JP2019197933A - Surface emission quantum cascade laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、面発光量子カスケードレーザに関する。 Embodiments of the present invention relate to surface emitting quantum cascade lasers.
面発光量子カスケードレーザは、TMモードで発振し、かつ赤外線からテラヘルツ波長のレーザ光を放出する。 The surface emitting quantum cascade laser oscillates in a TM mode and emits laser light having a terahertz wavelength from infrared rays.
光共振器は、活性層に近接して設けられた二次元フォトニック結晶により構成することができる。 The optical resonator can be composed of a two-dimensional photonic crystal provided close to the active layer.
二次元フォトニック結晶を有する面発光量子カスケードレーザは、活性層の表面に対して垂直方向にレーザ光を放出可能な面発光型として動作する。 A surface emitting quantum cascade laser having a two-dimensional photonic crystal operates as a surface emitting type capable of emitting laser light in a direction perpendicular to the surface of the active layer.
しかしながら、高出力を得るために動作電流を高めると、チップ動作温度が高くなるとともにチップ側面からの光の漏れが増加する。 However, if the operating current is increased to obtain a high output, the chip operating temperature increases and light leakage from the side surface of the chip increases.
放熱性が高められ、チップ側面からの光の漏れが低減された面発光量子カスケードレーザを提供する。 Provided is a surface-emitting quantum cascade laser with improved heat dissipation and reduced light leakage from a side surface of a chip.
実施形態の面発光量子カスケードレーザは、活性層と、第1の半導体層と、絶縁体層と、上部電極と、下部電極と、を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層が積層されサブバンド間遷移によりレーザ光を放出可能である。前記第1の半導体層は、前記活性層の上に設けられ、第1の面を有する第1の半導体層であって、前記第1の面は第1のピットが第1の二次元格子を構成する内部領域および第2のピットが第2の二次元格子を構成する外周領域を含み、前記外周領域は前記内部領域を取り囲む。前記絶縁体層は、前記第1のピットの側面および底面と、前記第2のピットの側面および底面と、前記内部領域のうち前記第1のピットが設けられない部分と、を覆う。前記上部電極は、前記外周領域のうち前記第2のピットが設けられない部分を覆いかつ前記絶縁体層を介して前記第1のピット内および前記第2のピット内を充填する。前記下部電極は、前記活性層の面のうち、前記第1の半導体層が設けられた面とは反対の側の面の側に設けられ中央部に開口部が設けられた下部電極であって、平面視で前記内部領域の一部が前記開口部内に含まれる。前記第1のピットの開口端の第1平面形状は、前記第1平面形状の重心を通りかつ前記第1の二次元格子の少なくとも1辺に平行な線に関して非対称である。 The surface emitting quantum cascade laser according to the embodiment includes an active layer, a first semiconductor layer, an insulator layer, an upper electrode, and a lower electrode. The active layer is formed by laminating a plurality of quantum well layers and can emit laser light by intersubband transition. The first semiconductor layer is a first semiconductor layer provided on the active layer and having a first surface, wherein the first surface has a first two-dimensional lattice formed by a first pit. The inner area to be configured and the second pit include an outer peripheral area that forms the second two-dimensional lattice, and the outer peripheral area surrounds the inner area. The insulator layer covers a side surface and a bottom surface of the first pit, a side surface and a bottom surface of the second pit, and a portion of the internal region where the first pit is not provided. The upper electrode covers a portion of the outer peripheral region where the second pit is not provided, and fills the first pit and the second pit through the insulator layer. The lower electrode is a lower electrode provided on the surface of the active layer opposite to the surface on which the first semiconductor layer is provided, and having an opening at the center. In a plan view, a part of the inner region is included in the opening. The first planar shape of the opening end of the first pit is asymmetric with respect to a line passing through the center of gravity of the first planar shape and parallel to at least one side of the first two-dimensional lattice.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
また、図2(a)は第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの上部電極を除いた部分模式平面図、図2(b)は第1のピットの模式平面図、である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic perspective view of the surface emitting quantum cascade laser according to the first embodiment.
2A is a partial schematic plan view of the surface-emitting quantum cascade laser according to the first embodiment except for the upper electrode, and FIG. 2B is a schematic plan view of the first pit.
面発光量子カスケードレーザ(Surface Emitting Quantum Cascade Laser)5は、活性層20と、第1の半導体層30と、を有する。活性層20は、複数の量子井戸層が積層され、サブバンド間遷移によりレーザ光80を放出可能である。第1の半導体層30は、活性層20の上に設けられ、第1の面32を有する。第1の面32は、第1のピット61が第1の二次元格子を構成する内部領域33および第2のピット64が第2の二次元格子を構成する外周領域34を含む。また、第1の半導体層30は、活性層20の側にクラッド層などを含むことができる。なお、図2(a)に表すように、第1のピット61と、第2のピット64とは重ならないことが好ましい。図2に表す二次元格子は正方格子であるが、直方格子でもよい。
A surface emitting quantum cascade laser (Surface Emitting Quantum Cascade Laser) 5 includes an
第1のピット61の格子間隔P1は第2のピット64の格子間隔P2の2倍であり、外周領域34は内部領域33を取り囲む。
The
第1のピット61の開口端の平面形状は、平面形状の重心G1を通りかつ第1の二次元格子の少なくとも1辺に平行な線(50または51)に関して非対称である。第2のピット64の開口端の平面形状は、平面形状の重心G2を通りかつ第2の二次元格子のすべての辺(52、および53)に平行な線に関してそれぞれ対称である。レーザ光80は、内部領域33から活性層20に対して概ね垂直方向に放出される。なお、本明細書において、概ね垂直方向とは、活性層20の表面に対して81°以上、99°以下であるものとする。
The planar shape of the opening end of the
第1のピット61の開口端の平面形状は、複数の点対称の形状を含むことができる。たとえば、図2(b)に表すように、第1の面32から3つの円柱61a、61b、61cを切り取ると、第1のピット61となる。なお、図2(b)では、3つの円柱61a、61b、61cは、平面視で直角2等辺三角形61dに内接するように設けられている。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。たとえば、平面視で円柱が互いに接する必要はない。所定の波長において回折格子の格子点として作用すれば、互いに離間してもまたは重なってもよい。また、第2のピット64は円柱(平面形状が円)などとすることができる。
The planar shape of the opening end of the
面発光量子カスケードレーザ5は、内部領域33のうち第1のピット61が設けられない部分および外周領域34のうち第2のピット64が設けられない部分に設けられた上部電極35と、活性層20の面のうち、第1の半導体層30が設けられた面とは反対の側の面に設けられた第2の半導体層39と、第2の半導体層39の面のうち、活性層20の側とは反対の側の面に設けられた下部電極90と、をさらに有することができる。第2の半導体層39は、クラッド層39aおよび基板39bなどを有することができる。
The surface emitting
第1の半導体層30および第2の半導体層39がn形層をそれぞれ含むと、サブバンド間遷移を生じるキャリアは電子である。第1の半導体層30の厚さは数μm、第2の半導体層39の厚さは数μmなどとすることができる。
When the
上部電極35および下部電極90に印加された電界によりキャリアが量子井戸層を通過することによりサブバンド間遷移を生じ、波長が2μmから100μmの単一モードのレーザ光を放出する。
The carriers pass through the quantum well layer by the electric field applied to the
第1のピット61の格子間隔P1、および第2のピット64の格子間隔P2は、レーザ光80の媒質内波長程度とする。
The
参考のために、1次元格子の場合、レーザ光の取り出し方向について説明する。量子カスケードレーザ装置は、主としてTM(Transverse Magnetic)波が放出される。導波路において、回折格子による回折角をθ、回折格子の次数をM(整数)、回折次数をm(整数)とした場合、次式が成り立つ。 For reference, in the case of a one-dimensional grating, the laser beam extraction direction will be described. The quantum cascade laser device mainly emits TM (Transverse Magnetic) waves. In the waveguide, when the diffraction angle by the diffraction grating is θ, the order of the diffraction grating is M (integer), and the diffraction order is m (integer), the following equation holds.
cosθ=1±2m/M 式(1)
cos θ = 1 ± 2 m / M Equation (1)
1次回折格子の場合、式(1)に従って、m=0のモードは、0°方向、m=1のモードは180°方向に放出されるが、垂直方向には放出されない。 In the case of the first-order diffraction grating, according to the equation (1), the m = 0 mode emits in the 0 ° direction and the m = 1 mode emits in the 180 ° direction, but not in the vertical direction.
また、2次回折格子の場合、式(1)に従って、m=1のモードは導波路に対して±90°方向に散乱される。m=0およびm=2のモードは、導波路に平行な方向への散乱であるため、実質放出される光は±90°方向のみとなる。 In the case of the second-order diffraction grating, the mode of m = 1 is scattered in the ± 90 ° direction with respect to the waveguide according to the equation (1). Since the mode of m = 0 and m = 2 is scattering in the direction parallel to the waveguide, the substantially emitted light is only in the ± 90 ° direction.
図3(a)は図2(a)のA−A線に沿った模式断面図、図3(b)はB−B線に沿った模式断面図、である。 3A is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2A, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view taken along the line BB.
図3(a)に表すように、2次回折格子を含む内部領域33には、第1のピット61が2次元格子状に配置されている。活性層20に注入された電流によりキャリアのサブバンド間遷移が生じる。2次回折格子を共振器としてレーザ光82が生成され、活性層20の表面に平行な面において所定の方向に直線偏光されたTM波が伝搬する。
As shown in FIG. 3A, the
第1のピット61内では、水平面内の電界(または磁界)を積分してもゼロにはならない。このため、活性層20の垂直方向にTM波が漏れ出る。TM波は水平面内で所定の方向に直線偏光された状態を保ちつつ活性層20に対してほぼ垂直方向に放出される。このとき、それぞれのピットから放出された光が2次元格子により強めあって垂直方向に放出される。もし、第1のピット61の平面形状が重心を通り二次元格子のすべての辺に平行な線に関してそれぞれ対称である(たとえば円)とすると、第1のピット61内において、水平面内の電界の積分値がゼロとなり、垂直方向に漏れ出るTM波は少なくなる。すなわち、第1のピット61が2次回折格子を構成すると、±90°方向へ効率よく回折光を放出できる。
In the
図3(b)に表すように、1次回折格子を含む外周領域34は、第2のピット64が2次元格子状に配置されている。第1の格子間隔P1は、第2の格子間隔P2の2倍とされる。たとえば、第2のピット64の周囲がInPであるとすると、格子間隔P2が1.467μm、真空内波長λ0が4.771μmとなる。外周領域34では、回折方向が活性層20の表面に平行な方向のみとなる。このため、外周領域34には、第1の面32に垂直方向に放出される光が存在できない。
As shown in FIG. 3B, in the outer
外周領域34は、活性層20で発生し外周領域34内を活性層20の表面に平行な方向に伝搬しチップ側面に向かおうとするレーザ光82を1次回折格子により反射させ内部領域33に向かって戻す分布反射器(DBR:Distributed Bragg Reflector)として機能する。外周領域34のうち、内部領域33の側から外部側面Sに向かうレーザ光82の光強度は、チップ側面Sに向かうに従って急激に低下する。このため、チップ側面Sから外部に漏れるレーザ光を低減できる。その結果、発光効率を高めるとともに、不要輻射を抑制して安全性を高めることができる。もし漏れ光が大きいと、発光モードが変化しやすくなるので好ましくない。
The outer
図3(a)に表す第1のピット61の深さはD1、図3(b)に表す第2のピット64の深さもD1とする。ピットの深さは、活性層20に到達しており、活性層20の上面側に凹部が設けられる。活性層20の凹部が深すぎるとフォトニック結晶との光結合が密となるが、量子井戸層の積層数が減少するので好ましくない。
The depth of the
活性層20は、井戸層と障壁層とを含む量子井戸層からなるサブバンド間遷移発光領域と、緩和領域と、が交互に積層された構成とされる。量子井戸は、たとえば、SiがドープされIn0.669Ga0.331Asからなる井戸層と、SiがドープされIn0.362Al0.638Asからなる障壁層と、を含む。量子井戸層は、さらに少なくとも2つの井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された単位構造である多重量子井戸(MQW:Multi−Quantum Well)構造を、たとえば、50〜200層重ねることが好ましい。活性層20の厚さは、たとえば、1〜4μmなどとすることができる。また、緩和領域も、量子井戸層を含むことができる。第2の半導体層39は、InPやGaAsなどからなる基板39bをさらに有することができる。
The
図4(a)は第1の実施形態の第1変形例にかかる内部領域の模式断面図、図4(b)は外周領域の模式断面図、である。
図4(a)に表す内部領域33の第1のピット61の深さはD2とし、図4(b)に表す外周領域34の第2のピット64の深さもD2とする。本変形例において、ピット深さD2は第1の半導体層30の厚さよりも小さく、第1のピット61および第2のピット64の底面は活性層20に到達しない。第1のピット61(61a、61b、61c)の底面と活性層20の表面との間隔、および第2のピット64の底面と活性層20との間隔が、たとえば、数μm以下であれば活性層20と二次元格子との光結合が可能である。
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of an inner region according to a first modification of the first embodiment, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view of an outer peripheral region.
The depth of the
図5(a)は第1の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの温度分布を表すグラフ図、図5(b)は比較例にかかる面発光量子カスケードレーザの温度分布を表すグラフ図、である。
図5(a)、(b)において、縦軸は温度、横軸はチップ断面における水平方向位置、である。図5(b)に表すように、比較例にかかる面発光量子カスケードレーザ105は、二次元格子状に配置された二次回折格子を構成するフォトニック結晶を有する。二次回折格子のピットの平面形状は、平面形状の重心を通りかつ二次元格子の少なくとも1辺に平行な線に関して非対称とされる。
FIG. 5A is a graph showing the temperature distribution of the surface emitting quantum cascade laser according to the first embodiment, and FIG. 5B is a graph showing the temperature distribution of the surface emitting quantum cascade laser according to the comparative example. is there.
5A and 5B, the vertical axis represents temperature, and the horizontal axis represents the horizontal position in the chip cross section. As shown in FIG. 5B, the surface-emitting
第1の実施形態の注入電流I1と比較例105の注入電流I2とは等しく、取り出されるレーザ光出力は、概ね等しいものとする。第1の実施形態では、光取り出し領域である内部領域33を取り囲むように外周領域34が設けられるので、活性層20の面積は、比較例105の活性層の面積よりも広い。第1の実施形態の熱抵抗は、比較例105の熱抵抗よりも低くなり活性層20内のピーク温度T1は、比較例105の活性層内のピーク温度T2よりも低くできる。このため、活性層20内の屈折率変化を低減でき発振モードが安定化する。また、温度上昇による効率低下や故障率上昇が抑制される。
It is assumed that the injection current I1 of the first embodiment and the injection current I2 of the comparative example 105 are equal, and the extracted laser light outputs are substantially equal. In the first embodiment, since the outer
なお、活性層から下方に向かうレーザ光は下部電極90により反射され、活性層20から上方に向かうレーザ光とともに、レーザ光80となって上方から放出される。
Laser light traveling downward from the active layer is reflected by the
図6は、第2の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
また、図7は、第2の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの上部電極を除いた部分模式平面図である。
FIG. 6 is a schematic perspective view of the surface emitting quantum cascade laser according to the second embodiment.
FIG. 7 is a partial schematic plan view excluding the upper electrode of the surface emitting quantum cascade laser according to the second embodiment.
面発光量子カスケードレーザ5は、活性層20と、第1の半導体層30と、を有する。第1の面32は、第1のピット63が第1の二次元格子を構成する内部領域33および第2のピット64が第2の二次元格子を構成する外周領域34を含む。なお、図7に表すように、第1のピット63と、第2のピット64とは重ならないことが好ましい。
The surface emitting
第1のピット63の格子間隔P1は第2のピット64の格子間隔P2の2倍であり、外周領域34は内部領域33を取り囲む。
The
第1のピット63の開口端の平面形状は、平面形状の重心G1を通りかつ第1の二次元格子の少なくとも1辺に平行な線(50または51)に関して非対称である。第2のピット64の開口端の平面形状は、平面形状の重心G2を通りかつ第2の二次元格子のすべての辺(52および53)に平行な線に関してそれぞれ対称である。レーザ光80は、内部領域33から活性層20に対して概ね垂直方向に放出される。
The planar shape of the open end of the
図6、7において、第1のピット63は直角三角柱(平面形状が直角二等辺三角形)、第2のピット64は円柱(平面形状が円)とする。但し、第1のピット63の平面形状は、直角二等辺三角形に限定されず非対称であればよい。
6 and 7, the
また、二次元格子が正方格子または直方格子である場合、第1のピット63の開口端の第1平面形状(円や三角形に限定されない)は、第1平面形状の重心G1を通りかつ第1の二次元格子の2辺それぞれに平行な線(50および51)に関して非対称とすると、光学異方性がさらに高まるのでより好ましい。
When the two-dimensional lattice is a square lattice or a rectangular lattice, the first planar shape (not limited to a circle or a triangle) of the opening end of the
面発光量子カスケードレーザ5は、内部領域33のうち第1のピット63が設けられない部分および外周領域34のうち第2のピット64が設けられない部分に設けられた上部電極35と、活性層20の面のうち、第1の半導体層30が設けられた面とは反対の側の面に設けられた第2の半導体層39と、第2の半導体層39の面のうち、活性層20の側とは反対の側の面に設けられた下部電極90と、をさらに有することができる。
The surface emitting
第1のピット63の格子間隔P1、および第2のピット64の格子間隔P2は、レーザ光80の媒質内波長程度とする。
The
図8(a)は図7のA−A線に沿った模式断面図、図8(b)はB−B線に沿った模式断面図、である。 8A is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 7, and FIG. 8B is a schematic cross-sectional view taken along the line BB.
2次回折格子を含む内部領域33は、第1のピット63が2次元格子状に配置されている。活性層20に注入された電流によりキャリアのサブバンド間遷移が生じる。2次回折格子を共振器としてレーザ光82が生成され、活性層20の表面に平行な面において所定の方向に直線偏光されたTM波が伝搬する。
In the
図9(a)は第2の実施形態の第1変形例にかかる内部領域の模式断面図、図9(b)は外周領域の模式断面図、である。
図9(a)に表す内部領域33の第1のピットの深さはD2とし、図9(b)に表す外周領域34の第2のピットの深さもD2とする。本変形例において、第1のピット63および第2のピット64の深さD2は、第1の半導体層30の厚さよりも小さく、第1のピット63および第2のピット64の底面は活性層20に到達しない。第1のピット63の底面と活性層20の表面との間隔、および第2のピット64の底面と活性層20との間隔が、たとえば、数μm以下であれば活性層20と二次元格子との光結合が可能である。
FIG. 9A is a schematic cross-sectional view of an internal region according to a first modification of the second embodiment, and FIG. 9B is a schematic cross-sectional view of an outer peripheral region.
The depth of the first pit in the
図10は、第3の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式斜視図である。
また、図11(a)は図10のC−C線に沿った模式断面図、図11(b)は図10のD−D線に沿った模式断面図、図11(c)は、第2のピットの変形例であり、図10のD−D線に沿った模式断面図、である。
FIG. 10 is a schematic perspective view of a surface emitting quantum cascade laser according to the third embodiment.
11A is a schematic cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 10, FIG. 11B is a schematic cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 10, and FIG. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
第1の半導体層30の第1の面32は、図6に表す第1の面32と同一であるものとする。図11(a)に表すように、内部領域33の第1のピット63の内面(側面および底面)、および外周領域34の第2のピット64の内面(側面64bおよび底面)を覆うように絶縁体層50が設けられ、絶縁体層50に覆われない第1の半導体層30の第1の面32の部分、および絶縁体層50の表面を覆うように上部電極36が設けられる。この場合、内部領域33は、面発光のための周期構造として機能する。絶縁体層50は、Si3N4、SiO2、ZnSe、CdTeなどとすることができる。
It is assumed that the
下部電極90のうち、平面視で内部領域33の一部と重なるように、開口部90aが設けられる。このため、二次元格子を構成するフォトニック結晶から放出されたレーザ光80は、上部電極36で反射され、活性層20を再び通過して、活性層20から直接に開口部90aに向かうレーザ光とともにレーザ光80となり開口部90aから概ね垂直方向に放出される。
An
第1のピット63および第2のピット64には、絶縁体層50を介して上部電極36が充填される。このため、発生熱は、上部電極36からヒートシンクなどを介して外部に排出することが容易となる。このため、活性層20内のピーク温度がさらに低減される。
The
図11(c)は、第2のピットの変形例であり、外周領域34の第2のピット64の一部の溝が深いトレンチ構造を表す。たとえば、波長が5μmのとき、溝の深さD4を5〜10μmなどとすると、反射率が高められ、かつ光損失を増加させる。第2の領域34の二次元格子のチップ側面に向かう方向に沿って配列される数を数個に減らしても高い反射率とできるので、チップサイズを縮小することができる。
FIG. 11C is a modification of the second pit, and shows a trench structure in which a part of the groove of the
図12は、第3の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの活性層内の温度分布を説明するグラフ図である。
縦軸は温度、横軸は水平方向位置、である。下部電極90の中央部に開口部90aが設けられるものとすると、注入電流I3のうち内部領域33の注入電流を外周領域34の注入電流よりも低減できる。この結果、内部領域33での発生熱が低減され熱源を外側に向かって分散できるので、温度分布を双峰性に近づけ内部領域33での温度上昇を一層抑制できる。注入電流I3を第1の実施形態の注入電流I1と等しくすると、ピーク温度T3を、図5(a)のピーク温度T1よりも低くできる(T2>T1>T3)。なお、活性層で生成されたレーザ光のうち、上方に向かった光は、上部電極36により反射され、レーザ光80として開口部90aから放出される。
FIG. 12 is a graph illustrating the temperature distribution in the active layer of the surface emitting quantum cascade laser according to the third embodiment.
The vertical axis represents temperature, and the horizontal axis represents the horizontal position. Assuming that the
図13(a)は第4の実施形態の内部領域の模式断面図、図13(b)は第4の実施形態の外周領域の模式断面図、図13(c)は第4の実施形態の変形例の外周領域の模式断面図、である。
なお、図13(a)は、図10のC−Cに沿った模式断面図である。また、図13(b)、(c)は、図10のD−D線に沿った模式断面図である。
FIG. 13A is a schematic cross-sectional view of the inner region of the fourth embodiment, FIG. 13B is a schematic cross-sectional view of the outer peripheral region of the fourth embodiment, and FIG. 13C is the fourth embodiment. It is a schematic cross section of the outer periphery area | region of a modification.
FIG. 13A is a schematic cross-sectional view taken along the line CC in FIG. FIGS. 13B and 13C are schematic cross-sectional views along the line DD in FIG.
第1の半導体層30の第1の面32は、図6に表す第1の面32と同一であるものとする。図13(a)に表すように、内部領域33の第1のピット63の内面(側面および底面)、および外周領域34の第2のピット64の内面(側面および底面)、および第1の半導体層30の第1の面32の部分を覆うように絶縁体層50が設けられる。さらに、絶縁体層50の表面を覆うように上部電極36が設けられる。この場合、内部領域33は、面発光のための周期構造として機能する。絶縁体層50は、Si3N4、SiO2、ZnSe、CdTeなどとすることができる。
It is assumed that the
下部電極90のうち、平面視で内部領域33の一部を含む部分には、開口部90aが設けられる。このため、二次元格子を構成するフォトニック結晶から放出されたレーザ光80は、上部電極36で反射され、活性層20を再び通過して、活性層20から開口部90aに向かうレーザ光とともにレーザ光80となり開口部90aから概ね垂直方向に放出される。
An
第1のピット63および第2のピット64には、絶縁体層50を介して上部電極36が充填される。このため、発生熱は、上部電極36からヒートシンクなどを介して外部に排出することが容易となる。このため、活性層20内のピーク温度がさらに低減される。
The
図13(c)は、外周領域34の第2のピット64の一部の溝が深いトレンチ構造を表す。たとえば、波長が5μmのとき、溝の深さD4を5〜10μmなどとすると、反射率が高められ、かつ光損失を増加させる。第2の領域34の二次元格子のチップ側面に向かう方向に沿って配列される数を数個に減らしても高い反射率とできるので、チップサイズを縮小することができる。
FIG. 13C shows a trench structure in which a part of the
電子とホールとの再結合により発光する従来のpn接合レーザダイオード(LD)の発光層は電流注入密度が低い時には発光波長に対して光吸収層として作用する。このため発光層内に電流注入が行われていない領域が存在するとその領域は光吸収領域となり、レーザのしきい値電流の上昇など性能の低下を招く。一方、量子カスケードレーザの発光層では電流が注入されていない状態でも発光波長に対して光吸収は非常に少なく、電流注入されていない領域の光吸収は性能を低下させない。このため、本実施形態のように内部領域33では電流注入を行わず光取出しのために用い、かつ外周領域34で電流注入を行う構造としても性能の低下は生じない。
The light emitting layer of a conventional pn junction laser diode (LD) that emits light by recombination of electrons and holes acts as a light absorption layer for the emission wavelength when the current injection density is low. For this reason, if there is a region where current injection is not performed in the light emitting layer, the region becomes a light absorption region, which causes a decrease in performance such as an increase in laser threshold current. On the other hand, the light absorption layer of the quantum cascade laser has very little light absorption with respect to the emission wavelength even when no current is injected, and light absorption in a region where no current is injected does not deteriorate the performance. For this reason, even if it is used for light extraction without performing current injection in the
この構造においては外周領域34で発生したレーザ光を内部領域33のモード制御しやすい領域に集めて、内部領域33から単一モードの光として取り出すことが可能となる。光を集めることで光密度は高くなるが、電流注入されていないため、電流注入領域よりも温度上昇や温度差が小さくなり、安定したレーザ発振が期待できる。光を発生する外周領域34の面積をモード制御され光取り出し可能な内部領域33の面積よりも大きくできるので、外周領域の電流密度を低減し放熱性を高めることができる。このため、高出力での動作が従来のpn接合レーザダイオードに比べ格段に安定となる。
In this structure, the laser light generated in the outer
図14(a)は第5の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの模式平面図、図10(b)は正三角格子を含む内部領域の模式平面図、である。
内部領域33は、正三角形の平面形状を有する第1のピット63により2次回折格子が形成される。なお、第1のピット63は、平面形状の重心G3を通りかつ正三角格子の3辺に平行な直線54、55、56に関して非対称となるように配置される。第1のピット63の平面形状は、正三角形でなくてもよい。外周領域34は、第2のピット64が円平面形状である正三角格子とする。また、内部領域63の格子間隔P3は、外周領域34の格子間隔P4の2倍とされる。内部領域33の概ね垂直方向に、レーザ光を放出できる。
FIG. 14A is a schematic plan view of a surface emitting quantum cascade laser according to the fifth embodiment, and FIG. 10B is a schematic plan view of an internal region including a regular triangular lattice.
In the
図15は、第6の実施形態にかかる面発光量子カスケードレーザの部分模式平面図である。
第1のピット63の平面形状は、平面形状の重心G1を通りかつ第1の二次元格子の少なくとも1辺に平行な線(50または51)に関して非対称である。第2のピット64の平面形状は、平面形状の重心G2を通りかつ第2の二次元格子のすべての辺(50および51)に平行な線に関してそれぞれ対称である。
FIG. 15 is a partial schematic plan view of a surface emitting quantum cascade laser according to a sixth embodiment.
The planar shape of the
本変形例において、二次元格子は、正方格子とする。第2のピット64の格子間隔P1は第1のピット63の格子間隔P1と同一で有り、ともに1次回折格子のフォトニック結晶として作用する。内部領域33は、第1のピット33の非対称性を利用して1次回折格子により活性層に対してほぼ垂直方向にレーザ光を放出する。外周領域34は、第2のピット64の対称性を利用して、活性層に平行な面内において、内部領域33から外周領域34に向かって放出されたレーザ光を外周領域34により反射して内部領域33に戻すことができる。
In this modification, the two-dimensional lattice is a square lattice. The lattice interval P1 of the
第1〜第6の実施形態およびそれらに付随する変形例によれば、放熱性が高められ、チップ側面からの光の漏れが低減された面発光量子カスケードレーザが提供される。これらの面発光量子カスケードレーザは、環境分析装置、危険物検出装置、レーザ加工装置などに広く用いることができる。 According to the first to sixth embodiments and the modifications associated therewith, a surface-emitting quantum cascade laser with improved heat dissipation and reduced light leakage from the side surface of the chip is provided. These surface-emitting quantum cascade lasers can be widely used in environmental analysis devices, hazardous material detection devices, laser processing devices, and the like.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
5 面発光量子カスケードレーザ、20 活性層、30 第1の半導体層、32 第1の面、33 内部領域、34 外周領域、35、36 上部電極、39 第2の半導体層、50 絶縁体層、61、63 第1のピット、64 第2のピット、80、82 レーザ光、90 下部電極、90a (下部電極の)開口部、P1、P3 (第1のピットの)格子間隔、P2、P4 (第2のピットの)格子間隔、G1 (第1のピットの)重心、G2 (第2のピットの)重心、G3 (正三角形ピットの)重心、D1、D2、D3、D4 ピットの深さ
5 surface emitting quantum cascade laser, 20 active layer, 30 first semiconductor layer, 32 first surface, 33 inner region, 34 outer peripheral region, 35, 36 upper electrode, 39 second semiconductor layer, 50 insulator layer, 61, 63 1st pit, 64 2nd pit, 80, 82 laser beam, 90 lower electrode, 90a (lower electrode) opening, P1, P3 (first pit) lattice spacing, P2, P4 ( Lattice spacing, G1 (first pit) center of gravity, G2 (second pit) center of gravity, G3 (regular triangle pit) center of gravity, D1, D2, D3, D4 Pit depth
Claims (13)
前記活性層の上に設けられ、第1の面を有する第1の半導体層であって、前記第1の面は第1のピットが第1の二次元格子を構成する内部領域および第2のピットが第2の二次元格子を構成する外周領域を含み、前記外周領域は前記内部領域を取り囲む、第1の半導体層と、
前記第1のピットの側面および底面と、前記第2のピットの側面および底面と、前記内部領域のうち前記第1のピットが設けられない部分と、を覆う絶縁体層と、
前記外周領域のうち前記第2のピットが設けられない部分を覆いかつ前記絶縁体層を介して前記第1のピット内および前記第2のピット内を充填する上部電極と、
前記活性層の面のうち、前記第1の半導体層が設けられた面とは反対の側の面の側に設けられ中央部に開口部が設けられた下部電極であって、平面視で前記内部領域の一部が前記開口部内に含まれる、下部電極と、
を備え、
前記第1のピットの開口端の第1平面形状は、前記第1平面形状の重心を通りかつ前記第1の二次元格子の少なくとも1辺に平行な線に関して非対称である、面発光量子カスケードレーザ。 An active layer in which a plurality of quantum well layers are stacked and capable of emitting laser light by intersubband transition;
A first semiconductor layer provided on the active layer and having a first surface, wherein the first surface includes an inner region in which a first pit constitutes a first two-dimensional lattice and a second surface A first semiconductor layer, wherein the pit includes an outer peripheral region constituting a second two-dimensional lattice, and the outer peripheral region surrounds the inner region;
An insulating layer covering the side and bottom surfaces of the first pit, the side and bottom surfaces of the second pit, and the portion of the internal region where the first pit is not provided;
An upper electrode that covers a portion of the outer peripheral region where the second pit is not provided and fills the first pit and the second pit via the insulator layer;
A lower electrode provided on the surface of the active layer opposite to the surface on which the first semiconductor layer is provided and having an opening at a central portion thereof in plan view; A lower electrode, wherein a portion of an internal region is contained within the opening; and
With
The surface emitting quantum cascade laser wherein the first planar shape of the opening end of the first pit is asymmetric with respect to a line passing through the center of gravity of the first planar shape and parallel to at least one side of the first two-dimensional grating .
前記活性層の上に設けられ、第1の面を有する第1の半導体層であって、前記第1の面は第1のピットが第1の二次元格子を構成する内部領域および第2のピットが第2の二次元格子を構成する外周領域を含み、前記外周領域は前記内部領域を取り囲む、第1の半導体層と、
前記第1のピットの側面および底面と、前記第2のピットの側面および底面と、を覆う絶縁体層と、
前記内部領域のうち前記第1のピットが設けられない部分と、前記外周領域のうち前記第2のピットが設けられない部分と、を覆い、かつ前記絶縁体層を介して前記第1のピット内および前記第2のピット内を充填する上部電極と、
前記活性層の面のうち、前記第1の半導体層が設けられた面とは反対の側の面の側に設けられ中央部に開口部が設けられた下部電極であって、平面視で前記内部領域の一部が前記開口部内に含まれる、下部電極と、
を備え、
前記第1のピットの開口端の第1平面形状は、前記第1平面形状の重心を通りかつ前記第1の二次元格子の少なくとも1辺に平行な線に関して非対称である、面発光量子カスケードレーザ。 An active layer in which a plurality of quantum well layers are stacked and capable of emitting laser light by intersubband transition;
A first semiconductor layer provided on the active layer and having a first surface, wherein the first surface includes an inner region in which a first pit constitutes a first two-dimensional lattice and a second surface A first semiconductor layer, wherein the pit includes an outer peripheral region constituting a second two-dimensional lattice, and the outer peripheral region surrounds the inner region;
An insulating layer covering the side and bottom surfaces of the first pit and the side and bottom surfaces of the second pit;
Covering the portion of the inner region where the first pit is not provided and the portion of the outer peripheral region where the second pit is not provided, and the first pit via the insulator layer An upper electrode filling the inside and the second pit;
A lower electrode provided on the surface of the active layer opposite to the surface on which the first semiconductor layer is provided and having an opening at a central portion thereof in plan view; A lower electrode, wherein a portion of an internal region is contained within the opening; and
With
The surface emitting quantum cascade laser wherein the first planar shape of the opening end of the first pit is asymmetric with respect to a line passing through the center of gravity of the first planar shape and parallel to at least one side of the first two-dimensional grating .
前記レーザ光は、前記第2のピットの前記格子間隔に対応した発光波長を有しかつ前記内部領域から前記開口部を通って前記活性層に対して概ね垂直方向に放出される、請求項1〜5のいずれか1つに記載の面発光量子カスケードレーザ。 The second planar shape of the open end of the second pit is symmetrical with respect to a line passing through the center of gravity of the second planar shape and parallel to all sides of the second two-dimensional lattice;
The laser beam has an emission wavelength corresponding to the lattice spacing of the second pit and is emitted from the internal region through the opening in a direction substantially perpendicular to the active layer. The surface emitting quantum cascade laser as described in any one of -5.
前記第1のピットの前記開口端の前記第1平面形状は、前記第1平面形状の前記重心を通りかつ前記第1の二次元格子の2辺それぞれに平行な線に関して非対称である、請求項1〜12のいずれか1つに記載の面発光量子カスケードレーザ。 The two-dimensional lattice of the first pit is a square lattice or a rectangular lattice;
The first planar shape of the open end of the first pit is asymmetric with respect to a line passing through the center of gravity of the first planar shape and parallel to each of two sides of the first two-dimensional lattice. The surface emitting quantum cascade laser according to any one of 1 to 12.
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