(57)【要約】【課題】量子カスケード半導体レーザのコア層に印加される電界の均一性を向上する。【解決手段】量子カスケード半導体レーザ１は、第１領域１１ａ、第２領域１１ｂおよび第３領域１１ｃを有する半導体基板１１と、半導体基板１１の主面１１ｍに設けられた半導体積層１０と、半導体積層１０上に設けられた上部電極Ｅ１とを備え、半導体積層１０は、コア層１４を含んで第２領域１１ｂ上に設けられたメサストライプ部２０と、メサストライプ部２０の両側面を埋め込むように第１領域１１ａおよび第３領域１１ｃ上にそれぞれ設けられた第１埋込層１８および第２埋込層１９と、メサストライプ部２０、第１埋込層１８および第２埋込層１９上に設けられた上部クラッド層１６とを含み、半導体基板１１および上部クラッド層１６の導電型は同じであり、第１埋込層１８および第２埋込層１９は半絶縁性半導体領域２１，２２を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面および前記主面に対して反対側の裏面を有する基板と、
前記主面に設けられた半導体積層と、
前記半導体積層上に設けられた第１電極と、
前記裏面に設けられた第２電極と、
を備え、
前記半導体積層は、メサストライプ部、上部クラッド層、第１埋込層および第２埋込層を含み、
前記基板の導電型は前記上部クラッド層の導電型と同じであり、
前記基板は、前記主面の法線軸に直交する一方向に沿って順に配置された第１領域、第２領域および第３領域を有し、
前記メサストライプ部は、量子カスケード半導体レーザにおける発光のためのコア層を含んで前記第２領域上に設けられ、
前記第１埋込層は、前記メサストライプ部の一側面を埋め込むように前記第１領域上に設けられ、
前記第２埋込層は、前記メサストライプ部の他側面を埋め込むように前記第３領域上に設けられ、
前記上部クラッド層は、前記メサストライプ部、前記第１埋込層および前記第２埋込層上に設けられ、
前記第１埋込層は、半絶縁性半導体材料からなる第１半絶縁性半導体領域を含み、
前記第２埋込層は、半絶縁性半導体材料からなる第２半絶縁性半導体領域を含むことを特徴とする量子カスケード半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１半絶縁性半導体領域は、前記コア層と接する第１側面部および前記基板上に設けられた第１底面部を有し、
前記第２半絶縁性半導体領域は、前記コア層と接する第２側面部および前記基板上に設けられた第２底面部を有することを特徴とする請求項１に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１埋込層は、前記第１半絶縁性半導体領域を構成する前記半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料からなる第３半絶縁性半導体領域をさらに有し、
前記第２埋込層は、前記第２半絶縁性半導体領域を構成する前記半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料からなる第４半絶縁性半導体領域をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１半絶縁性半導体領域のバンドギャップは、前記第３半絶縁性半導体領域のバンドギャップよりも高く、
前記第２半絶縁性半導体領域のバンドギャップは、前記第４半絶縁性半導体領域のバンドギャップよりも高いことを特徴とする請求項３に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１埋込層は、アンドープまたはｎ型の半導体材料からなる第１半導体領域をさらに有し、
前記第２埋込層は、アンドープまたはｎ型の半導体材料からなる第２半導体領域をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１半絶縁性半導体領域のバンドギャップは、前記第１半導体領域のバンドギャップよりも高く、
前記第２半絶縁性半導体領域のバンドギャップは、前記第２半導体領域のバンドギャップよりも高いことを特徴とする請求項５に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項７】
前記第１半絶縁性半導体領域および前記第２半絶縁性半導体領域では、電子に対する抵抗値がホールに対する抵抗値よりも高いことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項８】
前記第１半絶縁性半導体領域および前記第２半絶縁性半導体領域は、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒまたはＣｏのうちのいずれかの遷移金属がドープされたＩｎＰあるいは前記遷移金属がドープされたＡｌＩｎＡｓからなることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項９】
前記コア層では、複数の活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための複数の注入層とが、交互に配列されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項１０】
前記活性層および前記注入層の各々は、ＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓの超格子列によって構成されていることを特徴とする請求項９に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項１１】
前記上部クラッド層は、導電型がｎ型のＩｎＰにより構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の量子カスケード半導体レーザ。
【請求項１２】
前記基板は、導電型がｎ型のＩｎＰにより構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の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に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光素子として量子カスケード半導体レーザ（ＱＣＬ：Quantum  Cascade  Laser）が知られている。この量子カスケード半導体レーザは、環境ガス分析、医療応用、産業加工などの分野において使用可能な小型かつ低コストの光源として有望視されている。量子カスケード半導体レーザの電流狭窄構造としては、例えば下記の特許文献１に記載されている埋め込みヘテロストラクチャ（ＢＨ：Buried  Heterostructure）がある。
【０００３】
この埋め込みヘテロストラクチャの製造過程を説明する。まず、半導体基板上に半導体エピタキシャル層を成長した後、素子中央の光導波路となる領域において、少なくともコンタクト層、上部クラッド層、およびコア層をエッチングして、メサ導波路を形成する。その後、高抵抗の半絶縁性半導体からなる電流ブロック層によってメサ側壁を埋め込むことで、電流狭窄した構造を作製する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５２６２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の光通信用光源として用いられるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料からなる半導体レーザ素子では、コア層の厚さは０．２μｍ以下であり、また上部クラッド層も１〜２μｍ程度である。一方、量子カスケード半導体レーザでは、コア層の厚さは１〜２μｍ程度であり、また上部クラッド層の厚さも２〜４μｍ程度と大きい。したがって、量子カスケード半導体レーザでは、従来の半導体レーザ素子に比べ、コア層および上部クラッド層が大幅に厚い。また、従来のｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子と量子カスケード半導体レーザとでは、発光メカニズムが異なり、量子カスケード半導体レーザでは、発光特性を向上させるために、このコア層に印加すべき電界を、厚さ方向、および、面内（厚さ方向に垂直な方向）において均一にする必要がある。
【０００６】
上記特許文献１に記載された量子カスケード半導体レーザでは、メサ導波路を形成する際にコンタクト層からコア層までの半導体層をエッチングする必要がある。上述のように、従来の半導体レーザ素子と比較して、量子カスケード半導体レーザでは、コア層および上部クラッド層が厚いことに起因して、コンタクト層からコア層までの半導体層の厚さが大きい。このため、メサ導波路を形成するためのエッチングを行う際にサイドエッチングの影響を無視できず、メサ導波路の断面形状は矩形状から逸脱した形状となってしまう。したがって、コア層における電界の均一性のさらなる向上が望まれる。
【０００７】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、コア層に印加される電界の均一性を向上可能な構造を有す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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の量子カスケード半導体レーザは、（ａ）主面および前記主面に対して反対側の裏面を有する基板と、（ｂ）前記主面に設けられた半導体積層と、（ｃ）前記半導体積層上に設けられた第１電極と、（ｄ）前記裏面に設けられた第２電極と、を備える。前記半導体積層は、メサストライプ部、上部クラッド層、第１埋込層および第２埋込層を含み、前記基板の導電型は前記上部クラッド層の導電型と同じであり、前記基板は、前記主面の法線軸に直交する一方向に沿って順に配置された第１領域、第２領域および第３領域を有し、前記メサストライプ部は、量子カスケード半導体レーザにおける発光のためのコア層を含んで前記第２領域上に設けられ、前記第１埋込層は、前記メサストライプ部の一側面を埋め込むように前記第１領域上に設けられ、前記第２埋込層は、前記メサストライプ部の他側面を埋め込むように前記第３領域上に設けられ、前記上部クラッド層は、前記メサストライプ部、前記第１埋込層および前記第２埋込層上に設けられ、前記第１埋込層は、半絶縁性半導体材料からなる第１半絶縁性半導体領域を含み、前記第２埋込層は、半絶縁性半導体材料からなる第２半絶縁性半導体領域を含むことを特徴とする。
【０００９】
この量子カスケード半導体レーザによれば、コア層を含むメサストライプ部上と、メサストライプ部の一側面を埋め込むように設けられた第１埋込層上と、メサストライプ部の他側面を埋め込むように設けられた第２埋込層上とに上部クラッド層が設けられる。これにより、メサストライプ部はコンタクト層および上部クラッド層を含む必要がなくなり、メサストライプ部の高さを抑えることができる。このため、エッチングによりメサストライプ部を形成する際に、サイドエッチングによってメサストライプ部の側面がエッチングされるのを低減でき、メサストライプ部の断面形状を矩形状に近づけることができる。その結果、第１電極および第２電極間に電圧が印加された場合、コア層および上部クラッド層を含むメサ部を有する埋め込みヘテロストラクチャの量子カスケード半導体レーザに比べて、コア層に印加される電界の均一性を向上することが可能となる。
【００１０】
前記第１半絶縁性半導体領域は、前記コア層と接する第１側面部および前記基板上に設けられた第１底面部を有してもよく、前記第２半絶縁性半導体領域は、前記コア層と接する第２側面部および前記基板上に設けられた第２底面部を有してもよい。この場合、第１半絶縁性半導体領域が、コア層と接する第１側面部および基板上に設けられた第１底面部を有することにより、第１埋込層への電子の侵入を抑制できる。同様に、第２半絶縁性半導体領域が、コア層と接する第２側面部および基板上に設けられた第２底面部を有することにより、第２埋込層への電子の侵入を抑制できる。その結果、メサストライプ部に電流を狭窄することが可能となる。
【００１１】
前記第１埋込層は、前記第１半絶縁性半導体領域を構成する前記半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料からなる第３半絶縁性半導体領域をさらに有してもよく、前記第２埋込層は、前記第２半絶縁性半導体領域を構成する前記半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料からなる第４半絶縁性半導体領域をさらに有してもよい。この場合、第１埋込層および第２埋込層は、屈折率、バンドギャップおよび熱伝導といった特性が互いに異なる複数の半絶縁性半導体材料を組み合わせて構成することができ、設計の自由度が増す。このため、量子カスケード半導体レーザの特性の向上が可能となる。
【００１２】
前記第１半絶縁性半導体領域のバンドギャップは、前記第３半絶縁性半導体領域のバンドギャップよりも高くてもよく、前記第２半絶縁性半導体領域のバンドギャップは、前記第４半絶縁性半導体領域のバンドギャップよりも高くてもよい。この場合、第１埋込層および第２埋込層がバンドギャップが低い１つの半絶縁性半導体領域を有する場合よりも、隣接層と第１埋込層および第２埋込層との界面における電子に対するエネルギー障壁が増大するので、隣接層から第１埋込層および第２埋込層への電子の進入をさらに抑制することができる。その結果、電流はメサストライプ部により強く狭窄されるため、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。
【００１３】
前記第１埋込層は、アンドープまたはｎ型の半導体材料からなる第１半導体領域をさらに有してもよく、前記第２埋込層は、アンドープまたはｎ型の半導体材料からなる第２半導体領域をさらに有してもよい。中赤外領域において、アンドープまたはｎ型の半導体材料からなる半導体領域における光吸収損は、半絶縁性半導体領域における光吸収損より小さい。このため、第１埋込層および第２埋込層がアンドープまたはｎ型の半導体材料からなる半導体領域をさらに有することにより、第１埋込層および第２埋込層における光吸収損を低減できる。その結果、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。さらに、アンドープの半導体材料の熱伝導性は、半絶縁性半導体材料の熱伝導性よりも高い。このため、第１埋込層および第２埋込層がアンドープの半導体材料からなる半導体領域をさらに有する場合、コア層からの放熱性が向上する。その結果、量子カスケード半導体レーザの温度特性の向上が可能となる。
【００１４】
前記第１半絶縁性半導体領域のバンドギャップは、前記第１半導体領域のバンドギャップよりも高くてもよく、前記第２半絶縁性半導体領域のバンドギャップは、前記第２半導体領域のバンドギャップよりも高くてもよい。この場合、第１埋込層および第２埋込層がバンドギャップが低い１つの半絶縁性半導体領域を有する場合よりも、隣接層と第１埋込層および第２埋込層との界面における電子に対するエネルギー障壁が増大するので、隣接層から第１埋込層および第２埋込層への電子の進入をさらに抑制することができる。その結果、電流はメサストライプ部により強く狭窄されるため、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。
【００１５】
前記第１半絶縁性半導体領域および前記第２半絶縁性半導体領域では、電子に対する抵抗値がホールに対する抵抗値よりも高くてもよい。この場合、第１半絶縁性半導体領域および第２半絶縁性半導体領域は、キャリアである電子に対して高抵抗値を有するので、第１埋込層および第２埋込層に電流が流れるのを抑制できる。その結果、電流はメサストライプ部に狭窄されるため、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。
【００１６】
前記第１半絶縁性半導体領域および前記第２半絶縁性半導体領域は、Ｆｅ、Ｔｉ、ＣｒまたはＣｏのうちのいずれかの遷移金属がドープされたＩｎＰあるいは前記遷移金属がドープされたＡｌＩｎＡｓから構成されてもよい。この場合、ＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓに遷移金属をドープすることにより、ＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓは半絶縁化される。そして、半絶縁化されたＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓは、電子に対して高抵抗値を有するので、第１埋込層および第２埋込層に電流が流れるのを抑制できる。その結果、電流はメサストライプ部に狭窄されるため、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。
【００１７】
前記コア層では、複数の活性層と、前記活性層にキャリアを注入するための複数の注入層とが、交互に配列されてもよい。活性層間に注入層を設けることにより、電子が隣り合う活性層に連続的にスムーズに受け渡されて、伝導帯サブバンド間遷移による発光が効率よく生じる。その結果、量子カスケード半導体レーザの発振特性の向上が可能となる。
【００１８】
前記活性層および前記注入層の各々は、ＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓの超格子列によって構成されてもよい。この超格子列によって、活性層内の伝導帯サブバンド間遷移による中赤外での発光が得られる。
【００１９】
前記上部クラッド層は、導電型がｎ型のＩｎＰにより構成されてもよい。ＩｎＰは熱伝導性が高いため、ＩｎＰをクラッド層に用いることにより、コア層からの放熱性を向上することができる。その結果、量子カスケード半導体レーザの温度特性の向上が可能となる。
【００２０】
前記基板は、導電型がｎ型のＩｎＰにより構成されてもよい。半導体積層の格子定数は、ＩｎＰの格子定数に近い。このため、ＩｎＰ基板を用いることにより、半導体積層の結晶成長を良好に行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、コア層に印加される電界の均一性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザの構造を概略的に示す図である。
【図２】図１の量子カスケード半導体レーザの製造過程を示す図である。
【図３】図２の後続の製造過程を示す図である。
【図４】（ａ）は図１の量子カスケード半導体レーザの発光メカニズムを説明するための図、（ｂ）はｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子の発光メカニズムを説明するための図である。
【図５】（ａ）は比較例の量子カスケード半導体レーザのメサ構造を概略的に示す図、（ｂ）は図１の量子カスケード半導体レーザのメサ構造を概略的に示す図である。
【図６】（ａ）は比較例の量子カスケード半導体レーザの構造を概略的に示す図、（ｂ）は図１の量子カスケード半導体レーザの構造を概略的に示す図である。
【図７】図１の量子カスケード半導体レーザの第１変形例の構造を概略的に示す図である。
【図８】図１の量子カスケード半導体レーザの第２変形例の構造を概略的に示す図である。
【図９】図１の量子カスケード半導体レーザの第３変形例の構造を概略的に示す図である。
【図１０】図１の量子カスケード半導体レーザの第４変形例の構造を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。可能な場合には、同一の要素には同一の符号を付す。
【００２４】
図１は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザの構造を概略的に示す図である。量子カスケード半導体レーザ１は、埋め込みヘテロストラクチャの電流狭窄構造を有する量子カスケード半導体レーザ素子であって、約３〜２０μｍの中赤外波長領域での発振が可能である。図１に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１は、半導体基板１１（基板）と、半導体積層１０と、上部電極Ｅ１（第１電極）と、下部電極Ｅ２（第２電極）とを備える。
【００２５】
半導体基板１１は、例えば導電型がｎ型の（以下、単に「ｎ型」という。）ＩｎＰにより構成され、その厚さは、例えば１００〜２００μｍ程度である。この半導体基板１１は、主面１１ｍと、主面１１ｍと反対側の裏面１１ｎとを有する。また、半導体基板１１は、主面１１ｍの法線軸ＮＶに直交する一方向（以下、「幅方向」という。）に沿って順に配置された第１領域１１ａ、第２領域１１ｂおよび第３領域１１ｃを有する。この第１領域１１ａ、第２領域１１ｂおよび第３領域１１ｃの各々は、主面１１ｍの法線軸ＮＶと幅方向とによって規定される面に直交する他方向に沿って延在する。なお、半導体基板１１として、半導体基板上にさらに、ＩｎＰバッファ層などの半導体層が積層されて構成されていてもよい。
【００２６】
半導体積層１０は、半導体基板１１の主面１１ｍ上に設けられる。半導体積層１０は、メサストライプ部２０と、上部クラッド層１６と、コンタクト層１７と、第１埋込層１８と、第２埋込層１９とを含む。メサストライプ部２０は、第２領域１１ｂ上に設けられ、他方向に沿って延在する。また、メサストライプ部２０は、下部クラッド層１２と、下部光閉じ込め層１３と、コア層１４と、上部光閉じ込め層１５と、キャップ層１６ａとを含む。この下部クラッド層１２、下部光閉じ込め層１３、コア層１４、上部光閉じ込め層１５およびキャップ層１６ａは、半導体基板１１の主面１１ｍの法線軸ＮＶに沿って、順に配列されている。下部クラッド層１２は、半導体基板１１の主面１１ｍ上に設けられる。下部クラッド層１２は、例えばｎ型ＩｎＰにより構成され、その厚さは例えば０．１〜０．５μｍ程度である。下部光閉じ込め層１３は、下部クラッド層１２上に設けられる。下部光閉じ込め層１３は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓにより構成され、その厚さは例えば０．１〜０．５μｍ程度である。
【００２７】
コア層１４は、下部光閉じ込め層１３および上部光閉じ込め層１５の間に設けられる。コア層１４は、量子カスケード半導体レーザ１における発光のための層であって、発光領域である複数の活性層と、活性層にキャリアである電子を注入するための複数の注入層とが、交互に配列されたカスケード構造を有する。これらの活性層および注入層の各々は、ＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓからなる超格子列で構成される。コア層１４の厚さは、例えば１〜２μｍ程度である。コア層１４は、単位積層体１４０が多段に（例えば３０単位）積層された構造を有する。この単位積層体１４０は、例えば、以下の第１半導体層１４０ａ〜第１６半導体層１４０ｒが順に接続された超格子列からなる。このコア層１４により、８μｍ帯の発振が得られる。なお、単位積層体１４０の第１１半導体層１４０ｋ〜第１６半導体層１４０ｒが活性層に相当し、第１半導体層１４０ａ〜第１０半導体層１４０ｊが注入層に相当する。
【００２８】
［単位積層体１４０の構成例］
第１半導体層１４０ａ：アンドープＧａＩｎＡｓ、厚さ４．０ｎｍ。
第２半導体層１４０ｂ：アンドープＡｌＩｎＡｓ、厚さ１．１ｎｍ。
第３半導体層１４０ｃ：ｎ型ＧａＩｎＡｓ、厚さ３．６ｎｍ、ドープ量２×１０１７ｃｍ−３。
第４半導体層１４０ｄ：ｎ型ＡｌＩｎＡｓ、厚さ１．２ｎｍ、ドープ量２×１０１７ｃｍ−３。
第５半導体層１４０ｅ：ｎ型ＧａＩｎＡｓ、厚さ３．２ｎｍ、ドープ量２×１０１７ｃｍ−３。
第６半導体層１４０ｆ：アンドープＡｌＩｎＡｓ、厚さ１．２ｎｍ。
第７半導体層１４０ｇ：アンドープＧａＩｎＡｓ、厚さ３．０ｎｍ。
第８半導体層１４０ｈ：アンドープＡｌＩｎＡｓ、厚さ１．６ｎｍ。
第９半導体層１４０ｉ：アンドープＧａＩｎＡｓ、厚さ３．０ｎｍ。
第１０半導体層１４０ｊ：アンドープＡｌＩｎＡｓ、厚さ３．８ｎｍ。
第１１半導体層１４０ｋ：アンドープＧａＩｎＡｓ、厚さ２．１ｎｍ。
第１２半導体層１４０ｍ：アンドープＡｌＩｎＡｓ、厚さ１．２ｎｍ。
第１３半導体層１４０ｎ：アンドープＧａＩｎＡｓ、厚さ６．５ｎｍ。
第１４半導体層１４０ｐ：アンドープＡｌＩｎＡｓ、厚さ１．２ｎｍ。
第１５半導体層１４０ｑ：アンドープＧａＩｎＡｓ、厚さ５．３ｎｍ。
第１６半導体層１４０ｒ：アンドープＡｌＩｎＡｓ、厚さ２．３ｎｍ。
【００２９】
上部光閉じ込め層１５は、コア層１４上に設けられる。上部光閉じ込め層１５は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓにより構成され、その厚さは例えば０．１〜０．５μｍ程度である。キャップ層１６ａは、上部光閉じ込め層１５上に設けられる。キャップ層１６ａは、例えばｎ型ＩｎＰにより構成され、その厚さは例えば０．１〜０．５μｍ程度である。
【００３０】
第１埋込層１８は、メサストライプ部２０の一側面を埋め込むように第１領域１１ａ上に設けられる。また、第１埋込層１８は、半絶縁性半導体材料により構成される第１半絶縁性半導体領域２１を含み、第１埋込層１８の厚さはメサストライプ部２０の高さと略同じである。第２埋込層１９は、メサストライプ部２０の他側面を埋め込むように第３領域１１ｃ上に設けられる。また、第２埋込層１９は、半絶縁性半導体材料により構成される第２半絶縁性半導体領域２２を含み、第２埋込層１９の厚さはメサストライプ部２０の高さと略同じである。
【００３１】
第１半絶縁性半導体領域２１および第２半絶縁性半導体領域２２を構成する半絶縁性半導体材料は、例えばＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓなどの半導体から構成される。この半導体は、例えばＦｅ、Ｔｉ、ＣｒまたはＣｏのうちのいずれかの遷移金属をドープすることによって半絶縁化される。ドーパントとして用いられる遷移金属は、電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成可能である。この遷移金属をドープした第１半絶縁性半導体領域２１および第２半絶縁性半導体領域２２では、電子に対する抵抗値がホールに対する抵抗値よりも高く、電子をキャリアとする電流(電子電流)に対して１０５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有するため、第１埋込層１８および第２埋込層１９は、量子カスケード半導体レーザ１内部を流れる電子電流に対し、電流ブロック層として機能する。
【００３２】
上部クラッド層１６は、メサストライプ部２０、第１埋込層１８および第２埋込層１９上に設けられる。上部クラッド層１６は、例えばｎ型ＩｎＰにより構成され、その厚さは例えば２〜４μｍ程度である。コンタクト層１７は、上部クラッド層１６上に設けられる。コンタクト層１７は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓにより構成され、その厚さは例えば０．１〜１μｍ程度である。
【００３３】
上部電極Ｅ１は、コンタクト層１７上に設けられる。上部電極Ｅ１は、例えばＴｉ／Ａｕにより構成され、その厚さは例えばＴｉは１０〜１００ｎｍ程度、Ａｕは５〜７μｍ程度である。下部電極Ｅ２は、半導体基板１１の裏面１１ｎ上に設けられる。下部電極Ｅ２は、例えばＴｉ／Ａｕにより構成され、その厚さは例えばＴｉは１０〜１００ｎｍ程度、Ａｕは０．１〜１μｍ程度である。
【００３４】
続いて、量子カスケード半導体レーザ１の製造方法について説明する。図２および図３は、量子カスケード半導体レーザ１の製造手順を示す図である。図２の（ａ）に示されるように、まず、半導体基板１１の主面１１ｍ上に半導体積層５０を成長する。具体的には、半導体基板１１の主面１１ｍ上に下部クラッド層５２、下部光閉じ込め層５３、コア層５４、上部光閉じ込め層５５およびキャップ層５６を順に成長する（第１成長工程）。この第１成長工程では、例えばＯＭＶＰＥ（Organometallic  Vapor  Phase  Epitaxy）またはＭＢＥ（Molecular  Beam  Epitaxy）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体用の一般的な結晶成長装置を用いて、上述の各層を成長する。そして、メサストライプ部２０を形成するための誘電体マスクＭを、キャップ層５６の第２領域１１ｂ上の領域に形成する（マスク形成工程）。この誘電体マスクＭは、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）またはシリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）などの半導体プロセスに用いられる一般的な誘電体材料により構成される。
【００３５】
次に、図２の（ｂ）に示されるように、誘電体マスクＭにより覆われていない第１領域１１ａおよび第３領域１１ｃ上の半導体積層５０を、半導体基板１１の主面１１ｍに達するまでエッチングして、第２領域１１ｂ上にメサストライプ部２０を形成する（メサ形成工程）。このエッチングには、ウェットエッチングまたはドライエッチングが用いられる。なお、第１領域１１ａおよび第３領域１１ｃ上の半導体積層５０を主面１１ｍに達するまでエッチングする例を示したが、少なくとも下部クラッド層５２の主面に達するまでエッチングすればよく、必要に応じて下部クラッド層５２の途中までエッチングするようにしてもよい。
【００３６】
続いて、誘電体マスクＭを除去することなく、埋込層を成長する。このとき、図２の（ｃ）に示されるように、誘電体マスクＭ上には結晶成長せず、第１領域１１ａ上に第１埋込層１８を成長し、第３領域１１ｃ上に第２埋込層１９を成長する（第２成長工程）。この第２成長工程により、メサストライプ部２０の両側面が第１埋込層１８および第２埋込層１９によって埋め込まれた埋め込みヘテロストラクチャが得られる。その後、誘電体マスクＭを除去する（マスク除去工程）。そして、図３の（ａ）に示されるように、メサストライプ部２０、第１埋込層１８および第２埋込層１９上に上部クラッド層１６およびコンタクト層１７を順に成長する（第３成長工程）。
【００３７】
次に、図３の（ｂ）に示されるように、蒸着またはスパッタなどを用いて、コンタクト層１７上に上部電極Ｅ１を形成する。その後、劈開を容易にするため、半導体基板１１の裏面１１ｎを研磨などすることによって、半導体基板１１を劈開可能な厚さ（１００〜２００μｍ程度）まで薄くする。さらに、図３の（ｃ）に示されるように、蒸着またはスパッタなどを用いて、裏面１１ｎに下部電極Ｅ２を形成する（電極形成工程）。以上のようにして、量子カスケード半導体レーザ１を作製する。
【００３８】
このように、量子カスケード半導体レーザ１では、素子中央部において半導体基板１１の主面１１ｍ上に、コア層１４を含むメサストライプ部２０が設けられ、半絶縁性半導体材料からなる領域を含む第１埋込層１８および第２埋込層１９がメサストライプ部２０の両側面を埋め込むように設けられる。また、メサストライプ部２０、第１埋込層１８および第２埋込層１９の上側には素子全面に亘って上部クラッド層１６が設けられ、上部クラッド層１６上にコンタクト層１７が設けられる。なお、コア層１４に導波光が充分に閉じ込められる場合には、下部光閉じ込め層１３および上部光閉じ込め層１５は省略されてもよい。また、上部クラッド層１６と上部電極Ｅ１との間に良好なオーミックコンタクトが得られる場合には、コンタクト層１７は省略されてもよい。さらに、半導体基板１１を下部クラッド層として使用できる場合には、下部クラッド層１２は省略されてもよい。
【００３９】
ここで、量子カスケード半導体レーザ１の発光メカニズムについて説明する。図４の（ａ）は量子カスケード半導体レーザ１の発光メカニズムを説明するための図、（ｂ）はｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子の発光メカニズムを説明するための図である。図４の（ａ）において、横軸はコア層１４の厚さ方向を示し、縦軸はエネルギー準位を示す。また、同図では、コア層１４を構成する複数の単位積層体１４０のうち、隣り合う２つの単位積層体１４０Ｕ，１４０Ｄが示されており、例えば４５ｋＶ／ｃｍの均一な電界がコア層１４に印加された場合の伝導帯のサブバンド状態が示されている。図４の（ｂ）において、横軸は活性層の厚さ方向を示し、縦軸はエネルギー準位を示す。
【００４０】
図４の（ａ）に示されるように、単位積層体１４０は、注入層１４１および活性層１４２から構成される。注入層１４１は、複数の量子井戸層（第１半導体層１４０ａ、第３半導体層１４０ｃ、第５半導体層１４０ｅ、第７半導体層１４０ｇ、第９半導体層１４０ｉ）と、複数の量子障壁層（第２半導体層１４０ｂ、第４半導体層１４０ｄ、第６半導体層１４０ｆ、第８半導体層１４０ｈ、第１０半導体層１４０ｊ）とを有する。活性層１４２は、複数の量子井戸層（第１１半導体層１４０ｋ、第１３半導体層１４０ｎ、第１５半導体層１４０ｑ）と、複数の量子障壁層（第１２半導体層１４０ｍ、第１４半導体層１４０ｐ、第１６半導体層１４０ｒ）とを有する。また、活性層１４２は、下位から順に第１準位Ｌ１、第２準位Ｌ２および第３準位Ｌ３のエネルギー準位を有する。
【００４１】
量子カスケード半導体レーザ１では、コア層１４に均一電界が印加されると仮定して、コア層１４の構造が設計されている。例えば４５ｋＶ／ｃｍの均一な電界がコア層１４に印加された場合、上段の単位積層体１４０Ｕの注入層１４１からの電子が、上段の単位積層体１４０Ｕの活性層１４２の第３準位Ｌ３に注入される。活性層１４２では、この第３準位Ｌ３に位置する電子Ｅ３１は、第２準位Ｌ２に遷移し、電子Ｅ２１となる。この遷移に応じて、第３準位Ｌ３と第２準位Ｌ２との間のエネルギー準位の差に相当する波長の光が生成される。第２準位Ｌ２の電子Ｅ２１は、第１準位Ｌ１に遷移し、電子Ｅ１１となる。そして、第１準位Ｌ１の電子Ｅ１１は、下段の単位積層体１４０Ｄの注入層１４１を介して、下段の単位積層体１４０Ｄの活性層１４２の第３準位Ｌ３にスムーズに注入される。この第３準位Ｌ３に位置する電子Ｅ３２は、電子Ｅ３１と同様に、第２準位Ｌ２に遷移し、電子Ｅ２２となる。この遷移に応じて、第３準位Ｌ３と第２準位Ｌ２との間のエネルギー準位の差に相当する波長の光が生成される。第２準位Ｌ２の電子Ｅ２２は、第１準位Ｌ１に遷移し、電子Ｅ１２となる。そして、第１準位Ｌ１の電子Ｅ１２は、さらに下段の単位積層体１４０の注入層１４１を介して、さらに下段の単位積層体１４０の活性層１４２の第３準位Ｌ３にスムーズに注入される。
【００４２】
このような電子の注入および遷移が各単位積層体１４０で繰り返されることにより、コア層１４において、カスケード的に光の生成が起こる。ここで、第２準位Ｌ２および第３準位Ｌ３のエネルギー準位と両者のエネルギー間隔とは、活性層１４２の各量子井戸層の材料組成と厚さ、各量子障壁層の材料組成と厚さ、および、均一性を仮定した印加電界によって決まる。特に注目すべきは、第２準位Ｌ２および第３準位Ｌ３のエネルギー準位と両者のエネルギー間隔とが均一性を仮定した印加電界によって決まることである。このため、量子カスケード半導体レーザでは、コア層１４に印加される電界の均一性が低下すると、サブバンド状態が設計値から変化するので、設計通りの発振特性の実現が困難となる。
【００４３】
一方、従来のｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子では、図４の（ｂ）に示されるように、上部電極と下部電極との間に順方向電圧が印加された場合、伝導帯の電子Ｅが価電子帯に遷移し、価電子帯のホールＨと結合することによって発光が生じる。すなわち、従来の半導体レーザ素子における発光は、ｐ型半導体層からのホールＨの注入と、ｎ型半導体層からの電子Ｅの注入とに応じた再結合によって生じる。活性層における電界は、ｐ型半導体層−活性層−ｎ型半導体層で構成されるｐｎ接合領域に形成され、これらのキャリアに対するエネルギー障壁（ビルトインポテンシャル）を必要なだけ低減し、活性層にこれらのキャリアを注入するために、順バイアス方向に印加される。この場合、活性層に印加される電界は均一である必要はなく、キャリアが活性層にスムーズに注入される程度に、ビルトインポテンシャルを低減できるだけの電界強度があればよい。このように、量子カスケード半導体レーザの発光メカニズムは、ｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子の発光メカニズムとは異なる。この発光メカニズムの相違によって、ｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子では、活性層に印加される電界の均一性は要求されないが、量子カスケード半導体レーザでは、コア層に印加される電界の均一性を向上することが望まれる。
【００４４】
続いて、量子カスケード半導体レーザ１の作用効果について説明する。図５の（ａ）は比較例の量子カスケード半導体レーザ１００のメサ構造を概略的に示す図、（ｂ）は量子カスケード半導体レーザ１のメサ構造を概略的に示す図である。図６の（ａ）は比較例の量子カスケード半導体レーザ１００の構造を概略的に示す図、（ｂ）は量子カスケード半導体レーザ１の構造を概略的に示す図である。
【００４５】
比較例の量子カスケード半導体レーザ１００では、半導体基板１１１の主面１１１ｍに下部クラッド層１１２、下部光閉じ込め層１１３、コア層１１４、上部光閉じ込め層１１５、上部クラッド層１１６、および、コンタクト層１１７までの半導体積層を成長した後、メサストライプ部１２０を形成するための誘電体マスクＭを半導体基板１１１の第２領域１１１ｂ上のコンタクト層１１７上に形成している。そして、図５の（ａ）に示されるように、誘電体マスクＭにより覆われていない第１領域１１１ａおよび第３領域１１１ｃ上の半導体積層を半導体基板１１１の主面１１１ｍに達するまでエッチングして、第２領域１１１ｂ上にメサストライプ部１２０を形成している。
【００４６】
ここで、量子カスケード半導体レーザでは、コア層の厚さは１〜２μｍ程度であり、ｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子のコア層の厚さよりも大きい。また、上部クラッド層の厚さは、２〜４μｍ程度である。このため、量子カスケード半導体レーザ１００のメサストライプ部１２０の高さは、５〜６μｍ以上になる。このような高さを有するメサストライプ部１２０をエッチングにより形成する場合、垂直方向のエッチングに加え、水平方向のサイドエッチングも大きくなる。したがって、メサストライプ部１２０の幅方向に沿った断面形状は、矩形状から逸脱した形状となる。また、図６の（ａ）に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１００では、そのメサストライプ部１２０の両側面を埋め込むように第１埋込層１１８および第２埋込層１１９が設けられる。そして、下部電極Ｅ１０２側を高電位として、上部電極Ｅ１０１と下部電極Ｅ１０２との間に電圧が印加された場合、メサストライプ部１２０の幅方向に沿った断面形状が台形状であるため、電子をキャリアとする電流Ｉ１００は法線軸ＮＶに沿って下方向に向かうにつれて幅方向に拡散し、幅方向において、より広いコア断面積を流れるようになる。このため、コア層１１４に印加される電界は空間的に均一でない。すなわち、コア層１１４の上部の幅と下部の幅とが異なるため、法線軸ＮＶに沿ってコア層１１４の電界強度が異なる。このように、メサストライプ部の高さが大きいと、コア層に印加される電界の均一性が低下する。
【００４７】
そこで、量子カスケード半導体レーザ１では、メサストライプ部２０の高さを小さくすることにより、コア層１４に印加される電界の均一性を向上する。すなわち、メサストライプ部２０が下部クラッド層１２、下部光閉じ込め層１３、コア層１４、上部光閉じ込め層１５およびキャップ層１６ａにより構成され、上部クラッド層１６およびコンタクト層１７を含まないようにすることにより、メサストライプ部２０の高さを小さくしている。このため、メサストライプ部２０の高さは、例えば１．５〜３μｍ程度であって、メサストライプ部１２０の高さよりも小さい。したがって、図５の（ｂ）に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１では、量子カスケード半導体レーザ１００と比較して、メサストライプ部２０をエッチングにより形成する際のサイドエッチング量を低減でき、メサストライプ部２０の幅方向の断面形状を、メサストライプ部１２０の幅方向の断面形状よりも、矩形状に近づけることが可能となる。
【００４８】
また、量子カスケード半導体レーザ１では、メサストライプ部２０の両側面を埋め込むように、第１埋込層１８および第２埋込層１９が設けられている。この第１埋込層１８および第２埋込層１９は、電子をトラップする半絶縁性半導体からなる領域を含み、電子をキャリアとする電流に対して１０５Ωｃｍ以上の高抵抗値を有する。したがって、図６の（ｂ）に示されるように、下部電極Ｅ２側を高電位として、上部電極Ｅ１と下部電極Ｅ２との間に電圧が印加された場合、電子をキャリアとする電流Ｉ１をメサストライプ部２０内に強く狭窄することが可能である。そして、メサストライプ部２０の幅方向の断面形状がメサストライプ部１２０の幅方向の断面形状よりも矩形状に近いため、メサストライプ部２０において、法線軸ＮＶに沿って下方向に向かうに従い生じる、電流Ｉ１の幅方向の拡散を電流Ｉ１００に比べて低減できる。その結果、量子カスケード半導体レーザ１は、量子カスケード半導体レーザ１００と比較して、コア層１４に印加される電界の均一性を向上することができる。
【００４９】
なお、遷移金属をドープした半絶縁性半導体は、ホールをトラップできず、ホールに対しては高抵抗値を有しない。このため、量子カスケード半導体レーザ１の構造を、電子電流以外にホールをキャリアとする電流（ホール電流）も流れるｐｎ接合を用いた半導体レーザ素子に適用した場合、ホール電流は第１埋込層１８および第２埋込層１９を通過できる。したがって、ホール電流をメサストライプ部２０に電流狭窄できないため、メサストライプ部２０の外に、ホールによる大きな漏れ電流が発生する。しかしながら、量子カスケード半導体レーザ１は、ｎ型の半導体層のみで構成されるため、電子をキャリアとする電流は生じるが、ホール電流は生じない。このため、量子カスケード半導体レーザ１では、メサストライプ部２０に電流を強く狭窄でき、発振特性を向上することが可能となる。
【００５０】
また、量子カスケード半導体レーザ１を構成する各半導体層は、ＩｎＰに近い格子定数を有する。このため、半導体基板１１がＩｎＰから構成される場合、半導体積層１０を良好に結晶成長できる。また、ＩｎＰは２元混晶で、ＩｎＰから構成される半導体基板に自動的に格子整合する。したがって、これをクラッド層に用いることにより、ＩｎＰ基板上に下部クラッド層１２、および上部クラッド層１６を結晶性良く成長できる。さらに、ＩｎＰは熱伝導性が高い。このため、下部クラッド層１２および上部クラッド層１６がＩｎＰから構成される場合、コア層１４からの放熱性を向上でき、量子カスケード半導体レーザ１の温度特性を向上することが可能となる。また、コア層１４が、複数の活性層と複数の注入層とが交互に配列されたカスケード構造を有し、活性層および注入層の各々が、ＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓからなる超格子列で構成される場合、活性層内の伝導帯サブバンド間遷移による中赤外域での発光が得られる。また、活性層間に注入層が設けられることによって、電子は隣り合う活性層に連続的にスムーズに受け渡されて伝導帯サブバンド間遷移による発光が効率よく生じる。その結果、量子カスケード半導体レーザ１は、良好な発振が得られる。
【００５１】
［第１変形例］
量子カスケード半導体レーザ１では、第１埋込層１８および第２埋込層１９が単一の半絶縁性半導体領域を有するが、第１埋込層１８および第２埋込層１９が複数の半絶縁性半導体領域を有してもよい。図７は、量子カスケード半導体レーザ１の第１変形例の構造を概略的に示す図である。図７に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１Ａは、量子カスケード半導体レーザ１に対して、第１埋込層１８および第２埋込層１９に代えて、第１埋込層１８Ａおよび第２埋込層１９Ａを有する点においてのみ相違する。以下、第１埋込層１８Ａおよび第２埋込層１９Ａについて説明する。その他の構成については、量子カスケード半導体レーザ１と同様であるので、その説明を省略する。
【００５２】
第１埋込層１８Ａは、第１半絶縁性半導体領域２１Ａと、第３半絶縁性半導体領域２３Ａと、を有する。第１半絶縁性半導体領域２１Ａは、第１領域１１ａの主面１１ｍ上に設けられ、第１領域１１ａの主面１１ｍ全体とメサストライプ部２０の一側面全体とに接する。すなわち、第１半絶縁性半導体領域２１Ａは、第１埋込層１８Ａとコア層１４とが接する面を含む第１側面部２１ａおよび第１埋込層１８Ａと半導体基板１１とが接する面を含む第１底面部２１ｂを有する。第３半絶縁性半導体領域２３Ａは、第１埋込層１８Ａの高さがメサストライプ部２０の高さと同程度になるように第１半絶縁性半導体領域２１Ａ上に設けられる。なお、第１半絶縁性半導体領域２１Ａの第１底面部２１ｂは、必ずしも半導体基板１１と接して設けられる必要はなく、半導体基板１１上に設けられればよい。例えば、半導体基板１１と第１底面部２１ｂとの間に、例えばバッファ層などが含まれていてもよい。
【００５３】
第２埋込層１９Ａは、第２半絶縁性半導体領域２２Ａと、第４半絶縁性半導体領域２４Ａと、を有する。第２半絶縁性半導体領域２２Ａは、第３領域１１ｃの主面１１ｍ上に設けられ、第３領域１１ｃの主面１１ｍ全体とメサストライプ部２０の他側面全体とに接する。すなわち、第２半絶縁性半導体領域２２Ａは、第２埋込層１９Ａとコア層１４とが接する面を含む第２側面部２２ａおよび第２埋込層１９Ａと半導体基板１１とが接する面を含む第２底面部２２ｂを有する。第４半絶縁性半導体領域２４Ａは、第２埋込層１９Ａの高さがメサストライプ部２０の高さと同程度になるように第２半絶縁性半導体領域２２Ａ上に設けられる。なお、第２半絶縁性半導体領域２２Ａの第２底面部２２ｂは、必ずしも半導体基板１１と接して設けられる必要はなく、半導体基板１１上に設けられればよい。例えば、半導体基板１１と第２底面部２２ｂとの間に、例えばバッファ層などが含まれていてもよい。
【００５４】
このように構成された量子カスケード半導体レーザ１Ａにおいても、量子カスケード半導体レーザ１と同様の作用効果が得られる。さらに、量子カスケード半導体レーザ１Ａにおいては、第１埋込層１８Ａは、第１半絶縁性半導体領域２１Ａと、第１半絶縁性半導体領域２１Ａを構成する半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料により構成される第３半絶縁性半導体領域２３Ａと、を有し、第２埋込層１９Ａは、第２半絶縁性半導体領域２２Ａと、第２半絶縁性半導体領域２２Ａを構成する半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料により構成される第４半絶縁性半導体領域２４Ａと、を有する。このため、第１埋込層１８Ａおよび第２埋込層１９Ａでは、屈折率、バンドギャップおよび熱伝導といった特性の異なる複数の半絶縁性半導体領域を組み合わせることができる。その結果、設計の自由度が増し、量子カスケード半導体レーザ１Ａの特性の改善の検討を容易化することが可能となる。
【００５５】
第１半絶縁性半導体領域２１Ａおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ａは、半絶縁性半導体材料により構成される。また、第３半絶縁性半導体領域２３Ａおよび第４半絶縁性半導体領域２４Ａは、第１半絶縁性半導体領域２１Ａおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ａを構成する半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料により構成される。半絶縁性半導体材料として、例えばＦｅなどの遷移金属をドープしたＩｎＰおよびＡｌＩｎＡｓが用いられる。これらの半導体材料を用いることで、第１半絶縁性半導体領域２１Ａ、第２半絶縁性半導体領域２２Ａ、第３半絶縁性半導体領域２３Ａおよび第４半絶縁性半導体領域２４Ａでは、電子に対する抵抗値がホールに対する抵抗値よりも高く、電子電流に対して１０５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有する。このため、第１埋込層１８Ａおよび第２埋込層１９Ａは、量子カスケード半導体レーザ１Ａ内部を流れる電子電流に対し、電流ブロック層として機能する。
【００５６】
具体例として、第１半絶縁性半導体領域２１Ａのバンドギャップは、第３半絶縁性半導体領域２３Ａのバンドギャップよりも高く、第２半絶縁性半導体領域２２Ａのバンドギャップは、第４半絶縁性半導体領域２４Ａのバンドギャップよりも高いことが望ましい。この場合、第１半絶縁性半導体領域２１Ａおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ａと隣り合う下部クラッド層１２、下部光閉じ込め層１３、コア層１４、上部光閉じ込め層１５、キャップ層１６ａ、および、半導体基板１１との間の伝導帯端のエネルギー不連続が増加し、電子に対するエネルギー障壁が増大する。このため、深い準位による電子トラップ効果に加えて、増大したエネルギー障壁によって、隣り合う半導体層から第１埋込層１８Ａおよび第２埋込層１９Ａへの電子の侵入をさらに抑制することが可能となる。したがって、第１埋込層１８Ａおよび第２埋込層１９Ａは、第１埋込層１８および第２埋込層１９と比較して、電子に対してさらに高抵抗値を有する。このため、下部電極Ｅ２側を高電位として、上部電極Ｅ１と下部電極Ｅ２との間に電圧が印加された場合、電子をキャリアとする電流をメサストライプ部２０により強く狭窄することができ、発振特性を向上することが可能となる。
【００５７】
第１半絶縁性半導体領域２１Ａおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ａを構成する高バンドギャップの半絶縁性材料として遷移金属をドープしたＡｌＩｎＡｓが望ましい。このＡｌＩｎＡｓは、電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成可能な遷移金属をドープすることにより、ＩｎＰと同様に電子に対し高抵抗化する。また、ＡｌＩｎＡｓは、ＩｎＰよりも高バンドギャップを有する。したがって、ＡｌＩｎＡｓを用いることで、半絶縁性半導体材料として一般的なＩｎＰを用いた場合に比べて、電子に対するヘテロ障壁を増大させることができる。なお、ＡｌＩｎＡｓは、組成変動しやすい３元混晶で、かつ酸化されやすいＡｌを含むため、厚膜の成長は容易でない。また、ＡｌＩｎＡｓの熱伝導率は、ＩｎＰの熱伝導率より１桁小さい。したがって、第１埋込層１８Ａおよび第２埋込層１９Ａでは、隣り合う半導体層と接する第１半絶縁性半導体領域２１Ａおよび第２半絶縁性半導体領域２２ＡにＡｌＩｎＡｓを用い、それ以外の第３半絶縁性半導体領域２３Ａおよび第４半絶縁性半導体領域２４Ａには、熱伝導率が大きく、結晶成長も容易なＩｎＰを用いることが望ましい。この場合、埋込層１８Ａ，１９Ａの全体をＡｌＩｎＡｓで形成する場合に比べて、製造の容易化および熱伝導率増加による温度特性の向上が可能となる。
【００５８】
［第２変形例］
図８は、量子カスケード半導体レーザ１の第２変形例の構造を概略的に示す図である。図８に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１Ｂは、量子カスケード半導体レーザ１に対して、第１埋込層１８および第２埋込層１９に代えて、第１埋込層１８Ｂおよび第２埋込層１９Ｂを有する点においてのみ相違する。以下、第１埋込層１８Ｂおよび第２埋込層１９Ｂについて説明する。その他の構成については、量子カスケード半導体レーザ１と同様であるので、その説明を省略する。
【００５９】
第１埋込層１８Ｂは、第１半絶縁性半導体領域２１Ｂと、第３半絶縁性半導体領域２３Ｂと、を有する。第１半絶縁性半導体領域２１Ｂは、第１領域１１ａの主面１１ｍ上に設けられ、第１領域１１ａの主面１１ｍ全体とメサストライプ部２０の一側面全体と第１領域１１ａ上の上部クラッド層１６の裏面全体とに接する。すなわち、第１半絶縁性半導体領域２１Ｂは、第１埋込層１８Ｂとコア層１４とが接する面を含む第１側面部２１ａ、第１埋込層１８Ｂと半導体基板１１とが接する面を含む第１底面部２１ｂおよび第１埋込層１８Ｂと上部クラッド層１６とが接する面を含む第１頂面部２１ｃを有する。第３半絶縁性半導体領域２３Ｂは、第１半絶縁性半導体領域２１Ｂに囲まれた部分を埋め込むように設けられる。なお、第１半絶縁性半導体領域２１Ｂの第１底面部２１ｂは、必ずしも半導体基板１１と接して設けられる必要はなく、半導体基板１１上に設けられればよい。例えば、半導体基板１１と第１底面部２１ｂとの間に、例えばバッファ層などが含まれていてもよい。
【００６０】
第２埋込層１９Ｂは、第２半絶縁性半導体領域２２Ｂと、第４半絶縁性半導体領域２４Ｂと、を有する。第２半絶縁性半導体領域２２Ｂは、第３領域１１ｃの主面１１ｍ上に設けられ、第３領域１１ｃの主面１１ｍ全体とメサストライプ部２０の他側面全体と第３領域１１ｃ上の上部クラッド層１６の裏面全体とに接する。すなわち、第２半絶縁性半導体領域２２Ｂは、第２埋込層１９Ｂとコア層１４とが接する面を含む第２側面部２２ａ、第２埋込層１９Ｂと半導体基板１１とが接する面を含む第２底面部２２ｂおよび第２埋込層１９Ｂと上部クラッド層１６とが接する面を含む第２頂面部２２ｃを有する。第４半絶縁性半導体領域２４Ｂは、第２半絶縁性半導体領域２２Ｂに囲まれた部分を埋め込むように設けられる。なお、第２半絶縁性半導体領域２２Ｂの第２底面部２２ｂは、必ずしも半導体基板１１と接して設けられる必要はなく、半導体基板１１上に設けられればよい。例えば、半導体基板１１と第２底面部２２ｂとの間に、例えばバッファ層などが含まれていてもよい。
【００６１】
このように構成された量子カスケード半導体レーザ１Ｂにおいても、量子カスケード半導体レーザ１および量子カスケード半導体レーザ１Ａと同様の作用効果が得られる。さらに、量子カスケード半導体レーザ１Ｂにおいては、第１埋込層１８Ｂは、第１半絶縁性半導体領域２１Ｂと、第１半絶縁性半導体領域２１Ｂを構成する半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料により構成される第３半絶縁性半導体領域２３Ｂと、を有し、第２埋込層１９Ｂは、第２半絶縁性半導体領域２２Ｂと、第２半絶縁性半導体領域２２Ｂを構成する半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料により構成される第４半絶縁性半導体領域２４Ｂと、を有する。このため、第１埋込層１８Ｂおよび第２埋込層１９Ｂでは、屈折率、バンドギャップおよび熱伝導といった特性の異なる複数の半絶縁性半導体領域を組み合わせることができる。その結果、量子カスケード半導体レーザ１Ａ同様、設計の自由度が増し、量子カスケード半導体レーザ１Ｂの特性の改善の検討を容易化することが可能となる。
【００６２】
一例として、第１半絶縁性半導体領域２１Ｂおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ｂは、第１半絶縁性半導体領域２１Ａおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ａと同様に、高バンドギャップを有する半絶縁性半導体材料、例えばＡｌＩｎＡｓにより構成される。また、第３半絶縁性半導体領域２３Ｂおよび第４半絶縁性半導体領域２４Ｂは、第３半絶縁性半導体領域２３Ａおよび第４半絶縁性半導体領域２４Ａと同様に、第１半絶縁性半導体領域２１Ｂおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ｂを構成する半絶縁性半導体材料とは異なる半絶縁性半導体材料、例えばＩｎＰにより構成される。これらの半絶縁性半導体材料は、第１変形例と同様であるので、その説明を省略する。
【００６３】
上記量子カスケード半導体レーザ１Ｂにおいては、第１埋込層１８Ｂの隣り合うすべての半導体層との境界面に高バンドギャップの第１半絶縁性半導体領域２１Ｂが設けられ、第２埋込層１９Ｂの隣り合うすべての半導体層との境界面に高バンドギャップの第２半絶縁性半導体領域２２Ｂが設けられる。このため、量子カスケード半導体レーザ１Ｂでは、量子カスケード半導体レーザ１Ａと比較して、第１埋込層１８Ｂおよび第２埋込層１９Ｂへの電子の侵入をさらに抑制できる。
【００６４】
［第３変形例］
上記実施形態および変形例では、第１埋込層および第２埋込層は、半絶縁性半導体領域のみを有するが、これに限定されず、第１埋込層および第２埋込層は、半絶縁性以外の半導体領域を有してもよい。図９は、量子カスケード半導体レーザ１の第３変形例の構造を概略的に示す図である。図９に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１Ｃは、量子カスケード半導体レーザ１に対して、第１埋込層１８および第２埋込層１９に代えて、第１埋込層１８Ｃおよび第２埋込層１９Ｃを有する点においてのみ相違する。以下、第１埋込層１８Ｃおよび第２埋込層１９Ｃについて説明する。その他の構成については、量子カスケード半導体レーザ１と同様であるので、その説明を省略する。
【００６５】
第１埋込層１８Ｃは、第１半絶縁性半導体領域２１Ｃと、第１半導体領域２５Ｃと、を有する。第１半絶縁性半導体領域２１Ｃは、第１領域１１ａの主面１１ｍ上に設けられ、第１領域１１ａの主面１１ｍ全体とメサストライプ部２０の一側面全体と第１領域１１ａ上の上部クラッド層１６の裏面全体とに接する。すなわち、第１半絶縁性半導体領域２１Ｃは、第１埋込層１８Ｃとコア層１４とが接する面を含む第１側面部２１ａ、第１埋込層１８Ｃと半導体基板１１とが接する面を含む第１底面部２１ｂおよび第１埋込層１８Ｃと上部クラッド層１６とが接する面を含む第１頂面部２１ｃを有する。第１半導体領域２５Ｃは、第１半絶縁性半導体領域２１Ｃに囲まれた部分を埋め込むように設けられる。このように、第１埋込層１８Ｃは、量子カスケード半導体レーザ１Ｂの第１埋込層１８Ｂの第３半絶縁性半導体領域２３Ｂを第１半導体領域２５Ｃに置き換えたものである。なお、半導体基板１１と第１底面部２１ｂとの間には、バッファ層などが設けられていてもよい。
【００６６】
第２埋込層１９Ｃは、第２半絶縁性半導体領域２２Ｃと、第２半導体領域２６Ｃと、を有する。第２半絶縁性半導体領域２２Ｃは、第３領域１１ｃの主面１１ｍ上に設けられ、第３領域１１ｃの主面１１ｍ全体とメサストライプ部２０の他側面全体と第３領域１１ｃ上の上部クラッド層１６の裏面全体とに接する。すなわち、第２半絶縁性半導体領域２２Ｃは、第２埋込層１９Ｃとコア層１４とが接する面を含む第２側面部２２ａ、第２埋込層１９Ｃと半導体基板１１とが接する面を含む第２底面部２２ｂおよび第２埋込層１９Ｃと上部クラッド層１６とが接する面を含む第２頂面部２２ｃを有する。第２半導体領域２６Ｃは、第２半絶縁性半導体領域２２Ｃに囲まれた部分を埋め込むように設けられる。
このように、第２埋込層１９Ｃは、量子カスケード半導体レーザ１Ｂの第２埋込層１９Ｂの第４半絶縁性半導体領域２４Ｂを第２半導体領域２６Ｃに置き換えたものである。なお、半導体基板１１と第２底面部２２ｂとの間には、バッファ層などが設けられていてもよい。
【００６７】
第１半絶縁性半導体領域２１Ｃおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ｃは、半絶縁性半導体材料により構成される。この半絶縁性半導体材料として、例えばＦｅなどの遷移金属をドープしたＩｎＰが用いられる。したがって、第１半絶縁性半導体領域２１Ｃおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ｃでは、電子に対する抵抗値がホールに対する抵抗値よりも高く、電子電流に対して１０５Ωｃｍ以上の高抵抗特性を有する。このため、第１埋込層１８Ｃおよび第２埋込層１９Ｃは、量子カスケード半導体レーザ１Ｃ内部を流れる電子電流に対し、電流ブロック層として機能する。また、第１半導体領域２５Ｃおよび第２半導体領域２６Ｃは、アンドープまたはｎ型の半導体材料により構成される。この半導体材料として、例えばn型ＩｎＰおよびアンドープＩｎＰが用いられる。
【００６８】
このように構成された量子カスケード半導体レーザ１Ｃにおいても、量子カスケード半導体レーザ１と同様の作用効果が得られる。また、中赤外領域においては、一般に、遷移金属をドープした半絶縁性半導体材料からなる半絶縁半導体領域の光吸収損は、アンドープまたはｎ型の半導体材料からなる半導体領域の光吸収損よりも大きい。例えば、電流ブロック層用に最も一般的に用いられる半絶縁性半導体であるＦｅドープＩｎＰは、ＩｎＰ中に形成される複数のＦｅイオン準位間の遷移に起因して、例えば３〜４μｍの中赤外領域に特異な光吸収帯が存在し、アンドープやｎ型のＩｎＰに比べて光吸収が大となりやすい。そこで、量子カスケード半導体レーザ１Ｃにおいては、第１埋込層１８Ｃおよび第２埋込層１９Ｃがアンドープまたはｎ型の半導体領域を有することにより、第１埋込層１８および第２埋込層１９が半絶縁性半導体領域のみを有する場合と比較して、光吸収損を低減でき、量子カスケード半導体レーザ１Ｃの発振特性を向上することが可能となる。また、アンドープの半導体材料は熱伝導率が高い。このため、第１半導体領域２５Ｃおよび第２半導体領域２６Ｃがアンドープの半導体材料から構成される場合、コア層１４から第１埋込層１８Ｃおよび第２埋込層１９Ｃへの放熱性を向上できる。その結果、コア層１４の温度上昇を低減でき、量子カスケード半導体レーザ１Ｃの温度特性を向上することが可能となる。
【００６９】
［第４変形例］
図１０は、量子カスケード半導体レーザ１の第４変形例の構造を概略的に示す図である。図１０に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１Ｄは、量子カスケード半導体レーザ１に対して、第１埋込層１８および第２埋込層１９に代えて、第１埋込層１８Ｄおよび第２埋込層１９Ｄを有する点においてのみ相違する。以下、第１埋込層１８Ｄおよび第２埋込層１９Ｄについて説明する。その他の構成については、量子カスケード半導体レーザ１と同様であるので、その説明を省略する。
【００７０】
第１埋込層１８Ｄは、第１半絶縁性半導体領域２１Ｄと、第１半導体領域２５Ｄと、を有する。第１半絶縁性半導体領域２１Ｄは、第１領域１１ａの主面１１ｍ上に設けられ、第１領域１１ａの主面１１ｍ全体とメサストライプ部２０の一側面全体とに接する。すなわち、第１半絶縁性半導体領域２１Ｄは、第１埋込層１８Ｄとコア層１４とが接する面を含む第１側面部２１ａおよび第１埋込層１８Ｄと半導体基板１１とが接する面を含む第１底面部２１ｂを有する。第１半導体領域２５Ｄは、第１埋込層１８Ｄの高さがメサストライプ部２０の高さと同程度になるように第１半絶縁性半導体領域２１Ｄ上に設けられる。このように、第１埋込層１８Ｄは、量子カスケード半導体レーザ１Ａの第１埋込層１８Ａの第３半絶縁性半導体領域２３Ａを第１半導体領域２５Ｄに置き換えたものである。なお、半導体基板１１と第１底面部２１ｂとの間には、バッファ層などが設けられていてもよい。
【００７１】
第２埋込層１９Ｄは、第２半絶縁性半導体領域２２Ｄと、第２半導体領域２６Ｄと、を有する。第２半絶縁性半導体領域２２Ｄは、第３領域１１ｃの主面１１ｍ上に設けられ、第３領域１１ｃの主面１１ｍ全体とメサストライプ部２０の他側面全体とに接する。すなわち、第２半絶縁性半導体領域２２Ｄは、第２埋込層１９Ｄとコア層１４とが接する面を含む第２側面部２２ａおよび第２埋込層１９Ｄと半導体基板１１とが接する面を含む第２底面部２２ｂを有する。第２半導体領域２６Ｄは、第２埋込層１９Ｄの高さがメサストライプ部２０の高さと同程度になるように第２半絶縁性半導体領域２２Ｄ上に設けられる。このように、第２埋込層１９Ｄは、量子カスケード半導体レーザ１Ａの第２埋込層１９Ａの第４半絶縁性半導体領域２４Ａを第２半導体領域２６Ｄに置き換えたものである。なお、半導体基板１１と第２底面部２２ｂとの間には、バッファ層などが設けられていてもよい。
【００７２】
第１半絶縁性半導体領域２１Ｄおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ｄは、第１半絶縁性半導体領域２１Ｃおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ｃと同様に、半絶縁性半導体材料により構成される。また、第１半導体領域２５Ｄおよび第２半導体領域２６Ｄは、第１半導体領域２５Ｃおよび第２半導体領域２６Ｃと同様に、アンドープまたはｎ型の半導体材料により構成される。これらの半絶縁性半導体材料および半導体材料は、第３変形例と同様であるので、その説明を省略する。
【００７３】
このように構成された量子カスケード半導体レーザ１Ｄにおいても、量子カスケード半導体レーザ１および量子カスケード半導体レーザ１Ｃと同様の作用効果が得られる。さらに、量子カスケード半導体レーザ１Ｄにおいては、第１埋込層１８Ｄおよび第２埋込層１９Ｄへの電子の侵入を防ぐために必要な部分にのみ半絶縁性半導体領域が設けられ、第１半導体領域２５Ｄおよび第２半導体領域２６Ｄは、第１半導体領域２５Ｃおよび第２半導体領域２６Ｃに対して大きい。このため、量子カスケード半導体レーザ１Ｄは、量子カスケード半導体レーザ１Ｃと比較して、光吸収損をさらに低減でき、量子カスケード半導体レーザ１Ｄは量子カスケード半導体レーザ１Ｃに比べて、発振特性をさらに向上することが可能となる。また同じく、第１半導体領域２５Ｄおよび第２半導体領域２６Ｄは、第１半導体領域２５Ｃおよび第２半導体領域２６Ｃに対して大きいため、第１半導体領域２５Ｄおよび第２半導体領域２６Ｄがアンドープの半導体材料から構成される場合、量子カスケード半導体レーザ１Ｃと比較して、コア層１４から第１埋込層１８Ｄおよび第２埋込層１９Ｄへの放熱性をさらに向上できる。その結果、コア層１４の温度上昇をさらに低減でき、量子カスケード半導体レーザ１Ｄは量子カスケード半導体レーザ１Ｃに比べて、温度特性をさらに向上することが可能となる。
【００７４】
一方、量子カスケード半導体レーザ１Ｃでは、第１埋込層１８Ｃの隣り合うすべての半導体層との境界面に第１半絶縁性半導体領域２１Ｃが設けられ、第２埋込層１９Ｃの隣り合うすべての半導体層との境界面に第２半絶縁性半導体領域２２Ｃが設けられる。このため、量子カスケード半導体レーザ１Ｃでは、量子カスケード半導体レーザ１Ｄと比較して、第１埋込層１８Ｂおよび第２埋込層１９Ｂへの電子の侵入をさらに抑制でき、メサストライプ部２０への電流狭窄をより強めることができる。
【００７５】
なお、本発明に係る量子カスケード半導体レーザは、上記実施形態に記載したものに限定されない。例えば、メサストライプ部２０はコア層１４を含む必要があるが、他の半導体層についてはこの限りではない。上記実施形態においては、下部クラッド層１２の全体がメサストライプ部２０に含まれるが、これに限定されず、例えば下部クラッド層１２の一部がメサストライプ部２０に含まれてもよく、あるいは、下部クラッド層１２はメサストライプ部２０に含まれなくてもよい。また、上記実施形態においては、キャップ層１６ａがメサストライプ部２０に含まれるが、これに限定されず、キャップ層１６ａはメサストライプ部２０に含まれなくてもよい。さらに、上記実施形態においては、半導体基板１１はメサストライプ部２０に含まれないが、半導体基板１１の主面１１ｍ側の一部がメサストライプ部２０に含まれてもよい。
【００７６】
また、第３変形例および第４変形例においても、第１変形例および第２変形例と同様に、第１半絶縁性半導体領域２１Ｃ，２１Ｄと第１半導体領域２５Ｃ，２５Ｄとは異なる材料で構成されていてもよい。また、第２半絶縁性半導体領域２２Ｃ，２２Ｄと第２半導体領域２６Ｃ，２６Ｄとは異なる材料で構成されていてもよい。例えば、第１半絶縁性半導体領域２１Ｃ，２１Ｄおよび第２半絶縁性半導体領域２２Ｃ，２２Ｄを構成する半絶縁性半導体材料として、高バンドギャップの半絶縁性材料、例えばＡｌＩｎＡｓを用いてもよい。この場合、上述のように電子に対して第１埋込層１８Ｃ，１８Ｄおよび第２埋込層１９Ｃ，１９Ｄがさらに高抵抗化され、電流をメサストライプ部２０にさらに強く狭窄することができる。このため、量子カスケード半導体レーザ１Ｃ，１Ｄの発振特性を向上することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、コア層に印加される電界の均一性を向上可能な構造を有する量子カスケード半導体レーザを提供できる。
【符号の説明】
【００７８】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…量子カスケード半導体レーザ、１０…半導体積層、１１…半導体基板（基板）、１１ａ…第１領域、１１ｂ…第２領域、１１ｃ…第３領域、１１ｍ…主面、１１ｎ…裏面、１４…コア層、１６…上部クラッド層、１８，１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ…第１埋込層、１９，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄ…第２埋込層、２０…メサストライプ部、２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ…第１半絶縁性半導体領域、２１ａ…第１側面部、２１ｂ…第１底面部、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ…第２半絶縁性半導体領域、２２ａ…第２側面部、２２ｂ…第２底面部、２３Ａ，２３Ｂ…第３半絶縁性半導体領域、２４Ａ，２４Ｂ…第４半絶縁性半導体領域、２５Ｃ，２５Ｄ…第１半導体領域、２６Ｃ，２６Ｄ…第２半導体領域、１４１…注入層、１４２…活性層、Ｅ１…上部電極（第１電極）、Ｅ２…下部電極（第２電極）、ＮＶ…法線軸。
【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】
2013149665.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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