(57)【要約】【課題】量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器のそれぞれの特性の最適化を図ることができる光半導体素子、及び、光半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】光半導体素子１Ａは、半導体基板２と、半導体基板２の表面２ａに設けられた第１積層構造体３と、半導体基板２の表面２ａに設けられた第２積層構造体４と、を備える。第１積層構造体３は、量子カスケードレーザ３０を含む。第２積層構造体４は、量子カスケードレーザ３０と同一の層構造を有するダミー領域１０、及び、ダミー領域１０を介して半導体基板２の表面２ａに設けられた量子カスケード検出器４０を含む。【選択図】図２
2019192712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられた第１積層構造体と、
前記半導体基板の前記表面に設けられた第２積層構造体と、を備え、
前記第１積層構造体は、第１量子カスケード領域を含み、
前記第２積層構造体は、前記第１量子カスケード領域と同一の層構造を有するダミー領域、及び、前記ダミー領域を介して前記半導体基板の前記表面に設けられた第２量子カスケード領域を含み、
前記第１量子カスケード領域及び前記第２量子カスケード領域の一方は、量子カスケードレーザであり、前記第１量子カスケード領域及び前記第２量子カスケード領域の他方は、量子カスケード検出器である、光半導体素子。
【請求項２】
前記第１量子カスケード領域は、前記量子カスケードレーザであり、前記第２量子カスケード領域は、前記量子カスケード検出器である、請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記半導体基板は、ｎ型又はｐ型の半導体基板であり、
前記第１量子カスケード領域は、第１活性層、及び、前記第１活性層に対して前記半導体基板とは反対側に設けられた第１コンタクト層を有し、
前記第２量子カスケード領域は、第２活性層、及び、前記第２活性層に対して前記半導体基板とは反対側に設けられた第２コンタクト層を有し、
前記第１活性層は、前記第１コンタクト層及び前記半導体基板のそれぞれと電気的に接続されており、
前記第２活性層は、前記第２コンタクト層、及び、前記ダミー領域において前記第１コンタクト層に対応する第３コンタクト層のそれぞれと電気的に接続されている、請求項２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１コンタクト層の表面に設けられた第１電極層と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第２電極層と、
前記第２コンタクト層の表面に設けられた第３電極層と、
前記第３コンタクト層よりも前記第２コンタクト層側の部分がリッジ構造として構成されることにより、前記第３コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域に設けられた第４電極層と、を更に備える、請求項３に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記第１量子カスケード領域は、前記量子カスケード検出器であり、前記第２量子カスケード領域は、前記量子カスケードレーザである、請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記半導体基板は、半絶縁性基板であり、
前記第１量子カスケード領域は、第１活性層、前記第１活性層に対して前記半導体基板とは反対側に設けられた第１コンタクト層、及び、前記第１活性層に対して前記半導体基板側に設けられた第２コンタクト層を有し、
前記第２量子カスケード領域は、第２活性層、及び、前記第２活性層に対して前記半導体基板とは反対側に設けられた第３コンタクト層を有し、
前記第１活性層は、前記第１コンタクト層及び前記第２コンタクト層のそれぞれと電気的に接続されており、
前記第２活性層は、前記第３コンタクト層、及び、前記ダミー領域において前記第１コンタクト層に対応する第４コンタクト層のそれぞれと電気的に接続されている、請求項５に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記第１コンタクト層の表面に設けられた第１電極層と、
前記第２コンタクト層よりも前記第１コンタクト層側の部分がリッジ構造として構成されることにより、前記第２コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域に設けられた第２電極層と、
前記第３コンタクト層の表面に設けられた第３電極層と、
前記第４コンタクト層よりも前記第３コンタクト層側の部分がリッジ構造として構成されることにより、前記第４コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域に設けられた第４電極層と、を更に備える、請求項６に記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記量子カスケード検出器の光入射面は、前記量子カスケードレーザの共振方向に対して傾斜した面である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記量子カスケード検出器の光入射面は、前記基板の前記表面に平行且つ前記量子カスケードレーザの共振方向に垂直な方向にずれている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の光半導体素子の製造方法であって、
前記半導体基板の前記表面に、前記第１積層構造体及び前記第２積層構造体を含む積層構造体を形成する工程と、
前記積層構造体に対してエッチングを施すことにより、前記第１積層構造体及び前記第２積層構造体を形成する工程と、を備える、光半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子、及び、光半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
同一の層構造を有する量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器が１つの半導体基板上に設けられた光半導体素子が知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような光半導体素子によれば、例えば、量子カスケードレーザと量子カスケード検出器との間に分析対象のガスが存在する状態で、量子カスケードレーザから出射されたレーザ光を量子カスケード検出器で検出することで、分析対象のガスの組成を分析できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】B. Schwarz et al. “High performance bi-functional quantum cascadelaser and detector” APPLIED PHYSICS LETTERS 107, 071104 (2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような光半導体素子は、半導体製造プロセスによってモノリシックな製造が可能であるため、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器の位置精度が極めて高い素子となる。しかし、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器を同一の層構造で形成することが前提となるため、それぞれの特性を最適化することが困難である。
【０００５】
本発明は、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器のそれぞれの特性の最適化を図ることができる光半導体素子、及び、光半導体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】
【０００６】
本発明の光半導体素子は、半導体基板と、半導体基板の表面に設けられた第１積層構造体と、半導体基板の表面に設けられた第２積層構造体と、を備え、第１積層構造体は、第１量子カスケード領域を含み、第２積層構造体は、第１量子カスケード領域と同一の層構造を有するダミー領域、及び、ダミー領域を介して半導体基板の表面に設けられた第２量子カスケード領域を含み、第１量子カスケード領域及び第２量子カスケード領域の一方は、量子カスケードレーザであり、第１量子カスケード領域及び第２量子カスケード領域の他方は、量子カスケード検出器である。
【０００７】
この光半導体素子では、第２積層構造体において、第２量子カスケード領域が、第１量子カスケード領域と同一の層構造を有するダミー領域を介して半導体基板の表面に設けられている。つまり、第１積層構造体が含む第１量子カスケード領域と、第２積層構造体が含む第２量子カスケード領域とが、半導体基板の表面から異なる高さに位置している。したがって、第１量子カスケード領域及び第２量子カスケード領域の一方については、量子カスケードレーザとして特性の最適化を図ることができ、第１量子カスケード領域及び第２量子カスケード領域の他方については、量子カスケード検出器として特性の最適化を図ることができる。
【０００８】
本発明の光半導体素子では、第１量子カスケード領域は、量子カスケードレーザであり、第２量子カスケード領域は、量子カスケード検出器であってもよい。この構成によれば、半導体基板を介した量子カスケードレーザの放熱性を高めることができる。
【０００９】
本発明の光半導体素子では、半導体基板は、ｎ型又はｐ型の半導体基板であり、第１量子カスケード領域は、第１活性層、及び、第１活性層に対して半導体基板とは反対側に設けられた第１コンタクト層を有し、第２量子カスケード領域は、第２活性層、及び、第２活性層に対して半導体基板とは反対側に設けられた第２コンタクト層を有し、第１活性層は、第１コンタクト層及び半導体基板のそれぞれと電気的に接続されており、第２活性層は、第２コンタクト層、及び、ダミー領域において第１コンタクト層に対応する第３コンタクト層のそれぞれと電気的に接続されていてもよい。この構成によれば、光半導体素子の製造時に第１コンタクト層及び第３コンタクト層を同一の層で形成でき、また、半導体基板を第１活性層の一方のコンタクト層として利用できるので、製造の容易化を図ることができる。
【００１０】
本発明の光半導体素子は、第１コンタクト層の表面に設けられた第１電極層と、半導体基板の裏面に設けられた第２電極層と、第２コンタクト層の表面に設けられた第３電極層と、第３コンタクト層よりも第２コンタクト層側の部分がリッジ構造として構成されることにより、第３コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域に設けられた第４電極層と、を更に備えてもよい。この構成によれば、光半導体素子の構造の単純化を図りつつ、第１活性層及び第２活性層のそれぞれに確実に電圧を印加できる。
【００１１】
本発明の光半導体素子では、第１量子カスケード領域は、量子カスケード検出器であり、第２量子カスケード領域は、量子カスケードレーザであってもよい。この構成によれば、量子カスケード検出器に対して半導体基板とは反対側を空間とすることで、量子カスケードレーザから出射されたレーザ光が第１積層構造体で反射されて量子カスケードレーザに戻るのを抑制できる。
【００１２】
本発明の光半導体素子では、半導体基板は、半絶縁性基板であり、第１量子カスケード領域は、第１活性層、第１活性層に対して半導体基板とは反対側に設けられた第１コンタクト層、及び、第１活性層に対して半導体基板側に設けられた第２コンタクト層を有し、第２量子カスケード領域は、第２活性層、及び、第２活性層に対して半導体基板とは反対側に設けられた第３コンタクト層を有し、第１活性層は、第１コンタクト層及び第２コンタクト層のそれぞれと電気的に接続されており、第２活性層は、第３コンタクト層、及び、ダミー領域において第１コンタクト層に対応する第４コンタクト層のそれぞれと電気的に接続されていてもよい。この構成によれば、光半導体素子の製造時に第１コンタクト層及び第４コンタクト層を同一の層で形成できので、製造の容易化を図ることができる。
【００１３】
本発明の光半導体素子は、第１コンタクト層の表面に設けられた第１電極層と、第２コンタクト層よりも第１コンタクト層側の部分がリッジ構造として構成されることにより、第２コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域に設けられた第２電極層と、第３コンタクト層の表面に設けられた第３電極層と、第４コンタクト層よりも第３コンタクト層側の部分がリッジ構造として構成されることにより、第４コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域に設けられた第４電極層と、を更に備えてもよい。この構成によれば、光半導体素子の構造の単純化を図りつつ、第１活性層及び第２活性層のそれぞれに確実に電圧を印加できる。
【００１４】
本発明の光半導体素子では、量子カスケード検出器の光入射面は、量子カスケードレーザの共振方向に対して傾斜した面であってもよい。この構成によれば、量子カスケードレーザから出射されたレーザ光が量子カスケード検出器の光入射面で反射されて量子カスケードレーザに戻るのを抑制できる。
【００１５】
本発明の光半導体素子では、量子カスケード検出器の光入射面は、基板の表面に平行且つ量子カスケードレーザの共振方向に垂直な方向にずれていてもよい。この構成によれば、量子カスケードレーザから出射されたレーザ光が量子カスケード検出器の光入射面で反射されて量子カスケードレーザに戻るのを抑制できる。
【００１６】
本発明の光半導体素子の製造方法は、上述した光半導体素子の製造方法であって、半導体基板の表面に、第１積層構造体及び第２積層構造体を含む積層構造体を形成する工程と、積層構造体に対してエッチングを施すことにより、第１積層構造体及び第２積層構造体を形成する工程と、を備える。
【００１７】
この光半導体素子の製造方法によれば、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器のそれぞれについて、特性の最適化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器のそれぞれの特性の最適化を図ることができる光半導体素子、及び、光半導体素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態の光半導体素子の平面図である。
【図２】図１に示されるII−II線に沿っての光半導体素子の断面図である。
【図３】量子カスケードレーザの活性層と量子カスケード検出器の活性層との位置関係を説明するための模式図である。
【図４】図１に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図５】図１に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図６】図１に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図７】図１に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図８】第２実施形態の光半導体素子の平面図である。
【図９】図８に示されるIX−IX線に沿っての光半導体素子の断面図である。
【図１０】図８に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１１】図８に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１２】図８に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１３】図８に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１４】図８に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１５】図８に示される光半導体素子の製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１６】第１実施形態の光半導体素子の変形例の断面図である。
【図１７】第２実施形態の光半導体素子の変形例の断面図である。
【図１８】量子カスケードレーザの共振方向と量子カスケード検出器の光入射面との関係を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
［第１実施形態の光半導体素子の構成］
【００２１】
図１及び図２に示されるように、光半導体素子１Ａは、半導体基板２と、第１積層構造体３と、第２積層構造体４と、を備えている。半導体基板２は、一方の側の主面である表面２ａ及び他方の側の主面である裏面２ｂを有するｎ型又はｐ型の半導体基板である。半導体基板２は、例えば、長方形板状のｎ型ＩｎＰ単結晶基板である。半導体基板２の長さ、幅、厚さは、それぞれ、数百μｍ〜数ｍｍ程度、数百μｍ〜数ｍｍ程度、数百μｍ程度である。以下の説明では、半導体基板２の長さ方向、幅方向、厚さ方向を、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向という。
【００２２】
第１積層構造体３は、半導体基板２の表面２ａに設けられている。第１積層構造体３は、量子カスケードレーザ（第１量子カスケード領域）３０を含んでいる。量子カスケードレーザ３０は、半導体基板２の表面２ａに設けられている。量子カスケードレーザ３０に対して半導体基板２とは反対側は、空間となっている。
【００２３】
量子カスケードレーザ３０は、活性層（第１活性層）３１、上部ガイド層３２ａ及び下部ガイド層３２ｂ、上部クラッド層３３、並びに、コンタクト層（第１活性層に対して基板とは反対側に設けられた第１コンタクト層）３４を有している。下部ガイド層３２ｂは、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：５×１０１６／ｃｍ３）であり、半導体基板２の表面２ａに設けられている。活性層３１は、量子カスケード構造として構成されており、下部ガイド層３２ｂの表面に設けられている。上部ガイド層３２ａは、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉdoped：５×１０１６／ｃｍ３）であり、活性層３１の表面に設けられている。上部クラッド層３３は、例えば、厚さ３．５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉdoped：１×１０１７／ｃｍ３）であり、上部ガイド層３２ａの表面に設けられている。コンタクト層３４は、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：２×１０１８／ｃｍ３）であり、上部クラッド層３３の表面に設けられている。
【００２４】
量子カスケードレーザ３０は、リッジストライプ構造として構成されている。量子カスケードレーザ３０は、Ｘ軸方向における両端面である光出射面３０ａ及び反射面３０ｂを有している。光出射面３０ａ及び反射面３０ｂは、Ｘ軸方向に垂直な面である。Ｘ軸方向における量子カスケードレーザ３０の長さは、例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度であり、Ｙ軸方向における量子カスケードレーザ３０の幅は、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度である。なお、Ｘ軸方向における量子カスケードレーザ３０の長さは、量子カスケードレーザ３０の共振器長（光出射面３０ａと反射面３０ｂとの間の距離）に相当する。量子カスケードレーザ３０では、Ｘ軸方向が共振方向Ａに相当する。
【００２５】
活性層３１は、コンタクト層３４及び半導体基板２のそれぞれと電気的に接続されている。活性層３１における１周期当たりの量子カスケード構造の一例（量子カスケードレーザ３０の発振波長の設計値が５．５６μｍである場合）は、表１のとおりであり、この場合、３３周期分の量子カスケード構造によって活性層３１が構成されている。
【表１】
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【００２６】
第２積層構造体４は、第１積層構造体３のリッジ構造の延在方向において第２積層構造体４の一端が第１積層構造体３のリッジ構造に面するように、半導体基板２の表面２ａに設けられている。第２積層構造体４は、ダミー領域１０及び量子カスケード検出器（第２量子カスケード領域）４０を含んでいる。ダミー領域１０は、半導体基板２の表面２ａに設けられている。量子カスケード検出器４０は、ダミー領域１０を介して半導体基板２の表面２ａに設けられている。
【００２７】
ダミー領域１０は、第１積層構造体３の量子カスケードレーザ３０と同一の層構造を有している。すなわち、ダミー領域１０は、活性層１１、上部ガイド層１２ａ及び下部ガイド層１２ｂ、上部クラッド層１３、並びに、コンタクト層（ダミー領域において第１コンタクト層に対応する第３コンタクト層）１４を有している。活性層１１、上部ガイド層１２ａ、下部ガイド層１２ｂ、上部クラッド層１３、コンタクト層１４は、それぞれ、活性層３１、上部ガイド層３２ａ、下部ガイド層３２ｂ、上部クラッド層３３、コンタクト層３４に対応している。
【００２８】
量子カスケード検出器４０は、活性層（第２活性層）４１、下部クラッド層４２及びコンタクト層（第２活性層に対して基板とは反対側に設けられた第２コンタクト層）４３を有している。下部クラッド層４２は、例えば、厚さ２μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１×１０１７／ｃｍ３）であり、ダミー領域１０のコンタクト層１４の表面に設けられている。活性層４１は、量子カスケード構造として構成されており、下部クラッド層４２の表面に設けられている。コンタクト層４３は、例えば、厚さ２０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：５×１０１８／ｃｍ３）であり、活性層４１の表面に設けられている。
【００２９】
量子カスケード検出器４０は、リッジ構造として構成されている。具体的には、ダミー領域１０のコンタクト層１４よりもコンタクト層４３側の部分がリッジ構造として構成されている。コンタクト層１４の表面のうちＹ軸方向における当該部分の両側には、領域（第３コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域）１４ｓが広がっている。量子カスケード検出器４０は、Ｘ軸方向における量子カスケードレーザ３０側の端面である光入射面４０ａを有している。光入射面４０ａは、量子カスケードレーザ３０の共振方向Ａに対して傾斜した面である。一例として、光入射面４０ａは、Ｚ軸方向に平行であり且つＸ軸方向及びＹ軸方向と交差するように傾斜した面である。Ｘ軸方向における量子カスケード検出器４０の長さは、例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度であり、Ｙ軸方向における量子カスケード検出器４０の幅は、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度である。なお、Ｙ軸方向における量子カスケード検出器４０の幅を、Ｙ軸方向における量子カスケードレーザ３０の幅よりも大きくすることで、量子カスケードレーザ３０から出射されたレーザ光の受光効率を高めることができる。
【００３０】
活性層４１は、各コンタクト層４３，１４と電気的に接続されている。活性層４１における１周期当たりの量子カスケード構造の一例（量子カスケード検出器４０の感度波長の設計値が５．２１〜５．６６μｍである場合）は、表２のとおりであり、この場合、３０周期分の量子カスケード構造によって活性層４１が構成されている。
【表２】
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【００３１】
量子カスケードレーザ３０のコンタクト層３４の表面には、電極層（第１電極層）５が設けられている。半導体基板２の裏面２ｂには、電極層（第２電極層）６が設けられている。量子カスケード検出器４０のコンタクト層４３の表面には、電極層（第３電極層）７が設けられている。ダミー領域１０のコンタクト層１４の表面における領域１４ｓには、電極層（第４電極層）８が設けられている。光半導体素子１Ａでは、コンタクト層１４よりもコンタクト層４３側の部分の両側に一対の電極層８が設けられている。各電極層５，６，７，８は、例えば、厚さ５０ｎｍ程度のＴｉ膜、厚さ３００ｎｍ程度のＡｕ膜である。なお、第１積層構造体３及び第２積層構造体４は、絶縁層（図示省略）によって覆われており、各電極層５，７，８は、当該絶縁層に形成された開口を介して各コンタクト層３４，４３，１４の表面に接続されている。絶縁層は、例えば、厚さ３００ｎｍ程度のＳｉＮ膜である。
【００３２】
以上のように構成された光半導体素子１Ａは、例えば、配線基板に実装された状態で、次のように使用される。すなわち、光半導体素子１Ａが分析対象のガス雰囲気中に暴露された状態で、電極層５，６を介して量子カスケードレーザ３０にバイアス電圧が印加され、量子カスケードレーザ３０においてレーザ発振が起こされる。これにより、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａから出射されたレーザ光は、分析対象のガスを介して量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａに入射し、電極層７，８を介して量子カスケード検出器４０から電気信号が出力される。このとき、ダミー領域１０は、電気的に分離されているため、量子カスケードレーザとしても量子カスケード検出器としても機能しない。量子カスケード検出器４０から出力された電気信号は、後段の処理回路に入力される。後段の処理回路では、当該電気信号に基づいて、分析対象のガスの組成が分析される。ここまでは、便宜上、量子カスケードレーザ３０の両端面を光出射面３０ａ及び反射面３０ｂとして説明したが、実際には、量子カスケードレーザ３０の両端面から光が出力されている。反射面３０ｂとした量子カスケードレーザ３０の端面の出射方向に回折格子を配置することで、当該端面と当該回折格子との間に外部共振器を構成できる。このような外部共振器を構成することで、量子カスケードレーザ３０の出射光を狭帯域化できる。更に、レーザ光に対する回折格子の角度を制御することで波長選択も可能である。また、反射面３０ｂとした量子カスケードレーザ３０の端面を光出射面とした場合には、当該端面から出力される光を分光分析用のプローブ光として用い、光出射面３０ａとした量子カスケードレーザ３０の端面から出力される光を量子カスケード検出器４０で検出することで、量子カスケード検出器４０を分光分析用プローブ光のバックモニターとして用いることも可能である。
【００３３】
なお、図３に示されるように、量子カスケードレーザ３０の発振波長の設計値が５．５６μｍである場合には、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａから出射されるレーザ光Ｌの片側放射角θは７０°以上となる。一方、Ｘ軸方向における量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａと量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａとの距離ｄが１２５μｍであり、Ｚ軸方向における量子カスケードレーザ３０の活性層３１と量子カスケード検出器４０の活性層４１との高低差ｈが６μｍである場合には、活性層３１と活性層４１との間の勾配角tan（ｈ／ｄ）は約３°となる。したがって、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａから出射されたレーザ光Ｌは、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａに十分に入射し得る。
［第１実施形態の光半導体素子の製造方法］
【００３４】
まず、図４の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、半導体基板２の表面２ａに、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を含む積層構造体１００を形成する工程を実施する。より具体的には、下部ガイド層１０１、活性層１０２、上部ガイド層１０３、上部クラッド層１０４、コンタクト層１０５、下部クラッド層１０６、活性層１０７、コンタクト層１０８を、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法等によって半導体基板２の表面２ａに順次にエピタキシャル成長させることにより、半導体基板２の表面２ａに積層構造体１００を形成する。
【００３５】
下部ガイド層１０１は、下部ガイド層３２ｂ，１２ｂを含む層である。活性層１０２は、活性層３１，１１を含む層である。上部ガイド層１０３は、上部ガイド層３２ａ，１２ａを含む層である。上部クラッド層１０４は、上部クラッド層３３，１３を含む層である。コンタクト層１０５は、コンタクト層３４，１４を含む層である。下部クラッド層１０６は、下部クラッド層４２を含む層である。活性層１０７は、活性層４１を含む層である。コンタクト層１０８は、コンタクト層４３を含む層である。
【００３６】
積層構造体１００を形成する工程に続いて、積層構造体１００に対してエッチングを施すことにより、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を形成する工程を実施する。より具体的には、図５の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、コンタクト層１０８、活性層１０７、及び、下部クラッド層１０６の表面側の部分をエッチングによって選択的に除去することにより、第２積層構造体４のうち量子カスケード検出器４０の一部を形成する。続いて、図６の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、コンタクト層１０５をエッチングストップ層として、下部クラッド層１０６の裏面側の部分をエッチングによって選択的に除去することにより、コンタクト層１０５の表面を露出させ、量子カスケード検出器４０を形成する。続いて、図７の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、コンタクト層１０５、上部クラッド層１０４、上部ガイド層１０３、活性層１０２及び下部ガイド層１０１をエッチングによって選択的に除去することにより、量子カスケードレーザ３０を形成する。
【００３７】
第１積層構造体３及び第２積層構造体４を形成する工程に続いて、必要に応じて半導体基板２の裏面２ｂ側の部分を除去して半導体基板２を薄化し、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を覆うように絶縁層を形成する。続いて、当該絶縁層に形成された開口を介して各コンタクト層３４，４３，１４の表面に蒸着等によって各電極層５，７，８を形成すると共に、半導体基板２の裏面２ｂに蒸着等によって電極層６を形成する。なお、量子カスケードレーザ３０の反射面３０ｂ、及び、量子カスケード検出器４０における光入射面４０ａとは反対側の端面に、高反射コーティングを施してもよい。量子カスケードレーザ３０の反射面３０ｂに高反射コーティングを施すことで、量子カスケードレーザ３０内のミラーロスが低減され、内部共振が実施され易くなり、高出力化が可能になる。また、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａとは反対側の端面に、高反射コーティングを施すことで、量子カスケード検出器４０内に光を閉じ込めることができ、より多くの信号を検出することが可能になる。量子カスケードレーザ３０の反射面３０ｂに低反射コーティングを施してもよく、その場合、量子カスケードレーザ３０の反射面３０ｂと対向する位置に回折格子又は反射鏡を配置して外部共振器を構成したときに、回折格子又は反射鏡からの反射光を量子カスケードレーザ３０の活性層内に効率良く入射させることが可能になる。回折格子を配置した場合には、出力光に対する回折格子の角度を制御することで任意の波長を出力することができる。
【００３８】
以上の各工程を実施することで、光半導体素子１Ａを得る。なお、以上の各工程をウェハレベルで実施し、最後にウェハをダイシングして複数の光半導体素子１Ａを得ることが可能である。
［第１実施形態の作用及び効果］
【００３９】
光半導体素子１Ａでは、第２積層構造体４において、量子カスケード検出器４０が、量子カスケードレーザ３０と同一の層構造を有するダミー領域１０介して半導体基板２の表面２ａに設けられている。つまり、第１積層構造体３が含む量子カスケードレーザ３０と、第２積層構造体４が含む量子カスケード検出器４０とが、半導体基板２の表面２ａから異なる高さに位置している。したがって、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０のそれぞれについて、特性の最適化を図ることができる。また、量子カスケードレーザ３０の発振波長と量子カスケード検出器４０の感度波長とを一致させ易くなる。更に、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０のそれぞれの設計の自由度が高まる。
【００４０】
また、光半導体素子１Ａでは、量子カスケードレーザ３０が半導体基板２の表面２ａに配置されている。これにより、半導体基板２を介した量子カスケードレーザ３０の放熱性を高めることができる。
【００４１】
また、光半導体素子１Ａでは、量子カスケードレーザ３０の活性層３１が、コンタクト層３４及び半導体基板２のそれぞれと電気的に接続されており、量子カスケード検出器４０の活性層４１が、コンタクト層４３、及び、ダミー領域１０においてコンタクト層３４に対応するコンタクト層１４のそれぞれと電気的に接続されている。これにより、光半導体素子１Ａの製造時に第１積層構造体３のコンタクト層３４及び第２積層構造体４のコンタクト層１４を同一の層で形成でき、また、半導体基板２を量子カスケードレーザ３０の活性層３１の一方のコンタクト層として利用できるので、製造の容易化を図ることができる。
【００４２】
また、光半導体素子１Ａでは、コンタクト層３４の表面に電極層５が設けられており、半導体基板２の裏面２ｂに電極層６が設けられており、コンタクト層４３の表面に電極層７が設けられており、コンタクト層１４の表面のうちリッジ構造として構成された部分が設けられていない領域１４ｓに電極層８が設けられている。これにより、光半導体素子１Ａの構造の単純化を図りつつ、各活性層３１，４１に確実に電圧を印加できる。
【００４３】
また、光半導体素子１Ａでは、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａが、量子カスケードレーザ３０の共振方向Ａに対して傾斜した面である。これにより、量子カスケードレーザ３０から出射されたレーザ光が量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａで反射されて量子カスケードレーザ３０に戻るのを抑制できる。
【００４４】
また、光半導体素子１Ａの製造方法では、半導体基板２の表面２ａに、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を含む積層構造体１００を形成し、積層構造体１００に対してエッチングを施すことにより、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を形成する。これにより、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０のそれぞれについて、特性の最適化を図ることができる。また、半導体製造プロセスによってモノリシックな製造が可能であるため、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０の位置精度が極めて高い光半導体素子１Ａを得ることができる。
［第２実施形態］
［第２実施形態の光半導体素子の構成］
【００４５】
図８及び図９に示されるように、光半導体素子１Ｂは、第１積層構造体３が量子カスケード検出器（第１量子カスケード領域）４０を含み、第２積層構造体４がダミー領域１０及び量子カスケードレーザ（第２量子カスケード領域）３０を含んでいる点で、上述した光半導体素子１Ａと主に相違している。光半導体素子１Ｂでは、半導体基板２は、半絶縁性基板（不純物がドーピングされていない高抵抗の半導体基板）である。半導体基板２は、例えば、長方形板状のＩｎＰ単結晶基板である。
【００４６】
光半導体素子１Ｂでは、第１積層構造体３は、量子カスケード検出器４０を含んでいる。量子カスケード検出器４０は、半導体基板２の表面２ａに設けられている。量子カスケード検出器４０に対して半導体基板２とは反対側は、空間となっている。
【００４７】
量子カスケード検出器４０は、活性層（第１活性層）４１、下部クラッド層４２、コンタクト層（第１活性層に対して基板とは反対側に設けられた第１コンタクト層）４３ａ及びコンタクト層（第１活性層に対して基板側に設けられた第２コンタクト層）４３ｂを有している。コンタクト層４３ｂは、例えば、厚さ２００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：２×１０１８／ｃｍ３）であり、半導体基板２の表面２ａに設けられている。下部クラッド層４２は、例えば、厚さ２μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１×１０１７／ｃｍ３）であり、コンタクト層４３ｂの表面に設けられている。活性層４１は、量子カスケード構造として構成されており、下部クラッド層４２の表面に設けられている。コンタクト層４３ａは、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：２×１０１８／ｃｍ３）であり、活性層４１の表面に設けられている。
【００４８】
量子カスケード検出器４０は、リッジ構造として構成されている。具体的には、コンタクト層４３ｂよりもコンタクト層４３ａ側の部分がリッジ構造として構成されている。コンタクト層４３ｂの表面のうちＹ軸方向における当該部分の両側には、領域（第２コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域）４３ｓが広がっている。量子カスケード検出器４０は、Ｘ軸方向における量子カスケードレーザ３０側の端面である光入射面４０ａを有している。光入射面４０ａは、量子カスケードレーザ３０の共振方向Ａに対して傾斜した面である。一例として、光入射面４０ａは、Ｚ軸方向に平行であり且つＸ軸方向及びＹ軸方向と交差するように傾斜した面である。Ｘ軸方向における量子カスケード検出器４０の長さは、例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度であり、Ｙ軸方向における量子カスケード検出器４０の幅は、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度である。なお、Ｙ軸方向における量子カスケード検出器４０の幅を、Ｙ軸方向における量子カスケードレーザ３０の幅よりも大きくすることで、量子カスケードレーザ３０から出射されたレーザ光の受光効率を高めることができる。
【００４９】
活性層４１は、各コンタクト層４３ａ，４３ｂと電気的に接続されている。活性層４１における１周期当たりの量子カスケード構造の一例（量子カスケード検出器４０の感度波長の設計値が５．２１〜５．６６μｍである場合）は、表２のとおりであり、この場合、３０周期分の量子カスケード構造によって活性層４１が構成されている。
【００５０】
光半導体素子１Ｂでは、第２積層構造体４は、ダミー領域１０及び量子カスケードレーザ３０を含んでいる。ダミー領域１０は、半導体基板２の表面２ａに設けられている。量子カスケードレーザ３０は、第１積層構造体３のリッジ構造の延在方向において第１積層構造体３のリッジ構造に面するように、ダミー領域１０を介して半導体基板２の表面２ａに設けられている。
【００５１】
ダミー領域１０は、第１積層構造体３の量子カスケード検出器４０と同一の層構造を有している。すなわち、ダミー領域１０は、活性層１１、下部クラッド層１２、コンタクト層（ダミー領域において第１コンタクト層に対応する第４コンタクト層）１３ａ及びコンタクト層１３ｂを有している。活性層１１、下部クラッド層１２、コンタクト層１３ａ及びコンタクト層１３ｂは、それぞれ、活性層４１、下部クラッド層４２、コンタクト層４３ａ及びコンタクト層４３ｂに対応している。
【００５２】
量子カスケードレーザ３０は、活性層（第２活性層）３１、上部ガイド層３２ａ及び下部ガイド層３２ｂ、上部クラッド層３３ａ及び下部クラッド層３３ｂ、並びに、コンタクト層（第２活性層に対して基板とは反対側に設けられた第３コンタクト層）３４を有している。下部クラッド層３３ｂは、例えば、厚さ３．５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１×１０１７／ｃｍ３）であり、ダミー領域１０のコンタクト層１３ａの表面に設けられている。下部ガイド層３２ｂは、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：５×１０１６／ｃｍ３）であり、下部クラッド層３３ｂの表面に設けられている。活性層３１は、量子カスケード構造として構成されており、下部ガイド層３２ｂの表面に設けられている。上部ガイド層３２ａは、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：５×１０１６／ｃｍ３）であり、活性層３１の表面に設けられている。上部クラッド層３３ａは、例えば、厚さ３．５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１×１０１７／ｃｍ３）であり、上部ガイド層３２ａの表面に設けられている。コンタクト層３４は、例えば、厚さ２０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：５×１０１８／ｃｍ３）であり、上部クラッド層３３ａの表面に設けられている。
【００５３】
量子カスケードレーザ３０は、リッジストライプ構造として構成されている。具体的には、コンタクト層１３ａよりもコンタクト層３４側の部分がリッジ構造として構成されている。コンタクト層１３ａの表面のうちＹ軸方向における当該部分の両側には、領域（第４コンタクト層の表面のうち当該部分が設けられていない領域）１３ｓが広がっている。量子カスケードレーザ３０は、Ｘ軸方向における両端面である光出射面３０ａ及び反射面３０ｂを有している。光出射面３０ａ及び反射面３０ｂは、Ｘ軸方向に垂直な面である。Ｘ軸方向における量子カスケードレーザ３０の長さは、例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度であり、Ｙ軸方向における量子カスケードレーザ３０の幅は、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度である。なお、Ｘ軸方向における量子カスケードレーザ３０の長さは、量子カスケードレーザ３０の共振器長（光出射面３０ａと反射面３０ｂとの間の距離）に相当する。量子カスケードレーザ３０では、Ｘ軸方向が共振方向Ａに相当する。
【００５４】
活性層３１は、各コンタクト層３４，１３ａと電気的に接続されている。活性層３１における１周期当たりの量子カスケード構造の一例（量子カスケードレーザ３０の発振波長の設計値が５．５６μｍである場合）は、表１のとおりであり、この場合、３３周期分の量子カスケード構造によって活性層３１が構成されている。
【００５５】
量子カスケードレーザ３０のコンタクト層３４の表面には、電極層（第３電極層）５が設けられている。ダミー領域１０のコンタクト層１３ａの表面における領域１３ｓには、電極層（第４電極層）６が設けられている。量子カスケード検出器４０のコンタクト層４３ａの表面には、電極層（第１電極層）７が設けられている。量子カスケード検出器４０のコンタクト層４３ｂの表面における領域４３ｓには、電極層（第２電極層）８が設けられている。光半導体素子１Ｂでは、コンタクト層１３ａよりもコンタクト層３４側の部分の両側に一対の電極層６が設けられており、コンタクト層４３ｂよりもコンタクト層４３ａ側の部分の両側に一対の電極層８が設けられている。各電極層５，６，７，８は、例えば、厚さ５０ｎｍ程度のＴｉ膜、厚さ３００ｎｍ程度のＡｕ膜である。なお、第１積層構造体３及び第２積層構造体４は、絶縁層（図示省略）によって覆われており、各電極層５，６，７，８は、当該絶縁層に形成された開口を介して各コンタクト層３４，１３ａ，４３ａ，４３ｂの表面に接続されている。絶縁層は、例えば、厚さ３００ｎｍ程度のＳｉＮ膜である。
【００５６】
以上のように構成された光半導体素子１Ｂは、例えば、配線基板に実装された状態で、次のように使用される。すなわち、光半導体素子１Ｂが分析対象のガス雰囲気中に暴露された状態で、電極層５，６を介して量子カスケードレーザ３０にバイアス電圧が印加され、量子カスケードレーザ３０においてレーザ発振が起こされる。これにより、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａから出射されたレーザ光は、分析対象のガスを介して量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａに入射し、電極層７，８を介して量子カスケード検出器４０から電気信号が出力される。このとき、ダミー領域１０は、電気的に分離されているため、量子カスケードレーザとしても量子カスケード検出器としても機能しない。量子カスケード検出器４０から出力された電気信号は、後段の処理回路に入力される。後段の処理回路では、当該電気信号に基づいて、分析対象のガスの組成が分析される。
【００５７】
なお、量子カスケードレーザ３０の発振波長の設計値が５．５６μｍである場合には、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａから出射されるレーザ光Ｌの片側放射角θは７０°以上となる。一方、Ｘ軸方向における量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａと量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａとの距離ｄが１２５μｍであり、Ｚ軸方向における量子カスケードレーザ３０の活性層３１と量子カスケード検出器４０の活性層４１との高低差ｈが６μｍである場合には、活性層３１と活性層４１との間の勾配角tan（ｈ／ｄ）は約３°となる。したがって、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａから出射されたレーザ光Ｌは、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａに十分に入射し得る。
［第２実施形態の光半導体素子の製造方法］
【００５８】
まず、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、半導体基板２の表面２ａに、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を含む積層構造体２００を形成する工程を実施する。より具体的には、コンタクト層２０１、下部クラッド層２０２、活性層２０３、コンタクト層２０４、下部クラッド層２０５、下部ガイド層２０６、活性層２０７、上部ガイド層２０８、上部クラッド層２０９、コンタクト層２１０を、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法等によって半導体基板２の表面２ａに順次にエピタキシャル成長させることにより、半導体基板２の表面２ａに積層構造体２００を形成する。
【００５９】
コンタクト層２０１は、コンタクト層４３ｂ，１３ｂを含む層である。下部クラッド層２０２は、下部クラッド層４２，１２を含む層である。活性層２０３は、活性層４１，１１を含む層である。コンタクト層２０４は、コンタクト層４３ａ，１３ａを含む層である。下部クラッド層２０５は、下部クラッド層３３ｂを含む層である。下部ガイド層２０６は、下部ガイド層３２ｂを含む層である。活性層２０７は、活性層３１を含む層である。上部ガイド層２０８は、上部ガイド層３２ａを含む層である。上部クラッド層２０９は、上部クラッド層３３ａを含む層である。コンタクト層２１０は、コンタクト層３４を含む層である。
【００６０】
積層構造体２００を形成する工程に続いて、積層構造体２００に対してエッチングを施すことにより、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を形成する工程を実施する。より具体的には、図１１の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、コンタクト層２１０、上部クラッド層２０９、上部ガイド層２０８、活性層２０７、下部ガイド層２０６、及び、下部クラッド層２０５の表面側の部分をエッチングによって選択的に除去することにより、第２積層構造体４のうち量子カスケードレーザ３０の一部を形成する。続いて、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、コンタクト層２０４をエッチングストップ層として、下部クラッド層２０５の裏面側の部分をエッチングによって選択的に除去することにより、コンタクト層２０４の表面を露出させ、量子カスケードレーザ３０を形成する。
【００６１】
続いて、図１３の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、コンタクト層２０４、活性層２０３、及び、下部クラッド層２０２の表面側の部分をエッチングによって選択的に除去することにより、第１積層構造体３のうち量子カスケード検出器４０の一部を形成する。続いて、図１４の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、コンタクト層２０１をエッチングストップ層として、下部クラッド層２０２の裏面側の部分をエッチングによって選択的に除去することにより、コンタクト層２０１の表面を露出させ、量子カスケード検出器４０を形成する。続いて、図１５の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、コンタクト層２０１の一部をエッチングによって選択的に除去することにより、コンタクト層２０１をコンタクト層４３ｂとコンタクト層１３ｂとに分離する。
【００６２】
第１積層構造体３及び第２積層構造体４を形成する工程に続いて、必要に応じて半導体基板２の裏面２ｂ側の部分を除去して半導体基板２を薄化し、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を覆うように絶縁層を形成する。続いて、当該絶縁層に形成された開口を介して各コンタクト層３４，１３ａ，４３ａ，４３ｂの表面に蒸着等によって各電極層５，６，７，８を形成する。なお、量子カスケードレーザ３０の反射面３０ｂ、及び、量子カスケード検出器４０における光入射面４０ａとは反対側の端面に、高反射コーティングを施してもよい。量子カスケードレーザ３０の反射面３０ｂに高反射コーティングを施すことで、量子カスケードレーザ３０内のミラーロスが低減され、内部共振が実施され易くなり、高出力化が可能になる。また、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａとは反対側の端面に、高反射コーティングを施すことで、量子カスケード検出器４０内に光を閉じ込めることができ、より多くの信号を検出することが可能になる。量子カスケードレーザ３０の反射面３０ｂに低反射コーティングを施してもよく、その場合、量子カスケードレーザ３０の反射面３０ｂと対向する位置に回折格子又は反射鏡を配置して外部共振器を構成したときに、回折格子又は反射鏡からの反射光を量子カスケードレーザ３０の活性層内に効率良く入射させることが可能になる。回折格子を配置した場合には、出力光に対する回折格子の角度を制御することで任意の波長を出力することができる。
【００６３】
以上の各工程を実施することで、光半導体素子１Ｂを得る。なお、以上の各工程をウェハレベルで実施し、最後にウェハをダイシングして複数の光半導体素子１Ｂを得ることが可能である。
［第２実施形態の作用及び効果］
【００６４】
光半導体素子１Ｂでは、第２積層構造体４において、量子カスケードレーザ３０が、量子カスケード検出器４０と同一の層構造を有するダミー領域１０介して半導体基板２の表面２ａに設けられている。つまり、第２積層構造体４が含む量子カスケードレーザ３０と、第１積層構造体３が含む量子カスケード検出器４０とが、半導体基板２の表面２ａから異なる高さに位置している。したがって、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０のそれぞれについて、特性の最適化を図ることができる。また、量子カスケードレーザ３０の発振波長と量子カスケード検出器４０の感度波長とを一致させ易くなる。更に、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０のそれぞれの設計の自由度が高まる。
【００６５】
また、光半導体素子１Ｂでは、量子カスケードレーザ３０がダミー領域１０を介して半導体基板２の表面２ａに配置されており、量子カスケード検出器４０が半導体基板２の表面２ａに配置されている。これにより、量子カスケード検出器４０に対して半導体基板２とは反対側を空間とすることで、量子カスケードレーザ３０から出射されたレーザ光が第１積層構造体３で反射されて量子カスケードレーザ３０に戻るのを抑制できる。
【００６６】
また、光半導体素子１Ｂでは、量子カスケード検出器４０の活性層４１が、各コンタクト層４３ａ，４３ｂと電気的に接続されており、量子カスケードレーザ３０の活性層３１が、コンタクト層３４、及び、ダミー領域１０においてコンタクト層４３ａに対応するコンタクト層１３ａのそれぞれと電気的に接続されている。これにより、光半導体素子１Ｂの製造時に第１積層構造体３のコンタクト層４３ａ及び第２積層構造体４のコンタクト層１３ａを同一の層で形成できるので、製造の容易化を図ることができる。
【００６７】
また、光半導体素子１Ｂでは、コンタクト層４３ａの表面に電極層７が設けられており、コンタクト層４３ｂの表面のうちリッジ構造として構成された部分が設けられていない領域４３ｓに電極層８が設けられており、コンタクト層３４の表面に電極層５が設けられており、コンタクト層１３ａの表面のうちリッジ構造として構成された部分が設けられていない領域１３ｓに電極層６が設けられている。これにより、光半導体素子１Ｂの構造の単純化を図りつつ、活性層４１及び活性層３１のそれぞれに確実に電圧を印加できる。
【００６８】
また、光半導体素子１Ｂでは、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａが、量子カスケードレーザ３０の共振方向Ａに対して傾斜した面である。これにより、量子カスケードレーザ３０から出射されたレーザ光が量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａで反射されて量子カスケードレーザ３０に戻るのを抑制できる。
【００６９】
また、光半導体素子１Ｂの製造方法では、半導体基板２の表面２ａに、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を含む積層構造体２００を形成し、積層構造体２００に対してエッチングを施すことにより、第１積層構造体３及び第２積層構造体４を形成する。これにより、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０のそれぞれについて、特性の最適化を図ることができる。また、半導体製造プロセスによってモノリシックな製造が可能であるため、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０の位置精度が極めて高い光半導体素子１Ｂを得ることができる。
［変形例］
【００７０】
以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、量子カスケードレーザ３０及び量子カスケード検出器４０のそれぞれの層構造は、上述したものに限定されない。また、各活性層３１，４１の量子カスケード構造も、上述したものに限定されない。また、量子カスケードレーザ３０における半導体基板２とは反対側の部分に回折格子層が設けられることで、量子カスケードレーザ３０が分布帰還（ＤＦＢ：Distributed Feedback）型素子として構成されていてもよい。その場合、量子カスケードレーザ３０をシングルモード発振させることができる。また、各光半導体素子１Ａ，１Ｂの分析対象は、ガスに限定されず、液体等であってもよい。各光半導体素子１Ａ，１Ｂの使用例についても、上述したものに限定されない。
【００７１】
また、図１６に示されるように、第１実施形態の光半導体素子１Ａの第２積層構造体４において、活性層４１の両側に上部クラッド層４２ａ及び下部クラッド層４２ｂが設けられていてもよい。また、図１７に示されるように、第２実施形態の光半導体素子１Ｂの第１積層構造体３において、活性層４１の両側に上部クラッド層４２ａ及び下部クラッド層４２ｂが設けられていてもよい。これらのように、量子カスケード検出器４０に導波路構造が適用されることで、量子カスケード検出器４０に入射したレーザ光が導波路構造の内部を伝播しながら活性層４１に吸収されるため、取り出せる光電流を増加させることができる。
【００７２】
また、図１８の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、量子カスケード検出器４０は、量子カスケードレーザ３０の共振方向Ａに対して傾斜した複数の光入射面４０ａを有していてもよい。図１８の（ａ）は、一対の光入射面４０ａが、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａに対して凸となるように互いに接続された例である。図１８の（ｂ）は、一対の光入射面４０ａが、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａに対して凹となるように互いに接続された例である。また、図１８の（ｃ）に示されるように、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａは、半導体基板２の表面２ａに平行且つ量子カスケードレーザ３０の共振方向Ａに垂直な方向（すなわち、Ｙ軸方向）にずれていてもよい。すなわち、Ｙ軸方向において、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａの中心が量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａの中心からずれていてもよい。その場合にも、量子カスケードレーザ３０から出射されたレーザ光が量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａで反射されて量子カスケードレーザ３０に戻るのを抑制できる。
【００７３】
上述した各実施形態において、量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａと量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａとの距離は、例えば、数百μｍ程度である。そのため、量子カスケード検出器４０の光入射面４０ａに、例えば、誘電体多層膜からなる無反射コーティングを施すことは極めて困難である。そのような事情からも、量子カスケードレーザ３０の共振方向Ａに対して量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａを傾斜させたり、量子カスケードレーザ３０の共振方向Ａに対して量子カスケードレーザ３０の光出射面３０ａをずらしたりすることで、レーザ光が量子カスケードレーザ３０に戻るのを抑制することは重要である。特に、量子カスケードレーザ３０がＤＦＢ型素子として構成されている場合には、安定したシングルモード発振を得る上で極めて重要となる。
【符号の説明】
【００７４】
１Ａ，１Ｂ…光半導体素子、２…半導体基板、２ａ…表面、２ｂ…裏面、３…第１積層構造体、４…第２積層構造体、５…電極層（第１実施形態の第１電極層、第２実施形態の第３電極層）、６…電極層（第１実施形態の第２電極層、第２実施形態の第４電極層）、７…電極層（第１実施形態の第３電極層、第２実施形態の第１電極層）、８…電極層（第１実施形態の第４電極層、第２実施形態の第２電極層）、１０…ダミー領域、１３ａ…コンタクト層（第２実施形態の第４コンタクト層）、１４…コンタクト層（第１実施形態の第３コンタクト層）、１３ｓ，１４ｓ，４３ｓ…領域、３０…量子カスケードレーザ（第１実施形態の第１量子カスケード領域、第２実施形態の第２量子カスケード領域）、３１…活性層（第１実施形態の第１活性層、第２実施形態の第２活性層）、３４…コンタクト層（第１実施形態の第１コンタクト層、第２実施形態の第３コンタクト層）、４０…量子カスケード検出器（第１実施形態の第２量子カスケード領域、第２実施形態の第１量子カスケード領域）、４０ａ…光入射面、４１…活性層（第１実施形態の第２活性層、第２実施形態の第１活性層）、４３…コンタクト層（第１実施形態の第２コンタクト層）、４３ａ…コンタクト層（第２実施形態の第１コンタクト層）、４３ｂ…コンタクト層（第２実施形態の第２コンタクト層）、１００，２００…積層構造体、Ａ…共振方向。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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