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JP6327098B2 - Method for manufacturing a quantum cascade laser - Google Patents

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JP6327098B2 JP2014206369A JP2014206369A JP6327098B2 JP 6327098 B2 JP6327098 B2 JP 6327098B2 JP 2014206369 A JP2014206369 A JP 2014206369A JP 2014206369 A JP2014206369 A JP 2014206369A JP 6327098 B2 JP6327098 B2 JP 6327098B2
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Description

本発明は、量子カスケードレーザ、及び量子カスケードレーザを製造する方法に関する。   The present invention relates to a quantum cascade laser and a method of manufacturing a quantum cascade laser.

特許文献1は、埋め込みヘテロ構造を持つ量子カスケードレーザを開示する。また、非特許文献1は、半絶縁性InP層の電気特性について開示する。   Patent Document 1 discloses a quantum cascade laser having a buried heterostructure. Non-Patent Document 1 discloses electrical characteristics of a semi-insulating InP layer.

特開2008−218915号公報JP 2008-218915 A

O. Ostinelli etal.,“Growth and characterization of iron-dopedsemi-insulating InP buffer layers for Al-free GaInP/GaInAs high electronmobility transistors”, Journal of Applied Physics, USA,American Institute of Physics, December 2010, Vol.108, p.114502.O. Ostinelli etal., “Growth and characterization of iron-dopedsemi-insulating InP buffer layers for Al-free GaInP / GaInAs high electronmobility transistors”, Journal of Applied Physics, USA, American Institute of Physics, December 2010, Vol.108, p.114502.

埋め込みヘテロ構造の量子カスケードレーザにおいて、半絶縁性InP層は、半導体メサの埋込領域として用いられている。量子カスケードレーザは、通信用の半導体レーザと異なり、埋込領域に高い耐電圧性を求める。埋込領域の耐電圧性を向上させるために、埋込領域が厚くなっている。ただし、埋込領域の厚みに合わせて半導体メサも高くすると、半導体メサのエッチング時に、半導体メサにサイドエッチが生じて、メサ幅が不均一となる。   In a buried heterostructure quantum cascade laser, a semi-insulating InP layer is used as a buried region of a semiconductor mesa. Unlike the semiconductor laser for communication, the quantum cascade laser requires high voltage resistance in the buried region. In order to improve the voltage resistance of the buried region, the buried region is thickened. However, if the semiconductor mesa is also increased in accordance with the thickness of the buried region, side etching occurs in the semiconductor mesa when the semiconductor mesa is etched, and the mesa width becomes non-uniform.

本発明の一側面は、半導体メサの高さを低くできるとともに、埋込領域の厚みを増大できる構造を有する量子カスケードレーザを提供することを目的とする。本発明の別の側面は、この量子カスケードレーザを製造する方法を提供することを目的とする。   An object of one aspect of the present invention is to provide a quantum cascade laser having a structure capable of reducing the height of a semiconductor mesa and increasing the thickness of a buried region. Another aspect of the present invention aims to provide a method of manufacturing this quantum cascade laser.

本発明の一側面に係る量子カスケードレーザは、基板の主面上に設けられ、量子カスケードレーザのための活性層を含む半導体メサと、基板の主面上に設けられ、基板の主面の法線方向に順に配列された第1部分及び第2部分を含む埋込領域と、半導体メサの上面に接触を成し、埋込領域上に設けられた導体領域と、を備え、第1部分は、半導体メサを埋め込み、第2部分は、開口を有し、半導体メサ及び開口は、基板の主面の法線方向に順に配列され、導体領域は、開口に位置し、第2部分の上端における開口の第1幅は、第2部分の下端における開口の第2幅より大きく、開口の幅は、第1幅から第2幅に単調に変化し、導体領域は、金属又は半導体からなる。   A quantum cascade laser according to one aspect of the present invention is provided on a main surface of a substrate and includes a semiconductor mesa including an active layer for the quantum cascade laser, and a method of the main surface of the substrate provided on the main surface of the substrate. A buried region including a first portion and a second portion arranged in order in a line direction; and a conductor region provided on the buried region in contact with the upper surface of the semiconductor mesa. The semiconductor mesa is embedded, the second part has an opening, the semiconductor mesa and the opening are arranged in order in the normal direction of the main surface of the substrate, the conductor region is located at the opening, and at the upper end of the second part The first width of the opening is larger than the second width of the opening at the lower end of the second portion, the width of the opening monotonously changes from the first width to the second width, and the conductor region is made of metal or semiconductor.

本発明の別の側面に係る量子カスケードレーザを製造する方法は、量子カスケードレーザのための活性層を含む半導体積層を基板の主面上に成長する工程と、半導体積層の上にマスクを形成する工程と、マスクを用いた反応性イオンエッチング法によって、半導体積層から半導体メサを形成する工程と、半導体原料ガス及びハロゲン系ガスを成長炉に供給しながら、半導体メサを埋め込む下部埋込領域を成長すると共に下部埋込領域の上に上部埋込領域を形成して、半導体メサ上に開口を有する埋込領域を主面上に成長する工程と、埋込領域を成長した後に、マスクを除去して開口に半導体メサの上面を露出させる工程と、マスクを除去した後に、半導体及び金属の少なくとも一つを含む導体領域を埋込領域の開口に形成する工程と、を備え、半導体メサを埋め込む第1部分の厚みは、半導体メサの上面までの高さとほぼ同じであり、導体領域は、半導体メサの上面に接触する。   A method of manufacturing a quantum cascade laser according to another aspect of the present invention includes a step of growing a semiconductor stack including an active layer for a quantum cascade laser on a main surface of a substrate, and forming a mask on the semiconductor stack. A step of forming a semiconductor mesa from the semiconductor stack by a reactive ion etching method using a mask, and growing a lower buried region in which the semiconductor mesa is embedded while supplying a semiconductor source gas and a halogen-based gas to the growth reactor And forming an upper buried region on the lower buried region and growing a buried region having an opening on the semiconductor mesa on the main surface, and removing the mask after growing the buried region. And exposing the upper surface of the semiconductor mesa to the opening, and forming a conductor region including at least one of a semiconductor and a metal in the opening of the buried region after removing the mask. The first portion of the thickness of embedding semiconductor mesa is substantially the same as the height of the upper surface of the semiconductor mesa, the conductor region is in contact with the upper surface of the semiconductor mesa.

本発明の一側面によれば、本発明の一側面は、半導体メサの高さを低くできるとともに、埋込領域の厚みを増大できる構造を有する量子カスケードレーザを提供することができる。本発明の別の側面は、この量子カスケードレーザを製造する方法を提供することができる。   According to one aspect of the present invention, one aspect of the present invention can provide a quantum cascade laser having a structure capable of reducing the height of a semiconductor mesa and increasing the thickness of a buried region. Another aspect of the present invention can provide a method of manufacturing this quantum cascade laser.

本発明の第1実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示した断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a quantum cascade laser according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る量子カスケードレーザを製造する方法を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the method of manufacturing the quantum cascade laser which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る図2に示す方法の主要な工程における生産物を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the product in the main processes of the method shown in FIG. 2 which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る図2に示す方法の主要な工程における生産物を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the product in the main processes of the method shown in FIG. 2 which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の実施例に係る基板上の半導体積層の主面上に形成されたマスクの形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the mask formed on the main surface of the semiconductor lamination on the board | substrate which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るハロゲン系ガスを添加しないで半導体メサを埋め込むように成長された埋込領域の断面を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross section of the embedding area | region grown so that a semiconductor mesa might be embedded, without adding the halogen-type gas which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る埋込領域の耐電圧と埋込領域の厚みとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the withstand voltage of the buried region which concerns on the Example of this invention, and the thickness of a buried region. 本発明の第2実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed schematically the quantum cascade laser which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る量子カスケードレーザを製造する方法を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the method of manufacturing the quantum cascade laser which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る図9に示す方法の主要な工程における生産物を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the product in the main processes of the method shown in FIG. 9 which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed roughly the quantum cascade laser which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る量子カスケードレーザを製造する方法を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the method of manufacturing the quantum cascade laser which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る図12に示す方法の主要な工程における生産物を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the product in the main processes of the method shown in FIG. 12 which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る量子カスケードレーザとともに、比較例に係る量子カスケードレーザを概略的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed schematically the quantum cascade laser which concerns on a comparative example with the quantum cascade laser which concerns on 1st Embodiment of this invention.

本発明の一側面に係る量子カスケードレーザは、基板の主面上に設けられ、量子カスケードレーザのための活性層を含む半導体メサと、基板の主面上に設けられ、基板の主面の法線方向に順に配列された第1部分及び第2部分を含む埋込領域と、半導体メサの上面に接触を成し、埋込領域上に設けられた導体領域と、を備え、第1部分は、半導体メサを埋め込み、第2部分は、開口を有し、半導体メサ及び開口は、基板の主面の法線方向に順に配列され、導体領域は、開口に位置し、第2部分の上端における開口の第1幅は、第2部分の下端における開口の第2幅より大きく、開口の幅は、第1幅から第2幅に単調に変化し、導体領域は、金属又は半導体からなる。   A quantum cascade laser according to one aspect of the present invention is provided on a main surface of a substrate and includes a semiconductor mesa including an active layer for the quantum cascade laser, and a method of the main surface of the substrate provided on the main surface of the substrate. A buried region including a first portion and a second portion arranged in order in a line direction; and a conductor region provided on the buried region in contact with the upper surface of the semiconductor mesa. The semiconductor mesa is embedded, the second part has an opening, the semiconductor mesa and the opening are arranged in order in the normal direction of the main surface of the substrate, the conductor region is located at the opening, and at the upper end of the second part The first width of the opening is larger than the second width of the opening at the lower end of the second portion, the width of the opening monotonously changes from the first width to the second width, and the conductor region is made of metal or semiconductor.

この量子カスケードレーザによれば、埋込領域では、第1部分の上に第2部分が設けられ、この第2部分は、埋込領域の厚みが半導体メサの高さを超えるように設けられることができる。このため、量子カスケードレーザにおいては、メサ幅の均一性が得られるように半導体メサの高さを抑えた上で、耐電圧性に必要な厚さの埋込領域を有する構造を提供できる。また、第2部分の上端における開口の第1幅は、第2部分の下端における開口の第2幅より大きく、開口の幅は、第1幅から第2幅に単調に変化するので、開口は導体領域で満たされ、この導体領域を介して良好な放熱性能を提供できる。   According to this quantum cascade laser, in the buried region, the second portion is provided on the first portion, and the second portion is provided so that the thickness of the buried region exceeds the height of the semiconductor mesa. Can do. For this reason, the quantum cascade laser can provide a structure having a buried region with a thickness necessary for withstand voltage while suppressing the height of the semiconductor mesa so that the mesa width can be uniform. Further, the first width of the opening at the upper end of the second portion is larger than the second width of the opening at the lower end of the second portion, and the width of the opening changes monotonously from the first width to the second width. It is filled with a conductor region, and good heat dissipation performance can be provided through this conductor region.

上記の量子カスケードレーザでは、半導体メサは、活性層の上または下に回折格子を含むことが好ましい。この量子カスケードレーザによれば、単色性に優れ単一縦モードで発振することができる。   In the above quantum cascade laser, the semiconductor mesa preferably includes a diffraction grating above or below the active layer. According to this quantum cascade laser, it is excellent in monochromaticity and can oscillate in a single longitudinal mode.

上記の量子カスケードレーザでは、基板の主面から埋込領域の第1部分の上面までの高さが、基板の主面から半導体メサの上面までの高さとほぼ同じであってもよい。   In the above quantum cascade laser, the height from the main surface of the substrate to the upper surface of the first portion of the buried region may be substantially the same as the height from the main surface of the substrate to the upper surface of the semiconductor mesa.

上記の量子カスケードレーザでは、導体領域はIII−V族化合物半導体を含むことが好ましい。この量子カスケードレーザによれば、半導体メサが、III−V族化合物半導体を含む導体領域を介して、上部電極に電気的に接続される。   In the above quantum cascade laser, the conductor region preferably includes a III-V group compound semiconductor. According to this quantum cascade laser, the semiconductor mesa is electrically connected to the upper electrode through the conductor region containing the III-V group compound semiconductor.

上記の量子カスケードレーザでは、導体領域はTi、Pt及びAuを含むことが好ましい。この量子カスケードレーザによれば、Ti、Pt及びAuを含む導体領域が、半導体メサと上部電極とを電気的に接続する。また、この導体領域は、より良好な放熱性能を提供する。   In the above quantum cascade laser, the conductor region preferably contains Ti, Pt, and Au. According to this quantum cascade laser, the conductor region containing Ti, Pt, and Au electrically connects the semiconductor mesa and the upper electrode. In addition, this conductor region provides better heat dissipation performance.

上記の量子カスケードレーザでは、埋込領域の第1部分と第2部分との間に、中間開口を有する中間部分を更に有し、中間開口の幅が、半導体メサの幅とほぼ同じであってもよい。   The quantum cascade laser further includes an intermediate portion having an intermediate opening between the first portion and the second portion of the buried region, and the width of the intermediate opening is substantially the same as the width of the semiconductor mesa. Also good.

本発明の別の側面に係る量子カスケードレーザを製造する方法は、量子カスケードレーザのための活性層を含む半導体積層を基板の主面上に成長する工程と、半導体積層の上にマスクを形成する工程と、マスクを用いた反応性イオンエッチング法によって、半導体積層から半導体メサを形成する工程と、半導体原料ガス及びハロゲン系ガスを成長炉に供給しながら、半導体メサを埋め込む下部埋込領域を成長すると共に下部埋込領域の上に上部埋込領域を形成して、半導体メサ上に開口を有する埋込領域を主面上に成長する工程と、埋込領域を成長した後に、マスクを除去して開口に半導体メサの上面を露出させる工程と、マスクを除去した後に、半導体及び金属の少なくとも一つを含む導体領域を埋込領域の開口に形成する工程と、を備え、半導体メサを埋め込む第1部分の厚みは、半導体メサの上面までの高さとほぼ同じであり、導体領域は、半導体メサの上面に接触する。   A method of manufacturing a quantum cascade laser according to another aspect of the present invention includes a step of growing a semiconductor stack including an active layer for a quantum cascade laser on a main surface of a substrate, and forming a mask on the semiconductor stack. A step of forming a semiconductor mesa from the semiconductor stack by a reactive ion etching method using a mask, and growing a lower buried region in which the semiconductor mesa is embedded while supplying a semiconductor source gas and a halogen-based gas to the growth reactor And forming an upper buried region on the lower buried region and growing a buried region having an opening on the semiconductor mesa on the main surface, and removing the mask after growing the buried region. And exposing the upper surface of the semiconductor mesa to the opening, and forming a conductor region including at least one of a semiconductor and a metal in the opening of the buried region after removing the mask. The first portion of the thickness of embedding semiconductor mesa is substantially the same as the height of the upper surface of the semiconductor mesa, the conductor region is in contact with the upper surface of the semiconductor mesa.

この量子カスケードレーザを製造する方法によれば、半導体原料ガス及びハロゲン系ガスが成長炉に供給されて埋込領域を成長する。これ故に、半導体メサの上部の縁付近における異常成長を抑制しながら、半導体メサの高さよりも厚い埋込領域が成長される。さらに、開口によって、半導体メサと導体領域とが良好に電気的に結合される。   According to the method for manufacturing the quantum cascade laser, the semiconductor source gas and the halogen-based gas are supplied to the growth furnace to grow the buried region. Therefore, a buried region thicker than the height of the semiconductor mesa is grown while suppressing abnormal growth in the vicinity of the upper edge of the semiconductor mesa. Furthermore, the semiconductor mesa and the conductor region are electrically coupled well by the opening.

いくつかの実施形態に係る量子カスケードレーザ及び量子カスケードレーザを製造する方法を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付する。   A quantum cascade laser and a method of manufacturing the quantum cascade laser according to some embodiments will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings.

(第1の実施の形態)
図1は、第1実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示した断面図である。図1では、量子カスケードレーザとして、埋め込みヘテロ構造(BH)型の量子カスケードレーザが示される。量子カスケードレーザ1は、基板10、半導体メサ20、埋込領域30、及び導体領域40を備える。本実施形態において、導体領域40は上部クラッド41及びコンタクト層42を含む。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a quantum cascade laser according to the first embodiment. In FIG. 1, a buried heterostructure (BH) type quantum cascade laser is shown as the quantum cascade laser. The quantum cascade laser 1 includes a substrate 10, a semiconductor mesa 20, a buried region 30, and a conductor region 40. In the present embodiment, the conductor region 40 includes an upper clad 41 and a contact layer 42.

基板10は、III−V族化合物半導体からなり、このIII−V族化合物半導体は、例えばInP、GaAs、GaSb、及びInSbなどであることができる。基板10には、n型ドーパントとしてSnなどがドープされている。基板10の厚みは、例えば100μmである。第1実施形態の半導体メサ20は、メサ上面20Aを有し、また、基板10の一部10Pを含むことができる。半導体メサ20では、量子カスケードレーザのための活性層12と、クラッド層13とが、半導体メサ20の高さ20H(基板10の一部10Pの上に順に配列される。基板10の上面10Aから半導体メサ20のメサ上面20Aまでの距離)は、例えば2μm〜4μmである。本実施例では、半導体メサ20の高さ20Hは、4μmである。半導体メサ20のメサ幅20Wは、例えば3μm〜10μmである。半導体メサ20は、例えば基板10のIII−V族半導体の<011>方向に沿って延在する。半導体メサ20は、基板10の主面上に設けられ、この主面は、例えば(100)面を有する。   The substrate 10 is made of a group III-V compound semiconductor, and the group III-V compound semiconductor can be, for example, InP, GaAs, GaSb, InSb, or the like. The substrate 10 is doped with Sn or the like as an n-type dopant. The thickness of the substrate 10 is, for example, 100 μm. The semiconductor mesa 20 of the first embodiment has a mesa upper surface 20A and can include a part 10P of the substrate 10. In the semiconductor mesa 20, the active layer 12 for the quantum cascade laser and the cladding layer 13 are arranged in order on the height 20H of the semiconductor mesa 20 (part 10P of the substrate 10. From the upper surface 10A of the substrate 10). The distance to the mesa upper surface 20A of the semiconductor mesa 20 is, for example, 2 μm to 4 μm. In the present embodiment, the height 20H of the semiconductor mesa 20 is 4 μm. The mesa width 20W of the semiconductor mesa 20 is, for example, 3 μm to 10 μm. The semiconductor mesa 20 extends, for example, along the <011> direction of the III-V group semiconductor of the substrate 10. The semiconductor mesa 20 is provided on the main surface of the substrate 10, and this main surface has, for example, a (100) surface.

量子カスケードレーザ1では、半導体メサ20が、埋込領域30によって埋め込まれている。埋込領域30の表面は、上面30A、第1斜面30C、及び第2斜面30Dによって構成される。第1斜面30C及び第2斜面30Dは、上面30Aに対して傾斜している。埋込領域30の厚み30H(基板10の上面10Aから埋込領域30の上面30Aまでの距離)は、半導体メサ20の高さ20Hに比べて高く、例えば5μm〜10μmである。本実施例では、埋込領域30の厚み30Hは、8μmである。埋込領域30の上面30Aには、例えば(100)面が現れる。埋込領域30は、第1斜面30C及び第2斜面30Dに、例えば(1−11B)面が現れる。埋込領域30は、基板10の主面の法線方向に順に配列された第1部分31、第2部分32、及び中間部分33を有する。第1部分31は、基板10の主面に至る第1開口34を有し、第2部分32は、第1開口34に繋がる第2開口(開口)35を有している。中間部分33は、第1部分31と第2部分32との間に位置し、中間開口36を有する。第1開口34は、中間開口36を介して、第2開口35に接続している。中間開口36は、前記第1開口34の幅(半導体メサ20の上面の幅)とほぼ同じ幅を有することができる。半導体メサ20は、第1開口34に位置し、導体領域40の上部クラッド41は、第2開口35に位置する。第1開口34、中間開口36、及び第2開口35は、基板10の主面の法線方向Nxに延在する。   In the quantum cascade laser 1, the semiconductor mesa 20 is embedded by the embedded region 30. The surface of the buried region 30 is constituted by an upper surface 30A, a first inclined surface 30C, and a second inclined surface 30D. The first inclined surface 30C and the second inclined surface 30D are inclined with respect to the upper surface 30A. The thickness 30H of the buried region 30 (distance from the upper surface 10A of the substrate 10 to the upper surface 30A of the buried region 30) is higher than the height 20H of the semiconductor mesa 20, for example, 5 μm to 10 μm. In this embodiment, the thickness 30H of the buried region 30 is 8 μm. For example, a (100) plane appears on the upper surface 30A of the buried region 30. In the buried region 30, for example, a (1-11B) plane appears on the first slope 30C and the second slope 30D. The buried region 30 includes a first portion 31, a second portion 32, and an intermediate portion 33 that are sequentially arranged in the normal direction of the main surface of the substrate 10. The first portion 31 has a first opening 34 reaching the main surface of the substrate 10, and the second portion 32 has a second opening (opening) 35 connected to the first opening 34. The intermediate portion 33 is located between the first portion 31 and the second portion 32 and has an intermediate opening 36. The first opening 34 is connected to the second opening 35 via the intermediate opening 36. The intermediate opening 36 may have substantially the same width as the width of the first opening 34 (the width of the upper surface of the semiconductor mesa 20). The semiconductor mesa 20 is located in the first opening 34, and the upper cladding 41 of the conductor region 40 is located in the second opening 35. The first opening 34, the intermediate opening 36, and the second opening 35 extend in the normal direction Nx of the main surface of the substrate 10.

第2開口35の上端35Aにおける第1幅W1は、第2開口35の下端35Bにおける第2幅W2より大きく、第2開口35の幅は、第1幅W1から第2幅W2に単調に変化している。本実施例では、第2開口35は、主面の法線方向Nxに徐々に拡大している。第1斜面30C及び第2斜面30Dは、第2開口35を規定するように導波路方向に延在する。第2開口35の幅は、半導体メサ20の延在方向Ax1と基板10の主面の法線方向Nxとに直交する方向に規定される。   The first width W1 at the upper end 35A of the second opening 35 is larger than the second width W2 at the lower end 35B of the second opening 35, and the width of the second opening 35 monotonously changes from the first width W1 to the second width W2. doing. In the present embodiment, the second opening 35 gradually expands in the normal direction Nx of the main surface. The first inclined surface 30 </ b> C and the second inclined surface 30 </ b> D extend in the waveguide direction so as to define the second opening 35. The width of the second opening 35 is defined in a direction orthogonal to the extending direction Ax1 of the semiconductor mesa 20 and the normal direction Nx of the main surface of the substrate 10.

第1実施形態の量子カスケードレーザ1によれば、埋込領域30では、第1部分31の上に第2部分32が設けられ、この第2部分32は、埋込領域30の厚みが半導体メサ20の高さ20Hを超えるように設けられることができる。このため、量子カスケードレーザ1においては、メサ幅20Wの均一性が得られるように半導体メサ20の高さ20Hを抑えた上で、耐電圧性に必要な厚さの埋込領域30を有する構造を提供できる。また、第2開口35の上端35Aにおける第1幅W1は、第2開口35の下端35Bにおける第2幅W2より大きく、第2開口35の幅は、第1幅W1から第2幅W2に単調に変化するので、第2開口35は導体領域40で満たされ、この導体領域40を介して良好な放熱性能を提供できる。   According to the quantum cascade laser 1 of the first embodiment, in the embedded region 30, the second portion 32 is provided on the first portion 31, and the thickness of the embedded region 30 is the semiconductor mesa. It can be provided to exceed the height 20H of 20. For this reason, the quantum cascade laser 1 has a structure having the buried region 30 having a thickness necessary for withstand voltage while suppressing the height 20H of the semiconductor mesa 20 so as to obtain the uniformity of the mesa width 20W. Can provide. The first width W1 at the upper end 35A of the second opening 35 is larger than the second width W2 at the lower end 35B of the second opening 35, and the width of the second opening 35 is monotonous from the first width W1 to the second width W2. Therefore, the second opening 35 is filled with the conductor region 40, and good heat dissipation performance can be provided through the conductor region 40.

埋込領域30は、例えば、半絶縁性III−V族化合物からなり、より具体的には、例えば半絶縁性のInPなどからなることができる。半絶縁性のInPは、例えばFeといったドーパントを含み、このFeドーピングのための原料には、例えばフェロセンが用いられる。InPの原料としては、例えば、III族原料のトリメチルインジウム、及びV族原料のホスフィンなどが用いられる。   The buried region 30 is made of, for example, a semi-insulating III-V group compound, and more specifically, can be made of, for example, semi-insulating InP. Semi-insulating InP includes a dopant such as Fe, and ferrocene is used as a raw material for the Fe doping. As the InP raw material, for example, a group III raw material trimethylindium and a group V raw material phosphine are used.

半導体メサ20において、活性層12は、超格子構造を有し、超格子構造は、例えばInGaAsとAlInAsとを含む。活性層12は、例えば発光部と注入部とからなる数100層の積層構造を有している。活性層12の厚みは、例えば2μmである。クラッド層13は、III−V族化合物半導体からなり、例えばInPを備える。クラッド層13は、例えばSiといったドーパントを備え、n型のInPからなることができる。クラッド層13の厚みは、例えば500nmである。基板10の一部10Pの厚みは、例えば500nmである。   In the semiconductor mesa 20, the active layer 12 has a superlattice structure, and the superlattice structure includes, for example, InGaAs and AlInAs. The active layer 12 has a laminated structure of several hundred layers including, for example, a light emitting part and an injection part. The thickness of the active layer 12 is 2 μm, for example. The clad layer 13 is made of a III-V group compound semiconductor and includes, for example, InP. The clad layer 13 includes a dopant such as Si, and can be made of n-type InP. The thickness of the cladding layer 13 is, for example, 500 nm. The thickness of the part 10P of the substrate 10 is, for example, 500 nm.

クラッド層13及び埋込領域30の上には、導体領域40の上部クラッド41が設けられる。導体領域40は、第2開口35において、導波路方向に延在する。上部クラッド41は、例えば、III−V族化合物半導体からなる。上部クラッド41は、例えばSiといったドーパントを備え、n型のInPからなることができる。上部クラッド41の厚みのうち、上部クラッド41の上面41Aから埋込領域30の上面30Aまでの厚み41Dは、例えば1μmである。また、上部クラッド41の上面41Aから半導体メサ20のメサ上面20Aまでの厚み41Hは、例えば2μm〜7μmである。上部クラッド41は、第2開口35に収容される。また、本実施例では、上部クラッド41の上に、導体領域40のコンタクト層42が設けられる。コンタクト層42は、例えば、III−V族化合物半導体からなり、例えばInGaAsを備える。コンタクト層42は、例えばSiといったドーパントを備え、n型のInGaAsからなることができる。コンタクト層42の厚みは、例えば500nmである。   An upper cladding 41 of the conductor region 40 is provided on the cladding layer 13 and the buried region 30. The conductor region 40 extends in the waveguide direction at the second opening 35. The upper clad 41 is made of, for example, a III-V compound semiconductor. The upper clad 41 includes a dopant such as Si, and can be made of n-type InP. Of the thickness of the upper clad 41, the thickness 41D from the upper surface 41A of the upper clad 41 to the upper surface 30A of the buried region 30 is, for example, 1 μm. A thickness 41H from the upper surface 41A of the upper cladding 41 to the mesa upper surface 20A of the semiconductor mesa 20 is, for example, 2 μm to 7 μm. The upper clad 41 is accommodated in the second opening 35. In this embodiment, the contact layer 42 of the conductor region 40 is provided on the upper clad 41. The contact layer 42 is made of, for example, a III-V compound semiconductor and includes, for example, InGaAs. The contact layer 42 includes a dopant such as Si, and can be made of n-type InGaAs. The contact layer 42 has a thickness of, for example, 500 nm.

コンタクト層42の上には、パッシベーション膜43が設けられている。パッシベーション膜43は、例えばSiN又はSiONといったSi系無機絶縁層などからなる。パッシベーション膜43の厚みは、例えば300nmである。パッシベーション膜43には、開口部44が設けられている。開口部44は、半導体メサ20の上に位置する。   A passivation film 43 is provided on the contact layer 42. The passivation film 43 is made of, for example, a Si-based inorganic insulating layer such as SiN or SiON. The thickness of the passivation film 43 is, for example, 300 nm. An opening 44 is provided in the passivation film 43. The opening 44 is located on the semiconductor mesa 20.

量子カスケードレーザ1には、上部電極45が形成されている。上部電極45は、例えば金属膜からなり、また、この金属膜は、例えばTi、Pt及びAuからなる積層構造を有する。上部電極45の上面45Aからパッシベーション膜43の上面42Aまでの厚み45Dは、例えば5μmである。上部電極45は、パッド電極45Eを有する。量子カスケードレーザ1では、基板10の裏面10Bに、下部電極46が設けられている。下部電極46は、例えばAuGeNi、Ti及びAuからなる。下部電極46は、例えば蒸着法で形成されることができる。下部電極46の厚みは、例えば1μmである。   An upper electrode 45 is formed in the quantum cascade laser 1. The upper electrode 45 is made of, for example, a metal film, and the metal film has a laminated structure made of, for example, Ti, Pt, and Au. A thickness 45D from the upper surface 45A of the upper electrode 45 to the upper surface 42A of the passivation film 43 is, for example, 5 μm. The upper electrode 45 has a pad electrode 45E. In the quantum cascade laser 1, the lower electrode 46 is provided on the back surface 10 </ b> B of the substrate 10. The lower electrode 46 is made of, for example, AuGeNi, Ti, and Au. The lower electrode 46 can be formed by, for example, a vapor deposition method. The thickness of the lower electrode 46 is, for example, 1 μm.

図2は、第1実施形態に係る量子カスケードレーザを製造する方法を示す流れ図である。図3及び図4は、図2に示す方法M1の主要な工程における生産物を示す断面図である。引き続いて、量子カスケードレーザとして、図1に示された量子カスケードレーザ1の製造を説明する。この説明において、理解を容易にするために、可能な場合には、図1に示された量子カスケードレーザ1の構成物の参照符号を用いる。   FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing the quantum cascade laser according to the first embodiment. 3 and 4 are cross-sectional views showing products in main steps of the method M1 shown in FIG. Subsequently, the manufacture of the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1 as a quantum cascade laser will be described. In this description, for ease of understanding, reference numerals of the components of the quantum cascade laser 1 shown in FIG. 1 are used where possible.

初めに、例えばInPウェハを基板10として用意する。工程S1では、基板10上に半導体積層11の成長が行われる。図3の(a)部に示されるように、工程S1では、基板10の面方位(100)の主面上に、半導体積層11がエピタキシャル成長される。この成長において、工程S1aでは、基板10の主面上に活性層12が成長される。引き続く説明において、半導体層の結晶成長には、例えば分子線エピタキシー(MBE)法又は有機金属気相成長(MOCVD)法などが適用できる。工程S1bでは、活性層12の上に、クラッド層13が成長される。工程S1cでは、クラッド層13の上に、キャップ層14が成長される。キャップ層14は、例えばSiがドープされたn型のInGaAsを含む。キャップ層14の厚みは、例えば10nmである。本実施例では、活性層12、クラッド層13、及びキャップ層14が、半導体積層11を構成する。   First, for example, an InP wafer is prepared as the substrate 10. In step S <b> 1, the semiconductor stack 11 is grown on the substrate 10. As shown in part (a) of FIG. 3, in step S <b> 1, the semiconductor stack 11 is epitaxially grown on the main surface in the plane orientation (100) of the substrate 10. In this growth, the active layer 12 is grown on the main surface of the substrate 10 in step S1a. In the following description, for example, molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) can be applied to crystal growth of the semiconductor layer. In step S1b, the cladding layer 13 is grown on the active layer 12. In step S <b> 1 c, the cap layer 14 is grown on the cladding layer 13. The cap layer 14 includes, for example, n-type InGaAs doped with Si. The thickness of the cap layer 14 is 10 nm, for example. In this embodiment, the active layer 12, the clad layer 13, and the cap layer 14 constitute the semiconductor stack 11.

工程S2では、図3の(b)部に示されるように、半導体積層11上に半導体メサ20の形成のためのマスク21が形成される。マスク21は、例えばSi系無機絶縁層を備え、より具体的には、例えばSiN膜、SiON、及びSiOなどからなる。本実施例では、マスク21にはSiN膜が用いられ、このSiN膜は、例えばプラズマCVD法によって形成される。SiN膜の厚みは、例えば500nmである。 In step S <b> 2, as shown in FIG. 3B, a mask 21 for forming the semiconductor mesa 20 is formed on the semiconductor stack 11. The mask 21 includes, for example, a Si-based inorganic insulating layer, and more specifically includes, for example, a SiN film, SiON, and SiO 2 . In this embodiment, a SiN film is used for the mask 21, and this SiN film is formed by, for example, a plasma CVD method. The thickness of the SiN film is, for example, 500 nm.

図5は、基板上の半導体積層の主面上に形成されたマスクの形状を示す図である。図中、X方向は<011>軸を表し、Y方向は<0−1−1>軸を表す。マスク21は、例えばストライプ状パターン21Pを有する。このストライプ状パターン21Pは、例えば、フォトリソグラフィ法などによって転写されて、例えば基板10の面方位(0−1−1)に垂直なX方向に延在する。ストライプ状パターン21Pは、例えば、5μmのライン幅21Wを有する。   FIG. 5 is a diagram showing the shape of a mask formed on the main surface of the semiconductor stack on the substrate. In the figure, the X direction represents the <011> axis, and the Y direction represents the <0-1-1> axis. The mask 21 has, for example, a stripe pattern 21P. The stripe pattern 21P is transferred by, for example, photolithography, and extends in the X direction perpendicular to the plane orientation (0-1-1) of the substrate 10, for example. The stripe pattern 21P has a line width 21W of 5 μm, for example.

工程S3では、図3の(c)部に示されるように、例えば誘導結合型反応性イオンエッチング(ICP−RIE)装置を用いたエッチングによって、半導体積層11をエッチングして半導体メサ20を形成する。エッチングのためのエッチングガスとしては、例えばCl,SiCl,HI,HCl,BClなどのハロゲンガスが用いられる。半導体メサ20の形成においては、半導体積層11だけでなく、基板10の上面10Aもエッチングされるので、半導体メサ20は、基板10の一部、活性層12、クラッド層13、及びキャップ層14を有する。 In step S3, as shown in part (c) of FIG. 3, the semiconductor stack 11 is etched to form the semiconductor mesa 20 by, for example, etching using an inductively coupled reactive ion etching (ICP-RIE) apparatus. . As an etching gas for etching, for example, a halogen gas such as Cl 2 , SiCl 4 , HI, HCl, BCl 3 is used. In forming the semiconductor mesa 20, not only the semiconductor stack 11 but also the upper surface 10 </ b> A of the substrate 10 is etched, so that the semiconductor mesa 20 includes a part of the substrate 10, the active layer 12, the cladding layer 13, and the cap layer 14. Have.

工程S4では、図3の(d)部に示されるように、マスク21を除去することなく、埋込領域30が成長される。この埋込成長では、半導体原料ガスに加えて例えばハロゲン系ガスを成長炉に供給して埋込領域30を成長する。このハロゲン系ガスとしては、例えばCl及びHCl,CBrなどが用いられることができる。ハロゲン系ガスを添加しながらInPの埋込結晶成長を行うと、半導体メサ20のメサ上面20A上のマスク21上に開口を形成しながら半導体メサ20の高さより厚い埋込領域30を形成できる。また、ハロゲン系ガスの添加により、半導体メサ20の第1側面20C及び第2側面20Dに係る結晶成長において異常成長が抑制されて、マスク21上の開口と、埋込領域30の上面30Aに平坦な(100)面とを形成できる。また、ハロゲン系ガスの添加によって、マスク21の上にデポジションが形成されることなく、埋込領域30が、半導体メサ20の高さを超えて成長することが可能となる。ハロゲン系ガスの添加は、第1部分31を成長する時から始めてもよく、また、第1部分31の上に中間部分33成長する時、或いは、中間部分33を成長する時から始めてもよい。 In step S4, as shown in part (d) of FIG. 3, the buried region 30 is grown without removing the mask 21. In this buried growth, for example, a halogen-based gas is supplied to the growth furnace in addition to the semiconductor source gas to grow the buried region 30. As this halogen gas, for example, Cl 2, HCl, CBr 4 and the like can be used. When InP buried crystal growth is performed while adding a halogen-based gas, the buried region 30 thicker than the semiconductor mesa 20 can be formed while forming an opening on the mask 21 on the mesa upper surface 20A of the semiconductor mesa 20. Further, the addition of the halogen-based gas suppresses abnormal growth in the crystal growth related to the first side surface 20C and the second side surface 20D of the semiconductor mesa 20, and the opening on the mask 21 and the upper surface 30A of the buried region 30 are flat. (100) plane can be formed. Further, the addition of the halogen-based gas allows the buried region 30 to grow beyond the height of the semiconductor mesa 20 without forming a deposition on the mask 21. The addition of the halogen-based gas may be started when the first portion 31 is grown, or may be started when the intermediate portion 33 is grown on the first portion 31 or when the intermediate portion 33 is grown.

図6は、ハロゲン系ガスを添加しないで半導体メサを埋め込むように成長された埋込領域の断面を模式的に示す図である。ハロゲン系ガスが添加されないと、マスク21の上部にも埋込領域30Yが成長して、マスク21の上面が覆われる。この形状によれば、埋込領域30の厚みも半導体メサ20の高さを超えられない。実効的な埋込領域30Yの厚みは、例えば、半導体メサ20の高さと同程度である。   FIG. 6 is a diagram schematically showing a cross section of a buried region grown so as to bury a semiconductor mesa without adding a halogen-based gas. If the halogen-based gas is not added, the buried region 30Y grows also on the mask 21 and the upper surface of the mask 21 is covered. According to this shape, the thickness of the buried region 30 cannot exceed the height of the semiconductor mesa 20. The effective thickness of the buried region 30Y is, for example, about the same as the height of the semiconductor mesa 20.

工程S5では、図3の(e)部に示されるように、埋込領域30の成長の後に、マスク21及びキャップ層14が除去される。本実施例では、マスク21が、例えばフッ酸によって除去され、キャップ層14が、例えば、りん酸と過酸化水素水との混合液によって除去される。   In step S5, as shown in FIG. 3E, the mask 21 and the cap layer 14 are removed after the buried region 30 is grown. In this embodiment, the mask 21 is removed by, for example, hydrofluoric acid, and the cap layer 14 is removed by, for example, a mixed solution of phosphoric acid and hydrogen peroxide solution.

工程S6では、図3の(f)部に示されるように、導体領域40が成長される。クラッド層13及び埋込領域30の上に上部クラッド41が導体領域40として成長され、続いて、上部クラッド41の上にコンタクト層42が成長される。コンタクト層42は、例えばInGaAsなどであることができる。   In step S6, as shown in part (f) of FIG. 3, the conductor region 40 is grown. An upper cladding 41 is grown as a conductor region 40 on the cladding layer 13 and the buried region 30, and subsequently, a contact layer 42 is grown on the upper cladding 41. The contact layer 42 can be, for example, InGaAs.

工程S7では、図4の(a)部に示されるように、パッシベーション膜43が形成される。パッシベーション膜43は、例えばプラズマCVD法などを用いて、コンタクト層42の上に形成される。   In step S7, as shown in FIG. 4A, a passivation film 43 is formed. The passivation film 43 is formed on the contact layer 42 using, for example, a plasma CVD method.

工程S8では、図4の(b)部に示されるように、パッシベーション膜43に開口部44が形成される。開口部44は、半導体メサ20の上に位置する。例えばフォトリソグラフィ法を用いて形成されたマスクを用いて、パッシベーション膜43に開口部44が、例えばフッ酸溶液でのエッチングにより形成される。   In step S8, an opening 44 is formed in the passivation film 43 as shown in FIG. 4B. The opening 44 is located on the semiconductor mesa 20. For example, the opening 44 is formed in the passivation film 43 by etching using, for example, a hydrofluoric acid solution, using a mask formed by photolithography.

工程S9では、図4の(c)部に示されるように、開口部44が形成された後に、開口部44に上部電極45が形成される。上部電極45は、パッシベーション膜43の上にリフトオフにより形成される。具体的には、上部電極45のため金属膜が、例えば蒸着法により形成される。フォトリソグラフィ法によってパターンを有するリフトオフマスクが作製された後、マスクを除去すると、パッド電極45Eが形成される。   In step S9, as shown in part (c) of FIG. 4, after the opening 44 is formed, the upper electrode 45 is formed in the opening 44. The upper electrode 45 is formed on the passivation film 43 by lift-off. Specifically, a metal film for the upper electrode 45 is formed by, for example, a vapor deposition method. After a lift-off mask having a pattern is produced by photolithography, the pad electrode 45E is formed by removing the mask.

工程S10では、図4の(d)部に示されるように、基板10の裏面10Bが研磨される。研磨後の基板10の厚みは、例えば100μmである。研磨後の裏面10Bには、下部電極46が、例えば蒸着法によって形成され、これらの工程により、基板生成物が形成される。次いで、例えばヘキ開によって基板生成物が分離されて、レーザチップが形成される。工程S10によって、量子カスケードレーザ1が完成する。   In step S10, as shown in FIG. 4D, the back surface 10B of the substrate 10 is polished. The thickness of the substrate 10 after polishing is, for example, 100 μm. The lower electrode 46 is formed on the polished back surface 10B by, for example, vapor deposition, and a substrate product is formed by these steps. The substrate product is then separated, for example by cleaving, to form a laser chip. Through the step S10, the quantum cascade laser 1 is completed.

図7は、埋込領域の耐電圧と埋込領域の厚みとの関係を示す図である。埋込領域30は、FeドープInPからなる。このInPのドーパントの濃度は、1×1016cm−3である。図7では、埋込領域30の耐電圧は、埋込領域30の厚み30Hとともに増大し、例えば、厚み30Hが5μmのときには、埋込領域30は、約200Vの耐電圧性を有する。また、例えば、厚み30Hが8μmのときには、埋込領域30は、約450Vの耐電圧性を有する。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the withstand voltage of the buried region and the thickness of the buried region. The buried region 30 is made of Fe-doped InP. The concentration of the InP dopant is 1 × 10 16 cm −3 . In FIG. 7, the withstand voltage of the buried region 30 increases with the thickness 30H of the buried region 30. For example, when the thickness 30H is 5 μm, the buried region 30 has a withstand voltage of about 200V. For example, when the thickness 30H is 8 μm, the buried region 30 has a withstand voltage of about 450V.

本実施形態では、半導体メサ20が例えば4μmの低い高さを有する一方で、埋込領域30は、半導体メサ20の高さ20Hと独立して、例えば8μm又はそれ以上の厚みであることができる。半導体メサ20の高さ20Hが4μm程度であるとき、ウェハ面内に配列される多数の半導体メサ20における高さ20Hのエッチングばらつきは、例えば0.2μm以内である。一方、埋込領域30の厚み30Hは、半導体メサ20の高さ20Hより大きな値、例えば8μm又はそれ以上であるので、所望の耐電圧性を有する。さらに、埋込領域30の上面30Aには、InPの(100)面が現れるので、埋込領域30の上面30Aは、実質的に平坦であり、厚さの点だけでなく、この平坦さによっても、埋込領域30では電界の集中が低減されて絶縁破壊電圧が高くなる。   In the present embodiment, the semiconductor mesa 20 has a low height of, for example, 4 μm, while the buried region 30 can have a thickness of, for example, 8 μm or more independently of the height 20H of the semiconductor mesa 20. . When the height 20H of the semiconductor mesa 20 is about 4 μm, the etching variation of the height 20H in many semiconductor mesas 20 arranged in the wafer surface is, for example, within 0.2 μm. On the other hand, since the thickness 30H of the buried region 30 is a value larger than the height 20H of the semiconductor mesa 20, for example, 8 μm or more, it has a desired withstand voltage. Further, since the (100) plane of InP appears on the upper surface 30A of the buried region 30, the upper surface 30A of the buried region 30 is substantially flat, not only in terms of thickness, but also by this flatness. However, in the buried region 30, the concentration of the electric field is reduced and the dielectric breakdown voltage is increased.

第1実施形態の量子カスケードレーザを製造する方法M1によれば、半導体原料ガス及びハロゲン系ガスが成長炉に供給されて埋込領域30を成長する。これ故に、半導体メサ20の上部の縁付近における異常成長を抑制しながら、半導体メサ20の高さよりも厚い埋込領域30が成長される。さらに、第2開口35によって、半導体メサ20と導体領域40とが良好に電気的に結合される。   According to the method M1 for manufacturing the quantum cascade laser of the first embodiment, the semiconductor source gas and the halogen-based gas are supplied to the growth furnace to grow the buried region 30. Therefore, the buried region 30 that is thicker than the height of the semiconductor mesa 20 is grown while suppressing abnormal growth in the vicinity of the upper edge of the semiconductor mesa 20. Furthermore, the second opening 35 allows the semiconductor mesa 20 and the conductor region 40 to be electrically coupled well.

(第2の実施の形態)
図8は、第2実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示した断面図である。図8を参照すると、第1実施形態とは上部電極の形状の点において異なるBH型の量子カスケードレーザ2が示される。量子カスケードレーザ2は、基板10及び半導体メサ20を備える。基板10は、例えばSn添加の(100)主面を有するInPからなる。半導体メサ20は、基板10の主面上に設けられる。基板10の厚みは、例えば100μmである。第2実施形態の半導体メサ20は、その最下部に基板10の一部10Pを含み、この基板10の一部10Pの上に、活性層12、クラッド層13、及びキャップ層14を有する。半導体メサ20の高さ20Hは、例えば2μm〜4μmである。半導体メサ20のメサ幅20Wは、例えば3μm〜10μmである。半導体メサ20は、例えば基板10の面方位(0−1−1)に垂直な<011>方向に沿って設けられている。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a quantum cascade laser according to the second embodiment. Referring to FIG. 8, there is shown a BH type quantum cascade laser 2 that is different from the first embodiment in the shape of the upper electrode. The quantum cascade laser 2 includes a substrate 10 and a semiconductor mesa 20. The substrate 10 is made of, for example, InP having a (100) main surface to which Sn is added. The semiconductor mesa 20 is provided on the main surface of the substrate 10. The thickness of the substrate 10 is, for example, 100 μm. The semiconductor mesa 20 of the second embodiment includes a part 10P of the substrate 10 at the bottom thereof, and has an active layer 12, a cladding layer 13, and a cap layer 14 on the part 10P of the substrate 10. The height 20H of the semiconductor mesa 20 is, for example, 2 μm to 4 μm. The mesa width 20W of the semiconductor mesa 20 is, for example, 3 μm to 10 μm. The semiconductor mesa 20 is provided along the <011> direction perpendicular to the plane orientation (0-1-1) of the substrate 10, for example.

半導体メサ20は、第1実施形態と同様に、埋込領域30によって埋め込まれる。第1実施形態と同様に、埋込領域30の厚み30Hは、半導体メサ20の高さ20Hに比べて高くなっており、埋込領域30の上面30Aには、例えば(100)面が現れる。また、埋込領域30の第1斜面30C及び第2斜面30Dに、例えば(11−1)B面が現れる。埋込領域30は、基板10の主面の法線方向に順に配列された第1部分31及び第2部分32を有する。第2実施形態では、第1実施形態と異なり、キャップ層14、埋込領域30の平坦な上面30A、第1斜面30C及び第2斜面30Dの上に、パッシベーション膜43Lが設けられる。パッシベーション膜43Lは、例えばSiN又はSiONといったSi系無機絶縁層などからなる。パッシベーション膜43Lの厚みは、例えば300nmである。   The semiconductor mesa 20 is embedded by the embedded region 30 as in the first embodiment. Similar to the first embodiment, the thickness 30H of the buried region 30 is higher than the height 20H of the semiconductor mesa 20, and a (100) plane, for example, appears on the upper surface 30A of the buried region 30. Further, for example, the (11-1) B surface appears on the first inclined surface 30C and the second inclined surface 30D of the embedded region 30. The buried region 30 includes a first portion 31 and a second portion 32 that are sequentially arranged in the normal direction of the main surface of the substrate 10. In the second embodiment, unlike the first embodiment, a passivation film 43L is provided on the cap layer 14, the flat upper surface 30A of the buried region 30, the first inclined surface 30C, and the second inclined surface 30D. The passivation film 43L is made of, for example, a Si-based inorganic insulating layer such as SiN or SiON. The thickness of the passivation film 43L is, for example, 300 nm.

パッシベーション膜43Lには、半導体メサ20の上に開口部44Lが設けられ、パッシベーション膜43L及び開口部44Lを通してキャップ層14の上に、導体領域40としての上部電極45Lが設けられる。上部電極45Lは、例えば蒸着法により形成される金属膜を含み、例えばTi、Pt及びAuからなる積層構造を有する。第2実施形態の上部電極45Lの厚みのうち、上部電極45の上面45Aからキャップ層14までの厚み45Hは、例えば8μm〜11μmである。第2実施形態の上部電極45Lの厚みのうち、上部電極45の上面45Aからパッシベーション膜43Lの上面42Aまでの厚み45Dは、例えば5μmである。厚み45Hは、厚み45Dよりも大きな値を有する。上部電極45Lには、パッド電極45Eが形成される。基板10の裏面10Bに、例えばAuGeNi、Ti及びAuからなる下部電極46が設けられている。下部電極46は、例えば蒸着膜であることができる。下部電極46の厚みは、例えば1μmである。   In the passivation film 43L, an opening 44L is provided on the semiconductor mesa 20, and an upper electrode 45L as a conductor region 40 is provided on the cap layer 14 through the passivation film 43L and the opening 44L. The upper electrode 45L includes a metal film formed by, for example, a vapor deposition method, and has a laminated structure made of, for example, Ti, Pt, and Au. Of the thickness of the upper electrode 45L of the second embodiment, the thickness 45H from the upper surface 45A of the upper electrode 45 to the cap layer 14 is, for example, 8 μm to 11 μm. Of the thickness of the upper electrode 45L of the second embodiment, the thickness 45D from the upper surface 45A of the upper electrode 45 to the upper surface 42A of the passivation film 43L is, for example, 5 μm. The thickness 45H has a larger value than the thickness 45D. A pad electrode 45E is formed on the upper electrode 45L. A lower electrode 46 made of, for example, AuGeNi, Ti, and Au is provided on the back surface 10B of the substrate 10. The lower electrode 46 can be a deposited film, for example. The thickness of the lower electrode 46 is, for example, 1 μm.

図9は、第2実施形態に係る量子カスケードレーザを製造する方法を示す流れ図である。図10は、図9に示す方法M2の主要な工程における生産物を示す断面図である。量子カスケードレーザとして、別タイプの量子カスケードレーザ2が製造される。   FIG. 9 is a flowchart showing a method of manufacturing the quantum cascade laser according to the second embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view showing products in the main steps of the method M2 shown in FIG. Another type of quantum cascade laser 2 is manufactured as the quantum cascade laser.

第2実施形態では、初めに第1実施形態と同様の工程S1〜S4に従って、図3の(d)部までの生産物が得られる。続いて、第2実施形態では、工程S25において、図10の(a)部に示されるように、工程S4における埋込領域30の成長の後に、マスク21が、例えばフッ酸によって除去される。第2実施形態では、キャップ層14は除去されない。   In 2nd Embodiment, the product to the (d) part of FIG. 3 is obtained according to process S1-S4 similar to 1st Embodiment first. Subsequently, in the second embodiment, in step S25, as shown in part (a) of FIG. 10, after the growth of the buried region 30 in step S4, the mask 21 is removed by, for example, hydrofluoric acid. In the second embodiment, the cap layer 14 is not removed.

工程S26では、図10の(b)部に示されるように、パッシベーション膜43Lが形成される。パッシベーション膜43Lは、例えばプラズマCVD法などを用いて、キャップ層14及び埋込領域30の上に形成される。   In step S26, a passivation film 43L is formed as shown in part (b) of FIG. The passivation film 43L is formed on the cap layer 14 and the buried region 30 by using, for example, a plasma CVD method.

工程S27では、図10の(c)部に示されるように、パッシベーション膜43Lに開口部44Lが形成される。開口部44Lは、半導体メサ20の上に位置する。工程S27では、開口部44L用のマスクが、例えばフォトリソグラフィ法を用いて形成される。次に、マスクを用いたエッチングとフッ酸溶液でのエッチングとによって、開口部44L用のパターンに従って開口部44Lの形状が形成される。   In step S27, as shown in FIG. 10C, an opening 44L is formed in the passivation film 43L. The opening 44L is located on the semiconductor mesa 20. In step S27, a mask for the opening 44L is formed using, for example, a photolithography method. Next, the shape of the opening 44L is formed according to the pattern for the opening 44L by etching using a mask and etching with a hydrofluoric acid solution.

工程S28では、図10の(d)部に示されるように、開口部44Lが形成された後に、導体領域40の上部電極45Lが形成される。具体的には、パッシベーション膜43L及びキャップ層14の上に、上部電極45Lがリフトオフにより形成される。上部電極45L上には、パッド電極45Eが形成される。   In step S28, as shown in FIG. 10D, the upper electrode 45L of the conductor region 40 is formed after the opening 44L is formed. Specifically, the upper electrode 45L is formed on the passivation film 43L and the cap layer 14 by lift-off. A pad electrode 45E is formed on the upper electrode 45L.

工程S29では、図10の(e)部に示されるように、基板10の裏面10Bの研磨、下部電極46の形成、及びヘキ開などによる分離を行って、レーザチップが形成される。これらの工程によって、量子カスケードレーザ2が完成する。   In step S29, as shown in part (e) of FIG. 10, a laser chip is formed by polishing the back surface 10B of the substrate 10, forming the lower electrode 46, and separating by cleaving. Through these steps, the quantum cascade laser 2 is completed.

第2実施形態の量子カスケードレーザ2では、第1実施形態の量子カスケードレーザ1と同様に、埋込領域30の厚み30Hが大きいので、量子カスケードレーザ2は高耐電圧を有する。加えて、第2実施形態の上部電極45Lが半導体メサ20に接触するので、量子カスケードレーザ2は放熱性により優れる。また、量子カスケードレーザ2では、上部電極45Lに設けられたパッド電極45Eが、垂直面ではなく順テーパ面へ電極を引き回すので、より断線し難くなっている。   In the quantum cascade laser 2 of the second embodiment, the quantum cascade laser 2 has a high withstand voltage because the thickness 30H of the buried region 30 is large as in the quantum cascade laser 1 of the first embodiment. In addition, since the upper electrode 45L of the second embodiment is in contact with the semiconductor mesa 20, the quantum cascade laser 2 is more excellent in heat dissipation. In the quantum cascade laser 2, the pad electrode 45 </ b> E provided on the upper electrode 45 </ b> L draws the electrode to the forward tapered surface instead of the vertical surface, and thus is more difficult to disconnect.

(第3の実施の形態)
図11は、第3実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示した断面図である。図11では、量子カスケードレーザとして、BH型の分布帰還型(DFB)量子カスケードレーザ3が示される。DFB量子カスケードレーザ3は、基板10及び半導体メサ20を備える。DFB量子カスケードレーザ3は、半導体メサ20内において、活性層12の上に、回折格子層15及び平坦化のための半導体層16を有する。半導体メサ20の高さ20Hは、例えば3μm〜4μmである。半導体メサ20のメサ幅20Wは、例えば3μm〜10μmである。半導体メサ20は、例えば基板10の半導体の<011>方向に沿って設けられている。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a quantum cascade laser according to the third embodiment. In FIG. 11, a BH type distributed feedback (DFB) quantum cascade laser 3 is shown as a quantum cascade laser. The DFB quantum cascade laser 3 includes a substrate 10 and a semiconductor mesa 20. The DFB quantum cascade laser 3 includes a diffraction grating layer 15 and a planarization semiconductor layer 16 on the active layer 12 in the semiconductor mesa 20. The height 20H of the semiconductor mesa 20 is, for example, 3 μm to 4 μm. The mesa width 20W of the semiconductor mesa 20 is, for example, 3 μm to 10 μm. The semiconductor mesa 20 is provided, for example, along the <011> direction of the semiconductor of the substrate 10.

回折格子層15は、回折格子構造を有する。回折格子層15は、例えばIII−V族化合物半導体からなり、具体的には、例えばInGaAs又はInGaAsPなどを備える。回折格子層15は、例えばSiといったドーパントを備えることができ、n型のInGaAs又はInGaAsPからなることができる。回折格子層15の厚みは、例えば500nmである。   The diffraction grating layer 15 has a diffraction grating structure. The diffraction grating layer 15 is made of, for example, a group III-V compound semiconductor, and specifically includes, for example, InGaAs or InGaAsP. The diffraction grating layer 15 can include a dopant such as Si, and can be made of n-type InGaAs or InGaAsP. The thickness of the diffraction grating layer 15 is, for example, 500 nm.

回折格子15Gは、平坦化のための半導体層16によって埋め込まれる。半導体層16は、例えばInPなどのIII−V族化合物半導体からなり、また、例えばSiといったドーパントを備え、より具体的にはn型のInPなどからなる。半導体層16の厚み16Hは、例えば500nmである。   The diffraction grating 15G is embedded with a semiconductor layer 16 for planarization. The semiconductor layer 16 is made of a III-V group compound semiconductor such as InP, and further includes a dopant such as Si, more specifically, n-type InP. The thickness 16H of the semiconductor layer 16 is, for example, 500 nm.

DFB量子カスケードレーザ3の半導体メサ20は、第1実施形態と同様に、埋込領域30によって埋め込まれる。第1実施形態と同様に、埋込領域30の厚み30Hは、半導体メサ20の高さ20Hに比べて高くなっており、埋込領域30の上面30Aには、例えば(100)面が現れる。また、埋込領域30の第1斜面30C及び第2斜面30Dに、例えば(100)B面が現れる。埋込領域30は、基板10の主面の法線方向に順に配列された第1部分31及び第2部分32を有する。   The semiconductor mesa 20 of the DFB quantum cascade laser 3 is embedded by the embedded region 30 as in the first embodiment. Similar to the first embodiment, the thickness 30H of the buried region 30 is higher than the height 20H of the semiconductor mesa 20, and a (100) plane, for example, appears on the upper surface 30A of the buried region 30. In addition, for example, a (100) B surface appears on the first inclined surface 30 </ b> C and the second inclined surface 30 </ b> D of the embedded region 30. The buried region 30 includes a first portion 31 and a second portion 32 that are sequentially arranged in the normal direction of the main surface of the substrate 10.

半導体層16及び埋込領域30の上に導体領域40が設けられる。導体領域40は、上部クラッド41とコンタクト層42とを含む。上部クラッド41は、例えばn型のInPからなることができる。上部クラッド41の厚みのうち、上部クラッド41の上面40Aから埋込領域30の上面30Aまでの厚み40Dは、例えば1μmである。また、上部クラッド41の上面40Aから半導体メサ20のメサ上面20Aまでの厚み41Hは、例えば2μm〜7μmである。コンタクト層42は、例えば、例えばSiといったドーパントを備え、n型のInGaAsからなることができる。コンタクト層42の厚みは、例えば500nmである。コンタクト層42の上には、パッシベーション膜43が設けられる。パッシベーション膜43は、例えばSiN又はSiONといったSi系無機絶縁層などからなる。パッシベーション膜43の厚みは、例えば300nmである。   A conductor region 40 is provided on the semiconductor layer 16 and the buried region 30. The conductor region 40 includes an upper clad 41 and a contact layer 42. The upper clad 41 can be made of, for example, n-type InP. Of the thickness of the upper clad 41, the thickness 40D from the upper surface 40A of the upper clad 41 to the upper surface 30A of the buried region 30 is, for example, 1 μm. A thickness 41H from the upper surface 40A of the upper clad 41 to the mesa upper surface 20A of the semiconductor mesa 20 is, for example, 2 μm to 7 μm. The contact layer 42 includes, for example, a dopant such as Si, and can be made of n-type InGaAs. The contact layer 42 has a thickness of, for example, 500 nm. A passivation film 43 is provided on the contact layer 42. The passivation film 43 is made of, for example, a Si-based inorganic insulating layer such as SiN or SiON. The thickness of the passivation film 43 is, for example, 300 nm.

パッシベーション膜43には、半導体メサ20の上に開口部44が設けられ、パッシベーション膜43及び開口部44を通してキャップ層14の上に、上部電極45が設けられる。上部電極45は、例えば蒸着法により形成される金属膜を含み、例えばTi、Pt及びAuからなる積層構造を有する。上部電極45には、パッド電極45Eが形成される。基板10の裏面10Bに、例えばAuGeNi、Ti及びAuからなる下部電極46が設けられている。下部電極46は、例えば蒸着膜であることができる。下部電極46の厚みは、例えば1μmである。第3実施形態のDFB量子カスケードレーザ3では、メサ高さよりも絶縁体である埋め込み層の厚みを厚くすることができるので、埋込領域30における絶縁性能の変動がより低減されている。第3実施形態の上部電極45の上面45Aからパッシベーション膜43の上面42Aまでの厚み45Dは、例えば5μmである。第3実施形態の半導体メサ20は、第1実施形態の半導体メサ20に適用することができる。   In the passivation film 43, an opening 44 is provided on the semiconductor mesa 20, and an upper electrode 45 is provided on the cap layer 14 through the passivation film 43 and the opening 44. The upper electrode 45 includes a metal film formed by, for example, a vapor deposition method, and has a laminated structure made of, for example, Ti, Pt, and Au. A pad electrode 45E is formed on the upper electrode 45. A lower electrode 46 made of, for example, AuGeNi, Ti, and Au is provided on the back surface 10B of the substrate 10. The lower electrode 46 can be a deposited film, for example. The thickness of the lower electrode 46 is, for example, 1 μm. In the DFB quantum cascade laser 3 of the third embodiment, since the thickness of the buried layer that is an insulator can be made larger than the mesa height, the variation in the insulation performance in the buried region 30 is further reduced. A thickness 45D from the upper surface 45A of the upper electrode 45 of the third embodiment to the upper surface 42A of the passivation film 43 is, for example, 5 μm. The semiconductor mesa 20 of the third embodiment can be applied to the semiconductor mesa 20 of the first embodiment.

図12は、第3実施形態に係る量子カスケードレーザを製造する方法を示す流れ図である。図13は、図12に示す方法M3の主要な工程における生産物を示す断面図を示す断面図である。図13には、XYZ座標系が描かれており、XYZ座標系によって生産物の向きが示される。第3実施形態では、量子カスケードレーザとして、DFB量子カスケードレーザ3が製造される。   FIG. 12 is a flowchart showing a method of manufacturing the quantum cascade laser according to the third embodiment. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a cross-sectional view showing a product in the main process of the method M3 shown in FIG. In FIG. 13, an XYZ coordinate system is drawn, and the direction of the product is indicated by the XYZ coordinate system. In the third embodiment, a DFB quantum cascade laser 3 is manufactured as a quantum cascade laser.

第3実施形態の方法M3の工程S31では、半導体積層11の成長が行われる。図13の(a)部に示されるように、工程S31aでは、基板10の面方位(100)の主面上に、活性層12が成長される。活性層12の上に、回折格子のための半導体層17が成長される。回折格子のための半導体層17は、III−V族化合物半導体からなり、例えばInGaAs又はInGaAsPを備える。回折格子のための半導体層17は、例えばSiといったドーパントを備え、n型のInGaAs又はInGaAsPであることができる。回折格子のための半導体層17の厚みは、例えば500nmである。   In step S31 of the method M3 of the third embodiment, the semiconductor stack 11 is grown. As shown in part (a) of FIG. 13, in step S <b> 31 a, the active layer 12 is grown on the main surface of the surface orientation (100) of the substrate 10. A semiconductor layer 17 for the diffraction grating is grown on the active layer 12. The semiconductor layer 17 for the diffraction grating is made of a III-V group compound semiconductor and includes, for example, InGaAs or InGaAsP. The semiconductor layer 17 for the diffraction grating comprises a dopant such as Si, and can be n-type InGaAs or InGaAsP. The thickness of the semiconductor layer 17 for the diffraction grating is, for example, 500 nm.

工程S31bでは、図13の(b)部に示されるように、回折格子のための半導体層17上に回折格子形成のための回折格子マスク18が形成される。回折格子マスク18は、例えばSi系無機絶縁層を備え、より具体的には、例えばSiN膜、SiO、及びSiONなどからなる。例えば、SiN膜はプラズマCVD法によって形成される。SiN膜の厚みは、例えば100nmである。回折格子マスク18は、例えばフォトリソグラフィ法などによって転写された回折格子パターン(回折格子15Gのためのパターン)を有する。回折格子パターンは、例えば基板10の面方位(0−1−1)に平行な方向に回折格子15Gが延在するように形成される。また、回折格子パターン16Pは、例えば、ライン幅15Wが3μm〜10μmのラインアンドスペースパターンであることができる。 In step S31b, as shown in part (b) of FIG. 13, the diffraction grating mask 18 for forming the diffraction grating is formed on the semiconductor layer 17 for the diffraction grating. The diffraction grating mask 18 includes, for example, a Si-based inorganic insulating layer, and more specifically includes, for example, a SiN film, SiO 2 , and SiON. For example, the SiN film is formed by a plasma CVD method. The thickness of the SiN film is, for example, 100 nm. The diffraction grating mask 18 has a diffraction grating pattern (pattern for the diffraction grating 15G) transferred by, for example, a photolithography method. The diffraction grating pattern is formed such that the diffraction grating 15G extends in a direction parallel to the plane orientation (0-1-1) of the substrate 10, for example. The diffraction grating pattern 16P can be, for example, a line and space pattern with a line width 15W of 3 μm to 10 μm.

工程S31cでは、図13の(c)部に示されるように、回折格子15Gが形成される。ICP−RIE装置内に、例えばハロゲンガスといったエッチングガスが供給されて、エッチングにより、回折格子のための半導体層17に回折格子15Gが形成される。回折格子15Gの高さ15Hは、例えば、50〜400nmである。   In step S31c, a diffraction grating 15G is formed as shown in part (c) of FIG. An etching gas such as a halogen gas is supplied into the ICP-RIE apparatus, and a diffraction grating 15G is formed in the semiconductor layer 17 for the diffraction grating by etching. The height 15H of the diffraction grating 15G is, for example, 50 to 400 nm.

工程S31dでは、図13の(d)部に示されるように、回折格子15Gを埋め込むように半導体層16が成長される。工程S31dでは、更に、半導体層16の上に、キャップ層14が成長される。キャップ層14は、例えば、III−V族化合物半導体からなり、具体的には、InGaAsなどを備える。キャップ層14は、例えばSiといったドーパントを備え、n型のInGaAsなどからなることができる。キャップ層14の厚みは、例えば10nmである。   In step S31d, as shown in FIG. 13D, the semiconductor layer 16 is grown so as to fill the diffraction grating 15G. In step S <b> 31 d, the cap layer 14 is further grown on the semiconductor layer 16. The cap layer 14 is made of, for example, a group III-V compound semiconductor, and specifically includes InGaAs or the like. The cap layer 14 includes a dopant such as Si, and can be made of n-type InGaAs or the like. The thickness of the cap layer 14 is 10 nm, for example.

第3実施形態の作製方法では、工程S31の後に、第1実施形態において図2に示される方法M1の工程S2以降と同様の作製工程を、DFB量子カスケードレーザ3の製造に適用できる。工程S10では、ヘキ開などによって基板生成物が分離されて、レーザチップが形成される。これらの工程の後に、図13の(e)部に示されるように、DFB量子カスケードレーザ3が完成する。   In the manufacturing method of the third embodiment, after the step S31, the same manufacturing steps as those after the step S2 of the method M1 shown in FIG. 2 in the first embodiment can be applied to the manufacture of the DFB quantum cascade laser 3. In step S10, the substrate product is separated by cleaving or the like to form a laser chip. After these steps, as shown in FIG. 13E, the DFB quantum cascade laser 3 is completed.

第3実施形態のDFB量子カスケードレーザ3は、回折格子15Gを備えているので、単色性に優れ単一縦モードで発振することができる。なお、本実施形態では、回折格子15Gが、活性層12の上に形成されるが、活性層の下に形成されてもよい。   Since the DFB quantum cascade laser 3 of the third embodiment includes the diffraction grating 15G, the DFB quantum cascade laser 3 is excellent in monochromaticity and can oscillate in a single longitudinal mode. In the present embodiment, the diffraction grating 15G is formed on the active layer 12, but may be formed below the active layer.

図14は、第1実施形態に係る量子カスケードレーザとともに、比較例に係る量子カスケードレーザを概略的に示した断面図である。図14の(a)部は、比較例に係る量子カスケードレーザの断面を示し、図14の(b)部は、第1実施形態に係る量子カスケードレーザの断面を示す。図14の(a)部には、量子カスケードレーザとして、高抵抗埋め込み(SIBH)型の量子カスケードレーザ4が示される。量子カスケードレーザ4は、SnがドープされたInPからなる基板10と、その基板10の面方位(100)の主面上に半導体メサ20Mとを備える。基板10の厚みは、約100μmである。比較例の半導体メサ20は、その最下部に基板10の一部10Pを含み、この基板10の一部10Pの上に、活性層12M、クラッド層13M、及びキャップ層14Mを有する。基板10の一部10Pの厚みは、約500nmである。半導体メサ20Mの高さ20Hは、約7μmである。半導体メサ20Mのメサ幅20Wは、約5μmである。半導体メサ20Mは、基板10の面方位(0−1−1)に垂直な<011>方向に沿って設けられている。   FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a quantum cascade laser according to a comparative example together with the quantum cascade laser according to the first embodiment. Part (a) of FIG. 14 shows a cross section of the quantum cascade laser according to the comparative example, and part (b) of FIG. 14 shows a cross section of the quantum cascade laser according to the first embodiment. In FIG. 14A, a high resistance buried (SIBH) type quantum cascade laser 4 is shown as a quantum cascade laser. The quantum cascade laser 4 includes a substrate 10 made of InP doped with Sn, and a semiconductor mesa 20M on the main surface of the plane orientation (100) of the substrate 10. The thickness of the substrate 10 is about 100 μm. The semiconductor mesa 20 of the comparative example includes a part 10P of the substrate 10 at the lowermost part, and has an active layer 12M, a cladding layer 13M, and a cap layer 14M on the part 10P of the substrate 10. The thickness of the part 10P of the substrate 10 is about 500 nm. The height 20H of the semiconductor mesa 20M is about 7 μm. The mesa width 20W of the semiconductor mesa 20M is about 5 μm. The semiconductor mesa 20M is provided along the <011> direction perpendicular to the plane orientation (0-1-1) of the substrate 10.

量子カスケードレーザ4は、埋込領域30Mを備え、半導体メサ20Mが、埋込領域30Mによって埋め込まれている。埋込領域30Mの厚み30Hは、半導体メサ20Mの高さ20Hとほぼ等しく、約7μmである。埋込領域30Mは、半絶縁性III−V族化合物層からなる。半絶縁性III−V族化合物層は、Feがドープされた半絶縁性のInPからなる。キャップ層14M及び埋込領域30Mの上には、パッシベーション膜43Mが設けられている。パッシベーション膜43の厚みは、約300nmである。パッシベーション膜43には、開口部44Mが設けられている。開口部44Mは、半導体メサ20の上に位置する。量子カスケードレーザ4には、上部電極45Mが形成されている。上部電極45Mの厚みは、約500nmである。上部電極45Mは、パッド電極45Eを有する。下部電極46Mが設けられる。下部電極46Mの厚みは、約1μmである。   The quantum cascade laser 4 includes an embedded region 30M, and the semiconductor mesa 20M is embedded by the embedded region 30M. The thickness 30H of the buried region 30M is substantially equal to the height 20H of the semiconductor mesa 20M and is about 7 μm. The buried region 30M is made of a semi-insulating III-V group compound layer. The semi-insulating III-V compound layer is made of semi-insulating InP doped with Fe. A passivation film 43M is provided on the cap layer 14M and the buried region 30M. The thickness of the passivation film 43 is about 300 nm. The passivation film 43 is provided with an opening 44M. The opening 44M is located on the semiconductor mesa 20. An upper electrode 45M is formed in the quantum cascade laser 4. The thickness of the upper electrode 45M is about 500 nm. The upper electrode 45M has a pad electrode 45E. A lower electrode 46M is provided. The thickness of the lower electrode 46M is about 1 μm.

本比較例では、埋込領域30の厚み30Hは、約7μm以上であるので、量子カスケードレーザの駆動時に求められる埋込領域30Mにおける高電圧耐性を有することができる。しかし、本比較例では、半導体メサ20Mの高さ20Hも埋込領域30Mの厚み30Hと同程度になるので、量子カスケードレーザを作製するためのウェハにおける多数の量子カスケードレーザの半導体チップにおいて、半導体メサ20Mの高さ20Hのウェハ内のばらつきが、約0.5μm以上となる。このため、作製される量子カスケードレーザにおける絶縁性能の変動が大きくなり、半導体チップの歩留まりが低下する。   In this comparative example, since the thickness 30H of the buried region 30 is about 7 μm or more, it can have high voltage tolerance in the buried region 30M required when the quantum cascade laser is driven. However, in this comparative example, the height 20H of the semiconductor mesa 20M is also approximately the same as the thickness 30H of the buried region 30M. Therefore, in the semiconductor chips of many quantum cascade lasers on the wafer for manufacturing the quantum cascade laser, The variation in the wafer with the height 20H of the mesa 20M is about 0.5 μm or more. For this reason, the fluctuation of the insulation performance in the produced quantum cascade laser becomes large, and the yield of the semiconductor chip is lowered.

実施形態の量子カスケードレーザ1,2及び3では、半導体メサ20の高さ20Hを埋込領域30の厚み30Hよりも低くする。埋込領域30は、半導体メサ20を埋め込む第1部分31と、半導体メサ20のメサ上面20A上に位置する第2開口35を有する第2部分32とを含む。第2部分32の第2開口35は、基板10から導体領域40への方向に広がる幅を有する部分を備える。第2開口35は、導体領域で満たされ、この導体領域を介して良好な放熱性能を提供できる。   In the quantum cascade lasers 1, 2, and 3 of the embodiment, the height 20H of the semiconductor mesa 20 is made lower than the thickness 30H of the buried region 30. The buried region 30 includes a first portion 31 for embedding the semiconductor mesa 20 and a second portion 32 having a second opening 35 located on the mesa upper surface 20A of the semiconductor mesa 20. The second opening 35 of the second portion 32 includes a portion having a width that widens in the direction from the substrate 10 to the conductor region 40. The second opening 35 is filled with a conductor region, and good heat dissipation performance can be provided through this conductor region.

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

本実施形態によれば、半導体メサの高さを低くできるとともに、埋込領域の厚みを増大できる構造を有する量子カスケードレーザを提供できる。また、この量子カスケードレーザを製造する方法を提供できる。   According to the present embodiment, it is possible to provide a quantum cascade laser having a structure capable of reducing the height of the semiconductor mesa and increasing the thickness of the buried region. In addition, a method for manufacturing the quantum cascade laser can be provided.

1…量子カスケードレーザ、10…基板、11…半導体積層、12…活性層、13…クラッド層、20…半導体メサ、20A…メサ上面(半導体メサの上面)、30…埋込領域、31…第1部分、32…第2部分、34…第1開口、35…第2開口(開口)、35A…上端、35B…下端、40…導体領域、W1…第1幅、W2…第2幅。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Quantum cascade laser, 10 ... Board | substrate, 11 ... Semiconductor laminated layer, 12 ... Active layer, 13 ... Cladding layer, 20 ... Semiconductor mesa, 20A ... Mesa upper surface (upper surface of semiconductor mesa), 30 ... Buried region, 31 ... 1st 1 part, 32 ... 2nd part, 34 ... 1st opening, 35 ... 2nd opening (opening), 35A ... upper end, 35B ... lower end, 40 ... conductor area | region, W1 ... 1st width, W2 ... 2nd width.

Claims (2)

量子カスケードレーザを製造する方法であって、
前記量子カスケードレーザのための活性層を含む半導体積層を基板の主面上に成長する工程と、
前記半導体積層の上にマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いた反応性イオンエッチング法によって、前記半導体積層から半導体メサを形成する工程と、
半導体原料ガス及びハロゲン系ガスを成長炉に供給しながら、前記半導体メサを埋め込む第1部分を成長すると共に前記第1部分の上に第2部分を成長して、前記半導体メサ上に開口を有する埋込領域を前記主面上に形成する工程と、
前記埋込領域を成長した後に、前記マスクを除去して前記開口に半導体メサの上面を露出させる工程と、
前記マスクを除去した後に、半導体及び金属の少なくとも一つを含む導体領域を前記埋込領域の開口に形成する工程と、
を備え、
前記半導体メサを埋め込む前記第1部分の厚みは、前記半導体メサの上面までの高さとほぼ同じであり、
前記導体領域は、前記半導体メサの前記上面に接触する、量子カスケードレーザを製造する方法。
A method of manufacturing a quantum cascade laser comprising:
Growing a semiconductor stack including an active layer for the quantum cascade laser on a main surface of the substrate;
Forming a mask on the semiconductor stack;
Forming a semiconductor mesa from the semiconductor stack by a reactive ion etching method using the mask;
While supplying a semiconductor source gas and a halogen-based gas to a growth furnace, a first portion for embedding the semiconductor mesa is grown and a second portion is grown on the first portion, and an opening is formed on the semiconductor mesa. Forming a buried region on the main surface;
Removing the mask and exposing an upper surface of a semiconductor mesa in the opening after growing the buried region;
Forming a conductor region including at least one of a semiconductor and a metal in the opening of the buried region after removing the mask;
With
The thickness of the first portion embedding the semiconductor mesa is substantially the same as the height to the upper surface of the semiconductor mesa,
The method of manufacturing a quantum cascade laser, wherein the conductor region is in contact with the upper surface of the semiconductor mesa.
埋込領域を前記主面上に形成する前記工程において、前記第1部分を成長した後であって前記第2部分を成長する前に、前記第1部分上に中間部分を更に成長し、In the step of forming a buried region on the main surface, after growing the first portion and before growing the second portion, further growing an intermediate portion on the first portion;
前記中間部分は、前記マスクの除去によって、前記半導体メサの上面上に中間開口を有し、The intermediate portion has an intermediate opening on the upper surface of the semiconductor mesa by removing the mask;
前記中間開口の幅は、前記半導体メサの幅とほぼ同じである、請求項1に記載の量子カスケードレーザを製造する方法。The method of manufacturing a quantum cascade laser according to claim 1, wherein a width of the intermediate opening is substantially the same as a width of the semiconductor mesa.
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