(57)【要約】      （修正有）【課題】低いエネルギでレーザ発振させ、且つ、シングルモード動作を可能とする。【解決手段】半導体レーザ素子１は、シリコンにより形成された基板６と、ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成されたアンダークラッド１１、活性層１２及びトップクラッド１３がこの順に積層されたレーザ構造７を有する。レーザ構造７は、出射方向Ａに延びるキャビティ２と、出射方向Ａに沿ってキャビティ２を挟むように設けられた反射端部３及び出射端部４が設けられたレーザ構造７と、を備える。反射端部３には、トップクラッド１３から活性層１２を介してアンダークラッド１１に至る第１溝部と、第１溝部の間に配置された壁部と、が設けられる。出射端部４には、トップクラッド１３から活性層１２を介してアンダークラッド１１に至る第２溝部と、壁部と、が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンにより形成された基板と、
前記基板上に設けられると共にＩＶ−ＶＩ族半導体により形成されたアンダークラッド、活性層及びトップクラッドがこの順に積層された積層構造を有し、前記積層構造には、所定方向に延びるキャビティ部と、前記所定方向に沿って前記キャビティ部を挟むように設けられた反射端部及び出射端部と、が設けられた端面発光レーザ部と、を備え、
前記反射端部には、前記トップクラッドから前記活性層を介して前記アンダークラッドに至る少なくとも２個の第１溝部と、前記第１溝部の間に配置された少なくとも１個の第１壁部と、が設けられ、
前記出射端部には、前記トップクラッドから前記活性層を介して前記アンダークラッドに至る少なくとも１個の第２溝部と、１個の第２壁部と、が設けられる、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記基板は、基体と、前記基体の表面上に設けられるアンダークラッドと接合するバッファ層と、を有する、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記バッファ層は、第１の層と第２の層とが交互に積層され、
前記第１の層は、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つを含んで形成され、
前記第２の層は、ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成される、請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記トップクラッドに設けられた第１電極と、
前記基板に設けられた第２電極と、をさらに備え、
前記第１電極と前記第２電極との間には、電圧が印加されて、前記トップクラッドと前記基板との間に流れる電流によって前記活性層が励起される、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記基板は、基体と、前記基体の表面上に設けられると共に前記アンダークラッドと接合するバッファ層と、を有し、
前記基板は、ｐ型シリコンにより形成され、
前記バッファ層は、ｎ型ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成される、請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
シリコンにより形成された基板を準備する第１の工程と、
前記基板上にＩＶ−ＶＩ族半導体により形成されたアンダークラッド、活性層及びトップクラッドがこの順に積層された積層構造を形成する第２の工程と、
前記積層構造に対して、所定方向に延びるキャビティ部と、前記所定方向に沿って前記キャビティ部を挟むように設けられた反射端部及び出射端部と、を形成する第３の工程と、を有し、
前記第３の工程は、
前記トップクラッドから前記活性層を介して前記アンダークラッドに至る少なくとも２個の第１溝部と、前記第１溝部の間に配置された少なくとも１個の第１壁部と、を有する前記反射端部を形成する工程と、
前記トップクラッドから前記活性層を介して前記アンダークラッドに至る少なくとも１個の第２溝部と、１個の第２壁部と、を有する前記出射端部を形成する工程と、を含む、半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１の工程は、
基体を準備する工程と、
前記基体の表面に前記アンダークラッドと接合するバッファ層を設ける工程と、を有する、請求項６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項８】
前記バッファ層を設ける工程では、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つを含む第１の層と、ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成される第２の層と、を交互に積層させる、請求項７に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項９】
前記バッファ層を設ける工程は、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つを含む材料と、ＩＶ−ＶＩ族半導体を含む材料と、を並行して前記基体に蒸着させる、請求項７に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子には、中赤外光の波長帯域（波長：３μｍ以上２０μｍ以下）のレーザ光を出射するものがある。このような半導体レーザ素子は、ｐｐｂオーダの希薄ガス分析、同位体分析及び医療応用に利用される。当該半導体レーザ素子には、例えば、量子井戸のサブバンド間遷移を用いる量子カスケードレーザ及びバンド間遷移ＩＶ−ＶＩ族半導体レーザ等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１２−５０９５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、典型的な端面発光型の半導体レーザ素子（例えば特許文献１）は、キャビティ長さが３００μｍ以上である。また、中赤外光領域のレーザ光を出射する量子カスケードレーザは、キャビティ長さが１ｍｍ程度である。
【０００５】
このような半導体レーザ素子にあっては、低いエネルギでレーザ発振させ、且つ、シングルモード動作を可能とすることが望まれている。レーザ発振させるためのエネルギは、例えば、半導体レーザ素子が備えるキャビティ長の影響を受ける。具体的には、キャビティ長が長くなると、レーザ発振させるためのエネルギが大きくなり、キャビティ長が短くなると、レーザ発振させるためのエネルギが小さくなる傾向にある。
【０００６】
そこで、本発明は、低いエネルギでレーザ発振させ、且つ、シングルモード動作を可能とする半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法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】
本発明の一形態に係る半導体レーザ素子は、シリコンにより形成された基板と、基板上に設けられると共にＩＶ−ＶＩ族半導体により形成されたアンダークラッド、活性層及びトップクラッドがこの順に積層された積層構造を有し、積層構造には、所定方向に延びるキャビティ部と、所定方向に沿ってキャビティ部を挟むように設けられた反射端部及び出射端部と、が設けられた端面発光レーザ部と、を備え、反射端部には、トップクラッドから活性層を介してアンダークラッドに至る少なくとも２個の第１溝部と、第１溝部の間に配置された少なくとも１個の第１壁部と、が設けられ、出射端部には、トップクラッドから活性層を介してアンダークラッドに至る少なくとも１個の第２溝部と、１個の第２壁部と、が設けられる。
【０００８】
この半導体レーザ素子は、積層構造を有し、当該積層構造にキャビティ部と反射端部出射端部とを設けた端面発光型のレーザ素子である。このような構成によれば、キャビティ部の長さを短くすることが可能になる。従って、活性層面積が低減するので、レーザ発振の閾値を下げることができる。さらに、キャビティ部の長さを短くすることで、キャビティ内に生じ得るレーザ光のモード数が少なくなる。従って、容易にシングルモード動作をさせることができる。よって、半導体レーザ素子は、低いエネルギでレーザ発振させ、且つ、シングルモード動作を行うことができる。
【０００９】
一形態において、基板は、基体と、基体の表面上に設けられるアンダークラッドと接合するバッファ層と、を有してもよい。この構成によれば、基板とアンダークラッドとの格子不整合による格子欠陥と熱膨張係数差によるクラックの発生を低減することができる。
【００１０】
一形態において、バッファ層は、第１の層と第２の層とが交互に積層され、第１の層は、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つを含んで形成され、第２の層は、ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成されてもよい。この構成によれば、基板とアンダークラッドとの格子不整合による格子欠陥と熱膨張係数差によるクラックの発生を抑えつつ、さらに基板とアンダークラッドとの間の導通を確保することができる。
【００１１】
一形態において、半導体レーザ素子は、トップクラッドに設けられた第１電極と、基板に設けられた第２電極と、をさらに備え、第１電極と第２電極との間には、電圧が印加されて、トップクラッドと基板との間に流れる電流によって活性層が励起されてもよい。この構成によれば、半導体レーザ素子を電流注入型のレーザ素子とすることができる。
【００１２】
一形態において、基板は、ｐ型シリコンにより形成され、バッファ層は、ｎ型ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成されてもよい。この構成によれば、基板とアンダークラッドとの間の電気抵抗値を低減できる。そうすると、電流注入型のレーザ素子において、レーザ発振に要するエネルギをさらに下げることができる。
【００１３】
本発明の別の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、シリコンにより形成された基板を準備する第１の工程と、基板上にＩＶ−ＶＩ族半導体により形成されたアンダークラッド、活性層及びトップクラッドがこの順に積層された積層構造を形成する第２の工程と、積層構造に対して、所定方向に延びるキャビティ部と、所定方向に沿ってキャビティ部を挟むように設けられた反射端部及び出射端部と、を形成する第３の工程と、を有し、第３の工程は、トップクラッドから活性層を介してアンダークラッドに至る少なくとも２個の第１溝部と、第１溝部の間に配置された少なくとも１個の第１壁部と、を有する反射端部を形成する工程と、トップクラッドから活性層を介してアンダークラッドに至る少なくとも１個の第２溝部と、１個の第２壁部と、を有する出射端部を形成する工程と、を含んでもよい。
【００１４】
この製造方法によれば、低いエネルギでレーザ発振させ、且つ、シングルモード動作を行うことが可能な半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１５】
別の形態において、第１の工程は、基体を準備する工程と、基体の表面にアンダークラッドと接合するバッファ層を設ける工程と、を有してもよい。この工程によれば、基板とアンダークラッドとの間の格子不整合による格子欠陥と熱膨張係数差によるクラックの発生を低減することができる。
【００１６】
別の形態において、バッファ層を設ける工程では、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つを含む第１の層と、ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成される第２の層と、を交互に積層させてもよい。この工程によれば、基板とアンダークラッドとの格子不整合による格子欠陥と熱膨張係数差によるクラックの発生を低減しつつ、さらに基板とアンダークラッドとの間の導通を確保することができる。
【００１７】
別の形態において、バッファ層を設ける工程は、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つを含む材料と、ＩＶ−ＶＩ族半導体を含む材料と、を並行して基体に蒸着させてもよい。この工程によっても、基板とアンダークラッドとの格子不整合による格子欠陥と熱膨張係数差によるクラックの発生を低減しつつ、さらに基板とアンダークラッドとの間の導通を確保することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、低いエネルギでレーザ発振させ、且つ、シングルモード動作を可能とする半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図２】図２は、バンド構造を示す図である。
【図３】図３の（ａ）部は反射端部を拡大して示す斜視図であり、図３の（ｂ）部は出射端部を拡大して示す斜視図である。
【図４】図４は、反射率を示すグラフである。
【図５】図５は、半導体レーザ素子の主要な製造工程を示すフロー図である。
【図６】図６は、実験例１に係る半導体レーザ素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図７】図７は、実験例２に係る量子効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
図１に示されるように、実施形態に係る半導体レーザ素子１は、いわゆる端面発光型のレーザ素子である。半導体レーザ素子１は、出射端面１ａからレーザ光Ｌを出射する。半導体レーザ素子１は、ＩＶ−ＩＶ族半導体により構成されたレーザである。出射されるレーザ光Ｌは、中赤外光の波長帯域（波長：３μｍ以上２０μｍ以下）を有する。例えば、ＩＶ−ＶＩ族半導体レーザ素子に利用される半導体には、ＰｂＳｒＳ／ＰｂＳ、ＰｂＣａＳ／ＰｂＳ（波長：３μｍ以上４μｍ以下）、ＰｂＳｒＳｅ／ＰｂＳｅ（波長：４μｍ以上７μｍ以下）、ＰｂＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ、ＰｂＣａＴｅ／ＰｂＴｅ（波長４μｍ以上６μｍ以下）、及びＰｂＳｎＴｅ（波長６μｍ以上）などがある。
【００２２】
半導体レーザ素子１は、電流注入型のレーザ素子である。なお、半導体レーザ素子１は、光励起型とすることもできる。例えば、光ファイバレーザやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等の近赤外半導体レーザを直径３０μｍ程度に集光し、半導体レーザ素子１に照射することにより励起してもよい。
【００２３】
半導体レーザ素子１は、複数の半導体層が積層された構造を有する。そして、半導体レーザ素子１は、レーザ光Ｌの出射方向Ａ（所定方向）に延びている。半導体レーザ素子１は、キャビティ２（キャビティ部）と、反射端部３と、出射端部４と、を有する。レーザ光は、キャビティ２内を出射方向Ａに沿って反射端部３と出射端部４との間で往復し、増幅される。そして、往復するレーザ光Ｌの一部は、出射端部４から出射される。
【００２４】
半導体レーザ素子１の長手方向における長さは、例えば３０μｍ程度である。このような長さの半導体レーザ素子１は、レーザ発振に要するエネルギの閾値を低減することができる。また、半導体レーザ素子１は、長手方向における長さによって、共振波長が決まる。長さが大きくなるに従って、高調波の数が増える傾向にある。従って、３０μｍ程度である半導体レーザ素子１は、高調波の数を低減できるので、シングルモード動作に適している。
【００２５】
半導体レーザ素子１は、基板６と、レーザ構造７（端面発光レーザ部）と、を有する。
【００２６】
基板６は、基体８と、バッファ９（バッファ層）と、を有する。基体８は、ｐ型シリコン（１１１）により形成される。シリコンの熱伝導率は、１５０Ｗ／ｍＫ程度であり、ＩＶ−ＩＶ族半導体の熱伝導率に対して約１００倍である。従って、レーザ構造７（具体的には活性層１２）において生じた熱を効率よく外部に排出できるので、室温付近での良好なレーザスペクトルを得ることができる。基体８は、主面８ａと裏面８ｂとを有する。主面８ａには、バッファ９が形成される。この主面８ａは、＜１１１＞面に対して１度以上５度以下の傾斜した面である。裏面８ｂには、第２電極９Ｂが設けられる。
【００２７】
バッファ９は、基体８とレーザ構造７との間に設けられる。バッファ９は、シリコンによる基体８と、レーザ構造７との格子不整合による格子欠陥と熱膨張係数差によるクラックの発生を調整するものである。また、バッファ９は、基体８とレーザ構造７との間の導電性を確保する。つまり、バッファ９は、導電性を有する。バッファ９は、複数の第１の層９ａと第２の層９ｂとが積層された構成を有する。このような層は、短周期超格子初期層ということもできる。第１の層９ａは、例えば、カルシウム、ストロンチウム、ユウロピウムのいずれかからなる。第２の層９ｂは、レーザ構造７と同じ材料からなる。第１の層９ａ及び第２の層９ｂの厚さは、それぞれ１０ｎｍ程度である。バッファ９は、例えば、エピタキシャル成長により形成してもよい。
【００２８】
なお、バッファ９は、短周期超格子初期層に限定されない。例えば、カルシウム、ストロンチウム或いはユウロピウムとＩＶ−ＶＩ族半導体を並行して蒸着することにより、金属元素過剰状態として形成してもよい。このようなバッファ９も、エピタキシャル成長により良好な結果を得ることができる。
【００２９】
バッファ９は、ｎ型ＣａＴｅ／ＰｂＴｅ短周期超格子やｎ型ＰｂＴｅであってもよい。ＣａＴｅ／ＰｂＴｅ短周期超格子バッファ層がｎ型である場合、基板６とレーザ構造７との接合界面、より詳細には基板６とバッファ９との接合界面の電気抵抗を低減することができる。従って、ｎ型ＣａＴｅ／ＰｂＴｅ短周期超格子によるバッファ９を備える半導体レーザ素子によれば、電流注入型において低電圧駆動を可能とすることができる。図２の（ａ）部は、ｐ型シリコンとｎ型ＰｂＴｅとのヘテロ接合によるバンド構造を示す。ｐ型Ｓｉとｎ型ＣａＴｅ／ＰｂＴｅ短周期超格子とのヘテロ接合によるバンド構造も同様である。このヘテロ接合によれば、ｎ型ＰｂＴｅの伝導帯の最低エネルギ（ＥＣ）が、ｐ型シリコンの価電子帯の最大エネルギ（ＥＶ）よりも小さくなる。従って、ｐ型シリコンの価電子帯中の電子をｎ型ＰｂＴｅ中へ容易に流すことができ、接合界面における電気抵抗が小さくなる。
【００３０】
図２の（ｂ）部は、ｐ型シリコンとｐ型ＰｂＴｅとのヘテロ接合によるバンド構造を示す。このヘテロ接合によれば、正孔に対してＰｂＴｅのバンドギャップが障壁として働く。従って、図２の（ａ）部に示される構成よりも接合界面における抵抗が大きくなる。ｐ型シリコンとｐ型ＣａＴｅ／ＰｂＴｅ短周期超格子のヘテロ接合においても同様である。さらに、図２の（ｃ）部は、ｎ型シリコンとｎ型ＰｂＴｅとのヘテロ接合によるバンド構造を示す。このヘテロ接合によれば、ｎ型ＰｂＴｅの伝導帯の最低エネルギ（ＥＣ）が、ｎ型シリコンの価電子帯の最大エネルギ（ＥＶ）よりもより小さいため、界面には大きなポテンシャルのスパイクが生じる。従って、図２の（ｃ）部に示され構成は、図２の（ａ）の構成よりも接合界面における抵抗が大きくなる。
【００３１】
また、シリコン基板上へのＩＶ−ＶＩ族半導体のエピタキシャル成長には、シリコンと格子定数が近いフッ化カルシウムを用いてもよい。この場合、フッ化カルシウムは絶縁体であるので、電流注入型のレーザ素子ではなく、光励起型のレーザ素子として構成できる。
【００３２】
レーザ構造７は、アンダークラッド１１と、活性層１２と、トップクラッド１３と、を有する。これらの層群は、基板６側からこの順に積み重なっている。具体的には、基板６のバッファ９上にアンダークラッド１１が設けられる。アンダークラッド１１上に活性層１２が設けられる。そして、活性層１２上にトップクラッド１３が設けられる。
【００３３】
活性層１２は、例えば、厚さが０．７μｍであり、ＰｂＳにより形成される。ＰｂＳのバンドギャップは、室温（２５℃）において４１０ｍｅＶであり、液体窒素温度（−１９６℃）において３００ｍｅＶである。従って、この活性層１２によれば、波長が３μｍ以上４μｍ以下の領域であるレーザ光が得られる。なお、活性層１２は、ＰｂＳｒＳ／ＰｂＳにより形成された多重量子井戸構造を採用してもよい。この構造によれば、波長を２．５μｍまで短波長化することができる。活性層１２は、分離閉じ込め型（ＳＣＨ）を採用してもよい。この構造によれば、レーザ発振のための閾値をさらに低減することができると共に、発振波長を制御することができる。なお、活性層１２の材料として、ＰｂＣａＴｅ／ＰｂＴｅ、ＰｂＳｒＳｅ／ＰｂＳｅやＰｂＳｎＴｅ等のＩＶ−ＶＩ族鉛塩半導体を用いてもよい。これらの材料によれば、波長２．５μｍ以上３０μｍ以下までの広い波長領域のレーザの低閾値及びシングルモード動作が可能になる。
【００３４】
トップクラッド１３は、例えば、厚さが０．７μｍであり、ＰｂＳｒＳにより形成される。また、トップクラッド１３には、ストライプ構造を設ける。ストライプ構造は、例えば、幅が３μｍであり、出射方向Ａに沿った長さが２６μｍである。また、半導体レーザ素子１は、電流注入駆動型であるので、アンダークラッド１１とトップクラッド１３とによりｐｎ接合を形成する。上記のとおり、アンダークラッド１１を、ｎ型半導体とした場合には、トップクラッド１３としてｐ型半導体を採用する。
【００３５】
既に述べたように、レーザ構造７は、キャビティ２と、反射端部３と、出射端部４と、を有する。反射端部３及び出射端部４は、出射方向Ａに沿ってキャビティ２を挟むように設けられる。
【００３６】
図３の（ａ）部に示されるように、反射端部３は、活性層１２におけるレーザ光Ｌを反射する。反射端部３は、第１溝部１４と、壁部１６（第１壁部）と、第２溝部１７と、を有する。つまり、反射端部３は、互いに異なる屈折率を有する層が交互に配置された構成により、レーザ光Ｌを反射する。反射端部３における反射率は、例えば、９０％以上に設定される。この反射率は、交互に配置される溝部と壁部の繰り返し数に基づく。つまり、溝部と壁部の繰り返し数が多くなるほど、反射率は大きくなる。
【００３７】
例えば、図４は、波長と反射率との関係を示すグラフである。グラフＧ３ａ、Ｇ３ｂ、Ｇ３ｃは、溝部と壁部との構成が異なる場合の反射特性を示す。ＰｂＳと空気との界面における光反射率は、３５％程度である。例えば、グラフＧ３ａに示されるように、溝部が一つである場合には、溝両端面における反射光の干渉効果により波長：２μｍ以上４μｍ以下の領域において反射率は０．７０程度になる。溝部が一つであり、さらに厚みが０．２μｍである壁部を一つ有する場合（実施形態における出射端面１ａに相当）には、グラフＧ３ｂに示されるように、反射率は０．９０以上に増加する。さらに、溝部が２つであり、さらに壁部を一つ有する場合（実施形態における反射端部３に相当）には、グラフＧ３ｃに示されるように、反射率は最大で０．９８程度である。つまり、多層膜ミラーの層数を増やすことにより、端面における反射率を大幅に増加させることが可能である。従って、短い活性層長さや低い光利得においてもレーザ動作が可能となる。
【００３８】
第１溝部１４、壁部１６及び第２溝部１７は、レーザ光Ｌの波長に応じた構成を有する。まず、第１溝部１４及び第２溝部１７の屈折率は、１である。一方、壁部１６（ＰｂＳ）の屈折率は、４程度である。また、第１溝部１４及び第２溝部１７の溝幅Ｄ１は、レーザ光Ｌの波長に対応する。具体的には、溝幅Ｄ１は、λ／４ｎを満たす。ここで、λは波長であり、ｎは屈折率である。例えば、レーザ光Ｌの波長λが３．２μｍであるとき、溝幅Ｄ１は、０．８μｍ（３．２／４×１）である。一方、壁部１６の厚みＤ２も、同様に、レーザ光Ｌの波長に対応する。具体的には、厚みＤ２は、λ／４ｎを満たす。例えば、レーザ光Ｌの波長λが３．２μｍであるとき、厚みＤ２は、０．２μｍ（３．２／４×４）である。第１溝部１４及び第２溝部１７は、例えば、深さが２μｍである。第１溝部１４、及び第２溝部１７は、例えば、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工や、ドライエッチングにより形成される。
【００３９】
図３の（ｂ）部に示されるように、出射端部４は、活性層１２におけるレーザ光Ｌの一部を反射する。さらに、出射端部４は、活性層１２におけるレーザ光Ｌの一部を透過する。つまり、出射端部４は、反射端部３よりも低い反射率を有する。具体的には、出射端部４は、第３溝部１８と、壁部１９（第２壁部）と、を有する。この構成は、図４に示されるグラフＧ３ｂに対応する。従って、出射端部４の反射率は、最大で０．９３程度であり、中赤外光領域において出射端部４の反射率は、反射端部３の反射率を下回る。なお、第３溝部１８の溝幅Ｄ１は、第１溝部１４と同じである。また、壁部１９の厚みＤ２は、壁部１６と同じである。
【００４０】
上記の構成を有する半導体レーザ素子１は、活性層（ＰｂＳ）の屈折率が４であるので、３．２μｍ（３８８ｍｅＶ）のレーザ光の導波路内での半波長は０．４μｍである。従って、キャビティ２内には半波長に換算して５０個程度の定在波が生じる。４９個あるいは５１個の定在波に対する光子エネルギーは、３８８ｍｅＶから８ｍｅＶだけ異なる。従って、それぞれ波長３．１４μｍ及び３．２６μｍに対応する。レーザの利得領域の幅に基づけば、この半導体レーザ素子１では１種類の定在波のみ増強されシングルモード動作する。半導体レーザ素子１の動作温度を室温から液体窒素温度まで変化させることにより、波長３μｍ以上４μｍまでのシングルモード動作を実現できる。
【００４１】
＜製造方法＞
次に、図５に示される半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。まず、基板６を準備する（第１の工程Ｓ１０）。具体的には、基体となるシリコン基板を準備し（Ｓ１１）、基体８の主面８ａにバッファ９を設ける（Ｓ１２）。バッファ層を設ける工程（Ｓ１２）では、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つを含む第１の層と、ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成される第２の層と、を交互に積層させる。
【００４２】
なお、バッファ層を設ける工程（Ｓ１２）では、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つを含む材料と、ＩＶ−ＶＩ族半導体を含む材料と、を同時に基体８に蒸着させてもよい。
【００４３】
続いて、基板６上にレーザ構造７を設ける（第２の工程Ｓ２０）。具体的には、基板６のバッファ９上にアンダークラッド１１を設けた（Ｓ２１）後に、アンダークラッド１１上に活性層１２を設ける（Ｓ２２）。さらに、活性層１２上にトップクラッド１３を設ける（Ｓ２３）。そして、トップクラッド１３にストライプ構造を設ける（Ｓ２４）。
【００４４】
続いて、レーザ構造７にキャビティ２、反射端部３及び出射端部４を設ける（第３の工程Ｓ３０）。具体的には、レーザ構造７の一方の前端部側において、第３溝部１８を設ける。この第３溝部１８は、トップクラッド１３から活性層１２を介してアンダークラッド１１に至るように形成される。この工程により、出射端部４が設けられる。また、レーザ構造７の一方の後端部側において、第１溝部１４及び第２溝部１７を設ける。これらの第１溝部１４及び第２溝部１７も、トップクラッド１３から活性層１２を介してアンダークラッド１１に至るように形成される。この工程により、反射端部３が設けられる。
【００４５】
以上の工程により、半導体レーザ素子１が得られる。
【００４６】
ところで、典型的な端面発光半導体レーザのキャビティ長は３００μｍ程度であり、中赤外域で動作する量子カスケードレーザでは、低い光利得をカバーするため１ｍｍ以上のキャビティ長を使用する場合が多い。これらのレーザにおいてシングルモード動作させるには、分布帰還型レーザ構造やブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ構造が採用されている。一方、外部共振器型面発光レーザでは、上下のミラー間隔を１００μｍ以下に抑えることにより、シングルモード動作が実現されている。
【００４７】
本願発明者らは鋭意検討を重ねた結果、端面発光レーザにおいても、端面での光の反射率を９０％以上に高めることによりレーザのキャビティ長を３０μｍ未満に抑えることが原理的に可能であり、それによりキャビティ内に立ち得る光のモード数を低減すればシングルモード動作させることができることを見出した。さらに、キャビティ長を低減することによる活性層面積の低減によるレーザ発振の低閾値化が可能となることが見出した。
【００４８】
本実施形態に係る半導体レーザ素子１は、積層構造を有し、当該積層構造にキャビティ２と反射端部３と出射端部４とを設けた端面発光型のレーザである。このような構成によれば、キャビティ２の長さを短くすることが可能になる。従って、活性層１２の面積が低減するので、レーザ発振の閾値を下げることができる。さらに、キャビティ２の長さを短くすることで、キャビティ２に生じ得るレーザ光のモード数が少なくなる。従って、容易にシングルモード動作をさせることができる。よって、半導体レーザ素子１は、低いエネルギでレーザ発振させ、且つ、シングルモード動作を行うことができる。
【００４９】
基板６は、基体８と、基体８の主面８ａに設けられ、アンダークラッド１１と接合するバッファ９と、を有する。この構成によれば、基板６とアンダークラッド１１との格子不整合による格子欠陥と熱膨張係数差によるクラックの発生を低減することができる。
【００５０】
バッファ９は、第１の層９ａと第２の層９ｂとが交互に積層され、第１の層９ａは、カルシウム、ストロンチウム、及びユウロピウムの何れか一つにより形成され、第２の層９ｂは、ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成される。この構成によれば、基板６とアンダークラッド１１との格子不整合による格子欠陥と熱膨張係数差によるクラックの発生を低減しつつ、さらに基板６とアンダークラッド１１との間の導通を確保することができる。
【００５１】
半導体レーザ素子１は、トップクラッド１３に設けられた第１電極９Ａと、基板６に設けられた第２電極９Ｂと、をさらに備える。第１電極９Ａと第２電極９Ｂとの間には、電圧が印加されて、トップクラッド１３と基板６との間に流れる電流によって活性層１２が励起される。この構成によれば、半導体レーザ素子１を電流注入型の素子とすることができる。
【００５２】
基板は、ｐ型シリコンにより形成され、アンダークラッド１１は、ｎ型ＩＶ−ＶＩ族半導体により形成される。この構成によれば、基板６とアンダークラッド１１との間の電気抵抗値を低減できる。そうすると、電流注入型の半導体レーザ素子１において、レーザ発振の閾値をさらに下げることができる。
【００５３】
＜実験例１＞
図６は、半導体レーザ素子１をパルス光励起によって発振させた場合のレーザ光の発光スペクトルを示す。図５に示されるように、半導体レーザ素子１を室温まで各温度に応じたパルス動作させ得ることがわかった。
【００５４】
＜実験例２＞
図７は、量子効率を示すグラフである。横軸は励起光のエネルギを示す。縦軸は出射されるレーザ光のエネルギを示す。実験例２では、半導体レーザ素子１を所定の温度に設定し、その状態において励起光のエネルギを変化させながら出射されるレーザ光のエネルギを測定した。その結果、温度が低下するほどに、レーザ光のエネルギが大きくなることがわかった。つまり、同じエネルギを有する励起光であっても、半導体レーザ素子１の温度が低いほど出射されるレーザ光のエネルギが上昇することがわかった。つまり、量子効率が大きくなることがわかった。なお、破線は量子効率１に相当する値である。
【符号の説明】
【００５５】
１…半導体レーザ素子、１ａ…出射端面、２…キャビティ、３…反射端部、４…出射端部、６…基板、７…レーザ構造、８…基体、８ａ…主面、８ｂ…裏面、９…バッファ、９ａ…第１の層、９ｂ…第２の層、９Ａ…第１電極、９Ｂ…第２電極、１１…アンダークラッド、１２…活性層、１３…トップクラッド、１４…第１溝部、１６…壁部、１７…第２溝部、１８…第３溝部、１９…壁部、Ａ…出射方向、Ｌ…レーザ光、Ｄ１…溝幅、Ｄ２…厚み。
【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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