特許 6597037 量子カスケードレーザデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6597037

(24)【登録日】2019年10月11日

(45)【発行日】2019年10月30日

(54)【発明の名称】量子カスケードレーザデバイス

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/042 20060101AFI20191021BHJP

   H01S 5/34 20060101ALI20191021BHJP

   H01S 5/12 20060101ALI20191021BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/042 612

   H01S5/34

   H01S5/12

【請求項の数】7

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2015-156225(P2015-156225)

(22)【出願日】2015年8月6日

(65)【公開番号】特開2017-37870(P2017-37870A)

(43)【公開日】2017年2月16日

【審査請求日】2018年1月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100136722

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100108257

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 伊知良

(72)【発明者】

【氏名】橋本 順一

(72)【発明者】

【氏名】勝山 造

(72)【発明者】

【氏名】吉永 弘幸

【審査官】 吉野 三寛

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−３２１４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７４４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 英国特許出願公開第０２４１６４２７（ＧＢ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子カスケードレーザデバイスであって、
第１軸の方向に延在する複数のレーザ導波路構造を含むレーザ本体領域と基板とを備えるレーザ構造体と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の第１電極と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数のパッド電極と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の配線金属体と、
を備え、
前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に配置された第１領域及び第２領域を含み、
前記レーザ構造体の前記第１領域は、前記レーザ導波路構造のための共振器を含み、
前記レーザ構造体の前記第１領域及び前記第２領域は、それぞれ、前記基板の第１基板領域及び前記基板の第２基板領域を含み、
前記レーザ本体領域は、前記第１基板領域上に設けられ、前記レーザ本体領域は、前記第１領域と前記第２領域との境界に位置する第１端面と、該第１端面の反対側にある端部とを有し、該端部は、前記共振器の共振器ミラーとして働き、
前記第２領域は、前記第１端面の底縁から前記第１軸の方向に延在するテラスを含み、
前記複数のパッド電極は前記テラス上に設けられ、
前記複数の第１電極の各々は、前記レーザ導波路構造上に設けられた部分を有し、
前記複数のパッド電極の各々は、前記複数の配線金属体のうちの一つを介して前記複数の第１電極のうちの一つに接続され、前記複数の配線金属体の各々は、前記テラス上に設けられた第１部分と、前記第１端面上に設けられる第２部分とを含み、
前記複数のレーザ導波路構造の各々は、コア層及び回折格子層を含み、
前記レーザ構造体は、前記レーザ導波路構造間を埋め込む埋込領域を更に備え、
前記コア層はコア端面を有し、前記第１端面は、前記コア層の前記コア端面を含み、
前記配線金属体の前記第２部分が前記コア層の前記コア端面から離れている、量子カスケードレーザデバイス。

【請求項2】

量子カスケードレーザデバイスであって、
第１軸の方向に延在する複数のレーザ導波路構造を含むレーザ本体領域と基板とを備えるレーザ構造体と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の第１電極と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数のパッド電極と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の配線金属体と、
を備え、
前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に配置された第１領域及び第２領域を含み、
前記レーザ構造体の前記第１領域は、前記レーザ導波路構造のための共振器を含み、
前記レーザ構造体の前記第１領域及び前記第２領域は、それぞれ、前記基板の第１基板領域及び前記基板の第２基板領域を含み、
前記レーザ本体領域は、前記第１基板領域上に設けられ、前記レーザ本体領域は、前記第１領域と前記第２領域との境界に位置する第１端面と、該第１端面の反対側にある端部とを有し、該端部は、前記共振器の共振器ミラーとして働き、
前記第２領域は、前記第１端面の底縁から前記第１軸の方向に延在するテラスを含み、
前記複数のパッド電極は前記テラス上に設けられ、
前記複数の第１電極の各々は、前記レーザ導波路構造上に設けられた部分を有し、
前記複数のパッド電極の各々は、前記複数の配線金属体のうちの一つを介して前記複数の第１電極のうちの一つに接続され、前記複数の配線金属体の各々は、前記テラス上に設けられた第１部分と、前記第１端面上に設けられる第２部分とを含み、
前記複数のレーザ導波路構造の各々は、コア層及び回折格子層を含み、
前記レーザ構造体は、前記レーザ導波路構造間を埋め込む埋込領域を更に備え、
前記コア層はコア端面を有し、前記第１端面は、前記コア層の前記コア端面を含み、
前記配線金属体の前記第２部分は、前記コア層より大きな幅を有すると共に前記コア層の前記コア端面上に設けられる部分を有し、
前記配線金属体の前記第２部分は、前記共振器の共振器ミラーとして働く、量子カスケードレーザデバイス。

【請求項3】

量子カスケードレーザデバイスであって、
第１軸の方向に延在する複数のレーザ導波路構造を含むレーザ本体領域と基板とを備えるレーザ構造体と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の第１電極と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数のパッド電極と、
前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の配線金属体と、
を備え、
前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に配置された第１領域及び第２領域を含み、
前記レーザ構造体の前記第１領域は、前記レーザ導波路構造のための共振器を含み、
前記レーザ構造体の前記第１領域及び前記第２領域は、それぞれ、前記基板の第１基板領域及び前記基板の第２基板領域を含み、
前記レーザ本体領域は、前記第１基板領域上に設けられ、前記レーザ本体領域は、前記第１領域と前記第２領域との境界に位置する第１端面と、該第１端面の反対側にある端部とを有し、該端部は、前記共振器の共振器ミラーとして働き、
前記第２領域は、前記第１端面の底縁から前記第１軸の方向に延在するテラスを含み、
前記複数のパッド電極は前記テラス上に設けられ、
前記複数の第１電極の各々は、前記レーザ導波路構造上に設けられた部分を有し、
前記複数のパッド電極の各々は、前記複数の配線金属体のうちの一つを介して前記複数の第１電極のうちの一つに接続され、前記複数の配線金属体の各々は、前記テラス上に設けられた第１部分と、前記第１端面上に設けられる第２部分とを含み、
前記複数のレーザ導波路構造の各々は、コア層及び回折格子層を含み、
前記レーザ構造体は、前記レーザ導波路構造間を埋め込む埋込領域を更に備え、
前記レーザ本体領域は、前記第１軸の方向に配列された分布反射領域及びレーザ半導体領域を含み、
前記レーザ半導体領域は、前記第１軸に交差する方向に延在し前記分布反射領域と前記レーザ半導体領域との境界に位置する半導体端面を含み、
前記分布反射領域は、前記基板の主面への法線の方向に延在する一又は複数の高屈折率部を含み、該高屈折率部は、前記レーザ半導体領域の前記半導体端面から隔置されており、
前記分布反射領域は、前記第１端面を含み、
前記分布反射領域は、前記第２領域と前記レーザ半導体領域との間に設けられ、
前記コア層はコア端面を有し、前記第１端面は、前記コア層の前記コア端面を含み、
前記配線金属体の前記第２部分が前記第１端面の前記コア端面から離れている、量子カスケードレーザデバイス。

【請求項4】

前記レーザ導波路構造は前記第１端面に到達している、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デバイス。

【請求項5】

前記複数の配線金属体の各々は、前記レーザ本体領域上に設けられた第３部分を更に含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザデバイス。

【請求項6】

前記パッド電極は、前記第１軸の方向にステップ状に配列される、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザデバイス。

【請求項7】

前記複数の第１電極の各々と前記複数のパッド電極のうちのいずれか一つとは前記第１軸の方向に沿って配列され、
前記複数のパッド電極は、前記複数の第１電極のうちの一つに接続された第１パッド電極及び前記複数の第１電極のうちの別の一つに接続された第２パッド電極を含み、
当該量子カスケードレーザデバイスの半導体チップは、前記第１軸に交差する第２軸の方向に配列されると共に前記第１軸の方向に延在する一対の側縁を有し、
前記第１パッド電極は、前記複数の配線金属体のうちの一の配線金属体に接続されており、該一の配線金属体は、前記一対の側縁の一方と前記第２パッド電極との間を前記第１軸の方向に延在し、
前記第１パッド電極及び前記第２パッド電極は、前記第１軸及び前記第２軸に傾斜する方向に並ぶ、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザデバイス。

【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デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１０−５１４１６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

中赤外量子カスケード半導体レーザは、例えば環境ガス分析、医療診断、産業加工といった技術分野に使用可能な中赤外光源として有望である。特許文献１は、単一モード動作の量子カスケードレーザのアレイを開示する。この量子カスケードレーザアレイは、個々の量子カスケードレーザのための複数のレーザ導波路構造と、これらのレーザ導波路構造のための複数の電極と、これらの電極の各々に接続された複数のパッド電極とを備える。個々のレーザ導波路構造間の間隔及び共振器長は、量子カスケードレーザの特性及びチップサイズに関連する。一方、各パッド電極は、電気接続のために、ある程度のサイズを必要とする。

【0005】

量子カスケードレーザのアレイを構成するために、単一のレーザ導波路構造と該レーザ導波路構造のためのパッド電極とを備える量子カスケードレーザの単位構造を配列することができる。このアレイの構造は、発明者の検討によれば、複数のパッド電極及びレーザ導波路構造の配置に、単位構造に由来する配列構造を引き継ぐので、レーザ導波路構造の配置やサイズに係る自由度を制約する。

【0006】

本発明の一側面は、このような背景を鑑みて為されたものであり、複数のレーザ導波路構造の配置やサイズに対して、該レーザ導波路構造のためのパッド電極の配置により課される制約を低減可能な構造を有する量子カスケードレーザデバイス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】

【0007】

本発明の一側面に係る量子カスケードレーザデバイスは、第１軸の方向に延在する複数のレーザ導波路構造を含むレーザ本体領域と基板とを備えるレーザ構造体と、前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の第１電極と、前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数のパッド電極と、前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の配線金属体と、を備え、前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に配置された第１領域及び第２領域を含み、前記レーザ構造体の前記第１領域は、前記レーザ導波路構造のための共振器を含み、前記レーザ構造体の前記第１領域及び前記第２領域は、それぞれ、前記基板の第１基板領域及び前記基板の第２基板領域を含み、前記レーザ本体領域は、前記第１基板領域上に設けられ、前記レーザ本体領域は、前記第１領域と前記第２領域との境界に位置する第１端面を有し、前記第２領域は、前記第１端面の底縁から前記第１軸の方向に延在するテラスを含み、前記複数のパッド電極は前記テラス上に設けられ、前記複数の第１電極の各々は、前記レーザ導波路構造上に設けられた部分を有し、前記複数のパッド電極の各々は、前記複数の配線金属体のうちの一つを介して前記複数の第１電極のうちの一つに接続され、前記複数の配線金属体の各々は、前記テラス上に設けられた第１部分と、前記第１端面上に設けられる第２部分とを含み、前記複数のレーザ導波路構造の各々は、コア層を含む。

【0008】

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】

【0009】

以上説明したように、本発明の一側面によれば、複数のレーザ導波路構造の配置やサイズに対して、該レーザ導波路構造のためのパッド電極の配置により課される制約を低減可能な構造を有する量子カスケードレーザデバイスが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す図面である。

【図2】図２は、実施例１に係る量子カスケードレーザデバイスを示す図面である。

【図3】図３は、図２に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。

【図4】図４は、図２に示されたＩＶ−ＩＶ線に沿ってとられた断面を示す図面である。

【図5】図５は、図２に示されたＶ−Ｖ線に沿ってとられた断面を示す図面である。

【図6】図６は、図２に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。

【図7】図７は、実施例２に係る量子カスケードレーザデバイスを示す図面である。

【図8】図８は、実施例３に係る量子カスケードレーザデバイスを示す図面である。

【図9】図９は、実施例4、及び実施例５に係る量子カスケードレーザデバイスの配線金属体の形状に係るいくつかの実施例を示す平面図である。

【図10】図１０は、図９の（ａ）部に示されたＸ−Ｘ線に沿ってとられた断面を示す図面である。

【図11】図１１は、図９の（ａ）部に示されたＸＩ−ＸＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。

【図12】図１２は、実施例６、実施例７、及び実施例８に係る量子カスケードレーザデバイスの分布反射領域に係るいくつかの実施例を示す平面図である。

【図13】図１３は、実施例９に係る量子カスケードレーザデバイスの第１電極、配線金属体及びパッド電極の構造に係る実施例を示す平面図である。

【図14】図１４は、ハイメサ構造の量子カスケードレーザデバイスに係る実施例１０を示す断面である図面である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

引き続き、いくつかの具体例を説明する。

【0012】

一形態に係る量子カスケードレーザデバイスは、（ａ）第１軸の方向に延在する複数のレーザ導波路構造を含むレーザ本体領域と基板とを備えるレーザ構造体と、（ｂ）前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の第１電極と、（ｃ）前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数のパッド電極と、（ｄ）前記複数のレーザ導波路構造のそれぞれのための複数の配線金属体と、を備え、前記レーザ構造体は、前記第１軸の方向に配置された第１領域及び第２領域を含み、前記レーザ構造体の前記第１領域は、前記レーザ導波路構造のための共振器を含み、前記レーザ構造体の前記第１領域及び前記第２領域は、それぞれ、前記基板の第１基板領域及び前記基板の第２基板領域を含み、前記レーザ本体領域は、前記第１基板領域上に設けられ、前記レーザ本体領域は、前記第１領域と前記第２領域との境界に位置する第１端面を有し、前記第２領域は、前記第１端面の底縁から前記第１軸の方向に延在するテラスを含み、前記複数のパッド電極は前記テラス上に設けられ、前記複数の第１電極の各々は、前記レーザ導波路構造上に設けられた部分を有し、前記複数のパッド電極の各々は、前記複数の配線金属体のうちの一つを介して前記複数の第１電極のうちの一つに接続され、前記複数の配線金属体の各々は、前記テラス上に設けられた第１部分と、前記第１端面上に設けられる第２部分とを含み、前記複数のレーザ導波路構造の各々は、コア層を含む。

【0013】

この量子カスケードレーザデバイスによれば、複数のレーザ導波路構造及び複数の第１電極は、パッド電極を搭載しない第１領域に設けられ、その結果、個々のレーザ導波路構造間の間隔及び共振器長は、複数のパッド電極の配置に起因する制約から独立している。また、複数のパッド電極の配置は、第２領域のテラス上において、レーザ導波路構造間の間隔及び共振器長並びに複数の第１電極の配置から独立している。レーザ構造体の第１領域及び第２領域が、第１軸の方向に延在するので、第２領域上における個々のパッド電極は、第１領域と第２領域との境界を横切る配線金属体の一つを介して第１領域のレーザ半導体領域上における複数の第１電極のうちの一つに接続される。

【0014】

一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記複数の配線金属体の各々は、前記レーザ本体領域上に設けられた第３部分を更に含む。

【0015】

この量子カスケードレーザデバイスによれば、各配線金属体は、第１部分、第２部分及び第３部分を含み、複数のパッド電極の各々は、複数の配線金属体のうちの一つにおける第３部分を介して、複数の第１電極のうちの一つに接続される。

【0016】

一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記コア層はコア端面を有し、前記第１端面は、前記コア層の前記コア端面を含み、前記配線金属体の前記第２部分が前記コア層の前記コア端面から離れている。

【0017】

この量子カスケードレーザデバイスによれば、配線金属体が、第１端面においてコア層のコア端面から離れているので、配線金属体が、コア層のコア端面に係る光の入射及び／又は出射を妨げない。そのため、各導波路構造の第１端面からの出射光を、各導波路構造における、量子カスケードレーザの発振状態を監視するためのモニター光として使用できる。

【0018】

一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記コア層はコア端面を有し、前記第１端面は、前記コア層の前記コア端面を含み、前記配線金属体の前記第２部分は、前記コア層の前記コア端面上に設けられる。

【0019】

この量子カスケードレーザデバイスによれば、配線金属体がコア層のコア端面上に設けられる部分を有するので、配線金属体は、レーザ導波路構造の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として寄与できる。

【0020】

一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記コア層はコア端面を有し、前記第１端面は、前記コア層の前記コア端面を含み、当該量子カスケードレーザデバイスは、前記複数のレーザ導波路構造のうちの少なくとも一つのレーザ導波路構造のための前記コア層の前記コア端面上に設けられた金属層を更に備え、前記金属層は、前記第１端面上において前記配線金属体の前記第２部分から隔置されている。

【0021】

この量子カスケードレーザデバイスによれば、第１端面上において、金属層は、配線金属体の第２部分から隔置されると共にコア層のコア端面上に設けられるので、配線金属体の第２部分が第１端面上における、レーザ導波路構造の共振器ミラーの反射を攪乱することを防止できると共に、金属層が第１端面上における、レーザ導波路構造の共振器ミラーの反射率を高める高反射膜として機能することができる。

【0022】

一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記レーザ本体領域は、前記第１軸の方向に配列された分布反射領域及びレーザ半導体領域を含み、前記レーザ半導体領域は、前記第１軸に交差する方向に延在する半導体端面を含み、前記分布反射領域は、前記基板の主面への法線の方向に延在する一又は複数の高屈折率部を含み、該高屈折率部は、前記レーザ半導体領域の前記半導体端面から隔置されており、前記分布反射領域は、前記第１端面を含み、前記分布反射領域は、前記第２領域と前記レーザ半導体領域との間に設けられる。

【0023】

この量子カスケードレーザデバイスによれば、分布反射領域は、レーザ導波路構造のための共振器ミラーとして働く。

【0024】

一形態に係る量子カスケードレーザデバイスでは、前記レーザ導波路構造は前記第１端面に到達している。

【0025】

この量子カスケードレーザデバイスによれば、第１端面は、レーザ導波路構造のための共振器ミラーとして働く。

【0026】

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デバイスに係る本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。

【0027】

図１は、本実施形態に係る、回折格子を有する分布帰還型量子カスケードレーザデバイスを模式的に示す図面である。図１の（ａ）部は、量子カスケードレーザデバイスを示す平面図を示し、図１の（ｂ）部は、レーザ導波路構造を模式的に表す縦断面を示す。図１の（ｃ）部及び（ｄ）部は、レーザ導波路構造及び半導体構造物の配置の形態を示す平面図である。量子カスケードレーザデバイス１１は、複数の量子カスケードレーザを備える半導体レーザアレイを含む。具体的には、量子カスケードレーザデバイス１１はレーザ構造体１３を備え、このレーザ構造体１３は、レーザ本体領域１５及び基板１７を備える。レーザ本体領域１５は、量子カスケードレーザそれぞれのための複数のレーザ導波路構造１９を含み、各レーザ導波路構造１９は第１軸Ａｘ１の方向に延在する。本実施例では、レーザ本体領域１５は、一例として３つのレーザ導波路構造１９を有している。レーザ構造体１３は第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂを含み、第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂは第１軸Ａｘ１の方向に配置されている。第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂは、それぞれ、基板１７の第１基板領域１７ａ及び第２基板領域１７ｂを含む。レーザ本体領域１５は、第１基板領域１７ａ上に設けられている。レーザ構造体１３の第１領域１３ａは、レーザ導波路構造１９のための共振器を含む。

【0028】

量子カスケードレーザデバイス１１は、複数のレーザ導波路構造１９それぞれのための複数の第１電極２５と、複数のレーザ導波路構造１９それぞれのための複数のパッド電極２７と、複数のレーザ導波路構造１９それぞれのための複数の配線金属体２９とを備え、第１電極２５、パッド電極２７及び配線金属体２９は、レーザ構造体１３上に設けられている。パッド電極２７の各々は、複数の配線金属体２９のうちの一つを介して複数の第１電極２５のうちの一つに接続される。第１電極２５の各々は、レーザ導波路構造１９上に設けられた部分を有する。レーザ導波路構造１９の各々は、コア層２１ａを含む。コア層２１ａは、下部クラッド層２１ｂと上部クラッド層２１ｃとの間に設けられる。本実施例では、各レーザ導波路構造１９は、回折格子層２１ｄ及びコンタクト層２１ｅを含む。第１電極２５は、レーザ導波路構造１９の上面（例えば、コンタクト層２１ｅ）に接触を成す。量子カスケードレーザデバイス１１は、中赤外の波長領域、例えば約３〜約２０μｍの光を生成できるコア層２１ａをそれぞれ含む複数の量子カスケードレーザを備えたアレイ構造を有する。好適な実施例では、量子カスケードレーザデバイス１１におけるアレイ構造を構成する量子カスケードレーザの各々は、回折格子層２１ｄに含まれる回折格子の周期によって決定される、互いに異なる波長の光を生成する。

【0029】

レーザ構造体１３は第１素子端１３ｆ及び第２素子端１３ｇを有しており、第１素子端１３ｆ及び第２素子端１３ｇは、第１軸Ａｘ１に交差するＡｘ２方向に延在する。第２領域１３ｂはテラス１３ｄを含み、テラス１３ｄは、第１端面１３ｃの底縁１３ｅから第１軸Ａｘ１の方向に延在しており、本実施例では、第１素子端１３ｆに到達する。複数のパッド電極２７はテラス１３ｄ上に設けられる。本実施例では、テラス１３ｄは、基板１７の第２基板領域１７ｂに設けられる。基板１７は、レーザ本体領域１５及びパッド電極２７を搭載する主面１７ｃと、主面１７ｃの反対側にある裏面１７ｄを含む。レーザ本体領域１５は第１端面１３ｃを有し、第１端面１３ｃは第１領域１３ａと第２領域１３ｂとの境界１３ｉに位置する。第１端面１３ｃは、基板１７の主面１７ｃの法線方向に延在する。また、第１素子端１３ｆ及び第２素子端１３ｇも基板１７の主面１７ｃの法線方向に延在する。第１端面１３ｃは、ドライエッチングにより形成される。ドライエッチングによる加工で垂直性の高い端面形成が可能なため、これを用いることで、劈開で端面形成した場合と同等の高い端面反射率が得られる。ここで、各量子カスケードレーザの発振波長が例えば３μｍ以上の長い中赤外の波長領域にあるので、ドライエッチングに起因するエッチング端面のラフネス（典型的には５０〜１００ｎｍ程度の表面凹凸）があったとしても、発振波長が１．３〜１．５５μｍである光通信用の半導体レーザに比べ、エッチング端面のラフネスによる乱反射で端面の実効的な反射率の低下は相対的に生じにくい。従って、エッチング端面を用いても、量子カスケードレーザの発振特性への影響は小さい。一方、ドライエッチングによる加工は、アレイ内の個々の量子カスケードレーザの均一性の向上に寄与できる。

【0030】

この量子カスケードレーザデバイス１１によれば、複数のレーザ導波路構造１９及び複数の第１電極２５は、パッド電極２７を搭載しない第１領域１３ａに配置され、この配置は、個々のレーザ導波路構造１９間の間隔ＳＰ及び共振器長ＬＧが、複数のパッド電極２７の配置に起因する制約から独立することを可能にする。また、パッド電極２７の配置は、第２領域１３ｂのテラス１３ｄ上において、レーザ導波路構造１９間の間隔ＳＰ及び共振器長ＬＧ並びに複数の第１電極２５の配置から独立している。レーザ構造体１３の第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂが、第１軸Ａｘ１の方向に配列されるので、第２領域１３ｂ上における個々のパッド電極２７は、第１領域１３ａと第２領域１３ｂとの境界１３ｉを横切る配線金属体２９の一つを介して第１領域１３ａのレーザ導波路構造１９上における第１電極２５のうちの一つに接続される。

【0031】

本実施例では、量子カスケードレーザデバイス１１は、基板１７の裏面１７ｄ上に、複数のレーザ導波路構造１９によって共有される第２電極２３を含むことができる。第２電極２３は、基板１７の導電性半導体を介してレーザ導波路構造１９の各々に接続される。

【0032】

配線金属体２９とレーザ構造体１３との電気的な接触による動作不良の発生を避けるために、配線金属体２９が形成される第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂの表面（例えば、基板１７の主面１７ｃ）を絶縁膜３７で覆っている。更に、第１端面１３ｃが導電性を有する材料、例えば半導体を備える素子構造においては、第１端面１３ｃと配線金属体２９の電気的な接触による動作不良の発生を避けるため、第１端面１３ｃ上も絶縁膜３７で覆っている。また、レーザ導波路構造１９上の表面も絶縁膜３７で覆っている。第１電極２５の各々は、レーザ導波路構造１９上の表面を覆う絶縁膜３７に設けられた空孔３７ａを介して、レーザ導波路構造１９の上面（例えば、コンタクト層２１ｅ）に接触を成す（図３参照）。

【0033】

図１の（ｃ）部及び（ｄ）部を参照しながら、レーザ導波路構造１９のための共振器を説明する。図１の（ｃ）部を参照すると、レーザ導波路構造１９は第１端面１３ｃに到達している。この量子カスケードレーザデバイス１１によれば、第１端面１３ｃ上におけるレーザ導波路構造１９の端面は、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーとして働く。本実施例では、レーザ導波路構造１９は第２端面１３ｊに到達している。レーザ導波路構造１９は、第１端面１３ｃの反対側にある他端部１３ｈを有することができ、他端部１３ｈは、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーとして働き、例えば半導体端面（例えば、第２端面１３ｊ）又は分布反射構造を有することができる。必要な場合には、具体的には、第２端面１３ｊ上に誘電体または金属から成るコーティング膜３５を設けて反射率を調整するようにしてもよい。上記構成により、レーザ導波路構造１９においては、第１端面１３ｃと他端部１３ｈを両端面とするレーザ発振の為の共振器が形成されている。

【0034】

図１の（ｄ）部を参照すると、レーザ本体領域１５は分布反射領域３１（分布反射器：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）及びレーザ半導体領域３３を含み、分布反射領域３１及びレーザ半導体領域３３は第１軸Ａｘ１の方向に配列されている。分布反射領域３１は第１端面１３ｃを含む。分布反射領域３１は、第２領域１３ｂとレーザ半導体領域３３との間に設けられ、分布ブラッグ反射構造を有する。この量子カスケードレーザデバイス１１によれば、分布反射領域３１は、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーとして働く。レーザ半導体領域３３は、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２方向に延在する半導体端面３３ａを含む。半導体端面３３ａは、分布反射領域３１とレーザ半導体領域３３との境界に位置する。レーザ半導体領域３３は、半導体端面３３ａの反対側に他端部３３ｂを有する。他端部３３ｂは、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーとして働き、半導体端面（例えば、第２端面１３ｊ）又は分布ブラッグ反射構造を有することができる。

【0035】

図１の（ｄ）部に示されるように、分布反射領域３１は、基板１７の主面１７ｃへの法線方向に延在する一又は複数の高屈折率部３１ａ、３１ｂを含み、該高屈折率部３１ａ、３１ｂは、レーザ半導体領域３３内のレーザ導波路構造１９の半導体端面３３ａから隔置されている。本実施例では、分布反射領域３１の高屈折率部３１ａ、３１ｂは、ブラッグ反射を引き起こすように周期的に配列される。具体的には、高屈折率部３１ａ、３１ｂは半導体壁を備える。２つの高屈折率部３１ａと３１ｂの間、高屈折率部３１ｂと半導体端面３３ａとの間、及び高屈折率部３１ａと第１端面１３ｃの間には、高屈折率部３１ａ、３１ｂより低い屈折率の材料から成る低屈折率部（高屈折率部３１ａ、３１ｂより低い屈折率の材料の壁）を設けることができる。高屈折率部３１ａと３１ｂの間、高屈折率部３１ｂと半導体端面３３ａとの間、及び高屈折率部３１ａと第１端面１３ｃの間を低屈折率の材料で充填して、高屈折率部と低屈折率部の間の段差を低減することにより、第１電極２５が、分布反射領域３１の上面を延在して第１端面１３ｃの上縁に到達できる。ブラッグ反射により、分布反射領域３１を最も効率よく高反射化するためには、Ａｘ１方向における高屈折率部３１ａ、３１ｂの各厚さ、高屈折率部３１ａと３１ｂの間の低屈折率部の厚さ、及び高屈折率部３１ｂと半導体端面３３ａの間の低屈折率部の厚さは、レーザ導波路構造１９の延在方向（Ａｘ１方向）に基準幅λ／（４×ｎ）（ここで、「λ」は量子カスケードレーザの真空中の発振波長であり、「ｎ」は、この発振波長における、各高屈折率部及び低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。具体的には、高屈折率部３１ａ、３１ｂの各厚さ、高屈折率部３１ａと３１ｂの間の低屈折率部の厚さ、及び高屈折率部３１ｂと半導体端面３３ａの間の低屈折率部の厚さは、例えば、λ／（４×ｎ）又は３×λ／（４×ｎ）に設定されることができる。このような構成の高屈折率部、及び低屈折率部を用いることで、分布反射領域３１はレーザ導波路構造１９の後端面の高反射膜として機能し、閾値電流の低減や光出力の増大等、量子カスケードレーザデバイスの特性改善に寄与する。なお、分布反射領域３１の高屈折率部の個数としては、任意の個数を選択でき、個数が多いほど、より高反射が得られる。

【0036】

図１の（ｅ）部、（ｆ）部及び（ｇ）部は、図１の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されたＩ−Ｉ線に沿ってとられたレーザ導波路構造１９が形成された領域の断面を模式的に示す。図１の（ｅ）部、（ｆ）部及び（ｇ）部を参照しながら、第１電極２５をそれぞれのパッド電極２７に繋ぐ配線金属体２９の具体的な形態を説明する。これらの図は、配線金属体２９の異なる形態を示す。各配線金属体２９は、第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂを含む。第１部分２９ａはテラス１３ｄ上に設けられ、第２部分２９ｂは第１端面１３ｃ上に設けられる。

【0037】

図１の（ｅ）部に示されるように、第２部分２９ｂの一端は第１部分２９ａに接続され、さらに第１部分２９ａはパッド電極２７に接続される。第２部分２９ｂの他端は第１電極２５に接続される。第２部分２９ｂは、第１端面１３ｃにおけるレーザ導波路構造１９のコア層２１ａの端面上に設けられて、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーの高反射膜として働き、閾値電流の低減や光出力の増大等、量子カスケードレーザデバイス１１の特性改善に寄与する。また、上記説明の通り、本構造においては、配線金属体２９がレーザ導波路構造１９の後端面高反射膜も兼ねており、ウエハ上での製造プロセスにおいて、両者を一括で形成できる。従って、従来の上部配線電極と後端面高反射膜を別プロセスにて形成していたアレイ構造に比べて、製造プロセスを簡略化できるため、生産性が向上し、低コスト化が図れる。第２部分２９ｂが高反射膜として効果的に機能するためには、第２軸Ａｘ２方向における第２部分２９ｂの幅をレーザ導波路構造１９の幅より大きくして、半導体端面３３ａから出射されるレーザ導波路構造１９の導波光全体を反射できるようにするのが良い。

【0038】

図１の（ｆ）部に示されるように、第２部分２９ｂは、第１端面１３ｃ上おいて、レーザ導波路構造１９のコア端面から離れた別のエリアに設けられるので、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーの高反射膜として利用されない。第２部分２９ｂは、レーザ導波路構造１９のコア端面を迂回するように設けられる。この迂回のために、配線金属体２９は、第２部分２９ｂを第１電極２５に接続するようにレーザ本体領域１５上に設けられた第３部分（図７及び図８に示された第３部分「２９ｃ」）を有する。この形態においては、第２部分２９ｂの一端は第１部分２９ａを介してパッド電極２７に接続され、第２部分２９ｂの他端は、レーザ本体領域１５上の該第３部分２９ｃを介して第１電極２５に接続される。

【0039】

図１の（ｇ）部に示されるように、第２部分２９ｂは、レーザ導波路構造１９のコア端面から離れた第１端面１３ｃ上に設けられて、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーの高反射膜として利用されない。しかし、レーザ導波路構造１９のコア端面上には、配線金属体２９とは別の金属層３９が、共振器ミラーの高反射膜として設けられる。金属層３９は、第１端面１３ｃ上において第２部分２９ｂから隔置されている。金属層３９の端部ＥＤが第１端面１３ｃ又はテラス１３ｄ上に位置するので、金属層３９は、第１電極２５をパッド電極２７に接続するための配線層として用いられていない。これ故に、第２部分２９ｂは、レーザ導波路構造１９のコア端面を迂回して金属層３９から離れている。この迂回のために、配線金属体２９は、第２部分２９ｂを第１電極２５に接続するようにレーザ本体領域１５上に設けられた第３部分（図７及び図８に示された第３部分「２９ｃ」）を有する。この形態においては、第２部分２９ｂの一端は第１部分２９ａを介してパッド電極２７に接続され、第２部分２９ｂの他端は、レーザ本体領域１５上の第３部分２９ｃを介して第１電極２５に接続される。

【0040】

量子カスケードレーザデバイス１１によれば、第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂ（必要な場合には、第３部分２９ｃ）を含む配線金属体２９を介して、パッド電極２７の各々は、第１電極２５のうちの一つに接続される。

【0041】

引き続いて、いくつかの実施例を説明する。この説明において、理解の容易のために、可能な場合には、図１において示された部材の参照符合を用いる。

【0042】

（実施例１）
図２は、実施例１に係る量子カスケードレーザデバイスを示す図面である。図２の（ａ）部は、実施例１に係る量子カスケードレーザデバイスを示す平面図であり、図２の（ｂ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す。図２の（ａ）部を参照すると、パッド電極２７は、テラス１３ｄ上の配線金属体２９の第１部分２９ａの一端に接続され、第１端面１３ｃ上の配線金属体２９の第２部分２９ｂの他端が、レーザ導波路構造１９上の第１電極２５の一端に接続される。これ故に、配線金属体２９の第２部分２９ｂは第１端面１３ｃ（より具体的には、コア層２１ａのコア端面）上を延在する。実施例１に係る量子カスケードレーザデバイス１１によれば、配線金属体２９の第２部分２９ｂがコア層２１ａのコア端面上に設けられる部分を有するので、第２部分２９ｂは高反射膜として機能し、第１端面１３ｃ上におけるレーザ導波路構造１９の共振器ミラーの反射率は、配線金属体２９の第２部分２９ｂによって高められる。中赤外量子カスケードレーザにおいては、Ａｘ１軸と直交するＡｘ２軸方向におけるレーザ導波路構造１９の幅は、Ａｘ２方向における発振光の水平横モードを単一モードとするために、通常１０μｍ程度以下に設定される。このため、Ａｘ２軸方向における配線金属体２９の第２部分２９ｂの幅は、例えば２０μｍ以上であることが良く、これによってレーザ導波路構造１９を伝搬するレーザ光の多くを反射でき、高反射膜として有効に機能する。Ａｘ２軸方向において、第２部分２９ｂは、隣の第２部分２９ｂから、例えば３０μｍ以上で離れていることが良い。この程度離れていれば、隣接するレーザ導波路構造１９間の電気的な絶縁が確保され、電気的なクロストークや絶縁破壊による動作不良の発生を抑制できる。実施例１の量子カスケードレーザデバイス１１は、４つのレーザ導波路構造１９を含む。本素子構造においては、パッド電極２７はレーザ導波路構造１９が形成された第１領域１３ａから分離されて、第２領域１３ｂに集約されるため、４つのレーザ導波路構造１９に関して、導波路間の間隔ＳＰを、パッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、所望の値で配列できる。また、同様の理由により、その共振器長ＬＧを、パッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、所望のサイズで設けることができる。図２の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、配線金属体２９は、第１端面１３ｃ上の第２部分２９ｂによって、レーザ導波路構造１９の光共振器の共振器ミラーの高反射膜を構成する。

【0043】

また、図２の（ｂ）部を参照すると、レーザ導波路構造１９が延在するＡＸ１方向において、凹部と凸部が周期Λで交互に繰り返し配列された回折格子が回折格子層２１ｄ中に形成されている。周期Λに対応したブラッグ波長の光が、回折格子で選択的に反射されて、共振器内で増幅されるため、このブラッグ波長での単一軸モード発振が可能となる。また各レーザ導波路構造１９において、適宜異なる周期Λを設定することで、異なるブラッグ波長が選択されるため、個々のレーザ導波路構造１９において、異なる発振波長での動作が可能となる。この結果、量子カスケードレーザデバイス１１は複数の発振波長を有する広波長帯域の光源として動作することができる。

【0044】

図３は、図２の（ａ）部に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す。レーザ本体領域１５は、メサ状にエッチングされたレーザ導波路構造１９が埋込領域４１で埋め込まれた埋め込みヘテロ構造を含むことができる。埋込領域４１は、例えばアンドープ半導体又は半絶縁性半導体を備える。レーザ導波路構造１９のメサ側面は埋込領域４１によって埋め込まれて、レーザ導波路構造１９は互いに絶縁される。レーザ導波路構造１９の上面上には、絶縁膜３７の開口３７ａが設けられており、第１電極２５が開口３７ａを介してレーザ導波路構造１９の上面に接触を成す。基板１７の裏面１７ｄ上には、第２電極２３が接触を成す。

【0045】

図４は、図２の（ａ）部に示されたＩＶ−ＩＶ線に沿ってとられた断面を示す。テラス１３ｄは、４つのパッド電極２７を搭載しており、これらのパッド電極２７は、それぞれの配線金属体２９（２９ａ）に接続される。第２領域１３ｂにおける、基板１７の主面１７ｃ上は、絶縁膜３７によって覆われており、絶縁膜３７は、パッド電極２７を基板１７からしっかり絶縁している。基板１７の裏面１７ｄ上には、第２電極２３が接触を成す。

【0046】

図５は、図２の（ａ）部に示されたＶ−Ｖ線に沿ってとられた断面を示す。第１端面１３ｃには埋込領域４１も到達している。レーザ本体領域１５では、レーザ導波路構造１９の埋込領域４１の表面及び第１端面１３ｃを絶縁膜３７が覆い、第２領域１３ｂ上では、主面１７ｃ上を絶縁膜３７が覆っている、絶縁膜３７上を配線金属体２９及びパッド電極２７が延在している。絶縁膜３７は、第１電極２５、パッド電極２７及び配線金属体２９を基板１７、第１端面１３ｃ、及び埋込領域４１からしっかり絶縁している。基板１７の裏面１７ｄ上には、第２電極２３が接触を成す。

【0047】

図６は、図２の（ａ）部に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿ってとられた断面を示す。図６及び図２の（ａ）部に示されるように、個々のレーザ導波路構造１９に対応するパッド電極２７が、第１軸Ａｘ１の方向に配列されて、量子カスケードレーザデバイスのための半導体チップのサイズ縮小に寄与している。

【0048】

（実施例２）
図７は、実施例２に係る量子カスケードレーザデバイスを示す図面である。図７の（ａ）部は、実施例２に係る量子カスケードレーザデバイスを示す平面であり、図７の（ｂ）部は、図７の（ａ）部に示されたＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す。図７の（ａ）部を参照すると、量子カスケードレーザデバイス１１は、３つのレーザ導波路構造１９を含む。パッド電極２７は、テラス１３ｄ上の配線金属体２９の第１部分２９ａの一端に接続され、第１端面１３ｃ上の配線金属体２９の第２部分２９ｂの他端は、レーザ本体領域１５上の配線金属体２９の第３部分２９ｃの一端に接続され、第３部分２９ｃの他端は、第１電極２５に接続される。第２部分２９ｂは、レーザ導波路構造１９のコア端面を迂回するように設けられる。この迂回のために、配線金属体２９は、第２部分２９ｂを第１電極２５に接続するようにレーザ本体領域１５上に設けられた第３部分２９ｃを有する。図７の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、実施例２に係る量子カスケードレーザデバイスによれば、第１端面１３ｃは、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーとして働く。第２部分２９ｂは、レーザ導波路構造１９の端面（より具体的に、コア層２１ａのコア端面）から離れた第１端面１３ｃ上に設けられるため、第２部分２９ｂは、第１端面１３ｃにおけるコア層２１ａのコア端面に係る光の入射及び／又は出射を妨げない。そのため、各レーザ導波路構造１９の第１端面１３ｃからの出射光を、各レーザ導波路構造１９における、量子カスケードレーザの発振状態を監視するためのモニター光として使用できる。実施例２によれば、パッド電極２７はレーザ導波路構造１９が形成された第１領域１３ａから分離されて、第２領域１３ｂに集約されるため、パッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、３つのレーザ導波路構造１９の共振器長ＬＧを所望のサイズで設けることができる。また、上記と同じ理由により、引き出しのための第３部分２９ｃの延在のためのエリアを除いて、隣接するレーザ導波路構造１９間の間隔ＳＰを、パッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、所望の値で配列できる。実施例２に係る量子カスケードレーザデバイスは、配線金属体２９の引き回しの点を除いて、実施例１に係る量子カスケードレーザデバイスと同じであることができる。

【0049】

（実施例３）
図８は、実施例３に係る量子カスケードレーザデバイスを示す図面である。図８の（ａ）部は、実施例３に係る量子カスケードレーザデバイスを示す平面であり、図８の（ｂ）部は、図８の（ａ）部に示されたＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す。図８の（ａ）部を参照すると、実施例３の量子カスケードレーザデバイス１１は、３つのレーザ導波路構造１９を含む。第１端面１３ｃ上において、第２部分２９ｂは、レーザ導波路構造１９の端面、具体的にはコア層２１ａのコア端面を迂回するように設けられる。この迂回のために、配線金属体２９は、第２部分２９ｂを第１電極２５に接続するようにレーザ本体領域１５上に設けられた第３部分２９ｃを有する。第２部分２９ｂは、レーザ導波路構造１９のコア端面から離れた第１端面１３ｃ上に設けられて、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーとして利用されない。このため、第２部分２９ｂが、第１端面１３ｃ上における、レーザ導波路構造１９の共振器ミラーの反射を攪乱することを防止できる。パッド電極２７は、テラス１３ｄ上の配線金属体２９の第１部分２９ａを介して第２部分２９ｂの一端に接続され、第１端面１３ｃ上の配線金属体２９の第２部分２９ｂの他端は、レーザ本体領域１５上の配線金属体２９の第３部分２９ｃの一端に接続され、第３部分２９ｃの他端は、第１電極２５に接続される。図８の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、レーザ導波路構造１９のコア端面上には、配線金属体２９とは別の金属層３９が、共振器ミラーの高反射膜として設けられる。金属層３９は、第１端面１３ｃの上端から下端まで延在する一方で、第１端面１３ｃ上において第２部分２９ｂから隔置されている。金属層３９がコア層２１ａのコア端面上を延在するので、第１端面１３ｃ上におけるレーザ導波路構造１９の共振器ミラーの反射率は、金属層３９によって高められる。即ち、金属層３９はレーザ導波路構造１９の後端面の高反射膜として機能し、閾値電流の低減や光出力の増大等、量子カスケードレーザデバイスの特性改善に寄与する。また本構造においては、配線金属体２９と後端面高反射膜である金属層３９を、ウエハ上での製造プロセスにおいて、一括で形成できる。従って、従来の上部配線電極と後端面高反射膜を別プロセスにて形成していたアレイ構造に比べて、製造プロセスを簡略化できるため、生産性が向上し、低コスト化が図れる。上記のように、Ａｘ２軸方向におけるレーザ導波路構造１９の幅は、Ａｘ２方向における発振光の水平横モードを単一モードとするために、通常１０μｍ程度以下に設定される。このため、この方向における金属層３９の幅は、例えば２０μｍ以上であることが良く、これによってレーザ導波路構造１９を伝搬するレーザ光の多くを金属層３９で反射できる。従って、金属層３９は高反射膜として有効に機能する。実施例３に係る量子カスケードレーザデバイスによれば、パッド電極２７はレーザ導波路構造１９が形成された第１領域１３ａから分離されて、第２領域１３ｂに集約されるため、３つのレーザ導波路構造１９に関しては、共振器長ＬＧをパッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、所望のサイズで設けることができる。また同様の理由により、引き出しのための第３部分２９ｃの延在のためのエリアを除いて、隣接するレーザ導波路構造１９間の間隔ＳＰをパッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、所望の値で配列できる。実施例３に係る量子カスケードレーザデバイスは、金属層３９の追加の点を除いて、実施例２に係る量子カスケードレーザデバイスと同じであることができる。

【0050】

図９は、配線金属体２９の形状に係るいくつかの実施例の量子カスケードレーザデバイスを示す平面図である。

【0051】

（実施例４）
図９の（ａ）部は、実施例４に係る量子カスケードレーザデバイスを示す平面である。図９の（ａ）部を参照すると、パッド電極２７は、テラス１３ｄ上の配線金属体２９の第１部分２９ａの一端に接続される。配線金属体２９の第２部分２９ｂ及び第１電極２５は、それぞれ、第１端面１３ｃ及び分布反射領域３１の上面上を延在する。配線金属体２９の第２部分２９ｂは第１端面１３ｃ（より具体的には、分布反射領域３１の端面）上を延在して、第２部分２９ｂの他端は、レーザ導波路構造１９上の第１電極２５の一端に接続される。第２部分２９ｂは、第１端面１３ｃにおけるレーザ導波路構造１９の端面上に設けられて、レーザ導波路構造１９のための共振器ミラーの高反射膜として機能する。従って、本構造においては、分布反射領域３１と第２部分２９ｂの両者がレーザ導波路構造１９の後端面の高反射化に寄与するため、閾値電流の低減や光出力の増大等、量子カスケードレーザデバイスの特性改善がより容易となる。個々のレーザ導波路構造１９に対応するパッド電極２７が、第１軸Ａｘ１の方向にステップ状に配列されて、量子カスケードレーザデバイスのための半導体チップのサイズ縮小に寄与している。実施例４に係る量子カスケードレーザデバイスは、４つのレーザ導波路構造１９を含み、パッド電極２７はレーザ導波路構造１９が形成された第１領域１３ａから分離されて、第２領域１３ｂに集約される。このため、レーザ導波路構造１９間の間隔ＳＰや共振器長ＬＧに関して、パッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、所望の値で設定できる。

【0052】

図１０は、図９の（ａ）部に示されたＸ−Ｘ線に沿ってとられた断面を示す。図１１は、図９の（ａ）部に示されたＸＩ−ＸＩ線に沿ってとられた断面を示す。図９の（ａ）部、図１０及び図１１に示されるように、レーザ本体領域１５の第１領域１３ａは、分布反射領域３１及びレーザ半導体領域３３を含む。レーザ半導体領域３３は、レーザ導波路構造１９と、これらのレーザ導波路構造１９を埋め込む埋込領域４１とを含む。レーザ導波路構造１９間において、埋込領域４１が、レーザ導波路構造１９に沿って延在している。第１領域１３ａのレーザ半導体領域３３、分布反射領域３１及び第２領域１３ｂは、レーザ導波路構造１９の延在方向（Ａｘ１方向）に順に配列される。分布反射領域３１は、第１端面１３ｃを含む。実施例４の量子カスケードレーザデバイスは、４つのレーザ導波路構造１９を含み、これらのレーザ導波路構造１９を間隔ＳＰに関して所望の値で配列でき、共振器長ＬＧに関して第１領域１３ａを所望のサイズで設けることができる。

【0053】

レーザ本体領域１５では、埋込領域４１の表面、分布反射領域３１の上面、及び第１端面１３ｃを絶縁膜３７が覆い、第２領域１３ｂ上では、主面１７ｃ上を絶縁膜３７が覆っている。絶縁膜３７は、パッド電極２７及び配線金属体２９を基板１７、第１端面１３ｃ、分布反射領域３１、及び埋込領域４１からしっかり絶縁している。基板１７の裏面１７ｄ上には、第２電極２３が接触を成す。

【0054】

分布反射領域３１は、半導体壁で構成された高屈折率部３１ａ、３１ｂと、該半導体壁より低い屈折率の材料で構成された低屈折率部３１ｃ、３１ｄ、３１ｅとを含む。高屈折率部３１ａ、３１ｂ及び低屈折率部３１ｃ、３１ｄ、３１ｅは、共に、当該量子カスケードレーザデバイスの発光波長の光を透過可能な材料からなることができる。高屈折率部３１ａ、３１ｂ及び低屈折率部３１ｃ、３１ｄ、３１ｅは、レーザ導波路構造１９の延在方向（Ａｘ１方向）に交互に配列されて、分布反射のための屈折率分布を提供する。高屈折率部３１ａ、３１ｂ及び低屈折率部３１ｃ、３１ｄ、３１ｅは、レーザ導波路構造１９の延在方向に交差する方向（Ａｘ２方向）に延在している。具体的には、高屈折率部３１ａ、３１ｂの半導体壁はＡｘ２方向の断面構造として、図３に示したレーザ本体領域１５同様、レーザ導波路構造１９が埋込領域４１の半導体で埋め込まれた、埋め込みヘテロ構造からなることができる。低屈折率部３１ｃ、３１ｄ、３１ｅのための誘電体壁は、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナといった誘電体からなることができる。

【0055】

（実施例５）
図９の（ｂ）部は、実施例５に係る量子カスケードレーザデバイスを示す平面である。本実施例５に係る量子カスケードレーザデバイスは、配線金属体２９の引き回しの違いを除いて、実施例４に係る量子カスケードレーザデバイスと同じ構成を有する。実施例５の量子カスケードレーザデバイスは、３つのレーザ導波路構造１９を含む。パッド電極２７は、テラス１３ｄ上の配線金属体２９の第１部分２９ａの一端に接続され、第１部分２９ａの他端は第１端面１３ｃ上の第２部分２９ｂの一端に接続される。第２部分２９ｂの他端は、レーザ本体領域１５上の配線金属体２９の第３部分２９ｃの一端に接続され、第３部分２９ｃの他端は、レーザ半導体領域３３上において第１電極２５に接続される。第２部分２９ｂは、レーザ導波路構造１９のコア端面を迂回するように設けられる。この迂回のために、配線金属体２９は、第２部分２９ｂを第１電極２５に接続するようにレーザ本体領域１５上に設けられた第３部分２９ｃを有する。実施例５に係る量子カスケードレーザデバイスによれば、配線金属体２９の第２部分２９ｂが、第１端面１３ｃ上においてコア層２１ａのコア端面から離れているので、第２部分２９ｂは、コア層２１ａのコア端面に係る光の入射及び／又は出射を妨げない。そのため、各レーザ導波路構造１９の第１端面１３ｃからの出射光を、各レーザ導波路構造１９における、量子カスケードレーザの発振状態を監視するためのモニター光として使用できる。本実施例の構造においても、パッド電極２７はレーザ導波路構造１９が形成された第１領域１３ａから分離されて、第２領域１３ｂに集約されるため、３つのレーザ導波路構造１９は、共振器長ＬＧに関して、パッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、所望のサイズで設けることができ、また、引き出しのための第３部分２９ｃの延在のためのエリアを除いて、レーザ導波路構造１９を間隔ＳＰに関して、パッド電極２７の配置、サイズに制約されること無く、所望の値で配列できる。

【0056】

図１２は、分布反射領域３１に係るいくつかの実施例の量子カスケードレーザデバイスを示す平面図である。これらの図に示された素子構造は、分布反射領域３１の構造以外は、図９の（ｂ）部に示した構成と同じである。

【0057】

（実施例６）
図１２の（ａ）部を参照すると、分布反射領域３１は、高屈折率部３１ａ、３１ｂを互いに接続する補強壁４３を備えることができる。本実施例では、補強壁４３は、量子カスケードレーザデバイス１１の半導体チップの側縁４９に沿って延在する。補強壁４３は高屈折率部３１ａ、３１ｂを一体化して、高屈折率部の強度を補強する。補強壁４３の配置は、高屈折率部３１ａ、３１ｂの端（半導体チップの側縁４９）に限定されることなく、必要な場合には、高屈折率部３１ａ、３１ｂの任意の領域に補強壁４３を接続できる。補強壁４３は、例えば埋込領域４１と同じ材料からなることができる。特に補強壁４３と、高屈折率部３１ａ、３１ｂにおける補強壁４３が接続された領域が同じ半導体材料（例えばＦｅドープＩｎＰ等）で形成されている場合は、これらの領域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、高屈折率部の強度を効果的に増加できる。また、これらの領域は同じ材料で一括形成できるため、製造プロセスを簡略化できる利点もある。但し、補強壁４３の材料としては、これに限定はされず、必要に応じて、高屈折率部の機械的強度改善に効果がある、他の任意の材料、例えば半導体以外の材料も使用可能である。なお、複数ある高屈折率部の全てが補強壁４３で接続される必要は無く、高屈折率部のうちの少なくとも２つの高屈折率部が補強壁４３により接続されて、一体化された構造であっても良く、その場合でも、補強壁４３の付加により、高屈折率部の機械的強度を増加できる。

【0058】

（実施例７）
図１２の（ｂ）部を参照すると、分布反射領域３１は、高屈折率部３１ｂをレーザ半導体領域３３に接続する接続壁４５を備えることができる。接続壁４５は、高屈折率部３１ｂとレーザ半導体領域３３を一体化して、高屈折率部の強度を補強する。本実施例では、接続壁４５は補強壁４３に繋がっている。接続壁４５は、レーザ半導体領域３３から延出するように設けられる延長部であることができ、接続壁４５の配置は、半導体チップの側縁４９（高屈折率部３１ｂの端）に限定されることなく、必要な場合には、高屈折率部３１ｂの任意の領域に接続壁４５を接続できる。接続壁４５は、例えば埋込領域４１と同じ材料からなることができる。特に接続壁４５と高屈折率部３１ｂにおける接続壁４５が接続されている領域、及びレーザ半導体領域３３における接続壁４５が接続されている領域が、同じ半導体材料（例えばＦｅドープＩｎＰ等）で形成されている場合は、これらの領域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、高屈折率部の強度を効果的に増加できる。また、これらの領域は同じ材料で一括形成できるため、製造プロセスを簡略化できる利点もある。但し、接続壁４５の材料としては、これに限定はされず、必要に応じて、高屈折率部の機械的強度改善に効果がある、他の任意の材料、例えば半導体以外の材料も使用可能である。なお、本実施例では補強壁４３と接続壁４５を同時に導入した構造を示したが、両者は各々独立した構造であり、これらを単独で導入しても良い。

【0059】

（実施例８）
図１２の（ｃ）部を参照すると、分布反射領域３１の高屈折率部３１ａ、３１ｂを、レーザ導波路構造１９が延在する方向（Ａｘ１方向）と直交するＡｘ２方向において、半導体チップの側縁４９から離れた位置で終端することができる。高屈折率部３１ａ、３１ｂの終端部は、低屈折率部３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを互いに接続する誘電体接続壁４７によって半導体チップの側縁４９から隔置される。本実施例の構造では、Ａｘ２方向における高屈折率部３１ａ、３１ｂの幅Ｗ１が素子幅Ｗ２よりも短いため、Ｗ１＝Ｗ２の構造、即ち、高屈折率部が半導体チップの側縁４９まで達している構造に比べて、基板１７の主面１７ｃの法線方向における高屈折率部の高さ（図１０におけるＨ）に対するＡｘ２方向の素子幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｈ）が、低減される。これに起因して、高屈折率部の機械的強度が増す結果、高屈折率部の破損がより生じにくくなるという利点がある。別の利点としては、この構造によれば、高屈折率部３１ａ、３１ｂが半導体チップの側縁４９まで達していないため、高屈折率部のドライエッチングの際、本側縁部を経由してエッチングガスがＡｘ１方向に流れ易くなる。従って、高屈折率部が半導体チップの側縁４９まで達している構造に比べて、エッチング時のガスの循環が良くなり、その結果、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て安定化するため、高屈折率部形成時のエッチングのウエハ面内での均一性や再現性が改善される。また、実際の素子製造においては、半導体ウエハ上において、図１２に示すような量子カスケードレーザデバイス１１が形成された半導体チップが、側縁４９を素子界面として直列に多数繋がった形態で形成され、隣接するチップ間の素子界面（側縁４９）において、劈開等の手法により、素子界面に平行な方向（ＡＸ１方向）に亀裂を発生させることで、個々のチップに分離される。ここで、側縁４９まで高屈折率部が達している構造では、上記素子界面に亀裂を入れて分離する際の衝撃で高屈折率部が破損しやすく、素子分離時の歩留まりが悪い。一方、本実施例の構造では、側縁４９に高屈折率部が存在しないため、素子分離時、高屈折率部はダメージを被らず、従って、高屈折率部の破損に起因する、素子分離時の製造歩留まり低下を回避できる。

【0060】

（実施例９）
図１３は、第１電極２５、配線金属体２９及びパッド電極２７の構造に係る実施例９の量子カスケードレーザデバイスを示す平面図である。本図に示された素子構造は、上部電極配線の材料構成以外は、図７の（ａ）部に示した構成と同じである。実施例９の量子カスケードレーザデバイス１１では、第１電極２５、配線金属体２９、及びパッド電極２７の内の少なくとも１つの領域を構成する材料が、他の領域を構成する材料と異なっている。この配線構造によれば、上記各領域の材料として、他領域と異なる材料を選択できるため、上部電極配線に関する設計自由度が増し、その最適化が容易となるという利点がある。例えば、第１電極２５としては、レーザ導波路構造１９のコンタクト層２１ｅとのオーミックコンタクトや放熱の為のＡｕメッキの必要性から、またパッド電極２７としては、Ａｕワイヤをボンディングする必要性から、共にＡｕ系の材料が望ましいが、配線金属体２９としては、例えばＣｕを用いることで、Ａｕを用いた場合に比べて、低抵抗化や低コスト化が図れる改善が得られる。

【0061】

（実施例１０）
図１４は、ハイメサ構造に係る実施例１０の量子カスケードレーザデバイスを示す断面である。図１４の断面は、図３に描かれたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面に対応している。実施例１〜９の量子カスケードレーザデバイスにおいて、レーザ導波路構造１９が形成された領域の構造は埋め込みヘテロ構造には限定されず、他の任意の構造を使用できる。例えば、図１４に示したような、メサ状のレーザ導波路構造１９を埋め込むことなく、絶縁膜３７により直接にレーザ導波路構造１９のメサ側面を覆ったハイメサ構造であっても良い。絶縁膜３７は、レーザ導波路構造１９の上面上に位置する開口３７ａを有しており、各レーザ導波路構造１９のための第１電極２５が、開口３７ａを介してレーザ導波路構造１９の上面に接触を成す。また、第１電極２５は、レーザ導波路構造１９の両側面上に設けられると共に、基板１７の主面１７ｃ上にも位置する。第１電極２５は、第１軸Ａｘ１の方向に延在している。この導波路構造では、レーザ導波路構造１９のメサ側壁を、半導体より屈折率が遥かに小さい絶縁膜３７で覆うため、メサ側壁を半導体埋め込み層４１で埋め込んだ埋め込みヘテロ構造に比べて、コア層２１ａへの光閉じ込めを有意に増加でき、これによる発振特性の改善が見込めるという利点がある。また、本実施例構造を用いれば、分布帰還型の量子カスケードレーザデバイス１１を完成するための結晶成長が２回で済むため、３回の成長が必要な埋め込みヘテロ構造に比べて、製造プロセスを簡略化できる利点がある。

【0062】

作製方法の一例として、実施例４，５の分布反射領域３１が付加された量子カスケードレーザデバイス１１の作製方法を説明する。この説明において、理解を容易にするために、可能な場合には、本実施形態において用いられた参照符合を用いる。基板１７のためのｎ型のＩｎＰウエハを準備する。このＩｎＰウエハ上に、下部クラッド層２１ｂのためのｎ型ＩｎＰ層、コア層２１ａのための超格子列（量子井戸層：ＧａＩｎＡｓ、バリア層：ＡｌＩｎＡｓ）、回折格子層２１ｄのためのアンドープ又はｎ型ＧａＩｎＡｓ層を順に成長する。この後に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図１０に示すように、Ａｘ１方向において、凹部と凸部が周期Λで交互に繰り返し配列された回折格子を有する回折格子層２１ｄを形成する。ここで、集積された各レーザ導波路構造１９を異なる波長で発振させるために、各レーザ導波路構造１９毎に、異なる発振波長に対応した、異なる周期Λの回折格子層２１ｄを形成することができる。この形成の後に、上部クラッド層２１ｃのためのｎ型ＩｎＰ層及びコンタクト層２１ｅのためのｎ型ＧａＩｎＡｓ層を順に成長して、半導体積層を形成する。これらの成長は、例えば有機金属気相成長法、又は分子線エピタキシー法によって行われる。なお、必要に応じてコア層２１ａの上下に、コア層２１ａ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付加しても良い。光閉じ込め層としては、コア層２１ａへの導波光の閉じ込めを大きくするために、例えば、高屈折率を有するアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓ等を用いることができる。半導体積層上に、レーザ導波路構造１９のための複数のストライプパターンを有する第１絶縁膜マスクを形成する。この第１絶縁膜マスクを用いて、レーザ導波路構造１９のための半導体ストライプメサを形成する。必要な場合には、第１絶縁膜マスクを残したまま、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった遷移金属を添加した半絶縁性又はアンドープのＩｎＰ（或いは、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ）により半導体ストライプメサを埋め込んで半導体領域を形成する。この埋込成長の後に第１絶縁膜マスクを除去する。半導体領域上に、テラス領域（テラス１３ｄ）並びに分布反射領域３１及びレーザ半導体領域３３を規定するパターンを有する第２絶縁膜マスクを形成する。この第２絶縁膜マスクを用いたドライエッチングによって、半導体領域から、第１端面１３ｃ、テラス領域（テラス１３ｄ）、分布反射領域３１の高屈折率部の半導体壁、及びレーザ半導体領域３３の半導体端面３３ａを形成する。この後に、分布反射領域３１の低屈折率部のための誘電体の堆積及びそのエッチングによって分布反射領域３１における屈折率分布を形成する。低屈折率部のために、ＢＣＢ樹脂、ポリイミド樹脂、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナといった誘電体を用いることができ、これらが、スパッタ法、スピンコート法といった成膜方法により形成できる。次いで、ウエハ全面にＳｉＯ_２（或いは、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナ、ポリイミド樹脂、ＢＣＢ樹脂といった誘電体層）を絶縁膜３７として形成すると共に、個々のレーザ導波路構造１９上の絶縁膜３７には、コンタクトのための開口３７ａが形成される。この後に、ウエハ全面に第１電極２５、パッド電極２７、配線金属体２９のための金属の堆積及びパターン形成を行う。また、ＩｎＰウエハの裏面には第２電極２３のための金属の堆積を行うことができる。第２電極２３、第１電極２５、パッド電極２７、配線金属体２９及び金属層３９の材料として、Ｔｉ／Ａｕ、Ｇｅ／Ａｕといった金系の材料を用いることができる。これらの工程により、複数のレーザ導波路構造１９を含む量子カスケードレーザデバイス１１の配列を備える基板生産物が形成される。

【0063】

中赤外量子カスケード半導体レーザの技術背景を説明する。中赤外量子カスケード半導体レーザは、環境ガス分析、医療診断、産業加工といった、今後高成長が期待される中赤外分野に使用可能な、小型、低コストの光源として有望視されており、近年開発が盛んとなってきている。例えば、環境ガス分析等のガスセンシング用途には、ターゲットガスの特定の吸収線をピンポイントで狙い撃ちするために、その吸収線の波長での単一モード動作が必要であり、そのために、波長選択用の回折格子（回折格子層２１ｄ）は有用である。単体の中赤外量子カスケード半導体レーザでは、基本的には上記のように回折格子の周期により発振波長がある波長に固定される。注入電流や素子温度の変更により、多少の波長可変は可能であるけれども、広い波長域における波長可変は不可能である。このような理由から、単体の中赤外量子カスケード半導体レーザでは、回折格子周期で決定される発振波長帯に吸収があるガス成分のガス計測だけが可能である。しかしながら、実用上、広い波長範囲にわたって吸収波長の異なる複数のガス成分を一括して分析することが求められる。

【0064】

異なる発振波長で動作可能な複数の中赤外量子カスケード半導体レーザの導波路構造を単一の半導体基板上にモノリシック集積したアレイ光源を実現することによって、複数のガス成分を一括して分析することが可能になる。ここで、アレイを構成する導波路の短共振器化は低消費電力を可能にすると共に、導波路間隔の低減は、素子サイズの低減に寄与する。これらは共に、ガスセンシングといった用途における中赤外量子カスケード半導体レーザアレイの実用化に寄与できる。しかしながら、このようなアレイでは、導波路構造の数に応じて、パッド電極の数も増加する。発明者の知見によれば、多数のパッド電極の配置は、導波路構造の配列及びサイズを制約する。より具体的には、従来の中赤外量子カスケード半導体レーザのアレイでは、同一領域に導波路構造とパッド電極を形成するため、導波路間隔や導波路の共振器長は、ワイヤボンディングのために、例えば１００μｍ×１００μｍ以上の領域が必要とされるパッド電極サイズで制限され、そのため、導波路間隔の低減と短共振器化との両立は容易ではない。本発明に係る量子カスケードレーザデバイスでは、短共振器化は低消費電力を可能にすると共に、チャンネル間隔に係る自由度は、チップサイズの低減に寄与する。これらは共に、ガスセンシングといった用途における実用化を寄与できる。

【0065】

なお、本発明に係る量子カスケードレーザデバイスは上記実施形態に記載したものに限定されない。例えば、上記実施形態では、各レーザ導波路構造１９は、回折格子層２１ｄを含むが、これに限られず、回折格子層２１ｄを含まなくてもよい。例えば、各レーザ導波路構造１９が回折格子層２１ｄを含まない場合、量子カスケードレーザデバイスに含まれる複数の量子カスケードレーザは、所謂ファブリー・ペロー型（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ型）の量子カスケードレーザを構成する。

【0066】

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】

【0067】

以上説明したように、本実施形態によれば、複数のレーザ導波路構造の配置やサイズに対して該レーザ導波路構造のためのパッド電極の配置により課される制約を低減可能な構造を有する量子カスケードレーザデバイスが提供される。

【符号の説明】

【0068】

１１…量子カスケードレーザデバイス、１３…レーザ構造体、１３ａ…第１領域、１３ｂ…第２領域、１３ｃ…第１端面、１３ｄ…テラス、１３ｆ…第１素子端、１３ｇ…第２素子端、１５…レーザ本体領域、１７…基板、１７ａ…第１基板領域、１７ｂ…第２基板領域、１７ｃ…主面、１７ｄ…裏面、１９…レーザ導波路構造、Ａｘ１…第１軸、２１ａ…コア層、２１ｂ…下部クラッド層、２１ｃ…上部クラッド層、２１ｄ…回折格子層、２１ｅ…コンタクト層、２５…第１電極、２７…パッド電極、２９…配線金属体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】