(57)【要約】【課題】発光効率および信頼性が高められ、高出力化が容易な半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体レーザ装置は、サブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出可能な活性層を有し、前記レーザ光を放出可能であり、化合物半導体からなる積層体と、前記積層体の側面のうちの少なくとも１つに露出した前記活性層を覆う金属酸化膜と、を有する。前記活性層から前記金属酸化膜に向かうに従って、キャリアに対するエネルギー障壁は高くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出可能な活性層を有し、前記レーザ光を放出可能であり、化合物半導体からなる積層体と、
前記積層体の側面のうちの少なくとも１つに露出した前記活性層を覆う金属酸化膜と、
を備え、
前記活性層から前記金属酸化膜へ向かうに従って、キャリアに対するエネルギー障壁は高くなる、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記積層体は、ｎ型層を含む請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記金属酸化膜の比誘電率は、８以上である請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記金属酸化膜は、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタニウム、タンタルからなるグループのうちのいずれかを含む酸化膜、または前記酸化膜の積層である請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記積層体と前記金属酸化膜との間に設けられた共有結合絶縁膜をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記共有結合絶縁膜は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮからなるグループのうちのいずれかである請求項５記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記積層体はリッジ導波路を含み、
前記レーザ光を前記リッジ導波路の延在方向に沿って放出され、
前記積層体の側面は、前記延在方向に平行な面および前記延在方向に垂直な端面を含む、
請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記積層体の上に設けられ、周期的な開口部を有する第１の電極をさらに備え、
前記積層体は、前記活性層の上に設けられた第１の層を有し、
前記第１の層の第１の面は、前記第１の電極が設けられた平坦領域と、複数のピットが二次元の格子を構成するように設けられたピット領域と、を含み、
それぞれのピットは、前記格子の辺に平行な線に関して非対称であり、
前記レーザ光は前記開口部に露出したピットから前記活性層に対して垂直方向に出射される、請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記金属酸化膜は、前記複数のピットの内壁をさらに覆う請求項８記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子井戸構造がカスケード接続されたユニポーラ型レーザの活性層において、サブバンド間光学遷移を生じさせ、赤外線レーザ光を得ることができる。
【０００３】
カスケード接続数が多くなると活性層の厚さが増加し、活性層の側面積が増加する。もし、活性層内部を通過せずに活性層の側面に沿って流れる電流の割合が増加すると、発光に寄与する有効電流が低下する。このため、発光効率が低下し、かつ側面近傍の温度が上昇し素子が劣化することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−３３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発光効率および信頼性が高められ、高出力化が容易な半導体レーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の半導体レーザ装置は、サブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出可能な活性層を有し、前記レーザ光を放出可能であり、化合物半導体からなる積層体と、前記積層体の側面のうちの少なくとも１つに露出した前記活性層を覆う金属酸化膜と、を有する。前記活性層から前記金属酸化膜へ向かうに従って、キャリアに対するエネルギー障壁は高くなる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態の半導体レーザ装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は積層体と金属酸化膜との界面近傍のバンド図、である。  半導体レーザ装置は、積層体と、金属酸化膜と、を有する。
【図２】図２（ａ）は半導体表面に自然酸化膜が生じたバンド図、図２（ｂ）は界面準位低減膜が設けられた半導体表面のバンド図、図２（ｃ）は比較例にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図、である。
【図３】図３（ａ）は第１の実施形態の半導体レーザ装置の模式上面図、図３（ｂ）は第１変形例の模式上面図、である。
【図４】第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置の界面近傍のバンド図である。
【図５】図５（ａ）は第３の実施形態にかかる半導体レーザ装置の部分模式平面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った部分模式断面図、である。
【図６】図６（ａ）は第３の実施形態の変形例にかかる半導体レーザ装置の部分模式平面図、図６（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った部分模式断面図、である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態の半導体レーザ装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は積層体と金属酸化膜との界面近傍の熱平衡状態のバンド図、である。
半導体レーザ装置１０は、積層体２０と、金属酸化膜４０と、を有する。
【０００９】
積層体２０は、サブバンド間光学遷移によりレーザ光８０を放出可能な活性層２２を有する。また、積層体２０は、レーザ光８０をリッジ導波路７０の延在方向に沿って放出可能である。リッジ導波路７０の延在方向は、レーザ光８０の光軸８１に平行である。金属酸化膜４０は、リッジ導波路７０の延在方向に平行な積層体２０の４つの側面のうちの少なくとも１つに露出した活性層２２を覆う。４つの側面は、延在方向に平行な積層体２０の２つの面２０ａ、および延在方向に垂直な積層体２０の端面２０ｂを含む。図１（ａ）では、金属酸化膜４０は、２つの面２０ａと２つの端面２０ｂに設けられている。
【００１０】
半導体レーザ装置１０は、さらにＩｎＰなどからなる基板３０と第１の電極５０とをさらに有することができる。第１の電極５０は、積層体２０の上に設けられる。また、基板３０を導電性とすると、たとえば、基板３０の裏面に第２の電極６０を設けることができる。
【００１１】
図１（ｂ）に表すように、積層体２０は、たとえば、単結晶半導体からなる基板３０の上に設けることができる。本図において、積層体２０は、基板３０の側から、活性層２２と、第１の層２５と、第２の層２３と、を有する。第１の層２５は、活性層２２の側から、たとえば、第１光ガイド層２５ａ、第１クラッド層２５ｂ、第１コンタクト層２５ｃ、を有する。また、第２の層２３は、活性層２２の側から、たとえば、第２光ガイド層２３ａ、第２クラッド層２３ｂ、バッファ層２３ｃ、を有する。積層体２０は、たとえば、ｎ形層を含むことができる。
【００１２】
活性層２２は、たとえば、レーザ光８０を放出可能なサブバンド間遷移領域と、サブバンド間遷移領域から注入されたキャリア（たとえば電子）のエネルギーを緩和可能な注入／緩和領域と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。積層される段数は、たとえば、２０〜１００などとすることができる。注入／緩和領域、第１クラッド層２５ｂ、第２クラッド層２３ｂなどをｎ形層とすると、電子がサブバンド間光学遷移を生じレーザ光が放出される。
【００１３】
すなわち、本実施形態の半導体レーザ装置は、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum  Cascade  Laser)として動作する。段数を増加すると、キャリアが遷移する回数が増えるので出力が増大する。レーザ光８０の波長は、半導体のバンドギャップエネルギーに依存せずに決定できる。たとえば、ＭＱＷ構造を適正に設定することにより、赤外線からテラヘルツ波の間の波長のレーザ光を得ることができる。
【００１４】
活性層２２から放出されたレーザ光８０は、第１および第２のクラッド層２５ｂ、２３ｂにより垂直方向に閉じ込められる。また、レーザ光８０は、積層体２０の２つの面２０ａに設けられた金属酸化膜４０により光軸８１の方向に導波され放出される。
【００１５】
第１の電極５０は、金属酸化膜４０の上部に設けられた開口部４０ａを介して第１の層２５のコンタクト層２５ｃに接続される。
【００１６】
金属酸化膜４０の比誘電率は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の比誘電率よりも高くなるように選択される。金属酸化膜４０は、たとえば、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタニウム（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）からなるグループのいずれか１つの金属を含む酸化膜、またはそれらの酸化膜の積層膜とされる。なお、金属酸化膜はこれらに限定されない。すなわち、金属酸化膜４０の比誘電率は、酸化アルミニウムの比誘電率の下限値である８以上となるように選択される。
【００１７】
次に、金属酸化膜４０の比誘電率を（表１）に例示する。なお、本明細書において、比誘電率は、１ＭＨｚにおける測定値で表すものとする。また、比誘電率は、内部の粒子構造や製造プロセスなどにより変化することがあるので、（表１）の数値は、その一例である。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタニウム、タンタルなどの金属酸化膜４０の比誘電率は、８以上と高い。このため、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体の伝導帯のエネルギー準位は、金属酸化膜４０中の固定電荷によって、金属酸化膜４０に向かうに従って持ち上がる（図１（ｃ））。すなわち、活性層２２から金属酸化膜４０に向かうに従って、キャリア（本図では電子）に対するエネルギー障壁は高くなる。
【００２０】
活性層２２は、ＩｎＧａＡｓ（井戸層）／ＩｎＡｌＡｓ（障壁層）からなるＭＱＷまたはＧａＡｓ（井戸層）／ＡｌＧａＡｓ（障壁層）からなるＭＱＷなどがカスケード接続された構造とすることができる。伝導帯の持ち上がりは電子にとって障壁として作用する。このため、電子は金属酸化膜４０と活性層２２との界面を流れず、活性層２２の内部を活性層２２に対して略垂直方向に通過しサブバンド間光学遷移に寄与できる。なお、積層体２０と、金属酸化膜４０との間に薄い自然酸化膜が局所的に形成されていてもよい。
【００２１】
図２（ａ）は半導体表面に自然酸化膜が生じた熱平衡状態のバンド図、図２（ｂ）は界面準位低減膜が設けられた半導体表面の熱平衡状態のバンド図、図２（ｃ）は比較例にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図、である。
図２（ａ）に表すように、積層体１２０の端面および側面の表面は、劈開やスクライブによる高密度の界面準位を有する。活性層の表面に薄い自然酸化膜１２２が存在していても、たとえば、電子などのキャリアが積層体１２０の側面に沿って流れやすくなり、電流Ｊ１を生じる。
【００２２】
また、図２（ｂ）に表すように、酸化シリコンや窒化シリコンなどの界面準位低減膜１２４を端面や側面に設けても、伝導帯のエネルギー準位は平坦である。このため、積層体１２０と界面準位低減膜１２４との界面に沿って電流が流れやすい。この表面電流Ｊ１はサブバンド間光学遷移に寄与しない無効電流となり、発光効率を低下させる。但し、ＱＣＬにおいては、ｐｎ接合半導体レーザとは異なり、活性層端面におけるホールと電子の非発光再結合によるＣＯＤ（Catastrophic  Optical  Damage）劣化は少ない。
【００２３】
ＱＣＬは、たとえば、活性層幅が５〜２０μｍ、活性層２２の厚さが数μｍなどであるので、側面に露出する活性層の面積が広い。他方、ｐｎ接合レーザダイオードは、たとえば、活性層幅が数μｍ、活性層の厚さが０．１μｍなどである。すなわち、同じ平面サイズであっても、ＱＣＬの活性層の側面に露出する面積は、ｐｎ接合レーザダイオードの５０〜２００倍などと広くなる。
【００２４】
図２（ｃ）の比較例にかかる半導体レーザ装置は、積層体１２０の側面（端面を含む）が共有結合絶縁膜などの界面準位低減膜１２４で覆われている。このため、広い側面（端面も含む）に露出した井戸層から界面に沿って発光に寄与しない電流Ｊ１が流れる。この電流Ｊ１は、内部の多重量子井戸構造（MQW:Multi-Quantum  Well）を流れないので、サブバンド間光学遷移に寄与することなく無効電流となる。また、界面近傍の狭い領域に過大な電流が流れると温度上昇を生じる。温度上昇により、結晶欠陥や界面準位が多く存在する界面近傍では、転位などが増殖し素子が劣化しやすい。さらに、バンドギャップの中央近傍に界面準位があると、電子の寿命が短く発光遷移が減少する。このため、発光効率がさらに低下することがある。
【００２５】
これに対して、第１の実施形態では、活性層２２を含む積層体２０と金属酸化膜４０との界面を流れる電流が伝導帯の持ち上がりにより低減される。このため、図１（ａ）に表すように、サブバンド間遷移領域を流れる電流Ｉｏに対して、側面（端面を含む）を流れる電流Ｉｓが十分に低減され、半導体レーザ装置１０の高出力化および高信頼性化が可能となる。
【００２６】
図３（ａ）は第１の実施形態の半導体レーザ装置の模式上面図、図３（ｂ）は第１変形例の模式上面図、である。
図３（ａ）では、金属酸化膜４０は、積層体２０の４つの側面のうち、２つの（側）面および２つの端面２０ｂを覆う。このように積層体２０の２つの面２０ａおよび２つの端面２０ｂをすべて覆うと、積層体２０の側面全体で表面電流が低減できる。なお、活性層２２の２つの面および２つの端面をさらに覆ってもよい。図３（ｂ）に表す第１変形例では、金属酸化膜４０は、リッジ導波路７０に平行な積層体２０の２つの面２０ａを覆う。なお、リッジ導波路７０に平行な活性層２２の２つ面を覆ってもよい。
【００２７】
端面発光型レーザの場合、メサ状のリッジ導波路７０の側面に金属酸化膜４０を形成するプロセスは、ウェーハ状態で行うことができる。劈開プロセスののち、端面２０ｂには、低反射膜や高反射膜を形成することができるが、図３（ａ）の構造では、劈開で露出した端面２０ｂに金属酸化膜４０をさらに形成するプロセスがさらに必要になり工程数が増加する。
【００２８】
図４は、第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置の界面近傍の熱平衡状態のバンド図である。
第２の実施形態では、化合物半導体を含む積層体２０の表面に共有結合絶縁膜４２が設けられ、共有結合絶縁膜４２の表面にさらに金属酸化膜４０が設けられる。共有結合絶縁膜４２は、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などとする。金属酸化膜４０および共有結合絶縁膜４２の厚さは、たとえば、２ｎｍ以上とすることができる。また、金属酸化膜４０は、第１の実施形態と同一の材料とする。金属酸化膜４０は、イオン結合絶縁体として作用する。なお、（表２）は、共有結合絶縁物の比誘電率の一例である。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
共有結合絶縁膜４２が酸化シリコンのとき、界面に生じるダイポールの極性の向きは、金属酸化物４０の酸素面密度によって異なる。たとえば、酸素面密度が高いＡｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２／半導体やＨｆＯ２／ＳｉＯ２／半導体の構成では、共有結合絶縁膜４２と金属酸化膜４０との界面において、高誘電率であるＡｌ２Ｏ３およびＨｆＯ２の側に負の固定電荷が生じる。また、酸素面密度が低いＹ２Ｏ３／ＳｉＯ２／半導体やＬａ２Ｏ３／ＳｉＯ２／半導体の構成では、Ｙ２Ｏ３やＬａ２Ｏ３の側に正の固定電荷が生じる。なお、Ｙ２Ｏ３の比誘電率は、約１１である。
【００３１】
積層体２０がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓを含む場合、第２の実施形態の金属酸化膜４０は、負の固定電荷膜として作用し、積層体２０の伝導帯のエネルギー準位は、共有結合絶縁膜４２との界面に向かうに従って持ち上がる。このため、サブバンド間光学遷移に寄与しない不要な電流が界面近傍に沿って垂直方向に流れることを抑制できる。
【００３２】
図５（ａ）は第３の実施形態にかかる半導体レーザ装置の部分模式平面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った部分模式断面図、である。
半導体レーザ装置１１は、積層体２０と、第１の電極８０と、金属酸化膜４６と、を有する。積層体２０は、サブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出可能な活性層２２と、活性層２２の上に設けられ複数のピット２９が二次元の格子を構成するように設けられた第１の面２５ｃを有する第１の層２５と、活性層２２と、基板３０と、を有する。ピット２９は、第１の面２５ｃから第１の層２５の深さ方向に三角柱領域が切り出された領域とする。
【００３３】
第１の電極８０は、第１の層２５の第１の面２５ｃのうちの平坦面２５ａに設けられ、枠部８１とストライプ部８２とを有する。枠部８１とストライプ部８２とで囲まれた領域は周期的な開口部となり、第１の面２５ｃを構成するピット部２５ｂが露出する。金属酸化膜４６は、積層体２０の側面に露出した活性層２２を少なくとも覆う。
【００３４】
それぞれのピット２９は、格子に平行な線に関して非対称である。レーザ光は、開口部に露出したピット２９から活性層２２に対して垂直方向に出射される。すなわち、第３の実施形態の半導体レーザ装置１１は面発光型である。
【００３５】
本実施形態では、積層体２０の４つの側面に金属酸化膜４６が設けられる。露出した活性層２２の伝導帯のエネルギー準位は、金属酸化膜４６との界面に向かうに従い持ち上がる。このため、界面に沿って不要な電流が流れることが抑制され、発光効率および信頼性が高められる。
【００３６】
図６（ａ）は第３の実施形態の変形例にかかる半導体レーザ装置の部分模式平面図、図６（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った部分模式断面図、である。
複数のピット２９の内壁を金属酸化膜４７でさらに覆うことができる。このようにすると、ピット２９の内壁に沿って流れる電流を抑制できる。このため、２次元状格子において、不要な電流が流れることが抑制され、２次元格子の全面において電流を均一にできる。
【００３７】
第１〜第３の実施形態、およびそれらに付随する変形例によれば、発光効率および信頼性が高められ、高出力化が容易な半導体レーザ装置が提供される。これらの半導体レーザ装置は、レーザ加工、環境測定、呼気測定などに広く応用できる。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１０、１１  半導体レーザ装置、２０  積層体、２０ａ  側面、２０ｂ  端面、２２  活性層、２５  第１の層、２５ａ  平坦領域、２５ｂ  ピット領域、２５ｃ  第１の面、２９  ピット、３０  基板、４０、４６、４７  金属酸化膜、４２  共有結合絶縁膜、５０、８０  第１の電極、７０  リッジ導波路、８０  レーザ光
【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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