中に形成することによって提供され、深い準位は、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった遷移金属を半導体に添加することによって形成される。具体的には、鉄（Ｆｅ）がドーパントとして用いられている。遷移金属、例えば鉄（Ｆｅ）添加により、ＩｎＰにおいて電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の比抵抗を実現できる。可能な場合には。高抵抗の半導体に、アンドープ半導体を使用することができる。アンドープ、または半絶縁性ためのホスト半導体は、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓといった化合物半導体であることができる。
【００６１】
必要な場合には、絶縁膜２５が、電流ブロック層２１ｃ、及び埋込半導体領域２１ａ、２１ｂ上に形成される。このような絶縁膜２５は、例えば誘電体絶縁を備えることができ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ、ポリイミドといった誘電体膜を含むことができる。これらの誘電体膜は、スパッタ、ＣＶＤ、スピンコートといった成膜装置を用いて形成できる。絶縁膜２５は、第１電極１５ａと下地半導体層との絶縁性を高めて、半導体メサ１９ｄへの電流閉じ込めを強化し、半導体が外気に露出されることを防ぐことができる。
【００６２】
第１電極１５ａ及び第２電極１５ｂは、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、又はＧｅ／Ａｕを備えることができる。これらの電極の形成は、例えば蒸着、メッキによる金属層の形成、及びリフトオフによるパターン形成によって形成される。
【００６３】
必要な場合には、実施例に係る量子カスケード半導体レーザは、コア層２３ａと下部クラッド層２３ｂとの間に設けられた下部光閉じ込め層を備えることができ、またコア層と回折格子層２３ｃとの間に設けられた上部光閉じ込め層を備えることができる。これらの光閉じ込め層は、上部クラッド層２３ｄ及び下部クラッド層２３ｂの屈折率より大きい屈折率を有しており、好ましくは半導体基板（例えば、ＩｎＰ）に格子整合可能な材料、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓを備えることができる。
【００６４】
必要な場合には、第１電極１５ａと半導体メサ１９ｄとの良好なオーミックコンタクトを得るために、上部クラッド層２３ｄ上にコンタクト層２３ｅが設けられるようにしていい。コンタクト層２３ｅは、第１電極１５ａと半導体との良好なオーミックコンタクトを形成するために、低バンドギャップであってＩｎＰ基板１７に格子整合可能な材料、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓを備えることができる。
【００６５】
第１埋込半導体領域２１ａは、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅを覆う。第１埋込半導体領域２１ａは、実施例に係る量子カスケード半導体レーザ１１のレーザ発振光のフォトンエネルギーより大きいバンドギャップを有する化合物半導体を備える。また、第１埋込半導体領域２１ａは、第１埋込半導体領域２１ａを経由するリーク電流を低減するために、高比抵抗の半導体、例えば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でき、例えばＦｅドープＩｎＰやＦｅドープＧａＩｎＡｓＰといった遷移金属ドープ半絶縁半導体を含む。第１埋込半導体領域２１ａの材料は、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰといった、アルミニウムを構成元素として含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含むことが良く、アルミニウムの酸化に起因する欠陥生成を避けることができる。
【００６６】
第２埋込半導体領域２１ｂ又は電流ブロック領域２１ｃが、半導体メサ１９ｄの側面を覆う。第２埋込半導体領域２１ｂ及び電流ブロック領域２１ｃは、構成元素及び組成の点で、第１埋込半導体領域２１ａと実質的に同じ材料を備えることができる。第１埋込半導体領域２１ａ及び第２埋込半導体領域２１ｂは、同一の成長工程により作製される。或いは、第１埋込半導体領域２１ａ及び電流ブロック領域２１ｃは、同一の成長工程により作製される。その結果、製造工程を簡素化できる。電流ブロック領域２１ｃ、第１埋込半導体領域２１ａ、及び第２埋込半導体領域２１ｂに、アンドープ又は半絶縁性の半導体を適用すると、これらの領域の自由キャリア吸収に起因する量子カスケード半導体レーザの特性劣化を回避できる。
【００６７】
第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃは、半導体メサ１９ｄと同じ半導体層の積層を備えることができる。第１埋込半導体領域２１ａは、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅ、第１積層構造体１９ｂの第１側面１９ｈ及び第２積層構造体１９ｃの第２側面１９ｉによって支持される。
【００６８】
第１埋込半導体領域２１ａ及び第２埋込半導体領域２１ｂの形成方法は、例えば以下の工程によって行われる。半導体メサ１９ｄ、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃのための複数の半導体層を半導体基板１７上に成長して半導体積層を形成する。半導体積層の上面上に、半導体メサ１９ｄ、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃを規定するマスク、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２といったシリコン系無機絶縁体の誘電体マスクを形成する。この誘電体マスクを用いて半導体積層をエッチングして、半導体メサ１９ｄ、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃを形成する。第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃは、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅから延在する第１凹部１９ａを規定しており、第１凹部１９ａの幅Ｗ０は、第１積層構造体１９ｂと第２積層構造体１９ｃとの間隔によって規定される。誘電体マスクを残したまま半導体の再成長を行うと、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅ、第１積層構造体１９ｂの第１側面１９ｈ及び第２積層構造体１９ｃの第２側面１９ｉ上において半導体の成長が生じて第１凹部１９ａが埋め込まれて、最終的に、平坦な第１埋込半導体領域２１ａが形成される。既に説明したように、第１凹部１９ａの幅Ｗ０は、第１積層構造体１９ｂと第２積層構造体１９ｃとの間隔によって規定される。第１凹部１９ａを埋め込む再成長において、第１積層構造体１９ｂの第１側面１９ｈ及び第２積層構造体１９ｃの第２側面１９ｉ上の成長が寄与する。この寄与によって、第１埋込半導体領域２１ａの平坦性が提供される。第１積層構造体１９ｂと第２積層構造体１９ｃとの間隔（つまり、第１凹部１９ａの幅Ｗ０）は、例えば１０マイクロメートル以上であることができ、７０マイクロメートル以下であることができる。このような範囲は、再成長において異常成長の発生の可能性を低減でき、第１埋込半導体領域２１ａの上面に良好な平坦性を提供できる。
【００６９】
実施例に係る量子カスケード半導体レーザでは、平坦な第１埋込半導体領域２１ａは、レーザ構造体１３の第１端面１３ａに至る。第１端面１３ａにおいて、第１埋込半導体領域２１ａの上面の高さは、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃの上面の高さに実質的に等しい。実施例に係る量子カスケード半導体レーザは、図１に示されるように半導体メサ１９ｄの端面１９ｅに近い位置に第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂを備えることができ、光共振器が第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂを含むことができる。第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂにおいては、第１埋込半導体領域２１ａ、第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃの上面の位置が実質的に同じであり、第１埋込半導体領域２１ａの上面は、優れた平坦性を有する。この優れた平坦性により、共振器端面の付近における出射光の乱反射が低減されると共に、出射ビームの形状の乱れも低減される。その結果、量子カスケード半導体レーザは、光ファイバ及びレンズといった光学系に光学的に良好に結合されることができる。このような量子カスケード半導体レーザを含む光学システムにおいて、良好な光結合は、実効的な光出力を高めることを可能にする。
【００７０】
或いは、実施例に係る量子カスケード半導体レーザでは、第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂが、図５に示されるように半導体メサ１９ｄの端面１９ｅから離れた位置に設けられてもよい。
【００７１】
実施例に係る量子カスケード半導体レーザは、図４に示されるように、半導体メサの側面を埋め込む電流ブロック領域２１ｃを備えており、この電流ブロック領域２１ｃは、第１埋込半導体領域２１ａと同じアンドープ又は半絶縁性の半導体材料を含むことができる。可能な場合には、第１埋込半導体領域２１ａと第２埋込半導体領域２１ｂ、又は電流ブロック領域２１ｃを同じ工程において一緒に形成されるようにしてもよい。
【００７２】
実施例に係る量子カスケード半導体レーザは、図２に示されるように、分布帰還型構造を有することができ、或いは回折格子層２３ｃを有さないファブリーペロー型構造であっても良い。また第１埋込半導体領域２１ａは、第１領域１３ｃ、第３領域１３ｅの両方に形成されている必要は無く、片側の領域のみに形成されていてもよい。更には、一方の領域のみに第１埋込半導体領域２１ａが形成されており、他方の領域には別の構造、例えば、端面高反射化の為のブラッグ反射器を備えるようにしてもよい。
【００７３】
実施例に係る量子カスケード半導体レーザは、図７及び図８に示されるように、実施例においては第１凹部１９ａに加えて第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎを含む。第１凹部１９ａは、平坦な表面の第１埋込半導体領域２１ａによって埋め込まれ、第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎは、平坦な表面の第２埋込半導体領域２１ｂによって埋め込まれる。第１凹部１９ａに加えて第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎの形成により、埋め込み領域の選択成長における原料ガスが、限定されたエリアにおける成長で消費される。第１凹部１９ａ、第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎの接続により、これらの凹部の間における原料の消費の差を小さくでき、第１凹部１９ａ、第２凹部１９ｍ及び第３凹部１９ｎにおける成長レートの差を縮小できる。その結果、これらの凹部に形成される埋め込み領域の平坦性がより改善される。
【００７４】
実施例に係る量子カスケード半導体レーザでは、図９及び図１０に示されるように、第１凹部１９ａが、第１端面１３ａに至ることなく、第１端面１３ａから離れた位置において終端している。形成されるべき第１凹部１９ａの幅及び長さが限定されるので、第１凹部１９ａを形成するエッチングのためのマスクの開口の面積が限定される。エッチングされるべき積層の面積の限定により、第１凹部１９ａを形成するエッチングにおいて実効的なエッチングレートを大きくできる。また、再成長されるべき成長面の面積の限定により、第１凹部１９ａを埋め込む再成長において実効的な成長レートを大きくできる。図９及び図１０に示される第１凹部１９ａの構造は、他の構造、例えば図１に示される量子カスケード半導体レーザに適用されることができる。
【００７５】
実施例における上記の量子カスケード半導体レーザは、半導体メサの側面を電流ブロック領域又は第２埋込半導体領域によって埋め込んでいる埋込ヘテロ（ＢＨ）構造を有する。しかしながら、実施例に係る量子カスケード半導体レーザに、埋込ヘテロ（ＢＨ）構造と異なる電流狭窄構造、例えば、ハイメサ構造を適用することができる。ハイメサ構造では、例えばＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮといった誘電体絶縁膜が半導体メサの側面が覆い、電流ブロック領域及び第２埋込半導体領域は使用されない。
【００７６】
図１３は、複数の素子区間を含む基板生産物を示す平面図である。図１３を参照すると、基板生産物ＳＰの６つ素子区画が示されている。隣接する素子区画におけるそれぞれの半導体メサ１９ｄの端面１９ｅ間の間隔は、第１領域１３ｃの長さ（図１において「Ｌ１」として参照する）の二倍、つまり長さ２ｘＬ１（Ｌとして参照する）である。この端面１９ｅの間の第１埋込半導体領域２１ａ並びに第１積層構造体１９ｂ及び第２積層構造体１９ｃのための積層構造体２３をへき開により分離して、レーザバーを作製する。分離は、長さＬ（＝２ｘＬ１）のエリアの中心線（矢印ＡＲ１）において行われる。分離された素子区画において、半導体メサ１９ｄの端面１９ｅと第１端面１３ａとの距離は、例えば長さＬ／２（＝Ｌ１）である。長さＬは、例えば１０〜５０マイクロメートルの範囲にある。このように作製されたレーザバーを分離線（矢印ＡＲ２）においてへき開により分離して、レーザチップを作製する。この基板生産物ＳＰの構造に依れば、間隔Ｌを上記のように設定することで、隣接チップ間に無駄な領域が発生しないため、基板生産物ＳＰから得られるチップの収量を最大化出来る。
【００７７】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上説明したように、本実施形態によれば、素子端面の付近において乱反射を低減できる量子カスケード半導体レーザが提供される。
【符号の説明】
【００７９】
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ…量子カスケード半導体レーザ、１３…レーザ構造体、１３ａ…第１端面、１３ｂ…第２端面、１３ｃ…第１領域、１３ｄ…第２領域、１３ｅ…第３領域、１５ａ…第１電極、１５ｂ…第２電極、１７…基板、１７ａ…主面、１７ｂ…裏面、１９…半導体積層領域、１９ａ、１９ｇ…第１凹部、１９ｂ…第１積層構造体、１９ｃ…第２積層構造体、１９ｄ…半導体メサ、１９ｅ…端面、１９ｊ…接続積層構造、１９ｍ…第２凹部、１９ｎ…第３凹部、１９ｐ…第３側面、２１ａ…第１埋込半導体領域、２１ｂ…第２埋込半導体領域、Ａｘ１…第１軸、２３…積層構造体、２３ａ…コア層、２３ｂ…下部クラッド層、２３ｃ…回折格子層、２３ｄ…上部クラッド層、２３ｅ…コンタクト層、２５…絶縁膜。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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