(57)【要約】【課題】量子カスケードレーザに所望される高いメサ導波路の形成が容易であり、且つ素子表面の平坦性を高めることを可能にする構造を有する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１は、第３領域１１ｄ上に設けられメサ導波路１７を含む半導体領域１３と、半導体領域１３上に設けられメサ導波路１７に接続された上部電極１５とを含む。半導体領域１３は、第１側面１７ｂ上及び第１領域１１ｂ上に設けられた第１埋込領域１９と、第２側面１７ｃ上及び第２領域１１ｃ上に設けられた第２埋込領域２１とを備える。第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１は、積層領域３７及びバルク半導体領域３９を含み、積層領域３７は、互いに離間するように第１領域１１ｂ及び第２領域１１ｃ上に配置され、積層領域３７及びメサ導波路１７は半導体積層構造２３を含む。半導体積層構造２３はコア層のための第１半導体層及び上部クラッド層のための第２半導体層を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の主面上に設けられ、メサ導波路を含む半導体領域と、
前記半導体領域上に設けられ、前記メサ導波路に接続された上部電極と、
を備え、
前記半導体基板は、第１軸に沿って配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有しており、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、
前記メサ導波路は、前記半導体基板の前記第３領域の主面上に設けられ、前記メサ導波路は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する第１側面及び第２側面を有しており、
前記半導体領域は、前記メサ導波路の前記第１側面上及び前記半導体基板の前記第１領域上に設けられ電流ブロックのための前記メサ導波路を埋め込む第１埋込領域と、前記メサ導波路の前記第２側面上及び前記半導体基板の前記第２領域上に設けられ電流ブロックのための前記メサ導波路を埋め込む第２埋込領域と、を備え、
前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域の各々は、複数の積層領域及びバルク半導体領域を含み、前記積層領域は、互いに離間するように前記第１領域及び前記第２領域上に配置され、前記積層領域は半導体積層構造を有し、前記バルク半導体領域は、前記第１領域及び前記第２領域並びに前記積層領域の側面上に設けられて前記積層領域を埋め込み、
前記メサ導波路は前記半導体積層構造を有しており、前記半導体積層構造はコア層のための第１半導体層及び上部クラッド層のための第２半導体層を含み、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に配列される、量子カスケード半導体レーザ。
【請求項２】
前記バルク半導体領域は、半絶縁性半導体及びアンドープ半導体の少なくともいずれかを備える、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】
前記バルク半導体領域は複数の第１バルク部分を含み、前記複数の第１バルク部分及び複数の前記積層領域は、前記第１軸の方向に交互に配列される、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】
前記バルク半導体領域は複数の第２バルク部分を含み、前記複数の第２バルク部分及び複数の前記積層領域は、前記第２軸の方向に交互に配列される、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半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域と前記上部電極との間に設けられた誘電体絶縁膜を更に備える、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】
前記誘電体絶縁膜は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、及びポリイミド樹脂の少なくともいずれかを備える、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】
前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域と前記上部電極との間に設けられた半導体キャップ層を更に備え、
前記半導体キャップ層は、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを備える、請求項１〜請求項６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８】
前記半導体キャップ層は半絶縁性半導体を備え、前記半絶縁性半導体は、遷移金属を添加した半導体であり、前記遷移金属は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びＣｏの少なくともいずれかである、請求項７に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項９】
前記バルク半導体領域は半絶縁性半導体を備え、前記半絶縁性半導体は、遷移金属を添加した半導体であり、前記遷移金属は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びＣｏの少なくともいずれかである、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半導体レーザ。
【請求項１０】
前記上部クラッド層は、ＩｎＰを備える、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】
前記コア層は、発光領域である複数の活性層と、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を含み、前記活性層及び前記注入層が、交互に配列されている、請求項１〜請求項１０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】
前記活性層及び前記注入層はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子構造によって構成される、請求項１１に記載された量子カスケード半導体レーザ。
【請求項１３】
前記半導体基板はｎ型ＩｎＰ基板を備える、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。
【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】
特許文献１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】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
量子カスケードレーザの代表的な素子構造として、埋込ヘテロ（ＢＨ）構造があり、本構造はメサ導波路を有する。中赤外の光を発生する量子カスケード半導体レーザでは、長い発振波長に起因して導波光は、コア層内だけでなく、コア層外のクラッド層及び半導体基板にも広く分布する。このような広い範囲に分布する導波光をメサ導波路に閉じ込めるために、量子カスケード半導体レーザでは、クラッド層及び半導体基板も含む高いメサ導波路の形成が必要である。
【０００５】
このメサ導波路は、基板上に半導体積層を成長した後に、メサ形状を規定するマスクを用いて該半導体積層をエッチングして形成される。しかしながら、このエッチングでは、基板の主面上の広いエリアにわたって半導体積層をエッチングする一方で、メサ導波路は基板上の一部分に形成される。このような広範囲なエッチング故に、量子カスケード半導体レーザに必要な高いメサの形成が容易でない。これが量子カスケード半導体レーザの作製を困難にする原因の１つであった。
【０００６】
また、量子カスケード半導体レーザの導波路メサは、エッチングにより形成された半導体面から突出するストライプ状半導体領域として形成される。ストライプ状半導体領域は、素子側縁から離れた素子中央部に位置しており、また電流ブロックのための半導体の再成長により埋め込まれる。この再成長において、埋め込まれるストライプ状半導体領域の近傍では、ストライプ状半導体領域の側面上及び上記の半導体面上の両方に半導体が成長するので、電流ブロック層の成長は、該近傍において大きな成長レートを示す。一方、半導体面に沿う方向にストライプ状半導体領域から離れるにつれて、ストライプ状半導体領域の側面上への成長の影響が小さくなるため、電流ブロック層の成長レートは小さくなる。このような再成長の結果として、メサ導波路を埋め込む電流ブロック層の厚さが、ストライプ状半導体領域から該側縁への方向に薄くなって、電流ブロック層の厚さが一素子エリアにおいて不均一になる。電流ブロック層厚の不均一は、量子カスケード半導体レーザの素子表面の平坦性を低下させている。これは、量子カスケード半導体レーザのエピダウン実装を困難にする原因となっていた。
【０００７】
上記広範囲なエッチングに起因するメサ導波路の形成の困難性、及び該メサ導波路を埋め込む電流ブロック層厚の不均一は、量子カスケード半導体レーザの実現の困難性を高めている。
【０００８】
本発明の一側面は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、量子カスケードレーザに所望される高いメサ導波路を提供すると共に素子表面の平坦性を高めることを可能にする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】
【０００９】
本発明の一側面に係る量子カスケード半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に設けられ、メサ導波路を含む半導体領域と、前記半導体領域上に設けられ、前記メサ導波路に接続された上部電極と、を備え、前記半導体基板は、第１軸に沿って配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有しており、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、前記メサ導波路は、前記半導体基板の前記第３領域の主面上に設けられ、前記メサ導波路は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する第１側面及び第２側面を有しており、前記半導体領域は、前記メサ導波路の前記第１側面上及び前記半導体基板の前記第１領域上に設けられ電流ブロックのための前記メサ導波路を埋め込む第１埋込領域と、前記メサ導波路の前記第２側面上及び前記半導体基板の前記第２領域上に設けられ電流ブロックのための前記メサ導波路を埋め込む第２埋込領域と、を備え、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域の各々は、複数の積層領域及びバルク半導体領域を含み、前記積層領域は、互いに離間するように前記第１領域及び前記第２領域上に配置され、前記積層領域は半導体積層構造を有し、前記バルク半導体領域は、前記第１領域及び前記第２領域並びに前記積層領域の側面上に設けられて前記積層領域を埋め込み、前記メサ導波路は前記半導体積層構造を有しており、前記半導体積層構造はコア層のための第１半導体層及び上部クラッド層のための第２半導体層を含み、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に配列される。
【００１０】
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】
【００１１】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、量子カスケードレーザに所望される高いメサ導波路を提供すると共に素子表面の平坦性を高めることを可能にする構造を有する量子カスケード半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。
【図２】図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。
【図３】図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。
【図４】図４は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。
【図５】図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。
【図６】図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。
【図７】図７は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。
【図８】図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。
【図９】図９は、図７のＩＶ−ＩＶ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。
【図１０】図１０は、単一材料の電流ブロック層によりメサ導波路を埋め込む構造を有する埋込ヘテロ構造の量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。
【図１１】図１１は、図１０に示された量子カスケード半導体レーザをエピダウン形態で実装した組立体を模式的に示す図面である。
【図１２】図１２は、本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザをエピダウン形態で実装した組立体を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
いくつかの具体例を説明する。
【００１４】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、（ａ）半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板の主面上に設けられ、メサ導波路を含む半導体領域と、（ｃ）前記半導体領域上に設けられ、前記メサ導波路に接続された上部電極と、を備え、前記半導体基板は、第１軸に沿って配置された第１領域、第２領域及び第３領域を有しており、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、前記メサ導波路は、前記半導体基板の前記第３領域の主面上に設けられ、前記メサ導波路は、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する第１側面及び第２側面を有しており、前記半導体領域は、前記メサ導波路の前記第１側面上及び前記半導体基板の前記第１領域上に設けられ電流ブロックのための前記メサ導波路を埋め込む第１埋込領域と、前記メサ導波路の前記第２側面上及び前記半導体基板の前記第２領域上に設けられ電流ブロックのための前記メサ導波路を埋め込む第２埋込領域と、を備え、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域の各々は、複数の積層領域及びバルク半導体領域を含み、前記積層領域は、互いに離間するように前記第１領域及び前記第２領域上に配置され、前記積層領域は半導体積層構造を有し、前記バルク半導体領域は、前記第１領域及び前記第２領域並びに前記積層領域の側面上に設けられて前記積層領域を埋め込み、前記メサ導波路は前記半導体積層構造を有しており、前記半導体積層構造はコア層のための第１半導体層及び上部クラッド層のための第２半導体層を含み、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に配列される。
【００１５】
この量子カスケード半導体レーザによれば、第１埋込領域及び第２埋込領域が複数の積層領域を備えると共に、これらの積層領域は第１領域及び第２領域の各々に位置する。積層領域及びメサ導波路は共に半導体積層構造を備える。複数の積層領域がメサ導波路と同一の半導体積層構造を含むので、複数の積層領域及びメサ導波路は、互いに離間した半導体積層構造の配置を構成する。互いに離間した積層領域及びメサ導波路の間にバルク埋込領域が設けられるので、メサ導波路が個々の積層領域から電気的に分離される。したがって、積層領域は、メサ導波路における電流閉じ込めの機能の達成を攪乱しない。
【００１６】
メサ導波路の形成のエッチングにおいて、同時に積層領域を形成できる。積層領域の導入により、メサ導波路の形成に際して行われるエッチングにおいて、一素子エリアでエッチングされるべき半導体の面積が少なくなる。その結果、メサ導波路のエッチングレートが増大するため、第１領域及び第２領域への積層領域の追加によって、量子カスケードレーザに所望される高いメサ導波路をエッチングにより形成することが容易になる。また、第１領域及び第２領域への積層領域の追加によって、第１領域及び第２領域においてバルク半導体領域は良好な平坦性を有する。
【００１７】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記バルク半導体領域は、半絶縁性半導体及びアンドープ半導体の少なくともいずれかを備える。
【００１８】
この量子カスケード半導体レーザによれば、これらの高抵抗材料は、バルク半導体領域がメサ導波路に電流（キャリア）を狭窄するための電流ブロック層として良好に機能することを可能にする。また、メサ導波路に側面とは別の領域に設けられたバルク半導体領域は、その高抵抗性に起因して、メサ導波路外の半導体領域により高比抵抗を提供でき、メサ導波路の外部を流れる漏れ電流をより低減できる。
【００１９】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記バルク半導体領域は複数の第１バルク部分を含み、前記複数の第１バルク部分及び複数の積層領域は、前記第１軸の方向に交互に配列される。
【００２０】
この量子カスケード半導体レーザによれば、素子表面の平坦性が改善されると共に、放熱性に優れたエピダウン実装が容易となる。これ故に、放熱不良に起因する量子カスケード半導体レーザ特性の劣化を回避できる。また、メサ導波路形成時に、エッチングレートを増加させることができる。したがって、量子カスケード半導体レーザの作製において障害の１つとなっていたエッチングによる深いメサ形成も容易となる。
【００２１】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記バルク半導体領域は複数の第２バルク部分を含み、前記複数の第２バルク部分及び前記複数の積層領域は、前記第２軸の方向に交互に配列される。
【００２２】
この量子カスケード半導体レーザによれば、素子表面の平坦性が改善されると共に、放熱性に優れたエピダウン実装が容易となる。これ故に、放熱不良に起因する量子カスケード半導体レーザ特性の劣化を回避できる。また、メサ導波路形成時に、エッチングレートを増加させることができる。したがって、量子カスケード半導体レーザの作製において障害の１つとなっていたエッチングによる深いメサ形成も容易となる。加えて、この量子カスケード半導体レーザによれば、量子カスケード半導体レーザの端面（メサ導波路の端面を除く）が、アルミニウム（Ａｌ）を含まない高抵抗のバルク半導体領域で構成される。このため、Ａｌに起因する端面酸化を抑制でき、また端面リーク電流も低減できる。したがって、端面酸化や端面リーク電流に起因する素子劣化の軽減又は素子劣化の回避が可能である。
【００２３】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域と前記上部電極との間に設けられた誘電体絶縁膜を更に備える。
【００２４】
この量子カスケード半導体レーザによれば、誘電体絶縁膜は、耐久性及び絶縁性を有する。また誘電体絶縁膜は、一般的な誘電体膜成膜装置を用いて容易に成膜することができ、製造プロセスへの導入が容易である。
【００２５】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記誘電体絶縁膜は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、及びポリイミド樹脂の少なくともいずれかを備える。
【００２６】
この量子カスケード半導体レーザによれば、誘電体絶縁膜のうちＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、及びポリイミド樹脂は、優れた耐久性や絶縁性を有する。また、これらの誘電体絶縁膜は一般的な誘電体膜成膜装置を用いて容易に成膜することができ、製造プロセスへ導入することが容易である。
【００２７】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザは、前記第１埋込領域及び前記第２埋込領域と前記上部電極との間に設けられた半導体キャップ層を更に備え、前記半導体キャップ層は、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを備える。
【００２８】
この量子カスケード半導体レーザによれば、半絶縁性半導体及び／又はアンドープ半導体から成る半導体キャップ層は、良好な熱伝導を有し、また誘電体絶縁膜の使用に比べて、素子表面の平坦性を更に改善できる。したがって、半導体キャップ層の適用は、エピダウン実装時の素子放熱性をより高めることを可能にし、放熱不良による量子カスケード半導体レーザ特性の劣化を回避することがより容易となる。
【００２９】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体キャップ層は半絶縁性半導体を備え、前記半絶縁性半導体は、遷移金属がドープされた半導体であり、前記遷移金属は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びＣｏの少なくともいずれかである。
【００３０】
この量子カスケード半導体レーザによれば、これらの遷移金属を添加することによって、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に半絶縁性を付与でき、この結果、電子に対して例えば１０５（Ω・ｃｍ）以上の充分な高抵抗性が得られる。これらの遷移金属の添加は、半導体キャップ層の高抵抗材料の提供に好適である。
【００３１】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記バルク半導体領域は半絶縁性半導体を備え、前記半絶縁性半導体は、遷移金属ドープの半導体であり、前記遷移金属は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びＣｏの少なくともいずれかである。
【００３２】
この量子カスケード半導体レーザによれば、これらの遷移金属を添加することによって、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に半絶縁性を付与でき、この結果、電子に対して例えば１０５（Ω・ｃｍ）以上の充分な高抵抗性が得られる。これらの遷移金属の添加は、バルク半導体領域の高抵抗材料の提供に好適である。
【００３３】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記上部クラッド層は、ＩｎＰを備える。
【００３４】
この量子カスケード半導体レーザによれば、ＩｎＰは中赤外の発振光に対して透明であるので、クラッド層材料として好適である。また、ＩｎＰは２元混晶であり、ＩｎＰ基板に格子整合するので、ＩｎＰの成長は容易である。また、ＩｎＰの熱伝導性が良好であるので、ＩｎＰクラッド層を介してコア層からの熱を良好に放出でき、ＩｎＰクラッド層の使用により、量子カスケード半導体レーザの温度特性を向上できる。
【００３５】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記コア層は、発光領域である複数の活性層と、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を含み、前記活性層及び前記注入層が、交互に配列されている。
【００３６】
この量子カスケード半導体レーザによれば、注入層及び活性層の多段接続は、量子カスケード半導体レーザのコア層に適用可能である。活性層間に注入層を設けて活性層を配列することによって、次段の活性層に電子が連続的にスムーズに受け渡されて電子の伝導帯サブバンド間遷移が可能になり、その結果、良好な量子カスケード半導体レーザの発振が提供される。
【００３７】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記活性層及び前記注入層はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子構造によって構成される。
【００３８】
この量子カスケード半導体レーザによれば、この超格子列は、中赤外域の波長に相当する伝導帯サブバンド間遷移を提供でき、この結果、中赤外の量子カスケード半導体レーザのためのコア層として好適である。
【００３９】
一形態に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記半導体基板はｎ型ＩｎＰ基板を備える。
【００４０】
この量子カスケード半導体レーザによれば、量子カスケード半導体レーザを構成する半導体層はＩｎＰに近い格子定数を有するので、ＩｎＰ基板の適用は、これらの層を良好な結晶品質で成長することを可能にする。また、ＩｎＰ基板は中赤外の発振光に対して透明であるので、ＩｎＰが下部クラッドとして機能する。
【００４１】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、量子カスケード半導体レーザ、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。
【００４２】
図１は、量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図１、図２及び図３には、直交座標系Ｓが示されている。量子カスケード半導体レーザ１は、基板１１と、半導体領域１３と、上部電極１５とを備える。基板１１は、例えば半導体基板であることができ、半導体基板の材料は、例えばＩｎＰである。基板１１は第１領域１１ｂ、第２領域１１ｃ及び第３領域１１ｄを有しており、第１領域１１ｂ、第２領域１１ｃ及び第３領域１１ｄは、第１軸Ａｘ１（例えば直交座標系ＳのＹ軸）に沿って配置される。第３領域１１ｄは、第１領域１１ｂと第２領域１１ｃとの間に設けられる。
【００４３】
量子カスケード半導体レーザ１は、第１軸Ａｘ１の方向に延在する一対の側縁３ａ、３ｂを有すると共に、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２（例えば直交座標系ＳのＸ軸）に延在する一対の端面３ｃ、３ｄを有する。
【００４４】
半導体領域１３は、メサ導波路１７を含み、また基板１１の主面１１ａ上に設けられる。上部電極１５は、半導体領域１３上に設けられ、またメサ導波路１７に接続される。メサ導波路１７の上面１７ａは上部電極１５にオーミック接触を成す。メサ導波路１７は、基板１１の第３領域１１ｄの主面１１ａ上に設けられる。メサ導波路１７は、端面３ｃから端面３ｄへの方向、例えば第２軸Ａｘ２の方向に延在する第１側面１７ｂ及び第２側面１７ｃを有する。メサ導波路１７は半導体積層構造２３を有しており、半導体積層構造２３は、コア層のための第１半導体層２５及び上部クラッド層のための第２半導体層２７を含む。本実施例では、半導体積層構造２３は、下部クラッド層のための第３半導体層３１、分布帰還のための回折格子を構成するための第４半導体層３３、及びコンタクト層のための第５半導体層３５を含む。第３半導体層３１（例えば下部クラッド層）、第１半導体層２５（例えば量子カスケードのためのコア層）、第４半導体層３３（例えば回折格子層）、第２半導体層２７（例えば上部クラッド層）及び第５半導体層３５（例えばコンタクト層）は、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する第３軸Ａｘ３（直交座標系ＳのＺ軸）の方向に配列される。図３を参照すると、第４半導体層３３（例えば回折格子層）はパターン形成されており、回折格子層は第２軸Ａｘ２の方向に導波路軸に沿って延在している。半導体領域１３は、電流ブロック及び電流狭窄のためにメサ導波路１７を埋め込む第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１を備える。第１埋込領域１９は、メサ導波路１７の第１側面１７ｂ上及び基板１１の第１領域１１ｂ上に設けられ、第２埋込領域２１は、メサ導波路１７の第２側面１７ｃ上及び基板１１の第２領域１１ｃ上に設けられる。
【００４５】
第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の各々は、複数の積層領域３７及びバルク半導体領域３９を含み、複数の積層領域３７は、バルク半導体領域３９を介して、互いに離間するように第１領域１１ｂ及び第２領域１１ｃ上に配置される。積層領域３７は、半導体積層構造２３を有する。バルク半導体領域３９は、第１領域１１ｂ及び第２領域１１ｃ並びに積層領域３７の側面３７ａ上に設けられて積層領域３７を埋め込む。バルク半導体領域３９は、第１閉込部39b、第２閉込部39ｃ、及びそれ以外のバルク部分を含み、このうち、メサ導波路１７の第１側面１７ｂ及び第２側面１７ｃに接する第１閉込部39b、及び第２閉込部39ｃは、メサ導波路１７に電流を閉じ込める電流ブロック層として機能する。バルク半導体領域３９は、量子カスケード半導体レーザの発振光の波長帯において光吸収が微小な半導体材料から成っており、また量子井戸及び超格子といった微細構造を含まない。バルク半導体領域３９は、例えば単一の半導体からなることができる。バルク半導体領域３９は、上記のように、それぞれ、メサ導波路１７の第１側面１７ｂ及び第２側面１７ｃに接触を成す第１閉込部３９ｂ及び第２閉込部３９ｃを有する。
【００４６】
この量子カスケード半導体レーザ１によれば、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１が複数の積層領域３７を備えると共に、これらの積層領域３７は第１領域１１ｂ及び第２領域１１ｃの各々に位置する。積層領域３７及びメサ導波路１７は共に半導体積層構造２３を備える。積層領域３７がメサ導波路１７と同一の半導体積層構造２３を含むので、複数の積層領域３７及びメサ導波路１７は、互いに離間した半導体積層構造２３の配置を構成する。互いに離間した積層領域３７及びメサ導波路１７の間に、バルク半導体領域３９が設けられるので、メサ導波路１７が個々の積層領域３７から電気的に分離される。したがって、積層領域は、メサ導波路における電流閉じ込めの機能の達成を攪乱しない。
【００４７】
メサ導波路１７の形成のエッチングにおいて、同時に積層領域３７を形成できる。第１領域１１ｂ上の第１埋込領域１９及び第２領域１１ｃ上の第２埋込領域２１への積層領域３７の適用によって、メサ導波路１７の形成に際して行われるエッチングにおいては、バルク半導体領域３９となる領域のみをエッチングすればよいため、従来の第１領域１１ｂ上、及び第２領域１１ｃ上の全面に形成された半導体積層をエッチングする構造に比べて、一素子エリアでエッチングされるべき半導体の面積が少なくなる。エッチング面積の低減により、エッチングレートが増加する。このようなエッチングレートの増加により、量子カスケードレーザに所望される高いメサ導波路１７をエッチングにより形成することが容易となる。
【００４８】
また、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１が積層領域３７の配列を含むとき、積層領域３７の半導体積層構造２３を埋め込むバルク半導体領域３９は、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２の少なくともいずれかの方向において、半導体積層構造２３に囲まれている。これ故に、バルク半導体領域３９のための半導体は、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２の少なくともいずれかの方向において、広いエリアに成長されない。成長エリアの形状及び大きさの制限によって、バルク半導体領域３９に良好な平坦性が提供される。即ち、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１への積層領域３７の適用によって、第１領域１１ｂ及び第２領域１１ｃ上に設けられるバルク半導体領域３９に良好な平坦性が提供される。
【００４９】
量子カスケード半導体レーザ１の一例。
基板１１：ｎ型ＩｎＰ基板。
第１半導体層２５（コア層）：活性層及び注入層が交互に積層された構造。
活性層：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子構造。
注入層：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子構造。
第２半導体層２７（上部クラッド層）：ｎ型ＩｎＰ。
第３半導体層３１（下部クラッド層）：ｎ型ＩｎＰ。
第４半導体層３３（回折格子層）：アンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓ。
第５半導体層３５（コンタクト層）：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
バルク半導体領域３９：半絶縁性ＩｎＰ、アンドープＩｎＰ。
【００５０】
好適な実施例では、基板１１はｎ型ＩｎＰ基板を備える。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、量子カスケード半導体レーザ１を構成する半導体層はＩｎＰに近い格子定数を有するので、ＩｎＰ基板の適用は、これらの層を良好な結晶品質で成長することを可能にする。また、ＩｎＰ基板は中赤外の発振光に対して透明であるので、基板のＩｎＰが下部クラッドとして機能する。
【００５１】
また、第２半導体層２７によって提供される上部クラッド層は、ＩｎＰを備える。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、ＩｎＰは中赤外の発振光に対して透明であるので、クラッド層材料として好適である。また、ＩｎＰは２元混晶であり、ＩｎＰ基板に格子整合するので、ＩｎＰの成長は容易である。更に、ＩｎＰの熱伝導性が良好であるので、ＩｎＰクラッド層を介してコア層からの熱を良好な放出でき、従って、ＩｎＰのクラッド層の使用により、量子カスケード半導体レーザの温度特性を向上できる。下部クラッド層もＩｎＰを備えるようにしても良い。
【００５２】
第１半導体層２５によって提供されるコア層は、発光領域である複数の活性層２５ａと、活性層２５ａにキャリアを注入するための複数の注入層２５ｂとを含む。活性層２５ａ及び注入層２５ｂは交互に配列される。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、活性層２５ａ及び注入層２５ｂの多段接続は、量子カスケード半導体レーザ１のコア層に適用可能である。活性層２５ａ間に注入層２５ｂを設けて活性層２５ａの配列を形成することによって、隣りの活性層２５ａに電子が連続的にスムーズに受け渡されて伝導帯サブバンド間の電子の遷移が可能になり、その結果、良好な量子カスケード半導体レーザの発振が提供される。例えば、活性層２５ａ及び注入層２５ｂはＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子構造によって構成される。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、この超格子列は、中赤外域の波長に相当する伝導帯サブバンド間遷移を提供でき、この結果、中赤外のレーザ発振のためのコア層として好適である。
【００５３】
バルク半導体領域３９は、半絶縁性半導体又はアンドープ半導体の少なくともいずれかを備える。これらの高抵抗材料は、バルク半導体領域３９がメサ導波路１７に電流（キャリア）を狭窄するための電流ブロック層(39b、39c)として良好に機能することを可能にする。また、メサ導波路１７の側面とは別の領域に設けられたバルク半導体領域３９は、その高抵抗性に起因して、メサ導波路１７外の半導体領域により高い抵抗を提供でき、メサ導波路の外部を流れる漏れ電流をより低減できる。
【００５４】
より具体的には、バルク半導体領域３９は半絶縁性半導体を備える。この半絶縁性半導体は、遷移金属がドープされた半導体であることができる。遷移金属は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びＣｏの少なくともいずれかであることができる。この量子カスケード半導体レーザ１によれば、これらの遷移金属を添加することによって、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に半絶縁性を付与でき、この半絶縁性は、電子に対して例えば１０５（Ω・ｃｍ）以上の充分な高抵抗性を提供できる。これらの遷移金属の添加は、バルク半導体領域３９に高抵抗材料の提供するために好適である。
【００５５】
量子カスケード半導体レーザ１は、基板１１の裏面１１ｅ上に設けられた下部電極４１を備えることができる。上部電極１５と第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１との間には、電気的分離のための分離層４３が設けられる。分離層４３は、メサ導波路１７の上面１７ａ上に位置する開口４３ａを有する。この開口４３ａを介して、上部電極１５は、メサ導波路１７の上面１７ａに接触を成す。
【００５６】
第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と上部電極１５との間に、分離層４３として働く誘電体絶縁膜及び半導体キャップ層の少なくともいずれかを設けることができる。
【００５７】
量子カスケード半導体レーザ１は、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と上部電極１５との間に、分離層４３として働く誘電体絶縁膜を備えることができる。誘電体絶縁膜は、量子カスケード半導体レーザ１の分離層４３として好適な、耐久性及び絶縁性を有する。また、この誘電体絶縁膜は、一般的な誘電体膜成膜装置を用いて容易に成膜することができ、従って、製造プロセスへの導入が容易である。誘電体絶縁膜は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、及び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。誘電体絶縁膜のうちＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、及びポリイミド樹脂は、優れた耐久性や絶縁性を有する。また、これらの膜の形成は、一般的な誘電体膜成膜装置を用いて容易に行われることができ、製造プロセスへの導入が容易である。
【００５８】
量子カスケード半導体レーザ１は、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１と上部電極１５との間に、分離層４３として働く半導体キャップ層を備えることができる。この半導体キャップ層は、アンドープ及び半絶縁性半導体の少なくともいずれかを備えることが好ましい。半絶縁性半導体及び／又はアンドープ半導体から成る半導体キャップ層は、良好な熱伝導を有し、また誘電体絶縁膜の使用に比べて、素子表面の平坦性を更に改善できる。したがって、半導体キャップ層の適用は、エピダウン実装時の素子放熱性をより高めることを可能にし、放熱不良による量子カスケード半導体レーザの特性の劣化を回避することがより容易となる。具体的には、半導体キャップ層は半絶縁性半導体を備えることができる。この半絶縁性半導体は、遷移金属ドープの半導体であり、遷移金属は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びＣｏの少なくともいずれかであることが好適である。これらの遷移金属を添加することによって、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に半絶縁性を付与できる。これらの半導体における遷移金属の添加は、半導体キャップ層に高抵抗性を提供するために好適であり、遷移金属添加の半導体は、電子に対して例えば１０５（Ω・ｃｍ）以上の充分な高抵抗性を実現できる。
【００５９】
第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の構造例を説明する。
【００６０】
（構造例１）
図１に示されるように、第１埋込領域１９において、バルク半導体領域３９は、第１バルク部分３９ｂ(第１閉込部としても機能)、及び複数の第１バルク部分３９ｄを含むことができる。第１埋込領域１９において、メサ導波路１７から量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａへの方向に第１バルク部分３９ｄ、及び積層領域３７が交互に配列される。具体的には、メサ導波路１７の第１側面１７ｂに沿って、第１閉込部３９ｂ（電流ブロック層として働く）が延在し、第１閉込部３９ｂに沿って最初の積層領域３７が延在し、この積層領域３７に沿って最初の第１バルク部分３９ｄが延在する。第１埋込領域１９は、更なる第１バルク部分３９ｄ及び積層領域３７を含むことができ、結果として第１埋込領域１９において、第１バルク部分３９ｄ及び積層領域３７が第１軸Ａｘ１の方向に交互に配列される。本実施例では、側縁３ａには第１バルク部分３９ｄが現れている。第１埋込領域１９は、第１バルク部分（第１閉込部）３９ｂ及び第１バルク部分３９ｄを備え、これらは、互いに積層領域３７によって隔てられている。積層領域３７と上部電極１５との間には分離層４３が設けられて、上部電極１５は積層領域３７に接続されない。また、第２埋込領域２１において、バルク半導体領域３９は、第１バルク部分３９ｃ(第２閉込部としても機能)、及び複数の第１バルク部分３９ｄを備える。第１閉込部３９ｂが第２閉込部３９ｃに置き換えられる点を除いて、第２埋込領域２１においても、バルク半導体領域３９は、第１埋込領域１９と同様に（但し、メサ導波路１７から側縁３ｂへの方向に）配列された複数の第１バルク部分３９ｄを含むことができる。第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１において、第１閉込部３９ｂ、第２閉込部３９ｃ及び第１バルク部分３９ｄは、第２軸Ａｘ２の方向に延在し、これらは、互いにメサ導波路１７又は積層領域３７によって隔てられている。
【００６１】
本実施例の構造が、量子カスケード半導体レーザ１に付与されるとき、素子表面の平坦性が改善されると共に、放熱性に優れたエピダウン実装が容易となる。これ故に、放熱不良に起因する量子カスケード半導体レーザの特性の劣化を回避できる。また、メサ導波路形成時に、エッチングレートの大幅な増加が可能となる。したがって、量子カスケード半導体レーザ１の作製において障害の１つとなっていた深いメサエッチングも容易となる。
【００６２】
（構造例２）
図４は、量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図６は、図４のＩＶ−ＩＶ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図４〜図６に示されるように、バルク半導体領域３９は、第１埋込領域１９、及び第２埋込領域２１に設けられた複数の第２バルク部分３９ｆを含むことができる。第１埋込領域１９において、量子カスケード半導体レーザ１の端面３ｃから端面３ｄへの方向に第２バルク部分３９ｆ及び積層領域３７が交互に配列される。具体的には、メサ導波路１７の第１側面１７ｂに沿って第１閉込部３９ｂが延在する。第２バルク部分３９ｆが、メサ導波路１７から量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａへの方向に延在する。第２バルク部分３９ｆの一端が第１閉込部３９ｂに接続されて、第２バルク部分３９ｆの他端は量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａに到達する。第１埋込領域１９内の積層領域３７は、第２バルク部分３９ｆによって隔置される。積層領域３７と上部電極１５との間には分離層４３が設けられて、上部電極１５は積層領域３７に接続されない。本実施例では、端面３ｃ、３ｄの各々には第２バルク部分３９ｆが現れている。第１埋込領域１９は、第１閉込部３９ｂ及び第２バルク部分３９ｆを備え、これらは、全ての積層領域３７を隔てており、また全ての積層領域３７からメサ導波路１７を隔てている。また、第２埋込領域２１は、第２閉込部３９ｃ及び第２バルク部分３９ｆを備える。第２埋込領域２１においても、第１閉込部３９ｂが第２閉込部３９ｃに置き換えられる点を除いて、バルク半導体領域３９は、第１埋込領域１９と同様に配列された複数の第２バルク部分３９ｆを含むことができる。第１閉込部３９ｂ及び第２閉込部３９ｃは、それぞれ、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１において第２軸Ａｘ２の方向に延在して、全ての積層領域３７からメサ導波路１７を電気的に分離する。その結果、メサ導波路１７への良好な電流閉じ込めが可能となる。また、第２バルク部分３９ｆは、第１軸Ａｘ１の方向に配列される積層領域３７を分離する。
【００６３】
構造例２の構造が、量子カスケード半導体レーザ１に付与されるとき、素子表面の平坦性が改善されると共に、放熱性に優れたエピダウン実装が容易となる。これ故に、放熱不良に起因する量子カスケード半導体レーザの特性の劣化を回避できる。また、メサ導波路形成時に、エッチングレートの大幅な増加が可能となる。したがって、量子カスケード半導体レーザの作製において障害の１つとなっていた深いメサエッチングが容易となる。加えて、この量子カスケード半導体レーザによれば、量子カスケード半導体レーザの端面（メサ導波路の端面を除く）が、アルミニウム（Ａｌ）を含まない高抵抗のバルク半導体領域で構成される。このため、Ａｌに起因する端面酸化を抑制でき、且つ端面リーク電流も低減できる。したがって、端面酸化や端面リーク電流に起因する素子劣化の軽減、及び素子劣化の回避が可能である。
【００６４】
（構造例３）
図７は、量子カスケード半導体レーザを模式的に示す平面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図９は、図７のＶＩ−ＶＩ線に沿って取られた断面における量子カスケード半導体レーザを模式的に示す図面である。図７〜図９に示されるように、バルク半導体領域３９は、第１埋込領域１９に設けられた第１バルク部分３９ｂ (第１閉込部としても機能)、複数の第１バルク部分３９ｄ、及び複数の第２バルク部分３９ｆを含む。第１埋込領域１９において、メサ導波路１７から量子カスケード半導体レーザ１の側縁３ａへの方向に第１バルク部分３９ｄと積層領域３７が交互に配列される。また、バルク半導体領域３９は、第１埋込領域１９に設けられた第２バルク部分３９ｆを含むことができる。第１埋込領域１９において、量子カスケード半導体レーザ１の端面３ｃから３ｄの方向に第２バルク部分３９ｆ及び積層領域３７が交互に配列される。第１バルク部分３９ｄ及び第２バルク部分３９ｆの配列により、格子状の区画が形成される。これらの区画に、積層領域３７が位置して、積層領域３７の配列を形成する。積層領域３７の各々は、その周囲をバルク半導体領域３９によって埋め込まれている。第２埋込領域２１は、第１閉込部３９ｂが第２閉込部３９ｃに置き換えられる点を除いて、上記第１埋込領域１９と同一の構造を有している。第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における積層領域３７の配列は、第１軸Ａｘ１の方向に延在するストライプ状のバルク半導体領域３９ｆと第２軸Ａｘ２の方向に延在するストライプ状のバルク半導体領域３９ｄとによって、素子表面の平坦性を向上させている。また第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１においては、上記素子構造の採用により、大面積なバルク半導体領域３９が第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２の両方に延在することを防いでいる。本実施例では、側縁３ａ、３ｂには第１バルク部分３９ｄが現れており、端面３ｃ、３ｄの各々には第２バルク部分３９ｆが現れている。
【００６５】
この量子カスケード半導体レーザ１によれば、素子表面の平坦性が改善されると共に、放熱性に優れたエピダウン実装が容易となる。これ故に、放熱不良に起因する量子カスケード半導体レーザの特性の劣化を回避できる。また、メサ導波路形成時に、エッチングレートの大幅な増加が可能となる。したがって、量子カスケード半導体レーザの作製において障害の１つとなっていた深いメサエッチングも容易となる。
【００６６】
以下の各実施例では、本実施形態に係る埋込型の量子カスケード半導体レーザを説明する。
【００６７】
（実施例１）
図１に示される量子カスケード半導体レーザ1の実施例では、素子中央部にメサ導波路１７が形成され、且つその両側においては、バルク半導体領域３９と積層領域３７が素子全面に渡り、水平横方向(Y方向)に交互に配列されている。
【００６８】
メサ導波路１７と積層領域３７は同一の層構造を有している。具体的には、ｎ型半導体基板１１上にｎ型下部クラッド層３１、コア（発光）層２５、回折格子層３３、ｎ型上部クラッド層２７、ｎ型コンタクト層３５が積層されている。素子表面には上部電極１５が、基板裏面１１ｅには下部電極４１が形成されており、またメサ導波路１７以外の領域においては、上部電極１５と下地半導体層との電気的絶縁のために、上部電極１５と下地半導体との間に絶縁膜４３が設けられている。実施例１に係るレーザ素子の構成物の材料を順に説明する。
【００６９】
基板１１として、ｎ型ＩｎＰ基板を使用できる。中赤外の量子カスケード半導体レーザを構成する半導体層は、ＩｎＰに近い格子定数の半導体材料からなるので、ＩｎＰ基板の利用により、これらの半導体層のために良好な結晶を成長できる。また、中赤外の発振光に対して透明であるＩｎＰ基板を下部クラッド層として使用することも可能である。量子カスケード半導体レーザのための基板は、裏面電極を用いてレーザ素子へ通電するために導電性を有することが良い。量子カスケード半導体レーザでは、キャリアとしては一般に電子が用いられるので、基板の導電型は、通常ｎ型であることが良い。
【００７０】
上部クラッド層２７及び下部クラッド層３１として、ｎ型ＩｎＰを使用できる。中赤外の発振光に対して透明であるＩｎＰを上下のクラッド層材料として使用することが良い。また、ＩｎＰの上部クラッド層及び下部クラッド層はＩｎＰ基板に格子整合する。このため、２元混晶のＩｎＰをＩｎＰ基板上へ成長することによって、上部クラッド層及び下部クラッド層に良好な結晶品質を容易に提供できる。更に、ＩｎＰは中赤外の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、熱伝導が最良であるので、ＩｎＰのクラッド層により、動作中にコア領域で生ずる熱を効率よく放熱することが可能となり、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、量子カスケード半導体レーザの温度特性を向上できる。
【００７１】
コア層２５は、超格子列から形成される。コア層は、活性層２５ａ及び注入層２５ｂから成る単位構造を数十の周期で多段に配列した構造を有する。活性層２５ａ及び注入層２５ｂの各々は、数ナノメートル厚を有する薄膜の量子井戸層と、数ナノメートル厚を有する薄膜のバリア層を交互に配列した超格子構造を有し、バリア層は量子井戸層よりも高バンドギャップを有する。
【００７２】
量子カスケード半導体レーザでは、キャリアとしては電子のみを利用し、伝導帯における電子のサブバンド間遷移により発光が生じる。量子カスケード半導体レーザにおいては、活性層を構成する量子井戸層とバリア層の材料組成、及び膜厚を調整して、サブバンド間の遷移エネルギーを適宜調整することにより、３〜２０μmの中赤外の光を発生することが可能となる。中赤外発光に好適な材料として、量子井戸層にＧａＩｎＡｓが適用され、バリア層にＡｌＩｎＡｓが適用されることができる。
【００７３】
一方、例えば光通信に用いられるｐｎ接合を備える半導体レーザは、伝導帯と価電子帯の間における電子のバンド間遷移を利用する。つまり、伝導帯の電子が価電子帯のホールと再結合する際に放出する遷移エネルギーにより発光が生じる。ｐｎ接合を備える半導体レーザは、量子カスケード半導体レーザと異なる原理により発光している。
【００７４】
量子カスケード半導体レーザ１は、良好な単一モード発振を実現する回折格子層３３を備えることができる。この回折格子層３３の性能は、共振器内における前進する導波光と後進する導波光との結合の大きさを示す結合係数で表される。分布帰還型の量子カスケード半導体レーザに良好な単一モード発振を提供するために、大きな結合係数を実現できる回折格子を用いることが望ましい。このような回折格子層３３の材料としては、大きい結合係数の実現に有効な高屈折率の半導体、例えばアンドープＧａＩｎＡｓやｎ型ＧａＩｎＡｓを用いることが良い。
【００７５】
必要な場合には、コア層２５の上側及び下側に、コア層２５への導波光の閉じ込めを強化するための光閉じ込め領域を量子カスケード半導体レーザ1に付加することができる。光閉じ込め領域は、コア領域２５への導波光の閉じ込めを強化するために、高い屈折率を有しており、且つＩｎＰ基板に格子整合可能な材料からなることが望ましい。このような材料としては、例えば回折格子層３３に使用可能な、アンドープやｎ型のＧａＩｎＡｓを適用できる。
【００７６】
必要な場合には、上部電極１５と良好なオーミックコンタクトを形成するためにコンタクト層３５が用いられる。コンタクト層３５は、良好なオーミックコンタクト形成のため、小さいバンドギャップであってＩｎＰ基板に格子整合可能な材料からなることが望ましく、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓを備えることができる。ＩｎＰ基板の裏面には下部電極が良好なオーミックコンタクトを成す。上部電極１５及び下部電極４１は、例えばＴｉ／Ａｕ又はＧｅ／Ｎｉを備えることができる。
【００７７】
量子カスケード半導体レーザ1は、良好なオーミックコンタクトが得られるときには、コンタクト層３５を含まなくてもよい。また、ＩｎＰ基板を下部クラッド層として利用できるとき、量子カスケード半導体レーザ１は、下部クラッド層３１を含まなくてもよい。半導体へのｎ型ドーパントは、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｅ等であることができる。
【００７８】
バルク半導体領域３９は、アンドープ及び／又は半絶縁半導体から成る。これらの半導体は、キャリアである電子に対して高抵抗であって、バルク半導体領域３９の材料として好適である。アンドープ及び／又は半絶縁半導体を用いることによって、メサ導波路１７に接してメサ導波路１７を埋め込むバルク半導体領域３９b、３９ｃ（電流ブロック層として働く）は、メサ導波路に電流（キャリア）を狭窄するための電流狭窄層として良好に機能する。また、メサ導波路１７から離れて設けられるバルク半導体領域３９ｄは、その高抵抗に起因して、メサ導波路１７から離れた半導体領域に高抵抗を提供できる。この結果、メサ導波路１７外の埋め込み領域１９、２１を流れる漏れ電流を低減できる。
【００７９】
バルク半導体領域３９によって埋め込まれる積層領域３７は、メサ導波路１７と同一の半導体層によって構成される。
【００８０】
バルク半導体領域３９に半絶縁半導体を使用可能である。半導体の半絶縁性は、例えば遷移金属、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等を半導体に添加して、電子をトラップする深い準位を禁制帯中に形成することによって実現される。このための半導体は、例えばＩｎＰやＡｌＩｎＡｓといった半導体であることができる。特に、鉄（Ｆｅ）がドーパントとして好適である。上記の遷移金属をＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に添加することによって、電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の充分な高抵抗特性を実現でき、半絶縁性を実現できる。このため、半絶縁半導体層は、バルク半導体領域として良好に機能する。但し、アンドープ半導体で充分な高抵抗性が得られる場合はアンドープ半導体もバルク半導体領域に使用可能である。アンドープまたは半絶縁のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の具体例としては、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓが挙げられる。これらの半導体は、ＩｎＰ基板と格子整合すると共に、分子線エピタキシー及び有機金属気相成長法等のための成長装置を用いて成長されることができる。
【００８１】
別の利点としては、アンドープ又は半絶縁性の半導体は、中赤外領域において強い光吸収源となる自由キャリアが僅かしか存在しない。これ故に、これらの半導体では、中赤外光に対する自由キャリア吸収が微小である。バルク半導体領域３９の少なくとも一部分に、アンドープ半導体又は半絶縁性半導体を適用することによって、自由キャリア吸収を効果的に抑制でき、量子カスケード半導体レーザ１に良好な発振特性を提供できる。また、これらの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する。従って、これらの半導体を適用したバルク半導体領域３９は、素子放熱性の改善に寄与して、量子カスケード半導体レーザ１の高温動作を可能にする。特に、ＩｎＰは、中赤外の量子カスケード半導体レーザに使用可能な半導体材料のなかで最良の熱伝導性を有しており、これ故に、量子カスケード半導体レーザ１に高い放熱性を実現できる。また、ＩｎＰは、また２元混晶であるので、ＩｎＰ基板上への結晶成長が容易である。これ故に、アンドープ半導体又は半絶縁半導体はＩｎＰであることが好ましい。しかしながら、他の半導体、例えばＡｌＩｎＡｓを用いても良い。ＡｌＩｎＡｓはＩｎＰよりも高バンドギャップを有する。ＡｌＩｎＡｓが、メサ導波路１７に接するバルク半導体領域３９ｂ、３９ｃ（電流ブロック層）に適用されるとき、メサ導波路１７を構成する各層とバルク半導体領域３９ｂ、３９ｃのＡｌＩｎＡｓとの間の伝導帯端のエネルギー不連続は、ＩｎＰとメサ導波路１７を構成する各層との間の伝導帯端のエネルギー不連続に比べて大きい。これによって、メサ導波路１７と電流ブロック層３９ｂ、３９ｃとの界面において電子に対するエネルギー障壁がより増大する。電流ブロック層３９ｂ、３９ｃ自体の高抵抗性に加えて、上記エネルギー障壁の増大により、メサ導波路１７から電流ブロック層３９ｂ、３９ｃへの電子の侵入をより効果的に抑制できる。これは、電流ブロック層３９ｂ、３９ｃが電子に対してより高抵抗化されるように作用する。この結果、電流がメサ導波路１７により強く狭窄されて、この結果、量子カスケード半導体レーザ１により良好な発振特性を提供できる。
【００８２】
第１埋込領域１９、第２埋込領域２１においては、上部電極と下地の半導体領域との間に電気的絶縁のための絶縁膜４３が設けられる。この絶縁膜４３に、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂といた誘電体膜を使用できる。これらの誘電体膜は、半導体素子の保護膜として優れた耐久性や絶縁性を有する。また、これらの誘電体膜は、スパッタ、化学的気相成長法、スピンコートといった誘電体膜成膜法を用いて成膜されることができ、製造プロセスに容易に導入されることができる。
【００８３】
本実施例の構造では、バルク半導体領域３９と積層領域３７が素子全面に渡り、素子のメサ導波路１７から素子の側縁３a、３ｂへの方向に交互に配列されている。メサ導波路１７は発光領域として機能しており、積層領域３７と同じ半導体積層構造２３を有する。
【００８４】
この積層構造は以下のように作製される。半導体基板全面に、下部クラッド層３１からコンタクト層３５までの半導体積層のための半導体層を成長する。半導体積層の半導体領域上に、誘電体マスクを形成する。マスクに用いる誘電体膜は、例えばＳｉＮ又はＳｉＯ２であることができる。マスクは、メサ導波路１７及び積層領域３７に対応したパターンを有する。このマスクを用いて、半導体積層の半導体領域のエッチングを行うことによって、マスクで保護された領域にはメサ導波路１７及び積層領域３７が形成され、また、これらの間のマスクが無い領域は半導体積層の半導体領域が選択的に除去されて空隙が形成される。次に、マスクを残した状態でバルク半導体層の埋め込み再成長を行うと、マスクで保護されていない空隙にのみバルク半導体の成長が進み、バルク半導体領域３９が形成される。バルク半導体が成長する各空隙のエリアは、積層領域３７の配置により区分けされている。ここで、各空隙部は、マスクで保護された積層領域３７に挟まれた共通の形状を有するため、各空隙におけるバルク半導体層成長の成長レートは、空隙の形成位置に依らず、ほぼ同じとなる。したがって、素子全域に渡って、厚みに関して良好な均一性でバルク半導体を成長できる。一実施例では、バルク半導体が成長されることになる空隙の幅 (図２において幅Ｗ１)は一定であることがより望ましい。この場合、各空隙の形状が同一となるので、各空隙におけるバルク半導体の成長レートの均一性が更に改善されて、素子全域において、バルク半導体をより均一に近い厚みで成長できる。
【００８５】
ここで、従来の埋込ヘテロ構造の量子カスケードレーザの問題点を説明する。図１０は、従来のメサ導波路を単一材料の電流ブロック層により埋め込む構造を有する埋込ヘテロ構造の量子カスケード半導体レーザ６を模式的に示す図面である。図１０の（ａ）部は、量子カスケード半導体レーザ６の平面図を示し、図１０の（ｂ）部は、図１０の（ａ）部に示されたＸｂ−Ｘｂ線に沿った断面において量子カスケード半導体レーザ６を示す図面である。この量子カスケード半導体レーザ６では、半導体結晶成長装置を用いて、中央部のメサ導波路の両側に位置する広範なエリアに電流ブロック層を埋め込み再成長する。この構造では、メサ導波路近傍のエリアにおける埋込再成長では、基板主面上の成長だけでなくメサ導波路の側面上への成長も加わって、電流ブロック層の成長レートが大きい。これに対して、メサ導波路の側面から基板主面に沿って離れたエリアにおける埋込再成長では、メサ導波路から離れるにつれてメサ導波路の側面上への成長からの寄与が減って、電流ブロック層の成長レートが小さくなる。この結果、図１０の（ｂ）部に示すように、メサ導波路から離れた素子境界部に向かって電流ブロック層の厚さが徐々に薄くなる。
【００８６】
上記説明から判るように、この量子カスケード半導体レーザ６では、素子表面の平坦性が悪い。発明者の観察によれば、メサ導波路のごく近傍における電流ブロック層の厚さと、メサ導波路から離れた素子の縁近傍における電流ブロック層の厚さとの差は、４〜６マイクロメートル程度の値である。このような表面平坦性の悪化により、量子カスケード半導体レーザの放熱性改善に有効なエピダウン実装が困難となり、また熱による量子カスケード半導体レーザの特性劣化を軽減することが困難となる。
【００８７】
図１１は、図１０に示された量子カスケード半導体レーザ6のエピダウン形態における実装を模式的に示す図面である。量子カスケード半導体レーザ６は、図１１に示されるように、エピダウンでダイボンド実装される。「エピダウン」の語句が示す通り、エピ層の上部電極をヒートシンクに接触させ、半田材を用いてヒートシンクに量子カスケード半導体レーザ６がダイボンド実装される。量子カスケード半導体レーザ６の実装により、組立体１２が構成される。図１１に示されるように、エピダウン実装では、QCL動作時にコア層で生ずる熱を、厚い基板を介さずにヒートシンクに伝達できるため、良好な素子放熱性が得られる。
【００８８】
しかしながら、この素子構造ではメサ導波路のみが突出しているので、エピダウン実装時に、メサ導波路のみにダイボンドの全荷重が集中する。これ故に、第１問題点として、メサ導波路が機械的に損傷を受けやすく、これに起因して、発振不良といった素子劣化に至り易い。また、組立体１２の構造において、メサ導波路近傍の上部電極のみが、半田材を介してヒートシンクにダイボンドされるので、第２問題点として、量子カスケード半導体レーザの実装において、動作時のコア層で生ずる熱をヒートシンクへ放熱する経路が限られて、エピダウン実装の利点である、上記良好な放熱性の特徴を生かすことができない。この結果、量子カスケード半導体レーザの熱的な特性劣化の回避が困難となる。
【００８９】
図１２は、図１に示された量子カスケード半導体レーザ1のエピダウン形態による実装を模式的に示す図面である。上記のような不具合に対して、本実施例の構造を有する量子カスケード半導体レーザ１をエピダウン形態で実装する組立体５１では、素子表面が平坦なため、中央のメサ導波路１７上の上部電極１５に加えて、メサ導波路１７を埋め込む第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の上部電極１５も半田材５３を介してヒートシンク５５にダイボンドされる。これ故に、ダイボンドの荷重が、メサ導波路１７だけなくなく素子の全体に加わって、ダイボンド実装時のメサ導波路１７への荷重が分散される。したがって、図１１に示される従来の素子構造に比べて、本実施例の素子構造は、メサ導波路１７への構造的な損傷を低減できて、エピダウン実装に関する第１問題点を解決できる。
【００９０】
第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の積層領域３７（２３）は、メサ導波路１７と同じ高さを有するので、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における支柱として働き、メサ導波路１７及び積層領域３７は、実装時に素子に加わる荷重をより分散させるように寄与する。また、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１内の積層領域３７は、主として、バルク半導体領域３９の厚さを素子全体として均一にするように働き、埋込領域としてのバルク半導体領域３９に良好な表面平坦性を提供するように作用する。実施例に示された積層領域３７の配列は、例示であり、これに限定されない。このようにして、本実施例の素子構造は、素子表面の良好な平坦性を提供できるので、素子全面において、上部電極１５を半田材５３を用いてヒートシンク５５にダイボンドすることが可能となる。これによってヒートシンク５５への放熱を格段に良好にし、エピダウン実装本来の良好な素子放熱性を発揮することを可能にする。その結果、熱的な特性劣化の回避が可能となって、エピダウン実装に関する第２問題点を解決できる。
【００９１】
一例としては、バルク半導体領域３９の幅（図２に示されるＷ１）は、異常成長等の結晶劣化の発生を避けるために１０マイクロメートル以上であることが良く、バルク半導体領域表面の良好な平坦性のために、７０マイクロメートル以下であることが好ましい。これによれば、上記バルク半導体の結晶性劣化が生じず、且つ、埋め込み再成長後のバルク半導体領域表面は僅かな窪み程度に収まるようにできる。従って、エピダウン実装した際に、素子表面の凹部を半田材で空隙無く埋めることが可能となる。この結果、良好な素子放熱性が得られる。
【００９２】
一例としては、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の積層領域３７の幅（図２に示されるＷ２）は、通常のフォトリソグラフィー及びエッチング等の製造技術を用いて精度良く加工できる領域幅としては、１マイクロメートル以上であることが良く、一方バルク半導体領域39の埋め込み再成長時に積層領域３７上の誘電体マスク上にバルク半導体の多結晶が堆積して、マスク除去が困難となるトラブルを避けるため、５０マイクロメートル以下であることが良い。
【００９３】
従来の埋込ヘテロ構造の量子カスケードレーザ６の別の問題点としては、中赤外の量子カスケード半導体レーザでは、長い発振波長に起因して導波光がコア層外のクラッド層及び基板に広がるので、メサ導波路に導波光を良好に閉じ込めるためには、メサ導波路は、その高さが５〜１０マイクロメートル程度のハイメサ構造にする必要がある。このようなハイメサ構造導波路は、基板全面に半導体積層を成長した後に、半導体積層をエッチングすることによって形成される。しかしながら、図１０の（ｂ）部における、基板主面に平行な水平横方向における数μｍレベルの幅の狭いメサ導波路を残して残りの半導体積層を全てエッチングにより除去するために、広範な領域においてエッチングガスが消費されるので、エッチングレートを増加させにくい。このため、量子カスケード半導体レーザのメサ形成に必要な上記５〜１０マイクロメートルレベルの深いメサエッチングは、実際の作製工程では困難であり、この困難が量子カスケード半導体レーザ作製上の障害の１つとなっている。
【００９４】
これに対して、本実施例における素子構造の作製では、メサ導波路１７の形成時にエッチングされる領域を、バルク半導体領域３９が形成される狭い領域に限定している。これ故に、メサ導波路１７を除いた残り全部の半導体積層を広範にエッチングすることなく、エッチングガスが限定されたエッチング領域に供給されるので、エッチングレートを所望の程度にまで増加させることが可能となる。このような素子構造に起因するエッチングレート増強により、深いメサエッチング、例えば５〜１０マイクロメートル程度のメサ高の達成が容易となる。
【００９５】
（実施例２）
実施例１では、メサ導波路１７を埋め込む第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における電気的絶縁のために、上部電極１５と積層領域３７及びバルク半導体領域３９との間に、分離層４３として働く誘電体絶縁膜を設けている。実施例２では、図１に示されるように、分離層４３として、誘電体絶縁膜に代えて高抵抗の半導体キャップ層を設けている。必要であれば、半導体キャップ層に追加して誘電体絶縁膜を設けることができる。高抵抗の半導体キャップ層の材料は、例えばバルク半導体領域３９に使用可能な半絶縁性半導体やアンドープ半導体であることができる。実施例２においても、バルク半導体領域３９と積層領域３７が、図１に示されるように、導波路軸に交差する方向(Y方向)に交互に配列される。この配列によって、実施例１と同様の改善が提供される。
【００９６】
分離層４３としての半導体キャップ層は、メサ導波路１７の外側における電気的絶縁を提供すると共に、誘電体絶縁膜より良好な熱伝導性により良好な放熱性も提供できる。また、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における積層領域３７の配列に起因して、バルク半導体領域３９の埋め込み成長後に、積層領域３７間のバルク半導体領域３９の表面に窪みが生じたとしても、この窪みを埋め込んで素子表面を平坦化するように半導体キャップ層を成長することが可能である。従って、誘電体絶縁膜を用いた場合に比べて、分離層４３としての半導体キャップ層は、素子表面の平坦性を更に改善できる。
【００９７】
上記のように、実施例２の構造では、半導体キャップ層の優れた熱伝導性と本キャップ層による素子表面平坦性の更なる改善により、実施例１の構造に比べて、エピダウン実装された量子カスケード半導体レーザ１の半導体チップからヒートシンクへの放熱性が更に改善される。したがって、エピダウン実装に関する第２問題点をより容易に解決できる。
【００９８】
（実施例３）
実施例１、２では、バルク半導体領域３９及び積層領域３７が、素子の埋込領域１９，２１の全面に渡り、メサ導波路１７から素子の側縁３ａ、３ｂへの方向(Y方向)に交互に配列されている。しかしながら、配列の方向は、これらの実施例に限定されず、例えば図４に示されるように配列を構成することができる。メサ導波路１７から素子の側縁３ａ、３ｂに延在するストライプ状の複数の積層領域３７を設けると共に、これら積層領域３７間に、メサ導波路１７を挟む第１閉込部３９ｂ及び第２閉込部３９ｃから側縁３ａ、３ｂに延在する複数のバルク半導体部３９ｆを設けている。
【００９９】
この配列構造においても、メサ導波路１７の両側面１７ｂ、１７ｃに高抵抗のバルク半導体領域３９ｂ、３９ｃが電流ブロック層として形成され、またメサ導波路１７の上面に接続される上部電極１５は、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における積層領域３７及びバルク半導体領域３９から分離層４３によって電気的に絶縁されており、これ故に、メサ導波路１７に電流を良好に閉じ込めることができる。
【０１００】
第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１における配列構造は、エピダウン形態におけるダイボンド実装の際にメサ導波路１７に加わる荷重の分散を可能にし、また素子表面の平坦化に寄与する。したがって、実施例１と同様に、エピダウン実装に関する改善が提供される。
【０１０１】
本実施例における新規の利点を説明する。実施例１、２の配列構造では、共振器のための端面３ｃ、３ｄに、メサ導波路１７、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１が到達している。従って、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の端面に、異なる組成のいくつの半導体層を含む半導体積層領域（積層領域３７）が露出するが、これに含まれるコア層２５のための半導体層は超格子列によって構成され、そのバリア層は例えばＡｌＩｎＡｓといった構成元素としてアルミニウムを含む半導体を備える。アルミニウムを含む半導体層は酸化されやすく、酸化物といった不純物が、共振器のための端面３ｃ、３ｄ上に形成される。また、酸化に起因して結晶欠陥が増殖しやすい。これらの酸化に起因する欠陥や不純物は、端面リーク電流による非発光再結合を促進するため、端面酸化の進行に伴って閾値電流の増加や光出力の低下といった素子劣化が進行しやすい。これらは、静電気放電（ＥＳＤ）耐性を低下させ、半導体素子に突然死を引き起こす原因ともなりやすい。
【０１０２】
これに対して、本実施例の配列構造では、図４に示すように、第１、第２埋込領域１９、２１における端面３ｃ、３ｄをバルク半導体領域３９ｆが構成するようにへき開を行って半導体チップを形成できる。この作製によれば、共振器端面は、メサ導波路１７の端面を除いてバルク半導体領域３９ｆによって構成される。既に説明した例示から理解されるように、バルク半導体領域３９ｆは、構成元素としてＡｌを含まないＩｎＰといった材料から成ることができる。したがって、この端面構造によれば、Ａｌを含む半導体層に起因する端面酸化を低減できる。また、バルク半導体領域３９ｆは、既に説明したように高抵抗であるので、端面リーク電流の低減に寄与する。上記の説明から理解されるように、実施例３の配列構造は、実施例１、２の配列構造に比べて、端面酸化や端面リーク電流に起因する素子劣化の軽減又は回避を可能にする。
【０１０３】
（実施例４）
実施例１〜３では、共振器の延在方向又はこの方向に交わる交差方向のいずれか一方に、バルク半導体領域３９及び積層領域３７が交互に配列されている。バルク半導体領域３９及び積層領域３７の配列は、これらの実施例に限定されない。図７に示されるように、上記の延在方向及び交差方向の両方に、バルク半導体領域３９及び積層領域３７が交互に配列されることができる。
【０１０４】
実施例４においても、メサ導波路１７の両側面には高抵抗のバルク半導体領域３９ｂ、３９ｃが電流ブロック層として設けられている。また、メサ導波路１７の外側の埋込領域１９，２１上には、電気的絶縁のための絶縁膜といった分離層４３を介して上部電極１５が設けられる。これ故に、メサ導波路１７に電流を良好に閉じ込めることができる。
【０１０５】
また、実施例４においては、バルク半導体領域３９及び積層領域３７が２方向に交互に配列される。この構造によって、エピダウン実装によるダイボンドの際にメサ導波路１７に加わる荷重を分散でき、また素子表面に良好な平坦性を提供できる。このため、実施例１と同様のエピダウン実装に関する改善が得られる。これに加えて、半導体チップを作製するに際して、側縁３ａ、３ｂにバルク半導体領域３９ｄを設けると共に、メサ導波路１７の端面を除いて端面３ｃ、３ｄにバルク半導体領域３９ｆを設けることが可能である。これ故に、実施例３と同様に、端面酸化に起因する素子劣化の軽減又は回避が可能となる。
【０１０６】
本実施例では、２方向に配列構造を導入することによって、第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１の表面に高抵抗のバルク半導体領域３９が現れる比率を増加できるので、メサ導波路１７以外の領域をより高抵抗化できる。したがって、メサ導波路１７の外側の埋込領域１９，２１を流れる漏れ電流をより低減できるので、量子カスケード半導体レーザ１の特性の更なる改善が得られる。
【０１０７】
実施例３、４では、メサ導波路１７を埋め込む第１埋込領域１９及び第２埋込領域２１上の、電気的絶縁のための分離層４３としては、誘電体絶縁膜以外に、実施例2で説明した、高抵抗の半導体キャップ層も使用できる。
【０１０８】
いくつかの実施例を参照しながら、回折格子層を備えるＤＦＢ型量子カスケード半導体レーザを説明したが、実施形態は、これに限定されることがない。例えば、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザは、回折格子層を備えないファブリーペロー（ＦＰ）型量子カスケード半導体レーザにも同様に適用でき、このＦＰ型量子カスケード半導体レーザに、ＤＦＢ型量子カスケード半導体レーザと同様の改善を提供できる。
【０１０９】
本実施形態を量子カスケード半導体レーザを参照しながら説明したけれども、本実施形態は、量子カスケード半導体レーザに限定されることなく、例えば光通信等に用いられるｐｎ接合を有する半導体レーザにも適用可能であり、この半導体レーザは、量子カスケード半導体レーザと同様の改善を得ることができる。
【０１１０】
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】
【０１１１】
以上説明したように、量子カスケードレーザに所望される高いメサ導波路の形成が容易であり、且つ素子表面の平坦性を高めることを可能にする構造を有する量子カスケード半導体レーザが提供される。
【符号の説明】
【０１１２】
１…量子カスケード半導体レーザ、１１…基板、１３…半導体領域、１５…上部電極、１７…メサ導波路、１９…第１埋込領域、２１…第２埋込領域、２３…半導体積層構造、３７…積層領域、３９…バルク半導体領域。
【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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