(57)【要約】【課題】従来のものよりも、低周波で発振し、製造し易い構造の量子カスケードレーザーを提案する。【解決手段】ＡｌＳｂ層あるいはＧａＡｌＳｂ層と、ＧａＳｂ層とを繰り返し積層し、その両端に電極層を形成して構成した超格子素子であって、光の誘導放出を行う量子井戸を構成するＧａＳｂ層の厚さを、該ＧａＳｂ層に形成された量子準位の基底状態と第１の励起状態の固有エネルギーの差がＧａＳｂのＬＯフォノンエネルギーになる厚さにする。特に、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ｎ型のＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層を繰り返し単位とする超格子を用いて、これを、コンタクト層として用いられる２つのｎ型の半導体層にはさんだ構造とする。ＡｌＳｂ層は、ＧａＡｌＳｂ層で置き換えた構造でもよい。【選択図】図２
2006310784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＳｂ層あるいはＧａＡｌＳｂ層と、ＧａＳｂ層とを繰り返し積層し、その両端に電極層を形成して構成した超格子素子であって、光の誘導放出を行う量子井戸を構成するＧａＳｂ層の厚さを、該ＧａＳｂ層に形成された量子準位の基底状態と第１の励起状態の固有エネルギーの差がＧａＳｂのＬＯフォノンエネルギーになる厚さにしたことを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項２】
上記の超格子素子は、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ｎ型のＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層を繰り返し単位とする超格子が、コンタクト層として用いられる２つのｎ型の半導体層にはさまれた構造をもつことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項３】
上記の超格子素子は、ＧａＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＧａＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＧａＡｌＳｂ層、ｎ型のＧａＳｂ層、ＧａＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層を繰り返し単位とする超格子が、コンタクト層として用いられる２つのｎ型の半導体層にはさまれた構造をもつことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
超格子バッファの上に形成されたことを特徴とする請求項２あるいは３に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項５】
ＧａＡｓ基板上にバッファ層を介して作成されたことを特徴とする請求項２、３あるいは４に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項６】
電極層間には、レーザ発振に必要な電位差が印加され、超格子部分には、参照光が照射されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
【請求項７】
量子カスケード構造の上部に第１のコンタクト層を介して第１の金属電極が設けられ、前記量子カスケード構造の下部に第２のコンタクト層を介して基板が設けられ、前記第１のコンタクト層の導電率が前記第２のコンタクト層の導電率よりも高いことを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項８】
前記基板がＧａＡｓであり、前記量子カスケード構造がＧａＳｂよりなる井戸と、ＡｌＧａＳｂまたはＡｌＳｂよりなる障壁で構成される多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項７記載の量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、テラヘルツ領域で発振する量子カスケードレーザに関している。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ領域（１〜１０ＴＨｚ）は、マイクロ波と光の間の周波数領域にある。この領域では大気による吸収が大きく、また小型の固体信号源が存在しなかったため、使用しづらい状況にあり、この領域の利用は限られてきた。しかし、１９９４年、化合物半導体の多重量子井戸構造におけるサブバンド間の電子の遷移を利用する量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Lasers）が発明され、この発振周波数は、近赤外領域にあった。２００２年には、テラヘルツ領域における量子カスケードレーザが発表され、近年これは、テラヘルツ領域における小型の固体信号源として注目を集めている。
【０００３】
量子カスケードレーザの例の一つに、非特許文献１に示されている、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の多重量子井戸構造を用い、フォノン散乱を利用するものがある。これはＧａＡｓのＬＯ（縦光学）フォノンによる散乱を用いてサブバンド中に電子の反転分布を形成し、レーザ発振を行うものである。発振周波数の範囲は、ＬＯフォノンエネルギーにより制限され、ＬＯフォノンエネルギーが３６ｍｅＶであるＧａＡｓの場合は、３ＴＨｚ程度であった。図１に示す様に、量子カスケードレーザは、基本となる多重量子井戸構造を複数回繰り返した構造を有する。上述の非特許文献１では、基本の多重量子井戸構造は、５．４／７．８／２．４／６．５／３．８／１４．９／３．０／９．５（ｎｍ）と、なっている。ここで、下線をひいた層は、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ、よりなる障壁であり、下線をひいていない層は、ＧａＡｓよりなる井戸である。また、厚さが１４．９ｎｍのＧａＡｓ層はｎ型であり、立方センチメートル当たり１．９×１０の１６乗のレベルにドーピングされている。
【０００４】
この量子カスケードレーザの動作原理を以下に簡単に説明する。まず、シュレディンガー方程式とポアソン方程式を自己無撞着に解くことで、この多重量子井戸構造のサブバンド状態を求めることができる。図１は、１２．０ｋＶ／ｃｍの電界が加えられたときの、２個の基本多重量子井戸構造分の伝導帯のサブバンド状態を示す。１個の基本多重量子井戸構造は、図１に示すように、注入領域と活性領域に分けられる。まず、電子は、注入領域の状態２´または１´から、活性領域の励起状態ｎ＝５、に注入される。次に、注入された電子は、活性領域において、励起状態ｎ＝５から基底状態ｎ＝４または３、にテラヘルツ波を放射しながら遷移する。この周波数は、励起状態と基底状態との間のエネルギー差により決定される。状態ｎ＝４または３、と状態ｎ＝２との間のエネルギー差は、井戸となる材料の縦型光学（ＬＯ）フォノンエネルギーとほとんど同じ値に設計されている。例えば、ＧａＡｓのＬＯフォノンエネルギーは、３６ｍｅＶである。よって、状態ｎ＝４または３、にある電子は、ＬＯフォノンにより状態ｎ＝２に散乱され、状態ｎ＝４または３、にある電子の数は減少する。その結果、状態ｎ＝５と状態ｎ＝４または３との間で反転分布が形成され、レーザ発振が始まる。このレーザの発振周波数は、３．６ＴＨｚ（１５ｍｅＶ）に設計されている。
【０００５】
しかし、電界強度が図１で用いた値（１２．０ｋＶ／ｃｍ）よりも低い場合、状態ｎ＝４のエネルギーは、状態ｎ＝１´や２´よりも高くなり、上述のレーザ発振プロセスは成り立たなくなり、レーザ発振は起こらない。
【０００６】
また、B. S. Williamsらは非特許文献２において、上述の例と同様の構造で厚さが、それぞれ５．６／８．２／３．１／７．０／４．２／１６．０／３．４／９．６ｎｍ（下線があるものはＡｌＧａＡｓ層、ないものはＧａＡｓ層）となる量子カスケードレーザを発表している。活性層の中央のバリアの厚さを３．１ｎｍにして、状態５と状態４間のエネルギー差を９．０ｍｅＶとして、２．１ＴＨｚの発振を得ている。これは、先述の従来例のバリアの厚さを０．６ｎｍ、すなわちわずか２原子層だけ厚くしただけである。その前後の井戸の厚さは、０．４ないし０．５ｎｍ厚くしただけである。
【０００７】
しかし、上記の例では、次に示すような、制約や問題があった。
まず、これらの例では、活性層における井戸や障壁の厚さは、１０ｎｍ未満である。ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓにおける一原子層の厚さが０．３ｎｍ程度であるので、形成する膜厚分布を小さくする必要があり、これにより設計の自由度は制約される。
【０００８】
また、レーザ発振開始時における電界強度は１２ｋＶ／ｃｍ程度であり、比較的高くなっている。このため、ホットエレクトロンやホットフォノンの発生が多くなり、設計と異なる動作をする場合があり、さらに、発熱が大きくなるためにレーザの劣化が生じ易い等の問題が生じる。
【０００９】
さらに、一般に、この量子カスケードレーザは分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置により製造される。膜厚は１０μｍ程度になるため、うねりなど凹凸が生じやすいという問題がある。そのため、局所的に電界集中が起こり、電界が集中される場所ではレーザ発振が起こるが、それ以外の場所では発振が起こらず、むしろ発生したテラヘルツ波を吸収することになり、レーザのパワーが弱くなる場合がある。
【００１０】
また、ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ（又はＡｌＧａＳｂ）系量子カスケードレーザにおいて、高いレーザ出力を得るためには、レーザの活性領域にテラヘルツ波を閉じ込めることが必要である。テラヘルツ帯の電磁波の波長は可視光に比べて長く、レーザの活性層をそれに応じて厚くすればよいことは知られているが、こうすることは結晶成長技術の限界により困難となる。一方、金属・金属間導波路、すなわち上と下の金属電極の間に量子カスケードレーザの活性領域を挟み込んだものでは、非常に高い閉じこめ効果（閉じ込め係数Γ〜０．９９）を達成することができる事が知られている。しかし、この場合、ウェハ貼り合わせや選択的エッチングによる基板の除去など熟練を要する技術が必要であり、作製は容易ではない。
【非特許文献１】B. S. Williams, et al., "3.4 THz quantum cascade laser based on longitudinal-optical phonon scattering for depopulation, " Applied Physics Letters, 82:1015(2003)
【非特許文献２】B. S. Williams, et al., Electronics Letters第40巻第７号431ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
必要とする超格子を形成するために必要な半導体層の膜厚について、より厚いものが使えるようにする。また、レーザ発振開始時における電界強度を、より低くして、ホットエレクトロンやホットフォノンの発生による異常動作や発熱によるレーザの劣化を抑制する。
【発明の効果】
【００１２】
この発明により、従来のものよりも、低周波数で発振し、製造し易い構造の量子カスケードレーザが実現できる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の量子カスケードレーザは、従来用いられてきたＧａＡｓよりも小さなＬＯフォノンエネルギーをもったＧａＳｂ層を用いるものであり、ＡｌＳｂ層あるいはＧａＡｌＳｂ層と、ＧａＳｂ層とを繰り返し積層し、その両端に電極層を形成して構成した超格子素子であって、光の誘導放出を行う量子井戸を構成するＧａＳｂ層の厚さを、該ＧａＳｂ層に形成された量子準位の基底状態と第１の励起状態の固有エネルギーの差がＧａＳｂのＬＯフォノンエネルギーになる厚さにしたものである。
【００１４】
特に、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ｎ型のＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層を繰り返し単位とする超格子を用いており、これを、コンタクト層として用いられる２つのｎ型の半導体層にはさんだ構造とする。
【００１５】
あるいは、上記のＡｌＳｂ層は、ＧａＡｌＳｂ層で置き換えた構造でも量子カスケードレーザとして機能する。
【００１６】
また、上記の量子カスケードレーザを、超格子バッファの上に形成することにより、テラヘルツ波の閉じ込めを効果的に行う。
【００１７】
また、上記の量子カスケードレーザをGaAs基板上にバッファ層を介して作成することにより、GaAs基板を通して参照光を照射することができるようになる。
【００１８】
上記の量子カスケードレーザは、同期発振に用いることができるが、その際の構成は、電極層間には、レーザ発振に必要な電位差を印加し、超格子部分には、参照光を照射する。
【００１９】
上記の量子カスケードレーザにおいては、量子カスケード構造の上部に第１のコンタクト層を介して第１の金属電極を設け、前記量子カスケード構造の下部に第２のコンタクト層を介して基板を設け、前記第１のコンタクト層の導電率を前記第２のコンタクト層の導電率よりも高くすることによって、テラヘルツ波を効果的に閉じ込めることが出来る。
【００２０】
上記の様にテラヘルツ波を効果的に閉じ込めるに当たっては、１例として、前記基板がＧａＡｓであり、前記量子カスケード構造がＧａＳｂよりなる井戸と、ＡｌＧａＳｂまたはＡｌＳｂよりなる障壁で構成される多重量子井戸構造とするとよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。先ず本発明の実施例を図１を用いて説明する。
【実施例１】
【００２２】
図２は、本発明の実施例を示す。半導体基板として半絶縁性のＧａＡｓ基板を使う。分子線エピタキシャル（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）装置を用いて、基板上にバッファ層として、例えば順に１００ｎｍのＧａＡｓ、１０ｎｍのＡｌＡｓ、１００ｎｍのＡｌＳｂ、１０００ｎｍのＧａＳｂ層を形成する。さらにバッファ層として、２．５ｎｍのＡｌＳｂ層、２．５ｎｍのＧａＳｂ層を交互に１０回積層する。次に、第１のコンタクト層としてｎ型に不純物が例えば３×１０の１８乗／ｃｍ3にドープされたｎ＋ＧａＳｂ層を厚さ８００ｎｍ程度に形成する。次に、上層部から４．３ｎｍ／１４．４ｎｍ／２．４ｎｍ／１１．４ｎｍ／３．８ｎｍ／２４．６ｎｍ／３．０ｎｍ／１６．２ｎｍ（下線あるものは障壁すなわちＡｌＳｂ層の厚さ、下線ないものは井戸すなわちＧａＳｂ層の厚さを表す）なる基本多重量子井戸構造を、つまり１６．２ｎｍのＧａＳｂ層を基板側にして、形成する。厚さが２４．６ｎｍのＧａＳｂ層はｎ型であり、１．９ｘ１０の１６乗／ｃｍ3のレベルにドーピングされている。このｎ型の層において、電子が供給され、散乱も生じる。この基本多重量子井戸構造を、例えば２００回繰り返して形成する。さらに、第２のコンタクト層として、例えば厚さ６０ｎｍのｎ型層であり、不純物が例えば５×１０の１８乗／ｃｍ3でドーピングされたＧａＳｂ層を形成する。これらの化合物半導体層の形成は、バッファ層以降も、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置で行う。
【００２３】
ここで、ＧａＳｂなどアンチモン系の化合物半導体は、結晶成長の途中に表面で拡散しやすいため、表面の凹凸を抑えることが可能である。この結果、電圧を加えた際、電界集中が起こりにくくなる。そのため、レーザ光はより均一に発生し、また電界集中部以外でのテラヘルツ光の吸収が起こりにくくなってレーザの強度を上げることが可能となる。
【００２４】
次に、上記の層構造を持った量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）の製造プロセスを説明する。
１）図４（ａ）はＭＢＥ成長直後のウェハの断面図を示す。まず、量子カスケードレーザのリッジ構造となる部分の上にレジストを選択的に残す。
２）その後、例えばＳｉＣｌ4ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、レジストをマスクにして、多重量子井戸構造を除去し、第１のコンタクト層を選択的に露出する。
３）レジストを除去した後（図４（ｂ））、露出された第１のコンタクト層上に、例えばＰｄ／ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなる金属層をリフトオフ法を用いて選択的に形成する。図４（ｃ）は、この段階での断面図を示す。
４）その後、例えば３００℃、１分のアニールを行う。
５）次に、ＲＩＥにより形成されたメサ構造の上部、すなわち第２のコンタクト層の上に例えばＰｄ／Ａｕよりなる金属層をリフトオフ法を用いて選択的に作成する。
６）その後、試料を劈開して約２ｍｍの長さの共振器を形成する。リッジ構造の幅は１００μｍから２００μｍ程度である。
７）２本の金のワイヤを上述の第１のコンタクト層上の電極及び第２のコンタクト層上の電極にそれぞれ接続して引き出し線を形成する。図５（ａ）、図５（ｂ）は、この段階での断面図、鳥瞰図をそれぞれ示す。
８）こうして製造した素子を動作させるためには、それらの引き出し線間、つまり電極間に電圧を加える。この際、必要に応じて、量子カスケードレーザを液体窒素あるいは液体ヘリウムを用いて冷却し、パルス状の電圧を加える。
【００２５】
図３は、第１の実施例のＱＣＬ構造の基本構造の２ユニット分の伝導帯中のサブバンドを示す。縦軸１目盛りは１０ｍｅＶ、横軸１目盛りは１０ｎｍに相当する。サブバンドは、１次元でシュレディンガー方程式とポアッソン方程式を自己無撞着に解いて求めた。図３において、サブバンドは、その状態のエネルギーにその状態の存在確率、すなわち波動関数を２乗したもの、に表示の都合のため適当な倍数を掛けて加えたものを表している。各サブバンドの存在確率の和は、１に規格化してある。井戸ａ、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ厚さ１６．２ｎｍ、２４．６ｎｍ、１１．４ｎｍ、１４．４ｎｍのＧａＳｂ層を表す。図３における電界強度は、５．４５ｋＶ／ｃｍであり、上記の図１での値の１／２以下である。状態５と状態４の間のエネルギー差は、７．６６ｍｅＶで１．８５ＴＨｚに相当し、状態５と状態３の間のエネルギー差は、１０．６４ｍｅＶで２．５７ＴＨｚに相当する。このように、井戸ｃと井戸ｄの間のバリアの厚さは、２．４ｎｍと上述の第１の従来例と同じにもかかわらず、それよりも低い周波数のレーザ発振が得られる。また、井戸の厚さは従来例よりも厚くなっており、設計の自由度が増す。
【００２６】
以下に、ＱＣＬ構造の設計指針を説明して、本発明の望ましい構成を明らかにする。
まず、活性層について、井戸ｃと井戸ｄにおいて基底状態と第１の励起状態を生じさせ、そのエネルギー差が所定の電界強度において量子カスケードレーザの発振周波数程度になるように、井戸ｃ、井戸ｄ、及びその間の障壁の厚さを設計する。基底状態と励起状態の波動関数が井戸ｃと井戸ｄの両方に存在するように、基底状態の波動関数は主として井戸ｄから生じ、励起状態の波動関数は井戸ｃから生じるようにする。すなわち、井戸ｃの幅を小さくする。
【００２７】
次に注入層に関して、図３において、状態４または３から状態２または１に電子がＬＯフォノン散乱されることが必要である。そのため、所定の電界強度、例えばレーザ発振を開始させる電界強度において、井戸ｂにおける基底状態と第１の励起状態の固有エネルギーの差がＧａＳｂのＬＯフォノンエネルギーになるように井戸ｂの厚さを決める。ＧａＳｂのＬＯフォノンエネルギーは２８．９ｍｅＶ程度であり、上記した従来例の値よりも小さいことが特徴となっている。
【００２８】
また、所定の電界強度において、フォノン散乱された電子が井戸ｂから井戸ａに効率よく引き抜かれるように、井戸ｂの基底状態のエネルギーと井戸ａの基底状態のエネルギーが図３に示すように、ほぼ同じになるように井戸ａの厚さ及び井戸ａ，ｂ間の障壁の厚さを決める。井戸が薄いほど基底状態のエネルギーが高くなるので、井戸ａの厚さは井戸ｂよりも薄くする。
【００２９】
さらに活性層と注入層との関係について、井戸ａ´から井戸ｄや井戸ｃの第１の励起状態に電子が効率よく注入されるように、所定の電界強度において、注入層の基底状態と活性層の第１の励起状態がほぼ同じエネルギーレベルになり、両者の波動関数がカップリングするようにする。
【００３０】
さらに、所定の電界強度において、活性層領域の基底状態から注入領域に電子が効率よく引き抜かれるように、すなわち井戸ｃや井戸ｄの基底状態が井戸ｂにおける第１の励起状態とカップリングするようにする。井戸ｃや井戸ｄの厚さは、井戸ｂの厚さの半分程度になる。
【００３１】
これらの条件がみたされるよう、電界強度、井戸及び障壁の厚さを調節して、計算を繰り返す。この結果、井戸ａ´、井戸ｃ、井戸ｄの厚さの和は、井戸ｂの厚さの２倍以下程度となる事が分かる。
【００３２】
また、所定の電界強度を加えた場合に、量子カスケードレーザの基本ユニット１個分で、注入層の励起状態と基底状態のエネルギー差すなわちＬＯフォノンエネルギーと、活性層における励起状態と基底状態のエネルギー差すなわち発振周波数に相当するエネルギーの和と同程度の電位差が生じなければならない。上述のように、井戸ａ〜ｄの厚さはほぼ決定されるので、電界強度を変えてこの条件をみたすようにしなければならない。その結果、本発明のようにＬＯフォノンエネルギーを小さくすることで、レーザ発振が開始する電界強度を小さくすることが可能となる。
【００３３】
また、本発明のようにＬＯフォノンエネルギーが小さい場合、井戸ｂの幅が大きくなり、その結果他の井戸の幅や障壁の厚さも厚くすることが可能となる。またＧａＳｂの電子の有効質量は０．０４１２であり、ＧａＡｓの電子の有効質量０．０６７よりも小さいため、本発明のようにＧａＳｂを用いると、より井戸の幅を大きくすることができる。その結果、一原子層の誤差がレーザの発振周波数等の性能に与える影響が小さくなり、ＭＢＥによる薄膜成長の際に許容される膜厚の範囲が大きくなり、ＭＢＥ成長が容易になる。
【００３４】
さらに、上述のようにアンチモン系のＭＢＥ成長を用いることにより、表面のうねりを抑え、レーザのパワーを上げることが可能となる。
【実施例２】
【００３５】
図７は、本発明の量子カスケードレーザの断面を示す。ＧａＡｓ基板上に、例えばＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂからなるバッファ層が設けられ、その上にｎ型にドープされたＧａＳｂよりなるコンタクト層が設けられる。その上にＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂまたはＡｌＳｂからなる量子カスケード構造（活性領域）が設けられ、量子カスケード構造の上部にもｎ型にドープされたＧａＳｂよりなるコンタクト層、及び電極となる金属が設けられる。
【００３６】
図８（ａ）は、図７の構造における固有モードの電界分布を２次元の有限要素法を用いて計算した結果を示す。周波数を３．０ＴＨｚとした。ＧａＳｂ／ＡｌＧａＳｂ系量子カスケード構造の厚さを１５μｍ、比誘電率を１５．１とした。レーザのリッジ幅は１５０μｍで、リッジの端と下の電極との距離を２５μｍとした。上及び下のｎ型ＧａＳｂコンタクト層の厚さをそれぞれ６０ｎｍ、８００ｎｍ、比誘電率を１４．８、導電率を４００００Ｓ／ｍとした。半絶縁性ＧａＡｓ基板の比誘電率を１３．３とした。バッファ層の厚さは１μｍである。
【００３７】
図８（ａ）に示した固有モードの電界分布の計算結果において、テラヘルツ波の電界はリッジの領域、すなわち量子カスケードレーザの活性領域によく閉じこめられていることがわかる。閉じ込め係数Γを、活性領域内の電界強度の自乗の積分を全領域の電界強度の自乗の積分で割ることで求めると、図２の場合０．７８となった。
【００３８】
比較のため、図８（ｂ）に、ＧａＳｂ基板上にＧａＳｂ系量子カスケードレーザを設けた場合の固有モードの電界分布を示す。周波数は３．０ＴＨｚである。図７の構造において半絶縁性ＧａＡｓ基板とバッファ層をＧａＳｂ基板に変えて計算した。閉じこめ係数Γは０．１程度であった。
【００３９】
このように基板を、ＧａＳｂに比べてより誘電率の低いＧａＡｓにすることでテラヘルツ波の高い閉じ込めを実現することができる。
【００４０】
またレーザ発振を低閾値で行うためには、量子カスケードレーザ内でのレーザ光の伝搬方向に沿ってのレーザ光の減衰を小さくすることも必要である。レーザ光の伝搬方向、すなわち図７では紙面に垂直の方向での減衰定数αを前述の２次元有限要素法を用いて計算した。図９は、図７におけるｎ型ＧａＳｂコンタクト層の導電率を変えた場合の計算結果を示す。周波数は３．０ＴＨｚである。減衰定数αが小さいほど減衰が小さい。図４の黒丸（●）の点は、上のｎ型ＧａＳｂコンタクト層の導電率を一定、すなわち１００００Ｓ／ｍ、にし、下のｎ型ＧａＳｂコンタクト層の導電率を変えた場合の減衰定数を表し、四角（■）の点は、下のｎ型ＧａＳｂコンタクト層の導電率を一定、すなわち１００００Ｓ／ｍ、にし、上のｎ型ＧａＳｂコンタクト層の導電率を変えた場合の減衰定数を表す。
【００４１】
図９に示したように下のコンタクト層の導電率が高いほど減衰定数も大きくなる。これは、下のコンタクト層では導電率が高いほど電子が増えるため散乱などによる損失が大きくなるためと考えられる。一方、上のコンタクト層の導電率が高いほど逆に減衰定数が小さくなる。これは、下のコンタクト層の場合と同様に散乱による損失が増えるが、それ以上に金属・誘電体境界で生ずるプラズモン伝搬モードが発生し、これによる低損失の伝搬が支配的になるためと考えられる。
【００４２】
このように金属電極と接するＧａＳｂコンタクト層の導電率を高くし、基板と接するＧａＳｂコンタクト層の導電率を低くすることでテラヘルツ光の伝搬に伴う損失を小さくすることが可能となる。ただ導電率を低くすると抵抗が高くなることも考慮しなければならないことは当然である。また、コンタクト層の導電率は温度に依存するため、量子カスケードレーザの動作温度を考慮してコンタクト層の不純物濃度を決めなければならない。
【００４３】
以上述べたように、本発明のＧａＡｓ基板上に設けたＧａＳｂ／ＡｌＧａＳｂ系量子カスケードレーザでは、高い光閉じこめを簡単な作成プロセスにより実現することができる。また、ＧａＡｓ基板はＧａＳｂ基板よりも安いため、コスト面でも有利である。さらに、金属電極と接するＧａＳｂコンタクト層の導電率を高くし、基板と接するＧａＳｂコンタクト層の導電率を低くすることで、伝搬損失を小さくし、レーザ発振を効率的に行うことが可能となる。
【００４４】
このように、本発明では、設計の自由度がより増加し、また発振周波数をより低くすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
なお、上記の実施例では、バリア層としてＡｌＳｂを用いる例を示したが、この化合物に限定すべき理由はなく、ＧａＳｂに対して障壁となり超格子構造を形成しやすいものを使用することができ、上記の他に、例えばＧａxＡｌ1-xＳｂ（ｘは０から１までの間の値）でもよい。また、ＡｌＳｂ層あるいはＧａＡｌＳｂ層は、障壁として用いられるので、混在させることも可能である。
【００４６】
また、導波路構造について、本発明では片側に表面プラズモンモードを用いている。しかし、これに限られるものではなく、金属−金属間の導波路でもよい。さらに、発生したテラヘルツ波を量子カスケードレーザ構造内に閉じこめるために、量子カスケードレーザ構造の上下に不純物濃度の高いコンタクト層を設けて屈折率を制御している。しかし、これに限定すべき理由はなく、低屈折率を示す層を設けてもよいことは明らかである。
【００４７】
また、上記した量子カスケードレーザは、次のように参照光を注入して同期発振させることも可能である。
【００４８】
例えば1.5ミクロン帯の半導体レーザを照射して量子カスケードレーザの発振をロッキングしたい場合（インジェクションロッキング、注入同期）、図６に示す構成で、パルスレーザ光を注入する。しかし、上記の電極の場合には、量子カスケードレーザの上部電極は一般に金などの金属なので、半導体レーザ光は反射されてしまう。一方、量子カスケードレーザの基板がGaSbであるとするとGaSbは長波長側まで吸収するので、例えば1.5ミクロンのレーザによるインジェクションロッキングはできない。基板での吸収がないというのはこれに対し、実施例のようにGaAsを基板とすると、このような吸収がないため1.5ミクロン帯の半導体レーザを用いて、例えば、基板の裏から量子カスケードレーザの発振のロッキングを行うことが可能となる。なお、半導体レーザは基板側からだけでなく、リッジ構造の側面、あるいは量子カスケードレーザの電極をＩＴＯなどの透明電極にすれば上から照射してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来の量子カスケードレーザのエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【図２】本発明の量子カスケードレーザの層構造を示す模式図である。
【図３】本発明の量子カスケードレーザのエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【図４】本発明の量子カスケードレーザの製造プロセスの概略を示す図である。
【図５】本発明の量子カスケードレーザの断面図（ａ）および鳥瞰図（ｂ）を示す図である。
【図６】インジェクションロッキングを行う場合の配置を示す図である。
【図７】本発明の量子カスケードレーザの模式的断面図を示す図である。
【図８】（ａ）GaAs基板上の、（ｂ）GaSb基板上の、GaSb系量子カスケードレーザにおける固有モードの電界分布を示す図である。
【図９】コンタクト層の導電率と減衰定数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  状態ｎ＝１
２  状態ｎ＝２
１´  注入領域の状態ｎ＝１
２´  注入領域の状態ｎ＝２
３  基底状態ｎ＝３
４  基底状態ｎ＝４
５  励起状態ｎ＝５
【図１】
2006310784.tif 000003
【図２】
2006310784.tif 000004
【図３】
2006310784.tif 000005
【図４】
2006310784.tif 000006
【図５】
2006310784.tif 000007
【図６】
2006310784.tif 000008
【図７】
2006310784.tif 000009
【図８】
2006310784.tif 000010
【図９】
2006310784.tif 000011