(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子カスケードレーザデバイスであって、
第１軸の方向に延在する複数のレーザ導波路構造、第１テラス領域、第２テラス領域、及び基板を含むレーザ構造体と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の第１電極と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数のパッド電極と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の配線金属体と、
を備え、
前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含み、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領域は、前記第１領域と前記第３領域との境界に位置する第１端面を有し、前記第１端面は、前記第１軸の方向に交差する方向に延在し、前記第２領域は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する第２端面を有し、前記第２端面は、前記第１軸の方向に交差する方向に延在し、前記第２領域は、前記レーザ導波路構造を含み、
前記レーザ構造体の前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域は、それぞれ、前記基板の第１基板領域、前記基板の第２基板領域及び前記基板の第３基板領域を含み、前記第１領域及び前記第２領域は、前記第１軸の方向に交差する第２軸の方向に延在し、
前記複数のパッド電極は前記第１テラス領域上に設けられ、前記第１テラス領域は、前記第１基板領域上に設けられ、前記第２テラス領域は、前記第２基板領域上に設けられ、前記複数の第１電極は前記第２テラス領域上に設けられ、前記第２テラス領域は、前記複数のレーザ導波路構造を含み、
前記第２テラス領域は、前記第２端面の反対側の端面を有し、当該量子カスケードレーザデバイスの共振器は前記端面を含み、
前記第３領域は、前記レーザ構造体の一側面から他側面まで延在し前記基板まで到達する溝を含み、
前記第１テラス領域と前記第２テラス領域とは、前記溝によって隔置され、
前記複数の配線金属体の各々は、前記第１端面、前記第２端面及び前記溝の底面上を前記第１軸の方向に延在し、
前記複数の第１電極は、前記第２領域の前記複数のレーザ導波路構造上に設けられ、前記複数のレーザ導波路構造の各々は、前記第１軸の方向に延在するコア層及び回折格子層を含み、前記コア層の各々は前記第２端面において終端し、
前記複数のパッド電極の各々は、前記複数の配線金属体のうちの一つを介して前記複数の第１電極のうちの一つに接続される、量子カスケードレーザデバイス。
【請求項２】
前記第２テラス領域は、前記第２端面を含む、請求項１に記載された量子カスケードレーザデバイス。
【請求項３】
前記複数の配線金属体の各々は、前記第１テラス領域上に設けられた第１部分と、前記第３領域に設けられる第２部分と、前記第２領域上に設けられた第３部分とを含む、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケードレーザデバイス。
【請求項４】
前記第１端面及び前記第２端面は、当該量子カスケードレーザデバイスの一側面から他側面まで延在する、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レーザデバイス。
【請求項５】
前記コア層は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する前記第２端面に含まれるコア端面を有し、
前記配線金属体が、前記第２端面において前記コア層の前記コア端面から離れている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザデバイス。
【請求項６】
前記コア層は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する前記第２端面に含まれるコア端面を有し、
前記配線金属体が前記コア層の前記コア端面上に設けられる部分を有する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザデバイス。
【請求項７】
前記コア層は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する前記第２端面に含まれるコア端面を有し、
当該量子カスケードレーザデバイスは、前記コア層の前記コア端面上に設けられた金属層を更に備え、
前記金属層は、前記第２端面上において前記配線金属体から隔置されている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザデバイス。
【請求項８】
前記複数のパッド電極は、前記第１軸の方向に配列される、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザデバイス。
【請求項９】
前記複数の第１電極の各々と前記複数のパッド電極のうちのいずれか一つとは前記第１軸の方向に沿って配列され、
前記複数のパッド電極は、前記複数の第１電極のうちの一つに接続された第１パッド電極及び前記複数の第１電極のうちの別の一つに接続された第２パッド電極を含み、
前記第１パッド電極は、前記複数の配線金属体のうちの一の配線金属体に接続されており、該一の配線金属体は、当該量子カスケードレーザデバイスの半導体チップの側縁と前記第２パッド電極との間を前記第１軸の方向に延在し、
前記第１パッド電極及び前記第２パッド電極は、前記第１軸及び前記第２軸に傾斜する方向に配列される、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子カスケードレーザデバイスに関する。
【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】特表２０１０−５１４１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子カスケードレーザは、例えば環境ガス分析、医療診断、産業加工といった、中赤外領域の光を利用する技術分野において光源の有望な候補である。特許文献１は、単一モード動作の量子カスケードレーザのアレイを開示する。この量子カスケードレーザアレイは、個々の量子カスケードレーザのための複数のレーザ導波路構造と、これらのレーザ導波路構造のための複数の電極と、これらの電極の各々に接続された複数のパッド電極とを備える。個々のレーザ導波路構造間の間隔及び共振器長は、量子カスケードレーザアレイのチップサイズに関連し、また量子カスケードレーザの特性にも関連する。一方、各パッド電極は、その個数に応じた配置エリアと、ある程度のサイズと、を必要とする。
【０００５】
発明者の検討によれば、量子カスケードレーザのアレイの構成は、単一のレーザ導波路構造と該レーザ導波路構造のためのパッド電極とを備える量子カスケードレーザの単位構造の配列を備えることができる。このアレイの構造は、複数のパッド電極及びレーザ導波路構造の配置において、単位構造に由来する配列構造を引き継ぐので、単位構造に由来する配列構造はアレイ状のレーザ導波路構造の配置及びレーザ導波路構造のサイズに係る自由度を制約している。
【０００６】
本発明の一側面は、このような背景を鑑みて為されたものであり、複数のレーザ導波路構造それぞれのためのパッド電極の配置やサイズにより、複数のレーザ導波路構造の配置やサイズに課される制約を緩和可能な構造を有する量子カスケードレーザデバイス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】
本発明の一側面に係る量子カスケードレーザデバイスは、第１軸の方向に延在する複数のレーザ導波路構造、第１テラス領域、及び基板を含むレーザ構造体と、前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の第１電極と、前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数のパッド電極と、前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の配線金属体とを備え、前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含み、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領域は、前記第１領域と前記第３領域との境界に位置する第１端面を有し、前記第１端面は、前記第１軸の方向に交差する方向に延在し、前記第２領域は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する第２端面を有し、前記第２端面は、前記第１軸の方向に交差する方向に延在し、前記第２領域は、前記レーザ導波路構造を含み、前記レーザ構造体の前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域は、それぞれ、前記基板の第１基板領域、前記基板の第２基板領域及び前記基板の第３基板領域を含み、前記複数のパッド電極は前記第１テラス領域上に設けられ、前記第１テラス領域は、前記第１基板領域上に設けられ、前記複数の第１電極は、前記第２領域の前記複数のレーザ導波路構造上に設けられ、前記複数のレーザ導波路構造の各々は、前記第１軸の方向に延在するコア層を含み、前記各コア層は前記第２端面において終端し、前記複数のパッド電極の各々は、前記複数の配線金属体のうちの一つを介して前記複数の第１電極のうちの一つに接続される。
【０００８】
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】
【０００９】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、複数のレーザ導波路構造それぞれのためのパッド電極の配置やサイズにより複数のレーザ導波路構造の配置やサイズに課される制約を緩和可能な構造を有する量子カスケードレーザデバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す図面である。
【図２】図２は、実施例１に係る量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す図面である。
【図３】図３は、図２に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図４】図４は、図２に示されたＩＶ−ＩＶ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図５】図５は、図２に示されたＶ−Ｖ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図６】図６は、図２に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図７】図７は、実施例２に係る量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す図面である。
【図８】図８は、実施例３に係る量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す図面である。
【図９】図９は、実施例４に係る量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す平面図である。
【図１０】図１０は、実施例５に係る量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す平面図である。
【図１１】図１１は、実施例６に係る量子カスケードレーザデバイスを、図２の（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂに対応する線に沿ってとられた断面において示す図面である。
【図１２】図１２は、実施例７に係る量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す平面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示されたＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図１４】図１４は、分布反射領域に係る実施例８、実施例９、実施例１０の量子カスケードレーザデバイスを示す平面図である。
【図１５】図１５は、第１電極、配線金属体及びパッド電極の構造に係る実施例１１の量子カスケードレーザデバイスを示す平面図である。
【図１６】図１６は、ハイメサ構造に係る実施例１２の量子カスケードレーザデバイスを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
いくつかの具体例を説明する。
【００１２】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスは、（ａ）第１軸の方向に延在する複数のレーザ導波路構造、第１テラス領域、及び基板を含むレーザ構造体と、（ｂ）前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の第１電極と、（ｃ）前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数のパッド電極と、（ｄ）前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の配線金属体と、を備え、前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含み、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領域は、前記第１領域と前記第３領域との境界に位置する第１端面を有し、前記第１端面は、前記第１軸の方向に交差する方向に延在し、前記第２領域は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する第２端面を有し、前記第２端面は、前記第１軸の方向に交差する方向に延在し、前記第２領域は、前記レーザ導波路構造を含み、前記レーザ構造体の前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域は、それぞれ、前記基板の第１基板領域、前記基板の第２基板領域及び前記基板の第３基板領域を含み、前記複数のパッド電極は前記第１テラス領域上に設けられ、前記第１テラス領域は、前記第１基板領域上に設けられ、前記複数の第１電極は、前記第２領域の前記複数のレーザ導波路構造上に設けられ、前記複数のレーザ導波路構造の各々は、前記第１軸の方向に延在するコア層を含み、前記各コア層は前記第２端面において終端し、前記複数のパッド電極の各々は、前記複数の配線金属体のうちの一つを介して前記複数の第１電極のうちの一つに接続される。
【００１３】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、第２領域はレーザ構造体の第２領域と第３領域との境界に位置する第２端面において終端するコア層を含む。複数の第１電極は、第２端面で区切られるレーザ導波路構造毎に第２領域上に設けられ、一方、複数のパッド電極は、第１端面で第３領域から区切られる第１領域の第１テラス上に設けられる。レーザ構造体の第１領域、第３領域及び第２領域が第１軸の方向に順に配列される。これ故に、レーザ構造体の第２領域のサイズは、隣接するレーザ導波路構造間の間隔及び個々のレーザ導波路構造の共振器長、並びに複数の第１電極の配置に依存する一方で、個々のレーザ導波路構造の共振器長、及び隣接するレーザ導波路構造間の間隔長は、複数のパッド電極の配置と独立して規定される。また、複数のパッド電極の配置は、レーザ構造体の第１テラス領域上において、隣接するレーザ導波路構造間の間隔及び個々のレーザ導波路構造の共振器長、並びに複数の第１電極の配置から独立して規定される。パッド電極及び第１電極は、レーザ構造体の第３領域を横切る配線金属体を介して互いに接続される。
【００１４】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記レーザ構造体は、前記第２基板領域上に設けられる第２テラス領域を更に備え、前記第２テラス領域は、前記複数のレーザ導波路構造及び前記第２端面を含み、前記複数の第１電極は前記第２テラス領域上に設けられる。
【００１５】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、第２テラス領域は、第１端面及び第２端面によって規定される第３領域によって第１テラス領域から区切られる。
【００１６】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記複数の配線金属体の各々は、前記第１テラス領域上に設けられた第１部分と、前記第３領域に設けられる第２部分と、前記第２領域上に設けられた第３部分とを含む。
【００１７】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、各配線金属体は第１部分、第２部分及び第３部分を含み、複数の配線金属体のうちの一つを介して、複数のパッド電極の各々は、複数の第１電極のうちの一つに接続される。
【００１８】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記第３領域は、前記第１軸の方向に延在するように、前記第１テラス領域から前記第３基板領域上に延在する延長領域を備える。
【００１９】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、延長領域は、第１領域と第３領域との境界を横切って第１軸の方向に延在して、延長領域は、第２テラス領域と同じ積層構造を有する。延長領域を備えることで、第２端面を形成する際のエッチングレートを増加できると共に、素子の機械的強度を向上できる。
【００２０】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記第１端面及び前記第２端面は、当該量子カスケードレーザデバイスの一側面から他側面まで延在する。
【００２１】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、第１端面及び第２端面が当該量子カスケードレーザデバイスの一側面から他側面まで延在するので、レーザ構造体は、第３領域に、量子カスケードレーザデバイスの一側面から他側面まで延在する溝を備える。
【００２２】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記コア層は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する前記第２端面に含まれるコア端面を有し、前記配線金属体が、前記第２端面において前記コア層の前記コア端面から離れている。
【００２３】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、配線金属体が、第２端面において、コア層のコア端面から離れているので、配線金属体が、コア層のコア端面に係る光の入射及び／又は出射を妨げない。そのため、各レーザ導波路構造の第２端面からの出射光を、各レーザ導波路構造における、量子カスケードレーザの発振状態を監視するためのモニター光として使用できる。
【００２４】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記コア層は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する前記第２端面に含まれるコア端面を有し、前記配線金属体が前記コア層の前記コア端面上に設けられる部分を有する。
【００２５】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、配線金属体がコア層のコア端面上に設けられる部分を有するので、配線金属体が、第２端面上における、レーザ導波路構造の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として機能することができる。
【００２６】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記コア層は、前記第２領域と前記第３領域との境界に位置する前記第２端面に含まれるコア端面を有し、当該量子カスケードレーザデバイスは、前記コア層の前記コア端面上に設けられた金属層を更に備え、前記金属層は、前記第２端面上において前記配線金属体から隔置されている。
【００２７】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、配線金属体が第２端面上において金属層から隔置される一方で、金属層がコア層のコア端面上に設けられる。この金属層は、第２端面上における、レーザ導波路構造の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として機能することができる。
【００２８】
一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記レーザ構造体は、前記第３基板領域上に設けられた分布反射領域を含み、前記第２端面は、前記分布反射領域に光学的に結合され、前記分布反射領域は、前記基板の主面への法線の方向に延在する一又は複数の高屈折率壁を含み、該高屈折率壁は、前記第１端面及び前記第２端面から隔置されており、前記高屈折率壁は、前記第１端面と前記第２端面との間に位置する。
【００２９】
この量子カスケードレーザデバイスによれば、分布反射領域は、レーザ導波路構造のための共振器ミラーとして働く。
【００３０】
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、本実施の形態に係る量子カスケードレーザデバイスを説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。なお、以下の各実施例では、単一モード動作のため、波長選択用の回折格子層を導入した、分布帰還型構造を有する量子カスケードレーザデバイスを例示した。
【００３１】
図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す図面である。図１の（ａ）部は、本実施形態に係る量子カスケードレーザデバイス１１における、レーザ導波路構造、第１電極、パッド電極、及び配線金属体が形成された領域の第１軸Ａｘ１の方向に沿った断面を示す図面であり、図１の（ｂ）部及び（ｃ）部は、本実施形態に係る量子カスケードレーザデバイス１１の第１電極、パッド電極及び配線金属体の配置を示す平面図である。図１の（ｄ）部、（ｅ）部、（ｆ）部、及び（ｇ）部は、本実施形態に係る量子カスケードレーザデバイス１１におけるレーザ導波路構造及び半導体構造物を示す平面図である。
【００３２】
量子カスケードレーザデバイス１１は、複数の量子カスケードレーザを備える半導体レーザアレイであり、レーザ構造体１３と、複数の第１電極１５と、複数のパッド電極１７と、複数の配線金属体１９とを備える。レーザ構造体１３は、第１テラス領域２１、基板２３、及び複数のレーザ導波路構造２５を含む。基板２３は、本実施例では導電性の半導体を備えることができる。レーザ導波路構造２５の各々は、第１軸Ａｘ１の方向に延在するレーザ導波路を備える。第１電極１５は、レーザ導波路構造２５のそれぞれのために設けられ、パッド電極１７は、レーザ導波路構造２５のそれぞれのために設けられ、配線金属体１９は、レーザ導波路構造２５のそれぞれのために設けられる。レーザ構造体１３は、第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃを含み、第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃは第１軸Ａｘ１の方向に配列される。第３領域１３ｃは、第１領域１３ａと第２領域１３ｂとの間に設けられる。複数のパッド電極１７は第１領域１３ａ上に設けられ、複数の第１電極１５は第２領域１３ｂ上に設けられる。第２領域１３ｂは、レーザ導波路構造２５を含み、第１電極１５は、それぞれのレーザ導波路構造２５の上面に接触を成す。パッド電極１７の各々は、配線金属体１９のうちの一つを介して第１電極１５のうちの一つに接続される。配線金属体１９は、第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂの一方から他方に第３領域１３ｃを横切って延在する。
【００３３】
配線金属体１９は、図１の（ｂ）部及び（ｃ）部に示される構造を有することができる。図１の（ｂ）部に示される直接接続の形態では、配線金属体１９の各々は、第１領域１３ａ上を延在する第１部分１９ａ、及び第３領域１３ｃ上を延在する第２部分１９ｂを含むことができる。第２部分１９ｂの一端は第１部分１９ａに接続され、第２部分１９ｂの他端は、第２端面１３ｅの上縁に位置する第１電極１５の一端に直接に接続されることができる。
【００３４】
或いは、図１の（ｃ）部に示される迂回接続の形態では、配線金属体１９の各々は、第１領域１３ａ上を延在する第１部分１９ａ、第３領域１３ｃ上を延在する第２部分１９ｂ、及び第２領域１３ｂ上を延在する第３部分１９ｃを含むことができる。第２部分１９ｂの一端は第１部分１９ａに接続され、第２部分１９ｂの他端は、迂回用の第３部分１９ｃの一端に接続される。第３部分１９ｃの他端が、対応する第１電極１５の一端及び他端の間の中間部分に接続されることができる。
【００３５】
第１領域１３ａは第１端面１３ｄを有し、第１軸Ａｘ１の方向に交差する第２軸Ａｘ２方向に延在する。第２領域１３ｂは第２端面１３ｅを有し、第１軸Ａｘ１の方向に交差する第２軸Ａｘ２方向に延在する。第１端面１３ｄは、第１領域１３ａと第３領域１３ｃとの第１境界１３ｆに位置し、第２端面１３ｅは、第２領域１３ｂと第３領域１３ｃとの第２境界１３ｇに位置する。第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅは、基板２３に到達する。
【００３６】
基板２３は、第１基板領域２３ａ、第２基板領域２３ｂ及び第３基板領域２３ｃを備え、第１基板領域２３ａ、第２基板領域２３ｂ及び第３基板領域２３ｃは第１軸Ａｘ１の方向に配列される。レーザ構造体１３の第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃは、それぞれ、第１基板領域２３ａ、第２基板領域２３ｂ及び第３基板領域２３ｃを含む。基板２３は、主面２３ｄ及び裏面２３ｅを含む。第１テラス領域２１及びレーザ導波路構造２５は主面２３ｄ上に設けられ、第２電極３５が、各レーザ導波路構造２５によって共有されるように裏面２３ｅ上に設けられる。
【００３７】
パッド電極１７は第１テラス領域２１上に設けられ、第１テラス領域２１は第１基板領域２３ａ上に設けられる。第１電極１５は、レーザ導波路構造２５上に設けられる。レーザ導波路構造２５の各々は、第１軸Ａｘ１の方向に延在するコア層２７ａを含み、各コア層２７ａ（レーザ導波路構造２５）は第２端面１３ｅにおいて終端する。各レーザ導波路構造２５は、下部クラッド層２７ｂ及び上部クラッド層２７ｃを含み、コア層２７ａは下部クラッド層２７ｂと上部クラッド層２７ｃとの間に設けられる。各レーザ導波路構造２５は、回折格子層２７ｄ及びコンタクト層２７ｅを含み、回折格子層２７ｄは、コア層２７ａと上部クラッド層２７ｃとの間に設けられ、コンタクト層２７ｅは、レーザ導波路構造２５の最上部に位置する。コア層２７ａを含む各レーザ導波路構造２５は、中赤外の波長領域、例えば約３〜約２０μｍの波長域で発振可能な量子カスケードレーザとして機能し、量子カスケードレーザデバイス１１は、これら複数の量子カスケードレーザが集積されたアレイ光源となっている。好適な実施例では、量子カスケードレーザデバイス１１におけるアレイ構造を構成する量子カスケードレーザ（レーザ導波路構造２５）の各々は、回折格子層２７ｄに含まれる互いに異なる回折格子の周期Λによって決定される、互いに異なる複数の波長の光を生成する。
【００３８】
レーザ構造体１３は、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅを形成するように設けられた一又は複数の窪部２９を第３領域１３ｃに有する。第３領域１３ｃは、以下に示されるような典型的な形態を有することができる。窪部２９、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅは、ドライエッチングにより第３基板領域２３ｃ上の半導体層を除去することで形成される。ドライエッチングによる加工で垂直性の高い端面１３ｄ、１３ｅの形成が可能なため、これを用いることで、劈開で端面形成した場合と同等の高い端面１３ｅの反射率が得られる。ここで、各量子カスケードレーザの発振波長が例えば３μｍ以上の長い中赤外の波長領域にあるので、ドライエッチングに起因するエッチング端面のラフネス（典型的には５０〜１００ｎｍ程度の表面凹凸）があったとしても、発振波長に対して相対的に、このラフネスの大きさは、無視できるほど小さい。したがい、このラフネスによる乱反射で端面１３ｅの実効的な反射率の低下は生じにくい。この結果、エッチング端面１３ｅを用いても、量子カスケードレーザの発振特性の劣化は生じにくい。
（第１構造）
図１の（ｄ）部に示されるように、レーザ構造体１３の第３領域１３ｃにおいて、一側面１３ｈから他側面１３ｉまで延在する溝が単一の窪部２９を構成することができる。第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅは、レーザ構造体１３（量子カスケードレーザデバイス１１）の一側面１３ｈから他側面１３ｉまで延在して上記の溝（単一の窪部２９）を規定する。レーザ構造体１３は、第２基板領域２３ｂ上に設けられた第２テラス領域３３を更に備える。第２テラス領域３３は、コア層２７ａ、下部クラッド層２７ｂ、上部クラッド層２７ｃ、回折格子層２７ｄ、及びコンタクト層２７ｅを含む複数のレーザ導波路構造２５、及び第２端面１３ｅを含む。図１の（ｄ）部では省略したが、各レーザ導波路構造２５上には、第１電極１５が設けられる。第２端面１３ｅはレーザ導波路構造２５の一端面２５ａを含む。また、第２テラス領域３３は、一端面２５ａと、一端面２５ａ（第２端面１３ｅ）の反対側に位置するレーザ導波路構造２５の他端面２５ｂとを含む。各レーザ導波路構造２５のための共振器は、一端面２５ａ（第２端面１３ｅ）、及び他端面２５ｂ（存在する場合には、他端面２５ｂの隣の反射構造物３１）を含むことができる。第１構造には、図１の（ｂ）部及び（ｃ）部のいずれの配線配置も適用することができる。具体的には、配線金属体１９の第２部分１９ｂは、窪部２９の両端面及び底面（第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅ並びに基板２３の主面２３ｄ）上を延在する。
（第２構造）
図１の（ｅ）部に示されるように、第３領域１３ｃにおいて、レーザ導波路構造２５に対応して設けられた複数の開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃが窪部２９を構成することができる。開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃの各々は、第１テラス領域２１のテラス端面２１ａ及びレーザ導波路構造２５の一端面２５ａによって規定される。各レーザ導波路構造２５のための共振器は、一端面２５ａ（第２端面１３ｅ）、及び他端面２５ｂ（存在する場合には、他端面２５ｂの隣の反射構造物３１）を含むことができる。レーザ構造体１３は、第２基板領域２３ｂ上に設けられた第２テラス領域３３を更に備える。第２テラス領域３３は、複数のレーザ導波路構造２５及び第２端面１３ｅを含む。図１の（ｅ）部では省略したが、第１電極１５は第２テラス領域３３上の各レーザ導波路構造２５上に設けられる。第２テラス領域３３は、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅによって規定される第３領域１３ｃによって第１テラス領域２１から区切られる。第３領域１３ｃは、第１軸Ａｘ１の方向に延在するように、第２テラス領域３３から第３基板領域２３ｃ上に延在する一又は複数の延長領域１３ｊを備える。延長領域１３ｊは、第２領域１３ｂと第３領域１３ｃとの第２境界１３ｇを横切って第１軸Ａｘ１の方向に延在する。延長領域１３ｊは、第２テラス領域３３と同じ積層構造を有する。延長領域１３ｊは、第２領域１３ｂ内の第２テラス領域３３から延出して第１テラス領域２１に到達して、区分けされた開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃを規定する。各レーザ導波路構造２５のための共振器は、一端面２５ａ（第２端面１３ｅ）、及び他端面２５ｂ（存在する場合には、他端面２５ｂの隣の反射構造物３１）を含むことができる。第２構造には、図１の（ｂ）部及び（ｃ）部のいずれの配線配置も適用することができる。具体的には、図１の（ｃ）部の配線配置では、配線金属体１９の第２部分１９ｂは、延長領域１３ｊ上を延在する。第１テラス領域２１、第２テラス領域３３及び延長領域１３ｊは、基板２３の主面２３ｄの法線方向に関して実施的に同じ厚さを有するので、配線金属体１９は、大きな段差を乗り越えることなく第１電極１５をパッド電極１７に接続できる。
（第３構造）
図１の（ｆ）部に示されるように、レーザ構造体１３の第３領域１３ｃにおいて、一側面１３ｈから他側面１３ｉまで延在する複数の溝が、それぞれの窪部２９を構成することができる。窪部２９の各々は、第３領域１３ｃにおいて基板２３の主面２３ｄの法線方向に突出する半導体壁を規定して、半導体壁は、分布反射領域３７の高屈折率部３７ａ、３７ｂを構成する。また窪部２９は、半導体壁より低屈折率の誘電体等の材料で埋め込まれた低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅを構成する。これ故に、分布反射領域３７は、交互に配列された低屈折率部及び高屈折率部を含む。各レーザ導波路構造２５のための共振器は、分布反射領域３７、及び他端面２５ｂ（存在する場合には、他端面２５ｂの隣の反射構造物３１）を含むことができる。第３構造には、図１の（ｃ）部に示される配線配置を適用することができる。具体的には、図１の（ｃ）部の配線配置では、配線金属体１９の第２部分１９ｂは、半導体壁の高屈折率部３７ａ、３７ｂ及び誘電体の低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅの配列上を延在する。上記のように、低屈折率部を誘電体等の材料で埋め込んで、高屈折率部と低屈折率部の間の段差を低減することで、基板２３の主面２３ｄの法線方向に関して、分布反射領域３７は、第１テラス領域２１、第２テラス領域３３と実施的に同じ厚さを有するので、配線金属体１９は、大きな段差を乗り越えることなく第１電極１５をパッド電極１７に接続できる。
（第４構造）
図１の（ｇ）部に示されるように、第３領域１３ｃにおいて、個々のレーザ導波路構造２５に対応して設けられた複数の開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃが窪部２９を含むことができる。開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃの各々は、第１テラス領域２１のテラス端面２１ａ及びレーザ導波路構造２５の一端面２５ａによって規定される。開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃには、共振器のための分布反射領域３７が設けられる。既に説明したように、分布反射領域３７の各々は、第３領域１３ｃにおいて基板２３の主面２３ｄの法線方向に突出する半導体壁から成る高屈折率部３７ａ、３７ｂを含む。窪部２９の各々は、半導体壁より小さい屈折率の誘電体等の材料で満たされて、分布反射領域３７の低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅを構成する。これ故に、分布反射領域３７は、交互に配列された低屈折率部及び高屈折率部を含む。各レーザ導波路構造２５のための共振器は、分布反射領域３７、及び他端面２５ｂ（存在する場合には、他端面２５ｂの隣の反射構造物３１）を含むことができる。第４構造には、図１の（ｃ）部に示される配線配置を適用することができる。具体的には、配線金属体１９の第２部分１９ｂは、延長領域１３ｊ上を延在する。第１テラス領域２１、第２テラス領域３３及び延長領域１３ｊは、基板２３の主面２３ｄの法線方向に関して実施的に同じ厚さを有するので、配線金属体１９は、大きな段差を乗り越えることなく第１電極１５をパッド電極１７に接続できる。
【００３９】
第３構造及び第４構造における第３基板領域２３ｃ上の分布反射領域３７は、第２端面１３ｅに光学的に結合される。分布反射領域３７は、基板２３の主面２３ｄへの法線方向に延在する半導体壁からなる一又は複数の高屈折率壁を含む。高屈折率壁は、第１端面１３ｄと第２端面１３ｅとの間に位置すると共に、この高屈折率壁は、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅから隔置されている。この分布反射領域３７は、レーザ導波路構造２５のための共振器ミラーとして働く。本実施例では、分布反射領域３７の高屈折率部３７ａ、３７ｂは、ブラッグ反射を引き起こすように周期的に配列される。２つの高屈折率部３７ａ、３７ｂの間、高屈折率部３７ａと第１端面１３ｄとの間及び高屈折率部３７ｂと第２端面１３ｅとの間には、高屈折率部３７ａ、３７ｂより低い屈折率の材料から成る低屈折率部（高屈折率部３７ａ、３７ｂより低い屈折率の材料の壁）３７ｃ、３７ｄ、３７ｅを設けることができる。具体的には、高屈折率部３７ａ、３７ｂは半導体壁を備える。Ａｘ１方向における２つの高屈折率部３７ａ、３７ｂの各厚さ、及び両者間の低屈折率部３７ｄの厚さ、及び高屈折率部３７ｂと第２端面１３ｅとの間の低屈折率部３７ｅの厚さは、所望の波長帯において、ブラッグ反射により光反射を引き起こすような周期に決められる。一例としては、ブラッグ反射により、分布反射領域３７を最も効率よく高反射化するためには、Ａｘ１方向における高屈折率部３７ａ、３７ｂの各厚さ、高屈折率部３７ａと３７ｂの間の低屈折率部３７ｄの厚さ、及び高屈折率部３７ｂと第２端面１３ｅとの間の低屈折率部３７ｅの厚さは、レーザ導波路構造２５の延在方向（Ａｘ１方向）に基準幅λ／（４×ｎ）（ここで、「λ」は量子カスケードレーザの真空中の発振波長であり、「ｎ」は、この発振波長における、高屈折率部又は低屈折率部の実効屈折率である）の奇数倍に設定することが望ましい。具体的には、高屈折率部３７ａ、３７ｂの各厚さ、高屈折率部３７ａと、３７ｂの間の低屈折率部３７ｄの厚さ、及び高屈折率部３７ｂと第２端面１３ｅの間の低屈折率部３７ｅの厚さは、例えば、λ／（４×ｎ）又は３×λ／（４×ｎ）に設定されることができる。このような構成の高屈折率部、及び低屈折率部を用いることで、分布反射領域３７はレーザ導波路構造２５の後端面の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として機能し、閾値電低減や光出力の増加等、量子カスケードレーザデバイス１１の特性改善に寄与する。なお、分布反射領域３７の高屈折率部の個数としては、任意の個数を選択でき、個数が多いほど、より高反射が得られる。高屈折率部３７ａと３７ｂの間、高屈折率部３７ａと第１端面１３ｄとの間、及び高屈折率部３７ｂと第２端面１３ｅとの間を低屈折率の材料で充填して回折格子の段差を低減することにより、配線金属体１９が大きな段差を乗り越えることなく、第１電極１５とパッド電極１７を接続することができる。
【００４０】
第１構造から第４構造において、反射構造物３１は、分布反射領域３７と同様の構造を備える分布反射領域、又は金属或いは誘電体から成るコーティング膜を含むことができる。
【００４１】
これらの量子カスケードレーザデバイス１１によれば、レーザ構造体１３の第２領域１３ｂは、第２領域１３ｂと第３領域１３ｃとの第２境界１３ｇに位置する第２端面１３ｅにおいて終端するコア層２７ａを含む。複数のレーザ導波路構造２５及び複数の第１電極１５は、第２端面１３ｅで区切られる第２領域１３ｂ上に設けられ、一方、複数のパッド電極１７は、第１端面１３ｄによって第３領域１３ｃから区切られる第１領域１３ａの第１テラス領域２１上に設けられる。レーザ構造体１３の第１領域１３ａ、第３領域１３ｃ及び第２領域１３ｂが第１軸Ａｘ１の方向に順に配列されるので、レーザ構造体１３の第２領域１３ｂのサイズは、隣接するレーザ導波路構造２５間の間隔ＳＰ及び個々のレーザ導波路構造２５の共振器長ＬＧ並びに複数の第１電極１５の配置に依存し、一方、隣接するレーザ導波路構造２５間の間隔ＳＰ及び個々のレーザ導波路構造２５の共振器長ＬＧは、パッド電極１７の配置やサイズと独立して規定することが出来る。また、パッド電極１７の配置は、レーザ構造体１３の第１領域１３ａ上において、隣接するレーザ導波路構造２５間の間隔ＳＰ及び個々のレーザ導波路構造２５の共振器長ＬＧ並びに第１電極１５の配置から独立して規定される。第１電極１５及びパッド電極１７は、レーザ構造体１３の第３領域１３ｃを横切る配線金属体１９を介して互いに接続される。
【００４２】
図１の（ｈ）部及び（ｉ）部は、第１構造及び第２構造に係る量子カスケードレーザデバイス１１の縦方向（第１軸Ａｘ１の方向）に沿った断面において第３領域１３ｃを延在する配線金属体１９の形態を示す図面である。
【００４３】
図１の（ｈ）部を参照すると、第２端面１３ｅ及び第３領域１３ｃを覆う絶縁膜３９が設けられている。配線金属体１９の第２部分１９ｂが、第２端面１３ｅに含まれるコア層２７ａのコア端面上の絶縁膜３９上を延在して、図１の（ｂ）部に示されるように、第１電極１５の一端に繋がる。第２部分１９ｂはレーザ導波路構造２５の共振器の一部を構成し、第２端面１３ｅにおいてレーザ導波路構造２５の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として機能し、閾値電流の低減や光出力の増大等、量子カスケードレーザデバイス１１の特性改善に寄与する。また、上記説明の通り、本構造においては、配線金属体１９がレーザ導波路構造２５の後端面高反射膜も兼ねており、ウエハ上での製造プロセスにおいて、第１電極１５、配線金属体１９、パッド電極１７から成る上部電極と後端面高反射膜を一括で形成できる。従って、従来の上部電極と後端面高反射膜を別プロセスにて形成していたアレイ構造に比べて、製造プロセスを簡略化できる。第２部分１９ｂが高反射膜として効果的に機能するため、第２軸Ａｘ２方向における第２部分１９ｂの幅をコア層２７ａ（レーザ導波路構造２５）の幅より大きくして、第２端面１３ｅから出射されるレーザ導波路構造２５の導波光全体を反射できるようにすることもできる。
【００４４】
図１の（ｉ）部を参照すると、第２端面１３ｅ及び第３領域１３ｃを覆う絶縁膜３９が設けられており、金属層４１が第２端面１３ｅに含まれるコア層２７ａの端面上の絶縁膜３９上を延在して、第１電極１５の一端に繋がる。金属層４１は、第３領域１３ｃにおいて終端して、第１領域１３ａには設けられない。配線金属体１９の第２部分１９ｂは、コア層２７ａの端面を迂回してコア層２７ａの端面から離れた第２端面１３ｅ上の絶縁膜３９上を延在すると共に、第２テラス領域３３の上面上を延在する第３部分（図１の（ｃ）部の第３部分１９ｃ）に繋がる。図１の（ｃ）部に示されるように、第３部分１９ｃは、第２テラス領域３３の上面上において第１電極１５に接続される。金属層４１はレーザ導波路構造２５の共振器の一部を構成し、第２端面１３ｅにおいてレーザ導波路構造２５の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として機能させることができる。また本構造においては、第１電極１５、配線金属体１９、パッド電極１７から成る上部電極と後端面高反射膜である金属層４１を、ウエハ上での製造プロセスにおいて、一括で形成できる。従って、図１の（ｈ）部の構造同様、従来のアレイ構造に比べて、製造プロセスを簡略化できる。
【００４５】
必要な場合には、コア層２７ａの端面上の絶縁膜３９上に金属層４１を設けることを要しない。配線金属体１９の第２部分１９ｂは、コア層２７ａの端面を迂回してコア層２７ａのコア端面から離れた第２端面１３ｅ上の絶縁膜３９上を延在すると共に、第２テラス領域３３の上面上を延在する第３部分（図１の（ｃ）部の第３部分１９ｃ）に繋がる。図１の（ｃ）部に示されるように、第３部分１９ｃは、第２テラス領域３３の上面上において第１電極１５に接続される。配線金属体１９の第２部分１９ｂが、第２端面１３ｅ上においてコア層２７ａのコア端面から離れているので、コア層２７ａのコア端面に係る光の入射及び／又は出射を妨げない。そのため、各レーザ導波路構造２５の第２端面１３ｅからの出射光を、各レーザ導波路構造２５における、量子カスケードレーザの発振状態を監視するためのモニター光として使用できる。
【００４６】
いくつかの実施例を説明する。
【００４７】
（実施例１）
図２は、実施例１に係る量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す図面である。図２の（ａ）部は、実施例１に係る量子カスケードレーザデバイス１１を示す平面図であり、図２の（ｂ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す図面である。実施例１に係る量子カスケードレーザデバイス１１は、分布帰還型構造を有している。配線金属体１９の第２部分１９ｂが、第２端面１３ｅにおいてコア層２７ａのコア端面上を延在するので、配線金属体１９は第２端面１３ｅにおけるレーザ導波路構造２５の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として働く。また、配線金属体１９がレーザ導波路構造２５の後端面高反射膜も兼ねており、ウエハ上での製造プロセスにおいて、第１電極１５、配線金属体１９、パッド電極１７から成る上部電極と後端面高反射膜を一括で形成できる。また、中赤外量子カスケードレーザにおいては、Ａｘ２軸方向におけるコア層２７ａ（導波路構造２５）の幅である第１幅Ｗ１は、Ａｘ２方向における発振光の水平横モードを単一モードとするために、通常１０μｍ程度以下に設定される。第２部分１９ｂによって、レーザ導波路構造２５を伝搬する導波光の大半が反射され、第２部分１９ｂが高反射膜として有効に機能するためには、Ａｘ２軸方向における第２部分１９ｂの第２幅Ｗ２は、第２端面１３ｅにおいて第１幅Ｗ１に等しい又はより大きいことが良く、例えば２０μｍ以上であることが望ましい。実施例１では、第１テラス領域２１は、第１半導体層２８ａ、第２半導体層２８ｂ、第３半導体層２８ｃ、第４半導体層２８ｄ及び第５半導体層２８ｅを含むことができ、第１半導体層２８ａ、第２半導体層２８ｂ、第３半導体層２８ｃ、第４半導体層２８ｄ及び第５半導体層２８ｅは、それぞれ、コア層２７ａ、下部クラッド層２７ｂ、上部クラッド層２７ｃ、回折格子層２７ｄ及びコンタクト層２７ｅと実質的に同じ半導体を備える。従って、第１テラス領域２１の第１厚さＤ１は、第２テラス領域３３の第２厚さＤ２と実質的に同じであるため、基板主面２３ｄの法線方向における第１テラス領域２１と第２テラス領域３３の高さは実質的に同じであることができる。第３領域１３ｃは単一の窪部２９を含み、窪部２９は、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅによって規定される単一の溝である。この溝は、レーザ構造体１３の一側面１３ｈから他側面１３ｉまで延在する。本実施例の構造では、レーザ導波路構造２５の後端面形成において、窪部２９のみが選択的にエッチングされるので、短時間で生産性良く、レーザ導波路構造２５の後端面を形成することができる。
【００４８】
また、図２の（ｂ）部を参照すると、レーザ導波路構造２５が延在するＡＸ１方向において、凹部と凸部が周期Λで交互に繰り返し配列された回折格子が回折格子層２７ｄ中に形成される。周期Λに対応したブラッグ波長で、単一縦モード発振が可能となる。また各レーザ導波路構造２５において、適宜異なる周期Λを設定することで、個々のレーザ導波路構造２５において、異なる発振波長での動作が可能となる。この結果、量子カスケードレーザデバイス１１は複数の発振波長を有する広波長帯域の光源として動作することができる。
【００４９】
図３は、図２の（ａ）部に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す。レーザ構造体１３は、メサ状にエッチングされたレーザ導波路構造２５が埋込領域４３で埋め込まれた埋め込みヘテロ構造を含むことができる。この埋込領域４３は、例えばアンドープ半導体又は半絶縁性半導体を備える。レーザ導波路構造２５のメサ側面は埋込領域４３によって埋め込まれて、レーザ導波路構造２５は互いに絶縁される。レーザ導波路構造２５の上面上には、絶縁膜３９の開口３９ａが設けられており、第１電極１５が開口３９ａを介してレーザ導波路構造２５の上面に接続を成す。基板２３の裏面２３ｅ上には、第２電極３５が接触を成す。
【００５０】
図４は、図２の（ａ）部に示されたＩＶ−ＩＶ線に沿ってとられた断面を示す。第１テラス領域２１は、図２の（ｂ）部に示されるように、４つのパッド電極１７を搭載しており、これらのパッド電極１７は、それぞれの配線金属体１９（１９ａ）に接続される。第１領域１３ａにおける、第５半導体層２８ｅ及び埋込領域４３の表面は、絶縁膜３９によって覆われており、絶縁膜３９は、パッド電極１７及び配線金属体１９を下地半導体層からしっかり絶縁している。基板２３の裏面２３ｅ上には、第２電極３５が接触を成す。
【００５１】
図５は、図２の（ａ）部に示されたＶ−Ｖ線に沿ってとられた断面を示す。第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅには埋込領域４３が到達している。レーザ構造体１３では、第１テラス領域２１、第２テラス領域３３の埋込領域４３の表面、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅ、及び第３領域１３ｃの基板２３の主面２３ｄ上を絶縁膜３９が覆っている。絶縁膜３９上を第１電極１５、配線金属体１９及びパッド電極１７が延在している。絶縁膜３９は、第１電極１５、パッド電極１７及び配線金属体１９を基板２３、第１端面１３ｄ、第２端面１３ｅ、及び埋込領域４３からしっかり絶縁している。基板２３の裏面２３ｅ上には、第２電極３５が接触を成す。
【００５２】
図６は、図２の（ａ）部に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿ってとられた断面を示す。図６及び図２の（ａ）部に示されるように、個々のレーザ導波路構造２５に対応するパッド電極１７が、第１軸Ａｘ１の方向に配列されて、量子カスケードレーザデバイス１１のための半導体チップのサイズ縮小に寄与している。
【００５３】
（実施例２）
図７は、実施例２に係る量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す図面である。図７の（ａ）部は、実施例２に係る量子カスケードレーザデバイス１１を示す平面図であり、図７の（ｂ）部は、図７の（ａ）部に示されたＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す図面である。実施例２に係る量子カスケードレーザデバイス１１は、分布帰還型構造を有している。実施例２は、配線金属体１９の形状の点で実施例１と異なるが、それ以外の構造は実施例１と同じである。配線金属体１９の第２部分１９ｂは、第２端面１３ｅにおいて、第２端面１３ｅに含まれるコア層２７ａのコア端面から離れたエリア上を延在する。コア層２７ａのコア端面上には、第２部分１９ｂだけでなく他の金属体も設けられていない。第２部分１９ｂは、第２端面１３ｅにおけるレーザ導波路構造２５の導波光の光反射に影響しないように、第２端面１３ｅにおいて、レーザ導波路構造２５、具体的にはレーザ導波路構造２５の半導体メサの側面から、例えば５μｍ以上の距離で離れていることが望ましい。本実施例の構造においては、配線金属体１９の第２部分１９ｂが、コア層２７ａのコア端面から離れているので、配線金属体１９が、コア層２７ａのコア端面に係る光の入射及び／又は出射を妨げない。そのため、各導波路構造２５の第２端面１３ｅからの出射光を、各導波路構造２５における、量子カスケードレーザの発振状態を監視するためのモニター光として使用できる。
実施例２においても、第１テラス領域２１の第１厚さＤ１は、第２テラス領域３３の第２厚さＤ２と実質的に同じである。第３領域１３ｃは単一の窪部２９を含み、窪部２９は、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅによって規定される単一の溝である。この溝は、レーザ構造体１３の一側面１３ｈから他側面１３ｉまで延在する一方で、基板２３に到達する深さを有する。配線金属体１９は、コア層２７ａのコア端面を覆わないように窪部２９内を延在している。
【００５４】
（実施例３）
図８は、実施例３に係る量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す図面である。図８の（ａ）部は、実施例３に係る量子カスケードレーザデバイス１１を示す平面図であり、図８の（ｂ）部は、図８の（ａ）部に示されたＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す図面である。実施例３に係る量子カスケードレーザデバイス１１は、分布帰還型構造を有している。実施例３は、金属層４１の有無以外は、実施例２と同じ構造である。実施例３の量子カスケードレーザデバイス１１は、第２端面１３ｅにおいて、第２端面１３ｅに含まれるコア層２７ａのコア端面上を延在する金属層４１を備える。金属層４１は、第２端面１３ｅにおけるレーザ導波路構造２５の共振器ミラーの光反射を高めるように働く。ここで上記のように、金属層４１によって、レーザ導波路構造２５を伝搬するレーザ光の大半が反射され、金属層４１が高反射膜として有効に機能するためには、金属層４１の第３幅Ｗ３は、第２端面１３ｅにおいて、コア層２７ａの第１幅Ｗ１に等しい又はより大きいことが良く、例えば２０μｍ以上であることが望ましい。配線金属体１９の第２部分１９ｂは、第２端面１３ｅにおいて、コア層２７ａのコア端面から離れたエリア上を延在し、コア層２７ａのコア端面上には、第２部分１９ｂが設けられていない。第２部分１９ｂは、第２端面１３ｅにおけるレーザ導波路構造２５の導波光の光反射に影響しないように、第２端面１３ｅにおいて、金属層４１から、例えば５μｍ以上の距離で離れていることが望ましい。実施例３においても、第１テラス領域２１の第１厚さＤ１は、第２テラス領域３３の第２厚さＤ２と実質的に同じである。実施例３においても、第３領域１３ｃは単一の窪部２９を含み、窪部２９は、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅによって規定される単一の溝である。この溝は、レーザ構造体１３の一側面１３ｈから他側面１３ｉまで延在する一方で、基板２３に到達する深さを有する。金属層４１は、コア層２７ａのコア端面を覆うように窪部２９内を延在している。
【００５５】
（実施例４）
図９は、実施例４に係る量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す平面図である。実施例４に係る量子カスケードレーザデバイス１１は、分布帰還型構造を有している。実施例４は、窪部２９の形状の点で実施例１と異なるが、それ以外の構造は実施例１と同じである。実施例４の量子カスケードレーザデバイス１１では、第３基板領域２３ｃ上において、第１軸Ａｘ１の方向に延在する複数の延長領域１３ｊを備える。延長領域１３ｊは、第２テラス領域３３と同じ積層構造を有する。延長領域１３ｊは、第２領域１３ｂ内の第２テラス領域３３から延在して第１テラス領域２１に到達して、区分けされた開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを規定する。開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄの各々は、図２の（ｂ）部に示される窪部２９と同様に、基板２３に到達する深さまでエッチングされて、窪部２９となっている。開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄの各々は、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅを含む。レーザ導波路構造２５の各々は、開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄのいずれかの対応する第２端面１３ｅにおいて終端する。実施例４では、第２部分１９ｂは第１端面１３ｄ上を延在した後に、第２部分１９ｂの一端が第１部分１９ａを介してパッド電極１７に接続されると共に、配線金属体１９の第２部分１９ｂは第２端面１３ｅ上を延在した後に、第２部分１９ｂの他端が第１電極１５の一端に接続される。第２部分１９ｂは、実施例１と同じく、レーザ導波路構造２５のコア層の端面上を延在して、レーザ導波路構造２５の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として働く。また、本実施例の構造では、実施例１に比べて、第３領域１３ｃにおける更に限定された領域のエッチングにより窪部２９が形成されるため、このエッチングレートを更に増加でき、より短時間でレーザ導波路構造２５の後端面（第２端面１３ｅ）を形成できる。また本実施例の構造では、第１テラス領域２１と第２テラス領域３３が、延長領域１３ｊにより接続されるため、両者が分離されている実施例１の構造に比べて、素子の機械的強度を向上できる。
【００５６】
（実施例５）
図１０は、実施例５に係る量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す平面図である。実施例５に係る量子カスケードレーザデバイス１１は、分布帰還型構造を有している。実施例５は、配線金属体１９の形状以外は、実施例４の構造と同一である。実施例５の量子カスケードレーザデバイス１１では、実施例４と同様に、窪部２９は延長領域１３ｊにより区分けされた、開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを備える。窪部２９の開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄの各々は、第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅを含む。レーザ導波路構造２５の各々は、開口２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄのいずれかの対応する第２端面１３ｅにおいて終端する。延長領域１３ｊ上に形成された第２部分１９ｂは第１端面１３ｄ上を延在した後に、第２部分１９ｂの一端が第１部分１９ａを介してパッド電極１７に接続される。配線金属体１９の第２部分１９ｂは第２端面１３ｅ上を延在した後に、第２部分１９ｂの他端が第３部分１９ｃの一端に接続される。第３部分１９ｃの他端は、第１電極１５の一端に接続される。第２部分１９ｂは、実施例３と同様に、第２端面１３ｅ上において、レーザ導波路構造２５のコア層２７ａのコア端面から離れたエリア上を延在する。金属層４１が、実施例３と同じく、レーザ導波路構造２５のコア層２７ａの端面上を延在して、レーザ導波路構造２５の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として働く。但し、金属層４１は必須では無く、第２端面１３ｅに含まれるコア層２７ａの端面上には金属層４１が形成されていない構造であっても良い。
【００５７】
（実施例６）
図１１は、実施例６に係る量子カスケードレーザデバイス１１を、図２の（ｂ）部と同じく、図２の（ａ）部のＩＩｂ−ＩＩｂに対応する線に沿った断面において示す図面である。実施例６に係る量子カスケードレーザデバイス１１は、分布帰還型構造を有している。実施例６では、第１テラス領域２１の第１厚さＤ１が、ゼロより大きく第２テラス領域３３の第２厚さＤ２より小さい。第１領域１３ａは第１端面１３ｄを備え、第２領域１３ｂは第２端面１３ｅを備える。第１端面１３ｄ及び第２端面１３ｅは、窪部２９を規定しており、窪部２９は、既に説明された他の実施例と同様に、レーザ構造体１３の一側面１３ｈから他側面１３ｉまで延在する一方で、基板２３に到達する深さを有する。配線金属体１９は、実施例１と同様に、第２端面１３ｅ上におけるコア層２７ａのコア端面を覆うように窪部２９内を延在することができる。或いは実施例２と同様に、配線金属体１９は、第２端面１３ｅ上におけるコア層２７ａのコア端面を覆わないように窪部２９内を延在することができる。必要な場合には実施例３と同様に、第２端面１３ｅ上におけるコア層２７ａのコア端面を覆うように金属層（例えば、金属層４１）が設けられる。本実施例の構造では、窪部２９における成膜レートの低下や場所による変動を抑制できるため、絶縁膜３９及び、配線金属体１９の形成が実施例１の構造に比べて容易になるという利点がある。
【００５８】
（実施例７）
図１２は、実施例７に係る量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す平面図である。実施例７に係る量子カスケードレーザデバイス１１は、分布帰還型構造を有している。図１２の（ａ）部は、複数のレーザ導波路構造２５に共有される分布反射領域３７を備える量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す。図１２の（ｂ）部は、複数のレーザ導波路構造２５それぞれに個別の分布反射領域３７を備える量子カスケードレーザデバイス１１を模式的に示す。分布反射領域３７が形成された第３領域１３ｃ以外の構造は、図１２の（ａ）部は実施例２と、また図１２の（ｂ）部は実施例５と同じである。図１３は、図１２の（ａ）部及び（ｂ）部に示されＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線にそってとられた断面を示す。図１２の（ａ）部及び（ｂ）部の分布反射領域３７は、第３領域１３ｃに設けられ、また第１境界１３ｆと第２境界１３ｇとの間に位置する。
【００５９】
図１３に示されるように、分布反射領域３７は、交互に配列された高屈折率部及び低屈折率部を含む。具体的には、分布反射領域３７は、半導体壁を含む高屈折率部３７ａ、３７ｂと、該半導体壁より低い屈折率の材料から成る低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅとを含む。高屈折率部３７ａ、３７ｂ及び低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅは、共に、当該量子カスケードレーザデバイス１１の発振波長の光を透過可能である。高屈折率部３７ａ、３７ｂ及び低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅは、第１テラス領域２１から第２テラス領域３３の方向（ＡＸ１方向）に交互に配列されて、分布反射のための屈折率分布を提供する。具体的には、高屈折率部３７ａ、３７ｂの半導体壁は、図３に示した第２テラス領域３３同様、レーザ導波路構造２５が埋込領域４３の半導体で埋め込まれた埋め込みヘテロ構造からなることができる。低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅのための誘電体壁は、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナといった誘電体からなることができる。上記のように低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅを誘電体等の材料で充填して高屈折率部３７ａ、３７ｂとの段差を低減することにより、配線金属体１９が大きな段差を乗り越えることなく、第１電極１５とパッド電極１７を接続することができる。従って、絶縁膜３９や配線金属体１９の形成に関する製造歩留まりを向上することが可能となる。後述のように、分布反射領域３７は、第３領域１３ｃにおける低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅとなる領域の半導体層（２７ａ〜２７ｅ、及び４３）をエッチングで除去した後、上記誘電体等の材料で埋め込むことで形成される。ここで、図１２の（ｂ）部の構造では、図１２の（ａ）部に比べて、更に限定された領域のエッチングにより、上記低屈折率部となる領域の半導体層が除去されるため、エッチングレートを更に増加できたる。このため、図１２の（ｂ）部の構造では、より短時間で低屈折率部となる領域の半導体層をエッチングできる。さらに、図１２の（ｂ）部の構造では、第１テラス領域２１と第２テラス領域３３が、延長領域１３ｊにより接続されるため、素子の機械的強度をさらに向上できる。
【００６０】
図１４は、分布反射領域３７に係るいくつかの実施例の量子カスケードレーザデバイス１１を示す平面図である。これらの図に示された素子構造は、分布反射領域３７の構造以外は、図１２の（ａ）部に示した構造と同じである。
【００６１】
（実施例８）
図１４の（ａ）部を参照すると、分布反射領域３７は、高屈折率部３７ａ、３７ｂを互いに接続する補強壁４５を備えることができる。本実施例では、補強壁４５は、量子カスケードレーザデバイス１１の半導体チップの側面１３ｈ、１３ｉに沿って延在する。補強壁４５は高屈折率部３７ａ、３７ｂを一体化して、高屈折率部の強度を補強する。補強壁４５の配置は、高屈折率部３７ａ、３７ｂの端（半導体チップの側面１３ｈ、１３ｉ）に限定されることなく、必要な場合には、高屈折率部３７ａ、３７ｂの任意の領域に補強壁４５を設けることができる。
補強壁４５は、例えば埋込領域４３と同じ材料からなることができる。なお、複数ある高屈折率部の全てが補強壁４５で接続される必要は無く、高屈折率部のうちの少なくとも２つの高屈折率部が補強壁４５により接続されて、一体化された構造であってもよい。
【００６２】
（実施例９）
図１４の（ａ）部を参照すると、分布反射領域３７は、高屈折率部３７ａ、３７ｂを第１テラス領域２１及び第２テラス領域３３に接続する接続壁４７を備えることができる。接続壁４７は、高屈折率部３７ａと第１テラス領域２１、または高屈折率部３７ｂと第２テラス領域３３を一体化して、高屈折率部の強度を補強する。本実施例では、接続壁４７は補強壁４５に繋がっており、必要な場合に補強壁４５を用いることができる。接続壁４７は、第１テラス領域２１及び第２テラス領域３３の各々から延出するように設けられる延長部であることができ、接続壁４７の配置は、半導体チップの側面（高屈折率部３７ａ、３７ｂの端）１３ｈ、１３ｉに限定されることなく、必要な場合には、高屈折率部３７ａ、３７ｂの任意の領域に接続壁４７を設けることができる。接続壁４７は、例えば埋込領域４３と同じ材料からなることができる。なお、本実施例では第１テラス領域２１と高屈折率部３７ａ、及び第２テラス領域３３と高屈折率部３７ｂが同時に接続壁４７で接続された構造を示したが、これには限定されず、何れかの高屈折率部のみに接続壁４７が接続された構造であっても良い。また本実施例では、補強壁４５と接続壁４７を同時に導入した構造を示したが、両者は各々独立した構造であり、これらを単独で導入しても良い。
【００６３】
（実施例１０）
図１４の（ｂ）部を参照すると、分布反射領域３７の高屈折率部３７ａ、３７ｂが、レーザ導波路構造２５が延在する方向（Ａｘ１方向）と交差するＡｘ２方向において、半導体チップの側面１３ｈ、１３ｉから離れた位置で終端することができる。高屈折率部３７ａ、３７ｂの終端部は、低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅを互いに接続する接続壁４９によって半導体チップの側面１３ｈ、１３ｉから隔置される。本実施例の構造では、Ａｘ２方向における高屈折率部３７ａ、３７ｂの幅Ｗ４が素子幅Ｗ５よりも短いため、Ｗ４＝Ｗ５の構造、即ち、高屈折率部が半導体チップの側面１３ｈ、１３ｉまで達している構造に比べて、基板２３の主面２３ｄの法線方向における高屈折率部の高さ（図１３におけるＨ）に対するＡｘ２方向の幅Ｗ４の比（Ｗ４／Ｈ）が、低減される。これに起因して、高屈折率部の機械的強度が増す結果、高屈折率部の破損がより生じにくくなるという利点がある。また、本実施例の構造では、側面１３ｈ、１３ｉに高屈折率部が存在しない。このため、劈開等により素子分離を行う際、高屈折率部はダメージを被らず、高屈折率部の破損等を回避できる。
【００６４】
（実施例１１）
図１５は、第１電極１５、配線金属体１９及びパッド電極１７の構造に係る実施例の量子カスケードレーザデバイス１１を示す平面図である。本図に示された素子構造は、上部電極配線の材料構成以外は、実施例３に示した構造と同じである。実施例１１の量子カスケードレーザデバイス１１では、第１電極１５、配線金属体１９、及びパッド電極１７の内の少なくとも１つの領域を構成する材料が、他の領域を構成する材料と異なっている。この配線構造によれば、上記各領域の材料として、他領域と異なる材料を選択できるため、上部電極配線に関する設計自由度が増し、その最適化が容易となるという利点がある。例えば、第１電極１５としては、レーザ導波路構造２５のコンタクト層２７ｅとのオーミックコンタクトや放熱の為のＡｕメッキの必要性から、またパッド電極１７としては、Ａｕワイヤをボンディングする必要性から、共にＡｕ系の材料が望ましいが、配線金属体１９としては、例えばＣｕを用いることで、Ａｕを用いた場合に比べて、低抵抗化や低コスト化が図れる改善が得られる。
【００６５】
（実施例１２）
図１６は、ハイメサ構造に係る実施例の量子カスケードレーザデバイス１１を示す断面である。図１６の断面は、図３に描かれた、図２の（ａ）部のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面に対応している。実施例１〜１１の量子カスケードレーザデバイス１１において、レーザ導波路構造２５が形成された領域の構造は、図３に示した埋め込みヘテロ構造には限定されず、他の任意の構造を使用できる。例えば、図１６に示したような、メサ状のレーザ導波路構造２５を埋め込むことなく、絶縁膜３９によりレーザ導波路構造２５のメサ側面を覆ったハイメサ構造であっても良い。絶縁膜３９は、レーザ導波路構造２５の上面上に位置する開口３９ａを有しており、各レーザ導波路構造２５のための第１電極１５は、開口３９ａを介してレーザ導波路構造２５の上面に接触を成す。また、第１電極１５は、レーザ導波路構造２５の両側面上に設けられると共に、基板２３の主面２３ｄ上にも位置する。第１電極１５は、第１軸Ａｘ１の方向に延在している。この導波路構造では、レーザ導波路構造２５のメサ側壁を、半導体より屈折率が遥かに小さい絶縁膜３９で覆うため、メサ側壁を半導体埋め込み層４３で埋め込んだ埋め込みヘテロ構造に比べて、コア層２７ａへの光閉じ込めを有意に増加でき、これによる発振特性の改善が見込めるという利点がある。また、本実施例構造を用いれば、分布帰還型の量子カスケードレーザデバイス１１を製造するための結晶成長を２回に限定できるため、製造プロセスを簡略化できる。
【００６６】
以上説明した実施例１〜実施例１２の素子構造においては、パッド電極１７はレーザ導波路構造２５が形成された第２領域１３ｂから分離されて、第１領域１３ａに集約されるため、各レーザ導波路構造２５に関して、隣接するレーザ導波路構造２５間の間隔ＳＰ、及び個々のレーザ導波路構造２５の共振器長ＬＧをパッド電極１７の配置やサイズから独立して規定することが出来る。また、パッド電極１７の配置は、第２領域１３ｂ上におけるレーザ導波路構造２５間の間隔ＳＰ及び個々のレーザ導波路構造２５の共振器長ＬＧ並びに第１電極１５の配置から独立して規定することが出来る。従って、以上の各実施形態によれば、複数のレーザ導波路構造それぞれのためのパッド電極の配置やサイズにより、複数のレーザ導波路構造の配置やサイズに課される制約を緩和可能な構造を有する量子カスケードレーザデバイスを提供できる。
【００６７】
作製方法の一例として、実施例７の分布反射領域３７が付加された量子カスケードレーザデバイス１１の作製方法の概要を説明する。この説明において、理解を容易にするために、可能な場合には本実施形態において用いられた参照符合を用いる。基板２３のためのｎ型のＩｎＰウエハを準備する。このＩｎＰウエハ上に、下部クラッド層２７ｂのためのｎ型ＩｎＰ層、コア層２７ａのための超格子列（量子井戸層：ＧａＩｎＡｓ、バリア層：ＡｌＩｎＡｓ）、回折格子層２７ｄのためのアンドープ又はｎ型ＧａＩｎＡｓ層を順に成長する。この後に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図１３に示すように、Ａｘ１方向において、凹部と凸部が周期Λで交互に繰り返し配列された回折格子を有する回折格子層２７ｄを形成する。ここで、集積された各レーザ導波路構造２５を異なる波長で発振させるには、各レーザ導波路構造２５毎に、異なる発振波長に対応した、異なる周期Λの回折格子層２７ｄを形成する必要がある。この形成の後に、上部クラッド層２７ｃのためのｎ型ＩｎＰ層及びコンタクト層２７ｅのためのｎ型ＧａＩｎＡｓ層を順に成長して、半導体積層を形成する。これらの成長は、例えば有機金属気相成長法、又は分子線エピタキシー法によって行われる。なお、コンタクト層２７ｅは必須では無く、これが無くても第１電極１５と下地半導体層との良好なオーミックコンタクトが得られる場合は、本層は省略しても良い。また必要に応じてコア層２７ａの上下に、コア層２７ａへの導波光の閉じ込めを強化するための光閉じ込め層を付加しても良い。光閉じ込め層としては、コア層２７ａへの導波光の閉じ込めを強化する必要上、コア層２７ａより高屈折率であることが必要で、例えばアンドープやｎ型のＧａＩｎＡｓを使用出来る。半導体積層上に、レーザ導波路構造２５のための複数のストライプパターンを有する第１絶縁膜マスクを形成する。この第１絶縁膜マスクを用いたドライエッチングにより、レーザ導波路構造２５のための半導体メサを形成する。第１絶縁膜マスクを残したまま、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった遷移金属を添加した半絶縁性又はアンドープＩｎＰ（或いは、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ）により半導体メサを埋め込んで半導体領域を形成する。この埋込成長の後に第１絶縁膜マスクを除去する。半導体領域上に、第２絶縁膜マスクを形成する。この第２絶縁膜マスクは、第１テラス領域２１、第２テラス領域３３、並びに、分布反射領域３７を規定するパターンを有する。この第２絶縁膜マスクを用いたドライエッチングによって、半導体領域から、第１端面１３ｄ、第２端面１３ｅ、第１テラス領域２１、第２テラス領域３３、及び、分布反射領域３７の高屈折率部の３７ａ、３７ｂの半導体壁を形成する。この後に、分布反射領域３７の低屈折率部３７ｃ、３７ｄ、３７ｅのための誘電体の堆積及びそのエッチングによって分布反射領域３７における屈折率分布を形成する。低屈折率部のために、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナ、ポリイミド樹脂、ＢＣＢ樹脂といった誘電体を用いることができ、これらは、スパッタ法、スピンコート法といった成膜方法により形成できる。次いで、ウエハ全面にＳｉＯ２（或いは��ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナ、ポリイミド樹脂、又はＢＣＢ樹脂といった誘電体層）を絶縁膜３９として成長すると共に、個々のレーザ導波路構造２５上の絶縁膜３９にコンタクトのための開口３９ａを形成する。この後に、ウエハ全面に第１電極１５、パッド電極１７、配線金属体１９のための金属の堆積及びパターン形成を行う。また、ＩｎＰウエハの裏面には第２電極３５のための金属の堆積を行うことができる。第２電極３５、第１電極１５、パッド電極１７、配線金属体１９及び金属層４１の材料として、Ｔｉ／Ａｕ、Ｇｅ／Ａｕといった金系の材料を用いることができる。これらの工程により、複数のレーザ導波路構造２５を含む量子カスケードレーザデバイス１１の配列を備える基板生産物が形成される。なお、他の実施例の量子カスケードレーザデバイス１１も、上記と同様の手法にて作製できる。
【００６８】
中赤外量子カスケード半導体レーザの技術背景を説明する。中赤外量子カスケード半導体レーザは、環境ガス分析、医療診断、産業加工といった、今後高成長が期待される中赤外分野に使用可能な、小型、低コストの光源として有望視されており、近年開発が盛んとなってきている。例えば、環境ガス分析等のガスセンシング用途には、ターゲットガスの特定の吸収線をピンポイントで狙い撃ちするために、その吸収線の波長での単一モード動作が必要であり、そのために、波長選択用の回折格子（回折格子層２７ｄ）は有用である。単体の中赤外量子カスケード半導体レーザでは、基本的には上記のように回折格子の周期により発振波長がある波長に固定される。注入電流や素子温度の変更により、多少の波長可変は可能であるけれども、広い波長域における波長可変は不可能である。このような理由から、単体の中赤外量子カスケード半導体レーザでは、回折格子周期で決定される発振波長帯に吸収があるガス成分のガス計測だけが可能である。しかしながら、実用上、広い波長範囲にわたって吸収波長の異なる複数のガス成分を一括して分析することが求められる。
【００６９】
異なる発振波長で動作可能な複数の中赤外量子カスケード半導体レーザの導波路構造を単一の半導体基板上にモノリシック集積したアレイ光源を実現することによって、複数のガス成分を一括して分析することが可能になる。ここで、アレイを構成するレーザ導波路の短共振器化は低消費電力を可能にすると共に、レーザ導波路間隔の低減は、素子サイズの低減に寄与する。これらは共に、ガスセンシングといった用途における中赤外量子カスケード半導体レーザアレイの実用化に寄与できる。しかしながら、このようなアレイでは、レーザ導波路構造の数に応じて、パッド電極の数も増加する。発明者の知見によれば、多数のパッド電極の配置は、レーザ導波路構造の配列及びサイズを制約する。より具体的には、従来の中赤外量子カスケード半導体レーザのアレイでは、同一領域にレーザ導波路構造とパッド電極を形成するため、レーザ導波路構造間の間隔やレーザ導波路構造の共振器長は、ワイヤボンディングのために、例えば１００μｍ×１００μｍ以上の領域が必要とされるパッド電極サイズで制限され、そのため、レーザ導波路構造間の間隔の低減とレーザ導波路構造の短共振器化との両立は容易ではない。一方、本発明に係る量子カスケードレーザデバイス１１では、パッド電極の配置やサイズと独立にレーザ導波路構造の共振器長を決定できるため、短共振器化が容易であり、これは低消費電力動作を可能にする。またパッド電極の配置やサイズと独立にレーザ導波路構造間の間隔を決定できるため、この間隔の低減が容易であり、これはチップサイズの低減に寄与する。これらは共に、ガスセンシングといった用途における実用化に寄与できる。
【００７０】
なお、本発明に係る量子カスケードレーザデバイス１１は上記実施形態に記載したものに限定されない。例えば、上記実施形態では、各レーザ導波路構造２５は、回折格子層２７ｄを含むが、これに限られず、回折格子層２７ｄを含まなくてもよい。例えば、各レーザ導波路構造２５が回折格子層２７ｄを含まない場合、量子カスケードレーザデバイス１１に含まれる各レーザ導波路構造は、所謂ファブリー・ペロー型（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ型）の量子カスケードレーザを構成する。
【００７１】
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。例えば、ｐｎ接合を有する半導体レーザのアレイ素子に対しても、本願発明は適用可能であり、上記量子カスケードレーザデバイスに適用した場合と同様の改善を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上説明したように、本実施形態によれば、複数のレーザ導波路構造それぞれのためのパッド電極の配置やサイズにより、複数のレーザ導波路構造の配置やサイズに課される制約を緩和可能な構造を有する量子カスケードレーザデバイスを提供できる。
【符号の説明】
【００７３】
１１…量子カスケードレーザデバイス、１３…レーザ構造体、１３ａ…第１領域、１３ｂ…第２領域、１３ｃ…第３領域、１３ｄ…第１端面、１３ｅ…第２端面、１５…第１電極、１７…パッド電極、１９…配線金属体、１９ａ…第１部分、１９ｂ…第２部分、２１…第１テラス領域、２３…基板、Ａｘ１…第１軸、２３ａ…第１基板領域、２３ｂ…第２基板領域、２３ｃ…第３基板領域、２３ｄ…主面、２３ｅ…裏面、２５…レーザ導波路構造、２７ａ…コア層、２７ｂ…下部クラッド層、２７ｃ…上部クラッド層、２７ｄ…回折格子層、２７ｅ…コンタクト層、２９…窪部、３１…反射構造物、３３…第２テラス領域、３５…第２電極、３７…分布反射領域、３９…絶縁膜、４１…金属層、４３…埋込領域。
【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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