(57)【要約】【課題】量子カスケードレーザ素子において、レーザ出力の制御性及び安定性を向上させる。【解決手段】量子カスケードレーザ素子１は、ＧａＡｓ基板１１とｎ+型ＧａＡｓ層１２と、量子カスケード層１３と、ｐ型ＧａＡｓ層１４と、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５と、第１電極１６と、第２電極１７と、第３電極１８とを備える。ＧａＡｓ基板１１は、半絶縁性基板である。ｎ+型ＧａＡｓ層１２は、ＧａＡｓ基板１１表面上に積層されたｎドープ半導体層である。ｎ+型ＧａＡｓ層１２は、例えば、Ｓｎドープにより電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３であり、また、膜厚は１００ｎｍである。量子カスケード層１３は、ｎ+型ＧａＡｓ層１２の表面上に形成され、半導体超格子を構成する。【選択図】図１
2015012221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブバンド間遷移によってフォトンを放出する半導体超格子を有する量子カスケードレーザ素子であって、
前記半導体超格子への電圧印加とは独立に、前記半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部を備えることを特徴とする、量子カスケードレーザ素子。
【請求項２】
前記電子注入部は、
前記半導体超格子に接しているｐ型半導体層を備えることを特徴とする、請求項１記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項３】
前記電子注入部は、さらに、
前記ｐ型半導体層に接しているｎ型半導体層を備え、
前記半導体超格子への電圧印加とは独立に、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に電圧が印加されることにより、前記半導体超格子に電子を注入することを特徴とする、請求項２記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項４】
窒化物半導体を用いていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項５】
前記ｐ型半導体層は、ＩｎＧａＮを用いていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項６】
前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層のバンドギャップは、前記フォトンのエネルギーよりも大きいことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項７】
前記ｐ型半導体層の厚みは、前記ｐ型半導体層中の電子拡散距離よりも小さいことを特徴とする、請求項３記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項８】
前記ｎ型半導体層のバンドギャップは、前記ｐ型半導体層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする、請求項３記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項９】
基板と、
前記基板と前記半導体超格子との間に形成されたｎドープ半導体層と、
前記ｎ型半導体層の表面に形成され、前記ｎ型半導体層と導通する第１電極と、
前記ｐ型半導体層の表面に形成され、前記ｐ型半導体層と導通する第２電極と、
前記ｎドープ半導体層の表面に形成され、前記ｎドープ半導体層と導通する第３電極とを備え、
前記半導体超格子への印加電圧は、前記第２電極と前記第３電極との間に印加され、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に印加される電圧は、前記第２電極と前記第１電極との間に印加されることを特徴とする、
請求項３記載の量子カスケードレーザ素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか１項に記載された量子カスケードレーザ素子を光源とすることを特徴とする、電磁波発生装置。
【請求項１１】
サブバンド間遷移によってフォトンを放出する半導体超格子を有する量子カスケードレーザ素子の駆動方法であって、
前記半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部からの電子注入量を一定にしたまま、前記半導体超格子への印加電圧を掃引させることにより、前記半導体超格子からのレーザ出力が最大になる最適印加電圧値を決定する電圧決定ステップと、
前記電圧決定ステップにて決定された前記最適印加電圧値に前記半導体超格子層への印加電圧を固定したまま、前記電子注入部から前記半導体超格子への電子注入量を掃引させることにより、前記半導体超格子からのレーザ出力が最大になる最適電子注入量を決定する電子注入量決定ステップとを含むことを特徴とする、
量子カスケードレーザ素子の駆動方法。
【請求項１２】
前記電子注入部は、
前記半導体超格子に接しているｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層に接しているｎ型半導体層とを備え、
前記電圧決定ステップでは、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に印加される電圧を一定にすることにより、
前記電子注入部から前記半導体超格子への電子注入量を一定にし、
前記電子注入量決定ステップでは、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に印加される電圧を掃引させることにより、
前記電子注入部から前記半導体超格子への電子注入量を掃引させることを特徴とする、請求項１１記載の量子カスケードレーザ素子の駆動方法。
【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素子に関し、特に、テラヘルツ波や赤外光を放出する量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法、並びに電磁波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体レーザはバンド間遷移を用いるため、発振波長はそのバンドを形成する半導体レーザ材料によって決まる。それに対し、発光層が超格子で構成された量子カスケードレーザは伝導帯（または価電子帯）のサブバンド準位間の遷移を用いるため、発振波長をその超格子の井戸層、障壁層の厚み及びヘテロ障壁（バンド不連続）により自由に制御することができる。このため、近年、その研究開発が活発に行われている。
【０００３】
例えば、透視や分析に有用なテラヘルツ帯（１〜３ＴＨｚ）はバンド間遷移では困難であり、現実的に使用可能な半導体材料で最も狭バンドギャップを有するＩｎＳｂでも、バンドギャップ値は１７０ｍｅＶであり、そのバンドギャップに対応する発振周波数は約４０ＴＨｚである。そのため、テラヘルツ帯の電磁波を放出するデバイスとして、量子カスケードレーザが提案されている（非特許文献１）。実際、サブバンド間の発光により、１．６ＴＨｚ（６．６ｍｅＶ）の発振が実現されている（非特許文献２）。
【０００４】
図６は、従来のテラヘルツ帯量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例である。縦方向はエネルギー準位を表し、横方向は積層厚み方向を表す。従来の量子カスケードレーザ素子は、半導体超格子６００からなる。本構造では、半導体超格子としてＧａＡｓを井戸層に、ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ１５％）を障壁層に用いている。図中の破線部分が１ユニットであり、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓで１ユニットを構成している。厚みは、各々、４ｎｍ、２．４ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍ、（第５層は第１層に含まれる）である。第１のＧａＡｓ井戸が発光井戸６０１、第２のＧａＡｓ井戸が注入井戸６０３である。本図では３ユニットを示しているが、実際は約１００ユニット積層されている。
【０００５】
この量子カスケード構造には、半導体超格子の両端に電圧源６１０が接続されており、電圧Ｖが印加されているため、バンドが傾斜している。発光井戸６０１の下部サブバンド準位６０１Ｂと注入井戸６０３の上部サブバンド準位６０３Ａが等しくなるように電圧を印加すると、共鳴トンネル現象により発光井戸６０１の電子が注入井戸６０３へ、また注入井戸６０３の電子が発光井戸６０１へ、次々と輸送される。この結果、電子は上から下へ順次流れる。
【０００６】
発光井戸６０１においては、上部サブバンド準位６０１Ａから下部サブバンド準位６０１Ｂに電子が移る時、電子はそのエネルギーを失い、テラヘルツ光を放射する。この放射に関わる時定数τ３は、数ｐｓｅｃのオーダである。
【０００７】
一方、注入井戸６０３においては、上部サブバンド準位６０３Ａと下部サブバンド準位６０３Ｂとのエネルギー差を、半導体超格子を形成する材料のＬＯ（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ：縦光学）フォノンエネルギーと同程度にしておく。具体的にはＧａＡｓの場合、３５ｍｅＶである。このようにしておくと、注入井戸６０３における上部サブバンド準位６０３Ａから下部サブバンド準位６０３Ｂへのエネルギー遷移がＬＯフォノンと共鳴し、サブｐｓｅｃのオーダの時定数τ４で電子のエネルギー遷移が起こる。
【０００８】
この結果、注入井戸６０３の上部サブバンド準位６０３Ａ（＝発光井戸６０１の下部サブバンド準位６０１Ｂ）のエネルギーを有する電子がすばやく消失する。これらのエネルギー遷移における時定数の関係τ３＞τ４により、発光井戸６０１において、上部サブバンド準位６０１Ａにおける電子数が下部サブバンド準位６０１Ｂのそれより多い、所謂、反転分布が生じ、各発光井戸にてレーザ発振が生じる。
【０００９】
一方、量子カスケードレーザ素子は赤外域の波長でも有用に動作する。この場合、サブバンド遷移に十分な大きな伝導帯バンド不連続が必要であり、窒化物半導体材料を用いた例が示されている（特許文献１）。この文献では、発振波長１．５μｍを目指し、ＧａＮとＡｌＮの超格子からなる量子カスケードレーザ素子が述べられている。
【００１０】
なお、以上は基本原理を述べたものであり、実デバイスでは、電子のエネルギー遷移を容易にするため、複数の井戸層／障壁層を挿入することがある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】ネイチャー  ２００２年第４１７巻第１５６ページ（Nature, 2002,vol.417, p.156）
【非特許文献２】アプライド  フィジックス  レターズ  ２００６年第８９巻２３１１２１ページ（AppliedPhysics Letters, 2006, vol.89, p.231121）
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−３１１４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の量子カスケードレーザ素子では、出射光量の制御が難しく、また、高出力化に適さないという課題を有する。以下、本課題について図を用いて説明する。
【００１４】
図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、それぞれ、上述した従来の量子カスケードレーザ素子に電圧Ｖ１、Ｖ２及びＶ３を印加した場合の伝導帯のバンド構造図である。量子カスケードレーザ素子は簡単のため、２つの井戸（発光井戸６０１、注入井戸６０３）及び障壁層６０２から構成されているとし、図６と同様に、発光井戸６０１は上部サブバンド準位６０１Ａ及び下部サブバンド準位６０１Ｂ、注入井戸６０３は上部サブバンド準位６０３Ａ及び下部サブバンド準位６０３Ｂから構成されているとする。電圧はＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３とし、Ｖ＝Ｖ２近傍でレーザ発振が生じるとする。すなわち、Ｖ＝Ｖ２では、下部サブバンド準位６０１Ｂと上部サブバンド準位６０３Ａとが、また、上部サブバンド準位６０１Ａと下部サブバンド準位６０３Ｂとがほぼ同ポテンシャルになり、共鳴トンネル現象により電子が障壁層６０２を通過する。なお上部サブバンド準位６０１Ａと下部サブバンド準位６０３Ｂがほぼ同ポテンシャルになるところは、（図７に描かれた井戸に）隣接した井戸においてである。従って、図７には描かれていない。
【００１５】
Ｖ＝Ｖ１の段階では、図７（ａ）のように発光井戸６０１のサブバンドと注入井戸６０３のサブバンドとはポテンシャルが一致しない。上部サブバンド準位６０１Ａにある電子は、下部サブバンド準位６０１Ｂに遷移するより、上部サブバンド準位６０３Ａに遷移する確率が高くなる。この結果、無効電流が発生する。
【００１６】
Ｖ＝Ｖ２の段階では、図７（ｂ）のように発光井戸６０１のサブバンドと注入井戸６０３のサブバンドとはポテンシャルが一致し、電流が流れる。
【００１７】
Ｖ＝Ｖ３の段階では、図７（ｃ）のように再び発光井戸６０１のサブバンドと注入井戸６０３のサブバンドとはポテンシャルがずれ、発光井戸６０１の電子の波動関数と、注入井戸６０３の電子の波動関数の重なりが減り、障壁層６０２を電子が通過（トンネル）しなくなる。この結果、電流は流れなくなる。
【００１８】
従って、極端に述べれば、量子カスケードレーザ素子はＶ＝Ｖ２の状態でしか流れない。この時の量子カスケードレーザ素子の平均的な抵抗をＲとおけば、Ｉ＝Ｖ２／Ｒの電流が流れる。つまり、量子カスケードレーザ素子は本質的に、特定電圧／電流の時にのみ動作するデバイスである。
【００１９】
図７（ｄ）は、従来の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。実際の量子カスケードレーザ素子では、各サブバンドにはある程度の幅があるため、印加電圧Ｖの増加とともに注入電流が徐々に増加する（図７（ｄ）に記載された領域（ａ）及び領域（ｂ））。しかし、発光井戸６０１のサブバンドと注入井戸６０３のサブバンドとのポテンシャルが一致する前後では、Ｉ−Ｖ特性にキンク（屈曲部）が生じる。キンクより低電流側が図７（ａ）に相当し、無効電流が流れている状態である。一方、キンクより高電流側は、図７（ｂ）に相当し、無効電流が流れない状態である。キンクより高電流側では、本レーザ素子は利得を有し、利得が共振器損失を上回った時点からレーザ出力が得られる。
【００２０】
ここで、図７（ｄ）に記載された領域（ｂ）の状態から、さらに、高出力化のため注入電流を増加させようと、印加電圧を増加させＶ＝Ｖ３の状態とすると、サブバンドのポテンシャルレベルが互いに離れ、急速に電流が流れなくなる（図７（ｄ）に記載された領域（ｃ））。この結果、利得が無くなり出力が低下する。
【００２１】
上述したように、従来の量子カスケードレーザ素子では、最適な印加電圧を決定すると、決定された印加電圧に依存して注入電流及び注入電流量に応じたレーザ出力量が同時に決定されてしまう。よって従来の量子カスケードレーザ素子は、テラヘルツ放射光量の制御が困難であり、レーザ出力の安定性に乏しく、また、高出力化に適さない。
【００２２】
上記課題に鑑み、本発明は、量子カスケードレーザ素子において、レーザ出力の制御性及び安定性が高く、高出力可能な量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法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】
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明に係る量子カスケードレーザ素子は、サブバンド間遷移によってフォトンを放出する半導体超格子を有する量子カスケードレーザ素子であって、前記半導体超格子への電圧印加とは独立に、前記半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部を備えることを特徴とする。
【００２４】
上記構成をとることにより、半導体超格子に印加される電圧値を一定にして各サブバンドのポテンシャルレベルを固定した状態で電子注入量を独立に制御できるので、レーザ発振出力の安定性及び高出力化を実現することが可能となる。
【００２５】
また、前記電子注入部は、前記半導体超格子に接しているｐ型半導体層を備えることが好ましい。
【００２６】
これにより、例えば外部からの光励起などによってｐ型半導体層で生成された伝導帯電子を、半導体超格子に印加される電圧とは独立に、当該半導体超格子に注入することが可能となる。よって、半導体超格子に流れる電流を制御でき、レーザ発振出力の制御性が向上する。
【００２７】
また、前記電子注入部は、さらに、前記ｐ型半導体層に接しているｎ型半導体層を備え、前記半導体超格子への電圧印加とは独立に、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に電圧が印加されることにより、前記半導体超格子に電子を注入することが好ましい。
【００２８】
これにより、電圧半導体超格子に印加される電圧とは独立に、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に電圧を印加することによりｎ型半導体層からｐ型半導体層に注入された電子を、当該半導体超格子に注入することが可能となる。よって、半導体超格子に流れる電流を制御でき、レーザ発振出力の制御性が向上する。
【００２９】
また、量子カスケードレーザは窒化物半導体で構成されていることが望ましい。窒化物半導体はバンド不連続が大きく発振波長の設計自由度が増える特徴に加え、熱伝導率が高く、素子内の無効電力による発熱を容易にヒートシンクに逃がすことができるのでレーザ動作が安定化し、レーザ発振出力の制御性が向上する。
【００３０】
また、ＧａＮに比べて、ＩｎＧａＮを用いることによりｐ型層を、約一桁低抵抗にすることができる。したがって、本発明におけるｐ型層をＩｎＧａＮにすることにより、素子内のジュール発熱を抑制することができ、レーザ発振出力の制御性が向上する。
【００３１】
また、電子を注入するｐ層、ｎ層のバンドギャップは、本量子カスケードレーザの出射フォトンのエネルギーよりも大きなことが望ましい。
【００３２】
これにより、電子を注入するｐ層、ｎ層による出射フォトンの吸収が無くなり、レーザ発振出力の制御性が向上する。
【００３３】
また、前記ｐ型半導体層の厚みは、前記ｐ型半導体層中の電子拡散距離よりも小さいことが好ましい。
【００３４】
これにより、ｐ型半導体層が、ｐ型半導体層の電子拡散距離よりも薄いので、半導体超格子への電子注入効率を向上させることが可能となり、無効な電力が減少し、レーザ発振出力の制御性が向上する。
【００３５】
また、前記ｎ型半導体層のバンドギャップは、前記ｐ型半導体層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。
【００３６】
ｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎ接合部では、電子と正孔の相互注入が生じる。この構成により、上記ｐｎ接合部では、ｎ型半導体層のバンドギャップの方がｐ型半導体層のバンドギャップよりも大きいので、正孔よりも電子の注入を大きくすることができ、半導体超格子への電子注入効率を向上させることが可能となる。
【００３７】
また、さらに、基板と、前記基板と前記半導体超格子との間に形成されたｎドープ半導体層と、前記ｎ型半導体層の表面に形成され、前記ｎ型半導体層と導通する第１電極と、前記ｐ型半導体層の表面に形成され、前記ｐ型半導体層と導通する第２電極と、前記ｎドープ半導体層の表面に形成され、前記ｎドープ半導体層と導通する第３電極とを備え、前記半導体超格子への印加電圧は、前記第２電極と前記第３電極との間に印加され、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に印加される電圧は、前記第２電極と前記第１電極との間に印加されてもよい。
【００３８】
これにより、半導体超格子への電子注入のための電圧印加と、半導体超格子の各サブバンドのポテンシャルレベルを調整するための電圧印加とが独立になされるので、レーザ発振出力の安定性及び高出力化を実現することが可能となる。また、上記２つの電圧印加の際に、第２電極を共用できるので量子カスケードレーザ素子の小型化が可能となる。
【００３９】
なお、本発明は、このような特徴的な手段を備える量子カスケードレーザ素子を光源とした電磁波発生装置として実現できる。なお、ここで「電磁波」とは、当業者が「光」として扱う周波数帯を含むことは言うまでもない。
【００４０】
また、本発明は、このような特徴的な手段を備える量子カスケードレーザ素子として実現することができるだけでなく、量子カスケードレーザ素子の駆動方法として実現することができる。
【００４１】
上記課題を解決するために、本発明に係る量子カスケードレーザ素子の駆動方法は、サブバンド間遷移によってフォトンを放出する半導体超格子を有する量子カスケードレーザ素子の駆動方法であって、前記半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部からの電子注入量を一定にしたまま、前記半導体超格子への印加電圧を掃引させることにより、前記半導体超格子からのレーザ出力が最大になる最適印加電圧値を決定する電圧決定ステップと、前記電圧決定ステップにて決定された前記最適印加電圧値に前記半導体超格子層への印加電圧を固定したまま、前記電子注入部から前記半導体超格子への電子注入量を掃引させることにより、前記半導体超格子からのレーザ出力が最大になる最適電子注入量を決定する電子注入量決定ステップとを含むことを特徴とする。
【００４２】
この駆動手法により、量子カスケードレーザ素子の最適な動作点を与えることができるので、高効率な動作が可能となる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法によれば、半導体超格子の各サブバンドのポテンシャルレベルを調整するための電圧印加と、半導体超格子への電流注入とを独立に制御することができる。よって、レーザ出力量の制御性及び安定性が向上し、また、高出力化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の構成斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の駆動方法を表すフローチャートである。
【図５】（ａ）は、低Ｖｃの場合の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフ、（ｂ）は、高Ｖｃの場合の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。
【図６】従来の量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例を示す図である。
【図７】（ａ）は、従来の量子カスケードレーザ素子に電圧Ｖ１を印加した場合の伝導帯のバンド構造図、（ｂ）は、従来の量子カスケードレーザ素子に電圧Ｖ２を印加した場合の伝導帯のバンド構造図、（ｃ）は、従来の量子カスケードレーザ素子に電圧Ｖ３を印加した場合の伝導帯のバンド構造図、（ｄ）は、従来の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の構成斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明の実施の形態における量子カスケードレーザ素子は、サブバンド間遷移によってフォトンを放出させる半導体超格子と、当該半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部とを備える。上記電子注入部は、上記半導体超格子に接しているｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接しているｎ型半導体層とを備え、上記半導体超格子への電圧印加とは独立して、上記ｐ型半導体層と上記ｎ型半導体層との間に電圧を印加することにより、半導体超格子に電子を注入することができる。これにより、上記半導体超格子の各サブバンドのポテンシャルレベルを変化させることなく電子注入量を制御できる。よって、レーザ発振出力の安定性及び高出力化を実現することが可能となる。
【００４６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００４７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の構成斜視図である。同図における量子カスケードレーザ素子１は、ＧａＡｓ基板１１とｎ+型ＧａＡｓ層１２と、量子カスケード層１３と、ｐ型ＧａＡｓ層１４と、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５と、第１電極１６と、第２電極１７と、第３電極１８とを備える。
【００４８】
ＧａＡｓ基板１１は、半絶縁性基板である。
【００４９】
ｎ+型ＧａＡｓ層１２は、ＧａＡｓ基板１１表面上に積層されたｎドープ半導体層である。ｎ+型ＧａＡｓ層１２は、例えば、Ｓｎドープにより電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３であり、また、膜厚は１００ｎｍである。
【００５０】
量子カスケード層１３は、ｎ+型ＧａＡｓ層１２の表面上に形成され、半導体超格子を構成する。量子カスケード層１３は、その両端に所定の電圧を印加することにより、半導体超格子において形成されるサブバンド間のエネルギー遷移が生じる。このエネルギー遷移により、半導体超格子は、フォトンを放出して発光する。量子カスケードレーザ素子１は、一般的な半導体レーザと異なり、発振周波数を、そのレーザを構成する主材料ではなく、その超格子の井戸層、障壁層の厚み及びヘテロ障壁により制御することができる。
【００５１】
量子カスケード層１３は、１ユニットをＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓとし、例えば、１７０ユニットから構成された量子カスケード領域を有する。上記１ユニットの各層の膜厚は、例えば、順に、４．８ｎｍ／８．２ｎｍ／３．７ｎｍ／９．３ｎｍであり、合計膜厚は２６ｎｍである。また、上記１ユニットに含まれるＡｌＧａＡｓに対するＡｌ組成は１５％である。また、上記１ユニットの各層は、すべてアンドープである。以上より、量子カスケード層１３の合計層数は、１７０×４層＝６８０層となり、合計膜厚は１７０×２６ｎｍ＝約４．４μｍとなる。
【００５２】
ｐ型ＧａＡｓ層１４は、量子カスケード層１３の表面上に積層され、ｐ型半導体層としての機能を有する。ｐ型ＧａＡｓ層１４は、例えば、Ｍｇドープにより正孔濃度が３×１０１７ｃｍ−３であり、また、膜厚は１００ｎｍである。ｐ型ＧａＡｓ層１４のドーパントとしてＭｇを使用した理由は、固相拡散を防ぐためである。
【００５３】
ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５は、ｐ型ＧａＡｓ層１４の表面上に積層され、ｎ型半導体層としての機能を有する。ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５は、例えば、Ｓｎドープにより電子濃度が１×１０１７ｃｍ−３であり、また、膜厚は１５０ｎｍである。また、Ａｌ組成は１０％である。
【００５４】
ｐ型ＧａＡｓ層１４及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５は、それらの接合界面に形成されたｐｎ接合により、量子カスケード層１３へ電子を注入する電子注入部としての機能を有する。
【００５５】
第１電極１６は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５の表面上に形成され、電圧源１９の一端と接続される。
【００５６】
第２電極１７は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５の一部が除去されたｐ型ＧａＡｓ層１４の表面上に形成され、電圧源１９の他端及び電圧源２０の一端と接続される。本実施の形態では、低抵抗化のため、第２電極１７がｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５を挟んで２カ所に配置されている。
【００５７】
第３電極１８は、量子カスケード層１３の一部が除去されたｎ+型ＧａＡｓ層１２の表面上に形成され、電圧源２０の他端に接続される。
【００５８】
電圧源１９は、供給する電圧値を可変できる第１電圧源であり、第２電極１７と第１電極１６との間に挿入され、第２電極１７に対して第１電極１６が負になるよう接続されている。
【００５９】
電圧源１９から所定の電圧を印加することにより、ｐ型ＧａＡｓ層１４から量子カスケード層１３へ電子が注入される。
【００６０】
電圧源２０は、供給する電圧値を可変できる第２電圧源であり、第２電極１７と第３電極１８との間に挿入され、第２電極１７に対して第３電極１８が正になるよう接続されている。
【００６１】
電圧源２０から所定の電圧を印加することにより、量子カスケード層１３の有する各バンドのエネルギー準位が積層方向に傾斜する。
【００６２】
以上の構成により、電圧源１９と電圧源２０とは独立に電圧設定され得る。よって、量子カスケード層１３の有する各バンドのエネルギー準位の傾斜度合いと、ｐ型ＧａＡｓ層１４から量子カスケード層１３への電子注入量とが独立に制御され得る。また、２つの電圧源１９及び２０からの電圧印加の際に、第２電極１７が共用されるので、量子カスケードレーザ素子の小型化が可能となる。
【００６３】
図２は、本発明の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例である。図２に記載されたバンド構造図の縦方向は各バンドのエネルギー準位を表し、横方向は、図１に記載されたＸ−Ｘ’線上の構造を表す。なお、図２には、Ｘ−Ｘ’線上の構造のうち、ＧａＡｓ基板１１及びｎ+型ＧａＡｓ層１２の記載を省略し、また、量子カスケード層１３のうち３ユニット分のみを記載している。
【００６４】
本発明にかかる量子カスケードレーザ素子１は、量子カスケード層１３としてＧａＡｓを井戸層に、また、ＡｌＧａＡｓを障壁層に用いている。図２中の破線で囲まれた部分が上述した１ユニットである。第１のＧａＡｓ井戸が発光井戸１３２、第２のＧａＡｓ井戸が注入井戸１３４である。本図では３ユニットを示しているが、実際は約１７０ユニット積層されている。
【００６５】
この量子カスケード構造には、量子カスケード層１３の両端に電圧源２０が接続されており、可変電圧Ｖｃが印加されているため、バンドが傾斜している。発光井戸１３２の下部サブバンド準位１３２Ｂと注入井戸１３４の上部サブバンド準位１３４Ａが等しくなるように電圧を印加すると、共鳴トンネル現象により発光井戸１３２の電子が注入井戸１３４へ、また注入井戸１３４の電子が発光井戸１３２へ、次々と輸送される。この結果、電子は上から下へ順次流れる。
【００６６】
このとき、発光井戸１３２においては、上部サブバンド準位１３２Ａから下部サブバンド準位１３２Ｂに電子が移る時、電子はそのエネルギーを失い、テラヘルツ光を放射する。この放射に関わる時定数τ１は、数ｐｓｅｃのオーダである。
【００６７】
一方、注入井戸１３４においては、上部サブバンド準位１３４Ａと下部サブバンド準位１３４Ｂとのエネルギー差を、量子カスケード層１３を形成する材料のＬＯ（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ：縦光学）フォノンエネルギーと同程度にしておく。具体的にはＧａＡｓの場合、３５ｍｅＶである。このようにしておくと、注入井戸１３４における上部サブバンド準位１３４Ａから下部サブバンド準位１３４Ｂへのエネルギー遷移がＬＯフォノンと共鳴し、サブｐｓｅｃのオーダの時定数τ２で電子のエネルギー遷移が起こる。
【００６８】
この結果、注入井戸１３４の上部サブバンド準位１３４Ａ（＝発光井戸１３２の下部サブバンド準位１３２Ｂ）のエネルギーを有する電子がすばやく消失する。これらのエネルギー遷移における時定数の関係τ１＞τ２により、発光井戸１３２において、上部サブバンド準位１３２Ａにおける電子数が下部サブバンド準位１３２Ｂのそれより多い、所謂、反転分布が生じ、各発光井戸にてレーザ発振が生じる。
【００６９】
上述したように、量子カスケード層１３は、発光井戸１３２の下部サブバンド準位１３２Ｂと注入井戸１３４の上部サブバンド準位１３４Ａとのポテンシャルを一致させ、発光井戸１３２の上部サブバンド準位１３２Ａと注入井戸１３４の下部サブバンド準位１３４Ｂとのポテンシャルを一致させることにより、積層方向に電流が流れる（なお、上部サブバンド準位１３２Ａと下部サブバンド準位１３４Ｂが一致するのは隣接する井戸であり、図２には描かれていない）。そしてこの電流が流れると同時に、それぞれの発光井戸１３２にて、その電流量に応じたパワーを有するテラヘルツ波が放出される。上記電流量は、発光井戸１３２に注入される電子の数が多いほど大きい。従って、発光井戸１３２への電子注入量を制御することにより、テラヘルツ波の出力量を制御することが可能となる。
【００７０】
従来の量子カスケードレーザ素子では、上記電子注入量を、量子カスケード層の両端に印加する電圧により制御していた。しかしながら、この制御方法にて量子カスケード層への印加電圧を変化させると、半導体超格子の有する各サブバンドのポテンシャルレベルがずれてしまい、テラヘルツ波の放出が不安定となる。
【００７１】
これに対し、本発明の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子１は、いったん最適化された量子カスケード層１３への印加電圧Ｖｃを変化させずに、量子カスケード層１３への電子注入量を制御することが可能である。以下、量子カスケード層１３への印加電圧Ｖｃとは独立した電子注入量の制御について説明をする。
【００７２】
前述したように、量子カスケード層１３の表面上には、ｐ型ＧａＡｓ層１４及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５が積層され、電圧源１９が接続されている（図２では量子カスケード層１３の左側に記載されている）。この構成においては、ｐ型ＧａＡｓ層１４及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５には順方向の電圧が印加され、一般に知られているように、以下の（数１）
【００７３】
【数１】
2015012221.tif 000003
【００７４】
で表される電流Ｉが流れる。ここでｅは電子素量、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度であり、Ｉ０はｐ型ＧａＡｓ層１４中の電子の拡散長及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５中の正孔の拡散長などで決まる定数である。ｎ値は界面における再結合などを考慮した値であり、通常１〜２の値を取る。立ち上がり電圧はおよそビルトイン電圧に等しく、Ｖｉ＝約１．５Ｖから電流が流れ始める。
【００７５】
一方、ｐ型ＧａＡｓ層１４と量子カスケード層１３との間には逆方向の電圧が印加される。量子カスケード層はアンドープであるため、ほとんどの空乏層は量子カスケード層１３に形成される。すなわち印加電圧Ｖｃのほとんどは量子カスケード層に印加されると考えてよい。量子カスケード層１３には１ユニットあたり５０ｍｅＶを印加することにより、発光井戸１３２の下部サブバンド準位１３２Ｂが注入井戸１３４の上部サブバンド準位１３４Ａに一致し、同時に、発光井戸１３２の上部サブバンド準位１３２Ａが注入井戸１３４の下部サブバンド準位１３４Ｂに一致し、障壁層１３１及び１３３を共鳴トンネリングにより、順次電子が通過する。本実施の形態では量子カスケード層１３が１７０ユニットであり、Ｖｃ＝８．９Ｖを印加している。この印加電圧Ｖｃ値は一定とする。この結果、量子カスケード層１３に加わる電圧も一定になる。したがって、注入電流量に係わらず、量子カスケード層の各サブバンドはレーザ発振に必要な状態に固定される。一方、量子カスケード層１３への電子注入量は、上述した（数１）で表されるＩで決定され、印加電圧Ｖｃとは独立に、電圧源１９で設定されるＶｉに応じた値をとる。なお、Ｖｃ値の決定方法については後述する。
【００７６】
なお、ｐ型ＧａＡｓ層１４の厚みは、ｐ型ＧａＡｓ層１４中の電子拡散距離よりも小さいことが好ましい。これにより、量子カスケード層１３への電子注入効率を上げることができる。ここで、拡散距離について説明をし、本実施の形態におけるｐ型ＧａＡｓ層１４中の電子拡散距離を求めておく。
【００７７】
一般に、拡散距離Ｌは以下の（数２）で与えられる。
【００７８】
【数２】
2015012221.tif 000004
【００７９】
ここでＤは拡散定数であり、τは少数キャリア寿命である。また、拡散定数Ｄと移動度μとは以下の（数３）
【００８０】
【数３】
2015012221.tif 000005
【００８１】
で表される関係がある。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子素量である。本実施の形態では、ｐ型ＧａＡｓ層１４（μ＝３０００ｃｍ２／Ｖｓ）を通過する電子（少数キャリア）についての拡散距離が、求められるべき値である。式３に、室温（＝３００Ｋ）及びμを代入すると、Ｄ＝７８ｃｍ２／ｓとなる。ＧａＡｓでは、τ〜１０ｎｓより、式２から、拡散距離Ｌ＝８．８μｍが求められる。一方、ｐ型ＧａＡｓ層１４の厚みは１００ｎｍであり、本実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子１の構造では、求められた拡散距離Ｌより十分に小さいことが解る。
【００８２】
また、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５のバンドギャップは、ｐ型ＧａＡｓ層１４のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。一般に、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎ接合部では、電子と正孔の相互注入が生じる。この構成により、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５とｐ型ＧａＡｓ層１４との間のｐｎ接合部では、正孔よりも電子の注入を大きくすることができ、量子カスケード層１３への電子注入効率を上げることができる。
【００８３】
図３は、本発明の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。横軸は、量子カスケード層１３への注入電流Ｉｃを表し、縦軸は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５−ｐ型ＧａＡｓ層１４間に印加する電圧Ｖｉ（図中左側軸）、及び、テラヘルツ波発振出力パワー（図中右側軸）を表す。発振周波数は約２．７ＴＨｚである。電圧源２０による量子カスケード層への印加電圧Ｖｃは、上述したように、８．９Ｖで一定である。この定電圧値は、発光井戸１３２の下部サブバンド準位１３２Ｂが注入井戸１３４の上部サブバンド準位１３４Ａに一致し、同時に、発光井戸１３２の上部サブバンド準位１３２Ａが注入井戸１３４の下部サブバンド準位１３４Ｂに一致し、障壁層１３１及び１３３を共鳴トンネリングにより、順次電子が通過するための電圧値である。図３に記載された本発明の量子カスケードレーザ素子１の電流−電圧特性は、図７（ｄ）に記載された従来の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性に見られるようなキンク（図７（ｄ）中の領域（ａ）と領域（ｂ）との間の屈曲部）がなく、広範な注入電流Ｉｃにおいて滑らかである。また、従来の量子カスケードレーザ素子では、注入電流Ｉｃを増やそうとして印加電圧をかけると、図７（ｃ）のように、サブバンド準位が大きくずれてしまい、電流が流れなくなり、図７（ｄ）における領域（ｃ）のように、出力が低下してしまう。
【００８４】
これに対し、本発明の量子カスケードレーザ素子１では、注入電流Ｉｃを増加させても、量子カスケード層１３に印加される電圧Ｖｃは変化することがないので、サブバンド準位のレベルがずれることがない。この結果、広範囲な注入電流Ｉｃ（約１Ａ付近まで）を供給することが可能となり、ダイナミックレンジの広いテラヘルツ波の出力が得られ、かつ、高出力状態を保持することが可能となる。
【００８５】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の駆動方法について説明する。
【００８６】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の駆動方法を表すフローチャートである。
【００８７】
まず初期状態として、無バイアス状態にする。つまり、量子カスケード層１３への印加電圧Ｖｃ及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５−ｐ型ＧａＡｓ層１４間への印加電圧Ｖｉをともに０に設定する（Ｓ１０）。ここで、ΔＶｃ（＝０．１Ｖ）及びΔＶｉ（＝０．１Ｖ）は、それぞれ、Ｖc及びＶiを少しずつ増加させるときのステップ量である。また、パラメータＰｐの初期値を０に設定する。
【００８８】
次に、ＶｉにＶｂｉを与える（Ｓ１１）。Ｖｂｉは立ち上がり電圧と呼ばれ、ｐｎ接合に電流が流れ始める電圧である。この値は、概ねバンドギャップに等しい。この時、あまりに電流が小さいとレーザ出力Ｐｏは常にゼロとなる。この間、パラメータＰｐ＝０とする。
【００８９】
以降のステップでは、量子カスケード層１３への印加電圧Ｖｃを掃引することにより、Ｖｃの最適化を実行する。
【００９０】
次に、レーザ出力ＰｏとパラメータＰｐとの比較を行う（Ｓ１２）。初期状態では、Ｐｏ＝Ｐｐ（＝０）である（Ｓ１２でＮｏ）。
【００９１】
次に、Ｖｃ値の増加回数が所定回数となったかを判断する（Ｓ１３）。Ｖｃ値の増加回数が所定回数となれば、ＶｉをΔＶｉだけ増加させて、ステップＳ１２を実行する（Ｓ１３でＹｅｓ）。
【００９２】
また、Ｖｃ値の増加回数が所定回数でなければ、パラメータＰｐをレーザ出力Ｐｏとし（Ｓ１４）、ＶｃをΔＶｃだけ増加する（Ｓ１５）。ここで、Ｖｃ＝Ｖｂｉである初期状態では、いくらステップＳ１５でＶｃを増加させても、ｐｎ接合から供給される電流は一定であるので、Ｐｏ＝０のままである。よって、ステップＳ１３にて、Ｖｃ値の増加回数が所定回数となることにより、Ｖｉを少し増加させ、さらにはステップＳ１５にてＶｃを増加させる。レーザ光の出力が検出されるまで、以上のステップＳ１２〜ステップＳ１５を繰り返す。
【００９３】
次に、レーザ光の出力が検出されると、Ｖｃの増加とともに、レーザ出力Ｐｏの値がゼロからある値に増加する。このとき、ステップＳ１４では、パラメータＰｐは、０でないＰｏ値に書き換えられる。
【００９４】
次に、ステップＳ１５にて、ＶｃがΔＶｃだけ増加することにより、レーザ出力Ｐｏは増加する。
【００９５】
次に、ステップＳ１２にて、Ｐｏ＞Ｐｐとなる（Ｓ１２でＮｏ）。この結果、次のループでは、Ｖｃがさらに増加し、レーザ出力Ｐｏは益々大きくなり、ステップＳ１２ではＮｏのループが繰り返される。
【００９６】
やがて、Ｖｃが最適値を超えると、ステップＳ１５でＶｃを増加させることにより、レーザ出力Ｐｏが減少する。この結果、ステップＳ１２では、Ｐｏ＜Ｐｐとなる（Ｓ１２でＹｅｓ）。この出力低下は、レーザ出力Ｐｏが最適値をちょうど超えたことを示している。
【００９７】
よって、次に、Ｖｃを１ステップ分だけ下げて、Ｖｃを最適印加電圧値にする（Ｓ１６）。
【００９８】
以上のようにステップＳ１２〜Ｓ１６を実行することにより、Ｖｃが最適化される。
【００９９】
上述したＶｃ最適化の段階では、まだレーザ出力が小さく目標設定値に達していないことが想定される。
【０１００】
よって、以降のステップでは、上述したＶｃの最適化の後、Ｖｉを掃引することにより、Ｖｉの最適化を実行してレーザ出力を目標設定値に到達させる。
【０１０１】
まず、レーザ出力Ｐｏとレーザ出力目標値Ｐａとを比較する（Ｓ１７）。
【０１０２】
レーザ出力Ｐｏがレーザ出力目標値Ｐａを超えていなければ（ステップＳ１７でＮｏ）、ＶｉをΔＶｉだけ増加させ（Ｓ１８）、再度、レーザ出力Ｐｏとレーザ出力目標値Ｐａとを比較する（Ｓ１７）。
【０１０３】
レーザ出力Ｐｏがレーザ出力目標値Ｐａを超えれば（ステップＳ１７でＹｅｓ）、ｐ型ＧａＡｓ層１４からの電子注入量が最適電子注入量に到達したと判断し、レーザ出力の調整を終了する（調整終了）。
【０１０４】
以上により、ステップＳ１７及びステップＳ１８では、Ｖｃが最適な状態で、レーザ出力を最適化することができる。
【０１０５】
上述した本発明に係る量子カスケードレーザ素子１の駆動方法によれば、Ｖｃが最適状態となっているので、無効電流がなく高効率動作が可能となる。
【０１０６】
なお、ΔＶｃ及びΔＶｉは、量子カスケード層を構成する材料、ユニット数、レーザ出力目標値などを考慮して決定される値であり、上述した値に限定されるものではない。
【０１０７】
また、Ｖｃ及びＶｉの決定方法については、上述した駆動方法に限られない。例えば、Ｖｃ値を変化させるたびに、図５に記載された量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を取得し、パーソナルコンピュータでそれらの特性をモニタすることにより、より広範囲なＩｃにおいてレーザ出力が得られ、かつ、レーザ高出力が得られるＶｃ及びＶｉ値を決定することが可能である。
【０１０８】
図５（ａ）は、低Ｖｃの場合の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフであり、図５（ｂ）は、高Ｖｃの場合の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。Ｖｃ値が最適値より小さい図５（ａ）では、量子カスケード層１３には、高抵抗ながらも電流が流れるが、テラヘルツ波の出力にはほとんど寄与しない。一方、Ｖｃ値が最適値より大きい図５（ｂ）では、量子カスケード層１３は非常に高抵抗になり、電流がほとんど流れなくなる。
【０１０９】
以上のように、本実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子には以下の特徴がある。
【０１１０】
（１）従来、ほぼピンポイント的にしか存在しなかった量子カスケードレーザ素子の出力動作点を、本発明では、広範囲な注入電流に対して直線的に与えることができる。この結果、制御性が容易になる。
【０１１１】
（２）従来、量子カスケード層に電流を流すためには、サブバンドのレベルを合致させるため、１０Ｖ前後の高い駆動電圧が必要であった。これに対して、本発明の構造では、量子カスケード層に電流を流すための駆動電圧は、量子カスケード層に接するｐ型層／ｎ型層の立ち上がり電圧程度でよく、本実施の形態のように、ｐ型層／ｎ型層をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ構造とした場合では、約５Ｖ前後の駆動電圧で電流を流すことができ、高効率な発光素子を実現できる。
【０１１２】
以上のように、本発明の量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法に従えば、量子カスケード層の有するサブバンド状態が常に発振可能な状態に固定されたまま、量子カスケード層への電流注入を、量子カスケード層への電圧印加とは独立に制御することができる。テラヘルツ波の発生量は注入電流数に比例することから、本発明によれば、発光量も単独に制御することが可能であり、レーザ発振出力の安定性及び高出力化を実現することが可能となる。
【０１１３】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子７０１の構成斜視図である。同図における量子カスケードレーザ素子７０１は、導電性ＧａＮ基板７１１とｎ+型ＧａＮ層７１２と、量子カスケード層７１３と、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１４と、ｎ型ＡｌＧａＮ層７１５と、第１電極７１６と、第２電極７１７と、裏面に第３電極７１８とを備える。
【０１１４】
出射赤外光の波長は約６μｍである。
【０１１５】
ｎ+型ＧａＮ層７１２は、ＧａＮ基板７１１表面上に積層されたｎドープ半導体層である。ｎ+型ＧａＮ層７１２は、例えば、Ｓiドープにより電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３であり、また、膜厚は５００ｎｍである。
【０１１６】
量子カスケード層７１３は、ｎ+型ＧａＮ層７１２の表面上に形成され、半導体超格子を構成する。量子カスケード層７１３は、その両端に所定の電圧を印加することにより、半導体超格子において形成されるサブバンド間のエネルギー遷移が生じる。このエネルギー遷移により、半導体超格子は、フォトンを放出して発光する。量子カスケードレーザ素子７０１は、一般的な半導体レーザと異なり、発振周波数を、そのレーザを構成する主材料ではなく、その超格子の井戸層、障壁層の厚み及びヘテロ障壁により制御することができる。
【０１１７】
量子カスケード層７１３は、１ユニットをＡｌＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ／ＧａＮとし、例えば、１００ユニットから構成された量子カスケード領域を有する。上記１ユニットの各層の膜厚は、例えば、順に、２．５ｎｍ／３．５ｎｍ／１．５ｎｍ／４．５ｎｍであり、合計膜厚は１２ｎｍである。また、上記１ユニットに含まれるＡｌＩｎＮに対するＩｎ組成は約１７％であり、ＡｌＩｎＮとＧａＮは格子整合している。このため、ユニットを多数積層しても格子歪みによるクラックの恐れがなく、高出力の量子カスケ−ド層を実現できる。また、上記１ユニットの各層は、すべてアンドープである。以上より、量子カスケード層７１３の合計層数は、１００×４層＝４００層となり、合計膜厚は１００×１２ｎｍ＝約１．２μｍとなる。
【０１１８】
ｐ型ＩｎＧａＮ層７１４は、量子カスケード層７１３の表面上に積層され、ｐ型半導体層としての機能を有する。ｐ型ＩｎＧａＮ層１４は、例えば、Ｍｇドープにより正孔濃度が１×１０１８ｃｍ−３であり、また、膜厚は５０ｎｍである。
【０１１９】
ｎ型ＡｌＧａＮ層７１５は、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１４の表面上に積層され、ｎ型半導体層としての機能を有する。ｎ型ＡｌＧａＮ層７１５は、例えば、Ｓｉドープにより電子濃度が５×１０１７ｃｍ−３であり、また、膜厚は１５０ｎｍである。また、Ａｌ組成は１０％である。
【０１２０】
ｐ型ＩｎＧａＮ層７１４及びｎ型ＡｌＧａＮ層７１５は、それらの接合界面に形成されたｐｎ接合により、量子カスケード層７１３へ電子を注入する電子注入部としての機能を有する。
【０１２１】
第１電極７１６は、ｎ型ＡｌＧａＮ層７１５の表面上に形成され、電圧源７１９の一端と接続される。
【０１２２】
第２電極７１７は、ｎ型ＡｌＧａＮ層７１５の一部が除去されたｐ型ＩｎＧａＮ層７１４の表面上に形成され、電圧源７１９の他端及び電圧源７２０の一端と接続される。本実施の形態では、低抵抗化のため、第２電極７１７がｎ型ＡｌＧａＮ層７１５を挟んで２カ所に配置されている。
【０１２３】
第３電極７１８は、基板７１１の裏面上に形成され、電圧源７２０の他端に接続される。
【０１２４】
電圧源７１９は、供給する電圧値を可変できる第１電圧源であり、第２電極７１７と第１電極７１６との間に挿入され、第２電極７１７に対して第１電極７１６が負になるよう接続されている。
【０１２５】
電圧源７１９から所定の電圧を印加することにより、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１４から量子カスケード層７１３へ電子が注入される。
【０１２６】
電圧源７２０は、供給する電圧値を可変できる第２電圧源であり、第２電極７１７と第３電極７１８との間に挿入され、第２電極７１７に対して第３電極７１８が正になるよう接続されている。
【０１２７】
電圧源７２０から所定の電圧を印加することにより、量子カスケード層７１３の有する各バンドのエネルギー準位が積層方向に傾斜する。
【０１２８】
以上の構成により、電圧源７１９と電圧源７２０とは独立に電圧設定され得る。よって、量子カスケード層７１３の有する各バンドのエネルギー準位の傾斜度合いと、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１４から量子カスケード層７１３への電子注入量とが独立に制御され得る。また、２つの電圧源７１９及び７２０からの電圧印加の際に、第２電極１７が共用されるので、量子カスケードレーザ素子の小型化が可能となる。
【０１２９】
図９は、本発明の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例である。図９に記載されたバンド構造図の縦方向は各バンドのエネルギー準位を表し、横方向は、図８に記載されたＹ−Ｙ’線上の構造を表す。なお、図９には、Ｙ−Ｙ’線上の構造のうち、ＧａＮ基板７１１及びｎ+型ＧａＮ層７１２の記載を省略し、また、量子カスケード層７１３のうち３ユニット分のみを記載している。
【０１３０】
本発明にかかる量子カスケードレーザ素子７０１は、量子カスケード層７１３としてＧａＮを井戸層に、また、ＡｌＧａＮを障壁層に用いている。図中の一点鎖線で囲まれた部分が上述した１ユニットである。第１のＧａＮ井戸が発光井戸７３２、第２のＧａＮ井戸が注入井戸７３４である。本図では３ユニットを示しているが、実際は約１００ユニット積層されている。
【０１３１】
この量子カスケード構造には、量子カスケード層７１３の両端に電圧源７２０が接続されており、可変電圧Ｖｃが印加されているため、バンドが傾斜している。発光井戸７３２の下部サブバンド準位７３２Ｂと注入井戸７３４の上部サブバンド準位７３４Ａが等しくなるように電圧を印加すると、共鳴トンネル現象により発光井戸７３２の電子が注入井戸７３４へ、また注入井戸７３４の電子が発光井戸７３２へ、次々と輸送される。この結果、電子は上から下へ順次流れる。
【０１３２】
このとき、発光井戸７３２においては、上部サブバンド準位７３２Ａから下部サブバンド準位７３２Ｂに電子が移る時、電子はそのエネルギーを失い、赤外光を放射する。
【０１３３】
一方、注入井戸７３４においては、上部サブバンド準位７３４Ａと下部サブバンド準位７３４Ｂとの間に多数の準位を形成させる（図示せず）。このようにしておくと、注入井戸７３４における上部サブバンド準位７３４Ａから下部サブバンド準位７３４Ｂへのエネルギー遷移がなめらかに起こる（いわゆるＢｏｕｎｄ−ｔｏ−Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ構造）。
【０１３４】
この結果、注入井戸７３４の上部サブバンド準位７３４Ａ（＝発光井戸７３２の下部サブバンド準位７３２Ｂ）のエネルギーを有する電子がすばやく消失する。この結果、反転分布が生じ、各発光井戸にてレーザ発振が生じる。
【０１３５】
上述したように、量子カスケード層７１３は、発光井戸７３２の下部サブバンド準位７３２Ｂと注入井戸７３４の上部サブバンド準位７３４Ａとのポテンシャルを一致させ、発光井戸７３２の上部サブバンド準位７３２Ａと注入井戸７３４の下部サブバンド準位７３４Ｂとのポテンシャルを一致させることにより、積層方向に電流が流れる。そしてこの電流が流れると同時に、それぞれの発光井戸７３２にて、その電流量に応じたパワーを有する赤外光が放出される。上記電流量は、発光井戸７３２に注入される電子の数が多いほど大きい。従って、発光井戸７３２への電子注入量を制御することにより、赤外光の出力量を制御することが可能となる。
【０１３６】
なお、第２の実施の形態としてｐ型ＩｎＧａＮ層７１４と、ｎ型ＡｌＧａＮ層７１５を用いたが、それぞれ、ｐ型ＧａＮとｎ型ＡｌＧａＮの組み合わせでもよい。
【０１３７】
またＧａＮ基板は、極性面（ｃ面）でも無極性面（ａ面、ｍ面）、（２０−２１）のような半極性面でも同様な効果を量子カスケードレーザに与えることができる。
【０１３８】
以上、実施の形態について述べてきたが、本発明に係る量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る量子カスケードレーザ素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【０１３９】
例えば、本発明の量子カスケードレーザ素子を光源としたテラヘルツ発生装置が挙げられる。本発明の量子カスケードレーザ素子を光源として用いることにより、テラヘルツ波の放射量の制御性及び安定性が良好で、かつ、高出力可能なテラヘルツ発生装置を実現することが可能となる。
【０１４０】
なお、本発明では、量子カスケード層としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料やＧａＮ/ＡｌＩｎＮ系材料を用いたが、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＮといったＩｎＧａＡｌＮ系材料、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ材料、またはＧｅ／ＧｅＳｉＳｎ系を用いた量子カスケードレーザ素子も、本実施の形態と同様の効果を奏する。
【０１４１】
また、量子カスケードレーザ素子の光導波／共振器構造として、図１、図８に記載されたファブリペロー型構造を示したが、分布帰還型構造、マイクロディスク構造、垂直放射構造、または複合共振器構造などにも、本発明は適用可能である。
【０１４２】
また、本発明の量子カスケードレーザ素子は、例えば第１の実施の形態の場合、電子注入部としてｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５がなく、例えば、量子カスケード層１３に接しているｐ型半導体層から当該電子注入部が構成されていてもよい。この場合、上記ｐ型半導体層のエネルギーギャップよりも大きいエネルギーを有する光を上記ｐ型半導体層に照射することにより生成した伝導帯電子を、量子カスケード層１３へ注入することが可能となる。第２の実施の形態でも同様である。
【０１４３】
なお、本実施の形態では、本発明を実施するために必要な基本構造を述べたものであり、電子のエネルギー遷移をより容易にするため、複数の井戸層／障壁層を挿入することがある。これらの挿入によって、本発明の本質が失われることはない。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明は、封筒中の郵便物検査、食品・所持物検査、薬物分析、皮膚がん検査、半導体不純物量検査／複素誘電率評価などの医学応用、環境計測、工学応用などのためのレーザ発振源として用いることができ、特に、高出力のテラヘルツ波や赤外光及び出力パワーの制御性が要求される量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法として用いるのに最適である。
【符号の説明】
【０１４５】
１、７０１  量子カスケードレーザ素子
１１  ＧａＡｓ基板
１２  ｎ+型ＧａＡｓ層
１３、７１３  量子カスケード層
１４  ｐ型ＧａＡｓ層
１５  ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
１６、７１６  第１電極
１７、７１７  第２電極
１８、７１８  第３電極
１９、２０、６１０  電圧源
１３１、１３３、６０２  障壁層
１３２、６０１、７３２  発光井戸
１３２Ａ、１３４Ａ、６０１Ａ、６０３Ａ  上部サブバンド準位
１３２Ｂ、１３４Ｂ、６０１Ｂ、６０３Ｂ  下部サブバンド準位
１３４、６０３  注入井戸
６００  半導体超格子
７１１  ＧａＮ基板
７１２  ｎ+型ＧａＮ層
７１４  ｐ型ＩｎＧａＮ層
７１５  ｎ型ＡｌＧａＮ層
７１９、７２０  電圧源
７３２Ａ、７３４Ａ  上部サブバンド準位
７３２Ｂ、７３４Ｂ  下部サブバンド準位
７３４  注入井戸
【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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【図８】
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【図９】
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【図１】
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