(57)【要約】【課題】共振器の高反射ミラーのために端面反射膜を用いない構造を有する端面出射型の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、基板の第１エリア及び第２エリア上に設けられた第１半導体領域と、基板の第３エリア上に設けられ第１軸の方向に延在する半導体メサとを備え、第１エリア、第２エリア、第３エリア及び第４エリアは第１軸の方向に順に配列され、第１半導体領域は、第１フォトニック結晶構造体を含み、第１半導体領域は、第１フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、第１フォトニック結晶構造体は、孔が第１方向に間引かれ第２エリア上に設けられた第１フォトニック導波路部を有し、半導体メサはコア層及びクラッド層を含み、半導体メサは、第３エリアと第４エリアとの境界に位置する端面を有する。【選択図】図１
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【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エリア、第２エリア、第３エリア及び第４エリアを有する主面を含む基板と、
前記基板の前記第１エリア及び前記第２エリア上に設けられた第１半導体領域と、
前記基板の前記第３エリア上に設けられ第１軸の方向に延在する半導体メサと、
を備え、
前記第１エリア、前記第２エリア、前記第３エリア及び前記第４エリアは、前記第１軸の方向に順に配列され、
前記第１半導体領域は、第１フォトニック結晶構造体を含み、
前記第１半導体領域は、前記第１フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、
前記第１フォトニック結晶構造体は、前記孔が前記第１軸の方向に間引かれ前記第２エリア上に設けられた第１フォトニック導波路部を有し、
前記半導体メサはコア層及びクラッド層を含み、
前記半導体メサは、前記第３エリアと前記第４エリアとの境界に位置する端面を有する、量子カスケード半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１フォトニック結晶構造体は、前記孔に設けられた誘電体を備える、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４エリア上に設けられた第２半導体領域を更に備え、
前記第２半導体領域は、第２フォトニック結晶構造体を含み、
前記第２半導体領域は、前記第２フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、
前記第２半導体領域は、前記端面からの光のスポットサイズを変更可能なように前記孔が間引かれ前記第１軸の方向に延在する第２フォトニック導波路部を有し、前記第２フォトニック導波路部は、前記半導体メサの前記端面に光学的に結合されている、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４】
前記第２半導体領域は、前記第１軸の方向に前記孔が間引かれ前記第１軸の方向に延在する第３フォトニック導波路部を有し、前記第３フォトニック導波路部は、前記半導体メサの前記端面に光学的に結合され、
前記第３フォトニック導波路部は前記半導体メサと前記第２フォトニック導波路部との間に設けられる、請求項３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】
特許文献１は、フォトニック結晶を含む光集積回路を開示する。特許文献２は、フォトニック結晶を含む面発光レーザを開示する。非特許文献１は、フォトニックバンドギャップを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８−０８４８３０号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１０−１４０４０４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】光学  ２５、７  ｐｐ４０９−４１５    （１９９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
量子カスケードレーザは、サブバンド間遷移を利用して３〜２０マイクロメートル帯の中赤外光を生成できる。このような波長帶の光は、レーザ加工用途の光源や光学式ガス検知器において有用である。低消費電力動作が求められる量子カスケードレーザの用途に、例えばガス検知器用途がある。量子カスケードレーザのしきい値電流を低減することにより、低消費電力動作が可能になる。しきい値電流の低減には、量子カスケードレーザが短い共振器長を持つことにより可能になる。短い共振器長は、それ故の小さな半導体チップの端面に共振器のための端面反射膜を形成すことを必要とする。小型の半導体チップのハンドリングは、煩雑である。
【０００６】
発明者の検討によれば、レーザバーに端面反射膜を形成する工程を不要にする素子構造は、このハンドリングを回避することを可能にする。
【０００７】
本発明の一側面は、共振器の高反射ミラーのために端面反射膜を用いない構造を有する端面出射型の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エリア、第２エリア、第３エリア及び第４エリアを有する主面を含む基板と、前記基板の前記第１エリア及び前記第２エリア上に設けられた第１半導体領域と、前記基板の前記第３エリア上に設けられ第１軸の方向に延在する半導体メサと、を備え、前記第１エリア、前記第２エリア、前記第３エリア及び前記第４エリアは、前記第１軸の方向に順に配列され、前記第１半導体領域は、第１フォトニック結晶構造体を含み、前記第１半導体領域は、前記第１フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、前記第１フォトニック結晶構造体は、前記孔が前記第１軸の方向に間引かれ前記第２エリア上に設けられた第１フォトニック導波路部を有し、前記半導体メサはコア層及びクラッド層を含み、前記半導体メサは、前記第３エリアと前記第４エリアとの境界に位置する端面を有する。
【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、共振器の高反射ミラーのために端面反射膜を用いない構造を有する端面出射型の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模式的に示す平面面である。
【図２】図２は、図１に示された量子カスケード半導体レーザをいくつかの断面において示す図面である。
【図３】図３は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザをいくつかの断面において示す図面である。
【図４】図４は、本実施形態に係る量子カスケード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６】図６は、本実施形態に係る量子カスケード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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、（ａ）第１エリア、第２エリア、第３エリア及び第４エリアを有する主面を含む基板と、（ｂ）前記基板の前記第１エリア及び前記第２エリア上に設けられた第１半導体領域と、（ｃ）前記基板の前記第３エリア上に設けられ第１軸の方向に延在する半導体メサと、を備え、前記第１エリア、前記第２エリア、前記第３エリア及び前記第４エリアは、前記第１軸の方向に順に配列され、前記第１半導体領域は、第１フォトニック結晶構造体を含み、前記第１半導体領域は、前記第１フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、前記第１フォトニック結晶構造体は、前記孔が前記第１方向に間引かれ前記第２エリア上に設けられた第１フォトニック導波路部を有し、前記半導体メサはコア層及びクラッド層を含み、前記半導体メサは、前記第３エリアと前記第４エリアとの境界に位置する端面を有する。
【００１４】
量子カスケード半導体レーザによれば、第１半導体領域は、第１フォトニック結晶構造体を可能にする複数の孔の配列を含む。第１フォトニック結晶構造体がカラムの配列を含まないので、第１半導体領域は、量子カスケード半導体レーザの機械的な強度を高めることができる。半導体メサのコア層は、量子カスケード半導体レーザに係る光を生成する。第１フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドギャップは、量子カスケード半導体レーザのレーザ光の波長に合わされる。第１フォトニック導波路部及び半導体メサは第１軸の方向に整列されており、第１フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドギャップは、半導体メサに係る半導体導波路部から第１フォトニック導波路部に入射して第１フォトニック導波路部を伝搬する光を反射できる。反射された光は、第１フォトニック導波路部を伝播して半導体導波路部に入射する。第１フォトニック結晶構造体は、量子カスケード半導体レーザの光共振器ミラーとして機能する。第１フォトニック導波路部が、半導体メサに繋がれる導波路として機能する。第１フォトニック導波路部は、量子カスケード半導体レーザにおけるレーザ導波路の一端を、第１フォトニック結晶構造体の縁及び半導体メサの縁から離れた位置に設けることを可能にする。第１フォトニック結晶構造体の利用により、当該光共振器ミラーのために端面反射膜を堆積することを必要とせず、当該量子カスケード半導体レーザは、この端面反射膜の堆積に起因する共振器長の制約から開放される。
【００１５】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１フォトニック結晶構造体は、前記孔に設けられた誘電体を備える。
【００１６】
量子カスケード半導体レーザによれば、第１フォトニック結晶構造体の孔内の誘電体は、量子カスケード半導体レーザの機械的な強度を高めることができる。
【００１７】
具体例に係る量子カスケード半導体レーザは、前記第４エリア上に設けられた第２半導体領域を更に備え、前記第２半導体領域は、第２フォトニック結晶構造体を含み、前記第２半導体領域は、前記第２フォトニック結晶構造体がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔を含み、前記第２半導体領域は、前記端面からの光のスポットサイズを変更可能なように前記孔が間引かれ前記第１軸の方向に延在する第２フォトニック導波路部を有し、前記第２フォトニック導波路部は、前記半導体メサの前記端面に光学的に結合されている。
【００１８】
量子カスケード半導体レーザによれば、第２半導体領域は、第２フォトニック結晶構造体を可能にする複数の孔の配列を含む。第２フォトニック結晶構造体がカラムの配列を含まないので、第２半導体領域は、量子カスケード半導体レーザの機械的な強度を高めることができる。第２フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドギャップは、量子カスケード半導体レーザの発振波長に合わされる。第２フォトニック結晶構造体は半導体メサの端面に光学的に結合され、第１フォトニック結晶構造体のフォトニックバンドギャップは、第２フォトニック導波路部に光を閉じ込めることができる。半導体メサの端面からの光は、第２半導体領域における孔を設けていない第２フォトニック導波路部に従って第２フォトニック導波路部を伝搬する。
【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２半導体領域は、前記第１軸の方向に前記孔が間引かれ前記第１軸の方向に延在する第３フォトニック導波路部を有し、前記第３フォトニック導波路部は、前記半導体メサの前記端面に光学的に結合され、前記第３フォトニック導波路部は前記半導体メサと前記第２フォトニック導波路部との間に設けられる。
【００２０】
量子カスケード半導体レーザによれば、半導体メサ、第２フォトニック導波路部、及び第３フォトニック導波路部は、第１軸の方向に整列されている。第２フォトニック導波路部及び第３フォトニック導波路部は、光共振器の外側に設けられた外部導波路として機能する。第２フォトニック導波路部及び第３フォトニック導波路部は、量子カスケード半導体レーザにおけるレーザ導波路の他端からの光が量子カスケード半導体レーザから外部に出力されることを可能にする。
【００２１】
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、量子カスケード半導体レーザを作製する方法に係る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。
【００２２】
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模式的に示す平面面である。図２の（ａ）部は、図１に示されたＩＩａ−ＩＩａ線に沿って取られた断面を示す。図２の（ｂ）部は、図１に示されたＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿って取られた断面を示す。図２の（ｃ）部は、図１に示されたＩＩｃ−ＩＩｃ線に沿って取られた断面を示す。図２の（ｄ）部は、図１に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ線に沿って取られた断面を示す。
【００２３】
量子カスケード半導体レーザ１１は、基板１３と、第１半導体領域１５と、半導体メサ１７とを備える。基板１３は主面１３ａを含む。主面１３ａは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ、第３エリア１３ｄ及び第４エリア１３ｅを有し、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ、第３エリア１３ｄ及び第４エリア１３ｅは、第１軸Ａｘ１の方向に順に配列される。
【００２４】
半導体メサ１７は、基板１３の第３エリア１３ｄ上に設けられ、また第１軸Ａｘ１の方向に延在する。半導体メサ１７は、第３エリア１３ｄと第４エリア１３ｅとの境界２５に位置する端面１７ｅを有する。
【００２５】
図１並びに図２の（ａ）部及び（ｃ）部に示されるように、第１半導体領域１５は、基板１３の第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃ上に設けられる。第１半導体領域１５は、第１フォトニック結晶構造体２１を含む。また、第１半導体領域１５は、第１フォトニック結晶構造体２１がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔２３を含む。
【００２６】
図２の（ｂ）部に示されるように、半導体メサ１７は、コア層１７ａ（例えばＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子、２．２８２マイクロメートル厚）及びクラッド層１７ｂ（例えばｎ型ＩｎＰ、３マイクロメートル厚）を含み、必要な場合には、回折格子層１７ｃ（例えばｎ型ＩｎＧａＡｓ層、５００ｎｍ厚）及びコンタクト層１７ｄ（例えばｎ型ＩｎＧａＡｓ層、１００ｎｍ厚）を含むことができる。コア層１７ａ、クラッド層１７ｂ、回折格子層１７ｃ及びコンタクト層１７ｄは、端面１７ｅから第１軸Ａｘ１の方向に延在しており、また、基板１３の主面１３ａの法線方向に順に配列されている。回折格子層１７ｃの上面は、波長選択のための周期構造（突起及び窪みの配列）を有する。半導体メサ１７のコア層１７ａは、量子カスケード半導体レーザ１１に係るレーザ光を生成し、レーザ光の波長は、例えば４〜１０マイクロメートルの範囲にある。必要な場合には、半導体メサ１７は、コア層１７ａと基板１３との間に設けられたクラッド領域１７ｆを備えることができ、本実施例では、クラッド領域１７ｆは、基板１３のリッジ構造１３ｒにより提供される。半導体メサ１７のメサ幅ＷＭは、例えば３〜５マイクロメートルの範囲にあることができる。短い共振器の実現ために、半導体メサ１７の長さＬは、３００〜５００マイクロメートルの範囲にあることができる。
【００２７】
本実施例では、半導体メサ１７は、第３エリア１３ｄにおいて埋込半導体領域２７により埋め込まれている。量子カスケード半導体レーザ１１は、第３エリア１３ｄに設けられた絶縁膜２９、第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂを含むことができ、絶縁膜２９は、埋込半導体領域２７上の上面を覆うと共に、半導体メサ１７の上面に位置する開口２９ａを有する。第１電極３１ａは、埋込半導体領域２７及び半導体メサ１７上に設けられ、開口２９ａを介して半導体メサ１７の上面に接触を成す。第２電極３１ｂは、導電性の基板１３の裏面１３ｆに接触を成す。
【００２８】
埋込半導体領域２７は、第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃにも設けられている。第１半導体領域１５は、周期的な孔２３の配列を有する埋込半導体領域２７を含む。埋込半導体領域２７は、例えば半絶縁性ＩｎＰを備えることができ、孔２３の径は例えば１．８１マイクロメートルであることができ、フォトニック結晶における孔２３の配列の周期は、例えば３．１５マイクロメートルであることができる。
【００２９】
具体的には、第１半導体領域１５は、図１に示されるように、基板１３の第１エリア１３ｂにおいて、孔２３が二方向又は三方向に周期的に配列されて、フォトニック結晶を形成しており、フォトニック結晶における格子構造は、例えば、正方格子、三角格子、及び六方格子であることができる。本実施例では、孔２３は三方向に周期的に配列されて三角格子を形成する。
【００３０】
第１フォトニック結晶構造体２１は、図１及び図２の（ｃ）部に示されるように、第２エリア１３ｃ上に設けられた第１フォトニック導波路部２１ａを有し、第１フォトニック導波路部２１ａは、第１軸Ａｘ１の方向に孔２３（２４）が間引かれて、第１軸Ａｘ１の方向に連続する半導体導波路部１６ａを有する。この半導体導波路部１６ａの両側には、基板１３の第２エリア１３ｃにおいて、孔２３が二方向又は三方向に周期的に配列されて、フォトニック結晶を形成している。第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃにおいて、第１フォトニック結晶構造体２１は、フォトニックバンドギャップを有するように設けられた孔２３の第１配列Ａ１ＲＹを有している。第１配列Ａ１ＲＹにおける孔２３（２４）の配列は、フォトニックバンドギャップを有する第１フォトニック結晶構造体２１内に光の伝搬を可能にするための例示的な構造である。必要な場合には、半導体導波路部１６ａは、半導体メサ１７と同じ半導体積層を含むことができる。
【００３１】
量子カスケード半導体レーザ１１によれば、第１半導体領域１５は、第１フォトニック結晶構造体２１を可能にする複数の孔２３の第１配列Ａ１ＲＹを含む。第１フォトニック結晶構造体２１がカラムの配列を含まず孔２３（例えば、空孔）の配列を含むので、第１半導体領域は、量子カスケード半導体レーザ１１の機械的な強度を高めることができる。半導体メサ１７のコア層１７ａは、量子カスケード半導体レーザ１１に係る光を生成する。第１フォトニック結晶構造体２１のフォトニックバンドギャップは、量子カスケード半導体レーザ１１のレーザ光の波長に合わされる。第１フォトニック導波路部２１ａ及び半導体メサ１７は第１軸Ａｘ１の方向に整列されており、第１フォトニック結晶構造体２１のフォトニックバンドギャップは、半導体メサ１７に係る半導体導波路部１６ｂから第１フォトニック導波路部２１ａ（半導体導波路部１６ａ）に入射して、半導体導波路部１６ｂを伝搬する光を反射できる。反射された光は、第１フォトニック導波路部２１ａ（半導体導波路部１６ａ）から半導体導波路部１６ａに戻る。第１フォトニック結晶構造体２１は、量子カスケード半導体レーザ１１の光共振器ミラーとして機能する。また、半導体メサ１７の端面１７ｅは、量子カスケード半導体レーザ１１の光共振器ミラーとして機能する。第１フォトニック導波路部２１ａが、半導体メサ１７に繋がれる導波路として機能する。第１フォトニック導波路部２１ａは、量子カスケード半導体レーザ１１におけるレーザ導波路１６の一端１６Ｅを、第１フォトニック結晶構造体２１の縁Ｅ２１及び半導体メサ１７の縁Ｅ１７から離れた位置に設けることを可能にする。第１フォトニック結晶構造体２１の利用により、当該光共振器ミラーのために端面反射膜を堆積することを必要とせず、量子カスケード半導体レーザ１１は、この端面反射膜の堆積による共振器長の制約から開放される。
【００３２】
本実施例では、図２の（ａ）、（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、孔２３は、基板１３内に位置する底２３ａを有する。量子カスケード半導体レーザ１１によれば、第１フォトニック結晶構造体２１は、基板１３に到達する深さの孔２３を有する。深い孔２３の配列は、半導体メサ１７を伝搬する長波長の光を反射するために有効である。
【００３３】
図１及び図２の（ｄ）部に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１１は、第４エリア１３ｅ上に設けられた第２半導体領域３３を更に備える。第２半導体領域３３は、第２フォトニック結晶構造体３５を含み、第２半導体領域は、第２フォトニック結晶構造体３５がフォトニックバンドギャップを有するように配列された複数の孔２３を含む。埋込半導体領域２７は、第４エリア１３ｅにも設けられている。第２半導体領域３３は、周期的な孔２３の配列を有する埋込半導体領域２７を含む。埋込半導体領域２７は、例えば半絶縁性ＩｎＰを備えることができ、孔２３の径は例えば１．８１マイクロメートルであることができ、フォトニック結晶における孔２３の配列の周期は、例えば３．１５マイクロメートルであることができる。
【００３４】
第２半導体領域３３は、端面１７ｅからの光のスポットサイズを変更可能なように孔２３（２４）が間引かれて、第４エリア１３ｅにおいて第１軸Ａｘ１の方向に延在する第２フォトニック導波路部３５ａを有する。第２フォトニック導波路部３５ａは、半導体メサ１７の端面１７ｅに光学的に結合されている。本実施例では、第２フォトニック導波路部３５ａは、第１エリア１３ｂから第４エリアｅへの方向に、孔２３（２４）の間引き数が増えるように間引かれて成る形状、例えば扇形を有している。
【００３５】
量子カスケード半導体レーザ２２によれば、第２半導体領域３３は、第２フォトニック結晶構造体３５を可能にする複数の孔２３の配列を含む。第２フォトニック結晶構造体３５がカラムの配列を含まないので、第２半導体領域３３は、量子カスケード半導体レーザ１１の機械的な強度を高めることができる。第２フォトニック結晶構造体３５のフォトニックバンドギャップは、量子カスケード半導体レーザ１１のレーザ光の波長に合わされる。第２フォトニック結晶構造体３５は半導体メサ１７の端面１７ｅに光学的に結合され、第２フォトニック結晶構造体３５のフォトニックバンドギャップは、第２フォトニック導波路部３５ａに光を閉じ込めることができる。半導体メサ１７の端面１７ｅからの光は、第２半導体領域３３における孔２３を設けていない第２フォトニック導波路部３３ｂに従って第２フォトニック導波路部３３ｂを伝搬して、量子カスケード半導体レーザ１１の外部に出射される。
【００３６】
第２半導体領域３３は、第１軸Ａｘ１の方向に孔２３（２４）が間引かれて第１軸Ａｘ１の方向に延在する第３フォトニック導波路部３５ｂを有する。第３フォトニック導波路部３５ｂは、半導体メサ１７の端面１７ｅに光学的に結合される。第３フォトニック導波路部３５ｂは、半導体メサ１７の端面１７ｅを第２フォトニック結晶構造体３５の縁Ｅ３５及び半導体メサ１７の縁Ｅ１７から離れた位置に設けることを可能にする。また、第３フォトニック導波路部３５ｂは半導体メサ１７と第２フォトニック導波路部３５ａとの間に設けられることができる。
【００３７】
量子カスケード半導体レーザ１１によれば、半導体メサ１７、第３フォトニック導波路部３５ｂ及び第２フォトニック導波路部３５ａが、第１軸Ａｘ１の方向に整列されている。第２フォトニック導波路部３５ａ及び第３フォトニック導波路部３５ｂは、光共振器の外側において基板１３上に設けられた導波路（半導体導波路部１６ｃ、１６ｄ）として機能する。第２フォトニック導波路部３５ａ及び第３フォトニック導波路部３５ｂは、量子カスケード半導体レーザ１１におけるレーザ導波路の他端からの光が量子カスケード半導体レーザ１１から外部に出力されることを可能にする。
【００３８】
第２フォトニック結晶構造体３５は、図１及び図２の（ｄ）部に示されるように、第４エリア１３ｅ上に設けられた第２フォトニック導波路部３５ａ及び第３フォトニック導波路部３５ｂを有し、第２フォトニック導波路部３５ａ及び第３フォトニック導波路部３５ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に孔２３が間引かれて、第１軸Ａｘ１の方向に連続する半導体導波路部１６ｃ、１６ｄを有する。この半導体導波路部１６ｃ、１６ｄの両側には、基板１３の第４エリア１３ｅにおいて、孔２３が二方向又は三方向に周期的に配列されてフォトニック結晶を形成している。第４エリア１３ｅにおいて、第２フォトニック結晶構造体３５は、フォトニックバンドギャップを有するように設けられた孔２３の第２配列Ａ２ＲＹを有している。第２配列Ａ２ＲＹにおける孔２３（２４）の間引きは、フォトニックバンドギャップを有する第２フォトニック結晶構造体３５内に光の伝搬及びスポットサイズの変換を可能にするための例示的な構造である。
【００３９】
図３の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｄ）部は、それぞれ、図２の（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｄ）部に対応する断面である。図３の（ａ）部〜（ｄ）部に示されるように、第１フォトニック結晶構造体２１及び／又は第２フォトニック結晶構造体３５は、孔２３に設けられた誘電体３７を備えることができる。第１フォトニック結晶構造体２１及び／又は第２フォトニック結晶構造体３５の孔２３内の誘電体３７は、量子カスケード半導体レーザ１１の機械的な強度を高めることができる。誘電体３７は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物又はシリコン酸窒化物といったシリコン系無機絶縁体を含むことができる。
【００４０】
図４〜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を作製する方法を説明する。引き続く説明は、可能な場合には、理解を容易にするために、上記の説明において用いられた参照符号を用いて為される。また、図４〜図６の各々には、個々の工程における生産物の向きを表すために、直交座標系Ｓが描かれている。図４の（ａ）部に示されるように、ＩｎＰ基板といった半導体ウエハ（以下、「ウエハＷ」と記す）を準備する。このウエハＷ上に、コア層１７ａのための半導体超格子（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ）を成長すると共に、この半導体超格子上に回折格子層１７ｃのための半導体層を成長する。これらの成長により、下部積層体４１ａが形成される。成長は、例えば有機金属気相成長法又は分子線エピタキシ法により行われる。
【００４１】
図４の（ｂ）部に示されるように、回折格子のための第１マスク４３を下部積層体４１ａ上に形成する。第１マスク４３は、例えば１００ｎｍ厚のＳｉＮ膜を含むことができる。第１マスク４３は、ｙ軸（第１軸Ａｘ１）の方向に周期的に配列された架橋４３ａ及び開口４３ｂを含むパターンを有する。
【００４２】
この第１マスク４３を用いて、臭化水素酸（エッチャント）を用い下部積層体４１をエッチングして、凹部及び凸部を含む回折格子層１７ｃを形成する。回折格子層１７ｃにおいて、凹部の深さＤは、例えば１００〜２００ｎｍであり、凸部の高さＨは、例えば１００〜２００ｎｍであることができる。加工された下部積層体４１ｂがエッチングにより形成される。エッチングの完了後に、第１マスク４３を除去する。
【００４３】
エッチングの後に、図４の（ｃ）部に示されるように、ウエハＷ上に、加工された下部積層体４１ｂ上にクラッド層１７ｂ（ｎ型ＩｎＰ、３マイクロメートル厚）を成長すると共に、クラッド層１７ｂ上にコンタクト層１７ｄ（ｎ型ＩｎＧａＡｓ、１００ｎｍ厚）を成長する。これらの成長により、上部積層体４１ｃが形成される。成長は、例えば有機金属気相成長法又は分子線エピタキシ法により行われる。
【００４４】
この再成長の後に、図４の（ｄ）部に示されるように、メサを規定する第２マスク４７を上部積層体４１ｃ上に形成する。第２マスク４７は、例えば５００〜１０００ｎｍ厚のＳｉＮ膜を含むことができる。第２マスク４７は、ｙ軸（第１軸Ａｘ１）の方向に延在するストライプ形状のパターンを有する。
【００４５】
この第２マスク４７を用いて、ハロゲン系ガスを使用したドライエッチングを用い上部積層体４１ｃ及び下部積層体４１ｂをエッチングして、半導体メサ１７を形成する。半導体メサ１７のメサ幅ＷＭは、例えば３〜１０マイクロメートルであ、メサ高ＨＭは、例えば７マイクロメートルであることができる。本実施例では、半導体メサ１７を形成するために、上部積層体４１ｃ及び下部積層体４１ｂに加えて、ウエハＷをエッチングする。半導体メサ１７のストライプは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄに形成され、第４エリア１３ｅには形成されない。エッチングの完了後においても、第２マスク４７を除去せずに残す。
【００４６】
第２マスク４７を残したまま、図５の（ａ）部に示されるように、選択成長を行って埋込半導体領域２７により半導体メサ１７を埋め込む。埋込半導体領域２７は、例えばＦｅドープＩｎＰを含む。埋込成長が終了した後に、第２マスク４７を除去する。
【００４７】
埋込成長の後に、図５の（ｂ）部に示されるように、半導体メサ１７及び埋込半導体領域２７上に第３マスク４９を形成する。第３マスク４９は、第１フォトニック結晶構造体２１のためのパターンを有する。第３マスク４９は、例えば５００ｎｍ厚のＳｉＮ膜を含むことができる。第３マスク４９は、第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃ上に、フォトニック結晶のための開口の配列を含むパターンを有する。
【００４８】
第３マスク４９を用いて第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃ上の埋込半導体領域２７、存在する場合には半導体メサ１７をハロゲン系ガスを使用したドライエッチングによりエッチングして、第１フォトニック結晶構造体２１を形成する。第１フォトニック結晶構造体２１の孔２３のための径は、例えば８〜１０マイクロメートルであり、孔２３の深さＤＰ１は、例えば８マイクロメートルであることができる。具体的には、利得を有する導波路の長さＧＷは、例えば５００マイクロメートルであることができ、長さＧＭは、３００〜５００マイクロメートルの範囲にある。
【００４９】
本実施例では、第１フォトニック結晶構造体２１を形成するために．半導体メサ１７及び埋込半導体領域２７に加えて、ウエハＷをエッチングして、半導体メサ１７のエッチングより深い孔２３を形成する。望ましくは、深さＤＰはメサ高ＨＭより大きく、これにより基板からの光の導波を遮断するためである。エッチングの完了後において、第３マスク４９を除去する。
【００５０】
第１フォトニック結晶構造体２１を形成した後に、図５の（ｃ）部に示されるように、半導体メサ１７及び埋込半導体領域２７上に第４マスク５１を形成する。第４マスク５１は、第２フォトニック結晶構造体３５のためのパターンを有する。第４マスク５１は、例えば５００ｎｍ厚のＳｉＮ膜を含むことができる。第４マスク５１は、第４エリア１３ｅ上に、フォトニック結晶のための開口の配列を含むパターンを有する。
【００５１】
第４マスク５１を用いて第４エリア１３ｅ上の埋込半導体領域２７をハロゲン系ガスを使用したドライエッチングによりエッチングして、第２フォトニック結晶構造体３５を形成する。第２フォトニック結晶構造体３５の孔２３のための径は、例えば１〜３マイクロメートルであり、孔２３の深さＤＰ２は、例えば８〜１０マイクロメートルであることができる。
【００５２】
本実施例では、第２フォトニック結晶構造体３５を形成するために．埋込半導体領域２７をエッチングして、孔２３を形成する。第２フォトニック結晶構造体３５の孔２３の深さＤＰ１は、第２フォトニック結晶構造体３５の孔２３の深さＤＰ２以上であることが好ましく、これにより基板からの光の導波を遮断できる。エッチングの完了後において、第４マスク５１を除去する。なお、第１フォトニック結晶構造体２１の形成に先立って、第２フォトニック結晶構造体３５の形成を行うことができる。また、可能である場合には、第１フォトニック結晶構造体２１及び第２フォトニック結晶構造体３５の形成を一緒に行うようにしてもよい。
【００５３】
図６の（ａ）部に示されるように、パッシベーション膜５３を成長する。パッシベーション膜５３は、例えば３００ｎｍ厚のＳｉＮ又はＳｉＯＮを含むことができる。第１フォトニック結晶構造体２１及び第２フォトニック結晶構造体３５上にパッシベーション膜５３が形成されないようするために、バッファードフッ酸によるパッシベーション膜の除去を用いることができる。
【００５４】
図６の（ｂ）部に示されるように、パッシベーション膜５３に開口５３ａを形成する。この形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いることができる。開口５３ａを形成した後に、第３エリア１３ｄ上のパッシベーション膜５３上に第１電極５５を形成する。第１電極５５は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造を有することができる。
【００５５】
図６の（ｃ）部に示されるように、ウエハＷの裏面を研磨して、１００マイクロメートル厚の基板を形成すると共に、この基板の裏面に第２電極５７を形成する。第２電極５７は、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ構造を有することができる。
【００５６】
これらの工程によりウエハ生産物が形成された。このウエハ生産物をへき開により分離して、埋め込みヘテロ型量子カスケードレーザを形成することができる。量子カスケードレーザはＴＭ偏波であるので、フォトニック結晶構造（２１、３５）においてフォトニックバンドギャップが広くとれる。本実施形態に係る三角格子における半導体充填率（定義：（ＳＨ）／（（ＤＩＳ）２×ＳＱＲＴ（３）／４））は０．１であり、ここで、孔の面積は“ＳＨ”として表され、孔の間隔は“ＤＩＳ”として表される。“ＳＱＲＴ（Ａ）”はＡの平方根を表す。波長７マイクロメートル帯の量子カスケードレーザのフォトニック結晶構造の実施例では、ＴＭ偏波がフォトニックバンドギャップ内に入るように、規格化周波数を０．９である。発振波長及び規格化周波数から求めた三角格子の周期は、３．１５マイクロメートルである。三角格子の周期及び半導体充填率から、フォトニクス結晶構造の孔の直径は１．８１マイクロメートルである。この径は、縮小投影露光装置を用いて解像可能である。さらに、微細な孔を求める４マイクロメートル帯以下の波長領域における量子カスケードレーザの作製では、ナノインプリント法を用いて２次元フォトニック結晶のパターン形成を行うことが可能である。単一波長の波長選択を確実にするために、半導体メサには、分布帰還型の回折格子を設けることが良い。量子カスケードレーザ部分の横方向の光閉じ込めは、電流狭窄のための高抵抗半導体層により行われる。実施例に係る分布帰還型埋め込みヘテロ構造量子カスケードレーザは、共振器長５００マイクロメートル以下の共振器長を有することができる。
【００５７】
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】
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、共振器の高反射ミラーのために端面反射膜を用いない構造を有する端面出射型の量子カスケード半導体レーザが提供される。
【符号の説明】
【００５９】
１１…量子カスケード半導体レーザ、１３…基板、１３ａ…主面、１３ｂ…第１エリア、１３ｃ…第２エリア、１３ｄ…第３エリア、１３ｅ…第４エリア、１５…第１半導体領域、１７…半導体メサ、１７ａ…コア層、１７ｂ…クラッド層、１７ｃ…回折格子層、１７ｄ…コンタクト層、１７ｅ…端面、Ａｘ１…第１軸、２１…第１フォトニック結晶構造体、２３…孔、２５…境界、２７…埋込半導体領域、３３…第２半導体領域、３５…第２フォトニック結晶構造体。
【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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