量子级联激光器的制作方法

本发明的实施方式涉及量子级联激光器。

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(QCL：Quantum Cascade Laser)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而发出波长为3～20μm的红外线激光。

例如，呼气中所包含的CO₂气体通过红外线照射而具有固有的吸收光谱。因此，通过测量红外线吸收量，能够知晓气体的浓度。

另外，若测量¹³CO₂与¹²CO₂的同位素比，则能够诊断人类的身体有无异常。在该情况下，要求将从量子级联激光器发出的激光的波长范围控制为3.5～4.5μm的范围等。

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4.5μm以下的波长频带实现高输出化的量子级联激光器。

用于解决课题的手段

实施方式的量子级联激光器的活性层具有多个发光区域和多个注入区域。各个发光区域具有注入势垒层、以及至少含有两个阱层并通过子带间跃迁发出红外光的发光量子阱层。各个注入区域具有抽出势垒层以及弛豫量子阱层，该弛豫量子阱层形成使来自上述发光区域的载流子的能量弛豫的能级。各个发光量子阱层内邻接的两个阱层中，上述抽出势垒层侧的阱层比上述注入势垒层侧的第2阱层深。各个发光区域与各个注入区域交替层叠。

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(a)是具有晶格匹配的发光量子阱层的QCL的量子阱构造的导带的能带图，图2(b)是具有晶格未被匹配的发光量子阱层的QCL的导带的能带图。

图3是第1实施方式的QCL的导带的能带图(电场为零)。

图4(a)是第2实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图4(b)是增益光谱的曲线图。

图5(a)是比较例的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图5(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

图6(a)是第3实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图6(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

图7(a)是第4实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图7(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

图8(a)是第5实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图8(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

图9(a)是第6的实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图9(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

图10(a)是第7的实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图10(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

图11(a)是表示波数2275～2325cm^－1的¹³CO₂以及¹²CO₂的吸收系数的曲线图，图11(b)是表示波数2295.7～2296.3cm^－1的吸收系数的曲线图。

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实施方式的量子级联激光器的示意立体图，图1(b)是沿着A－A线的示意剖视图。

量子级联激光器(QCL：Quantum Cascade Laser)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。另外，QCL还可以具有第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的折射率分别比第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适当地限制。

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的延伸方向一致。

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(a)是具有晶格匹配的发光量子阱层的QCL的量子阱构造的能带图，图2(b)是具有晶格未被匹配的发光量子阱层的QCL的能带图。

具有图2(a)所示的发光量子阱层的QCL有着三个阱层的MQW(Multi-Quatum Well，多量子阱)构造，阱层的电势(能量)的深度D_C设为相同。构成发光量子阱层的阱层以及势垒层都被晶格匹配于作为基板的InP(晶格常数a0：约5.8687埃)。例如，使阱层由In_0.53Ga_0.47As构成，使势垒层由In_0.52Al_0.48As构成即可。

另外，在具有图2(b)所示的发光量子阱层的QCL中，有着比图2(a)所示的阱层的深度D_C深的阱层深度D_D。例如，若使阱层由In_0.669Ga_0.331As构成，则晶格常数a1约为5.9242埃。另外，若使势垒层由In_0.362Al_0.638As构成，则晶格常数a2约为5.8049埃。其结果，对于作为基板10的InP，向阱层施加压缩应力，向势垒层施加拉伸应力。此外，阱层的深度与导带E_C的能量不连续ΔE_C相等。

在图2(b)所示的应变补偿MQW中，能够使阱层的深度D_D比图2(a)所示的阱层的深度D_C大。因此，扩宽阱层的子带能级的间隔，能够使子带间跃迁ST作用下的红外光的波长λ1比图2(a)所示的子带跃迁的波长λ2短。

图3是第1实施方式的QCL的导带的能带图(电场为零)。

此外，第1实施方式是使电子为载流子的QCL。

发光量子阱层86具有多个阱层。例如，从注入势垒层B1侧起将阱层的深度用D1、D2、D3表示。在三个阱层中的邻接的两个阱层中，抽出势垒层BE侧的阱层的深度比注入势垒层BI侧的阱层深。即，D1＜D2，或者D2＜D3。另外，也可以如本图那样，设为D1＜D2＜D3。在第1实施方式中，由于加深阱层，能够缩短红外光的波长。

另外，能够高效地将载流子限制在较深的阱层内，并促进子带间跃迁ST。因此，能够实现高输出化。此外，子带能级因阱层的厚度、势垒层的厚度等而变化。因此，发光波长因阱层的厚度、势垒层的厚度等而变化。弛豫量子阱层88也可以相对于基板10晶格匹配。

图4(a)是第2实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图4(b)是增益光谱的曲线图。

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。此外，电子的波动函数能够通过模拟而求出。

发光区域82、92具有注入势垒层BI、以及至少有着两个阱层并通过子带间跃迁发出红外光的发光量子阱层86、96。注入区域84、94具有抽出势垒层BE和弛豫量子阱层88、98，该弛豫量子阱层88、98使来自发光区域82、92的载流子的能量弛豫，并形成向接下来的发光区域注入载流子的能级(微带能级Lm1、Lm2等)。在各个发光量子阱层86、96中，邻接的至少两个阱层中的抽出势垒层BE侧的阱层比注入势垒层BI侧的阱层深。在本图中，阱层的深度设为D3＜D1＜D2。其中，阱层的深度也可以逐渐变深(D1＜D2＜D3)。

若减小构成发光量子阱层86、96的阱层的厚度，则能级离散，产生子带(高能级Lu、低能级Ll)等。从注入势垒层BI注入的载流子被有效地限制于阱层，载流子从高能级Lu向低能级Ll跃迁，发出对应于(Lu－Ll)的光(hν)。此外，注入到注入区域的载流子的能量Ll1、Ll2通过弛豫量子阱层88、98，并且被弛豫到微带能级Lm2。

(表1)表示第3实施方式的QCL的单位层叠体的构成。最后的列的数字表示各个层的厚度(埃)。

【表1】

厚度(A)

构成发光量子阱层86、96的阱层全部由In_0.53Ga_0.47As构成，并晶格匹配于基板10的InP(晶格常数：a0)。另一方面，在构成发光量子阱层86、96的势垒层中，分别由In_0.5Al_0.5As和In_0.48Al_0.52As构成并邻接的两个层的晶格常数a2比基板10的InP的晶格常数a0小。因此，如能带图的虚线区域RB1所示，构成发光量子阱层86、96的势垒层的导带端上升，势垒层提高(即，阱层变深)。其结果，载流子能够有效地被限制于发光区域82、92内的阱层，并提高光输出。

注入势垒层BI、抽出势垒层BE、以及弛豫量子阱层88、98能够晶格匹配于基板10的InP。这样，整体上良好地保持了结晶性。此外，施加电场时的能带图的导带E_C倾斜。通过使发光量子阱层86、96的两个势垒层的组成比变化，并设为晶格不匹配，能够使倾斜的能带图中的虚线区域RB1的势垒层的导带端的能量E_C局部成为大致相同的高度。

此外，在本图中，子带间跃迁主要在发光量子阱层86、96的第二个阱层(深度D1)中产生。

在图4(b)中，纵轴表示相对净模式增益(日文：ネットモード利得)，横轴表示波长(μm)。将净模式增益设为G，光限制系数设为Γ，媒质增益设为g，内部损失设为α时，净模式增益G由下式表示。

G＝Γ×g－α

净模式增益成为极大的波长为3.7μm以及4.3μm的附近。因此，能够进行¹³CO₂、¹²CO₂的分光测量。

图5(a)是比较例的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图5(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

在比较例中，如(表2)所示，发光区域182、192以及注入区域184、194的全部的量子阱晶格匹配于基板10的InP。因此，如虚线区域RBC所示，势垒层的高度恒定，超过发光量子阱层186、196的势垒层而向抽出势垒层BE漏出的载流子增加。因此，光限制效果降低，难以提高子带间跃迁。其结果，光输出较低。

【表2】

厚度(A)

如图5(b)所示，发光量子阱层186、196晶格匹配于基板10的InP，因此增益成为极大的波长为4.4μm以上，难以成为比其短的波长。

图6(a)是第3实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图6(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

另外，(表3)表示第3实施方式的QCL的单位层叠体的构成。

【表3】

厚度(A)

构成发光量子阱层86、96的阱层全部由In_0.53Ga_0.47As构成，并晶格匹配于基板10的InP。另一方面，在构成发光量子阱层86、96的势垒层中，分别由In_0.48Al_0.52As和In_0.46Al_0.54As构成且邻接的两个层的晶格常数a2比基板10的InP的晶格常数a0小。因此，如虚线区域RB2所示，发光量子阱层86、96的导带端相比于第2实施方式进一步上升，势垒层进一步提高(即，阱层变深)。其结果，载流子能够更有效地被限制于发光区域82、92的阱层内，并提高光输出。注入势垒层BI、抽出势垒层BE以及弛豫量子阱层88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整体上抑制了结晶性的降低。

如图6(b)所示，增益成为极大的波长为3.7μm的附近。因此，能够进行¹³CO₂、¹²CO₂的分光测量。

图7(a)是第4实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图7(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

另外，(表4)表示第4实施方式的QCL的单位层叠体的构成。

【表4】

厚度(A)

构成发光量子阱层86、96的阱层中的具有In_0.55Ga_0.45As和In_0.57Ga_0.43As的两个层的晶格常数a1比基板10的InP的晶格常数a0大。因此，如虚线区域RW1所示，发光量子阱层86、96的阱层的导带端下降，阱层变深。

另一方面，在构成发光量子阱层86、96的势垒层中，分别由In_0.50Al_0.50As和In_0.48Al_0.52As构成的两个层的晶格常数a2比基板10的InP的晶格常数a0小。因此，如虚线区域RB2所示，发光量子阱层86、96的导带端相比于第2实施方式上升，势垒层进一步提高(即，阱层变深)。其结果，载流子能够有效地被限制于发光区域82、92的阱层内，并提高光输出。注入势垒层BI、抽出势垒层BE、以及弛豫量子阱层88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整体上抑制了结晶性的降低。

如图7(b)所示，增益成为极大的波长为3.6μm附近。因此，能够进行¹³CO₂、¹²CO₂的分光测量。

图8(a)是第5实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图8(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

另外，(表5)表示第5实施方式的QCL的单位层叠体的构成。

【表5】

厚度(A)

在构成发光量子阱层86、96的阱层中，具有In_0.57Ga_0.43As和In_0.59Ga_0.41As的两个层的晶格常数a1比基板10的InP的晶格常数a0大。因此，如虚线区域RW2所示，发光量子阱层86、96的阱层的导带端下降，阱层变深。

另一方面，在构成发光量子阱层86的势垒层中，分别由In_0.50Al_0.50As和In_0.48Al_0.52As构成的两个层的晶格常数a2比基板10的InP的晶格常数a0小。因此，如虚线区域RB2所示，发光量子阱层86、96的导带端比第2实施方式上升，势垒层进一步提高(即，阱层变深)。其结果，载流子能够有效地被限制于发光区域82、92的阱层内，并提高光输出。注入势垒层BI、抽出势垒层BE、弛豫量子阱层88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整体上抑制了结晶性的降低。

如图8(b)所示，增益成为极大的波长为3.6μm以及4.3μm的附近。因此，能够进行¹³CO₂、¹²CO₂的分光测量。

图9(a)是第6的实施方式的QCL的导带能带图(施加电场时)，图9(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

另外，(表6)表示第7的实施方式的QCL的单位层叠体的构成。

【表6】

厚度(A)

在构成发光量子阱层86、96的阱层中，具有In_0.57Ga_0.43As和In_0.59Ga_0.41As的两个层的晶格常数a1比基板10的InP的晶格常数a0大。因此，发光量子阱层86、96的阱层的导带端下降，阱层变深。

另一方面，在构成发光量子阱层86、96的势垒层中，分别由In_0.48Al_0.52As和In_0.46Al_0.54As构成的两个层的晶格常数a2比基板10的InP的晶格常数a0小。因此，发光量子阱层86、96的导带端相比于第2实施方式上升，势垒层进一步提高(即，阱层变深)。其结果，载流子能够有效地被限制于发光区域82、92的阱层内，并提高光输出。注入势垒层BI、抽出势垒层BE、弛豫量子阱层88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整体上抑制了结晶性的降低。

如图9(b)所示，增益成为极大的波长为3.55μm的附近。因此，能够进行¹³CO₂、¹²CO₂的分光测量。

图10(a)是第7实施方式的QCL的导带的能带图(电场施加状态)，图10(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。

另外，(表7)表示第7实施方式的QCL的单位层叠体的构成。

【表7】

厚度(A)

在构成发光量子阱层86、96的阱层中，具有In_0.57Ga_0.43As和In_0.59Ga_0.41As的两个层的晶格常数a1比基板10的InP的晶格常数a0大。因此，如虚线区域RW2所示，发光量子阱层86、96的阱层的导带端下降，阱层变深。

另一方面，在构成发光量子阱层86、96的势垒层中，分别由In_0.48Al_0.52As、In_0.46Al_0.54As、以及In_0.48Al_0.52As构成的三个层的晶格常数a2比基板10的InP的晶格常数a0小。因此，如虚线区域RB3所示，发光量子阱层86、96的导带端比第2实施方式上升，势垒层进一步提高(即，阱层变深)。其结果，载流子能够有效地被限制于发光区域82、92的阱层内，并提高光输出。注入势垒层BI、抽出势垒层BE、以及弛豫量子阱层88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整体上抑制了结晶性的降低。

如图10(b)所示，增益成为极大的波长为3.55μm的附近。因此，能够进行¹³CO₂、¹²CO₂的分光测量。

根据第1～7的实施方式，提供了能够以4.4μm以下的波长频带实现高输出化的量子级联激光器。

图11(a)是表示波数2275～2325cm^－1的¹³CO₂以及¹²CO₂的吸收系数的曲线图，图11(b)是表示波数2295.7～2296.3cm^－1的吸收系数的曲线图。

此外，CO₂浓度设为8％，压力设为0.5气压，温度设为313K。

例如，若使用¹³CO₂以及¹²CO₂的同位素，则能够检测幽门螺旋杆菌。首先，人将包含¹³C―尿素的试剂作为标志化合物而饮入。在胃内若存在幽门螺旋杆菌，则会与试剂产生反应，排出¹³CO₂作为吐气。另一方面，若不存在幽门螺旋杆菌，则不会排出¹³CO₂。因此，通过测量¹³CO₂与¹²CO₂的同位素比，能够得知感染幽门螺旋杆菌的程度，能够高精度地进行胃的诊断。此外，检查对象并不限定于幽门螺旋杆菌。通过测量包含同位素的CO₂浓度，能够在较宽的范围内诊断胃的排空机能。

在该情况下，若使用¹³CO₂与¹²CO₂的吸收系数为相同程度的波数范围内的红外光，则能够抑制较高的气体浓度中的饱和，并能够提高测量精度。例如，如图11(a)所示，优选的是波数2275cm^－1(波长为4.396μm)～波数2325cm^－1(波长为4.301μm)的范围。此外，图11(b)表示包含一条¹²CO₂的吸收线和一条¹³CO₂的吸收线的波数范围。

在比较例的QCL中，增益的极大值在4.4μm以上的波长时产生，难以覆盖优选的波数范围。与此相对，在本实施方式中，能够将增益的极大值控制为3.55～4.5μm的范围。因此，将本实施方式的QCL作为光源的呼气分析装置能够高精度地测量呼气所包含的¹³CO₂与¹²CO₂的同位素比，适合人的胃的诊断。

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，并非旨在限定发明的范围。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。