(57)【要約】【課題】  高温、高出力での動作を実現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、半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層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カスケード構造を有する活性層とを備えて量子カスケードレーザを構成する。また、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３と、発光下準位２と、発光上準位３よりも高いエネルギー準位である注入準位４とを有し、発光層１７における準位３から準位２への電子のサブバンド間遷移によって光ｈνが生成されるとともに、サブバンド間遷移を経た電子が注入層１８を介して、後段の単位積層体における注入準位へと注入され、この注入準位から発光上準位へと供給されるように構成される。【選択図】  図２
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【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、
前記活性層に含まれる複数の前記単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、前記発光上準位よりも高いエネルギー準位である注入準位とを有し、
前記量子井戸発光層における前記発光上準位から前記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るとともに、前記サブバンド間遷移を経た電子が前記注入層を介して、後段の前記単位積層体における前記注入準位へと注入されることを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項２】
前記単位積層体において、前記注入準位に注入された電子は、縦光学フォノン散乱によって前記注入準位から前記発光上準位へと供給され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】
前記単位積層体は、前記注入準位から前記発光上準位への電子の緩和時間が、前記注入準位から前記発光下準位への電子の緩和時間よりも短くなるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位を有し、
前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記発光下準位から前記緩和準位へと緩和された後に、後段の前記単位積層体における前記注入準位へと注入され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】
前記単位積層体において、前記サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって前記発光下準位から前記緩和準位へと緩和されることを特徴とする請求項４記載の量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記単位積層体において、前記サブバンド間遷移を経た電子は、ミニバンド内の緩和によって前記発光下準位から前記緩和準位へと緩和されることを特徴とする請求項４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５〜３０μｍ）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（量子カスケードレーザについては、例えば、特許文献１〜５、非特許文献１、２参照）。
【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。
【特許文献１】特開平８−２７９６４７号公報
【特許文献２】特開２００６−０３２６９１号公報
【特許文献３】特開２００４−１１９８１４号公報
【特許文献４】米国特許第５４５７７０９号公報
【特許文献５】米国特許第５５０９０２５号公報
【非特許文献１】R. Kohler et al., "Terahertz semiconductor-heterostructurelaser", Nature Vol.417 (2002) pp.156-159
【非特許文献２】Benjamin S. Williams et al., "Terahertz quantum-cascade laserat λ=100μm using metal waveguide formode confinement", Appl. Phys. Lett. Vol.83 (2003) pp.2124-2126
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した量子カスケードレーザでは、その発振動作の成功以来、発振波長の長波長化が積極的に進められており、２００２年には、テラヘルツ（ＴＨｚ）領域でのレーザ発振が報告されている（非特許文献１）。テラヘルツ領域とは、波長に換算すると１００μｍ前後の遠赤外領域であり、電波と光波との境界に位置する周波数領域である。テラヘルツ波（ＴＨｚ波）は、電波の透過性と光波の直進性とを併せ持っているという特徴から、これまでにないセンシング手段として、例えば医療生体、セキュリティ、通信、宇宙観測などの様々な分野での応用が検討されている。
【０００５】
従来構造の半導体レーザでは、このようなテラヘルツ領域への長波長化は困難である。これに対して、量子カスケードレーザでは、活性層での量子井戸構造の設計によって遷移波長を制御することが可能であり、上記したテラヘルツ領域での発振が実現されている。しかしながら、現状では、テラヘルツ領域での量子カスケードレーザの動作は、液体窒素を利用した極低温環境での動作に限られ、また、そのレーザ光出力も１ｍＷ以下の低出力となっており、光源として充分な性能が得られているとは言えない。
【０００６】
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、高温、高出力での動作を実現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】
【０００７】
本願発明者は、上記問題に関し、量子カスケードレーザでのサブバンド準位構造について詳細に検討を行った。その結果、従来構造の量子カスケードレーザでは、活性層でのカスケード構造において例えば前段の注入層からの電子が発光上準位のみでなく発光下準位へも注入されてしまうなど、発光上準位への電子の効率的な注入が困難であり、このことがレーザ特性が制限される要因の１つになっていることを見出し、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち、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）活性層に含まれる複数の単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、発光上準位よりも高いエネルギー準位である注入準位とを有し、（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るとともに、サブバンド間遷移を経た電子が注入層を介して、後段の単位積層体における注入準位へと注入されることを特徴とする。
【０００９】
上記した量子カスケードレーザにおいては、量子井戸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、発光に関わる発光上準位、及び発光下準位に加えて、発光上準位よりも高いエネルギー準位として注入準位を設けている。そして、前段の単位積層体からの電子が発光上準位に直接注入されるのではなく、電子が注入準位へと注入された後に発光上準位へと緩和、供給される構成としている。これにより、発光上準位への電子の供給効率を向上することができ、量子カスケードレーザの高温、高出力での動作を実現することが可能となる。また、このようなサブバンド準位構造は、活性層を構成する単位積層体での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。
【００１０】
上記した量子カスケードレーザでは、活性層を構成する単位積層体において、注入準位に注入された電子は、縦光学フォノン散乱（ＬＯフォノン散乱）によって注入準位から発光上準位へと供給されることが好ましい。これにより、前段の単位積層体から注入準位へと注入された電子は、ＬＯ（Longitudinal Optical）フォノン散乱を介して高速に発光上準位へと供給される。また、この場合、注入準位と発光上準位との間のエネルギー差は、ＬＯフォノンのエネルギーに応じて設定される。
【００１１】
また、単位積層体は、注入準位から発光上準位への電子の緩和時間が、注入準位から発光下準位への電子の緩和時間よりも短くなるように構成されていることが好ましい。上記したサブバンド準位構造では、注入準位から発光上準位へと供給される電子以外に、注入準位から発光下準位へと直接落ちる電子も存在する。これに対して、上記したように緩和時間を設定することにより、発光上準位と発光下準位との間で実効的な反転分布を高効率で形成することが可能となる。
【００１２】
また、単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位を有し、サブバンド間遷移を経た電子は、発光下準位から緩和準位へと緩和された後に、後段の単位積層体における注入準位へと注入されることが好ましい。このように、緩和準位（準位１）、発光下準位（準位２）、発光上準位（準位３）、及び注入準位（準位４）を有する４準位系の準位構造によれば、複数の単位積層体からなる活性層でのカスケード的な発光動作を好適に実現することができる。
【００１３】
このようなサブバンド準位構造では、単位積層体において、サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって発光下準位から緩和準位へと緩和されることが好ましい。あるいは、単位積層体において、サブバンド間遷移を経た電子は、ミニバンド内の緩和によって発光下準位から緩和準位へと緩和されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の量子カスケードレーザによれば、活性層を構成す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、及び発光下準位に加えて、発光上準位よりも高い注入準位を設け、前段の単位積層体からの電子が注入準位へと注入された後に発光上準位へと供給される構成とすることにより、発光上準位への電子の供給効率を向上することができ、量子カスケードレーザの高温、高出力での動作を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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好適な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。
【００１６】
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。また、量子カスケードレーザ１Ａの側面のうちで対向している所定の２面には、光共振器を構成する鏡面（図示していない）が形成されている。
【００１７】
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の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。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。
【００１８】
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について示す図である。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、注入層１８とによって構成されている。量子井戸発光層１７及び注入層１８は、後述するように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。
【００１９】
図２に示すように、本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａにおいて活性層１５を構成している単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、サブバンド間遷移による発光に関わる発光上準位（準位３）と、発光下準位（準位２）とに加えて、発光上準位３よりも高いエネルギー準位である注入準位（準位４）を有している。この注入準位４は、注入準位４と発光上準位３との間のエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギー
【数１】
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となるように設定されている。このＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、例えば半導体材料としてＧａＡｓを想定した場合、ＥＬＯ＝３６ｍｅＶである。
【００２０】
また、図２に示す単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光下準位２よりも低いエネルギー準位である緩和準位１を有している。また、この緩和準位１は、上記した注入準位４と同様に、発光下準位２と緩和準位１との間のエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯとなるように設定されている。このとき、図２に示すサブバンド準位構造では、準位４及び準位３のエネルギー間隔と、準位２及び準位１のエネルギー間隔とが等しく設定されている。また、注入準位４は、前段の単位積層体の注入層１８ａでの所定の準位（例えば緩和準位）１ａと略一致するように設定されている。
【００２１】
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での準位１ａからの電子ｅ−は、注入障壁（injection barrier）を介して共鳴トンネル効果によって量子井戸発光層１７の注入準位４へと注入される。また、注入準位４に注入された電子は、ＬＯフォノン散乱によって発光上準位３へと高速で供給される。さらに、発光上準位３に供給された電子は発光下準位２へと発光遷移し、このとき、準位３及び準位２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（例えばＴＨｚ波）が生成される。
【００２２】
発光下準位２へと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱によって緩和準位１へと高速で緩和される。このように、発光下準位２から高速で電子を引き抜くことにより、準位３と準位２との間でレーザ発振を実現するための反転分布が形成される。
【００２３】
また、緩和準位１に緩和された電子は注入層１８を介して、後段の単位積層体の発光層１７ｂにおける注入準位４ｂへとカスケード的に注入される。このような電子の注入、緩和、及び発光遷移を活性層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。
【００２４】
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。
【００２５】
図１及び図２に示した量子カスケードレーザ１Ａにおいては、量子井戸発光層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、発光に関わる発光上準位３、及び発光下準位２に加えて、発光上準位３よりも高いエネルギー準位として注入準位４を設けている。そして、前段の単位積層体からの電子が発光上準位３に直接注入されるのではなく、電子が注入準位４へと注入された後に発光上準位３へと緩和、供給される構成としている。
【００２６】
これにより、発光上準位３への電子の供給効率を向上することができ、量子カスケードレーザ１Ａの高温、高出力での動作を実現することが可能となる。また、このようなサブバンド準位構造は、具体的な構成例とともに後述するように、活性層を構成する単位積層体での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。
【００２７】
上記したサブバンド準位構造によるレーザ特性の向上効果について、従来構造と比較しつつ具体的に説明する。図３は、従来の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について示す図である。図３に示すように、従来構造の量子カスケードレーザにおいて活性層を構成している単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位３と、発光下準位２と、緩和準位１とを有している。また、この構造では、発光上準位３は、前段の単位積層体の注入層での所定の準位１ａと略一致するように設定されている。
【００２８】
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層での準位１ａからの電子は、注入障壁を介して共鳴トンネル効果によって発光上準位３へと注入される。そして、発光上準位３に供給された電子は発光下準位２へと発光遷移し、さらに、ＬＯフォノン散乱によって緩和準位１へと高速で緩和される。
【００２９】
ここで、発光下準位２と緩和準位１との間のエネルギー差は、例えばＧａＡｓの場合に上記したようにＥＬＯ＝３６ｍｅＶである。一方、光ｈνとしてＴＨｚ波を生成する構成を考えると、例えば発振周波数を３ＴＨｚ（発振波長１００μｍ）としたときに、発光上準位３と発光下準位２との間のエネルギー差はＥ３２＝１２ｍｅＶとなり、中赤外領域の光を生成する構成と比べて準位が接近する。また、ＬＯフォノン散乱のエネルギーと比べても、Ｅ３２＜ＥＬＯである。
【００３０】
このような準位構造では、前段の準位１ａからの電子は、発光上準位３のみでなく、接近している発光下準位２へも注入されてしまうこととなる。したがって、図３に示した３準位系では、発光上準位３への選択的な電子の注入は困難である。このことは、量子カスケードレーザの特性が制限される要因の１つとなっている。
【００３１】
また、上記した３準位系での共鳴トンネル電流は、
【数２】
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の条件下で近似的に下記の式（１）
【数３】
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によって表すことができる。ここで、
【数４】
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である。なお、アンチクロッシングギャップ（反交差エネルギーギャップ）は、２つの井戸層のカップリングの度合いを示すものであり、間にある障壁層の厚さを無限大としたときに０となり、障壁層が薄くなるとアンチクロッシングギャップが大きく（カップリングが強く）なる。
【００３２】
テラヘルツ領域において、３準位系で発光上準位３へと選択的に電流注入を行うためには、発光上準位３と前段の準位１ａとの間のアンチクロッシングギャップは下記の程度
【数５】
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とする必要がある。上述した非特許文献２（B. S. Williams etal., Appl. Phys. Lett. Vol.83 (2003) pp.2124-2126）での報告と同様に電子注入層でのキャリア密度をＮＳ＝３×１０１０／ｃｍ２とし、上記式（１）においてΔ＝０とすると、最大のトンネル電流密度Ｊｍａｘは約０．５ｋＡ／ｃｍ２となる。このように、発光上準位への注入電流の最大値が小さいことは、量子カスケードレーザの動作が低温、低出力に制限される原因となる。また、上記構成では、注入障壁の厚さを薄くして波動関数のカップリングを強くすることで電流密度を稼ぐことができない。
【００３３】
また、例えば、上記非特許文献２では、ＧａＡｓ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓの５重の量子井戸構造のカスケード結合によって活性層を構成した場合に、動作温度５Ｋで発振周波数２．９４ＴＨｚ、光出力１００μＷで、温度７７Ｋまでの範囲でレーザ動作を報告している。一方、この文献では、注入電流密度が１．４ｋＡ／ｃｍ２より大きい領域では、動作温度とは関係なく急激に光出力が低下している。また、動作温度の上昇とともに閾値電流密度も上昇するため、閾値が１．４ｋＡ／ｃｍ２を超える温度領域では、発振が得られていない。このような傾向、すなわち電流注入が制限されることによって低温、低出力動作になるという傾向は、現行のテラヘルツ領域の量子カスケードレーザにおける共通した問題である。
【００３４】
これに対して、図２に示した４準位系のサブバンド準位構造を有する量子カスケードレーザでは、発光上準位３から充分なエネルギーだけ離れたところに新たに注入準位４を設け、この注入準位４に前段の準位１ａからの電子を注入することとしている。このとき、例えば注入準位４と発光上準位３との間のエネルギー差をＬＯフォノン散乱のエネルギーＥＬＯ＝３６ｍｅＶとすると、障壁層を薄くして、注入準位４と前段の準位１ａとの間のアンチクロッシングギャップを１０ｍｅＶ程度と大きくしても、注入準位４への選択的な電子注入が可能となり、結果として、共鳴トンネル効果による充分な電流供給が可能となる。これにより、高温、高出力での動作を実現することが可能な量子カスケードレーザ１Ａが得られる。
【００３５】
ここで、上記構成の量子カスケードレーザ１Ａでは、図２に示したように、活性層１５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、発光下準位２よりも低いエネルギー準位である緩和準位１を有し、サブバンド間遷移を経た電子は、発光下準位２から緩和準位１へと緩和された後に、後段の単位積層体における注入準位へと注入されることが好ましい。このように、緩和準位１、発光下準位２、発光上準位３、及び注入準位４を有する４準位系の準位構造によれば、複数の単位積層体１６からなる活性層１５でのカスケード的な発光動作を好適に実現することができる。
【００３６】
また、単位積層体１６において、注入準位４に注入された電子が、ＬＯフォノン散乱によって発光上準位３へと供給されることが好ましい。これにより、上記したように、前段の単位積層体から注入準位４へと注入された電子を、ＬＯフォノン散乱を介して高速に発光上準位３へと供給することができる。
【００３７】
また、上記のように緩和準位１を有する構成では、単位積層体１６において、サブバンド間遷移を経て発光下準位２にある電子が、ＬＯフォノン散乱によって緩和準位１へと緩和されることが好ましい。これにより、発光下準位２へと遷移した電子を、ＬＯフォノン散乱によって緩和準位１へと高速で緩和させ、準位３と準位２との間での反転分布を好適に形成することが可能となる。あるいは、単位積層体１６において、サブバンド間遷移を経て発光下準位２にある電子が、超格子によるミニバンド内の緩和によって緩和準位１へと緩和される構成としても良い。
【００３８】
また、単位積層体１６は、注入準位４から発光上準位３への電子の緩和時間τ４３が、注入準位４から発光下準位２への電子の緩和時間τ４２よりも充分に短くなるように構成されていることが好ましい。ここで、図２に示したサブバンド準位構造では、準位３と準位２とが接近しているため、注入準位４から発光上準位３へと供給されて発光遷移に寄与する電子以外に、注入準位４から発光下準位２へと直接に落ちてしまう電子も存在する。これに対して、上記したように緩和時間τ４３、τ４２を設定することにより、準位３と準位２との間での実効的な反転分布を高効率で形成することが可能となる。このような緩和時間の設定は、各準位の波動関数の重なりを調整することで実現可能である。
【００３９】
本発明による量子カスケードレーザの構成について、活性層での量子井戸構造の具体例とともにさらに説明する。図４は、活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。本構成例における活性層１５の量子井戸構造は、発振周波数を３ＴＨｚ（発振波長：１００μｍ、エネルギー１２ｍｅＶ）、動作電界を１４．５ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。なお、図４においては、活性層１５を構成する量子井戸発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を示している。
【００４０】
本構成例による活性層１５での１周期分の単位積層体１６は、５つの量子井戸層１６１〜１６５、及び５つの量子障壁層１９１〜１９５が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの半導体層のうち、井戸層１６１〜１６５は、それぞれＧａＡｓ層によって形成されている。また、障壁層１９１〜１９５は、それぞれＡｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓによって形成されている。
【００４１】
ここで、障壁層の組成については、図２に示したように発光上準位３よりも高いエネルギーの注入準位４を設けるため、上記のように従来構造（非特許文献２）よりもＡｌ組成を２３％と多くして量子障壁の高さを高くすることによって、準位構造の設計の自由度を高くしている。このとき、障壁の高さは約２００ｍｅＶである。また、これらの半導体層の厚さは、第１障壁層１９１／第１井戸層１６１／…／第５障壁層１９５／第５井戸層１６５の順で、それぞれ３．５／１４．１／１．２／１０．１／３．８／１７．１／２．０／１０．２／２．８／７．４（単位：ｎｍ）である。
【００４２】
また、このような単位積層体１６において、量子井戸発光層１７と注入層１８との境界は必ずしも明確に定義されるものではないが、第１井戸層１６１、第２障壁層１９２、及び第２井戸層１６２からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分である。また、第３障壁層１９３、第３井戸層１６３、第４障壁層１９４、第４井戸層１６４、第５障壁層１９５、及び第５井戸層１６５からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分である。また、第１障壁層１９１は、前段の注入層１８ａからの電子注入に対する注入障壁となっている。
【００４３】
このような構成において、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、エネルギーの高い方から順に準位４、３、２−２、２−１、１−３、１−２、１−１の７つの準位を有している。これらのうち、準位４及び準位３は、それぞれ図２に示す注入準位４及び発光上準位３に対応している。また、準位２−２、２−１の２つの準位はエネルギー間隔が＜３ｍｅＶと非常に接近しているため区別できず、合わせて発光下準位２となる。また、準位１−３、１−２、１−１についても同様に、合わせて緩和準位１となる。
【００４４】
図４に示す単位積層体１６における量子井戸構造の設計手順について説明する。まず、準位４と準位３のエネルギー間隔がＬＯフォノン散乱のエネルギーと一致するように第１井戸層１６１の井戸幅を１４．１ｎｍに設定する。次に、レーザの発振波長を与えるために、発光遷移に関わる準位３と準位２のエネルギー間隔を決定する。この準位３と準位２のエネルギー間隔は、井戸層１６１、１６２の井戸幅、障壁層１９２の厚さ、及び動作電界によって決まる。また、動作電界は、予想される１周期当たりの積層体の膜厚及び電圧降下量に基づいて設定される。
【００４５】
ここで、レーザの動作時においては、上述したように注入準位４から供給される電子はＬＯフォノン散乱によって発光上準位３に注入されると同時に、発光下準位２へと直接落ちるものも存在する。このため、準位３及び準位２の設計においては、準位４と準位３の波動関数の重なりを大きくし、準位４と準位２の波動関数の重なりが小さくなるように設計する必要がある。ここでは、レーザの発振周波数を３ＴＨｚとして、第２井戸層１６２の井戸幅を１０．１ｎｍ、第２障壁層１９２の厚さを１．２ｎｍ、動作電界を１４．５ｋＶ／ｃｍにそれぞれ設定している。
【００４６】
第３井戸層１６３は、発光下準位２から緩和準位１へと電子を高速で引き抜くために設けられる井戸層である。ここでは、準位２と準位１のエネルギー間隔がＬＯフォノン散乱のエネルギーと一致するように第３井戸層１６３の井戸幅を１７．１ｎｍに設定する。また、第３障壁層１９３の厚さは、動作電界で準位２−２、２−１が充分に接近し、かつレーザ動作に寄与せずにリーク電流の原因となる準位が生じないような厚さに設定する。ここで、上記条件を満たすことが困難なようであれば、動作電界強度の再設定を行う。
【００４７】
続いて、井戸層１６４、１６５の井戸幅、及び障壁層１９４、１９５の厚さをそれぞれ設定する。これらの井戸幅及び厚さについては、動作電界において後段の積層体での発光層へと効率良く電子が輸送されるように設定する。最後に、注入障壁となる第１障壁層１９１の厚さを設定する。
【００４８】
この障壁層１９１の厚さによってアンチクロッシングギャップが決まり、したがって、この周期の積層体での準位１から次の周期での準位４へと注入できる電流密度が決まる。このため、障壁層１９１を薄くしアンチクロッシングギャップを大きくして、準位間でのカップリングを強くすることが望ましい。ただし、障壁層１９１が薄すぎると波動関数のしみ出しが大きくリーク電流が発生するため、この点を考慮して適切な厚さに調整する必要がある。具体的に、障壁層１９１の厚さを３．５ｎｍとした場合、アンチクロッシングギャップは約７ｍｅＶとなる。
【００４９】
ここで、図４に示した量子井戸構造を例として、上述した緩和時間τ４３、τ４２の設定について具体的に説明する。図２に示したサブバンド準位構造を有する量子カスケードレーザを有効に動作させるためには、上記したように緩和時間τ４３が緩和時間τ４２に比べて充分に短く（τ４３≪τ４２）なるように設計し、前段の単位積層体から注入準位４へと注入された電子が、発光下準位２よりも発光上準位３に対して優先的に供給される必要がある。このように緩和時間を設計するためには、各準位の波動関数の重なりを調整して、準位４と準位３との波動関数の重なりを大きくし、準位４と準位２との波動関数の重なりを小さくすれば良い。
【００５０】
一方、上記のように準位４と準位３との波動関数の重なりを大きく、準位４と準位２との波動関数の重なりを小さくすると、発光上準位３から発光下準位２への発光遷移の振動子強度ｆ３２が小さくなる。すなわち、反転分布を形成する励起効率ηを
【数６】
2008060396.tif 000008
と定義すると、励起効率ηと、発光遷移の強さを表す振動子強度ｆ３２とはトレードオフの関係となる。したがって、活性層１５を構成する単位積層体１６の構成、例えば単位積層体１６の量子井戸構造における井戸層と障壁層との厚さの組合せ構成には、最適なポイントが存在する。量子カスケードレーザ１Ａにおける活性層１５での量子井戸構造を設計する際には、このような励起効率ηと振動子強度ｆ３２との関係を考慮して構造設計を行うことが好ましい。
【００５１】
図５は、振動子強度ｆ３２及び励起効率ηの発光層膜厚依存性を示すグラフである。ここでは、図４に示した構成例と同様に発振周波数を３ＴＨｚ、動作電界を１４．５ｋＶ／ｃｍに固定し、井戸層１６１、１６２、及び障壁層１９２の３つの層の膜厚の総和である発光層膜厚をパラメータとして、振動子強度ｆ３２（グラフＧ１）、及び励起効率η（グラフＧ２）の変化を求めている。
【００５２】
これらのグラフＧ１、Ｇ２から、振動子強度ｆ３２と励起効率ηとがトレードオフの関係になっていることがわかる。また、上記した図４の構成例では、発光層膜厚は２５．４ｎｍに設定されているが、この膜厚は、なるべく高い励起効率で、かつ振動子強度が小さくなり過ぎない厚さ（図５において、グラフＧ１、Ｇ２がクロスする位置）を選択したものである。この構成例では、緩和時間はτ４３＝０．３７４ｐｓｅｃ、τ４２＝１．０５６ｐｓｅｃとなり、励起効率はη＝０．７４、振動子強度はｆ３２＝０．４８が得られる。
【００５３】
図６は、パラメータｆ３２×（η−０．５）の発光層膜厚依存性を示すグラフである。ここでは、上記したようにトレードオフの関係にある励起効率ηと振動子強度ｆ３２との最適値を求めるためのパラメータとしてｆ３２×（η−０．５）を定義し、その発光層膜厚による変化を求めている。励起効率ηについては、η＝０．５でτ４３＝τ４２となって反転分布が形成されなくなり、したがって、効率ηが０．５以下では意味をなさない。したがって、効率ηから０．５を差し引いた値を用いて上記パラメータを定義している。
【００５４】
図６に示すグラフでは、図４の構成例での発光層膜厚２５．４ｎｍよりも薄い側にグラフのピークがきている。これは、上記した構成例では、準位３と準位２との間での発光遷移よりも、レーザ動作にとって重要な反転分布を形成する励起効率が優先された構成となっていることを示している。このような発光層膜厚等の設定については、個々のレーザ素子の具体的な構成、及び所望の特性等に応じて適宜設定することが好ましい。
【００５５】
図７は、活性層を構成する単位積層体の構成の他の例を示す図である。本構成例における活性層２５の量子井戸構造は、発振周波数を３ＴＨｚ、動作電界を９．５ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。なお、図７においては、活性層２５を構成する量子井戸発光層２７及び注入層２８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を示している。
【００５６】
本構成例による活性層２５での１周期分の単位積層体２６は、７つの量子井戸層２６１〜２６７、及び７つの量子障壁層２９１〜２９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの半導体層のうち、井戸層２６１〜２６７は、それぞれＧａＡｓ層によって形成されている。また、障壁層２９１〜２９７は、それぞれＡｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓによって形成されている。
【００５７】
ここで、障壁層でのＡｌ組成は図４に示した構成例と同じ２３％となっている。また、これらの半導体層の厚さは、第１障壁層２９１／第１井戸層２６１／…／第７障壁層２９７／第７井戸層２６７の順で、それぞれ３．０／１３．８／０．９／１１．２／３．０／１０．１／２．０／９．２／２．１／８．２／２．３／７．４／２．７／６．４（単位：ｎｍ）である。
【００５８】
また、このような単位積層体２６において、第１井戸層２６１、第２障壁層２９２、及び第２井戸層２６２からなる積層部分が、主に発光層２７として機能する部分である。また、第３障壁層２９３、第３井戸層２６３、…、第７障壁層２９７、及び第７井戸層２６７からなる積層部分が、主に注入層２８として機能する部分である。また、第１障壁層２９１は、前段の注入層２８ａからの電子注入に対する注入障壁となっている。
【００５９】
このような構成において、単位積層体２６は、そのサブバンド準位構造において、エネルギーの高い方から順に準位４、３、２、１の４つの準位を有している。また、本構成例では、発光下準位２から緩和準位１への電子の緩和については、ＬＯフォノン散乱による緩和ではなく、超格子によるミニバンド内の緩和を用いている。このような構成では、発光遷移後の電子の輸送制御が容易である。また、電子の緩和にミニギャップを用いることにより、レーザ動作に寄与せずにリーク電流の原因となる準位の影響を抑制することが可能である。
【００６０】
図７に示す単位積層体２６における量子井戸構造の設計手順について説明する。まず、井戸層２６１、２６２、及び障壁層２９２の設計方法は、図４に示した構成例と同様である。また、井戸層２６３〜２６７、障壁層２９３〜２９７については、動作電界においてミニバンド内で後段の積層体での発光層へと効率良く電子が輸送され、かつミニギャップによって準位２〜４からのリーク電流が抑制されるように、それぞれの井戸幅及び厚さを設定する。
【００６１】
ここで、ミニバンドを形成するために用意する量子井戸層と障壁層との厚さの合計は、動作電界が大きければ減少し、反対に動作電界が小さければ増大する。また、最後の井戸層２６７におけるミニバンドの出口付近では、後段の準位４への電子の注入効率を上げるためにミニバンドのエネルギー幅を小さくすることが好ましい。具体的には、図７に示すように、各井戸層の井戸幅をミニバンドの入口から出口に向けて狭くなるように設定し、各障壁層の厚さを入口から出口に向けて厚くなるように設定する。また、ミニバンド内での各準位のエネルギー間隔については、光の吸収を防ぐために発光エネルギーよりも小さくすることが好ましい。最後に、注入障壁となる第１障壁層２９１の厚さを設定する。具体的に、障壁層２９１の厚さを３．０ｎｍとした場合、アンチクロッシングギャップは約１０ｍｅＶとなる。
【００６２】
図２に示したサブバンド準位構造を有する活性層を含む量子カスケードレーザの具体的な素子構造について、その具体的な例とともに説明する。図８は、量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造の一例を示す断面図であり、図９は、レーザの立体構成の一例を示す側面断面図である。
【００６３】
図８に示す半導体積層構造では、固体ソースＭＢＥ法にて、半絶縁性ＧａＡｓ基板５０上に、高濃度ＳｉドープＧａＡｓ層からなる下部コンタクト層５１（厚さ８００ｎｍ、キャリア濃度５×１０１８／ｃｍ３）、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓによって構成され発光層及び注入層からなる単位積層体を１３０周期で積層した活性層５５、及び高濃度ＳｉドープＧａＡｓ層からなる上部コンタクト層５２（厚さ６０ｎｍ、キャリア濃度５×１０１８／ｃｍ３）を順次成長する。また、図４に示した構成例では第４井戸層１６４、図７に示した構成例では第５障壁層２９５／第５井戸層２６５／第６障壁層２９６に、それぞれ３×１０１０／ｃｍ２の面密度でＳｉドーピングを行う。
【００６４】
このような半導体積層構造に対し、通常のフォトリソグラフィー技術、及びエッチング技術を用いて、リッジストライプ型のレーザ素子構造を作製する。また、レーザ素子の共振器構造については、両端面へき開によって形成する。このとき、後端面をＡｕなどからなる高反射膜でコーティングしても良い。また、オーミック電極としては、例えばＴｉ／Ａｕを用いることができる。
【００６５】
具体的な素子構造の一例としては、図９に示すように、ＧａＡｓ基板５０上に形成された下部コンタクト層５１をエッチング等で露出させ、所定位置に下部電極５１ａを形成する。また、活性層５５の側面を覆うように絶縁膜５３を形成するとともに、活性層５５の上方で露出した上部コンタクト層５２に対して上部電極５２ａを形成する。これにより、図９に示した素子構造を有する量子カスケードレーザ１Ｂが得られる。
【００６６】
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、上記した構成例では、素子作製の容易さなどの点から、半導体基板としてＧａＡｓ基板を用い、活性層をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による発光遷移が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
【００６７】
例えば、半導体材料系について言えば、上記したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ以外にも、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、上記した固体ソースＭＢＥ法に限らず、例えばガスソースＭＢＥ法や、ＭＯＣＶＤ法など、様々な方法を用いて良い。
【００６８】
また、量子カスケードレーザのレーザ素子全体としての半導体積層構造については、図８に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、図８及び図９に示した構成例について上記した各半導体層の膜厚、ドーピング条件等についてはその一例を示すものであり、具体的には様々に構成を変更して良い。また、活性層の量子井戸構造に用いられる障壁層でのＡｌ組成については、上記した２３％に限られるものではなく、必要なサブバンド準位構造等に応じて他の組成比に設定しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、高温、高出力での動作を実現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。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【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】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について示す図である。
【図３】従来の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について示す図である。
【図４】活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【図５】振動子強度ｆ３２及び励起効率ηの発光層膜厚依存性を示すグラフである。
【図６】ｆ３２×（η−０．５）の発光層膜厚依存性を示すグラフである。
【図７】活性層を構成する単位積層体の構成の他の例を示す図である。
【図８】量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造の一例を示す断面図である。
【図９】量子カスケードレーザの立体構成の一例を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１５、２５…活性層、１６、２６…単位積層体、１７、２７…量子井戸発光層、１８、２８…注入層、
５０…ＧａＡｓ基板、５１…ＧａＡｓ下部コンタクト層、５１ａ…下部電極、５２…ＧａＡｓ上部コンタクト層、５２ａ…上部電極、５３…絶縁膜、５５…活性層。
【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】
2008060396.tif 000014
【図７】
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【図８】
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【図９】
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