(57)【要約】      （修正有）【課題】平面波のテラヘルツ波を高効率で放出可能な半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置５は、活性層２５と、第１の層２７と、表面金属膜８０と、を有する。活性層は、複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりテラヘルツ波のレーザ光を放出可能である。第１の層は、活性層の上に設けられ、複数のピット１０１が二次元の格子を構成するように設けられた第１の面２１ａを有する。表面金属膜は、第１の層の上に設けられ、複数の開口部８０ａを有する。それぞれのピットは、格子の辺に平行な線に関して非対称である。レーザ光は、複数の開口部を通過し活性層に対して概ね垂直方向に出射される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりテラヘルツ波のレーザ光を放出可能な活性層と、
前記活性層の上に設けられ、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第１の面を有する第１の層と、
前記第１の層の上に設けられ、複数の開口部が設けられた表面金属膜と、  
を備え、
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、前記複数の開口部を通過し前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１の層の前記格子は、前記第１の層のうちの所定領域を前記第１の面から深さ方向に向かって切り出された形状からなるピットにより構成された、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記開口部は二次元の格子を構成する請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記開口部の前記格子のピッチは、前記第１の層の前記格子のピッチとは異なる請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１の層と前記表面金属膜との間に設けられ、前記第１の層の表面とは電気的に接続されるが前記表面金属膜とは絶縁された第１の電極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】
前記第１の電極は、枠部と両端部が枠部に連結された複数のストライプ部とを有し、
前記複数のストライプ部は、所定のピッチを有しつつ互いに平行に配置され、かつ前記枠部と斜めに交差する、請求項５記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第１の電極の開口部は、前記第１の層の前記格子の辺に平行な線に関して非対称である、請求項６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】
テラヘルツ波の光源として量子カスケードレーザを用いると、電子のサブバンド間遷移により、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚのレーザ発振が可能となる。
【０００３】
端面発光型量子カスケードレーザを光源とすると、端面から広がって放出されるレーザ光を平行光とするコリメータレンズが必要となり、レーザ装置の外形が大きくなる。    
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３１７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
平面波のテラヘルツ波を高効率に放出可能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、活性層と、第１の層と、表面金属膜と、を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりテラヘルツ波のレーザ光を放出可能である。前記第１の層は、前記活性層の上に設けられ、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第１の面を有する。前記表面金属膜は、前記第１の層の上に設けられ、複数の開口部を有する。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る。前記レーザ光は、前記複数の開口部を通過し前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図である。
【図２】第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の表面金属膜の模式平面図、である。
【図３】第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の表面金属膜において、テラヘルツ波の周波数に対する透過率を表すグラフ図である。
【図４】表面金属膜の変形例を表す模式平面図、である。
【図５】表面金属膜の配置の他の例を表す模式平面図である。
【図６】第１の実施形態の半導体レーザ装置のうち、面発光部の模式平面図である。
【図７】面発光部の第１の電極の模式平面図である。
【図８】ピット部の部分模式斜視図である。
【図９】ピット数に対する電流注入均一度依存性および相対光取り出し効率依存性を表すグラフ図である。
【図１０】第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図である。
【図１１】比較例にかかるレーザ装置の構成図である。
【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は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図である。
半導体レーザ装置５は、活性層２５と、第１の層２７と、表面金属膜８０と、を有する。活性層２５は、複数の量子井戸層が積層されサブバンド間遷移によりテラヘルツ波のレーザ光を放出可能である。なお、本明細書において、テラヘルツ波とは、３０ＧＨｚ以上、３０ＴＨｚ以下とする。
【０００９】
第１の層２７は、活性層２５の上に設けられ、複数のピット１０１が二次元の格子を構成するように設けられた第１の面２１ａを有する。表面金属膜８０は、第１の層２７の上に設けられ、複数の開口部８０ａが設けられる。開口部８０ａは、たとえば、金属メッシュの隙間などとすることができる。
【００１０】
それぞれのピット１０１の平面形状は、格子の辺に平行な線に関して非対称である。また、レーザ光６０は、複数の開口部８０ａを通過し活性層２５の表面に対して概ね垂直方向に出射される。表面金属膜８０の開口部８０ａを通過して放出されたレーザ光６１は、ボロメータなどの検出器９０により光強度が測定される。なお、本明細書において、概ね垂直方向とは、活性層２５の表面に対して、８１度以上、かつ９９度以下であるものとする。
【００１１】
本実施形態において、半導体レーザ装置５は、第１の層２７と表面金属膜８０との間に設けられ、第１の層２７の表面とは電気的に接続されるが表面金属膜８０とは絶縁された第１の電極５０をさらに有している。図１において、表面金属膜８０は、第１の電極５０および第１の層２７の表面と離間して図示されているが、実際には絶縁体などを挟んで積層されている。
【００１２】
積層体２１は、第１の層２７と、活性層２５と、第２の層と、を有する。積層体２１の第１の面２１ａに開口端を有する複数のピット１０１が二次元格子状に設けられ、周期構造ＰＣ（フォトニック結晶）として作用する。たとえば、ピット１０１は、積層体２１の第１の面２１ａから深さ方向に向かって三角錘状の領域が切り出された形状とされる。
【００１３】
レーザ光６０は、活性層２５内でＱＣＬ光共振方向３００に沿って光共振可能となり、周期構造ＰＣによりモードが選択され、さらに回折効果により、第１の面２１ａに概ね垂直な光軸に沿って、第１の面２１ａから放出される。すなわち、第１の電極５０から下部の領域は、面発光部として機能する。積層体２１の上下には、電圧が供給される。
【００１４】
図２は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の表面金属膜の模式平面図、である。
本図において、４つのピット１０１に対して、表面金属膜８０の１つの開口部８０ａが設けられている。面発光部から、活性層２５の表面に対して概ね垂直上方向にレーザ光６０が放出され、開口部８０ａを通過して外部に放出される。レーザ光６０は矢印の方向に偏光したＴＭ（Transverse  Magnetic）波となる。
【００１５】
周期構造ＰＣを構成する正方格子は、ＸＹ面内において２つの直交する辺Ｄ、Ｅの交点を格子点Ｇとし、その格子間隔をＭとする。格子点Ｇは、たとえば、ピット１０１の平面形状の重心などと考えることができる。それぞれのピット１０１は、正方格子の２つの辺Ｄ、Ｅのうちの１辺に関してそれぞれ非線対称とされる。なお、格子は正方格子でなく、２辺が直交する格子でもよい。          
【００１６】
テラヘルツ波の一部は開口部８０ａを通過することができる。たとえば、開口部８０ａの形状やサイズを変化することにより、開口部８０ａの幅以上の波長のテラヘルツ波の透過率を５０％以上とすることができる。また、開口部８０ａが設けられた表面金属膜８０は、テラヘルツ波に対して外部（ＬＣ）共振器として作用する。誘電体を含む微粒子９０が表面金属膜８０の開口部８０ａ近傍に付着すると外部共振器の共振周波数が変化する。このため、透過スペクトルのピーク周波数がシフトする。すなわち、第１の実施形態は、表面金属膜８０にメタマテリアルを用いることで、高効率に平面波テラヘルツ波を放出できる。
【００１７】
また、第１の実施形態の半導体レーザ装置５では、表面金属膜８０を外部共振器とするため、透過ピーク周波数をシフトさせることができる。透過ピーク周波数のシフトを検出することにより、微粒子の検出などができる。たとえば、微生物や大腸菌などの細菌を含む微粒子９０が開口部８０ａの表面金属膜８０の開口部８０ａ近傍に付着するものとする。
【００１８】
レーザ光の波長が可視光に近いと、微粒子９０による透過率の変化は、微粒子９０の断面積に相当する領域分の減少であるので小さい。これに対して、レーザ光の波長がテラヘルツ波に近くなると、微粒子９０の量が少なくても共振周波数のシフト量が大きいので透過率の変化が広い周波数範囲に及ぶ。このため、微粒子９０の有無を高い精度で検出できる。微粒子９０は、ＰＭ２．５などを含む。
【００１９】
図３は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の表面金属膜において、テラヘルツ波の周波数に対する透過率を表すグラフ図である。
縦軸は透過率（％）、横軸はテラヘルツ波の周波数（ＴＨｚ）、である。大腸菌を固定化したのち、水を滴下して透過スペクトルを測定した。初期状態を破線、大腸菌固定化後をドット線、水の滴下後を実線、でそれぞれ表す。透過スペクトル強度は分光計などにより測定可能である。
【００２０】
大腸菌を固定化すると、ピーク周波数が初期状態に対して略２５ＧＨｚ低下した。水を滴下すると、ピーク周波数は略３００ＧＨｚ低下した（透過率は約３３％であった）。水に対するテラヘルツ波の吸収係数は、可視光の吸収係数の略１０６倍などと高い。このため、固定化した微粒子９０に水を滴下したのちの共振周波数のシフト量が大きくなり、微粒子９０の検出精度が高まる。
【００２１】
なお、微粒子９０を含まない水だけの場合の共振周波数のシフト量は微粒子９０が存在するときのシフト量よりも大きい。レーザ光６０の単一波長は、たとえば、初期スペクトルのピーク近傍と、水を滴下後の微粒子スペクトルのピーク近傍と、を含む範囲内に設定することができる。
【００２２】
図４は表面金属膜の変形例を表す模式平面図、である。
図４の変形例において、開口部８０ａの平面形状は十字である。なお、微粒子９０を表面金属膜８０上に直接置く場合、半導体レーザ装置５のチップは測定後取り替えるのがよい。もし、テラヘルツ波に対して透明な板の上の微粒子９０を置くと、チップに交換は不要である。
【００２３】
図５は、表面金属膜の開口部の配置の他の例を表す模式平面図である。
開口部のピッチは、２次元回折格子のピッチＭと等しくてもよい。あるいは、開口部のピッチは、２次元回折格子のピッチＭの整数倍である必要はない。すなわち、開口部８０ａは、共振周波数がずれるように配置されればよい。
【００２４】
図６は、第１の実施形態の半導体レーザ装置のうち、面発光部の模式平面図である。
ピット１０１は、積層体２１の第１の面２１ａから下方に向かって三角錘や三角錐台などが切り出された形状となる。なお、ピット１０１の形状はこれに限定されない。本図において、ピット１０１の開口端は直角三角形で表される。直角を挟む２つの辺は枠部５０ａ、５０ｂの２つの辺にそれぞれ平行であり、斜辺は、第１電極５０のストライプ部５０ｃに平行である。
【００２５】
活性層２５は、井戸層と障壁層とを含む量子井戸層からなるサブバンド間遷移発光領域と、緩和領域と、が交互に積層された構成とされる。量子井戸は、たとえば、ＳｉがドープされＩｎ０．６６９Ｇａ０．３３１Ａｓからなる井戸層と、ＳｉがドープされＩｎ０．３６２Ａｌ０．６３８Ａｓからなる障壁層と、を含む。量子井戸層は、さらに少なくとも２つの井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi−Quantum  Well)構造であることがより好ましい。また、緩和領域も、量子井戸層を含むことができる。
【００２６】
ＱＣＬは偏光方向が活性層２５の表面と平行なＴＭ（Transverse  Magnetic）偏光であり、ｐｎ接合面発光レーザのように活性層を表面と裏面で挟むように共振器ミラーでは偏光と光の進行方向が一致するために誘導放出は生じない。すなわち、ＶＣＳＥＬ（Veryical Cavity Surface Emitting Laser：面発光型レーザ）の実現が不可能であった。
【００２７】
これに対して、第１の実施形態にかかるＱＣＬは、誘導放出光の進行方向は活性層２５の表面と平行な方向であるので、誘導放出光が共振かつ増幅することが可能である。さらに、周期的にかつ周期構造に異方性を持った構造の場合、誘導放出光を活性層２５の表面とは概ね垂直方向に取り出すことが可能となる。つまり、これまでＱＣＬでのみ実現可能である中赤外領域よりも長い波長領域で、面発光型のレーザを実現可能となる。
【００２８】
面発光型レーザは、端面発光型レーザのようなへき開による共振器の形成が必要なく、へき開による歩留まりの低下を防ぐことができる。さらに端面発光型レーザはへき開によって始めて共振器が形成されるため、検査をへき開後に行う必要があり、ウェーハのまま、オートプローバ等で検査ができるＬＥＤ等に比べ、検査のコストがかかる。
【００２９】
これに対して第１の実施形態にかかるＱＣＬは、ウェーハ状態でオートプローバによる評価が可能であり、検査コストや歩留まりの面で、コストを下げる大きな効果が期待でき、これまで高価であったＱＣＬの低価格化、量産化が容易になる。
【００３０】
図７は、面発光部の第１の電極の模式平面図である。
ストライプ部５０ｃは、幅がＬ１とされ、ストライプ部５０ｃに直交する方向にピッチがＬ２であるものとする。ストライプ部５０ｃで挟まれた領域には、複数のピット１０１が配置される。  
【００３１】
図８は、ピット部の部分模式斜視図である。
積層体２１は、第１の層２７の上にコンタクト層２８をさらに有することができる。また、第１の面２１ａの上にＳｉＯ２などの絶縁体層４０を設けることができる。なお、ピット内にＳｉＯ２などの絶縁体層をさらに設けると、表面金属膜８０を平坦化できる。
【００３２】
図９は、ピット数に対する電流注入均一度依存性および相対光取り出し効率依存性を表すグラフ図である。
横軸は電極のストライプ部５０ｃの１周期内のピット数、縦軸は電流注入の均一度、および相対光取り出し効率、を表す。電流注入の均一度は、第１の電極５０のストライプ部５０ｃが１次元周期構造を有する場合、ストライプ部５０ｃに直交する方向に沿った１周期内に２つのピットが含まれる場合を１００として規格化した。
【００３３】
また、相対光取り出し効率は、第１の電極５０のストライプ部５０ｃが１次元周期構造を有する場合、ストライプ部５０ｃに直交する方向に沿った１周期内に５０のピットが含まれる場合を１００として規格化した。
【００３４】
ストライプ部５０ｃに直交する方向に沿った１周期内のピット１０１の数が増加するに従って、電流注入の均一度が低下するが相対光取り出し効率が増加する。すなわち、１周期内のピット１０１の数を５以上かつ２０以下とすることにより、電流注入の均一度とレーザ光の取り出し効率とが両立できる。このように、第１の電極５０の開口部５０ｄの面積と電流注入の効率の関係、および第１の電極５０の周期構造が光取り出し時の回折効果に影響を与える関係より最適解が求まる。
【００３５】
図１０は、第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図である。
第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置において、第１の電極が設けられない。すなわち、表面金属膜８０が第１の電極として機能し、面発光部に電圧を供給する。第２の実施形態は、第１の電極が不要なので製造工程を簡素にでき、コスト低減が容易である。半導体レーザ装置５のチップを交換する場合、低コストが好ましい。図１０において、表面金属膜８０と面発光部の表面（第１の層２７の表面）とが離間して図示されているが、実際は密着している。
【００３６】
図１１は、比較例にかかるレーザ装置の構成図である。
光源となる半導体レーザ素子１０５は、単一モードのレーザ光を放出する端面発光型のＱＣＬとする。端面発光型ＱＣＬは、リッジ導波路からその端面に直交する方向にレーザ光を放出する。この場合、ビームは発散し、その断面は楕円形状となる。このため、発散する放出光を、コリメートレンズ２００などを用いて平行光とする。
【００３７】
光源１０５から照射された平行光は、反射板１８０により反射されたのち、レンズ２０２により集光されボロメータなどの検出器１９０に入射し、その光強度が検出される。反射板１８０は、開口部を有する金属板とすることができる。テラヘルツ波におけるこのような光学構成は、レーザ装置の平面形状を数十ｃｍ×数十ｃｍなどと大型にし、その調整も容易ではない。
【００３８】
これに対して、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、面発光部から活性層２５の概ね垂直上方にテラヘルツ波が放出される。このため、複雑な構成かつ大型の光学系を必要としないので、平面テラヘルツ波を高効率で放出可能でありかつ小型の半導体レーザ装置が可能となる。
【００３９】
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】
【００４０】
５  半導体レーザ装置、２１ａ  第１の面、２７  第１の層、２５  活性層、５０  第１の電極、５０ａ、５０ｂ  枠部、５０ｃ  ストライプ部、５０ｄ  開口部、６０、６１  レーザ光、８０  表面金属膜、８０ａ  開口部、１０１  ピット、Ｌ２  （ストライプ部の）ピッチ、Ｄ  正方格子の１辺、Ｅ  正方格子の１辺  
【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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