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：

面发光量子级联激光器在tm模式下振荡，并且放出从红外线到太赫兹波长的激光。

光谐振器能够通过与活性层接近而设置的二维光子晶体来构成。

具有二维光子晶体的面发光量子级联激光器，作为能够在相对于活性层的表面垂直的方向上放出激光的面发光型而动作。

然而，若为了获得高输出而提高动作电流，则芯片动作温度会变高并且从芯片侧面的光的泄漏增加。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014－197659号公报

技术实现要素：

提供提高了散热性、降低了从芯片侧面的光的泄漏的面发光量子级联激光器。

实施方式的面发光量子级联激光器具有活性层和第1半导体层。上述活性层层叠有多个量子阱层，能够通过次能带间跃迁而放出激光。上述第1半导体层设置于上述活性层之上，具有第1面。上述第1面包括由第1凹部构成第1二维光栅的内部区域以及由第2凹部构成第2二维光栅的外周区域。上述第1凹部的光栅间隔是上述第2凹部的光栅间隔的m倍(其中，m为1以上的整数)。上述外周区域包围上述内部区域。上述第1凹部的开口端的第1平面形状为，关于在上述第1平面形状的重心通过并且与上述第1二维光栅的至少1边平行的线非对称。上述第2凹部的开口端的第2平面形状为，关于在上述第2平面形状的重心通过并且与上述第2二维光栅的全部的边平行的线分别对称。上述激光具有与上述第2凹部的上述光栅间隔对应的发光波长并且从上述内部区域在与上述活性层大致垂直的方向上被放出。

附图说明

图1是第1实施方式的面发光量子级联激光器的示意立体图。

图2a是第1实施方式的面发光量子级联激光器的局部示意俯视图，图2b是第1凹部的示意俯视图。

图3a是沿着图2a的a－a线的示意剖视图，图3b是沿着b－b线的示意剖视图。

图4a是第1实施方式的第1变形例的内部区域的示意剖视图，图4b是外周区域的示意剖视图。

图5a是表示第1实施方式的面发光量子级联激光器的温度分布的曲线图，图5b是表示比较例的面发光量子级联激光器的温度分布的曲线图。

图6是第2实施方式的面发光量子级联激光器的示意立体图。

图7是第2实施方式的面发光量子级联激光器的局部示意俯视图。

图8a是沿着图7的a－a线的示意剖视图，图8b是沿着b－b线的示意剖视图。

图9a是第2实施方式的第1变形例的内部区域的示意剖视图，图9b是外周区域的示意剖视图。

图10是第3实施方式的面发光量子级联激光器的示意立体图。

图11a是第3实施方式的沿着c－c线的示意剖视图，图11b是沿着图10的d－d线的示意剖视图，图11c是第2凹部的变形例，是沿着图10的d－d线的示意剖视图。

图12是说明第3实施方式的面发光量子级联激光器的温度分布的曲线图。

图13a～图13c是第4实施方式的面发光量子级联激光器的示意剖视图。

图14a是第5实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图14b是包括正三角光栅的内部区域的示意俯视图。

图15是第6实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图。

符号说明

5面发光量子级联激光器，20活性层，30第1半导体层，32第1面，33内部区域，34外周区域，35、36上部电极，39第2半导体层，50绝缘体层，61、63第1凹部，64第2凹部，80，82激光，90下部电极，90a(下部电极的)开口部，p1、p3(第1凹部的)光栅间隔，p2、p4(第2凹部的)光栅间隔，g1(第1凹部的)重心，g2(第2凹部的)重心，g3(正三角形凹部的)重心，d1、d2、d3、d4凹部的深度。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是第1实施方式的面发光量子级联激光器的示意立体图。

此外，图2a是第1实施方式的面发光量子级联激光器的除了上部电极以外的局部示意俯视图，图2b是第1凹部的示意俯视图。

面发光量子级联激光器(surfaceemittingquantumcascadelaser)5具有活性层20和第1半导体层30。活性层20，层叠有多个量子阱层，能够通过次能带间跃迁而放出激光80。第1半导体层30设置在活性层20之上，具有第1面32。第1面32包括由第1凹部61构成第1二维光栅的内部区域33以及由第2凹部64构成第2二维光栅的外周区域34。此外，第1半导体层30能够在活性层20一侧包括包覆层等。另外，优选如图2a所示那样、第1凹部61与第2凹部64不重叠。图2a及图2b所示的二维光栅是正方形光栅，但也可以是矩形光栅。

第1凹部61的光栅间隔p1是第2凹部64的光栅间隔p2的2倍，外周区域34包围内部区域33。

第1凹部61的开口端的平面形状为，关于在平面形状的重心g1通过并且与第1二维光栅的至少1边平行的线(50或51)非对称。第2凹部64的开口端的平面形状为，关于在平面形状的重心g2通过并且与第2二维光栅的全部的边(52以及53)平行的线分别对称。激光80从内部区域33在与活性层20大致垂直的方向上被放出。另外，在本说明书中，所谓的大致垂直的方向，设为相对于活性层20的表面为81°以上、99°以下的方向。

第1凹部61的开口端的平面形状为，能够包括多个点对称的形状。例如，如图2b所示那样，在从第1面32切掉3个圆柱61a、61b、61c后，成为第1凹部61。另外，在图2b中，3个圆柱61a、61b、61c设置为俯视时内接于等腰直角三角形61d。但是，本发明的实施方式并不限于此。例如，不需要俯视时圆柱互相接触。如果在规定的波长下作为衍射光栅的光栅点而起作用，则可以互相分离或者可以重叠。此外，第2凹部64能够设为圆柱(平面形状为圆)等。

面发光量子级联激光器5可以还具有：上部电极35，设置在内部区域33中的未设置第1凹部61的部分以及外周区域34中的未设置第2凹部64的部分；第2半导体层39，设置在活性层20的面中的设置有第1半导体层30的面的相反侧的面上；以及下部电极90，设置在第2半导体层39的面中的活性层20一侧的相反侧的面上。第2半导体层39可以具有包覆层39a以及基板39b等。

若第1半导体层30以及第2半导体层39分别包括n型层，则发生次能带间跃迁的载流子是电子。第1半导体层30的厚度可以设为数μm，第2半导体层39的厚度可以设为数μm等。

在对上部电极35以及下部电极90施加的电场的作用下，载流子在量子阱层通过，由此发生次能带间跃迁，放出波长为2μm至100μm的单一模式的激光。

第1凹部61的光栅间隔p1以及第2凹部64的光栅间隔p2，设为激光80的介质内波长程度。

为了参考，对一维光栅的情况下的激光的取出方向进行说明。量子级联激光器装置，主要放出tm(transversemagnetic)波。在导波通路中，将基于衍射光栅的衍射角设为θ，将衍射光栅的次数设为m(整数)，将衍射次数设为m(整数)的情况下，下式成立。

cosθ＝1±2m/m式(1)

在1阶衍射光栅的情况下，按照式(1)，m＝0的模式是在0°方向上放出，m＝1的模式是在180°方向上放出，但在垂直方向并不放出。

此外，2阶衍射光栅的情况下，按照式(1)，m＝1的模式是在相对于导波通路为±90°方向上散射。m＝0以及m＝2的模式，是在与导波通路平行的方向上的散射，因此实质上放出的光仅在±90°方向。

图3a是沿着图2a的a－a线的示意剖视图，图3b是沿着b－b线的示意剖视图。

如图3a所示那样，在包括2阶衍射光栅的内部区域33，第1凹部61配置成二维光栅状。通过注入到活性层20中的电流，而发生载流子的次能带间跃迁。将2阶衍射光栅作为谐振器，而生成激光82，在与活性层20的表面平行的面上传播向规定的方向进行了直线偏转的tm波。

在第1凹部61内，即使对水平面内的电场(或磁场)进行积分也不会成为零。为此，在活性层20的垂直方向上泄漏出tm波。tm波，以保持在水平面内向规定的方向进行了直线偏转的状态的同时在与活性层20大致垂直的方向上被放出。此时，从各个凹部放出的光通过二维光栅被强化后在垂直方向上被放出。如果设为第1凹部61的平面形状为关于在重心通过并且与二维光栅的全部的边平行的线分别对称(例如圆)，则在第1凹部61内，水平面内的电场的积分值为零，在垂直方向上泄漏出的tm波变少。即，在第1凹部61构成2阶衍射光栅时，能够在±90°方向上高效地放出衍射光。

如图3b所示那样，包括1阶衍射光栅的外周区域34中，第2凹部64配置为二维光栅状。第1光栅间隔p1被设为第2光栅间隔p2的2倍。例如，在设第2凹部64的周围为inp时，光栅间隔p2为1.467μm，真空内波长λ0为4.771μm。在外周区域34中，衍射方向仅为与活性层20的表面平行的方向。为此，在外周区域34，无法存在在与第1面32垂直的方向上被放出的光。

外周区域34作为如下的分布反射器(dbr：distributedbraggreflector)发挥功能：通过1阶衍射光栅使在活性层20产生、在外周区域34内在与活性层20的表面平行的方向上传播并朝向芯片侧面的激光82反射并朝向内部区域33返回。在外周区域34中从内部区域33一侧朝向外部侧面s的激光82的光强度，随着趋向芯片侧面s而急剧地降低。为此，能够减少从芯片侧面s向外部泄漏的激光。其结果，能够提高发光效率，并且能够抑制不必要辐射而提高安全性。若泄漏光较多，则发光模式容易变化，所以并不优选。

图3a所示的第1凹部61的深度设为d1，图3b所示的第2凹部64的深度也设为d1。凹部的深度到达活性层20，在活性层20的上面侧设置凹部。若活性层20的凹部过深，则与光子晶体的光耦合变密，但量子阱层的层叠数减少，所以并不优选。

活性层20设为如下构成，即，由包括阱层和阻挡层的量子阱层构成的次能带间跃迁发光区域与缓和区域交替地层叠的构成。量子阱例如包括被掺杂si且由in0.669ga0.331as构成的阱层及被掺杂si且由in0.362al0.638as构成的阻挡层。量子阱层优选还将由至少2个阱层与多个阻挡层交替地层叠而成的单位构造即多重量子阱(mqw：multi－quantumwell)构造，重叠例如50～200层。活性层20的厚度能够设为例如1～4μm等。此外，缓和区域也可以包括量子阱层。第2半导体层39可以还具有由inp、gaas等构成的基板39b。

图4a是第1实施方式的第1变形例的内部区域的示意剖视图，图4b是外周区域的示意剖视图。

图4a所示的内部区域33的第1凹部61的深度设为d2，图4b所示的外周区域34的第2凹部64的深度也设为d2。在本变形例中，凹部深度d2比第1半导体层30的厚度小，第1凹部61以及第2凹部64的底面不到达活性层20。如果第1凹部61(61a、61b、61c)的底面与活性层20的表面的间隔、以及第2凹部64的底面与活性层20的间隔为例如数μm以下，则能够实现活性层20与二维光栅的光耦合。

图5a是表示第1实施方式的面发光量子级联激光器的温度分布的曲线图，图5b是表示比较例的面发光量子级联激光器的温度分布的曲线图。

在图5a、图5b中，纵轴是温度，横轴是芯片截面中的水平方向位置。如图5b所示，比较例的面发光量子级联激光器105，具有构成二维光栅状配置的二阶衍射光栅的光子晶体。二阶衍射光栅的凹部的平面形状被设为，关于在平面形状的重心通过并且与二维光栅的至少1边平行的线非对称。

第1实施方式的注入电流i1与比较例105的注入电流i2相等，取出的激光输出设为大致相等。在第1实施方式中，以包围作为光取出区域的内部区域33的方式设置外周区域34，所以活性层20的面积，宽于比较例105的活性层的面积。第1实施方式的热阻，可以低于比较例105的热阻，活性层20内的峰值温度t1，可以低于比较例105的活性层内的峰值温度t2。为此，能够减轻活性层20内的折射率变化，振荡模式稳定化。此外，由温度上升引起的效率降低、故障率上升得以抑制。

另外，从活性层朝向下方的激光被下部电极90所反射，与从活性层20朝向上方的激光一起成为激光80并从上方被放出。

图6是第2实施方式的面发光量子级联激光器的示意立体图。

此外，图7是第2实施方式的面发光量子级联激光器的除了上部电极以外的局部示意俯视图。

面发光量子级联激光器5具有活性层20和第1半导体层30。第1面32包括由第1凹部63构成第1二维光栅的内部区域33以及由第2凹部64构成第2二维光栅的外周区域34。另外，如图7所示，优选第1凹部63与第2凹部64不重叠。

第1凹部63的光栅间隔p1是第2凹部64的光栅间隔p2的2倍，外周区域34包围内部区域33。

第1凹部63的开口端的平面形状为，关于在平面形状的重心g1通过并且与第1二维光栅的至少1边平行的线(50或51)非对称。第2凹部64的开口端的平面形状为，关于在平面形状的重心g2通过并且与第2二维光栅的全部的边(52以及53)平行的线分别对称。激光80从内部区域33在与活性层20大致垂直的方向上被放出。

在图6、图7中，第1凹部63设为直角三棱柱(平面形状为等腰直角三角形)，第2凹部64设为圆柱(平面形状为圆)。其中，第1凹部63的平面形状不限于等腰直角三角形，只要非对称即可。

此外，在二维光栅为正方形光栅或矩形光栅的情况下，第1凹部63的开口端的第1平面形状(不限定于圆、三角形)为，在第1平面形状的重心g1通过并且关于与第1二维光栅的2边分别平行的线(50以及51)非对称时，光学各向异性进一步提高，所以是更优选的。

面发光量子级联激光器5可以还具有：上部电极35，设置在内部区域33中的未设置第1凹部63的部分以及外周区域34中的未设置第2凹部64的部分；第2半导体层39，设置在活性层20的面中的设置有第1半导体层30的面的相反侧的面上；以及下部电极90，设置在第2半导体层39的面中的活性层20一侧的相反侧的面上。

第1凹部63的光栅间隔p1以及第2凹部64的光栅间隔p2，设为激光80的介质内波长程度。

图8a是沿着图7的a－a线的示意剖视图，图8b是沿着b－b线的示意剖视图。

包括2阶衍射光栅的内部区域33中，第1凹部63配置为二维光栅状。通过被注入到活性层20的电流而发生载流子的次能带间跃迁。将2阶衍射光栅作为谐振器，生成激光82，在与活性层20的表面平行的面上传播向规定的方向进行了直线偏转的tm波。

图9a是第2实施方式的第1变形例的内部区域的示意剖视图，图9b是外周区域的示意剖视图。

图9a所示的内部区域33的第1凹部的深度设为d2，图9b所示的外周区域34的第2凹部的深度也设为d2。在本变形例中，第1凹部63以及第2凹部64的深度d2，比第1半导体层30的厚度小，第1凹部63以及第2凹部64的底面不到达活性层20。如果第1凹部63的底面与活性层20的表面的间隔、以及第2凹部64的底面与活性层20的间隔为例如数μm以下，则能够实现活性层20与二维光栅的光耦合。

图10是第3实施方式的面发光量子级联激光器的示意立体图。

此外，图11a是沿着图10的c－c线的示意剖视图，图11b是沿着图10的d－d线的示意剖视图，图11c是第2凹部的变形例，是沿着图10的d－d线的示意剖视图。

第1半导体层30的第1面32设为与图6所示的第1面32相同的面。如图11a所示，以覆盖内部区域33的第1凹部63的内面(侧面以及底面)以及外周区域34的第2凹部64的内面(侧面64b以及底面)的方式设置绝缘体层50，以将未被绝缘体层50覆盖的第1半导体层30的第1面32的部分以及绝缘体层50的表面覆盖的方式设置上部电极36。在此情况下，内部区域33作为用于面发光的周期构造发挥功能。绝缘体层50可以设为si3n4、sio2、znse、cdte等。

在下部电极90中以俯视时与内部区域33的一部分重叠的方式设置开口部90a。为此，从构成二维光栅的光子晶体放出的激光80，在上部电极36被反射，再次通过活性层20，并与从活性层20直接朝向开口部90a的激光一起成为激光80，从开口部90a在大致垂直方向上被放出。

在第1凹部63以及第2凹部64中，隔着绝缘体层50而填充上部电极36。为此，发生的热容易从上部电极36经由散热器等向外部排出。为此，活性层20内的峰值温度进一步降低。

图11c是第2凹部的变形例，表示出外周区域34的第2凹部64的一部分沟较深的沟道构造。例如，在波长为5μm时，将沟的深度d4设为5～10μm等时，反射率提高，并且使光损失增加。即使将第2区域34的二维光栅的沿着朝向芯片侧面的方向而排列的数量减少到数个，也能够为较高的反射率，所以能够缩小芯片尺寸。

图12是对第3实施方式的面发光量子级联激光器的活性层内的温度分布进行说明的曲线图。

纵轴是温度，横轴是水平方向位置。若设为在下部电极90的中央部设置开口部90a，则能够使注入电流i3中的、内部区域33的注入电流比外周区域34的注入电流减轻。其结果，内部区域33的发生热减轻并能够使热源朝向外侧分散，所以能够使温度分布接近双峰性，能够进一步抑制内部区域33的温度上升。在使注入电流i3与第1实施方式的注入电流i1相等时，能够使峰值温度t3比图5a的峰值温度t1低(t2＞t1＞t3)。另外，在活性层生成的激光中的朝向上方的光，被上部电极36所反射，并作为激光80从开口部90a被放出。

图13a是第4实施方式的内部区域的示意剖视图，图13b是第4实施方式的外周区域的示意剖视图，图13c是第4实施方式的变形例的外周区域的示意剖视图。

另外，图13a是沿着图10的c－c的示意剖视图。此外，图13b、图13c是沿着图10的d－d线的示意剖视图。

第1半导体层30的第1面32设为与图6所示的第1面32相同。如图13a所示，以将内部区域33的第1凹部63的内面(侧面以及底面)、以及外周区域34的第2凹部64的内面(侧面以及底面)、以及第1半导体层30的第1面32的部分覆盖的方式设置绝缘体层50。并且，以覆盖绝缘体层50的表面的方式设置上部电极36。在此情况下，内部区域33作为用于面发光的周期构造发挥功能。绝缘体层50可以采用si3n4、sio2、znse、cdte等。

在下部电极90中的俯视时包括内部区域33的一部分的部分，设置开口部90a。为此，从构成二维光栅的光子晶体放出的激光80，在上部电极36被反射，再次通过活性层20，与从活性层20朝向开口部90a的激光一起成为激光80并从开口部90a在大致垂直方向上被放出。

在第1凹部63以及第2凹部64中，隔着绝缘体层50而填充上部电极36。为此，发生热容易从上部电极36经由散热器等向外部排出。为此，活性层20内的峰值温度进一步降低。

图13c表示外周区域34的第2凹部64的一部分的沟较深的沟道构造。例如，在波长为5μm时，若将沟的深度d4设为5～10μm等，则反射率提高，并且使光损失增加。即使将第2区域34的二维光栅的沿着朝向芯片侧面的方向而排列的数量减少为数个，也能够为较高的反射率，所以能够缩小芯片尺寸。

通过电子与空穴的再结合而发光的以往的pn结激光二极管(ld)的发光层，在电流注入密度较低时针对发光波长作为光吸收层而发挥作用。为此在发光层内存在未进行电流注入的区域时，该区域成为光吸收区域，导致激光器的阈值电流的上升等性能的降低。另一方面，在量子级联激光器的发光层，即使在未注入电流的状态下针对发光波长的光吸收也非常少，未被进行电流注入的区域的光吸收不会使性能降低。为此，即使如本实施方式那样在内部区域33中不进行电流注入而用于光取出并且在外周区域34进行电流注入的构造，也不会发生性能的降低。

在该构造中使在外周区域34产生的激光会聚在内部区域33的容易进行模式控制的区域，能够从内部区域33作为单一模式的光而取出。通过将光会聚从而光密度变高，但由于未进行电流注入，因此与电流注入区域相比，温度上升及温度差变小，可望实现稳定的激光器振荡。能够使发生光的外周区域34的面积大于被进行模式控制而能够进行光取出的内部区域33的面积，所以能够减少外周区域的电流密度，能够提高散热性。为此，高输出下的动作与以往的pn结激光二极管相比格外稳定。

图14a是第5实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图14b是包括正三角光栅的内部区域的示意俯视图。

内部区域33，通过具有正三角形平面形状的第1凹部63形成2阶衍射光栅。另外，第1凹部63配置为，关于在平面形状的重心g3通过并且与正三角光栅的3边平行的直线54、55、56非对称。第1凹部63的平面形状可以不是正三角形。外周区域34设为第2凹部64为圆平面形状的正三角光栅。此外，内部区域63的光栅间隔p3，被设为外周区域34的光栅间隔p4的2倍。在内部区域33的大致垂直方向上能够放出激光。

图15是第6实施方式的面发光量子级联激光器的局部示意俯视图。

第1凹部63的平面形状为，关于在平面形状的重心g1通过并且与第1二维光栅的至少1边平行的线(50或51)非对称。第2凹部64的平面形状为，关于在平面形状的重心g2通过并且与第2二维光栅的全部的边(50以及51)平行的线分别对称。

在本变形例中，二维光栅设为正方形光栅。第2凹部64的光栅间隔p1与第1凹部63的光栅间隔p1相同，并且作为1阶衍射光栅的光子晶体发挥作用。内部区域33，利用第1凹部33的非对称性，通过1阶衍射光栅在与活性层大致垂直的方向上放出激光。外周区域34，能够利用第2凹部64的对称性，在与活性层平行的面内，通过外周区域34将从内部区域33朝向外周区域34放出的激光反射后返回到内部区域33。

根据第1～第6实施方式以及它们附带的变形例，可提供提高了散热性、降低了从芯片侧面的光的泄漏的面发光量子级联激光器。这些面发光量子级联激光器，能够广泛应用于环境分析装置、危险物检测装置、激光器加工装置等。

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提示的，意图不是限定发明的范围。这些新的实施方式，能够以其他各种各样的方式实施，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形，包含在发明的范围及宗旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。