(57)【要約】【課題】放熱性が高められ、チップ側面からの光の漏れが低減された面発光量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】面発光量子カスケードレーザは、活性層と、第１の半導体層と、を有する。第１の半導体層は、活性層の上に設けられ、第１の面を有する。第１の面は、第１のピットが第１の二次元格子を構成する内部領域および第２のピットが第２の二次元格子を構成する外周領域を含む。第１のピットの格子間隔は、第２のピットの格子間隔のｍ倍である。第１のピットの平面形状は、第１平面形状の重心を通りかつ第１の二次元格子の少なくとも１辺に平行な線に関して非対称である。第２のピットの平面形状は、平面形状の重心を通りかつ第２の二次元格子のすべての辺に平行な線に関してそれぞれ対称である。レーザ光は、第２のピットの格子間隔に対応した発光波長を有しかつ内部領域から活性層に対して概ね垂直方向に放出される。【選択図】図１
2019047023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子井戸層が積層されサブバンド間遷移によりレーザ光を放出可能な活性層と、
前記活性層の上に設けられ、第１の面を有する第１の半導体層であって、前記第１の面は第１のピットが第１の二次元格子を構成する内部領域および第２のピットが第２の二次元格子を構成する外周領域を含み、前記第１のピットの格子間隔は前記第２のピットの格子間隔のｍ倍（但し、ｍは１以上の整数）であり、前記外周領域は前記内部領域を取り囲む、第１の半導体層と、
を備え、
前記第１のピットの開口端の第１平面形状は、前記第１平面形状の重心を通りかつ前記第１の二次元格子の少なくとも１辺に平行な線に関して非対称であり、
前記第２のピットの開口端の第２平面形状は、前記第２平面形状の重心を通りかつ前記第２の二次元格子のすべての辺に平行な線に関してそれぞれ対称であり、
前記レーザ光は、前記第２のピットの前記格子間隔に対応した発光波長を有しかつ前記内部領域から前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される、面発光量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記第１のピットの前記格子間隔は前記第２のピットの前記格子間隔の２倍である請求項１記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項３】
前記内部領域のうち前記第１のピットが設けられない部分および前記外周領域のうち前記第２のピットが設けられない部分に設けられた上部電極と、
前記活性層の面のうち、前記第１の半導体層が設けられた面とは反対の側の面に設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の面のうち、前記活性層の側とは反対の側の面に設けられた下部電極と、
をさらに備えた請求項１または２に記載の面発光量子カスケードレーザ。    
【請求項４】
前記第１のピットの内面および前記第２ピットの内面は絶縁体層にそれぞれに覆われる、請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記内部領域のうち前記第１のピットが設けられない部分および前記第１のピット内の前記絶縁体層の表面は前記上部電極で覆われ、かつ前記外周領域のうち前記第２のピットが設けられない部分および前記第２のピット内の前記絶縁体層の表面は前記上部電極でそれぞれに覆われ、
前記下部電極には、平面視で前記内部領域の一部を含む部分に開口部が設けられた、請求項４記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記第１のピットの深さは前記第２のピットの深さよりも小さい、請求項１〜５のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項７】
前記第１のピットの深さは前記活性層の内部に到達する、請求項５または６に記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項８】
前記第２のピットの深さは、前記活性層内部に到達するか、前記活性層を貫通する、請求項５〜７のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。  
【請求項９】
平面視において、前記第１のピットと前記第２のピットとは重ならない、請求項１〜８のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１０】
前記第１の平面形状は複数の点対称である形状を含む、請求項１〜９のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１１】
前記第１のピットの前記二次元格子は、正方格子または直方格子であり、
前記第１のピットの前記開口端の前記第１平面形状は、前記第１平面形状の前記重心を通りかつ前記第１の二次元格子の２辺それぞれに平行な線に関して非対称である、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１２】
前記第１のピットの前記二次元格子は正三角格子である、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、面発光量子カスケードレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光量子カスケードレーザは、ＴＭモードで発振し、かつ赤外線からテラヘルツ波長のレーザ光を放出する。
【０００３】
光共振器は、活性層に近接して設けられた二次元フォトニック結晶により構成することができる。
【０００４】
二次元フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザは、活性層の表面に対して垂直方向にレーザ光を放出可能な面発光型として動作する。
【０００５】
しかしながら、高出力を得るために動作電流を高めると、チップ動作温度が高くなるとともにチップ側面からの光の漏れが増加する。      
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１９７６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
放熱性が高められ、チップ側面からの光の漏れが低減された面発光量子カスケードレーザを提供する。  
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の面発光量子カスケードレーザは、活性層と、第１の半導体層と、を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層が積層されサブバンド間遷移によりレーザ光を放出可能である。前記第１の半導体層は、前記活性層の上に設けられ、第１の面を有する。前記第１の面は、第１のピットが第１の二次元格子を構成する内部領域および第２のピットが第２の二次元格子を構成する外周領域を含む。前記第１のピットの格子間隔は、前記第２のピットの格子間隔のｍ倍（但し、ｍは１以上の整数）である。前記外周領域は、前記内部領域を取り囲む。前記第１のピットの開口端の第１平面形状は、前記第１平面形状の重心を通りかつ前記第１の二次元格子の少なくとも１辺に平行な線に関して非対称である。前記第２のピットの開口端の第２平面形状は、前記第２平面形状の重心を通りかつ前記第２の二次元格子のすべての辺に平行な線に関してそれぞれ対称である。前記レーザ光は、前記第２のピットの前記格子間隔に対応した発光波長を有しかつ前記内部領域から前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
【図２】図２（ａ）は第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式平面図、図２（ｂ）は第１のピットの模式平面図、である。
【図３】図３（ａ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
【図４】図４（ａ）は第１の実施形態の第１変形例にかかる内部領域の模式断面図、図４（ｂ）は外周領域の模式断面図、である。
【図５】図５（ａ）は第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの温度分布を表すグラフ図、図５（ｂ）は比較例にかかる面発光量子カスケードレーザの温度分布を表すグラフ図、である。
【図６】第２の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
【図７】第２の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式平面図である。
【図８】図８（ａ）は図７のＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図８（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
【図９】図９（ａ）は第２の実施形態の第１変形例にかかる内部領域の模式断面図、図９（ｂ）は外周領域の模式断面図、である。
【図１０】第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
【図１１】図１１（ａ）は第３の実施形態のＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図１１（ｂ）は図１０のＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図１１（ｃ）は第２のピットの変形例であり、図１０のＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、である。
【図１２】第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの温度分布を説明するグラフ図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、第４の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式断面図である。
【図１４】図１４（ａ）は第５の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図１４（ｂ）は正三角格子を含む内部領域の模式平面図、である。
【図１５】第６の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
また、図２（ａ）は第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの上部電極を除いた部分模式平面図、図２（ｂ）は第１のピットの模式平面図、である。
【００１１】
面発光量子カスケードレーザ（Surface  Emitting  Quantum  Cascade  Laser)５は、活性層２０と、第１の半導体層３０と、を有する。活性層２０は、複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光８０を放出可能である。第１の半導体層３０は、活性層２０の上に設けられ、第１の面３２を有する。第１の面３２は、第１のピット６１が第１の二次元格子を構成する内部領域３３および第２のピット６４が第２の二次元格子を構成する外周領域３４を含む。また、第１の半導体層３０は、活性層２０の側にクラッド層などを含むことができる。なお、図２（ａ）に表すように、第１のピット６１と、第２のピット６４とは重ならないことが好ましい。図２に表す二次元格子は正方格子であるが、直方格子でもよい。
【００１２】
第１のピット６１の格子間隔Ｐ１は第２のピット６４の格子間隔Ｐ２の２倍であり、外周領域３４は内部領域３３を取り囲む。
【００１３】
第１のピット６１の開口端の平面形状は、平面形状の重心Ｇ１を通りかつ第１の二次元格子の少なくとも１辺に平行な線（５０または５１）に関して非対称である。第２のピット６４の開口端の平面形状は、平面形状の重心Ｇ２を通りかつ第２の二次元格子のすべての辺（５２、および５３）に平行な線に関してそれぞれ対称である。レーザ光８０は、内部領域３３から活性層２０に対して概ね垂直方向に放出される。なお、本明細書において、概ね垂直方向とは、活性層２０の表面に対して８１°以上、９９°以下であるものとする。  
【００１４】
第１のピット６１の開口端の平面形状は、複数の点対称の形状を含むことができる。たとえば、図２（ｂ）に表すように、第１の面３２から３つの円柱６１ａ、６１ｂ、６１ｃを切り取ると、第１のピット６１となる。なお、図２（ｂ）では、３つの円柱６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、平面視で直角２等辺三角形６１ｄに内接するように設けられている。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。たとえば、平面視で円柱が互いに接する必要はない。所定の波長において回折格子の格子点として作用すれば、互いに離間してもまたは重なってもよい。また、第２のピット６４は円柱（平面形状が円）などとすることができる。
【００１５】
面発光量子カスケードレーザ５は、内部領域３３のうち第１のピット６１が設けられない部分および外周領域３４のうち第２のピット６４が設けられない部分に設けられた上部電極３５と、活性層２０の面のうち、第１の半導体層３０が設けられた面とは反対の側の面に設けられた第２の半導体層３９と、第２の半導体層３９の面のうち、活性層２０の側とは反対の側の面に設けられた下部電極９０と、をさらに有することができる。第２の半導体層３９は、クラッド層３９ａおよび基板３９ｂなどを有することができる。
【００１６】
第１の半導体層３０および第２の半導体層３９がｎ形層をそれぞれ含むと、サブバンド間遷移を生じるキャリアは電子である。第１の半導体層３０の厚さは数μｍ、第２の半導体層３９の厚さは数μｍなどとすることができる。
【００１７】
上部電極３５および下部電極９０に印加された電界によりキャリアが量子井戸層を通過することによりサブバンド間遷移を生じ、波長が２μｍから１００μｍの単一モードのレーザ光を放出する。
【００１８】
第１のピット６１の格子間隔Ｐ１、および第２のピット６４の格子間隔Ｐ２は、レーザ光８０の媒質内波長程度とする。
【００１９】
参考のために、１次元格子の場合、レーザ光の取り出し方向について説明する。量子カスケードレーザ装置は、主としてＴＭ（Transverse  Magnetic）波が放出される。導波路において、回折格子による回折角をθ、回折格子の次数をＭ（整数）、回折次数をｍ（整数）とした場合、次式が成り立つ。
【００２０】
cosθ＝１±２ｍ／Ｍ                式（１）
【００２１】
１次回折格子の場合、式（１）に従って、ｍ＝０のモードは、０°方向、ｍ＝１のモードは１８０°方向に放出されるが、垂直方向には放出されない。
【００２２】
また、２次回折格子の場合、式（１）に従って、ｍ＝１のモードは導波路に対して±９０°方向に散乱される。ｍ＝０およびｍ＝２のモードは、導波路に平行な方向への散乱であるため、実質放出される光は±９０°方向のみとなる。
【００２３】
図３（ａ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
【００２４】
図３（ａ）に表すように、２次回折格子を含む内部領域３３には、第１のピット６１が２次元格子状に配置されている。活性層２０に注入された電流によりキャリアのサブバンド間遷移が生じる。２次回折格子を共振器としてレーザ光８２が生成され、活性層２０の表面に平行な面において所定の方向に直線偏光されたＴＭ波が伝搬する。
【００２５】
第１のピット６１内では、水平面内の電界（または磁界）を積分してもゼロにはならない。このため、活性層２０の垂直方向にＴＭ波が漏れ出る。ＴＭ波は水平面内で所定の方向に直線偏光された状態を保ちつつ活性層２０に対してほぼ垂直方向に放出される。このとき、それぞれのピットから放出された光が２次元格子により強めあって垂直方向に放出される。もし、第１のピット６１の平面形状が重心を通り二次元格子のすべての辺に平行な線に関してそれぞれ対称である（たとえば円）とすると、第１のピット６１内において、水平面内の電界の積分値がゼロとなり、垂直方向に漏れ出るＴＭ波は少なくなる。すなわち、第１のピット６１が２次回折格子を構成すると、±９０°方向へ効率よく回折光を放出できる。
【００２６】
図３（ｂ）に表すように、１次回折格子を含む外周領域３４は、第２のピット６４が２次元格子状に配置されている。第１の格子間隔Ｐ１は、第２の格子間隔Ｐ２の２倍とされる。たとえば、第２のピット６４の周囲がＩｎＰであるとすると、格子間隔Ｐ２が１．４６７μｍ、真空内波長λ０が４．７７１μｍとなる。外周領域３４では、回折方向が活性層２０の表面に平行な方向のみとなる。このため、外周領域３４には、第１の面３２に垂直方向に放出される光が存在できない。
【００２７】
外周領域３４は、活性層２０で発生し外周領域３４内を活性層２０の表面に平行な方向に伝搬しチップ側面に向かおうとするレーザ光８２を１次回折格子により反射させ内部領域３３に向かって戻す分布反射器（ＤＢＲ：Distributed  Bragg  Reflector)として機能する。外周領域３４のうち、内部領域３３の側から外部側面Ｓに向かうレーザ光８２の光強度は、チップ側面Ｓに向かうに従って急激に低下する。このため、チップ側面Ｓから外部に漏れるレーザ光を低減できる。その結果、発光効率を高めるとともに、不要輻射を抑制して安全性を高めることができる。もし漏れ光が大きいと、発光モードが変化しやすくなるので好ましくない。
【００２８】
図３（ａ）に表す第１のピット６１の深さはＤ１、図３（ｂ）に表す第２のピット６４の深さもＤ１とする。ピットの深さは、活性層２０に到達しており、活性層２０の上面側に凹部が設けられる。活性層２０の凹部が深すぎるとフォトニック結晶との光結合が密となるが、量子井戸層の積層数が減少するので好ましくない。  
【００２９】
活性層２０は、井戸層と障壁層とを含む量子井戸層からなるサブバンド間遷移発光領域と、緩和領域と、が交互に積層された構成とされる。量子井戸は、たとえば、ＳｉがドープされＩｎ０．６６９Ｇａ０．３３１Ａｓからなる井戸層と、ＳｉがドープされＩｎ０．３６２Ａｌ０．６３８Ａｓからなる障壁層と、を含む。量子井戸層は、さらに少なくとも２つの井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された単位構造である多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi−Quantum  Well)構造を、たとえば、５０〜２００層重ねることが好ましい。活性層２０の厚さは、たとえば、１〜４μｍなどとすることができる。また、緩和領域も、量子井戸層を含むことができる。第２の半導体層３９は、ＩｎＰやＧａＡｓなどからなる基板３９ｂをさらに有することができる。
【００３０】
図４（ａ）は第１の実施形態の第１変形例にかかる内部領域の模式断面図、図４（ｂ）は外周領域の模式断面図、である。
図４（ａ）に表す内部領域３３の第１のピット６１の深さはＤ２とし、図４（ｂ）に表す外周領域３４の第２のピット６４の深さもＤ２とする。本変形例において、ピット深さＤ２は第１の半導体層３０の厚さよりも小さく、第１のピット６１および第２のピット６４の底面は活性層２０に到達しない。第１のピット６１（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）の底面と活性層２０の表面との間隔、および第２のピット６４の底面と活性層２０との間隔が、たとえば、数μｍ以下であれば活性層２０と二次元格子との光結合が可能である。
【００３１】
図５（ａ）は第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの温度分布を表すグラフ図、図５（ｂ）は比較例にかかる面発光量子カスケードレーザの温度分布を表すグラフ図、である。
図５（ａ）、（ｂ）において、縦軸は温度、横軸はチップ断面における水平方向位置、である。図５（ｂ）に表すように、比較例にかかる面発光量子カスケードレーザ１０５は、二次元格子状に配置された二次回折格子を構成するフォトニック結晶を有する。二次回折格子のピットの平面形状は、平面形状の重心を通りかつ二次元格子の少なくとも１辺に平行な線に関して非対称とされる。
【００３２】
第１の実施形態の注入電流Ｉ１と比較例１０５の注入電流Ｉ２とは等しく、取り出されるレーザ光出力は、概ね等しいものとする。第１の実施形態では、光取り出し領域である内部領域３３を取り囲むように外周領域３４が設けられるので、活性層２０の面積は、比較例１０５の活性層の面積よりも広い。第１の実施形態の熱抵抗は、比較例１０５の熱抵抗よりも低くなり活性層２０内のピーク温度Ｔ１は、比較例１０５の活性層内のピーク温度Ｔ２よりも低くできる。このため、活性層２０内の屈折率変化を低減でき発振モードが安定化する。また、温度上昇による効率低下や故障率上昇が抑制される。
【００３３】
なお、活性層から下方に向かうレーザ光は下部電極９０により反射され、活性層２０から上方に向かうレーザ光とともに、レーザ光８０となって上方から放出される。
【００３４】
図６は、第２の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
また、図７は、第２の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの上部電極を除いた部分模式平面図である。
【００３５】
面発光量子カスケードレーザ５は、活性層２０と、第１の半導体層３０と、を有する。第１の面３２は、第１のピット６３が第１の二次元格子を構成する内部領域３３および第２のピット６４が第２の二次元格子を構成する外周領域３４を含む。なお、図７に表すように、第１のピット６３と、第２のピット６４とは重ならないことが好ましい。
【００３６】
第１のピット６３の格子間隔Ｐ１は第２のピット６４の格子間隔Ｐ２の２倍であり、外周領域３４は内部領域３３を取り囲む。
【００３７】
第１のピット６３の開口端の平面形状は、平面形状の重心Ｇ１を通りかつ第１の二次元格子の少なくとも１辺に平行な線（５０または５１）に関して非対称である。第２のピット６４の開口端の平面形状は、平面形状の重心Ｇ２を通りかつ第２の二次元格子のすべての辺（５２および５３）に平行な線に関してそれぞれ対称である。レーザ光８０は、内部領域３３から活性層２０に対して概ね垂直方向に放出される。
【００３８】
図６、７において、第１のピット６３は直角三角柱（平面形状が直角二等辺三角形）、第２のピット６４は円柱（平面形状が円）とする。但し、第１のピット６３の平面形状は、直角二等辺三角形に限定されず非対称であればよい。
【００３９】
また、二次元格子が正方格子または直方格子である場合、第１のピット６３の開口端の第１平面形状（円や三角形に限定されない）は、第１平面形状の重心Ｇ１を通りかつ第１の二次元格子の２辺それぞれに平行な線（５０および５１）に関して非対称とすると、光学異方性がさらに高まるのでより好ましい。
【００４０】
面発光量子カスケードレーザ５は、内部領域３３のうち第１のピット６３が設けられない部分および外周領域３４のうち第２のピット６４が設けられない部分に設けられた上部電極３５と、活性層２０の面のうち、第１の半導体層３０が設けられた面とは反対の側の面に設けられた第２の半導体層３９と、第２の半導体層３９の面のうち、活性層２０の側とは反対の側の面に設けられた下部電極９０と、をさらに有することができる。
【００４１】
第１のピット６３の格子間隔Ｐ１、および第２のピット６４の格子間隔Ｐ２は、レーザ光８０の媒質内波長程度とする。
【００４２】
図８（ａ）は図７のＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図８（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
【００４３】
２次回折格子を含む内部領域３３は、第１のピット６３が２次元格子状に配置されている。活性層２０に注入された電流によりキャリアのサブバンド間遷移が生じる。２次回折格子を共振器としてレーザ光８２が生成され、活性層２０の表面に平行な面において所定の方向に直線偏光されたＴＭ波が伝搬する。
【００４４】
図９（ａ）は第２の実施形態の第１変形例にかかる内部領域の模式断面図、図９（ｂ）は外周領域の模式断面図、である。
図９（ａ）に表す内部領域３３の第１のピットの深さはＤ２とし、図９（ｂ）に表す外周領域３４の第２のピットの深さもＤ２とする。本変形例において、第１のピット６３および第２のピット６４の深さＤ２は、第１の半導体層３０の厚さよりも小さく、第１のピット６３および第２のピット６４の底面は活性層２０に到達しない。第１のピット６３の底面と活性層２０の表面との間隔、および第２のピット６４の底面と活性層２０との間隔が、たとえば、数μｍ以下であれば活性層２０と二次元格子との光結合が可能である。 
【００４５】
図１０は、第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
また、図１１（ａ）は図１０のＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図１１（ｂ）は図１０のＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図１１（ｃ）は、第２のピットの変形例であり、図１０のＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、である。
【００４６】
第１の半導体層３０の第１の面３２は、図６に表す第１の面３２と同一であるものとする。図１１（ａ）に表すように、内部領域３３の第１のピット６３の内面（側面および底面）、および外周領域３４の第２のピット６４の内面（側面６４ｂおよび底面）を覆うように絶縁体層５０が設けられ、絶縁体層５０に覆われない第１の半導体層３０の第１の面３２の部分、および絶縁体層５０の表面を覆うように上部電極３６が設けられる。この場合、内部領域３３は、面発光のための周期構造として機能する。絶縁体層５０は、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅなどとすることができる。
【００４７】
下部電極９０のうち、平面視で内部領域３３の一部と重なるように、開口部９０ａが設けられる。このため、二次元格子を構成するフォトニック結晶から放出されたレーザ光８０は、上部電極３６で反射され、活性層２０を再び通過して、活性層２０から直接に開口部９０ａに向かうレーザ光とともにレーザ光８０となり開口部９０ａから概ね垂直方向に放出される。
【００４８】
第１のピット６３および第２のピット６４には、絶縁体層５０を介して上部電極３６が充填される。このため、発生熱は、上部電極３６からヒートシンクなどを介して外部に排出することが容易となる。このため、活性層２０内のピーク温度がさらに低減される。
【００４９】
図１１（ｃ）は、第２のピットの変形例であり、外周領域３４の第２のピット６４の一部の溝が深いトレンチ構造を表す。たとえば、波長が５μｍのとき、溝の深さＤ４を５〜１０μｍなどとすると、反射率が高められ、かつ光損失を増加させる。第２の領域３４の二次元格子のチップ側面に向かう方向に沿って配列される数を数個に減らしても高い反射率とできるので、チップサイズを縮小することができる。
【００５０】
図１２は、第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの活性層内の温度分布を説明するグラフ図である。
縦軸は温度、横軸は水平方向位置、である。下部電極９０の中央部に開口部９０ａが設けられるものとすると、注入電流Ｉ３のうち内部領域３３の注入電流を外周領域３４の注入電流よりも低減できる。この結果、内部領域３３での発生熱が低減され熱源を外側に向かって分散できるので、温度分布を双峰性に近づけ内部領域３３での温度上昇を一層抑制できる。注入電流Ｉ３を第１の実施形態の注入電流Ｉ１と等しくすると、ピーク温度Ｔ３を、図５（ａ）のピーク温度Ｔ１よりも低くできる（Ｔ２＞Ｔ１＞Ｔ３）。なお、活性層で生成されたレーザ光のうち、上方に向かった光は、上部電極３６により反射され、レーザ光８０として開口部９０ａから放出される。  
【００５１】
図１３（ａ）は第４の実施形態の内部領域の模式断面図、図１３（ｂ）は第４の実施形態の外周領域の模式断面図、図１３（ｃ）は第４の実施形態の変形例の外周領域の模式断面図、である。
なお、図１３（ａ）は、図１０のＣ−Ｃに沿った模式断面図である。また、図１３（ｂ）、（ｃ）は、図１０のＤ−Ｄ線に沿った模式断面図である。
【００５２】
第１の半導体層３０の第１の面３２は、図６に表す第１の面３２と同一であるものとする。図１３（ａ）に表すように、内部領域３３の第１のピット６３の内面（側面および底面）、および外周領域３４の第２のピット６４の内面（側面および底面）、および第１の半導体層３０の第１の面３２の部分を覆うように絶縁体層５０が設けられる。さらに、絶縁体層５０の表面を覆うように上部電極３６が設けられる。この場合、内部領域３３は、面発光のための周期構造として機能する。絶縁体層５０は、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅなどとすることができる。
【００５３】
下部電極９０のうち、平面視で内部領域３３の一部を含む部分には、開口部９０ａが設けられる。このため、二次元格子を構成するフォトニック結晶から放出されたレーザ光８０は、上部電極３６で反射され、活性層２０を再び通過して、活性層２０から開口部９０ａに向かうレーザ光とともにレーザ光８０となり開口部９０ａから概ね垂直方向に放出される。
【００５４】
第１のピット６３および第２のピット６４には、絶縁体層５０を介して上部電極３６が充填される。このため、発生熱は、上部電極３６からヒートシンクなどを介して外部に排出することが容易となる。このため、活性層２０内のピーク温度がさらに低減される。
【００５５】
図１３（ｃ）は、外周領域３４の第２のピット６４の一部の溝が深いトレンチ構造を表す。たとえば、波長が５μｍのとき、溝の深さＤ４を５〜１０μｍなどとすると、反射率が高められ、かつ光損失を増加させる。第２の領域３４の二次元格子のチップ側面に向かう方向に沿って配列される数を数個に減らしても高い反射率とできるので、チップサイズを縮小することができる。  
【００５６】
電子とホールとの再結合により発光する従来のｐｎ接合レーザダイオード（ＬＤ）の発光層は電流注入密度が低い時には発光波長に対して光吸収層として作用する。このため発光層内に電流注入が行われていない領域が存在するとその領域は光吸収領域となり、レーザのしきい値電流の上昇など性能の低下を招く。一方、量子カスケードレーザの発光層では電流が注入されていない状態でも発光波長に対して光吸収は非常に少なく、電流注入されていない領域の光吸収は性能を低下させない。このため、本実施形態のように内部領域３３では電流注入を行わず光取出しのために用い、かつ外周領域３４で電流注入を行う構造としても性能の低下は生じない。
【００５７】
この構造においては外周領域３４で発生したレーザ光を内部領域３３のモード制御しやすい領域に集めて、内部領域３３から単一モードの光として取り出すことが可能となる。光を集めることで光密度は高くなるが、電流注入されていないため、電流注入領域よりも温度上昇や温度差が小さくなり、安定したレーザ発振が期待できる。光を発生する外周領域３４の面積をモード制御され光取り出し可能な内部領域３３の面積よりも大きくできるので、外周領域の電流密度を低減し放熱性を高めることができる。このため、高出力での動作が従来のｐｎ接合レーザダイオードに比べ格段に安定となる。
【００５８】
図１４（ａ）は第５の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図１０（ｂ）は正三角格子を含む内部領域の模式平面図、である。
内部領域３３は、正三角形の平面形状を有する第１のピット６３により２次回折格子が形成される。なお、第１のピット６３は、平面形状の重心Ｇ３を通りかつ正三角格子の３辺に平行な直線５４、５５、５６に関して非対称となるように配置される。第１のピット６３の平面形状は、正三角形でなくてもよい。外周領域３４は、第２のピット６４が円平面形状である正三角格子とする。また、内部領域６３の格子間隔Ｐ３は、外周領域３４の格子間隔Ｐ４の２倍とされる。内部領域３３の概ね垂直方向に、レーザ光を放出できる。
【００５９】
図１５は、第６の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式平面図である。
第１のピット６３の平面形状は、平面形状の重心Ｇ１を通りかつ第１の二次元格子の少なくとも１辺に平行な線（５０または５１）に関して非対称である。第２のピット６４の平面形状は、平面形状の重心Ｇ２を通りかつ第２の二次元格子のすべての辺（５０および５１）に平行な線に関してそれぞれ対称である。
【００６０】
本変形例において、二次元格子は、正方格子とする。第２のピット６４の格子間隔Ｐ１は第１のピット６３の格子間隔Ｐ１と同一で有り、ともに１次回折格子のフォトニック結晶として作用する。内部領域３３は、第１のピット３３の非対称性を利用して１次回折格子により活性層に対してほぼ垂直方向にレーザ光を放出する。外周領域３４は、第２のピット６４の対称性を利用して、活性層に平行な面内において、内部領域３３から外周領域３４に向かって放出されたレーザ光を外周領域３４により反射して内部領域３３に戻すことができる。  
【００６１】
第１〜第６の実施形態およびそれらに付随する変形例によれば、放熱性が高められ、チップ側面からの光の漏れが低減された面発光量子カスケードレーザが提供される。これらの面発光量子カスケードレーザは、環境分析装置、危険物検出装置、レーザ加工装置などに広く用いることができる。
【００６２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
５  面発光量子カスケードレーザ、２０  活性層、３０  第１の半導体層、３２  第１の面、３３  内部領域、３４  外周領域、３５、３６  上部電極、３９  第２の半導体層、５０  絶縁体層、６１、６３  第１のピット、６４  第２のピット、８０、８２  レーザ光、９０  下部電極、９０ａ  （下部電極の）開口部、Ｐ１、Ｐ３  （第１のピットの）格子間隔、Ｐ２、Ｐ４  （第２のピットの）格子間隔、Ｇ１  （第１のピットの）重心、Ｇ２  （第２のピットの）重心、Ｇ３  （正三角形ピットの）重心、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４  ピットの深さ  
【図１】
2019047023.tif 000003
【図２】
2019047023.tif 000004
【図３】
2019047023.tif 000005
【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】
2019047023.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年11月30日(2018.11.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子井戸層が積層されサブバンド間遷移によりレーザ光を放出可能な活性層と、
前記活性層の上に設けられ、第１の面を有する第１の半導体層であって、前記第１の面は第１のピットが第１の二次元格子を構成する内部領域および第２のピットが第２の二次元格子を構成する外周領域を含み、前記第１のピットの格子間隔は前記第２のピットの格子間隔のＭ倍（但し、Ｍは２以上の整数）であり、前記外周領域は前記内部領域を取り囲む、第１の半導体層と、
前記第１のピットの内面と、前記第２のピットの内面と、を少なくとも覆う絶縁体層と、
前記絶縁体層の表面と、前記外周領域のうち前記第２のピットが設けられない部分と、を覆う上部電極と、
前記活性層の面のうち、前記第１の半導体層が設けられた面とは反対の側の面の側に設けられ中央部に開口部が設けられた下部電極であって、平面視で前記内部領域の一部が前記開口部内に含まれる、下部電極と、
を備え、
前記第１のピットの開口端の第１平面形状は、前記第１平面形状の重心を通りかつ前記第１の二次元格子の少なくとも１辺に平行な線に関して非対称であり、
前記第２のピットの開口端の第２平面形状は、前記第２平面形状の重心を通りかつ前記第２の二次元格子のすべての辺に平行な線に関してそれぞれ対称であり、
前記レーザ光は、前記第２のピットの前記格子間隔に対応した発光波長を有するＴＭ波でありかつ前記内部領域から前記開口部を通って前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される、面発光量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記上部電極は、前記内部領域のうち前記第１のピットが設けられない部分をさらに覆う請求項１記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項３】
前記絶縁体層は、前記内部領域のうち前記第１のピットが設けられない部分と前記上部電極との間にさらに設けられた請求項１記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記第１のピットの前記内面は側面と底面とを含み、
前記絶縁体層は、前記内部領域のうち前記第１のピットが設けられない部分と、前記側面と、前記底面と、を連続して覆い、
前記上部電極は、前記内部領域の前記絶縁体層の全面を覆う、請求項１記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記第１のピットの深さは前記第２のピットの深さよりも小さい、請求項１〜４のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記第１のピットの深さは前記活性層の内部に到達する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項７】
前記第２のピットの深さは、前記活性層内部に到達するか、前記活性層を貫通する、請求項１〜６のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。  
【請求項８】
平面視において、前記第１のピットと前記第２のピットとは重ならない、請求項１〜７のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項９】
前記第１の平面形状は複数の点対称である形状を含む、請求項１〜８のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１０】
前記第１のピットの前記二次元格子は、正方格子または直方格子であり、
前記第１のピットの前記開口端の前記第１平面形状は、前記第１平面形状の前記重心を通りかつ前記第１の二次元格子の２辺それぞれに平行な線に関して非対称である、請求項１〜９のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【請求項１１】
前記第１のピットの前記二次元格子は正三角格子である、請求項１〜９のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
実施形態の面発光量子カスケードレーザは、活性層と、第１の半導体層と、絶縁体層と、上部電極と、下部電極と、を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層が積層されサブバンド間遷移によりレーザ光を放出可能である。前記第１の半導体層は、前記活性層の上に設けられ、第１の面を有する。前記第１の面は、第１のピットが第１の二次元格子を構成する内部領域および第２のピットが第２の二次元格子を構成する外周領域を含む。前記第１のピットの格子間隔は、前記第２のピットの格子間隔のＭ倍（但し、Ｍは２以上の整数）である。前記外周領域は、前記内部領域を取り囲む。前記絶縁体層は、前記第１のピットの内面と、前記第２のピットの内面と、を少なくとも覆う。前記上部電極は、前記絶縁体層の表面と、前記外周領域のうち前記第２ピットが設けられない部分と、を覆う。前記下部電極は、前記活性層の面のうち、前記第１の半導体層が設けられた面とは反対の側の面の側に設けられ中央部に開口部が設けられ、平面視で前記内部領域の一部が前記開口部内に含まれる。前記第１のピットの開口端の第１平面形状は、前記第１平面形状の重心を通りかつ前記第１の二次元格子の少なくとも１辺に平行な線に関して非対称である。前記第２のピットの開口端の第２平面形状は、前記第２平面形状の重心を通りかつ前記第２の二次元格子のすべての辺に平行な線に関してそれぞれ対称である。前記レーザ光は、前記第２のピットの前記格子間隔に対応した発光波長を有するＴＭ波でありかつ前記内部領域から前記開口部を通って前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される。