(57)【要約】  タイプＩＩのＩＣＬおよびタイプＩのＩＣＬの性能、具体的には中赤外波長範囲における性能を向上させる方法を提供する。タイプＩＩまたはタイプＩのＩＣＬの電子インジェクターが大量にｎドープされ、活性量子井戸内における正孔に対する電子の比を増加させることによって、活性量子井戸内での放射再結合の確率を高め、レージングを得るために必要とされる閾値電流密度Ｊｔｈを減少させることができる。タイプＩＩのＩＣＬおよびタイプＩのＩＣＬの両方に関して、ドーピングは１０１２オーダーの低い数値範囲での面積密度を有するべきである。タイプＩＩのケースか、タイプＩのケースのどちらかにおいて、大量ドーピングが電子インジェクターの中央部の量子井戸に集中され得る態様がある一方、シリコンによるドーピングが活性量子井戸に向かって移動し得る態様もある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカスケード化された段を有する活性利得領域を備え、前記カスケード化された段のそれぞれがタイプＩＩの活性利得量子井戸を含み、
その第一の側において前記活性利得量子井戸と隣接する正孔インジェクター領域を備え、前記正孔インジェクター領域が、少なくとも１つの正孔量子井戸を備え、かつ、前記活性利得量子井戸に向けて正孔を注入するように構成され、
前記第一の側の反対側に位置するその第二の側において前記活性利得量子井戸と近接する電子インジェクター領域を備え、前記電子インジェクター領域が、複数の電子量子井戸を備え、かつ、前記活性利得量子井戸に向けて電子を注入するように構成され、第一の段の正孔インジェクターが第二の段の電子インジェクターと隣接し、半金属界面がその間に存在し、
前記電子インジェクター領域内の複数の前記電子量子井戸のうちの少なくともいくつかが、約１．５×１０１２ｃｍ−２から約７×１０１２ｃｍ−２の正味面積ドーピング密度までｎドープされ、
前記電子インジェクター領域におけるｎドープの結果として、前記活性量子井戸における、正孔に対する電子の比が増加する、
ことを特徴とするタイプＩＩバンド間カスケード利得媒質。
【請求項２】
前記電子インジェクター領域が、約１．５×１０１２ｃｍ−２から約２．５×１０１２ｃｍ−２の正味面積ドーピング密度までｎドープされた、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項３】
前記電子インジェクターが十分にｎドープされ、約０．７から約２の間の前記活性量子井戸における電子数／正孔数の比を得る、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項４】
ｎドープされた前記電子量子井戸が、前記電子インジェクターの略中央部に電子量子井戸を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項５】
ｎドープされた前記電子量子井戸が、前記活性量子井戸に直接隣接する、または、前記ドープされたインジェクター量子井戸を離隔する多くとも１つのドープされていないインジェクター量子井戸を有する、電子量子井戸を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項６】
ｎドープされた前記電子量子井戸が、多くとも１つのドープされていないインジェクター量子井戸によって、前記活性量子井戸から離隔された電子量子井戸を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項７】
前記電子インジェクターが、１８０Å〜２００Åの合計インジェクター厚さを有する６つのＩｎＡｓ電子量子井戸を備え、前記半金属界面に隣接するＩｎＡｓ電子量子井戸の厚さが約３０Åであり、
前記電子インジェクターが十分にドープされて、１．５×１０１２ｃｍ−２〜２．２×１０１２ｃｍ−２の範囲の正味面積ドーピング密度を得て、
前記レーザーが、λ＝３．０μｍ〜３．８μｍの範囲の波長において発光するように構成された、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項８】
前記電子インジェクターが、１８０Å〜２００Åの合計インジェクター厚さを有する５つのＩｎＡｓ電子量子井戸を備え、前記半金属界面と隣接するＩｎＡｓ電子量子井戸の厚さが約３５Åであり、
前記電子インジェクターが十分にドープされ、２．０×１０１２ｃｍ−２〜２．５×１０１２ｃｍ−２の範囲の電子面積密度を得て、
前記レーザーが、λ＝５μｍ〜６μｍの範囲の波長において発光するように構成された、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項９】
前記電子インジェクターが約２２０Åの合計インジェクター厚さを有し、前記半金属界面と隣接する電子インジェクター量子井戸の厚さが約４２Åであり、
前記電子インジェクターが、４×１０１２ｃｍ−２〜６×１０１２ｃｍ−２の範囲の合計面積ドーピング密度になるまでｎドープされ、前記ドーピングが前記活性量子井戸に向けて移動し、
前記レーザーが、λ＝３．０μｍ〜３．８μｍの範囲の波長において発光するように構成された、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項１０】
前記電子インジェクターが約１８０Å〜約１９０Åの合計インジェクター厚さを有し、前記半金属界面と隣接する電子インジェクター井戸の厚さが約４２Åであり、
前記電子インジェクターが、２×１０１２ｃｍ−２〜５×１０１２ｃｍ−２の範囲の合計面積密度になるまでｎドープされ、前記ドーピングが前記活性量子井戸に向けて移動し、
前記レーザーが、λ＝５μｍ〜６μｍの範囲の波長において発光するように構成された、
ことを特徴とする請求項１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項１１】
複数のカスケード化された段を有する活性利得領域を備え、前記カスケード化された段のそれぞれがタイプＩの活性利得量子井戸を含み、
その第一の側において前記活性利得量子井戸と隣接する正孔インジェクター領域を備え、前記正孔インジェクター領域が、１つ以上の正孔量子井戸を備え、かつ、前記活性利得量子井戸に向けて正孔を注入するように構成され、
前記第一の側の反対側に位置するその第二の側において前記活性利得量子井戸と隣接する電子インジェクター領域を備え、前記電子インジェクター領域が、複数の電子量子井戸を備え、かつ、前記活性利得量子井戸に向けて電子を注入するように構成され、第一の段の正孔インジェクターが第二の段の電子インジェクターと隣接し、半金属界面がその間に存在し、
前記電子インジェクター領域内の複数の前記電子量子井戸のうちの少なくともいくつかが、約２×１０１２ｃｍ−２から約７×１０１２ｃｍ−２の間の面積ドーピング密度までｎドープされ、
前記電子インジェクター領域におけるｎドープの結果として、前記活性量子井戸における正孔に対する電子の比が増加する、
ことを特徴とするタイプＩバンド間カスケード利得媒質。
【請求項１２】
前記電子インジェクターが、約２００Å〜約２２０Åの合計インジェクター厚さを有し、前記半金属界面に隣接する電子インジェクター井戸の厚さが約４５Åであり、
前記電子インジェクター領域が、約２×１０１２ｃｍ−２〜約３×１０１２ｃｍ−２の範囲の面積ドーピング密度までｎドープされ、
前記レーザーが、λ＝３．０μｍ〜３．８μｍの範囲の波長において発光するように構成された、
ことを特徴とする請求項１１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項１３】
前記電子インジェクターが十分にｎドープされ、０．７から２の間の前記活性量子井戸における電子数／正孔数の比を得る、
ことを特徴とする請求項１１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項１４】
ｎドープされた前記電子量子井戸が、前記電子インジェクターの略中央部に電子量子井戸を備える、
ことを特徴とする請求項１１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項１５】
ｎドープされた前記電子量子井戸が、前記活性量子井戸に直接隣接する電子量子井戸を備える、
ことを特徴とする請求項１１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項１６】
ｎドープされた前記電子量子井戸が、ドープされた前記インジェクター量子井戸を前記活性量子井戸から離隔する多くとも１つのドープされていないインジェクター量子井戸を有する電子量子井戸を備える、
ことを特徴とする請求項１１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【請求項１７】
前記電子インジェクターが、前記電子インジェクター領域の中央部に、それぞれ、約３６Å、３０Åおよび２６Åの厚さを有する３つのＩｎＡｓ電子量子井戸を含み、前記ｎドーピングが前記ＩｎＡｓ電子量子井戸内に集中し、前記電子インジェクターが、約２×１０１２ｃｍ−２〜約３×１０１２ｃｍ−２の範囲の合計面積ドーピング密度を有する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のバンド間カスケードレーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バンド間カスケードレーザー（ＩＣＬｓ）、具体的には、活性量子井戸におけるキャリア密度を設計するために電子インジェクター領域へのドーピングを用いることによるＩＣＬの性能の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
中赤外（「ｍｉｄ−ＩＲ」）スペクトル領域において、具体的には約２．５μｍと６μｍとの間の波長において、発光するレーザー光源の開発への関心はますます増加している。そのようなレーザーは、軍事用途および非軍事用途の両方に対して際立った用途を有している。軍事部門においては、中赤外レーザーは、赤外線誘導ミサイルを妨害し、赤外線誘導ミサイルがそれらの目標に到達するのを妨げるという対応策として極めて有用であり得る。軍事部門および非軍事部門の両方において、そのような中赤外レーザーは、たとえば、化学センシングにおける利用が見受けられ、そのため、環境、医療および国家安全保障への利用に非常に有用であり得る。
【０００３】
このスペクトル領域の短波長側に関しては、タイプＩ量子井戸アンチモン化物レーザーが優れた性能と大きな技術的成熟を得ている。参照文献として非特許文献１が挙げられる。中赤外線の長波長側に関しては、サブバンド間量子カスケードレーザー（ＱＣＬｓ）がレーザー発光の主要なソースとなってきている。参照文献として非特許文献２が挙げられる。
【０００４】
近年、バンド間カスケードレーザー（ＩＣＬ）が、中赤外線の範囲におけるもう一つの有望な半導体コヒーレントソースとして開発されてきている。
【０００５】
最初のＩＣＬは１９９４年にヤン、ルイ博士によって開発された。参照文献として、ヤンによる特許文献１が挙げられる。電子および正孔の放射再結合を介して光子が生成されるという点において、ＩＣＬは、従来型のダイオードレーザーと共通点があるハイブリッド構造としてみなされ得る。しかしながら、一つの注入電子が階段のそれぞれの段において追加の光子を生み出し得るように複数の段が階段状に積み重ねられるという点において、それはまた量子カスケードレーザーと共通点がある。参照文献として、非特許文献３、Ｃａｐｐａｓｏらによる特許文献２が挙げられる。
【０００６】
ＩＣＬのそれぞれの段は、活性量子井戸領域、正孔インジェクター領域、および電子インジェクター領域で構成されている。少なくとも１つの光子エネルギー
【数１】
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の量子による、より低いカスケードのそれぞれの連続する段に対して十分な電圧を印加することによって、および、エネルギーを有する光子をそれが放出した後に、インジェクター領域を介して次の段に電子が飛ぶことを可能にすることによって、光子カスケードが実現される。参照文献として、非特許文献４、メイヤーらによる特許文献３が挙げられる。
【０００７】
ＩＣＬはまた、従来型の半導体レーザーがするのと同じように、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、光子の放出に続く価電子帯における電子占有状態が、伝導帯と価電子帯との間の、半金属または近半準金属重ね合わせとの境界線において導電帯に再注入されることを必要とする。同一の量子井戸層における電子波動関数および正孔波動関数がピークを迎えるタイプＩ遷移を用いるＩＣＬもまた開発されてきているが、いままでのほとんどのＩＣＬは、電子波動関数および正孔波動関数が、隣接する電子（概して、ＩｎＡｓ）量子井戸および正孔（概して、Ｇａ（Ｉｎ）Ｓｂ）量子井戸のそれぞれにおいてピークを迎えるタイプＩＩ活性遷移を用いる。参照文献として、メイヤーらによる特許文献３が挙げられる。
【０００８】
タイプＩＩのＩＣＬにおける波動関数の重ね合わせを増大させるために、２つのＩｎＡｓ電子井戸がＧａ（Ｉｎ）Ｓｂ正孔井戸の両側にしばしば配置され、いわゆる「Ｗ」構造を作る。加えて、両方のキャリアのタイプの良好な閉じ込めを提供するために、伝導帯と価電子帯との大きなずれを有するバリア（概して、Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ）が「Ｗ」構造を取り囲み得る。参照文献としてメイヤーらによる特許文献４が挙げられ、それは本発明と共通する発明者を有する。基本的なＩＣＬ構造に対するさらなる改良は、正孔インジェクターを形成するために１つより多い正孔井戸を用いることを含む。参照文献として、メイヤーらによる特許文献３が挙げられる。
【０００９】
ＩＣＬの設計に対する初期のさらなる改良は、非特許文献５、非特許文献６および非特許文献７に記載されているものをも含む。
【００１０】
しかしながら、最初のＩＣＬの性能は、理論的な期待からはかなり遠く外れていた。特に、高温における閾値電流密度は極めて高く（パルスモードにおいては室温で５〜１０Ｋａ／ｃｍ２）、比較的多くの数の段に関しては１〜２Ｋａ／ｃｍ２まで少しずつ段階的にしか落ちず、それがそれらのデバイスの室温連続波（ｃｗ）を妨げていた。
【００１１】
より最近では、アメリカ合衆国海軍研究所（ＮＲＬ）の研究者が、所定の段の中における正孔インジェクター領域の構成、所定の段の中における活性量子井戸の構成、所定の段の中における電子インジェクター領域の構成、複数の段を備える活性利得領域の構成、および／または、分離閉じ込め領域の構成を調整することによって、ある設計変更を考察し、試験した。これらの設計変更はＩＣＬの性能を劇的に向上させ、閾値電流密度は約４００Ａ／ｃｍ２まで低下し、閾値電力密度は約９００〜１０００Ｗ／ｃｍ２まで低下した。参照文献として、ブルガフトマンらによる特許文献５、２０１１年２月９日に出願されたブルガフトマンらによる米国特許出願第１３／０２３６５６号明細書、２０１２年１月１９日に出願されたブルガフトマンらによる米国特許出願第１３／３５３７７０号明細書が挙げられ、それらの全ては、本発明と共通する発明者を少なくとも１人共有する。結果として、２０１０年初頭に、ＮＲＬのデバイスは、７２℃という最大のｃｗ動作温度に到達し、その温度はいかなる場所で設計されたいかなるＩＣＬよりも６０℃高かった。
【００１２】
ＩＣＬの性能に対するさらなる向上へ向けてのＮＲＬの研究は継続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５５８８０１５号明細書
【特許文献２】米国特許第５４５７７０９号明細書
【特許文献３】米国特許第５７９９０２６号明細書
【特許文献４】米国特許第５７９３７８７号明細書
【特許文献５】米国特許第８１２５７０６号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】T. Hosoda, G. Kipshidze, L. Shterengas and G. Belenky, “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. Lu, Y. Bai, N. Bandyopadhyay, S. Slivken, and M. Razeghi, “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】S. Slivken, Y. Bai, S.B. Darvish, and M. Razeghi, “Powerful QCLs eye remote sensing,” Compound Semiconductor, pp. 22-23(2008)
【非特許文献４】J.R. Meyer, I. Vurgaftman, R.Q. Yang and L.R. Ram-Mohan, “Type-II and type-I interband cascade lasers,” Electronics Letters, Vol. 32, No. 1 (1996), pp. 45-46 (“Meyer 1996”)
【非特許文献５】R.Q. Yang, J.D. Bruno, J.L. Bradshaw, J.T. Pham and D.E. Wortman, “High-power interband cascade lasers with quantum efficiency > 450%,” Electron. Lett. 35, 1254 (1999)
【非特許文献６】R.Q. Yang, J L. Bradshaw, J.D. Bruno, J.T. Pham, and D.E. Wortman, “Mid-Infrared Type-II Interband Cascade Lasers,” IEEE J. Quant. Electron. 38, 559 (2002)
【非特許文献７】K. Mansour, Y. Qiu, C.J. Hill, A. Soibel and R.Q. Yang, “Mid-infrared interband cascade lasers at thermoelectric cooler temperatures,” Electron. Lett. 42, 1034 (2006)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本概要は、発明の詳細な説明にさらに記載される概念の選択を、簡素化された形態で紹介することを意図したものである。本概要は、請求項に記載された主題の要点または本質的な特徴を特定することを意図するものでも、請求項に記載された主題の範疇を決定する際の一助として用いられることを意図するものでもない。むしろ、本明細書において記載され、請求項に記載された主題の簡潔な概説としてのみ述べられるものである。
【００１６】
本発明は、タイプＩＩのＩＣＬ（バンド間カスケードレーザー）およびタイプＩのＩＣＬの性能、具体的には中赤外線波長範囲における性能を向上させる方法を提供する。
【００１７】
本発明のいくつかの態様によれば、タイプＩＩのＩＣＬの電子インジェクターが大量にｎドープされ、活性量子井戸内の正孔に対する電子の比を増加させ得ることによって、活性量子井戸内での放射再結合の確率を上昇させ、レージングを得るために必要とされる閾値電流密度Ｊｔｈを減少させることができる。ドーピング面積（Ｓｈｅｅｔ）密度は約１．５×１０１２ｃｍ−２から約７×１０１２ｃｍ−２の範囲にあるべきであり、いくつかのケースにおける最良の結果は、約１．５×１０１２ｃｍ−２から約２．５×１０１２ｃｍ−２の範囲のドーピングによって得られる。
【００１８】
本発明の他の態様によれば、タイプＩのＩＣＬの電子インジェクターもまた大量にｎドープされて、活性量子井戸内の電子数と正孔数とをほぼ等しくし得る。タイプＩのＩＣＬに関しては、いくつかのケースにおいては、約２×１０１２ｃｍ−１から約３×１０１２ｃｍ−１の範囲のドーピングが最良の結果を実現し得るが、ドーピングは約２×１０１２ｃｍ−２から約７×１０１２ｃｍ−２の面積密度を有するべきである。
【００１９】
タイプＩＩのケースおよびタイプＩのケースの両方において、タイプＩの電子インジェクター内のドープされたＱＷ（量子井戸）の数は変化し得て、電子インジェクターの中央部のＱＷにドーピングが集中し得るか、ドーピングの最適活用を実現するように次の段の活性量子井戸に向けてドーピングが移動し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】タイプＩＩバンド間カスケードレーザーの一つの段に対する選択された電子および正孔のサブバンドに関する計算されたバンド図および確率密度プロファイルを示す図である。
【図２】図１に示された積層構造を有する、従来技術に由来する従来型のバンド間カスケードレーザー内部の位置の関数としての対応する電子（ｎ）および正孔（ｐ）の電荷密度を示す図である。
【図３】本発明の第一の態様に係るタイプＩＩバンド間カスケードレーザーに関する位置の関数としての電子（ｎ）および正孔（ｐ）の電荷密度を示す図である。
【図４】中程度のドーピングレベル（図中、最下部）を有する従来技術に由来する３つの例示的なタイプＩＩバンド間カスケードレーザー、および、本発明に係るかなり多くのドーピングを有する５つのタイプＩＩバンド間カスケードレーザーのインジェクター量子井戸内のＳｉドーピングレベルの関数としての測定された閾値電流密度のグラフ図である。
【図５】本発明に係るバンド間カスケードレーザー、および、従来技術に係るバンド間カスケードレーザーの測定された閾値電力密度を示すグラフ図である。
【図６】本発明に係るバンド間カスケードレーザー、および、従来技術に係るバンド間カスケードレーザーの測定された内部損失を示す図である。
【図７】本発明の他の態様に係るタイプＩバンド間カスケードレーザーの一つの段に対する選択された電子および正孔のサブバンドに関する計算されたバンド図および確率密度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
上記に要約された本発明の態様および特徴はさまざまな形態で具現化され得る。以下の記載は、例証によって、態様および特徴が実現され得る組み合わせおよび構成を示すものである。記載された態様（ａｓｐｅｃｔｓ）、特徴、および／または態様（ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）は単なる例示にすぎず、当業者が、他の態様（ａｓｐｅｃｔｓ）、特徴、および／または態様（ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）を用い得ること、または、当業者が、本開示の範疇から外れることなく、構造的および機能的な修正を行い得ることが理解される。
【００２２】
いままで、ＩＣＬを設計する際に用いられたプロセスは、活性量子井戸における電子密度および正孔密度が閾値でほぼ均衡することを当然のこととしてきた。本発明の発明者は、部分的にこの仮定を確認するために、バンド構造および光学利得のｋ・ｐ摂動と、電子濃度および正孔濃度の空間プロファイルの統計的解析とを組み合わせたＩＣＬ動作の詳細なモデルを開発してきた。これらのモデルの結果に基づいて、本発明者は、従来の最高水準の設計においては、閾値正孔密度が対応する電子密度よりもはるかに大きいことを発見してきた。従来型の設計におけるそれぞれの段のｎドーピングにもかかわらず、結果として生じる電子のほとんどが、活性ＱＷよりもむしろ電子インジェクターに存在する一方、正孔のかなり大きな割合が活性量子井戸に存在するために、これが起こる。本発明よりも前に組み立てられた、または、設計された全ての既知のＩＣＬに関して、これがあてはまってきている。
【００２３】
本発明は、活性量子井戸における相対的な電子密度を上昇させることによってタイプＩＩバンド間カスケードレーザー（ＩＣＬ）およびタイプＩバンド間カスケードレーザー（ＩＣＬ）の性能を向上させ、それゆえに、所定の注入電流密度に対して得られる利得を増加させ、オージェプロセスによる非放射再結合の割合を減少させる。現在のところ、用語「ＩＣＬ」は、バンド間カスケード利得媒質、および、バンド間カスケード利得媒質を包含するレーザーの両方を指すために本明細書において用いられ、そのような利得媒質およびそのようなレーザーの両方が、本明細書の開示の範疇および精神の範囲内にあることが期待される。
【００２４】
タイプＩＩのケースおよびタイプＩのケースの両方において、およそ一桁違うほど電子インジェクター内のｎ型ドーピング密度を増加させることによって、向上した性能が実現され、それは、それが閾値に達した時、デバイスの活性量子井戸内の電子密度と正孔密度との間のバランスを急激に変化させる効果を有する。本発明の発明者による光学利得の算出は、ある程度までは、閾値における正孔に対する電子の密度比を増加させることもまた、閾値電流密度を顕著に減少させるはずであることを確認する。分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって新しい設計に至ったＩＣＬが、一貫して、実質的により低い閾値およびより高い効率を表してきた時に、本発明のこの基本的な考えが劇的に確認された。
【００２５】
そのため、本発明のいくつかの態様に従って、活性量子井戸における電子数を実質的に増やすために電子インジェクター領域のｎドーピングを大幅に増加させることによって、タイプＩＩのＩＣＬの性能が向上し得る。以下により詳しく述べられるように、いくつかの態様においては、電子インジェクターの中央部の量子井戸に大量のドーピングが集中し得る一方、他の態様においては、次の段の活性量子井戸に近い電子インジェクターの終点に向けて（例：図３に示されるように右側に向けて）、ドーピングがシフトし得る。ドーピングの面積密度は約１．５×１０１２ｃｍ−２〜約７×１０１２ｃｍ−２の範囲になるはずであり、いくつかのケースにおける最良の結果は、約１．５×１０１２ｃｍ−２〜２．５×１０１２ｃｍ−２の範囲におけるドーピングによって実現される。
【００２６】
図１は、λ＝３．７μｍで発光するように設計された例示用のモデル化されたタイプＩＩのＩＣＬの一つの段における選択された電子および正孔のサブバンドに対する、計算されたバンド図、電子波動関数および正孔波動関数を示す。図２は、図１に示された構造を有し、従来技術に係るドーピングレベルを有するＩＣＬの内部におけるそれらのそれぞれの位置の関数として、対応する電子電荷密度ｎおよび正孔電荷密度ｐのグラフ図である一方、図３は、本発明に係るドーピングレベルを有するタイプＩＩのＩＣＬに関する電子密度および正孔密度の態様を示す。
【００２７】
それゆえ、図１はＩＣＬの要素を示し、それは、ＩＣＬの第一の段の活性ＱＷ１０１ａおよび１つ以上の正孔量子井戸からなる正孔インジェクター１０２と、ＩＣＬの第二の段の電子インジェクター１０３および活性ＱＷ１０１ｂを含む。当該技術分野で知られているＩＣＬの動作の原理に従い、電子インジェクター（電子インジェクター１０３と同一の構造を有するが図示せず）からの電子と、正孔インジェクター１０２からの正孔とが、活性ＱＷ１０１ａに注入される。注入された電子と正孔は、光子を放出することによって活性ＱＷ１０１ａ内で再結合する。ついで、電子は正孔インジェクター領域１０２を通って電子インジェクター１０３へと透過し、次の段の活性ＱＷ１０１ｂ内に注入され、対応する正孔インジェクターからの正孔と再結合される。参照文献として、非特許文献４およびメイヤーらによる特許文献３が挙げられる。
【００２８】
電子波動関数１０６によって示されるように、正孔インジェクターに最も近い電子インジェクター（例：電子インジェクター１０３内の波動関数１０５）の状態が、隣の活性ＱＷ１０１ｂにおける電子状態よりも低いエネルギーを有することが図１から理解され得る。結果として、注入された電子のほとんどが活性量子井戸１０１ｂに移動するよりもむしろ電子インジェクター領域１０３に残り、そこでそれらはその段で注入された正孔と再結合するために利用可能であり得る。他方、注入された正孔のほぼ全ては活性正孔量子井戸に移動しつつ、ほんのわずかな割合の正孔のみが正孔インジェクター１０２に残る。その結果、活性ＱＷにおける電子と正孔とのアンバランスが起こり、それによって、高い割合でオージェ再結合が起こり、レージングを得るためにより高い閾値電流密度が必要になる。
【００２９】
図２に示されるグラフはこの現象を例示する。図２は従来技術に係るＩＣＬを示し、そこでは電子インジェクターが中程度にドープされている。それゆえ、図２に示すように、それぞれ４２Å、３２Å、２５Å、２０Åの厚さを有する４つの電子インジェクターのＩｎＡｓＱＷが、４×１０１７ｃｍ−３のドナー密度を有するようにｎドープされ、合計の面積ドープ密度は４．８×１０１１ｃｍ−２となる。電子インジェクターと正孔インジェクターとの間の半金属界面１０７はバイアス電圧を増加させつつ追加の電荷平衡したキャリア密度（電子および正孔に関して同一）を生成し得るが、この面積ドープ密度は室温における閾値キャリア密度よりも低い。これらの場生成キャリア密度は、電場だけでなく電子インジェクター内の個々の井戸の厚さによって変わり、１０１２ｃｍ−２のオーダーであり得る。
【００３０】
図２におけるグラフに示すように、電子面積密度と正孔面積密度との比Ｎｓ／Ｐｓは、活性量子井戸における１よりもかなり小さくなる。そのため、合計電子面積密度が合計正孔面積密度を上回らなければならないことを電荷平衡は示唆するが、図２は、多くの余剰電子は活性量子井戸よりもむしろ電子インジェクター内に残り、およびそれゆえに利得に寄与しないことを示唆する。活性量子井戸におけるｎの値と比較して電子インジェクター内の電子電荷密度のｎのグラフにおける相対ピークによって、これは確認される。
【００３１】
この効果の原因は以下のように理解される。印加された電圧をうまく利用するために、ＩＣＬのステージごとの電圧降下は光子エネルギー
【数２】
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に近いことが望ましい（実際、空洞損失の存在が、約１０〜１５ｍｅＶだけ
【数３】
2013527629.tif 000005
よりも電圧降下を大きくする）。それゆえ、図１に示されるように、ある段の活性量子井戸１０１ａ内の重い正孔サブバンドの頂部が、次の段における活性電子サブバンド１０６の底部とちょうど一致する。ほとんどの電子をインジェクターから減少させ、それらが活性量子井戸に移動できるようにするために、電子インジェクター内の電子サブバンドを数ｋＴだけ上昇させる必要があるだろう。
【００３２】
しかしながら、デバイス内の正孔のみが、正孔インジェクターと電子インジェクターとの間の半金属界面１０７から出てくるので、正孔が活性量子井戸に存在することを確保するために、その界面におけるエネルギー重ね合わせ（活性正孔量子井戸内の正孔サブバンドの頂部と、電子インジェクター内の最低電子エネルギーとの間の差）は約３０ｍｅＶに保たれるべきである。もしエネルギー重ね合わせが消滅するならば、多すぎる正孔が正孔インジェクター内に存在し過ぎるようになり、およびそれゆえに活性正孔量子井戸内に存在する正孔があまりにも少なくなるだろうから、バンド間放射遷移はかなり弱くなるだろう。しかしながら、電子インジェクターの状態はエネルギーが低く、およびそれゆえに活性量子の状態よりも被占される傾向にあるので、このエネルギー重ね合わせは上述のように活性量子井戸における正孔の移動に有益である一方、ほとんどの電子が活性量子井戸よりもむしろインジェクター内に存在し、およびそれゆえに正孔と再結合して利得を得るために利用することができない。
【００３３】
以下に詳述されるように、本発明に係るＩＣＬ設計に関する向上は、活性量子井戸における電子密度と正孔密度との間のよりよいバランスをもたらし、放射再結合およびそれゆえにレージングが、より高い効率のための、より低い閾値電流およびより低い損失によって実現され得る。
【００３４】
活性量子井戸における電子面積密度Ｎｓと正孔面積密度Ｐｓそれぞれの間の最適バランスは、支配的な再結合メカニズム、相対的な自由キャリア吸収断面積、必要とされる閾値利得、伝導帯および価電子帯における相対的な状態密度のような因子によって決まる。２５０Ｋを超える熱電冷却温度、それは中赤外レーザーの実用的応用に必要とされる、において、非放射オージェ再結合が他の全ての再結合プロセスを強く支配することが知られている。オージェ再結合によって制限される閾値電流密度に関する単純なモデルが以下の式である。
Ｊｔｈ＝ｑγ３［ｒＮｓ２Ｐｓ＋（１−ｒ）ＮｓＰｓ２］／（ｄ２ηｉ）
ここで、γ３は、Ｎｓ＝Ｐｓの場合の正味（ｎｅｔ）オージェ係数である。ｒは、多電子過程から生じるオージェ再結合の割合である。ηｉは内部効率であり、それはＩＣＬにおける空洞長さ測定から知られ、７０〜８０％の範囲に入る。ｄは、オージェ係数が標準の三次元単位で表現される場合に必要とされる正規化長さである。
【００３５】
オージェ再結合が支配的である時、最適な電子密度および正孔密度は、多電子プロセス対多正孔プロセスに関する相対的なオージェ速度によって定義される。速度が多正孔プロセスよりかなり速い場合には（ｒ→０）、正孔よりも多くの電子を有することが好ましい一方、多電子プロセス（ｒ→１）に関しては、より多くの正孔を有することが好ましい。
【００３６】
上述された考察はさておき、実際のデバイスにおいては、自由キャリア吸収断面積が電子や正孔によって異なるので、内部損失もまた、おそらくは複雑な方法で、相対的なキャリア密度によって決まる。室温において必要とされる光学利得は、内部損失の測定、および、パルスモードにおける測定された閾値電流密度から推定され得る。
【００３７】
本発明の発明者は、活性サブバンドに対する電子インジェクター内のいくつかの高位サブバンドを上昇させることによって、インジェクター内に存在する電子数を減少させ得ることに以前から気づいていた。参照文献として、米国特許出願第１３／０２３６５６号明細書が挙げられる。しかしながら、いくつかのインジェクター状態が依然として活性状態よりもエネルギーが低く、電子がこれらのインジェクター状態に残りがちだったため、注入された電子のうちの好適な数が活性量子井戸に移動することを確保するためには、これは不十分である。
【００３８】
そのため、これらの課題を解決するために、本発明のいくつかの態様によると、タイプＩＩのＩＣＬにおける電子インジェクターが以前用いられていたどのレベルをもはるかに超えて極めて大量にｎドープされ得て、たとえ合計電子数のほとんどがインジェクターに残ったとしても、電子密度はそれでもなお活性ＱＷ内の正孔密度を超える。好ましい態様においては、ドーパントはシリコンであり、面積ドーピング密度は約１．５〜２．５×１０１２ｃｍ−２の間であるが、もちろんテルルのような他のドーパントおよび／または７×１０１２ｃｍ−２までのいくぶん高いドーピング濃度が好適に用いられ得る。
【００３９】
図３は、本発明に係る大量にｎドープされたＩＣＬの構造の例示的態様を示す。図２に示すＩＣＬにみられるように、図３に示すＩＣＬの電子インジェクターは、それぞれ３２Å、２５Å、２０Å、１７Åの厚さを有するＩｎＡｓ電子量子井戸を含む。本発明によれば、これらの電子量子井戸は大量にｎドープされ、約４．７×１０１２ｃｍ−２の合計面積ドーピング密度となる。図３に示す態様においては、図２に示す従来のＩＣＬにみられるように、ｎドーピングは、電子インジェクター領域の中央部にある４つのＱＷに集中する。
【００４０】
図２のように、図３は、ＩＣＬ構造内の異なる位置における電子（ｎ）電荷密度および正孔（ｐ）電荷密度のグラフを含む。図３に示されるｎのグラフおよびｐのグラフと、図２に示す従来技術のＩＣＬに関する対応するグラフとの比較は、本発明に係る電子インジェクターの大量ドープの恩恵を明確に示す。図２に示すＩＣＬにおいては、正孔面積密度Ｐｓが活性ＱＷ内の電子面積密度Ｎｓを実質的に上回る一方、図３に示すＩＣＬにおいては、大量ドープの結果、電子面積密度Ｎｓが活性ＱＷ内のＰｓよりもわずかに上回り、それが電子と正孔との間のより好適なバランスを示している。
【００４１】
そのため、当業者によって容易に理解されるように、本発明によれば、電子インジェクターのドーピング密度を調整することによって、活性量子井戸内の電子密度および正孔密度が最適化され得る。
【００４２】
本発明に係る電子インジェクターＱＷの大量ｎドープの効果を試すために、異なるドーピング密度を有する一連のサンプルが、作られ（ｇｒｏｗｎ）、加工され、特性を評価され、以下に示す表１にまとめられる実験結果を得た。
【００４３】
【表１】
2013527629.tif 000006
【００４４】
表１を作成するために実験された全てのケースにおいて、複数のＩｎＡｓＱＷとＡｌＳｂバリアとを交互に備える電子インジェクターを有する、図１、図２および図３に示されるような構造をＩＣＬは有した。サンプル１〜３は、従来技術の中程度のインジェクタードーピングによる従来型のＩＣＬ設計を用いて作られた。サンプル４〜７においては、電子インジェクターの中央部にある４つのＩｎＡｓＱＷが図３に示すようにドープされた。サンプル８、最終的な、かつ、もっとも大量にドープされたサンプル、においては、電子を活性量子井戸により効率的に移動させるために、電子インジェクターの最後の２つのＩｎＡｓＱＷのみがドープされた。
【００４５】
以下に詳述されるように、本発明によれば、電子インジェクターのドーピング密度を調整することによって、活性量子井戸内の閾値電子密度（Ｎｓｔｈ）および閾値正孔密度（Ｐｓｔｈ）が得られ得る。これらの設計のそれぞれに対する閾値電子面積密度および閾値正孔面積密度は閾値利得において計算され、それは、測定された内部損失α１と、被覆されていないファセットを伴う２ｍｍのキャビティに対する４．５ｃｍ−１のミラー損失との和と等しい。ＩＣＬコアの好適な光学閉じ込め因子を用いて光学利得が計算された。これらのデバイスの発光波長が３．６７μｍから４．０１μｍの間である一方、これらおよび初期のデバイスはこの範囲内の波長に対する弱い従属性を示してきており、そのため、簡潔性のために、我々は、それらの全てに対して同一波長を仮定した。
【００４６】
表１に示される閾値における計算された電子密度および正孔密度を用いて、本発明者は、上記に記されたオージェ限界閾値電流密度に関する表現を用いて、観察された閾値キャリア密度に対する２つのパラメーターフィット（ｒ、γ３）を行い、成長方向に沿ったｄ＝１００Åの公称正規化長さを用いて、二次元のオージェ係数を三次元の形態のγ３に変換した（バルク材料との直接的な比較）。ｒ＝０．５１（多電子オージェプロセスと多正孔オージェプロセスとの間の略一致を示唆する）およびγ３＝３．１×１０−２７ｃｍ６／秒を用いることによって、最もよいフィットが得られた。本発明者はまた、それらがこのフィット値にｒを固定し、オージェ係数における広がりを推定し得ることを発見し、その結果は、表１の最後の列に示される、それぞれのサンプルに対する値であった。
【００４７】
上の表１に示すように、本発明の好ましい実施の導入によって、室温閾値キャリア密度および内部損失が減少する。減少は、Ｊｔｈのケースにおける２という因子を超えるものと、αｉのケースにおける２という因子に近いものである。
【００４８】
図１に示す結果から、本発明者は、最適化シナリオ（そこでは閾値電流密度Ｊｔｈ、内部損失αｉ、および正味オージェ係数γ３が最小化される）が表１に示すサンプル５およびサンプル６において得られると推測した。そのため、電子インジェクターが４．７×１０１２ｃｍ−２の正味面積ドーピング密度を有する時に、もっとも好ましい特性が得られた。そのドーピングレベルに関しては、活性量子井戸内の閾値電子面積密度Ｎｓｔｈが約７×１０１１ｃｍ−２である一方、活性量子井戸内の閾値正孔面積密度Ｐｓｔｈは約６×１０１１ｃｍ−１である。しかしながら、４μｍよりも長い波長に対して観察されたように、内部損失が顕著に増加する時には、いくぶん高い面積ドーピング密度が必要とされる。
【００４９】
本発明に係るいくつかの態様においては、電子インジェクターの中央部のＱＷにドーピングが集中する。他の態様においては、ドーピングは活性量子井戸に向かって移動し得て、たとえば、活性量子井戸に直接隣接するインジェクター量子井戸のドーピングを含む、または、図３に示される活性量子井戸とドープされた量子井戸とを、ドープされていない１つのインジェクター量子井戸が離隔する。それによって、活性量子井戸それ自体、または、おそらくはそれらと最も近接する井戸が大量にｎドープされた場合に、非放射再結合によってレージングに不良が起こり得ることが予測され得るが、注入された電子の大部分が活性量子井戸に存在するようになる。他の態様においては、井戸およびバリアの両方がドープされ、特定の面積ドーピング密度を得ることができる。
【００５０】
好ましい態様においては、活性量子井戸内の電子数／正孔数の比を、約０．７から約２まで広がるがおおよそ１．３のオーダーにある最適値にもってくるために必要とされる最小量のドーピングによってデバイスを動作させ得るように、インジェクターが設計され得る。最小量のドーピングは、デバイスに対する低減された内部損失に至ることを期待される。しかしながら、本発明者は、これらの状況における操作性の限界をまだ調査しておらず、そのため、これらのガイドラインは、次の段の電子サブバンドが、電子インジェクターの基底サブバンドを１５〜２０ｍｅＶ超えるというシミュレーションに基づいている。将来の実験によって、本発明者は、インジェクターを通しての次の段への良好な電子移動を確保するために必要な最小限の離隔をより正確に狙うことができるだろう。
【００５１】
最適なインジェクター設計は、波長の関数として変化する。本明細書に記載された態様においては、ＩＣＬは３〜６μｍのスペクトル領域で動作するように構成されたが、本発明に係るドーピング原理がより短い波長またはより長い波長で動作するＩＣＬに対して容易に拡大適用され得ることを当業者は容易に理解するだろう。全ての波長において、以下の設計ルールが好ましい態様において保たれる。（１）インジェクター井戸の厚さは半金属界面から次の段の活性量子井戸まで段階的に減少する。（２）活性量子井戸の近くの２つのＩｎＡｓインジェクター井戸の厚さは、最初の活性ＩｎＡｓ井戸の厚さよりも、０〜２Åだけ大きい。（３）インジェクター内のＩｎＡｓ井戸は約１２ÅのＡｌＳｂバリアによって離隔される。
【００５２】
例示的な態様において、半金属界面の隣にあるＩｎＡｓインジェクター井戸の厚さは、６つのインジェクター井戸を伴うλ＝３μｍに対する約３０Åから、５つのインジェクター井戸を伴うλ＝６μｍに対する約３５Åまで変化し、合計インジェクター厚さは１８０〜２００Åである。わずかに異なる数の井戸を有する構造もまた可能である。レーザー性能における顕著な低下なしにこれらのドーピング密度が２０〜３０％の範囲で変化し得るが、最適なインジェクタードーピングは、λ＝３μｍにおける発光に対する約１．８×１０１２ｃｍ−２から、λ＝６μｍにおける発光に対する約２．３×１０１２ｃｍ−２まで変化する合計面積ドーピング密度によって定められる。
【００５３】
いくつかの態様においては、インジェクターの中央における４つまたは３つの井戸を等しくドープすることによって、そのような最適ドーピングが実現され得る。しかしながら、合計面積密度が約１．５×１０１２ｃｍ−２〜約２．５×１０１２ｃｍ−２の範囲に保たれる限り、より少ない井戸またはより多い井戸がドープされた構造もまた可能である。たとえば、λ＝３．７μｍにおける動作に関しては、本発明に係るＩＣＬに関する電子インジェクターが以下の構造を有し得る。１．８×１０１２ｃｍ−２の合計面積ドーピング密度になるように２×１０１８ｃｍ−３までｎドープされた２７Å、２４Å、２０Åおよび１８Åの井戸を伴う、２５ÅのＡｌＳｂ（半金属界面にあり、インジェクターの一部とは数えられない）／３０ÅのＩｎＡｓ／１２ÅのＡｌＳｂ／２７ÅのＩｎＡｓ／１２ÅのＡｌＳｂ／２４ÅのＩｎＡｓ／１２ÅのＡｌＳｂ／２０ÅのＩｎＡｓ／１２ÅのＡｌＳｂ／１８ÅのＩｎＡｓ／１２ÅのＡｌＳｂ／１８ÅのＩｎＡｓ／２５ÅのＡｌＳｂ（出口バリア、インジェクターの一部としては数えられない）。
【００５４】
他の態様においては、本発明に係る設計されたキャリア密度を有するＩＣＬが、ドーピングがいくぶん多い、いくぶん厚いインジェクター領域を有する設計を含み得る。より厚いインジェクター領域およびより大量のドーピングを有するそのような設計は、上述され、かつ、表１に関連する実験研究において用いられ、きわめて好適なレーザー性能を得るという結果を得た。
【００５５】
一つのそのような態様においては、半金属界面の隣にあるインジェクター井戸の厚さは、全ての波長において約４２Åである。λ＝３μｍにおける発光に対しては、合計インジェクター厚さが約２２０Åであり、最適な面積ドーピングレベルが約５×１０１２ｃｍ−２であるべきである一方、発光波長λ＝６μｍにおいては、インジェクターは約１８０〜１９０Åの厚さを有し、約３×１０１２ｃｍ−２の最適な面積ドーピングレベルを有するべきである。より低いドーピングレベルを有する既述の態様と同じようにこれらの態様においては、３つまたは４つの井戸にドーピングをして、活性量子井戸に対して移動させることによって最良の結果が得られた。
【００５６】
図４は、インジェクターＱＷにおけるシリコンの面積ドーピングレベルの関数としての、測定された閾値電流密度Ｊｔｈをグラフ化したものである。図４におけるグラフは、約５×１０１２ｃｍ−２の面積ドーピング密度に対するＪｔｈにおける明確な実験的な最小値を示す。理論的な最小値はいくぶん広いものであり、５×１０１２ｃｍ−２と７×１０１２ｃｍ−２との間の面積密度である。最適化されたドーピングによるＪｔｈの減少の一部は内部損失の付随的減少から起こるが、そのほとんどは、上述された電子数と正孔数との間のもっとも効果的な均衡によるものである。損失はインジェクタードーピングレベルに対して敏感であると理解されるので、従来技術に由来する従来型の設計（大量にドープされた電子インジェクターなし）を伴うＩＣＬにおける損失のかなりの割合がデバイスの活性コアに由来したという一つの暗示がある。これらの実験的結果およびモデル化された結果に基づいて、本発明の好ましい態様は、１．５×１０１２ｃｍ−２〜７×１０１２ｃｍ−２の範囲にある面積ｎドーピング密度を有し、この面積密度範囲を得るために、インジェクターの中央部にある１つから４つの井戸がシリコンでドープされる。
【００５７】
そのため、それらの最近の詳細なバンド構造および統計的モデリングを用いて、本発明者は、全ての既知の従来のＩＣＬ設計に用いられた積層構造およびドーピング構造によって、閾値における対応する電子密度をはるかに超えた活性量子井戸における正孔密度を得られることを見出した。
【００５８】
しかしながら、電子インジェクターのＱＷのいくつかをかなり大量にドーピングすることによってこの好ましくない関係が改善され得ることをも、このシミュレーションは示していた。本発明に従って電子インジェクターを大量にドーピングすることによって、活性量子井戸内の電子密度を、閾値における正孔密度よりもわずかに大きくすることができる。本発明に従う新しい構造に対して測定されたレーザー性能特性が従来技術に由来する設計を用いることによって以前に得られたいかなるものよりもはるかに優れているという点で、本発明を用いるＩＣＬウェハーの次の発展が理論的予測を裏付けてきた。
【００５９】
本発明に係るｎドープ電子インジェクターに由来するＩＣＬの性能の改良は、より高い動作温度、より大きな出力、より高い電力変換効率、および、狭リッジが材料から加工される時のより低い電力消費要求を含む。本発明に従って作られた（ｇｒｏｗｎ）構造の予備実験的研究が、全ての以前のバンド間カスケードレーザーを実質的に超える性能改善を示してきている。
【００６０】
図５および図６におけるグラフが、本発明のいくつかの長所をさらに示す。
【００６１】
図５は、従来技術に従って、および、特許文献５および米国特許出願第１３／０２３６５６号明細書に記載されるような従来技術における発明者の以前の改善に従って作られたレーザーと比較して、本発明に係る、上述の大量にドープされた電子インジェクターを有するレーザーに関する３．０μｍ〜５．６μｍの中赤外線範囲における波長に対する閾値電力密度Ｐｔｈのグラフ図である。図５は、従来技術のいかなる設計と比較しても、本発明に従って作られた全てのレーザーが、全ての波長に関して、閾値電力密度の劇的な低減を見せることを明確に示す。
【００６２】
図６は、同様に、同一の中赤外線範囲における波長に対する内部損失をグラフ化する。図５に示される閾値電力密度に対するほど相違は激しくはないが、それでもなお、図６は、従来技術に従って設計されたレーザーよりも、本発明に従って設計されたレーザーの方が概して内部損失が少ないということを示している。
【００６３】
それゆえ、本発明に係る電子インジェクターの大量ドーピングを介した活性量子井戸における電子数／正孔数の比を再均衡させることによって、単に閾値電流密度だけが向上するよりもむしろ、主要なレーザー性能のフィギュアオブメリットの全てが向上する。
【００６４】
本発明はまた、タイプＩのＩＣＬの活性量子井戸内の電子と正孔との相対的な割合を最適化する一連の設計変更をももたらし、低減された閾値電流密度Ｊｔｈおよび低減された内部損失を伴うレージングが実現され得る。
【００６５】
以下に詳述されるように、タイプＩＩのＩＣＬに関して上述された態様に示すように、本発明に従って、タイプＩのＩＣＬの電子インジェクターもまた大量にｎドープされ、同一の有利な結果とともに、活性量子井戸内の電子と正孔との所望の比を得ることができる。タイプＩのＩＣＬに関しては、いくつかのケースでは約２×１０１２ｃｍ−２から約３×１０１２ｃｍ−２の範囲のドーピングが最良の結果を実現するだろうが、シリコン、テルル、または他の好適なドーパントのいくつかによるｎ型ドーピングは、約２×１０１２ｃｍ−２から約７×１０１２ｃｍ−２の面積密度を有するべきである。
【００６６】
本発明のこれらの態様は、従来技術に由来する全ての高性能ＩＣＬに用いられてきたタイプＩＩのＩｎＡｓ／Ｇａ（Ｉｎ）Ｓｂ活性利得層よりもむしろタイプＩ活性ＱＷを利用するものである。同じ層に局所的に集中する電子および正孔を伴うタイプＩのＩＣＬは、メイヤーらによる特許文献３および非特許文献４に記載されている。関連するタイプＩのＩＣＬもまた実験的に立証された。参照文献として、「S.R. Kurtz, A.A. Allerman, R.M. Biefeld, and K.C. Baucom, “High slope efficiency, ‘cascaded’ midinfrared lasers with type I InAsSb quantum wells,” Appl. Phys. Lett. 72, 2093(1998)」が挙げられる。しかしながら、その立証は当該技術分野の最新の状態と比較するとかなり低い性能を生じさせており、実施された場合、その時代からの理論的な設計は、現在のデバイスと好適に太刀打ちすることは同様にできないだろう。
【００６７】
図７は、室温において３．４μｍで発光するように設計された、本発明に係るタイプＩのＩＣＬの好ましい態様の一例を示す。タイプＩのＩＣＬの本態様は、他の最近のアメリカ合衆国海軍研究所の特許出願の教示に係るタイプＩＩのＩＣＬ用の当該技術分野の現在の状態のタイプＩＩのＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ活性ＱＷの代わりに、ＩｎＧａＡｓＳｂ活性ＱＷを用いる。活性ＱＷは、タイプＩの多重量子井戸中赤外ダイオードレーザーに関する最近の研究に記載されたものと似ている。これらの例として、非特許文献１、「T. Lehnhardt, A. Herrmann, M. Kamp, S. H▼o▲fling, L. Worschech, and A. Forchel, “Influence of GaSb and AlGaInAsSb as Barrier Material on ~2.8 μm GaSb-Based Diode Laser Properties,” IEEE Phot. Tech. Lett. 23, 371 (2011)」、「L. Naehle, S. Belahsene, M. von Edlinger, M. Fischer, G. Boissier, P. Grech, G. Narcy, A. Vicet, Y. Rouillard, J. Koeth and L. Worschech, “Continuous-wave operation of type-I quantum well DFB laser diodes emitting in 3.4 mm wavelength range around room temperature,” Electron. Lett. 47, 46 (2011)」、「S. Belahsene, L. Naehle, M. Fischer, J. Koeth, G. Boissier, P. Grech, G. Narcy, A. Vicet, and Y. Rouillard, “Laser Diodes for Gas Sensing Emitting at 3.06 μm at Room Temperature,” IEEE Phot. Tech. Lett. 22, 1084 (2010)」、および「G. Kipshidze, T. Hosoda, W.L. Sarney, L. Shterengas, and G. Belenky, “High-Power 2.2-μm Diode Lasers with Metamorphic Arsenic-Free Heterostructures,” IEEE Phot. Tech. Lett. 23, 317 (2011)」が挙げられる。
【００６８】
活性ＱＷは別として、本態様はタイプＩＩのＩＣＬ用の従来技術の特徴のほとんどを保持している。１．６％の圧縮歪とともに１００ÅのＩｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓ０．３Ｓｂ０．７ＱＷによって利得が生成され、ＩｎＧａＡｓＳｂＱＷの構成および厚さを調整すること、および、他の好適な調節をインジェクター領域に行うことによって、発光波長は３．０〜４．２μｍの範囲まで容易に伸び得る。たとえば、より長い波長まで操作を伸ばすために、インジェクター井戸の厚さとともに、活性ＱＷ内におけるＩｎとＡｓとの割合が増加させられるべきである（歪のレベルをおおよそ同一に維持しつつ）。ＡｌＳｂバリアが歪のあるＩｎＡｌＡｓバリアによって置換された場合、より長い波長さえも可能である。
【００６９】
図７に示された態様において、２５ÅのＡｌＳｂバリアは、一方にある電子インジェクター、および、他方にある１つ以上の正孔量子井戸からなる正孔インジェクターと、活性ＱＷとを離隔する。本態様における正孔インジェクターは、３０Åおよび４５ÅのＡｌ０．２Ｇａ０．８ＳｂのＱＷからなり、その厚さは調節され、ＩｎＧａＡｓＳｂのＱＷにおける活性正孔サブバンドの最高値よりも約７０ｍｅＶ低い。他の態様においては、同様の厚さを有するＧａＡｓＳｂ正孔井戸またはＡｌＧａＡｓＳｂ正孔井戸が用いられ得る。正孔インジェクターの２つの井戸は、１０ÅのＡｌＳｂバリアによって離隔される。既述されたタイプＩＩのＩＣＬにおいてみられるように、利得を生む電子および正孔は電子インジェクターと正孔インジェクターとの間の半金属界面において生成され、それもまた２５ÅのＡｌＳｂバリアによって離隔される。
【００７０】
本発明者のＩＣＬに関する以前の特許である特許文献５に関する類推によって、電子インジェクターは５つのチャープＩｎＡｓ／ＡｌＳｂのＱＷからなる。例示的態様において、電子インジェクター内の最初のＩｎＡｓのＱＷは４５Åの厚さを有し、最後のＱＷは２５Åの厚さを有する。ＩｎＧａＡｓＡｂにおける価電子帯の上端および伝導帯の下端の位置は少々不確かではあるが（エネルギーギャップにおける不確かさは顕著に小さい一方）、インジェクターの最小サブバンドが活性サブバンドより１５〜２０ｍｅＶだけ低く、インジェクターの最大サブバンドが活性サブバンドより１２０〜１７０ｍｅＶだけ高くなるように、電子インジェクターにおけるＩｎＡｓのＱＷが設計されるべきである。この要求を満たすために、厚さが、最初のＱＷに関しては約３５〜５５Åの間で変化し、最後のＱＷに関しては約２０〜３０Åの間で変化し、他のＱＷの厚さがそれらの数値の間に入る必要があるかもしれないと推測される。以前のＩＣＬに関する特許に記載されたように、ＱＷの厚さが所望の発光波長とともに変化するだろうということも、これは示唆している。１２ÅのＡｌＳＢは、電子インジェクターの全てのＱＷを離隔する。
【００７１】
そのため、本発明のこれらの態様に係る例示的態様においては、それぞれ３６Å、３０Å、２６Åの厚さを有するタイプＩのＩＣＬの３つの中央部のＱＷが、約２．３×１０１２ｃｍ−２の合計面積ドーピング密度となるように約２．５×１０１８ｃｍ−３までドープされる。タイプＩＩの設計と同様に、タイプＩのＩＣＬにおけるドープされたＱＷの数は変化し得て、タイプＩＩの設計と同様に、非放射寿命または他の活性ＱＷの特性に悪い影響を与える多すぎる欠陥を作ることなくなされ得るよう、次の段の活性ＱＷに近くなるようにドーピングがシフトする時に、ドーピングレベルのもっとも良い利用が実現される。
【００７２】
非特許文献１に記載されている技術のようなＩｎＧａＡｓＳｂ活性ＱＷを包含する最近の非カスケードタイプＩダイオードレーザーの長所を、より低い閾値電流密度、および、より低いカスケード配置の抵抗損失と組み合わせることを、本明細書に記載されたタイプＩのＩＣＬは期待されている。従来型の非カスケードタイプＩダイオードにおける高い性能のために正孔閉じ込めを最大化することが求められるＱＷ間における５つのＩｎＧａＡｌＡｓＳｂバリアを調整および大きくする必要性も、それは回避するだろう。さらなる長所は、カスケード構造のインジェクターはより大きな価電子帯のずれをもたらすため、タイプＩのＩＣＬが、従来型の非カスケードタイプＩダイオードに対して可能であるよりも長い波長まで高い性能で動作されるはずであるということである。
【００７３】
要約すると、上述のように、本発明によれば、タイプＩＩのＩＣＬおよびタイプＩのＩＣＬの両方において、活性量子井戸における電子数／正孔数の比を再均衡させることが電子インジェクターの大量ドーピングによって実現され得て、そのような再均衡が、閾値電流密度を向上させるだけでなく、主要なレーザー性能のフィギュアオブメリットの全てをも向上させる。
【００７４】
キャリア再均衡の概念は、バンド間カスケード発光ダイオード（ＩＣＬＥＤｓ）の性能を向上させるためにも適用され得る。ＩＣＬＥＤに関しては、フィギュアオブメリットは、光学利得や光学損失よりもむしろ、所定の電流密度における放射効率である。室温に近い温度での動作を仮定すると、上述に示すように、多電子プロセスおよび多正孔プロセスからの略等しい寄与によって、電流密度がオージェプロセスによってコントロールされる。放射発光が電子面積密度と正孔面積密度との積であるＰｓＮｓに比例する非縮退（ｎｏｎｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ）モデルを用いると、電流密度Ｊが（Ｐｓ＋Ｎｓ）ＰｓＮｓに比例しつつ、放射効率ηが１／（Ｐｓ＋Ｎｓ）に比例するということが得られる。
【００７５】
電子数／正孔数の比Ｒ＝Ｎｓ／Ｐｓに関する結果を表現し、正孔密度を除外して電流密度を選択することで、以下の式が得られる。
［００１］  η（Ｊ）＝ｃ［Ｒ／（Ｊ（１＋Ｒ）２）］１／３
ここで、ｃは定数である。（η／ｃ）３Ｊの量を最大化することによって、所定の電流密度における放射効率の最大値を見出すことができ、それはＲｏｐｔ＝１を生む。それゆえ、この単純なモデルの範囲内では、その恩恵は、レーザーに関する恩恵より劇的ではないが、活性井戸における同一の電子面積密度および正孔面積密度を得るためにインジェクターを注意深く設計し、ドーピングすることによるキャリア再均衡が、ＩＣＬＥＤ効率の最大値を生むことが期待される。キャリア密度が縮退（ｄｅｇｅｎｅｒａｃｙ）に近づき、達するにつれて、放射速度は、Ｒ＜＜１またはＲ＞＞１の時に飽和し、再均衡による向上は非縮退（ｎｏｎｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ）モデルが示すよりも実際にはいくぶん大きなものになるだろう。正孔数に対する電子数の比に関する単位値は、１〜２×１０１２ｃｍ−２の面積ドーピング密度を用いることによって、タイプＩＩレーザーおよびタイプＩレーザーの両方に関する例示的態様において得られ得る。
【００７６】
具体的な態様（ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）、態様（ａｓｐｅｃｔｓ）および特徴が記載され、例示されてきたが、本明細書に記載された本発明がそれらの態様（ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）、態様（ａｓｐｅｃｔｓ）および特徴のみに限定されるものではないことが言及されるべきであり、変形が当業者によってなされ得ることが容易に理解されるべきである。たとえば、本発明の主要な原理を維持しつつ、正確なドーピングプロファイル（すなわち、ドープされた井戸の数とそれらの幅）が変更され得て、少なくとも正孔が存在するのと同じ数の電子数を閾値において確保することによって、それは、活性井戸における電荷バランスを最適化し得る。最適なドーピングレベルおよびドーピングの空間分布は波長によっていくぶん変化し得るが、本発明の長所はいかなる波長においても発光するバンド間カスケードレーザーに適用することが期待される。本明細書に記載された、および、先に出願された特許出願におけるタイプＩＩのＩＣＬのほとんどの変形もまた、タイプＩのＩＣＬに適用可能である。
【００７７】
本出願は、本明細書に記載され、請求の範囲として権利が主張された基本的な発明の精神および範疇の範囲内でのいかなる、かつ、全ての修正を予期するものであり、そのような全ての態様もまた本明細書の開示の範疇および精神の範囲内である。
【００７８】
本出願は、２０１１年４月２０日に出願された米国仮出願第６１／４７７１９１号および２０１２年２月９日に出願された米国仮出願第６１／５９６８７０号に基づく優先権の利益を主張する特許出願である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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