(57)【要約】【課題】高い反射率を分布反射領域に実現できる量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】量子カスケードレーザは、化合物半導体からなる半導体基板１３と、導波路軸に延在する導波路構造を含むレーザ本体領域１５と、分布反射領域１７とを備え、レーザ本体領域１５及び分布反射領域１７は、導波路軸の方向に配列されている。分布反射領域１７は、１又は複数の低屈折率部３１ｂと、１又は複数の高屈折率部３１ａを備え、高屈折率部３１ａの屈折率は、低屈折率部３１ｂの屈折率より高く、高屈折率部３１ａは半導体基板１３の主面１３ａに交差する交差軸の方向に延在する半導体壁３３を含み、半導体壁３３は、頂部３３ｂ及び底部３３ａを含み、半導体壁３３において、頂部３３ｂ、主面１３ａ、及び底部３３ａは、この順に差軸の方向に配列されている。【選択図】図１
2017022234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子カスケードレーザであって、
化合物半導体からなる半導体基板と、
前記半導体基板の主面上に設けられ、導波路軸に延在する導波路構造を含むレーザ本体領域と、
前記半導体基板の主面上に設けられた分布反射領域と、
を備え、
前記レーザ本体領域及び前記分布反射領域は、前記導波路軸の方向に配列され、
前記レーザ本体領域は、第１半導体積層構造を含み、前記第１半導体積層構造は、前記主面上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた上部クラッド層とを含み、
前記第１半導体積層構造は、前記導波路軸に交差する端面を含み、前記第１半導体積層構造の前記端面は前記分布反射領域に光学的に結合されており、
前記分布反射領域は、１又は複数の低屈折率部と、１又は複数の高屈折率部を備えており、前記高屈折率部の屈折率は、前記低屈折率部の屈折率より高く、前記低屈折率部及び前記高屈折率部は、前記導波路軸の方向に交互に配列されており、
前記高屈折率部は、前記半導体基板の前記主面に交差する交差軸の方向に延在する半導体壁を含み、前記半導体壁は、頂部及び底部を含み、
前記半導体壁において、前記頂部、前記半導体基板の前記主面、及び前記底部は、この順に前記交差軸の方向に配列されている、量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記半導体基板は、５×１０１７ｃｍ−３以下の濃度のｎ型ドーパントを含む、請求項１に記載された量子カスケードレーザ。
【請求項３】
前記半導体壁は、前記コア層と同一構造の半導体層を備え、
前記半導体基板の主面に垂直な法線軸方向において、前記半導体壁の前記底部の最下部は、前記半導体層の下面から３マイクロメートル以上の距離で離れている、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記導波路軸の方向における前記分布反射領域の前記低屈折率部の厚さは、λ／（４×ｎ１）の奇数倍の１倍から１．１倍の範囲にあり、
前記高屈折率部の厚さは、λ／（４×ｎ２）の奇数倍の１倍から１．１倍の範囲にあり、
ここで、「λ」は前記量子カスケードレーザの真空中における発振波長を示し、「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〜請求項３のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記高屈折率部の数は複数であり、
前記分布反射領域は、前記高屈折率部のうちの少なくとも２つの高屈折率部を接続する第１補強部を更に備える、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レーザ。
【請求項６】
前記高屈折率部は、前記第１補強部に接続された第１領域を有し、
前記高屈折率部の前記第１領域は、前記第１補強部と同じ半導体材料からなる、請求項５に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項７】
前記分布反射領域は、前記高屈折率部と前記レーザ本体領域を接続する第２補強部を更に備える、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レーザ。
【請求項８】
前記高屈折率部は、前記第２補強部に接続された第２領域を有し、
前記高屈折率部の前記第２領域は、前記第２補強部と同じ半導体材料からなる、請求項７に記載された量子カスケードレーザ。
【請求項９】
前記レーザ本体領域は、前記第２補強部に接続された接続領域を含み、
前記レーザ本体領域の前記接続領域は、前記第２補強部と同じ半導体材料からなる、請求項８に記載された量子カスケードレーザ。
【請求項１０】
前記半導体基板の主面に垂直な法線軸方向において、前記半導体壁内における前記半導体基板の前記主面と前記高屈折率部の最上部との距離が、前記レーザ本体領域における前記第１半導体積層構造の最上部と前記半導体基板の前記主面との距離より小さい、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レーザ。
【請求項１１】
前記高屈折率部の横幅が前記半導体基板の横幅より短く、
前記高屈折率部の横幅及び前記半導体基板の横幅は、前記半導体基板の前記主面に平行であって前記半導体基板の前記主面への法線軸及び前記導波路軸に直交する方向に規定される、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、量子カスケードレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、通信用の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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１の、光通信用の波長帯域の半導体レーザは、分布反射領域を備える。
【０００５】
分布反射領域は量子カスケードレーザにも適用可能であり、この場合量子カスケードレーザは、基板上に成長された半導体積層を加工して形成された、レーザ本体領域及び分布反射領域を備える。レーザ本体領域は、基板上に設けられ量子カスケードレーザのコア層を含み、分布反射領域は、光共振器を形成するように該基板上の一端又は両端に設けられている。コア層において発生した光は、レーザ本体領域を伝搬する共に、レーザ本体領域から出射して分布反射領域によって反射される。この反射光は、レーザ本体領域に入射してレーザ本体領域を伝搬する。光通信用の半導体レーザに用いられる分布反射領域は、基板以外の半導体領域をエッチングして形成された周期的な屈折率変化を備える。具体的には、分布反射領域は、エッチングにより基板以外の半導体領域を除いた低屈折率部と、半導体領域のエッチングの結果として残された高屈折率部とを含む。分布反射領域の高反射化のためには、エッチングにより形成された高屈折率部の半導体側面には高い垂直性が求められる。また、分布反射領域の反射率を高めることは、量子カスケードレーザの特性改善に寄与する。低屈折率部と高屈折率部との屈折率差を大きくすること、並びに低屈折率部及び高屈折率部の配列の繰り返し数を増加することは、分布反射領域に高い反射率を提供するために役立つ。
【０００６】
発明者からの更なる検討によれば、上記のような手法とは異なる技術的手法によって、量子カスケードレーザにおける分布反射領域の反射率を上記手法に比べて高められる可能性が見出された。上記のように、量子カスケードレーザにおいては、基板上に成長された半導体積層を加工して形成されるレーザ本体領域及び分布反射領域に光を伝搬させることによって、レーザ発振を引き起こす。具体的には、コア層によって発生された光は、レーザ本体領域及び分布反射領域を伝搬すると共に、光共振器内の分布反射領域によって反射されて、レーザ発振に至る。レーザ発振に際して、伝搬光は、レーザ本体領域及び分布反射領域並びに基板内を伝搬する。この光の伝搬に関して、発明者らは、レーザ本体領域と分布反射領域との境界における特異性に着目した。レーザ本体領域を伝搬する導波光は、コア層の付近を中心にして基板にまで広がっている。これ故に、レーザ本体領域を伝搬してきた導波光の一部分は、上記の境界を横切って分布反射領域に入射して、低屈折率部及び高屈折率部の配列によって反射される。一方、レーザ本体領域中の基板を伝搬してきた導波光は、屈折率の周期的な変化を備えない一様な基板を引き続き伝搬し、これ故に、反射されることがない。従って、このような素子構造においては、導波光の一部しか分布反射領域で反射されないため、分布反射領域による端面高反射化が容易ではない。
【０００７】
本発明の一側面は、このような背景において為されたものであり、高い反射率を分布反射領域に実現できる量子カスケード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】
本発明の一側面に係る量子カスケードレーザは、化合物半導体からなる半導体基板と、前記半導体基板の主面上に設けられ、導波路軸に延在する導波路構造を含むレーザ本体領域と、前記半導体基板の主面上に設けられた分布反射領域と、を備え、前記レーザ本体領域及び前記分布反射領域は、前記導波路軸の方向に配列され、前記レーザ本体領域は、第１半導体積層構造を含み、前記第１半導体積層構造は、前記主面上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた上部クラッド層とを含み、前記第１半導体積層構造は、前記導波路軸に交差する端面を含み、前記第１半導体積層構造の前記端面は前記分布反射領域に光学的に結合されており、前記分布反射領域は、１又は複数の低屈折率部と、１又は複数の高屈折率部とを備えており、前記高屈折率部の屈折率は、前記低屈折率部の屈折率より高く、前記低屈折率部及び前記高屈折率部は、前記導波路軸の方向に交互に配列されており、前記高屈折率部は、前記半導体基板の前記主面に交差する交差軸の方向に延在する半導体壁を含み、前記半導体壁は、頂部及び底部を含み、前記半導体壁において、前記頂部、前記半導体基板の前記主面、及び前記底部は、この順に前記交差軸の方向に配列されている。
【０００９】
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】
【００１０】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、高い反射率を分布反射領域に実現できる量子カスケードレーザを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す図面である。
【図２】図２は、図１に示されたＢＨ構造の量子カスケードレーザを示す平面図である。
【図３】図３は、量子カスケードレーザにおける分布反射領域の特異性を説明するために量子カスケードレーザの主要部を示す図面である。
【図４】図４は、計算モデルの高屈折率部の幅ＷＨ及び低屈折率部の幅ＷＬを示す。
【図５】図５は、波長７〜８マイクロメートルの範囲における分布反射領域の端面反射率の計算結果を示す図面である。
【図６】図６は、当該計算結果のうちの、発振波長（７．５４マイクロメートル）における反射率の計算値の一覧を示す図面である。
【図７】図７は、発振波長（７．５４マイクロメートル）における距離Ｄと端面の反射率の計算値との関係を示す図面である。
【図８】図８は、低屈折率部及び高屈折率部の幅ＷＬ、幅ＷＨの変動に対する分布反射領域の反射率の変化に係る計算を示す図面である。
【図９】図９は、高屈折率部の高さＨ１がレーザ本体領域の第１半導体積層構造の高さＨ２より小さい（Ｈ１＜Ｈ２）量子カスケードレーザを概略的に示す図面である。
【図１０】図１０は、図９に示された量子カスケードレーザの実装による組立体を示す図面である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザの一構造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レーザの一構造を模式的に示す図面である。
【図１３】図１３は、実施形態に係る量子カスケードレーザの一構造を示す平面図である。
【図１４】図１４は、エッチングにより分布反射領域及びレーザ本体領域を形成する工程における基板生産物を示す平面図である。
【図１５】図１５は、エッチングにより分布反射領域及びレーザ本体領域を形成する工程における基板生産物を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
いくつかの具体例を説明する。
【００１３】
一形態に係る量子カスケードレーザは、（ａ）化合物半導体からなる半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板の主面上に設けられ、導波路軸に延在する導波路構造を含むレーザ本体領域と、（ｃ）前記半導体基板の主面上に設けられた分布反射領域と、を備え、前記レーザ本体領域及び前記分布反射領域は、前記導波路軸の方向に配列され、前記レーザ本体領域は、第１半導体積層構造を含み、前記第１半導体積層構造は、前記主面上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた上部クラッド層とを含み、前記第１半導体積層構造は、前記導波路軸に交差する端面を含み、前記第１半導体積層構造の前記端面は前記分布反射領域に光学的に結合されており、前記分布反射領域は、１又は複数の低屈折率部と、１又は複数の高屈折率部とを備えており、前記高屈折率部の屈折率は、前記低屈折率部の屈折率より高く、前記低屈折率部及び前記高屈折率部は、前記導波路軸の方向に交互に配列されており、前記高屈折率部は、前記半導体基板の前記主面に交差する交差軸の方向に延在する半導体壁を含み、前記半導体壁は、頂部及び底部を含み、前記半導体壁において、前記頂部、前記半導体基板の前記主面、及び前記底部は、この順に前記交差軸の方向に配列されている。
【００１４】
この量子カスケードレーザによれば、分布反射領域の低屈折率部が基板領域までエッチングされて所望の深さを有すると共に、高屈折率部の半導体壁が、半導体基板の主面の下に位置する底部を有する。分布反射領域の半導体壁によれば、コア層の外側に広がって半導体基板に分布する導波光成分を分布反射領域の低屈折率部と高屈折率部との界面で反射することが可能となる。この分布反射領域によれば、半導体基板の主面上の第１半導体積層構造を伝搬する導波光成分及び半導体基板を伝搬する導波光成分の両方を分布反射領域によって反射することが可能となる。したがって、量子カスケードレーザの分布反射領域の反射を高めることができる。
【００１５】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記半導体基板は、５×１０１７ｃｍ−３以下の濃度のｎ型ドーパントを含む。
【００１６】
この量子カスケードレーザによれば、低いドーパント濃度の半導体基板は、半導体基板の自由キャリアが半導体基板を伝搬する導波光成分を吸収することを抑制できる。したがって、半導体基板を下部クラッドとして使用できる。
【００１７】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記半導体壁は、前記コア層と同一構造の半導体層を備え、前記半導体基板の主面に垂直な法線軸方向において、前記半導体壁の前記底部の最下部は、前記半導体層の下面から３マイクロメートル以上の距離で離れている。
【００１８】
この量子カスケードレーザによれば、半導体壁内の半導体層の下面と半導体壁内の最下部との距離が、上記の値に等しいか、或いは上記の値より大きいとき、分布反射領域が、劈開による端面の反射率（約３０％）の２．５倍以上である８０％以上の非常に高い端面反射率を有する。高い端面反射率の分布反射領域によって、量子カスケードレーザの閾値電流を低減することが容易となる。
【００１９】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記導波路軸の方向における前記分布反射領域の前記低屈折率部の厚さは、λ／（４×ｎ１）の奇数倍の１倍から１．１倍の範囲にあり、前記高屈折率部の厚さは、λ／（４×ｎ２）の奇数倍の１倍から１．１倍の範囲にあり、ここで、「λ」は前記量子カスケードレーザの真空中における発振波長を示し、「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。
【００２０】
この量子カスケードレーザによれば、低屈折率部及び高屈折率部の厚さが、λ／（４×ｎ）の奇数倍に等しい基準幅の１倍から１．１倍の範囲にある分布反射領域には、当該基準幅に等しい厚さの低屈折率部及び高屈折率部を有する理想的な分布反射領域の端面反射率と実質的に同じ反射率が実現される。
【００２１】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記高屈折率部の数は複数であり、前記分布反射領域は、前記高屈折率部のうちの少なくとも２つの高屈折率部を接続する第１補強部を更に備える。
【００２２】
この量子カスケードレーザによれば、分布反射領域は、隣合う高屈折率部の半導体壁を直接に接続する第１補強部のための接続壁を備える。接続壁及び隣合う半導体壁は、半導体基板を介する経路とは別個に繋がれて、半導体基板上において一体の構造物を形成できる。第１補強部の付加により、分布反射領域の機械的強度を増加でき、その結果、分布反射領域の破損が生じにくくなる。したがって、分布反射領域の第１補強部は、素子の製造歩留まり、及び素子の耐久性を更に改善することを可能にする。
【００２３】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記高屈折率部は、前記第１補強部に接続された第１領域を有し、前記高屈折率部の前記第１領域は、前記第１補強部と同じ半導体材料からなる。
【００２４】
この量子カスケードレーザによれば、高屈折率部の第１領域が第１補強部と同じ半導体材料からなるとき、高屈折率部の第１領域及び第１補強部は結晶レベルで切れ目なく一体化された一様な構造となって、分布反射領域の強度を効果的に増加できる。また、高屈折率部の第１領域及び第１補強部は、同じ材料を用いて一括に形成できるので、量子カスケードレーザの製造プロセスを簡略化できる。
【００２５】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記分布反射領域は、前記高屈折率部と前記レーザ本体領域を接続する第２補強部を更に備える。
【００２６】
この量子カスケードレーザによれば、分布反射領域は、該レーザ本体領域の第１半導体積層構造に最も近い高屈折率部の半導体壁にレーザ本体領域を直接に接続する第２補強部のための架橋壁を備える。具体的には、半導体壁及びレーザ本体領域は、第２補強部のための架橋壁を介して、半導体基板を介する経路とは別個に繋がれて、半導体基板上において一体の構造物を形成できる。第２補強部の付加により、分布反射領域の機械的強度を増加でき、その結果、分布反射領域の破損が生じにくくなる。したがって、分布反射領域の第２補強部は、素子の製造歩留まり、及び素子の耐久性を改善することを可能にする。
【００２７】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記高屈折率部は、前記第２補強部に接続された第２領域を有し、前記高屈折率部の前記第２領域は、前記第２補強部と同じ半導体材料からなる。
【００２８】
この量子カスケードレーザによれば、高屈折率部の第２領域が第２補強部と同じ半導体材料からなるとき、高屈折率部の第２領域及び第２補強部は結晶レベルで切れ目なく一体化された一様な構造となって、分布反射領域の強度を効果的に増加できる。また、高屈折率部の第２領域及び第２補強部は、同じ材料を用いて一括に形成できるので、量子カスケードレーザの製造プロセスを簡略化できる。
【００２９】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記レーザ本体領域は、前記第２補強部に接続された接続領域を含み、前記レーザ本体領域の前記接続領域は、前記第２補強部と同じ半導体材料からなる。
【００３０】
この量子カスケードレーザによれば、レーザ本体領域の接続領域が第２補強部と同じ半導体材料からなるとき、接続領域及び第２補強部は結晶レベルで切れ目なく一体化された一様な構造となって、分布反射領域の強度を効果的に増加できる。また、レーザ本体領域の接続領域及び第２補強部は、同じ材料を用いて一括に形成できるので、量子カスケードレーザの製造プロセスを簡略化できる。
【００３１】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記半導体基板の主面に垂直な法線軸方向において、前記半導体壁内における前記半導体基板の前記主面と前記高屈折率部の最上部との距離が、前記レーザ本体領域における前記第１半導体積層構造の最上部と前記半導体基板の前記主面との距離より小さい。
【００３２】
この量子カスケードレーザによれば、エピダウンでのダイボンド実装時の物理的ダメージによる高屈折率部の破損を回避でき、良い歩留まりでエピダウン形態のダイボンド実装が可能となる。
【００３３】
一形態に係る量子カスケードレーザでは、前記高屈折率部の横幅が前記半導体基板の横幅より短く、前記高屈折率部の横幅及び前記半導体基板の横幅は、前記半導体基板の前記主面に平行であって前記半導体基板の前記主面への法線軸及び前記導波路軸に直交する方向に規定される。
【００３４】
この量子カスケードレーザによれば、高屈折率部の横幅が基板の横幅より短い分布反射領域の作製の際、高屈折率部をエッチングにより形成する際にエッチング面内均一性及び再現性が改善される。また、この分布反射領域では、高屈折率部の機械的強度を増大できて、分布反射領域の破損が生じにくくなる。また、素子分離時の製造歩留まりが高屈折率部の破損に起因して低下することを回避できる。
【００３５】
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、量子カスケードレーザ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。
【００３６】
図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す図面である。図１の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部を参照すると、量子カスケードレーザ１１は、半導体基板１３、レーザ本体領域１５、分布反射領域１７、１９を備える。半導体基板１３は、化合物半導体からなることができ、例えばＩｎＰ基板を備える。半導体基板１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを有しており、主面１３ａは裏面１３ｂの反対側にある。半導体基板１３は、第１領域１３ｃ、第２領域１３ｄ、及び第３領域１３ｅを含み、第３領域１３ｅは第１領域１３ｃと第２領域１３ｄとの間に設けられる。分布反射領域１７、１９は、それぞれ、第１領域１３ｃ及び第２領域１３ｄ上に設けられ、レーザ本体領域１５は第３領域１３ｅ上に設けられる。半導体基板１３は、例えばｎ型ＩｎＰからなる。
【００３７】
図１を参照すると、直交座標系Ｓが描かれている。本実施例では、導波路軸の方向（直交座標系ＳのＸ軸の方向）に、分布反射領域１７、レーザ本体領域１５及び分布反射領域１９が配列されており、主面１３ａ、例えば第３領域１３ｅにおける主面１３ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸によって規定される平面に平行である。
【００３８】
レーザ本体領域１５は、直交座標系ＳのＸ軸の方向に延在する導波路構造ＷＧを含む。レーザ本体領域１５の導波路構造ＷＧは、第１半導体積層構造２１を含む。第１半導体積層構造２１は、主面１３ａ上に設けられたコア層２３と、コア層２３上に設けられた上部クラッド層２５とを含み、本実施例では、コンタクト層２７及びバッファ層２９を含むことができる。コンタクト層２７は上部クラッド層２５上に設けられ、バッファ層２９は半導体基板１３とコア層２３との間に設けられる。第１半導体積層構造２１は、直交座標系ＳのＸ軸の方向に延在する導波路軸に交差する端面２１ａ、２１ｂを含み、レーザ本体領域１５は、導波路軸に交差する端面１５ａ、１５ｂを含む。第１半導体積層構造２１の端面２１ａ、２１ｂ（レーザ本体領域１５の端面１５ａ、１５ｂ）は、それぞれ、分布反射領域１７、１９に光学的に結合されている。本実施例では、バッファ層２９の下面は、半導体基板１３の主面１３ａに接しており、バッファ層２９の上面は、コア層２３に接している。但し、バッファ層２９は必須ではなく、第１半導体積層構造２１がバッファ層２９を備えないとき、コア層２３が半導体基板１３の主面１３ａに接している。
【００３９】
本実施例では、レーザ本体領域１５は、分布反射領域１７と分布反射領域１９との間に設けられて、レーザ本体領域１５、分布反射領域１７、１９はレーザ共振器を構成する。しかしながら、量子カスケードレーザ１１は、分布反射領域１７、１９のいずれか一方を備えることができ、この構造では、例えば劈開面と分布反射領域とを用いてレーザ共振器を構成できる。引き続く説明では、分布反射領域１７を説明するけれども、分布反射領域１９も分布反射領域１７と同じ構造を有することができるが、これに限定されるものではない。
【００４０】
分布反射領域１７は、１又は複数の高屈折率部３１ａを備える。高屈折率部３１ａの各々は、半導体基板１３の主面１３ａに交差する交差軸の方向（直交座標系ＳのＺ軸の方向）に延在する半導体壁３３を含み、本実施例では、３つの半導体壁３３が描かれている。また、分布反射領域１７は、半導体から構成される高屈折率部３１ａ及びレーザ本体領域１５の間に位置する１又は複数の低屈折率部３１ｂを含む。具体的には、第１半導体積層構造２１の端面２１ａ（レーザ本体領域１５の端面１５ａ）と分布反射領域１７内の最初の半導体壁３３との間に、一番目の低屈折率部３１ｂが位置する。また、分布反射領域１７内の最初の半導体壁３３と二番目の半導体壁３３との間に、二番目の低屈折率部３１ｂが位置する。分布反射領域１７内の二番目の半導体壁３３と三番目の半導体壁３３との間に、三番目の低屈折率部３１ｂが位置する。高屈折率部３１ａの屈折率は低屈折率部３１ｂの屈折率より高く、低屈折率部３１ｂ及び高屈折率部３１ａは、直交座標系ＳのＸ軸の方向（導波路軸の方向）に交互に配列されている。本実施例では、半導体壁３３の各々は、底部３３ａ及び頂部３３ｂを含み、個々の半導体壁３３において、底部３３ａ、半導体基板１３の主面１３ａ、及び頂部３３ｂは、この順にＺ軸の方向に配列されている。
【００４１】
この量子カスケードレーザ１１によれば、分布反射領域１７、１９の低屈折率部３１ｂが基板領域までエッチングされて所望の深さを有すると共に、高屈折率の半導体壁３３が、半導体基板１３の主面１３ａの下に位置する底部３３ａを有する。半導体壁３３によれば、コア層２３の外側に広がって半導体基板１３に分布する導波光成分を低屈折率部３１ｂと高屈折率部３１ａとの界面で反射することが可能となる。この分布反射領域１７、１９によれば、半導体基板１３の主面１３ａ上の第１半導体積層構造２１を伝搬する導波光成分及び半導体基板１３を伝搬する導波光成分の両方を分布反射領域１７、１９によって反射することが可能となる。したがって、量子カスケードレーザ１１の分布反射領域１７、１９における反射を高めることができる。
【００４２】
図１を参照しながら、量子カスケードレーザ１１を更に詳細に説明する。図１の（ａ）部を参照すると、レーザ導波路が延伸するＸ軸方向における本実施例の導波路のＸＺ断面構造の一例が示されている。素子中央部に、レーザ本体領域１５が設けられ、また素子の両端部に、それぞれ分布反射領域１７、１９が分布反射構造として設けられている。ここで図１の（ａ）部において、半導体基板１３の裏面１３ｂを基準にした分布反射領域の高屈折率部の最上部の第１高さＨ１、半導体基板１３の裏面１３ｂを基準にしたレーザ本体領域１５の第１半導体積層構造２１の最上部（本実施例ではコンタクト層２７）までの第２高さＨ２、及び高屈折率部３１ａ（半導体壁３３）自体の第３高さＨ３が、半導体基板１３の裏面１３ｂからＺ方向、つまり基板主面の法線軸の方向に規定される。この実施例では、高屈折率部３１ａは、レーザ本体領域１５の第１半導体積層構造２１の最上部までの高さと同じである（これを数式で表すと、Ｈ１  ＝  Ｈ２である）が、これに限定されるものではない。分布反射領域１７、１９の低屈折率部のために、半導体基板１３がエッチングされており、そのエッチング深さは、コア層２３とバッファ層２９との境界に沿って延在する基準平面Ｒｅｆ１から基板主面の法線軸の方向に規定される距離Ｄとして規定される。
【００４３】
レーザ本体領域１５の一例。
バッファ層２９：ｎ型ＩｎＰ、ドーパント濃度：１×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、厚さ０ｎｍ以上５００ｎｍ以下。
コア層２３（発光層）。
中赤外波長領域における発光に好適な材料として、量子井戸層はＧａＩｎＡｓを備えることができ、バリア層はＡｌＩｎＡｓを備えることができる。コア領域を構成する超格子列は、これらの半導体層を備えることが好ましい。伝導帯サブバンド間遷移によって、例えば３〜２０μｍの中赤外領域での発振が可能になる。
上部クラッド層２５：ｎ型ＩｎＰ、ドーパント濃度５×１０１６〜５×１０１７ｃｍ−３、厚さ２０００〜４０００ｎｍ。
コンタクト層２７：ｎ型ＩｎＧａＡｓ、ドーパント濃度：１×１０１９〜１×１０２０ｃｍ−３、厚さ１００〜１０００ｎｍ。
レーザ本体領域１５の上面には、上部電極３５ａが設けられ、半導体基板１３の裏面１３ｂには下部電極３５ｂが形成されている。
【００４４】
半導体基板１３が量子カスケードレーザ１１においてクラッドとして機能するためには、  基板における導波光のバンド間吸収、及び自由キャリア吸収を抑制する必要がある。バンド間吸収を回避するためには、中赤外（例えば３〜２０μｍ）の光波長に対して透明な半導体材料、すなわち中赤外領域の波長に対応するエネルギーより大きいバンドギャップであって、バンド間吸収が生じない半導体材料で形成された半導体基板１３を用いる必要がある。この条件を満たす半導体基板１３としては、例えばｎ−ＩｎＰ基板を使用できる。また、中赤外の量子カスケード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半導体材料を用いるので、ＩｎＰ基板を用いることで、これらの半導体層を良好な結晶品質で成長することができる。次に基板による自由キャリア吸収を抑制するためには、低ドープの基板を用いることが好ましい。即ち、量子カスケードレーザ１１への給電のため、半導体基板１３は導電性である必要があり、量子カスケードレーザの場合、キャリアには一般的に電子が用いられるため、基板としては通常、図１の（ａ）部に示されるように、主面１３ａから裏面１３ｂへの方向（Ｚ軸の方向）に、実質的に一定のドーパント濃度ＮＤを有するｎ型導電性基板が用いられるが、ＮＤは、５×１０１７ｃｍ−３以下であることが好ましい。このような低いドーパント濃度ＮＤの半導体基板１３の使用により、半導体基板１３を伝搬する導波光成分の自由キャリア吸収を抑制できる。したがって、半導体基板１３を下部クラッドとして使用できる。なお、半導体基板１３の導電型は、上部クラッド層２５の導電型と同じである。
【００４５】
また、量子カスケードレーザ１１は、必要な場合にはバッファ層２９を備えることができる。バッファ層２９を半導体基板１３上に最初に成長することにより、ＩｎＰ基板の表面のエッチピット密度（ＥＰＤ）等に関連する欠陥を終端させることができ、これ故に、バッファ層２９上に積層される一群の半導体層を良好な結晶性で成長できる。また、バッファ層２９は、上記のように欠陥を終端させることが目的であるので、厚さ０．５μｍ以下程度の薄層であることができる。バッファ層２９が薄いので、光閉じ込めのためのクラッドとしては機能しない。また、バッファ層２９を用いなくても、良好な結晶性を有するレーザ本体領域１５を成長できるときには、バッファ層２９は省略してもよい。バッファ層２９を構成する半導体としては、半導体基板１３同様、導波光のバンド間吸収を生じない材料が好ましく、例えばｎ−ＩｎＰ、ｎ−ＧａＩｎＡｓ、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ等を使用できる。
【００４６】
上記の通り、ＩｎＰは中赤外の発振光に対して透明であるので、上部クラッド層２５は、例えばｎ型ＩｎＰを備えることができる。ＩｎＰは２元混晶であってＩｎＰ半導体基板１３に格子整合するので、ＩｎＰ基板１３上において、ｎ型ＩｎＰの上部クラッド層２５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レーザに使用可能な半導体材料のなかで最良の熱伝導を示すので、コア層２３の近くにＩｎＰクラッド層２５を使用することによって、コア層２３からの良好な放熱性が量子カスケードレーザ１１に実現されて、量子カスケードレーザ１１の温度特性が向上される。
【００４７】
コア層２３は、活性層及び注入層から成る単位構造が数十周期で多段に接続された構造を備える。活性層と注入層は共に、交互に積層された量子井戸層及びバリア層の超格子列から形成される。量子井戸層は、例えば数ナノメートル厚の薄膜であって、バリア層は、数ナノメートル厚の薄膜であって量子井戸層よりも高バンドギャップを有する。
【００４８】
必要な場合には、量子カスケードレーザ１１は、コンタクト層２７を備えることができる。コンタクト層２７は上部電極３５ａに接触して、良好なオーミックコンタクトを形成する。また、ＩｎＰ半導体基板１３を用いる場合は、コンタクト層２７は、低いバンドギャップであってＩｎＰ基板１３に格子整合可能な材料からなることが良く、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓを備えることができる。上部電極３５ａ及び下部電極３５ｂは、例えばＴｉ／Ａｕ又はＧｅ／Ａｕを備えることができる。コンタクト層無しに電極への電気的接触が可能にあるときには、コンタクト層２７は省略される。
【００４９】
必要な場合には、コア層２３は、その上下両側、または上下の何れか一方側に設けられた光閉じ込め領域を含むことができる。光閉じ込め領域の追加により、クラッドに挟まれたコア領域に、導波光を閉じ込めることを強化できる。光閉じ込め領域は、光閉じ込めを強化するために、クラッドに比べて高屈折率の半導体材料を備える。ＩｎＰ半導体基板１３を用いる場合はこのような半導体として、ＩｎＰ基板に格子整合可能な材料が望ましく、例えばアンドープ及び／又はｎ型のＧａＩｎＡｓを使用できる。
【００５０】
半導体にｎ導電性を付与するためのｎ型のドーパントは、例えばＳｉ、Ｓｎ、Ｓｅ等であることができる。
【００５１】
図１の（ｂ）部及び（ｃ）部は、図１の（ａ）部に示された量子カスケードレーザに適用可能な電流狭窄構造を図１の（ａ）部に示されたＩａ−Ｉａ線に沿ってとられた断面において示す図面である。この断面は、直交座標系ＳのＹＺ断面を示している。図１の（ｂ）部及び（ｃ）部を参照すると、メサ導波路ＭＳが素子中央に設けられている。メサ導波路ＭＳは、バッファ層２９、コア層２３、上部クラッド層２５、及びコンタクト層２７を含み、これらは半導体基板１３上に積層されている。メサ導波路ＭＳは、幅Ｗ１を有しており、量子カスケードレーザ１１では例えば３〜１０マイクロメートルである。
【００５２】
図１の（ｂ）部を参照すると、メサ導波路ＭＳは、電流狭窄のために、電流ブロックとして機能する高抵抗の半導体埋め込み層３７で埋め込まれている。また半導体埋め込み層３７上には、メサ導波路ＭＳへの電流狭窄を補強するための絶縁膜４９が形成されている。この構造は、埋め込みヘテロストラクチャー構造（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、「ＢＨ構造」）として参照される。
【００５３】
図１の（ｃ）部を参照すると、幅Ｗ１のメサ導波路の側面及び半導体基板１３のエッチング面は、電流狭窄のために、絶縁膜４９で覆われている。この構造は、メサ導波路ＭＳの側面上に絶縁膜４９を形成することによって電流狭窄したハイメサ構造として参照される。絶縁膜４９は、例えば誘電体膜等から成る。
【００５４】
分布反射領域１７内の高屈折率部３１ａを構成する半導体壁３３はいくつかの構造を取り得る。本実施例においては、高屈折率部３１ａは、バッファ層２９に対応する第１半導体層３９、コア層２３に対応する第２半導体層４３、上部クラッド層２５に対応する第３半導体層４５、及びコンタクト層２７に対応する第４半導体層４７を備えることができる。第１半導体層３９、第２半導体層４３、第３半導体層４５、及び第４半導体層４７は、第２半導体積層構造４１を構成する。
【００５５】
半導体壁３３は、レーザ本体領域１５のための半導体エピタキシャル積層をエッチングすることによって形成される。半導体壁３３に係るＹＺ断面は、図１の（ｂ）部及び（ｃ）部に示される構造において設けられる上部電極３５ａを除いて、図１の（ｂ）部及び（ｃ）部に示される断面であることができる。
【００５６】
図２は、図１の（ｂ）部に示されたＢＨ構造の量子カスケードレーザを示す平面図である。分布反射領域１７、１９を説明する。これらの分布反射領域１７（１９）は、図１に示されるように、所定の幅ＷＨの高屈折率部３１ａと、所定の幅ＷＬの低屈折率部３１ｂを備え、高屈折率部３１ａ及び低屈折率部３１ｂが交互に繰り返して配列される。分布反射領域１７、１９において、高屈折率部３１ａ及び低屈折率部３１ｂの配列は周期Ｐ（＝ＷＬ＋ＷＨ）を有する。既に説明したように、レーザ本体領域１５のための半導体エピタキシャル積層をエッチングにより除去して、低屈折率部３１ｂが形成され、また半導体エピタキシャル積層をエッチングせずに残存させて高屈折率部３１ａが形成される。分布反射領域１７、１９の作製のために上記の半導体エピタキシャル積層をエッチングする作製方法では、高屈折率部３１ａを構成する半導体壁３３は、レーザ本体領域１５と同じ半導体積層構造を有することができる。また、半導体基板１３の一部からなる底部３３ａを備える。図２に示されるように、高屈折率部３１ａの各々は、Ｙ方向において素子の側縁に到達しており、Ｙ方向における高屈折率部３１ａの幅は素子の幅Ｗ３に等しい。
【００５７】
低屈折率部３１ｂは、高屈折率部３１ａを構成する半導体壁３３の間に位置する空隙であってもよく、この空隙は、空気といった気体から成る。或いは、低屈折率部３１ｂは、高屈折率部３１ａを構成する半導体壁３３より低屈折率の誘電体材料、例えばＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂を空隙に充填して形成されてもよい。図１の（ａ）部を参照すると、本実施例では、低屈折率部３１ｂが大気から成る空隙である。低屈折率部３１ｂが、半導体壁３３の間に位置する気体、例えば空気で満ちている形態では、空気は屈折率が最も低い（ほぼ１）ので、この低屈折率部３１ｂと高屈折率部３１ａとの屈折率差を大きくできる。この屈折率差が大きくなるほど、分布反射領域１７、１９に高い反射率を付与できる。このため、低屈折率部３１ｂが空気層である場合は、分布反射領域１７、１９に高い反射率の共振器端面を提供できる。一方、上記の誘電体材料で充填されて成る低屈折率部３１ｂでは、マイクロメートルオーダーの幅の薄片から成る高屈折率部３１ａの両側を、低屈折率部３１ｂの誘電体層が保持することになる。この保持によって、高屈折率部３１ａの機械的強度を向上できる。低屈折率部３１ｂに空気、及び誘電体のいずれかを用いた構造においても、低屈折率部３１ｂは、高屈折率部３１ａの半導体壁３３の底部３３ａの間にも設けられる。また、低屈折率部３１ｂは、半導体壁３３と同様に頂部及び底部を有しており、低屈折率部３１ｂの底部は、図１の（ａ）部に示される基準平面Ｒｅｆ１よりも下側に位置する。
【００５８】
ＢＨ構造における半導体埋め込み層について説明する。ＢＨ構造の半導体埋め込み層３７は、例えばアンドープまたは半絶縁性の半導体を備える。これらの半導体は、量子カスケードレーザの電子（キャリア）に対して高抵抗を示すので、電流ブロックのための半導体層の材料として好適である。この材料を用いることによって、半導体埋め込み層３７が、メサ導波路領域に電流を狭窄する電流ブロック層として良好に機能する。
【００５９】
使用可能な半絶縁性半導体としては、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属を半導体に添加したＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を使用できる。上記の遷移金属の添加によって、電子をトラップする深い準位を半導体の禁制帯中に形成して半絶縁を達成できる、一般的には、Ｆｅがドーパントとして用いられる。これらの遷移金属の添加によってＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は半絶縁化されて、電子に対して例えば１０５（Ω・ｃｍ）以上の充分な高抵抗特性を提供できる。このような高抵抗特性の半導体は、半導体埋め込み層（電流ブロック層）として良好に機能する。しかしながら、アンドープ半導体の高抵抗特性が受入可能であるデバイスでは、アンドープ半導体を半導体埋め込み層３７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は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等であることができる。これらの材料はＩｎＰ基板に格子整合し、これ故に、ＭＢＥ法やＯＭＶＰＥ法等のための成長装置を用いて成長されることができ、本実施形態に係る量子カスケードレーザの半導体埋め込み層３７の材料として好適である。
【００６０】
別の利点としては、アンドープまたは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（ｎ型半導体を用いる量子カスケードレーザでは自由キャリアは電子である）が僅かしか存在せず、中赤外光に対する自由キャリア吸収が微小である。特に、アンドープまたは半絶縁性の半導体として、上記のＩｎＰやＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓは、バンドギャップが大きく中赤外光に対して透明であるので、バンド間遷移による光吸収（自由キャリアとは別の主要な光吸収）が生じない点でより好ましい。したがって、アンドープまたは半絶縁性のＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓは、中赤外光に対して透明であって、該半導体からなる半導体埋め込み層３７は、自由キャリアによる光吸収及びバンド間遷移による光吸収を効果的に抑制でき、良好な発振特性が維持される。
【００６１】
更に、これらのアンドープまたは半絶縁半導体からなる半導体埋め込み層３７は、その高い熱伝導に起因して、素子放熱性を改善でき、高温動作が可能となる。特に、ＩｎＰは、中赤外の量子カスケードレーザに使用可能な半導体材料のなかで最良の熱伝導を示す。このため、ＩｎＰは、量子カスケードレーザに高い放熱性を提供でき、また２元混晶のため、ＩｎＰ基板上への良好な結晶成長が容易であるので、半導体埋め込み層３７のための半導体としては好適である。
【００６２】
しかしながら、ＩｎＰの代わりに他の半導体、例えばＡｌＩｎＡｓやＡｌＧａＩｎＡｓを用いても良い。ＩｎＰよりも高いバンドギャップを備えるＡｌＩｎＡｓ及びＡｌＧａＩｎＡｓの使用により、半導体埋め込み層３７に隣接するメサ導波路ＭＳを構成する各層と半導体埋め込み層３７の間の伝導帯端のエネルギー不連続を、ＩｎＰの半導体埋め込み層３７を用いる場合に比べて増加できる。エネルギー不連続の増加によって、メサ導波路ＭＳと半導体埋め込み層３７との界面に形成されるエネルギー障壁（本実施例では、電子に対するエネルギー障壁）がより増大される。従って、ＡｌＩｎＡｓ及びＡｌＧａＩｎＡｓの使用によって、半導体埋め込み層３７自体の高抵抗性に加えて、上記の増大したエネルギー障壁の効果によっても、メサ導波路ＭＳから半導体埋め込み層３７への電子の漏れをより効果的に抑制できる。その結果、半導体埋め込み層３７が電子に対してより高抵抗化されるので、メサ導波路ＭＳ領域により強く電流が狭窄される結果、より良好な発振特性が量子カスケードレーザ１１に提供される。
【００６３】
また、ＢＨ構造における半導体埋め込み層３７上の絶縁膜４９は、誘電体絶縁膜を備えることができ、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等を備える。これら誘電体絶縁膜は、優れた耐久性及び／又は絶縁性を有する。また、これらの誘電体膜は、スパッタ法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、スピンコート法といった誘電体膜成膜装置を用いて成膜でき、当該素子の製造プロセスに適用することが容易である。絶縁膜４９は、量子カスケードレーザ１１に必要な場合に設けられ、半導体埋め込み層３７のみでメサ導波路ＭＳへの充分な電流狭窄を実現できるときは省略されても良い。
【００６４】
図３を参照しながら、量子カスケードレーザ１１の素子構造に係る改善点を説明する。図３の（ａ）部は、図１に示された量子カスケードレーザ１１の構造の主要部を示す。図３の（ｂ）部は、分布反射領域において基板がエッチングされておらず、図１に示された量子カスケードレーザ１１の分布反射領域１７（１９）よりもＺ方向における低屈折率部のエッチングが浅い分布反射構造を有する量子カスケードレーザの主要部を示す。図３の（ａ）部には、Ｚ軸の方向における光広がりの成分ＩＥＰ、ＩＳＵＢを示す導波光分布Ｉが示されている。また、図３の（ｂ）部においても、参照の便宜のために、同じ導波光分布Ｉを描いている。図３の（ｂ）部の量子カスケードレーザは、レーザ本体領域の半導体積層を伝搬する導波光Ｉの成分ＩＥＰを反射できるけれども、その浅い分布反射構造に起因して、基板領域（下部クラッド層）を伝搬する導波光Ｉの成分ＩＳＵＢを十分に反射できない。これに対して、本実施例の構造は、分布反射領域１７（１９）の低屈折率部３１ｂが、半導体基板１３の所望の深さ（導波光Ｉが分布している深さ）までエッチングされて成るので、第１半導体積層構造２１を伝搬する導波光の成分ＩＥＰだけでなく、半導体基板１３を伝搬する導波光Ｉの成分ＩＳＵＢも分布反射領域１７（１９）の低屈折率部３１ｂと高屈折率部３１ａの界面で反射される。この結果、量子カスケードレーザ１１の分布反射領域１７（１９）は、半導体基板１３に分布する成分も含めて、導波光の実質的にほとんどを反射することが可能となる。したがって、図３の（ｂ）部に示された量子カスケードレーザは、実質的な特異性を備えているけれども、量子カスケードレーザ１１は特異性を備えていない。
【００６５】
（実施例１）
このような特異性の低減及び端面反射率の増加の効果を実証するために、数値実験を行った。計算モデルを説明する。計算モデルのレーザ本体領域は、図１に示された半導体層積層構造と同等の導波路構造を備える。計算モデルの分布反射領域の高屈折率部はレーザ本体領域の導波路構造と同じ半導体積層構造を有しており、低屈折率部は空隙であって、具体的には空気である。また、計算モデルの高屈折率部は、エッチングにより基板主面に対し垂直の理想的なエッチング側壁を有する半導体壁を備える。
コンタクト層：ｎ型ＩｎＧａＡｓ、厚さ０．１μｍ。
上部クラッド層：ｎ型ＩｎＰ、厚さ３  μｍ。
コア層：ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ超格子構造、厚さ１．７  μｍ。
バッファ層：ｎ−ＩｎＰ、厚さ  ０．５  μｍ。
半導体基板：ｎ型ＩｎＰ、厚さ：１００  μｍ。
レーザ本体領域の端面としての分布反射領域を効率よく高い反射率にするためには、低屈折率部の幅ＷＬと高屈折率部の幅ＷＨは、レーザ本体領域の導波路構造の延在方向に基準幅λ／（４×ｎ）（ここで、「λ」は量子カスケードの発振波長であり、「ｎ」は、この発振波長における、低屈折率部、または高屈折率部の実効屈折率である）の奇数倍に設定することができる。通常は、低屈折率部の幅ＷＬと高屈折率部の幅ＷＨは、λ／（４×ｎ）、３×λ／（４×ｎ）に設定されることが多い。計算モデルの低屈折率部の幅ＷＬと高屈折率部の幅ＷＨは、λ／（４×ｎ）又は３×λ／（４×ｎ）である。引き続く説明において、前者を「λ／４構造」として参照し、後者を「３λ／４構造」として参照する。図４は、計算モデルの高屈折率部の幅ＷＨ及び低屈折率部の幅ＷＬを示す。
【００６６】
有限要素法に基づく電磁界解析ソフトを用いて、上記のモデルにおける反射率計算を行った。これによって、分布反射領域における回折や散乱等の光学的な諸要因の影響を考慮して実際により近い反射率の計算結果が得られる。具体的には、分布反射領域の低屈折率部における基板のエッチング量Ｄと分布反射領域の反射特性との関係を計算により導いた。基板のエッチング量Ｄは前述の通り、図１に示されたコア層２３とバッファ層２９との界面（Ｒｅｆ１）を基準にして、基板主面１３ａの法線軸方向における低屈折率部３１ｂの最下部までの距離として、規定される。また、計算効率の向上を考慮して、導波路構造を示す図１における断面（ＸＺ断面）において有限要素のメッシュを規定すると共にＹ軸の方向にはＸＺ断面と同じエピ構造の連続を規定した２次元モデルにより計算を行った。また、量子カスケードレーザは、ＴＭモードで発振するため、発振モードをＴＭモードに設定し、発振波長は、本計算モデルの構造を有する量子カスケードレーザにおける実際の発振波長である７．５４マイクロメートルであると仮定した。更に、コア層の直下に位置するバッファ層の厚さ（Ｚ軸の方向に規定される厚さ）は０．５マイクロメートルに設定されており、具体的には、基板を全くエッチングしていない分布反射領域は、Ｄ＝０．５マイクロメートルに対応する。
【００６７】
図５は、波長７〜８マイクロメートルの範囲における分布反射領域の端面反射率の計算結果を示しており、図６は、当該計算結果のうちの、発振波長（７．５４マイクロメートル）における反射率の計算値の一覧を示す。具体的には、図５の（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ、３λ／４構造を有する分布反射領域及びλ／４構造を有する分布反射領域の計算結果を示す。個々の分布反射領域は、１ペアから２ペアの高屈折率部及び低屈折率を備える。
【００６８】
図５を参照すると、λ／４構造の分布反射構造及び３λ／４構造の分布反射構造の反射率の傾向から、基板エッチング無しの構造（Ｄ＝０．５マイクロメートル）は、半導体基板をエッチングした分布反射構造に比べて低い反射率を示す。図６を参照すると、発振波長（７．５４マイクロメートル）における基板エッチング無し（Ｄ＝０．５  μｍ）の構造の反射率は、３λ／４構造では、１ペアの分布反射構造は２９．４％であり、２ペアの分布反射構造は３０．６％程度である。これらの値は、分布反射構造を用いない劈開端面の反射率（約３０％）に比べて、実質的に同じである。また、（λ／４）構造では、基板エッチング無し（Ｄ＝０．５  μｍ）の１ペアの分布反射構造は４４％であり、２ペアの分布反射構造は４８．３％程度である。これらの反射率の値は、劈開端面の反射率に比べて多少の増加に留まっている。このように高反射率が得られないのは、この分布反射構造（半導体基板をエッチングしない分布反射構造）では、半導体基板内の表層を伝搬する導波光成分を反射できず、そのまま通過させてしまうためである。これは、分布反射領域とレーザ本体領域との境界における特異性が解決されていることに起因する。
【００６９】
これに対して、本実施例では、半導体基板１３をエッチングして形成された分布反射構造を用いる。図５に示されるように、基板のエッチング量である距離Ｄの増加に伴って、端面反射率が増加する。これをより明確化するために、図７は、発振波長（７．５４マイクロメートル）における距離Ｄと端面の反射率の計算値との関係を示す。図７を参照すると、エッチング量である距離Ｄの増加に伴い、反射率は有意に増加していき、距離Ｄ＝５．５マイクロメートルにおける反射率は、基板のエッチング無しの分布反射領域（Ｄ＝０．５マイクロメートル）に比べて非常に大きい。Ｄ増加と共に端面反射率が増加するのは、既に説明したように、半導体基板内において導波光が分布する深さに至るように半導体基板内の上部領域をエッチングして分布反射領域の低屈折率部を形成しているので、半導体基板に分布する導波光成分も分布反射領域の低屈折率部と高屈折率部との界面で反射され、この結果、本実施例の分布反射構造は、コア層及び該コア層の近傍の半導体領域を伝搬する光成分、及び半導体基板に分布する光成分も含めて、導波光全体を効果的に反射できるためである。距離Ｄの増加に伴って、分布反射領域の反射率が大きくなっていく。この増大は、Ｄ増加と共に半導体基板に分布するより多くの導波光成分を分布反射領域が反射可能になることに起因する。距離Ｄが３マイクロメートル以上の領域では、端面反射率は飽和傾向を示すが、これは、Ｄ≧３μｍの基板領域に分布する導波光の量が少なく、従って、この領域をエッチングしても、Ｄ≦３μｍの基板領域に比べて、導波光の反射量は増加しにくいためと思われる。また５．５μｍ以上深く基板をエッチングしても、分布反射領域の反射率の増加は微小である。これは、Ｚ軸の方向における基板中の導波光の分布が略この範囲（Ｄ≦５．５  μｍ）に収まっており、これ以上基板をエッチングしても、導波光の反射量の増加は僅かなためである。この計算結果によれば、エッチング量である距離Ｄが、３マイクロメートル以上であることが望ましく、好ましくは５．５マイクロメートル以上である。
【００７０】
以上説明したように、半導体壁３３は、コア層２３と同一構造の第２半導体層４３（第２コア層）を備える。半導体基板１３の主面１３ａに垂直な法線軸方向において、半導体壁３３の底部３３ａの最下部は、第２半導体層４３（第２コア層）の下面から５．５マイクロメートル以上の距離で離れている。この量子カスケードレーザによれば、半導体壁３３内の第２半導体層４３の下面と半導体壁３３内の最下部との距離Ｄを５．５マイクロマートル以上であるとき、分布反射領域１７（１９）が、劈開による端面の反射率（約３０％）の２．５倍以上である８０％以上の非常に高い反射率を有する。高い反射率の分布反射領域によって、量子カスケードレーザ１１の閾値電流を低減することが容易となる。
【００７１】
図５の（ａ）部及び（ｂ）部を参照すると、半導体基板のエッチング量である距離Ｄの値が同じ場合は、λ／４構造の反射率が、３λ／４構造より高くなり、また、λ／４構造の反射率の波長依存性も３λ／４構造より小さい。これらの理由から、λ／４構造の使用がより良好な反射鏡を提供できる。図６を参照すると、エッチング量として５．５マイクロメートルの距離Ｄを有するλ／４構造では、７．５４マイクロメートルの発振波長において、２ペアの分布反射領域は８３．１％の反射率を示し、この値は劈開端面の反射率（約３０％）の２．５倍以上の高い値である。８０％を超える高い反射率が実現されるとき、量子カスケードレーザにおける閾値電流の低減がより容易となる。以上説明の通り、λ／４構造の分布反射領域を用いることは、３λ／４構造の分布反射領域に比べて良好な結果を示す。この理由としては、λ／４構造の分布反射領域の幅が３λ／４構造の分布反射領域に比べて１／３であるので、分布反射領域を伝搬する導波光の拡散が抑えられ、その結果、回折による反射率の低減を抑制できるためである。このような理由から、λ／４構造の分布反射構造を採用することがより有利である。しかしながら、図４に示されるように、λ／４構造の分布反射領域のための高屈折率部の半導体壁の幅（ＷＨ）は、０．６０６４マイクロメートルであって、このようなサブミクロン幅の半導体壁を精度よく形成するプロセスの開発が必要である。これに対して、３λ／４構造の分布反射領域のための高屈折率部の半導体壁の幅（ＷＨ）は、１．８１９２マイクロメートルであって、高屈折率部のための半導体壁の幅（ＷＨ）がサブミクロン幅になることを避けることができるため、通常の製造装置を用いて、分布反射領域をより容易に形成できる点がある。
【００７２】
次に、上記の計算モデル及び計算手法を用いて、低屈折率部及び高屈折率部の幅ＷＬ、ＷＨの変動に対する分布反射領域の反射率の変化を検討する。図８は、低屈折率部及び高屈折率部の幅ＷＬ、幅ＷＨの変動に対する分布反射領域の反射率の変化に係る計算を示す。この計算では、エッチング量である距離Ｄ＝２．７マイクロメートルの３λ／４構造の分布反射領域を表す計算モデルを用いた。この計算においては、図４に示された３λ／４構造の基準幅からシフトした幅を有する分布反射領域の発振波長（７．５４マイクロメートル）における端面反射率を計算した。変動の計算においては、低屈折率部及び高屈折率部の基準幅に対して、低屈折率部及び高屈折率部の両方の幅が同じ比率で変動する（例えばＷＨが基準幅の１．１倍に変動した場合、ＷＬも基準幅の１．１倍に変動する）と仮定されている。図８の横軸は、図４に示されたＷＬ及びＷＨの基準幅に対する比率を示している。図８を参照すると、発明者らの新たな知見として、ＷＬ及びＷＨの基準幅に対する変動比率が１倍より大きく１．１倍以下の範囲においては、ＷＬ及びＷＨがちょうど３λ／４構造の基準幅である分布反射領域における反射率と同等以上の反射率が得られている。変動の比率が１．１倍を超えると、分布反射領域の反射率が急激に低下する。したがって、低屈折率部及び高屈折率部における幅ＷＬ及び幅ＷＨの変動幅を基準幅の１倍以上１．１倍以下の範囲にすることによって、分布反射領域に高反射率を実現できる。
【００７３】
以上説明したように、Ｘ軸の方向（導波路軸の方向）における分布反射領域１７（１９）の低屈折率部３１ｂの厚さは、λ／（４×ｎ１）の奇数倍の１倍から１．１倍の範囲にあることが好ましい。また、高屈折率部３１ａの厚さは、λ／（４×ｎ２）の奇数倍の１倍から１．１倍の範囲にあることが好ましい。ここで、「λ」は当該量子カスケードレーザ１１の真空中における発振波長を示し、「ｎ１」は該発振波長における低屈折率部３１ｂの実効屈折率を示し、「ｎ２」は発振波長における高屈折率部３１ａの実効屈折率を示す。この量子カスケードレーザ１１では、高屈折率部３１ａ及び低屈折率部３１ｂの幅が、λ／（４×ｎ）の奇数倍に等しい基準幅の１倍から１．１倍の範囲にある分布反射領域１７（１９）によって、当該基準幅に等しい幅の高屈折率部３１ａ及び低屈折率部３１ｂを有する理想的な分布反射領域１７（１９）の反射率と実質的に同じ、又はそれより大きい反射率が実現される。
【００７４】
（実施例２）
図１に示された量子カスケードレーザでは、Ｚ軸の方向に関して分布反射領域１７（１９）の高屈折率部３１ａの最上部までの第１高さＨ１が、レーザ本体領域１５の第１半導体積層構造２１の最上部までの第２高さＨ２と実質的に等しい。本実施形態に係る量子カスケードレーザ１１は、図１の構造に限定されない。図９は、高屈折率部３１ａの最上部までの第１高さＨ１がレーザ本体領域１５の第１半導体積層構造２１の最上部までの第２高さＨ２より小さい（Ｈ１＜Ｈ２）量子カスケードレーザを概略的に示す図面である。半導体壁３３の第３高さＨ３は、低屈折率部３１ｂの底を基準にしたレーザ本体領域１５の最上部までの第４高さＨ４より小さい。量子カスケードレーザ１１からの出射光が、Ｚ軸の方向における狭い広がりで出射されるとき、分布反射領域１７（１９）の高屈折率部３１ａの最上部までの第１高さＨ１をレーザ本体領域１５の第１半導体積層構造２１の最上部までの第２高さＨ２より低くしても、導波光全体を高屈折率部３１ａで反射することができる。従って、低い高屈折率部３１ａによっても、所望の高反射率を達成できる。この構造においても、上記の実施形態に記載された諸改善が達成される。
【００７５】
図１０は、図９に示された量子カスケードレーザの実装（エピダウンでのダイボンド実装）による組立体１０を示す。上記の組立体１０の構造では、Ｚ軸の方向において、高屈折率部３１ａの第１高さＨ１がレーザ本体領域１５の第２高さＨ２より低いので、図１０に示されるような実装（エピダウンでのダイボンド実装）を行う際、強度的に弱い高屈折率部３１ａを下地（半田４やヒートシンク６等の部材）に接触させずにダイボンドできる。これ故に、エピダウン形態のダイボンド実装の際における物理的ダメージによる高屈折率部３１ａの破損を回避でき、エピダウン時の歩留まりも改善できる。半田４の材料としてはＩｎやＡｕＳｎを使用でき、またヒートシンク６の材料としてはＣｕ、ダイヤモンド、ＡｌＮ等を使用できる。
【００７６】
（実施例３）
図１１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザの一構造を模式的に示す図面である。図１１を参照すると、量子カスケードレーザ１１の上面を示す平面図が描かれている。これまでの実施例では、分布反射領域１７（１９）の複数の高屈折率部３１ａの各々の半導体壁３３は、基板１３を介してのみ接続されていたが、これには限定されず、図１１に示されるように、基板１３上の領域において、各々の半導体壁３３が第１補強部６１を用いて、互いに接続された構造であっても良い。
【００７７】
分布反射領域１７（１９）に含まれる複数の高屈折率部３１ａでは、分布反射領域１７（１９）は、高屈折率部３１ａのうちの少なくとも２つの高屈折率部３１ａ（図１１の構造では、全ての高屈折率部３１ａ）を接続する第１補強部６１を更に備えることができる。この量子カスケードレーザ１１によれば、分布反射領域１７（１９）の第１補強部６１は、隣合う高屈折率部３１ａの半導体壁３３を直接に接続する接続壁６３を備える。接続壁６３は、導波路軸の方向（Ｘ軸の方向）に延在する。接続壁６３及び隣合う半導体壁３３は、半導体基板１３を介する経路とは別個に繋がれて、半導体基板１３上において一体の構造物を形成できる。第１補強部６１の付加により、分布反射領域１７（１９）の機械的強度を増加でき、その結果、分布反射領域１７（１９）の破損が生じにくくなる。特に、分布反射領域１７（１９）に含まれる複数の高屈折率部３１ａは、コア層２３の下面から半導体基板１３まで３〜５．５マイクロメートル程度エッチングされて形成される。このため、各高屈折率部３１ａの基板から頂部までの高さ（図１における第３高さＨ３）は比較的大きなものとなる。一方、高屈折率部３１ａの幅（厚み）ＷＨは、分布反射構造を構成するために、約０．６１マイクロメートル（λ／４構造の分布反射構造の場合）、または、約１．８２マイクロメートル（３λ／４構造の分布反射構造の場合）と微小な値である。従い、高屈折率部３１ａの高さＨ３に対する、幅（厚み）ＷＨの比（アスペクト比（Ｈ３／ＷＨ））は、相当大きい値を有する。このため、当該高屈折率部３１ａでは、比較的容易に破損や変形等が生じやすい。故に、本実施形態に係る量子カスケードレーザでは、高屈折率部３１ａを接続する第１補強部６１を設けることが有効である。したがって、分布反射領域１７（１９）の第１補強部６１は、素子の製造歩留まり、及び素子の耐久性を更に改善することを可能にする。さらに高屈折率部３１ａの変形等にともなう分布反射構造の反射特性のばらつきや特性変動を回避することができる。
【００７８】
例えば、素子構造としてＢＨ構造を用いた構造を参照しながら、本実施例に係る補強構造を説明する。図１１に示されるように、この実施例では複数の高屈折率部３１ａの半導体埋め込み層３７が第１補強部６１を介して接続されて、複数の半導体壁３３を一体化できる構造を提供している。この本実施例は、この補強構造を除いて図１の量子カスケードレーザ１１と同一の構造であり、また実施例１に記載された諸改善に係る技術的寄与を享受する。
【００７９】
第１補強部６１の材料として、半導体を用いることができ、例えば、上記半導体埋め込み層３７に使用可能な半導体材料、具体的にはＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の半導体を備えることができる。これらの半導体は、ＩｎＰ基板と格子整合し、ＭＢＥやＯＭＶＰＥ等の一般的な成長装置を用いての成長が容易であるので、第１補強部６１の材料として好適である。
【００８０】
より具体的には、高屈折率部３１ａは、第１補強部６１に接続された第１領域６２ａを有する。この第１領域６２ａは第１補強部６１と同じ半導体材料から形成されてもよい。高屈折率部３１ａの第１領域６２ａが第１補強部６１と同じ半導体材料からなるとき、高屈折率部３１ａの第１領域６２ａ及び第１補強部６１は結晶レベルで切れ目なく一体化された一様な構造となるため、分布反射領域１７（１９）の強度を効果的に増加できる。また、高屈折率部３１ａの第１領域６２ａ及び第１補強部６１を同じ材料を用いて一括に形成できるので、量子カスケードレーザ１１の製造プロセスを簡略化できる。上記の説明では、第１領域６２ａ及び第１補強部６１が同一の半導体材料からなっている。第１補強部６１の材料は、上記の同一の材料に限定はされず、必要に応じて、分布反射領域１７（１９）の機械的強度を改善できる他の半導体材料や、半導体以外の材料も使用してもよい。
【００８１】
（実施例４）
図１２は、本実施形態に係る量子カスケードレーザの一構造を模式的に示す図面である。図１２を参照すると、１例としてＢＨ構造を有する量子カスケードレーザ１１の上面を示す平面図が描かれている。分布反射領域１７（１９）は、高屈折率部３１ａとレーザ本体領域１５の半導体埋め込み層３７を接続する第２補強部６５を更に備えることができる。レーザ本体領域１５が、分布反射領域１７（１９）の高屈折率部３１ａに第２補強部６５を介して接続されることができる。分布反射領域１７（１９）は、該レーザ本体領域１５に最も近い高屈折率部３１ａの半導体壁３３にレーザ本体領域１５を接続する第２補強部６５のための架橋壁６７を備える。架橋壁６７は、導波路軸の方向（Ｘ軸の方向）に延在する。具体的には、半導体壁３３及びレーザ本体領域１５は、第２補強部６５のための架橋壁６７を介して、半導体基板１３を介する経路とは別個に繋がれて、半導体基板１３上において一体の構造物を形成できる。第２補強部６５の付加により、分布反射領域１７（１９）の機械的強度を増加でき、その結果、分布反射領域１７（１９）の破損が生じにくくなる。したがって、分布反射領域１７（１９）の第２補強部６５は、素子の製造歩留まり、及び素子の耐久性を改善することを可能にする。
【００８２】
必要な場合には、図１２に示されるように、分布反射領域１７（１９）は、第２補強部６５に加えて、高屈折率部３１ａの一部又は全部を接続する第１補強部６１を備えることができる。本実施例は、第２補強部６５を除いて、図１１と同じ構造であり、また実施例１及び実施例３に記載された諸改善に係る技術的寄与を享受する。
【００８３】
例えば、高屈折率部３１ａは、第２補強部６５に接続された半導体埋め込み層３７の領域中の第２領域６２ｂを有する。高屈折率部３１ａの第２領域６２ｂは、第２補強部６５と同じ半導体材料からなることができる。高屈折率部３１ａの第２領域６２ｂが第２補強部６５と同じ半導体材料からなるとき、高屈折率部３１ａの第２領域６２ｂ及び第２補強部６５は結晶レベルで切れ目なく一体化された一様な構造となって、分布反射領域１７（１９）の強度を効果的に増加できる。また、高屈折率部３１ａの第２領域６２ｂ及び第２補強部６５は、同じ材料を用いて一括に形成できるので、量子カスケードレーザ１１の製造プロセスを簡略化できる。
【００８４】
レーザ本体領域１５は、第２補強部６５に接続された半導体埋め込み層３７の領域中の接続領域６２ｃを含む。接続領域６２ｃは、第２補強部６５と同じ半導体材料からなることができる。レーザ本体領域１５の接続領域６２ｃが第２補強部６５と同じ半導体材料からなるとき、接続領域６２ｃ及び第２補強部６５は結晶レベルで切れ目なく一体化された一様な構造となって、分布反射領域１７（１９）の強度を効果的に増加できる。また、接続領域６２ｃ及び第２補強部６５は、同じ材料を用いて一括に形成できるので、量子カスケードレーザ１１の製造プロセスを簡略化できる。
【００８５】
第２補強部６５の材料として、第１補強部６１と同様に半導体を用いることができ、例えば、上記半導体埋め込み層３７に使用可能な半導体材料、具体的にはＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の半導体を備えることができる。これらの半導体は、ＩｎＰ基板に格子整合し、またＭＢＥやＯＭＶＰＥ等の一般的な成長装置を用いての成長が容易であるので、第２補強部６５の材料として好適である。特に、第２補強部６５と高屈折率部３１ａの半導体埋め込み層３７中の第２領域６２ｂが、共にＦｅ−ＩｎＰ等の半導体からなるとき、第２補強部６５及び高屈折率部３１ａは、結晶レベルで切れ目なく一体化された一様な構造となるため、分布反射領域１７（１９）の強度を効果的に増加できる。また、第２領域６２ｂ及び第２補強部６５は、同じ材料を用いて一括形成できるので、製造プロセスの簡略化に寄与する。
【００８６】
更に、高屈折率部３１ａの半導体埋め込み層３７中の第２領域６２ｂ、第２補強部６５、及びレーザ本体領域１５の半導体埋め込み層３７中の接続領域６２ｃが、同じ半導体（例えばＦｅ−ＩｎＰ）からなるとき、これらは結晶レベルで切れ目なく連続した一様な構造となって、分布反射領域１７（１９）の強度を更に効果的に増加できる。また第２領域６２ｂ、第２補強部６５、及び接続領域６２ｃは同じ材料を用いて一括形成できるので、製造プロセスの簡略化に寄与する。特に、高屈折率部３１ａの半導体埋め込み層３７中の第２領域６２ｂ、第１補強部６１、第２補強部６５、及びレーザ本体領域１５の半導体埋め込み層３７中の接続領域６２ｃが、同じ半導体（例えばＦｅ−ＩｎＰ）からなるとき、分布反射領域１７（１９）の機械的強度を更に向上できる。
【００８７】
（実施例５）
図１３は、実施形態に係る量子カスケードレーザの一構造を示す平面図である。Ｙ方向における高屈折率部の幅Ｗ２が素子の幅Ｗ３（基板の幅）よりも短くてもよい。この構造に対しても、実施例１に記載された技術的寄与が得られる。これに加えて、この構造では、高屈折率部の幅Ｗ２が素子の幅Ｗ３よりも短いことに応じて、高屈折率部３１ａの幅ＷＨと高屈折率部３１ａの幅Ｗ２との比が小さくなる。この結果、高屈折率部３１ａの剛性が増し、機械的強度が増加する。
【００８８】
（実施例６）
ＢＨ構造を有する量子カスケードレーザ１１を作製する方法を概略的に説明する。以下の説明では、可能な場合に、量子カスケードレーザ１１について既に為された説明における参照符合を用いる。エピ成長工程では、半導体基板１３の主面上に、バッファ層２９のための半導体層、コア層２３のための半導体層、上部クラッド層２５のための半導体層、及びコンタクト層２７のための半導体層を成長して、半導体積層を形成する。この半導体積層上にメサ導波路ＭＳを形成するためのマスクを形成する。このマスクを用いて半導体積層をエッチングして、ストライプ状のメサ導波路ＭＳを形成する。この後に、マスクを除去することなく半導体埋め込み層３７を成長して、メサ導波路ＭＳを埋め込む。
【００８９】
メサ導波路ＭＳ及び半導体埋め込み層３７上に、分布反射領域１７（１９）のためのマスク７３を形成する。マスク７３を用いてメサ導波路ＭＳ及び半導体埋め込み層３７をエッチングして、分布反射領域１７（１９）及びレーザ本体領域１５を形成する。
【００９０】
図１４は、実施例４（図１２）の構造の作製工程の内、エッチングにより分布反射領域１７（１９）及びレーザ本体領域１５を形成する工程における基板生産物を示す平面図である。基板生産物７１ａとして、図１４では、代表的な３つの素子区画が示されている。分布反射領域１７（１９）のためのマスク７３の具体例の１つである、マスク７３ａの形状は、図１４に示されるように、レーザ本体領域１５の幅及び高屈折率部３１ａの幅が素子の幅Ｗ３に等しくなるように、基板生産物７１ａにおける素子境界８０を横切ってＹ軸の方向に延在している。同図に示されるように、エッチングされる分布反射領域１７、１９の低屈折率部３１ｂ以外の領域、即ちレーザ本体領域１５上及び低屈折率部３１ｂ、及び第１補強部６１、第２補強部６５となる領域上をマスク７３ａで保護してエッチングすることにより、レーザ本体領域１５及び、第１補強部６１、第２補強部６５が付加された、分布反射領域１７、１９が形成される。この構造の分布反射領域１７（１９）は、補強部の付加により、機械的強度の点で優れている。
【００９１】
図１５は、実施例５（図１３）の構造の作製工程の内、エッチングにより分布反射領域１７（１９）及びレーザ本体領域１５を形成する工程における基板生産物を示す平面図である。基板生産物７１ｂとして、図１５では、代表的な３つの素子区画が示されている。分布反射領域１７（１９）のためのマスク７３の他の具体例である、マスク７３ｂの形状は、図１５に示されるように、素子幅がＷ３に等しく、また高屈折率部３１ａの幅Ｗ２が素子の幅Ｗ３より小さくなるように、高屈折率部３１ａ上を保護するマスク７３ｂの両端が、基板生産物７１ｂにおけるそれぞれの素子境界８０から素子内側に離れている。同図に示されるように、エッチングされる分布反射領域１７、１９の低屈折率部３１ｂ以外の領域、即ち、レーザ本体領域１５上及び低屈折率部３１ｂとなる領域上をマスク７３ｂで保護してエッチングすることにより、レーザ本体領域１５及び、分布反射領域１７、１９が形成される。
【００９２】
この構造では、素子区画の境界に、隣り合う分布反射領域１７（１９）を互いに分離する分離領域が形成される。この分離領域は、高屈折率部３１ａを形成するドライエッチングの際に、分離領域を経由してエッチングガスがＸ軸の方向に流れ易くなって、エッチングガスの循環が良くなる。その結果、このマスクパターンによれば、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を軽減できる。高屈折率部３１ａの形成の際におけるエッチングの基板面内での均一性及び再現性が改善される。また、図１５に示される素子配列を分離して個々の半導体チップを形成する際に、高屈折率部３１ａのための半導体壁を分割しないので、高屈折率部３１ａはダメージを被らず、半導体基板１３を分離することによって分布反射領域１７（１９）が作製される。したがって、上記分離領域が無い実施例１の素子構造に比べて、高屈折率部３１ａの破損に起因する製造歩留まり低下を回避できる。
【００９３】
上記の説明では、レーザ本体領域１５を挟むように半導体基板１３上に分布反射領域１７（１９）が集積されている。これには限定されず、分布反射領域１７（１９）は、レーザ本体領域１５のいずれか一方の側に設けられることができる。
【００９４】
また、上記の説明では、高屈折率部３１ａ及び低屈折率部３１ｂのペア数が１または２である分布反射領域に対する反射率の計算結果を説明してきたけれども、ペア数は、これに限定されるものではなく、必要に応じて任意のペア数を選択できる。ペア数が増加するほど、分布反射領域１７（１９）に高反射が提供される。
【００９５】
本実施形態に係る量子カスケードレーザ１１は、例えば３〜２０μｍの波長範囲内の中赤外のレーザ光を発振でき、環境ガス分析、医療診断、産業加工といった分野に使用可能である。量子カスケードレーザ１１は、コア層（発光層）中の伝導帯のサブバンド間における電子の誘導放出による発光遷移によって発振するので、ＬＯフォノン散乱に起因する非発光遷移に起因する光学利得の低下要因を内包する。このため、レーザ発振に必要な電流、即ち閾値電流が数百ｍＡから数Ａ程度の大きさになり、大きな閾値電流は消費電力を増大させている。
【００９６】
閾値電流（消費電力）を低減するための方策の１つとしては、分布反射領域導入による共振器端面の高反射化が有効であり、例えば非特許文献１は、本領域を付加した光通信用の半導体レーザを開示する。そこで発明者らは、量子カスケードレーザに関しても、光通信用の半導体レーザ同様、分布反射領域が閾値電流の低減に有効と考え、本レーザへの分布反射領域の導入を検討した。分布反射領域では、低屈折率部と高屈折率部の屈折率差に起因して、両者の境界において反射が生じるので、これを利用することで、端面の実効的な反射率を有意に高めることができる。
【００９７】
光通信用の半導体レーザでは、分布反射領域を集積する半導体レーザを含めて、素子寿命１００万Ｈ程度の高信頼性が要求される。このため、プロセス及び材料の面において様々な考慮が為されている。高信頼性のために、例えば、基板として結晶品質に優れた高ドープ（１×１０１８ｃｍ−３より高い濃度）であって低いエッチピット密度の半導体基板が専ら用いられ、この半導体基板上に、下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が順に成長される。光通信用の半導体レーザでは、下部クラッド層の厚さは、光閉じ込めのために１〜１．５マイクロメートル程度である。光通信用の半導体レーザでは、分布反射領域の形成においては、下部クラッド層まではエッチングされるが、基板はエッチングされない。
【００９８】
発明者らの検討によれば、中赤外の分布反射領域集積の量子カスケードレーザは、分布反射領域とレーザ本体領域との境界に特異性がある。光通信用の半導体レーザでは、厚さ１〜１．５マイクロメートルの下部クラッド層に到達するが、基板までは到達しないエッチング深さの分布反射領域でも、十分高い反射特性を示す。これは、光通信用の半導体レーザの場合、波長が１．３〜１．５５  μｍと短いため、基板主面の法線軸方向における導波光の拡散は小さく、従って基板領域には殆ど導波光が分布せず、そのため、下部クラッド層までのエッチングでも、導波光全体を反射することが出来るためである。しかし、この分布反射領域は、中赤外の量子カスケードレーザにおいては、光通信用の半導体レーザにおいて得られた反射率より低い反射率を示す。これが、量子カスケードレーザにおける特異性である。発明者らの解析によれば、これは量子カスケードレーザの場合、波長が長いことに起因して、導波光は半導体基板の主面の法線軸方向に例えば１０マイクロメートル程度の幅で大きく拡散し、そのため基板内にも大きな割合の導波光成分が分布するが、従来の分布反射領域では、基板領域がエッチングされていないため、基板内に分布する導波光が、分布反射領域によって反射されず、そのまま基板を伝搬していくことが原因である。これ故に、光通信用の半導体レーザ用の分布反射領域を量子カスケードレーザへ適用した際には、導波光の一部しか反射できず、その結果、光通信用の半導体レーザでは得られた高い反射率が得られない。発明者らは、このような背景を突き止めた。
【００９９】
量子カスケードレーザにおける上記導波光の基板領域への分布を解消するには、３〜５μｍ程度の厚い下部クラッド層が必要である。このような厚い下部クラッド層であれば、コア層より下の領域を伝搬する導波光は、基板主面の法線軸方向において、殆ど下部クラッド層に閉じ込められ、基板領域には分布しなくなる。従って、光通信用の半導体レーザの分布反射領域同様、基板領域をエッチングせずとも、高い端面反射率を実現できる。しかしながら、このような厚いクラッド層の成長は、製造における大きな負担を引き起こし、生産性の悪化や、コスト増加を招く。
【０１００】
このような検討に基づき、発明者らは、コア層の下にクラッド層のための半導体成長を行うことなく、半導体基板に導波光を積極的に伝搬させる構造を到達した。この構造における分布反射領域の特異性を回避するために、半導体基板にも分布反射構造のための溝を形成すると共に、分布反射構造のための半導体壁は半導体基板の一部を含む。半導体基板をエッチングすることになり、分布反射構造を形成するエッチングの後半はもっぱら、単一の材料からなる半導体基板をエッチングすることになる。分布反射構造のエッチングには、エッチング側壁の高い垂直性が求められるように、垂直エッチングが容易なドライエッチングが主として用いられる。なお、高濃度の半導体基板を用いた場合は、半導体基板の高い濃度の自由キャリアによる光吸収の課題を引き起こす。これを避けるために、本実施形態の量子カスケードレーザでは、５×１０１７ｃｍ−３程度以下の低ドーパント濃度の半導体基板が用いられる。この基板は、低いドーパント濃度に起因して、自由キャリアによる吸収を効果的に避けることができる。一例を示せば、４マイクロメートルの波長においては、１×１０１８（ｃｍ−３）のドーパント濃度のｎ型ＩｎＰ基板の吸収係数は、２０ｃｍ−１を超える。これに対して、５×１０１７ｃｍ−３の低いドーパント濃度のｎ型ＩｎＰ基板は、下部クラッド層としての使用可能な程度の９ｃｍ−１程度の自由キャリア吸収を示す。この構造においても、コア層のためのエピタキシャル成長に先だって、半導体基板の主面には、バッファ層（クラッドとしては機能できない厚さ０．５マイクロメートル以下）を成長することができる。
【０１０１】
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】
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態によれば、高い反射率を分布反射領域に実現できる量子カスケードレーザを提供することを目的とする。
【符号の説明】
【０１０３】
１１…量子カスケードレーザ、１３…半導体基板、１５…レーザ本体領域、１７、１９…分布反射領域、２１…第１半導体積層構造、２３…コア層、２５…上部クラッド層、２７…コンタクト層、２９…バッファ層、３１ａ…高屈折率部、３１ｂ…低屈折率部、３３…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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