(57)【要約】      （修正有）【課題】分布ブラッグ反射構造の製造歩留まりの低下や耐久性の低下を回避可能な量子カスケード半導体レーザを提供する。【解決手段】量子カスケード半導体レーザ１１では、分布ブラッグ反射構造１７、１９は半導体積層１５の半導体端面１５ａ、１５ｂに光学的に結合されて、半導体端面１５ａ、１５ｂ及び分布ブラッグ反射構造１７、１９の半導体壁１７ａ、１９ａが光学反射構造を構成する。半導体積層１５の半導体端面１５ａ、１５ｂ及び分布ブラッグ反射構造１７、１９の半導体壁１７ａ、１９ａが単一の半導体材料からなるので、レーザ構造体２５及び分布ブラッグ反射構造１７、１９の形成に際して用いられるエッチングにおいて、レーザ構造体２５の第１端面２５ａ、２５ｂ並びに半導体壁１７ａ、１９ａの第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂが平坦性及び垂直性に優れる。【選択図】図１
2016072300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子カスケード半導体レーザであって、
前記量子カスケード半導体レーザの導波路の延在方向を示す第１軸に沿って配列された第１領域及び第２領域を含み、半導体主面を有する基板と、
前記第１軸に交差する第１端面を有しており、前記基板の前記第２領域の前記半導体主面上に設けられるレーザ構造体と、
前記レーザ構造体の前記第１端面に光学的に結合され、前記基板の前記第１領域の前記半導体主面上に設けられた分布ブラッグ反射構造と、
を備え、
前記レーザ構造体の前記第１端面は、前記基板の前記第１領域と前記第２領域との境界に位置し、
前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に延在するストライプ形状の半導体積層を含み、前記半導体積層は、前記量子カスケード半導体レーザのためのコア層及び半導体クラッド層を有し、前記コア層及び前記半導体クラッド層は、前記半導体主面に交差する第２軸の方向に配列されており、前記レーザ構造体の前記第１端面は前記コア層の端面及び前記半導体クラッド層の端面を含み、
前記分布ブラッグ反射構造は、前記第２軸の方向に延在する半導体壁を含み、前記半導体壁は前記レーザ構造体の前記第１端面から隔置されており、前記半導体壁は単一の半導体材料からなり、
前記半導体壁は第１側面及び第２側面を有し、前記第１側面及び前記第２側面は、前記第１軸の方向に交差すると共に前記第２軸の方向に延在する、量子カスケード半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１軸の方向に関して、前記第１端面、前記第１側面及び前記第２側面は、この順に配列されており、
前記第１端面と前記第１側面との間隔は低屈折率部としてλ／（４×ｎ１）の奇数倍であり、前記第１側面と前記第２側面との間隔は高屈折率部としてλ／（４×ｎ２）の奇数倍であり、「λ」は、前記量子カスケード半導体レーザの真空中の発振波長を示し、「ｎ１」は前記発振波長における前記低屈折率部の実効屈折率を示し、「ｎ２」は前記発振波長における前記高屈折率部の実効屈折率を示す、請求項１に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項３】
前記分布ブラッグ反射構造は、少なくとも一つの追加半導体壁を備え、
前記分布ブラッグ反射構造は、前記半導体壁と前記追加半導体壁、または前記追加半導体壁同士とを接続する第１接続部を更に含み、前記第１接続部は、前記第１軸の方向に延在する、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１接続部及び前記追加半導体壁が前記半導体壁と同一の半導体材料からなる、請求項３に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項５】
前記半導体壁と前記レーザ構造体とを互いに接続する第２接続部を更に備え、前記第２接続部は前記第１軸の方向に延在する、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半導体レーザ。
【請求項６】
前記第２接続部は前記半導体壁と同一の半導体材料からなる、請求項５に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項７】
前記レーザ構造体は電流狭窄のための電流ブロック半導体層を含み、
前記電流ブロック半導体層は前記第２接続部に接続され、
前記電流ブロック半導体層は、前記第２接続部及び前記半導体壁と同一の半導体材料からなる、請求項６に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項８】
前記半導体材料はアンドープ半導体である、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半導体レーザ。
【請求項９】
前記半導体材料は半絶縁性半導体である、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半導体レーザ。
【請求項１０】
前記半導体壁の最上部が、前記第２軸の方向に関して、前記レーザ構造体の最上部より高い、請求項１〜請求項９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。
【請求項１１】
前記半導体壁の最上部が、前記第２軸の方向に関して、前記レーザ構造体の最上部より低い、請求項１〜請求項９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。
【請求項１２】
前記半導体壁は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に関する壁幅を有し、
前記基板は、前記第３軸の方向に関する基板幅を有し、
前記壁幅は前記基板幅より短い、請求項１〜請求項１１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。
【請求項１３】
前記分布ブラッグ反射構造は、前記レーザ構造体の前記第１端面と前記半導体壁との間、前記半導体壁と前記追加半導体壁との間、又は前記追加半導体壁と前記追加半導体壁との間に設けられた充填領域を更に備え、前記充填領域は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂の少なくともいずれかを備える、請求項１〜請求項１２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。
【請求項１４】
前記レーザ構造体の前記第１端面と前記半導体壁との間、前記半導体壁と前記追加半導体壁の間、又は前記追加半導体壁と前記追加半導体壁の間には、空隙が設けられている、請求項１〜請求項１２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。
【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】
非特許文献１〜３は、量子カスケード半導体レーザを開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Jpn.  J.  Appl.  Phys.,  vol.39,  pp.L1297-1299,2000
【非特許文献２】Journal  of  Modern  Optics,  vol.52,  No.  16,  pp.2303-2308,2005
【非特許文献３】Jpn.  J.  Appl.  Phys.,  vol.39, pp3406-3409,  2000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、非特許文献２に示されるように、量子カスケード半導体レーザ（ＱＣＬ）のいくつかは、電流注入に応答して光を生成するＱＣＬメサ導波路と、半導体／空気からなる分布ブラッグ反射器とを備え、この分布ブラッグ反射器はＱＣＬメサ導波路からの光を反射する。これらの量子カスケード半導体レーザの作製では、基板上にＱＣＬメサ導波路及び分布ブラッグ反射器のための半導体積層を成長した後に、半導体積層をエッチングにより加工して分布ブラッグ反射器及びＱＣＬメサ導波路を作製する。この分布ブラッグ反射器及びＱＣＬメサ導波路をエッチングにより作成する際に、分布ブラッグ反射器の側面の破損等による製造歩留まりの低下や耐久性（機械的強度）の低下が生じる場合がある。
【０００５】
本発明の一側面は、分布ブラッグ反射器をエッチングにより形成する際に、その側面の破損等による製造歩留まりの低下や耐久性（機械的強度）の低下を回避可能な、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】
【０００６】
本発明の一側面に係る量子カスケード半導体レーザは、前記量子カスケード半導体レーザの導波路の延在方向を示す第１軸に沿って配列された第１領域及び第２領域を含み、半導体主面を有する基板と、前記第１軸に交差する第１端面を有しており、前記基板の前記第２領域の前記半導体主面上に設けられるレーザ構造体と、前記レーザ構造体の前記第１端面に光学的に結合され、前記基板の前記第１領域の前記半導体主面上に設けられた分布ブラッグ反射構造と、を備え、前記レーザ構造体の前記第１端面は、前記基板の前記第１領域と前記第２領域との境界に位置し、前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に延在するストライプ形状の半導体積層を含み、前記半導体積層は、前記量子カスケード半導体レーザのためのコア層及び半導体クラッド層を有し、前記コア層及び前記半導体クラッド層は、前記半導体主面に交差する第２軸の方向に配列されており、前記レーザ構造体の前記第１端面は前記コア層の端面及び前記半導体クラッド層の端面を含み、前記分布ブラッグ反射構造は、前記第２軸の方向に延在する半導体壁を含み、前記半導体壁は単一の半導体材料からなり、前記半導体壁は前記レーザ構造体の前記第１端面から隔置されており、前記半導体壁は第１側面及び第２側面を有し、前記第１側面及び前記第２側面は、前記第１軸の方向に交差すると共に前記第２軸の方向に延在する。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明の一側面によれば、分布ブラッグ反射器の側面の破損等による、製造歩留まりや耐久性（機械的強度）の低下を回避可能な、量子カスケード半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図２】図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた、量子カスケード半導体レーザの断面を示す図面である。
【図３】図３は、分布ブラッグ反射構造に係る反射率の計算結果を示す図面である。
【図４】図４は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図５】図５は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図６】図６は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図７】図７は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図８】図８は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図９】図９は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図１０】図１０は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図１１】図１１は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図１２】図１２は、第２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の主要な工程における断面を示す図面である。
【図１３】図１３は、第３実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図１４】図１４は、第４実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図１５】図１５は、第５実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図１６】図１６は、第６実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図１７】図１７は、第７実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図１８】図１８は、第８実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図１９】図１９は、第９実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
引き続きいくつかの形態を説明する。
【００１１】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、（ａ）前記量子カスケード半導体レーザの導波路の延在方向を示す第１軸に沿って配列された第１領域及び第２領域を含み、半導体主面を有する基板と、（ｂ）前記第１軸に交差する第１端面を有しており、前記基板の前記第２領域の前記半導体主面上に設けられるレーザ構造体と、（ｃ）前記レーザ構造体の前記第１端面に光学的に結合され、前記基板の前記第１領域の前記半導体主面上に設けられた分布ブラッグ反射構造と、を備え、前記レーザ構造体の前記第１端面は、前記基板の前記第１領域と前記第２領域との境界に位置し、前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に延在するストライプ形状の半導体積層を含み、前記半導体積層は、前記量子カスケード半導体レーザのためのコア層及び半導体クラッド層を有し、前記コア層及び前記半導体クラッド層は、前記半導体主面に交差する第２軸の方向に配列されており、前記レーザ構造体の前記第１端面は前記コア層の端面及び前記半導体クラッド層の端面を含み、前記分布ブラッグ反射構造は、前記第２軸の方向に延在する半導体壁を含み、前記半導体壁は単一の半導体材料からなり、前記半導体壁は前記レーザ構造体の前記第１端面から隔置されており、前記半導体壁は第１側面及び第２側面を有し、前記第１側面及び前記第２側面は、前記第１軸の方向に交差すると共に前記第２軸の方向に延在する。
【００１２】
この量子カスケード半導体レーザによれば、前記半導体壁は前記分布ブラッグ反射構造における高屈折率部を形成し、また前記レーザ構造体と前記半導体壁の間の領域は前記分布ブラッグ反射構造における前記高屈折率部（半導体壁）より屈折率が低い、低屈折率部を形成している。また、分布ブラッグ反射構造の高屈折率部である半導体壁は、単一の半導体材料で形成されており、コア層を含まない。従って、従来構造で問題となった、コア層の結晶劣化に起因する素子作製時や素子動作時の半導体壁の破損等の発生を回避できる。この結果、量子カスケード半導体レーザの製造歩留まりや機械的強度（耐久性）の低下を低減でき、量子カスケード半導体レーザへの分布ブラッグ反射構造の導入が容易となる。
【００１３】
また、この量子カスケード半導体レーザによれば、分布ブラッグ反射構造はレーザ構造体の第１端面に光学的に結合されて、レーザ構造体の第１端面及び分布ブラッグ反射構造の半導体壁が光学反射構造を構成する。分布ブラッグ反射構造の半導体壁を形成するための半導体領域（「単一層半導体領域」と記す）が単一の半導体材料からなり、分布ブラッグ反射構造の形成に際して用いられるエッチングにおいて、分布ブラッグ反射構造の半導体壁が単一の半導体材料から構成されるものとして作成できるようになる。このため、半導体壁の第１側面及び第２側面は平坦性及び垂直性に優れる。また、レーザ構造体及び分布ブラッグ反射構造の形成に適用されるエッチングの前においては、上記の単一層半導体領域と半導体積層のための多層半導体領域とは突き当て接合を成しており、エッチング後において、半導体壁の側面は突き当て接合の位置と異なる位置に設けられると共にレーザ構造体の第１端面も突き当て接合の位置と異なる位置に設けられる。半導体壁の側面及びレーザ構造体の第１端面の両方を突き当て接合の位置から離すことができ、突き当て接合付近から離された位置に、半導体積層端面及び半導体壁端面を設けることができる。
【００１４】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１軸の方向に関して、前記第１端面、前記第１側面及び前記第２側面は、この順に配列されており、前記第１端面と前記第１側面との間隔は低屈折率部としてλ／（４×ｎ１）の奇数倍であり、前記第１側面と前記第２側面との間隔は高屈折率部としてλ／（４×ｎ２）の奇数倍であり、「λ」は、前記量子カスケード半導体レーザの真空中の発振波長を示し、「ｎ１」は前記発振波長「λ」における前記低屈折率部の実効屈折率を示し、「ｎ２」は前記発振波長「λ」における前記高屈折率部の実効屈折率を示す。
【００１５】
この量子カスケード半導体レーザによれば、上記のような間隔に合うように分布ブラッグ反射構造を構成することで、分布ブラッグ反射構造の反射率を増大することができる。これによって、分布ブラッグ反射構造を集積した量子カスケード半導体レーザの端面の反射率を増大することができる。
【００１６】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記分布ブラッグ反射構造は、少なくとも一つの追加半導体壁を備え、前記分布ブラッグ反射構造は、前記半導体壁と前記追加半導体壁、または前記追加半導体壁同士とを接続する第１接続部を更に含み、前記第１接続部は前記第１軸の方向に延在する。この量子カスケード半導体レーザによれば、第１接続部は、半導体壁及び追加半導体壁を接続して、第１接続部、半導体壁及び追加半導体壁は一体の構造物として纏められる。第１接続部により、分布ブラッグ反射構造の機械的強度を増加でき、分布ブラッグ反射構造が破損しにくくなる。その結果として、量子カスケード半導体レーザの製造歩留まりの低下を抑制でき、また量子カスケード半導体レーザの耐久性を改善できる。
【００１７】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１接続部及び前記追加半導体壁が前記半導体壁と同一の半導体材料からなる。この量子カスケード半導体レーザによれば、第１接続部、追加半導体壁、及び半導体壁が同一の半導体材料からなるので、材料的な面において、これらが一様な構造として構成される。このため、分布ブラッグ反射構造の強度を向上できる。また、第１接続部、追加半導体壁、及び半導体壁が同じ材料で一括形成できるので、分布ブラッグ反射構造のための製造プロセスを簡略化できる。
【００１８】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体壁と前記レーザ構造体とを互いに接続する第２接続部を更に備え、前記第２接続部は前記第１軸の方向に延在する。
【００１９】
この量子カスケード半導体レーザによれば、第２接続部は、半導体壁及びレーザ構造体を接続して、レーザ構造体、第２接続部、及び半導体壁は一体の構造物として纏められる。第２接続部により、分布ブラッグ反射構造の機械的強度を増加でき、分布ブラッグ反射構造が破損しにくくなる。その結果として、量子カスケード半導体レーザの製造歩留まりの低下を抑制でき、また量子カスケード半導体レーザの耐久性を改善できる。
【００２０】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第２接続部は前記半導体壁と同一の半導体材料からなる。
【００２１】
この量子カスケード半導体レーザによれば、第２接続部、及び半導体壁が同一の半導体材料からなるので、材料的な面において、これらが一様な構造として構成される。このため、分布ブラッグ反射構造の強度を向上できる。また、第２接続部及び半導体壁が同じ材料で一括形成できるので、分布ブラッグ反射構造のための製造プロセスを簡略化できる。
【００２２】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記レーザ構造体は電流狭窄のための電流ブロック半導体層を含み、前記電流ブロック半導体層は前記第２接続部に接続され、前記電流ブロック半導体層は、前記第２接続部及び前記半導体壁と同一の半導体材料からなる。
【００２３】
この量子カスケード半導体レーザによれば、第２接続部、電流ブロック半導体層、及び半導体壁が同一の半導体材料からなるので、材料的な面において、これらが一様な構造として構成される。このため、分布ブラッグ反射構造の強度を向上できる。また、第２接続部、電流ブロック半導体層、及び半導体壁が同じ材料で一括して形成できるので、分布ブラッグ反射構造のための製造プロセスを簡略化できる。
【００２４】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体材料はアンドープ半導体である。この量子カスケード半導体レーザによれば、アンドープ半導体においては、中赤外領域における自由キャリア（自由電子）による光吸収が微小であるので、アンドープ半導体製の半導体壁は自由キャリアによる光吸収に起因する問題（例えば、分布ブラッグ反射構造を集積した端面の実効的な反射率の低下や出射光パワーの低下）を生じさせない。
【００２５】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体材料は半絶縁性半導体である。この量子カスケード半導体レーザによれば、半絶縁性半導体は、中赤外領域における自由キャリア（自由電子）による光吸収を小さくできるので、半絶縁性半導体製の半導体壁は自由キャリアによる光吸収に起因する問題（例えば、分布ブラッグ反射構造を集積した端面の実効的な反射率の低下や出射光パワーの低下）を生じさせない。
【００２６】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体壁の最上部が、前記第２軸の方向に関して、前記レーザ構造体の最上部より高い。この量子カスケード半導体レーザによれば、高い半導体壁が、第１端面から拡がる出射光のより多くの部分を反射することができるので、この分布ブラッグ反射構造によれば、光反射量を増加させて、分布ブラッグ反射構造を集積した前記レーザ構造体端面を容易に高反射化できる。
【００２７】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体壁の最上部が、前記第２軸の方向に関して、前記レーザ構造体の最上部より低い。この量子カスケード半導体レーザによれば、エピダウン形態でダイボンド実装する際に、物理的ダメージによる半導体壁の破損を回避でき、実装歩留まりの低下を防ぐことができる。
【００２８】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体壁は、前記第１軸及び前記第２軸の両方に交差する第３軸の方向に関する壁幅を有し、前記基板は、前記第３軸の方向に関する基板幅を有し、前記壁幅は前記基板幅より短い。この量子カスケード半導体レーザによれば、壁幅が基板幅より短い構造では、半導体壁の形成時のエッチングにおける面内均一性及び再現性を改善できる。また、この構造では、素子分離の際における半導体壁破損に起因する製造歩留まりの低下を回避できる。
【００２９】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記分布ブラッグ反射構造は、前記レーザ構造体の前記第１端面と前記半導体壁との間、前記半導体壁と前記追加半導体壁との間、又は前記追加半導体壁と前記追加半導体壁との間に設けられた充填領域を更に備え、前記充填領域は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂の少なくともいずれかを備える。この量子カスケード半導体レーザによれば、分布ブラッグ反射構造の充填領域の材料は、半導体に比べて低い屈折率を示す。また、これらの材料で充填領域を形成することで、分布ブラッグ反射構造の機械的強度を向上できる。
【００３０】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記レーザ構造体の前記第１端面と前記半導体壁との間、前記半導体壁と前記追加半導体壁の間、又は前記追加半導体壁と前記追加半導体壁の間には、空隙が設けられている。この量子カスケード半導体レーザによれば、空気層等からなる空隙が、低屈折率部を構成し、さらに高屈折率部である半導体壁及び追加半導体壁との屈折率差を増大することができる。従って、分布ブラッグ反射構造の高反射化が容易になる。
【００３１】
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、本発明の量子カスケード半導体レーザ、及び量子カスケード半導体レーザを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３２】
（第１実施形態）
図１は、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザを概略的に示す図面である。図１を参照すると、分布ブラッグ反射構造を含む量子カスケード半導体レーザ１１が示されている。図１は、量子カスケード半導体レーザ１１のレーザ導波路の延在方向に沿って取られた断面を示す。量子カスケード半導体レーザ１１は、基板１３と、半導体積層１５と、分布ブラッグ反射構造１７と、別の分布ブラッグ反射構造１９とを備える。基板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は量子カスケード半導体レーザ１１のレーザ導波路の延在方向を示す第１軸Ａｘ１に沿って配列されている。基板１３は半導体主面１３ｄ及び裏面１３ｅを有し、これ故に、第１領域１３ａ、第２領域１３ｂ及び第３領域１３ｃの各々も半導体主面１３ｄ及び裏面１３ｅを有する。
【００３３】
レーザ構造体２５はレーザ本体領域を構成し、基板１３の第２領域１３ｂの半導体主面上に設けられる。レーザ構造体２５は第１端面２５ａ及び第２端面２５ｂを備え、これらの端面の各々は第１軸Ａｘ１の方向に交差すると共に第２軸Ａｘ２の方向に延在する。
【００３４】
レーザ構造体２５は、第１軸Ａｘ１の方向に延在するストライプ形状の半導体積層１５を含む。半導体積層１５は基板１３の第２領域１３ｂの半導体主面１３ｄ上に設けられる。半導体積層１５は半導体端面１５ａ（第１半導体端面）及び別の半導体端面１５ｂ（第２半導体端面）を含む。これらの半導体端面（１５ａ、１５ｂ）は第１軸Ａｘ１に交差する。半導体積層１５では、半導体端面１５ａは、第１領域１３ａと第２領域１３ｂとの境界に位置し、別の半導体端面１５ｂは、第２領域１３ｂと第３領域１３ｃとの境界に位置する。半導体積層１５は、下部の半導体クラッド層２１ａ、量子カスケード半導体レーザ１１のためのコア層２１ｂ、上部の半導体クラッド層２１ｃ、及びコンタクト層２１ｄを有する。下部の半導体クラッド層２１ａ、コア層２１ｂ、上部の半導体クラッド層２１ｃ、及びコンタクト層２１ｄは、半導体主面１３ｄに交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列されており、本実施例では第２軸Ａｘ２は半導体主面１３ｄの法線軸に対応する。下部の半導体クラッド層２１ａ、コア層２１ｂ、上部の半導体クラッド層２１ｃ、及びコンタクト層２１ｄは、別の半導体端面１５ｂに始まり半導体端面１５ａに到達する。これ故に、半導体積層１５の半導体端面１５ａは、下部の半導体クラッド層２１ａの端面２２ａ、コア層２１ｂの端面２２ｂ、上部の半導体クラッド層２１ｃの端面２２ｃ、及びコンタクト層２１ｄの端面２２ｄを含み、半導体積層１５の別の半導体端面１５ｂは、下部の半導体クラッド層２１ａの端面２３ａ、コア層２１ｂの端面２３ｂ、上部の半導体クラッド層２１ｃの端面２３ｃ、及びコンタクト層２１ｄの端面２３ｄを含む。
【００３５】
半導体積層１５の一例。
下部の半導体クラッド層２１ａ：Ｓｉドープｎ型ＩｎＰ。
コア層２１ｂ：量子井戸層及びバリア層を含む量子井戸構造。
量子井戸層にはＧａＩｎＡｓ、バリア層にはＡｌＩｎＡｓを用いる。
上部の半導体クラッド層２１ｃ：Ｓｉドープｎ型ＩｎＰ。
コンタクト層２１ｄ：Ｓｉドープｎ型ＧａＩｎＡｓ。
基板１３：ｎ型ＩｎＰ。
【００３６】
基板１３の一例としてはｎ−ＩｎＰ基板が好ましい。中赤外の発光のための量子カスケード半導体レーザに適用される半導体はＩｎＰに近い格子定数を有するため、ＩｎＰ基板を用いることで、これらの半導体を良好に成長できる。基板に対する他の要件としては、QCLへの通電のためには基板は導電性である必要があるが、QCLでは後述のように、キャリアとしては電子が用いられるため、導電型としてはｎ−ＩｎＰ基板が好ましい。また、ＩｎＰは中赤外の発振光に対して透明である光学特性を示す。このため、ＩｎＰはコア層の上側及び下側にそれぞれ設けられる上部クラッド領域及び下部クラッド領域に使用可能である。但し、下部クラッド層は必須では無く、基板が発振光に対して透明な材料(例えばInP)で構成されており、基板を下部クラッド層として兼用できる場合は、省略しても良い。ＩｎＰは二元結晶であるので、結晶成長、及びエッチングによる加工が容易であり、安定したプロセスを提供できる。また、ＩｎＰは中赤外の発光に適用可能な半導体材料のなかでも良好な熱伝導を示し、これ故に、ＩｎＰを量子カスケード半導体レーザのためのクラッド層に適用することにより、量子カスケード半導体レーザに良好な放熱性を提供できる。
【００３７】
コア層は、活性層と注入層から成る単位構造が数十周期積層され、活性層と注入層が交互に多段接続された構造が一般的であり、厚さも数μｍ(例えば1〜3μｍ) と厚い。活性層及び注入層は共に、数ｎｍ厚の薄膜の量子井戸層と、同じく数ｎｍ厚の薄膜であって量子井戸層よりも高バンドギャップのバリア層を含み、量子井戸層及びバリア層が交互に数百層積層されて、超格子列を構成する。
【００３８】
コア層に電圧を印加して、コア層中に所定の電界を発生させると、コア層内のサブバンド準位で構成される電子の移動経路がコア層中に形成される。この移動経路において、電界の力によって高電位側の活性層の上準位にキャリアである電子が注入されて下準位に遷移する。この遷移に伴って、両準位間のエネルギー差に対応する波長の発光が生成される。この遷移の後に、ＬＯフォノンの放出による下準位から緩和準位への電子の緩和と、引き続く注入層を経由した隣接単位構造への電子の移動とにより、多段接続された各単位構造で発光のための遷移が繰り返される。活性層を構成する量子井戸層とバリア層の材料組成、及び膜厚の設計により上準位と下準位のエネルギー差を調節でき、これにより３μｍ〜２０μｍ程度の波長の光（赤外領域の光）を生成できる。赤外発光のためには、量子井戸層の材料には例えばＧａＩｎＡｓが用いられ、バリア層の材料には例えばＡｌＩｎＡｓが用いられる。
【００３９】
良好なオーミックコンタクトを得るためにコンタクト層２１ｄが設けられる。上部電極との良好なオーミックコンタクトを形成するために、これは低バンドギャップを有しておりＩｎＰ基板に格子整合可能な材料が望ましく、例えばＧａＩｎＡｓを使用できる。但し、これが無くても上部電極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。更に、必要な場合には、コア層の上側及び下側（又はいずれか一方）にコア層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設けることができる。光閉じ込め層としては、コア層への導波光の閉じ込めを強化する必要上、コア層より高屈折率であることが必要で、且つInP基板に格子整合可能な材料が望ましく、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓを使用できる。
【００４０】
分布ブラッグ反射構造１７（第１分布ブラッグ反射構造）は、基板１３の第１領域１３ａの半導体主面１３ｄ上に設けられる。別の分布ブラッグ反射構造１９（第２分布ブラッグ反射構造）は、基板１３の第３領域１３ｃの半導体主面１３ｄ上に設けられる。半導体積層１５の半導体端面１５ａは分布ブラッグ反射構造１７に光学的に結合される。半導体積層１５の別の半導体端面１５ｂは別の分布ブラッグ反射構造１９に光学的に結合される。本実施例では、分布ブラッグ反射構造１９は、その反射特性の点について分布ブラッグ反射構造１７と異なる可能性があるけれども、この光学特性の点を除いて分布ブラッグ反射構造１７と実質的に同じ構造を有する。引き続く開示では、分布ブラッグ反射構造１７を説明する。また、図１における量子カスケード半導体レーザ１１は、２つの共振器端面が分布ブラッグ反射構造から成るファブリペロー型の共振器を備える。必要な場合には、一例では、量子カスケード半導体レーザは、一方の共振器端面はへき開面で、他方の共振器端面は分布ブラッグ反射構造から成るファブリペロー型の共振器を備えることができる。
【００４１】
分布ブラッグ反射構造１７（分布ブラッグ反射構造１９）は半導体壁１７ａ（半導体壁１９ａ）を含み、半導体壁１７ａ（１９ａ）は第２軸Ａｘ２の方向に延在する。半導体壁１７ａ（１９ａ）はレーザ構造体２５の第１端面２５ａ（第２端面２５ｂ）から隔置されている。
分布ブラッグ反射構造１７（１９）の一例。
半導体壁１７ａ（１９ａ）：半絶縁性又はアンドープのＩｎＰ。
【００４２】
半導体壁１７ａ（半導体壁１９ａ）は、第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂを有する。第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂは第１軸Ａｘ１の方向に交差すると共に第２軸Ａｘ２の方向に延在する。レーザ構造体２５の第１端面２５ａ（第２端面２５ｂ）は、半導体壁１７ａ（半導体壁１９ａ）の第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂから離れている。半導体壁１７ａ（１９ａ）は単一の半導体材料からなり、これ故に、第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂも単一の半導体材料からなる。
【００４３】
この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、分布ブラッグ反射構造１７（１９）は半導体積層１５の半導体端面１５ａ（１５ｂ）に光学的に結合されて、レーザ構造体２５の第１端面２５ａ（２５ｂ）及び半導体壁１７ａ（１９ａ）が分布ブラッグ反射構造を構成する。分布ブラッグ反射構造１７（１９）の半導体壁１７ａ（１９ａ）を形成するための半導体領域（「単一層半導体領域」と記す）が単一の半導体材料から成るため、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の形成に際しては、この単一半導体材料をエッチングすればよい。このため、異種半導体間におけるサイドエッチやエッチング異方性によるエッチング面の凹凸は生じないため、半導体壁１７ａの第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂは平坦性及び垂直性に優れる。また、レーザ構造体２５及び分布ブラッグ反射構造１７（１９）の形成に際して用いられるエッチング前において、上記の単一層半導体領域と半導体積層のための多層半導体領域とは突き当て接合を成しており、エッチング後において、半導体壁１７ａ（１９ａ）の側面は突き当て接合の位置から隔置されると共にレーザ構造体２５の第１端面２５ａ（第２端面２５ｂ）も突き当て接合の位置から隔置されている。半導体壁１７ａ（１９ａ）の側面及びレーザ構造体２５の第１端面２５ａ（第２端面２５ｂ）の両方を突き当て接合の位置から離すことができるので、突き当て接合付近の異常結晶成長に起因する、前記レーザ構造体２５の端面や前記半導体壁１７ａ（１９ａ）の側面の形成上の困難を回避できる。また、半導体壁１７ａ（１９ａ）が単一の半導体材料からなるので、優れた平坦性及び垂直性を半導体壁１７ａ（１９ａ）の第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂに提供でき、レーザ構造体２５の第１端面２５ａ（第２端面２５ｂ）及び半導体壁１７ａ（１９ａ）により構成される分布ブラッグ反射構造１７（１９）に優れた反射特性を提供できる。
【００４４】
単一の半導体材料として、アンドープＩｎＰといったアンドープ半導体によって分布ブラッグ反射構造１７（１９）を構成する、例えば半導体壁１７ａ（１９ａ）に適用できる。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、アンドープ半導体は、中赤外領域における自由キャリア（自由電子）による光吸収が微小であるので、アンドープ半導体製の半導体壁では、自由キャリアによる光吸収に起因する問題（例えば、分布ブラッグ反射構造を集積した端面の実効的な反射率の低下や、出射光パワーの低下）が生じない。
【００４５】
単一の半導体材料として、ＦｅドープＩｎＰといった半絶縁性半導体を分布ブラッグ反射構造１７（１９）の半導体壁１７ａ（１９ａ）に適用できる。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、半絶縁性半導体は、中赤外領域における自由キャリア（自由電子）による光吸収が微小であるので、半絶縁性半導体製の半導体壁では、自由キャリアによる光吸収に起因する問題（例えば、分布ブラッグ反射構造を集積した端面の実効的な反射率の低下、や出射光パワーの低下）が生じない。
【００４６】
図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた、量子カスケード半導体レーザの断面を示す図面であり、図１は図２におけるＩ−Ｉ線に沿ってとられた、量子カスケード半導体レーザの断面を示す図面である。レーザ構造体２５は電流狭窄のための電流ブロック半導体層２７を含むことができる。電流ブロック半導体層２７は、ストライプ形状の半導体積層１５（半導体メサ導波路ＭＥＳＡ）を埋め込んで電流を狭窄する。電流ブロック半導体層２７の上面は絶縁膜２９により覆われている。絶縁膜２９は、例えばシリコン系無機絶縁膜からなることができる。半導体積層１５及び絶縁膜２９上には上部電極３１が設けられ、絶縁膜２９の開口を介して上部電極３１は半導体積層１５内のコンタクト層２１ｄに接触を成す。基板１３の裏面１３ｅには裏面電極３３が設けられ、裏面電極３３は基板１３の裏面１３ｅに接触を成す。
電流ブロック構造の一例。
電流ブロック半導体層２７：半絶縁性又はアンドープのＩｎＰ。
絶縁膜２９：シリコン窒化物又はシリコン酸化物（ＳｉＮ，又はＳｉＯ２）。
上部電極３１：Ｔｉ／Ａｕ、またはＧｅ／Ａｕ。
裏面電極３３：Ｔｉ／Ａｕ、またはＧｅ／Ａｕ。
【００４７】
量子カスケード半導体レーザ１１では、分布ブラッグ反射構造１７に関連して、第１端面２５ａ、第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂは、この順に第１軸Ａｘ１に沿って配列されている。分布ブラッグ反射構造１７に関して説明すると、第１軸Ａｘ１方向におけるレーザ構造体端面とそれに隣接する半導体壁との間隔(例えば、第１端面２５ａと第１側面１８ａとの間隔)は、分布ブラッグ反射構造１７の低屈折率部としてλ／（４×ｎ１）の奇数倍であることができる。また第１軸Ａｘ１方向における半導体壁の厚さ(例えば、第１側面１８ａと第２側面１８ｂとの間隔)は、分布ブラッグ反射構造１７の高屈折率部としてλ／（４×ｎ２）の奇数倍であることができる。ここで、「λ」は量子カスケード半導体レーザ１１の真空中の発振波長を示し、「ｎ１」は該発振波長λにおける低屈折率部の実効屈折率を示し、「ｎ２」は発振波長λにおける高屈折率部の実効屈折率を示す。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、上記のような間隔に合うように分布ブラッグ反射構造１７（１９）を構成することによって、分布ブラッグ反射構造１７（１９）における反射をその所望の値に近づけることができる。これによって、分布ブラッグ反射構造１７（１９）を集積した量子カスケード半導体レーザ１１の端面の反射率を大きくすることができる。
【００４８】
分布ブラッグ反射構造１７（１９）は、分布ブラッグ反射構造１７（１９）における高屈折率部であり、単一の半導体材料で形成された一又は複数の追加半導体壁を備えることができる。図１では、一例として、分布ブラッグ反射構造１７（１９）に２つの追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）が付加された構造を示している。追加半導体壁１７ｇ（１７ｈ）は第３側面１８ｃ（第５側面１８ｅ）及び第４側面１８ｄ（第６側面１８ｆ）を備える。また上記追加半導体壁が存在する場合、隣り合う2つの半導体壁の間、即ち半導体壁１７ａ（１９ａ）と半導体壁１７ｇ（１９ｇ）の間、及び半導体壁１７ｇ（１９ｇ）と半導体壁１７ｈ（１９ｈ）の間の領域は、分布ブラッグ反射構造１７（１９）における低屈折率部となっている。分布ブラッグ反射構造１７（１９）における追加半導体壁の数は、分布ブラック反射構造の反射率に関連しており、追加半導体壁の数が増えるほど、反射率は増加する。第１軸Ａｘ１方向における高屈折率部である半導体壁１７ａ（１９ａ）及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）の厚さは、発振波長λに対して高反射が得られる厚さ、例えば上記λ/(4×n2)の奇数倍の厚さに設定される。また第１軸Ａｘ１方向における低屈折率部である、半導体壁１７ａ（１９ａ）とレーザ構造体の端面25a(25b)との間、及び隣り合う２つの半導体壁の間、即ち半導体壁１７ａ（１９ａ）と半導体壁１７ｇ（１９ｇ）の間、及び半導体壁１７ｇ（１９ｇ）と半導体壁１７ｈ（１９ｈ）の間の領域の間隔は、発振波長λに対して高反射が得られる間隔、例えば上記λ/(4×n1)の奇数倍の間隔に設定される。半導体壁１７ａ（１９ａ）及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）が単一の半導体材料で作製されるので、エッチングにより形成されるこれらの壁の側面は平坦性及び垂直性に優れる。また、第１端面２５ａ、第２側面１８ｂ、第４側面１８ｄ、及び第６側面１８ｆは周期的に配列されており、第１側面１８ａ、第３側面１８ｃ、及び第５側面１８ｅは周期的に配列されている。追加半導体壁１７ｇ（１７ｈ）は半導体壁１７ａ（１９ａ）と実質的に同じに形成されるので、引き続く説明においては、理解を容易にするためには、追加半導体壁１７ｇ、１７ｈ（１９ｇ、１９ｈ）を半導体壁１７ａ（１９ａ）として参照する。
【００４９】
量子カスケード半導体レーザ１１では、分布ブラッグ反射構造１７（１９）は充填領域３５を更に備えることが可能で、充填領域３５は、隣接する半導体壁１７ａ（１９ａ）、１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）の間、または半導体壁１７ａ（１９ａ）と第１端面２５ａ（第２端面２５ｂ）との間の低屈折率部に設けられる。充填領域３５は、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂、ポリイミド樹脂の少なくともいずれかを備えることができる。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、分布ブラッグ反射構造の充填領域３５の材料は、分布ブラッグ反射構造１７（１９）における各半導体壁の半導体に比べて低い屈折率を示す。
【００５０】
或いは、隣接する半導体壁１７ａ（１９ａ）、１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）の間、または半導体壁１７ａ（１９ａ）と第１端面２５ａ（第２端面２５ｂ）との間の低屈折率部には、空隙が設けられるようにしてもよい。この量子カスケード半導体レーザ１１によれば、空隙は、分布ブラッグ反射構造１７（１９）において分布ブラッグ反射構造１７（１９）における各半導体壁の半導体壁の半導体に比べて低い屈折率を示す。
【００５１】
これまでの説明では、第１軸Ａｘ１の方向における本実施例として、量子カスケード半導体レーザ１１の素子中央部にレーザ構造体25から成るレーザ本体領域が設けられると共に、量子カスケード半導体レーザ１１の端部近傍の各々に分布ブラッグ反射構造１７（１９）が設けられる。半導体壁１７ａの高さＨ１、レーザ本体領域のための半導体積層１５の最上面（ｎ型コンタクト層）の高さＨ２、半導体壁１９ａの高さＨ３が実質的に同じ値である。これらの高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３は基板の裏面１３ｅを基準にして規定される。
【００５２】
実施に際しての好適な形態を説明する。まず、半絶縁性の半導体としては、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属をドープしたＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の半導体を用いることができる。これらは、電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成するので、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に半絶縁性を提供できる。例えばＦｅの使用が好適である。遷移金属の添加により、電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の充分な高抵抗性をＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に付与して、半絶縁性を実現できるので電流ブロック半導体層に使用可能である。しかしながらアンドープ半導体も電流ブロック半導体層に使用可能である。アンドープの半導体として、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等が例示される。また、アンドープ及び半絶縁性の半導体では、中赤外領域において強い光吸収源となる自由キャリア（ここでは、電子）の濃度が低く、自由キャリアによる中赤外光の吸収が非常に小さい。特にアンドープ及び半絶縁性の半導体として例示されたＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等は、中赤外光を透過可能なバンドギャップを有しており、中赤外光に対して透明である。このため、自由キャリア吸収以外の中赤外光の主要な光吸収メカニズムであるサブバンド間遷移による吸収も生じない。従って上記アンドープまたは半絶縁化されたInP、GaInAs、AlInAs、GaInAsP、AlGaInAs等の半導体を電流ブロック半導体層に用いれば、電流ブロック半導体層における、自由キャリアやサブバンド間遷移による光吸収を効果的に抑制できるため、良好な発振特性が維持される。さらに、アンドープ半導体及び半絶縁半導体は、高い熱伝導性を有しており、これらを電流ブロック半導体層に適用すれば、素子の放熱性を向上でき、高温動作を可能にする。特にInP半導体は中赤外量子カスケード半導体レーザに使用可能な半導体材料中、熱伝導が最大であり、これを用いることで、高い放熱性を実現できる。しかしながら、ＩｎＰ半導体に追加して、或いはＩｎＰに替えて、他の半導体、例えばＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等を用いることができる。ＡｌＩｎＡｓ及びＡｌＧａＩｎＡｓは、ＩｎＰより高いバンドギャップを有しており、これらの材料を電流ブロック半導体層に適用するとき、ＩｎＰの電流ブロック半導体層に比べて、電流ブロック半導体層により埋め込まれるメサ導波路内の各半導体層と該電流ブロック半導体層との間のエネルギー不連続（伝導帯端におけるエネルギー不連続）を増大でき、これによって、メサ導波路のメサと電流ブロック半導体層との界面に、大きなエネルギー障壁（電子に対するエネルギー障壁）を提供できる。この形態では、電流ブロック半導体層における高抵抗性に加えて、エネルギー障壁の増大により、メサ導波路のメサ領域から電流ブロック半導体領域への電子の漏れをより低減できる。
【００５３】
電流ブロック半導体層２７上に設けられる絶縁膜２９としては、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂といった誘電体膜又は樹脂等を使用できる。これらは半導体素子内の保護膜として、優れた耐久性及び絶縁性を示し、成膜も容易である。但し、本絶縁膜は必須では無く、電流ブロック半導体層２７のみでメサ導波路への充分な電流狭窄を実現できる場合は、省略可能である。
【００５４】
分布ブラッグ反射構造１７（１９）における半導体壁１７ａ（１９ａ）及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）は、分布ブラッグ反射構造における高屈折率部として働き、これらの壁間の領域は分布ブラッグ反射構造における低屈折率部として働く。この低屈折率部は、高屈折率部の半導体より低い屈折率を有している。具体的には、低屈折率部は、空気といった気体を介在させるために空隙を含むことができる。或いは、低屈折率部は高屈折率部の半導体より屈折率が低い物質、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂といった誘電体材料又は樹脂が充填された充填領域であってもよい。低屈折率部は、空隙及び充填領域の組み合わせであることができる。低屈折率部が空気等の空隙である場合、高屈折率部と低屈折率部との屈折率差が最大化されるため、分布ブラッグ反射構造を集積した共振器端面の高反射化が容易となる。低屈折率部として誘電体材料等を充填した充填領域を適用するとき、この充填領域の材料が、高い精度で加工された高屈折率部の単一の半導体材料で形成された半導体壁の表面を保護し、酸化等による表面の劣化を防止する役割も果たす。また、低屈折率部として充填領域を用いれば、半導体壁を充填領域の材料で保持できるため、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の機械的強度を向上できる。
【００５５】
ここで、従来の量子カスケード半導体レーザに対する、本実施例の量子カスケード半導体レーザ１１の優位性を説明する。従来の量子カスケード半導体レーザは、半導体壁17a(19a)、及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）がレーザ本体領域となる半導体積層15を構成するコア層やクラッド層等を含む複数の半導体層と同一の複数の半導体層で形成されており、それ以外は図１の素子構造と同じ構造を有している。従って、従来の量子カスケード半導体レーザでは、分布ブラッグ反射構造の半導体壁はコア層を含んでいるが、コア層は上記のように、基板と異なるGaInAsやAlInAs等の材料で形成された厚さ数nmの超薄膜の2種類以上の半導体層が数百層積層された多層膜で構成され、厚さも数μｍと厚い。この場合、コア層を構成する各半導体層の基板に対する格子歪は僅かでも、それが上記のように多数積層されて厚膜化すると大きな歪応力となる。従って、半導体壁がコア層を含む場合、半導体壁を形成するためのコア層エッチング時の加工ダメージと上記歪応力との相乗効果により、半導体壁のコア層に亀裂や膜剥がれ等の顕著な結晶劣化が生じて、半導体壁の機械的強度を弱めやすい。このような機械的強度の低下は素子作製時や素子動作時の半導体壁の破損を誘発する。特に半導体壁は後述のように、第１軸Ax方向における幅がサブμｍ〜μｍオーダーと薄いため、元々の機械的強度が弱く、従って上記半導体壁加工時のコア層の結晶劣化による破損等が生じやすかった。このような分布ブラッグ反射構造の構造劣化は、素子の製造歩留まりや耐久性を低下させ、量子カスケード半導体レーザへの分布ブラッグ反射構造の導入を困難化する原因となっていた。
【００５６】
また、従来の量子カスケード半導体レーザは、レーザ本体領域及び半導体壁は、第１軸Ax方向に延在する、半導体積層及び半導体壁を構成するコア層やクラッド層を含む複数の異なる半導体層から成る積層体を所定の位置において、基板に達するまでエッチングすることにより、一括形成する。これ故に、レーザ本体領域の端面（エッチングにより形成された端面）及び分布ブラッグ反射構造の高屈折率部の半導体壁の側面（エッチングにより形成された端面）には、異なる材料で構成されたコア層やクラッド層等の複数の半導体層の端面が現れている。しかしながら、これらの半導体層を同一のエッチング条件でエッチングすると、各半導体層毎にエッチングレートやエッチング方位が異なるため、全体が均一にはエッチングされず、異なる半導体層の界面におけるサイドエッチやエッチングの異方性等の不均一なエッチングにより、高屈折率部の半導体壁側面に凹凸が必ず生じやすい。特に量子カスケード半導体レーザの場合は、波長が3〜２0μｍ程度と長いことに起因して、導波光がコア層外のクラッド層や基板に広く拡散して分布するため、分布ブラッグ反射構造で高反射を得るには、第２軸Ａｘ２方向におけるエッチング深さとしては、５〜１０μｍ程度と通信用の半導体レーザに分布ブラッグ反射構造を導入する場合に比べて２倍程度の深いエッチングが必要となる。従って、上記不均一なエッチングによる、高屈折率部の半導体壁側面に凹凸がより顕著に生じやすい。このような凹凸が生じると、分布ブラッグ反射構造の半導体壁の側面の垂直性が損なわれるが、このような垂直性の悪化は分布ブラッグ反射構造の実効的な反射率の低下をもたらす。例えば、半導体壁の側面及び半導体積層の端面が導波路軸に垂直な基準面に対して５度程度の角度で度傾くと、分布ブラッグ反射構造の実効的な反射率が８５％（理論値）から３０％（測定値）に大幅に低下する。従って、従来の量子カスケード半導体レーザでは分布ブラッグ反射構造による高反射化が困難であった。
このような垂直性の悪化を防ぐには、分布ブラッグ反射構造の半導体壁を形成するコア層やクラッド層といった各半導体層に対し、最適なエッチング条件を選択する必要があるが、各半導体層毎にエッチング条件出しを行うのは多大な労力を要する。また各半導体層に対する最適なエッチング条件を見出したとしても、端面の垂直性が得られる保証は無く、また仮に得られたとしても、エッチング工程が複雑化し、生産性が低下するため、実用化は困難であった。
【００５７】
更に従来構造では上記のように、半導体積層１５と同一の半導体層で、分布ブラッグ反射構造の半導体壁が構成される。従って、多数の自由電子が存在し、自由キャリア吸収が大の高ドープのコンタクト層やクラッド層、また伝導帯のサブバンド間の遷移による光吸収が大のコア層等、量子カスケード半導体レーザの出射光を吸収する層が半導体壁には含まれることになる。このような半導体壁における出射光の吸収は、分布ブラッグ反射構造を集積した端面の実効的な反射率の低下や出射光パワーの低下を招くため、望ましくない。
【００５８】
一方、本実施例の構造では、半導体壁１７ａ（１９ａ）、及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）は丈夫なバルクの単一半導体で形成されており、コア層は含まれない。従って、従来構造で問題となった、半導体壁加工時のコア層の結晶劣化に起因する半導体壁の破損等の発生による、量子カスケード半導体レーザの製造歩留まりや耐久性の低下を回避でき、量子カスケード半導体レーザへの分布ブラッグ反射構造導入が容易となる。
【００５９】
また、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザの分布ブラッグ反射構造１７（１９）の作製においては、半導体壁１７ａ（１９ａ）、及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）がエッチングにより形成されるが、これらは単一の半導体材料、例えばＩｎＰからなるので、従来の量子カスケード半導体レーザにおける上記レーザ本体領域及び半導体壁を構成する複数の異なる材料から成る半導体層のエッチング時に生じるサイドエッチ等に起因するエッチング側面の凹凸が生じない。従って、半導体壁１７ａ（１９ａ）、及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）の側面は平坦性及び垂直性に優れる。したがって、凹凸に起因する分布ブラッグ反射構造の実効的な光反射率の低下を回避でき、従来構造に比べて、分布ブラッグ反射構造の高反射化が容易となる。更に本実施例の構造では、半導体壁１７ａ（１９ａ）及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）が全て単一半導体から成るため、エッチング条件としては、これらの単一半導体を垂直エッチングするのに最適化された単一のエッチング条件を用いることが出来る。従って、従来構造における分布ブラッグ反射構造の半導体壁のエッチングで問題であった、複数の半導体層に対するエッチング条件出しに要する多大な労力の発生や、複雑なエッチング工程に起因する生産性の低下等の不具合も回避できる。
【００６０】
更に単一の半導体材料として、例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の半絶縁性又はアンドープの半導体を用いれば、これらは、上記のように、中赤外領域において強い光吸収源となる自由キャリアが僅かしか存在しないため、中赤外領域における自由キャリアによる光吸収が微小である。また、これらの半導体材料は、量子カスケード半導体レーザ１１から出射される中赤外レーザ光に対して透明であり、サブバンド間遷移による光吸収も引き起こさない。従って、これらを半導体壁１７ａ（１９ａ）及び追加半導体壁１７ｇ（１９ｇ）、１７ｈ（１９ｈ）に用いれば、従来構造で問題となった、半導体壁におけるサブバンド間遷移や自由キャリアによる出射光の吸収に起因する、出射光パワーの低下や分布ブラッグ反射構造を集積した端面の実効的反射率の低下といった問題を回避でき、出射光の高出力化や分布ブラッグ反射構造を集積した端面の高反射化が容易になる。
【００６１】
より具体的には、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の形成のために単一の半導体材料からなる半導体領域が準備されて、この半導体領域のエッチングが進行しても常にエッチャントは単一の半導体材料をエッチングし続ける。従って、このエッチングにおいては、異種半導体層間におけるサイドエッチが生じることなく、エッチング方位の材料依存性によるエッチング面の異方性も生じない。またエッチング条件としては、前記単一の半導体を垂直エッチングするのに最適化された単一のエッチング条件を用いることが出来る。
【００６２】
量子カスケード半導体レーザ１１では、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の形成のための高抵抗の単一の半導体材料は、例えば、上記ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の半絶縁性又はアンドープの半導体を備えることができる。
【００６３】
以上ではキャリアとして電子を用いた構造を示したが、ホールをキャリアとして用いることも可能であり、その場合は、図１に示したn型の各半導体層や基板をp型に変更したものを用いる。
【００６４】
分布ブラッグ反射構造１７（１９）の構造の諸元について検討を行った。分布ブラッグ反射構造における反射を最大化して、量子カスケード半導体レーザのための分布ブラッグ反射構造に高反射率を付与するために、低屈折率部である隣り合う２つ半導体壁の間、及びレーザ構造体の端面とそれに隣接する半導体壁の側面との間の領域の間隔ＷＬと、高屈折率部である個々の半導体壁の厚さＷＨを、上記のように、λ／（４×ｎ）の奇数倍に設定することが良い。これらの間隔の値は、多くの場合、λ／（４×ｎ）又は３×λ／（４×ｎ）に設定される。ここで、「λ」は真空中の発振波長を示し、「ｎ」は発振波長に対応する各領域（高屈折率領域及び低屈折率領域）の実効屈折率を示す。
【００６５】
次に以下のような条件を満たす分布ブラッグ反射構造を計算モデルとして、その実効的な反射率を計算した。
(1)計算モデルの量子カスケード半導体レーザはFe-InP埋め込みヘテロ構造を備え、発振波長７．５４μｍを有する。
(2)分布ブラッグ反射構造及び半導体積層は、サイドエッチ等の影響がない、理想的な垂直性及び平坦性を有する端面及び側面を有しており、分布ブラッグ反射構造の高屈折率部(半導体壁、追加半導体壁)はFe-InP半絶縁性半導体からなり、低屈折率部は空気で満たされた空隙から成る。この構造に基づき、分布ブラッグ反射構造による光吸収は無いと仮定する。
(3) 高屈折率部である個々の半導体壁の厚さWH、及び空気からなる低屈折率部の幅WLとしては、これらが分布ブラッグ反射構造の高反射化に最適な上記λ／（４×ｎ）の奇数倍の値、具体的には、λ／（４×ｎ）、または３×λ／（４×ｎ）の値に設定されている構造を仮定した。以下では前者をλ／（４×ｎ）構造と呼び、後者を３×λ／（４×ｎ）構造と呼ぶこととする。図３の（ａ）部には、λ／（４×ｎ）構造、及び３×λ／（４×ｎ）構造における、WHとWLの具体的な値を記載した。ここで、λは（１）に記載の通り7.54μｍであり、nの値としては、高屈折率部は3.098(波長7.54μｍにおけるFe-InPの屈折率)、また低屈折率部は空気層のため、１とした。
この条件の下で、平面波近似による多層膜反射モデルを用いて、分布ブラッグ反射構造の実効的な反射率を計算した。図３の（ｂ）部には、計算結果である特性線（１）、（２）、（３）及び（４）が示されており、各特性線は以下の構造の計算結果を示す。
特性線（１）のモデル：半導体壁の間隔(低屈折率部の幅)ＷＬ及び半導体壁の厚さＷＨ２が共にλ／（４×ｎ）であり、分布ブラッグ反射構造は２つの半導体壁を備える。
特性線（２）のモデル：間隔ＷＬ及び厚さＷＨ２が共にλ／（４×ｎ）であり、分布ブラッグ反射構造は１つの半導体壁を備える。
特性線（３）のモデル：間隔ＷＬ及び厚さＷＨ２が共に３×λ／（４×ｎ）であり、分布ブラッグ反射構造は２つの半導体壁を備える。
特性線（４）のモデル：間隔ＷＬ及び厚さＷＨ２が共に３×λ／（４×ｎ）であり、分布ブラッグ反射構造は１つの半導体壁を備える。
即ち、特性線（１）、（２）がλ／（４×ｎ）構造の、また特性線（３）、（４）が３×λ／（４×ｎ）構造の計算結果である。
【００６６】
上記計算結果から判る通り、λ／（４×ｎ）構造、３×λ／（４×ｎ）構造の何れの分布ブラッグ反射構造を用いても、２つの半導体壁を含む分布ブラッグ反射構造は９８％程度の反射率を示し、１つの半導体壁を含む分布ブラッグ反射構造は、８７％程度の反射率を示す。へき開面それ自体の端面は３０％程度の反射率であることから、理想的な構造に近い分布ブラッグ反射構造の反射率は、へき開による端面反射率の３倍以上の大きさまで増加できることが判る。
【００６７】
図３の結果から理解されるように、λ／（４×ｎ）構造は３×λ／（４×ｎ）構造に比べて、高反射率となる波長帯域が広い。しかしながら、λ／（４×ｎ）構造の半導体壁の厚さは０．６０８５μｍであり、このようなサブミクロン幅の領域を実際の製造プロセスで精度よく形成するのは困難な場合が多い。一方、３×λ／（４×ｎ）構造の半導体壁の厚さは１．８８６μｍと通常のエッチング装置で問題無く加工できる厚さである。このため、３×λ／（４×ｎ）構造の半導体壁の作製はより容易である。
【００６８】
本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザによれば、分布ブラッグ反射構造は高い反射率を示し、量子カスケード半導体レーザの閾値電流を低減できる。また、分布ブラッグ反射構造の半導体壁を単一の半導体材料で形成することにより、半導体壁の破損等の発生による、量子カスケード半導体レーザの製造歩留まりや耐久性の低下を回避でき、エッチング側壁に所望の垂直性を提供でき、更にエッチング条件出しの負荷を軽減でき、エッチング工程に起因する生産性の低下を回避できる。
【００６９】
（第２実施形態）
図４〜図１２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を説明する。図４〜図１２において、個々の図面における（ａ）部は、レーザ導波路の延在方向に直交する線（例えば図４においては（ｃ）部に示されたＩＶａ−ＩＶａ線）に沿って取られ、レーザ本体領域となる半導体積層における断面を示し、個々の図面における（ｂ）部は、レーザ導波路の延在方向に直交する線（例えば図４においては（ｃ）部に示されたＩＶｂ−ＩＶｂ線）に沿って取られ、分布ブラッグ反射構造の半導体壁における断面を示し、個々の図面における（ｃ）部は、レーザ導波路の延在方向の線（例えば図４においては（ａ）部に示されたＩＶｃ−ＩＶｃ線）に沿って取られレーザ導波路を示す断面を示し、個々の図面における（ｄ）部は、レーザ導波路の延在方向の線（例えば図４においては（ａ）部に示されたＩＶｄ−ＩＶｄ線）に沿って取られ電流ブロック半導体領域を示す断面を示す。
【００７０】
図４に示されるように、半導体基板４１上にエピタキシャル半導体領域４３を成長する。結晶成長法としてはＯＭＶＰＥ法又はＭＢＥ法を用いることができる。この結晶成長によって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が成長される。本実施例では、エピタキシャル半導体領域４３は、ｎ型下部クラッド層４５、コア層４７、ｎ型上部クラッド層４９、及びコンタクト層５１を含む。
結晶成長した後に、図４の（ａ）部及び（ｃ）部に示されるように、量子カスケード半導体レーザの半導体メサの平面形状を規定するパターンを有するマスク５３を形成する。マスク５３は、半導体基板４１の第１領域４１ａ、第２領域４１ｂ及び第３領域４１ｃ上にパターンを有し、このパターンは、半導体基板４１の第２領域４１ｂ上に位置する第２パターン５３ｂと、該第２パターン５３ｂから半導体基板４１の第１領域４１ａ及び第３領域４１ｃにそれぞれ延出する第１延出部（第１パターン５３ａ）及び第２延出部（第３パターン５３ｃ）を含む。マスク５３は、半導体基板４１の第１領域４１ａ及び第３領域４１ｃ上に開口を有する。マスク５３の形成は、絶縁膜の成膜後、フォトリソグラフィー及びエッチングの手法を用いて絶縁膜をパターニングして、エッチング用のマスク５３を形成する。絶縁膜としては、例えばＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナ、ＳｉＯ２等の誘電体膜が用いられる。
【００７１】
マスク５３を用いて、半導体基板４１及びエピタキシャル半導体領域４３をエッチングして、図５に示されるように、半導体基板４１の第１領域４１ａの一部、第２領域４１ｂ、及び第３領域４１ｃの一部上にストライプ形状の半導体積層５５を形成する。半導体積層５５はメサ導波路となる領域を含む。半導体積層５５は、半導体端面ＥＮＤ１、ＥＮＤ２を備える。半導体積層５５は、ｎ型下部クラッド層４５ａ、コア層４７ａ、ｎ型上部クラッド層４９ａ、及びｎ型コンタクト層５１ａを含み、ｎ型下部クラッド層４５ａ、コア層４７ａ、ｎ型上部クラッド層４９ａ、及びｎ型コンタクト層５１ａはストライプ形状を有する。このエッチングのために、エッチング手法としては、ウエット、またはドライエッチングが使用できる。半導体積層５５から成るメサ導波路の幅を高精度で加工するために、垂直エッチング性に優れるドライエッチングを適用することが良い。ドライエッチングとして、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用できる。
【００７２】
次いで、図６に示されるように、マスク５３を除去することなく埋め込み再成長を行う。埋め込み再成長の工程においては、例えば半絶縁性半導体層５７を成長する。埋め込み再成長では、マスク５３のパターン上には結晶成長せず、それ以外の領域（マスク５３の開口領域）を埋め込むように高抵抗の半絶縁性半導体層５７が半導体基板４１上に形成される。この結果、半導体積層５５の半導体側面及び半導体端面に接して半絶縁性半導体が成長されて、半導体積層５５が半絶縁性半導体層５７によって埋め込まれる。この実施例では、半導体積層５５の上面の高さまでに、半絶縁性半導体層５７が成長される。これ故に、図６の（ｃ）部に示されるように、半絶縁性半導体層５７の上面と半導体基板の裏面との間隔H1は、半導体積層５５の上面と半導体基板の裏面との間隔Ｈ２と実質的に同じである。半導体積層５５の半導体端面ＥＮＤ１、ＥＮＤ２は半絶縁性半導体層５７によって被覆される。
【００７３】
理解を容易にするために記載すれば、図７の（ａ）部は、図７の（ｃ）部に示されたＶＩＩａ−ＶＩＩａ線に沿って取られ、レーザ本体領域となる半導体積層における断面を示す。図７の（ｂ）部は、図７の（ｃ）部に示されたＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線に沿って取られ、分布ブラッグ反射構造の半導体壁における断面を示す。図７の（ｃ）部は、図７の（ａ）部に示されたＶＩＩｃ−ＶＩＩｃ線に沿って取られレーザ導波路を示す断面を示す。図７の（ｄ）部は、図７の（ａ）部に示されたＶＩＩｄ−ＶＩＩｄ線に沿って取られ電流ブロック半導体領域を示す断面を示す。埋め込み再成長が完了した後にマスク５３を除去する。次いで、図７に示されるように、分布ブラッグ反射構造形成のためのマスク５９を半絶縁性半導体層５７の上面及び半導体積層５５の上面上に形成する。マスク５９は、回折格子の半導体壁のための第１パターン５９ａ及び第３パターン５９ｃと、半導体基板４１の第２領域４１ｂ上に第２パターン５９ｂとを含む。第１パターン５９ａ及び第３パターン５９ｃは、それぞれ、半導体基板４１の第１領域４１ａ及び第３領域４１ｃ上に設けられる。第２パターン５９ｂは、図７の（a）部に示されるように、半導体積層５５のうち第２領域４１ｂ上の積層の上面を覆う第１被覆部５９ｄと、第２領域４１ｂ上の電流ブロック半導体層の上面を覆う第２被覆部５９ｆとを含み、第１被覆部５９ｄの縁は、突き当て接合の位置を基準にして後退しており、回折格子の半導体壁のための第１パターン５９ａ及び第３パターン５９ｃは、突き当て接合の位置から離れている。突き当て接合の位置の両側に突き当て接合の位置から離してマスク５９のパターンを形成する。突き当て接合を含む半導体領域は、エッチングにより消失する。これ故に、レーザ導波路における光は突き当て接合を横切らない。突き当て接合が存在した領域に形成される低屈折率部は、通常上記のようにλ／（４×ｎ）または３×λ／（４×ｎ）の幅に設定されることが多いので、突き当て接合の位置と半導体壁のためのパターン５９ａの縁との距離は例えば0〜λ／（４×ｎ）または0〜３×λ／（４×ｎ）程度であり、突き当て接合の位置と第２パターン５９ｂの縁との距離は例えば0〜λ／（４×ｎ）または0〜３×λ／（４×ｎ）程度である。
【００７４】
図８に示されるように、マスク５９を用いて半導体積層５５及び半絶縁性半導体層５７をエッチングして、半導体端面５５ａ、５５ｂを有する半導体積層５５と、半導体基板４１の第１領域４１ａ上に分布ブラッグ反射構造６１の回折格子と、半導体基板４１の第２領域４１ｂ上に電流ブロック半導体層64と、半導体基板４１の第３領域４１ｃ上に分布ブラッグ反射構造６３の回折格子とを形成する。エッチングの結果、分布ブラッグ反射構造６１（６３）は、半導体積層５５の半導体端面５５ａ（５５ｂ）から離れており、分布ブラッグ反射構造６１（６３）の半導体壁６１ｂ（６３ｂ）を含む。半導体積層５５及び電流ブロック半導体層64は、一体の半導体として残されるレーザ本体領域となるレーザ構造体５８を構成する。レーザ構造体５８は、第１軸Ａｘ１に交差する端面５８ａ、５８ｂ（第１端面２５ａ、第２端面２５ｂ）を有する。レーザ構造体５８の端面５８ａ、５８ｂは、それぞれ、半導体積層５５の半導体端面５５ａ、５５ｂを含む。上記のように、半導体壁６１ｂ（６３ｂ）のエッチング面には高い垂直性が求められるため、垂直エッチング性に優れるドライエッチングを適用することが良い。ドライエッチングとしては、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用できる。
【００７５】
ドライエッチングが完了した後にマスク５９を除去する。次いで、保護のための絶縁膜を形成するために、マスクを形成する。このために、図９に示されるように、絶縁膜６５を基板の全面上に成膜する。絶縁膜６５は例えばＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナ、ＳｉＯ２等の誘電体膜等であることができる。次に図９に示されるように、保護膜として残存させる必要がある電流ブロック半導体層64として残した半絶縁性半導体層５７上の絶縁膜６５上をレジストマスク６７で保護する。レジストマスク６７は、半導体積層５５の上面上に位置する第１開口と、分布ブラッグ反射構造６１（６３）上に位置する第２開口とを有する。
【００７６】
図１０に示されるように、レジストマスク６７を用いて絶縁膜６５をエッチングして、保護及び電気絶縁のための絶縁膜６９を形成する。このエッチングには、ドライまたはウエットエッチングを適用でき、レジストマスク６７の開口における絶縁膜が除去される。この結果、電流ブロック半導体層64としての半絶縁性半導体層５７上に絶縁膜６９が残される。
【００７７】
保護のための絶縁膜６５が半絶縁性半導体層５７上に形成された後に、図１１に示されるように、上部電極を形成するためのレジストマスク７１を形成する。レジストマスク７１の形成のためにフォトリソグラフィが適用される。レジストマスク７１は、レーザ構造体５８の上面上に開口を有する。レジストマスク７１を形成した後に、図１１に示されるように、上部電極のための金属層７３を基板全面に形成する。この形成は、例えば蒸着、スパッタ等の方法により行われる。金属層７３は、レジストマスク７１のパターン上に堆積される第１部分７３ａ、及びレジストマスク７１の開口に堆積される第２部分７３ｂを含む。成膜の後にリフトオフを行うと、図１２に示されるように、レジストマスク７１上の金属層７３の第１部分７３ａが選択的に除去されると共に金属層７３の第２部分７３ｂが上部電極７５ａとして残される。この後に、へき開に適切な厚さまで半導体基板４１の裏面が研磨され、そして、半導体基板４１の研磨面４１ｄに裏面電極７５ｂが形成される。必要な場合には、分布ブラッグ反射構造６１（６３）の低屈折率部は充填領域であってもよく、充填領域は高屈折率部の半導体よりも低い屈折率を有する材料で埋め込まれる。
【００７８】
これらの工程により、量子カスケード半導体レーザのための基板生産物ＳＰが完成された。基板生産物ＳＰからレーザチップが作製される。
【００７９】
この作製方法によれば、分布ブラッグ反射構造が単一の半導体材料で形成されるので、半導体壁の破損等の発生による、量子カスケード半導体レーザの製造歩留まりや耐久性の低下を回避でき、優れた垂直性及び表面平坦性の半導体壁が形成される。また、電流狭窄構造及び分布ブラッグ反射構造に同じ単一の半導体材料を用いるため、両者を単一の埋め込み再成長及びエッチングにより一括して形成できる。従って、分布ブラッグ反射構造が電流狭窄構造と異なる単一の半導体を用いる構造に比べて、本実施の形態に係る量子カスケード半導体レーザの製造プロセスの負荷を軽減できる。電流狭窄構造及び分布ブラッグ反射構造のための半導体材料は半絶縁性の半導体に限定されることなく、例えばアンドープの半導体を備えることができる。
【００８０】
（第３実施形態）
図１３を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１ａが示される。量子カスケード半導体レーザ１１ａは、量子カスケード半導体レーザ１１の分布ブラッグ反射構造１７（１９）に替えて、分布ブラッグ反射構造８１（８３）を備える。分布ブラッグ反射構造８１（８３）は、半導体積層１５の半導体端面１５ａ、１５ｂから離れて設けられた一又は複数の半導体壁８１ｂ（８３ｂ）を備える。半導体積層１５の半導体端面１５ａ（１５ｂ）及び半導体壁８１ｂ（８３ｂ）は第１軸Ａｘ１の方向に配列されて、分布ブラッグ反射構造８１（８３）を構成する。半導体壁８１ｂ（８３ｂ）の上端と半導体基板１３の裏面との間隔Ｄ３は、半導体積層１５の上面と半導体基板１３の裏面との間隔Ｄ２に比べて大きい。即ち、半導体壁８１ｂ（８３ｂ）は、出射光の広がり角を考慮して出射光全体を反射できるよう必要なだけAx2方向に延長されている。これ故に、分布ブラッグ反射構造８１（８３）は、半導体積層１５の半導体端面１５ａ（１５ｂ）から出射されたより多くの出射光を受けることができる。この出射光の広がり角を考慮して延長された長さの半導体壁８１ｂ（８３ｂ）を用いることにより、分布ブラッグ反射構造８１（８３）がより多くの出射光を反射できるようになるため、分布ブラッグ反射構造８１（８３）を用いれば端面の高反射化が容易となる。この構造の形成は、図６における分布ブラッグ反射構造となる領域の埋め込み再成長時に形成される単一半導体層５７の最上面が、レーザ本体領域の半導体積層55の最上面よりも高くなるように再成長する以外は、第1実施形態と同様の製法により作製することができる。
【００８１】
（第４実施形態）
図１４を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１ｃが示される。量子カスケード半導体レーザ１１ｃは、量子カスケード半導体レーザ１１の分布ブラッグ反射構造１７（１９）に替えて、分布ブラッグ反射構造８５（８７）を備える。分布ブラッグ反射構造８５（８７）は、半導体積層１５の半導体端面１５ａ（１５ｂ）から隔置された一又は複数の半導体壁８５ｂ（８７ｂ）を備える。半導体積層１５の半導体端面１５ａ（１５ｂ）及び半導体壁８５ｂ（８７ｂ）は第１軸Ａｘ１の方向に配列されて、分布ブラッグ反射構造８５（８７）を構成する。半導体壁８５ｂ（８７ｂ）の上端と半導体基板１３の裏面との間隔Ｄ４は、半導体積層１５の上面と半導体基板１３の裏面との間隔Ｄ２に比べて小さい。この構造の形成は、図６における単一半導体層５７を埋め込み再成長した後に、分布ブラッグ反射構造を形成する領域の半導体層５７の上部のみを必要量エッチングして、レーザ本体領域よりも分布ブラッグ反射構造を形成する領域の方が低くなるように加工する以外は、第1実施形態と同様の製法により作製することができる。半導体積層１５からの出射光の広がり角が狭い場合は、本実施例の構造のように、出射光の広がり角に対応して半導体壁８５ｂ（８７ｂ）の上端の高さを半導体積層１５の上端の高さより低くしても、出射光全体を反射でき、分布ブラッグ反射構造における実効的な反射率の低下は生じない。本実施例の構造では、半導体壁８５ｂ（８７ｂ）の形成のためのエッチングの深さが小さいので、少ないエッチング量で半導体壁８５ｂ（８７ｂ）を加工できる。従って、この構造は半導体壁８５ｂ（８７ｂ）の加工精度の向上に寄与する。
【００８２】
（第５実施形態）
図１５の（ａ）部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１ｃが、ヒートシンク等の搭載部材８９上に半田材８８を介してエピダウンで実装されている。このようなエピダウンでのダイボンド実装の形態では、半導体積層１５上の上部電極３１が半田材８８を介して搭載部材８９によって支持される。これ故に、分布ブラッグ反射構造８５（８７）内の比較的薄い半導体壁８５ｂ（８７ｂ）は搭載部材８９によって直接に支持されることはない。このため、ダイボンド実装を行う際に、半導体壁８５ｂ（８７ｂ）を下地の半田材、ヒートシンク等の実装部材と接触させずにダイボンドできる。したがって、このダイボンド実装の際における半導体壁８５ｂ（８７ｂ）の物理的損傷の可能性を回避でき、エピダウン実装形態において、この損傷に起因する歩留まり低下を避けることができる。なお半田材としてはＩｎ、ＡｕＳｎ等が適用可能であり、またヒートシンクの材料としてはＣｕ、ダイヤモンド、ＡｌＮ等が適用可能である。半導体壁（８５ｂ、８７ｂ）の高さと半導体積層１５の高さとの差は、例えば０．１〜５μｍ程度である。
【００８３】
また、図１５の（ｂ）部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１ａが、ヒートシンクといった搭載部材８９上に半田材８８を介してエピアップで実装されている。このエピアップでのダイボンド実装形態では、量子カスケード半導体レーザ１１ａの裏面電極３３が搭載部材８９上の半田材８８に接合を成す。量子カスケード半導体レーザ１１ａだけでなく、量子カスケード半導体レーザ１１ｃにもこの実装形態を適用できる。
【００８４】
（第６実施形態）
図１６の（ａ）部は、図１及び図２に示された量子カスケード半導体レーザ１１の平面図を示す。図１６の（ａ）部では、レーザ構造体２５の上面は、上部電極３１によって覆われている。このため、半導体メサ導波路ＭＥＳＡが破線で示されている。量子カスケード半導体レーザ１１では、半導体壁１７ａ（１９ａ）が、第３軸Ａｘ３の方向に基板１３の一側面１３ｇの上縁から他側面１３ｈの上縁まで延在すると共に、レーザ構造体２５の第１端面２５ａ（第２端面２５ｂ）と一緒になって分布ブラッグ反射構造を形成するように第１軸Ａｘ１の方向に周期的に配列されている。
【００８５】
図１６の（ｂ）部に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１１ｄでは、分布ブラッグ反射構造１７（１９）は、第１接続部１７ｃ（１９ｃ）を更に備えることができ、第１接続部１７ｃ（１９ｃ）は、第１軸Ａｘ１の方向に延在して、複数の半導体壁１７ａ（１９ａ）の一端を接続する。第１接続部１７ｃ（１９ｃ）は基板１３の一側面１３ｇの上縁に沿って延在する。この量子カスケード半導体レーザ１１ｄによれば、第１接続部１７ｃ（１９ｃ）は、半導体壁１７ａ（１９ａ）を接続して、第１接続部１７ｃ（１９ｃ）、半導体壁１７ａ（１９ａ）は一体の構造物として纏められる。第１接続部１７ｃ（１９ｃ）により、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の機械的強度を増加でき、分布ブラッグ反射構造１７（１９）が破損しにくくなる。その結果として、量子カスケード半導体レーザ１１ｄの製造歩留まりの低下を抑制でき、また量子カスケード半導体レーザ１１ｄの耐久性を改善できる。
【００８６】
また、分布ブラッグ反射構造１７（１９）は、第３接続部１７ｄ（１９ｄ）を更に備えることができ、第３接続部１７ｄ（１９ｄ）は、第１軸Ａｘ１の方向に延在して、半導体壁１７ａ（１９ａ）の他端を接続する。第１接続部１７ｃ（１９ｃ）及び第３接続部１７ｄ（１９ｄ）の各々は接続壁の形状を有して、構造的な補強を可能にする。これにより、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の機械的強度を更に増加でき、分布ブラッグ反射構造１７（１９）が破損しにくくなる。その結果として、量子カスケード半導体レーザ１１ｄの製造歩留まりの低下を抑制でき、また量子カスケード半導体レーザ１１ｄの耐久性を改善できる。補強のための第１接続部１７ｃ（１９ｃ）及び第３接続部１７ｄ（１９ｄ）としては、既に説明した半導体壁１７ａ（１９ａ）の材料を適用できる。図１６の（ｂ）部に示された量子カスケード半導体レーザ１１ｄでは、第１接続部１７ｃ（１９ｃ）及び第３接続部１７ｄ（１９ｄ）は、半導体壁１７ａ（１９ａ）の全てを接続しているけれども、これらは複数の半導体壁１７ａ（１９ａ）の一部を接続してもよい。
【００８７】
第１接続部１７ｃ（１９ｃ）及び第３接続部１７ｄ（１９ｄ）が半導体壁１７ａ（１９ａ）と同一の材料からなることが好ましい。この量子カスケード半導体レーザ１１ｄによれば、半導体壁１７ａ（１９ａ）、第１接続部１７ｃ（１９ｃ）、及び第３接続部１７ｄ（１９ｄ）が同一の半導体材料からなるので、材料的な面において、これらが材料的に一様な構造として構成される。このため、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の強度を向上できる。また、半導体壁１７ａ（１９ａ）、第１接続部１７ｃ（１９ｃ）、及び第３接続部１７ｄ（１９ｄ）が同じ材料からなるので、これらのための半導体成長及び加工を一括して行うことができ、分布ブラッグ反射構造のための製造プロセスを簡略化できる。
【００８８】
（第７実施形態）
図１７に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１１ｅは、分布ブラッグ反射構造１７（１９）は第２接続部１７ｅ（１９ｅ）を更に備えることができる。第２接続部１７ｅ（１９ｅ）は、レーザ構造体25の電流ブロック半導体層２７（埋込領域）と、半導体壁１７ａ（１９ａ）とを互いに接続する。第２接続部１７ｅ（１９ｅ）は第１軸Ａｘ１の方向に延在する。この量子カスケード半導体レーザ１１ｅによれば、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）は、レーザ構造体25の電流ブロック半導体層２７を半導体壁１７ａ（１９ａ）に接続して、レーザ構造体25、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）、及び半導体壁１７ａ（１９ａ）は一体の構造物として纏められる。従って、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）により、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の機械的強度を増加でき、分布ブラッグ反射構造１７（１９）が破損しにくくなる。その結果として、量子カスケード半導体レーザ１１ｅの製造歩留まりの低下を抑制でき、また量子カスケード半導体レーザ１１ｅの耐久性を改善できる。図１７においては、量子カスケード半導体レーザ１１ｅは、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）に加えて第１接続部１７ｃ（１９ｃ）を備えるが、第１接続部１７ｃ（１９ｃ）を備えていなくてもよく、また、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）を備えていなくても良い。
【００８９】
また、分布ブラッグ反射構造１７（１９）は第４接続部１７ｆ（１９ｆ）を更に備えることができる。第４接続部１７ｆ（１９ｆ）は、レーザ構造体の電流ブロック半導体層２７と半導体壁１７ａ（１９ａ）とを互いに接続する。第４接続部１７ｆ（１９ｆ）は第１軸Ａｘ１の方向に延在する。補強のための第２接続部１７ｅ（１９ｅ）及び第４接続部１７ｆ（１９ｆ）には、既に説明したように半導体壁１７ａ（１９ａ）の材料を適用できる。第４接続部１７ｆ（１９ｆ）により、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の機械的強度を増加でき、分布ブラッグ反射構造１７（１９）が破損しにくくなる。その結果として、量子カスケード半導体レーザ１１ｅの製造歩留まりの低下を抑制でき、また量子カスケード半導体レーザ１１ｅの耐久性を改善できる。図１７においては、量子カスケード半導体レーザ１１ｅは第４接続部１７ｆ（１９ｆ）に加えて第３接続部１７ｄ（１９ｄ）を備えるが、第３接続部１７ｄ（１９ｄ）を備えていなくてもよく、また第４接続部１７ｆ（１９ｆ）を備えていなくても良い。
【００９０】
第２接続部１７ｅ（１９ｅ）及び第４接続部１７ｆ（１９ｆ）が半導体壁１７ａ（１９ａ）と同一の材料からなることが好ましい。この量子カスケード半導体レーザ１１ｄによれば、半導体壁１７ａ（１９ａ）、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）、及び第４接続部１７ｆ（１９ｆ）が互いに接続されるので、これらが材料的に一様な構造として構成される。このため、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の強度を向上できる。また、半導体壁１７ａ（１９ａ）、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）、及び第４接続部１７ｆ（１９ｆ）が同じ材料からなるので、これらのための半導体成長及び加工を一括して行うことができ、分布ブラッグ反射構造のための製造プロセスを簡略化できる。
【００９１】
第２接続部１７ｅ（１９ｅ）、第４接続部１７ｆ（１９ｆ）、半導体壁１７ａ（１９ａ）、及び電流ブロック半導体層２７が全て同一の材料からなることが好ましい。この量子カスケード半導体レーザ１１eによれば、電流ブロック半導体層２７、半導体壁１７ａ（１９ａ）、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）、及び第４接続部１７ｆ（１９ｆ）が互いに接続されるので、これらが材料的に一様な構造として構成される。このため、分布ブラッグ反射構造１７（１９）の強度を更に向上できる。また、電流ブロック半導体層２７、半導体壁１７ａ（１９ａ）、第２接続部１７ｅ（１９ｅ）、及び第４接続部１７ｆ（１９ｆ）が同じ材料からなるので、これらのための半導体成長及び加工を一括して行うことができ、分布ブラッグ反射構造のための製造プロセスを簡略化できる。
【００９２】
（第８実施形態）
図１８に示されるように、量子カスケード半導体レーザ１１ｆにおいては、半導体壁１７ａ（１９ａ）は、第３軸Ａｘ３の方向に関する壁幅ＷＷを有し、基板１３は第３軸Ａｘ３の方向に関する基板幅ＷＳを有する。この形態では、半導体壁１７ｂ（１９ｂ）の左右両端は、いずれも基板１３の一側面１３ｇの上縁、他側面１３ｈの上縁から離れている。量子カスケード半導体レーザ１１ｆでは、壁幅ＷＷが基板幅ＷＳより短い。この形態では、半導体壁１７ａ（１９ａ）の左右両端は、いずれも基板１３の一側面１３ｇの上縁、他側面１３ｈの上縁から離れている。この量子カスケード半導体レーザ１１ｆによれば、壁幅ＷＷは基板幅ＷＳより短いので、ドライエッチングによる半導体壁１７ａ（１９ａ）の形成時において後述のようにマイクロローディング効果に起因するエッチングレートの変動が軽減されるため、エッチングの面内均一性や再現性を改善できる。また、この構造では後述のように、素子分離の際における半導体壁１７ａ（１９ａ）の破損に起因する製造歩留まり低下を回避できる。また、素子分離の際における押圧力が半導体壁１７ａ（１９ａ）に加わらないので、半導体壁の破損の可能性が低減される。
【００９３】
（第９実施形態）
図４〜図１２に示した量子カスケード半導体レーザの製造では、半導体ウエハ上の多数の素子区画に配列された多数の量子カスケード半導体レーザを一括して形成して、前記基板生成物SPを完成させる。この後に、基板生成物SPを個々の半導体素子に分離する。図１９の（ａ）部は、量子カスケード半導体レーザ１１の基板生成物SPを示す。図１９の（ａ）部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１のための６個の素子区画９０が示されている。図１９の（ｂ）部は、量子カスケード半導体レーザ１１ｆの基板生成物SPを示す。図１９の（ｂ）部を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１ｆのための６個の素子区画１００が示されている。
【００９４】
図１９の（ａ）部に示される素子形態では、分布ブラッグ反射構造１７（１９）のための半導体壁が素子区画の境界９５を横切ってつながっている。一方、図１９の（ｂ）部に示される素子形態では、分布ブラッグ反射構造１７（１９）のための半導体壁が素子区画の境界１０５から離れている。これ故に、第１軸Ａｘ１の方向に延在する素子区画の境界１０５上には、半導体壁がない。このため、半導体壁１７ａ（１９ａ）を形成するドライエッチングの際には、図１９の（ａ）部に示される素子形態に比べて、図１９の（ｂ）部に示される素子形態の方が、半導体壁によるガスの滞留が軽減されるため、エッチングガスが、第１軸Ａｘ１及び第３軸Ａｘ３の方向に流れやすくなる。その結果、エッチングガスの循環が良くなって、図１９の（ｂ）部に示される素子形態の方が、基板面内におけるマイクロローディング効果に起因するエッチングレートの変動が軽減される。従って、量子カスケード半導体レーザ１１ｆの方が量子カスケード半導体レーザ１１に比べて、半導体壁１７ａ（１９ａ）の形成における、エッチングの面内均一性や再現性を改善できる。
【００９５】
また、図１９の（ｂ）部に示される素子形態では、第１軸Ａｘ１の方向に延在する素子区画の境界１０５上に半導体壁がないので、レーザバーを形成する押圧による素子分割の際に半導体壁に押圧力が加わることがない。このため、押圧力の印加に起因する製造歩留まり低下を回避できる。
【００９６】
さらに、量子カスケード半導体レーザ１１ｆでは量子カスケード半導体レーザ１１に比べて、半導体壁１７ａ（１９ａ）の壁幅ＷＷと半導体壁１７ａ（１９ａ）の第２軸Ax2方向における高さＨとの比（ＷＷ／Ｈ）が、小さい。これ故に、量子カスケード半導体レーザ１１ｆでは量子カスケード半導体レーザ１１に比べて、半導体壁１７ａ（１９ａ）の機械的強度を向上できる。
【００９７】
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】
【００９８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、半導体壁の破損等による、製造歩留まりや耐久性の低下を回避でき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】
【００９９】
１１…量子カスケード半導体レーザ、１３…基板、１５…半導体積層、１７、１９…分布ブラッグ反射構造、１５ａ…半導体端面、１７ａ、１９ａ…半導体壁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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