面发光量子级联激光器制造技术

提供能够在高输出时改善光学特性的面发光量子级联激光器。面发光量子级联激光器具有半导体层叠体、上部电极、以及下部电极。半导体层叠体具有：活性层，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层，设于活性层之上，并且具有凹部构成矩形光栅的光子晶体层；以及设于活性层的下方的第二半导体层。下部电极设于第二半导体层的下表面中的与上部电极重叠的区域。在俯视时，半导体层叠体具有包含光子晶体层的面发光区域、以及设有上部电极并且将面发光区域包围的电流注入区域。活性层产生子带间跃迁，能够通过二维衍射光栅产生光谐振，并且向面发光区域的垂直方向放出红外激光。

Surface-Emitting Quantum Cascade Laser

A surface-emitting quantum cascade laser capable of improving optical properties at high output is provided. Surface-emitting quantum cascade lasers have semiconductor stacks, upper electrodes and lower electrodes. Semiconductor stacks have: active layer, quantum well layer which produces interband transition and emits infrared laser; the first semiconductor layer, which is located on the active layer and has a concave photonic crystal layer which constitutes a rectangular grating; and the second semiconductor layer which is located below the active layer. The lower electrode is arranged in the area overlapped with the upper electrode on the lower surface of the second semiconductor layer. When looking down, the semiconductor stack has a surface luminous region including a photonic crystal layer and a current injection region surrounded by an upper electrode. The active layer generates inter-subband transition, which can generate optical resonance through two-dimensional diffraction grating, and emits infrared laser in the vertical direction of the surface luminous region.

【技术实现步骤摘要】
面发光量子级联激光器
本专利技术的实施方式涉及面发光量子级联激光器。
技术介绍
面发光量子级联激光器在TM(TransverseMagnetic，横磁)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，作为能够在与活性层的表面大致垂直的方向上放出激光的面发光型而动作。在电流注入部与光子晶体部处于同一区域的构造中，若为了获得高输出而提高动作电流，则芯片动作温度变高，因此光子晶体部的折射率的变化变大，光学特性降低。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2014－197659号公报
技术实现思路
提供能够在高输出时改善光学特性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半导体层叠体、上部电极、以及下部电极。所述半导体层叠体具有活性层，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层，设于所述活性层之上，并且具有凹部构成矩形光栅的光子晶体层；以及设于所述活性层的下方的第二半导体层。所述上部电极设于所述第一半导体层的上表面。所述下部电极设于所述第二半导体层的下表面中的、至少与所述上部电极重叠的区域。在所述第一半导体层的所述上表面的一侧设有所述光子晶体层。所述凹部的开口端的平面形状关于经过所述平面形状的重心并且分别与所述矩形光栅的两个边平行的线，为非对称。在俯视时，所述半导体层叠体具有包含所述光子晶体层的面发光区域、以及从所述面发光区域的外缘以放射状朝向外侧延伸的电流注入区域。所述上部电极设于所述第一半导体层的所述上表面中的所述电流注入区域。所述活性层能够在所述电流注入区域中基于流过所述上部电极与所述下部电极之间的电流，通过所述子带间跃迁来产生增益，在所述面发光区域中基于所述二维衍射光栅来产生光谐振，并且向所述面发光区域的大致垂直方向放出所述红外激光。附图说明图1(a)是第一实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图1(b)是沿着A－A线的示意主视图。图2是第一实施方式的面发光量子级联激光器的面发光区域的示意立体图。图3是第一实施方式的面发光量子级联激光器的二维光栅区域的示意俯视图。图4是比较例的面发光量子级联激光器。图5(a)是第二实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图5(b)是沿着B－B线的示意剖面图。图6(a)是第三实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图6(b)是放大了M部的示意俯视图。图7(a)是pn结型激光二极管中的波长所对应的增益·吸收或者发光光谱依赖性的曲线图，图7(b)是量子级联激光器中的波长所对应的增益·吸收或者发光光谱依赖性的曲线图。图8(a)是量子级联激光器的电流注入时的能带图，图8(b)是零偏置时的能带图。图9(a)是第三实施方式的变形例的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图9(b)是放大了M部的示意俯视图。图10(a)是第四实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图10(b)是发光的远场图形的曲线图。符号说明10半导体层叠体，20活性层，30第一半导体层，30a(第一半导体层的)表面，31光子晶体层，39第二半导体层，53上部电极，52、54下部电极，54a开口部，56金属层，63凹部，70面发光区域，70a(面发光区域的)外缘，72电流注入区域，90、91、92锥形谐振器，90a、91a(锥宽度的)最小区域，G1(凹部的)重心，J电流具体实施方式以下，参照附图对本专利技术的实施方式进行说明。图1(a)是第一实施方式的面发光量子级联激光器的示意俯视图，图1(b)是沿着A－A线的示意主视图。第一实施方式的面发光量子级联激光器具有半导体层叠体10、上部电极50、以及下部电极52。半导体层叠体10具有：活性层20，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层30，设置在活性层20之上，并且具有包含二维衍射光栅的光子晶体层；以及设置于所述活性层20的下方的第二半导体层39。上部电极50设于第一半导体层30的上表面。下部电极52设于第二半导体层39的下表面中的、至少与上部电极50重叠的区域。在第一半导体层30的上表面30a侧设有光子晶体层31。在俯视时，半导体层叠体10具有包含光子晶体层31的面发光区域70、以及从面发光区域70的外缘70a以放射状朝向外侧延伸的电流注入区域72。即，如图1(b)所示，面发光区域70表示第一半导体层30的一部分(包含光子晶体层31)、活性层20的一部分、以及第二半导体层39的一部分层叠于芯片的中央部而得到的区域。此外，电流注入区域72表示第一半导体层30的其他一部分、活性层20的其他一部分、以及第二半导体层39的其他一部分层叠于芯片的外周部而得到的区域。上部电极50设于第一半导体层30的上表面30a中的电流注入区域72。另外，在图1(a)中，电流注入区域72在第一半导体层30的上表面30a沿相互正交的两个直线设置。利用流经上部电极50与下部电极52之间的电流J，使得电流注入区域72所含的活性层20产生子带间跃迁，通过二维衍射光栅能够产生光谐振，并且向面发光区域22的垂直方向放出红外激光80。如图1(b)所示，利用流经上部电极50与下部电极52之间的电流J，能够进行子带间跃迁，在电流注入区域72中产生的光L1、L2、L3朝向面发光区域70行进，利用面发光区域70的光子晶体层31能够产生光谐振，并且向面发光区域70的垂直方向放出红外激光80。上部电极50也可以以从第一半导体层30的上表面30a沿相互正交的两个直线朝向外侧延伸的方式设于电流注入区域72的第一半导体层30上表面。第一半导体层30也可以在活性层20侧具有包覆层。此外，第二半导体层39也可以在活性层20侧具有包覆层39a，在下部电极52侧具有基板39b。图2是第一实施方式的面发光量子级联激光器的面发光区域的示意立体图。此外，图3是第一实施方式的面发光量子级联激光器的二维光栅区域的示意俯视图。凹部63的平面形状相对于经过平面形状的重心G1并且与二维矩形光栅的至少一边平行的线(51或者53)为非对称。红外激光80相对于活性层20向大致垂直方向放出。另外，在本说明书中，大致垂直方向指的是相对于活性层20的表面为81°以上且99°以下。电流注入区域72与矩形光栅的两个边51、53中的某一个正交。在图2、3中，凹部63被设为直角三棱柱(平面形状为直角三边形)。其中，凹部63的平面形状并不限定于直角三边形，只要相对于光栅的两个边51、53分别为非对称即可。若第一半导体层30以及第二半导体层39分别包括n型层，则发生子带间跃迁的载流子是电子。第一半导体层30的厚度能够设为几μm，第二半导体层39的厚度能够设为几μm等。在对上部电极50以及下部电极52施加的电场的作用下，载流子经过量子阱层，由此发生子带间跃迁，例如放出波长为2μm至100μm的单一模式的激光。第一凹部63的光栅间隔P1能够设为红外激光80的介质内波长程度。图4是比较例的面发光量子级联激光器。在比较例中，上部电极150设于第一半导体层130的光子晶体层上表面，面发光区域与电子注入区域处于同一区域。因此，注入电流JJ在光子晶体层内沿垂直方向流动。光(水平方向的箭头)在设于第一半导体层130的下方的活性层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面发光量子级联激光器，具备：半导体层叠体，具有：活性层，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层，设于所述活性层之上，并且具有凹部构成矩形光栅的光子晶体层；以及设于所述活性层的下方的第二半导体层；上部电极，设于所述第一半导体层的上表面；下部电极，设于所述第二半导体层的下表面中的、至少与所述上部电极重叠的区域，在所述第一半导体层的所述上表面的一侧设有所述光子晶体层，所述凹部的开口端的平面形状关于经过所述平面形状的重心并且分别与所述矩形光栅的两个边平行的线，为非对称，在俯视时，所述半导体层叠体具有包含所述光子晶体层的面发光区域、以及从所述面发光区域的外缘以放射状朝向外侧延伸的电流注入区域，所述上部电极设于所述第一半导体层的所述上表面中的所述电流注入区域，所述活性层能够在所述电流注入区域中基于流过所述上部电极与所述下部电极之间的电流，通过所述子带间跃迁而产生增益，能够在所述面发光区域中基于所述二维衍射光栅产生光谐振，并且向所述面发光区域的大致垂直方向放出所述红外激光。

【技术特征摘要】
2017.11.16 JP 2017-2207391.一种面发光量子级联激光器，具备：半导体层叠体，具有：活性层，具有产生子带间跃迁的量子阱层，并且放出红外激光；第一半导体层，设于所述活性层之上，并且具有凹部构成矩形光栅的光子晶体层；以及设于所述活性层的下方的第二半导体层；上部电极，设于所述第一半导体层的上表面；下部电极，设于所述第二半导体层的下表面中的、至少与所述上部电极重叠的区域，在所述第一半导体层的所述上表面的一侧设有所述光子晶体层，所述凹部的开口端的平面形状关于经过所述平面形状的重心并且分别与所述矩形光栅的两个边平行的线，为非对称，在俯视时，所述半导体层叠体具有包含所述光子晶体层的面发光区域、以及从所述面发光区域的外缘以放射状朝向外侧延伸的电流注入区域，所述上部电极设于所述第一半导体层的所述上表面中的所述电流注入区域，所述活性层能够在所述电流注入区域中基于流过所述上部电极与所述下部电极之间的电流，通过所述子带间跃迁而产生增益，能够在所述面发光区域中基于所述二维衍射光栅产生光谐振，并且向所述面发光区域的大致垂直方向放出所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：斋藤真司，高濑智裕，桥本玲，角野努，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：日本,JP