(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法であって、
基板、前記基板の主面上に設けられ量子カスケード半導体レーザのためのメサ構造体、及び前記基板の前記主面上に設けられ前記メサ構造体を埋め込む埋込領域を含むレーザ構造体を準備する工程と、
λ／４周期の分布反射構造及び３λ／４周期の分布反射構造をそれぞれ規定する第１パターン及び第２パターンを含むマスクを前記レーザ構造体上に形成する工程と、
前記マスクを用いてドライエッチングにより前記レーザ構造体を加工して、λ／４周期構造を有する第１分布反射構造物、３λ／４周期構造を有する第２分布反射構造物及び半導体導波路構造物を形成する工程と、
を備え、
前記半導体導波路構造物は、一端面及び他端面を有する半導体メサを備え、前記メサ構造体は量子カスケードコア層を含み、
前記第１分布反射構造物は、前記半導体導波路構造物の前記一端面に光学的に結合され、
前記第２分布反射構造物は、前記半導体導波路構造物の前記他端面に光学的に結合され、
「λ」は、真空中における当該量子カスケード半導体レーザの発振波長の値である、量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項２】
前記基板は、第１領域、第２領域及び第３領域を有し、前記基板の前記第３領域は前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、
前記第１分布反射構造物は、前記第１領域に設けられ分布反射のための第１１半導体壁を有しており、前記第１１半導体壁は、前記半導体導波路構造物の前記一端面から第１間隔で隔置されており、
前記第２分布反射構造物は、前記第２領域に設けられ分布反射のための第２１半導体壁を有しており、前記第２１半導体壁は前記半導体導波路構造物の前記他端面から第２間隔で隔置されており、
前記半導体導波路構造物は前記第３領域に設けられる、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項３】
前記半導体メサは、第１軸の方向に延在しており、
前記第１１半導体壁は、前記基板の前記主面に交差する第２軸の方向に延出しており、
前記第１分布反射構造物は、前記第１１半導体壁の一端を前記半導体導波路構造物に繋ぐ第１側壁と、前記第１１半導体壁の他端を前記半導体導波路構造物に繋ぐ第２側壁とを含み、
前記第１１半導体壁の前記一端及び前記他端は、前記第１軸及び第２軸に交差する第３軸の方向に配列される、請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザを作製する方法。
【請求項４】
前記ドライエッチングのためのエッチャントは、ハロゲン系ガスを含む、請求項１〜請求項３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を作製する方法。
【請求項５】
量子カスケード半導体レーザであって、
一端面及び他端面を有するメサ構造と、
前記メサ構造の前記一端面に光学的に結合されλ／４周期構造を有する第１分布反射構造と、
前記メサ構造の前記他端面に光学的に結合され３λ／４周期構造を有する第２分布反射構造と、
を備え、
前記メサ構造は、量子カスケードコア層を含み、
前記第１分布反射構造は、前記メサ構造の前記一端面から第１間隔で隔置された第１１半導体壁を有しており、前記第２分布反射構造は、前記メサ構造の前記他端面から第２間隔で隔置された第２１半導体壁を有しており、前記第２１半導体壁の高さは、前記第１１半導体壁の高さと異なり、前記第１１半導体壁の横幅及び前記第２１半導体壁の横幅は、前記メサ構造の横幅より大きく、
「λ」は、当該量子カスケード半導体レーザの発振波長の真空中における値である、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を作製する方法、及び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、量子カスケードレーザを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２００１−１３６１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子カスケード半導体レーザは、サブバンド間遷移を利用して、中赤外光の波長帯、例えば３μｍから１０μｍの波長帯、において発振する。携帯機器、例えばガス検知器に搭載される量子カスケード半導体レーザに求められる特性は、低消費電力の動作である。量子カスケード半導体レーザにおいて、その共振器長を短くすることは、低消費電力に有効である。短い共振器長は、しきい値電流を小さくすることに有効であって、また低消費電力化を可能にする。高反射コート、例えば反射率９０％以上の端面コートは、しきい値電流の低減に起因する低消費電力化を可能にする。短い共振器長、例えば５０μｍから５００μｍの共振器長は、しきい値電流の低減に有効である。
【０００５】
端面コートは、通常、バー形状を有する半導体生産物、例えばレーザバーの端面に形成される。短い共振器長の半導体レーザの配列を含むレーザバーは、微小であり、その扱いに注意を必要とする。また、このレーザバーの両端面には、高反射を提供できる厚めの端面コートを形成することを必要とする。
【０００６】
発明者の検討によれば、半導体素子上の分布反射器は、高い反射率を提供できる。上記のレーザバーの両端面に高反射の端面コートの形成を避けるために、分布反射器を共振器に適用することができる。
【０００７】
量子カスケード半導体レーザは、レーザ共振器のための２つの反射器を備え、高い反射率が一方の反射器に提供されると共に該反射器より低い反射率が他方の反射器に提供されることを必要とする。求められることは、レーザ共振器のための複数の反射器において、反射率の設定におけるフレキシビリティである。
【０００８】
本発明の一側面は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、レーザ共振器のための反射器に反射率の設定のフレキシビリティを提供できる、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。また、本発明の別の側面は、レーザ共振器のための反射器に反射率の設定のフレキシビリティを提供できる構造を有する量子カスケード半導体レーザを作製する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】
【０００９】
本発明の一側面に係る量子カスケード半導体レーザを作製する方法は、基板、前記基板の主面上に設けられ量子カスケード半導体レーザのためのメサ構造体、及び前記基板の前記主面上に設けられ前記メサ構造体を埋め込む埋込領域を含むレーザ構造体を準備する工程と、λ／４周期の分布反射構造及び３λ／４周期の分布反射構造をそれぞれ規定する第１パターン及び第２パターンを含むマスクを前記レーザ構造体上に形成する工程と、前記マスクを用いてドライエッチングにより前記レーザ構造体を加工して、λ／４周期構造を有する第１分布反射構造物、３λ／４周期構造を有する第２分布反射構造物及び半導体導波路構造物を形成する工程と、を備え、前記半導体導波路構造物は、一端面及び他端面を有する半導体メサを備え、前記メサ構造体は量子カスケードコア層を含み、前記第１分布反射構造物は、前記半導体導波路構造物の前記一端面に光学的に結合され、前記第２分布反射構造物は、前記半導体導波路構造物の前記他端面に光学的に結合され、「λ」は、真空中における当該量子カスケード半導体レーザの発振波長の値である。
【００１０】
本発明の別の側面に係る量子カスケード半導体レーザは、一端面及び他端面を有するメサ構造と、前記メサ構造の前記一端面に光学的に結合されλ／４周期構造を有する第１分布反射構造と、前記メサ構造の前記他端面に光学的に結合され３λ／４周期構造を有する第２分布反射構造と、を備え、前記メサ構造は、量子カスケードコア層を含み、前記第１分布反射構造は、前記メサ構造の前記一端面から第１間隔で隔置された第１１半導体壁を有しており、前記第２分布反射構造は、前記メサ構造の前記他端面から第２間隔で隔置された第２１半導体壁を有しており、前記第２１半導体壁の高さは、前記第１１半導体壁の高さと異なり、前記第１１半導体壁の横幅及び前記第２１半導体壁の横幅は、前記メサ構造の横幅より大きく、「λ」は、当該量子カスケード半導体レーザの発振波長の真空中における値である。
【００１１】
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】
【００１２】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、レーザ共振器のための反射器に反射率の設定のフレキシビリティを提供できる量子カスケード半導体レーザが提供される。また、本発明の別の側面によれば、レーザ共振器のための反射器に反射率の設定のフレキシビリティを提供できる構造を有する量子カスケード半導体レーザを作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、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２】図２は、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３】図３は、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４】図４は、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、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、同一の素子区画に形成された２種の分布反射構造物における断面構造を示す図面である。
【図７】図７は、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８】図８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図面である。
【図９】図９は、３λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ９Ｒを示す平面図である。
【図１０】図１０は、３λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１０Ｒを示す平面図である。
【図１１】図１１は、λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１１Ｒを示す平面図である。
【図１２】図１２は、λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１２Ｒを示す平面図である。
【図１３】図１３は、λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１３Ｒを示す平面図である。
【図１４】図１４は、λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１４Ｒを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
引き続き、いくつかの具体例を説明する。
【００１５】
一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は、（ａ）基板、前記基板の主面上に設けられ量子カスケード半導体レーザのためのメサ構造体、及び前記基板の前記主面上に設けられ前記メサ構造体を埋め込む埋込領域を含むレーザ構造体を準備する工程と、（ｂ）λ／４周期の分布反射構造及び３λ／４周期の分布反射構造をそれぞれ規定する第１パターン及び第２パターンを含むマスクを前記レーザ構造体上に形成する工程と、（ｃ）前記マスクを用いてドライエッチングにより前記レーザ構造体を加工して、λ／４周期構造を有する第１分布反射構造物、３λ／４周期構造を有する第２分布反射構造物及び半導体導波路構造物を形成する工程と、を備え、前記半導体導波路構造物は、一端面及び他端面を有する半導体メサを備え、前記メサ構造体は量子カスケードコア層を含み、前記第１分布反射構造物は、前記半導体導波路構造物の前記一端面に光学的に結合され、前記第２分布反射構造物は、前記半導体導波路構造物の前記他端面に光学的に結合され、「λ」は、真空中における当該量子カスケード半導体レーザの発振波長の値である。
【００１６】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、レーザ構造体の加工を行うドライエッチングにおいて、３λ／４周期構造の第２分布反射構造物及びλ／４周期構造の第１分布反射構造物を一緒に作製する。発明者の知見によれば、３λ／４周期構造の第２分布反射構造物のためのエリアにおけるエッチングが、λ／４周期構造の第１分布反射構造物のためのエリアにおけるエッチングに比べて速く進行する。これ故に、３λ／４周期構造におけるエッチング深さは、λ／４周期構造におけるエッチング深さより大きくなる。周期構造の大きな深さは、第２分布反射構造物が相対的に高い反射率を有することを可能にし、また、周期構造の小さな深さは、第１分布反射構造物が相対的に低い反射率を有することを可能にする。このような構造の差異は、λ／４周期及び３λ／４周期に起因する反射率の差異とは別の技術的視点で、２つの分布反射構造物の反射率に差を設けることを可能にする。
【００１７】
一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では、前記基板は、第１領域、第２領域及び第３領域を有し、前記基板の前記第３領域は前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１分布反射構造物は、前記第１領域に設けられ分布反射のための第１１半導体壁を有しており、前記第１１半導体壁は、前記半導体導波路構造物の前記一端面から第１間隔で隔置されており、前記第２分布反射構造物は、前記第２領域に設けられ分布反射のための第２１半導体壁を有しており、前記第２１半導体壁は前記半導体導波路構造物の前記他端面から第２間隔で隔置されており、前記半導体導波路構造物は前記第３領域に設けられる。
【００１８】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、第１分布反射構造物の第１１半導体壁は、半導体導波路構造物の一端面から第１間隔で隔置されると共に、第２分布反射構造物の第２１半導体壁は半導体導波路構造物の他端面から第２間隔で隔置されている。レーザ構造体の加工を行うドライエッチング工程において一緒に作製されるべき第１間隔及び第２間隔は、互いに異なる。このドライエッチング工程において用いるマスクは、第１分布反射構造のための第１パターン及び第２分布反射構造物のための第２パターンを有しており、第１パターンは、第１１半導体壁と半導体導波路構造物の一端面との間の第１間隔に対応した第１開口を有し、第２パターンは、第２１半導体壁と半導体導波路構造物の他端面との間の第２間隔に対応した第２開口を有する。第１開口の幅と第２開口の幅との違いに起因して、個々のエリアにおける局所的なエッチング速度に違いが生じる。具体的には、幅広の開口に係るエッチング深さが、幅狭の開口に係るエッチング深さより大きい。この違い（幅における違い）に応じて、第１１半導体壁及び第２１半導体壁の高さが互いに異なる。
【００１９】
一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では、前記半導体メサは、第１軸の方向に延在しており、前記第１１半導体壁は、前記基板の前記主面に交差する第２軸の方向に延出しており、前記第１分布反射構造物は、前記第１１半導体壁の一端を前記半導体導波路構造物に繋ぐ第１側壁と、前記第１１半導体壁の他端を前記半導体導波路構造物に繋ぐ第２側壁とを含み、前記第１１半導体壁の前記一端及び前記他端は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に配列される。
【００２０】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、第１１半導体壁の一端及び他端が、それぞれ、第１側壁及び第２側壁に接続されるので、半導体導波路構造物の一端面と第１１半導体壁との間の第１間隔に対応した第１開口からエッチングガスが供給される。第１開口の面積は、第１側壁と第２側壁との間隔に応じて変わる。
【００２１】
一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では、前記ドライエッチングのためのエッチャントは、ハロゲン系ガスを含む。
【００２２】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、ハロゲン系ガスを含むエッチャントは、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体のエッチングを可能にする。
【００２３】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、（ａ）一端面及び他端面を有するメサ構造と、（ｂ）前記メサ構造の前記一端面に光学的に結合され、λ／４周期構造を有する第１分布反射構造と、（ｃ）前記メサ構造の前記他端面に光学的に結合され、３λ／４周期構造を有する第２分布反射構造と、を備え、前記メサ構造は、量子カスケードコア層を含み、前記第１分布反射構造は、前記メサ構造の前記一端面から第１間隔で隔置された第１１半導体壁を有しており、前記第２分布反射構造は、前記メサ構造の前記他端面から第２間隔で隔置された第２１半導体壁を有しており、前記第２１半導体壁の高さは、前記第１１半導体壁の高さと異なり、前記第１１半導体壁の横幅及び前記第２１半導体壁の横幅は、前記メサ構造の横幅より大きく、「λ」は、当該量子カスケード半導体レーザの発振波長の真空中における値である。
【００２４】
量子カスケード半導体レーザによれば、第１分布反射構造における第１１半導体壁の一側面とメサ構造の一端面との間の第１間隔は、λ／４周期構造に関連付けられており、第２分布反射構造における第２１半導体壁の一側面とメサ構造の他端面との間の第２間隔は、３λ／４周期構造に関連付けられている。第１分布反射構造及び第２分布反射構造は、それぞれ、メサ構造のメサ幅より大きい横幅の第１１半導体壁及び第２１半導体壁を備えるので、赤外波長領域の光の反射に好適である。また、第１１半導体壁の高さは第２１半導体壁の高さと異なるので、これらの分布反射構造の反射率は、個々の半導体壁の高さに応じて変更可能である。具体的には、量子カスケードコア層の下面と第１１半導体壁の下端との間隔が、量子カスケードコア層の下面と第２１半導体壁の下端との間隔と異なる。これらの間隔における差異は、量子カスケードコア層の下面より下の半導体部分を伝搬する光の反射に違いを生じさせる。
【００２５】
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を作製する方法、及び量子カスケード半導体レーザ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。
【００２６】
図１から図５及び図７は、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。製造工程において、レーザ構造体を準備すると共に、このレーザ構造体を加工して第１及び第２の分布反射構造物を作製する。実施形態では、レーザ構造体の準備のためにレーザ構造体を作製する。
【００２７】
半導体結晶成長のための基板（例えば、図１の（ａ）部に示される基板１１）を準備する。この基板は、例えば、半導体ウエハを含むことができ、具体的には、ＩｎＰといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。図１の（ａ）部に示されるように、基板１１の主面１１ａ上に、量子カスケードのための半導体層を含む半導体積層１３を成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長法、及び／又は分子線エピタキシー法等を用いて行われることができる。半導体積層１３は、例えば量子カスケードコア層のための半導体層１３ａ、及び上部クラッド層のための半導体層１３ｂを含み、必要な場合には、コンタクト層又はキャップ層のための半導体層１３ｃを含むことができる。さらに必要な場合には、半導体積層１３は、下部クラッド層又はバッファ層のための半導体層を含むことができる。
基板１１の例示：ｎ型ＩｎＰウエハ。
半導体積層１３の例示。
量子カスケードコア層のための半導体層１３ａ：ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの量子井戸（ＭＱＷ）構造、厚さ３μｍ。
上部クラッド層のための半導体層１３ｂ：ｎ型ＩｎＰ、厚さ３μｍ。
コンタクト層のための半導体層１３ｃ：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。厚さ１００ｎｍ。
下部クラッド層又はバッファ層のための半導体層：ｎ型ＩｎＰ。
ＭＱＷ構造は、当該量子カスケード半導体レーザが波長３〜１０μｍの範囲内のある波長において発振可能なように配列されたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの積層を含む。半導体積層１３は、必要な場合には、分布帰還型の回折格子層のための半導体層を含むことができ、これによって、ＤＦＢ型量子カスケード半導体レーザの提供が可能になる。上部クラッド層は、基板１１の半導体と同じ導電型を有し、また下部クラッド層又はバッファ層と同じ導電型を有する。
【００２８】
半導体積層１３上に絶縁体マスク（図１の（ｂ）部に示される絶縁体マスク１５）を形成する。絶縁体マスク１５は、量子カスケード層を含む導波路メサの形状を規定するパターンを有する。本実施例では、絶縁体マスク１５のパターンは、ウエハ上の一素子区画の一辺及び他辺（一辺の反対側の辺）を横切って第１軸Ａｘ１の方向に延在するストライプ形状を有する。絶縁体マスク１５は、例えばシリコン系無機絶縁体膜を備え、シリコン系無機絶縁体は、シリコン窒化物膜（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）を備えることができる。ＳｉＮは、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法により成長される。絶縁体マスク１５の厚さは、例えば１００〜１０００ｎｍ程度であることができる。図１の（ｂ）部に示されるように、絶縁体マスク１５を用いて半導体積層１３をエッチングする。このエッチングにより、半導体積層１３及び基板１１の表層が加工されて、メサ構造体１７が形成される。メサ構造体１７は、その名が示すように、メサ形状を有する半導構造物であって、レーザキャビティのための導波路に利用可能なように基板１１の主面１１ａ上を第１軸Ａｘ１の方向に延在する。図１の（ｂ）部は、第１軸Ａｘ１に交差する方向に沿ってとられた断面を示す。メサ構造体１７のメサ高ＨＤは、５〜１０μｍ程度であり、例えば７μｍである。メサ構造体１７のメサ幅Ｗ０は、３〜１０μｍ程度であり、例えば１０μｍである。メサ構造体１７は、量子カスケードのためのコア層１７ａ、上部クラッド層１７ｂ、及びコンタクト層１７ｃを備える。エッチングは、ハロゲン系エッチャント、例えば塩素、塩化水素、四塩化ケイ素、三塩化ホウ素、臭化水素、ヨウ化水素を用いるドライエッチングを含むことができる。絶縁体マスク１５は、除去されることなく残される。エッチング工程において、メサ構造体１７を含む第１基板生産物ＳＰ１が形成される。第１基板生産物ＳＰ１の基板表面及びメサ構造体１７の側面が露出される一方で、メサ構造体１７の上面は、絶縁体マスク１５で覆われる。メサ構造体１７は、半導体積層１３の構造に依存して、分布帰還型の回折格子層を含むことができる。
【００２９】
図１の（ｃ）部に示されるように、エッチングの後に、メサ構造体１７を埋め込むために半導体の成長を第１基板生産物ＳＰ１上において行うと共に、メサ構造体１７を埋め込む埋込領域２５を形成する。本実施形態では、メサ構造体１７を埋め込むために所望の半導体成長を第１基板生産物ＳＰ１に適用する。この結晶成長では、第１基板生産物ＳＰ１が絶縁体マスク１５を有するので、第１基板生産物ＳＰ１の基板表面及びメサ構造体１７の側面に埋込用の半導体の結晶成長が生じて、メサ構造体１７が埋め込まれると共に、絶縁体マスク１５で覆われたメサ構造体１７の上面上には埋込用の半導体の結晶成長が生じない。埋込領域２５は、半絶縁性ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体、例えば鉄ドープＩｎＰを備えることができる。
【００３０】
埋込領域２５を形成するための処理の後に、第１基板生産物ＳＰ１から絶縁体マスク１５を除去して、第２基板生産物ＳＰ２を得る。絶縁体マスク１５のＳｉＮのエッチングは、例えバッファードフッ酸により行われる。絶縁体マスク１５の除去により、メサ構造体１７の上面１７ｄが第２基板生産物ＳＰ２の表面に現れる。
【００３１】
これらの工程によって、レーザ構造体１９が作製される。レーザ構造体１９は、基板１１と、基板１１の主面１１ａ上に設けられ量子カスケード半導体レーザのためのメサ構造体１７と、基板１１の主面１１ａ上に設けられメサ構造体１７を埋め込む埋込領域２５とを含む。図１の（ｃ）部は、理解を容易にするために、成長用の基板１１における一素子の区画を示している。成長用の基板１１として用いられるウエハは、図１の（ｃ）部に示される単一のメサ構造体１７だけでなく、これに実質的に同等な一又は複数のメサ構造体の配列を含む。埋込領域２５は、この配列内のメサ構造体の間に成長される。
【００３２】
絶縁体マスク１５を除去した後に、メサ構造体１７及び埋込領域２５上にパターンを有するマスクを形成する。具体的な手順を説明する。図２の（ａ）部を参照すると、第１軸Ａｘ１にそってとられた断面においてメサ構造体１７が描かれている。メサ構造体１７は、第１軸Ａｘ１の方向に延在する。分布反射器のためのマスクに用いる絶縁膜２７を第２基板生産物ＳＰ２上に成長する。この絶縁膜２７は、例えばシリコン系無機絶縁体からなり、シリコン系無機絶縁体は、シリコン窒化物膜（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化膜（たとえばＳｉＯ２）、シリコン酸化窒化膜（たとえばＳｉＯＮ）を含み、ＳｉＮは、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法により成長される。絶縁膜２７の厚さは、例えば１００〜１０００ｎｍ程度であることができ、本実施例では５００ｎｍである。
【００３３】
また、図２の（ａ）部に示されるように、分布反射器マスクのパターン形成のためのレジストの塗布及び露光を行う。具体的には、絶縁膜２７上にレジストを塗布する。この後に、分布反射器マスクのパターンをレジストに転写するための露光ＥＸＰＳを行って、レジストマスク２９を形成する。作製されるべき分布反射器の幅は、メサ構造体１７の幅より広いので、マスクパターンは、メサ構造体１７及び埋込領域２５上に形成される。上記の露光ＥＸＰＳに際して、分布反射器マスクのパターンがレジストに転写される。このようにしてレジストマスク２９が形成される。レジストマスク２９のパターンは、メサ構造体１７の幅より広い幅を有する。図２の（ａ）部では、メサ構造体１７は第１軸Ａｘ１の方向に延在する。レジストマスク２９は、一素子区画において、第１パターン部２９ａ、第２パターン部２９ｂ、及び導波路パターン部２９ｃを含む。第１パターン部２９ａは、λ／４周期及び３λ／４周期の一方の分布反射構造を規定し、第２パターン部２９ｂは、λ／４周期及び３λ／４周期の他方の分布反射構造を規定する。λ／４周期のためのパターン部（２９ａ又は２９ｂの一方）の開口サイズは、３λ／４周期のためのパターン部（２９ａ又は２９ｂの他方）の開口サイズより小さい。ここで、「λ」は、当該量子カスケード半導体レーザが発振する光の波長（真空中における波長）である。
【００３４】
このレジストマスク２９を用いて絶縁膜２７をドライエッチングして、図２の（ｂ）部に示されるように、分布反射器の形状を規定するためのマスク３１を形成する。マスク３１は、一素子区画において、第１パターン部２９ａに対応する第１マスク部３１ａ（λ／４周期及び３λ／４周期の一方の分布反射構造を規定するパターン）と、第２パターン部２９ｂに対応する第２マスク部３１ｂ（λ／４周期及び３λ／４周期の他方の分布反射構造を規定するパターン）と、導波路パターン部２９ｃに対応する第３マスク部３１ｃ（導波路長を規定するパターン）とを含む。
【００３５】
分布反射器の作製では、図３の（ａ）部に示されるように、このマスク３１の下に位置する半導体領域、本実施例では埋込領域２５及びメサ構造体１７のドライエッチングＥＴＣＨをマスク３１を用いて行って、第３基板生産物ＳＰ３を作製する。ハロゲン系ガスを含むエッチャントは、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体のエッチングを可能にするので、ドライエッチングＥＴＣＨは、例えばハロゲン系ガスのエッチャントを用いた誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）で行われる。第３基板生産物ＳＰ３は、量子カスケード半導体レーザのための第１分布反射構造物３３、第２分布反射構造物３５、及び半導体導波路構造物３７を備える。半導体導波路構造物３７では、半導体メサ３９は、例えば３〜１０μｍの範囲の長さを有し、また、エッチングにより残された埋込領域２５によって埋め込まれている。マスク３１は、レジストマスク２９の分布反射器パターンに由来する開口を有する。
ドライエッチングＥＴＣＨの例示。
ハロゲン系ガスのエッチャント：塩素、塩化水素、四塩化ケイ素、三塩化ホウ素、臭化水素、ヨウ化水素。
エッチング装置のエッチング方式：誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング、容量結合型プラズマ反応性イオンエッチング、電子サイクロトロン共鳴プラズマ反応性イオンエッチング。
第１分布反射構造物３３は、エッチングにより形成された第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃを含み、第２分布反射構造物３５は、エッチングにより形成された第２半導体壁３６ａ、３６ｂ、３６ｃを含む。第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃの各々は、半導体メサ３９のメサ幅Ｗ０より大きな横幅を有しており、また第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃを互いに画定する第１開口３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇを備える。第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び第１開口３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇは交互に配列されて、屈折率の周期的な変化を形成する。また、第２半導体壁３６ａ、３６ｂ、３６ｃの各々は、半導体メサ３９のメサ幅Ｗ０より大きな横幅を有しており、また第２半導体壁３６ａ、３６ｂ、３６ｃを互いに画定する第２開口３６ｄ、３６ｅ、３６ｆ、３６ｇを備える。
【００３６】
第１分布反射構造物３３の周期は、第２分布反射構造物３５の周期と異なる。第１分布反射構造物３３における第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃの高さ（Ｈ１）は、第２分布反射構造物３５における第２半導体壁３６ａ、３６ｂ、３６ｃの高さ（Ｈ２）と異なる。第１分布反射構造物３３における第１開口３４ｄ、３４ｅ、３４ｆの深さ（Ｄ１）は、第２分布反射構造物３５における第２開口３６ｄ、３６ｅ、３６ｆの深さ（Ｄ２）と異なる。
周期と深さ（高さ）と組み合わせの一覧。
構造Ａ：λ／４周期の浅い分布反射構造と、３λ／４周期の深い分布反射構造との組み合わせ。
構造Ｂ：λ／４周期の深い分布反射構造と、３λ／４周期の浅い分布反射構造との組み合わせ。
分布反射構造の周期は、分布反射構造の光学特性として反射率に関連している。λ／４周期の分布反射構造及び３λ／４周期の分布反射構造が周期の点を除いて同一であるとき、λ／４周期の分布反射構造の反射率が３λ／４周期の分布反射構造の反射率より大きい。
【００３７】
本実施例では、引き続く説明から理解されるように、構造Ａ（λ／４周期の浅い分布反射構造及び３λ／４周期の深い分布反射構造）を作製する。この構造は、単一のマスク３１を用いて単一のドライエッチングにより形成される点で有用である。量子カスケード半導体レーザは、赤外、例えば中赤外の波長領域の長波長のレーザ光を発生する。発明者の知見によれば、長波長の光は、半導体メサ３９だけでなく基板１１にも広がって伝搬する。これ故に、分布反射構造の深さは、基板１１を伝搬する光成分の反射に関連する。
【００３８】
図４は、エッチングされたレーザ構造体を示す平面図である。図３の（ａ）部及び図４を参照すると、マスク３１が残されている。一素子区画において、マスク３１の第１マスク部３１ａ、第２マスク部３１ｂ及び第３マスク部３１ｃは、それぞれ、レジストマスク２９の第１パターン部２９ａ、第２パターン部２９ｂ、及び導波路パターン部２９ｃに対応する。本実施例では、第１分布反射構造物３３がλ／４周期の分布反射構造を有し、第２分布反射構造物３５が３λ／４周期の分布反射構造を有する。第２分布反射構造物３５における第２半導体壁３６ａ、３６ｂ、３６ｃの高さは、第１分布反射構造物３３における第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃの高さより大きい。第２分布反射構造物３５における第２開口３６ｄ、３６ｅ、３６ｆの深さは、第１分布反射構造物３３における第１開口３４ｄ、３４ｅ、３４ｆの深さより大きい。第３基板生産物ＳＰ３では、第１分布反射構造物３３、第２分布反射構造物３５及び半導体メサ３９は、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。半導体導波路構造物３７は一端面３７ａ及び他端面３７ｂを含む。半導体導波路構造物３７内の半導体メサ３９の一端面３７ａ及び他端面３７ｂは、それぞれ、第１分布反射構造物３３及び第２分布反射構造物３６に光学的に結合して、レーザ共振器が構成される。第１開口３４ｄ〜３４ｇ及び第２開口３６ｄ〜３６ｇの各々は、第１幅Ｌ１（第１軸Ａｘ１の方向の長さ）及び第２幅Ｌ２（第３軸Ａｘ３の方向の長さ）によって規定される。第１幅Ｌ１は、ブラッグ条件により規定され、第２幅Ｌ２は、エッチングガスの局所的な供給に関連している。エッチングガスの局所的な流れ、具体的には、エッチングガスの局所的な供給及び局所的な排気を調整するために、第１開口３４ｄ〜３４ｇ及び第２開口３６ｄ〜３６ｇの第２幅Ｌ２を変更することができる。また、マスク３１は、第１開口３４ｄ〜３４ｇ（第２開口３６ｄ〜３６ｇ）を繋ぐ接続開口を有することができ、接続開口の幅に応じてエッチングガスの局所的な流れを調整できる。
【００３９】
ドライエッチングＥＴＣＨが終了した後に、図３の（ｂ）部に示されるようにマスク３１を除去して、第３基板生産物ＳＰ３を得る。マスク３１のＳｉＮの除去は、バッファードフッ酸によって行われる。
【００４０】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、レーザ構造体１９の加工を行うドライエッチングＥＴＣＨにおいて、λ／４周期の第１分布反射構造物３３及び３λ／４周期の第２分布反射構造物３５を一緒に作製する。発明者の知見によれば、３λ／４周期の第２分布反射構造物３５のためのエリアにおける局所的なエッチングが、λ／４周期の第１分布反射構造物３３のためのエリアにおける局所的なエッチングに比べて速く進行する。これに従って、３λ／４周期におけるエッチング深さ（Ｄ２）は、λ／４周期におけるエッチング深さ（Ｄ１）より大きい。周期構造の深さ（Ｄ２）が大きいことに起因して、第２分布反射構造物３５に高い反射率を提供でき、また、周期構造の深さが小さいことに起因して、第１分布反射構造物３３に低い反射率を提供できる。このような構造の差異は、λ／４周期及び３λ／４周期に係る構造に起因する光学的特性（反射率）の差異とは別の技術的視点で、２つの分布反射構造物の反射率に差を設けることを可能にする。
【００４１】
再び図３の（ｂ）部を参照すると、基板１１は、第１領域１１ｂ、第２領域１１ｃ及び第３領域１１ｄを有し、第１領域１１ｂ、第２領域１１ｃ及び第３領域１１ｄは第１軸Ａｘ１の方向に配列される。基板１１の第３領域１１ｄは第１領域１１ｂと第２領域１１ｃとの間に設けられる。半導体導波路構造物３７は第３領域に設けられる。半導体導波路構造物３７は、半導体メサ３９及び埋込領域２５を含む。第１分布反射構造物３３は第１領域１１ｂに設けられ、また半導体導波路構造物３７の一端面３７ａの最も近くに位置する分布反射のための第１１半導体壁（３４ａ）を有する。第１１半導体壁（３４ａ）は、半導体導波路構造物３７の一端面３７ａから第１間隔ＤＳ１で隔置されている。第２分布反射構造物３５は第２領域１１ｃに設けられ、また半導体導波路構造物３７の他端面３７ｂの最も近くに位置する分布反射のための第２１半導体壁（３６ａ）を有する。第２１半導体壁（３６ａ）は半導体導波路構造物３７の他端面３７ｂから第２間隔ＤＳ２で隔置されている。第２間隔ＤＳ２は第１間隔ＤＳ１より大きい。
【００４２】
量子カスケード半導体レーザを作製する方法によれば、第１分布反射構造物３３の第１１半導体壁（３４ａ）は、半導体導波路構造物３７の一端面３７ａから第１間隔ＤＳ１で隔置されると共に、第２分布反射構造物３５の第２１半導体壁（３６ａ）は半導体導波路構造物３７の他端面３７ｂから第２間隔ＤＳ２で隔置されている。レーザ構造体１９の加工を行うドライエッチング工程において一緒に実現されるべき第１間隔ＤＳ１及び第２間隔ＤＳ２のためのパターンを有するマスク３１を用いる。２種の間隔に対応するパターンは、互いに異なる。マスク３１は、第１分布反射構造物３３のためのパターンを有する第１マスク部３１ａ及び第２分布反射構造物３５のためのパターンを有する第２マスク部３１ｂを備えており、第１マスク部３１ａは、第１１半導体壁（３４ａ）と半導体導波路構造物３７の一端面３７ａとの間の第１間隔ＤＳ１を規定する第１開口を有し、第２マスク部３１ｂは、第２１半導体壁（３６ａ）と半導体導波路構造物３７の他端面３７ｂとの間の第２間隔ＤＳ２を規定する第２開口を有する。第１開口の幅と第２開口の幅との違いに起因して、これらのエリアにおける局所的なエッチング速度に違いが生じ、具体的には、幅広の開口に係るエッチング深さが、幅狭の開口に係るエッチング深さより大きくなる。この違いに応じて、第１１半導体壁（３４ａ）の高さＨ１及び第２１半導体壁（３６ａ）の高さＨ２が互いに異なる。第２１半導体壁（３６ａ）の高さＨ２は、相対的に高い反射率を実現するためにメサ高ＨＤより大きい。第１１半導体壁（３４ａ）の高さＨ１は、相対的に低い反射率を実現するために、望まれる反射率に応じてメサ高ＨＤより小さくすることができる。
【００４３】
図３の（ｂ）部に加えて図４を参照すると、半導体メサ３９は第１軸Ａｘ１の方向に延在する。第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、例えば第１１半導体壁（３４ａ）は、基板１１の主面１１ａに交差する第２軸Ａｘ２の方向に延出する。必要な場合には、第１分布反射構造物３３は、第１１半導体壁（３４ａ）の一端を半導体導波路構造物３７に繋ぐ第１側壁３３ａと、第１１半導体壁（３４ａ）の他端を半導体導波路構造物３７に繋ぐ第２側壁３３ｂとを含むことができる。第１１半導体壁（３４ａ）の一端及び他端は、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する第３軸Ａｘ３の方向に配列される。
【００４４】
この作製方法によれば、第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、例えば第１１半導体壁（３４ａ）の一端及び他端が、それぞれ、第１側壁３３ａ及び第２側壁３３ｂに接続される。マスク３１を用いるエッチングに際して、半導体導波路構造物３７の一端面３７ａと第１１半導体壁（３４ａ）との間の第１間隔ＤＳ１に対応した開口からエッチングガスが供給される。該開口の面積は、第１側壁３３ａと第２側壁３３ｂとの間隔に応じて変わる。また、第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃの一端及び他端は、それぞれ、第１側壁３３ａ及び第２側壁３３ｂを介して互いに接続されると共に、それぞれ、第１側壁３３ａ及び第２側壁３３ｂを介して半導体導波路構造物３７に接続される。マスク３１を用いるエッチングに際して、第１半導体壁３４ａ、３４ｂ、３４ｃのうちの互いに隣合う２つの第１半導体壁を規定する開口からエッチングガスが供給される。該開口の面積は、第１側壁３３ａ及び第２側壁３３ｂの有無に応じて変わり、また、これらの側壁が存在する場合には、第１側壁３３ａと第２側壁３３ｂとの間隔に応じて変わる。
【００４５】
第１分布反射構造物３３の構造と同様に、第２分布反射構造物３５は、第２半導体壁３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、第２１半導体壁（３６ａ）の一端を半導体導波路構造物３７に繋ぐ第３側壁３３ｃと、第２１半導体壁（３６ａ）の他端を半導体導波路構造物３７に繋ぐ第４側壁３３ｄとを含むことができる。第２１半導体壁（３６ａ）の一端及び他端は、第３軸Ａｘ３の方向に配列される。第３側壁３３ｃと第４側壁３３ｄとの間隔に応じて、第２分布反射構造物３５に係る局所的なエッチングレートが変わる。
【００４６】
図５は、発明者の実験に基づく、パターン間隔とエッチングレートとの関係を示す図面である。図示されたデータ及び他の実験に基づくとき、分布反射構造物を形成するためのドライエッチングにおけるエッチングレートは、２つの半導体壁の間隔を規定する開口サイズに応じて変化し、この実験では５μｍの間隔において、エッチングレーザが極大を示す。５μｍを越える間隔においては、エッチング面積の増加によりエッチャントの消費が増えて、結果的に局所的なエッチングレートは下がる。５μｍを下回る間隔においては、エッチャントの消費に比べてエッチャントの供給が不足して、結果的に局所的なエッチングレートは下がる。
代表的なデータを以下に示す。
パターン間隔、エッチングレート。
２μｍ、      １．６μｍ／ｍｉｎ。
５μｍ、      ２．５μｍ／ｍｉｎ。
孤立パターン、１．３μｍ／ｍｉｎ。
このエッチングレートの違いを分布反射構造物の形成のためのエッチングにおける局所的なエッチングレートに関連付けることができる。
【００４７】
図６は、同一の素子区画に形成された２種の分布反射構造物における断面構造を示す図面である。図６の（ａ）部は、λ／４周期の分布反射構造物の断面を示し、図６の（ｂ）部は、３λ／４周期の分布反射構造物の断面を示す。半導体と空気との屈折率差の下では、λ／４周期の分布反射構造物のための半導体壁（幅５００ｎｍ）の間隔が２０００ｎｍ程度である一方で、３λ／４周期の分布反射構造物のための半導体壁（幅１５００ｎｍ）の間隔が５０００ｎｍ程度である。この間隔の差によれば、λ／４周期の分布反射構造物及び３λ／４周期の分布反射構造物の加工のためのエッチングにおいて、エッチングレートの差が有効に働いて、単一のエッチング工程において、局所的に異なるエッチングレートを実現できる。異なるエッチングレートは、λ／４周期の分布反射構造物の付近において高さ５０００ｎｍの半導体壁を形成し、３λ／４周期の分布反射構造物の付近において高さ８０００ｎｍの半導体壁を形成する。コア層の下面の位置より深い３λ／４周期の分布反射構造物は、基板を伝搬する光を反射できる。一方、コア層の下面付近の深いλ／４周期の分布反射構造物は、基板を伝搬する光を効果的に反射できない。基板を伝搬する光（「基板伝搬光」として参照する）に対する反射の程度が、これらの分布反射構造物に反射率に関連する。基板伝搬光に対する反射とは別に、分布反射構造物において、より多くの半導体壁は、反射率を高めるために役立つ。また、２種類の分布反射構造物における半導体壁の高さにおける違いは、分布反射構造物の周期に起因する反射の特性とは別に、基板伝搬光の反射における差を生じさせる。この視点から、分布反射構造物における半導体壁をコア層の上に位置する半導体壁上部とコア層の下に位置する半導体壁下部とに分けるとき、２種類の分布反射構造物における半導体壁における半導体壁下部の長さが互いに異なる。この製造方法は、この半導体壁下部の長さの違いを作り込むために有用な構造として、一素子区画内に共振器を構成するように３λ／４周期の分布反射構造物及びλ／４周期の分布反射構造物を作製する。量子カスケード半導体レーザは、３λ／４周期の分布反射構造物における半導体壁下部の長さ及びλ／４周期の分布反射構造物における半導体壁下部の長さが互いに異なる共振器を備える。この構造によれば、周期に由来する分布反射構造物の反射率とは別個に、基板伝搬光の反射能における違いによって２つの分布反射構造物における反射率の違いが生じる。
【００４８】
製造方法の説明に戻って、分布反射構造（３３、３５）を形成した後に、図７の（ａ）部に示されるように、半導体メサ３９の上面３９ａ及び埋込領域２５の上面２５ａ上に保護膜４１（例えばＳｉＯＮ）を成長する。保護膜４１は、コンタクトのために半導体メサ３９の上面３９ａ上に位置する開口４１ａを有する。保護膜４１を形成した後に、図７の（ｂ）部に示されるように、保護膜４１上に第１電極４３を形成する。第１電極４３は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの構造を有する。必要な場合には、基板１１の裏面を研磨した後に、図７の（ｃ）部に示されるように、基板１１の裏面上に第２電極４５を形成する。第２電極４５は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの構造を有する。これらの工程によって、量子カスケード半導体レーザを作製できる。本実施形態によれば、最小で０．５ｍｍ以下の共振器長を有する量子カスケード半導体レーザを作製できる。
【００４９】
この方法で形成した分布反射器をもつ量子カスケード半導体レーザの実施例。
量子カスケード半導体レーザは、埋込ヘテロ構造を有する。分布反射器は、半導体壁及び空気空隙（エアーギャップ）が交互に配列された構造を有する。
共振器長１．５ｍｍ、高反射端面の半導体壁の高さ８μｍ、光出射端面の半導体壁の高さ５μｍ。
半導体壁の数：２ペア。
半導体壁の高さ：８μｍ（高反射端面）、５μｍ（光出射端面）。
共振器の長さ：１．５ｍｍ。
メサ幅：１０μｍ。
発振波長：７μｍ。
消費電力：１ワット。
光出力：２ｍＷ。
【００５０】
図８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図面である。量子カスケード半導体レーザ５１は、メサ構造５３と、第１分布反射構造５５と、第２分布反射構造５７を備える。
【００５１】
メサ構造５３は、第１軸Ａｘ１の方向に延在すると共に一端面５３ａ及び他端面５３ｂを有する。メサ構造５３は、量子カスケードコア層５３ｃ、及びクラッド層５３ｄ及びコンタクト層５３ｅを含む。第１分布反射構造５５は、メサ構造５３の一端面５３ａに光学的に結合され、λ／４周期構造及び３λ／４周期構造の一方を有する。第２分布反射構造５７は、メサ構造５３の他端面５３ｂに光学的に結合され、λ／４周期構造及び３λ／４周期構造の他方を有する。ここで、「λ」は、当該量子カスケード半導体レーザ５１の発振波長の真空中における値である。第１分布反射構造５５は、メサ構造５３の一端面５３ａから第１間隔ＤＳ１で隔置された第１１半導体壁５４ａを有しており、第２分布反射構造５７は、メサ構造５３の他端面５３ｂから第２間隔ＤＳ２で隔置された第２１半導体壁５６ａを有する。第２１半導体壁５６ａの高さは、第１１半導体壁５４ａの高さと異なり、第１１半導体壁５４ａの横幅及び第２１半導体壁５６ａの横幅は、メサ構造５３のメサ幅Ｗ０より大きい。
【００５２】
量子カスケード半導体レーザ５１によれば、第１分布反射構造５５における第１１半導体壁５４ａの一側面とメサ構造５３の一端面５３ａとの間の第１間隔ＤＳ１は、λ／４周期構造及び３λ／４周期構造の一方（例えばλ／４周期構造）に関連付けられており、第２分布反射構造５７における第２１半導体壁５６ａの一側面とメサ構造５３の他端面５３ｂとの間の第２間隔ＤＳ２は、λ／４周期構造及び３λ／４周期構造の他方（例えば３λ／４周期構造）に関連付けられている。第１分布反射構造５５は、メサ構造５３のメサ幅Ｗ０より大きい横幅Ｗ５５の第１１半導体壁５４ａを備えると共に第２分布反射構造５７は、メサ構造５３のメサ幅Ｗ０より大きい横幅Ｗ５７の第２１半導体壁５６ａを備えるので、赤外波長領域の光の反射に好適である。また、第１１半導体壁５４ａの高さＨ５５は第２１半導体壁５６ａの高さＨ５７と異なるので、これらの分布反射構造の反射率は、個々の半導体壁における高さに応じて変更可能である。具体的には、量子カスケードコア層５３ｃの下面と第１１半導体壁５４ａの下端との間隔が、量子カスケードコア層５３ｃの下面と第２１半導体壁の下端との間隔と異なる。これらの間隔における差異は、量子カスケードコア層５３ｃの下面より下の半導体壁下部を伝搬する基板伝搬光の反射に差異を生じさせる。
【００５３】
量子カスケード半導体レーザ５１は、支持基体５９を更に備える。支持基体５９は、第１領域５９ａ、第２領域５９ｂ及び第３領域５９ｃを有する。支持基体５９の第３領域５９ｃは第１領域５９ａと第２領域５９ｂとの間に設けられる。
第１分布反射構造５５は第１領域５９ａに設けられ、第２分布反射構造５７は、第２領域５９ｂに設けられる。メサ構造５３は、第３領域５９ｃに設けられる。
【００５４】
量子カスケード半導体レーザ５１は、メサ構造５３を埋め込む埋込領域６１を備える。メサ構造５３及び埋込領域６１の表面は、絶縁保護膜６３によって覆われており、必要な場合には、絶縁保護膜６３は、第１分布反射構造５５及び第２分布反射構造５７の表面を覆う。絶縁保護膜６３はコンタクト開口６３ａを有する。第１電極６５がコンタクト開口６３ａを介してメサ構造５３の上面に接触を成すと共に、第２電極６７が支持基体５９の裏面に接触を成す。
【００５５】
第１分布反射構造５５及び第２分布反射構造５７の各々は、好ましくは３個以上の半導体壁を有する。量子カスケード半導体レーザ５１は、必要な場合には、第１分布反射構造５５を囲む第１外壁６９ａを備えることができる。必要な場合には、第１分布反射構造５５の第１半導体壁（５４ａ、５４ｂ、５４ｃ）の端部は、第１外壁６９ａに接続される（「接続構造」として参照）。量子カスケード半導体レーザ５１は、必要な場合には、第２分布反射構造５７を囲む第２外壁６９ｂを備えることができる。必要な場合には、第２分布反射構造５７の第２半導体壁（５６ａ、５６ｂ、５６ｃ）の端部は、第２外壁６９ｂから離れている（「独立構造」として参照）。既に説明したように、第１分布反射構造５５は、λ／４周期構造及び３λ／４周期構造の一方であり、第２分布反射構造５７は、λ／４周期構造及び３λ／４周期構造の他方である。第１分布反射構造５５の格子周期は、第２分布反射構造５７の格子周期と異なる。第１半導体壁（５４ａ、５４ｂ、５４ｃ）の高さＨ５５と第２半導体壁（５６ａ、５６ｂ、５６ｃ）の高さＨ５７との差は、例えば３μｍ以上であることができ、また第１半導体壁（５４ａ、５４ｂ、５４ｃ）の半導体壁下部の長さと第２半導体壁（５６ａ、５６ｂ、５６ｃ）の半導体壁下部の長さとの差は、例えば３μｍ以上であることができる。これらの差は、第１分布反射構造５５と第２分布反射構造５７との間において基板伝搬光に対する反射率における差異を有意に形成することに役立つ。
【００５６】
引き続いて、図９〜図１４は、分布反射器のいくつかの構造を示す。接続構造及び独立構造と、λ／４周期構造及び３λ／４周期構造との組み合わせは、以下のものである。外壁は、分布反射構造をエッチングにより形成する際のエッチャントの局所的な供給量に関連する。また、接続構造及び独立構造も、分布反射構造をエッチングにより形成する際のエッチャントの供給に関連する。
接続構造付きのλ／４周期構造、接続構造付きの３λ／４周期構造。
接続構造付きのλ／４周期構造、独立構造の３λ／４周期構造。
独立構造のλ／４周期構造、接続構造付きの３λ／４周期構造。
独立構造のλ／４周期構造、独立構造の３λ／４周期構造。
【００５７】
図９は、３λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ９Ｒを示す平面図である。分布反射構造ＤＢ９Ｒは、複数の半導体壁、例えば３つの半導体壁を含む。各半導体壁の厚さは、例えば１．５μｍであり、出射端面（５３ａ、５３ｂ）と半導体壁の間隔及び半導体壁との間隔は、エアギャップを規定するために、例えば５μｍである。出射端面（５３ａ、５３ｂ）から放出された光は、例えば４５度程度の角度で広がる。半導体壁が出射端面（５３ａ、５３ｂ）からの出射光を受けると共にこれを反射することができるように、半導体壁の各々は、メサ構造５３の縁からそれぞれ左右に規定される長さ（例えば２５μｍ、又はそれ以上）の第１及び第２延出部分を有する。分布反射構造ＤＢ９Ｒの外壁は、半導体壁の端部を繋いでいる。
【００５８】
図１０は、３λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１０Ｒを示す平面図である。分布反射構造ＤＢ１０Ｒは、複数の半導体壁、例えば３つの半導体壁を含む。各半導体壁の厚さは、例えば１．５μｍであり、出射端面（５３ａ、５３ｂ）と半導体壁の間隔及び半導体壁との間隔は、エアギャップを規定するために、例えば５μｍである。出射端面（５３ａ、５３ｂ）から放出された光は、４５度程度の角度で広がる。半導体壁が出射端面（５３ａ、５３ｂ）からの出射光を受けると共にこれを反射するために、半導体壁の各々は、メサ構造５３の縁からそれぞれ左右に規定される長さ（例えば２５μｍ、又はそれ以上）の第１及び第２延出部分を有する。半導体壁の端部は、分布反射構造ＤＢ１０Ｒの外壁から離れている。
【００５９】
図１１は、λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１１Ｒを示す平面図である。分布反射構造ＤＢ１１Ｒは、複数の半導体壁、３つの半導体壁を含む。各半導体壁の厚さは、例えば０．５μｍであり、出射端面（５３ａ、５３ｂ）と半導体壁の間隔及び半導体壁との間隔は、エアギャップを規定するために、例えば２μｍである。出射端面（５３ａ、５３ｂ）から放出された光は、例えば４５度程度の角度で広がる。半導体壁が出射端面（５３ａ、５３ｂ）からの出射光を受けると共にこれを反射することができるように、半導体壁の各々は、メサ構造５３の縁から左右に１０μｍの長さの延出部分を有する。分布反射構造ＤＢ１１Ｒの外壁は、メサ構造５３の端部を支持している。
【００６０】
図１２は、λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１２Ｒを示す平面図である。分布反射構造ＤＢ１２Ｒは、３つの半導体壁を含む。各半導体壁の厚さは０．５μｍであり、半導体壁の間隔及び半導体壁と出射端面（５３ａ、５３ｂ）との間隔は、エアギャップを規定するために、例えば２μｍである。出射端面（５３ａ、５３ｂ）から放出された光は、例えば４５度程度の角度で広がる。半導体壁が広がった光を受けると共に反射するために、半導体壁の各々は、メサ構造５３の縁から左右に長さ（例えば、１０μｍ又はそれ以上）の延出部分を有する。メサ構造５３の端部は、分布反射構造ＤＢ１２Ｒの外壁から離れている。
【００６１】
図１３は、λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１３Ｒを示す平面図である。分布反射構造ＤＢ１３Ｒは、３つの半導体壁を含む。各半導体壁の厚さは０．５μｍであり、半導体壁の間隔及び半導体壁と出射端面（５３ａ、５３ｂ）との間隔は、エアギャップを規定するために、例えば２μｍである。出射端面（５３ａ、５３ｂ）から放出された光は、４５度程度の角度で広がる。半導体壁が広がった光を受けると共に反射するために、半導体壁の各々は、メサ構造５３の縁から左右に１０μｍの長さの延出部分を有する。分布反射構造ＤＢ１３Ｒの外壁は、メサ構造５３の端部を支持している。
【００６２】
図１４は、λ／４周期を有する分布反射構造ＤＢ１４Ｒを示す平面図である。分布反射構造ＤＢ１４Ｒは、３つの半導体壁を含む。各半導体壁の厚さは、例えば０．５μｍであり、半導体壁の間隔及び半導体壁と出射端面（５３ａ、５３ｂ）との間隔は、エアギャップを規定するために、例えば２μｍである。出射端面（５３ａ、５３ｂ）から放出された光は、４５度程度の角度で広がる。半導体壁が広がった光を受けると共に反射するために、半導体壁の各々は、メサ構造５３の縁から左右に長さ（例えば１０μｍ、又はそれ以上）の延出部分を有する。メサ構造５３の端部は、分布反射構造ＤＢ１４Ｒの外壁から離れている。
【００６３】
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】
【００６４】
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ共振器のための反射器に反射率の設定のフレキシビリティを提供できる構造を有する量子カスケード半導体レーザが提供される。また、本実施形態によれば、この量子カスケード半導体レーザを作製する方法が提供される。
【符号の説明】
【００６５】
１１…基板、１７…メサ構造体、１９…レーザ構造体、２５…埋込領域、ＥＸＰＳ…露光、２７…絶縁膜、３１…マスク、３３…第１分布反射構造物、３５…第２分布反射構造物、３７…半導体導波路構造物、３９…半導体メサ。
【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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