半导体激光装置的制作方法

本发明的实施方式涉及半导体激光装置。

背景技术：

在环境测量等广泛领域中应用了发出红外光的激光装置。其中，由半导体构成的量子级联激光器小型且便利性较高，能够进行高精度的测量。

量子级联激光器例如交替层叠有GaInAs与AlInAs，具有包含量子阱层的活性层。而且，具有活性层的两侧面由例如InP包层夹住的构造。在该情况下，级联连接的量子阱层能够通过载流子的子带间跃迁发出波长为4～20μm的红外线激光。

空气中所包含的各种气体通过红外线照射具有气体固有的吸收光谱。因此，通过测量红外线吸收量，能够知晓气体的种类与其浓度。在该情况下，要求从量子级联激光器发出的激光的波长范围较宽。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010－278326号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

提供一种能够以较宽的波长频带进行红外发光的半导体激光装置。

用于解决课题的手段

实施方式的半导体激光装置具有多个第1单位层叠体、多个第2单位层叠体。上述多个第1单位层叠体具有包含第1量子阱层且能够通过子带间跃迁发出第1红外光的发光区域、以及能够将上述发光区域中向微带能级弛豫的电子向下游侧的单位层叠体输送的电子注入区域。上述多个第2单位层叠体具有包含第2量子阱层且能够通过子带间跃迁发出第2红外光的发光区域、以及能够将上述第2量子阱层的上述发光区域中向微带能级弛豫的电子向下游侧的单位层叠体输送的电子注入区域。上述第2量子阱层具有至少一个与上述第1量子阱层的阱宽度不同的阱宽度。第1单位层叠体与第2单位层叠体具有空间的周期性而层叠。

附图说明

图1(a)是局部剖切本发明的第1实施方式的半导体激光装置的示意立体图，图1(b)是沿着A－A线的示意剖视图。

图2是说明第1实施方式的半导体激光装置的作用的能带图。

图3是使第1阱层的宽度变化时的、相对于发光波长的增益的曲线图。

图4(a)是第2实施方式的例I的能带图，图4(b)是其虚线区域的放大图，图4(c)是例II的能带图，图4(d)是其虚线区域的放大图，图4(e)是例3的能带图，图4(f)是其虚线区域的放大图。

图5是第2实施方式的半导体激光装置相对于发光波长的增益的曲线图。

图6(a)是比较例(W1＝6.4μm)的能带图，图6(b)是其虚线区域的放大图，图6(c)是比较例(W1＝6.5μm)的能带图，图6(d)是其虚线区域的放大图，图6(e)是比较例(W1＝6.6μm)的能带图，图6(f)是其虚线区域的放大图。

图7(a)是使用了本实施方式的半导体激光装置的呼气诊断装置的构成图，图7(b)是多个气体的吸收光谱的示意图，图7(c)是说明波长控制部的第1调整机构以及第2调整机构的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边说明本发明的实施方式。

图1(a)是局部剖切本发明的第1实施方式的半导体激光装置的示意立体图，图1(b)是沿着A－A线的示意剖视图。

半导体激光装置至少具有基板10、设于基板10上的层叠体20、以及电介质层40。在图1(a)中，还具有第1电极50、第2电极52、以及绝缘膜42。

层叠体20具有第1包层22、第1引导层23、活性层24、第2引导层25、以及第2包层28。第1包层22的折射率和第2包层28的折射率比第1引导层23、活性层24、以及第2引导层25的任意一方的折射率都低，在活性层24的层叠方向上将红外线激光60适当封入。

另外，层叠体20具有条纹的形状，能够被称作脊波导路RG。若使脊波导路RG的两个端面为镜面，则被引导发出的光作为红外线激光62而从光出射面发出。在该情况下，光轴62定义为将以镜面作为共振面的光共振器的剖面的中心连结的线。即，光轴62与脊波导路RG延伸的方向一致。

在与光轴62垂直的剖面上，若与活性层24的第1面24a、第2面24b平行的方向上的宽度WA过宽，则在水平横方向上产生高次模式，难以进行高输出。若活性层24的宽度WA设为例如5～20μm等，则水平横方向模式的控制变得容易。若电介质层40的折射率比构成活性层24的任意一层的折射率低，则能够利用夹住层叠体20的侧面20a、20b而设置的电介质层40沿光轴62构成脊波导路RG。

图2是说明第1实施方式的半导体激光装置的作用的能带图。

活性层24具有交替层叠有发光区域和注入区域的级联构造。能够将这样的半导体激光称作量子级联激光器。第1单位层叠体80具有第1发光区域82和第1注入区域84。第1注入区域84具有电子注入区域88和抽出势垒层BE。另外，第1注入区域84在下游侧还能够具有调整量子阱层90。第1发光区域82通过第1量子阱层86的子带间跃迁能够发出第1红外线激光。从第1注入区域84向第2发光区域94注入载流子(在本图中是电子)，子带间跃迁之后，电子被从第2发光区域94向第2注入区域96抽出。载流子从上游侧向下游侧移动。即，第1单位层叠体80位于上游侧。另一方面，第2单位层叠体92位于下游侧。例如，可以说第1注入区域84将载流子(电子)输送(注入)到位于下游侧的第2单位层叠体92的第2发光区域93。

第2单位层叠体92具有第2发光区域93和第2注入区域95。第2注入区域95具有电子注入区域96和抽出势垒层BE。另外，第2注入区域95在下游侧还能够具有调整量子阱层98。第2发光区域93通过第2量子阱层94的子带间跃迁能够发出包含红外线激光等的第2红外光。另外，第2注入区域95能够将从第2发光区域93注入的载流子(在本图中是电子)的能量向微带能级Lm2弛豫(日语：緩和)。

在第1量子阱层86以及第2量子阱层94中，若使阱宽度W1缩窄为例如10nm以下，则能级离散，产生子带(高能级Lu)、子带(低能级Ll)等。从注入势垒层BI注入的电子等的载流子能够有效地封入量子阱层。因此，在载流子从高能级Lu向低能级Ll跃迁的情况下，发出与能量差(Lu1－Ll1)、(Lu2－Ll2)等对应的光(hn)(电子等的载流子的跃迁)。

子带间跃迁产生于导带以及价带的某一方中。即，不需要pn结的空穴与电子的再结合，而是仅利用某一方的载流子的跃迁来发光。在本图的情况下，半导体层叠体通过施加于第1电极50和第2电极52之间的电压，经由注入势垒层BI向量子阱层注入电子70，产生子带间跃迁。

单位层叠体具有多个微带(也称作子带)。优选的是微带中的能量差较小，接近于连续能带。第1发光区域86的低能级Ll1的电子被弛豫到微带能级Lm1，通过抽出势垒层BE，向第1注入区域88注入，并向下游侧的单位层叠体输送(注入)。另外，第2发光区域93的低能级Ll2的电子向微带能级Lm2弛豫，通过抽出势垒层BE，向第2注入区域95注入，并向下游侧的单位层叠体输送(注入)。

将发光区域的量子阱层中的决定子带间跃迁的阱层称作第1阱层，用W1表示其宽度。在第1实施方式中，第2量子阱层94中的产生伴随着发光的电子跃迁的阱层宽度W1与第1量子阱层86中的产生伴随着发光的电子跃迁的阱宽度W1不同。

图3是使第1阱层宽度变化时的、相对于发光波长的增益的曲线图。

纵轴是增益(1/cm)，横轴是发光波长(μm)。

对应于将第1阱层的宽度W1扩宽为6.3nm(A)、6.4nm(B)、6.5nm(C)、6.6nm(D)，发光波长的峰值变长至6.1μm、6.15μm、6.2μm、6.25μm。另外，通过改变单位层叠体的第1阱层的宽度W1，能够改变发光波长的峰值。

在第1实施方式中，第1单位层叠体80与第2单位层叠体92具有空间的周期性而层叠。因此，具备第1阱层的宽度W1不同的多个单位层叠体，能够获得具有较宽的发光波长频带的量子级联激光器。

另外，能够交替层叠第1单位层叠体80与第2单位层叠体92。或者，也可以将三种以上的单位层叠体如A－B－C－A－B－C···那样周期性地层叠。而且，也可以是A－A－B－A－A－B···等。层叠数例如能够采用20～50等。

在第1实施方式中，基板10能够采用InP等。第1包层22以及第2包层28能够采用InP等。第1引导层23以及第2引导层25能够采用InGaAs等。活性层24能够采用InGaAs(In_0.53Ga_0.47As等)/In_0.52Al_0.48As等。

第1包层22以及第2包层28由于Si掺杂而具有例如6×10¹⁸cm^－3的n型杂质浓度，例如能够设为1μm的厚度。另外，第1引导层23以及第2引导层25由于Si掺杂而具有例如4×10¹⁶cm^－3的n型杂质浓度，能够设为3.5μm的厚度。此外，也可以在构成注入区域的量子阱层的一部分中进行Si掺杂。

(表1)是构成第2实施方式的量子级联激光器的单位层叠体构造的例子。

[表1]

在第1阱层的宽度W1不同的两个单位层叠体之间，能量差(Lu－Ll)不同。因此，有时电子注入效率降低，光输出降低。在第2实施方式中，上游侧的第1单位层叠体80的调整量子阱层90将比微带能级Lm1低的跃迁能级Lt1连续生成至与下游侧邻接并且发光波长不同的第2单位层叠体92的第2量子阱层94。

比较例(构造A)的第1阱层的宽度W1为6.3nm，不具有调整量子阱层。第2实施方式的例I(构造B+调整层1)具有由一个阱层/势垒层对(pair)构成的调整量子阱层90。例II(构造C+两个阱层/势垒层对)具有由两个阱层/势垒层对构成的调整量子阱层。例III(构造D+三个阱层/势垒层对)具有由三个阱层/势垒层对构成的调整量子阱层。

图4(a)是第2实施方式的例I的能带图，图4(b)是其虚线区域的放大图，图4(c)是例II的能带图，图4(d)是其虚线区域的放大图，图4(e)是例3的能带图，图4(f)是其虚线区域的放大图。

在例I、例II、例III中，第1单位层叠体80的调整量子阱层90将比微带能级Lm1低的跃迁能级Lt1连续地生成至第2发光区域94。因此，即使使不同构成的单位层叠体为级联构造，也能够保持较高的电子注入效率。

图5是第2实施方式的半导体激光装置的相对于发光波长的增益的曲线图。

(表1)所示的第2实施方式的例I、例II、例III的注入区域具有将阱层(厚度2.5nm)与势垒层(厚度3nm)所成的对分别与1、2、3层层叠而成的调整量子阱层90。在第2实施方式中，能够提高电子注入效率，并提高增益、光输出。因此，易于扩宽发光波长频带。此外，调整量子阱层90的构成并不限定于上述。也能够根据在载流子的下游侧级联连接的发光区域的第1阱层的宽度W1，来确定构成调整量子阱层90的阱层/势垒层的宽度、重复周期。此外，活性层24的剖面能够通过TEM(Transmission Electron Microscope，透射电镜)来分析。

例如，若交替层叠例I的单位层叠体与例III的单位层叠体，则两方的增益相加，能够获得更宽的增益频带。另外，由于跨越两个单位层叠体生成跃迁能级Lt1、Lt2，因此能够提高电子注入效率。

图6(a)是比较例(W1＝6.4μm)的能带图，图6(b)是其虚线区域的放大图，图6(c)是比较例(W1＝6.5μm)的能带图，图6(d)是其虚线区域的放大图，图6(e)是比较例(W1＝6.6μm)的能带图，图6(f)是其虚线区域的放大图。

比较例是未设有调整量子阱层的单位层叠体的能带图。在W1＝6.4、6.5、6.6μm的任一种时，单位层叠体180的微带能级Lm1都保持原样地延续到接下来的单位层叠体(相同的构成180)的量子阱层186，成为高能级Lu2。即，在界面附近不存在比容易进行电子注入那样的微带能级Lm1低的跃迁能级。因此，在单位层叠体的界面，电子注入效率容易降低，光输出降低。

与此相对，在第1以及第2实施方式中，具有不同的阱层宽度的至少两个单位层叠体保持周期性而层叠。因此，提供了一种能够以较宽的波长频带进行红外发光的发光元件(包含量子级联激光器)。

图7(a)是使用了本实施方式的半导体激光装置的呼气诊断装置的构成图，图7(b)是多个气体的吸收光谱的示意图，图7(c)是说明波长控制部的第1调整机构以及第2调整机构的图。

呼气诊断装置具有量子级联激光器170等、波长控制部、气室(对应于“壳体”)280、检测部287、以及信号处理部288。量子级联激光器170和波长控制部能够称作光源部191。

波长控制部具有将红外线激光等的波长转变到人类等的呼气所包含的多种气体中的一种气体的吸收光谱内的第1调整机构、以及在一种气体的吸收光谱内进行转变的第2调整机构。

在呼气诊断装置中，第1调整机构包含衍射光栅171等。衍射光栅171以与量子级联激光器170的光轴162交叉的方式设置，构成外部共振器。如图7(c)所示，在包含多个气体的呼气BR中，根据各个气体的吸收光谱使红外线激光的入射角变化为β1～β4等，使红外线激光的波长变化(粗调)。

该衍射光栅171被步进电机199以及控制该步进电机199的控制器198控制为以与光轴162交叉的轴为中心旋转。此外，优选在量子级联激光器70的衍射光栅171侧的端面设置无反射覆膜AR。而且，若在与无反射覆膜AR相反的一侧设置部分反射(Partial Reflection)覆膜PR，则能够在其与衍射光栅171之间构成外部共振器。

为了使分子的吸收光谱离散且提高测量精度，需要使波长高精度地对应于吸收峰值。另外，为了避免作为呼气中的主要成分的二氧化碳和水的吸收并对测量对象分子的吸收进行测量，需要使波长高精度地对应于吸收峰值。但是，分子的吸收峰值、光源的波长有时受到测量环境影响而转变。因此，优选的是利用第2调整机构进行微调。

另外，如图7(c)所示，第2调整机构使衍射光栅171不旋转而是恒定。波长调整能够通过使量子级联激光器170的动作电流值I_LD或者占空比变化、或使用珀耳帖元件290等使量子级联激光器170的动作温度变化、或利用压电元件等使外部共振器长度变化等来实现。或者，第2调整机构也可以使用冷却器、加热器，以及致冷剂中的某一方或者同时采用它们，使量子级联激光器170的动作温度变化。致冷剂例如能够采用液氮、水、乙醇水、液氦中的某一方。

如图7(b)所示，例如测量丙酮(纵轴所示的吸收量的峰值为7.37μm附近)与甲烷(吸收量的峰值为7.7μm附近)的气体浓度。不同气体的吸收光谱例如大幅度相差大致0.3μm等。因此，为了以短时间(例如一分钟等)测量多个气体，优选的是利用第1调整机构迅速地将红外线激光的波长增大转变(shift)幅度。

另一方面，在第2调整机构中，在一个气体的吸收光谱内进行波长调整的情况下，转变的幅度也可以比第1调整机构中的波长范围窄。但是，要求提高调整精度。即，不容易利用同一波长控制机构实现主要作为粗调的第1调整机构、以及主要作为微调的第2调整机构。

气室280具有呼气吸入口281、呼气排出口282、红外线激光的入射窗283、以及红外线激光的出射窗284。此外，来自量子级联激光器170的激光具有发散角。因此，在量子级联激光器170和入射窗283之间设置准直的光学系统272即可。另外，在出射窗284和检测器287之间设置聚光光学系统286即可。

人类的呼气BR中包含氮、氧、二氧化碳，水等作为主要成分。另外，同时，含有极其微量的1000种以上不同的分子，微量气体的变化成为疾病的指标。因此，若测量呼气所包含的微量气体G1，则能够实现疾病的早期发现和预防。如此，若这样使用呼气诊断装置，则能够比进行血液检查等更短时间并且更容易地进行诊断。

例如，若能够检测出丙酮作为微量气体G1，则能够发现糖尿病等。在该情况下，使用7～8μm波长的红外线，需要ppm程度的检测灵敏度。另外，若能够检测出氨作为微量气体，则能够发现肝炎。在该情况下，使用10.3μm的波长的红外线，需要ppb程度的检测灵敏度。另外，若能够检测出乙醇、乙醛作为微量气体，则能够测量饮酒量。

如果量子级联激光器170的发光波长频带较窄，则为了生成波长范围较宽的红外线激光，需要多个量子级联激光器170和与各个量子级联激光器对应的多个外部共振器。因此，装置大型化。与此相对，本实施方式的量子级联激光器具有较宽的发光波长频带。因此，能够以一个量子级联激光器引导放出较宽范围的波长的红外线激光，容易实现装置的小型化。

虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提出的，并非意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够通过其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等价的范围中。