特許 7522185 量子カスケードレーザ素子及び量子カスケードレーザ装置

(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】2024-07-16

(45)【発行日】2024-07-24

(54)【発明の名称】量子カスケードレーザ素子及び量子カスケードレーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/34 20060101AFI20240717BHJP

   H01S 5/22 20060101ALI20240717BHJP

   H01S 5/0233 20210101ALI20240717BHJP

   H01S 5/042 20060101ALI20240717BHJP

【ＦＩ】

H01S5/34

H01S5/22

H01S5/0233

H01S5/042 612

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022512123

(86)(22)【出願日】2021-03-26

(86)【国際出願番号】 JP2021012900

(87)【国際公開番号】W WO2021200670

(87)【国際公開日】2021-10-07

【審査請求日】2023-09-12

(31)【優先権主張番号】P 2020066828

(32)【優先日】2020-04-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】落合 隆英

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－００９２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４７０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０３３８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５４７６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００９３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２９２３９０（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】

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２端面から、少なくとも前記第１電極における前記半導体積層体とは反対側の表面における前記第２端面側の領域に、一続きで形成された絶縁膜と、
前記光導波方向から見た場合に少なくとも前記活性層を覆うように、前記絶縁膜上に形成された金属膜と、を備え、
前記第１電極は、前記半導体基板の厚さ方向において前記半導体積層体の前記表面と前記第１電極の前記表面との間に位置しており且つ前記光導波方向から見た場合に前記第２端面よりも内側に位置している側面を有し、
前記金属膜は、前記第２端面と前記第１電極の前記側面との間において前記絶縁膜上に至っており、
前記金属膜の外縁は、前記光導波方向から見た場合に前記第１電極の前記表面に至っていない、量子カスケードレーザ素子。

【請求項2】

前記半導体積層体は、リッジ部を有する、請求項１に記載の量子カスケードレーザ素子。

【請求項3】

前記金属膜のうち前記第２端面に形成された部分の厚さは、前記絶縁膜のうち前記第２端面に形成された部分の厚さよりも大きい、請求項１又は２に記載の量子カスケードレーザ素子。

【請求項4】

前記第１電極のうち前記半導体基板の厚さ方向において前記活性層に対応する部分の厚さは、前記金属膜のうち前記第２端面に形成された部分の厚さよりも大きい、請求項１～３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5】

前記絶縁膜は、Ａｌ_２Ｏ_３膜又はＣｅＯ_２膜である、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駆動する駆動部と、を備える、量子カスケードレーザ装置。

【請求項7】

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、を更に備える、請求項６に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項8】

前記第１電極のうち前記半導体基板の厚さ方向において前記活性層に対応する部分の厚さは、前記接合部材のうち前記電極パッドと前記第１電極との間に配置された部分の厚さよりも大きい、請求項７に記載の量子カスケードレーザ装置。

【請求項9】

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連続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６～８のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、量子カスケードレーザ素子及び量子カスケードレーザ装置に関する。

【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、絶縁膜を介して金属膜が設けられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような量子カスケードレーザ素子では、金属膜が反射膜として機能しつつ一対の端面のうちの他方の端面が光出射面として機能するため、効率の良い光出力を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－９３４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したような量子カスケードレーザ素子をサブマウント等の支持部に実装する際には、半田部材等の接合部材を用いて、支持部の電極パッドに第１電極又は第２電極を接合する場合がある。その場合に、接合部材が金属膜に付着すると、量子カスケードレーザ素子の光出力特性が劣化するおそれがある。その対策として、接合部材が金属膜に付着しないように金属膜を絶縁部材で覆うことも考えられる。しかし、そのような構成では、活性層で発生した熱がこもり易くなり、結果として、量子カスケードレーザ素子の光出力特性が劣化するおそれがある。

【0005】

本開示は、光出力特性の劣化を抑制しつつ効率の良い光出力を得ることができる量子カスケードレーザ素子及び量子カスケードレーザ装置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】

本開示の一側面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２端面から、第１電極における半導体積層体とは反対側の表面及び第２電極における半導体基板とは反対側の表面のうちの少なくとも一方の表面における第２端面側の領域に、一続きで形成された絶縁膜と、光導波方向から見た場合に少なくとも活性層を覆うように、絶縁膜上に形成された金属膜と、を備え、金属膜の外縁は、光導波方向から見た場合に一方の表面に至っていない。

【0007】

この量子カスケードレーザ素子では、半導体積層体が有する第１端面及び第２端面のうちの第２端面に、絶縁膜を介して金属膜が設けられている。これにより、金属膜が反射膜として機能しつつ第１端面が光出射面として機能するため、効率の良い光出力が得られる。更に、絶縁膜が、半導体積層体の第２端面から、第１電極の表面及び第２電極の表面のうちの少なくとも一方の表面における第２端面側の領域に、一続きで形成されており、絶縁膜上に形成された金属膜の外縁が、光導波方向から見た場合に当該一方の表面（すなわち、絶縁膜が形成された領域を含む電極（以下、「絶縁膜が回り込んだ電極」という）の表面）に至っていない。これにより、量子カスケードレーザ素子を支持部に実装するために、接合部材を用いて、絶縁膜が回り込んだ電極を支持部の電極パッドに接合する場合に、溶融した接合部材が金属膜に至り難くなる。しかも、例えば金属膜を絶縁部材で覆うような構成に比べ、活性層で発生した熱がこもり難くなる。これらのことから、量子カスケードレーザ素子の光出力特性の劣化が抑制される。以上により、この量子カスケードレーザ素子によれば、光出力特性の劣化を抑制しつつ効率の良い光出力を得ることができる。

【0008】

本開示の一側面の量子カスケードレーザ素子では、半導体積層体は、リッジ部を有してもよい。これによれば、上述した絶縁膜及び金属膜の構成によって効率の良い光出力を確保しつつ、量子カスケードレーザ素子の駆動電流を低減して、量子カスケードレーザ素子の低消費電力化を図ることができる。このとき、活性層が狭小化された分だけ、第１端面及び第２端面のそれぞれにおいて光密度が高くなるが、上述した絶縁膜及び金属膜の構成によって放熱性が確保されているため、量子カスケードレーザ素子の光出力特性が劣化するのを抑制することができる。

【0009】

本開示の一側面の量子カスケードレーザ素子では、金属膜のうち第２端面に形成された部分の厚さは、絶縁膜のうち第２端面に形成された部分の厚さよりも大きくてもよい。これによれば、厚さの関係が逆である場合に比べ、絶縁膜及び金属膜が形成された第２端面での放熱性を向上させることができる。

【0010】

本開示の一側面の量子カスケードレーザ素子では、絶縁膜は、第２端面から、少なくとも第１電極の表面における第２端面側の領域に、一続きで形成されており、金属膜の外縁は、光導波方向から見た場合に第１電極の表面に至っていなくてもよい。これによれば、絶縁膜が回り込んだ電極である第１電極を支持部の電極パッドに接合することで、第２電極を支持部の電極パッドに接合する場合に比べ、活性層を支持部に近付けることができる。したがって、活性層で発生した熱を効率良く支持部側に逃がすことができる。

【0011】

本開示の一側面の量子カスケードレーザ素子では、第１電極のうち半導体基板の厚さ方向において活性層に対応する部分の厚さは、金属膜のうち第２端面に形成された部分の厚さよりも大きくてもよい。これによれば、絶縁膜が回り込んだ電極である第１電極を支持部の電極パッドに接合した場合に、活性層で発生した熱をより効率良く支持部側に逃がすことができる。

【0012】

本開示の一側面の量子カスケードレーザ素子では、絶縁膜は、Ａｌ_２Ｏ_３膜又はＣｅＯ_２膜であってもよい。これによれば、溶融した接合部材が絶縁膜に対して濡れ難くなるため、溶融した接合部材が金属膜に至るのをより確実に抑制することができる。

【0013】

本開示の一側面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駆動する駆動部と、を備える。

【0014】

この量子カスケードレーザ装置によれば、光出力特性の劣化を抑制しつつ効率の良い光出力を得ることができる。

【0015】

本開示の一側面の量子カスケードレーザ装置は、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、を更に備え、絶縁膜は、第２端面から、少なくとも第１電極の表面における第２端面側の領域に、一続きで形成されており、金属膜の外縁は、光導波方向から見た場合に第１電極の表面に至っていなくてもよい。これによれば、活性層で発生した熱を効率良く支持部側に逃がすことができる。

【0016】

本開示の一側面の量子カスケードレーザ装置では、第１電極のうち半導体基板の厚さ方向において活性層に対応する部分の厚さは、接合部材のうち電極パッドと第１電極との間に配置された部分の厚さよりも大きくてもよい。これによれば、量子カスケードレーザ素子を支持部に実装する際に、溶融した接合部材が金属膜に至るのをより確実に抑制し得るように、光導波方向から見た場合における金属膜の外縁と第１電極の表面との距離を十分に確保することができる。

【0017】

本開示の一側面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連続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。量子カスケードレーザ素子がレーザ光を連続発振する場合には、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場合に比べ、活性層での発熱量が大きくなるため、上述した量子カスケードレーザ素子の構成は、特に有効である。

【発明の効果】

【0018】

本開示によれば、光出力特性の劣化を抑制しつつ効率の良い光出力を得ることができる量子カスケードレーザ素子及び量子カスケードレーザ装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、一実施形態の量子カスケードレーザ素子の断面図である。

【図2】図２は、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３は、図１に示される量子カスケードレーザ素子の製造方法を示す図である。

【図4】図４は、図１に示される量子カスケードレーザ素子の製造方法を示す図である。

【図5】図５は、図１に示される量子カスケードレーザ素子の製造方法を示す図である。

【図6】図６は、図１に示される量子カスケードレーザ素子を備える量子カスケードレーザ装置の断面図である。

【図7】図７は、変形例の量子カスケードレーザ素子の断面図である。

【図8】図８は、図７に示される量子カスケードレーザ素子の製造方法を示す図である。

【図9】図９は、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】

【0020】

以下、本開示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素子の構成］

【0021】

図１及び図２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、絶縁膜７と、金属膜８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２ｍｍ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。

【0022】

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、所定の中心波長（例えば、中赤外領域の波長であって、４～１１μｍ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。

【0023】

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。

【0024】

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２ｍｍ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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

絶縁膜７は、半導体積層体３の第２端面３ｂから、第１電極５の表面５ａにおける第２端面３ｂ側の領域５ｒ及び第２電極６の表面６ａにおける第２端面３ｂ側の領域６ｒに、一続きで形成されている。表面５ａは、第１電極５における半導体積層体３とは反対側の表面（本実施形態では、金属メッキ層５２の表面５２ａ）ある。表面６ａは、第２電極６における半導体基板２とは反対側の表面である。本実施形態では、絶縁膜７は、半導体積層体３の第２端面３ｂ、半導体積層体３の表面３ｃにおける第２端面３ｂ側の領域３ｒ、第１電極５における第２端面３ｂ側の側面５ｂ、第１電極５の表面５ａにおける第２端面３ｂ側の領域５ｒ、半導体基板２における第２端面３ｂ側の側面２ｃ、第２電極６における第２端面３ｂ側の側面６ｂ、及び第２電極６の表面６ａにおける第２端面３ｂ側の領域６ｒに沿って延在するように、形成されている。

【0031】

金属膜８は、光導波方向Ａから見た場合に活性層３１を覆うように（つまり、光導波方向Ａから見た場合に活性層３１を含むように）、絶縁膜７上に形成されている。本実施形態では、金属膜８は、半導体積層体３の第２端面３ｂ、半導体積層体３の表面３ｃにおける第２端面３ｂ側の領域３ｒ、半導体基板２における第２端面３ｂ側の側面２ｃ、第２電極６における第２端面３ｂ側の側面６ｂ、及び第２電極６の表面６ａにおける第２端面３ｂ側の領域６ｒに沿って延在するように、絶縁膜７上のみに形成されている。金属膜８の外縁８０は、光導波方向Ａから見た場合に第１電極５の表面５ａに至っていない。本実施形態では、金属膜８の外縁８０における第１電極５側の部分８０ａは、半導体積層体３の表面３ｃにおける第２端面３ｂ側の領域３ｒ上に位置しており、金属膜８の外縁８０における第２電極６側の部分８０ｂは、第２電極６の表面６ａにおける第２端面３ｂ側の領域６ｒ上に位置している。

【0032】

金属膜８のうち第２端面３ｂに形成された部分の厚さは、絶縁膜７のうち第２端面３ｂに形成された部分の厚さよりも大きい。第１電極５のうちＺ軸方向において活性層３１に対応する部分の厚さは、金属膜８のうち第２端面３ｂに形成された部分の厚さよりも大きい。絶縁膜７のうち第２端面３ｂに形成された部分の厚さは、例えば、３００ｎｍ程度である。金属膜８のうち第２端面３ｂに形成された部分の厚さは、例えば、５００ｎｍ程度である。第１電極５のうちＺ軸方向において活性層３１に対応する部分の厚さは、例えば、５μｍ以上である。なお、或る部分の厚さとは、当該部分の厚さが一定でない場合には、当該部分の厚さの平均値を意味する。

【0033】

本実施形態では、絶縁膜７は、Ａｌ_２Ｏ_３膜又はＣｅＯ_２膜であり、金属膜８は、Ａｕ膜である。４～７．５μｍ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半導体積層体３が構成されている場合には、絶縁膜７は、４～７．５μｍの波長を有する光に対して透過性を有するＡｌ_２Ｏ_３膜であることが好ましい。７．５～１１μｍ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半導体積層体３が構成されている場合には、絶縁膜７は、７．５～１１μｍの波長を有する光に対して透過性を有するＣｅＯ_２膜であることが好ましい。４～１１μｍ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半導体積層体３が構成されている場合には、金属膜８は、４～１１μｍの波長を有する光に対して反射膜として有効に機能するＡｕ膜であることが好ましい。

【0034】

以上のように構成された量子カスケードレーザ素子１では、第１電極５及び第２電極６を介して活性層３１にバイアス電圧が印加されると、活性層３１から光が発せられ、当該光のうち所定の中心波長を有する光が分布帰還構造において共振させられる。このとき、第２端面３ｂに形成された金属膜８が反射膜として機能する。これにより、第１端面３ａが光出射面として機能し、所定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。
［量子カスケードレーザ素子の製造方法］

【0035】

上述した量子カスケードレーザ素子１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。まず、図３の（ａ）に示されるように、それぞれが量子カスケードレーザ素子１となる複数の部分１１０を含むウェハ１００を形成する。ウェハ１００では、Ｘ軸方向を行方向とし且つＹ軸方向（すなわち、量子カスケードレーザ素子１となる部分１１０の光導波方向Ａ）を列方向として、複数の部分１１０がマトリックス状に配列されている。一例として、ウェハ１００は、次のような方法によって製造される。

【0036】

すなわち、ウェハ１００の製造方法は、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工程と、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工程と、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工程と、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工程と、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を埋め込む工程と、各金属メッキ層の表面を研磨によって平坦化する工程と、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工程と、を備える方法である。

【0037】

続いて、Ｘ軸方向に沿ってウェハ１００を劈開させることで、図３の（ｂ）に示されるように、複数のレーザバー２００を得る。各レーザバー２００では、複数の部分１１０がＸ軸方向に沿って１次元に配列されている。各レーザバー２００は、Ｙ軸方向において対向する一対の端面２００ａ，２００ｂを有している。端面２００ａは、Ｘ軸方向に沿って１次元に配列された複数の第１端面３ａを含んでおり、端面２００ｂは、Ｘ軸方向に沿って１次元に配列された複数の第２端面３ｂを含んでいる。

【0038】

続いて、図４の（ａ）に示されるように、レーザバー２００のうち端面２００ｂを含む部分２１０の表面に絶縁層７００を形成し、絶縁層７００上に金属層８００を形成する。絶縁層７００は、それぞれが絶縁膜７となる複数の部分を含む層であり、金属層８００は、それぞれが金属膜８となる複数の部分を含む層である。続いて、Ｙ軸方向に沿ってレーザバー２００を劈開させることで、図４の（ｂ）に示されるように、複数の量子カスケードレーザ素子１を得る。

【0039】

レーザバー２００における絶縁層７００及び金属層８００の形成について、図５を参照して説明する。まず、図５の（ａ）に示されるように、複数のレーザバー２００及び複数のダミーバー３００を用意する。Ｙ軸方向におけるダミーバー３００の長さは、Ｙ軸方向におけるレーザバー２００の長さよりも小さい。Ｘ軸方向におけるダミーバー３００の長さは、Ｘ軸方向におけるレーザバー２００の長さ以上である。

【0040】

続いて、各レーザバー２００の端面２００ａ及び各ダミーバー３００の端面３００ａ（Ｙ軸方向における各ダミーバー３００の一方の端面）を同一平面上に位置させた状態で、Ｚ軸方向において隣り合うようにレーザバー２００とダミーバー３００とを交互に配置し、複数のレーザバー２００及び複数のダミーバー３００を保持部材（図示省略）で保持する。これにより、各レーザバー２００の部分２１０が、隣り合うダミーバー３００の端面３００ｂ（Ｙ軸方向における各ダミーバー３００の他方の端面）に対して突出することになる。この状態でＡｌ_２Ｏ_３又はＣｅＯ_２のスパッタを実施することで、各レーザバー２００の部分２１０の表面に絶縁層７００を形成する。

【0041】

続いて、図５の（ｂ）に示されるように、複数のダミーバー４００を用意する。Ｙ軸方向におけるダミーバー４００の長さは、Ｙ軸方向におけるダミーバー３００の長さよりも大きく、Ｙ軸方向におけるレーザバー２００の長さよりも小さい。Ｘ軸方向におけるダミーバー４００の長さは、Ｘ軸方向におけるレーザバー２００の長さ以上である。なお、図５の（ｂ）では、各レーザバー２００の部分２１０の表面に形成された絶縁層７００の図示が省略されている。

【0042】

続いて、各レーザバー２００の端面２００ａ及び各ダミーバー４００の端面４００ａ（Ｙ軸方向における各ダミーバー４００の一方の端面）を同一平面上に位置させた状態で、Ｚ軸方向において隣り合うようにレーザバー２００とダミーバー４００とを交互に配置し、複数のレーザバー２００及び複数のダミーバー４００を保持部材（図示省略）で保持する。これにより、各レーザバー２００の部分２１０のうち端面２００ｂを含む一部分が、隣り合うダミーバー４００の端面４００ｂ（Ｙ軸方向における各ダミーバー４００の他方の端面）に対して突出することになる。この状態でＡｕのスパッタを実施することで、絶縁層７００上に金属層８００を形成する。なお、レーザバー２００とダミーバー４００とを交互に配置した後、スパッタによって絶縁層７００上に金属層８００を形成する前に、金属層８００を形成するためのスパッタの放電の極性に対して放電の極性を反転させて、イオン化したスパッタ用の不活性ガス原子（例えば、Ａｒイオン）を絶縁層７００の表面に衝突させる、いわゆる逆スパッタによって、絶縁層７００の表面にプラズマ活性化処理を施してもよい。これにより、絶縁層７００の表面のクリーニングが成されるため、絶縁層７００に対する金属層８００の密着性を高めることができる。
［量子カスケードレーザ装置の構成］

【0043】

上述した量子カスケードレーザ素子１を備える量子カスケードレーザ装置１０Ａについて、図６を参照して説明する。図６に示されるように、量子カスケードレーザ装置１０Ａ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、ＣＷ駆動部（駆動部）１３と、を備えている。

【0044】

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を支持している。

【0045】

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。

【0046】

量子カスケードレーザ装置１０Ａでは、接合部材１２によって支持部１１の電極パッド１１２と接合された第１電極５の表面５ａに絶縁膜７が回り込んでいる。ただし、金属膜８の外縁８０は、光導波方向Ａから見た場合に第１電極５の表面５ａに至っていない。

【0047】

第１電極５のうちＺ軸方向において活性層３１に対応する部分の厚さは、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よりも大きい。第１電極５のうちＺ軸方向において活性層３１に対応する部分の厚さは、例えば、５μｍ以上である。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、２～３μｍ程度である。

【0048】

ＣＷ駆動部１３は、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。ＣＷ駆動部１３は、支持部１１の電極パッド１１２及び量子カスケードレーザ素子１の第２電極６のそれぞれに電気的に接続されている。ＣＷ駆動部１３を電極パッド１１２及び第２電極６のそれぞれに電気的に接続するために、電極パッド１１２及び第２電極６のそれぞれに対してワイヤボンディングが実施される。
［作用及び効果］

【0049】

量子カスケードレーザ素子１では、半導体積層体３が有する第１端面３ａ及び第２端面３ｂのうちの第２端面３ｂに、絶縁膜７を介して金属膜８が設けられている。これにより、金属膜８が反射膜として機能しつつ第１端面３ａが光出射面として機能するため、効率の良い光出力が得られる。更に、絶縁膜７が、半導体積層体３の第２端面３ｂから、第１電極５の表面５ａにおける第２端面３ｂ側の領域５ｒに、一続きで形成されており、絶縁膜７上に形成された金属膜８の外縁８０が、光導波方向Ａから見た場合に第１電極５の表面５ａに至っていない。これにより、量子カスケードレーザ素子１を支持部１１に実装するために、接合部材１２を用いて、絶縁膜７が回り込んだ第１電極５を支持部１１の電極パッド１１２に接合する場合に、溶融した接合部材１２が金属膜８に至り難くなる。しかも、例えば金属膜８を絶縁部材で覆うような構成に比べ、活性層３１で発生した熱がこもり難くなる。また、絶縁膜７が回り込んだ第１電極５を支持部１１の電極パッド１１２に接合することで、第２電極６を支持部１１の電極パッド１１２に接合する場合に比べ、活性層３１を支持部１１に近付けることができる。したがって、活性層３１で発生した熱を効率良く支持部１１側に逃がすことができる。これらのことから、量子カスケードレーザ素子１の光出力特性の劣化が抑制される。以上により、量子カスケードレーザ素子１によれば、光出力特性の劣化を抑制しつつ効率の良い光出力を得ることができる。

【0050】

なお、量子カスケードレーザ素子１を支持部１１に実装する際に、溶融した接合部材１２が金属膜８に至ると、溶融した接合部材１２が金属膜８において急激に広がるおそれがある。溶融した接合部材１２が金属膜８において広がると、例えば、接合部材１２に含まれていたＳｎが金属膜８中に拡散し、量子カスケードレーザ素子１の信頼性を低下させるおそれがある。また、溶融した接合部材１２が金属膜８に付着すると、硬化時における接合部材１２の収縮によって金属膜８が絶縁膜７から剥がれるおそれがある。量子カスケードレーザ素子１における絶縁膜７及び金属膜８の構成によれば、溶融した接合部材１２が金属膜８に付着することで第１電極５と第２電極６とが短絡することが防止されることは勿論、上述したような事態が発生することも防止される。

【0051】

量子カスケードレーザ素子１では、半導体積層体３がリッジ部３０を有している。これにより、上述した絶縁膜７及び金属膜８の構成によって効率の良い光出力を確保しつつ、量子カスケードレーザ素子１の駆動電流を低減して、量子カスケードレーザ素子１の低消費電力化を図ることができる。このとき、活性層３１が狭小化された分だけ、第１端面３ａ及び第２端面３ｂのそれぞれにおいて光密度が高くなるが、上述した絶縁膜７及び金属膜８の構成によって放熱性が確保されているため、量子カスケードレーザ素子１の光出力特性が劣化するのを抑制することができる。また、絶縁膜７が熱によって損傷するのを抑制することができる。

【0052】

量子カスケードレーザ素子１では、金属膜８のうち第２端面３ｂに形成された部分の厚さが、絶縁膜７のうち第２端面３ｂに形成された部分の厚さよりも大きい。これにより、厚さの関係が逆である場合に比べ、絶縁膜７及び金属膜８が形成された第２端面３ｂでの放熱性を向上させることができる。

【0053】

量子カスケードレーザ素子１では、第１電極５のうちＺ軸方向において活性層３１に対応する部分の厚さは、金属膜８のうち第２端面３ｂに形成された部分の厚さよりも大きい。これにより、絶縁膜７が回り込んだ第１電極５を支持部１１の電極パッド１１２に接合した場合に、活性層３１で発生した熱をより効率良く支持部１１側に逃がすことができる。

【0054】

量子カスケードレーザ素子１では、絶縁膜７がＡｌ_２Ｏ_３膜又はＣｅＯ_２膜である。これにより、溶融した接合部材１２が絶縁膜７に対して濡れ難くなるため、溶融した接合部材１２が金属膜８に至るのをより確実に抑制することができる。

【0055】

量子カスケードレーザ装置１０Ａによれば、上述した量子カスケードレーザ素子１の構成によって、光出力特性の劣化を抑制しつつ効率の良い光出力を得ることができる。

【0056】

量子カスケードレーザ装置１０Ａでは、第１電極５のうちＺ軸方向において活性層３１に対応する部分の厚さが、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よりも大きい。これにより、量子カスケードレーザ素子１を支持部１１に実装する際に、溶融した接合部材１２が金属膜８に至るのをより確実に抑制し得るように、光導波方向Ａから見た場合における金属膜８の外縁８０と第１電極５の表面５ａとの距離を十分に確保することができる。

【0057】

量子カスケードレーザ装置１０Ａでは、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、ＣＷ駆動部１３が量子カスケードレーザ素子１を駆動する。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場合には、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場合に比べ、活性層３１での発熱量が大きくなるため、上述した量子カスケードレーザ素子１の構成は、特に有効である。
［変形例］

【0058】

本開示は、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。

【0059】

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。

【0060】

また、絶縁膜７は、半導体積層体３の第２端面３ｂから、第１電極５の表面５ａ及び第２電極６の表面６ａのうちの少なくとも一方の表面における第２端面３ｂ側の領域に、一続きで形成されていればよく、その場合に、金属膜８の外縁８０は、光導波方向Ａから見た場合に当該一方の表面に至っていなければよい。また、金属膜８は、光導波方向Ａから見た場合に少なくとも活性層３１を覆うように、絶縁膜７上に形成されていればよい。

【0061】

変形例として、図７に示されるように、金属膜８の外縁８０は、光導波方向Ａから見た場合に第１電極５の表面５ａ及び第２電極６の表面６ａのいずれにも至っていなくてもよい。図７に示される量子カスケードレーザ素子１では、金属膜８は、半導体積層体３の第２端面３ｂ、及び半導体基板２における第２端面３ｂ側の側面２ｃに沿って延在するように、絶縁膜７上のみに形成されている。

【0062】

図７に示される量子カスケードレーザ素子１の製造方法は、レーザバー２００における絶縁層７００及び金属層８００の形成の仕方において、図１及び図２に示される量子カスケードレーザ素子１の製造方法と相違している。図７に示される量子カスケードレーザ素子１の製造方法では、まず、図８の（ａ）に示されるように、複数のレーザバー２００及び複数のダミーバー３００を用意する。Ｙ軸方向におけるダミーバー３００の長さは、Ｙ軸方向におけるレーザバー２００の長さよりも小さい。Ｘ軸方向におけるダミーバー３００の長さは、Ｘ軸方向におけるレーザバー２００の長さ以上である。

【0063】

続いて、各レーザバー２００の端面２００ａ及び各ダミーバー３００の端面３００ａを同一平面上に位置させた状態で、Ｚ軸方向において隣り合うようにレーザバー２００とダミーバー３００とを交互に配置し、複数のレーザバー２００及び複数のダミーバー３００を保持部材（図示省略）で保持する。これにより、各レーザバー２００の部分２１０が、隣り合うダミーバー３００の端面３００ｂに対して突出することになる。この状態でＡｌ_２Ｏ_３又はＣｅＯ_２のスパッタを実施することで、各レーザバー２００の部分２１０の表面に絶縁層７００を形成する。

【0064】

続いて、図８の（ｂ）に示されるように、複数のダミーバー５００を用意する。Ｙ軸方向におけるダミーバー５００の長さは、Ｙ軸方向におけるレーザバー２００の長さよりも大きい。Ｘ軸方向におけるダミーバー５００の長さは、Ｘ軸方向におけるレーザバー２００の長さ以上である。なお、図８の（ｂ）では、各レーザバー２００の部分２１０の表面に形成された絶縁層７００の図示が省略されている。

【0065】

続いて、各レーザバー２００の端面２００ａ及び各ダミーバー５００の端面５００ａ（Ｙ軸方向における各ダミーバー５００の一方の端面）を同一平面上に位置させた状態で、Ｚ軸方向において隣り合うようにレーザバー２００とダミーバー５００とを交互に配置し、複数のレーザバー２００及び複数のダミーバー５００を保持部材（図示省略）で保持する。これにより、各レーザバー２００の部分２１０のうち端面２００ｂを含む一部分が、隣り合うダミーバー５００の端面５００ｂ（Ｙ軸方向における各ダミーバー５００の他方の端面）に対して凹むことになる。この状態でＡｕのスパッタを斜めから実施することで、絶縁層７００上に金属層８００を形成する。なお、レーザバー２００とダミーバー５００とを交互に配置する前に、金属層８００を形成するためのスパッタの放電の極性に対して放電の極性を反転させて、イオン化したスパッタ用の不活性ガス原子（例えば、Ａｒイオン）を絶縁層７００の表面に衝突させる、いわゆる逆スパッタによって、絶縁層７００の表面にプラズマ活性化処理を施してもよい。これにより、絶縁層７００の表面のクリーニングが成されるため、絶縁層７００に対する金属層８００の密着性を高めることができる。

【0066】

また、絶縁膜７は、Ａｌ_２Ｏ_３膜又はＣｅＯ_２膜に限定されず、金属膜８は、Ａｕ膜に限定されない。例えば、金属膜８は、Ｔｉ膜及びＡｕ膜が絶縁膜７側からこの順序で積層されることで構成されていてもよい。その場合、Ｔｉ膜の厚さは、例えば、３０ｎｍ程度であり、Ａｕ膜の厚さは、例えば、５００ｎｍ程度である。

【0067】

また、図９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）で支持部１１に実装されてもよい。図９に示される量子カスケードレーザ素子１では、接合部材１２によって支持部１１の電極パッド１１２と接合された第２電極６の表面６ａに絶縁膜７が回り込んでいる。ただし、金属膜８の外縁８０は、光導波方向Ａから見た場合に第２電極６の表面６ａに至っていない。

【0068】

図９に示される量子カスケードレーザ素子１では、量子カスケードレーザ素子１を支持部１１に実装するために、接合部材１２を用いて、絶縁膜７が回り込んだ第２電極６を支持部１１の電極パッド１１２に接合する場合に、溶融した接合部材１２が金属膜８に至り難くなる。しかも、例えば金属膜８を絶縁部材で覆うような構成に比べ、活性層３１で発生した熱がこもり難くなる。これらのことから、量子カスケードレーザ素子１の光出力特性の劣化が抑制される。

【0069】

以下、図９に示される量子カスケードレーザ装置１０Ｂについて説明する。図９に示されるように、量子カスケードレーザ装置１０Ｂ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、パルス駆動部（駆動部）１４と、を備えている。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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、５０～５００ｎｓであり、レーザ光の繰り返し周波数は、例えば、１～５００ｋＨｚである。パルス駆動部１４は、支持部１１の電極パッド１１２及び量子カスケードレーザ素子１の第１電極５のそれぞれに電気的に接続されている。パルス駆動部１４を電極パッド１１２及び第１電極５のそれぞれに電気的に接続するために、電極パッド１１２及び第１電極５のそれぞれに対してワイヤボンディングが実施される。

【0073】

なお、図６に示される量子カスケードレーザ装置１０Ａ、及び図９に示される量子カスケードレーザ装置１０Ｂ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６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９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、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駆動される場合には、エピサイドダウンの構成が有効である。特に、中赤外領域における比較的短波長の中心波長（例えば、４～１１μｍのうちの４～６μｍ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半導体積層体３が構成されており、且つ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駆動される場合には、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がレーザ光を連続発振するように駆動されることに限定されず、エピサイドアップの構成において、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。

【0074】

上述した実施形態における各構成には、上述した材料及び形状に限定されず、様々な材料及び形状を適用することができる。また、上述した一の実施形態又は変形例における各構成は、他の実施形態又は変形例における各構成に任意に適用することができる。

【符号の説明】

【0075】

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、５ａ…表面、５ｒ…領域、６…第２電極、６ａ…表面、６ｒ…領域、７…絶縁膜、８…金属膜、１０Ａ，１０Ｂ…量子カスケードレーザ装置、１１…支持部、１２…接合部材、１３…ＣＷ駆動部（駆動部）、１４…パルス駆動部（駆動部）、３０…リッジ部、３１…活性層、８０…外縁、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】