(57)【要約】  利得媒質及び該利得媒質を有するバンド間カスケードレーザが提示される。この利得媒質は以下の特徴の１つ又は両方を有しうる：（１）正孔インジェクタ領域の１つ以上の正孔量子井戸の厚さは、正孔インジェクタ領域中の価電子帯最大値を活性正孔量子井戸中の価電子帯最大値より少なくとも約１００ｍｅＶ低くなるように、活性量子井戸領域中の活性正孔量子井戸の厚さに相応して減らされる；（２）電子インジェクタ領域の最後の井戸の厚さは、媒質の次の段の活性利得領域中の最初の活性電子量子井戸の厚さの８５と１１０％の間である。本発明に係る利得媒質を組み込むレーザは、高温において約２．５から８μｍの中赤外領域中、波長が少なくとも４．６μｍで閾値電流密度が約４００Ａ／ｃｍ２で閾値出力密度が約９００Ｗ／ｃｍ２の室温連続波動作で発振できる。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカスケード化している段を含む活性利得領域であって、カスケード化している段のそれぞれが、１つ以上の活性電子量子井戸及び１つ以上の活性正孔量子井戸を含む活性利得量子井戸領域、１つ以上の正孔量子井戸を含む正孔インジェクタ領域、並びに１つ以上の電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域を含む、該活性利得領域を含み、
正孔インジェクタ状態の価電子帯最大値が、エネルギーで、活性利得量子井戸領域中の少なくとも１つの活性正孔井戸の価電子帯最大値より少なくとも１００ｍｅＶ低くなるように、正孔インジェクタ領域中の１つ以上の正孔量子井戸の厚さが、活性利得量子井戸領域中の少なくとも１つの活性正孔量子井戸の厚さに相応する、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項２】
正孔インジェクタ領域は、合わせた厚さが約４０Åから約８５Åである２つの正孔量子井戸を含む、請求項１に記載のバンド間カスケード利得媒質。
【請求項３】
正孔インジェクタ領域中の１つ以上の正孔井戸はＧａＳｂ正孔井戸であり、活性利得量子井戸領域中の活性正孔井戸はＧａＩｎＳｂ正孔井戸である、請求項１に記載のバンド間カスケード利得媒質。
【請求項４】
正孔インジェクタ領域は２つのＧａＳｂ正孔井戸を含み、活性利得量子井戸領域は１つのＧａＩｎＳｂ活性正孔井戸を含み、
ＧａＩｎＳｂ正孔井戸は厚さが約２０Åであり、
２つのＧａＳｂ正孔井戸の第１の井戸は厚さが約１５〜２５Åであり、２つのＧａＳｂ正孔井戸の第２の井戸は厚さが約２５〜３５Åである、請求項１に記載のバンド間カスケード利得媒質。
【請求項５】
正孔インジェクタ領域は２つのＧａＳｂ正孔井戸を含み、活性利得量子井戸領域は１つのＧａＩｎＳｂ活性正孔井戸を含み、
ＧａＩｎＳｂ正孔井戸の厚さが約３０Åであり、
２つのＧａＳｂ正孔井戸の第一の井戸の厚さが約２５〜３５Åであり、２つのＧａＳｂ正孔井戸の第二の井戸の厚さが約４０〜５０Åである、請求項１に記載のバンド間カスケード利得媒質。
【請求項６】
複数のカスケード化している段を含む活性利得領域であって、カスケード化している段のそれぞれが、１つ以上の活性電子量子井戸及び１つ以上の活性正孔量子井戸を含む活性利得量子井戸領域、１つ以上の正孔量子井戸を含む正孔インジェクタ領域、並びに１つ以上の電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域を含む該活性利得領域と、電子障壁によって第２段の活性利得量子井戸領域の隣接する最初の活性電子量子井戸から分離された、第１段の電子インジェクタ領域の最後の電子量子井戸とを含み、
第１段の電子インジェクタ領域の最後の電子量子井戸は厚さが、隣接する、第２段の最初の活性電子量子井戸の厚さの８５と１１０％の間である、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項７】
第２段の最初の活性電子量子井戸及び電子インジェクタ領域の最後の電子量子井戸はＩｎＡｓ電子量子井戸を含む、請求項６に記載のバンド間カスケード利得媒質。
【請求項８】
電子インジェクタ中の電子密度を下げ、電子インジェクタを通す有効なミニバンド輸送を保証するように、電子インジェクタの最後の電子量子井戸に隣接している、電子インジェクタ中の１つ以上の電子量子井戸の厚さを減らした、請求項６に記載のバンド間カスケード利得媒質。
【請求項９】
複数のカスケード化している段を含む活性利得領域であって、カスケード化している段のそれぞれが、１つ以上の活性電子量子井戸及び１つ以上の活性正孔量子井戸を含む活性利得量子井戸領域、１つのＧａ（Ｉｎ）Ｓｂ正孔量子井戸及び３つのＧａ（Ｉｎ）Ｓｂ正孔量子井戸の１つを含む正孔インジェクタ領域、並びに１つ以上の電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域を含む該活性利得領域を含むバンド間カスケード利得媒質であって、
バンド間カスケード媒質の少なくとも１つのパラメータは、ΔＥ≧１００ｍｅＶのエネルギー間隔が、正孔インジェクタ領域中の最上価電子状態と１つ以上の活性正孔量子井戸中の価電子帯最大値との間で保たれるように設定される、該バンド間カスケード利得媒質。
【請求項１０】
バンド間カスケード利得媒質を含むレーザ装置であって、
利得媒質は、複数のカスケード化している段を含む活性利得領域であって、カスケード化している段のそれぞれが、１つ以上の活性電子量子井戸及び１つ以上の活性正孔量子井戸を含む活性利得量子井戸領域、１つ以上の正孔量子井戸を含む正孔インジェクタ領域、並びに１つ以上の電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域を含む該活性利得領域、を含み、
正孔インジェクタ状態の価電子帯最大値が、エネルギーで、活性利得量子井戸領域中の少なくとも１つの活性正孔井戸の価電子帯最大値より少なくとも１００ｍｅＶ低くなるように、正孔インジェクタ領域中の１つ以上の正孔量子井戸の厚さが、活性利得量子井戸領域中の少なくとも１つの活性正孔量子井戸の厚さに相応する、レーザ装置。
【請求項１１】
レーザ装置は、高温で約２．５から８μｍの中赤外領域で発振し、約４．６μｍと同じ長さの波長で、閾値電流密度が約４００Ａ／ｃｍ２で閾値出力密度が約９００Ｗ／ｃｍ２の室温連続波動作を達成する、請求項１０に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
バンド間カスケード利得媒質を含むレーザ装置であって、
利得媒質は、複数のカスケード化している段を含む活性利得領域であって、カスケード化している段のそれぞれが、１つ以上の活性電子量子井戸及び１つ以上の活性正孔量子井戸を含む活性利得量子井戸領域、１つ以上の正孔量子井戸を含む正孔インジェクタ領域、並びに１つ以上の電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域を含む該活性利得領域と、電子障壁によって第２段の活性利得量子井戸領域の隣接する最初の活性電子量子井戸から分離された、第１段の電子インジェクタ領域の最後の電子量子井戸とを含み、
第１段の電子インジェクタ領域の最後の電子量子井戸は厚さが、隣接する、第２段の最初の活性電子量子井戸の厚さの８５と１１０％の間である、レーザ装置。
【請求項１３】
レーザ装置は、高温で約２．５から８μｍの中赤外領域で発振し、約４．６μｍと同じ長さの波長で、閾値電流密度が約４００Ａ／ｃｍ２で閾値出力密度が約９００Ｗ／ｃｍ２の室温連続波動作を達成する、請求項１２に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
バンド間カスケード利得媒質を含む増幅部であって、
利得媒質は、複数のカスケード化している段を含む活性利得領域であって、カスケード化している段のそれぞれが、１つ以上の活性電子量子井戸及び１つ以上の活性正孔量子井戸を含む活性利得量子井戸領域、１つ以上の正孔量子井戸を含む正孔インジェクタ領域、並びに１つ以上の電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域を含む該活性利得領域、を含み、
正孔インジェクタ状態の価電子帯最大値が、エネルギーで、活性利得量子井戸領域中の少なくとも１つの活性正孔井戸の価電子帯最大値より少なくとも１００ｍｅＶ低くなるように、正孔インジェクタ領域中の１つ以上の正孔量子井戸の厚さが、活性利得量子井戸領域中の少なくとも１つの活性正孔量子井戸の厚さに相応する、増幅部。
【請求項１５】
バンド間カスケード利得媒質を含む増幅部であって、
利得媒質は、複数のカスケード化している段を含む活性利得領域であって、該カスケード化している段のそれぞれが、１つ以上の活性電子量子井戸及び１つ以上の活性正孔量子井戸を含む活性利得量子井戸領域、１つ以上の正孔量子井戸を含む正孔インジェクタ領域、並びに１つ以上の電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域を含む該活性利得領域と、電子障壁によって第２段の活性利得量子井戸領域の隣接する最初の活性電子量子井戸から分離された、第１段の電子インジェクタ領域の最後の電子量子井戸とを含み、
第１段の電子インジェクタ領域の最後の電子量子井戸は厚さが、隣接する、第２段の最初の活性電子量子井戸の厚さの８５と１１０％の間である、増幅部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年１１月２２日に出願された米国仮出願第６１／４１５，８９８号及び２０１１年２月９日に出願された米国特許出願第１３／０２３，６５６号に基づく優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、熱電子冷却で得られる温度又はそれ以上の温度における中赤外域の改良レーザ用改良バンド間カスケード利得媒質又は光増幅動作に関する。
【背景技術】
【０００３】
中赤外（「ｍｉｄ−ＩＲ」）スペクトル領域、すなわち約２．５と８μｍの間の波長で発振するレーザ源開発への関心が高まっている。そのようなレーザには、軍事的及び非軍事的利用の両方に重要な用途がある。軍事的分野では、ｍｉｄ−ＩＲレーザは、熱探知ミサイルを妨害して、それらが標的に達するのを防ぐ対策として極めて有用となりうる。軍事及び非軍事の両分野では、そのようなｍｉｄ−ＩＲレーザは、例えば化学センシング用途が見出されており、環境、医療、及び国家安全用途で非常に有用であろう。
【０００４】
このスペクトル領域の短波長側では、タイプＩ量子井戸アンチモニドレーザは、良好な性能と、より優れた十分な成長を達成している。例えば非特許文献１を参照されたい。ｍｉｄ−ＩＲの長波長側では、サブバンド間量子カスケードレーザ（ＱＣＬｓ）は、主要なレーザ発振源になっている。例えば非特許文献２を参照されたい。
【０００５】
中赤外スペクトル領域では、バンド間カスケードレーザ（ＩＣＬ）は有望な半導体コヒーレント光源として開発されている。
【０００６】
最初のＩＣＬｓは、１９９４年にルイヤング（Ｒｕｉ  Ｙａｎｇ）によって開発された。ヤングの特許文献１を参照されたい。ＩＣＬは、電子と正孔の放射型再結合を経て光子が生成される点で、従来のダイオードレーザに類似する複合構造と見なされうる。しかしながら、それは、複数の段が階段状に積み重ねられ、単一注入された電子が階段の各段で追加的光子を生成できる点で、量子カスケードレーザにも類似する。非特許文献３を参照されたい。キャパッソ（Ｃａｐａｓｓｏ）らの特許文献２も参照されたい。各段は活性量子井戸領域、正孔インジェクタ領域、及び電子インジェクタ領域で構成される。光子カスケードは、少なくとも１つの光子エネルギーでカスケードの各連続する段を下げるのに十分な電圧をかけること、及び電子が、光子を放射した後にインジェクタ領域を経て次段に流れるのを許容すること、によって達成される。活性量子井戸領域と正孔インジェクタの外側では、ＩＣＬ中の電流輸送は、必須ではないが、通常、電子移動を経て完全に行われる。従って、２つの光学クラッド領域は、注入軸に沿ってレーザ発振モードを限定するため利得媒質の外側で一般的に用いられ、ｎ−型接触は、電気バイアスと電流注入を与えるためクラッド領域の外側で与えられる。
【０００７】
ＩＣＬｓは、また、従来の半導体レーザと同様にバンド間活性遷移を用いる。それぞれのバンド間活性遷移は、光子放出後の価電子帯中の状態を占める電子が、伝導帯の中へ、伝導帯と価電子帯の間の半金属又は近半金属重複部分の境界において再注入されることを要する。また、タイプＩのＩＣＬｓも可能であるが（マイヤー（Ｍｅｙｅｒ）らの特許文献３を参照されたい。これの２人の発明者は本発明の発明者である。）、ほとんどのＩＣＬｓは、タイプＩＩの性質の活性遷移を用い、換言すれば、電子及び正孔の波動関数は、隣接する電子（通常ＩｎＡｓ）及び正孔（通常Ｇａ（Ｉｎ）Ｓｂ）の量子井戸でそれぞれ頂点に達する。
【０００８】
波動関数の重なりを増やすため、２つのＩｎＡｓ電子井戸は、しばしばＧａ（Ｉｎ）Ｓｂ正孔井戸の両側に配置されて、いわゆる「Ｗ」構造を作る。さらに、大きい伝導帯と価電子帯とのオフセット量を有する障壁（通常Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ）は、両キャリア型の優れた閉じ込めを提供するために「Ｗ」構造を囲むことができる。マイヤーらの特許文献４を参照されたい（それは、本発明と一人の発明者が共通する）。基本的なＩＣＬ構造は、正孔インジェクタを形成するために１つ以上の正孔井戸を含むことによっても、改良された。上記のマイヤーらの特許文献３を参照されたい。他の改良は、非特許文献４、非特許文献５、及び非特許文献６に記載されている。
【０００９】
ＩＣＬ構造への更なる改良は、特許文献５に記載されているように、本発明の発明者によってなされ、約２５０Ｋ以上の温度における中赤外領域中のレーザ性能を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，５８８，０１５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，４５７，７０９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７９９，０２６号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７９３，７８７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１０／００９７６９０号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｔ．ホソダ（T. Hosoda）ら著、「３００Ｋで連続波型の３．４４μｍ付近に発振するダイオードレーザ（Diode lasers emitting near 3.44 μm in continuous-wave regime at 300K）」、Electron. Lett. 46, 1455 (2010)
【非特許文献２】Ｑ．Ｙ．リュー（Q. Y. Lu）ら著、「ワットレベル出力の分散フィードバック量子カスケードレーザの室温連続波動作（Room-temperature continuous wave operation of distributed feedback quantum cascade lasers with watt-level power output）」、Appl. Phys. Lett. 97, 231119 (2010)
【非特許文献３】スリブケン（Slivken）ら著、「強力なＱＣＬｓ視覚遠隔探査（Powerful QCLs eye remote sensing）」、Compound Semiconductor, pp. 22-23(2008)
【非特許文献４】Ｒ．Ｑ．ヤング（R. Q. Yang）ら著、「量子効率＞４５０％の高出力バンド間カスケードレーザ（High-power interband cascade lasers with quantum efficiency >450%）」、Electron. Lett. 35, 1254 (1999)
【非特許文献５】Ｒ．Ｑ．ヤング（R. Q. Yang）ら著、「中赤外タイプＩＩバンド間カスケードレーザ（Mid-Infrared Type-II Interband Cascade Lasers）」、IEEE J. Quant. Electron. 38, 559 (2002)
【非特許文献６】Ｋ．マンスール（K. Mansour）ら著、「熱電子冷却器温度での中赤外バンド間カスケードレーザ（Mid-infrared interband cascade lasers at thermoelectric cooler temperatures）」、Electron. Lett. 42, 1034 (2006)
【非特許文献７】Ｒ．マウリニ（R. Maulini）ら著、「室温連続波で動作する広範囲で調整可能な高出力外部共振器量子カスケードレーザ（Widely tunable high-power external cavity quantum cascade laser operating in continuous-wave at room temperature）」、Electronics Letters 45, 107 (2009)
【非特許文献８】Ｄ．カフィ（D. Caffey）ら著、「連続波で広範囲で調整可能な小型外部共振器バンド間カスケードレーザのパフォーマンス特性（Performance Characteristics of a Continuous Wave Compact Widely Tunable External Cavity Interband Cascade Laser）」、Opt. Express 18, 15691 (2010)
【非特許文献９】Ｃ．Ｌ．キャネディ（C. L. Canedy）ら著、「高出力、狭リッジ、中赤外バンド間カスケードレーザ（High-Power, Narrow-Ridge, Mid-Infrared Interband Cascade Lasers）」、J. Cryst. Growth 301, 931 (2007)
【非特許文献１０】Ｃ．Ｌ．キャネディ（C. L. Canedy）ら著、「高出力、高効率中波赤外バンド間カスケードレーザ（High-Power and High-Efficiency Midwave-Infrared Interband Cascade Lasers）」、Appl. Phys. Lett. 88, 161103 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、室温でのｍｉｄ−ＩＲにおける性能の更なる改善は、いまだ課題として残っている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この概要は、発明を実施するための形態の欄で更に記載する概念から選択したものを、単純化して紹介することを意図する。この概要は、特許を請求した内容の主要な又は本質的な特徴を同定することを意図しておらず、特許を請求した内容の範囲を決定する際の助けとして用いることも意図しない。むしろそれは単に、ここに記載し、特許を請求した内容の簡潔な概観として示される。
【００１４】
本発明は、バンド間カスケード利得媒質、及びそれを有するバンド間カスケードレーザ又は増幅部を含む。
【００１５】
本発明に係るバンド間カスケード利得媒質は、一連のカスケード化している段を含み、各段は、１つ以上の交互のＩｎＡｓ活性電子量子井戸とＧａＩｎＳｂ活性正孔量子井戸とを含む活性量子井戸領域、１つ以上のＧａＳｂ正孔量子井戸を含む正孔インジェクタ領域、及び複数のＩｎＡｓ電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域、を含む。
【００１６】
本発明によれば、そのようなバンド間カスケード利得媒質は、以下の特徴の１つ又は両方を含む。（１）正孔インジェクタ領域中のＧａＳｂ正孔量子井戸の厚さは、活性量子井戸領域中のＧａＩｎＳｂ活性正孔量子井戸の厚さに相応して減らされる。（２）電子インジェクタ領域中の最後のＩｎＡｓ井戸の厚さは、該媒質の次段の活性利得領域中の最初のＩｎＡｓ活性電子量子井戸の厚さの８５と１０％の間である。
【００１７】
本発明に係る利得媒質を組み込むレーザは、高温において約２．５から８μｍのｍｉｄ−ＩＲ領域で発振でき、約４．６μｍと同じ長さの波長で閾値電流密度が約４００Ａ／ｃｍ２で閾値出力密度が約９００Ｗ／ｃｍ２の室温連続波動作を達成できる。これらの改善された性能の特性は、本発明の設計上の特徴の予測しなかった結果であり、ＩＣＬ性能のコンピュータモデルに基づいて発明者が予測した結果と鮮明な対照をなす。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る典型的なバンド間カスケード利得媒質の層状構造を描写するブロック図。
【図２Ａ】本発明に係るバンド間カスケード利得媒質の典型的な活性利得領域の、伝導帯及び価電子帯の分析結果を描写する図。
【図２Ｂ】図２Ａに示した伝導帯及び価電子帯の分析結果に対応する、選択された電子及び正孔のエネルギーレベルと波動関数を描写する図。
【図３】本願発明に係る、及び従来技術（特許文献５）に従って設計された、広域ＩＣＬｓのパルス動作を測定した閾値出力密度を描写する図。
【図４】図３で描写されたものと同じＩＣＬｓのスロープ効率由来の内部損失を、図３で用いた各種記号と同じ対応で描写する図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、バンド間カスケード利得媒質及びそれを用いるバンド間カスケードレーザ又は増幅部を含む。
【００２０】
本発明は、様々な態様に具体化されうる。以下の記載は、実例として、態様が実施されうる組み合わせと構成を示す。本発明の記載された態様及び／又は実施形態が単に例であることは理解される。また、当業者が他の態様及び／又は実施形態を利用でき又は本開示の範囲から逸脱せずに構造的及び機能的改良を行えることも理解される。
【００２１】
例えば、本発明に係るバンド間カスケード利得媒質は、本明細書において特定の構成に配置された特定の厚さの半導体層を含むように記載されているが、当業者は、他の層の厚さ及び構成も用いられうることを理解するだろう。合金組成がＧａ１−ｘＩｎｘＳｂのように特定されるときは常に、組成率ｘをゼロにできることが理解され、このようなときは材料がＧａＳｂになる。さらに、本発明に係る利得媒質は、ＩｎＡｓ、Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂ半導体物質を含むように本明細書に記載されているが、他の半導体物質に置換できることを当業者は理解するだろう。
【００２２】
例えば、いくつかの実施形態では、歪み補正のために、いくつかのＡｌＳｂ層に少量のＩｎを導入でき、そのような場合は、構造「Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ」を有するとして示される。あるいは、より低い障壁を望むなら、ＧａをＡｌＳｂに導入してＡｌ（Ｇａ）Ｓｂを形成できる。また、他の場合では、格子定数を調整して格子整合又は歪み補正をするために、少量のＡｓをＡｌ（Ｇａ）Ｓｂに加えてＡｌ（ＧａＡｓ）Ｓｂを形成できる。ＡｌＳｂへの同様の役割を果たす障壁特性を備える、より一般的な合金は、Ａｌ（ＧａＩｎＡｓ）Ｓｂである。
【００２３】
同様に、少量のＡｌ及び／又はＡｓをＧａ１−ｘＩｎｘＳｂ物質に導入でき、そのような場合は、それぞれ構造「Ｇａ（Ａｌ）Ｓｂ」、「Ｇａ（Ａｓ）Ｓｂ」、及び「Ｇａ（ＡｌＡｓ）Ｓｂ」を有するとして示される。正孔量子井戸として機能できる更に一般的な合金は、Ｇａ（ＡｌＩｎＡｓ）Ｓｂである。
【００２４】
また、以下の記載では、ＡｌＳｂ障壁で分離された２つのＧａＳｂ正孔量子井戸を含む正孔インジェクタを前提とし、ここで、２つの正孔量子井戸の総厚さは、正孔インジェクタ中の最上位の価電子状態と、活性正孔量子井戸中の価電子帯最大値との間でΔＥ≧１００ｍｅＶのエネルギー間隔を得るように調整される。しかしながら、他の場合では、１つ又は３つのＧａ（Ｉｎ）Ｓｂ量子井戸を用いることができ、それらの場合では、ΔＥ≧１００ｍｅＶのエネルギー間隔が保たれる限り、利得媒質の構成中の他の変形を行うことができる。
【００２５】
このようにして、以下に更に詳述するように、本発明は、バンド間カスケード利得媒質及びそれを用いたバンド間カスケードレーザ又は増幅部を含む。
【００２６】
本発明に係るバンド間カスケード利得媒質は一連のカスケード化している段を含み、各段は、１つ以上の交互のＩｎＡｓ活性電子量子井戸とＧａＩｎＳｂ活性正孔量子井戸を含む活性量子井戸領域、１つ以上のＧａＳｂ正孔量子井戸を含む正孔インジェクタ領域、及び複数のＩｎＡｓ電子量子井戸を含む電子インジェクタ領域を含む。
【００２７】
本発明によれば、そのようなバンド間カスケード利得媒質は、以下の特徴の１つ又は両方を含む。（１）正孔インジェクタ領域中のＧａＳｂ正孔量子井戸の厚さは、活性量子井戸領域中のＧａ１−ｘＩｎｘＳｂ活性正孔量子井戸の厚さに相応して減らされる。（２）電子インジェクタ領域の最後のＩｎＡｓ井戸の厚さは、前記媒質の次の段の活性利得領域中の最初のＩｎＡｓ活性電子量子井戸の厚さの８５と１１０％の間であり、相応して減らされる最後のＱＷｓに隣接する２つから４つのＩｎＡｓインジェクタＱＷｓの厚さである。
【００２８】
本発明は、また、上記特徴の１つ以上を有する利得媒質を用いるバンド間カスケードレーザ及び外部共振器レーザを含むことができる。上記のＫ．マンスールら（非特許文献６）を参照されたい。非特許文献７及び非特許文献８も参照されたい。そのような利得媒質を組み込む典型的なレーザは、高温で約２．５から８μｍのｍｉｄ−ＩＲ領域中、約４．６μｍと同じ長さの波長で発振でき、閾値電流密度が約４００Ａ／ｃｍ２で閾値出力密度が約９００Ｗ／ｃｍ２である室温連続波動作を達成できる。
【００２９】
これらの改善された性能特性は、本発明の設計上の特徴の予測しない結果であり、ＩＣＬ性能のコンピュータモデルに基づいて発明者が予測した結果と鮮明な対照をなす。下記の図３と４が示すように、発明の特徴を組み込む１０枚のＩＣＬウエハーの試験は、その典型的な閾値電流密度及び閾値出力密度が、発明の特徴を含まずに設計されたＩＣＬと比べたときに、一貫して低いことを裏付けている。対照的に、活性領域エネルギーレベルのモデリングは、従来技術の、正孔インジェクタ中の、より厚いＧａＳｂ正孔ＱＷ、及び電子インジェクタの、より厚い最後のＩｎＡｓ  ＱＷが、活性量子井戸に遷移するよりインジェクタ領域中にむしろ正孔と電子が貯まるのを防ぐのに十分なエネルギー間隔を与えるだろうと予測した。そのモデリングは、更に、発明の特徴が閾値電流密度を下げず、閾値出力密度の低下より上昇をおこすように事実上閾値電圧が増加するだろうと予測した。本発明に係る利得媒質の能力は、これらのモデルに基づいて期待された結果と鮮明に対照的であった。
【００３０】
本発明に係るバンド間カスケード利得媒質の典型的構造のブロック線図を図1にしめす。ここで、同じ模様の領域が同様の又は非常に類似の材料を示すために用いられている。
【００３１】
図１に示され、本明細書に記載されたように、本発明に係るバンド間カスケード利得媒質は、媒質中の電子と正孔の動きを制御する、一連の量子障壁と井戸を形成できる半導体物質の一連の積み重なった層を含むことができる。図１に示すように、本発明に係るバンド間カスケード利得媒質は、一連の縦列の段を含む活性利得領域を含むことができ、各段１０１は、活性量子井戸（ＱＷ）領域１０１ａ、正孔インジェクタ１０１ｂ、並びに活性利得領域に隣接する最後のＩｎＡｓ量子井戸１１２及びその最後の井戸に隣接する追加井戸１１３を含む電子インジェクタ１０１ｃを含む。活性利得領域の構成要素は共同して働き、適するバイアスと電気注入の下で結合されるときに媒質からの発光を引き起こす、電子と正孔のエネルギーレベルと波動関数を作り出す。活性利得領域の個々の段１０１は、利得媒質を構成するために幾度か繰り返される。
【００３２】
利得媒質は、更に、活性利得領域の各末端に位置する分離した閉じ込め層（ＳＣＬ）１０６ａ及び１０６ｂ、クラッド層１０８ａ及び１０８ｂ、基材１１１、並びに２つの隣接領域の伝導バンド特性における急激な電圧変化を平滑化するために種々の機能領域の間に配置した遷移領域１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、及び１０９を含むことができる。また、いくつかの実施形態（図示せず）では、基材１１１とクラッド層１０８ｂの間に付加的に接触層を配置できる。加えて、このエピタキシャル構造の上端にｎ＋−ＩｎＡｓ又は他の適切な上端接触層１１０を配置できる。
【００３３】
当技術分野で知られている半導体バンド間レーザの動作の態様によれば、本発明に係る利得媒質の構造は、伝導及び価電子帯エネルギー、並びに、半導体物質中の電子と正孔の動きと再結合を支配し、レーザによる光子の生成と放出を支配する対応した電子波動関数を作り出す。
【００３４】
図２Ａと図２Ｂは、本発明に係る下記の特徴の１つ以上を組み込んだ利得媒質の、次の段の開始に伴う活性利得領域の典型的な段中の伝導帯特性（Ｅｃ）と価電子帯特性（Ｅｖ）のプロットを示すブロック図である。
【００３５】
図の２Ａと２Ｂに見られるように、活性利得領域の各段は、電子及び正孔活性ＱＷｓ２０１、正孔インジェクタ２０２、及び電子インジェクタ２０３からなり、新しい段にあっては、再び電子及び正孔活性ＱＷｓ２０１で始まり、電子インジェクタ２０３からカスケード化する。
【００３６】
当該技術分野で知られる半導体バンド間カスケードレーザの原理によると、電子ポンプ源から注入された電子は、活性ＱＷｓ２０１中の伝導状態に存在する。他の電子源の方向はもちろん可能であるが、図２Ａと２Ｂ中の構成では、電子は左から右に注入される。光子は、活性ＱＷｓ中の伝導状態から価電子状態へのバンド間光遷移を経て放射される。一旦、活性ＱＷ価電子帯中では、電子は正孔インジェクタ２０２の最初（もし存在するときは、二番目）のＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ  ＱＷ  ２０２ｂへトンネルする。カスケード化を許容する重要な特徴である、ＩｎＡｓとＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂの間のタイプＩＩエネルギー重複ため、Ｇａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ価電子帯中の電子は、電子インジェクタ２０３の比較的厚い最初のＩｎＡｓ  ＱＷ  ２０３ａ中の伝導帯状態へ弾性散乱又はトンネルする。一旦伝導帯に戻り、電子は、再利用と追加光子の放出のため、最後のＡｌ（Ｉｎ）Ｓｂ障壁２０３ｂを通って次の活性ＱＷｓ２０１へトンネリングする前に、エネルギーを回復するため、電子インジェクタ２０３を含む、次第に減少するＱＷの厚さを有するＩｎＡｓ／Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ超格子（ＳＬ）を通して伝播する。複数段のカスケード化は、同時に、全活性利得領域の帯電に要する、より高いバイアス電圧を消費して、全電子に複数の光子放出（さらに出力）を与える。付与出力用の、より低い電流は、寄生抵抗性及び非抵抗性電圧低下が比較的重要でなくなることを意味するので、このトレードは一般に有利である。
【００３７】
本発明によれば、下記の特徴（１）及び（２）の１つ又は両方を組み込むことで、バンド間カスケード利得媒質のこれらの態様の動作を改良できる。
【００３８】
特徴（１）−正孔インジェクタ領域中のＧａＳｂ正孔井戸の厚さは、Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ活性正孔井戸の厚さに相応する。
【００３９】
本発明の特徴（１）によれば、正孔インジェクタ中のＧａＳｂ正孔井戸の合わせた厚さは、従来技術（例えば非特許文献９を参照）中の１２０Åから、活性量子井戸領域中の活性ＧａＩｎＳｂ正孔井戸の厚さに相応する約４０Åから約８５Åのはるかに小さい値へ大幅に低減される。
【００４０】
本発明に係るバンド間カスケード利得媒質中では、活性ＱＷｓ２０１は、ＩｎＡｓ活性利得電子量子井戸２０１ｂ及び２０１ｃで囲まれたＧａ１−ｘＩｎｘＳｂ活性利得正孔量子井戸２０１ａを含むことができる。上述のように、電子と正孔は、活性ＱＷｓ２０１中で再結合して光子を生成する。しかしながら、当技術分野で知られているように、場合によっては、電子−正孔の一対からのエネルギーは光子を生成せず、代わりにオージェ再結合として知られているプロセス中で別の電子又は正孔に遷移する。従って、レーザ設計における１つの目標は、非放射崩壊を減らすためにオージェ再結合を抑えて、その結果、発振閾値を減少させることである。
【００４１】
最良の電子−正孔波動関数は、可能な限り薄いＧａＩｎＳｂ正孔井戸２０１ａで獲得される。しかしながら、これは、高温におけるキャリア寿命を支配する無放射オージェ係数の大きさが、波動関数の重なり合いに対応することも望まれるため、必ずしも最適な構成であるということではない。さらに、理論考察は、内部損失及びオージェ係数が、下側の価電子サブバンドの位置での変化に起因して、正孔井戸の厚さへの非単調な（共鳴の）依存性を有することを予測する。従って、最適な正孔井戸の厚さは、放射波長の関数にすることができる。最適正孔井戸幅が何であっても、最近のＮＲＬ試験結果は、少しの正孔が、応用場と電気的注入でそれらの井戸を満たすように、正孔インジェクタ領域中のＧａＳｂ井戸２０２ｂ中の正孔状態が、価電子帯の最上位よりはるかに低いことを確実にすることが重要であることを示している。
【００４２】
従って、本発明の特徴（１）において、正孔インジェクタ領域中のＧａＳｂ正孔井戸２０２ｂは、活性利得正孔量子井戸中のサブバンドと正孔インジェクタの量子井戸との間の間隔ΔＥ≧１００ｍｅＶが保たれるように、活性量子井戸領域中の活性ＧａＩｎＳｂ正孔井戸２０１ｂの厚さに相応する厚さを有する。
【００４３】
本発明のこの特徴（１）における、正孔インジェクタ中のＧａＳｂ正孔井戸の複合厚さは、活性量子井戸領域中の活性ＧａＩｎＳｂ正孔井戸の厚さに相応し、最低約４０Åから最大約８５Åまでの範囲を定めることができる。
【００４４】
例えば、本発明に係るバンド間カスケード利得媒質の１つの典型的実施形態では、活性ＧａＩｎＳｂ正孔井戸の厚さが２０Åのとき、２つのＧａＳｂ正孔井戸２０２ｂのそれぞれの最適な厚さは、それぞれ約１５〜２５Åと２５〜３５Åであり、総厚さは約４０Åから約６０Åである。別の典型的実施形態では、活性ＧａＩｎＳｂ正孔井戸の厚さが３０Åのとき、２つのＧａＳｂ正孔井戸のそれぞれの最適な厚さは、それぞれ約２５〜３５Åと４０〜５０Åであり、総厚さは約６５〜８５Åである。
【００４５】
さらに、この特徴の結果のように改善した性能を得るため、Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ正孔ＱＷ  ２０１ａは、高い成長品質をそのまま維持しながら（例えば、形態論とエックス線の線幅で特徴付けられるように）、できるだけ大きい組成ｘをもつべきである。例えば、上記の最適な厚さは、厚さ１０ÅのＡｌＳｂ障壁がそれらを分離しているＧａＩｎＳｂの活性井戸中で、３５％のＩｎ組成をとる。Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ組成物中のＩｎが他の率である他の実施形態では、活性正孔井戸中のサブバンドと正孔インジェクタの井戸の間のΔＥ≧１００ｍｅＶの間隔が保たれる限り、ＧａＳｂ正孔井戸の最適な厚さは異なっていてもよい。２つの正孔インジェクタ井戸の厚さは、また、それぞれの正孔サブバンドが両正孔井戸をある程度占有ができるように調整して、その応用場を補填できる。
【００４６】
Ｉｎ組成の減少につれて、正孔インジェクタの最適な井戸の厚さは、本発明の好適な実施形態でないが、更に減少する。
【００４７】
正孔井戸の許容最小厚さは、大きいΔＥのための活性領域へのホール輸送における困難性、活性領域から電子インジェクタへの電子トンネリングへの総障壁の厚さの減少、及び段毎に求められるバイアス電圧の増加、により設定される。
【００４８】
本発明に係るこの特徴を備える活性ＱＷｓ２０１を有する利得媒質は、環境付近の、より高い温度で、より小さいオージェ崩壊定数を有し、より低いレーザ発振電流密度閾値を示すことを、ＩＣＬ閾値データの分析は示した。これは、コンピュータモデルで予測された結果と対照的に、より少ない電子と正孔が、レーザ発振閾値に達するのに必要であることを示しているように見える。
【００４９】
特徴（２）−電子インジェクタの最後のＩｎＡｓ井戸の厚さの低減
【００５０】
上記の活性量子井戸領域、正孔インジェクタ領域、及び電子インジェクタ領域を有するバンド間カスケード利得媒質中では、活性領域の近くのインジェクタ中の井戸の幅が小さ過ぎると、電子は、活性ＩｎＡｓ井戸よりむしろ電子インジェクタ中の状態を占めるだろう。
【００５１】
従って、本発明によれば、電子インジェクタ中の電子が所望の振る舞いをするように、活性量子井戸領域中の井戸の厚さに対する電子インジェクタ１０１ｃの電子井戸１１２の厚さを調整できる。本発明のこの特徴（２）の好適な実施形態では、電子インジェクタ１０１ｃの最後の電子井戸１１２の厚さは、次段の活性量子井戸領域中の、より厚い活性ＩｎＡｓ井戸の厚さの８５と１１０％の間であろう。理想的構造に基づくモデリングは、≧１２０％の厚さ比率が、インジェクタ量子井戸中の電子の蓄積を最小にするために十分であろうと示唆しているので、このことは従来技術に記載された厚さに反する。例えば、非特許文献１０を参照されたい。また、電子インジェクタを通した急速で有効なミニバンド輸送を確実にするため、最後の電子インジェクタ量子井戸１１２に隣接する２乃至４つの電子量子井戸１１３の厚さも、相応して減らすべきである。これは、活性電子量子井戸よりむしろインジェクタ中に蓄積する電子の密度を更に減少させるのにも役立つ。
【００５２】
隣接するＱＷｓの厚さは、最後のＱＷ中の最低サブバンドエネルギーとそれに至るＱＷｓ中のそれらの間のアライメントを保つように調整される。エネルギーレベルがアライメントからかなり外れると、電子伝達は阻害され、電子は最後の井戸中にもはや蓄積しないとしても、電子は隣接する井戸中で潜在的に蓄積しうる。閾値で１００ｋＶ／ｃｍの典型的応用場において、他の全ての井戸の厚さが右側に隣接するＱＷｓと比べて約２０〜３０％増やされているのに対して、最後のＱＷの横のＩｎＡｓ  ＱＷの厚さは、最後のＱＷに比べて＜１０％増やされている。これは、最初のＩｎＡｓ  ＱＷが、我々の前特許出願に記載された４０〜５０Åの範囲中に保たれることを許容する。電子インジェクタの最初の井戸の厚さは、１段当たりの１つのエネルギーギャップより少し降下するが、バイアスで閾値キャリア密度に達する必要により決定され、上記考察に影響を受けない。
【００５３】
活性電子ＱＷｓに隣接する電子インジェクタ１０１ｃのＩｎＡｓ  ＱＷｓの厚さの低減は、インジェクタ中に存在する電子の濃度低減の目的を達成する。これは、レーザ発振を得るために、より少ない電子は、電場の適用又は電気的注入によって供給される必要があると暗示する。これは、自由キャリア吸収損失の潜在的減少のため、一般に有益である。
【００５４】
しかしながら、インジェクタ電子状態が、エネルギーにおいて、それらが供給される必要がある活性状態に比べて高く動かされるとき、インジェクタを通した電子伝達の問題が起こり、結果的に装置性能に影響を与えることが懸念される。我々のＩＣＬ設計の経験的反復最適化は、この懸念が上記のインジェクタＱＷの厚さにとって重要でないことを示す。これは恐らく、ＩＣＬなどのバンド間レーザ中のキャリア寿命が１ナノ秒より長い又は近いのに対して、関連する伝達時間がピコ秒程度であり、それ故、構造が観察可能な悪影響なしに電子伝達の効率の実質的低下に耐えうるためである。
【００５５】
従って、本発明に係るバンド間カスケード利得媒質は上記特徴（１）と（２）の１つ以上を含むことができ、そのような利得媒質を組み込むレーザは、以前に開発された利得媒体を用いるレーザより改善された性能を示すだろう。例えば、そのようなレーザは、約２．５から８μｍのｍｉｄ−ＩＲ領域中で、高温下、波長が少なくとも約４．６μｍで、閾値電流密度が約４００Ａ／ｃｍ２で閾値出力密度が約９００Ｗ／ｃｍ２である室温連続波動作で発振できる。
【００５６】
本発明に係る特徴（１）のみ又は特徴（１）と（２）の両方を有する利得媒質を採用するバンド間カスケードレーザ（ＩＣＬ）の改善した性能を図３と４に示す。図３は、従来技術に係る従来のＩＣＬ（円）、特許文献５に記載された特徴のいくつか又は全てを有する利得媒質を採用する使うＩＣＬ（四角）、本発明に係る特徴（１）を有する利得媒質を採用するＩＣＬ（三角）、及び本発明に係る特徴（１）及び（２）の両方を有する利得媒質を採用するＩＣＬ（星）の、各波長におけるレーザ発振閾値に達するのに要する出力密度（ｋＷ／ｃｍ）を示す。図に見られるように、本発明に係る利得媒質を採用するＩＣＬは、閾値に達するために、通常、いずれの他の従来のＩＣＬより低い力密度を、特に４．２μｍを超える長い波長で、要した。
【００５７】
図４は、レーザ効率を支配する内部電力損失を示し、更に、本発明の特徴（１）（三角）又は本発明の特徴（１）及び（２）の両方（星）に係る利得媒質を有するＩＣＬの改善した性能を、あらゆる波長、特に４．２μｍを超える高い波長において、従来のＩＣＬより低い電力損失を示すそのようなＩＣＬと共に示す。
【００５８】
図３及び４に示される、観測された性能の改善は、予測されなかった。活性領域エネルギーレベルのモデリングは、先行技術の、正孔インジェクタ中の、より厚いＧａＳｂ  ＱＷ、及び電子インジェクタの、より厚い最後のＩｎＡｓ  ＱＷが、正孔及び電子が活性量子井戸に移動するよりもインジェクタ領域中に蓄積することを防ぐための適切なエネルギー間隔を提供するだろうと予測した。このモデリングは、本発明の特徴が、閾値電流密度を低下させず、閾値出力密度の低下より上昇を起こすように、事実上閾値電圧を増加させるだろうと予測した。
【００５９】
利点と新しい特徴：
本発明の様々な利点と新しい特徴は、上述の発明の記載で特定された。これらの利点は、本発明又はそれの選択された構成を採用するレーザ試験装置及びレーザの最近の試験の結果によって確認されてきた。
【００６０】
例えば、室温下パルスモードでλ＝４．３〜４．６μｍを発振する５段ＩＣＬは、閾値電流密度が７２９Ａ／ｃｍ２から、特徴（２）の導入で６４２Ａ／ｃｍ２まで、特徴（１）の導入で４９６Ａ／ｃｍ２まで低下することを示した。特徴（１）を利用し、λ＝４．０μｍで動作する５段ＩＣＬは、パルス化室温閾値電流密度を３６６Ａ／ｃｍ２程度に低く示した。閾値電流密度におけるこれらの改善は、より高いｃｗ動作温度へ変わり、出力することを期待される。
【００６１】
活性、正孔インジェクタ、及び電子インジェクタバンド構造の詳細なモデリングは、先行技術より厚いインジェクタＱＷが顕著な不利益を受けないと予測する一方、発明の改良を採用されるときの、向上したレーザ性能に関する実験的上の証拠は不明確でない。考え得る１つの解釈は、インジェクタ中の非一様性又は局在化した欠陥及び活性層の厚さが、理想的構造に基づくモデリングによって予測されるよりも、より大きい電流漏出又はより多くのインジェクタ中のキャリアの積み上げを与えるかもしれないというものである。最後の電子及び正孔インジェクタ量子井戸の厚さを減少させると、非理想的状態から大きく外すことにより、これらの望まない効果は潜在的に低減できた。
【００６２】
特定の実施形態、態様、及び特徴を記載し、説明したが、本明細書に記載した発明がそれらの実施形態、態様、及び特徴にのみ限定されないだけでなく、本明細書に記載し、請求した本源的発明の趣旨と範囲内でのありとあらゆる改良を予期することを当業者は容易に理解できるであろう。そのような組み合わせ及び実施形態の全ては、本開示の範囲内である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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