特許 7411484 量子カスケードレーザ素子、量子カスケードレーザ装置及び量子カスケードレーザ装置の製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-12-27

(45)【発行日】2024-01-11

(54)【発明の名称】量子カスケードレーザ素子、量子カスケードレーザ装置及び量子カスケードレーザ装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/028 20060101AFI20231228BHJP

   H01S 5/062 20060101ALI20231228BHJP

   H01S 5/34 20060101ALI20231228BHJP

【ＦＩ】

H01S5/028

H01S5/062

H01S5/34

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020066834

(22)【出願日】2020-04-02

(65)【公開番号】P2021163922

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2022-11-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(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】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(72)【発明者】

【氏名】杉山 厚志

(72)【発明者】

【氏名】柴田 公督

(72)【発明者】

【氏名】藤田 和上

(72)【発明者】

【氏名】日▲高▼ 正洋

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０８８５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－００７２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－２９９５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－３１２４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０３１３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１１３９８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０７３７９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１４－０１２７０３４（ＫＲ，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】

半導体基板と、
量子カスケード構造を有する活性層を含み、光導波方向において対向する第１端面及び第２端面を有し、前記半導体基板上に形成された半導体積層体と、
前記半導体積層体における前記半導体基板とは反対側の表面に形成された第１電極と、
前記半導体基板における前記半導体積層体とは反対側の表面に形成された第２電極と、
前記第１端面に形成された反射防止膜と、を備え、
前記半導体積層体は、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光を発振するように構成されており、
前記反射防止膜は、
前記第１端面に形成されたＣｅＯ_２膜である絶縁膜と、
前記絶縁膜に対して前記第１端面とは反対側に配置されたＹＦ_３膜又はＣｅＦ_３膜である第１屈折率膜と、
前記第１屈折率膜に対して前記第１端面とは反対側において前記第１屈折率膜上に形成され、１．８よりも大きい屈折率を有する第２屈折率膜と、を含む、量子カスケードレーザ素子。

【請求項2】

前記反射防止膜は、前記絶縁膜と前記第１屈折率膜との間に配置された中間膜を更に含み、
前記中間膜は、前記絶縁膜上に形成されたＺｎＳ膜であり、
前記第１屈折率膜は、前記中間膜上に形成されたＹＦ_３膜であり、
前記第２屈折率膜は、ＺｎＳ膜である、請求項１に記載の量子カスケードレーザ素子。

【請求項3】

前記反射防止膜は、前記絶縁膜と前記第１屈折率膜との間に配置された中間膜を更に含み、
前記中間膜は、前記絶縁膜上に形成されたＺｎＳ膜であり、
前記第１屈折率膜は、前記中間膜上に形成されたＣｅＦ_３膜であり、
前記第２屈折率膜は、ＺｎＳ膜である、請求項１に記載の量子カスケードレーザ素子。

【請求項4】

前記第１屈折率膜は、前記絶縁膜上に形成されたＣｅＦ_３膜であり、
前記第２屈折率膜は、ＺｎＳ膜である、請求項１に記載の量子カスケードレーザ素子。

【請求項5】

前記絶縁膜の厚さは、１５０ｎｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子と、
前記量子カスケードレーザ素子を支持する支持部と、
前記半導体基板が前記半導体積層体に対して前記支持部側に位置した状態で、前記支持部が有する電極パッドと前記第２電極とを接合する接合部材と、
前記第１電極に接続されたワイヤと、
前記電極パッド及び前記ワイヤのそれぞれに電気的に接続され、前記量子カスケードレーザ素子を駆動する駆動部と、を備え、
前記反射防止膜は、前記第１端面から前記支持部及び前記ワイヤの少なくとも一方に至るように形成されている、量子カスケードレーザ装置。

【請求項7】

請求項１～５のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子と、
前記量子カスケードレーザ素子を支持する支持部と、
前記半導体積層体が前記半導体基板に対して前記支持部側に位置した状態で、前記支持部が有する電極パッドと前記第１電極とを接合する接合部材と、
前記第２電極に接続されたワイヤと、
前記電極パッド及び前記ワイヤのそれぞれに電気的に接続され、前記量子カスケードレーザ素子を駆動する駆動部と、を備え、
前記反射防止膜は、前記第１端面から前記支持部及び前記ワイヤの少なくとも一方に至るように形成されている、量子カスケードレーザ装置。

【請求項8】

前記駆動部は、前記量子カスケードレーザ素子がレーザ光をパルス発振するように前記量子カスケードレーザ素子を駆動する、請求項６又は７に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項9】

請求項６に記載の量子カスケードレーザ装置の製造方法であって、
前記量子カスケードレーザ素子、及び、電極パッドを有する支持部を用意し、前記半導体基板が前記半導体積層体に対して前記支持部側に位置した状態で、前記電極パッドと前記第２電極とを前記接合部材によって接合し、前記第１電極に前記ワイヤを接続する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記第１端面に前記反射防止膜を形成する第２工程と、を備える、量子カスケードレーザ装置の製造方法。

【請求項10】

請求項７に記載の量子カスケードレーザ装置の製造方法であって、
前記量子カスケードレーザ素子、及び、電極パッドを有する支持部を用意し、前記半導体積層体が前記半導体基板に対して前記支持部側に位置した状態で、前記電極パッドと前記第１電極とを前記接合部材によって接合し、前記第２電極に前記ワイヤを接続する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記第１端面に前記反射防止膜を形成する第２工程と、を備える、量子カスケードレーザ装置の製造方法。

【請求項11】

前記第２工程においては、前記第１端面から前記支持部及び前記ワイヤの少なくとも一方に至るように前記反射防止膜を形成する、請求項９又は１０に記載の量子カスケードレーザ装置の製造方法。

【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素子、量子カスケードレーザ装置及び量子カスケードレーザ装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の量子カスケードレーザ素子として、半導体基板と、半導体基板上に形成された半導体積層体と、半導体積層体における半導体基板とは反対側の表面に形成された第１電極と、半導体基板における半導体積層体とは反対側の表面に形成された第２電極と、を備える量子カスケードレーザ素子であって、活性層を含む半導体積層体が有する一対の端面のうちの一方の端面に、反射防止膜が形成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－２５４７６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光を発振し得る量子カスケードレーザ素子の需要が増えている。そのため、上述したような量子カスケードレーザ素子では、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光の反射率を確実に低減することができ、且つ十分な耐久性を確保することができる反射防止膜の実現が望まれる。

【0005】

本発明は、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜を備える量子カスケードレーザ素子、量子カスケードレーザ装置及び量子カスケードレーザ装置の製造方法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】

【0006】

本発明の量子カスケードレーザ素子は、半導体基板と、量子カスケード構造を有する活性層を含み、光導波方向において対向する第１端面及び第２端面を有し、半導体基板上に形成された半導体積層体と、半導体積層体における半導体基板とは反対側の表面に形成された第１電極と、半導体基板における半導体積層体とは反対側の表面に形成された第２電極と、第１端面に形成された反射防止膜と、を備え、半導体積層体は、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光を発振するように構成されており、反射防止膜は、第１端面に形成されたＣｅＯ_２膜である絶縁膜と、絶縁膜に対して第１端面とは反対側に配置されたＹＦ_３膜又はＣｅＦ_３膜である第１屈折率膜と、第１屈折率膜に対して第１端面とは反対側において第１屈折率膜上に形成され、１．８よりも大きい屈折率を有する第２屈折率膜と、を含む。

【0007】

この量子カスケードレーザ素子では、反射防止膜が、ＹＦ_３膜又はＣｅＦ_３膜である第１屈折率膜と、１．８よりも大きい屈折率を有する第２屈折率膜と、を含んでいる。これにより、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光の反射率を確実に低減することができる。更に、反射防止膜が、第１端面に形成されたＣｅＯ_２膜である絶縁膜を含んでいる。これにより、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対する透過性の確保、第１端面での短絡の防止、及び第１端面に対する反射防止膜の密着性の向上を実現することができる。したがって、反射防止膜について十分な耐久性を確保することができる。以上により、この量子カスケードレーザ素子によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜を実現することができる。

【0008】

本発明の量子カスケードレーザ素子では、反射防止膜は、絶縁膜と第１屈折率膜との間に配置された中間膜を更に含み、中間膜は、絶縁膜上に形成されたＺｎＳ膜であり、第１屈折率膜は、中間膜上に形成されたＹＦ_３膜であり、第２屈折率膜は、ＺｎＳ膜であってもよい。これによれば、反射防止膜を構成する各膜間の密着性を向上させることができる。

【0009】

本発明の量子カスケードレーザ素子では、反射防止膜は、絶縁膜と第１屈折率膜との間に配置された中間膜を更に含み、中間膜は、絶縁膜上に形成されたＺｎＳ膜であり、第１屈折率膜は、中間膜上に形成されたＣｅＦ_３膜であり、第２屈折率膜は、ＺｎＳ膜であってもよい。これによれば、反射防止膜を構成する各膜間の密着性を向上させることができる。

【0010】

本発明の量子カスケードレーザ素子では、第１屈折率膜は、絶縁膜上に形成されたＣｅＦ_３膜であり、第２屈折率膜は、ＺｎＳ膜であってもよい。これによれば、反射防止膜の構成の簡易化を図ることができる。

【0011】

本発明の量子カスケードレーザ素子では、絶縁膜の厚さは、１５０ｎｍ以下であってもよい。これによれば、ＣｅＯ_２膜である絶縁膜の品質を確保することができるため、結果として、反射防止膜を構成する各膜の品質を確保することができる。

【0012】

本発明の量子カスケードレーザ装置は、上記量子カスケードレーザ素子と、量子カスケードレーザ素子を支持する支持部と、半導体基板が半導体積層体に対して支持部側に位置した状態で、支持部が有する電極パッドと第２電極とを接合する接合部材と、第１電極に接続されたワイヤと、電極パッド及びワイヤのそれぞれに電気的に接続され、量子カスケードレーザ素子を駆動する駆動部と、を備え、反射防止膜は、第１端面から支持部及びワイヤの少なくとも一方に至るように形成されている。

【0013】

この量子カスケードレーザ装置では、反射防止膜が、第１端面から支持部及びワイヤの少なくとも一方に至るように形成されている。これにより、例えば、反射防止膜が支持部及びワイヤのいずれにも至っていない構成に比べ、反射防止膜が至っている支持部及びワイヤの少なくとも一方に、第１端面で発生した熱が逃げ易くなる。よって、この量子カスケードレーザ装置によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜を実現することができる。

【0014】

本発明の量子カスケードレーザ装置は、上記量子カスケードレーザ素子と、量子カスケードレーザ素子を支持する支持部と、半導体積層体が半導体基板に対して支持部側に位置した状態で、支持部が有する電極パッドと第１電極とを接合する接合部材と、第２電極に接続されたワイヤと、電極パッド及びワイヤのそれぞれに電気的に接続され、量子カスケードレーザ素子を駆動する駆動部と、を備え、反射防止膜は、第１端面から支持部及びワイヤの少なくとも一方に至るように形成されている。

【0015】

この量子カスケードレーザ装置では、反射防止膜が、第１端面から支持部及びワイヤの少なくとも一方に至るように形成されている。これにより、例えば、反射防止膜が支持部及びワイヤのいずれにも至っていない構成に比べ、反射防止膜が至っている支持部及びワイヤの少なくとも一方に、第１端面で発生した熱が逃げ易くなる。よって、この量子カスケードレーザ装置によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜を実現することができる。

【0016】

本発明の量子カスケードレーザ装置では、駆動部は、量子カスケードレーザ素子がレーザ光をパルス発振するように量子カスケードレーザ素子を駆動してもよい。これによれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光を、反射防止膜を介してパルス発振させることができる。また、例えば、量子カスケードレーザ素子がレーザ光を連続発振する構成に比べ、第１端面での発熱を抑制することができる。したがって、第１端面での発熱に起因して反射防止膜が劣化するのを抑制することができる。

【0017】

上記量子カスケードレーザ装置の製造方法であって、量子カスケードレーザ素子、及び、電極パッドを有する支持部を用意し、半導体基板が半導体積層体に対して支持部側に位置した状態で、電極パッドと第２電極とを接合部材によって接合し、第１電極にワイヤを接続する第１工程と、第１工程の後に、第１端面に反射防止膜を形成する第２工程と、を備える。

【0018】

この量子カスケードレーザ装置の製造方法では、支持部の電極パッドと量子カスケードレーザ素子の第２電極とを接合部材によって接合した後に、量子カスケードレーザ素子の第１端面に反射防止膜を形成する。これにより、電極パッドと第２電極との接合時の加熱に起因して反射防止膜が劣化する事態が回避される。よって、この量子カスケードレーザ装置の製造方法によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜を実現することができる。

【0019】

上記量子カスケードレーザ装置の製造方法であって、量子カスケードレーザ素子、及び、電極パッドを有する支持部を用意し、半導体積層体が半導体基板に対して支持部側に位置した状態で、電極パッドと第１電極とを接合部材によって接合し、第２電極にワイヤを接続する第１工程と、第１工程の後に、第１端面に反射防止膜を形成する第２工程と、を備える。

【0020】

この量子カスケードレーザ装置の製造方法では、支持部の電極パッドと量子カスケードレーザ素子の第１電極とを接合部材によって接合した後に、量子カスケードレーザ素子の第１端面に反射防止膜を形成する。これにより、電極パッドと第１電極との接合時の加熱に起因して反射防止膜が劣化する事態が回避される。よって、この量子カスケードレーザ装置の製造方法によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜を実現することができる。

【0021】

本発明の量子カスケードレーザ装置の製造方法では、第２工程においては、第１端面から支持部及びワイヤの少なくとも一方に至るように反射防止膜を形成してもよい。これによれば、反射防止膜が至っている支持部及びワイヤの少なくとも一方に、第１端面で発生した熱が逃げ易い量子カスケードレーザ装置を容易に且つ確実に得ることができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜を備える量子カスケードレーザ素子、量子カスケードレーザ装置及び量子カスケードレーザ装置の製造方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】一実施形態の量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図2】図１に示されるII－II線に沿っての量子カスケードレーザ素子の断面図である。

【図3】図２に示されるIII－III線に沿っての量子カスケードレーザ素子の断面図である。

【図4】図１に示される反射防止膜の拡大断面図である。

【図5】図４に示される反射防止膜を構成する各膜の数値の一例を示す表である。

【図6】図１に示される量子カスケードレーザ装置の製造方法を示す図である。

【図7】第１変形例の反射防止膜を構成する各膜の数値の一例を示す表である。

【図8】第２変形例の反射防止膜の拡大断面図である。

【図9】第２変形例の反射防止膜を構成する各膜の数値の一例を示す表である。

【図10】変形例の量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［量子カスケードレーザ装置の構成］

【0025】

図１に示されるように、量子カスケードレーザ装置１０は、量子カスケードレーザ素子１を備えている。図２及び図３に示されるように、量子カスケードレーザ素子１は、半導体基板２と、半導体積層体３と、絶縁膜４と、第１電極５と、第２電極６と、を備えている。半導体基板２は、例えば、長方形板状のＳドープＩｎＰ単結晶基板である。一例として、半導体基板２の長さは３ｍｍ程度であり、半導体基板２の幅は５００μｍ程度であり、半導体基板２の厚さは百数十μｍ程度である。以下の説明では、半導体基板２の幅方向をＸ軸方向といい、半導体基板２の長さ方向をＹ軸方向といい、半導体基板２の厚さ方向をＺ軸方向という。

【0026】

半導体積層体３は、半導体基板２の表面２ａに形成されている。半導体積層体３は、量子カスケード構造を有する活性層３１を含んでいる。半導体積層体３は、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光を発振するように構成されている。一例として、半導体積層体３は、中赤外領域の波長であって７．５～１６μｍのいずれかの値の中心波長を有するレーザ光を発振するように構成されている。本実施形態では、半導体積層体３は、下部クラッド層３２、下部ガイド層（図示省略）、活性層３１、上部ガイド層（図示省略）、上部クラッド層３３及びコンタクト層（図示省略）が半導体基板２側からこの順序で積層されることで構成されている。上部ガイド層は、分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）構造として機能する回折格子構造を有している。

【0027】

活性層３１は、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多重量子井戸構造を有する層である。下部クラッド層３２及び上部クラッド層３３のそれぞれは、例えば、ＳｉドープＩｎＰ層である。下部ガイド層及び上部ガイド層のそれぞれは、例えば、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。コンタクト層は、例えば、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。

【0028】

半導体積層体３は、Ｙ軸方向に沿って延在するリッジ部３０を有している。リッジ部３０は、下部クラッド層３２における半導体基板２とは反対側の部分、並びに、下部ガイド層、活性層３１、上部ガイド層、上部クラッド層３３及びコンタクト層によって構成されている。Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の幅は、Ｘ軸方向における半導体基板２の幅よりも小さい。Ｙ軸方向におけるリッジ部３０の長さは、Ｙ軸方向における半導体基板２の長さに等しい。一例として、リッジ部３０の長さは３ｍｍ程度であり、リッジ部３０の幅は数μｍ～十数μｍ程度であり、リッジ部３０の厚さは数μｍ程度である。リッジ部３０は、Ｘ軸方向において半導体基板２の中央に位置している。Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の両側には、半導体積層体３を構成する各層が存在していない。

【0029】

半導体積層体３は、リッジ部３０の光導波方向Ａにおいて対向する第１端面３ａ及び第２端面３ｂを有している。光導波方向Ａは、リッジ部３０の延在方向であるＹ軸方向に平行な方向である。第１端面３ａ及び第２端面３ｂは、光出射端面として機能する。第１端面３ａ及び第２端面３ｂのそれぞれは、Ｙ軸方向において対向する半導体基板２の両側面のそれぞれと同一平面上に位置している。

【0030】

絶縁膜４は、リッジ部３０における半導体基板２とは反対側の表面３０ａが露出するように、リッジ部３０の側面３０ｂ及び下部クラッド層３２の表面３２ａに形成されている。リッジ部３０の側面３０ｂは、Ｘ軸方向において対向するリッジ部３０の両側面のそれぞれである。下部クラッド層３２の表面３２ａは、下部クラッド層３２のうちリッジ部３０を構成していない部分における半導体基板２とは反対側の表面である。絶縁膜４は、例えば、ＳｉＮ膜又はＳｉＯ_２膜である。

【0031】

第１電極５は、半導体積層体３における半導体基板２とは反対側の表面３ｃに形成されている。半導体積層体３の表面３ｃは、リッジ部３０の表面３０ａ、リッジ部３０の側面３０ｂ及び下部クラッド層３２の表面３２ａによって構成された面である。Ｚ軸方向から見た場合に、第１電極５の外縁は、半導体基板２及び半導体積層体３の外縁の内側に位置している。第１電極５は、リッジ部３０の表面３０ａ上においてはリッジ部３０の表面３０ａに接触しており、リッジ部３０の側面３０ｂ上及び下部クラッド層３２の表面３２ａ上においては絶縁膜４に接触している。これにより、第１電極５は、コンタクト層を介して上部クラッド層３３に電気的に接続されている。

【0032】

第１電極５は、金属下地層５１と、金属メッキ層５２と、を有している。金属下地層５１は、半導体積層体３の表面３ｃに沿って延在するように形成されている。金属下地層５１は、例えば、Ｔｉ／Ａｕ層である。金属メッキ層５２は、リッジ部３０が金属メッキ層５２に埋め込まれるように金属下地層５１上に形成されている。金属メッキ層５２は、例えば、Ａｕメッキ層である。金属メッキ層５２における半導体基板２とは反対側の表面５２ａは、Ｚ軸方向に垂直な平坦面である。一例として、金属メッキ層５２の表面５２ａは、化学機械研磨によって平坦化された研磨面であり、金属メッキ層５２の表面５２ａには、研磨痕が形成されている。なお、リッジ部３０が金属メッキ層５２に埋め込まれるとは、金属メッキ層５２のうちＸ軸方向においてリッジ部３０の両側に位置する部分の厚さ（Ｚ軸方向における当該部分の厚さ）がＺ軸方向におけるリッジ部３０の厚さよりも大きい状態で、リッジ部３０が金属メッキ層５２に覆われることを意味する。

【0033】

第２電極６は、半導体基板２における半導体積層体３とは反対側の表面２ｂに形成されている。第２電極６は、例えば、ＡｕＧｅ／Ａｕ膜、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜又はＡｕ膜である。第２電極６は、半導体基板２を介して下部クラッド層３２に電気的に接続されている。

【0034】

図１に示されるように、量子カスケードレーザ装置１０は、支持部１１と、接合部材１２と、複数のワイヤ１５と、パルス駆動部（駆動部）１４と、を更に備えている。

【0035】

支持部１１は、本体部１１１と、電極パッド１１２と、を有している。支持部１１は、例えば、本体部１１１がＡｌＮによって形成されたサブマントである。支持部１１は、半導体基板２が半導体積層体３に対して支持部１１側に位置した状態（すなわち、エピサイドアップの状態）で、量子カスケードレーザ素子１を支持している。

【0036】

接合部材１２は、エピサイドアップの状態で、支持部１１の電極パッド１１２と量子カスケードレーザ素子１の第２電極６とを接合している。接合部材１２は、例えば、ＡｕＳｎ部材等の半田部材である。接合部材１２のうち電極パッド１１２と第２電極６との間に配置された部分の厚さは、例えば、数μｍ程度である。

【0037】

複数のワイヤ１５は、第１電極５に接続されている。各ワイヤ１５は、第１電極５（より具体的には、金属メッキ層５２の表面５２ａ）に対してワイヤボンディングが実施されることで、形成されたものである。第１電極５には、少なくとも１本のワイヤ１５が接続されていればよい。

【0038】

パルス駆動部１４は、電極パッド１１２及び各ワイヤ１５に電気的に接続されている。つまり、パルス駆動部１４は、量子カスケードレーザ素子１の第１電極５及び第２電極６のそれぞれに電気的に接続されている。パルス駆動部１４は、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光をパルス発振するように量子カスケードレーザ素子１を駆動する。レーザ光のパルス幅は、例えば２０～１０００ｎｓであり、レーザ光の繰り返し周波数は、例えば１～１０００ｋＨｚであり、Dutyは、例えば１０％以下である。

【0039】

量子カスケードレーザ素子１は、反射防止膜７を更に備えている。反射防止膜７は、第１端面３ａに形成されている。反射防止膜７は、第１端面３ａでのレーザ光の共振を抑制する機能、及び、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光が第１端面３ａから出射される際に、当該レーザ光の反射率を低減する機能を有している。本実施形態では、反射防止膜７は、第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に至るように形成されている。より具体的には、反射防止膜７は、第１端面３ａから、半導体基板２、第２電極６及び接合部材１２のそれぞれにおける第１端面３ａ側の表面を介して、支持部１１における第１端面３ａ側の表面（すなわち、電極パッド１１２及び本体部１１１のそれぞれにおける第１端面３ａ側の表面）に至っている。また、反射防止膜７は、第１端面３ａから、第１電極５における第１端面３ａ側の表面を介して、各ワイヤ１５の接続端部１５ａにおける第１端面３ａ側の表面に至っている。なお、図２及び図３では、反射防止膜７の図示が省略されている。

【0040】

図４に示されるように、反射防止膜７は、絶縁膜７１と、中間膜７２と、第１屈折率膜７３と、第２屈折率膜７４と、を含んでいる。絶縁膜７１は、半導体積層体３の第１端面３ａに形成されたＣｅＯ_２膜である。中間膜７２は、絶縁膜７１に対して第１端面３ａとは反対側において絶縁膜７１上に形成されたＺｎＳ膜である。第１屈折率膜７３は、中間膜７２に対して第１端面３ａとは反対側において中間膜７２上に形成されたＹＦ_３膜である。第２屈折率膜７４は、第１屈折率膜７３に対して第１端面３ａとは反対側において第１屈折率膜７３上に形成されたＺｎＳ膜である。絶縁膜７１は、第１端面３ａ上に直接的に（すなわち、他の膜等を介さずに）形成されている。中間膜７２は、絶縁膜７１上に直接的に形成されている。第１屈折率膜７３は、中間膜７２上に直接的に形成されている。第２屈折率膜７４は、第１屈折率膜７３上に直接的に形成されている。

【0041】

図５は、図４に示される反射防止膜７を構成する各膜の数値の一例を示す表である。図５において、「膜厚」の欄の「波長」は、半導体積層体３が発振するレーザ光の中心波長を示しており、「膜厚」の欄には、各「波長」のレーザ光の反射率を０．１％未満に低減し得る各膜の厚さが記載されている。ここで、反射防止膜７が第１屈折率膜７３及び第２屈折率膜７４を含んでいる理由について説明する。

【0042】

１種類の屈折率膜のみを含む反射防止膜では、レーザ光の中心波長をλとし、１種類の屈折率膜の屈折率をｎとし、１種類の屈折率膜の厚さをｔとすると、ｔ＝λ／４ｎの関係を満たすときに、当該反射防止膜がレーザ光の反射率を０．１％未満に低減し得る。ここで、ｎは、半導体積層体３の屈折率の平方根に相当するから、半導体積層体３の屈折率を３．２とすると、ｎ＝（３．２）^１／２≒１．８となる。しかし、７．５μｍ以上の波長を有する光に対して十分な透過性を有する材料であって１．８の屈折率を有する材料は、存在しない。そこで、反射防止膜７では、１．８よりも小さい屈折率を有する第１屈折率膜７３、及び１．８よりも大きい屈折率を有する第２屈折率膜７４によって、低反射率を実現している。

【0043】

なお、絶縁膜７１は、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対する透過性の確保、第１端面３ａでの短絡の防止、及び第１端面３ａに対する反射防止膜７の密着性の向上を実現し得る厚さを有していればよい。本実施形態では、絶縁膜７１の品質を確保する観点から、絶縁膜７１の厚さが１５０ｎｍ以下となっている。また、中間膜７２は、絶縁膜７１と第１屈折率膜７３との密着性の向上を実現し得る厚さを有していればよい。

【0044】

以上のように構成された量子カスケードレーザ装置１０では、パルス駆動部１４によって、量子カスケードレーザ素子１の活性層３１にパルス電圧が印加されると、活性層３１から光が発せられ、当該光のうち７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光が分布帰還構造において共振させられる。このとき、第１端面３ａには、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光の反射率を低減する機能を有する反射防止膜７が形成されている。これにより、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光が第１端面３ａから反射防止膜７を介してパルス発振される。
［量子カスケードレーザ装置の製造方法］

【0045】

上述した量子カスケードレーザ装置１０の製造方法について説明する。まず、図６の（ａ）に示されるように、量子カスケードレーザ素子１及び支持部１１を用意する。続いて、エピサイドアップの状態で、支持部１１の電極パッド１１２と量子カスケードレーザ素子１の第２電極６とを接合部材１２によって接合し、量子カスケードレーザ素子１の第１電極５に複数のワイヤ１５を接続する（第１工程）。

【0046】

続いて、図６の（ｂ）に示されるように、量子カスケードレーザ素子１の第１端面３ａに反射防止膜７を形成する（第２工程）。このとき、第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に至るように反射防止膜７を形成する。本実施形態では、絶縁膜７１、中間膜７２、第１屈折率膜７３、第２屈折率膜７４の順序で各膜を蒸着によって形成することで、反射防止膜７を形成する。続いて、図１に示されるように、電極パッド１１２及び各ワイヤ１５にパルス駆動部１４を電気的に接続し、量子カスケードレーザ装置１０を得る。

【0047】

なお、量子カスケードレーザ素子１は、一例として、次のように製造される。まず、それぞれが半導体基板２となる複数の部分を含む半導体ウェハの表面に、それぞれが半導体積層体３となる複数の部分を含む半導体層を形成する。続いて、半導体層において半導体積層体３となる部分がリッジ部３０を有するように、半導体層の一部をエッチングによって除去する。続いて、各リッジ部３０の表面３０ａが露出するように、それぞれが絶縁膜４となる複数の部分を含む絶縁層を半導体層上に形成する。続いて、各リッジ部３０の表面３０ａを覆うと共に絶縁層を覆うように、それぞれが金属下地層５１となる複数の部分を含む金属下地層を形成する。続いて、それぞれが金属メッキ層５２となる複数の金属メッキ層を金属下地層上に形成し、各金属メッキ層にリッジ部３０を埋め込む。続いて、各金属メッキ層の表面を研磨によって平坦化する。続いて、半導体ウェハの裏面を研磨して半導体ウェハを薄化し、それぞれが第２電極６となる複数の部分を含む電極層を半導体ウェハの裏面に形成する。続いて、半導体ウェハを劈開させ、複数の量子カスケードレーザ素子１を得る。
［作用及び効果］

【0048】

量子カスケードレーザ素子１では、反射防止膜７が、１．８よりも小さい屈折率を有する屈折率膜としてＹＦ_３膜である第１屈折率膜７３を含んでおり、１．８よりも大きい屈折率を有する屈折率膜としてＺｎＳ膜である第２屈折率膜７４を含んでいる。これにより、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光の反射率を確実に低減することができる。更に、反射防止膜７が、第１端面３ａに形成されたＣｅＯ_２膜である絶縁膜７１を含んでいる。これにより、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対する透過性の確保、第１端面３ａでの短絡の防止、及び第１端面３ａに対する反射防止膜７の密着性の向上を実現することができる。したがって、反射防止膜７について十分な耐久性を確保することができる。以上により、量子カスケードレーザ素子１によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜７を実現することができる。

【0049】

なお、１．８よりも小さい屈折率を有する材料としては、例えば、ＢａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２等が存在する。しかし、ＢａＦ_２は、成膜にした際に膜の表面のラフネスが大きくなるため、第１屈折率膜７３の材料として適切ではない。また、ＭｇＦ_２及びＣａＦ_２は、１０μｍ以上の波長を有する光を吸収するため、第１屈折率膜７３の材料として適切ではない。

【0050】

量子カスケードレーザ素子１では、中間膜７２が、絶縁膜７１上に形成されたＺｎＳ膜であり、第１屈折率膜７３が、中間膜７２上に形成されたＹＦ_３膜であり、第２屈折率膜７４が、第１屈折率膜７３上に形成されたＺｎＳ膜である。これにより、反射防止膜７を構成する各膜間の密着性を向上させることができる。

【0051】

量子カスケードレーザ素子１では、絶縁膜７１の厚さが１５０ｎｍ以下である。これにより、ＣｅＯ_２膜である絶縁膜７１の品質を確保することができるため、結果として、反射防止膜７を構成する各膜の品質を確保することができる。なお、絶縁膜７１を蒸着によって形成すると、絶縁膜７１の厚さが１５０ｎｍを超えた場合に絶縁膜７１の品質が劣化する。

【0052】

量子カスケードレーザ装置１０では、反射防止膜７が、量子カスケードレーザ素子１の第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に至るように形成されている。これにより、例えば、反射防止膜７が支持部１１及び各ワイヤ１５のいずれにも至っていない構成に比べ、第１端面３ａで発生した熱が支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に逃げ易くなる。よって、量子カスケードレーザ装置１０によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜７を実現することができる。

【0053】

量子カスケードレーザ装置１０では、パルス駆動部１４が、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光をパルス発振するように量子カスケードレーザ素子１を駆動する。これにより、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光を、反射防止膜７を介してパルス発振させることができる。また、例えば、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光を連続発振する構成に比べ、第１端面３ａでの発熱を抑制することができる。したがって、第１端面３ａでの発熱に起因して反射防止膜７が劣化するのを抑制することができる。

【0054】

量子カスケードレーザ装置１０の製造方法では、支持部１１の電極パッド１１２と量子カスケードレーザ素子１の第２電極６とを接合部材１２によって接合した後に、量子カスケードレーザ素子１の第１端面３ａに反射防止膜７を形成する。これにより、電極パッド１１２と第２電極６との接合時の加熱に起因して反射防止膜７が劣化する事態が回避される。よって、量子カスケードレーザ装置１０の製造方法によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜７を実現することができる。

【0055】

量子カスケードレーザ装置１０の製造方法では、量子カスケードレーザ素子１の第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に至るように反射防止膜７を形成する。これにより、第１端面３ａで発生した熱が支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に逃げ易い量子カスケードレーザ装置１０を容易に且つ確実に得ることができる。
［変形例］

【0056】

本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、活性層３１には、公知の量子カスケード構造を適用することができる。また、半導体積層体３には、公知の積層構造を適用することができる。一例として、半導体積層体３において、上部ガイド層は、分布帰還構造として機能する回折格子構造を有していなくてもよい。

【0057】

また、Ｚ軸方向から見た場合に、第１電極５のうちの金属下地層５１の外縁は、半導体基板２及び半導体積層体３の外縁に一致していてもよい。なお、Ｚ軸方向から見た場合に、第１電極５のうちの金属下地層５１の外縁が、少なくとも第１端面３ａ及び第２端面３ｂに一致していると、第１端面３ａ及び第２端面３ｂでの放熱性を確保することができる。

【0058】

また、第１電極５において、金属メッキ層５２は、研磨によって平坦化されていなくてもよい。また、第１電極５は、金属メッキ層５２を有しおらず、例えば、半導体積層体３の表面３ｃに沿って延在するように形成された金属膜であってもよい。

【0059】

また、図４及び図５に示される反射防止膜７では、第１屈折率膜７３がＹＦ_３膜ではなくＣｅＦ_３膜であってもよい（以下、「第１変形例の反射防止膜７」という）。第１変形例の反射防止膜７によっても、第１屈折率膜７３がＹＦ_３膜である場合と同様の理由により、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜７を実現することができる。また、反射防止膜７を構成する各膜間の密着性を向上させることができる。図７は、第１変形例の反射防止膜７を構成する各膜の数値の一例を示す表である。図７において、「膜厚」の欄の「波長」は、半導体積層体３が発振するレーザ光の中心波長を示しており、「膜厚」の欄には、各「波長」のレーザ光の反射率を０．１％未満に低減し得る各膜の厚さが記載されている。

【0060】

また、図４及び図５に示される反射防止膜７は、絶縁膜７１と第１屈折率膜７３との間に配置された中間膜７２を含んでいたが、反射防止膜７は、そのような中間膜７２を含んでいなくてもよい。つまり、第１屈折率膜７３は、絶縁膜７１に対して第１端面３ａとは反対側に配置されていればよい。

【0061】

一例として、図８に示されるように、反射防止膜７では、第１屈折率膜７３が、絶縁膜７１に対して第１端面３ａとは反対側において絶縁膜７１上に形成されたＣｅＦ_３膜であり、第２屈折率膜７４が、第１屈折率膜７３に対して第１端面３ａとは反対側において第１屈折率膜７３上に形成されたＺｎＳ膜であってもよい（以下、「第２変形例の反射防止膜７」という）。第２変形例の反射防止膜７では、第１屈折率膜７３が絶縁膜７１上に直接的に形成されており、第２屈折率膜７４が第１屈折率膜７３上に直接的に形成されている。第２変形例の反射防止膜７によれば、反射防止膜７の構成の簡易化を図ることができる。図９は、第２変形例の反射防止膜７を構成する各膜の数値の一例を示す表である。図９において、「膜厚」の欄の「波長」は、半導体積層体３が発振するレーザ光の中心波長を示しており、「膜厚」の欄には、各「波長」のレーザ光の反射率を０．１％未満に低減し得る各膜の厚さが記載されている。

【0062】

なお、ＣｅＯ_２膜である絶縁膜７１とＣｅＦ_３膜である第１屈折率膜７３との間では、十分な密着性を確保することができる。また、ＣｅＦ_３膜の機械的強度はＹＦ_３膜の機械的強度よりも小さいが、量子カスケードレーザ素子１及び支持部１１は筐体内に配置されるため、ＣｅＦ_３膜の機械的強度は、実用上、問題にならない。

【0063】

また、１．８よりも大きい屈折率を有する第２屈折率膜７４の材料としては、ＺｎＳｅ、Ｓｉ、Ｇｅ等が存在する。ただし、ＺｎＳｅは、毒性を有するため、第２屈折率膜７４の材料として適切ではない。

【0064】

また、量子カスケードレーザ素子１では、第２端面３ｂに絶縁膜を介して金属膜が形成されていてもよい。これにより、金属膜が反射膜として機能するため、第１端面から効率の良い光出力が得られる。

【0065】

また、図１０に示されるように、量子カスケードレーザ装置１０は、半導体積層体３が半導体基板２に対して支持部１１側に位置した状態（すなわち、エピサイドダウンの状態）で量子カスケードレーザ素子１が支持部１１に実装されたものであってもよい。

【0066】

図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０の構成について説明する。図１０に示されるように、量子カスケードレーザ装置１０は、量子カスケードレーザ素子１と、支持部１１と、接合部材１２と、複数のワイヤ１５と、パルス駆動部１４と、を備えている。

【0067】

支持部１１は、本体部１１１と、電極パッド１１２と、を有している。支持部１１は、例えば、本体部１１１がＡｌＮによって形成されたサブマントである。支持部１１は、エピサイドダウンの状態で、量子カスケードレーザ素子１を支持している。

【0068】

接合部材１２は、エピサイドダウンの状態で、支持部１１の電極パッド１１２と量子カスケードレーザ素子１の第１電極５とを接合している。接合部材１２は、例えば、ＡｕＳｎ部材等の半田部材である。接合部材１２のうち電極パッド１１２と第１電極５との間に配置された部分の厚さは、例えば、数μｍ程度である。

【0069】

複数のワイヤ１５は、第２電極６に接続されている。各ワイヤ１５は、第２電極６に対してワイヤボンディングが実施されることで、形成されたものである。第２電極６には、少なくとも１本のワイヤ１５が接続されていればよい。

【0070】

パルス駆動部１４は、電極パッド１１２及び各ワイヤ１５に電気的に接続されている。つまり、パルス駆動部１４は、量子カスケードレーザ素子１の第１電極５及び第２電極６のそれぞれに電気的に接続されている。パルス駆動部１４は、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光をパルス発振するように量子カスケードレーザ素子１を駆動する。

【0071】

図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０の製造方法について説明する。まず、量子カスケードレーザ素子１及び支持部１１を用意する。続いて、エピサイドダウンの状態で、支持部１１の電極パッド１１２と量子カスケードレーザ素子１の第１電極５とを接合部材１２によって接合し、量子カスケードレーザ素子１の第２電極６に複数のワイヤ１５を接続する（第１工程）。

【0072】

続いて、量子カスケードレーザ素子１の第１端面３ａに反射防止膜７を形成する（第２工程）。このとき、第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に至るように反射防止膜７を形成する。続いて、図１０に示されるように、電極パッド１１２及び各ワイヤ１５にパルス駆動部１４を電気的に接続し、量子カスケードレーザ装置１０を得る。

【0073】

以上説明したように、図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０では、反射防止膜７が、量子カスケードレーザ素子１の第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に至るように形成されている。これにより、例えば、反射防止膜７が支持部１１及び各ワイヤ１５のいずれにも至っていない構成に比べ、第１端面３ａで発生した熱が支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に逃げ易くなる。よって、図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜７を実現することができる。

【0074】

図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０では、パルス駆動部１４が、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光をパルス発振するように量子カスケードレーザ素子１を駆動する。これにより、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光を、反射防止膜７を介してパルス発振させることができる。また、例えば、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光を連続発振する構成に比べ、第１端面３ａでの発熱を抑制することができる。したがって、第１端面３ａでの発熱に起因して反射防止膜７が劣化するのを抑制することができる。

【0075】

図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０の製造方法では、支持部１１の電極パッド１１２と量子カスケードレーザ素子１の第１電極５とを接合部材１２によって接合した後に、量子カスケードレーザ素子１の第１端面３ａに反射防止膜７を形成する。これにより、電極パッド１１２と第１電極５との接合時の加熱に起因して反射防止膜７が劣化する事態が回避される。よって、図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０の製造方法によれば、７．５μｍ以上の中心波長を有するレーザ光に対して有効に機能する反射防止膜７を実現することができる。

【0076】

図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０の製造方法では、量子カスケードレーザ素子１の第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に至るように反射防止膜７を形成する。これにより、第１端面３ａで発生した熱が支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に逃げ易い量子カスケードレーザ装置１０を容易に且つ確実に得ることができる。

【0077】

なお、図１に示される量子カスケードレーザ装置１０、及び図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０では、支持部１１側にヒートシンク（図示省略）が設けられている。そのため、量子カスケードレーザ素子１がエピサイドダウンの状態で支持部１１に実装されている構成（図１０に示されるエピサイドダウンの構成）は、量子カスケードレーザ素子１がエピサイドアップの状態で支持部１１に実装されている構成（図１に示されるエピサイドアップの構成）に比べ、半導体積層体３の放熱性を確保し易い。したがって、パルス駆動部１４をＣＷ駆動部に置き換え、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光を連続発振するように量子カスケードレーザ素子１を駆動することを検討する場合には、反射防止膜の耐熱性については別途検討が必要であるものの、半導体積層体３の放熱性という観点では、エピサイドダウンの構成が有効である。ただし、条件等によっては、エピサイドアップ又はエピサイドダウンの構成において、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光をパルス発振するように駆動されることに限定されない。

【0078】

また、図１に示される量子カスケードレーザ装置１０、及び図１０に示される量子カスケードレーザ装置１０では、反射防止膜７は、第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の少なくとも一方に至るように形成されていればよい。つまり、量子カスケードレーザ装置１０の製造方法では、第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５の少なくとも一方に至るように反射防止膜７を形成すればよい。これにより、例えば、反射防止膜７が支持部１１及び各ワイヤ１５のいずれにも至っていない構成に比べ、第１端面３ａで発生した熱が支持部１１及び各ワイヤ１５の両方に逃げ易くなる。

【0079】

ただし、例えば、第１端面３ａで発生する熱量が問題にならないレベルである場合には、反射防止膜７は、支持部１１及びワイヤ１５のいずれにも至っていなくてもよい。つまり、量子カスケードレーザ装置１０の製造方法では、第１端面３ａから支持部１１及び各ワイヤ１５のいずれにも至らないように反射防止膜７を形成してもよい。

【符号の説明】

【0080】

１…量子カスケードレーザ素子、２…半導体基板、２ｂ…表面、３…半導体積層体、３ａ…第１端面、３ｂ…第２端面、３ｃ…表面、５…第１電極、６…第２電極、７…反射防止膜、１０…量子カスケードレーザ装置、１１…支持部、１２…接合部材、１４…パルス駆動部（駆動部）、１５…ワイヤ、３１…活性層、７１…絶縁膜、７２…中間膜、７３…第１屈折率膜、７４…第２屈折率膜、１１２…電極パッド、Ａ…光導波方向。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】