(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルモードの光を発振する分布帰還型の量子カスケードレーザ素子であって、
基板と、
前記基板の主面上に形成されたストライプ構造の積層体と、
前記積層体上に形成された回折格子と、を備え、
前記積層体は、活性層、及び前記基板の主面と直交する方向において前記活性層の両側に形成されたクラッド層を有し、
前記活性層と前記回折格子との間に位置する前記クラッド層の厚さは、発振する光の波長の４２±１０％の範囲内であり、
前記回折格子は、ＩｎＧａＡｓを含む層であり、
前記活性層は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造からなり、
前記活性層と前記回折格子との間に位置する前記クラッド層、及び、前記活性層と前記基板との間に位置する前記クラッド層は、それぞれＩｎＰからなり、
前記積層体は、ストライプ方向と直交する断面の形状がメサ形となるように形成されており、
前記基板の主面上における前記積層体の両側には、絶縁層が形成されている、
ことを特徴とする量子カスケードレーザ素子。
【請求項２】
前記絶縁層は、ＦｅドープＩｎＰからなると共に、前記活性層を完全に埋め込むように形成されており、
前記回折格子及び前記絶縁層の一方の面には、電極層が形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項３】
前記活性層と前記回折格子との間に位置する前記クラッド層、及び、前記活性層と前記基板との間に位置する前記クラッド層は、それぞれ、分子線エピタキシ法又は有機金属気相成長法により形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の量子カスケードレーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シングルモードの光を発振する分布帰還型の量子カスケードレーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子カスケードレーザ（Quantum  Cascade  Laser）素子は、発光層と注入層とが交互に積層されてなる活性層を含む積層体を備え、その活性層において量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移によって光を生成することができるモノポーラタイプの素子である。量子カスケードレーザ素子は、発光層と注入層とが交互にカスケード結合されたものを活性層とすることで高効率且つ高出力の動作を実現することが可能であるため、中赤外域からＴＨｚ領域に亘る高性能半導体光源として注目されている。
【０００３】
量子カスケードレーザ素子では、積層体に電圧が印加されると、発光層の量子準位構造において電子が上準位から下準位へ遷移し、その電子遷移の際に準位間エネルギ差に応じた波長の光が生成される。発光層の下準位へ遷移した電子は、隣の注入層を経て次の発光層の上準位へ移動して、その発光層においても同様に、上準位から下準位へ遷移し、その電子遷移の際に準位間エネルギ差に応じた波長の光が生成される。このようにして、各発光層において光が生成される。
【０００４】
ところで、特に環境計測を目的とした分光分析の分野では、その光源として、室温或いはその近傍温度でシングルモードの光を連続（ＣＷ）発振し得る分布帰還（ＤＦＢ：Distributed  Feedback）型の量子カスケードレーザ素子が期待されている。
【０００５】
シングルモードの光をＣＷ発振し得るＤＦＢ型の量子カスケードレーザ素子として、特許文献１には、活性層、及びその両側に形成されたクラッド層を有して基板の主面上に形成されたストライプ構造の積層体と、積層体上に形成された回折格子と、を備えるトップグレーティング方式の素子が記載されている。
【０００６】
また、シングルモードの光をＣＷ発振し得るＤＦＢ型の量子カスケードレーザ素子として、活性層、及びその両側に形成されたクラッド層を有して基板の主面上に形成されたストライプ構造の積層体と、活性層とクラッド層との間に形成された回折格子と、を備える埋め込みグレーティング方式の素子も知られている。
【特許文献１】特開平１０−３２１９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載のトップグレーティング方式の量子カスケードレーザ素子には、極低温度での動作を目的としているため、特許文献１記載の条件では室温或いはその近傍温度でシングルモードの光をＣＷ発振することが到底できないという問題がある。
【０００８】
また、埋め込みグレーティング方式の量子カスケードレーザ素子には、レーザ素子としての温度特性が劣化する上、歩留まり及び再現性が低下するという問題がある。その理由は、半導体結晶層である積層体内に回折格子を形成するため、結晶成長の途中で成長炉内から一旦取り出し、回折格子を形成した後、再び成長炉内において回折格子上に結晶成長を行わなければならないからである。
【０００９】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、室温或いはその近傍温度であっても、シングルモードの光を確実にＣＷ発振することができるＤＦＢ型の量子カスケードレーザ素子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】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、トップグレーティング方式の量子カスケードレーザ素子において、室温或いはその近傍温度でシングルモードの光を確実にＣＷ発振することができないのは、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さに起因していることを突き止めた。つまり、そのクラッド層の最適厚さは、クラッド層を構成する材料の屈折率と密接な関係にあり、光の波長に依存するのである。そして、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さが、発振する光の波長（以下、「発振波長」という）の４２＋１０％を上回ると、活性層から回折格子への光の染み出しが弱くなってＤＦＢ動作が実現され難くなるのである。その一方で、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さが発振波長の４２−１０％を下回ると、光の漏れが大きくなって室温或いはその近傍温度でＣＷ発振が実現され難くなるのである。本発明者らは、この知見に基づいて更に検討を重ね、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係る量子カスケードレーザ素子は、シングルモードの光を発振する分布帰還型の量子カスケードレーザ素子であって、基板と、基板の主面上に形成されたストライプ構造の積層体と、積層体上に形成された回折格子と、を備え、積層体は、活性層、及び基板の主面と直交する方向において活性層の両側に形成されたクラッド層を有し、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さは、発振する光の波長の４２±１０％の範囲内であり、回折格子は、ＩｎＧａＡｓを含む層であり、活性層は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造からなり、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層、及び、活性層と基板との間に位置するクラッド層は、それぞれＩｎＰからなり、積層体は、ストライプ方向と直交する断面の形状がメサ形となるように形成されており、基板の主面上における積層体の両側には、絶縁層が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
この量子カスケードレーザ素子では、積層体上に回折格子が形成されたトップグレーティング方式が採用されているため、埋め込みグレーティング方式に比べ、レーザ素子としての温度特性の劣化や、歩留まり及び再現性の低下が抑制される。しかも、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さが発振波長の４２±１０％の範囲内となっているため、活性層から回折格子への光の染み出しが弱くなったり、光の漏れが大きくなったりすることが防止される。従って、この量子カスケードレーザ素子によれば、室温或いはその近傍温度であっても、シングルモードの光を確実にＣＷ発振することができる。
【００１３】
本発明に係る量子カスケードレーザ素子においては、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の材料がＩｎＰであり、ストライプ方向と直交する断面の形状がメサ形となるように積層体が形成されており、基板の主面上における積層体の両側に絶縁層が形成されている。これらの場合、室温或いはその近傍温度におけるシングルモードの光のＣＷ発振をより一層確実化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、室温或いはその近傍温度であっても、シングルモードの光を確実にＣＷ発振することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について、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。
【００１６】
図１は、本発明に係る量子カスケードレーザ素子の一実施形態の斜視図であり、図２は、図１のII−II線に沿っての断面図であり、図３は、図１のIII−III線に沿っての断面図である。量子カスケードレーザ素子１は、シングルモードの光を発振するＤＦＢ型の素子であり、略直方体状に形成されている。長方形薄板状の基板２の一方の主面２ａには、ストライプ構造の積層体３が形成されている。積層体３は、量子カスケードレーザ素子１の長手方向をストライプ方向（光の共振方向）として、そのストライプ方向と直交する断面の形状がメサ形なるように形成されている。ストライプ方向における積層体３の両端面は、レーザ共振器を構成するためのミラーとなっている。
【００１７】
積層体３は、活性層４、活性層４の一方の面に形成されたクラッド層５、及び活性層４の他方の面に形成されたクラッド層６を有している。すなわち、クラッド層５，６は、基板２の主面２ａと直交する方向において活性層４の両側に形成されている。活性層４は、発光層と注入層とが交互に積層されてなり、量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移によって光を生成する。なお、クラッド層５の厚さは、発振波長の４２±１０％の範囲内となっている。
【００１８】
積層体３の一方の面（すなわち、クラッド層５の一方の面）には、活性層４において生成された光を分布帰還させる回折格子７が形成されており、基板２の主面２ａ上における積層体３及び回折格子７の両側には、絶縁層８が形成されている。更に、回折格子７及び絶縁層８の一方の面には、電極層１１が形成されており、基板２の他方の主面２ｂには、電極層１２が形成されている。電極層１１，１２には、外部から電圧が印加される。
【００１９】
各部分の組成の一例は次のとおりである。基板２はＩｎＰからなる。活性層４はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造からなり、クラッド層５，６はＩｎＰからなる。回折格子７は高濃度ＩｎＧａＡｓからなり、絶縁層８はＦｅドープＩｎＰからなる。電極層１１はＴｉ/Ａｕからなり、電極層１２はＡｕＧｅ/Ａｕからなる。
【００２０】
図４は、図１の量子カスケードレーザ素子の活性層の構成、及び活性層における量子井戸構造でのサブバンド間の電子遷移を説明するための模式図である。同図において、横方向は活性層４の厚さ方向に相当し、縦方向はエネルギレベルに相当する。また、同図には、説明の便宜のため、活性層４を構成している発光層及び注入層による多段の繰返し構造のうち、隣り合う１層ずつの発光層４１及び注入層４６の積層構造が示されている。
【００２１】
発光層４１は、量子井戸層４２及び量子障壁層４３から構成されている。発光層４１は、活性層４の半導体積層構造において光ｈνを生成する活性領域として機能する部分である。図４には、発光層４１の量子井戸層４２として、それぞれ厚さが異なる３層の量子井戸層が示されている。発光層４１では、量子井戸層４２及び量子障壁層４３によって、下から順に準位１、準位２及び準位３の３つの量子準位が形成されている。また、発光層４１と次の発光層との間には、注入層４６が設けられている。注入層４６は、量子井戸層４７及び量子障壁層４８から構成されている。
【００２２】
量子カスケードレーザ素子１では、このような量子準位構造の活性層４を有する積層体３に対してバイアス電圧が印加された状態において、注入層４６から放出された電子ｅ−は、発光層４１の準位３へと注入される。準位３に注入された電子ｅ−は、準位２へ発光遷移し、このとき、準位３及び準位２の量子準位間のエネルギ準位差に相当する波長の光ｈνが生成される。
【００２３】
また、準位２へと遷移した電子ｅ−は準位１へと高速で緩和し、注入層４６を経て次の発光層の準位３へとカスケード的に注入される。このような電子の注入及び発光遷移が活性層４の積層構造中で繰り返されることにより、活性層４において、カスケード的な光の生成が起こる。すなわち、発光層４１及び注入層４６を多数交互に積層することにより、電子ｅ−が発光層４１をカスケード的に次々に移動すると共に、各発光層４１でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。そして、このような光ｈνが量子カスケードレーザ素子１の光共振器において共振されることにより、シングルモードのレーザ光が生成される。
【００２４】
次に、量子カスケードレーザ素子１の製造方法について説明する。図５〜７は、図１の量子カスケードレーザ素子の製造方法を説明するための工程図である。
【００２５】
まず、図５に示されるように、ＩｎＰからなる基板２の一方の主面２ａに、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法又は有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、ＩｎＰからなるクラッド層６、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造からなる活性層４、ＩｎＰからなるクラッド層５、及び高濃度ＩｎＧａＡｓ層を順次形成する。このとき、クラッド層５の厚さを発振波長の４２±１０％の範囲内となるようにする。
【００２６】
続いて、高濃度ＩｎＧａＡｓ層に対し、フォトリソグラフィ及びエッチングを施すことにより、ブラッグ条件が１次となる一定の周期で回折格子７を形成する。
【００２７】
続いて、図６（ａ）に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、ストライプ方向と直交する断面の形状がメサ形なるように積層体３を形成する。このとき、積層体３のストライプ幅を３〜３０μｍ程度となるようにする。
【００２８】
続いて、図６（ｂ）に示されるように、基板２の主面２ａ上における積層体３及び回折格子７の両側に、ＭＯＶＰＥ法により、積層体３及び回折格子７を埋め込むように、ＦｅドープＩｎＰからなる絶縁層８を形成する。
【００２９】
続いて、図７（ａ）に示されるように、回折格子７及び絶縁層８の一方の面に、真空蒸着法及び電解メッキ法により、Ｔｉ/Ａｕからなる電極層１１を形成する。このとき、真空蒸着法により、Ｔｉ層/Ａｕ層のそれぞれの厚さを５０ｎｍ／２５０ｎｍ程度となるようにし、電解メッキ法により、Ａｕ層のトータルの厚さを３〜１０μｍ程度となるようにする。
【００３０】
続いて、図７（ｂ）に示されるように、基板２の他方の主面を研磨して基板２を薄型化し、薄型化した基板２の他方の主面２ｂに、ＡｕＧｅ/Ａｕからなる電極層１２を形成する。その後、共振器長が１〜５ｍｍとなるように劈開することにより、ストライプ方向における積層体３の両端面を、レーザ共振器を構成するためのミラーとする。なお、ストライプ方向における積層体３の一方の端面をＡｕ等の高反射膜でコーティングしてもよい。
【００３１】
以上説明したように、量子カスケードレーザ素子１においては、積層体３上に回折格子７が形成されたトップグレーティング方式が採用されているため、埋め込みグレーティング方式に比べ、レーザ素子としての温度特性の劣化や、歩留まり及び再現性の低下が抑制される。しかも、活性層４と回折格子７との間に位置するクラッド層５の厚さが発振波長の４２±１０％の範囲内となっているため、活性層４から回折格子７への光の染み出しが弱くなったり、光の漏れが大きくなったりすることが防止される。従って、量子カスケードレーザ素子１によれば、室温或いはその近傍温度であっても、シングルモードの光を確実にＣＷ発振することができる。
【００３２】
また、量子カスケードレーザ素子１においては、活性層４と回折格子７との間に位置するクラッド層５の材料がＩｎＰであり、ストライプ方向と直交する断面の形状がメサ形となるように積層体３が形成されており、更に、基板２の一方の主面２ａ上における積層体３の両側に絶縁層８が形成されている。これらにより、室温或いはその近傍温度におけるシングルモードの光のＣＷ発振をより一層確実化することができる。
【００３３】
ここで、実施例の量子カスケードレーザ素子の評価結果について説明する。図８は、実施例の量子カスケードレーザ素子の評価結果を示すグラフであり、図９は、実施例及び比較例の量子カスケードレーザ素子の評価結果を示すグラフである。
【００３４】
図８に示される評価結果を得るために用いられた実施例の量子カスケードレーザ素子は、次のように製造されたものである。
【００３５】
ｎ型ＩｎＰ基板の一方の主面に、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）法により、ストライプ構造の積層体及び回折格子を形成した。活性層は、発光層と注入層とが３３層ずつ交互に積層されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造からなり、その厚さは２μｍ、ストライプ幅は４μｍである。活性層の両側に形成される各クラッド層はＩｎＰからなり、その厚さは３μｍである。回折格子は高濃度ＩｎＧａＡｓからなり、その厚さは３００ｎｍ、そのピッチ（周期）は１２１６ｎｍ、谷部の深さは３００ｎｍである。このような構成により、発振波長は７．７μｍとなる。そして、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さは、発振波長の約３９％となり、発振波長の４２±１０％の範囲内に入っている。
【００３６】
続いて、ＦｅドープＩｎＰからなる絶縁層を、活性層が完全に埋め込まれる厚さとなるまで埋め込み成長により形成した。そして、回折格子及び絶縁層の一方の面に、真空蒸着法によりＴｉ／Ａｕを蒸着した後、電解メッキ法によりＡｕ層のトータルの厚さが８μｍとなるまでＡｕをメッキすることで、電極層を形成した。更に、ｎ型ＩｎＰ基板の他方の主面を研磨してｎ型ＩｎＰ基板を薄型化し、薄型化したｎ型ＩｎＰ基板の他方の主面に、ＡｕＧｅ/Ａｕからなる電極層を形成した。その後、共振器長が３ｍｍとなるように劈開することにより、ストライプ方向における積層体の両端面を、レーザ共振器を構成するためのミラーとした。
【００３７】
以上のように製造された実施例の量子カスケードレーザ素子の評価結果を図８（ａ），（ｂ）に示す。図８（ａ），（ｂ）のグラフにおける温度は、ペルチェ素子にて駆動温度（ヒートシンク温度を測定したもの）を制御したものである。
【００３８】
実施例の量子カスケードレーザ素子は、シングルモードの光をＣＷ発振させると、図８（ａ）の電流−平均出力特性を示した。平均出力の測定にはサーモパイルを用いた。図８（ａ）に示されるように、実施例の量子カスケードレーザ素子においては、３０℃の温度で８ｍＷの平均出力が得られた。
【００３９】
また、実施例の量子カスケードレーザ素子は、シングルモードの光をＣＷ発振させると、図８（ｂ）の波数−相対光出力特性を示した。スペクトルの評価にはフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いた。分解能は０．１２５ｃｍ−１である。図８（ｂ）に示されるように、＋１０℃から＋３０℃までシングルモード動作が確認され、温度制御によって発振波長を連続的に変化させることができることが確認された。
【００４０】
図９に示される評価結果を得るために用いられた実施例の量子カスケードレーザ素子は、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さを２．５μｍ（発振波長の３２％）、３μｍ（発振波長の３９％）、４μｍ（発振波長の５２％）として、上述した実施例の量子カスケードレーザ素子の製造方法と同様の方法により製造したものである。また、図９に示される評価結果を得るために用いられた比較例の量子カスケードレーザ素子は、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さを１．５μｍ（発振波長の１９％）として、上述した実施例の量子カスケードレーザ素子の製造方法と同様の方法により製造したものである。
【００４１】
図９に示されるように、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さが発振波長の４２±１０％の範囲内に入っている実施例の量子カスケードレーザ素子では、３００Ｋの温度におけるシングルモードの光のＣＷ発振が確認された。一方、活性層と回折格子との間に位置するクラッド層の厚さが発振波長の４２±１０％の範囲内に入っていない比較例の量子カスケードレーザ素子では、３００Ｋの温度におけるシングルモードの光のＣＷ発振が確認されなかった。
【００４２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、絶縁層８を設けなくても、室温或いはその近傍温度でシングルモードの光をＣＷ発振することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る量子カスケードレーザ素子の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿っての断面図である。
【図３】図１のIII−III線に沿っての断面図である。
【図４】図１の量子カスケードレーザ素子の活性層の構成、及び活性層における量子井戸構造でのサブバンド間の電子遷移を説明するための模式図である。
【図５】図１の量子カスケードレーザ素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図６】図１の量子カスケードレーザ素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図７】図１の量子カスケードレーザ素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図８】実施例の量子カスケードレーザ素子の評価結果を示すグラフである。
【図９】実施例及び比較例の量子カスケードレーザ素子の評価結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１…量子カスケードレーザ素子、２…基板、２ａ…主面、３…積層体、４…活性層、５，６…クラッド層、７…回折格子、８…絶縁層。
【図１】
0005372349.tif 000002
【図２】
0005372349.tif 000003
【図３】
0005372349.tif 000004
【図４】
0005372349.tif 000005
【図５】
0005372349.tif 000006
【図６】
0005372349.tif 000007
【図７】
0005372349.tif 000008
【図８】
0005372349.tif 000009
【図９】
0005372349.tif 000010