(57)【要約】【課題】周波数が２０ＴＨｚから１００ＴＨｚ程度で室温連続発振するユニポーラ多重量子井戸発振器を提供すること。【解決手段】多重量子井戸が、サブバンド間遷移によって動作し、かつ指定された発振周波数の電磁波を放出するユニポーラ多重量子井戸発振器を形成する。多重量子井戸の活性領域の井戸層はＧａＩｎＮＡｓ層で形成されている。その結果、バンドの曲率が大きくなり遷移確率が増大して低閾値高効率発振が可能となる。【選択図】　図３
2004119814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と複数の量子井戸構造よりなる多重量子井戸構造において、伝導帯あるいは荷電子帯の同一伝導帯のサブバンド間遷移によって動作するユニポーラ多重量子井戸構造であって、量子井戸の幅を変化させることにより、第一の量子井戸のバンドの低レベルから第二の量子井戸のバンドの高レベルへの電子の移動を可能にする量子井戸構造よりなり、量子井戸を構成する半導体結晶に窒素原子を含むことを特徴とする多重量子井戸構造。
【請求項２】
半導体基板と複数の量子井戸構造よりなる多重量子井戸構造において、伝導帯あるいは荷電子帯の同一伝導帯のサブバンド間遷移によって動作するユニポーラ多重量子井戸構造であって、井戸層の組成を変化させることにより、第一の量子井戸のバンドの低レベルから第二の量子井戸のバンドの高レベルへの電子の移動を可能にする量子井戸構造よりなり、量子井戸を構成する半導体結晶に窒素原子を含むことを特徴とする多重量子井戸構造。
【請求項３】
半導体基板をＩｎＰ基板とすることを特徴とする請求項１および２記載の多重量子井戸構造。
【請求項４】
窒素原子の濃度が０．５％以上２％未満であることを特徴とする請求項１ないし３記載の多重量子井戸構造。
【請求項５】
井戸層の組成がＧａ（ｘ）Ｉｎ（１−ｘ）Ｎ（ｙ）Ａｓ（１−ｙ）であり、０≦ｘ≦０．５３，０．０５≦ｙ≦０．２，　ｙ＝０．４×（０．５−Ｘ）±０．１であることを特徴とする請求項１ないし４記載の多重量子井戸構造。
【請求項６】
半導体基板上に、伝導帯あるいは荷電子帯の同一伝導帯のサブバンド間遷移によって動作するユニポーラ多重量子井戸構造を結晶成長する工程であって、井戸層の結晶成長中に井戸層を構成する複数の原子あるいは分子と同時にイオン化した窒素原子を導入することを特徴とする多重量子井戸構造の製造方法。
【請求項７】
Ｖ族元素はすべてガス化して導入することを特徴とする請求項６記載の多重量子井戸構造の製造方法。
【請求項８】
半導体基板と複数の量子井戸構造よりなる多重量子井戸発振器構造において、伝導帯あるいは荷電子帯の同一伝導帯のサブバンド間遷移によって動作するユニポーラ多重量子井戸発振器であって、量子井戸の幅を変化させることにより、第一の量子井戸のバンドの低レベルから第二の量子井戸のバンドの高レベルへの電子の移動を可能にする量子井戸構造よりなり、量子井戸を構成する半導体結晶に窒素原子を含むことを特徴とする多重量子井戸発振器。
【請求項９】
半導体基板をＩｎＰ基板とし、窒素原子の濃度が０．５％以上２％未満であることを特徴とする請求項８記載の多重量子井戸発振器。
【請求項１０】
第一の量子井戸が、第二の量子井戸よりも高バンドギャップエネルギーを有し、第一の量子井戸から第二の量子井戸まで進む際に井戸層の厚さが減少する多重量子井戸含んでいる、請求項８および９に記載の多重量子井戸発振器。
【請求項１１】
第一の量子井戸が、第二の量子井戸よりも低バンドギャップエネルギーを有し、第一の量子井戸から第二の量子井戸まで進む際に井戸層の厚さが増大する多重量子井戸を含んでいる、請求項８および９に記載の多重量子井戸発振器。
【請求項１２】
基板上に成長したガイド層とコンタクト層の膜厚の和を電磁波の波長の１０％程度とするとともに、リッジの幅が電磁波の波長の５０％程度となるようにすることを特徴とした請求項８記載の多重量子井戸発振器。
【請求項１３】
半導体基板と複数の量子井戸構造よりなる多重量子井戸発振器構造において、伝導帯あるいは荷電子帯の同一伝導帯のサブバンド間遷移によって動作するユニポーラ多重量子井戸発振器であって、半導体結晶に窒素原子を含む第二の量子井戸の幅や組成を変化させることにより、第一の量子井戸のバンドの低レベルから第二の量子井戸のバンドの高レベルへの電子の移動を可能にする量子井戸構造よりなり、前記量子井戸構造を屈折率が基板より大きく量子井戸構造より小さい混晶で埋め込むことを特徴とした多重量子井戸発振器。
【請求項１４】
基板上に成長したガイド層とコンタクト層の膜厚の和を電磁波の波長の１０％程度とするとともに、リッジの幅が電磁波の波長の２５％程度となるようにすることを特徴とした請求項１３記載の多重量子井戸発振器。
【請求項１５】
半導体基板と複数の量子井戸構造よりなる受信器において、伝導帯あるいは荷電子帯の同一伝導帯のサブバンド間遷移によって動作するユニポーラ多重量子井戸受信器であって、量子井戸の幅を変化させることにより、第一の量子井戸のバンドの低レベルから第二の量子井戸のバンドの高レベルへの電子の移動を可能にする量子井戸構造よりなり、量子井戸を構成する半導体結晶に窒素原子を含むことを特徴とする半導体受信器。
【請求項１６】
半導体基板をＩｎＰ基板とし、窒素原子の濃度が０．５％以上２％未満であることを特徴とする請求項１２記載の半導体受信器。
【請求項１７】
ユニポーラ多重量子井戸発振器で発生させた電磁波を用いることを特徴とした１置換ＤＮＡ分析方法。
【請求項１８】
圧力を印加することで電磁波の周波数を変化させることを特徴としたユニポーラ多重量子井戸発振器の動作方法。
【請求項１９】
磁場を印加することで電磁波の周波数を変化させることを特徴とした請求項８あるいは１３記載のユニポーラ多重量子井戸発振器の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サブバンド間遷移を利用したユニポーラ多重量子井戸結晶体、ユニポーラ多重量子井戸発振器、ユニポーラ多重量子井戸受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信用１．３μｍ帯あるいは１．５５μｍ帯の半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓＰ系材料で構成されている。この材料系では、ヘテロ接合を形成した場合、伝導帯のバンドオフセット量ΔＥｃが小さく、温度の上昇によって容易にキャリアがオーバーフローしてしまう。その結果、温度上昇によるデバイスのしきい値、効率等の悪化が大きな課題となっていた。そこで、ΔＥｃを大きく取れるＧａＡｓ基板上に窒素組成を微量にしたＧａＩｎＮＡｓ混晶を用いることで、長波長帯レーザとして利用する方法が提案された。例えば、ＧａＡｓ基板上で、窒素組成０．５％のＩｎＧａＡｓＮを量子井戸層としＡｌＧａＡｓを障壁層とした単一量子井戸レーザにおいて、波長約１．２μｍのレーザ発振が報告されている（非特許文献１を参照）。
【０００３】
この様なＧａＡｓをベースとして窒素を導入した系では、真空準位から伝導帯の底のエネルギーが大幅に下がるため、バンドオフセット量ΔＥｃが非常に大きく、５００ｍｅＶ程度とＩｎＧａＡｓＰ系の５倍程度の値を示す。そこで、この様なデバイスは、温度特性が大幅に改善され、上記のレーザでは特性温度Ｔ０＝１２６Ｋと通常のＩｎＰ系のレーザの約２倍も高い値が得られている（非特許文献２を参照）。
【０００４】
このようなレーザ構造を図１に示す。ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、１μｍ厚のｎ−ＧａＡｓバッファ層２、格子整合した１μｍ厚のｎ−ＩｎＧａＰクラッド層３、５０ｎｍ厚のアンドープＧａＡｓ光閉じ込め（ガイド）層４を成長している。
さらに、厚いＩｎＧａＡｓ井戸層を１０ｎｍ成長して、このＩｎＧａＡｓ井戸層に窒化処理を施して表面のＩｎＧａＡｓ井戸層を窒化することにより、５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ層４０３と、５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＮ層４０４とを形成している。続いて薄い３ｎｍ厚のＧａＡｓ障壁層４０５を成長し、これを５回繰り返して５周期の活性層５とし、５層目のＩｎＧａＡｓＮ層を形成した後に、５０ｎｍ厚のアンドープＧａＡｓガイド層６、１μｍ厚のｐ−ＩｎＧａＰクラッド層７、０．３μｍ厚のｐ−ＧａＡｓコンタクト層８を連続して成長した構造を有している。
【０００５】
このように成長したウェハを図１のように導波路幅２μｍのリッジ型に加工し、共振器長３００μｍのレーザとしている。レーザ動作を行うために順方向の電流を印加した結果、１．３μｍ程度で発振し、温度の上昇によって容易にキャリアがオーバーフローしない充分深い井戸構造を持ったレーザ構造を得ていた。一方、本従来例の構造において、障壁層４０５が薄いので電子のトンネル効果を利用した高速光素子として機能させることができることが記載されている。「例えば、逆電界を印加しておいて超高速の光検出器として動作させられる。また、逆電界を印加した状態において高速変調するキャリアを注入することで電子のトンネル現象によって量子井戸内の基底量子準位と第１量子準位間で反転分布を生じさせて、電子のサブバンド間遷移を利用した半導体レーザの超高速変調が可能になる。」といった具合である。
【０００６】
このように、ＧａＡｓ基板上では、サブバンド間遷移を利用した半導体レーザが提案されてはいるが、逆電界を印加した状態でキャリアは注入できないので、ここで作製されたレーザは発振していないものと考えられる。
【０００７】
以上のように、ＧａＡｓ基板に格子整合するＧａＩｎＮＡｓ混晶を用いた従来例ではレーザは発振動作はしていないと思われるが、サブバンド間遷移を利用したデバイスとして報告されている。
【０００８】
一方、サブバンド間遷移を利用した実際のレーザは次のような従来例となる。
第一の従来例で示した通常の半導体レーザでは、光子の放出は、伝導帯の電子と価電子帯の正孔との再結合中に起こる。図１に、多重量子井戸レーザの場合の例示的な概略図を示す。この場合、発光波長は、二つの基準レベル伝導帯のＥ１と価電子帯のＨＨ１との間の遷移のエネルギーによって簡単に固定される。このエネルギーは、例えば量子井戸の幅を変化させることによって調整できる。
【０００９】
一方、１９９４年に提案されたサブバンド間遷移を用いた量子カスケードレーザ（非特許文献３）は、図２に示したように多重量子井戸レーザと次のような主要な差異を有する。光子の放出は、伝導帯か荷電子帯のうちいずれか一方の複数のサブバンド間で行われる。これは、ただ一つのタイプのキャリアのみの遷移を意味するので、これらの量子カスケードレーザは「ユニポーラレーザ」とも呼ばれる。伝導帯内で動作している場合、このタイプのキャリアは電子であるが、価電子帯内で遷移を考えることもできる。この種の動作は、バンド内動作と呼ばれる。伝導帯のサブバンド間で動作している間、電磁波の放出は電子のみによって生じている。
【００１０】
従って、図１で示したレーザのように光子の放出中にキャリアが消失するというわけではなく、量子カスケードレーザの場合には、同じ電子は多重量子井戸構造を横断する際に複数の量子井戸内で数回使用され、したがって複数の光子を放出するため、高出力化に有利であるとされている。一般的な量子カスケードレーザの発光領域の構造を図２に示す（特許文献１を参照）。
【００１１】
量子カスケードレーザは、活性領域２３とよばれるサブバンド間遷移領域よりなる反復ユニットを複数個有している。サブバンド間遷移領域で電子はエネルギーを失って発光する。また、注入バリア２１を介して電子に一定のエネルギーレベルを与えるためにカスケード配置になるように連続的に積層された注入領域２２を有していて、活性領域と注入領域で１周期２７を構成している。多くの場合には、レーザ材料は、低不純物濃度ＩｎＰ基板に対して格子定数をマッチングさせたＩｎＡｌＡｓ２５とＩｎＧａＡｓ２６を用いて分子ビームエピタキシー法によって成長させられる。
【００１２】
その後、ウェットエッチングによる処理がなされ、図１に示したようなメサ構造が形成される。このように、量子カスケードレーザ動作は、サブバンド間電子遷移、すなわち、結合量子井戸における量子化された伝導帯状態間の遷移、に基づいている。これらの遷移の特徴は、通常数ピコ秒という超高速緩和時間であり、この時間は他の全てのレーザーシステムにおけるものよりも少なくとも二桁は高速である。量子カスケード動作は３レベルシステムよりなり、ヘテロ構造よりなる薄い注入バリア２１を介したトンネリングによってキャリアが上部サブバンド２８に注入され、ＬＯフォノン介在散乱によって下部サブバンド２４から引き抜かれる。ここで、上部サブバンドから下部サブバンドに遷移するときに、バンドのエネルギー差に対応した電磁波が発生することになる。
【００１３】
このようなサブバンド間遷移は、その極めて大きい双極子モーメントによる巨大非線型屈折率を有しているので、中赤外光のピコ秒パルスを生成する目的で用いられる。また、量子カスケードの波長範囲には多くの種類の化学及び生物学的物質がそれらの分子振動に関連した個々に特徴的な吸収スペクトル形状を有しており、分析可能であると考えられている。また、量子カスケードレーザは、大気損失の低さを利用した高速自由空間通信システムにおける使用にも適している。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−３２０１３６
【非特許文献１】
’９６　　春季応用物理学会予稿集　　２７ｐ−Ｃ−６、近藤他
【非特許文献２】
‘９６　　秋季応用物理学会予稿集　　８ｐ−ＫＨ−７、近藤他
【非特許文献３】
ジェイファイスト、サイエンス２６５号５５３頁、Ｊ．　Ｆａｉｓｔ，　Ｆ．　Ｃａｐａｓｓｏ，　Ｄ．Ｌ．　Ｓｉｖｃｏ，　Ｃ．　Ｓｉｒｔｏｒｉ，　Ａ．Ｌ．　Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，　Ａ．Ｙ．　Ｃｈｏ，　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｃａｓｃａｄｅ　Ｌａｓｅｒ，　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｖｏｌ．　２６５，　ｐ．５５３．
【非特許文献４】
ミッシェル・ロチャットら：アプライドフィジックスレター７９（２００１）４２７１，Ｍｉｃｈｅｌ　Ｒｏｃｈａｔ，　ｅｔ．ａｌ，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ　７９（２００１）４２７１
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
現在実現されている量子カスケードレーザは、１６μｍ程度の中赤外領域での発振が室温で実現されているものの、パルス発振であり、閾値電流密度も８ＫＡ／ｃｍ２と大きい値を有している（非特許文献４を参照）。ＤＮＡなどの分光分析には、連続光の方が高速で精度の高い分析が可能となるために、電子の光への遷移確率を上げるために、電子のサブバンド間遷移確率の増大が必要であった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、それぞれの量子井戸が、バンド間遷移によって動作し、かつ指定された波長を放出する量子カスケード多重量子井戸レーザ構造を形成する、電子のサブバンド間遷移確率を増大させるため半導体材料の層の少なくともひとつに窒素原子を添加することにより電子の質量が増大する特性を利用したユニポーラ多重量子井戸結晶体、ユニポーラ多重量子井戸発振器およびユニポーラ多重量子井戸受信器に関する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明のユニポーラ多重量子井戸結晶体の概念図を図３に示す。従来の量子カスケード構造を構成しているＩｎＧａＡｓ層２４に窒素を添加してＧａＩｎＮＡｓ層３１とすることを特徴としている。ここでＩｎＧａＡｓ結晶に窒素原子を添加することによる効果を、図４を用いて簡単に説明する。ＩｎＧａＡｓ結晶の伝導体のバンド構造を図４ａに示す。バルクのＩｎＧａＡｓの場合は、点線４１で示したようにエネルギー４４が運動量４５の２乗に比例する関係を有している。ＩｎＧａＡｓ層を井戸層とする量子井戸構造の場合には、太い実線４２で示したようにエネルギーは量子化して階段状のバンド構造となり、電子のフェルミ分布４６との重なり積分より細い実線４３で示したような電子の密度をとることになる。一方、ＧａＩｎＮＡｓの場合には、図４ｂに示したように、バルクのＧａＩｎＮＡｓのエネルギー分布４８は２乗の関係から外れてきてエネルギーの増加量が低下してしまう。これは、窒素原子を添加することにより窒素原子に由来するバンド４７が形成され、その結果、ＩｎＧａＡｓ固有のバンド４１とのミキシングが生じてしまうためである。バンドのミキシングが生じた場合には、図４ｂに示したように、窒素原子に由来するバンド４７とＩｎＧａＡｓ固有のバンド４１とが反発するためにＩｎＧａＡｓ固有のバンドが窒素原子に由来するバンド４７に近づくにつれて同一の運動量におけるエネルギーが減少してしまう。また、運動量が０の場合でも、窒素原子に由来するバンド４７とＩｎＧａＡｓ固有のバンド４１のミキシングは存在するために、ＧａＩｎＮＡｓのエネルギー分布４８の曲率は運動量が０であっても大きくなる。
【００１８】
別な観点として電子の有効質量から考えると、バンドの曲率が大きくなるほど電子の有効質量が大きいことを意味しており、窒素原子に由来するバンド４７のエネルギーの運動量依存性は直線的であるため、曲率が大きく、有効質量が大きいことになる。一方、ＩｎＧａＡｓ固有のバンドは曲率が小さいため、有効質量も小さくなる。ここで、窒素原子を添加すると、ＩｎＧａＡｓに有効質量の大きな窒素原子のバンドがミキシングを起こすので、ＧａＩｎＮＡｓの有効質量はＩｎＧａＡｓより大きくなるわけであり、これはＧａＩｎＮＡｓのエネルギー分布４８の曲率が大きくなることと等価となるのである。
【００１９】
ところで、窒素原子を添加してバンドの曲率が大きくなったことによる発光デバイスとしてのメリットに関して説明を行う。発光デバイスとして動作させるには一般的に量子井戸構造が用いられる。量子井戸構造とした場合には、エネルギーが量子化して、階段状のエネルギー分布を有する。その結果、階段状になっているところで、エネルギーが急激に変化するため、その部分で電子の存在できる状態（状態密度）が大きくなることになる。井戸層の厚みを薄くするほど、また有効質量が小さくなるほど、階段の段数は少なくなる。一方、室温の場合に、電子がどの程度高いエネルギーまで存在できるかを示しているのがフェルミ分布４６である。電子の存在できる状態である状態密度に、電子のフェルミ分布の積を取ると特定のエネルギーにおける電子の密度が求められる。この、電子の密度を大きくするには、▲１▼バンドギャップを小さくして、フェルミレベルに近づけることでフェルミ分布との積を大きくする。▲２▼サブバンド間のエネルギー差を小さくすることで、高次の量子レベルをフェルミレベルに近づけることで、フェルミ分布との積を大きくする。▲３▼有効質量を大きくして状態密度自体を大きくする、という方法がある。窒素原子を添加することにより、▲１▼バンドギャップが減少する（窒素原子の添加により格子整合するためのＩｎの添加量が増加するためさらにバンドギャップが減少する）、▲２▼有効質量が大きくなるのでサブバンド間エネルギー差が減少する、▲３▼有効質量が大きくなるので状態密度が増加する、といった結果から、窒素原子を添加することにより電子の密度が増加して、サブバンド間遷移が容易となり、良好なサブバンド間遷移による電磁波の発生が可能となる。
【００２０】
図４ｃにサブバンド間遷移の発振波長と井戸層幅の関係を示す。発振波長は、基底準位と第１励起準位のエネルギー間隔から求めた。井戸層幅を減少させるに従って発振波長は減少する。今回、テラヘルツ通信や１置換ＤＮＡ検出などに使用したい電磁波の周波数は図４ｄに矢印で示したように１５ＴＨｚから１００ＴＨｚ程度であり、電磁波の波長としては図４ｃに矢印で示したように２０μｍから３μｍ程度となる。このように、波長の長い電磁波を用いる必要があるため、電子が井戸層内で再分布しないような井戸層の幅が１０μｍ以内でかつ光閉じ込め係数が実用的な値となる井戸層の幅が３μｍ以上という制約条件の元で上記波長の発光が可能となるのはＧａＩｎＮＡｓを井戸層に用いた場合ということになる。本発明においては、ＧａＩｎＮＡｓの電子の有効質量は窒素原子濃度が０．５％から２％の領域において０．２ｍ０であるという結果を得たため、そこから上記アプリケーションへの利用が可能となる波長範囲を明らかにしたことが特徴として挙げられる。さらに、ＧａＩｎＮＡｓを用いることで、バンドギャップが低下して、フェルミレベルに近づくために遷移確率が増加して室温でも３μｍ以上の波長の連続発振が可能となることを明らかにしたことも重要なポイントとなっている。このように、本発明のデバイスは３μｍ以上の波長の赤外光の発振器というだけでなくＴＨｚ波の発振器といった特徴を強く有しているために、ＩｎＰ基板上に作製した量子カスケードレーザの場合は、以降はレーザという名称を用いずにユニポーラ多重量子井戸発振器と呼ぶことにする。
【００２１】
ところで、今回の検討に用いたＧａＩｎＮＡｓの組成を図５に詳しく示す。通常ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板上に形成されるため、、まずＧａＡｓ基板に格子整合するＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板上６０で示した実線上の組成の関係を持つことを明らかにした。これから、ＧａＡｓ基板に格子整合させようとした場合には、２％程度とわずかに窒素原子を加えるときでもＩｎを４０％程度も添加しなければならないことがわかる。これは、窒素原子がＡｓ原子に比べて極めて小さいことによる。一方、窒素原子を添加した場合の結晶のバンドギャップの変化についても明らかにした。その結果、同一のＧａ組成であれば、窒素原子を２％程度添加することにより０．１ｅＶ程度と、わずかにバンドギャプが低下することがわかった。この関係をバンドギャップの窒素濃度依存性６２として点線で示した。これらの関係はＩｎＧａＡｓ混晶のＩｎ濃度によらずほぼ一定の傾向を示すことがわかったので、ＩｎＰ基板上６１に示したように、ＩｎＰ基板上に格子整合するＧａＩｎＮＡｓ混晶に関して窒素濃度とＩｎ濃度の関係を明らかにすると共に、そのときのバンドギャップに関しても点線で示した。ここで、上記のバンドのミキシングによるバンドの曲率変化を実現するための窒素の量を調べた結果、０．５％以下の添加量では不純物としてのドーピングの効果しかないことがわかったので、本発明の領域を図５の格子状に示した範囲とした。これは、窒素原子が０．５％以上の領域で、ＩｎＰ基板に格子整合すると共に、室温で半導体であるバンドギャップが０．２５ｅＶ以上という範囲で示している。
また、格子歪の導入による遷移確率向上およびバンドギャップやサブバンド間ギャップの連続的変化や結晶成長のばらつきといった観点から、ＩｎＰ基板の格子定数に対して±１％の格子歪が導入できる組成範囲としてＩｎの組成が格子整合する組成に対して±１０％となる範囲として規定している。以上の範囲を図示した結果が格子状に示した範囲である。
【００２２】
次に、図３を用いて今回成長したユニポーラ多重量子井戸発振器の構造を改めて説明する。ユニポーラ多重量子井戸発振器は、量子カスケードレーザと同様に活性領域２３とよばれるサブバンド間遷移領域よりなる反復ユニットを複数個有しており、ここで電子が上部サブバンドから下部サブバンドへ遷移する。また、注入バリア２１を介して電子が活性領域の第１励起準位となるように基底準位のエネルギー状態を連続的に増加するように連続的に積層された注入領域２２を有していて、活性領域と注入領域で１周期２７を構成してカスケード配置になるようにしている。本発明では、ＩｎＰ基板に対して格子定数をマッチングさせたＩｎＡｌＡｓ２５とＧａＩｎＮＡｓ２６を用いてガスソース分子線エピタキシー法によって成長した。ＩｎとＧａは固体原料を加熱することで供給し、ＰとＡｓはそれぞれＰＨ３とＡｓＨ３をクラッキングすることにより発生させた。窒素は、高純度窒素ガスをプラズマクラッキングセルでクラッキングして供給した。基板の昇温時には、ＰＨ３を供給しながら基板温度を６００℃まで昇温した後、ＩｎＰ層とＩｎＡｌＡｓ層を連続して成長して、ＩｎＰ層とＩｎＡｌＡｓ層のヘテロ界面でホールをブロックするように急峻な界面を実現する。その後、図３に示したようにＩｎＡｌＡｓ層とＧａＩｎＮＡｓ層を交互に成長する。ＩｎＡｌＡｓ層の厚みは、電子がトンネル伝導できるように１ｎｍとし、注入領域の井戸層の厚みは下部サブバンドが活性領域の上部サブバンドに一致するように、井戸層幅を減少させることでバンドギャップを大きくする。図３に示したように、窒素原子を添加することで、状態密度が増加することにより、図２に比べて上下のサブバンドのエネルギーの幅（斜線の領域のエネルギー分布）が減少することが分かっている。これからも、発振周波数のエネルギー分布が狭く、安定した発振が実現できることがわかる。注入領域の井戸層はＧａ０．５３Ｉｎ０．４７Ａｓ層として、井戸層幅を１０μｍから３μｍに変化させた。一方、ＩｎＡｌＡｓ注入バリア層を３ｎｍとして、活性領域は井戸層をＧａ０．２Ｉｎ０．８Ｎ０．０１Ａｓ０．９９層として、井戸層幅は３ｎｍとした。さらに、注入バリアを介して活性領域の下部サブバンドと同じエネルギー状態となるように井戸層厚を１０μｍから３μｍに変化させることで第２の注入領域のバンドギャップを調整した。注入バリアを除いてＩｎＡｌＡｓ層の膜厚は注入領域も活性領域も１ｎｍとした。
【００２３】
ここでのＧａＩｎＮＡｓ層の組成は、図５に示したようにＧａ（ｘ）Ｉｎ（１−ｘ）Ｎ（ｙ）Ａｓ（１−ｙ）であり、０≦ｘ≦０．５３，　０．０５≦ｙ≦０．２，　ｙ＝０．４×（０．５−Ｘ）±０．１とした。最も発振時の電流値が減少するのはｘ＝０．２，Ｙ＝０．０１の場合であった。ただし、結晶成長の容易性という観点から、ｘ＝０，Ｙ＝０．０２を用いて発振器を作製した場合もわずかに電流値が増加したが、ほぼ同様の結果が得られることがわかった。井戸層の幅を３ｎｍとした場合に発振周波数が１５ＴＨｚとなり、発振効率が減少するものの井戸層幅を１０ｎｍとすると１００ＴＨｚ程度で発振することがわかった。
【００２４】
ユニポーラ多重量子井戸発振器では、ｎ型基板を用いる場合には基板側から電流を注入して動作させるために、基板側の注入領域を形成する第一の量子井戸から、活性領域を形成する窒素原子を含んだ第二の量子井戸へ電子が流れ込むことになる。ここで、注入領域では基底状態に電子が存在し、活性領域では第１励起状態に電子が注入されることになるため、第１の量子井戸のバンドギャップは第２の量子井戸のバンドギャップより大きくなる必要があり、さらに第１の量子井戸のバンドギャップを徐々に大きくして第２の量子井戸の励起状態に一致させるために第一の量子井戸から第二の量子井戸まで進む際には注入領域の井戸層の厚さを減少することで、基底状態のバンドギャップを大きくする必要がある。一方、ｐ型基板では逆になるため、第一の量子井戸が、第二の量子井戸よりも低バンドギャップエネルギーを有し、第一の量子井戸から第二の量子井戸まで進む際に井戸層の厚さが増加するように作製する必要がある。
【００２５】
図６にユニポーラ多重量子井戸発振器の構造を示す。ｎ型ＩｎＰ基板７２上にｎ型ＩｎＰバッファ層７３を２００ｎｍおよびｎ型ＩｎＧａＡｓガイド層７４を電磁波の波長の２０％程度の膜厚で積層する。その後、ＩｎＡｌＡｓ層とＧａＩｎＮＡｓ層を積層し、２０段のカスケード構造７５とする。ＩｎＧａＡｓガイド層７６およびコンタクト層７８を波長の１０％程度の膜厚を成長して、結晶成長工程を終了する。その後、ガイド層７６として１００ｎｍの膜厚を残して幅が電磁波の波長の５０％程度となるように、エッチング除去した後、絶縁膜７７でストライプ側面を保護して、上下にｐ電極７９とｎ電極７１を蒸着して、ユニポーラ多重量子井戸発振器の構造を得る。
【００２６】
ユニポーラ多重量子井戸発振器の動作について説明する。ｐ電極に正電圧を印加して、デバイスに電流を流すことにより、サブバンド間のエネルギー差に対応した波長の電磁波が発振により発生する。閾値電流密度は５００Ａ／ｃｍ２程度であり、２０μｍの波長の電磁波の場合には共振器長を２００μｍとしてストライプ幅が１０μｍであるため、閾値電流は１０から５０ｍＡとなり、１５ＴＨｚでの室温連続発振が実現できることがわかった。
【００２７】
さらに、閾値電流を下げるために、ストライプ幅を５μｍとするために図７に示したようなＩｎＰ結晶による埋め込みレーザプロセスでユニポーラ多重量子井戸発振器を作製して、活性領域の体積の減少と内部損失の減少から、閾値電流は５から１０ｍＡとなり、１５ＴＨｚにおける低閾値で高効率の室温連続発振が実現できることがわかった。ここでは、リッジ型と同様に第１結晶成長工程までを行った後、ＩｎＰバッファ層まで５μｍのストライプ幅で絶縁膜をマスクにしてエッチングを行った後に２×１０１７ｃｍ−３程度のｐ型かアンドープのＩｎＰ層と、１０１８ｃｍ−３程度のｎ型ＩｎＰ層と、２×１０１７ｃｍ−３程度のｐ型かアンドープのＩｎＰ層を絶遠膜をマスクとして連続して選択成長した後、絶遠膜マスクを除去した後にｐ電極とｎ電極を蒸着してデバイス構造を作製した。埋め込み成長ユニポーラ多重量子井戸発振器では、活性領域側面がＩｎＰ結晶で埋め込まれているためストライプ側面での散乱による損失が低減するとともに、活性層の横方向に屈折率差をつけることでストライプ幅を半分にできることから活性層体積を半分となり、低閾値電流を実現できることがわかった。
【００２８】
以上のように、低閾値電流で高効率のテラヘルツ波の発生を室温の連続発振動作で実現したことで通信用に用いるだけでなく、低雑音の分光分析が可能となり、塩基配列が１つだけ異なる２種類のＤＮＡを区別することが可能となった。この測定においては、電磁波の周波数を連続して変化させる必要があったため、▲１▼温度を変化させる、▲２▼圧力を変化させる、▲３▼磁場を印加する、といったことを行った。もっと一般的なのは、ユニポーラ多重量子井戸発振器の温度を変化させることである。その結果、電子の有効質量が変化して電磁波の周波数が変化する。
第２にはデバイスに応力を印加した。窒素原子を添加することにより、応力を印加することでも電子の有効質量を変化させることができることがわかったためである。その結果、デバイスに圧縮応力を印加することで、有効質量が増加し、サブバンド間のエネルギーが減少して、電磁波の周波数を変化させることが可能となった。また、磁場を印加することでも電磁波の周波数を変化させることが可能であることが判った。とくに、窒素原子を導入した半導体の場合には、電子の有効質量の結晶方向依存性が大きいために、磁場を印加して結晶方向に対する縮退を特ことで、大きな有効質量の変化を生み出し、サブバンド間のエネルギー差を増大させることで電磁波の周波数を変化させることが可能となった。
（実施例２）
図８に本発明のユニポーラ多重量子井戸受信器の概念図を示す。結晶構造は実施例１で示したのと同様である。ただし、発振器では順バイアスを行っていたのに対して、受信器では逆バイアスを印加する。ｐ型コンタクト層７８とｎ型ＩｎＰ基板７２以外はアンドープ層となっており、ＴＨｚオーダの信号の受信を可能としている。メサ状にエッチングを行った後、リング状のｐ電極７９と基板裏面にｎ電極７１を蒸着により形成した。リングの大きさは１０μｍとして、１０ＴＨｚの搬送波に重畳された１ＴＨｚ程度の信号を受信できるようにしている。動作は、逆バイアスを印加して電流の変化をモニターすることで受信を行っている。その結果、室温において低雑音の受信器を実現できることがわかった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、電子のサブバンド間遷移確率が増大したユニポーラ多重量子井戸デバイスとその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の多重量子井戸レーザの構造図
【図２】従来の量子カスケード多重量子井戸レーザの結晶体の概念図
【図３】本発明によるユニポーラ多重量子井戸結晶体の概念図
【図４】（ａ）従来の量子カスケード多重量子井戸レーザの電子状態の概念図
（ｂ）本発明の結晶体の電子状態の概念図
（ｃ）本発明の結晶体の電子状態の概念図と波長の井戸幅依存性を示す図
（ｄ）本発明の結晶体の電子状態の概念図と周波数の井戸幅依存性を示す図
【図５】本発明の結晶体のＧａ原子濃度とＮ原子濃度の関係とエネルギーバンドギャップの関係を示す図
【図６】本発明のユニポーラ多重量子井戸発振器の構造図
【図７】本発明のユニポーラ多重量子井戸発振器の構造図
【図８】本発明のユニポーラ多重量子井戸受信器の構造図
【符号の説明】
１．ｎ−ＧａＡｓ基板
２．ＧａＡｓバッファ層
３．ＩｎＧａＰクラッド層
４．ＧａＡｓガイド層
５．ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮ層
６．ＧａＡｓガイド層
７．ＩｎＧａＰクラッド層
８．ＧａＡｓコンタクト層
９．絶遠膜
１０．ｐ電極
１１．ｎ電極
４０３．ＩｎＧａＡｓ層
４０４．ＩｎＧａＡｓＮ井戸層
４０５．ＧａＡｓ障壁層
２１．注入バリア
２２．注入領域
２３．活性領域
２４．下部サブバンド
２５．ＩｎＡｌＡｓ障壁層
２６．ＩｎＧａＡｓ井戸層
２７．一周期
２８．上部サブバンド
３１．ＧａＩｎＮＡｓ井戸層
４１．エネルギーと運動量の関係
４２．量子井戸におけるエネルギー状態
４３．電子の密度
４４．エネルギー
４５．運動量
４６．フェルミ分布
４７．ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素原子によるバンド
４８．ＧａＩｎＮＡｓにおけるエネルギーと運動量の関係
４９．ＧａＩｎＮＡｓにおける量子井戸におけるエネルギー状態
５０．ＧａＩｎＮＡｓにおける電子の密度
６０．ＧａＡｓ基板上
６１．ＩｎＰ基板上
６２．バンドギャップの窒素濃度依存性
６３．本発明の領域
７１．ｎ電極
７２．ｎ−ＩｎＰ基板
７３．ｎ−ＩｎＰバッファ層
７４．ＩｎＧａＡｓクラッド層
７５．ＩｎＡｌＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓＮ層
７６．ＩｎＧａＡｓガイド層
７７．絶遠膜
７８．ＩｎＧａＡｓクラッド層
７９．ｐ電極
８０．ｎ＋−ＩｎＰ層
８１．ｐー−ＩｎＰ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】
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【図７】
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【図８】
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