JP6818672B2 - 面発光量子カスケードレーザ - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、面発光量子カスケードレーザに関する。
面発光量子カスケードレーザは、ＴＭ（Transverse Magnetic）モードで発振し、かつ赤外線からテラヘルツ波長のレーザ光を放出する。
光共振器は、活性層に近接して設けられた二次元フォトニック結晶により構成することができる。
二次元フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザは、活性層の表面に対して略垂直方向にレーザ光を放出可能な面発光型として動作する。
電流注入部とフォトニック結晶部とが同一領域にある構造において、高出力を得るために動作電流を高めるとチップ動作温度が高くなるためにフォトニック結晶部の屈折率の変化が大きくなり光学特性が低下する。
特開２０１４−１９７６５９号公報
高出力時に光学特性が改善可能な面発光量子カスケードレーザを提供する。
実施形態の面発光量子カスケードレーザは、半導体積層体と、上部電極と、下部電極と、を有する。前記半導体積層体は、サブバンド間遷移を生じる量子井戸層を有しかつ赤外レーザ光を放出する活性層と、前記活性層の上に設けられかつピット部が直方格子を構成するフォトニック結晶層を有する第１半導体層と、前記活性層の下方に設けられた第２半導体層と、を有する。前記上部電極は、前記第１半導体層の上面に設けられる。前記下部電極は、前記第２半導体層の下面のうち、少なくとも前記上部電極と重なる領域に設けられる。前記第１半導体層の前記上面の側には前記フォトニック結晶層が設けられる。前記ピット部の開口端の平面形状は、前記平面形状の重心を通りかつ前記直方格子の２辺のそれぞれ平行な線に関して非対称である。平面視にて、前記半導体積層体は、前記フォトニック結晶層を含む面発光領域と、前記面発光領域の外縁から放射状に外側に向かって延在する電流注入領域と、を有する。前記上部電極は、前記第１半導体層の前記上面のうち前記電流注入領域に設けられる。前記面発光領域の外縁は、前記電流注入領域と前記面発光領域との間の領域から、前記電流注入領域の前記延在方向と交差する方向に延出する部分を含む。前記活性層は、前記電流注入領域において前記上部電極と前記下部電極との間に流れる電流に基づき前記サブバンド間遷移により利得を発生させ、光共振を生じつつ前記面発光領域の概ね垂直方向へ前記赤外レーザ光を放出可能とする。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式正面図、である。 第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの面発光領域の模式斜視図である。 第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの上部電極を二次元格子領域の模式平面図である。 比較例にかかる面発光量子カスケードレーザである。 図５（ａ）は第２の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図６（ａ）は第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図６（ｂ）はＭ部を拡大した模式平面図、である。 図７（ａ）はｐｎ接合型レーザダイオードにおける波長に対する利得・吸収または発光スペクトル依存性のグラフ図、図７（ｂ）は量子カスケードレーザにおける波長に対する利得・吸収または発光スペクトル依存性のグラフ図、である。 図８（ａ）は量子カスケードレーザの電流注入時のエネルギーバンド図、図８（ｂ）はゼロバイアス時のエネルギーバンド図、である。 図９（ａ）は第３の実施形態の変形例にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図９（ｂ）はＭ部を拡大した模式平面図、である。 図１０（ａ）は第４の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図１０（ｂ）は発光の遠視野像のグラフ図、である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式正面図、である。
第１の実施形態の面発光量子カスケードレーザは、半導体積層体１０と、上部電極５０と、下部電極５２と、を有する。
半導体積層体１０は、サブバンド間遷移を生じる量子井戸層を有しかつ赤外レーザ光を放出する活性層２０と、活性層２０の上に設けられかつ二次元回折格子を含むフォトニック結晶層を有する第１半導体層３０と、前記活性層２０の下方に設けられた第２半導体層３９と、を有する。
上部電極５０は、第１半導体層３０の上面に設けられる。下部電極５２は、第２半導体層３９の下面のうち、少なくとも上部電極５０と重なる領域に設けられる。第１半導体層３０の上面３０ａの側にはフォトニック結晶層３１が設けられる。
平面視にて、半導体積層体１０は、フォトニック結晶層３１を含む面発光領域７０と、面発光領域７０の外縁７０ａから放射状に外側に向かって延在する電流注入領域７２と、を有する。すなわち、図１（ｂ）に表すように、面発光領域７０は、第１半導体層３０の一部（フォトニック結晶層３１を含む）と、活性層２０の一部と、第２半導体層３９の一部と、が、チップの中央部に積層された領域を表す。また、電流注入領域７２は、第１半導体層３０の他の一部と、活性層２０の他の一部と、第２半導体層３９の他の一部と、が、チップの外周部に積層された領域を表す。
上部電極５０は、第１半導体層３０の上面３０ａのうち、電流注入領域７２に設けられる。なお、図１（ａ）において、電流注入領域７２は、第１半導体層３０の上面３０ａにおいて、互いに直交する２つの直線に沿って設けられている。
上部電極５０と下部電極５２との間に流れる電流Ｊにより電流注入領域７２に含まれる活性層２０はサブバンド間遷移を生じ、二次元回折格子により光共振を生じつつ面発光領域２２の垂直方向へ赤外レーザ光８０を放出可能とする。
図１（ｂ）に表すように、上部電極５０と下部電極５２との間に流れる電流Ｊにより、サブバンド間遷移を可能とし、電流注入領域７２で発生する光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、面発光領域７０に向かって進み、面発光領域７０のフォトニック結晶層３１により光共振を生じつつ面発光領域７０の垂直方向へ向かって赤外レーザ光８０を放出可能である。
上部電極５０は、第１半導体層３０の上面３０ａから互いに直交する２つの直線に沿って外側に向かって延在するように、電流注入領域７２の第１半導体層３０上面に設けられてもよい。
第１半導体層３０は、活性層２０の側にクラッド層を有してもよい。また、第２半導体層３９は、活性層２０の側にクラッド層３９ａ、下部電極５２の側に基板３９ｂを有してもよい。
図２は、第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの面発光領域の模式斜視図である。
また、図３は、第１の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの二次元格子領域の模式平面図である。
ピット６３の平面形状は、平面形状の重心Ｇ１を通りかつ二次元直方格子の少なくとも１辺に平行な線（５１または５３）に関して非対称である。赤外レーザ光８０は、活性層２０に対して概ね垂直方向に放出される。なお、本明細書において、概ね垂直方向とは、活性層２０の表面に対して８１°以上、９９°以下であるものとする。電流注入領域７２は、直方格子の２辺５１、５３のいずれかに直交する。
図２、３において、ピット６３は直角三角柱（平面形状が直角三角形）とする。但し、ピット６３の平面形状は、直角三角形に限定されず格子の２辺５１、５３に関してそれぞれ非対称であればよい。
第１半導体層３０および第２の半導体層３９がｎ形層をそれぞれ含むと、サブバンド間遷移を生じるキャリアは電子である。第１半導体層３０の厚さは数μｍ、第２の半導体層３９の厚さは数μｍなどとすることができる。
上部電極５０および下部電極５２に印加された電界によりキャリアが量子井戸層を通過することによりサブバンド間遷移を生じ、たとえば、波長が２μｍから１００μｍの単一モードのレーザ光を放出する。第１のピット６３の格子間隔Ｐ１は、赤外レーザ光８０の媒質内波長程度とすることができる。
図４は、比較例にかかる面発光量子カスケードレーザである。
比較例では、上部電極１５０は第１半導体層１３０のフォトニック結晶層上面に設けられ、面発光領域と電子注入領域とは同一領域にある。このため、注入電流ＪＪはフォトニック結晶層内を垂直方向に流れる。光（水平方向の矢印）は、第１半導体層１３０の下方に設けられた活性層１２０内で発生し、二次元格子で共振しつつ上方に放出される。比較例は、構造が簡素でチップサイズが小さいが、電流を増加すると素子内部が温度上昇し屈折率が変化する。光学特性が低下するので高出力化が困難である。
これに対して、第１の実施形態では、電流注入領域７２と面発光領域７０とが離間する。このため、電流注入領域７２で生じた熱の多くは、下部電極５２および下方に設けられたヒートシンクを経由して外部に排出される。このため、電流注入領域７２の内側に設けられた面発光領域７０へは熱が伝導しにくい。この結果、温度上昇による面発光領域７０の屈折率の変化による光学特性の低下を抑制し、高出力化が容易となる。
図５（ａ）は第２の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
第２の実施形態では、第１半導体層３０の上面に設けられたピット６３の内面および底面を含むフォトニック結晶層３１を覆うように金属層５６が設けられる。この場合、ピット６３の周期構造が設けられた面発光領域７０において面発光が可能である。下部電極５４には、金属層５６で反射された赤外レーザ光が外部に向かって放出可能な開口部５４ａが設けられる。金属層５６の上面および上部電極５０の上面とは、ヒートシンク取り付け面とすることができる。
面発光領域７０には、電流注入がなされないが、ピット６３の内部に熱伝導性のよい金属層５６が設けられる。金属層５６は、第１半導体層３０に接触する。また、金属層５６および上部電極５０をヒートシンク５８に接触させることができるので、電流注入領域７２で発生する熱や、面発光領域７０でわずかに発生する熱を効率的に外部に排出できる。この結果、温度特性が改善され、高出力化が容易となる。
図６（ａ）は第３の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図６（ｂ）はＭ部を拡大した模式平面図、である。
第３の実施形態は、無励起領域に光学的機能素子を内蔵した面発光量子カスケードレーザである。光学的機能素子は、たとえば、テーパ共振器９０とすることができる。テーパ共振器９０には、上部電極５０が設けられないので、テーパ共振器９０の活性層の領域は無励起である。テーパ共振器９０のテーパ幅の最小領域９０ａは面発光領域７０に接続される。テーパ共振器９０は、フォトニック結晶層３１内で単一モードを維持しつつレーザ光を広げるとともに、フォトニック結晶層３１からの戻り光を共振器に戻す。
図７（ａ）はｐｎ接合型レーザダイオードにおける波長に対する利得・吸収または発光スペクトル依存性のグラフ図、図７（ｂ）は量子カスケードレーザにおける波長に対する利得・吸収または発光スペクトル依存性のグラフ図、である。
また、図８（ａ）は量子カスケードレーザの電流注入時のエネルギーバンド図、図８（ｂ）はゼロバイアス時のエネルギーバンド図、である。
図７（ａ）に表すように、ｐｎ接合型レーザダイオードは、ホールと電子とが再結合することにより、バンドギャップエネルギーＥｇに応じた波長で発振する。すなわち、キャリアの注入がない場合（鎖線）には発振波長（Ｅｇに対応）近傍では光吸収が大きい。このため、破線に表すように電流を注入して利得を大きくしないと、テーパ共振器における光損失が大きくなる。
これに対して、図７（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）に表すように、第３実施形態の面発光量子カスケードレーザは、電子のサブバンド間遷移により発光する。サブバンド間遷移では、発振波長はバンドギャップエネルギーには依存しない。このため、発光波長において、キャリアの注入がない（鎖線に表す）場合でも光吸収は少ない。このため、無励起状態でも、２次元回折格子、ＤＢＲ（Dstributed Black Reflector）などの光学的機能素子を設けることができる。
図９（ａ）は第３の実施形態の変形例にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図９（ｂ）はＭ部を拡大した模式平面図、である。
第３の実施形態の変形例は、無励起領域に光学的機能素子を内蔵した面発光量子カスケードレーザである。光学的機能素子は、テーパ共振器９１とする。テーパ共振器９１には、テーパ内で共振を発生させるＤＢＲ（Dstributed Black Reflector）が設けられる。
図９（ａ）、（ｂ）において、テーパ共振器９１に上部電極５０が設けられない。しかし、テーパ領域に上部電極５０を設けても良い。テーパ共振器９１のテーパ幅の最小領域９１ａは面発光領域７０に接続される。テーパ共振器９１は、フォトニック結晶層３１に単一モードを維持しつつ広げるとともに、フォトニック結晶層３１からの戻り光をテーパ共振器９１に戻す。
図１０（ａ）は第４の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図１０（ｂ）は合成された発光の遠視野層のグラフ図である。
第４の実施形態では、図１０（ａ）に表すように、テーパ共振器９２が並列アレイ状に設けられ光学的機能素子となる。本図では、１つの上部電極５０が５つのテーパ共振器に分割される。
５つのテーパ共振器近傍でのそれぞれの遠視野像（破線）はフォトニック結晶層３１においては重なり合い実線のような強度を持った光分布となる。これによりフォトニック結晶層３１では光の強度が単一のピークを持った強度分布が実現され、フォトニック結晶層３１内の回折作用により垂直方向に取り出される光の強度も同様に単一のピークを持った分布で出射される。
第３の実施形態およびそれに付随する変形例、および第４の実施形態によれば、量子カスケードレーザの量子井戸構造は、無励起状態でも光吸収が小さいので、面発光領域７０と、電流注入領域７２と、の間に光学的機能素子を設けることができる。このため、光学的機能素子により光学特性を制御することが容易となる。
なお、量子井戸構造に種々のイオン注入を行い無秩序化を行うか、または酸化層を導入すると、光吸収をさらに低減し、より透明に近づけることができる。イオン注入による無秩序化は以下のように行う。たとえば、水素をフォトニック結晶層３１の領域に注入し、基板温度を６００℃とし３０分アニールすると量子井戸の界面に存在する原子が相互拡散を生じて、量子井戸の界面で混晶化、無秩序化が生じる。これにより、アニール前に比べて量子井戸の井戸部分にＡｌが拡散することにより井戸の量子準位が全体的に高エネルギーとなる。またはＢのような比較的重い原子を注入すると量子井戸全体が無秩序化して量子井戸自体が無くなり、サブバンドが存在しなくなる。これによりフォトニック結晶層３１のサブバンド間遷移の光吸収は全く存在しなくなる。
また、別な手段として、活性層の量子井戸の障壁層であるＩｎＡｌＡｓ層のＡｌを水蒸気酸化する手段がある。フォトニック結晶層３１をドライエッチングで加工し、絶縁膜を形成する前にウェーハを水蒸気酸化炉に導入する。水蒸気酸化を行うとフォトニック結晶層３１が加工されている領域ではフォトニック結晶の穴部分の側面が水蒸気にさらされ酸化される。たとえば４５０℃の水蒸気酸化炉にウェーハを導入し、６時間の酸化を行う。これによりＩｎＡｌＡｓ障壁層は側面から１．８μｍ酸化される。穴の間隔は広い部分でも３．６μｍ離れていないため、穴のある領域では量子井戸のＩｎＡｌＡｓ層はすべて酸化され、この領域ではＩｎＡｌＯとＩｎＧａＡｓとが積層された構造となり、障壁層のエネルギーギャップが非常に大きくなり、量子井戸内でのサブバンドによる吸収が、この波長域ではなくなる。
第１および第２の実施形態によれば、高温特性が改善された面発光量子カスケードレーザが提供される。また、第３および第４の実施形態によれば、光吸収の少ない光学的機能素子を有することにより光学特性を制御可能であり、かつ高温特性が改善された面発光量子カスケードレーザが提供される。これらの面発光量子カスケードレーザは、ガス分析装置、環境測定装置、レーザ加工機などに利用可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ 半導体積層体、２０ 活性層、３０ 第１半導体層、３０ａ （第１半導体層の）表面、３１ フォトニック結晶層、３９ 第２半導体層、５３ 上部電極、５２、５４ 下部電極、５４ａ 開口部、５６ 金属層、６３ ピット、７０ 面発光領域、７０ａ （面発光領域の）外縁、７２ 電流注入領域、９０、９１、９２ テーパ共振器、９０ａ、９１ａ （テーパ幅の）最小領域、Ｇ１ （ピットの）重心、Ｊ 電流

Claims (8)

  1. サブバンド間遷移を生じる量子井戸層を有しかつ赤外レーザ光を放出する活性層と、前記活性層の上に設けられかつピットが直方格子を構成するフォトニック結晶層を有する第１半導体層と、前記活性層の下方に設けられた第２半導体層と、を有する半導体積層体と、
    前記第１半導体層の上面に設けられた上部電極と、
    前記第２半導体層の下面のうち、少なくとも前記上部電極と重なる領域に設けられた下部電極と、
    を備え、
    前記第１半導体層の前記上面の側には前記フォトニック結晶層が設けられ、
    前記ピットの開口端の平面形状は、前記平面形状の重心を通りかつ前記直方格子の２辺のそれぞれ平行な線に関して非対称であり、
    平面視にて、前記半導体積層体は、前記フォトニック結晶層を含む面発光領域と、前記面発光領域の外縁から放射状に外側に向かって延在する電流注入領域と、を有し、
    前記上部電極は、前記第１半導体層の前記上面のうち前記電流注入領域に設けられ、
    前記面発光領域の外縁は、前記電流注入領域と前記面発光領域との間の領域から、前記電流注入領域の前記延在方向と交差する方向に延出する部分を含み、
    前記活性層は、前記電流注入領域において前記上部電極と前記下部電極との間に流れる電流に基づき前記サブバンド間遷移により利得を発生させ、光共振を生じつつ前記面発光領域の概ね垂直方向へ前記赤外レーザ光を放出可能とする、面発光量子カスケードレーザ。
  2. 前記電流注入領域は、前記第１半導体層の前記上面において、互いに直交する２つの直線に沿って設けられる、請求項１記載の面発光量子カスケードレーザ。
  3. 前記電流注入領域は、前記直方格子の前記２辺の少なくともいずれかに直交する、請求項２記載の面発光量子カスケードレーザ。
  4. 前記フォトニック結晶層の前記ピットを含む前記面発光領域を覆う金属層をさらに備え、
    前記下部電極には前記金属層で反射された前記赤外レーザ光が外部に向かって放出可能な開口部が設けられ、
    前記金属層の上面および前記上部電極の上面は、ヒートシンク取り付け面とされる、請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
  5. 前記面発光領域の前記活性層の前記量子井戸層の一部は無秩序化された請求項１〜４のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
  6. 前記面発光領域の前記活性層の前記量子井戸層の一部は酸化された請求項１〜５のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
  7. 前記電流注入領域と前記面発光領域との間にテーパ共振器を有し、
    前記赤外レーザ光は単一モードであり、
    前記テーパ共振器のテーパ幅の最小領域は前記面発光領域に接続された、
    請求項１〜６のいずれか１つに記載の面発光量子カスケードレーザ。
  8. 前記テーパ共振器が並列アレイ状に設けられた、請求項７記載の面発光量子カスケードレーザ。
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