(57)【要約】【課題】発光層内の複数の井戸層にわたってキャリアの広い分布を可能にする量子井戸構造を有する量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】量子カスケードレーザは、第１井戸層、第２井戸層及び第３井戸層、第１障壁層及び第２障壁層を含むコア領域を備え、コア領域は、第１注入層、発光層及び第２注入層を有し、第１注入層、発光層及び第２注入層は、第１軸の方向に順に配列され、第１井戸層、第２井戸層、第３井戸層、第１障壁層、及び第２障壁層は、前記発光層内に設けられ、第１障壁層は、第１井戸層と第２井戸層との間に設けられて第１井戸層を第２井戸層から隔置し、第２障壁層は、第２井戸層と第３井戸層との間に設けられて第２井戸層を第３井戸層から隔置し、第１障壁層は、１．２ナノメートル以下の厚さを有し、第２障壁層は、１．２ナノメートル以下の厚さを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子カスケードレーザであって、
第１井戸層、第２井戸層及び第３井戸層、並びに第１障壁層及び第２障壁層を含むコア領域を備え、
前記コア領域は、第１注入層、発光層及び第２注入層を有し、前記第１注入層、前記発光層及び前記第２注入層は、第１軸の方向に順に配列され、
前記発光層は、前記第１井戸層、前記第２井戸層、前記第３井戸層、前記第１障壁層、及び前記第２障壁層を含み、
前記第１障壁層は、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に設けられて前記第１井戸層を前記第２井戸層から隔置し、
前記第２障壁層は、前記第２井戸層と前記第３井戸層との間に設けられて前記第２井戸層を前記第３井戸層から隔置し、
前記第１障壁層は、１．２ナノメートル以下の厚さを有し、
前記第２障壁層は、１．２ナノメートル以下の厚さを有する、量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記コア領域は、前記第１井戸層を前記第１注入層の井戸層から隔てる第３障壁層と、前記第３井戸層を前記第２注入層の井戸層から隔てる第４障壁層とを含み、
前記第３障壁層及び前記第４障壁層の各々は、前記第１障壁層及び前記第２障壁層の厚さより大きな厚さを有し、
前記第１井戸層は、前記第３障壁層によって前記第１注入層の井戸層から隔置され、
前記第３井戸層は、前記第４障壁層によって前記第２注入層の井戸層から隔置される、請求項１に記載された量子カスケードレーザ。
【請求項３】
前記コア領域を搭載する主面を有する支持体を更に備え、
前記支持体の前記主面は、ＩｎＰを含み、
前記第１井戸層、前記第２井戸層及び前記第３井戸層の各々は、ＧａＩｎＡｓを含み、
前記第１障壁層及び前記第２障壁層の各々は、ＡｌＩｎＡｓを含み、
前記コア領域は歪み補償されている、請求項１又は請求項２に記載された量子カスケードレーザ。
【請求項４】
第１導電型のコンタクト層と、
回折格子層と、
前記第１導電型の第１クラッド層と、
前記第１導電型の第２クラッド層と、
埋込領域と、
を更に備え、
前記回折格子層は、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に設けられ、
前記コア領域は、前記コンタクト層及び前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に設けられる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子カスケードレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８６３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、量子カスケードレーザは、同程度の広い３つの井戸層と、これらの井戸層を隔て上流側及び下流側の障壁層とを含む発光層を有する。特許文献１では、上位レベル及び下位レベルの波動関数の形状の観点から、上流側の障壁層の膜厚に着目する。
【０００５】
発明者の検討によれば、特許文献１に示される発光層のハンド構造は、その下流側の井戸層において電子の確率振幅（波動関数の二乗値）を小さくする。求められることは、発光層内の複数の井戸層において光学遷移の確率を高めることである。
【０００６】
本発明の一側面は、発光層内の複数の井戸層にわたってキャリアの広い分布を可能にする量子井戸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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る量子カスケードレーザは、第１井戸層、第２井戸層及び第３井戸層、並びに第１障壁層及び第２障壁層を含むコア領域を備え、前記コア領域は、第１注入層、発光層及び第２注入層を有し、前記第１注入層、前記発光層及び前記第２注入層は、第１軸の方向に順に配列され、前記発光層は、前記第１井戸層、前記第２井戸層、前記第３井戸層、前記第１障壁層、及び前記第２障壁層を含み、前記第１障壁層は、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に設けられて前記第１井戸層を前記第２井戸層から隔置し、前記第２障壁層は、前記第２井戸層と前記第３井戸層との間に設けられて前記第２井戸層を前記第３井戸層から隔置し、前記第１障壁層は、１．２ナノメートル以下の厚さを有し、前記第２障壁層は、１．２ナノメートル以下の厚さを有する。
【０００８】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、発光層内の複数の井戸層にわたってキャリアの広い分布を可能にする量子井戸構造を有する量子カスケードレーザを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施形態に係る量子カスケードレーザにおける発光層の伝導帯バンド構造を模式的に示す図面である。
【図３】図３は、コア領域における発光層及び注入層の配列を模式的に示す図面である。
【図４】図４の（ａ）部及び（ｂ）部は、実験例に係る伝導帯バンド構造と、光学遷移に係る３つのエネルギ準位の波動関数とを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
いくつかの具体例を説明する。
【００１２】
具体例に係る量子カスケードレーザは、第１井戸層、第２井戸層及び第３井戸層、並びに第１障壁層及び第２障壁層を含むコア領域を備え、前記コア領域は、第１注入層、発光層及び第２注入層を有し、前記第１注入層、前記発光層及び前記第２注入層は、第１軸の方向に順に配列され、前記発光層は、前記第１井戸層、前記第２井戸層、前記第３井戸層、前記第１障壁層、及び前記第２障壁層を含み、前記第１障壁層は、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に設けられて前記第１井戸層を前記第２井戸層から隔置し、前記第２障壁層は、前記第２井戸層と前記第３井戸層との間に設けられて前記第２井戸層を前記第３井戸層から隔置し、前記第１障壁層は、１．２ナノメートル以下の厚さを有し、前記第２障壁層は、１．２ナノメートル以下の厚さを有する。
【００１３】
量子カスケードレーザによれば、発光層には、１．２ナノメートル以下の厚さの第１障壁層及び第２障壁層を含む量子井戸構造が提供される。この量子井戸構造は、光学的禁制遷移にならない上位エネルギーレベル及び下位エネルギーレベルを形成し、１．２ナノメートル以下の厚さの第１障壁層及び第２障壁層は、上位エネルギーレベル及び下位エネルギーレベルのキャリアが、第１井戸層、第２井戸層及び第３井戸層にわたって拡がることを可能にする。
【００１４】
具体例に係る量子カスケードレーザでは、前記コア領域は、前記第１井戸層を前記第１注入層の井戸層から隔てる第３障壁層と、前記第３井戸層を前記第２注入層の井戸層から隔てる第４障壁層とを含み、前記第３障壁層及び前記第４障壁層の各々は、前記第１障壁層及び前記第２障壁層の厚さより大きな厚さを有し、前記第１井戸層は、前記第３障壁層によって前記第１注入層の井戸層から隔置され、前記第３井戸層は、前記第４障壁層によって前記第２注入層の井戸層から隔置される。
【００１５】
量子カスケードレーザによれば、厚い第３障壁層は、上流側の注入層の井戸層から共鳴トンネリングによりキャリアを受けると共に該キャリアを発光層の第１井戸層に閉じ込め、厚い第４障壁層は、薄い第２障壁層により第３井戸層に大きな確率振幅を有するキャリアを第３井戸層に閉じ込めると共に下流の注入層の井戸層に共鳴トンネリングによりキャリアを提供することができる。
【００１６】
具体例に係る量子カスケードレーザは、前記コア領域を搭載する主面を有する支持体を更に備え、前記支持体の前記主面は、ＩｎＰを含み、前記第１井戸層、前記第２井戸層及び前記第３井戸層の各々は、ＧａＩｎＡｓを含み、前記第１障壁層及び前記第２障壁層の各々は、ＡｌＩｎＡｓを含み、前記コア領域は歪み補償されている。
【００１７】
量子カスケードレーザによれば、第１障壁層及び第２障壁層は引っ張り歪みであり、第１井戸層、第２井戸層及び第３井戸層は圧縮歪みである。コア領域における歪み補償は、格子整合のコア領域に比べてバンドオフセットを大きくする。
【００１８】
具体例に係る量子カスケードレーザは、第１導電型のコンタクト層と、回折格子層と、前記第１導電型の第１クラッド層と、前記第１導電型の第２クラッド層と、埋込領域と、を更に備え、前記回折格子層は、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に設けられ、前記コア領域は、前記コンタクト層及び前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に設けられる。
【００１９】
量子カスケードレーザによれば、コア領域が第１クラッド層と第２クラッド層との間の回折格子層に光学的に結合できる。
【００２０】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、実施形態に係る量子カスケードレーザを説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザを概略的に示す図面である。図２は、本実施形態に係る量子カスケードレーザにおける発光層の伝導帯バンド構造を模式的に示す図面である。
【００２２】
量子カスケードレーザ１１は、コア領域１３を備え、コア領域１３は、交互に配列された発光層１７及び注入層１９を含む。具体的には、コア領域１３は、第１注入層１５ａ、発光層１７及び第２注入層１５ｂを有する。第１注入層１５ａａ、発光層１７及び第２注入層１５ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に順に配列されて、外部電界の印加により、第１注入層１５ａのミニバンドＭＢが発光層１７のレベルに結合すると共に発光層１７の別のレベルが第２注入層１５ｂのミニバンドＭＢに結合可能になる。
【００２３】
コア領域１３は、第１井戸層１７ａ、第２井戸層１７ｂ及び第３井戸層１７ｃ、並びに第１障壁層１７ｄ及び第２障壁層１７ｅを含む。第１障壁層１７ｄは、第１井戸層１７ａと第２井戸層１７ｂとの間に設けられて第１井戸層１７ａを第２井戸層１７ｂから隔てており、また１．２ナノメートル以下の厚さを有する。第２障壁層１７ｅは、第２井戸層１７ｂと第３井戸層１７ｃとの間に設けられて第２井戸層１７ｂを第３井戸層１７ｃから隔てており、また１．２ナノメートル以下の厚さを有する。
【００２４】
発光層１７は、第１井戸層１７ａ、第２井戸層１７ｂ及び第３井戸層１７ｃ、並びに第１障壁層１７ｄ及び第２障壁層１７ｅを含む。発光層１７は、伝導帯にバンドオフセットＤＥＣを有する。
【００２５】
発光層１７は、図２に示されるように、光学遷移可能な上位エネルギレベルＥＬＵ及び下位エネルギレベルＥＬＤ、並びに下位エネルギレベルＥＬＤより僅かに低い緩和エネルギレベルＥＬＲを提供する。下位エネルギレベルＥＬＤ上のキャリアは、フォノン散乱を介して緩和エネルギレベルＥＬＲに遷移する。
【００２６】
量子カスケードレーザ１１によれば、発光層１７には、１．２ナノメートル以下の厚さの第１障壁層１７ｄ及び第２障壁層１７ｅを含む量子井戸構造ＱＷが提供される。この量子井戸構造ＱＷは、タイプＩ構造を有しており、第１障壁層１７ｄ及び第２障壁層１７ｅは、上位エネルギレベルＥＬＵ及び下位エネルギレベルＥＬＤのキャリア（例えば、電子）が、第１井戸層１７ａ、第２井戸層１７ｂ及び第３井戸層１７ｃにわたって拡がることを可能にする。
【００２７】
コア領域１３は、さらに、第３障壁層２１及び第４障壁層２３を含む。第１井戸層１７ａは、第３障壁層２１によって第１注入層１５ａの井戸層２０ａから隔置される。第３井戸層１７ｃは、第４障壁層２３によって第２注入層１５ｂの井戸層２０ｂから隔置される。第３障壁層２１及び第４障壁層２３の各々は、第１障壁層１７ｄの厚さ及び第２障壁層１７ｅの厚さより大きな厚さを有する。
【００２８】
量子カスケードレーザ１１によれば、厚い第３障壁層２１は、発光層１７の第１井戸層１７ａ内の電子が第１注入層１５ａにしみだすことを妨げ、厚い第４障壁層２３は、薄い第２障壁層１７ｅにより大きな確率振幅を第３井戸層１７ｃに有する電子が第２注入層１５ｂにしみだすことを妨げる。
【００２９】
図３は、コア領域における発光層及び注入層の配列を模式的に示す図面である。発光層１７は、第１注入層１５ａと第２注入層１５ｂとの間に設けられて、第１注入層１５ａは発光層１７にキャリアを提供できる多数のエネルギ準位（具体的には、ミニバンド）を有し、第２注入層１５ｂは発光層１７からキャリアを受ける多数のエネルギ準位（具体的には、ミニバンド）を有する。第１注入層１５ａ及び第２注入層１５ｂの各々は、複数の井戸層及び複数の障壁層を含み、複数の井戸層及び複数の障壁層は、上流の発光層（１７）を下流の発光層（１７）に繋ぐミニバンドを形成するように配列される。
【００３０】
コア領域１３では、第１注入層１５ａの井戸層２０ａ、第３障壁層２１、第１井戸層１７ａ、第１障壁層１７ｄ、第２井戸層１７ｂ、第２障壁層１７ｅ、第３井戸層１７ｃ、第４障壁層２３及び第２注入層１５ｂの井戸層２０ｂが、第１軸Ａｘ１の方向に順に配列される。
【００３１】
第１井戸層１７ａは、第３障壁層２１及び第１障壁層１７ｄによって規定される。第２井戸層１７ｂは、第１障壁層１７ｄ及び第２障壁層１７ｅによって規定される。第３井戸層１７ｃは、第３障壁層２１及び第４障壁層２３によって規定される。理解を容易にするために、図１は、第１注入層１５ａが第３障壁層２１の一部分を含むと共に発光層１７が第３障壁層２１の残り部分を含むように第３障壁層２１を描き、また第２注入層１５ｂが第４障壁層２３の一部分を含むと共に発光層１７が第４障壁層２３の残り部分を含むように第４障壁層２３を描く。
【００３２】
第１障壁層１７ｄは、第１井戸層１７ａを第２井戸層１７ｂから隔てるために０．３ナノメートル以上の厚さであることができ、また１．１ナノメートル以下の厚さであることができる。
【００３３】
第２障壁層１７ｅは、第２井戸層１７ｂを第３井戸層１７ｃから隔てるために０．３ナノメートル以上の厚さであることができ、また１．１ナノメートル以下の厚さであることができる。
【００３４】
第１井戸層１７ａの膜厚：５．０〜８．０ナノメートル、例えば６．５ナノメートル。
第２井戸層１７ｂの膜厚：４．０〜７．０ナノメートル、例えば５．６ナノメートル。
第３井戸層１７ｃの膜厚：３．５〜６．５ナノメートル、例えば５．０ナノメートル。
第１井戸層１７ａの膜厚は第２井戸層１７ｂの膜厚に等しい又はより大きく、第２井戸層１７ｂの膜厚は第３井戸層１７ｃの膜厚に等しい又はより大きい（第１井戸層１７ａの膜厚  ≧  第２井戸層１７ｂの膜厚  ≧  第３井戸層１７ｃの膜厚）。
【００３５】
例えば、第２障壁層１７ｅの膜厚は、第１障壁層１７ｄの膜厚以下であることができる。
【００３６】
第２井戸層１７ｂは、第１障壁層１７ｄを第２障壁層１７ｅから隔てる。第１障壁層１７ｄ及び第２障壁層１７ｅは、製造上のばらつき範囲において実質的に同じ厚さを有することができ、製造上のばらつき範囲は、例えば−０．１ｎｍ〜＋０．１ｎｍである。
【００３７】
コア領域１３は、単位構造１８の縦列を含む量子カスケード構造を有する。量子カスケード構造は、例えば２０から４０個の範囲の積層数の単位構造１８を含み、個々の単位構造１８は、単一の発光層１７と単一の注入層１９とからなる。この結果、コア領域は、交互に配列された発光層１７及び注入層１９を含む。
【００３８】
再び図１を参照すると、量子カスケードレーザ１１は、第１導電型（ｎ型又はｐ型）のコンタクト層２５と、該第１導電型の第１クラッド層２７と、回折格子層２９と、該第１導電型の第２クラッド層３１とを更に備えることができる。回折格子層２９は、第１クラッド層２７と第２クラッド層３１との間に設けられる。コア領域１３は、コンタクト層２５及び第１クラッド層２７と第２クラッド層３１との間に設けられる。コア領域１３が第１クラッド層２７と第２クラッド層３１との間の回折格子層２９に光学的に結合できる。
【００３９】
量子カスケードレーザ１１は、メサ構造３３、埋込領域３５、及び支持体３７を更に備える。メサ構造３３は、コンタクト層２５、第１クラッド層２７、回折格子層２９、コア領域１３、及び第２クラッド層３１を含み、これらは、支持体３７の主面３７ａ上において第１軸Ａｘ１の方向に配列される。埋込領域３５がメサ構造３３を埋め込む。メサ構造３３及び埋込領域３５は、支持体３７の主面３７ａ上において第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列される。埋込領域３５は半絶縁性を有する。
【００４０】
量子カスケードレーザ１１は、メサ構造３３上に設けられた第１電極３９ａ及び支持体３７の裏面３７ｂ上に設けられた第２電極３９ｂを備える。
【００４１】
量子カスケードレーザ１１の例示。
支持体３７：ｎ型ＩｎＰ。
コンタクト層２５：ｎ型ＧａＩｎＡｓ。
第１クラッド層２７：ｎ型ＩｎＰ。
回折格子層２９：ＧａＩｎＡｓ。
コア領域１３：ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子井戸構造、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造。
第２クラッド層３１：ｎ型ＩｎＰ。
埋込領域３５：半絶縁性ＩｎＰ。
【００４２】
第１井戸層１７ａ、第２井戸層１７ｂ、及び第３井戸層１７ｃ並びに注入層１９の井戸層２０ａ、２０ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む三元又は四元の化合物であることができる。第１障壁層１７ｄ、第２障壁層１７ｅ、及び第４障壁層２３、並びに注入層の障壁層は、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む三元又は四元の化合物であることができる。第１井戸層１７ａ、第２井戸層１７ｂ、及び第３井戸層１７ｃ並びに注入層の井戸層、並びに第１障壁層１７ｄ、第２障壁層１７ｅ、及び第４障壁層２３、並びに注入層の障壁層は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含まない。
【００４３】
量子カスケードレーザ１１の例示。
支持体３７：ｎ型ＧａＡｓ。
コンタクト層２５：ｎ型ＧａＡｓ、あるいはＧａＩｎＡｓ。
第１クラッド層２７：ｎ型ＡｌＧａＡｓ。
回折格子層２９：ＧａＡｓ。
コア領域１３：ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造。
第２クラッド層３１：ｎ型ＡｌＧａＡｓ。
【００４４】
第１井戸層１７ａ、第２井戸層１７ｂ、及び第３井戸層１７ｃ並びに注入層の井戸層は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む二元、三元又は四元の化合物であることができる。第１障壁層１７ｄ、第２障壁層１７ｅ、及び第４障壁層２３、並びに注入層の障壁層は、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウム及びガリウムを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む三元又は四元の化合物であることができる。
【００４５】
図４の（ａ）部及び（ｂ）部は、実験例に係る伝導帯バンド構造と、光学遷移に係る３つのエネルギ準位の波動関数とを示す図面である。波動関数及びエネルギ準位は、井戸層及び障壁層の材料並びにバンドダイアグラムから得られるモデルにおいてシュレディンガー方程式を数値的に解いて得られる。波動関数の二乗値は、位置の関数として電子の確率振幅を示す。
【００４６】
実験例１（第１障壁層Ｂ２２の膜厚が第２障壁層Ｂ２３の膜厚に実質的に等しい）
第１井戸層Ｗ２１の膜厚：例えば６．５ナノメートル。
第２井戸層Ｗ２２の膜厚例えば５．６ナノメートル。
第３井戸層Ｗ２３の膜厚：例えば５．０ナノメートル。
第１障壁層Ｂ２２の膜厚：例えば０．９ナノメートル。
第２障壁層Ｂ２３の膜厚：例えば０．９ナノメートル。
第３障壁層Ｂ２１の膜厚：例えば３．５ナノメートル。
第４障壁層Ｂ２４の膜厚：例えば２．４ナノメートル。
上位レベルＥ１：波動関数（Ｇ２１）。
下位レベルＥ２：波動関数（Ｇ２２）。
緩和レベルＥ３：波動関数（Ｇ２３）。
光学遷移ダイポールメーメント＜ｚ＞：２．６ｎｍ。
井戸層（Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３）：Ｇａ０．４０Ｉｎ０．６０Ａｓ。
障壁層（Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、Ｂ２４）：Ａｌ０．５６Ｉｎ０．４４Ａｓ。
伝導帯のバンドオフセット（図３のＤＥＣ）：０．６３ｅＶ。
【００４７】
第１井戸層Ｗ２１は第２井戸層Ｗ２２より厚く、第２井戸層Ｗ２２は第３井戸層Ｗ２３より厚い。第３障壁層Ｂ２１は第４障壁層Ｂ２４より厚い。
【００４８】
波動関数（Ｇ２１）は、第１障壁層Ｂ２２と第２障壁層Ｂ２３との中心に位置する軸（以下、中心軸として参照する）上の点から値から第１障壁層Ｂ２２へ向かう位置座標の変化に応じて増加すると共に中心軸上の該点から第２障壁層Ｂ２３へ向かう位置座標の変化に応じて減少する。波動関数（Ｇ２１）は、第３障壁層Ｂ２１の近傍の点及び第２障壁層Ｂ２３の近傍の点において極小値を有する。波動関数（Ｇ２１）は、第１障壁層Ｂ２２の近傍の点及び第４障壁層Ｂ２４の近傍の点において極大値を有する。これ故に、波動関数（Ｇ２１）は、中心軸に関して、井戸層（Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３）において反対称形のような波形を示す（奇関数で近似できる波形）。
【００４９】
波動関数（Ｇ２２）は、中心軸上の点から値から第１障壁層Ｂ２２へ向かう位置座標の変化に応じて増加すると共に中心軸上の該点から第２障壁層Ｂ２３へ向かう位置座標の変化に応じて増加する。波動関数（Ｇ２２）は、第２井戸層の中心付近の点において極小値を有する。波動関数（Ｇ２２）は、第２井戸層Ｗ２２の中心付近の点及び第１井戸層Ｗ２１及び第３井戸層Ｗ２３の中心付近の点において極大値を有する。これ故に、波動関数（Ｇ２２）は、中心軸に関して、井戸層（Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３）において対称形のような波形を示す（偶関数で近似できる波形）。
【００５０】
実験例２（第２障壁層Ｃ２３の膜厚が第１障壁層Ｃ２２の膜厚より大きい）
第１井戸層Ｖ２１の膜厚：例えば６．５ナノメートル。
第２井戸層Ｖ２２の膜厚：例えば５．６ナノメートル。
第３井戸層Ｖ２３の膜厚：例えば５．０ナノメートル。
第１障壁層Ｃ２２の膜厚：例えば０．９ナノメートル。
第２障壁層Ｃ２３の膜厚：例えば１．５ナノメートル。
第３障壁層Ｃ２１の膜厚：例えば３．５ナノメートル。
第４障壁層Ｃ２４の膜厚：例えば２．４ナノメートル。
上位レベル：波動関数（Ｈ２１）。
下位レベル：波動関数（Ｈ２２）。
緩和レベル：波動関数（Ｈ２３）。
光学遷移ダイポールメーメント＜ｚ＞：２．２ｎｍ。
【００５１】
ＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＡｓは、０．４７のガリウム組成を有し、ＩｎＰに格子整合するＡｌＩｎＡｓは、０．４８のアルミニウム組成を有する。このＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓのバンドオフセットは０．５２ｅＶである。格子整合系のコア領域において、ＧａＩｎＡｓのガリウム組成は、０．４６５〜０．４７５の範囲にあり、ＡｌＩｎＡｓのアルミニウム組成は、０．４７５〜０．４８５の範囲にある。
【００５２】
Ｇａ０．４０Ｉｎ０．６０Ａｓ／Ａｌ０．５６Ｉｎ０．４４Ａｓの井戸層／障壁層を有する発光層は歪み補償されることができる。薄い第２障壁層Ｂ２３は、増加したバンドオフセットによる発光層内の障壁層の障壁（障壁は膜厚及びバンドオフセットに関連する）を小さくする。
【００５３】
波動関数（Ｈ２１）及び波動関数（Ｈ２２）は、第１障壁層Ｃ２２の中心に位置する軸に関して、井戸層（Ｖ２１、Ｖ２２）において反対称形のような波形を示す。波動関数（Ｈ２２）は、第１障壁層Ｃ２２の中心に位置する軸に関して、井戸層（Ｗ２１、Ｗ２２）において対称形のような波形を示す。
【００５４】
量子カスケードレーザ１１では、支持体３７の主面３７ａはＩｎＰを含むことができる。第１井戸層１７ａ、第２井戸層１７ｂ及び第３井戸層１７ｃの各々は、ＧａＩｎＡｓを含むことができる。第１障壁層１７ｄ及び第２障壁層１７ｅの各々はＡｌＩｎＡｓを含むことができる。コア領域１３は歪み補償されている。
【００５５】
量子カスケードレーザ１１によれば、第１障壁層１７ｄ及び第２障壁層１７ｅは引っ張り歪みであり、第１井戸層１７ａ、第２井戸層１７ｂ及び第３井戸層１７ｃは圧縮歪みである。コア領域１３における歪み補償（格子不整合）は、格子整合のコア領域に比べてバンドオフセットを大きくする。
【００５６】
歪み補償されたコア領域において、ＧａＩｎＡｓのガリウム組成は、０．２〜０．５の範囲にあり、ＡｌＩｎＡｓのアルミニウム組成は、０．３〜１．０の範囲にある。ＧａＩｎＡｓ組成のガリウム組成と、ＡｌＩｎＡｓのアルミニウム組成とは、式（１）で規定される歪み補償による単位構造１８内の平均の残留歪み（Δａ／ａｓｕｂ）ａｖｅｒａｇｅが、０．３以下になるように選ぶ。図３に示される式（１）において、ｉは単位構造１８内の層を指定する記号であり、１から層の総数までの整数値をとる。支持体３７は格子定数ａｓｕｂを有し、Δａは、単位構造１８内に含まれるｉ番目の層の格子定数と支持体３７の格子定数ａｓｕｂとの差である。Ｌは単位構造１８の厚さである。ｔｉはｉ番目の層の厚さである。また、注入層１９も歪み補償されている。
【００５７】
量子カスケードレーザ１１を製造する方法を以下に記述する。この方法は、ｎ型ＩｎＰウエハを準備するに始まり、次いで、このｎ型のＩｎＰウエハ上に、例えば、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型下部ＩｎＰクラッド層、コア領域（発光層及び注入層の繰り返し）、ｎ型上部ＩｎＰクラッド層、及びｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層を順に成長して、半導体積層を形成する。
【００５８】
半導体積層上にフォトリソグラフィ及びエッチングにより絶縁体マスクを形成する。この絶縁体マスクを用いて半導体積層をエッチングして、ストライプメサを形成する。エッチングされた半導体積層上にマスクを残して、埋込領域（Ｆｅ−ＩｎＰ）を選択成長する。埋込領域を形成した後に絶縁体マスクを除去して、ｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層を露出させる。ｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層上に上部金属電極を形成すると共に、ＩｎＰウエハの裏面に下部金属電極を形成して、基板生産物を得る。
【００５９】
電極を形成した後、基板生産物をへき開によって分離して、量子カスケードレーザのチップを形成する。必要な場合には、へき開面にａ−Ｓｉ及びＳｉＯ２の誘電体多層膜の反射膜を形成する。
【００６０】
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およ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、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明したように、本実施形態によれば、発光層内の複数の井戸層において光学遷移を可能にする量子井戸構造を有する量子カスケードレーザを提供できる。
【符号の説明】
【００６２】
１１…量子カスケードレーザ、１３…コア領域、１５ａ…第１注入層、１５ｂ…第２注入層、１７…発光層、１７ａ…第１井戸層、１７ｂ…第２井戸層、１７ｃ…第３井戸層、１７ｄ…第１障壁層、１７ｅ…第２障壁層、１８…単位構造、１９…注入層、Ａｘ１…第１軸、ＥＬＵ…上位エネルギレベル、ＥＬＤ…下位エネルギレベル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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