(57)【要約】【課題】  レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能な量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】  半導体基板と、基板上に設けられ、発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６が多段に積層された活性層１５とを備えて、量子カスケードレーザを構成する。単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐと、ミニバンドＭＢとを少なくとも有する。注入層１８は、４個以上の障壁層及び井戸層を含んで構成され、ミニバンドＭＢは、４個以上の準位を含む。また、注入層１８内において、電子を供給するための不純物が、ミニバンドＭＢ内での電荷分布の重心位置からの距離が３．６ｎｍ以下の位置を中心位置とし、１２ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されている。【選択図】  図２
2015173195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
前記単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有し、
前記量子井戸発光層における前記発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成され、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記ミニバンド内の前記緩和準位を介して後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、
前記注入層は、ｎ個（ｎは４以上の整数）の障壁層及び井戸層を含んで構成され、前記ミニバンドは、Ｉ個（Ｉは４以上の整数）の準位を含むとともに、
前記注入層内において、電子を供給するための不純物が、下記式（１）
【数１】
2015173195.tif 000020
（ただし、ｚは積層方向での前記ミニバンド内の電子の位置、Ｅｉは前記ミニバンドに含まれるｉ番目の準位のエネルギー、Ψｉ（ｚ）は前記ミニバンドに含まれるｉ番目の準位の規格化された波動関数、Ｔｅは前記活性層内での電子温度、ｋＢはボルツマン定数）によって決まる前記ミニバンド内での電荷分布の重心位置ｚｃからの距離が３．６ｎｍ以下の位置を中心位置とし、１２ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記注入層内において、前記不純物が、前記注入層を構成する前記ｎ個の障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内、または単一の障壁層内に添加されてい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。
【請求項３】
前記注入層内において、前記不純物が、前記注入層を構成する前記ｎ個の障壁層及び井戸層のうちで、隣り合う井戸層及び障壁層にわたって添加されてい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。
【請求項４】
前記注入層内において、前記不純物が、４．４ｎｍ以下の半値全幅を有する前記添加量分布で添加されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記注入層内において、前記不純物が、前記ミニバンド内での前記電荷分布の重心位置ｚｃからの距離が１．２ｎｍ以下の位置を中心位置とする前記添加量分布で添加されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記活性層は、前記単位積層体として、互いに異なる量子井戸構造を有する複数種類の単位積層体を有し、
前記注入層内における前記不純物の前記添加量分布は、前記単位積層体の種類毎に設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項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】
本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中赤外の波長領域（例えば波長３〜３０μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）が注目を集めている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１４４９９５号公報
【特許文献２】特許第５１２７４３０号公報
【特許文献３】特開２００９−２０６３４０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M. Yamanishi et al.,"Theory of the Intrinsic Linewidth of Quantum-Cascade Lasers: HiddenReason for the Narrow Linewidth and Line-Broadening by Thermal Photons",IEEE Journal of Quantum Electronics Vol.44 No.1 (2008), pp.12-29
【非特許文献２】L. Tombez et al.,"Temperature dependence of the frequency noise in a mid-IR DFB quantumcascade laser from cryogenic to room temperature", Opt. Express Vol.20 No.7(2012), pp.6851-6859
【非特許文献３】S. Bartalini et al.,"Measuring frequency noise and intrinsic linewidth of a room-temperatureDFB quantum cascade laser", Opt. Express Vol.19 No.19 (2011),pp.17996-18003
【非特許文献４】I. Galli et al.,"Comb-assisted subkilohertz linewidth quantum cascade laser forhigh-precision mid-infrared spectroscopy", Appl. Phys. Lett. Vol.102(2013), pp.121117-1-121117-4
【非特許文献５】L. Tombez et al.,"Physical Origin of Frequency Noise and Linewidth in Mid-IR DFB QuantumCascade Lasers", Conference Paper CLEO: Science and InnovationsMid-infrared QCL's (CM1K), San Jose, California United States, June 9-14, 2013
【非特許文献６】G. D. Domenico et al.,"Simple approach to the relation between laser frequency noise and laserline shape", Appl. Opt. Vol.49 No.25 (2010), pp.4801-4807
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
量子カスケードレーザは、本来は、例えば２６０Ｈｚ程度の非常に狭いスペクトル線幅を有していると推断されている。しかしながら、実際にフリーランニング状態で使用する場合には、このような狭いスペクトル線幅は得られず、この線幅は、例えば４００ｋＨｚ程度（室温動作）に広がっている。
【０００７】
このような線幅の拡大は、レーザ素子内でのキャリアの揺らぎによる電圧ノイズが出力の揺らぎ、温度の揺らぎを生み出して、それによってレーザ素子内において屈折率が変化し、発振波長の揺らぎが発生することによるものである。すなわち、量子カスケードレーザにおけるスペクトル揺らぎの原因は、レーザ素子における電圧ノイズ（電気的揺らぎ）であり、また、その別の見え方である、電圧ノイズを素子の微分抵抗で割り算して得られる電流ノイズである（非特許文献１〜３参照）。
【０００８】
ここで、量子カスケードレーザの主要な用途の１つとして、吸収によるスペクトル分光がある。このような分光測定では、レーザ光のスペクトル線幅が測定精度を決めている。したがって、レーザ素子のスペクトル線幅を狭くすることは非常に重要であるが、従来の量子カスケードレーザでは、上記したように充分に狭い線幅は得られていない。また、上記のようなレーザ素子内での揺らぎ、攪乱は、レーザ出力の強度揺らぎの原因にもなる。また、非特許文献４には、スペクトル揺らぎを抑制する手法として、フィードバックループを用いた構成が記載されている。しかしながら、このような構成は、非常に大掛かりな装置を要し、実用的ではない。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能な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】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）活性層に含まれる単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位、または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有し、（４）量子井戸発光層における発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成され、サブバンド間遷移を経た電子は、ミニバンド内の緩和準位を介して後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、（５）注入層は、ｎ個（ｎは４以上の整数）の障壁層及び井戸層を含んで構成され、ミニバンドは、Ｉ個（Ｉは４以上の整数）の準位を含むとともに、注入層内において、電子を供給するための不純物が、下記式（１）
【数１】
2015173195.tif 000003
によって決まるミニバンド内での電荷分布の重心位置ｚｃからの距離が３．６ｎｍ以下の位置を中心位置とし、１２ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されていることを特徴とする。ただし、上記式（１）において、ｚはレーザ素子における半導体積層方向でのミニバンド内の電子の位置、Ｅｉはミニバンドに含まれるｉ番目の準位（ｉ番目のサブバンド）のエネルギー、Ψｉ（ｚ）はミニバンドに含まれるｉ番目の準位の規格化された波動関数、Ｔｅは活性層内での電子温度、ｋＢはボルツマン定数である。
【００１１】
上記した量子カスケードレーザでは、発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを設けるとともに、注入層を、４個以上（ｎ個）の障壁層及び井戸層を含んで構成し、また、ミニバンドを、４個以上（Ｉ個）のサブバンド準位によって構成している。
【００１２】
そして、このような構成において、注入層内の所定位置に添加される電子（キャリア）を供給するための不純物について、上記式（１）によって決まるミニバンド内での電荷分布の重心位置ｚｃを参照し、重心位置ｚｃからの距離が３．６ｎｍ以下の位置を中心位置（重心位置）とし、１２ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で不純物を添加する構成としている。このように、ミニバンド内での電荷分布の重心位置に対して所定条件を満たす添加量分布で不純物を添加することにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能となる。
【００１３】
ここで、上記した量子カスケードレーザにおいて、注入層内で不純物が添加される半導体層については、注入層内において、不純物が、注入層を構成するｎ個の障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内、または単一の障壁層内に添加されていることが好ましい。あるいは、注入層内において、不純物が、注入層を構成するｎ個の障壁層及び井戸層のうちで、隣り合う井戸層及び障壁層にわたって添加されている構成としても良い。
【００１４】
また、不純物の添加量分布の幅については、注入層内において、不純物が、４．４ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されていることが好ましい。これにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響をさらに抑制することができる。
【００１５】
また、不純物の添加量分布の位置については、注入層内において、不純物が、ミニバンド内での電荷分布の重心位置ｚｃからの距離が１．２ｎｍ以下の位置を中心位置とする添加量分布で添加されていることが好ましい。このような構成によっても、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響をさらに抑制することができる。
【００１６】
また、上記した量子カスケードレーザは、活性層が、単位積層体として、互いに異なる量子井戸構造を有する複数種類の単位積層体を有し、注入層内における不純物の添加量分布が、単位積層体の種類毎に設定される構成としても良い。このように、各単位積層体での量子井戸構造に応じた添加量分布で不純物を添加することにより、様々な構成の活性層を有するレーザ素子内での電気的揺らぎの影響を好適に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の量子カスケードレーザによれば、発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを設け、注入層を、４個以上の障壁層及び井戸層を含んで構成し、ミニバンドを、４個以上のサブバンド準位によって構成するとともに、注入層内において、電子を供給するための不純物を、ミニバンド内での電荷分布の重心位置からの距離が３．６ｎｍ以下の位置を中心位置とし、１２ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で添加する構成とすることにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。
【図２】量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）活性層の注入層内における、電子を供給するための不純物の添加について模式的に示す図である。
【図４】量子カスケードレーザを構成する半導体積層構造の一例を示す図表である。
【図５】上部注入層、活性層、及び下部注入層の構成の一例を示す図表である。
【図６】活性層における１周期分の単位積層体の構成の一例を示す図表である。
【図７】活性層における単位積層体の構成、及びサブバンド準位構造の一例を示す図である。
【図８】活性層における１周期分の単位積層体の構成の他の例を示す図表である。
【図９】（ａ）、（ｂ）注入層における不純物の添加位置、及び不純物準位について示す図である。
【図１０】ノイズパワーの周波数依存性を示すグラフである。
【図１１】素子Ｉ、IIについてのＶＮＰＳＤの温度依存性を示すグラフである。
【図１２】素子IIIについてのＶＮＰＳＤの温度依存性を示すグラフである。
【図１３】素子IVについてのＶＮＰＳＤの温度依存性を示すグラフである。
【図１４】（ａ）、（ｂ）ミニバンド内での電荷分布について示す図である。
【図１５】（ａ）、（ｂ）ミニバンド内での電荷分布について示す図である。
【図１６】ノイズ抑制量の不純物添加幅依存性を示すグラフである。
【図１７】不純物添加位置の位置ずれによるＶＮＰＳＤの温度依存性の変化について示すグラフである。
【図１８】量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す斜視図である。
【図１９】上部注入層、活性層、及び下部注入層の構成の他の例を示す図表である。
【図２０】活性層における１周期分の単位積層体の構成の他の例を示す図表である。
【図２１】活性層における単位積層体の構成、サブバンド準位構造、及び不純物準位について示す図である。
【図２２】（ａ）ＶＮＰＳＤの温度依存性、及び（ｂ）ミニバンド内での電荷分布について示す図である。
【図２３】活性層における１周期分の単位積層体の構成の他の例を示す図表である。
【図２４】（ａ）ＶＮＰＳＤの温度依存性、及び（ｂ）ミニバンド内での電荷分布について示す図である。
【図２５】（ａ）ＶＮＰＳＤの温度依存性、及び（ｂ）ミニバンド内での電荷分布について示す図である。
【図２６】不純物の添加量分布における半値全幅について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２０】
図１は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。
【００２１】
活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は、レーザ素子の具体的な構成、特性等に応じて適宜設定される。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
【００２２】
図２は、図１に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、電子注入層１８とによって構成されている。これらの発光層１７及び注入層１８は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
【００２３】
注入層１８は、具体的には、ｎを４以上の整数として、それぞれｎ個の障壁層及び井戸層を含んで構成される。また、図２中に不純物準位Ｌｉｍｐによって模式的に示すように、この注入層１８内において、本レーザ素子での発光動作に必要なキャリア（電子）を供給するための不純物が、所定の添加位置及び添加幅を有する添加量分布で添加されている。このような注入層１８における不純物の添加量分布が満たすべき構成条件等については、詳しくは後述する。
【００２４】
本実施形態における単位積層体１６は、図２に示すように、そのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位である発光上準位Ｌｕｐと、発光上準位よりも低エネルギーの複数の準位（複数のサブバンド）を含むミニバンドＭＢとを有している。ミニバンドＭＢは、具体的には、Ｉを４以上の整数として、それぞれ発光下準位Ｌｌｏｗ、または緩和準位Ｌｒとして機能するＩ個のサブバンド準位によって構成されている。
【００２５】
ここで、発光下準位Ｌｌｏｗは、発光上準位Ｌｕｐとともに発光に関わる準位である。また、緩和準位Ｌｒは、発光下準位Ｌｌｏｗから後段の単位積層体の量子井戸発光層１７ｂへの電子の緩和、輸送に用いられる準位である。これらのミニバンドＭＢを構成するＩ個のサブバンド準位は、注入層１８のｎ個の障壁層及び井戸層、あるいはさらに発光層１７の障壁層及び井戸層による量子井戸構造に起因して生成される。
【００２６】
また、図２に示すサブバンド準位構造では、上記した発光上準位Ｌｕｐ、及びミニバンドＭＢに加えて、発光上準位よりも高エネルギーの高エネルギー準位Ｌｈが設けられている。本構成例では、この高エネルギー準位Ｌｈは、準位Ｌｕｐとともに、発光上準位（第２発光上準位）として機能している。
【００２７】
また、図２に示す単位積層体１６では、発光層１７と、前段の単位積層体での注入層１８ａとの間に、注入層１８ａから発光層１７へと注入される電子に対する障壁となる注入障壁（injection barrier）層１６１が設けられている。なお、発光層１７と、注入層１８との間においても、必要に応じて、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が設けられる。
【００２８】
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでのミニバンドＭＢ内の緩和準位Ｌｒからの電子ｅ−は、注入障壁層１６１を介して共鳴トンネル効果によって発光層１７へと注入される。これにより、第２発光上準位（高エネルギー準位）Ｌｈ及び発光上準位Ｌｕｐに対して、発光動作に必要なキャリアが供給される。
【００２９】
発光上準位Ｌｕｐ及び第２発光上準位Ｌｈに注入された電子は、ミニバンドＭＢに含まれる１または複数の発光下準位Ｌｌｏｗのそれぞれへと遷移し、このとき、上準位Ｌｕｐ、Ｌｈと、下準位Ｌｌｏｗとのサブバンド準位間のエネルギー差に相当する波長の光ｈνが生成、放出される。なお、図２においては、図の見易さのため、上準位Ｌｕｐ、Ｌｈから、ミニバンドＭＢ内で最も高エネルギー側の下準位Ｌｌｏｗへの発光遷移のみを示し、他の準位への遷移については図示を省略している。
【００３０】
発光下準位Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、発光下準位Ｌｌｏｗ及び緩和準位Ｌｒを含むミニバンドＭＢにおいて、ＬＯフォノン散乱、電子−電子散乱などを介したミニバンド内緩和によって、高速で緩和される。これにより、上準位Ｌｕｐ、Ｌｈと下準位Ｌｌｏｗとの間で反転分布が形成される。また、ミニバンドＭＢ内で緩和、輸送された電子は、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ、Ｌｈへとカスケード的に注入される。
【００３１】
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、量子井戸発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体１６でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。また、このような光がレーザ１Ａの光共振器において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。
【００３２】
なお、量子カスケードレーザ１Ａの活性層１５を構成する単位積層体１６におけるサブバンド準位構造については、図２に示した構成に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。例えば、高エネルギー準位Ｌｈについては、第２発光上準位ではなく、発光上準位Ｌｕｐへと電子を注入するための注入準位として機能する構成としても良い。また、この高エネルギー準位Ｌｈについては、不要であれば設けない構成としても良い。また、発光下準位Ｌｌｏｗについては、ミニバンドＭＢを複数の緩和準位Ｌｒを含む緩和ミニバンドとして構成するとともに、ミニバンドＭＢとは別に、１または複数の発光下準位Ｌｌｏｗを設ける構成としても良い。
【００３３】
図１、図２に例示したような構成を有する量子カスケードレーザ１Ａでは、上述したように、レーザ素子における電圧ノイズ（電気的揺らぎ）によって、スペクトル線幅が本来のものよりも広がっている。本願発明者は、このような量子カスケードレーザの素子内での電気的揺らぎについて考察を行った。以下、量子カスケードレーザでのスペクトル線幅の劣化の原因となる電圧ノイズについて説明する。
【００３４】
量子カスケードレーザの素子内において見られる電圧ノイズは、１／ｆＮ型（ｆＮはノイズ周波数）のいわゆるフリッカー雑音である（非特許文献３）。フリッカー雑音の全般については、電子が表面準位や欠陥などにトラップされ、あるいは、トラップされていた電子が解放される電気的なランダム現象によって引き起こされると考えられ、例えば、ＲＴＳ（Random Telegraph Signal）モデルによって解釈されている。
【００３５】
本願発明者は、上記したキャリアのトラップと解放という考え方を取り入れて、量子カスケードレーザについて考察を行った。なお、以下においては、不純物の添加位置、空間的広がり、ミニバンド内での電子の位置、広がりなどの空間的な概念は、特に断りがなければ全て、レーザ素子を構成する多重量子井戸構造の積層方向（積層面に垂直な方向）での概念を示しており、積層面に平行な方向については、特に制限は加えていない。
【００３６】
本願発明者は、発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６の多段積層構造を有する量子カスケードレーザ１Ａでの活性層１５において、発光層１７から引き抜かれた電子を緩和して、注入層１８を介して後段の発光層１７ｂ（図２参照）へと輸送するミニバンドＭＢと、活性層１５にキャリアである電子を供給するために注入層１８内にドーピングされる不純物による不純物準位Ｌｉｍｐとの関係に着目した。
【００３７】
図３は、量子カスケードレーザ１Ａでの活性層１５の注入層１８内における、電子を供給するための不純物の添加について模式的に示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）において、Ｌｉｍｐは不純物準位を示し、Ｌ１〜Ｌ５はミニバンドＭＢを構成する複数の準位（複数のサブバンド）を示している。
【００３８】
電子ｅ−は、不純物準位ＬｉｍｐからミニバンドＭＢ内の準位に確率的に励起され、瞬く間に、規格化された波動関数とボルツマン分布とによって決まる電子分布を形成する。また、電子の励起によって空になった不純物準位Ｌｉｍｐには、プラスの電荷を持ったイオン化ドナーが形成され、ミニバンドＭＢには、マイナスの電荷を持った電子が存在する。このとき、イオン化ドナーと電子とが空間的に離れていれば、ダイポール長Ｚ（図３（ｂ）参照）の電荷ダイポールが形成され、それによる電界が生じる。また、逆の過程として、ミニバンドＭＢ内にある電子ｅ−が、確率的に空の不純物準位Ｌｉｍｐであるイオン化されたドナーにトラップされる現象が生じる。この過程では、上記のように形成された電荷ダイポールが消滅することとなる。
【００３９】
このように、注入層１８に設けられた不純物準位Ｌｉｍｐからの電子ｅ−の放出とトラップとによって、電界の変化が生じる。このような電子の放出、トラップ過程による電圧の変化が、量子カスケードレーザ１Ａにおける電圧ノイズとなる。図３に示すように、注入層１８に形成される電荷ダイポールの極性と大きさとは、発生したプラスのイオン化ドナーの位置に対して、電子によるマイナスの電荷分布がどの位置に形成されるかによって異なってくる。
【００４０】
ここで、注入層１８において単一の不純物のみが存在する場合を考える。この場合、不純物から励起された電子によって生成される平均的な電荷ダイポールの大きさを考えることができる。また、ミニバンドＭＢ内での電子分布によって生成される様々な極性の異なる電荷ダイポールをうまくバランスさせれば、平均的には電荷ダイポールの大きさをゼロにすることができる。すなわち、この場合には、量子カスケードレーザ１Ａの素子内での電圧ノイズをゼロにすることができる。
【００４１】
別の言い方をすれば、平均的な電荷ダイポールの大きさは、励起された電子が作る電荷分布の重心と、ドーピングされた不純物とによって生成される電荷ダイポールの大きさとなる。したがって、励起された電子の電荷分布の重心位置が、不純物の添加位置に対して空間的に離れていなければ、不純物準位ＬｉｍｐからミニバンドＭＢへの電子の励起、もしくはミニバンドＭＢから不純物準位Ｌｉｍｐへの電子のトラップが繰り返されても、実質的に電荷ダイポールが形成されず、それによる電圧ノイズはゼロになる。
【００４２】
次に、上記した単一の不純物に加えて、空間的に離れた別の位置にもう１つの不純物が存在する場合を考える。この不純物からミニバンドＭＢに励起される電子も、先と同様に瞬く間に緩和され、規格化された波動関数とボルツマン分布とによって決まる電子分布を形成する。したがって、ミニバンドＭＢにおいて形成される電荷分布は、電子がどの位置の不純物から励起されたとしても変わらない。
【００４３】
この場合、空間的に離れた位置に添加された第１、第２の不純物のそれぞれと、ミニバンドＭＢ内での電荷分布の中心とによって生成される電荷ダイポール同士を平均化して、ゼロとすることはできない。第１、第２の不純物は、互いに全く独立な励起、トラップの過程を持つ独立した事象であるからである。この場合には、レーザ素子内での電圧ノイズは、それぞれの不純物に起因するノイズパワーの積算値として評価しなければならない。ノイズパワーは、電荷ダイポールが作るノイズ電圧を２乗した量であり、極性を持たない量であるため、ノイズパワーは必ず加算されることとなる。
【００４４】
そこで、レーザ素子の動作のために多数のキャリア（電子）が必要な状況においてノイズパワーを最小に抑える方法としては、できる限り空間的に離れていない位置に多数の不純物を添加（ドーピング）すると良い。このような構成では、注入層１８に添加された多数の不純物のそれぞれによる不純物準位Ｌｉｍｐの空間的位置がほとんど異ならないことから、不純物が作るダイポールの極性、大きさは略同じになると考えられる。したがって、ある不純物に対してノイズパワーが最小となる条件にしておけば、ノイズパワーを足し合わせてもノイズパワーは小さい値に保たれる。
【００４５】
以上の考察より、ノイズパワーの平方根である電圧ノイズを最小にするための量子カスケードレーザの構造としては、注入層１８内において、ある特定の半導体層、添加位置に局所的に不純物添加を行うδドーピングの構造が最適であることがわかる。また、注入層１８内において、不純物が空間的にある程度広がって添加されている場合には、不純物ができる限り狭い領域に添加され、また、不純物の添加量分布の中心位置（重心位置）と、ミニバンドＭＢ内に形成される電荷分布の重心位置とをできる限り近接させることが、電圧ノイズの低減のために重要であることが理解される。
【００４６】
本願発明者は、上記考察を解析的に進め、ある特定の位置にのみ不純物をドーピングした場合に量子カスケードレーザ素子内に発生する電圧ノイズパワースペクトル密度（ＶＮＰＳＤ：Voltage Noise Power Spectral Density）を、下記の式（２）
【数２】
2015173195.tif 000004
のように見積もった。
【００４７】
ここで、電圧ノイズパワースペクトル密度とは、電圧ノイズパワーが、各ノイズ周波数における帯域１Ｈｚあたりにどれくらいあるかを示した量である。また、上記の式（２）において、各記号、式等は、それぞれ以下の通りである。
【数３】
2015173195.tif 000005
【数４】
2015173195.tif 000006
【数５】
2015173195.tif 000007
【数６】
2015173195.tif 000008
ｅ：素電荷
Ｚ（ｚｉｍｐ）：ダイポール長
ε０：真空の誘電率
εｓ：活性層の比誘電率
Ｓ：活性層の水平方向の面積
Ｍ：カスケード構造の段数
ｎｉｍｐ：カスケード構造１段当たりの不純物面密度
ｆ（Ｅｉｍｐ，ＥＦ，Ｔｅ）：不純物準位の電子分布関数
Ｅｉｍｐ：不純物準位のエネルギー
ＥＦ：注入層にあるミニバンドに対する擬似フェルミエネルギー
Ｔｅ：活性層内での電子温度（〜格子温度）
Ｉ：ミニバンドに含まれるサブバンドの数
τｅＬ：不純物準位からのミニバンドへの放出最長時間（レートの逆数）
τｅＳ：不純物準位からのミニバンドへの放出最短時間
Ｅｉ：ミニバンドに含まれるｉ番目のサブバンド端のエネルギー
ｚ：半導体積層構造の積層方向での空間的位置（ミニバンド内の電子の位置）
ｚｉｍｐ：不純物準位の積層方向での空間的位置
Ψｉ：ミニバンドに含まれるｉ番目のサブバンドの規格化された波動関数
ｆＮ：ノイズ周波数
ｍ＊：電子の有効質量
ｋＢ：ボルツマン定数
【００４８】
ここで、上記の式（２）は、１点の添加位置ｚｉｍｐに不純物が添加されたδドーピングの条件でＶＮＰＳＤを計算している。また、不純物準位（添加位置）が空間的に広がっている場合には、式（２）をさらにｚｉｍｐで積分した下記の式（７）によって、ＶＮＰＳＤを求めることができる。
【数７】
2015173195.tif 000009
ただし、上記の式（７）において、ｐ（ｚｉｍｐ）は、添加位置ｚｉｍｐに不純物が存在する確率である。
【００４９】
ＶＮＰＳＤの式（２）において、添加位置ｚｉｍｐでダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ）＝０であれば、ノイズ周波数ｆＮによらず、ＶＮＰＳＤの値はＳｖ（ｆＮ）＝０である。また、不純物の添加位置ｚｉｍｐの関数であるダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ）は、２乗としてＶＮＰＳＤの式に組み込まれており、不純物の添加位置が空間的に広がっている場合には、ノイズパワーは増加することがわかる。
【００５０】
なお、ＶＮＰＳＤの式（２）については、不純物準位ＬｉｍｐからミニバンドＭＢへの遷移の確率密度関数ｐｅ（τｅ）、及びミニバンドＭＢから不純物準位Ｌｉｍｐへの遷移の確率密度関数ｐｃ（τｃ）が、それぞれ不純物準位からミニバンドへの放出時間τｅ、及びミニバンドから不純物準位への捕獲時間τｃの逆数に比例するとして計算している。また、ミニバンドＭＢ内での各準位への電子の分布については、電子温度Ｔｅでのボルツマン分布に従うとして計算しているが、このことは実験的にも確かめられており、広く知られている。また、多段に積層されたカスケード構造において、各段の注入層の構造は同一であるとしている。
【００５１】
上記式において、ダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ）は、不純物準位Ｌｉｍｐの位置ｚｉｍｐと、ミニバンドＭＢ内のある位置ｚでの電子の存在確率を示す規格化された波動関数Ψ（ｚ）の２乗との積で決まる。また、ｆ（Ｅｉｍｐ，ＥＦ，Ｔｅ）は、不純物準位に電子が存在する確率を示しており、活性層１５での電子温度Ｔｅにおいて不純物準位からミニバンドへと励起できる電子の数を決定している。また、｛１−ｆ（Ｅｉｍｐ，ＥＦ，Ｔｅ）｝は、不純物準位に電子が存在しない確率を示しており、不純物準位がミニバンドに存在する電子をどれだけ受け取ることができるかを決定している。式（２）のＶＮＰＳＤは、これらのダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ）の２乗と、ｆ（Ｅｉｍｐ，ＥＦ，Ｔｅ）と、｛１−ｆ（Ｅｉｍｐ，ＥＦ，Ｔｅ）｝との積となっている。
【００５２】
ここで、規格化された波動関数Ψ（ｚ）は、カスケード構造の活性層１５における多重量子井戸構造だけでなく、レーザ発振動作時の動作電圧による影響を含めて決定される。また、上記式（２）の分母は、不純物準位Ｌｉｍｐと、ミニバンドＭＢとの遷移確率密度関数ｐｅ（τｅ）、ｐｃ（τｃ）を考慮したことによるものである。ＶＮＰＳＤの式（２）が基本的にこのような形式になることは、上記の説明から理解することができる。
【００５３】
なお、式（２）中のｚｉｍｐ、ｚなどの空間座標は、上述したように、活性層１５での量子井戸構造の積層面に垂直な方向（積層方向、ｚ軸方向）についての座標である。また、規格化された波動関数の２乗｜Ψ（ｚ）｜２は、ｚ軸方向の位置ｚにおける、ｚ軸に直交するｘ軸方向、ｙ軸方向について積分した１電子に対する確率密度を表している。
【００５４】
ミニバンドＭＢ内で積層方向の位置ｚに電子が分布する確率を示す電子分布、及びそれによる電荷分布は、下記の式（８）、（９）によって表される。
【数８】
2015173195.tif 000010
【数９】
2015173195.tif 000011
添加位置ｚｉｍｐにある不純物と、ミニバンドＭＢ内にある電子とによって生成されるダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ）を示す上記の式（３）は、ミニバンドＭＢ内での電子分布を示す式（８）に位置ｚを乗じた式（１０）
【数１０】
2015173195.tif 000012
によって求められるミニバンドＭＢ内での電荷分布（電子分布）の重心位置ｚｃを、不純物の添加位置ｚｉｍｐを座標の基準として表現したものとなっている。
【００５５】
このことは、電荷分布の重心位置ｚｃと、不純物の添加位置ｚｉｍｐとが一致すると、ダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ）はゼロとなり、したがって、ダイポールによる電界が生成されずに、電圧ノイズの発生がなくなることを示している。また、不純物の添加位置が空間的に広がっている場合の式（７）については、不純物の添加位置ｚｉｍｐにおけるダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ）に不純物の存在確率ｐ（ｚｉｍｐ）を乗じて積分することは、不純物の重心に重み付けを行ってダイポール長Ｚを計算していることを表している。したがって、必然的に、ミニバンドＭＢでの電荷分布の重心位置ｚｃと、不純物の添加量分布の中心位置（重心位置）とが一致する場合に、電圧ノイズが抑制されることとなる。
【００５６】
以上より、本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａでは、注入層１８内において、電子を供給するための不純物を、上記式（１０）によって決まるミニバンドＭＢ内での電荷分布の重心位置ｚｃに対して所定の条件を満たす添加量分布となるように添加する。具体的には、注入層１８内において、電子を供給する不純物が、ミニバンドＭＢ内での電荷分布の重心位置ｚｃからの距離が３．６ｎｍ以下の位置を中心位置とし、１２ｎｍ以下の半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）を有する添加量分布で添加される構成とする。なお、不純物の添加量分布に要求される上記条件については、具体的にはさらに後述する。
【００５７】
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａの効果について説明する。
【００５８】
上記実施形態の量子カスケードレーザ１Ａでは、発光層１７及び注入層１８から構成される単位積層体１６でのサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐと、それぞれ発光下準位Ｌｌｏｗまたは緩和準位Ｌｒとして機能する複数の準位を含むミニバンドＭＢとを設けている。また、単位積層体１６での量子井戸構造について、注入層１８を、４個以上（ｎ個）の障壁層及び井戸層を含んで構成している。また、ミニバンドＭＢを、４個以上（Ｉ個）のサブバンド準位によって構成している。
【００５９】
そして、このような構成において、注入層１８内の所定位置に添加される電子を供給するための不純物について、上記式（１０）によって決まるミニバンドＭＢ内での電荷分布の重心位置ｚｃを参照し、この重心位置ｚｃからの距離が３．６ｎｍ以下の位置を中心位置（重心位置）とし、１２ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で不純物を添加する構成としている。このように、ミニバンド内での電荷分布の重心位置に対して所定条件を満たす添加量分布で不純物を添加することにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能となる。
【００６０】
ここで、上記した量子カスケードレーザにおいて、注入層１８内で不純物が添加される半導体層については、注入層１８内において、不純物が、注入層１８を構成するｎ個の障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内、または単一の障壁層内に添加されていることが好ましい。あるいは、注入層１８内において、不純物が、注入層１８を構成するｎ個の障壁層及び井戸層のうちで、隣り合う井戸層及び障壁層にわたって添加されている構成としても良い。ただし、これらのいずれの場合でも、不純物の添加量分布については、上記した条件を満たしている必要がある。
【００６１】
また、不純物の添加量分布の幅については、注入層１８内において、不純物が、４．４ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されていることが好ましい。これにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響をさらに抑制することができる。
【００６２】
また、不純物の添加量分布の位置については、注入層１８内において、不純物が、ミニバンドＭＢ内での電荷分布の重心位置ｚｃからの距離が１．２ｎｍ以下の位置を中心位置とする添加量分布で添加されていることが好ましい。このような構成によっても、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響をさらに抑制することができる。
【００６３】
また、上記した量子カスケードレーザ１Ａは、活性層１５が、単位積層体１６として、互いに異なる量子井戸構造を有する複数種類の単位積層体を有し、注入層１８内における不純物の添加量分布は、単位積層体１６の種類毎に個別に設定される構成としても良い。このように、複数種類の単位積層体に対し、各単位積層体１６での量子井戸構造の種類に応じた添加量分布を設定して不純物を添加することにより、様々な構成の活性層１５を有するレーザ素子内での電気的揺らぎの影響を好適に抑制することができる。
【００６４】
上記式（２）、（７）に示したＶＮＰＳＤ（電圧ノイズパワースペクトル密度）の評価式、及びそれに基づいて求められた、注入層１８内での不純物の添加量分布に対する上記条件の妥当性について、具体的なレーザ素子を用いて検討を行った。図４は、量子カスケードレーザ１Ａを構成する半導体積層構造の具体的な一例を示す図表である。なお、以下に示す図表において、「ｕ」型とは、アンドープ（undoped）型を示している。また、ｎ型の不純物としては、具体的にはＳｉを添加している。
【００６５】
図４に示す構成例では、キャリア濃度が５×１０１８（／ｃｍ３）、厚さが３５０μｍのｎ＋型のＩｎＰ基板５０を半導体基板１０として用い、この基板５０上に、厚さ３．５μｍのＩｎＰ下部クラッド層５１、厚さ１０．０ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部グレーデッド層５２、厚さ０．２５μｍのＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５３、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部注入層２５、単位積層体１６が多段に積層されたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ活性層１５、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部注入層２０、厚さ０．２５μｍのＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５４、厚さ１０．０ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部グレーデッド層５５、及び厚さ３．５μｍのＩｎＰ上部クラッド層５６が順に積層されることで、量子カスケードレーザの素子構造が形成されている。なお、各半導体層におけるキャリア濃度等については、図４に示す通りである。
【００６６】
また、本構成例では、上部クラッド層５６上には、さらに、厚さ０．５μｍ、キャリア濃度３×１０１８（／ｃｍ３）のＩｎＰ第２コンタクト層５７、厚さ０．０２μｍ、キャリア濃度５×１０１８（／ｃｍ３）のＩｎＰ第１コンタクト層５８、及び厚さ０．０１μｍ、キャリア濃度１×１０１９（／ｃｍ３）のキャップ層５９が設けられている。
【００６７】
図５は、図４に示した量子カスケードレーザにおける、上部注入層２０、活性層１５、及び下部注入層２５の構成の一例を示す図表である。また、図６は、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の構成の一例を示す図表である。本構成例では、上部注入層２０は、ＡｌＩｎＡｓ障壁層２０１〜２０４、及びＩｎＧａＡｓ井戸層２１１〜２１３によって構成され、井戸層２１３において、キャリア濃度３×１０１７（／ｃｍ３）で不純物が添加されている。また、下部注入層２５は、ＡｌＩｎＡｓ障壁層２５１〜２５５、及びＩｎＧａＡｓ井戸層２６１〜２６４によって構成され、井戸層２６４において、キャリア濃度３×１０１７（／ｃｍ３）で不純物が添加されている。
【００６８】
また、図６は、構造Ｉの量子カスケードレーザ素子（素子Ｉ）での活性層１５の単位積層体１６の構成を示している。素子Ｉの構成では、単位積層体１６での発光層１７は、４個のＡｌＩｎＡｓ障壁層１６１〜１６４、及びＩｎＧａＡｓ井戸層１７１〜１７４によって構成されている。また、注入層１８は、７個のＡｌＩｎＡｓ障壁層１８１〜１８７、及びＩｎＧａＡｓ井戸層１９１〜１９７によって構成され、第７井戸層１９７において、キャリア濃度３×１０１７（／ｃｍ３）で不純物が添加されている。
【００６９】
本構成例における活性層１５は、発光層１７及び注入層１８を含む単位積層体１６が４０周期で積層されて構成されている。なお、活性層１５を構成する４０段の単位積層体１６のうち、最も上段の単位積層体１６では、発光層１７の障壁層１６１が上部注入層２０の障壁層２０４に置き換えられている。また、最も下段の単位積層体１６では、注入層１８が下部注入層２５に置き換えられている。
【００７０】
図７は、図６に示した素子Ｉの活性層１５における単位積層体１６の構成、及びサブバンド準位構造について示す図である。本構成例では、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐ、第２発光上準位として機能する高エネルギー準位Ｌｈ、及びミニバンドＭＢを有している（図２参照）。
【００７１】
また、図８は、構造IIの量子カスケードレーザ素子（素子II）での活性層１５の単位積層体１６の構成を示している。素子IIの構成では、単位積層体１６での発光層１７は、４個のＡｌＩｎＡｓ障壁層１６１〜１６４、及びＩｎＧａＡｓ井戸層１７１〜１７４によって構成されている。また、注入層１８は、７個のＡｌＩｎＡｓ障壁層１８１〜１８７、及びＩｎＧａＡｓ井戸層１９１〜１９７によって構成され、第４井戸層１９４において、キャリア濃度３×１０１７（／ｃｍ３）で不純物が添加されている。なお、素子IIの構成は、不純物の添加位置を除けば素子Ｉと同様である。
【００７２】
図９は、上記した構造の素子Ｉ、素子IIについて、注入層１８における不純物の添加位置ｚｉｍｐ、及び不純物準位Ｌｉｍｐについて示す図である。図９（ａ）では、注入層１８で不純物が添加されている井戸層、及び不純物準位のエネルギー位置について、グラフによって示している。また、図９（ｂ）では、不純物の添加位置ｚｉｍｐ、及び不純物準位のエネルギーＥｉｍｐについて、図表によって示している。
【００７３】
ここで、不純物の添加位置ｚｉｍｐについては、図９（ａ）のグラフに示すように、注入層１８に隣接する注入障壁層１６１の井戸層１７１側の端部を基点としている。また、不純物準位のエネルギーＥｉｍｐについては、図９（ａ）中に黒丸及び一点鎖線で示したエネルギー位置を基準としている。また、図９においては、上記した第７井戸層１９７に不純物を添加する素子Ｉ、及び第４井戸層１９４に不純物を添加する素子IIに加えて、後述する、第６井戸層１９６に不純物を添加する素子III、及び第５井戸層１９５に不純物を添加する素子IVについても、合わせて不純物の添加位置ｚｉｍｐ、及び不純物準位Ｌｉｍｐについて示している。
【００７４】
上記構成の量子カスケードレーザについて、リッジ構造のレーザ素子を作製し、ノイズ電圧の周波数解析を行うことでＶＮＰＳＤの測定を行い、また、上記した評価式を用いて計算によるＶＮＰＳＤの評価を行った。なお、以下に示すＶＮＰＳＤについての計算結果では、各パラメータの数値について、τｅＳ＝０．１μｓ、τｅＬ＝１００ｍｓ、εｓ＝１４、Ｍ＝４０、ｎｉｍｐ＝１．０×１０１１ｃｍ−２、Ｓ＝１．４×１０−４ｃｍ２の数値を用いている。また、δドーピングについての式（２）を用いた計算では、不純物は井戸層の中心に局在しているとして計算を行っている。また、活性層１５に印加されているバイアス電圧は、３５ｋＶ／ｃｍとしている。
【００７５】
図１０は、ノイズパワーの周波数依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸はノイズパワー（Ｖ２／Ｈｚ）を示している。また、図１０のグラフは、素子Ｉについての電子温度１８０ＫでのＶＮＰＳＤの測定結果を示している。ここでは、測定結果と合わせて、ノイズ周波数ｆＮが１桁高くなるとＶＮＰＳＤが１桁下がるラインを破線で示しており、ＶＮＰＳＤの測定結果が、１／ｆＮノイズとなっていることが確認できる。
【００７６】
図１１は、素子Ｉ、IIについてのＶＮＰＳＤの温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電子温度（Ｋ）を示し、縦軸はＶＮＰＳＤ（Ｖ２／Ｈｚ）を示している。また、図１１のグラフは、ノイズ周波数ｆＮ＝１００ＨｚにおけるＶＮＰＳＤについて、素子Ｉでの実験的な測定結果及び理論的な計算結果と、素子IIでの実験的な測定結果及び理論的な計算結果とを示している。図１１に示すように、ＶＮＰＳＤについての測定結果、計算結果は、かなり良く一致しており、上記した評価式の妥当性を確認することができる。
【００７７】
なお、図１１のグラフは、ノイズ周波数ｆＮ＝１００Ｈｚでのデータを示しているが、図１０からわかるように、測定されるＶＮＰＳＤは１／ｆＮの特性となっており、また、評価式（２）も１／ｆＮの関数形となっているため、たまたまノイズ周波数１００Ｈｚで一致しているわけではない。
【００７８】
図１１において、評価式（２）を用いて計算されたＶＮＰＳＤの温度依存性をみると、素子II（Ｅｉｍｐ＝０．２１５４ｅＶ）では、電子温度５５０Ｋの動作温度で、電気的ノイズを示すＶＮＰＳＤが非常に強く抑制されている。一方、素子Ｉ（Ｅｉｍｐ＝０．１５６３ｅＶ）については、ＶＮＰＳＤが強く抑制される温度領域は存在しない。
【００７９】
図１２は、同様の素子構造で、不純物の添加位置ｚｉｍｐを図９に示した第６井戸層１９６の位置とした素子III（Ｅｉｍｐ＝０．１７４５ｅＶ）について、ＶＮＰＳＤの温度依存性の計算結果を示すグラフである。この構成では、１５０Ｋの動作温度で、ＶＮＰＳＤが強く抑制されている。
【００８０】
図１３は、同様の素子構造で、不純物の添加位置ｚｉｍｐを図９に示した第５井戸層１９５の位置とした素子IV（Ｅｉｍｐ＝０．１９５０ｅＶ）について、ＶＮＰＳＤの温度依存性の計算結果を示すグラフである。この構成では、δドーピングでの計算結果をみると、３００Ｋの動作温度で、ＶＮＰＳＤが強く抑制されている。
【００８１】
なお、図１３のグラフに示す破線は、ノイズの抑制がない場合に想定されるＶＮＰＳＤを示している。また、図１１のグラフにおいて、素子IIの場合、極低温側でＶＮＰＳＤが著しく低下する傾向がある。これは、極低温では、不純物準位Ｌｉｍｐに電子が存在する確率ｆ（Ｅｉｍｐ，ＥＦ，Ｔｅ）が低下することによるものであり、電荷ダイポールが小さくなることによるものではない。
【００８２】
素子Ｉ、II、III、IVのそれぞれのケースにおいて、ミニバンド内での電子分布（電荷分布）、その重心位置、及び不純物添加の空間的位置について検討する。図１４（ａ）、（ｂ）、及び図１５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ミニバンドＭＢ内での電荷分布（電子分布）について、単位積層体１６の量子井戸構造（図７、図９（ａ）参照）とともに示すグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は積層方向の位置（ｎｍ）を示し、縦軸は量子井戸構造についてのエネルギー（ｅＶ）、または電子分布についてのキャリア数（ａ．ｕ．）を示している。また、活性層１５に印加されているバイアス電圧は、上記と同様に３５ｋＶ／ｃｍである。
【００８３】
図１４（ａ）のグラフは、素子Ｉについて、ミニバンドにおける電子温度０Ｋでの電子分布、及びその重心位置（矢印で表示）を示している。この構成では、電子分布は温度がが低温になればなるほど、エネルギーが小さい方に偏るが、０Ｋにおいても、電子分布の重心位置ｚｃは、注入障壁層からみて８．０ｎｍの位置にある。素子Ｉでは、不純物の添加位置は注入層１８の第７井戸層１９７内のｚｉｍｐ＝５．３ｎｍであり、電子分布の中心位置から大きくずれている。したがって、この構成では、電荷ダイポールをキャンセルすることができず、ノイズが抑制されない。
【００８４】
図１４（ｂ）のグラフは、素子IIについて、ミニバンドにおける電子温度５５０Ｋでの電子分布、及びその重心位置を示している。素子IIは、不純物の添加位置をｚｉｍｐ＝２２．８ｎｍとし、電子温度５５０ＫでＶＮＰＳＤが最小となる構成であるが、この場合、ミニバンドの電子分布についてみても、その重心位置ｚｃが確かに不純物の添加位置ｚｉｍｐと同様に２２．８ｎｍの位置にある。
【００８５】
図１５（ａ）のグラフは、素子IIIについて、ミニバンドにおける電子温度１５０Ｋでの電子分布、及びその重心位置を示している。素子IIIは、不純物の添加位置をｚｉｍｐ＝１１．４ｎｍとし、１５０ＫでＶＮＰＳＤが最小となる構成であるが、この場合でも、ミニバンドの電子分布について、その重心位置が１１．４ｎｍの位置にある。
【００８６】
図１５（ｂ）のグラフは、素子IVについて、ミニバンドにおける電子温度２５０Ｋ、３００Ｋ、３５０Ｋでの電子分布、及びその重心位置を示している。素子IVは、不純物の添加位置をｚｉｍｐ＝１７．１ｎｍとし、３００ＫでＶＮＰＳＤが最小となる構成であるが、この場合でも、ミニバンドの電子分布について、３００Ｋでの重心位置が１７．１ｎｍの位置にある。また、ＶＮＰＳＤが最小となる３００Ｋから外れた電子温度２５０Ｋ、３５０Ｋでの電子分布についてみると、その重心位置はそれぞれ１５．７ｎｍ、１８．４ｎｍとなっており、不純物の添加位置とは一致していない。
【００８７】
ここまでの考察では、主に、注入層１８内の特定の半導体層において、１点の添加位置ｚｉｍｐに局所的に不純物添加を行うδドーピングの構成について議論、計算を行った。一方、実際のレーザ素子では、不純物の添加量分布は、積層方向について一定の幅、広がりを有する。このような不純物の添加幅に関し、素子IVでのＶＮＰＤＳの温度依存性について示した図１３では、δドーピングでの計算結果に加えて、一定の添加幅で不純物添加を行った場合の式（７）を用いた計算結果について示している。
【００８８】
具体的には、この図１３のグラフにおいて、実線のグラフで３００Ｋでのグラフ位置でみて下から順に、不純物の添加幅が０ｎｍ（δドーピング）、０．６ｎｍ、１．２ｎｍ、１．８ｎｍ、２．４ｎｍ、３．０ｎｍ、３．６ｎｍ、５．０ｎｍ、６．０ｎｍ、８．０ｎｍ、１０．０ｎｍ、１２．０ｎｍ、１４．０ｎｍの場合のＶＮＰＳＤの温度依存性を示している。また、図１３中の破線のグラフは、上記したように、ノイズの抑制がない場合に想定されるＶＮＰＳＤを示している。
【００８９】
図１３のグラフからわかるように、ノイズが抑制されていない状態では、ＶＮＰＳＤは温度に対して緩やかに変化する関数を示す。そこで、図１３に示すデータに対して、ノイズ抑制量（Suppression）を下記の式（１１）
【数１１】
2015173195.tif 000013
によって定義して、不純物の添加幅（ドーピング層の厚さ）と、ノイズ抑制量との関係について調べた。
【００９０】
図１６は、ノイズ抑制量の不純物添加幅依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は不純物の添加幅（ｎｍ）を示し、縦軸は上記したノイズ抑制量を示している。また、図１６中の破線のグラフは、添加幅が０ｎｍ（δドーピング）の場合のＶＮＰＳＤを示している。このデータでは、添加幅を１４ｎｍとした場合にはノイズの抑制は確認できないが、それ以下の添加幅であれば、ＶＮＰＳＤが抑制されていることがわかる。したがって、不純物の添加量分布における添加幅については、１２ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で不純物を添加することが好ましい。
【００９１】
特に、図１６のデータでは、４．４ｎｍの添加幅で１桁程度のノイズ抑制が達成されており、１桁以上のノイズ抑制を高いノイズ抑制効果であると考えると、この添加幅が不純物の広がりの限界となる。この点を考慮すると、不純物の添加幅については、４．４ｎｍ以下の半値全幅を有する添加量分布で不純物を添加することが好ましい。ここで、上記した構成例のＩｎＧａＡｓ材料系では、０．６ｎｍが１格子層の厚さに対応している。この場合には、７格子層程度の広がりが、極めて効果的なノイズ抑制効果を得るための不純物広がりの限界であると考えられる。
【００９２】
次に、不純物の添加量分布における添加位置の位置ずれについて考える。不純物の添加位置ｚｉｍｐについては、上記したように、ミニバンド内での電荷分布の重心位置ｚｃを中心位置として不純物を添加することが好ましい。ただし、この添加位置については、一定範囲の位置ずれがあっても、ノイズ抑制効果を得ることができる。
【００９３】
図１７は、不純物の添加位置の位置ずれによるＶＮＰＳＤの温度依存性の変化について示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電子温度（Ｋ）を示し、縦軸はＶＮＰＳＤ（Ｖ２／Ｈｚ）を示している。また、図１７のグラフでは、３００Ｋ付近でノイズが最小となる構造の素子IVについて、添加位置の位置ずれが＋４．８ｎｍ〜−４．８ｎｍの範囲で、ＶＮＰＳＤの温度依存性の変化、及び電子温度３００Ｋにおけるノイズ抑制効果の変化について示している。
【００９４】
図１７に示す計算結果においては、実際の素子ではδドーピングは不可能であることから、ＩｎＧａＡｓの格子定数にあたる０．６ｎｍの添加幅で不純物が添加されている場合について計算を行った。また、図１７中の破線のグラフは、ノイズ周波数ｆＮ＝１００Ｈｚでノイズの抑制がない場合に想定されるＶＮＰＳＤを示している。
【００９５】
このデータによれば、ミニバンドでの電荷分布の重心位置ｚｃからの不純物の添加位置（添加量分布の中心位置）ｚｉｍｐの位置ずれ（重心位置からの添加位置の距離）が３．６ｎｍ以下であれば、３００ＫでＶＮＰＳＤが抑制されていることがわかる。特に、１桁以上のノイズ抑制を高いノイズ抑制効果であると考えると、ミニバンドでの電荷分布の重心位置ｚｃからの不純物の添加位置ｚｉｍｐの位置ずれは、１．２ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００９６】
上記構成の量子カスケードレーザの具体的な構成例について、さらに説明する。図１８は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す斜視図である。図１８に示す量子カスケードレーザ１Ｂでは、ＩｎＰ基板５０（半導体基板１０）上に、ＩｎＰ下部クラッド層５１、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部グレーデッド層５２、ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５３、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部注入層２５、単位積層体１６が多段に積層されたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ活性層１５、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部注入層２０、ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５４、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部グレーデッド層５５、ＩｎＰ上部クラッド層５６、ＩｎＰ第２コンタクト層５７、ＩｎＰ第１コンタクト層５８、及びＩｎＧａＡｓキャップ層５９が順に積層されることで、量子カスケードレーザ１Ｂの素子構造が形成されている。なお、これらの半導体層のうちで、上部注入層２０、活性層１５、及び下部注入層２５を除く各層の構成については、図４に示したものと同様である。
【００９７】
図１８に示す構成例では、このような半導体積層構造において、ＩｎＰ基板５０の直上の下部クラッド層５１が露出するように、その上の全ての半導体層を幅ｗ＝１４μｍだけ残してエッチングしてリッジ構造とし、露出した側面をＳｉＮからなる絶縁層６０によって覆っている。また、リッジ構造のキャップ層５９上の絶縁層６０にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールに対して電極構造６１を設けている。
【００９８】
電極構造６１は、コンタクト層と電気的に接続された厚さ３００ｎｍのＡｕ電極から延びるコンタクト電極を、露出した下部クラッド層５１上の絶縁層６０上まで引き出し、ボンディングパッドを形成した構造を有している。なお、本構成例において、リッジ構造のリッジ長さは、例えばｌ＝１ｍｍである。
【００９９】
図１９は、実施例１における上部注入層２０、活性層１５、及び下部注入層２５の構成を示す図表である。また、図２０は、実施例１における活性層１５での１周期分の単位積層体１６の構成を示す図表である。また、図２１は、図２０に示した実施例１の活性層１５での単位積層体１６の構成、及びサブバンド準位構造について示す図である。なお、図２１においては、発光上準位Ｌｕｐ、ミニバンドＭＢ等を含むサブバンド準位構造と合わせて、不純物準位Ｌｉｍｐについても図示している。また、活性層１５に印加されているバイアス電圧は、３５ｋＶ／ｃｍとしている。
【０１００】
本実施例１は、注入層１８の第６井戸層１９６に不純物を添加する素子IIIの構造（図９参照）に対応しており、その具体的な不純物の添加量分布は、図２０に示すようになっている。すなわち、本実施例１では、厚さ３．６ｎｍの第６井戸層１９６をそれぞれ厚さ１．５ｎｍ、０．６ｎｍ、１．５ｎｍの３つの領域に区分し、そのうちの厚さ０．６ｎｍの中心領域のみにおいて、キャリア濃度１．８×１０１８（／ｃｍ３）で不純物Ｓｉを添加している。
【０１０１】
図２２は、実施例１の構成を有する量子カスケードレーザの素子特性について示す図である。図２２（ａ）は、ノイズ周波数１００ＨｚでのＶＮＰＳＤの温度依存性を示しており、活性層１５の電子温度Ｔｅが１５０Ｋのときにノイズが最小となり、２桁程度のノイズ抑制効果が得られている。また、図２２（ｂ）は、ミニバンドにおける１５０Ｋでの電子分布、及びその重心位置を示しており、電子分布の重心位置は不純物の添加位置と一致する１１．４ｎｍとなっている。
【０１０２】
図２３は、実施例２における活性層１５での１周期分の単位積層体１６の構成を示す図表である。なお、本実施例２においても、量子カスケードレーザの基本的な半導体積層構造、及び上部注入層２０、下部注入層２５の構成等については、上記した実施例１と同様である。
【０１０３】
本実施例２は、注入層１８の第５井戸層１９５に不純物を添加する素子IVの構造（図９参照）に対応しており、その具体的な不純物の添加量分布は、図２３に示すようになっている。すなわち、本実施例２では、厚さ３．６ｎｍの第５井戸層１９５をそれぞれ厚さ１．５ｎｍ、０．６ｎｍ、１．５ｎｍの３つの領域に区分し、そのうちの厚さ０．６ｎｍの中心領域のみにおいて、キャリア濃度１．８×１０１８（／ｃｍ３）で不純物Ｓｉを添加している。
【０１０４】
図２４は、実施例２の構成を有する量子カスケードレーザの素子特性について示す図である。図２４（ａ）は、ノイズ周波数１００ＨｚでのＶＮＰＳＤの温度依存性を示しており、活性層の電子温度Ｔｅが３００Ｋのときにノイズが最小となっている。また、図２２（ｂ）はミニバンドにおける３００Ｋでの電子分布、及びその重心位置を示しており、電子分布の重心位置は不純物の添加位置と一致する１７．１ｎｍとなっている。
【０１０５】
ここで、中赤外量子カスケードレーザにおける電圧ノイズと周波数揺らぎ、すなわちスペクトル線半値全幅との関係について述べておく（非特許文献２、６参照）。
【０１０６】
非特許文献６では、レーザ周波数のスペクトル線幅の半値全幅δνは、周波数ノイズが１／ｆｎ型の関数形、すなわちＮｆｌｉｃｋｅｒ／ｆｎを示すとき、下記の式（１２）で求められることが示されている。
【数１２】
2015173195.tif 000014
ただし、上記式（１２）において、ｆｃは下記の式（１３）で与えられる。
【数１３】
2015173195.tif 000015
Ｎｆｌｉｃｋｅｒは、ノイズ周波数１Ｈｚにおけるレーザ周波数ノイズパワースペクトル密度である。また、Ｔｗは、計測における積分時間である。この式から、スペクトル線幅は周波数ノイズと密接に関係し、周波数ノイズが２桁減少すれば、スペクトル線幅は１桁減少することがわかる。
【０１０７】
非特許文献２の図４及び図５は、同一素子の周波数ノイズパワースペクトル密度と温度との関係、及び電流ノイズパワースペクトル密度と温度との関係を示している。これによると、周波数揺らぎは温度２００Ｋから２７０Ｋの範囲でほぼ一定で、ノイズ周波数３ｋＨｚにおいて７×１０６Ｈｚ２／Ｈｚである。また、これに対応する電流ノイズパワースペクトル密度も同温度領域でほぼ一定で、ノイズ周波数３ｋＨｚにおいて６×１０−１７Ａ２／Ｈｚとなっている。
【０１０８】
電流変化に対する周波数変化を表す変換係数δν／δｉが同一であると仮定し、１／ｆｎの関係を用いて、これらの数値をＴｗ＝１０ｍｓに対応するノイズ周波数１００Ｈｚにおける値に換算すると、それぞれ２．１×１０８Ｈｚ２／Ｈｚ、１．８×１０−１５Ａ２／Ｈｚとなる。この数値をもとにすると、Ｎｆｌｉｃｋｅｒは２．１×１０１０Ｈｚとなり、上記の式（１３）よりｆｃを求めると１９３ｋＨｚとなる。さらに、式（１２）よりＴｗ＝１０ｍｓでのレーザ周波数のスペクトル線幅の半値全幅δνを求めると、９３９ｋＨｚと見積もることができる。
【０１０９】
一方、本願発明による上記実施例では、図１３において０．６ｎｍの添加幅で不純物を添加した場合には、ノイズ周波数１００Ｈｚにおいて４×１０−１８Ｖ２／Ｈｚの電圧ノイズパワースペクトル密度（ＶＮＰＳＤ）が得られるが、素子の微分抵抗が１０Ω程度であるので、電流ノイズパワースペクトル密度としては、４×１０−２０Ａ２／Ｈｚとなる。この揺らぎは、文献記載の揺らぎよりも１／４５０００程度小さくなっている。
【０１１０】
このことは、Ｎｆｌｉｃｋｅｒが１／４５０００になることも示しており、スペクトル線半値全幅がＮｆｌｉｃｋｅｒの平方根に比例することから、スペクトル線半値全幅は４．４３ｋＨｚになると見積もることができる。さらに、式（１２）での［ｌｎ（ｆｃＴｗ）］１／２の項によるスペクトル線幅への影響を考慮すると、室温で２．３９ｋＨｚという非常に狭いスペクトル線半値全幅が期待されることを示している。
【０１１１】
量子カスケードレーザの具体的な構成について、さらに説明する。上記した実施形態、及び実施例では、活性層１５について、同一構造の発光層１７及び注入層１８を有する単位積層体１６が多段に積層された構成としている。ただし、このような活性層１５の構成については、単位積層体１６として、互いに異なる量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を有する複数種類の単位積層体を有する構成としても良い。
【０１１２】
また、上記のように複数種類の単位積層体１６を有する構成では、注入層１８内における不純物の添加量分布（添加位置、添加幅）を、単位積層体１６の種類毎に個別に設定することが好ましい。この場合、例えばＶＮＰＳＤの上記した評価式（７）は、さらに一般化された下記の式（１４）となる。
【数１４】
2015173195.tif 000016
ここで、式（１４）において、添え字のｊは、複数段の単位積層体のうちでｊ段目の単位積層体についてのパラメータを示している。また、上記の式（１４）において、ダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ，ｊ）は、下記の式（１５）
【数１５】
2015173195.tif 000017
によって表される。
【０１１３】
活性層におけるｊ番目の単位積層体において、ミニバンド内で積層方向の位置ｚに電子が分布する確率を示す電子分布は、下記の式（１６）によって表される。
【数１６】
2015173195.tif 000018
ダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ，ｊ）を示す上記の式（１５）は、ミニバンド内での電子分布を示す式（１６）に位置ｚを乗じた式（１７）
【数１７】
2015173195.tif 000019
によって求められるミニバンド内での電荷分布（電子分布）の重心位置ｚｃ，ｊを、不純物の添加位置ｚｉｍｐ，ｊを座標の基準として表現したものとなっている。
【０１１４】
このことは、活性層を構成する任意のｊ番目の単位積層体において、電荷分布の重心位置ｚｃ，ｊと、不純物の添加位置ｚｉｍｐ，ｊとが一致すると、ダイポール長Ｚ（ｚｉｍｐ，ｊ）はゼロとなり、したがって、ダイポールによる電界が生成されずに、電圧ノイズの発生がなくなることを示している。
【０１１５】
注入層における不純物の添加位置について、さらに説明する。上記した実施形態、実施例ではいずれも、注入層内において、単一の添加位置ｚｉｍｐに不純物を添加する構成としている。これに対して、注入層内で複数の添加位置に不純物を添加する構成を考えると、そのような構成では、充分なノイズ抑制効果を得ることができない。
【０１１６】
図２５は、添加位置ｚｉｍｐ＝９．６ｎｍ、２４．６ｎｍの２つの位置に、不純物を半分ずつδドーピングした場合の（ａ）ＶＮＰＳＤの温度依存性、及び（ｂ）ミニバンド内での電荷分布について示す図である。ここで、ＶＮＰＳＤについては、評価式（７）を用いて求めた計算結果を示している。この場合、２つの位置に添加されている不純物の重心位置は、素子IVでの不純物の添加位置に対応する１７．１ｎｍであるが、素子IVでノイズが最小となる３００Ｋをも含めて、ノイズの抑制効果は得られていない。
【０１１７】
すなわち、このように空間的に離れた添加位置に第１、第２の不純物が添加された構成では、先に説明したように、第１、第２の不純物は、互いに全く独立な励起、トラップの過程を持つ独立した事象であり、したがって、第１、第２の不純物のそれぞれと、ミニバンド内での電荷分布の中心とによって生成される電荷ダイポール同士をキャンセルすることはできない。また、上記構成では、不純物添加の広がり（添加幅）が１５ｎｍと広いため、ノイズを全く抑制できないことがわかる。
【０１１８】
なお、複数の添加位置に不純物が添加された場合の添加量分布の半値全幅は、図２６に示すように定義される。すなわち、グラフＤ１に示すように、２つの添加位置に不純物がδドーピングされている場合には、その半値全幅は、２つの添加位置の間隔Ｄ２である。また、グラフＤ６に示すように、２つの添加位置に不純物が一定の幅を持って添加されている場合には、その半値全幅は、それぞれの添加量分布においてピークの半値となる外側の位置の間隔Ｄ７である。
【０１１９】
本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、活性層１５の単位積層体１６におけるサブバンド準位構造については、図２はその一例を示すものであり、具体的には、図２以外にも様々な構成を用いて良い。一般には、単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有していれば良い。
【０１２０】
また、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓによって構成した例を示したが、このような材料系以外にも、具体的には様々な構成を用いて良い。そのような半導体材料系としては、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、Ｓｉ／ＳｉＧｅなど、様々な材料系を用いることが可能である。
【０１２１】
また、上記した構成例では、注入層を構成する障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内に不純物を添加する構成を示したが、このような構成に限らず、例えば単一の障壁層内に、または隣り合う井戸層及び障壁層にわたって不純物を添加する構成としても良い。ただし、これらの構成とする場合にも、不純物の添加量分布については、その添加位置及び添加幅について上記した条件を満たす必要がある。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明は、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。
【符号の説明】
【０１２３】
１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、１６１…注入障壁層、１６２〜１６４…障壁層、１７１〜１７４…井戸層、１８１〜１８７…障壁層、１９１〜１９７…井戸層、２０…上部注入層、２５…下部注入層、
５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＰ下部クラッド層、５２…ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部グレーデッド層、５３…ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層、５４…ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層、５５…ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部グレーデッド層、５６…ＩｎＰ上部クラッド層、５７…ＩｎＰ第２コンタクト層、５８…ＩｎＰ第１コンタクト層、５９…ＩｎＧａＡｓキャップ層、６０…絶縁層、６１…電極構造、
Ｌｕｐ…発光上準位、Ｌｈ…高エネルギー準位（第２発光上準位、注入準位）、ＭＢ…ミニバンド、Ｌｌｏｗ…発光下準位、Ｌｒ…緩和準位、Ｌｉｍｐ…不純物準位。
【図１】
2015173195.tif 000021
【図２】
2015173195.tif 000022
【図３】
2015173195.tif 000023
【図４】
2015173195.tif 000024
【図５】
2015173195.tif 000025
【図６】
2015173195.tif 000026
【図７】
2015173195.tif 000027
【図８】
2015173195.tif 000028
【図９】
2015173195.tif 000029
【図１０】
2015173195.tif 000030
【図１１】
2015173195.tif 000031
【図１２】
2015173195.tif 000032
【図１３】
2015173195.tif 000033
【図１４】
2015173195.tif 000034
【図１５】
2015173195.tif 000035
【図１６】
2015173195.tif 000036
【図１７】
2015173195.tif 000037
【図１８】
2015173195.tif 000038
【図１９】
2015173195.tif 000039
【図２０】
2015173195.tif 000040
【図２１】
2015173195.tif 000041
【図２２】
2015173195.tif 000042
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2015173195.tif 000045
【図２６】
2015173195.tif 000046