量子级联激光器元件的制作方法

1.本公开涉及一种量子级联激光器元件。


背景技术：

2.中红外波段(例如波长为5～30μm)的光已成为光谱分析技术中重要的波段。作为能够输出该波段的光的半导体激光器，量子级联激光器(qcl：quantum cascade laser)元件被广为人知(例如，参照非专利文件1～5)。
3.(非专利文件1)vitiello ms,scalari g,williams b,de natale p.量子级联激光器：挑战的二十年。光学快报2015feb23；23(4):5167
‑
5182.
4.(非专利文件2)michel rochat,daniel hofstetter,mattias beck,and jerome faist.长波段(λ≒16μm)，室温下，基于束缚态向连续态跃迁的单频量子级联激光器.应用物理讯息2001；79:4271
‑
73.
5.(非专利文件3)fujita k,yamanishi m,edamura t,sugiyama a,furuta s.extremely high t0(～450k)of long
‑
wavelength(～15μm),low
‑
threshold
‑
current
‑
density quantum
‑
cascade lasers based on the indirect pump scheme.应用物理讯息2010；97:201109.
6.(非专利文件4)huang x,charles wo,gmachl c.低阈值的对温度不敏感的长波长(λ≒14μm)量子级联激光器.光学快报2011；19:8297
‑
302.
7.(非专利文件5)fuchs p,semmel j,friedl j,hofling s,koeth j,worschech l,forchel a.磷化铟上13.8μm的分布式反馈量子级联激光器.应用物理讯息2011；98:211118.


技术实现要素：

8.如非专利文件1所公布的，在现有的量子级联激光器元件中，难以在中心波长为10μm以上的波段中实现高光输出效率(斜率(slope)效率)。例如，非专利文件2中，虽然公开了具有束缚态向连续态(btc)构造的活性层的量子级联激光器元件，但是其斜率效率为20mw/a左右。或者，非专利文件3中，虽然公开了具有间接注入激发(idp)的活性层的量子级联激光器元件，但是其斜率效率为346mw/a左右。非专利文件4中，虽然公开了具有2声子连续态(two phonon
‑
continuum)构造的活性层的量子级联激光器元件，但是其斜率效率为375mw/a左右。非专利文件5中，虽然公开了与非专利文件1同样地具有btc构造的活性层的量子级联激光器元件，但是其斜率效率为200mw/a左右。
9.因此，本公开的一方面的目的在于提供一种能够有效改善斜率效率的量子级联激光器元件。
10.本公开的一方面涉及的量子级联激光器元件具备：半导体基板；被设置于半导体基板上的活性层，形成有通过多级层叠含有发光层及注入层的单位层叠体使发光层及注入层交替层叠的级联构造；和第一包覆层，其被设置于活性层的半导体基板侧的相反侧、杂质
掺杂浓度小于1
×
10
17
cm
‑3；活性层中包含的各单位层叠体在其子带能级结构上，具有第一发光上位能级、比第一发光上位能级能量级高的第二发光上位能级、比第一发光上位能级能量级低的至少一个发光下位能级；活性层被构成为，在各单位层叠体上通过发光层中第一发光上位能级、第二发光上位能级、及至少一个的发光下位能级中的至少两个能级间的电子的子带能级间跃迁，生成中心波长为10μm以上的光。
11.在上述量子级联激光器元件中，设定与活性层相邻的第一包覆层的杂质掺杂浓度小于1
×
10
17
cm
‑3。像这样通过抑制第一包覆层中的杂质掺杂浓度，能够有效地抑制由于活性层上生成的光中的自由载流子吸收导致的吸收到第一包覆层中的量。另一方面，降低第一包覆层中的杂质掺杂浓度时，由于导电性变低，有电流难以经由第一包覆层流向活性层的弊端。因此在上述量子级联激光器元件1中，为了弥补该弊端，作为活性层构造采用具有第一发光上位能级、第二发光上位能级、及至少一个发光下位能级的子带能级结构(所谓的结合双上位能级结构(dau:dual
‑
upper
‑
state design))。与向两个发光上位能级的双方提供足够的载流子的构造相比，该子带能级结构可实现比较低的阈值电流密度。即通过采用dau构造，能够容许由于降低上部包覆层33中的杂质掺杂浓度而引起的电流量的低下。如上所述，采用dau构造的同时通过降低第一包覆层中的杂质掺杂浓度，对于现有的量子级联激光器元件中难以得到高光输出效率(斜率效率)的光(中心波长为10μm以上的光)，能够有效改善其斜率效率。
12.第一包覆层的厚度也可以是5μm以上。像这样通过充分地增加第一包覆层的厚度，能够有效地将活性层中生成的光封闭于活性层内。因此，能够更加有效地抑制活性层中的光损失，进一步实现斜率效率的改善。
13.半导体基板中的杂质的掺杂浓度也可以小于1
×
10
17
cm
‑3。因此，能够有效地减少半导体基板中的由自由载流子吸收引起的光的吸收量。因此，能够更加有效地抑制活性层中的光损失，实现斜率效率的进一步改善。
14.上述量子级联激光器元件还可以具备被设置于活性层和半导体基板之间、杂质的掺杂浓度小于1
×
10
17
cm
‑3的第二包覆层。通过在活性层和半导体基板之间设置第二包覆层，活性层中生成的光能够有效地封闭于活性层内。进一步，关于第二包覆层也与第一包覆层同样地由于较低地抑制杂质掺杂浓度，能够更加有效地抑制活性层中的光损失，实现斜率效率的进一步改善。
15.第二包覆层的厚度也可以为5μm以上。像这样通过充分地增加第二包覆层的厚度，活性层中生成的光能够更加有效地封闭于活性层内。因此，能够更加有效地抑制活性层31中的光损失，实现斜率效率的进一步改善。
16.上述量子级联激光器元件也可以具有：被设置于相对于半导体基板配置有活性层的一侧且与第一包覆层电连接的第一电极，和夹着半导体基板被设置于第一电极的相反侧且与半导体基板电连接的第二电极。半导体基板中的杂质掺杂浓度也可以为5
×
10
15
cm
‑3以上且小于1
×
10
17
cm
‑3。在该情况下，通过在夹着半导体基板2的两侧上分别配置电极(第一电极、第二电极)，能够使电流经由半导体基板流向活性层。因此，与只在相对于半导体基板配置有活性层的一侧的结构部件中流通电流的构造(所谓的侧面接触构造)相比，能够简化量子级联激光器元件的制作工艺。另外，通过将半导体基板中的杂质的掺杂浓度设定为5
×
10
15
cm
‑3以上且小于1
×
10
17
cm
‑3，能够抑制由于半导体基板中由自由载流子吸收引起的光的
吸收量，同时能够经由半导体基板适当地流通驱动量子级联激光器元件所必须的电流。
17.根据本公开的一个方面，能够提供一种有效改善斜率效率的量子级联激光器元件。
附图说明
18.图1为一个实施方式涉及的量子级联激光器元件的剖视图。
19.图2为沿着图1的ii
‑
ii线的量子级联激光器元件的剖视图。
20.图3为示出量子级联激光器元件的活性层中的子带能级结构的一个示例的图。
21.图4为示出构成活性层的单位层叠体的结构的一个示例的图。
22.图5为示出活性层中1个周期的单位层叠体的构造的一个示例的图表。
23.图6为示出实施例涉及的量子级联激光器元件的电流
‑
光输出特性的图表。
具体实施方式
24.以下参照附图对本公开的实施方式进行详细地说明。此外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。此外，附图的尺寸比率不一定与说明书的说明一致。
25.【量子级联激光器元件的结构】
26.如图1及图2所示，量子级联激光器元件1具备半导体基板2、半导体层叠体3、埋入层4、介电层5、第一电极6、第二电极7。
27.半导体基板2例如为长方形板状的s掺杂inp单晶基板。作为一个示例，半导体基板2的长度为3mm左右，半导体基板2的宽度为500μm左右，半导体基板2的厚度为一百几十μm左右。在以下的说明中，设半导体基板2的宽度方向为x轴方向，设半导体基板2的长度方向为y轴方向，设半导体基板2的厚度方向为z轴方向。设在z轴方向上半导体层叠体3相对于半导体基板2所在的位置的一侧为第一侧s1，设在z轴方向上半导体基板2相对于半导体层叠体3所在的位置的一侧为第二侧s2。半导体基板2为低掺杂inp基板。例如，半导体基板2中的杂质(在本示例中为s)的掺杂浓度为小于1
×
10
17
cm
‑3。作为一个示例，半导体基板2中的杂质掺杂浓度为5
×
10
16
cm
‑3左右。
28.半导体层叠体3被形成于半导体基板2的第一侧s1的表面2a上。半导体层叠体3含有具有量子级联构造的活性层31。半导体层叠体3以使其振荡具有10μm以上中心波长的激光的方式构成。在本实施方式中，通过从半导体基板2一侧按照顺序层叠下部包覆层32(第二包覆层)、下部导向层(图示省略)、活性层31、上部导向层(图示省略)、上部包覆层33(第一包覆层)、及接触层(图示省略)，构成半导体层叠体3。上部导向层具有作为分布反馈(dfb：distributed feedback)结构发挥作用的衍射光栅结构。
29.活性层31经由下部包覆层32及下部导向层被设置于半导体基板2上。活性层31例如具有ingaas/inalas的多重量子阱结构。活性层31的厚度例如为3～7μm。作为一个示例，活性层31的厚度为5.7μm左右。后续对活性层31进行详细说明。
30.下部包覆层32例如为si掺杂inp层。下部包覆层32通过下部导向层被设置于半导体基板2上。即下部包覆层32被设置于活性层31与半导体基板2之间。下部包覆层32作为比通常厚的低掺杂inp层而构成。下部包覆层32的厚度例如为5μm以上。作为一个示例，下部包
覆层32的厚度为5μm左右。在此，下部包覆层32的厚度是指，下部包覆层32中半导体基板2与活性层31之间的部分(即从z轴方向观察到的与活性层31重叠部分)的厚度。下部包覆层32中杂质(在本示例中为si)的掺杂浓度例如为小于1
×
10
17
cm
‑3。作为一个示例，下部包覆层32中杂质掺杂浓度为4
×
10
16
cm
‑3左右。
31.上部包覆层33例如为si掺杂inp层。上部包覆层33经由上部导向层被设置于活性层31的第一侧s1的表面31a上。即，上部包覆层33被设置于活性层31的半导体基板2一侧的相反侧。上部包覆层33与下部包覆层32同样地作为比通常厚的低掺杂inp层而构成。上部包覆层33的厚度例如为5μm以上。作为一个示例，上部包覆层33的厚度为5μm左右。上部包覆层33中的杂质(在本示例中为si)的掺杂浓度例如为小于1
×
10
17
cm
‑3。作为一个示例，上部包覆层33中的杂质掺杂浓度为4
×
10
16
cm
‑3左右。
32.被设置于活性层31与下部包覆层32之间的下部导向层例如为si掺杂ingaas层。下部导向层的厚度例如为0.20μm左右。下部导向层中的杂质(在本示例中si)的掺杂浓度例如为5
×
10
16
cm
‑3左右。
33.被设置于活性层31与上部包覆层33之间的上部导向层例如为si掺杂ingaas层。上部导向层的厚度例如为0.45μm左右。上部导向层中的杂质(在本示例中为si)的掺杂浓度例如为5
×
10
16
cm
‑3左右。
34.被设置于上部包覆层33的第一侧s1的表面上的接触层例如为si掺杂ingaas层。接触层的厚度例如为10nm左右。接触层中的杂质(在本示例中为si)的掺杂浓度例如为3
×
10
18
cm
‑3左右。
35.半导体层叠体3具有沿y轴方向延伸的脊部30。脊部30由下部包覆层32中第一侧s1的一部分、与下部导向层、活性层31、上部导向层、上部包覆层33及接触层构成。x轴方向上的脊部30的宽度比x轴方向上的半导体基板2的宽度窄。y轴方向上的脊部30的长度与y轴方向上的半导体基板2的长度相等。作为一个示例，脊部30的长度为3mm左右、脊部30的宽度12μm左右、脊部30的厚度为11μm左右。脊部30在x轴方向上位于半导体基板2的中央。在x轴方向上的脊部30的两侧上不存在构成半导体层叠体3的各层。
36.脊部30具有顶面30a和一对侧面30b。顶面30a为脊部30的第一侧s1的表面。一对侧面30b为x轴方向上脊部30的两侧的表面。在本示例中、顶面30a及侧面30b各自为平坦面。从y轴方向观察时图1中的中心线cl为通过脊部30的中心(几何中心)且与z轴方向平行的直线。从y轴方向观察时量子级联激光器元件1关于中心线cl成线对称。
37.半导体层叠体3在光波导方向a上具有脊部30的两端面即第一端面3a及第二端面3b。光波导方向a为与脊部30的延长方向即y轴方向平行的方向。第一端面3a及第二端面3b作为光射出端面发挥作用。第一端面3a及第二端面3b在y轴方向上与半导体基板2的两端面分别位于相同的平面上。
38.埋入层4例如为由fe掺杂inp层形成的半导体层。埋入层4具有一对第一部分41和一对第二部分42。一对第一部分41分别被形成于脊部30的一对侧面30b上。一对第二部分42分别从一对第一部分41的第二侧s2的边缘部分沿x轴方向延长。各第二部分42被形成于下部包覆层32的表面32a上。表面32a为下部包覆层32中未构成脊部30的部分中的第一侧s1的表面。第一部分41的厚度例如为1～2μm左右。第二部分42的厚度例如为3μm左右。
39.在z轴方向上、各第二部分42中第一侧s1的表面42a位于活性层31中第一侧s1的表
面31a和第二侧s2的表面31b之间。换言之，从x轴方向观察时，第二部分42中第一侧s1的一部分与活性层31中第二侧s2的一部分重合。
40.介电层5例如为由sin膜或者sio2膜构成的绝缘层。在第二部分42的外侧部分42c的表面42a上形成介电层5，使得从介电层5中露出脊部30的顶面30a、第一部分41的表面41a、及第二部分42的内侧部分42b的表面42a。内侧部分42b为第二部分42中与第一部分41连接的部分，外侧部分42c为第二部分42中在x轴方向上比内侧部分42b更位于外侧的部分。
41.介电层5被形成于外侧部分42c的表面42a上，未形成于内侧部分42b的表面42a上。因此，内侧部分42b的表面42a露出。换言之，在介电层5中，形成有用于露出内侧部分42b的开口5a。开口5a使脊部30的顶面30a、第一部分41的表面41a、及第二部分42的内侧部分42b的表面42a从介电层5中露出。在x轴方向及y轴方向中的任意方向上也有介电层5的外缘到达埋入层4的外缘。介电层5也作为提高埋入层4和下述金属层61之间的密接性的密接层而发挥作用。
42.x轴方向上开口5a的宽度例如是x轴方向上活性层31的宽度的2倍以上。x轴方向上开口5a的宽度也可以是x轴方向上活性层31的宽度的5倍以上。作为一个示例，x轴方向上开口5a宽度为50μm左右，x轴方向上活性层31的宽度为9μm左右。此外，在图1中，活性层31的宽度虽然为定值，活性层31的宽度也可从第二侧s2向第一侧s1逐渐变窄而形成锥形。在该情况下，上述的“x轴方向上的活性层31的宽度”是指活性层31的第一侧s1的端部的宽度。
43.x轴方向上开口5a的宽度也可以是z轴方向上埋入层4的厚度的10倍以上。在此，“埋入层4的厚度”为第一部分41的厚度及第二部分42的厚度两者中更厚的一个，在本示例中为第二部分的厚度(3μm左右)。也就是说，开口5a的宽度也可以是第二部分42的厚度的10倍以上。
44.第一电极6具有金属层61和镀层62。金属层61例如为ti/au层,作为用于形成镀层62的基地层发挥作用。镀层62被形成于金属层61上。镀层62例如为au镀层。z轴方向上第一电极6的厚度例如为6μm以上。
45.一体地形成金属层61使其在脊部30的顶面30a上，并且遍及埋入层4的第一部分41及第二部分42上而延伸。金属层61与脊部30的顶面30a相接触。因此，第一电极6经由接触层与上部包覆层33实现电连接。在x轴方向及y轴方向的任一方向上，金属层61的外缘位于埋入层4及介电层5的外缘的内侧。x轴方向上金属层61的外缘和介电层5的外缘(半导体基板2、半导体层叠体3及埋入层4的外缘)之间的距离例如为50μm左右。
46.金属层61被直接形成于第一部分41上。即金属层61和第一部分41之间未形成其他的层(例如，介电层或者绝缘层)。金属层61遍及第一部分41的表面41a的整个面而被形成。
47.金属层61在第二部分42的内侧部分42b上，经由形成于介电层5上的开口5a与内侧部分42b的表面42a接触。金属层61在第二部分42的外侧部分42c上经由介电层5被形成于第二部分42上。即，介电层5被配置于第二部分42的外侧部分42c与第一电极6之间。从z轴方向观察时，第一电极6的外缘位于比半导体基板2、半导体层叠体3、埋入层4及介电层5的外缘更靠内侧的位置。
48.镀层62中第一侧s1的表面62a与多根导线8电连接。各导线8例如通过引线接合被形成，经由镀层62与金属层61电连接。从z轴方向观察时，第一电极6(镀层62)与各导线8之间的连接位置与介电层5重叠。此外，导线8的根数未被限制，也可以只设置一根导线8。
49.第二电极7被形成于半导体基板2中第二侧s2的表面2b上。第二电极7例如为auge/au膜、auge/ni/au膜、或者au膜。第二电极7经由半导体基板2与下部包覆层32电连接。
50.在量子级联激光器元件1中，经由第一电极6及第二电极7在活性层31上施加偏压，则从活性层31上发出光，该光中的具有规定的中心波长的光在分布反馈结构上发生共振。因此，具有规定的中心波长的激光从第一端面3a及第二端面3b的各自被射出。此外，也可以在第一端面3a及第二端面3b的一个端面上形成高反射膜。在该情况下，具有规定的中心波长的激光从第一端面3a及第二端面3b的另一个端面被射出。或者，第一端面3a及第二端面3b的一个端面上也可以形成低反射膜。另外，在与形成了低反射膜的端面不同的另一个端面上也可以形成高反射膜。在这些任一情况中均有，具有规定的中心波长的激光从第一端面3a及第二端面3b的一个端面被射出。在前者的情况下，激光被从第一端面3a及第二端面3b的两方射出。
51.量子级联激光器元件1与驱动量子级联激光器元件1的驱动部同时构成量子级联激光器装置。驱动部与第一电极6及第二电极7电连接。驱动部例如为驱动量子级联激光器元件1使得量子级联激光器元件1将激光脉冲振荡的脉冲驱动部。
52.[活性层的结构]
[0053]
如图3所示，活性层31具有多级层叠了单位层叠体16的级联结构。单位层叠体16含有产生光的发光层17和从发光层17输送电子的注入层18。发光层17为主要发挥产生光的发光功能的部分。注入层18为主要发挥电子输送功能的部分，电子输送功能是指将发光层17的电子向后级的单位层叠体16的发光层17的发光上位能级注入。发光层17及注入层18各自具有量子阱层及势垒层交替层叠而成的量子阱结构。因此，在各单位层叠体16中形成基于量子阱结构的子带能级结构。
[0054]
单位层叠体16具有具有两个发光上位能级的结合双上位能级结构(dau:dual
‑
upper
‑
state design)的子带能级结构。在图3的示例中，单位层叠体16具有包含两个发光上位能级和多个(此处为三个)发光下位能级的dau/ms(dual
‑
upper
‑
state to multiple lower state)结构的子带能级结构。单位层叠体16在该子带能级结构中具有第一发光上位能级(能级4)l
up1
(l4)和比第一发光上位能级更高能量级的第二发光上位能级(能级5)l
up2
(l5)。而且，单位层叠体16在该子带能级结构中还具有比第一发光上位能级能量级低的第一发光下位能级(能级1)l
low1
(l1)、比第一发光上位能级低且比第一发光下位能级能量级高的第二发光下位能级(能级2)l
low2
(l2)、具有比第一发光上位能级低且比第二发光下位能级能量级高的第3发光下位能级(能级3)l
low3
(l3)、和比这些发光下位能级能量级低的缓和能级lr。
[0055]
在发光层17和前级的单位层叠体16的注入层18a之间设置有针对从注入层18a向发光层17注入的电子的注入势垒层(injection barrier)。在发光层17与注入层18之间，设置有波函数充分地溢出的程度的薄势垒层。此外，在发光层17与注入层18之间也可以设置有针对从发光层17向注入层18提取的电子的提取势垒(exit barrier)层。
[0056]
单位层叠体16的子带能级结构中各能级的间隔结构如下。即从第一发光上位能级l
up1
向第一发光下位能级l
low1
的发光跃迁(4
→
1)的能量δe
41
、及从第二发光上位能级l
up2
向第二发光下位能级l
low2
的发光跃迁(5
→
2)的能量δe
52
分别与第一频率ω1的泵浦光的能量e1大致相同(δe
41
＝δe
52
＝e1)。另外，从第一发光上位能级l
up1
向第二发光下位能级l
low2
的
发光跃迁(4
→
2)的能量δe
42
、及第二发光上位能级l
up2
向第3发光下位能级l
low3
的发光跃迁(5
→
3)的能量δe
53
分别与第二频率ω2的泵浦光的能量e2大致相同(δe
42
＝δe
53
＝e2)。另外，第一发光下位能级l
low1
与第二发光下位能级l
low2
的能量差δe
21
、第二发光下位能级l
low2
与第3发光下位能级l
low3
的能量差δe
32
、及第一发光上位能级l
up1
和第二发光上位能级l
up2
的能量差δe
54
分别与第一频率ω1和第二频率ω2的差频率ω的太赫兹波的能量e＝e1
‑
e2大致相同(δe
21
＝δe
32
＝δe
54
＝e)。在本实施方式中、第一频率ω1比第二频率ω2大，差频率ω＝ω1
‑
ω2。
[0057]
在上述的子带能级结构中，电子从前级的注入层18a的缓和能级lr经由注入势垒注入发光层17，因此，与缓和能级lr结合的第二发光上位能级l
up2
被强烈激发。此时，通过电子
‑
电子散射等的高速散射过程，第一发光上位能级l
up1
中也被提供了足够的电子。即第一发光上位能级l
up1
及第二发光上位能级l
up2
两者被提供了足够的载流子。
[0058]
被注入到第一发光上位能级l
up1
及第二发光上位能级l
up2
的电子分别跃迁至第一发光下位能级l
low1
、第二发光下位能级l
low2
及第3发光下位能级l
low3
。此时，相当于发光上位能级与发光下位能级的子带能级间的能量差的能量的光被生成并释放。特别是、具有能量e1的第一频率ω1的第一泵浦光、及具有能量e2的第二频率ω2的第二泵浦光被生成并释放。
[0059]
跃迁至第一发光下位能级l
low1
、第二发光下位能级l
low2
及第3发光下位能级l
low3
的电子在缓和能级lr中被缓和。像这样，通过从第一发光下位能级l
low1
、第二发光下位能级l
low2
及第3发光下位能级l
low3
提取电子，在第一发光上位能级l
up1
及第二发光上位能级l
up2
、第一发光下位能级l
low1
、第二发光下l
low2
及第3发光下l
low3
之间，形成用于实现激光振荡的反转分布。在缓和能级lr上被缓和的电子经由注入层18向后级的发光层17b的第一发光上位能级l
up1
及第二发光上位能级l
up2
中级联地注入。此外，缓和能级lr不限于只由一个能级构成，也可以是由多个能级构成，或者，也可以是由迷你能带构成。
[0060]
上述的电子的注入、电子的发光跃迁、及电子的缓和通过在构成活性层31的多个单位层叠体16中重复，活性层31中发生级联的光的生成。电子在多个单位层叠体16中级联地移动时，由于各单位层叠体16中的电子的能带间发光跃迁生成第一频率ω1的第一泵浦光及第二频率ω2的第二泵浦光。而且，根据切伦科夫相位匹配引起的差频率的产生来生成第一频率ω1及第二频率ω2的差频率ω(＝|ω1
‑
ω2|)的太赫兹波。
[0061]
参照图4及图5，对活性层31的结构进行进一步说明。此外，在图4中，对于由发光层17及注入层18形成的重复结构中的一部分示出其工作电场中的量子阱结构及子带能级结构。
[0062]
在本结构例中，通过层叠70个周期的单位层叠体16构成活性层31，活性层31中的增益的中心波长被规定为10μm以上的规定波长。作为一个示例，1个周期的单位层叠体16，通过交替层叠11层的量子阱层(阱层161～164，181～187)及11层的量子势垒层(势垒层171～174，191～197)而作为量子阱结构来构成。各阱层161～164、181～187例如为ingaas层，各势垒层171～174、191～197例如为inalas层。
[0063]
单位层叠体16中，4层的阱层161～164及4层的势垒层171～174的交替层叠部分主要作为发光层17发挥作用，7层的阱层181～187及7层的势垒层191～197的交替层叠部分主要作为注入层18发挥作用。发光层17含有的第一级的势垒层171作为注入势垒层发挥作用。
此外，在本结构例中，有实际效果地作为提取势垒发挥作用的提取势垒层未被设置于发光层17和注入层18之间。在本结构例中，势垒层191被规定为形式上的提取势垒层，在其前后发光层17和注入层18以功能被区分。
[0064]
活性层31中、为了实现差频率产生引起的太赫兹波的生成，需要能够生成两个波长的泵浦光分量、且相对于两个波长的泵浦光分量具有高的二阶非线性感受率χ(2)。例如，通过在上部导向层中设置两种衍射光栅层，通过单一的活性层设计，能够实现第一频率ω1的第一泵浦光及第二频率ω2的第二泵浦光的生成及差频率ω的太赫兹波的生成。此外，实现只输出第一泵浦光或者第二泵浦光的任一个的量子级联激光器元件时，在上部导向层中设置与第一泵浦光或者第二泵浦光相对应一种衍射光栅层即可。此外，这些衍射光栅层也可以被设置于包覆层(例如上部包覆层33)的内部。
[0065]
如图4所示，设计本结构例的子带能级结构，使电子从强结合的第一发光上位能级l4及第二发光上位能级l5向第一发光下位能级l1、第二发光下位能级l2及第3发光下位能级l3进行光学跃迁。在本结构例中，第一发光上位能级l4和第二发光上位能级l5之间的能量间隔为δe
54
＝18mev。其他的能级间的能量间隔为δe
53
＝121mev、δe
52
＝136mev、δe
51
＝149mev、δe
43
＝102mev、δe
42
＝117mev、δe
41
＝131mev。
[0066]
本结构例中，从前级的注入层18向发光层17注入的电子通过高速的电子
‑
电子散射等在第一发光上位能级l4及第二发光上位能级l
5中
均等分布，第一发光上位能级l4及第二发光上位能级l5如扩展的单一的上位能级一样动作。因此，通过从第一发光上位能级l4向第一发光下位能级l1、第二发光下位能级l2及第3发光下位能级l3的电子的跃迁实现的增益和通过从第二发光上位能级l5向第一发光下位能级l1、第二发光下位能级l2及第3发光下位能级l3的电子的跃迁实现的增益以同等的贡献重合，在单峰上得到宽频的发光频谱。
[0067]
像这样，使用单一的活性层构造的结构中，与使用了层叠了多个活性层构造的结构不同，得到在活性层31的全领域上均一的非线形光学特性，实现高效率的波长变换。假定第一发光下位能级l1、第二发光下位能级l2、第3发光下位能级l3、第一发光上位能级l4及第二发光上位能级l5的载流子浓度分别为n1～n5，同时假定n1＝n2＝n3，若使用条件n5‑
n
i
＝1.0
×
10
15
/cm3、n4‑
n
i
＝1.3
×
10
15
/cm3(i＝1、2、3)，作为由dau构造生成的二阶非线性感受率χ(2)的总和的绝对值得到|χ(2)|＝23.3nm/v。
[0068]
将量子级联激光器元件1作为输出太赫兹波的太赫兹波用光学元件时，设计频率ωthz、第一频率ω1及第二频率ω2由dfb构造决定。最终得到的太赫兹波由ωthz(＝ω1
‑
ω2)决定。例如，设计频率ωthz被定为3thz左右。此时使用两个周期的dfb构造使第一频率ω1及第二频率ω2同时单模工作，能够使太赫兹波单模工作。在本结构例中，其构成使得与第一频率ω1的光、第二频率ω2的光、及差频率ωthz的光(太赫兹波)中的至少一个光相对应的波长为10μm以上。
[0069]
[作用及效果]
[0070]
在量子级联激光器元件1中，与活性层31相邻的上部包覆层33中，杂质(在本示例中为si)的掺杂浓度小于1
×
10
17
cm
‑3。像这样通过抑制上部包覆层33中的杂质掺杂浓度，能够有效地抑制由活性层31生成的光中由于自由载流子吸收而引起的被上部包覆层33吸收的量。另一方面，降低上部包覆层33中的杂质掺杂浓度时，由于导电性能降低，有电流难以经由上部包覆层33流向活性层31的弊端。因此在量子级联激光器元件1中，为了弥补该弊
端，采用如上述的dau构造(在本实施方式中作为一个示例，dau/ms构造)作为活性层构造。在此子带能级结构中，与向两个发光上位能级的两方提供足够的载流子的构造相比，可实现比较低的阈值电流密度。即通过采用dau构造，能够容许由于降低上部包覆层33中的杂质掺杂浓度而引起的弊端(即流过活性层31的电流量的低下)。如上所述，采用dau构造的同时通过降低上部包覆层33中的杂质掺杂浓度，对于现有的量子级联激光器元件中难以得到高光输出效率(斜率效率)的光(中心波长为10μm以上的光)，能够有效改善其斜率效率。
[0071]
另外，上部包覆层33的厚度也可以为5μm以上。像这样通过充分地增加上部包覆层33的厚度，能够有效地将活性层31中生成的光封闭于活性层31内。因此，能够更加有效地抑制活性层31中光损失，进一步实现斜率效率的改善。
[0072]
另外，半导体基板2中的杂质(在本示例中为s)的掺杂浓度也可以小于1
×
10
17
cm
‑3。如上所述，在本实施方式中，使用掺杂浓度为5
×
10
16
cm
‑3左右低掺杂inp基板作为半导体基板2。通过使用该低掺杂的半导体基板2，能够有效地减少半导体基板2中的由自由载流子吸收引起的光的吸收量。因此，能够更加有效地抑制活性层31中的光损失，实现斜率效率的进一步改善。
[0073]
另外，量子级联激光器元件1被设置于活性层31和半导体基板2之间，还可以具备杂质(在本示例中为si)的掺杂浓度小于1
×
10
17
cm
‑3的下部包覆层32。通过在活性层31和半导体基板2之间设置下部包覆层32，活性层31中生成的光能够有效地封闭于活性层31内。除此之外，关于下部包覆层32也可以与上部包覆层33同样地由于抑制杂质掺杂浓度，能够更加有效地抑制活性层31中的光损失，实现斜率效率的进一步改善。
[0074]
另外，下部包覆层32的厚度也可以为5μm以上。像这样通过充分地增加下部包覆层32的厚度，活性层31中生成的光能够更加有效地封闭于活性层31内。因此，能够更加有效地抑制活性层31中的光损失，实现斜率效率的进一步改善。
[0075]
另外，也可以以所谓的上下导通型元件构成量子级联激光器元件1。具体地，量子级联激光器元件1可以具有：被设置于相对于半导体基板2活性层31被配置的一侧(即第一侧s1)上且与上部包覆层33电连接的第一电极6，夹着半导体基板2被设置于第一电极6的相反侧(即第二侧s2)上且与半导体基板2电连接的第二电极7。而且，半导体基板2中的杂质掺杂浓度也可以为5
×
10
15
cm
‑3以上且小于1
×
10
17
cm
‑3。在该情况下，通过在夹着半导体基板2的两侧(即，第一侧s1及第二侧s2)上分别配置电极(第一电极6、第二电极7)，能够使电流经由半导体基板2流向活性层31。因此，与不使电流流入半导体基板2只使电流流入相对于半导体基板2活性层31被设置的一侧(即，第一侧s1)的结构的部品的构造(所谓的侧面接触构造)相比，能够简化量子级联激光器元件的制作工艺。另外，通过将半导体基板2中的杂质(在本示例中为s)的掺杂浓度设定为5
×
10
15
cm
‑3以上且小于1
×
10
17
cm
‑3，能够抑制由于半导体基板2中自由载流子吸收引起的光的吸收量，同时能够经由半导体基板2适当地流通驱动量子级联激光器元件1所必须的电流。
[0076]
具体地，在侧面接触构造中，作为第二电极7的替代电极设置与下部包覆层32电连接的电极。为了设置该电极，例如需要在半导体基板2和下部包覆层32之间设置接触层(例如si掺杂ingaas层)。另外，为了电连接该接触层和上述电极，在未设置第一电极6的部分中需要在埋入层4及介电层5的一部分中形成接触孔。而且，在这样的侧面接触构造中，第一电极6和上述电极(代替第二电极7被设置的电极)均被配置于半导体基板2的第一侧s1。因此，
为使这些电极彼此不接触，有必要高精度地组装电极部件等。另一方面，如本实施方式所示，通过以上下导通型元件的方式构成量子级联激光器元件1，与上述的侧面接触构造相比能够简化制作工艺。另外，根据上下导通型，与侧面接触构造相比能够降低驱动电圧。
[0077]
[实施例]
[0078]
图6为示出实施例(即上述的量子级联激光器元件1)的电流
‑
光输出特性的图表。图表中的实线表示光输出(w)，图表中的虚线表示驱动电圧(v)表示。此外，在实施例中，通过在第一端面3a及第二端面3b的一个端面上形成高反射膜，光从第一端面3a及第二端面3b的另一个端面(射出面)射出。另外，在实施例中，半导体层叠体3(上部导向层)中通过设置与12.9μm的波长相对应的衍射光栅层，使得中心波长为12.9μm的光从上述射出面射出。另外，比较例(上述的非专利文件2～5)中公开的构造及斜率效率如下所示。如图6所示，相对于下述的比较例1～4，在实施例中高斜率效率(1w/a左右)得以确认。
[0079]
[比较例1：非专利文件2]
[0080]
·
活性层构造：btc构造
[0081]
·
上部包覆层(inp)的厚度：1.75μm
[0082]
·
上部包覆层中的杂质掺杂浓度：6
×
10
16
cm
‑3[0083]
·
下部包覆层(inp)的厚度：0.6μm
[0084]
·
下部包覆层中的杂质掺杂浓度：6
×
10
16
cm
‑3[0085]
·
半导体基板(inp)中的杂质掺杂浓度：1
×
10
17
cm
‑3[0086]
·
输出光的波长：16μm左右
[0087]
·
斜率效率：20mw/a左右
[0088]
[比较例2：非专利文件3]
[0089]
·
活性层构造：idp构造
[0090]
·
上部包覆层(inp)的厚度：5μm
[0091]
·
上部包覆层中的杂质掺杂浓度：5
×
10
16
cm
‑3[0092]
·
下部包覆层(inp)的厚度：5μm
[0093]
·
下部包覆层中的杂质掺杂浓度：5
×
10
16
cm
‑3[0094]
·
半导体基板(inp)：杂质掺杂浓度：1
×
10
18
cm
‑3以上
[0095]
·
输出光的波长：14～15.5μm左右
[0096]
·
斜率效率：346mw/a
[0097]
[比较例3：非专利文件4]
[0098]
·
活性层：2声子连续态构造
[0099]
·
上部包覆层(inp)的厚度：2.4μm
[0100]
·
上部包覆层中的杂质掺杂浓度：5
×
10
16
cm
‑3[0101]
·
下部包覆层：无(通过半导体基板代替发挥下部包覆的功能)
[0102]
·
半导体基板(inp)：杂质掺杂浓度：1
×
10
17
cm
‑3[0103]
·
输出光的波长：14μm左右
[0104]
·
斜率效率：375mw/a
[0105]
[比较例4：非专利文件5]
[0106]
·
活性层构造：btc构造
[0107]
·
上部包覆层(inp)的厚度：4μm
[0108]
·
上部包覆层中的杂质掺杂浓度：5.5
×
10
16
cm
‑3[0109]
·
下部包覆层(inp)的厚度：4μm
[0110]
·
下部包覆层中的杂质掺杂浓度：5.5
×
10
16
cm
‑3[0111]
·
半导体基板的构造：不明
[0112]
·
输出光的波长：13.8μm左右
[0113]
·
斜率效率：200mw/a左右
[0114]
[变形例]
[0115]
以上说明了本公开的一个实施方式，但本公开不局限于上述的实施方式。各结构的材料及形状不局限于上述的材料及形状，能够采用多种材料及形状。
[0116]
例如，半导体层叠体3(上部导向层)中可以设置一种衍射光栅层，或者，也可以在半导体层叠体3中设置三种以上的衍射光栅层。作为分布反馈结构发挥作用的衍射光栅层使第一泵浦光及第二泵浦光中的至少一个单模振荡即可。
[0117]
另外，活性层31不限于如图3～图5所示的仅含有一种单位层叠体16的结构，也可以含有两种以上的活性层构造(单位层叠体)。另外，也可以省略下部包覆层32。在该情况下，半导体基板2的一部分(与活性层31相邻的部分)也可以作为包覆层发挥作用。
[0118]
另外，在上述实施方式中，虽然例示出了对于inp单结晶基板进行晶格匹配的结构的活性层31，但活性层31也可以使用导入了畸变补偿的结构。另外，关于活性层31的半导体材料系不限于上述的ingaas/inalas，还可以应用例如gaas/algaas、inas/alsb、gan/algan、sige/si等多样的半导体材料系。另外，关于半导体的结晶生长方法也可以应用多样的方法。
[0119]
另外，量子级联激光器元件不限于如上述实施方式所述的上下导通型，也可以具有侧面接触构造。在这种情况下也有，作为活性层构造采用dau构造，同时通过采用上述的上部包覆层33、下部包覆层32、及半导体基板2的结构(主要是厚度及掺杂浓度)中的至少一个，能够达到与上述的量子级联激光器元件1同样的效果。另外，采用侧面接触构造时，由于不需要在半导体基板中流入电流，能够使用未掺杂杂质的半绝缘体基板作为半导体基板。因此，能够有效地减少半导体基板上的输出光的吸收损失。
[0120]
另外，y轴方向上金属层61的外缘也可以到埋入层4及介电层5的外缘上。在该情况下，能够改善第一端面3a及第二端面3b上的散热性。脊部30的各侧面30b也可以与中心线cl平行延伸。金属层61也可以含有互相分离的多个部分而被构成。例如，第一部分41上的金属层61也可以与第二部分42上的金属层61分离设置。
[0121]
另外，也可以不设置镀层62而只由金属层61构成第一电极6。在该情况下，导线8也可以连接至金属层61中第一侧s1的表面。在上述实施方式中，第二部分42的内侧部分42b从介电层5露出，金属层61与内侧部分42b接触，但第二部分42的一部分从介电层5露出，金属层61在该一部分上与第二部分42接触即可。在上述实施方式中，镀层62的一部分的表面62a位于比脊部30的顶面30a更靠第二侧s2的位置，镀层62的表面62a的全体也可以位于比顶面30a更靠第一侧s1的位置。例如，也可以通过电镀形成镀层62使得表面62a的全体位于比顶面30a更靠第一侧s1的位置之后，表面62a通过研磨进行平坦化。
[0122]
[符号的说明]
[0123]1……
量子级联激光器，2
……
半导体基板，6
……
第一电极，7
……
第二电极，16
……
单位层叠体，17、17b
……
发光层，18、18a
……
注入层，31
……
活性层，32
……
下部包覆层(第二包覆层)，33
……
上部包覆层(第一包覆层)，l
up1
……
第一发光上位能级，l
up2
……
第二发光上位能级，l
low1
……
第一发光下位能级(发光下位能级)，l
low2
……
第二发光下位能级(发光下位能级)，l
low3
……
第3发光下位能级(发光下位能级)。