特許 6801416 量子カスケード半導体レーザ

(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】6801416

(24)【登録日】2020年11月30日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】量子カスケード半導体レーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20201207BHJP

   H01S 5/227 20060101ALI20201207BHJP

   H01S 5/16 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/343

   H01S5/227

   H01S5/16

【請求項の数】13

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2016-238723(P2016-238723)

(22)【出願日】2016年12月8日

(65)【公開番号】特開2018-98262(P2018-98262A)

(43)【公開日】2018年6月21日

【審査請求日】2019年6月21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

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０７２３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２２８１１（ＪＰ，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】

量子カスケード半導体レーザであって、
第１軸の方向に延在するコア層と、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する端面とを含み、基板の主面上に設けられた半導体メサと、
前記半導体メサの前記端面上に設けられ前記コア層に接触を成す第１半導体膜と、前記第１半導体膜より高い熱伝導率を有する材料の第２半導体膜とを含む反射層と、
を備え、
前記第１半導体膜は前記第２半導体膜と前記半導体メサの前記端面との間に設けられ、
前記コア層は、超格子構造を有し、前記超格子構造は、量子井戸層及びバリア層を含み、
前記反射層の前記第１半導体膜は、前記量子井戸層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する、量子カスケード半導体レーザ。

【請求項2】

前記第１半導体膜の材料は、前記量子井戸層の材料における構成元素及び組成に関して実質的に同一である、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】

前記第１半導体膜は、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】

前記第１半導体膜は、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＡｓＰの少なくともいずれかを備える、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】

前記反射層の前記第２半導体膜は、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】

前記反射層の前記第２半導体膜はＩｎＰからなり、
前記第２半導体膜は前記第１半導体膜に接合を成す、請求項１〜請求項５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7】

前記半導体メサの側面を埋め込む埋込領域を更に備え、
前記埋込領域は、第１電流ブロック層を含み、
前記半導体メサ及び前記埋込領域は、導波路メサを構成し、
前記第１電流ブロック層の材料は、前記第１半導体膜の材料における構成元素及び組成に関して実質的に同一である、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】

前記第１電流ブロック層及び前記第１半導体膜は、単一の半導体層を構成する、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】

前記埋込領域は、第２電流ブロック層を更に含み、
前記第１電流ブロック層は、前記第２電流ブロック層と前記半導体メサの前記側面との間に設けられ、
前記第２電流ブロック層の材料は、前記第２半導体膜の材料における構成元素及び組成に関して実質的に同一である、請求項７又は請求項８に記載された量子カスケード半導体レーザ。

【請求項10】

前記第２電流ブロック層及び前記第２半導体膜は、単一の半導体層を構成する、請求項９に記載された量子カスケード半導体レーザ。

【請求項11】

前記反射層上に設けられた絶縁層を更に含む、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】

前記基板は、前記第１軸に配列された第１端面及び第２端面を含み、
前記基板の前記主面は、前記第１軸の方向に配列された第１エリア及び第２エリアを含み、
前記半導体メサ及び前記反射層は、それぞれ、前記第１エリア及び前記第２エリア上に設けられ、
前記第２エリアは、前記基板の前記第１端面の上縁に到達し、
前記第１半導体膜は、前記端面上に設けられた第１部分と、前記第２エリア上に設けられた第２部分とを含み、
前記第２部分は、前記第１端面の前記上縁から離れた縁を有する、請求項１〜請求項１１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13】

量子カスケード半導体レーザであって、
第１軸の方向に延在するコア層と、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する端面とを含み、基板の主面上に設けられた半導体メサと、
前記半導体メサの前記端面上に設けられ前記コア層に接触を成す第１半導体膜を含む反射層と、
を備え、
前記コア層は、超格子構造を有し、前記超格子構造は、量子井戸層及びバリア層を含み、
前記反射層の前記第１半導体膜は、前記量子井戸層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有し、
前記基板は、前記第１軸に配列された第１端面及び第２端面を含み、
前記基板の前記主面は、前記第１軸の方向に配列された第１エリア及び第２エリアを含み、
前記半導体メサ及び前記反射層は、それぞれ、前記第１エリア及び前記第２エリア上に設けられ、
前記第２エリアは、前記基板の前記第１端面の上縁に到達し、
前記第１半導体膜は、前記端面上に設けられた第１部分と、前記第２エリア上に設けられた第２部分とを含み、
前記第２部分は、前記第１端面の前記上縁から離れた縁を有する、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】

非特許文献１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備える中赤外量子カスケード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】Ａｐｐｌｉｅｄ． Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．８３， ｐｐ．１９２９−１９３１，２００３．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光通信用の半導体レーザでは、共振器のための端面膜は、レーザ光が伝搬する半導体メサの端面に設けられる。端面コート膜は、例えば誘電体反射膜を備え、誘電体反射膜の誘電体は、レーザ光に対して実質的に光吸収を示さない。発明者の知見によれば、端面膜として、半導体膜を用いることができる。半導体がバンドギャップ波長より短い波長の光を受けるとき、該半導体に照射された光は、一般に、バンドギャップ端の遷移により吸収される。このようなバンドギャップ端吸収の観点から、端面膜は、以下のようなバンドギャップ波長の条件を満たす半導体を備える：端面膜のための半導体は、発光源であるコア層（活性層）からの光の波長に比べて長いバンドギャップ波長を有する。このようなバンドギャップ波長条件は、半導体の端面膜による光吸収の顕在化を避けることを可能にする。

【0005】

発明者の検討によれば、端面膜の半導体が、コア層を構成する半導体に比べて大きなバンドギャップを持つとき、半導体の端面膜の屈折率は、端面膜の膜厚の変化に対して限定的である。具体的には、端面膜の半導体が、コア層を構成する半導体に比べて大きなバンドギャップを持つとき、端面膜の半導体の屈折率はコア層の屈折率に比べて低く、低い屈折率の端面膜でコア層の端面を覆う構造の反射率は、へき開端面の反射率の値以下である。

【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、半導体メサの端面上に設けられた半導体膜を備えると共に該半導体膜の厚さに応じた反射率を提供でき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】

【0007】

本発明の一側面に係る量子カスケード半導体レーザは、第１軸の方向に延在するコア層と、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する端面とを含み、基板の主面上に設けられた半導体メサと、前記半導体メサの前記端面上に設けられ前記コア層に接触を成す第１半導体膜を含む反射層と、を備え、前記コア層は、超格子構造を有し、前記超格子構造は、量子井戸層及びバリア層を含み、前記反射層の前記第１半導体膜は、前記量子井戸層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する。

【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、半導体メサの端面上に設けられた半導体膜を備えると共に該半導体膜の厚さに応じた端面反射率を提供でき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】

【0010】

【図1】図１は、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す平面図である。

【図2】図２は、量子カスケード半導体レーザのためのコア層の一例を示す図面である。

【図3】図３は、図１に示される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、構造Ｐ（単一の半導体膜）及び構造Ｃ（ＩｎＰ端面膜）における反射率の膜厚依存性を示す図面である。

【図5】図５は、第２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図面である。

【図6】図６は、構造Ｑ（二層の半導体膜）及び構造Ｃ（ＩｎＰ端面膜）における反射率の膜厚依存性を示す図面である。

【図7】図７は、図５に示されるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。

【図8】図８は、第３実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す図面である。

【図9】図９は、第４実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す図面である。

【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】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザは、（ａ）第１軸の方向に延在するコア層と、前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在する端面とを含み、基板の主面上の設けられた半導体メサと、（ｂ）前記半導体メサの前記端面上に設けられ前記コア層に接触を成す第１半導体膜を含む反射層と、を備え、前記コア層は、超格子構造を有し、前記超格子構造は、量子井戸層及びバリア層を含み、前記反射層の前記第１半導体膜は、前記量子井戸層のバンドギャップに等しい又はより小さいバンドギャップを有する。

【0013】

量子カスケード半導体レーザによれば、量子井戸層のバンドギャップ以下の第１半導体膜とコア層との組み合わせは、第１半導体膜の膜厚に応じて変化する端面反射率を提供できる。

【0014】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記反射層の前記第１半導体膜の材料は、前記量子井戸層の材料における構成元素及び組成に関して実質的に同一である。

【0015】

量子カスケード半導体レーザによれば、第１半導体膜の材料が量子井戸層の材料と実質的に同じであるので、第１半導体膜と量子井戸層との界面において欠陥の発生を低減できる。例えば、第１半導体膜が量子井戸層と同じ成長条件を用いて成長されるとき、第１半導体膜の材料は、量子井戸層の材料における構成元素及び組成の点で実質的に同一になる。

【0016】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記反射層の前記第１半導体膜は、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。

【0017】

量子カスケード半導体レーザによれば、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体は、第１半導体膜における光吸収、及び第１半導体膜を経由するリーク電流を低減できる。

【0018】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記反射層の前記第１半導体膜は、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＡｓＰの少なくともいずれかを備える。

【0019】

量子カスケード半導体レーザによれば、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＡｓＰは構成元素としてアルミニウムを含まず、これ故に、酸化による劣化を避けることができる。

【0020】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記反射層は、前記第１半導体膜より高い熱伝導率を有する材料からなる第２半導体膜を含み、前記第１半導体膜は前記第２半導体膜と前記半導体メサの前記端面との間に設けられる。

【0021】

量子カスケード半導体レーザによれば、第２半導体膜は、第１半導体膜を介して半導体メサの端面から伝わる熱の伝搬に寄与できる。

【0022】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記反射層の前記第２半導体膜は、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。

【0023】

量子カスケード半導体レーザによれば、アンドープ半導体及び半絶縁性半導体は、第２半導体膜における光吸収、及び第２半導体膜を経由するリーク電流を低減できる。

【0024】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記反射層の前記第２半導体膜はＩｎＰからなり、前記第２半導体膜は前記第１半導体膜に接合を成す。

【0025】

量子カスケード半導体レーザによれば、第１半導体膜に接合を成すＩｎＰは、コア層の端面からの熱を散逸させることを可能にする。

【0026】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザは、前記半導体メサの側面を埋め込む埋込領域を更に備え、前記埋込領域は、第１電流ブロック層を含み、前記半導体メサ及び前記埋込領域は、導波路メサを構成し、前記第１電流ブロック層の材料は、前記第１半導体膜の材料における構成元素及び組成に関して実質的に同一である。

【0027】

量子カスケード半導体レーザによれば、半導体メサの端面に加えて、半導体メサの側面を半導体で覆うことができる。

【0028】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第１電流ブロック層及び前記第１半導体膜は、単一の半導体層を構成する。

【0029】

量子カスケード半導体レーザによれば、第１電流ブロック層及び第１半導体膜を一緒に形成できる。

【0030】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記埋込領域は、第２電流ブロック層を更に含み、前記第１電流ブロック層は、前記第２電流ブロック層と前記半導体メサの前記側面との間に設けられ、前記第２電流ブロック層の材料は、前記第２半導体膜の材料における構成元素及び組成に関して実質的に同一である。

【0031】

量子カスケード半導体レーザによれば、第２電流ブロック層は、半導体メサ側面からの放熱に寄与できる。例えば、第２電流ブロック層が第２半導体膜と同じ成長条件で成長されるとき、第２電流ブロック層は、構成元素及び組成の点で第２半導体膜に同一になる。

【0032】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記第２電流ブロック層及び前記第２半導体膜は、単一の半導体層を構成する。

【0033】

量子カスケード半導体レーザによれば、第２電流ブロック層及び第２半導体膜を一緒に形成できる。

【0034】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザは、反射層上に設けられた絶縁層を更に含む。

【0035】

量子カスケード半導体レーザによれば、絶縁層は、反射層を保護すると共に、機械的な強度を補うことに寄与する。

【0036】

具体例に係る量子カスケード半導体レーザでは、前記基板は、前記第１軸に配列された第１端面及び第２端面を含み、前記基板の前記主面は、前記第１軸の方向に配列された第１エリア及び第２エリアを含み、前記半導体メサ及び前記反射層は、それぞれ、前記第１エリア及び前記第２エリア上に設けられ、前記第２エリアは、前記基板の前記第１端面の上縁に到達し、前記第１半導体膜は、前記端面上に設けられた第１部分と、前記第２エリア上に設けられた第２部分とを含み、前記第２部分は、前記第１端面の前記上縁から離れた縁を有する。

【0037】

量子カスケード半導体レーザによれば、第２部分の縁が、第１端面の上縁から離れており、第１半導体膜のための半導体層は、基板の第１端面を形成する分離工程における破断力を受けない。

【0038】

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に係る本発明の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。

【0039】

（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る分布帰還型量子カスケード半導体レーザを示す平面図である。図２は、量子カスケード半導体レーザのためのコア層の一例を示す図面である。図３は、図１に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。

【0040】

図１から図３を参照しながれら、実施形態に係る量子カスケード半導体レーザ１１を説明する。量子カスケード半導体レーザ１１は、レーザ構造体１３及び反射層１５を備える。レーザ構造体１３は、基板１７及び半導体積層領域１９を備える。基板１７の第１端面１７ａ及び第２端面１７ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。基板１７は、第１端面１７ａ及び第２端面１７ｂ、並びに主面１７ｃを含む。基板１７は、例えば半導体基板であることができ、具体的には、ｎ型ＩｎＰ基板であることができる。本実施例では、基板１７は導電性を有する。半導体積層領域１９は、第１メサ端面１９ａ、第２メサ端面１９ｂ、及び半導体メサ１９ｃを含む。第１メサ端面１９ａ及び第２メサ端面１９ｂは、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に延在する。第２軸Ａｘ２は、基板１７の主面１７ｃに交差する方向に延在する。反射層１５は、下地の半導体領域に接合を成す。本実施例では、反射層１５は、第１メサ端面１９ａ及び第２メサ端面１９ｂの各々の上に設けられている。反射層１５は、第１メサ端面１９ａ及び第２メサ端面１９ｂのいずれか一方に設けられるようにしてもよい。反射層１５は、コア層に接触を成す第１半導体膜１５ａを含む。第１半導体膜１５ａ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ことができる。第１半導体膜１５ａのアンドープ半導体及び半絶縁性半導体は、半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａ（必要な場合には、第２メサ端面１９ｂ）に接合を成す。

【0041】

基板１７の主面１７ｃは、第１エリア１７ｄ、第２エリア１７ｅ及び第３エリア１７ｆを含む。第１エリア１７ｄ、第２エリア１７ｅ及び第３エリア１７ｆは、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する第３軸Ａｘ３の方向に延在しており、第３エリア１７ｆは、第１エリア１７ｄと第２エリア１７ｅとの間に位置する。本実施例では、第３エリア１７ｆは、第１エリア１７ｄ及び第２エリア１７ｅに接している。

【0042】

第１エリア１７ｄは、半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａを第１端面１７ａに接続し、第２エリア１７ｅは、半導体メサ１９ｃの第２メサ端面１９ｂを第２端面１７ｂに接続する。第１半導体膜１５ａは、第１エリア１７ｄ（第２エリア１７ｅ）上の第１部分１５ａａ及び第１メサ端面１９ａ（第２メサ端面１９ｂ）上の第２部分１５ａｂを有する。第１部分１５ａａは、第１エリア１７ｄ（第２エリア１７ｅ）に沿って第１端面１７ａ（第２端面１７ｂ）から半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａ（第２メサ端面１９ｂ）の下端へ延在する。

【0043】

図１及び図２に示されるように、コア層２７ａは、超格子構造２９を有し、この超格子構造２９は量子井戸層２９ａ及びバリア層２９ｂを含む。反射層１５の第１半導体膜１５ａは、量子井戸層２９ａのバンドギャップに等しい、又はより小さいバンドギャップを有する。

【0044】

量子カスケード半導体レーザ１１によれば、量子井戸層２９ａのバンドギャップ以下の第１半導体膜１５ａとコア層２７ａとの組み合わせは、第１半導体膜１５ａの膜厚に応じて変化する端面反射率を提供できる。

【0045】

半導体メサ１９ｃは、基板１７上に成長される下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、回折格子層２７ｂ、上部クラッド層２７ｃ、及びコンタクト層２７ｄを備える。下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、回折格子層２７ｂ、上部クラッド層２７ｃ、及びコンタクト層２７ｄは、第１メサ端面１９ａ及び第２メサ端面１９ｂの一方から他方まで延在する。第１半導体膜１５ａは、下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、回折格子層２７ｂ、上部クラッド層２７ｃ、及びコンタクト層２７ｄの端面を覆う。また、第１半導体膜１５ａは、第１メサ端面１９ａの下端部に位置する第１基板端面１７ｉ（第２基板端面１７ｊ）を覆う。本実施例では、基板１７は、下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、回折格子層２７ｂ、上部クラッド層２７ｃ、及びコンタクト層２７ｄを搭載するリッジ部１７ｈを含み、リッジ部１７ｈは第１基板端面１７ｉから第２基板端面１７ｊまで延在する。

【0046】

量子カスケード半導体レーザは、キャリアとして単極のキャリア、例えば電子を利用し、伝導帯ＣＢにおけるサブバンド間における電子の遷移は、発光を生じさせる。図２を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１では、コア層２７ａは、発光のための複数の発光層３１（３１Ｕ、３１Ｄ）と、この発光層３１にキャリアを注入するための複数の注入層３３（３３Ｕ、３３Ｄ）とを含む。これら発光層３１及び注入層３３は交互に配列されており、発光層３１及び注入層３３の各々はＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの超格子列を含むことが好ましい。サブバンド遷移のための超格子構造は、発光層３１中には上準位ＵＬ、下準位ＬＬ１、及び緩和準位ＬＬ２の合計３つのサブバンド準位を提供できる。注入層３３には、ミニバンド１２が形成される。ミニバンド１２のエネルギー幅は、上流側の下準位ＬＬ２を下流側の上準位ＵＬに繋ぐために役立つ。具体的には、発光層３１内の量子井戸層２９ａ及びバリア層２９ｂの組成及び膜厚を適切に選択して上準位と下準位１のエネルギ差を調節したコア層は、３〜２０マイクロメートルの中赤外波長領域の発光を提供できる。量子井戸層２９ａは、例えばＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰを備え、バリア層２９ｂは、例えばＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓを備える。本実施例では、中赤外発光を可能にする量子井戸層２９ａ及びバリア層２９ｂは、それぞれ、ＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓを含む。これらの材料を超格子に用いるコア層２７ａによれば、量子カスケード半導体レーザ１１が伝導帯サブバンド間遷移により３〜２０マイクロメートルの中赤外波長領域におけるレーザ発振を可能にする。量子井戸層２９ａ及びバリア層２９ｂは、単位構造ＵＣを構成する。

【0047】

図２に示されるように、コア層２７ａは、発光層３１及び注入層３３から成る複数の単位構造ＵＣを含み、この単位構造ＵＣが数十周期の多段に接続される。発光層３１及び注入層３３の各々は、超格子を含み、超格子では、数ナノメートル厚の薄膜の量子井戸層２９ａと、同じく数ｎｍ厚の薄膜で量子井戸層２９ａよりも高バンドギャップのバリア層２９ｂとが交互に積層される。

【0048】

このコア層２７ａに電界を印加する。その印加によって発光層３１Ｕ（低電位側の発光層３１）の上準位ＵＬに電子が注入されて、上準位ＵＬ上の電子は下準位ＬＬ１に遷移する。この遷移により、両準位間のエネルギ差に対応する波長の発光が生じる。発光層３１Ｕ（低電位側の発光層３１）の下準位ＬＬ１に遷移した電子は、ＬＯフォノンを放出して、更にその下の緩和準位ＬＬ２へ高速に緩和する。緩和準位ＬＬ２の電子は、注入層３３Ｕ（低電位側の注入層３３）を経由して隣の単位構造ＵＣの発光層３１Ｄ（高電位側の発光層３１）の上準位ＵＬに注入される。この説明から理解されるように、緩和準位ＬＬ２は、下準位ＬＬ１に遷移した電子を高速に緩和させて下準位ＬＬ１のキャリアを枯渇させることによって、上準位ＵＬと下準位ＬＬ１との間でのキャリアの反転分布を維持するために用いられる。また、図２に示すように、注入層３３は、密集した多数のサブバンド準位からなるミニバンド１２と呼ばれる電子の輸送路として働くことができ、この輸送路を電子が通過して、次の発光層３１Ｄ（高電位側の発光層３１）にスムーズに注入される。発光層３１Ｄ（高電位側の発光層３１）に注入された電子は発光層３１Ｕ（低電位側の発光層３１）同様に発光遷移した後に、注入層３３Ｄ（高電位側の注入層３３）を経由して、更に高電位側の単位構造ＵＣの発光層３１に受け渡される。以下同様にして、多段に接続された単位構造ＵＣの各々において発光遷移が繰り返される。量子カスケード半導体レーザは、各単位構造における発光が足し合わされた光を提供する。

【0049】

このようにコア層２７ａは、発光層３１及び注入層３３を多段接続した構造を含む。発光層３１間に注入層３３を設けることにより、電子が高電位側の発光層に連続的に受け渡されて、伝導帯サブバンド間遷移による発光を効率よく生成できる。この説明から理解されるように、量子カスケード半導体レーザは、バンドギャップ遷移ではなく伝導帯内におけるサブバンド遷移、具体的には伝導帯サブバンド間の電子遷移により発光を生成する。

【0050】

レーザ構造体１３は、半導体メサ１９ｃを含み、また半導体メサ１９ｃとは別の半導体メサを備えることができる。レーザ構造体１３は、コア層２７ａのための第１半導体膜２５ａ、回折格子層２７ｂのための第２半導体層２５ｂ、上部クラッド層２７ｃのための第３半導体層２５ｃ、及びコンタクト層２７ｄのための第４半導体層２５ｄを含み、下部クラッド層２７ｅのための第５半導体層２５ｅを更に含むことができる。本実施例では、図１及び図３に示されるように、レーザ構造体１３は半導体メサ１９ｃを含み、半導体メサ１９ｃは、下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、回折格子層２７ｂ、上部クラッド層２７ｃ、及びコンタクト層２７ｄを含むことができる。量子カスケード半導体レーザ１１では、回折格子層２７ｂと上部クラッド層２７ｃとの界面は、周期的な屈折率変化を提供する回折格子ＧＲを構成する。

【0051】

量子カスケード半導体レーザ１１は、コンタクト層２７ｄ上に設けられた第１電極３０ａを備える。また、量子カスケード半導体レーザ１１は、基板１７の裏面１７ｇに接合を成す第２電極３０ｂを含む。第１電極３０ａ及び第２電極３０ｂは、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、またはＧｅ／Ａｕといった金属積層を備えることができる。必要な場合には、絶縁膜３７が第１電極３０ａと電流ブロック層３５ａとの間に設けられ、第１電極３０ａは、具体的には、絶縁膜３７の開口３７ａを介して半導体メサ１９ｃの上面に接触を成す。この絶縁膜３７は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ、ポリイミドといった誘電体絶縁膜を備えることができる。これらの膜は、スパッタ、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコートといった成膜法により形成されることができる。本実施例では、第１電極３０ａは、半導体メサ１９ｃの第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇ上に設けられて、半導体メサ１９ｃからの熱を受ける。また、第１電極３０ａは、第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇからに引き続き基板１７の主面１７ｃ上を延在する。第１電極３０ａは、第３エリア１７ｆ上に設けられて、半導体メサ１９ｃからの熱を放出することに寄与できる。

【0052】

図３を参照すると、量子カスケード半導体レーザ１１は、電流ブロック層３５を備え、電流ブロック層３５は、本実施例では半導体メサ１９ｃの側面１９ｆ、１９ｇ上に設けられる第１部分３５ａを含み、また第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇの下端から第３エリア１７ｆの側縁まで延在する第２部分３５ｂを含むことができる。本実施例では、第１部分３５ａは第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇを覆う。
量子カスケード半導体レーザ１１は、図３に示される埋め込みヘテロ構造を有することができる。電流ブロック層３５は、半導体メサ１９ｃの側面１９ｆ、１９ｇ上に設けられて、電流を半導体メサ１９ｃに閉じ込める。電流ブロック層３５は、高抵抗半導体を備え、高抵抗半導体は、例えばアンドープ又は半絶縁性半導体であることができる。好ましくは、半絶縁性半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に遷移金属（例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ）を添加して形成される。例えばＦｅドーパントを含むＩｎＰは、電子に対して例えば１０^５Ω・ｃｍ以上の高い比抵抗を半導体に提供でき、電流ブロック層３５として良好に機能する。可能な場合には、アンドープ半導体を電流ブロック層に適用できる。図３に示される埋め込みヘテロ構造では、電流ブロック層３５は、メサ側面上の第１部分３５ａだけでなく、基板１７の主面１７ｃ上の第２部分３５ｂを備える。電流ブロック層３５は、適切な厚さＨＣＢを有することができる。例えば、電流ブロック層３５が、半導体メサ１９ｃの高さにまで成長されて、素子表面を平坦化するのに必要な高さにＨＣＢを設定することができる。
電流ブロック層３５：アンドープ又は半絶縁性のＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ。

【0053】

本実施例では、電流ブロック層３５は、半導体メサ１９ｃの側面上に設けられた第１部分３５ａとして、第１半導体膜１５ａを含むことができる。

【0054】

電流ブロック層３５は、第１半導体膜１５ａと同じ半導体材料を備えることができる。電流ブロック層３５及び第１半導体膜１５ａは、同じ成膜工程において一括に形成される。同一工程における形成によれば、製造工程を簡素化でき、その結果、生産性向上、生産コストの低減を提供できる。

【0055】

電流ブロック層３５は、本実施例では半導体メサ１９ｃの側面上に設けられた第１部分３５ａとして、第１半導体膜１５ａを含むことができる。電流ブロック層は、半導体メサ１９ｃの側面上に設けられて、電流を半導体メサ１９ｃに閉じ込める。電流ブロック層３５は、高抵抗半導体を備え、高抵抗半導体は、例えばアンドープ又は半絶縁性半導体であることができる。

【0056】

引き続く説明における電流ブロック層３５は、第１半導体膜１５ａと同じ半導体材料を備えることができる。第１半導体膜１５ａが、半導体メサ１９ｃの第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇ上に設けられて、半導体メサ１９ｃのコア層２７ａの側面が高屈折率の半導体層により覆われる。これにより、導波光は半導体メサ１９ｃ内に、より拡散して分布するようになるため、導波路内の光密度が低下する。その結果、空間ホールバーニングや、ＣＯＤの発生等を抑制でき、量子カスケードレーザの出力特性や信頼性の改善が得られる。第１半導体膜１５ａは、第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇに接合を成す。第１半導体膜１５ａ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ことができる。半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａに接合を成すアンドープ半導体及び半絶縁性半導体は、第１メサ端面１９ａと第１半導体膜１５ａ（反射層１５）との界面におけるリーク電流、及び、第１半導体膜１５ａ（反射層１５）における自由キャリアによる光吸収を低減できる。また、第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇに沿って延在するアンドープ及び半絶縁性の半導体は、第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇと第１半導体膜１５ａ（電流ブロック層３５）との界面における、リーク電流、及び、第１半導体膜１５ａ（電流ブロック層３５）における自由キャリアによる光吸収を回避できる。

【0057】

（実施例）
図１、図２及び図３を参照しながら、量子カスケード半導体レーザ１１の実施例を説明する。量子カスケード半導体レーザ１１は、本体領域と、本体領域の両側に設けられた外部領域を含む。本体領域は、デバイスの中央部に位置し、埋め込みヘテロ構造を有しレーザ発振のための、半導体メサ１９ｃと電流ブロック層３５から構成される導波路メサ構造を含む。導波路メサ構造の半導体のメサ端面は、反射層１５で覆われる。半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａ上の第１半導体膜１５ａが、レーザ共振器の端面として機能する。本実施例では、反射層１５は、共振器ミラー構造のために、半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａ及び第２メサ端面１９ｂ上に設けられる。

【0058】

基板１７は、例えば半導体基板であることができ、半導体基板は、例えばｎ型ＩｎＰ基板である。基板１７は導電性を有することができる。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半導体と同じ格子定数又はこれに近い格子定数を有しており、ＩｎＰ基板は、この上に成長される下部クラッド層２７ｅ、コア層２７ａ、回折格子層２７ｂ、上部クラッド層２７ｃ、及びコンタクト層２７ｄのための半導体層に良好な結晶成長を提供できる。これらの半導体層は、例えば有機金属気相成長法又は分子線エピタキシーにより成長される。また、ＩｎＰは中赤外の光に対して実質的に透明である。ＩｎＰは、下部クラッド層として用いられる。

【0059】

上部クラッド層２７ｃ及び下部クラッド層２７ｅは、例えばｎ型ＩｎＰを備えることができる、また、ＩｎＰは２元混晶であって、基板のＩｎＰに格子整合する。従って、上部クラッド層２７ｃ、及び下部クラッド層２７ｅがＩｎＰから成ると、ＩｎＰ基板の下地に良好なクラッド層の結晶成長が可能となる。ＩｎＰのクラッド層は、ＩｎＰの熱伝導性の点で、コア層のために良好な放熱性を確保する。

【0060】

回折格子層２７ｂは、量子カスケードレーザに単一モード発振の為の分布帰還構造を提供できる。回折格子は、第１軸Ａｘ１の方向に延在しており、回折格子構造は、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成される。ブラッグ波長は、回折格子の周期ＰＲＤに応じて設定され、ブラッグ波長に対応した光が選択的に回折格子により反射されると共に共振器内で増幅される。この構造は、単一モード発振を可能にする。大きな結合係数を回折格子に提供するために、例えば高屈折率のアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓを用いることができる。

【0061】

コンタクト層２７ｄは、第１電極３０ａに良好なオーミックコンタクトを提供できる。コンタクト層２７ｄは、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓを備えることができ、ＧａＩｎＡｓは、低いバンドギャップである共にＩｎＰに格子整合可能である。コンタクト層２７ｄは、必要な場合に設けられる。

【0062】

必要な場合には、コア層２７ａと回折格子層２７ｂとの間に、及び／又はコア層２７ａと下部クラッド層２７ｅとの間に光閉じ込め領域を設けることができる。光閉じ込め領域の追加により、コア領域への導波光の閉じ込めを強化することができる。光閉じ込め領域は、クラッド層より高い屈折率を有する半導体材料からなり、ＩｎＰに格子整合可能な材料であることが望ましい。光閉じ込め領域は、例えばアンドープやｎ型のＧａＩｎＡｓを備えることができる。

【0063】

反射層１５を構成する第１半導体膜１５ａは、半導体の構成元素の酸化に起因する共振器端面（導波路の端面）の劣化を避けることができる。第１半導体膜１５ａのバンド間吸収による光の吸収を防ぐために、第１半導体膜１５ａは、コア層２７ａに係る発光のフォトンエネルギーより高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を備える。反射層１５自身の酸化を避けるために、第１半導体膜１５ａは、構成元素としてアルミニウムを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、例えばＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰを備えることができる。高抵抗のＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰは、遷移金属（例えば、Ｆｅ）の添加により提供される。第１半導体膜１５ａはメサ端面１９ａ、１９ｂ、及び第３エリア１７ｆ上に成長され、第１半導体膜１５ａの膜厚は、例えば第１エリア１７ｄ上において０．５〜１０マイクロメートルの範囲にある。

【0064】

第１半導体膜１５ａは、コア層２７ａ内の量子井戸層のバンドギャップに等しい又はより小さい半導体材料からなる。また、第１半導体膜１５ａが大気と接触する構造では、第１半導体膜１５ａは、構成元素としてアルミニウムを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることが望ましく、例えばＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰを含み、このような材料は、コア層の量子井戸層の材料と実質的に同じであることができる。半導体メサ１９ｃの端面（１９ａ、１９ｂ）に接する第１半導体膜１５ａがアルミニウムを含む場合、大気中の酸素及び／又は水分と反応する可能性がある。この反応に起因して、第１半導体膜１５ａに結晶欠陥が生成される。このような結晶欠陥は、非発光再結合として働く。非発光再結合の増加は、閾値電流の増加及び光出力の低下になる。また、非発光再結合中心は、静電放電（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：ＥＳＤ）及び光学損傷（ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｄａｍａｇｅ：ＣＯＤ）による端面破壊を引き起こす原因であって、信頼性を損なう源になり得る。従って、第１半導体膜１５ａには、アルミニウムを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、例えばＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰを用いるのが好ましい。第１半導体膜１５ａは、高抵抗の半導体材料で形成されることが望ましく、例えば、アンドープ又は半絶縁性の半導体を備えることが好ましい。半絶縁性半導体では、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏといった遷移金属をホストＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に添加されて、この添加によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の禁制帯中に深い準位が形成される。深い準位は、電子をトラップすることができ、これにより半絶縁性を提供できる。添加される遷移金属は、多くの場合に鉄（Ｆｅ）である。この遷移金属をドープすることにより、電子に対して例えば１０^５Ω・ｃｍ以上の高抵抗性が提供できる。或いは、アンドープ半導体の高抵抗性を受け入れることができるデバイスでは、第１半導体膜１５ａは、アンドープ半導体を備えることができる。高比抵抗の第１半導体膜１５ａは、デバイスの動作時において反射層１５を経由して流れるリーク電流を低減できる。反射層１５は、量子井戸層２９ａの半導体と同じ組成の半導体にＦｅといった遷移金属を不純物として添加して形成され、例えばこの半導体は、ＧａＩｎＡｓ及び／又はＧａＩｎＡｓＰを含むことができる。

【0065】

ｐｎ接合を有する半導体レーザ、例えば光通信用半導体レーザの発光は、半導体メサ内のコア層の量子井戸層の伝導帯と価電子帯との間における電子のバンド間遷移を利用する。この発光機構は、量子井戸層のバンドギャップにほぼ等しい波長の光を生成する。共振器のために、半導体メサの端面の反射層は、反射層に固有のバンド遷移により出射光を吸収することを防ぐために、量子井戸層のバンドギャップより高いバンドギャップの材料からなる。

【0066】

光通信用半導体レーザより長い波長の光を生成する量子カスケード半導体レーザにも、端面上の反射層は適用可能である。高バンドギャップを有する半導体の反射層は、半導体メサのコア層の屈折率より低い。高バンドギャップを有する半導体の反射層を半導体メサの端面に適用する構造では、量子カスケード半導体レーザのメサ端面が低屈折率の半導体層で覆われる。発明者の知見によれば、低屈折率の半導体層による被覆によれば、端面反射率は、高い屈折率の半導体層による被覆に比べて実効的に小さい。

【0067】

発明者の検討によれば、量子カスケード半導体レーザは、光通信用半導体レーザより長い波長の光を生成できる伝導帯のサブバンド遷移を利用する。サブバンド遷移による発光の波長は、コア層の量子井戸層の伝導帯と価電子帯との間における電子遷移のフォトンエネルギーに対応する光波長に比べて長く、これ故に、コア層の量子井戸層は、量子カスケード半導体レーザのサブバンド遷移からの光を吸収できない。量子カスケード半導体レーザのコア層の超格子は、量子井戸層に加えて、量子井戸層より高いバンドギャップと低い屈折率のバリア層を含む。超格子における量子井戸層及びバリア層の平均屈折率は、量子井戸層の半導体材料の屈折率より小さい。

【0068】

サブバンド間遷移で生じる中赤外光のフォトンエネルギーは、コア層の量子井戸層のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーより遥かに小さい。サブバンド間遷移で生じる中赤外光は、コア層の量子井戸層のバンドギャップエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備える反射層によって吸収されない。一方、反射層のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の屈折率は、コア層の超格子における平均屈折率より大きい。

【0069】

また、反射層の構成元素がコア層の量子井戸層の構成元素を含むとき、メサ端面のコア層上への結晶成長が容易になる。また、反射層の組成が量子井戸層の組成と同じであるとき、メサ端面への結晶成長における構成欠陥の生成が抑制される。

【0070】

コア層の量子井戸層のバンドギャップ以下の半導体の反射層をメサ端面上に設けることは、コア層の量子井戸層の伝導帯と価電子帯とのバンド遷移を利用するｐｎ接合半導体レーザでは可能ではなく、量子カスケード半導体レーザに特有なことである。

【0071】

以下の構造を有する量子カスケード半導体レーザのモデル（図１に示された構造を有する７．２３マイクロメートル帯の分布帰還型量子カスケード半導体レーザのモデル）を用いて、平面波近似により共振器端面の反射率を計算する。
本実施例の素子構造（反射膜の厚みに対する端面反射率の依存性を「構造Ｐ」として参照）。
真空中での発振波長；７．２３マイクロメートル。
基板：ｎ−ＩｎＰ。
コア層：ＧａＩｎＡｓ量子井戸／ＡｌＩｎＡｓバリア層から成る超格子列、ＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓはＩｎＰに格子整合する。
上側クラッド層：ｎ型ＩｎＰ。
下側クラッド層：ｎ型ＩｎＰ。
回折格子層：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
コンタクト層：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
第１半導体膜：ＦｅドープＧａＩｎＡｓ。

【0072】

別の構造（端面膜の厚みに対する反射率の依存性を「構造Ｃ」として参照）。
メサ端面上の端面膜：ＩｎＰ。

【0073】

図４は、構造Ｐ及び構造Ｃにおける反射率の膜厚依存性を示す。図４の横軸は、端面上の膜の厚さ（横軸の厚さは、発振波長ＲＡＭＤと、発振波長ＲＡＭＤにおける第１半導体膜の屈折率ｎとの比（ＲＡＭＤ／ｎ）により規格化されている）を示し、縦軸は、端面の反射率を示す。

【0074】

計算された反射率（構造Ｐ及び構造Ｃ）は、横軸の膜厚に対して、０．５ｘ（ＲＡＭＤ／ｎ）の周期で変化する。

【0075】

構造Ｃの反射率は、何れの膜厚においても、反射膜の膜厚ゼロにおける反射率の値２６．９％以下であり、膜厚０．２５ｘ（ＲＡＭＤ／ｎ）における反射率が最も低い。

【0076】

構造Ｐの反射率は、何れの膜厚においても、反射膜の膜厚ゼロにおける反射率の値２６．９％以上である。第１半導体膜の膜厚０．２５ｘ（ＲＡＭＤ／ｎ）における反射率が、膜厚ゼロにおける値より大きく、３１．５％である。

【0077】

構造Ｐによれば、メサ端面上の第１半導体膜により、高い反射率を共振器のための端面に提供できる。この反射率の増加により、閾値電流の低減を実現できる。例えば半導体メサの後端面上に第１半導体膜を設けて高反射を得ることができる。これにより、後端面のみが高反射化された構造では、前端面及び後端面の反射率の差により、半導体レーザの単一モード動作が容易になる。

【0078】

コア層の量子井戸層と同じＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ等の半導体材料を反射層の第１半導体膜に適用すると、メサ端面のコア端面において第１半導体膜を構成する原子は、コア層の量子井戸層と第１半導体膜との界面において量子井戸層の原子に結合して、量子井戸層及び第１半導体膜は結晶学的に一体化される。これにより、ダングリングボンドを生成することが無いため、界面欠陥の発生を抑制できる。量子井戸層と第１半導体膜のための半導体材料は、例えばＧａＩｎＡｓとＧａＩｎＡｓとの組み合わせのように同じ元素（Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ）を含む組成で構成されていればよく、それらの導電型は互いに一致していなくても良い。また、反射層の第１半導体膜にアンドープ又は半絶縁性の半導体を用いることにより、自由電子による光吸収を低減できる。好ましくは、反射層の第１半導体膜の半導体材料のバンドギャップ範囲は、当該量子カスケード半導体レーザの発振波長に対応するバンドギャップ値と同等以下である。

【0079】

（第２実施形態）
図５は、第２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断面図である。図５の断面は、第１実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す図１の断面に対応する。量子カスケード半導体レーザ１１ａでは、反射層１５が複数の半導体膜を備える。具体的には、反射層１５は、第１半導体膜１５ａ及び第２半導体膜１５ｂを含むことができる。半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａ上において、第２半導体膜１５ｂは第１半導体膜１５ａ上に設けられる。

【0080】

第１半導体膜１５ａは、量子井戸層のバンドギャップと同じ又はより小さい半導体材料を備え、例えば量子井戸層と同じＧａＩｎＡｓ及び／又はＧａＩｎＡｓＰを備えることができる。これらの半導体材料は、３元混晶または４元混晶であって、３元混晶及び４元混晶の熱伝導率は、２元混晶の熱伝導率より小さい。これ故に、第１半導体膜１５ａの熱伝導率は、２元混晶の熱伝導率より小さい。第１半導体膜１５ａの材料に起因する熱伝導率の限界を補うために、第２半導体膜１５ｂの材料は、第１半導体膜１５ａの材料の構成元素数より少ない構成元素を備えることがよい。具体的には、４元混晶の第１半導体膜１５ａは、２元混晶又は３元混晶の第２半導体膜１５ｂと組み合わされることができる。３元混晶の第１半導体膜１５ａは、２元混晶の第２半導体膜１５ｂと組み合わされることができる。典型的な二元混晶はＩｎＰである。ＩｎＰは、高い熱伝導を有するものであって、これを第２半導体膜１５ｂに用いれば、半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａの被覆が放熱性の悪化及び／又は端面における温度上昇を引き起こし、特性劣化や端面破壊が生じることを回避できる。ＩｎＰの熱伝導率はＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＡｓＰの熱伝導率より１桁程度高い値である。第１半導体膜１５ａはアンドープまたは半絶縁性の半導体からなる。また、第２半導体膜１５ｂがアンドープまたは半絶縁性の半導体からなることが好ましく、二元混晶の一例は、ＦｅドープＩｎＰである。
第１半導体膜１５ａの膜厚：一例として、０．５〜１０マイクロメートル。
第２半導体膜１５ｂの膜厚：一例として、０．５〜１０マイクロメートル。

【0081】

好ましくは、良好な熱伝導性を反射層１５に提供するためには、第１半導体膜１５ａの厚さを第２半導体膜１５ｂの厚さより薄くする。第１半導体膜１５ａは、高い反射率の点で反射率の向上に寄与し、第２半導体膜１５ｂは、高い熱伝導率の点で放熱性の向上に寄与できる。
材料の組み合わせの例示。
第１半導体膜１５ａ、第２半導体膜１５ｂ。
ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ及び／又はＩｎＰ。
ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ。
ＧａＩｎＡｓ及び／又はＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰ。
多層の反射層は、反射率の可変範囲の拡大、良好な熱伝導性、及び所望の機械的な強度を提供できる。多層の反射層は、素子放熱性の悪化及び端面温度上昇を効果的に抑制できる。

【0082】

図６は、構造Ｑ（二層の半導体膜）における反射率の膜厚依存性を示す。図６は、第１半導体膜１５ａにＧａＩｎＡｓを用い、その厚さを０．２５ｘ（ＲＡＭＤ／ｎ）（ＲＡＭＤは発振波長、ｎは発振波長ＲＡＭＤにおけるＧａＩｎＡｓの屈折率）で固定した場合において、更に第２半導体膜１５ｂにＩｎＰを用い、その厚さを変化させた時の端面反射率の第２半導体膜厚に対する依存性を計算した結果を示す。図６の横軸は、反射層の第２半導体膜の厚さ（横軸の厚さは、発振波長ＲＡＭＤと、発振波長ＲＡＭＤにおける第２半導体膜（ＩｎＰ膜）の屈折率ｎとの比（ＲＡＭＤ／ｎ）により規格化されている）を示し、縦軸は、反射率を示す。構造Ｑは、０．２５ｘ（ＲＡＭＤ／ｎ）厚のＧａＩｎＡｓ膜の第１半導体膜１５ａ、及びＩｎＰの第２半導体膜１５ｂを含む。構造Ｐだけでなく構造Ｑを用いた場合も、図４の構造Ｃにおける反射特性の屈折率の可変範囲より大きい。大きな反射率を得るためには、厚さ０．５ｘ（ＲＡＭＤ／ｎ）付近の第２半導体膜厚を反射層に適用する。小さい反射率を得るためには、厚さ０．２５ｘ（ＲＡＭＤ／ｎ）及び０．７５ｘ（ＲＡＭＤ／ｎ）付近の第２半導体膜厚を反射層に適用する。メサ端面における反射率２６．９％から離れた反射率をメサ端面に提供できる。

【0083】

図７は、図５に示されるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。量子カスケード半導体レーザ１１ａは、図７に示されるように、埋め込みヘテロ構造を有することができる。具体的には、量子カスケード半導体レーザ１１ａは、電流ブロック層３５を備え、電流ブロック層３５は、本実施例では半導体メサ１９ｃの側面上に設けられる第１部分３５ａを含み、また第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇの下端から第３エリア１７ｆの側縁まで主面１７ｃ上を延在する第２部分３５ｂを含むことができる。本実施例では、第１部分３５ａは第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇを覆う。電流ブロック層３５は、半導体メサ１９ｃの側面上に設けられて、電流を半導体メサ１９ｃに閉じ込める。電流ブロック層３５は、高抵抗半導体を備え、高抵抗半導体は、例えばアンドープ又は半絶縁性半導体であることができる。好ましくは、高抵抗半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に遷移金属を添加（例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ）して。半絶縁性半導体を得ることができる。例えばＦｅドーパントを含むＩｎＰは、電子に対して例えば１０^５Ω・ｃｍ以上の高抵抗特性を半導体に提供でき、電流ブロック層３５として良好に機能する。可能な場合には、アンドープ半導体を電流ブロック層に適用できる。
電流ブロック層３５：一例として、アンドープ又は半絶縁性のＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ。

【0084】

本実施例では、電流ブロック層３５は、半導体メサ１９ｃの側面上に設けられた第１半導体膜１５ａ及び第２半導体膜１５ｂを含むことができる。電流ブロック層３５は、反射層１５と同じ半導体材料を備えることができ、また反射層１５と同じ積層構造を有することができる。電流ブロック層３５は、第１半導体膜１５ａ及び第２半導体膜１５ｂと同じ成膜工程において一括に形成される。この形成によれば、製造工程を簡素化でき、その結果、生産性向上、生産コストの低減を提供できる。

【0085】

図７に示される埋め込みヘテロ構造では、電流ブロック層３５の第１部分３５ａは、第１半導体膜１５ａの第１部分１５ａａ及び第２半導体膜１５ｂの第１部分１５ｂａを含むことができ、また電流ブロック層３５の第２部分３５ｂは、第１半導体膜１５ａの第２部分１５ａｂ及び第２半導体膜１５ｂの第２部分１５ｂｂを備えることができる。

【0086】

引き続く説明における電流ブロック層３５は、第１半導体膜１５ａ及び第２半導体膜１５ｂと同じ半導体材料を備えることができる。電流ブロック層３５は、第１半導体膜１５ａ及び第２半導体膜１５ｂと同じ成膜工程において一括に形成される。一括形成によれば、製造工程を簡素化でき、その結果、生産性向上、生産コストの低減を提供できる。

【0087】

第１半導体膜１５ａ及び第２半導体膜１５ｂが、半導体メサ１９ｃの第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇ上に設けられて、半導体メサ１９ｃのコア層２７ａの側面が高屈折率の第１半導体膜１５ａにより覆われる。これにより、導波光は半導体メサ１９ｃ内に、より拡散して分布するようになるため、導波路内の光密度が低下する。その結果、空間ホールバーニングや、ＣＯＤの発生等を抑制でき、量子カスケードレーザの出力特性や信頼性の改善が得られる。第１半導体膜１５ａは、第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇに接合を成すことができる。第１半導体膜１５ａ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ので、第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇに接合を成すアンドープ半導体及び半絶縁性半導体は、第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇと第１半導体膜１５ａとの界面におけるリーク電流を低減できる。また、第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇに沿って延在するアンドープ及び半絶縁性の半導体は、低いキャリア濃度を有するので、自由キャリアによる光吸収を回避できる。

【0088】

必要な場合には、絶縁膜３７が第１電極３０ａと第２半導体膜１５ｂとの間に設けられる。この絶縁膜３７は、既に説明したように、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ、ポリイミドといった誘電体絶縁膜を備えることができる。これらの膜は、スパッタ、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコートといった成膜法により成膜されることができる。量子カスケード半導体レーザ１１ａは、コンタクト層２７ｄ上に設けられた第１電極３０ａを備え、具体的には、半導体メサ１９ｃの上面に絶縁膜３７の開口３７ａを介して接触を成す。

【0089】

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す断面である。図８の断面は、第１実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す図１に対応する。量子カスケード半導体レーザ１１ｂは、反射層１５上に設けられた絶縁膜３９を更に備えることができる。この絶縁膜３９は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ＢＣＢ、ポリイミドといった誘電体絶縁膜を備えることができる。これらの膜は、スパッタ、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコートといった成膜法により成膜されることができる。第３実施形態に係る反射層１５は、第１実施形態に示された第１半導体膜１５ａであることができ、或いは第２実施形態に示された第１半導体膜１５ａ及び第２半導体膜１５ｂの積層であることができる。

【0090】

反射層１５を被覆する絶縁膜３９は、振動、衝撃からの割れや欠けから反射層１５を保護でき、量子カスケード半導体レーザ１１ｂの機械的な強度を高めることができる。

【0091】

また、絶縁膜３９は、電流ブロック層３５と第１電極３０ａとの間に設けられる絶縁膜３７と同一の工程で一括して形成するようにしてもよい。この形成により、製造工程を簡素化でき、生産性向上及び生産コストの低減を提供できる。

【0092】

本実施形態では、絶縁膜３９は、第１メサ端面１９ａ及び第２メサ端面１９ｂの両方に設けられている。第１メサ端面１９ａ及び第２メサ端面１９ｂのいずれか一方に、絶縁膜３９は設けられていてもよい。

【0093】

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す断面である。図９の断面は、第１実施形態に係る量子カスケード半導体レーザを示す図１に対応する。量子カスケード半導体レーザ１１ｃでは、第１エリア１７ｄ（第２エリア１７ｅ）において、反射層１５の端１５ｃが、第１端面１７ａ（第２端面１７ｂ）から離れている。この離間の距離ＤＥは、例えば５〜５０マイクロメートルであることができる。

【0094】

量子カスケード半導体レーザ１１ｃの作製では、結晶成長によるエピ成長、フォトリソグラフィ及びエッチングによるメサ形成、結晶成長による反射層、及び電流ブロック層のための半導体膜の選択成長（及び加工）、保護膜の形成、及びメタライズによりウエハ生産物を形成すると共に、このウエハ生産物をへき開等により分割して、レーザバー及び半導体チップを形成する。この分割工程において、量子カスケード半導体レーザ１１ｃでは、反射層１５の端１５ｃが、分割地点となる第１端面１７ａ（第２端面１７ｂ）から離れているため、反射層１５は、素子分割のための押圧に起因する損傷を受けない。そのため、この分割の際に、反射層のための半導体薄膜が押圧により破断されることなく、レーザバー及び／又は半導体チップが形成される。

【0095】

量子カスケード半導体レーザ１１ｃの第１端面１７ａ及び第２端面１７ｂからから反射層１５の端１５ｃが離れている。また、第１メサ端面１９ａと第１端面１７ａとの距離は、例えば１０〜１００マイクロメートルであることができる。第１端面１７ａ及び第２端面１７ｂのいずれか一方から反射層１５の端１５ｃが離れているようにしてもよい。

【0096】

量子カスケード半導体レーザ１１ｃは、反射層１５の端１５ｃ及び反射層１５の表面を覆う絶縁膜３９を含む。本実施例では、絶縁膜３９は、第１端面１７ａ及び第２端面１７ｂに接している。絶縁膜３９が反射層１５を覆うと反射層１５の機械的強度が増加し、チップ分割時のダメージをより被りにくくなる。

【0097】

いくつかの実施形態を説明してきた。これらの実施形態において、半導体メサ１９ｃの第１メサ端面１９ａ及び第２メサ端面１９ｂ上に、同じ反射層１５が設けられている。第１メサ端面１９ａの反射層１５の材料及び／又は層数は、第２メサ端面１９ｂの反射層１５の材料及び／又は層数と異なっていてもよい。

【0098】

本実施形態に係る量子カスケード半導体レーザは、図３及び図７に示された埋込ヘテロ構造に代わりに、半導体メサ１９ｃの第１側面１９ｆ及び第２側面１９ｇに接触を成す絶縁層を、電流ブロック層として備えることができる。この絶縁層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮといった誘電体膜であることができる。

【0099】

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】

【0100】

以上説明したように、本実施形態によれば、端面コート膜として半導体膜を用い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】

【0101】

１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…量子カスケード半導体レーザ、１３…レーザ構造体、１５…反射層、１５ａ…第１半導体膜、１５ｂ…第２半導体膜、１５ａａ…第１部分、１５ａｂ…第２部分、１７…基板、１７ａ…第１端面、１７ｂ…第２端面、１７ｃ…主面、１７ｄ…第１エリア、１７ｅ…第２エリア、１７ｆ…第３エリア、１７ｈ…リッジ部、１９…半導体積層領域、１９ａ…第１メサ端面、１９ｂ…第２メサ端面、１９ｃ…半導体メサ、２７ａ…コア層、２７ｂ…回折格子層、２７ｃ…上部クラッド層、２７ｄ…コンタクト層、２７ｅ…下部クラッド層、３１…発光層、３３…注入層、Ａｘ１…第１軸、Ａｘ２…第２軸、Ａｘ３…第３軸。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】