(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンド間カスケード利得媒質であって、
活性利得領域を有し、当該活性利得領域は、
第１の端部と、前記第１の端部に向かい合う第２の端部とを有しかつ複数のカスケード化された段を含むものであり、それぞれの当該カスケード化された段は、活性利得量子井戸領域と、前記活性利得量子井戸領域と隣接する正孔インジェクタ領域と、前記正孔インジェクタ領域と隣接する電子インジェクタ領域とを含むものであり、前記活性利得量子井戸領域、前記正孔インジェクタ領域、および前記電子インジェクタのそれぞれは、複数の電子バリアと、少なくとも１つの電子量子井戸および正孔量子井戸とを有し、前記活性利得領域は、前記第１の端部における第１の段の活性利得量子井戸領域と、前記第２の端部における最後の段の電子インジェクタ領域とを有するものであり、
前記活性利得領域の少なくとも１つの段の少なくとも１つの正孔インジェクタ領域は、隣接する電子インジェクタ領域から少なくとも１つの電子バリアによって分離されるものであり、当該電子バリアは、ＡｌＳｂおよびＡｌＧＩｎＡｓＳｂのうち１つを含み、かつ少なくとも約２０Åの厚みを有するものであり、
当該バンド間カスケード利得媒質は、さらに、ＧａＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＧａＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｌＩｎＳｂ、及びＧａＡｌＩｎＡｓＳｂのうち１つを有する２つの高屈折率の分離閉じ込め層を有するものであり、当該２つの高屈折率の分離閉じ込め層は、それぞれ前記活性利得領域と対応するクラッド層との間に配置され、当該２つの高屈折率の分離閉じ込め層の厚みの合計は少なくとも約０．８μｍである、
バンド間カスケード利得媒質。
【請求項２】
請求項１記載のバンド間カスケード利得媒質において、前記活性利得領域の少なくとも１つの段の少なくとも１つの電子インジェクタ領域の合計の厚みは約２５０Å未満である、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項３】
請求項１記載のバンド間カスケード利得媒質において、前記正孔インジェクタ領域と前記隣接する電子インジェクタ領域との間にある前記少なくとも１つの電子バリアは、約２０〜２５Åの厚みを有するものであり、
前記バンド間カスケード利得媒質は波動関数の重なりを少なくとも０．３％に保つものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項４】
請求項１記載のバンド間カスケード利得媒質において、前記正孔インジェクタ領域と前記隣接する電子インジェクタ領域との間にある前記少なくとも１つの電子バリアは、少なくとも約２５Åの厚みを有するものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項５】
請求項３記載のバンド間カスケード利得媒質において、前記活性利得領域の少なくとも１つの段の前記少なくとも１つの電子インジェクタ領域は、複数の交互する電子バリアと電子量子井戸とを有するものであり、当該電子量子井戸の第１部分は、約４２Å未満の厚みを有し、当該電子量子井戸の複数の残り部分はそれぞれの厚みがその前の電子量子井戸の厚みよりも薄いものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項６】
請求項５記載のバンド間カスケード利得媒質において、前記少なくとも１つの分離閉じ込め層は、約２×１０１７ｃｍ−３未満のレベルでｎ型ドーピングされるものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項７】
請求項６記載のバンド間カスケード利得媒質において、前記活性利得量子井戸領域は、ゾーンセンター活性電子量子井戸状態とインジェクタ正孔状態との間の波動関数の重なりの２乗を５％以内に下げるのに十分な厚みを有する電子バリアによって、前記隣接する正孔インジェクタ領域から分離されているものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項８】
請求項６記載のバンド間カスケード利得媒質であって、このバンド間カスケード利得媒質は、さらに、
第１の最低伝導帯エネルギーを有する、前記バンド間カスケード利得媒質の第１の領域と、前記第１の最低伝導帯エネルギーよりも高い第２の最低伝導帯エネルギーを有する、前記バンド間カスケード利得媒質の第２の領域との間に配置される少なくとも１つのグレーデッド遷移層を有するものであり、当該少なくとも１つのグレーデッド遷移層は、一連のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂおよびＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ遷移超格子を含み、当該遷移超格子は、約８周期の約２０．１Å  ＩｎＡｓ／約１９Å  ＡｌＳｂと、約１０周期の約１５．９Å  ＩｎＡｓ／約１５Å  ＡｌＳｂと、約１２周期の約７Å  ＩｎＡｓ／約６．４Å  ＡｌＳｂ／約１５Å  ＧａＳｂとを有し、最初の前記約８周期は前記第１の領域の隣から始まり、且つ前記第２の隣で終わるものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項９】
請求項６記載のバンド間カスケード利得媒質であって、このバンド間カスケード利得媒質は、さらに、
グレーデッドドーピングプロファイルを有する少なくとも１つの光学クラッド層であって、当該少なくとも１つの光学クラッド層の第１部分のドーピングレベルは、前記少なくとも１つの光学クラッド層の第２部分のドーピングレベルより少なくとも２倍は低いものであり、前記少なくとも１つの光学クラッド層の前記第１部分は前記活性利得領域により近い部分である、前記光学クラッド層と、
前記バンド間カスケード利得媒質の第１の領域と、前記バンド間カスケード利得媒質の第２の領域との間に配置される少なくとも１つのグレーデッド遷移層であって、当該少なくとも１つのグレーデッド遷移層は、約１×１０１７ｃｍ−３から約５×１０１７ｃｍ−３のレベルにドープされるものであり、より低いドーピングレベルは、レージングモードと高い重なりを有する前記グレーデッド遷移層の領域に存在し、より高いドーピングレベルは、レージングモードと低い重なりを有する領域に存在するものである、前記グレーデッド遷移層と
を有するものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項１０】
請求項６記載のバンド間カスケード利得媒質であって、このバンド間カスケード利得媒質は、さらに、
グレーデッドドーピングプロファイルを有する少なくとも１つの光学クラッド層を有し、前記少なくとも１つの光学クラッド層の第１の部分は、約０．５×１０１７ｃｍ−３から約２×１０１７ｃｍ−３のドーピングレベルを有し、前記少なくとも１つの光学クラッド層の第２の部分は、約２×１０１７ｃｍ−３から約５×１０１７ｃｍ−３のドーピングレベルを有し、前記少なくとも１つの光学クラッド層の前記第１の部分は、前記第２の部分よりも前記活性利得領域に近いものであり、且つレージングモードの０．５％以下が前記第２の部分と重なるのに十分な厚みを有するものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項１１】
請求項７記載のバンド間カスケード利得媒質であって、このバンド間カスケード利得媒質は、さらに、
第１の最低伝導帯エネルギーを有する、前記バンド間カスケード利得媒質の第１の領域と、第２の最低伝導帯エネルギーを有する、前記バンド間カスケード利得媒質の第２の領域との間に配置される少なくとも１つのグレーデッド遷移層であって、当該少なくとも１つのグレーデッド遷移層は、一連のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂおよびＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ遷移超格子を含み、当該遷移超格子は、約８周期の約２０．１Å  ＩｎＡｓ／１９Å  ＡｌＳｂと、約１０周期の約１５．９Å  ＩｎＡｓ／１５Å  ＡｌＳｂと、約１２周期の約７Å  ＩｎＡｓ／６．４Å  ＡｌＳｂ／１５Å  ＧａＳｂとを有し、最初の前記約８周期はより低い伝導帯最低部を有する層の隣から始まり、且つより高い伝導帯最低部を有する層の隣で終わるものである、前記グレーデッド遷移層と、
グレーデッドドーピングプロファイルを有する少なくとも１つの光学クラッド層であって、前記少なくとも１つの光学クラッド層の第１の部分は、約０．５×１０１７ｃｍ−３から約２×１０１７ｃｍ−３のドーピングレベルを有し、前記少なくとも１つの光学クラッド層の第２の部分は、約２×１０１７ｃｍ−３から約５×１０１７ｃｍ−３のドーピングレベルを有し、前記少なくとも１つの光学クラッド層の前記第１の部分は、前記第２の部分よりも前記活性利得領域に近いものであり、且つレージングモードの０．５％以下が前記第２の部分と重なるのに十分な厚みを有するものである、前記光学クラッド層と
を有するものである、バンド間カスケード利得媒質。
【請求項１２】
請求項１記載のバンド間カスケード利得媒質において、前記活性利得領域の段数は、それぞれの段が約３から約８ｃｍ−１のモード利得を提供する段数であり、
前記活性利得領域の少なくとも１つの段の前記活性量子井戸領域の少なくとも１つの正孔量子井戸は、ｘが０．３以上であるＧａ１−ｘＩｎｘＳｂ正孔量子井戸を有し、且つ約２５Åから約５０Åの厚みを有するものである、バンド間カスケード利得媒質。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００８年１０月２０日に出願された米国特許仮出願第６１／１０６，６９３号および２００９年３月１２日に出願された米国特許出願第１２／４０２，６２７号に対して優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、バンド間カスケード利得媒質および当該媒質を組み込んだバンド間カスケードレーザに関するものであって、熱電冷却によって冷却が可能な温度かそれ以上の高温で中赤外領域のレーザ若しくは光増幅の性能を改善するものである。
【背景技術】
【０００３】
中赤外（「ｍｉｄ−ＩＲ」）スペクトル領域、すなわち波長が約２．５から８μｍの間の波長で発振するレーザ源の開発への関心は、年々高まりを見せている。この種のレーザは、軍事的利用および非軍事的利用の両方で重要な用途がある。軍事分野におけるｍｉｄ−ＩＲレーザは、熱線追尾式ミサイルが標的に達することを防ぎ妨害する対抗手段として非常に役立つ。このようなｍｉｄ−ＩＲレーザは、軍事・非軍事分野の両方、例えば化学センシングにおける利用も見いだされており、環境、医療、および国家安全で利用するにも非常に役立つものである。
【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が優れた性能と技術成熟を達成している。例えば、Ｌ．Ｓｈｔｅｒｅｎｇａｓ  ｅｔ  ａｌ．“Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｗａｖｅ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ａｔ  ３．３６μｍ  ａｔ  １２℃”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  ９３，０１１１０３（２００８）を参照されたい。ｍｉｄ−ＩＲ領域の長波長側では、サブバンド間量子カスケードレーザ（ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ：ＱＣＬｓ）が主要なレーザ発振源となった。例えば、Ｓ．Ｓｉｌｖｋｅｎ  ｅｔ  ａｌ．Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ（２００８年１０月）の２１ページを参照されたい。
【０００５】
ｍｉｄ−ＩＲスペクトル領域については、前記バンド間カスケードレーザ（ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ：ＩＣＬ）が将来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】
初期のＩＣＬｓは１９９４年にルイ・ヤン（Ｒｕｉ  Ｙａｎｇ）が開発した。ヤンの米国特許第５，５８８，０１５号を参照されたい。前記ＩＣＬは、ハイブリッド構造であるとの見方が可能であり、つまり電子と正孔の放射再結合によって光子が生成される点においては従来のダイオードレーザに類似するが、しかし前記ＩＣＬは複数の段が階段のように積み重ねられ、前記階段の各段から単一注入された電子が新しい光子を発生させる点においては量子カスケードレーザにも類似するものである。Ｓｌｉｖｋｅｎ  ｅｔ  ａｌ．による上述文献、Ｃａｐａｓｓｏ  ｅｔ  ａｌ．米国特許第５，４５７，７０９号を参照されたい。光子カスケードは、当該カスケードの連続的な各段を少なくとも１光子エネルギーずつ下げるのに十分である電圧を印加し、かつ前記電子がインジェクタ領域を経由し光子を放出した後に次段へと流れていくことによって達成される。バンド間活性遷移（ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ａｃｔｉｖｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）は、価電子帯の電子占有状態が（光子放出に引き続き）、伝導帯と価電子帯との間の半金属又はニア半金属（ｎｅａｒ−ｓｅｍｉ−ｍｅｔａｌｌｉｃ）の重なりの境界から伝導帯へと再注入されることを必要とする。活性量子井戸領域と正孔インジェクタの外では、前記ＩＣＬにおける輸送は従来（必要条件ではないが）電子の移動によって全て行われる。したがって、２つの光クラッド領域は通常、注入軸に沿うレーザモードを制限するように前記利得媒質の外で使用され、電気的バイアスおよび電流注入を提供するようｎ型コンタクトが前記クラッド領域の外に提供される。
ＩＣＬは、バンド間活性遷移を従来の半導体レーザのように使用する。タイプ−Ｉ  ＩＣＬも可能ではあるが（その内の２人が本願の発明者でもあるＭｅｙｅｒらによる米国特許第５，７９９，０２６号を参照されたい）、ほとんどのＩＣＬはタイプＩＩの性質の活性遷移（すなわち前記電子と正孔の波動関数が、隣り合う電子量子井戸（通常、ＩｎＡｓ）と正孔量子井戸（通常、Ｇａ（Ｉｎ）Ｓｂ）のそれぞれにおいてピークを有するもの）である。前記波動関数の重なりを増加させるために、２つのＩｎＡｓ電子井戸が前記Ｇａ（Ｉｎ）Ｓｂ正孔井戸の両側に配置され、いわゆる「Ｗ」構造を形作る。加えて、大きな伝導帯と価電子帯のずれをもつ（通常、Ａｌ（ＧａＩｎＡｓ）Ｓｂ）のバリアが、両方のキャリアタイプの優れた閉じ込めを提供するために前記「Ｗ」構造を取り囲む。本願発明の発明者のうち１人が共通するＭｅｙｅｒ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第５，７９３，７８７号を参照の事。前記基本的なＩＣＬ構造への更なる改善（例えば正孔インジェクタを形成する１以上の正孔井戸を含むようなもの）はその後、本願ＮＲＬ発明者やヤン博士（Ｄｒ．Ｙａｎｇ）によってなされた。Ｍｅｙｅｒ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第５，７９９，０２６号（上述文献）を参照のこと。
【０００７】
これらの改善にもかかわらず、最初のＩＣＬの性能は理論的予想とは未だかけ離れていた。特に、高温における電流密度の閾値はかなり高く（室温のパルスモードで５〜１０ｋＡ／ｃｍ２）これによって、およそ１５０Ｋより高温でのこれらデバイスの連続波（ｃｗ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）動作は不可能となった。Ａｒｍｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、Ｍａｘｉｏｎ、およびＪｅｔ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの研究者によるその後研究によってＩＣＬｓの動作は改善された。例えば、Ｒ．Ｑ．Ｙａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．“Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ＞  ４５０％”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．３５，１２５４（１９９９）、Ｒ．Ｑ．Ｙａｎｇらによる「Ｍｉｄ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｔｙｐｅ−ＩＩ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．３８，５５９（２００２）、Ｋ．Ｍａｎｓｏｕｒ  ｅｔ  ａｌ． “Ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ａｔ  ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｏｌｅｒ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．４２，１０３４（２００６）を参照されたい。しかしながら、ｍｉｄ−ＩＲスペクトル領域における室温での性能は、まだ課題を残したままとなっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
当該概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念を集約したものを簡略化した形で紹介することを意図し設けられたものである。当該概要は、請求項に記載の主題の重要または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、請求項に記載の主題の範囲を設定することを助長することを意図するものでもない。むしろ、本願明細書および請求項に記載の本発明に係る主題の概要として提示するだけのものである。
【０００９】
本願発明は、バンド間カスケード利得媒質と、バンド間カスケードレーザまたは当該レーザを有する増幅器とを有するものである。本願発明によるバンド間カスケード利得媒質は、次に記載される特徴のうち１つかそれ以上を含むことができる：（１）活性量子井戸領域であって、厚いＩｎが豊富なＧａＩｎＳｂ正孔井戸を含む；（２）正孔インジェクタであって、２若しくはそれ以上のＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ正孔井戸を含み、当該正孔井戸は、特定範囲内の厚みを有する；（３）電子インジェクタおよび正孔インジェクタであって、厚いＡｌ（ＧａＩｎＡｓ）Ｓｂバリアによって分離され、それによってバンド間吸収を抑制する；（４）隣接する活性量子井戸領域から正孔インジェクタ領域を分離する当該正孔インジェクタ領域の第１の電子バリアの厚みは、ゾーンセンター活性電子量子井戸状態とインジェクタ正孔状態（ｉｎｊｅｃｔｏｒ  ｈｏｌｅ  ｓｔａｔｅｓ）の間の波動関数の重なりの２乗を５％以内に下げるのに十分である；（５）電子インジェクタ内の前記第１のＩｎＡｓ電子井戸の厚みは、電子インジェクタの合計の厚みと同様に減少する；（６）カスケード化された段数は、１０段またはそれ以上から２段〜７段の範囲へと減少する；（７）遷移領域は、前記利得媒質の様々な領域の間のインターフェイスに挿入されそれによって伝導帯最下部の急激なシフトを滑らかにする；（８）Ｇａ（ＡｌＩｎＡｓ）Ｓｂを有する厚い分離閉じ込め層は、前記活性利得領域とクラッドとの間に配置され、それによって光モードを閉じ込めかつ前記活性段の重なりを増加する；（９）超格子（ＳＬ：ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）クラッド層のドーピングプロファイルは、光モードとクラッド層の最もドーピングされた部分との重なりを最小にするよう最適化される。
【００１０】
本願発明によるバンド間カスケード利得媒質は、１若しくはそれ以上の上述の特徴を用いることが可能で、当該利得媒質を組み込んだレーザは、改善された連続波の動作とより優れた効果と共に中赤外領域の約２．５から８μｍにおいて高温で放射することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本願発明による例示的なバンド間カスケード利得媒質の層構造を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、伝導帯および価電子帯のプロファイルを示すものであり、これらは本願発明によるバンド間カスケード利得媒質の例示的な活性利得領域におけるものである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、選択された電子および正孔エネルギーレベルと、図２Ａに図示される伝導帯および価電子帯のプロファイルと対応する波動関数とを示すものである。
【図３】図３は、本願発明によるバンド間カスケード利得媒質を有するレーザの、例示的実施形態の連続波光−電流−電圧特性を示すものである。
【図４】図４は、本願発明によるバンド間カスケード利得媒質を含む様々なタイプＩおよびタイプＩＩの半導体材料に関するオージェ係数対波長のグラフある。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上記に概要が述べられた本願発明は、様々な形態で実施され得る。次に述べる説明は、本願発明の態様が実施される際の構成や組み合わせを例証として示すものである。記載の本願発明の実施態様および実施形態は、例としてのみ理解されるものであり、また、当業者は、本願発明の開示の範囲を逸脱することなく他の実施態様および／または実施形態を利用し、若しくは構造的かつ機能的な変更を加えることができると理解される。
【００１３】
例えば、前記利得媒質は、特定の厚みを有しかつ特定の構成で配置される半導体層を有するものであると本願明細書に記載されるが、当業者は、他の層厚および構成も使用することができると理解し得る。その上、本願発明による前記利得媒質は、本願明細書においては、ＩｎＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、およびＡｌＳｂとの半導体材料を有すると記載されるが、当業者は、他の半導体材料が代用可能であると理解するものである。いくつかの実施形態において、少量のＩｎが歪補償を目的としてＡｌＳｂ層に添加されることがある。このようなケースは、構造式“Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ”を有するものとして表される。低バリアについてはＧａが添加され、Ａｌ（Ｇａ）Ｓｂを形成することがある。また、少量のＡｓをも添加されＡｌ（ＧａＡｓ）Ｓｂを形成し、これは結晶格子定数を調整することで格子整合若しくは歪補償を行うものである。より一般的でＡｌＳｂと似た役割を行うバリア特性を有する合金はＡｌ（ＧａＩｎＡｓ）Ｓｂである。同様に、少量のＡｌおよび／またはＡｓが前記Ｇａ（Ｉｎ）Ｓｂに添加され、このような場合はそれぞれ、構造式“Ｇａ（Ａｌ）Ｓｂ”、“Ｇａ（Ａｓ）Ｓｂ”、“Ｇａ（ＡｌＡｓ）Ｓｂ”を有するものとして表される。より一般的な合金で、正孔量子井戸としての役目を果たすものはＧａ（ＡｌＩｎＡｓ）Ｓｂである。合金組成が特定される場合は、例えばＧａ１−ｘＩｎｘＳｂとされ、前記組成ｘは０を取ることが可能である（例えば、物質ＧａＳｂとなる）。
【００１４】
本願発明は、バンド間カスケード利得媒質と、バンド間カスケードレーザまたはそれらを用いた増幅器を有するものであって、改善された連続波の動作とより優れた効果と共に中赤外領域の約２．５から８μｍにおいて高温で放射することができるものである。この波長帯域で作動する以前の半導体レーザの多くは超低温冷却を必要とし、それは多くの用途では非実用的であるため、以下に続く説明では用語「高温」は約２５０Ｋかそれ以上の温度を意味することとし、これは実際的な熱電冷却器か、それとも能動的に冷却することなく利用可能な温度であることを意味するものである。
【００１５】
本願発明によれば、バンド間カスケード利得媒質は、一連のカスケード化された段を有するものであり各段には活性利得領域が含まれ、当該活性利得領域は、活性量子井戸領域と、正孔インジェクタと、ＩｎＡｓ／Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ超格子を有する電子インジェクタとを有するものである。各段の前記活性利得領域は、次に記載される特徴のうち少なくとも１つを含むものであり、これらは以下に詳細に説明されるものである：（１）活性量子井戸領域であって、厚いＩｎが豊富なＧａＩｎＳｂ正孔井戸を含む；（２）正孔インジェクタであって、２若しくはそれ以上のＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ正孔井戸を含み、当該正孔井戸は、特定範囲内の厚みを有する；（３）電子インジェクタおよび正孔インジェクタであって、厚いＡｌ（ＧａＩｎＡｓ）Ｓｂバリアによって分離され、それによってバンド間吸収を抑制する；（４）隣接する活性量子井戸領域から正孔インジェクタ領域を分離する当該正孔インジェクタ領域の第１の電子バリアの厚みは、ゾーンセンター活性電子量子井戸状態とインジェクタ正孔状態（ｉｎｊｅｃｔｏｒ  ｈｏｌｅ  ｓｔａｔｅｓ）の間の波動関数の重なりの２乗を５％以内に下げるのに十分である；（５）電子インジェクタ内の前記第１のＩｎＡｓ電子井戸の厚みは、電子インジェクタの合計の厚みと同様に減少する；（６）カスケード化された段数は、１０段またはそれ以上から２段〜７段の範囲へと減少する；（７）遷移領域は、前記利得媒質の様々な領域の間のインターフェイスに挿入されそれによって伝導帯最下部の急激なシフトを滑らかにする；（８）Ｇａ（ＡｌＩｎＡｓ）Ｓｂを有する厚い分離閉じ込め層は、前記活性利得領域とクラッドとの間に配置され、それによって光モードを閉じ込めかつ前記活性段の重なりを増加する；（９）超格子（ＳＬ：ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）クラッド層のドーピングプロファイルは、光モードとクラッド層の最もドーピングされた部分との重なりを最小にするよう最適化される。
【００１６】
本願明細書に記載の通り、本願発明によるバンド間カスケード利得媒質は、特徴（１）〜（９）のうちから１またはそれ以上の特徴を、単独かまたは特徴（１）〜（９）のうちの他のいずれかとの組み合わせとして有することが可能であり、これら全ての構成は本願開示の範囲内に含まれるものである。
【００１７】
本発明は、バンド間カスケードレーザ、および１またはそれ以上の上述の前記特徴を有する利得媒質を用いた外部空洞レーザ（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｌａｓｅｒ）を含むことが可能である。Ｋ．Ｍａｎｓｏｕｒ  ｅｔ  ａｌ．の上述文献、Ｒ．Ｍａｕｌｉｎｉ  ｅｔ  ａｌ．“Ｗｉｄｅｌｙ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｉｎ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ  ａｔ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌａｔｔｅｒｓ  ４５，１０７（２００９）］を参照されたい。本願発明によると、そのようなバンド間カスケードレーザ、または外部空洞レーザは、改善された連続波性能とより優れた効果を有しつつ、かつ熱電冷却で利用可能な温度かそれ以上の温度で約２．５から８μｍの中ＩＲ領域において放射することができるものである。その上本願発明は、上述の前記特徴の１またはそれ以上を有する利得媒質を用いたバンド間カスケード増幅器をも含むことができるものであり、本願発明によるとそのような増幅器は、改善された連続波性能とより優れた効果を有しつつ、かつ熱電冷却で利用可能な温度かそれ以上の温度で約２．５から８μｍの中ＩＲ領域において光を増幅することができるものである。Ｍ．Ｊ．Ｃｏｎｎｅｌｌｙ、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ（Ｂｏｓｔｏｎ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、２００２）を参照されたい。
【００１８】
本願発明によるバンド間カスケード利得媒質の例示的な構成のブロック図が図１に示される。ここでは、同じような図柄の部分は、同じような物質か非常に類似した物質であることを表す。
【００１９】
図１に示しかつ本明細書に記載のとおり、本願発明によるバンド間カスケード利得媒質は、一連の半導体物質の積み重ね層を有することが可能であり、これらは一連の量子バリアおよび井戸を形成し前記媒質中の電子と正孔の動きを制御するものである。図１に示した通り本発明によるバンド間カスケード利得媒質は、一連のカスケード化された段を有する活性利得領域を含むことができ、それぞれの段１０１は、活性量子井戸（ＱＷ：ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）領域１０１ａと、正孔インジェクタ１０１ｂと、電子インジェクタ１０１ｃとを有する。前記活性利得領域の構成要素は、組み合わせで作動して電子・正孔エネルギーレベルおよび波動関数を作り出し、適切なバイアスと電気的注入の下で組み合わされた際に前記媒質からの光の放射を生じさせる。前記活性利得領域の個々の段１０１は、何度も繰り返され前記利得媒質を構成する。上述のとおり前記個々の段１０１それぞれの反復は、１またはそれ以上の本明細書に記載した前記特徴を含むことが可能であり、前記利得媒質のそれぞれ個々の段はその他の段が有する特徴と同一かまたは異なるものを含むものである。
【００２０】
前記利得媒質はさらに、前記活性利得領域の端部それぞれに位置する分離閉じ込め層（ＳＣＬｓ：ｓｅｐａｒａｔｅ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｌａｙｅｒｓ）１０６ａおよび１０６ｂと、クラッド層１０８ａおよび１０８ｂと、基板１１１とを含むことができ、これらと共に２つの隣接する領域の伝導帯プロファイルの急激な電圧シフトを取り除く第１の遷移領域１０７ａ（ＳＣＬ１０６ａとクラッド層１０８ａの間に配置される）と、第２の遷移領域１０７ｂ（ＳＣＬ１０６ｂとクラッド層１０８ｂの間）と、第３の遷移領域１０７ｃ（クラッド層１０８ｂと基板１１１の間）と、第４の遷移領域１０７ｄ（活性利得領域１０１とＳＣＬ１０６ａの間）と、第５の遷移領域１０７ｅ（活性利得領域１０１とＳＣＬ１０６ｂの間）とを含むものである。いくつかの実施形態（図示なし）によると、更なるコンタクト層が基板１１１とクラッド層１０８ｂの間に配置される。さらに、ｎ＋−ＩｎＡｓまたは他の適切な上部コンタクト層１１０が、第２の遷移領域１０９（前記上部コンタクト層１１０と前記上部クラッド層１０８の間に配置されるものである）と共にエピタキシャル構造の上部に配置されてもよく、これもまた、さもなければ急激に起こり得る前記伝導帯プロファイルのシフトを取り除くものである。
【００２１】
当技術分野で周知の半導体バンド間レーザの作動態様によると、本発明による利得媒質の構造は伝導帯エネルギーおよび価電子帯エネルギーと、対応する電子波動関数とを作り出し、それらは前記半導体物質における電子と正孔の移動と再結合を支配するものであるためしたがって前記レーザによる光子の生成と放射を支配するものである。
【００２２】
図２Ａおよび図２Ｂはブロック図であって、下記に記載される本願発明による１若しくはそれ以上の特徴を組み込んだ利得媒質が有する前記活性利得領域のある例示的な段における伝導帯プロファイル（Ｅｃ）、および価電子帯プロファイル（Ｅｖ）を次段の始まり部分と共に示すものである。図２Ａおよび図２Ｂが示すとおり、前記活性利得領域におけるそれぞれの段は、前記電子および正孔活性ＱＷｓ２０１と、正孔インジェクタ２０２と、電子インジェクタ２０３とからなり、新しい段も再び電子および正孔活性ＱＷｓ２０１と共に始まり電子インジェクタ２０３からカスケード化されるものである。
【００２３】
当技術分野で周知である半導体バンド間カスケードレーザの原則によると、電子ポンプソースから挿入された電子は、前記活性ＱＷｓ２０１の伝導状態（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｓｔａｔｅｓ）に集まる。図２Ａおよび図２Ｂの構成では、前記電子は左から右へと挿入されるとされるが、当然ながら前記電子ソースに別の方向性を与えることも可能である。光子は、前記活性ＱＷｓ中の前記伝導状態から前記価電子状態へとバンド間光学遷移を経て放射される。電子は、いったん前記活性ＱＷの価電子帯に入ると、前記正孔インジェクタ２０２の前記第１の（かつその後にもし存在する場合には第２の）Ｇａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ  ＱＷ（ｓ）２０２ｂへと透過（つまりトンネル）する。カスケーディングを可能にするのに重要な特徴であるＩｎＡｓとＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂとの間のタイプ−ＩＩエネルギーの重なりによって、前記Ｇａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ価電子帯の電子は、前記電子インジェクタ２０３の比較的厚みのある前記第１のＩｎＡｓ  ＱＷ２０３ａ内で弾性的に散乱するかまたは伝導帯状態へとトンネルする。前記電子がいったん前記伝導帯に戻ると、ＱＷ厚が徐々に薄くなるようなＱＷを有し、前記電子インジェクタ２０３を有する前記ＩｎＡｓ／Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ  ＳＬ中を伝播し、最後のＡｌ（Ｉｎ）Ｓｂバリア２０３ｂを通って次の活性ＱＷｓ２０１へとトンネルする前にエネルギーを取り戻すことで電子再活用や更なる光子を放射する。複数の段をカスケード化することは、全ての前記活性利得領域を同時に印加するのに必要なバイアス電圧が高くなるという犠牲のもとに、複数の光子（つまりより大きな電力）を各電子へ提供する。この傾向は一般的に都合の良いものであり、つまり所定の出力電力について低電流ということは、寄生オーミック（ｐａｒａｓｔｉｔｉｃ  ｏｈｍｉｃ）電圧および非オーミック電圧の低下が比較的重要でなくなるということである。
【００２４】
本発明によるバンド間カスケード利得媒質の作動態様は、次に記載する特徴（１）〜（９）のうち１つか若しくはそれ以上を組み込むことによって改善される。
【００２５】
特徴（１）−Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ活性正孔量子井戸
上述のとおり電子と正孔は、前記活性ＱＷｓ２０１で再結合し光子を生成する。しかしながら当技術分野で周知のとおり、いくつかのケースにおいては前記電子−正孔ペアからの前記エネルギーは、光子を生成しない。ただしその代りに、もう１つの電子または正孔が遷移され、このプロセスはオージェ再結合（Ａｕｇｅｒ  ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）として知られている。したがってレーザ設計における１つのゴールは、オージェ再結合を減らすことで無放射減衰を減らし、それによって発振閾値を下げることである。
【００２６】
いくつかの理論は、例えば前記「Ｗ」型を有するようなタイプ−ＩＩアンチモニドレーザの性能またはＩＣＬ構成は、前記エネルギーギャップと価電子サブバンド間遷移の間に共鳴の可能性があるため、的確なレイヤリングディテイルに強く依存すべきであると予測している。このような共鳴プロセスは、増加した自由キャリア吸収とオージェ結合によってレーザ性能を低下させる可能性がある。しかしながら、ＮＲＬの調査は共鳴プロセスについて確かな証拠をまだ発見していない。というのも、ＩＣＬ性能と前記活性ＱＷ領域におけるレイヤリングシークエンスの詳細との間に明らかな相互関係があると示されていないからである。いずれにせよ前記データは、前記Ｉｎ組成と前記活性正孔ＱＷ２０１ａが増加するにつれて、より低いＩＣＬ電流−密度閾値と、より高い光子生成効率に対し一般的に無放射減衰傾向があると示している。
【００２７】
したがって本発明の特徴（１）によれば、活性ＱＷｓ２０１ａは、ＩｎＡｓ電子量子井戸２０１ｂおよび２０１ｃに囲まれたＧａ１−ｘＩｎｘＳｂ正孔量子井戸２０１ａを含むことができる。本願発明によると、前記Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ正孔ＱＷ２０１ａは、可能な限り大きな組成ｘを有し、その傍ら（形態（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）およびｘ線幅によって特徴付けられるとおり）高成長品質を維持しかつ約２５Åから約５０Åの厚みを有することが可能である。例示的な実施形態において活性ＱＷｓ２０１は、組成ｘが０．３５に等しく厚みが３０ÅであるＧａ１−ｘＩｎｘＳｂ正孔ＱＷを用いる。さらに、２つの隣接する前記ＩｎＡｓ電子ＱＷｓ２０１ｂおよび２０１ｃの厚みは、所望の放射波長を生成するよう調整することができる。
【００２８】
前記ＩＣＬ閾値データの分析によれば、本願発明による本特徴を有する活性ＱＷｓ２０１を有する利得媒質は、より小さなオージェ係数を有しかつ周辺よりも高温でより低いＩＣＬ電流−密度閾値を示すことが明らかとなっている。
【００２９】
特徴（２）−２つのＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ正孔量子井戸を有する正孔インジェクタ
上述のとおり、バンド間カスケード利得媒質のそれぞれの活性利得段１０１は、前記活性電子ＱＷｓ２０１ｂおよび２０１ｃから直接前記電子インジェクタ２０３への電子のトンネルを防ぐように正孔インジェクタ２０２を含むことが可能である。図２Ａおよび２Ｂに図示されるとおり正孔インジェクタ２０２は、一連の正孔ＱＷｓ２０２ｂと、バリア２０２ａ、２０２ｃ、および２０２ｄとを交互に有し、バリア２０２ａ、２０２ｃ、および２０２ｄは、それぞれＡｌＳｂかＡｌＧａＩｎＡｓＳｂかのいずれかであり、前記正孔ＱＷ２０２ｂのそれぞれは、ＧａＳｂかＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂかのいずれかである。本願発明の特徴（２）によれば、正孔インジェクタ２０２は、図２Ａおよび図２Ｂに図示されるとおり、２つのＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ正孔ＱＷｓ２０２ｂを有することが可能であり、それらは、それぞれ周知の構造で用いられる厚みよりも大きな厚みを有し、正孔ＱＷｓ両方の合計の厚みで約１００Åを超える。したがって、例示的な実施形態によると、正孔インジェクタ２０２は、ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ層を有することが可能であり、これらの層は図２Ａおよび図２Ｂに示されるとおり伝導帯および価電子帯エネルギーレベル、およびそれらに対応する波動関数を有する。２つ以上の正孔ＱＷｓを用いて、１００Åの合計の厚みに到達することも可能である。
【００３０】
本発明によれば本特徴は、前記活性電子ＱＷｓ２０１ｂおよび２０１ｃと、電子インジェクタ２０３との間の電子トンネル（コヒーレントまたはインコヒーレントなもの）を阻害する。もしこの寄生（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）トンネルが無視できるものであれば、理想的には放射性遷移を行った後にほとんどすべての電子が前記正孔インジェクタ２０２中の前記価電子帯状態を経て遷移する。前記波動関数は、図２Ｂに見られる前記活性電子ＱＷｓ２０１ｂと２０１ｃの間の電子状態で重なり、これらの条件下では、前記電子インジェクタ２０３ａの最初の部分の前記電子状態は無視できるものであり、前記バリアもまたトラップを介したトンネルを効果的に取り除くのに十分厚みがある。
【００３１】
本願発明による、２つのＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ正孔ＱＷｓ２０２ｂを有する正孔インジェクタ２０２の例示的な構造は、１０Å  ＡｌＳｂ／５０Å  ＧａＳｂ／１０Å  ＡｌＳｂ／７０Å  ＧａＳｂ／２０Å  ＡｌＳｂからなる。図２Ａおよび図２Ｂに図示される前記第１のＡｌＳｂバリア２０２ａは、正孔インジェクタ２０２から前記ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ「Ｗ」活性ＱＷｓ２０１を分離する。本願発明によると、バリア２０２ａは、前記ゾーンセンター活性電子状態とインジェクタ正孔状態との間の波動関数の重なりの２乗を５％未満に下げ、それによって前記活性ＱＷ領域を伴わないバンド間遷移すべての割合が下がるよう十分厚いものであるべきである。
【００３２】
特徴（３）−正孔インジェクタと電子インジェクタ間のＡｌＳｂバリア
上述の正孔インジェクタ２０２の構造中の前記最後のＡｌＳｂバリアは、図２Ａおよび図２Ｂに図示されるバリア２０２ｄであり、正孔インジェクタ２０２とＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ電子インジェクタ２０３との間にある。この地点において前記価電子帯に存在していた電子が（光子放射に引き続き）前記伝導帯に遷移し戻る。このバリアは、十分なバンド間散乱効率を確保すべく約１５Åより厚くあるべきではないと考えられていたが、本願発明の特徴（３）によれば、ＡｌＳｂバリア２０２ｄの前記厚みは、２０〜２５Åまで増やすことができる。最近のＮＲＬデータは、これがバンド間吸収をさげることを証明し、この影響は以前考えられていたものよりも大きく、一方、前記価電子帯から前記伝導帯への輸送を十分可能とする。
【００３３】
理想としてこのバリアの厚みは、バンド間光学行列要素（ｏｐｔｉｃａｌ  ｍａｔｒｉｘ  ｅｌｅｍｅｎｔ）をゾーンセンターで０．２ｅＶ  Å以内へと導くべきものであり、一方十分なバンド間散乱を維持するように少なくとも０．３％の波動関数の重なりを確保すべきである。
【００３４】
特徴（４）−波動関数の重なりを低下させる電子バリヤの厚み
図１に関連し上記に説明したとおり、また図２Ａおよび２Ｂに示されるとおり、前記活性利得領域は一連の交互するバリアと量子井戸とを有する。図２Ａおよび図２Ｂに示されるとおり、正孔インジェクタ２０２は隣接する量子井戸領域２０１から電子バリア２０２ａによって分離される。
【００３５】
本願発明の当該特徴（４）によれば正孔インジェクタ領域２０２のこの第１の電子バリア２０２ａは、ゾーンセンター活性電子量子井戸状態とインジェクタ正孔状態の間の波動関数の重なりを５％以下に下げるのに十分な厚みを有することが可能である。
【００３６】
特徴（５）−前記ＩｎＡｓ／Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ電子インジェクタの厚さの減少
図１に関連し上記に説明したとおり、また図２Ａおよび２Ｂに示されるとおり、電子インジェクタ２０３は一連の交互するバリアと量子井戸とを有する。前記井戸の前記厚みは、量子閉じ込めによって前記印加電界を相殺し前記電子インジェクタからの高速電子輸送を可能とするミニバンドの形成を導くようグレーデッド（ｇｒａｄｅｄ）される。本願発明の当該特徴（５）によれば、前記利得媒質の前記ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ電子インジェクタ２０３の合計の厚みは、以前の設計では４００〜５００Åだったものから、２００〜２５０Åへと大きく減らすことができる。
【００３７】
上述の通り、電子インジェクタ２０３の前記井戸の厚みはグレーデッドされ、そのためいくつかの実施形態においては、合計の厚みの軽減は前記第１のＱＷ２０３ａの厚みを相当軽減することによって大幅に達成可能である。したがって、本願発明による特徴を有する利得媒質の例示的な実施形態においては、前記第１のＱＷ２０３ａの当該厚みは、以前は７０〜１００Åだったものから、４０〜５０Åへと減少される。
【００３８】
更に、既に説明のとおり、電子インジェクタ２０３は、一連の交互な量子井戸とバリアを有するものである。本願発明によると電子インジェクタは、それぞれ約１２Åの厚みを有するＡｌ（Ｉｎ）Ｓｂバリアによって分離される４から９のＩｎＡｓ量子井戸を有し、ここで理想的な井戸の数は所望の放射波長と関係するものである。より短波長の場合、より多くの井戸が使われ、これは段毎の前記電圧の低下が光子エネルギーとだいたい比例するからである。しかしながら、次段の近くの井戸は、短波長構造ではより薄いものであり、それによって電子インジェクタ２０３の前記合計の厚みはそれほど変化しないものである。
【００３９】
したがって、３００Ｋで放射波長４．３μｍの本願発明による特徴を有する電子インジェクタの例示的な実施形態は、次に記載の構造を有するバリアと井戸を交互に有することができる：４２Å  ＩｎＡｓ／１２Å  ＡｌＳｂ／３３Å  ＩｎＡｓ／１２Å  ＡｌＳｂ／２８Å  ＩｎＡｓ／１２Å  ＡｌＳｂ／２５Å  ＩｎＡｓ／１２Å  ＡｌＳｂ／２３Å  ＩｎＡｓ／１２Å  ＡｌＳｂ／２３Å  ＩｎＡｓ／２５Å  ＡｌＳｂ。
【００４０】
さらに、本願発明の当該特徴によれば、電子インジェクタ２０３とその次のカスケード上活性ＱＷ領域２０１の間の前記最後のＡｌＳｂバリア２０３ｂは、前記電子インジェクタにおけるその他のバリアよりもさらに厚く、これは前記活性ＱＷ領域２０１での前記インジェクタ２０３の前記ミニバンドによるレーザ電子サブバンドの強いハイブリダイゼーションを避けるためである。
【００４１】
本発明の当該特徴による、さらに薄い電子インジェクタの利点は２つある。第１に、前記さらに薄い電子インジェクタは、前記電子インジェクタにおける前記電子の状態密度の低下を生じ、前記正孔インジェクタとそれから引き続き前記活性ＱＷ領域へと挿入される正孔の数の低下を招き、したがって自由正孔吸収による内部損失を軽減する。第２に、前記活性利得領域および前記インジェクタの平均的な屈折率が増加することであり、これはなぜなら低い屈折率のＩｎＡｓ／Ａｌ（Ｉｎ）Ｓｂ層が、いまや前記活性利得領域合計の内より小さな部分を占め、高い屈折率のＧａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ層が、より多くの部分を占めることで、質の向上した光閉じ込めを生じさせるからである。
【００４２】
これらの利点が共に考慮されると、自由正孔吸収およびさらに高い光閉じ込めファクタによって、特徴（４）はさらに低い内部損失へと導かれる。
【００４３】
特徴（６）−少数のカスケード化された段
上述のとおりバンド間カスケード利得媒質は、複数のカスケード化された段を有する活性利得領域を含み、それぞれの当該カスケード化された段は活性ＱＷｓ２０１と、正孔インジェクタ２０２と、電子インジェクタ２０３とを有するものである。
【００４４】
以前、ヒューストン大学、アーミーリサーチラボラトリー（Ａｒｍｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）、マキシオン（Ｍａｘｉｏｎ）、およびＪＰＬで製造されたＩＣＬｓは、通常少なくとも１２か、３５もの多段を用いていた。このような多数の段は、本発明を用いる最近のＮＲＬのＩＣＬｓよりもこれらのレーザが更に大きな内部損失を有していたことに一部起因する。
【００４５】
しかしながら、本願明細書に記載される前記特徴の１つかそれ以上を使用するのに伴う内部光損失の軽減によって、前記利得媒質中の前記カスケード化された段数を減らすことができる。したがって、前記モード損失（ｍｏｄａｌ  ｌｏｓｓ）と必要とされる前記利得によって、本願発明の特徴（６）によると、本発明に関連するバンド間カスケード利得媒質は、２から７の間のカスケード化された段を有し、これは周知のＩＣＬｓで使用された前記１２〜３５段よりも格段と少ない。理想的な段数は、各段が３から８ｃｍ−１のモード利得（前記光閉じ込めファクタで乗じた材料利得）を提供するように選定され、これは熱暴走によってレージングの発生が防がれる前に室温でレージングを行う閾値に到達するのに十分な利得を生成するための数である。以前のＮＲＬ構造は、たいてい５か１０の何れかの数の段を用いていたが、前記利得が十分なものになるには損失が大きすぎるせいで前記旧型５段装置は高温では性能が劣っていた。しかしながら、例えば以下に記載されるようなグレーデッドドーピングスキームを使用することによって前記内部損失が軽減されると、１０段よりも５段が使用された場合に連続波モードにおける前記高温性能が大幅に改善されることをＮＲＬテストによって確認された。１つの最近のＮＲＬ構造は３段の場合でも好適な性能を達成した。
【００４６】
前記損失の主要部分は前記活性層に由来するものであるため、段数を減らすことは前記損失を軽減し、したがって前記傾斜と電力変換効率も改善する。さらに、前記利得材料の段数を減らすことは、レージング閾値を減らしさらにそのような材料を使用することによってレーザ性能にも貢献する。
【００４７】
特徴（７）−伝導帯最下部の急激なシフトを滑らかにするグレーデッド（ｇｒａｄｅｄ）遷移領域
本発明の特徴（７）によると、伝導帯最下部にずれが生じているような前記導波路の様々な領域間でのバンド不連続を滑らかにするよう特別に設計されたグレーデッド遷移領域を使用することが可能である。
【００４８】
著しい伝導帯不連続が生じている場合、大きなポテンシャルバリアが２つの領域の間のインターフェイスに形成されキャリア輸送を妨げる。これは追加の熱放散を必要とする余分な電圧低下を招き、前記装置の電力変換効率を下げる。しかしながら、もし、つなぎ合わさる２つの領域間で徐々に変化する伝導帯位置に、グレーデッド遷移領域が導入されそれぞれの不連続が滑らかになると、前記ポテンシャルバリアの高さと空間の及ぶ範囲は大きく軽減され、前記寄生電圧の低下も軽減される。
【００４９】
この特徴を有するバンド間カスケード利得媒質の例示的な実施例においては、一連のグレーデッドＩｎＡｓ／ＡｌＳｂおよびＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ遷移超格子（これらすべては前記ＧａＳｂ格子定数に対し歪補償される）が、前記伝導帯最下部の高さを徐々にグレードするのに用いられる。
【００５０】
例示的な実施形態は前記活性利得領域と前記ＳＣＬｓの間の遷移を用いることが可能である。そのような実施形態において、前記遷移層は８周期の２０．１Å  ＩｎＡｓ／１９Å  ＡｌＳｂと、１０周期の１５．９Å  ＩｎＡｓ／１５Å  ＡｌＳｂと、１２周期の７Å  ＩｎＡｓ／６．４Å  ＡｌＳｂ／１５Å  ＧａＳｂとを有することが可能である。これと同一のグレーデッド遷移層は、前記ＧａＳｂバッファ層若しくは基板と光クラッド層下部との間および、前記光クラッド層とそこに隣接するＳＣＬとの間に使用することができる。
【００５１】
さらにいくつかの実施形態においては、次に示されるグレーデッド遷移層が上部クラッド領域と前記ｎ＋−ＩｎＡｓキャップ層との間に使用される：前記クラッドから始めて６周期の４２Å  ＩｎＡｓ／１２Å  ＡｌＳｂ、および４周期の６５Å  ＩｎＡｓ／１０Å  ＡｌＳｂ。前記クラッドと前記キャップとの間のこれら遷移層は、前記活性利得領域と前記ＳＣＬｓとの間の前記遷移層と一緒か又は無しの何れかにも用いられることができる。
【００５２】
いくつかの実施形態において、これらのグレーデッド遷移領域は、０．５〜５×１０１７ｃｍ−３のレベルまでドープされ、レージング光モードの重なりが低い領域にはより高ドーピングレベルが用いられる。レーザモードの重なりが大きな領域では低ドーピングレベルが用いられ、しかしそこにさらに電圧バリアを最小化し、高い注入電力でのダメージに対する脆弱性を下げるべく高めのドーピングレベルも同様に使用することができる。
【００５３】
特徴（８）−厚い高指数Ｇａ（ＡｌＩｎＡｓ）Ｓｂ分離閉じ込め層
平均的な前記活性段の屈折率はそれほど高いものではなく、そのため少数の活性段が使用された場合には、当該活性段だけでは導波光モードを閉じ込めることができない。
【００５４】
特徴（８）は、この影響を修正するような本発明によるバンド間カスケード利得媒質に用いられる。本願発明の当該特徴によると、高指数のＧａ（ＡｌＩｎＡｓ）Ｓｂ分離閉じ込め層（ＳＣＬ：ｓｅｐａｒａｔｅ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｌａｙｅｒ）は、前記光モードを閉じ込めることに使用され、前記活性段同志の重なりを増加するのに使用可能である。前記ＳＣＬｓを厚くすることにより、当該特徴は大幅にモード損失を低下させることもできる。前記分離閉じ込め層（ＳＣＬ）の前記Ｇａ（ＡｌＩｎＡｓ）Ｓｂは、一般的に、前駆活性層およびクラッド層の前記超格子よりもかなり低い材料損失を有するため、もし前記モードの大部分が前記ＳＣＬに内在する場合、純モード損失はさらに低下する。
【００５５】
本発明によるバンド間カスケード利得媒質での当該特徴を用いる例示的な実施形態において、厚さ２００ｎｍのＧａ（ＡｌＩｎＡｓ）Ｓｂ  ＳＣＬが前記利得媒質の前記活性利得領域の上部と下部の両方に位置決めされる。いくつかの実施形態において前記ＳＣＬｓは、２×１０１７ｃｍ−３未満の低準位へとｎ型にドープ可能であるが、ただしドーピングは、前記ＳＣＬ材料の通常のｐ型バックグラウンドドーピングを補うのに十分なものであるべきである。いくつかの実施形態においてＧａＳｂが前記ＳＣＬｓとして使用される一方、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（ＧａＳｂに格子整合する）を形成するのにＡｌＡｓを添加することも前記ＳＣＬの屈折率を低下させるのに使用でき、したがって前記活性段のモードの重なりを増加する。さらに、前記ＧａＳｂ基板について若干格子不整合のＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ若しくはＡｌＧａＳｂ層もまた使用可能である。
【００５６】
当該特徴を有する前記バンド間カスケード利得媒質のいくつかの実施形態においては、前記ＳＣＬ層はかなり厚くてもよく（例えば、０．４〜１μｍとし、両方のＳＣＬｓで合計の厚みが０．８〜２μｍとなるもの）、これは光損失が非常に低い領域での光モードの大半を集中させるためである。しかしいずれにせよ前記ＳＣＬｓは、基本モードよりむしろ高次垂直モードでレージングを行うほど厚くてはならない。なぜなら当該モードでは、より幅広くビームが広がり、マルチモードレージングに対してより脆弱になるからである。
【００５７】
特徴（９）−クラッド層のグレーデッドドーピングプロファイル
本発明によるバンド間カスケード利得媒質で用いられる当該特徴（９）によると、グレーデッドドーピングプロファイルは、前記利得媒質を有する１若しくはそれ以上の前記半導体材料層に使用することができる。
【００５８】
例えば当該特徴を有する利得媒質の例示的な実施形態においては、前記活性利得領域（もしくは、もし特徴（８）による分離層のようなものであればＳＣＬ）に隣接するクラッド層の底部および上部の約１〜１．５μｍ部分では前記ドーピングレベルを下げることができ（例えば０．５〜２×１０１７ｃｍ−３まで）、一方残りの前記クラッドの外側部分は例えば２〜５×１０１７ｃｍ−３のような高いドーピングレベルを保つ。
【００５９】
前記クラッドのさらに低ドーピングの部分の厚みは放射波長に依存し、より厚い低ドーピング領域はさらに長い波長にて使用可能である。本発明による当該特徴を有する利得媒質においては、前記さらに低ドーピングの領域は、レージングモードの０．５％以下が前記クラッドの前記さらに高ドーピングの領域と重なるのに十分な厚みでよい。
【００６０】
さらにいくつかの実施形態においては、前記クラッド底部の合計の厚みは、高次基板モードへの損失をさけるように、通常４μｍより大きなものまで増やすことができる。前記クラッド層上部の前記厚みはそれほど重要ではないが、コンタクトメタライゼーションと光モードの重なりによる過剰な損失を避けるほど十分大きいものでよい。
【００６１】
いくつかの実施形態において、前記クラッド底部の上部分から前記クラッド底部の下部分に対する前記レージングモードの電界強度の割合は１０−５未満でよい。
【００６２】
さらに光クラッド層の前記高ドーピングおよび低ドーピング部分は、前記ドーピングレベルがより低いドーピングからより高いドーピングへと徐々にグレードされるような１若しくはそれ以上の境界層によって分離される。当該層の厚みは、約１００ｎｍである。
【００６３】
したがって、バンド間カスケード利得媒質は、上述の特徴（１）〜（９）のうちいずれか１つかまたはそれ以上を含むことが可能で、それぞれに関連する前記様々な有益な態様を達成するものである。以下に述べるとおりこれらの有益性は、本願発明を構成する前記特徴の１若しくはそれ以上を組み込んだ利得媒質を用いたバンド間カスケードレーザの最近の検証の結果により確認されたものである。
【００６４】
本願発明による例示的な１実施形態において、λ＝３．７５μｍで発振する５段バンド間カスケードレーザ（ＩＣＬ：ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ）が最近連続波（ｃｗ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）モードで最高温度Ｔｍａｘ＝３１９Ｋまで動作した。当該ＩＣＬは本願発明の８つの特徴をすべて組み込んだが、前記ＳＣＬｓは、特徴（８）について上述された前記厚みよりもはるかに薄く、具体的には本願明細書で述べられた前記０．５〜１μｍというより０．２μｍであった。前記ＩＣＬは、幅９μｍ、長さ３ｍｍのリッジ（ｒｉｄｇｅ）へとパターン化され、当該リッジは前記ファセット（ｆａｃｅｔ）のうち１つに高反射率コーティングが施されたものである。次に、熱放散を向上するよう設計された金の電気めっきで覆われ、エピタキシャル側を上にマウントされた。前記デバイスは、室温でｃｗ電力１０ｍＷ以上で生成された。３００Ｋにおける前記ｃｗ電圧閾値は２．４９Ｖであり、これは寄生電圧低下が０．８１Ｖであり「電圧効率」が６７％であったことを暗示する。当該デバイスの周辺温度に近似するいくつかの動作温度における前記ｃｗ光−電流−電圧特性を図３に示す。２つのその他のリッジ幅、５μｍおよび１１μｍを有するＩＣＬも、室温ｃｗ動作を達成した。
【００６５】
極低温動作温度にて、２Ａ／ｃｍ２まで低いレージングの閾値電流密度が確認された。最大ｃｗ電力変換効率３２．４％が電気めっきなしの大面積０．５ｍｍＩＣＬについて見積もられた。最大ｃｗ出力電力１．８Ｗが大面積４ｍｍＩＣＬについて確認された。
【００６６】
当該発明の開示の前記特徴のうち、いくつか若しくはすべてにより最適化された他のＩＣＬのパルス試験は、広波長領域である少なくとも２．９〜４．２μｍに匹敵するｃｗ動作特性に達成する可能性を示した。前記計測されたパルス閾値電流密度と大面積ＩＣＬｓのスロープ効率を光利得ｖｓ．前記活性利得領域のキャリア密度を計算することで関連させ、それによって寿命とオージェ係数が割り出された。前記内部損失は、前記実験的なスロープ効率を用いて見積もられた。前記割り出されたオージェ係数は、前記内部効率と内部損失との確実な分離から比較的独立したものであると判明した。
【００６７】
本願発明者らは、２．９μｍ＜λ＜４．２μｍである前記データポイントの全ては、オージェ係数が４〜６×１０−２８ｃｍ６／ｓの範囲内であると発見した。当該結果は、光励起されたタイプ−ＩＩレーザおよびタイプ−Ｉ半導体材料についてのデータとともに図４に示された。３００Ｋにおける前記対応する閾値電流密度はそれほど変動がみられず、λ＝３．２μｍで発振するＩＣＬの場合４１５Ａ／ｃｍ２まで低下した。最低内部損失である約６ｃｍ−１が（キャビティ長試験に基づき内部効率６４％が仮定された場合）λ＝３．６〜４．２μｍで確認された。前記損失は、λが３μｍに近くなるにつれ約５０％ずつ増加した。λ＝５．０μｍで発振するＩＣＬでは、オージェ係数７．１×１０−２８ｃｍ６／ｓ、およびさらに高い内部損失３１ｃｍ−１が確認された。
【００６８】
特定の実施形態、態様、および特徴が記載および図示されたが、本願明細書に記載の本発明はこれらの実施形態、態様、および特徴だけに限定されるものではないと注意すべきである。
【００６９】
例えば比較的少量（４０％未満）のＩｎを前記ＧａＳｂ正孔井戸およびＡｌＳｂバリアに添加することが可能であり、本発明の基本的概念を変更することなく少量のＳｂ（３０％未満）を前記ＩｎＡｓ電子井戸に加えることが可能である。
【００７０】
２つ以上の正孔井戸が前記正孔インジェクタに使用することができ、それぞれの正孔井戸の厚みはここに記載される実施形態に記される値以上へと増化可能である。同様に、前記正孔インジェクタの前記バリアの組成と厚みは、前記デバイスの動作に多大な影響を与えることなく多少変更可能である。前記ＧａＩｎＳｂ活性正孔井戸の前記Ｉｎ部分の厚みはさらに大きくするか、もし成長条件が合致する場合にはわずかに減らすことが可能である。
【００７１】
前記クラッド、ＳＣＬｓ、および遷移領域の前記ドーピングは、比較的小さな内部損失を保つ一方多少変更することができ、前記強くドーピングされた領域の前記モードとの重なりの量は、多少増加又は減少させることができる。
【００７２】
前記遷移領域の前記層の前記厚みおよび組成は、前記遷移領域での前記伝導帯最低部の位置が、前記デバイスの前記２つの基本領域の伝導帯最低部の間の中間地点にある限り、変更可能である。
【００７３】
１、２、若しくはそれ以上のＳＣＬ領域を用いることができる。ほとんどすべてのレイヤにおいて、ＧａＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、又はＡｌＳｂが上記に特定される場合、前記Ｇａ（ＩｎＡｌＡｓ）Ｓｂ系に基づく関連する二元合金、三元合金、四元合金、五元合金が「バリア」、「正孔量子井戸」等の前記主要機能が満たされ続ける限り通常置換可能である。ＩｎＡｓ又はＡｌ（Ｉｎ）Ｓｂにかわり、ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂについても同様である。
【００７４】
本構造は、底部コンタクト層も含めることが可能であり、これは上部および底部のコンタクト両方が前記デバイスのエピタキシャル側に施される場合に限る。もしくは、明確なコンタクト層が存在しない場合であっても電気コンタクトを設けることが可能である。
【００７５】
最後に、上記に記載の通り、ＮＲＬテストが上述の８つすべての特徴は一般的に前記レーザー動作に有益であると確認されたが、前記８つのいかなる特徴の１つ又はそれ以上を単独または前記８つの特徴の他のいずれかと組み合わせて使用することによって、好ましいＩＣＬ性能を維持することが可能である。
【００７６】
当業者は変更を加えることができると理解されるべきであり、本願出願は、本願明細書に記載され請求される根本的な発明の精神と技術範囲内のありとあらゆる変更を考慮するものである。すべてのそのような組み合わせおよび実施形態は本願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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