面发光量子级联激光器的制作方法

本发明的实施方式涉及面发光量子级联激光器。

背景技术：

从近红外线在太赫兹波中的激光器振荡在空穴与电子的再结合发光中变得困难。

在使用对多重量子阱构造级联连接的构造时，能够通过电子的子带间跃迁，进行从红外线在太赫兹波(30ghz－30thz)中的激光器振荡。

在这种情况下，在使用形成于元件端面的镜的法布里珀罗型激光器中，端面出射面的厚度变小且光密度变高。因此，高输出化存在界限。

技术实现要素：

实施方式涉及的面发光量子级联激光器，具备：活性层，层叠有多个量子阱层，并且能够通过子带间跃迁发射激光；第一半导体层，设置于上述活性层之上，并且具有以构成二维的格子的方式设置有多个坑的第一面；以及第一电极，设置于上述第一半导体层之上，各个坑关于与上述格子的边平行的线为非对称，上述激光沿相对上述活性层大致垂直方向射出。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式涉及的面发光量子级联激光器的局部模式立体图。

图2是第一实施方式涉及的面发光量子级联激光器的局部放大模式顶视图。

图3是表示带状部的配置的局部模式顶视图。

图4是表示电极配置的模式俯视图。

图5是与电极带状部的1周期内的坑数相对的电流注入的均匀度、以及相对光提取效率的曲线图。

图6是第一实施方式涉及的面发光量子级联激光器的制造方法的流程图。

图7是第二实施方式涉及的面发光量子级联激光器的局部放大模式顶视图。

图8是沿着图7的a－a线切断的模式立体图。

图9是第三实施方式涉及的面发光量子级联激光器的局部模式立体图。

图10(a)是坑形成后的模式剖视图，图10(b)是电极形成后的模式剖视图。

图11(a)是第三实施方式涉及的面发光量子级联激光器的模式底视图，图11(b)是从基板侧观察到的面发光量子级联激光器的模式立体图。

图12(a)、(b)是说明面发光量子级联激光器的组装工序的模式剖视图。

图13是第四实施方式涉及的面发光量子级联激光器的局部模式立体图。

图14是沿着图13的c－c线的模式剖视图。

图15(a)是第四实施方式的第1变形例涉及的面发光量子级联激光器的部分模式俯视图，图15(b)是第四实施方式的第2变形例涉及的面发光量子级联激光器的局部模式顶视图。

具体实施方式

实施方式的面发光量子级联激光器具有活性层、第一半导体层以及第一电极。上述活性层层叠有多个量子阱层，并通过子带间跃迁来发射激光。上述第一半导体层设置于上述活性层之上，并且具有以构成二维的格子的方式设置有多个坑的第一面。上述第一电极具设置于上述第一半导体层之上，并且具有周期性的开口部。各个坑关于与上述格子的边平行的线为非对称。上述激光从在上述开口部露出的坑起沿相对上述活性层大致垂直方向射出。

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的第一实施方式涉及的面发光量子级联激光器的局部模式立体图。

面发光量子级联激光器5具有层叠体20以及第一电极50。层叠体20具有活性层24以及第一半导体层21。另外，在下面，量子级联激光器以qcl(quantumcascadelaser)表示。

第一半导体层21例如具有第1包层27以及第1导向层25。另外，层叠体20还可以具有第2导向层23以及第2包层22。第1包层27的折射率和第2包层22的折射率比第1导向层25、活性层24以及第2导向层23的折射率的任意一个都低。因此，激光60沿着层叠方向(z)被封入(对应日语：閉じ込められる)到活性层24内。

活性层24设为由子带间跃迁发光区域和缓和区域交互层叠而成的构成，该子带间跃迁发光区域由包括阱层以及阻挡层的量子阱层构成。量子阱例如包括掺杂si并由in0.669ga0.331as构成的阱层以及掺杂si并由in0.362al0.638as构成的阻挡层。量子阱层进一步优选为至少2个阱层和多个阻挡层交互层叠而成的多重量子阱(mqw：multi－quantumwell)构造。另外，缓和区域也能够包括量子阱层。

第一半导体层21设置于活性层24之上。在其第一面20a具有开口端的多个坑101设置为二维格子状，作为周期构造pc(光子晶体)而发挥作用。例如，坑101设置为从层叠体20的第一面20a朝向深度方向切出圆柱状的区域后的形状。激光60通过周期构造pc被选择模式，进而通过衍射效果，沿着与第一面20a大致垂直的光轴62，从第一面20a(成为光出射面)被发射。另外，被切出的区域还可以是圆锥、圆锥台。

另外，层叠体20还能够具有第一接触层28以及缓冲层26。例如，第一接触层28与第一电极50电连接。缓冲层26与在基板10的背面设置的第二电极52电连接。

图2是第一实施方式涉及的qcl的局部放大模式顶视图。

另外，图3是表示第一电极的带状部的配置的局部模式顶视图。

构成周期构造pc(photoniccrystal：光子晶体)的正方格子在xy面内将2个正交的边d、e的交点设为格子点g，将其格子间隔设为m。各个坑101关于正方格子的2个边d、e之中的1边分别被设为非线对称。另外，格子不止正方格子，还可以是2边正交的格子。另外，格子还可以是三角格子。

若在第一电极50与在基板10的背面设置的第二电极52之间沿着层叠方向z流动电流，则在第一包层27与第二包层22之间封入光，并且通过周期构造pc选择受激发射的波长并产生光的衍射。周期构造pc作为使特定波长通过的带构造而发挥作用，所以，能够将第一半导体层21称为光子晶体。

在这种情况下，若坑101关于正方格子的2边d、e为非线对称，则产生光学各向异性。通过适当地选择坑101的形状、配置、深度等，能够沿着与第一面20a正交的光轴62发射激光60。如果坑101关于正方格子的2边d、e为线对称，则激光向与正交于第一面20a的光轴62交叉的方向射出。

第一电极50设置于第一半导体层21之上，并具有框部50a、50b、以及两端部连结于框部50a、50b的多个带状部50c。多个带状部50c具有宽度l1，并且分别地相对框部50a倾斜地(交叉角α)交叉，相对框部50b倾斜地(交叉角β)交叉。多个带状部50c具有间距l2。多个带状部50c的各自的宽度l1优选为同一宽度。另外，多个带状部50c间的间距l2优选为同一宽度。在本图中，设为α＝β＝45°，但是在本发明中并不限定于此。激光60从第一电极50的开口部50d射出。第一电极50的周期性的开口部50d关于与格子的边d、e平行的线为非对称。

在第一实施方式的qcl中，区域p1、p2、p3设为分别切出圆柱后得到的形状，并且配置成3个圆柱的中心o成直角三角形。qcl设有向与具有活性层24、第1包层27以及第2包层22的层叠部20的层叠方向(z)正交的方向衍射光的坑101，并且该qcl具备相对在活性层24产生的光而衍射光的功能。

若向该qcl流动电流，则通过第1包层27和第2包层22构成导波构造，在活性层24封入光，通过周期性设置的坑101，产生受激发射的波长选择并且产生干渉。此时，由于设有周期性的坑101，以便沿与振荡的方向交叉的方向提取光，所以，通过经由坑101将在活性层24发出的光提取到外部，由此，能够向沿着光轴62的方向射出激光60。光轴62相对活性层24成为大致垂直方向。另外，在本说明书中，所谓大致垂直方向设置为相对活性层24的表面为81度以上且99度以下。

坑101设为圆柱形，将配置为中心o成直角三角形的3个设为一组，该坑101的形状配置为正方格子。通过该配置，在面内被导波后的光沿与面垂直的方向被放射。

qcl中，是偏振光方向与活性层24的表面平行的tm(transversemagnetic)偏振光，如pn结面发光激光器那样为了以在表面和背面夹着活性层的方式通过谐振器镜而偏振光与光的行进方向一致，因此不产生受激发射。即，vcsel(verticalcavitysurfaceemittinglaser：面发光型激光器)的实现是不可能的。

对此，第一实施方式涉及的qcl中，受激发射光的行进方向是与活性层24的表面平行的方向，所以，受激发射光能够谐振并且放大。进而，在周期性地并且在周期构造中带有各向异性的构造的情况，能够将受激发射光沿与活性层24的表面大致垂直方向提取。也就是说，到此为止在比仅以qcl就能实现的中红外区域更长的波长区域，变得能够实现面发光型的激光器。

面发光型激光器不需要如端面发光激光器那样的基于解理的谐振器的形成，能够防止由解理造成的合格率的降低。进而，端面发光激光器通过解理开始而形成谐振器，因此，需要在解理后进行检查，与晶片那样的、能够以自动探针等进行检查的led等相比，花费检查的成本。对此，第一实施方式涉及的qcl能够在晶片状态下进行由自动探针进行的评价，在检查成本、合格率方面，能够期待降低成本的较大的效果，到此为止昂贵的qcl的价格低廉、量产化变得容易。

另外，在通常半导体激光器中，需要将电极形成于发光层的上下，在面发光型的情况下，由于在光的出射方向存在电极，因此变得阻碍光的提取。在第一实施方式中，在不存在坑101的区域以波长以下的宽度配置电极，能够兼顾电流注入和激光的提取。如图3所示，第一电极50具有与配置了3个圆柱的正方格子例如成大致45度的角度的带状部50c。通过这样配置电极，由此，设置将以正方格子配置的3个圆柱在45度方向上不形成1列的区域，能够形成带有最大的宽度的电极。因此，能够确保宽广的接触面积，金属与半导体的界面的接触电阻减少，qcl的动作电压减少。另外，在本说明书中，相对正方格子成大致45度是设为相对正方格子的1个边而角度为40度以上且50度以下。

图4是表示元件的电极配置的模式俯视图。

倾斜地设置带状部50c的区域并不限定于图1～图3。与图3不同，还可以在4组的重复之中将1组设定成形成电极的区域。该形成电极的区域还能够将3个圆柱设为1组并在2组中将1组设为形成电极的区域。

图5是与电极带状部的1周期内的坑数相对的电流注入的均匀度以及相对光提取效率的曲线图。

横轴表示电极带状部的1周期内的坑数，纵轴表示电流注入的均匀度以及相对光提取效率。电流注入的均匀度在电极50的带状部50c具有一维周期构造的情况下，将在沿着与带状部50c正交的方向的1周期内包括2个坑的情况设为100进行规格化。另外，相对光提取效率在电极50的带状部50c具有一维周期构造的情况下，将在沿着与带状部50c正交的方向的1周期内包括50个坑的情况设为100进行规格化。

对着沿着与带状部50c正交的方向的1周期内的坑101的个数增加，电流注入的均匀度降低，但相对光提取效率增加。即，通过将1周期内的坑101的个数设为5以上且20以下，能够兼顾电流注入的均匀度和激光的提取效率。因此，利用第一电极50的开口面积与电流注入的效率的关系、以及第一电极50的周期构造对光提取时的衍射效果产生影响的关系来求出最优解。

图6是第一实施方式涉及的面发光qcl的制造方法的流程图。

将由n型inp构成的基板10配置于晶体生长装置之中，在该基板10上通过使用了mbe(molecularbeamepitaxy)法等的晶体生长，将由掺杂si的n型ingaas构成的缓冲层26、由掺杂si的n型inp构成的第2包层22、由未掺杂的ingaas构成的第2导向层23、由包括由in0.669ga0.331as构成的阱层以及由in0.362al0.638as构成的阻挡层在内的多重量子阱构成的活性层24、由未掺杂的ingaas构成的第1导向层25、由掺杂si的n型inp构成的第1包层27、由掺杂si的n型ingaas构成的第1接触层28按照该顺序进行晶体生长(s100)。

另外，活性层24设计为通过厚度不同的量子阱层的组合，量子能级在动作时重叠。例如，能够将20层量子阱的组合设为1组，并将其重叠40组的层叠构造。

随后，将进行了晶体生长的基板10从晶体生长装置提取，在第1接触层28上形成sio2等绝缘膜40(s102)。在绝缘膜40的表面形成第1电极形成用的抗蚀图形。第一电极50形成于没有设置光致抗蚀图形的区域。在绝缘膜40为sio2的情况下，通过氟化铵液等被蚀刻去除。在该状态下向电子束蒸镀装置导入晶片，对电极金属ti/al蒸镀。从蒸镀装置提取晶片，用去除液去除光致抗蚀时，通过间隔件剥离来形成第一电极50(s104)。

随后，再次层叠绝缘膜(未图示)(s106)。之后涂敷光致抗蚀，形成配置了3个圆的正方格子的图形，使用该光致抗蚀图形以湿式蚀刻对绝缘膜图案形成。在绝缘膜形成由3个圆构成的开口部(s108)。

在去除光致抗蚀之后，将绝缘膜作为掩模并通过干式蚀刻形成到达第1包层27的中间部为止的坑101(s110)。进而，以湿式蚀刻将层叠体20的表面去除10nm左右，去除由干式蚀刻造成的损伤层(s112)。

再次层叠绝缘膜，覆盖层叠体20露出的部分(s114)。涂敷光致抗蚀，制作仅在形成接合焊垫(未图示)的部分进行了开口的图形，并仅去除该部分的绝缘膜，在该状态下向电子束蒸镀装置导入晶片，对电极金属ti/pt/au进行蒸镀。从蒸镀装置提取晶片，去除光致抗蚀时，电极金属残留在电极形成区域，能够形成接合焊垫(s116)。根据上述记载，晶片步骤结束。

随后，能够对各自的元件使用探针等通电电流，进行检查。能够在接近产品的状态下进行检查。随后，在通过研磨(s120)将基板10的背面薄层化100μm左右之后，向电子束蒸镀装置导入晶片，对第二电极金属ti/pt/au进行蒸镀(s122)。另外，还可以在背面侧的第二电极(52)的形成步骤(s122)之后，通过使基板10的背面侧与金属接触从而进行检查(s124)。

随后，从与基板侧相反的表面进行用于切割的划线。以变成各元件的大小的方式进行划线，由断开装置来分割元件。在划线之时粘接于具有伸缩性的粘接片材，在断开之后拉伸片材并扩展元件与元件之间，提高元件的拾取(对应日语：ピックアップ)性。最终，在该状态下用探针进行全数检查。在之前进行的几个检查也可以在该工序中进行。从粘接片材提取元件，安装到cuw等散热器。安装是通过使用检查步骤中的数据选别而进行，从而能够进行合格率优良的生产。安装时的接合还可以是ausn。更优选热传导优良的ag。能够减少工序数，并减少检查所需要的时间。

对安装到散热器的元件进行测量，以4.355μm的波长得到100mw的输出，模式为单一模式。另一方面，在端面发光型中，若为了得到高输出而进行高电流注入则模式不是单一，从qcl照射的激光带有多个峰值，因此，难以得到高输出。

图7是第二实施方式涉及的面发光量子级联激光器的局部放大模式顶视图。

另外，图8是沿着图7的a－a线切断的模式立体图。第二实施方式的面发光量子级联激光器设成与第一实施方式的层叠体20相同的组成。

坑101成为从层叠体20的第一面20a这侧朝向下方切出三角锤、三角锥台而成的形状。在图7中，坑101的开口端以直角三角形表示。夹着直角的2个边分别与框部50a、50b的2个边平行，斜边与第1电极50的带状部50c平行。

随后，对于本实施方式的半导体发光元件的制造方法进行说明。

到图6表示的绝缘膜形成步骤(s106)为止的步骤设成与第一实施方式共同。在绝缘膜形成步骤(s106)之后，形成直角三角形的抗蚀图形，对sio2等绝缘膜40湿式蚀刻，在绝缘膜40形成开口部(未图示)。

去除光致抗蚀后，将绝缘膜40作为掩模到第1包层27的中间为止进行湿式蚀刻，形成切出三角锥后的区域即坑101。图6表示的步骤114以后与第一实施方式大致相同。

图9是第三实施方式涉及的面发光量子级联激光器的局部模式立体图。

坑101成为切出三角柱后的形状，并配置成正方格子状。通过该配置而沿第一面20a被导波的光沿着与第一面20a垂直的光轴62的方向被放射。

图10(a)是坑形成后的沿着图9的b－b线的模式剖视图，图10(b)是电极形成后的沿着b－b线的模式剖视图。

通过图6表示的表面湿式蚀刻过程(s112)，如图10(a)所示，形成坑101。使用cvd(chemicalvapordeposition)装置，以sio2那样的绝缘膜42对坑101内进行填充。之后，进行干式蚀刻，以使绝缘膜42的厚度变得与坑的深度相同。

进而，如图10(b)所示，以覆盖由绝缘膜42的表面和第一面20a的表面20a构成的大致平坦的面的方式对包括au的金属蒸镀，成为第一电极70。另外，在外周部，若设置ti/au，则与仅au的情况相比，粘着性变得更优良。另外，例如，若在氮气氛中进行烧结，则由于au与ingaas进行合金化，所以粘着性进一步增加。

图11(a)是第三实施方式涉及的qcl元件的模式底视图，图11(b)是从基板侧观察到的qcl元件的模式立体图。

在图10表示的步骤之后，通过研磨将基板10薄层化100μm左右，涂敷光致抗蚀，用双面掩模对准器与qcl的表面对齐并进行图案形成曝光。在向电子束蒸镀装置导入晶片之后，对电极金属ti/pt/au蒸镀，以不妨碍光的提取的方式在外周部形成第二电极52。

随后，从与基板相反这侧的表面进行用于切割的划线。以变成各元件的规定的尺寸的方式进行划线，用断开装置对元件进行分割。在划线之时粘接于具有伸缩性的粘接片材，在断开之后拉伸片材并扩展元件与元件之间，提高元件的拾取性。最终，在该状态下用探针进行全数检查。

图12(a)、(b)是说明qcl元件的组装工序的模式剖视图。

从粘接片材提取qcl元件，使与基板10相反侧的表面的第一电极70与cuw等散热器72之上的导电部74面对面(图12(a))，并进行接合(图12(b))。第三实施方式是，通过第一电极70反射光，并从基板10这侧提取光的构造。接合还可以是ausn，但更优选热传导优良的au纳米粒子膏。

图13是将第四实施方式涉及的量子级联激光器局部切断后的模式立体图。

另外，图14是沿着图13的c－c线的模式剖视图。

坑101是切出3个规定区域p1、p2、p3后的圆柱状，如有图13所示，将圆的中心构成直角三角形的3个区域设为一组，并配置为正方格子。通过该配置在面内被导波的光沿与活性层24的表面垂直的方向被放射。

随后，对第四实施方式的qcl的制造方法进行说明。首先，将由n型inp构成的基板(未图示)配置于晶体生长装置之中，在基板上使用mbe法，将由掺杂si的n型ingaas构成的缓冲层26、第2包层22、第2光导向层23、活性层24、第1光导向层25、第1包层27、由掺杂si的n型ingaas构成的第1接触层28按该顺序进行晶体生长。

随后，从晶体生长装置提取晶片，在第1接触层28上形成由ti/pt/au层构成的电极60。进而，准备由inp构成的另一基板80并在表面形成ti/pt/au层61。通过对该2枚晶片的ti/pt/au以在真空中使晶体取向一致并重合的方式进行加热，由此进行晶片接合。该接合称为はau－au接合，通过接合金属层62接合有晶片。

随后，通过研磨使被接合的晶片的表面侧变薄到10μm程度为止，之后用盐酸去除。ingaas没有用盐酸进行蚀刻，因此，在缓冲层26蚀刻中止。将该晶片导入到电子束蒸镀机，对ti/au蒸镀。从电子束蒸镀机提取，通过光致抗蚀进行图案形成。图形为圆形且将带有圆的中心为直角三角形的配置以3个为一组，并将其形状配置成正方格子。

随后，将图案形成后的晶片导入干式蚀刻装置，对ti/au蚀刻，形成坑101。另外，能够在通过设置于第一电极54的坑而露出的层叠体20以干式蚀刻等进一步设置坑。从干式蚀刻装置提取，随后通过研磨使基板80薄膜化到100μm左右之后，向电子束蒸镀装置导入晶片，对电极金属ti/pt/au蒸镀，形成第二电极56。

图15(a)是第四实施方式的第1变形例涉及的qcl的局部模式顶视图，图15(b)是第四实施方式的第2变形例涉及的qcl的局部模式顶视图。

坑101在俯视时，还可以是三角形(图15(a))、菱形(图15(b))、平行四边形等。

在图1中，第一电极50与第一半导体层21的界面还可以是等离子体波导。例如，若激光为太赫兹波，则能够将第一电极50与第一半导体层21的界面设为表面等离子体波导。因此，第一电极50的电容率的实部为负，能够将折射率设为虚数。在这种情况下，激光没有侵入到第一电极50，所以，即使不设置包层，也能够封入激光。

根据第一～第四实施方式以及其附带的变形例，提供一种面发光量子级联激光器，从红外线在太赫兹波的波长带中，高输出化容易。这些面发光级联激光器能够广泛地利用于激光器加工、环境测量、呼气分析等。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并没有意图限定发明的范围。这些实施方式可以以其他各种方式进行实施，在不超出发明主旨的范围内，可进行各种省略、调换以及变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围和主旨内，同样，也包括在专利请求所记载的发明和与其等同的范围内。