量子级联激光装置的制作方法

本发明实施方式涉及量子级联激光装置。

背景技术：

量子级联激光装置通过电子等载体的次能带间跃迁发出宽波长范围的红外线。

红外线波长由级联连接的量子阱(英文：quantumwell)层的能量等级决定。若每个阱层的厚度薄到10nm以下，则例如晶圆间阱层的厚度、组成元素的摩尔比等的可控性·可再现性就称不上充分。因此，红外线波长有时偏离预定的范围。

【专利文献1】日本特开2010－278326号公报

技术实现要素：

本发明提供提高了发光波长的可控性·可再现性的量子级联激光装置。

实施方式的量子级联激光装置具有基板、半导体层叠体和第1电极。所述半导体层叠体借助次能带间光学跃迁能够发出红外线激光。并且，所述半导体层叠体具有所述基板上设置的活性层和所述活性层上设置的第1包层。在所述半导体层叠体上设置脊形波导路，在所述第1包层上表面沿所述脊形波导路延伸的第1直线设置分布反馈区域。所述第1电极设置在所述分布反馈区域上表面。在所述分布反馈区域沿所述第1直线配置衍射光栅。所述分布反馈区域包含沿与所述第1直线正交方向的衍射光栅的长度随着从所述分布反馈区域的一端向着另一端而增大的区域。

附图说明

图1(a)为第1实施方式所涉及的量子级联激光装置的局部示意俯视图，图1(b)为说明沿第1直线的温度分布的曲线图；

图2(a)为第1实施方式所涉及的量子级联激光装置的沿a－a线的局部放大示意剖视图，图2(b)为沿b－b线的示意剖视图；

图3为通过模拟求得在位置p1、p2、p3上增益与波长的相关性的曲线图；

图4(a)为比较例所涉及的量子级联激光装置的分布反馈区域的示意俯视图，图4(b)为说明沿第1直线的温度分布的曲线图；

图5为表示峰值波长与阱层厚度的变化率的相关性的曲线图；

图6为表示表1所示的结构中增益与波长的相关性的曲线图；

图7(a)为表示分布反馈区域的第1变形例的示意俯视图，图7(b)为表示分布反馈区域的第2变形例的示意俯视图；

图8(a)为第2实施方式所涉及的量子级联激光装置的局部示意俯视图，图8(b)为第3实施方式所涉及的量子级联激光装置的局部示意俯视图。

图中，10-基板；12-活性层；14-第1包层；14a-衍射光栅；20-半导体层叠体；30-第1电极；30a-(第1电极的)第1区域；30b-(第1电极的)第2区域；40、41、42-分布反馈区域；40a-一端；40b-另一端；50-第1直线；d1、d2、d4、d5-(衍射光栅的)间距；rg-脊形波导路；w1、w2、w3、w4-(衍射光栅的)长度

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1(a)为第1实施方式所涉及的量子级联激光装置的局部示意俯视图，图1(b)为说明沿第1直线的温度分布的曲线图。

图1(a)表示设置第1电极30前的脊形波导路rg的上表面。

并且，图2(a)为第1实施方式所涉及的量子级联激光装置的沿a－a线的局部放大示意剖视图，图2(b)为沿b－b线的示意剖视图。

如图2(a)、(b)所示，第1实施方式所涉及的量子级联激光装置具有基板10、半导体层叠体20和第1电极30。

半导体层叠体20具有通过次能带间光学跃迁能够发出红外线激光90、并且设置在基板10上的活性层12，以及设置在活性层12上的第1包层14。在半导体层叠体20上设置有脊形波导路rg。

在第1包层14的上表面沿脊形波导路rg延伸的第1直线(与a－a线平行)50设置有分布反馈区域40。第1电极30设置在分布反馈区域40的上表面。并且，也可以在脊形波导路rg的两侧面和基板10的上表面设置电介质层60。在基板10为导电性的情况下，能够在基板10的里面设置第2电极32。

如图1(a)和图2(a)所示，在分布反馈区域40沿第1直线50配置具有预定间距d1的衍射光栅14a。衍射光栅14a的沿与第1直线50正交方向的长度随着从分布反馈区域40的一端40a沿第1直线50向另一端40b而增大。例如，假设在一端40a的衍射光栅40a的长度为w1，在另一端40b的长度为w2。即，在第1实施方式中，衍射光栅14a的长度w1＜w2。如果使1.5w1≦w2≦3w1等，则将横向的光束展开角度保持在预定范围内、并且控制温度分布变得容易。

图1(b)表示芯片表面的温度t对沿第1直线50的位置x的相关性。在沿b－b线的方向上，若衍射光栅14a的长度变长，则在活性层12中沿纵向流动的电流增大。因此，随着位置x靠近另一端40b，产生的热量比在一端40a附近大。即，温度分布能够为(位置p1的温度)＜(位置p2的温度)＜(位置p3的温度)。

若在一端40a的端面设置高反射膜43、在另一端40b设置低反射膜44，则红外线激光90朝图2(a)的右方向出射。但是，如果使2个反射膜的位置互相相反，则红外线激光90朝左方向出射。

并且，如果例如通过在脊形波导路rg的两侧面方向(与b－b线平行)设置inp等埋入层提高散热性，则能够使温度梯度相反。

图3为通过模拟求出的位置p1、p2、p3处增益与波长的相关性的曲线图。

纵轴表示增益(1/cm)，横轴表示波长(μm)。另外，有关具有这样的增益相关性的量子级联激光装置的结构后面进行说明。

在温度最低的位置p1，增益为峰值的波长为约5.85μm。在温度最高的位置p3，增益为峰值的波长为约6.15μm。在温度为它们的中间值的位置p2，增益为峰值的波长为约6.0μm。例如，使峰值波长的活性层的增益为约100cm^－1。在各个位置上，增益为50cm^－1以上的带宽狭至约0.16μm。

但是，如果认为活性层由以位置p1、p2、p3为中心的3区域构成，则可以认为活性层包含峰值波长为约5.85、6.0、6.15μm这3个增益带宽。实际上，由于各区域之间没有边界，因此增益与波长的相关性成为用虚线表示的包络线形状。

例如，增益为50cm^－1以上的带宽宽度为5.78～6.25μm。但是，如果增大活性层内的温度分布，则有可能增益的峰值下降，带宽变化。

在由于分布反馈区域而能够以单一模式振荡的量子级联激光装置中，峰值波长的温度相关性为例如0.5～1.0nm/℃。如果温度相关性为1nm/℃，则如果使位置p3的温度比位置p1的温度高约200℃的话，能够使位置p3的峰值波长比位置p1的峰值波长长约200nm。

即，根据第1实施方式，通过使芯片内衍射光栅的长度变化沿第1直线(光轴方向)50设置温度差，能够有效地使增益为宽的带宽。

图4(a)为比较例所涉及的量子级联激光装置的分布反馈区域的示意俯视图，图4(b)为说明沿该第1直线的温度分布的曲线图。

在比较例中，使衍射光栅114a的长度w3均匀。由于产生的热沿第1直线50大致均匀，因此温度相对于沿第1直线50的位置x接近平坦地变化。因此，增益带宽与第1实施方式相比变窄。

图5为表示峰值波长与ingaas阱层厚度的变化率的相关性的曲线图。

根据◆标记表示的模拟，随着阱层厚度的变化率从负变化成正，峰值波长变长。将作为ingaas阱层的基准的厚度的负7％的阱层厚度设定为目标值的第1晶圆的峰值波长的平均值为约3.7μm(○标记)。并且，将ingaas阱层的基准的厚度的正3％的阱层厚度设定为目标值的第2晶圆的峰值波长的平均值为约3.9μm(▲标记)。其波长差大到约0.2μm。

在实际的使用了mbe(molecularbeamepitaxy)、mocvd(metalorganicchemicalvapordeposition)的结晶成长过程中，晶圆间的峰值波长差为这个程度。在进行借助衍射光栅的单一模式动作的情况下，使活性层的增益带宽比0.2μm宽困难。

如果设定的单一模式波长超出活性层的增益带宽，则不会产生所希望的次能带间光学跃迁。即，制造具有所希望的峰值波长的激光元件的成品率下降。

下面将第1实施方式所涉及的量子级联激光装置的量子阱结构的一例表示在表1中。

【表1】

单元量子阱层具有注入阻挡层、发光区域、提取阻挡层和电子注入区域。发光区域交错层叠由in0.53ga0.47as构成的4个阱层和由in0.52al0.48as构成的阻挡层。夹着提取阻挡层设置的电子注入区域交错层叠由in0.53ga0.47as构成的8个阱层和由in0.52al0.48as构成的阻挡层。该单元量子阱层级联连接例如数十～数百层。

图6为表示在表1所示的结构中增益与波长的相关性的模拟结果的曲线图。

纵轴为增益(1/cm)、横轴为波长(μm)。另外，使衍射光栅的长度相同。波长为6.0μm时，增益为峰值约100cm^－1。增益为约1/2即50cm^－1的带宽为约0.15μm。

并且，波长为约5.8μm以下以及波长为6.15μm以上时，增益在0以下。即，如果使衍射光栅的长度均匀，则增益带宽狭至0.15μm。例如，通过改变构成发光区域的阱层的厚度w1，能够改变增益的峰值波长。

相比之下，第1实施方式中，增大温度分布、扩宽活性层内的增益带宽。即，像图3例示的那样，有效地扩宽活性层内的增益带宽，能够确实地射出所希望波长的单一模式激光。结果，即使在结晶成长过程中产生活性层膜厚、组成的变动，也能够保证高的激光元件成品率。

图7(a)为表示分布反馈区域的第1变形例的示意俯视图，图7(b)为表示分布反馈区域的第2变形例的示意俯视图。

如图7(a)所示，分布反馈区域40可以具有长度为w1的区域40c，长度为w2(＞w1)的区域40e，以及被它们夹着、长度单调地增大的区域40d。

并且，如图7(b)所示，也可以具有长度从w1单调地增大到w4的区域40f、长度为w4的区域40g和长度从w4单调地增大到w2的区域40h。

图8(a)为第2实施方式所涉及的量子级联激光装置的局部示意俯视图，图8(b)为第3实施方式所涉及的量子级联激光装置的局部示意俯视图。

如图8(a)所示，分布反馈区域41具有一端41a一侧的区域41c和另一端41b一侧的区域41d。第1电极30具有区域41c之上的第1区域30a和区域41d之上的第2区域30b。例如，如果使施加给第1电极30的第2区域30b的电压比施加给第1电极30的第1区域30a的电压高，则能够提高电流密度，进一步提高区域41d的温度。结果，能够进一步拓宽活性层的增益带宽。

如图8(b)所示，分布反馈区域42具有一端42a一侧的区域42c和另一端42b一侧的区域42d。区域42c内设置的衍射光栅14b的间距d4比区域42d内设置的衍射光栅14c的间距d5小。第1电极30既可以分割成区域42c之上的第1区域30a和区域42d之上的第2区域30b，也可以是同一电极。如果使衍射光栅的间距d4与d5不同，则能够选择与间距d4相对应的波长和与间距d5相对应的波长。因此，能够进一步拓宽活性层的增益带宽。

根据本发明的实施方式，提供提高了发光波长的可控性·可再现性的量子级联激光装置。这些量子级联激光装置能够广泛应用于各种气体分析装置、特定物质检测装置等中。

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提出的，并不打算限定发明的范围。这些新的实施方式能够以种种其他形态实施，在不超出发明宗旨的范围内能够进行种种省略、替换和变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、宗旨内，也包含在权利要求范围所述的发明及其均等的范围内。