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JP7371552B2 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Description

本開示は、量子カスケードレーザに関する。
特許文献１は、互いに離間して配置された複数のメサ導波路を有する量子カスケードレーザを開示する。
特表２０１０－５１４１６３号公報
量子カスケードレーザのアレーでは、互いに離間して配置された複数のメサ導波路の各頂面に電極が接続される。隣り合う電極間の距離は、通常、隣り合うメサ導波路間の距離と同じである。そのため、メサ導波路間の距離が短くなると、電極間の距離も短くなる。その結果、隣り合う電極間に放電が生じる可能性がある。
本開示は、隣り合う電極間に放電が生じる可能性を低減できる量子カスケードレーザを提供する。
本開示の一側面に係る量子カスケードレーザは、基板上に設けられ、第１コア層を含む第１メサ導波路と、前記基板上に設けられ、第２コア層を含む第２メサ導波路と、前記第１メサ導波路に電気的に接続された第１電極と、前記第２メサ導波路に電気的に接続された第２電極と、を備え、前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路は、第１方向に延在し、前記第１方向に交差する第２方向において互いに離間しており、前記第１電極と前記第２電極との間の距離は、前記第１メサ導波路と前記第２メサ導波路との間の距離よりも大きい。
本開示によれば、隣り合う電極間に放電が生じる可能性を低減できる量子カスケードレーザが提供され得る。
図１は、一実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す平面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。 図５は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。 図６は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。 図７は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。 図８は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。 図９の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図４の量子カスケードレーザの製造方法における各工程を示す図である。 図１０の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図４の量子カスケードレーザの製造方法における各工程を示す図である。
［本開示の実施形態の説明］
一実施形態に係る量子カスケードレーザは、基板上に設けられ、第１コア層を含む第１メサ導波路と、前記基板上に設けられ、第２コア層を含む第２メサ導波路と、前記第１メサ導波路に電気的に接続された第１電極と、前記第２メサ導波路に電気的に接続された第２電極と、を備え、前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路は、第１方向に延在し、前記第１方向に交差する第２方向において互いに離間しており、前記第１電極と前記第２電極との間の距離は、前記第１メサ導波路と前記第２メサ導波路との間の距離よりも大きい。
上記量子カスケードレーザによれば、第１メサ導波路と第２メサ導波路との間の距離を小さくしても、第１電極と第２電極との間の距離を大きくできる。よって、第１電極と第２電極との間に放電が生じる可能性を低減できる。
前記第１メサ導波路は、第１側面及び第２側面を有しており、前記第２メサ導波路は、第３側面及び第４側面を有しており、前記第１側面、前記第２側面、前記第３側面及び前記第４側面は、前記第１方向に延在しており、前記第２側面は、前記第３側面に対向しており、前記第１電極と前記第２電極との間の距離は、前記第１側面と前記第４側面との間の距離よりも大きくてもよい。この場合、第１電極と第２電極との間の距離を大きくできる。
上記量子カスケードレーザが、前記第１メサ導波路の頂面及び前記第１電極に電気的に接続された第１コンタクト層と、前記第２メサ導波路の頂面及び前記第２電極に電気的に接続された第２コンタクト層と、を更に備え、前記第１コンタクト層は、前記第２方向において前記第１側面に対して前記第２側面とは反対側の位置まで延在しており、前記第２コンタクト層は、前記第２方向において前記第４側面に対して前記第３側面とは反対側の位置まで延在してもよい。この場合、第２方向における第１コンタクト層及び第２コンタクト層の長さを長くすることによって、第１電極と第２電極との間の距離を大きくできる。
上記量子カスケードレーザが、前記第１メサ導波路の前記頂面と前記第１コンタクト層との間に配置された第１クラッド層と、前記第２メサ導波路の前記頂面と前記第２コンタクト層との間に配置された第２クラッド層と、を更に備え、前記第１クラッド層は、前記第２方向において前記第１側面に対して前記第２側面とは反対側の位置まで延在しており、前記第２クラッド層は、前記第２方向において前記第４側面に対して前記第３側面とは反対側の位置まで延在してもよい。この場合、第１電極から第１コンタクト層及び第１クラッド層を経由して第１コア層に電流が注入される。第１コンタクト層及び第１クラッド層が第１側面よりも外側の位置まで延在していると、第１電極から第１メサ導波路への電気抵抗が低下する。同様に、第２電極から第２コンタクト層及び第２クラッド層を経由して第２コア層に電流が注入される。第２コンタクト層及び第２クラッド層が第４側面よりも外側の位置まで延在していると、第２電極から第２メサ導波路への電気抵抗が低下する。
上記量子カスケードレーザが、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された絶縁層を更に備えてもよい。この場合、絶縁層により、第１電極と第２電極との間に放電が生じる可能性を更に低減できる。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には、必要に応じて、互いに交差するＸ軸方向（第１方向）、Ｙ軸方向（第２方向）及びＺ軸方向が示される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は例えば互いに直交している。
図１は、一実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。
図１、図２及び図３に示される量子カスケードレーザ１０は、例えば産業用レーザ加工装置又は、環境分析、産業ガス分析、医療診断等における光計測装置に用いられる。量子カスケードレーザ１０は、Ｘ軸方向にレーザ光を発振可能な共振器である。レーザ光は、例えば中赤外線等の赤外線であってもよい。量子カスケードレーザ１０は、Ｘ軸方向にレーザ光を出射する出射面１１０と、Ｘ軸方向において出射面１１０とは反対側の反射面１１２とを有する。出射面１１０は、前端面である。反射面１１２は後端面である。出射面１１０及び反射面１１２のそれぞれは、Ｘ軸方向に対して直交してもよい。出射面１１０及び反射面１１２のそれぞれは、例えば矩形形状を有する。出射面１１０及び反射面１１２にそれぞれ低反射膜及び高反射膜を形成してもよい。量子カスケードレーザ１０は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に延在する側面１１４，１１６を有する。側面１１４，１１６のそれぞれは、例えば矩形形状を有する。量子カスケードレーザ１０の形状は、例えば直方体である。量子カスケードレーザ１０は、Ｘ軸方向において例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下の長さＬを有する。
量子カスケードレーザ１０は、基板２０と、基板２０上に設けられた第１メサ導波路Ｍ１と、基板２０上に設けられた第２メサ導波路Ｍ２とを備える。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、基板２０にモノリシックに集積される。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、Ｘ軸方向に延在し、Ｙ軸方向において互いに離間している。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、基板２０の主面２０ｓ上に設けられる。基板２０上に３つ以上のメサ導波路が設けられてもよい。
第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２のそれぞれは、幅Ｗ２（Ｙ軸方向の長さ）を有する。幅Ｗ２は、３μｍ以上であってもよく、１０μｍ以下であってもよい。第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２との間の距離Ｗ１は、幅Ｗ２より大きくてもよい。距離Ｗ１は、Ｙ軸方向において、第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２との間の最短距離である。距離Ｗ１は、２μｍ以上であってもよく、５０μｍ以上であってもよく、１００μｍ以下であってもよく、３０μｍ以下であってもよく、１０μｍ以下であってもよい。
第１メサ導波路Ｍ１は、第１側面Ｍｓ１及び第２側面Ｍｓ２を有している。第２側面Ｍｓ２は、第１側面Ｍｓ１と反対側の側面である。第２メサ導波路Ｍ２は、第３側面Ｍｓ３及び第４側面Ｍｓ４を有している。第４側面Ｍｓ４は、第３側面Ｍｓ３と反対側の側面である。第１側面Ｍｓ１、第２側面Ｍｓ２、第３側面Ｍｓ３及び第４側面Ｍｓ４は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に延在している。第２側面Ｍｓ２は、第３側面Ｍｓ３に対向している。第２側面Ｍｓ２と第３側面Ｍｓ３との間の距離が上述の距離Ｗ１に相当する。第１側面Ｍｓ１と第２側面Ｍｓ２との間の距離及び第３側面Ｍｓ３と第４側面Ｍｓ４との間の距離が上述の幅Ｗ２に相当する。
第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、電流ブロック領域４０によって埋め込まれてもよい。電流ブロック領域４０は、第１側面Ｍｓ１、第２側面Ｍｓ２、第３側面Ｍｓ３及び第４側面Ｍｓ４を覆う。この場合、量子カスケードレーザ１０は、埋め込みヘテロ構造を有する。
量子カスケードレーザ１０は、第１メサ導波路Ｍ１に電気的に接続された第１電極Ｅ１と、第２メサ導波路Ｍ２に電気的に接続された第２電極Ｅ２とを備える。基板２０の裏面（主面２０ｓとは反対側の面）には第３電極Ｅ３が設けられる。
第１電極Ｅ１は、第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔに接続される。第１電極Ｅ１は、第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔ及び電流ブロック領域４０上に設けられる。第１電極Ｅ１は、Ｙ軸方向において、第１側面Ｍｓ１と第２側面Ｍｓ２との間の位置から量子カスケードレーザ１０の側面１１４まで延在している。
第２電極Ｅ２は、第２メサ導波路Ｍ２の頂面Ｍ２ｔに接続される。第２電極Ｅ２は、第２メサ導波路Ｍ２及び電流ブロック領域４０上に設けられる。第２電極Ｅ２は、Ｙ軸方向において、第３側面Ｍｓ３と第４側面Ｍｓ４との間の位置から量子カスケードレーザ１０の側面１１６まで延在している。
本実施形態では、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間の領域は空隙となっている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間の距離Ｗ３は、第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２との間の距離Ｗ１よりも大きい。距離Ｗ３は、Ｙ軸方向において、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間の最短距離である。距離Ｗ３は、３０μｍ以上であってもよく、２００μｍ以下であってもよい。
基板２０は、例えばｎ型ＩｎＰ基板等のｎ型ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体基板である。
第１メサ導波路Ｍ１は、Ｘ軸方向に延在すると共にＺ軸方向に基板の主面２０ｓから突出している。Ｘ軸方向は第１メサ導波路Ｍ１の導波路方向である。第１メサ導波路Ｍ１は、基板２０の主面２０ｓからの高さＨを有する。高さＨは、１０μｍ以上であってもよい。第１メサ導波路Ｍ１は、Ｚ軸方向に積層された複数の半導体層を含む積層体である。第１メサ導波路Ｍ１は、基板２０の主面２０ｓに設けられた凸部２１ａ上に設けられた下部クラッド層２２ａと、下部クラッド層２２ａ上に設けられたコア層２４ａ（第１コア層）と、コア層２４ａ上に設けられた回折格子層２６ａと、回折格子層２６ａ上に設けられた上部クラッド層２８ａと、上部クラッド層２８ａ上に設けられたコンタクト層３０ａとを備える。Ｚ軸方向において、凸部２１ａ、下部クラッド層２２ａ、コア層２４ａ、回折格子層２６ａ、上部クラッド層２８ａ及びコンタクト層３０ａは、順に配列される。コンタクト層３０ａ上に第１電極Ｅ１が配置される。コア層２４ａは発光層でもある。中赤外光を発振させる量子カスケードレーザでは、通信用レーザに比べて、発振させる光の波長が例えば３μｍ以上２０μｍ以下と長い。このため、光は、量子カスケードレーザの導波路を伝搬する際、コア層の断面よりも広い範囲に拡がって分布している。光の分布する範囲をカバーするために、高さＨは１０μｍ以上と高い方が好ましく、上部クラッド層２８ａ及び下部クラッド層２２ａの厚さは、例えば３μｍ以上と厚い方が好ましい。
第２メサ導波路Ｍ２は、Ｘ軸方向に延在すると共にＺ軸方向に基板の主面２０ｓから突出している。Ｘ軸方向は第２メサ導波路Ｍ２の導波路方向である。第２メサ導波路Ｍ２は、基板２０の主面２０ｓからの高さＨを有する。第２メサ導波路Ｍ２は、Ｚ軸方向に積層された複数の半導体層を含む積層体である。第２メサ導波路Ｍ２は、基板２０の主面２０ｓに設けられた凸部２１ｂ上に設けられた下部クラッド層２２ｂと、下部クラッド層２２ｂ上に設けられたコア層２４ｂ（第２コア層）と、コア層２４ｂ上に設けられた回折格子層２６ｂと、回折格子層２６ｂ上に設けられた上部クラッド層２８ｂと、上部クラッド層２８ｂ上に設けられたコンタクト層３０ｂとを備える。Ｚ軸方向において、凸部２１ｂ、下部クラッド層２２ｂ、コア層２４ｂ、回折格子層２６ｂ、上部クラッド層２８ｂ及びコンタクト層３０ｂは、順に配列される。コンタクト層３０ｂ上に第２電極Ｅ２が配置される。コア層２４ｂは発光層でもある。
凸部２１ａ，２１ｂは、基板２０と同じ材料を含む。
下部クラッド層２２ａ，２２ｂ及び上部クラッド層２８ａ，２８ｂは、例えばｎ型ＩｎＰ層等のｎ型ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層である。ＩｎＰは中赤外線に対して透明である。下部クラッド層２２ａ，２２ｂ及び上部クラッド層２８ａ，２８ｂのそれぞれの厚みは、２μｍ以上であってもよい。下部クラッド層２２ａ，２２ｂが省略され、凸部２１ａ，２１ｂ及び基板２０が下部クラッド層として機能してもよい。
コア層２４ａ，２４ｂは、複数の活性層及び複数の注入層が交互に積層された構造を有する。活性層及び注入層のそれぞれは、複数の井戸層と複数のバリア層とが交互に積層された超格子列を有する。井戸層及びバリア層のそれぞれは、数ｎｍの厚さを有する。超格子列としては、例えばＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓ等が使用可能である。キャリアとしては、電子のみが用いられる。伝導帯サブバンド間遷移により、中赤外領域（例えば波長３μｍ以上２０μｍ以下）のレーザ光が発振される。
回折格子層２６ａは、Ｘ軸方向にピッチΛで周期的に配列された複数の凹部を有する。各凹部は、Ｙ軸方向に延在する溝である。回折格子層２６ｂは、ピッチΛが異なること以外は回折格子層２６ａと同じ構成を備える。ピッチΛは、レーザ光の発振波長λを規定する。よって、第１メサ導波路Ｍ１から出射されるレーザ光の波長と第２メサ導波路Ｍ２から出射されるレーザ光の波長とは互いに異なる。回折格子層２６ａ，２６ｂにより、量子カスケードレーザ１０は、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）のレーザとして機能する。量子カスケードレーザ１０によれば、単一モード発振が可能となる。回折格子層２６ａ，２６ｂの凹部は上部クラッド層２８ａ，２８ｂによって埋め込まれる。回折格子層２６ａ，２６ｂは、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓ層等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層である。
コンタクト層３０ａ，３０ｂは、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓ層等のｎ型ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層である。コンタクト層３０ａは第１電極Ｅ１にオーミック接触する。コンタクト層３０ｂは第２電極Ｅ２にオーミック接触する。コンタクト層３０ａ，３０ｂの厚みは、５００ｎｍ以下であってもよい。コンタクト層３０ａ，３０ｂが省略され、上部クラッド層２８ａ，２８ｂがコンタクト層として機能してもよい。
下部クラッド層２２ａ，２２ｂとコア層２４ａ，２４ｂとの間に光閉じ込め層が設けられてもよい。回折格子層２６ａ，２６ｂとコア層２４ａ，２４ｂとの間に光閉じ込め層が設けられてもよい。光閉じ込め層は、例えばアンドープ又はｎ型のＧａＩｎＡｓ層等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層である。
ｎ型のドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｓ、Ｓｎ、Ｓｅ等が使用可能である。
電流ブロック領域４０は、アンドープ又は半絶縁性のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体領域であってもよい。電流ブロック領域４０は、電子に対して例えば１０５Ωｃｍ以上の高抵抗を有する。半絶縁性のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体領域は、例えばＦｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属がドープされたＩｎＰ領域、ＧａＩｎＡｓ領域、ＡｌＩｎＡｓ領域、ＧａＩｎＡｓＰ領域又はＡｌＧａＩｎＡｓ領域である。
第１電極Ｅ１、第２電極Ｅ２及び第３電極Ｅ３のそれぞれは、例えばＴｉ／Ａｕ膜、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜又はＧｅ／Ａｕ膜等である。
量子カスケードレーザ１０は以下のように動作されてもよい。第１電極Ｅ１と第３電極Ｅ３との間に電圧が印加されることによって、コア層２４ａに電流が注入される。その結果、第１メサ導波路Ｍ１から第１波長を有するレーザ光が発振される。同様に、第２電極Ｅ２と第３電極Ｅ３との間に電圧が印加されることによって、コア層２４ｂに電流が注入される。その結果、第２メサ導波路Ｍ２から第２波長を有するレーザ光が発振される。第２波長を有するレーザ光の発振のタイミングは、第１波長を有するレーザ光の発振のタイミングと異なってもよい。電極に印加される電圧は、１０Ｖ以上であってもよい。この印加電圧は、例えば通信用の波長帯（１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯）のための半導体レーザに比べて、高い。高い駆動電圧はアレー化の際に電極間に放電を生じさせやすい。本開示の量子カスケードレーザ１０では、電極間の距離Ｗ３を大きくできるので、放電が生じる可能性を低減できる。
本実施形態の量子カスケードレーザ１０によれば、第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２との間の距離Ｗ１を小さくしても、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間の距離Ｗ３を大きくできる。よって、例えば第１電極Ｅ１又は第２電極Ｅ２に、例えば突起、欠け、亀裂、異物の付着等の放電の起点となる異常箇所が存在していても、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に放電が生じる可能性を低減できる。そのため、量子カスケードレーザ１０を以下のように動作させることができる。例えば、第１電極Ｅ１と第３電極Ｅ３との間に電圧を印加し、第２電極Ｅ２に電圧を印加しない場合、第１メサ導波路Ｍ１からレーザ光が出射される一方、第２メサ導波路Ｍ２からレーザ光は出射されない。同様に、第２電極Ｅ２と第３電極Ｅ３との間に電圧を印加し、第１電極Ｅ１に電圧を印加しない場合、第２メサ導波路Ｍ２からレーザ光が出射される一方、第１メサ導波路Ｍ１からレーザ光は出射されない。
距離Ｗ１を小さくできると、量子カスケードレーザ１０を小型化できる。また、互いに異なる波長のレーザ光を出射可能な多数（例えば３つ以上）のメサ導波路を基板２０上に配列できる。さらに、距離Ｗ１が小さいと、多数のメサ導波路からそれぞれ出射されるレーザ光を集光又はコリメートするためのレンズを共用できる。
図４は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。図４に示される量子カスケードレーザ１０ａは、コンタクト層３０ａ，３０ｂに代えてコンタクト層１３０ａ，１３０ｂを備え、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２に代えて第１電極Ｅ１ａ及び第２電極Ｅ２ａを備えること以外は図２の量子カスケードレーザ１０と同じ構成を備える。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、コンタクト層３０ａ，３０ｂを含まない。コンタクト層１３０ａ，１３０ｂは、形状が異なること以外はコンタクト層３０ａ，３０ｂと同じ構成を備える。第１電極Ｅ１ａ及び第２電極Ｅ２ａは、形状が異なること以外は第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２と同じ構成を備える。
コンタクト層１３０ａ（第１コンタクト層）は、第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔ及び電流ブロック領域４０上に設けられる。第１電極Ｅ１ａはコンタクト層１３０ａ上に設けられる。よって、コンタクト層１３０ａは、第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔ及び第１電極Ｅ１aに電気的に接続される。コンタクト層１３０ａは、Ｙ軸方向において第１側面Ｍｓ１に対して第２側面Ｍｓ２とは反対側の位置まで外側に延在している。コンタクト層１３０ａは、Ｙ軸方向において、第２側面Ｍｓ２から量子カスケードレーザ１０aの側面１１４まで延在している。
コンタクト層１３０ｂ（第２コンタクト層）は、第２メサ導波路Ｍ２の頂面Ｍ２ｔ及び電流ブロック領域４０上に設けられる。第２電極Ｅ２ａはコンタクト層１３０ｂ上に設けられる。よって、コンタクト層１３０ｂは、第２メサ導波路Ｍ２の頂面Ｍ２ｔ及び第２電極Ｅ２に電気的に接続される。コンタクト層１３０ｂは、Ｙ軸方向において第４側面Ｍｓ４に対して第３側面Ｍｓ３とは反対側の位置まで外側に延在している。コンタクト層１３０ｂは、Ｙ軸方向において、第３側面Ｍｓ３から量子カスケードレーザ１０aの側面１１６まで延在している。
第１電極Ｅ１ａは、Ｙ軸方向において、第１側面Ｍｓ１よりも外側の位置から量子カスケードレーザ１０aの側面１１４まで延在している。
第２電極Ｅ２ａは、Ｙ軸方向において、第４側面Ｍｓ４よりも外側の位置から量子カスケードレーザ１０aの側面１１６まで延在している。
本実施形態では、第１電極Ｅ１ａと第２電極Ｅ２ａとの間の距離Ｗ３が、第１側面Ｍｓ１と第４側面Ｍｓ４との間の距離Ｗ４よりも大きい。距離Ｗ４は、Ｙ軸方向において、第１側面Ｍｓ１と第４側面Ｍｓ４との間の最短距離である。
本実施形態の量子カスケードレーザ１０ａによれば、量子カスケードレーザ１０と同様の作用効果が得られる。さらに、第１電極Ｅ１ａと第２電極Ｅ２ａとの間の距離Ｗ３を大きくできる。例えば、Ｙ軸方向におけるコンタクト層１３０ａ，１３０ｂの長さを長くすることによって、第１電極Ｅ１ａと第２電極Ｅ２ａとの間の距離Ｗ３を大きくできる。
図５は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。図５に示される量子カスケードレーザ１０ｂは、上部クラッド層２８ａ，２８ｂに代えて上部クラッド層１２８ａ，１２８ｂを備えること以外は図４の量子カスケードレーザ１０ａと同じ構成を備える。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、上部クラッド層２８ａ，２８ｂを含まない。上部クラッド層１２８ａ，１２８ｂは、形状が異なること以外は上部クラッド層２８ａ，２８ｂと同じ構成を備える。
上部クラッド層１２８ａ（第１クラッド層）は、第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔ及び電流ブロック領域４０上に設けられる。上部クラッド層１２８ａ上にコンタクト層１３０ａが設けられる。よって、上部クラッド層１２８ａは、第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔとコンタクト層１３０ａとの間に配置される。上部クラッド層１２８ａは、Ｙ軸方向において第１側面Ｍｓ１に対して第２側面Ｍｓ２とは反対側の位置まで外側に延在している。上部クラッド層１２８ａは、Ｙ軸方向において、第２側面Ｍｓ２から量子カスケードレーザ１０ｂの側面１１４まで延在している。Ｙ軸方向において、上部クラッド層１２８ａの長さはコンタクト層１３０ａと異なってもよい。
上部クラッド層１２８ｂ（第２クラッド層）は、第２メサ導波路Ｍ２の頂面Ｍ２ｔ及び電流ブロック領域４０上に設けられる。上部クラッド層１２８ｂ上にコンタクト層１３０ｂが設けられる。よって、上部クラッド層１２８ｂは、第２メサ導波路Ｍ２の頂面Ｍ２ｔとコンタクト層１３０ｂとの間に配置される。上部クラッド層１２８ｂは、Ｙ軸方向において第４側面Ｍｓ４に対して第３側面Ｍｓ３とは反対側の位置まで外側に延在している。上部クラッド層１２８ｂは、Ｙ軸方向において、第３側面Ｍｓ３から量子カスケードレーザ１０bの側面１１６まで延在している。Ｙ軸方向において、上部クラッド層１２８ｂの長さはコンタクト層１３０ｂと異なってもよい。
本実施形態の量子カスケードレーザ１０ｂによれば、量子カスケードレーザ１０ａと同様の作用効果が得られる。量子カスケードレーザ１０ｂでは、第１電極Ｅ１ａからコンタクト層１３０ａ及び上部クラッド層１２８ａを経由してコア層２４ａに電流が注入される。コンタクト層１３０ａ及び上部クラッド層１２８ａが第１側面Ｍｓ１よりも外側の位置まで延在していると、第１電極Ｅ１ａから第１メサ導波路Ｍ１へのコンタクト層１３０ａ及び上部クラッド層１２８ａを経由する電気抵抗が低下する。同様に、第２電極Ｅ２ａからコンタクト層１３０ｂ及び上部クラッド層１２８ｂを経由してコア層２４ｂに電流が注入される。コンタクト層１３０ｂ及び上部クラッド層１２８ｂが第４側面Ｍｓ４よりも外側の位置まで延在していると、第２電極Ｅ２ａから第２メサ導波路Ｍ２へのコンタクト層１３０ｂ及び上部クラッド層１２８ｂを経由する電気抵抗が低下する。よって、量子カスケードレーザ１０ｂの消費電力を低減できる。
図６は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。図６に示される量子カスケードレーザ１０ｃは、絶縁層５０を更に備えること以外は図４の量子カスケードレーザ１０ａと同じ構成を備える。絶縁層５０は、第１電極Ｅ１ａと第２電極Ｅ２ａとの間に配置される。図６では、Ｙ軸方向における絶縁層５０の一方の端部５０ａが、第１電極Ｅ１ａの上面まで到達しているが、第１電極Ｅ１ａの端面において終端してもよい。図６では、Ｙ軸方向における絶縁層５０の他方の端部５０ｂが、第２電極Ｅ２ａの上面まで到達しているが、第２電極Ｅ２ａの端面において終端してもよい。絶縁層５０の材料の例は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、アルミナ、ベンゾシクロブテン、ポリイミドを含む。
本実施形態の量子カスケードレーザ１０ｃによれば、量子カスケードレーザ１０ａと同様の作用効果が得られる。さらに、絶縁層５０により第１電極Ｅ１ａと第２電極Ｅ２ａとの間の絶縁耐性が向上する。よって、第１電極Ｅ１ａと第２電極Ｅ２ａとの間に放電が生じる可能性を更に低減できる。絶縁層５０により、コンタクト層１３０ａ，１３０ｂ、及びその間の電流ブロック領域４０の酸化を抑制できる。絶縁層５０により、量子カスケードレーザ１０ｃの機械的強度が向上する。
図７は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。図７に示される量子カスケードレーザ１０ｄは、コンタクト層１３０ａ，１３０ｂに代えてコンタクト層２３０ａ，２３０ｂを備え、第１電極Ｅ１ａ及び第２電極Ｅ２ａに代えて第１電極Ｅ１ｂ及び第２電極Ｅ２ｂを備えること以外は図４の量子カスケードレーザ１０ａと同じ構成を備える。コンタクト層２３０ａ，２３０ｂは、形状が異なること以外はコンタクト層１３０ａ，１３０ｂと同じ構成を備える。第１電極Ｅ１ｂ及び第２電極Ｅ２ｂは、形状が異なること以外は第１電極Ｅ１ａ及び第２電極Ｅ２ａと同じ構成を備える。
コンタクト層２３０ａは、Ｙ軸方向において、第２側面Ｍｓ２から、量子カスケードレーザ１０ｄの側面１１４と第１側面Ｍｓ１との間の位置まで延在していること以外はコンタクト層１３０ａと同じ構成を備える。第１電極Ｅ１ｂは、量子カスケードレーザ１０ｄの側面１１４と第１側面Ｍｓ１との間の位置から側面１１４までの領域において電流ブロック領域４０に接触していること以外は第１電極Ｅ１ａと同じ構成を備える。
コンタクト層２３０ｂは、Ｙ軸方向において、第３側面Ｍｓ３から、量子カスケードレーザ１０ｄの側面１１６と第４側面Ｍｓ４との間の位置まで延在していること以外はコンタクト層１３０ｂと同じ構成を備える。第２電極Ｅ２ｂは、量子カスケードレーザ１０ｄの側面１１６と第４側面Ｍｓ４との間の位置から側面１１６までの領域において電流ブロック領域４０に接触していること以外は第２電極Ｅ２ａと同じ構成を備える。
本実施形態の量子カスケードレーザ１０ｄによれば、量子カスケードレーザ１０ａと同様の作用効果が得られる。さらに、量子カスケードレーザ１０ｄの側面１１４，１１６をへき開により形成する場合、コンタクト層２３０ａ，２３０ｂが切断されない。このため、へき開によるコンタクト層２３０ａ，２３０ｂのダメージを低減できる。
図８は、他の実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す断面図である。図８に示される量子カスケードレーザ１０ｅは、上部クラッド層２８ａ，２８ｂに代えて上部クラッド層２２８ａ，２２８ｂを備えること以外は図７の量子カスケードレーザ１０ｄと同じ構成を備える。本実施形態において、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２は、上部クラッド層２８ａ，２８ｂを含まない。上部クラッド層２２８ａ，２２８ｂは、形状が異なること以外は上部クラッド層２８ａ，２８ｂと同じ構成を備える。
上部クラッド層２２８ａ（第１クラッド層）は、第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔ及び電流ブロック領域４０上に設けられる。上部クラッド層２２８ａ上にコンタクト層２３０ａが設けられる。よって、上部クラッド層２２８ａは、第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔとコンタクト層２３０ａとの間に配置される。上部クラッド層２２８ａは、Ｙ軸方向において第１側面Ｍｓ１に対して第２側面Ｍｓ２とは反対側の位置まで外側に延在している。上部クラッド層２２８ａは、Ｙ軸方向において、第２側面Ｍｓ２から、量子カスケードレーザ１０eの側面１１４と第１側面Ｍｓ１との間の位置まで延在している。
上部クラッド層２２８ｂ（第２クラッド層）は、第２メサ導波路Ｍ２の頂面Ｍ２ｔ及び電流ブロック領域４０上に設けられる。上部クラッド層２２８ｂ上にコンタクト層２３０ｂが設けられる。よって、上部クラッド層２２８ｂは、第２メサ導波路Ｍ２の頂面Ｍ２ｔとコンタクト層２３０ｂとの間に配置される。上部クラッド層２２８ｂは、Ｙ軸方向において第４側面Ｍｓ４に対して第３側面Ｍｓ３とは反対側の位置まで外側に延在している。上部クラッド層２２８ｂは、Ｙ軸方向において、第３側面Ｍｓ３から、量子カスケードレーザ１０eの側面１１６と第４側面Ｍｓ４との間の位置まで延在している。
本実施形態の量子カスケードレーザ１０ｅによれば、量子カスケードレーザ１０ｄと同様の作用効果が得られる。量子カスケードレーザ１０ｅでは、第１電極Ｅ１ｂからコンタクト層２３０ａ及び上部クラッド層２２８ａを経由してコア層２４ａに電流が注入される。コンタクト層２３０ａ及び上部クラッド層２２８ａが第１側面Ｍｓ１よりも外側の位置まで延在していると、第１電極Ｅ１ｂから第１メサ導波路Ｍ１への電流経路であるコンタクト層２３０ａ及び上部クラッド層２２８ａの電気抵抗が低下する。同様に、第２電極Ｅ２ｂからコンタクト層２３０ｂ及び上部クラッド層２２８ｂを経由してコア層２４ｂに電流が注入される。コンタクト層２３０ｂ及び上部クラッド層２２８ｂが第４側面Ｍｓ４よりも外側の位置まで延在していると、第２電極Ｅ２ｂから第２メサ導波路Ｍ２への電流経路であるコンタクト層２３０ｂ及び上部クラッド層２２８ｂの電気抵抗が低下する。よって、量子カスケードレーザ１０ｅの消費電力を低減できる。さらに、量子カスケードレーザ１０ｅの側面１１４，１１６をへき開により形成する場合、コンタクト層２３０ａ，２３０ｂ及び上部クラッド層２２８ａ，２２８ｂが切断されない。このため、へき開によるコンタクト層２３０ａ，２３０ｂ及び上部クラッド層２２８ａ，２２８ｂのダメージを低減できる。
以下、図９及び図１０を参照して、図４の量子カスケードレーザ１０ａの製造方法の例について説明する。図９の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）及び図１０の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図４の量子カスケードレーザ１０ａの製造方法における各工程を示す図である。
まず、図９の（ａ）に示されるように、基板２０上に、下部クラッド層２２ａ，２２ｂのための半導体層２２、コア層２４ａ，２４ｂのための半導体層２４、回折格子層２６ａ，２６ｂのための半導体層２６、及び上部クラッド層２８ａ，２８ｂのための半導体層２８を順に形成する。各半導体層は、例えば分子線エピタキシー法又は有機金属成長法等により成長され得る。半導体層２６は、ピッチΛ（図３参照）で周期的に配列された複数の溝を有する。溝は、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングにより形成され得る。半導体層２６の溝を形成した後、半導体層２８は、半導体層２６の溝を埋め込むように成長される。
続いて、半導体層２８上に、第１メサ導波路Ｍ１のためのマスクＭＫ１と、第２メサ導波路Ｍ２のためのマスクＭＫ２とを形成する。マスクＭＫ１，ＭＫ２は、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングにより形成され得る。マスクＭＫ１，ＭＫ２は、例えば絶縁材料を含む。絶縁材料の例は、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、アルミナ等を含む。
次に、図９の（ｂ）に示されるように、マスクＭＫ１，ＭＫ２を用いて、半導体層２８，２６，２４，２２及び基板２０の一部をエッチングすることにより、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を形成する。エッチングの例は、ドライエッチング又はウェットエッチングを含む。ドライエッチングの例は、エッチングガスを用いた反応性イオンエッチングを含む。ドライエッチングの深さは例えば１０μｍ以上である。
続いて、マスクＭＫ１，ＭＫ２を用いて、電流ブロック領域４０の成長により第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を埋め込む。第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２の高さが１０μｍ以上と高い場合、導波路間の距離Ｗ１を２μｍ以上とすることにより、有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）法を用いて化合物半導体を含む電流ブロック領域４０を良好に形成することができる。
マスクＭＫ１，ＭＫ２を除去した後、図９の（ｃ）に示されるように、コンタクト層１３０ａ，１３０ｂのための半導体層１３０を第１メサ導波路Ｍ１、第２メサ導波路Ｍ２及び電流ブロック領域４０上に形成する。
次に、図１０の（ａ）に示されるように、半導体層１３０上にマスクＭＫ３を形成する。マスクＭＫ３は、第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２との間の領域に開口ＭＫ３ａを有する。続いて、マスクＭＫ３を用いて半導体層１３０をエッチングすることにより、コンタクト層１３０ａ，１３０ｂを形成する。
マスクＭＫ３を除去した後、図１０の（ｂ）に示されるように、第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２上にレジストパターンＲを形成する。
続いて、レジストパターンＲ上に、第１電極Ｅ１ａ及び第２電極Ｅ２ａのための金属膜Ｅを形成する。金属膜Ｅは、例えば蒸着又はスパッタリング等により形成され得る。
次に、図１０の（ｃ）に示されるように、リフトオフ法によりレジストパターンＲ及びレジストパターンＲ上の金属膜Ｅを除去することによって、第１電極Ｅ１ａ及び第２電極Ｅ２ａを形成する。
続いて、例えば研磨等により基板２０を薄くする。薄くされた基板２０の厚さは、例えば１００μｍ以上２００μｍ以下である。その後、基板２０の裏面に第３電極Ｅ３を形成する。さらに、基板２０をへき開することによって、図４の量子カスケードレーザ１０ａが得られる。
量子カスケードレーザ１０，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅについても同様に製造可能である。例えば、図１から図３の量子カスケードレーザ１０を製造する際には、マスクＭＫ１，ＭＫ２を形成する前に半導体層１３０を半導体層２８上に形成する。また、マスクＭＫ３の開口ＭＫ３ａに第１メサ導波路Ｍ１の頂面Ｍ１ｔの一部と第２メサ導波路Ｍ２の頂面Ｍ２ｔの一部が露出するようにする。
図５の量子カスケードレーザ１０ｂを製造する際には、マスクＭＫ１，ＭＫ２を形成する前に半導体層２８を形成せず、マスクＭＫ１，ＭＫ２を除去した後に半導体層２８，１３０を形成する。
図６の量子カスケードレーザ１０ｃを製造する際には、第１電極Ｅ１ａ及び第２電極Ｅ２ａを形成した後、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングにより絶縁層５０を形成する。
図７の量子カスケードレーザ１０ｄを製造する際には、Ｙ軸方向において第１メサ導波路Ｍ１の第１側面Ｍｓ１から外側に離れた領域と、Ｙ軸方向において第２メサ導波路Ｍ２の第４側面Ｍｓ４から外側に離れた領域とにおいて、マスクＭＫ３に開口を形成する。
図８の量子カスケードレーザ１０ｅを製造する際には、マスクＭＫ１，ＭＫ２を形成する前に半導体層２８を形成せず、マスクＭＫ１，ＭＫ２を用いて、電流ブロック領域４０により第１メサ導波路Ｍ１及び第２メサ導波路Ｍ２を埋め込む。マスクＭＫ１，ＭＫ２を除去した後、半導体層２８，１３０を成長する。次に、第１メサ導波路Ｍ１と第２メサ導波路Ｍ２との間のみに、Ｘ軸方向に延在する開口ＭＫ３ａを有するマスクＭＫ３を用いて、両メサ導波路間の半導体層２８，１３０をエッチングで除去して空隙部を形成する。その後、空隙部に、更なる電流ブロック領域４０を成長する。その後、マスクＭＫ３を除去し、更に、Ｙ軸方向において第１メサ導波路Ｍ１の第１側面Ｍｓ１から外側に離れた領域と、Ｙ軸方向において第２メサ導波路Ｍ２の第４側面Ｍｓ４から外側に離れた領域のみに、Ｘ軸方向に延在する開口部を有するマスクを用いて、当該開口部に位置する半導体層２８，１３０をエッチングする。これにより、上部クラッド層２２８ａ，２２８ｂ及びコンタクト層２３０ａ，２３０ｂが形成される。
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。
各実施形態の構成要素が互いに組み合わされてもよい。例えば、各量子カスケードレーザ１０，１０ｂ，１０ｄ，１０ｅが絶縁層５０を備えてもよい。
図１から図３の量子カスケードレーザ１０において、第１電極Ｅ１がコンタクト層３０ａの上面ではなく側面（第１側面Ｍｓ１に含まれる面）に接続され、第２電極Ｅ２がコンタクト層３０ｂの上面ではなく側面（第４側面Ｍｓ４に含まれる面）に接続されてもよい。
図７の量子カスケードレーザ１０ｄにおいて、第１電極Ｅ１ｂがコンタクト層２３０ａの側面に接続され、第２電極Ｅ２ｂがコンタクト層２３０ｂの側面に接続されてもよい。この場合、第１電極Ｅ１ｂはコンタクト層２３０ａの上面に位置する部分を有していない。同様に、第２電極Ｅ２ｂはコンタクト層２３０ｂの上面に位置する部分を有していない。よって、第１電極Ｅ１ｂと第２電極Ｅ２ｂとの間の距離Ｗ３を大きくできる。
各量子カスケードレーザ１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅは回折格子層２６ａ，２６ｂを備えなくてもよい。この場合、各量子カスケードレーザは、分布帰還型ではなくファブリペロー型のレーザとして動作する。
量子カスケードレーザ１０は電流ブロック領域４０を備えなくてもよい。この場合、第１側面Ｍｓ１、第２側面Ｍｓ２、第３側面Ｍｓ３及び第４側面Ｍｓ４上に絶縁層が形成される。
１０…量子カスケードレーザ
１０ａ…量子カスケードレーザ
１０ｂ…量子カスケードレーザ
１０ｃ…量子カスケードレーザ
１０ｄ…量子カスケードレーザ
１０ｅ…量子カスケードレーザ
２０…基板
２０ｓ…主面
２１ａ…凸部
２１ｂ…凸部
２２…半導体層
２２ａ…下部クラッド層
２２ｂ…下部クラッド層
２４…半導体層
２４ａ…コア層
２４ｂ…コア層
２６…半導体層
２６ａ…回折格子層
２６ｂ…回折格子層
２８…半導体層
２８ａ…上部クラッド層
２８ｂ…上部クラッド層
３０ａ…コンタクト層
３０ｂ…コンタクト層
４０…電流ブロック領域
５０…絶縁層
１１０…出射面
１１２…反射面
１１４…側面
１１６…側面
１２８ａ…上部クラッド層（第１クラッド層）
１２８ｂ…上部クラッド層（第２クラッド層）
１３０…半導体層
１３０ａ…コンタクト層（第１コンタクト層）
１３０ｂ…コンタクト層（第２コンタクト層）
２２８ａ…上部クラッド層（第１クラッド層）
２２８ｂ…上部クラッド層（第２クラッド層）
２３０ａ…コンタクト層（第１コンタクト層）
２３０ｂ…コンタクト層（第２コンタクト層）
Ｅ…金属膜
Ｅ１…第１電極
Ｅ１ａ…第１電極
Ｅ１ｂ…第１電極
Ｅ２…第２電極
Ｅ２ａ…第２電極
Ｅ２ｂ…第２電極
Ｅ３…第３電極
Ｍ１…第１メサ導波路
Ｍ１ｔ…頂面
Ｍ２…第２メサ導波路
Ｍ２ｔ…頂面
ＭＫ１…マスク
ＭＫ２…マスク
ＭＫ３…マスク
Ｍｓ１…第１側面
Ｍｓ２…第２側面
Ｍｓ３…第３側面
Ｍｓ４…第４側面
Ｒ…レジストパターン
Ｗ１…距離
Ｗ２…幅
Ｗ３…距離
Ｗ４…距離
Λ…ピッチ

Claims (3)

  1. 基板上に設けられ、第１コア層を含む第１メサ導波路と、
    前記基板上に設けられ、第２コア層を含む第２メサ導波路と、
    前記第１メサ導波路に電気的に接続された第１電極と、
    前記第２メサ導波路に電気的に接続された第２電極と、
    前記第１メサ導波路の頂面及び前記第１電極に電気的に接続された第１コンタクト層と、
    前記第２メサ導波路の頂面及び前記第２電極に電気的に接続された第２コンタクト層と、
    を備え、
    前記第１コンタクト層は、前記第１メサ導波路の前記頂面上に設けられ、
    前記第１電極は、前記第１コンタクト層上に設けられ、
    前記第２コンタクト層は、前記第２メサ導波路の前記頂面上に設けられ、
    前記第２電極は、前記第２コンタクト層上に設けられ、
    前記第１コア層及び前記第２コア層のそれぞれは、発光層であり、
    前記第１メサ導波路及び前記第２メサ導波路は、第１方向に延在し、前記第１方向に交差する第２方向において互いに離間しており、
    前記第１メサ導波路は、第１側面及び第２側面を有しており、
    前記第２メサ導波路は、第３側面及び第４側面を有しており、
    前記第１側面、前記第２側面、前記第３側面及び前記第４側面は、前記第１方向に延在しており、
    前記第２側面は、前記第３側面に対向しており、
    前記第１コンタクト層は、前記第２方向において前記第１側面に対して前記第２側面とは反対側の位置まで延在しており、
    前記第２コンタクト層は、前記第２方向において前記第４側面に対して前記第３側面とは反対側の位置まで延在しており、
    前記第１電極の端面と前記第１電極の前記端面に対向する前記第２電極の端面との間の距離は、前記第１側面と前記第４側面との間の距離よりも大きい、量子カスケードレーザ。
  2. 前記第１メサ導波路の前記頂面と前記第１コンタクト層との間に配置された第１クラッド層と、
    前記第２メサ導波路の前記頂面と前記第２コンタクト層との間に配置された第２クラッド層と、
    を更に備え、
    前記第１クラッド層は、前記第２方向において前記第１側面に対して前記第２側面とは反対側の位置まで延在しており、
    前記第２クラッド層は、前記第２方向において前記第４側面に対して前記第３側面とは反対側の位置まで延在している、請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
  3. 前記第１電極と前記第２電極との間に配置された絶縁層を更に備える、請求項１または請求項２に記載の量子カスケードレーザ。
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