(57)【要約】【課題】生成された光に対するレーザ内での導波路損失が低減される量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】ＧａＡｓ基板１０上に、量子井戸発光層及び注入層が交互に積層されたカスケード構造を有するＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層１１を形成して、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用して赤外光などの所定波長の光を生成する量子カスケードレーザ１を構成する。また、活性層１１のＧａＡｓ基板１０側、及びＧａＡｓ基板１０の反対側に、Ｎ（窒素）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるｎ型のＧａＩｎＮＡｓ層からなりＧａＡｓ基板１０と格子整合する導波路コア層１２、１４と、ｎ＋＋型のＧａＡｓ層からなる導波路クラッド層１３、１５とから構成される導波路構造を設ける。【選択図】  図１
2004247492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧｓＡｓからなる半導体基板上に量子井戸発光層及び注入層が交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層と、
前記活性層に対して隣接して形成された導波路コア層と、
前記導波路コア層に対して前記活性層とは反対側で隣接して形成された導波路クラッド層とを備え、
前記導波路コア層は、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により、前記半導体基板と格子整合するように形成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】
ＩｎＰからなる半導体基板上に量子井戸発光層及び注入層が交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層と、
前記活性層に対して隣接して形成された導波路コア層と、
前記導波路コア層に対して前記活性層とは反対側で隣接して形成された導波路クラッド層とを備え、
前記導波路コア層は、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により、前記半導体基板と格子整合するように形成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３】
前記導波路コア層は、高次の光学モードを導波しないように設定された所定の厚さで形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】
前記導波路クラッド層は、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成された高濃度ドーピング層を含む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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
中赤外の波長領域（例えば波長３〜１０μｍ）の光は、医療関連、生体計測、環境計測などの様々な分野において重要視されている。これに伴い、このような波長領域における高性能なコヒーレント光源の必要性が高まってきている。
【０００３】
しかしながら、通常のバンド間遷移を利用したレーザ光源は、中赤外領域では低温でしか動作せず、室温での動作、連続（ＣＷ）発振動作、あるいは高出力動作等が可能なレーザ光源は実現されていない。このため、赤外領域でのコヒーレント光源として従来から用いられている炭酸ガスレーザや、波長変換光学結晶を用いた固体レーザ、大型施設を伴う自由電子レーザなどに代わる、高性能なレーザ光源の実現が望まれている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｌｏｗ−ｌｏｓｓ  Ａｌ−ｆｒｅｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｆｏｒ  ｕｎｉｐｏｌａｒ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒｓ”，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ｖｏｌ．７５  （１９９９）  ｐｐ．３９１１−３９１３．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体材料を用いた赤外発光素子として、量子カスケードレーザの開発が進められている。量子カスケードレーザは、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用して光を生成するレーザ光源であり、原理的には波長３〜７０μｍ程度の波長領域の光を生成することが可能である。
【０００６】
また、量子カスケードレーザでは、量子井戸発光層が多段に設けられたカスケード構造によって高出力化が可能となっており、さらに、周波数応答が高速で超短パルス光の発生が可能であること、緩和振動がないこと、多重波長発振や広帯域発振が可能であることなど、赤外コヒーレント光源として大きな潜在能力を秘めている。例えば、非特許文献１には、基板の半導体材料としてＧａＡｓを用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の量子カスケードレーザ（ＧａＡｓ−ＱＣＬ）について、温度７７Ｋ、波長９μｍでのレーザ発振が報告されている。
【０００７】
このような赤外レーザ光源としての量子カスケードレーザにおいては、生成される赤外光が長波長であるため、レーザ内での導波路損失等による光の損失が問題となる。すなわち、赤外光が導波されるレーザ内の導波路構造では、以下の式に示す吸収係数αで光の自由キャリア吸収が発生する。
【０００８】
α＝Ｎｅ２λ２／（πｎｃ３ｍ＊τ）
この式において、Ｎはキャリア密度、ｅは単位電荷、λは光の波長、ｎは屈折率、ｃは光速、ｍ＊は導波路内での電子の有効質量、τは緩和時間である。
【０００９】
この式からわかるように、レーザ内の導波路構造において発生する自由キャリア吸収は、光の波長λの２乗に比例して増大する。したがって、長波長の赤外光を生成する量子カスケードレーザでは、生成された光に対するレーザ内での自由キャリア吸収による導波路損失が問題となる。
【００１０】
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、生成された光に対するレーザ内での導波路損失が低減される量子カスケードレーザを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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）ＧｓＡｓからなる半導体基板上に量子井戸発光層及び注入層が交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層と、（２）活性層に対して隣接して形成された導波路コア層と、（３）導波路コア層に対して活性層とは反対側で隣接して形成された導波路クラッド層とを備え、（４）導波路コア層は、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により、半導体基板と格子整合するように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
あるいは、本発明による量子カスケードレーザは、（１）ＩｎＰからなる半導体基板上に量子井戸発光層及び注入層が交互に積層されたカスケード構造を有し、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によって光を生成する活性層と、（２）活性層に対して隣接して形成された導波路コア層と、（３）導波路コア層に対して活性層とは反対側で隣接して形成された導波路クラッド層とを備え、（４）導波路コア層は、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により、半導体基板と格子整合するように形成されていることを特徴とする。
【００１３】
上記した量子カスケードレーザでは、注入層を挟んで量子井戸発光層が多段に設けられた活性層に対する導波路構造において、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて、レーザ内で生成された赤外光などの光が導波される導波路コア層を形成している。
【００１４】
このような半導体材料からコア層を形成する構成によれば、生成された光に対するレーザ内での自由キャリア吸収による導波路損失が低減される。また、この導波路構造では、導波路コア層の実効的な屈折率が増大する。これにより、光閉じ込めに必要な導波路コア層及びクラッド層の厚さを薄くすることができる。
【００１５】
また、導波路コア層は、高次の光学モードを導波しないように設定された所定の厚さで形成されていることを特徴とする。これにより、レーザ内で生成された光を良好に導波させて出力することができる。
【００１６】
また、導波路クラッド層は、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成された高濃度ドーピング層を含むことが好ましい。これにより、レーザ内で生成された光がプラズモンモードへと漏洩することが抑制される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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。
【００１８】
図１は、本発明による量子カスケードレーザの第１実施形態の構成を示す側面断面図である。図１に示したレーザ１は、基板の半導体材料としてＧａＡｓを用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の量子カスケードレーザ（ＧａＡｓ−ＱＣＬ）である。
【００１９】
量子カスケードレーザ１は、ＧａＡｓ基板（半導体基板）１０と、ＧａＡｓ基板１０上に形成された活性層１１、導波路コア層１２、１４、及び導波路クラッド層１３、１５の各半導体層とを備えて構成されている。また、量子カスケードレーザ１の側面のうち、対向している所定の２面には、本レーザ１での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。
【００２０】
活性層１１は、ＧａＡｓ基板１０上に形成され、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用して所定波長の光（例えば中赤外の波長領域内にある光）を生成する半導体層である。本実施形態においては、上記したように、半導体基板としてＧａＡｓ基板１０が用いられていることに対応して、量子井戸層にＧａＡｓを用い、量子障壁層にＡｌＧａＡｓを用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造によって活性層１１が構成されている。
【００２１】
具体的には、活性層１１は、量子井戸発光層（量子井戸活性層）及び注入層が交互に積層されることにより、量子井戸発光層が多段に設けられたカスケード構造を有して形成されている。量子井戸発光層及び注入層の積層数は適宜設定されるが、例えば数百程度である。
【００２２】
図２は、活性層のカスケード構造、及び量子井戸構造でのサブバンド間遷移について示す図である。なお、図２においては、説明のため、活性層１１を構成している量子井戸発光層及び注入層による積層構造のうち、２層の量子井戸発光層１０２、１０４、及び発光層１０２、１０４に挟まれた１層の注入層１０３の３層について、そのカスケード構造を示している。
【００２３】
図２に示すように、量子井戸発光層１０２、１０４は、量子井戸層１１０と量子障壁層１１１とから構成されている。発光層１０２、１０４では、これらの量子井戸層１１０及び量子障壁層１１１により、量子準位ｎ＝１、２、３が形成されている。
【００２４】
また、発光層１０２、１０４の間には、注入層１０３が設けられている。この注入層１０３は、量子井戸層１１２と量子障壁層１１３とから構成されており、量子井戸層１１２の幅が発光層１０２から発光層１０４へと向かう方向に沿って狭くなっていくように形成されている。
【００２５】
このような伝導帯量子準位構造の活性層１１を有する量子カスケードレーザ１にバイアス電圧を印加すると、電子１０１が発光層１０２のｎ＝３の量子準位に選択的に注入される。ｎ＝３の量子準位に注入された電子１０１はｎ＝２の量子準位へと遷移し、このとき、ｎ＝２及び３の量子準位間のエネルギー準位差に相当する波長の光ｈνが生成される。
【００２６】
また、ｎ＝２の量子準位へと遷移した電子１０１は、ｎ＝２の量子準位から注入層１０３を通過して発光層１０４のｎ＝３の量子準位に選択的に注入される。そして、この電子１０１は、発光層１０４においてｎ＝３の量子準位からｎ＝２の量子準位へと遷移する。このとき、ｎ＝２及び３の量子準位間のエネルギー準位差に相当する波長の光ｈνが生成される。
【００２７】
例えば、ｎ＝３の量子準位とｎ＝２の量子準位との間のエネルギーギャップがいずれも３００ｍｅＶ程度である場合、発光層１０２、１０４においてそれぞれ生成される光ｈνの波長は、中赤外の波長領域となる。そして、このような波長の光がレーザ１の光共振器により共振されて、所定波長のレーザ光として出力される。さらに、このような量子井戸発光層及び注入層を多数交互に積層することにより、電子は量子井戸発光層をカスケード的に次々に移動するとともに、各発光層でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。
【００２８】
図２に示したカスケード構造を有する活性層１１に対し、活性層１１において生成された光がレーザ１内で導波される導波路構造として、低濃度ドープ層であるｎ型の導波路コア層１２、１４、及び高濃度ドープ層であるｎ＋＋型の導波路クラッド層１３、１５が設けられている。
【００２９】
活性層１１からみてＧａＡｓ基板１０側（図中の下側）には、活性層１１側から順に導波路コア層１２、及び導波路クラッド層１３が形成されている。導波路コア層１２は、ｎ型のＧａＩｎＮＡｓ層からなる半導体層であり、活性層１１に対して隣接するとともに、ＧａＡｓ基板１０と格子整合するように形成されている。
【００３０】
導波路クラッド層１３は、ｎ＋＋型のＧａＡｓ層からなる半導体層であり、導波路コア層１２に対して活性層１１とは反対側で隣接して形成されている。このような構成において、導波路コア層１２の屈折率は、隣接する活性層１１、及び導波路クラッド層１３よりも高くなっている。これにより、コア層１２及びクラッド層１３からなる導波路構造が構成されている。
【００３１】
また、活性層１１からみてＧａＡｓ基板１０の反対側（図中の上側）には、活性層１１側から順に導波路コア層１４、及び導波路クラッド層１５が形成されている。導波路コア層１４は、ｎ型のＧａＩｎＮＡｓ層からなる半導体層であり、活性層１１に対して隣接するとともに、ＧａＡｓ基板１０と格子整合するように形成されている。
【００３２】
導波路クラッド層１５は、ｎ＋＋型のＧａＡｓ層からなる半導体層であり、導波路コア層１４に対して活性層１１とは反対側で隣接して形成されている。このような構成において、導波路コア層１４の屈折率は、隣接する活性層１１、及び導波路クラッド層１５よりも高くなっている。これにより、コア層１４及びクラッド層１５からなる導波路構造が構成されている。
【００３３】
導波路クラッド層１５の上側には、さらに、コンタクト層１６が形成されている。以上により、ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ＋＋型ＧａＡｓクラッド層１３、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓコア層１２、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層１１、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓコア層１４、ｎ＋＋型ＧａＡｓクラッド層１５、及びコンタクト層１６が順に積層された量子カスケードレーザ１が構成される。各半導体層の典型的な厚さ、及びキャリア濃度は以下の通りである。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
上記した実施形態による量子カスケードレーザの効果について説明する。
【００３６】
図１に示した量子カスケードレーザ１では、注入層を挟んで量子井戸発光層が多段に設けられたカスケード構造を有する活性層１１に対する導波路構造において、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＮＡｓを用いて、活性層１１に隣接してレーザ１内で生成された赤外光などの光が導波される導波路コア層１２、１４を形成している。このような半導体材料からコア層１２、１４を形成する構成によれば、生成された光に対するレーザ１内での自由キャリア吸収による導波路損失が低減される。
【００３７】
図３は、従来の量子カスケードレーザの構成の例を示す側面断面図である。図３に示したレーザ９は、ＧａＡｓ基板を用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の量子カスケードレーザである。
【００３８】
量子カスケードレーザ９は、ＧａＡｓ基板９０上に、ｎ＋＋型ＧａＡｓクラッド層９３、ｎ型ＧａＡｓコア層９２、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層９１、ｎ型ＧａＡｓコア層９４、ｎ＋＋型ＧａＡｓクラッド層９５、及びコンタクト層９６が順に積層されて構成されている。
【００３９】
この量子カスケードレーザ９では、図１に示した量子カスケードレーザ１とは異なり、活性層９１に対して隣接する導波路コア層９２、９４の半導体材料として、ＧａＡｓを用いている。また、各半導体層の典型的な厚さ、及びキャリア濃度は、量子カスケードレーザ１に関して表１に示したものとほぼ同様であるが、本構成例では、ｎ型ＧａＡｓコア層９２、９４の厚さは、やや厚い３．５μｍに設定される。
【００４０】
このような構成の量子カスケードレーザ９では、活性層９１において生成された光に対する導波路コア層９２、９４内での自由キャリア吸収による導波路損失が問題となり、例えば非特許文献１に記載された量子カスケードレーザにおいても、室温連続発振は達成されていない。ここで、レーザ内の導波路構造での自由キャリア吸収は、吸収係数αの式に示されているように、導波路内での電子の有効質量に反比例して小さくなる。したがって、自由キャリア吸収による導波路損失を低減するには、電子の有効質量が大きくなるような半導体材料を導波路コア層に用いることが好ましい。
【００４１】
これに対して、図１に示した量子カスケードレーザ１においては、導波路コア層１２、１４の半導体材料として、Ｎを含みＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＮＡｓを用いている。ＧａＡｓを用いた導波路コア層、及びＮの添加量が１．５％のＧａＩｎＮＡｓを用いた導波路コア層における電子の有効質量、及び光の吸収係数を表２に示す。
【００４２】
【表２】
2004247492.tif 000004
【００４３】
ここで、ｍ０は自由電子の質量を示している。また、吸収係数は、ＧａＡｓを用いた導波路コア層での吸収係数を１として示している。この表２に示されているように、ＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ−ＱＣＬにおける導波路コア層の半導体材料として、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いる構成によれば、導波路内での電子の有効質量が大きくなる。
【００４４】
このとき、導波路コア層における自由キャリア吸収が小さくなり、レーザ内で生成される光に対する導波路損失が低減される。Ｎの添加量を１．５％とした表２に示す例においては、ＧａＩｎＮＡｓ導波路コア層では、従来のＧａＡｓ導波路コア層に比べて、自由キャリア吸収による光の吸収係数が０．６９倍まで低減されている。
【００４５】
また、赤外光などを生成する量子カスケードレーザでは、生成される光が長波長であるためレーザ内での光閉じ込めが難しく、充分な光閉じ込め効果を得るために導波路コア層及びクラッド層を厚くする必要があることが指摘されている。しかしながら、このように導波路層を厚くした場合、レーザ素子の直列抵抗が増大してしまう。この直列抵抗の増大は、しばしば冷却が必要とされる赤外半導体レーザにおいて特に問題となる。
【００４６】
これに対して、図１に示した量子カスケードレーザ１での導波路コア層１２、１４に用いられているＮを含むＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓよりも屈折率が大きい半導体材料である。ＧａＡｓを用いた導波路コア層、及びＮの添加量が１．５％のＧａＩｎＮＡｓを用いた導波路コア層における屈折率、及び充分な光閉じ込めに必要な厚さ（μｍ）を表３に示す。
【００４７】
【表３】
2004247492.tif 000005
【００４８】
この表３に示されているように、従来、ＧａＡｓ−ＱＣＬでの導波路コア層に用いられていたＧａＡｓをＧａＩｎＮＡｓに置き換えることにより、コア層の実効的な屈折率が増大する。したがって、充分な光閉じ込めに必要な導波路コア層及びクラッド層の厚さを薄くすることが可能となる。Ｎの添加量を１．５％とした表３に示す例においては、ＧａＩｎＮＡｓ導波路コア層では、従来のＧａＡｓ導波路コア層に比べて、コア層の厚さが０．６３倍まで低減されている。また、このようにコア層の厚さが低減されることにより、レーザ素子の直列抵抗が低減される。
【００４９】
このような導波路コア層１２、１４の厚さについては、さらに、高次の光学モードを導波しないように設定された所定の厚さで導波路コア層１２、１４を形成することが好ましい。これにより、レーザ内で生成された光を良好に導波させて出力することができる。
【００５０】
ＧａＡｓ基板を用いて構成される量子カスケードレーザに適用される導波路コア層は、一般には、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素、及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により、ＧａＡｓ基板と格子整合するように形成することが好ましい。このような構成により、上述したように、自由キャリア吸収による導波路損失を低減するとともに、光閉じ込めに必要なコア層の厚さを低減することができる。
【００５１】
この導波路コア層に用いられるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体へのＮの添加量については、導波路コア層の特性を好適に保持するため、１０％以下の添加量とすることが好ましい。
【００５２】
以上のように、図１に示した構成の量子カスケードレーザ１によれば、導波路コア層内での自由キャリア吸収が低減され、かつ、導波路コア層を薄くすることが可能となることにより、レーザ素子の温度特性が改善されて、高温（例えば室温）での動作が可能となる。また、導波路コア層が低損失となるので、高出力の量子カスケードレーザが実現される。
【００５３】
また、導波路コア層が薄くなることにより、素子抵抗が低減される。これにより、高温での連続（ＣＷ）発振も可能となる。さらに、このような効果は、レーザによって生成される光が長波長となるほど増大する。したがって、さらに長波長領域のレーザ光源、例えばテラヘルツ帯での高出力量子カスケードレーザの実現も可能となる。
【００５４】
また、図１に示した量子カスケードレーザ１では、導波路クラッド層１３、１５として、ｎ＋＋型の高濃度ドーピング層を用いている。このように、高濃度ドーピング層を含んで導波路クラッド層を構成することにより、導波路クラッド層の屈折率の実数部が大幅に低減されて、導波路構造での光閉じ込め効果を向上することができる。また、このような光閉じ込め効果の向上により、金属電極−半導体界面等で発生する高損失な光のプラズモンモードへの漏洩が抑制される。
【００５５】
図１に示した構成を有する量子カスケードレーザ１は、例えば、ガスソースＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて作製することができる。この方法では、ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ＋＋型ＧａＡｓクラッド層１３、ＧａＡｓ基板１０に格子整合するｎ型ＧａＩｎＮＡｓコア層１２、量子井戸発光層及び注入層が積層されたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層１１、ＧａＡｓ基板１０に格子整合するｎ型ＧａＩｎＮＡｓコア層１４、及びｎ＋＋型ＧａＡｓクラッド層１５を順次成長させて、量子カスケードレーザ１での積層構造を形成する。
【００５６】
ここで、ＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層は従来の成長温度、すなわち６００℃前後で成長すれば良いが、ＧａＩｎＮＡｓ層については、Ｉｎの相分離を考慮に入れて４５０℃程度で成長することが好ましい。また、導波路クラッド層１３、１５となる高濃度ドーピングＧａＡｓ層については、例えばＳｉをドーパントとして形成することができる。
【００５７】
図４は、本発明による量子カスケードレーザの第２実施形態の構成を示す側面断面図である。図４に示したレーザ２は、図１に示したレーザ１と同様に、ＧａＡｓ基板を用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の量子カスケードレーザである。
【００５８】
量子カスケードレーザ２は、ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ＋＋型ＧａＩｎＮＡｓクラッド層２３、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓコア層１２、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層１１、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓコア層１４、ｎ＋＋型ＧａＩｎＮＡｓクラッド層２５、及びコンタクト層１６が順に積層されて構成されている。
【００５９】
この量子カスケードレーザ２は、図１に示した量子カスケードレーザ１とほぼ同様の構成を有している。ただし、導波路コア層１２、１４に隣接する導波路クラッド層として、ｎ＋＋型ＧａＡｓ層に代えて、ｎ＋＋型ＧａＩｎＮＡｓ層２３、２５を用いている。また、各半導体層の典型的な厚さ、及びキャリア濃度は、量子カスケードレーザ１に関して表１に示したものと同様である。
【００６０】
このように、導波路クラッド層としては、導波路コア層１２、１４と同様のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を半導体材料とした高濃度ドーピング層を用いても良い。ここで、導波路クラッド層における高濃度ドーピング層は、上述したように、導波路構造での光閉じ込め効果の向上、及び光のプラズモンモードへの漏洩の抑制に効果的である。一方で、このような高濃度ドーピング層は、自由キャリア吸収が増大する要因となる場合がある。
【００６１】
これに対して、ＧａＩｎＮＡｓなどのＮを含む半導体材料は、ドーピング量に依存してＧａＩｎＮＡｓ層内での電子の有効質量が急激に大きくなる性質を有している。したがって、導波路クラッド層をＧａＡｓ層からＧａＩｎＮＡｓ層に置き換えることにより、自由キャリア吸収のさらなる低減が可能である。ＧａＩｎＮＡｓへの高濃度ドーピングは、例えば、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどのドーパントを用いて達成することができる。
【００６２】
このような導波路クラッド層としては、一般には、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素、及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成された高濃度ドーピング層を用いることが好ましい。
【００６３】
図５は、本発明による量子カスケードレーザの第３実施形態の構成を示す側面断面図である。図５に示したレーザ３は、基板の半導体材料としてＩｎＰを用いたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の量子カスケードレーザ（ＩｎＰ−ＱＣＬ）である。
【００６４】
量子カスケードレーザ３は、ＩｎＰ基板（半導体基板）３０と、ＩｎＰ基板３０上に形成された活性層３１、導波路コア層３２、３４、及び導波路クラッド層３３、３５の各半導体層とを備えて構成されている。また、量子カスケードレーザ３の側面のうち、対向している所定の２面には、本レーザ３での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。
【００６５】
活性層３１は、ＩｎＰ基板３０上に形成され、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用して所定波長の光（例えば中赤外の波長領域内にある光）を生成する半導体層である。本実施形態においては、上記したように、半導体基板としてＩｎＰ基板３０が用いられていることに対応して、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造によって活性層３１が構成されている。
【００６６】
具体的には、活性層３１は、量子井戸発光層（量子井戸活性層）及び注入層が交互に積層されることにより、量子井戸発光層が多段に設けられたカスケード構造を有して構成されている。なお、活性層３１のカスケード構造、及び量子井戸構造でのサブバンド間遷移等については、図１に示した量子カスケードレーザ１に関して上述したものと同様である。
【００６７】
カスケード構造を有する活性層３１に対し、活性層３１において生成された光がレーザ３内で導波される導波路構造として、低濃度ドープ層であるｎ型の導波路コア層３２、３４、及び高濃度ドープ層であるｎ＋＋型の導波路クラッド層３３、３５が設けられている。
【００６８】
活性層３１からみてＩｎＰ基板３０側（図中の下側）には、活性層３１側から順に導波路コア層３２、及び導波路クラッド層３３が形成されている。導波路コア層３２は、ｎ型のＩｎＮＰＡｓ層からなる半導体層であり、活性層３１に対して隣接するとともに、ＩｎＰ基板３０と格子整合するように形成されている。
【００６９】
導波路クラッド層３３は、ｎ＋＋型のＩｎＡｌＡｓ層からなる半導体層であり、導波路コア層３２に対して活性層３１とは反対側で隣接して形成されている。このような構成において、導波路コア層３２の屈折率は、隣接する活性層３１、及び導波路クラッド層３３よりも高くなっている。これにより、コア層３２及びクラッド層３３からなる導波路構造が構成されている。
【００７０】
また、活性層３１からみてＩｎＰ基板３０の反対側（図中の上側）には、活性層３１側から順に導波路コア層３４、及び導波路クラッド層３５が形成されている。導波路コア層３４は、ｎ型のＩｎＮＰＡｓ層からなる半導体層であり、活性層３１に対して隣接するとともに、ＩｎＰ基板３０と格子整合するように形成されている。
【００７１】
導波路クラッド層３５は、ｎ＋＋型のＩｎＡｌＡｓ層からなる半導体層であり、導波路コア層３４に対して活性層３１とは反対側で隣接して形成されている。このような構成において、導波路コア層３４の屈折率は、隣接する活性層３１、及び導波路クラッド層３５よりも高くなっている。これにより、コア層３４及びクラッド層３５からなる導波路構造が構成されている。
【００７２】
導波路クラッド層３５の上側には、さらに、コンタクト層３６が形成されている。以上により、ＩｎＰ基板３０上に、ｎ＋＋型ＩｎＡｌＡｓクラッド層３３、ｎ型ＩｎＮＰＡｓコア層３２、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ活性層３１、ｎ型ＩｎＮＰＡｓコア層３４、ｎ＋＋型ＩｎＡｌＡｓクラッド層３５、及びコンタクト層３６が順に積層された量子カスケードレーザ３が構成される。各半導体層の典型的な厚さ、及びキャリア濃度は、量子カスケードレーザ１に関して表１に示したものと同様である。
【００７３】
上記した実施形態による量子カスケードレーザの効果について説明する。
【００７４】
図５に示した量子カスケードレーザ３では、注入層を挟んで量子井戸発光層が多段に設けられたカスケード構造を有する活性層３１に対する導波路構造において、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＮＰＡｓを用いて、活性層３１に隣接してレーザ３内で生成された赤外光などの光が導波される導波路コア層３２、３４を形成している。このような半導体材料からコア層３２、３４を形成する構成によれば、生成された光に対するレーザ３内での自由キャリア吸収による導波路損失が低減される。
【００７５】
また、従来、ＩｎＰ−ＱＣＬでの導波路コア層に用いられていたＩｎＧａＡｓをＩｎＮＰＡｓに置き換えることにより、コア層の実効的な屈折率が増大する。したがって、充分な光閉じ込めに必要な導波路コア層及びクラッド層の厚さを薄くすることが可能となる。
【００７６】
ＩｎＰ基板を用いて構成される量子カスケードレーザに適用される導波路コア層は、一般には、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素、及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により、ＩｎＰ基板と格子整合するように形成することが好ましい。このような構成により、上述したように、自由キャリア吸収による導波路損失を低減するとともに、光閉じ込めに必要なコア層の厚さを低減することができる。
【００７７】
図６は、本発明による量子カスケードレーザの第４実施形態の構成を示す側面断面図である。図６に示したレーザ４は、図５に示したレーザ３と同様に、ＩｎＰ基板を用いたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の量子カスケードレーザである。
【００７８】
量子カスケードレーザ４は、ＩｎＰ基板３０上に、ｎ＋＋型ＩｎＮＰＡｓクラッド層４３、ｎ型ＩｎＮＰＡｓコア層３２、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ活性層３１、ｎ型ＩｎＮＰＡｓコア層３４、ｎ＋＋型ＩｎＮＰＡｓクラッド層４５、及びコンタクト層３６が順に積層されて構成されている。
【００７９】
この量子カスケードレーザ４は、図５に示した量子カスケードレーザ３とほぼ同様の構成を有している。ただし、導波路コア層３２、３４に隣接する導波路クラッド層として、ｎ＋＋型ＩｎＡｌＡｓ層に代えて、ｎ＋＋型ＩｎＮＰＡｓ層４３、４５を用いている。また、各半導体層の典型的な厚さ、及びキャリア濃度は、量子カスケードレーザ１に関して表１に示したものと同様である。
【００８０】
このように、導波路クラッド層としては、導波路コア層３２、３４と同様のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を半導体材料とした高濃度ドーピング層を用いても良い。また、導波路クラッド層をＩｎＡｌＡｓ層からＩｎＮＰＡｓ層に置き換えることにより、自由キャリア吸収のさらなる低減が可能である。ＩｎＮＰＡｓへの高濃度ドーピングは、例えば、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどのドーパントを用いて達成することができる。
【００８１】
このような導波路クラッド層としては、一般には、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂの少なくとも１つの元素、及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成された高濃度ドーピング層を用いることが好ましい。
【００８２】
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、量子カスケードレーザにおける積層構造の作製方法については、ガスソースＭＢＥ法による例を示したが、Ｎ（窒素）源をプラズマソースとした固体ソースＭＢＥ法、あるいはＭＯＣＶＤ法などを用いて作製しても良い。
【００８３】
また、例えば図１に示した量子カスケードレーザ１では、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓコア層１２、１４はＧａＡｓ基板１０と格子整合していることが望ましいが、光学的特性が優先されるため、レーザ特性に過度の影響を与えない範囲であれば、ある程度の格子不整合は許容される。
【００８４】
また、上記した構成例では、半導体結晶中のＮの添加量が１〜２％程度と非常に少ない組成領域について示したが、これらの効果はＮの添加量を増加させることでさらに顕著に発現されるものである。Ｎの添加量を増加させた場合、その結晶性に問題を生じる場合があるが、導波路層として用いることが可能な範囲であれば、Ｎの添加量を増加させても問題はない。
【００８５】
【発明の効果】
本発明による量子カスケードレーザは、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、ＧａＡｓまたはＩｎＰからなる半導体基板上に形成され、注入層を挟んで量子井戸発光層が多段に設けられた活性層に対する導波路構造において、Ｖ族元素としてＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて、レーザ内で生成された赤外光などの光が導波される導波路コア層を形成する構成によれば、生成された光に対するレーザ内での自由キャリア吸収による導波路損失が低減される。また、この導波路構造では、導波路コア層の実効的な屈折率が増大する。これにより、光閉じ込めに必要な導波路コア層及びクラッド層の厚さを薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】量子カスケードレーザの第１実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】活性層のカスケード構造、及び量子井戸構造でのサブバンド間遷移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構成の例を示す側面断面図である。
【図４】量子カスケードレーザの第２実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図５】量子カスケードレーザの第３実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図６】量子カスケードレーザの第４実施形態の構成を示す側面断面図である。
【符号の説明】
１、２…量子カスケードレーザ、１０…ＧａＡｓ基板、１１…ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層、１２、１４…ｎ型ＧａＩｎＮＡｓ導波路コア層、１３、１５…ｎ＋＋型ＧａＡｓ導波路クラッド層、１６…コンタクト層、２３、２５…ｎ＋＋型ＧａＩｎＮＡｓ導波路クラッド層、
３、４…量子カスケードレーザ、３０…ＩｎＰ基板、３１…ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ活性層、３２、３４…ｎ型ＩｎＮＰＡｓ導波路コア層、３３、３５…ｎ＋＋型ＩｎＡｌＡｓ導波路クラッド層、３６…コンタクト層、４３、４５…ｎ＋＋型ＩｎＮＰＡｓ導波路クラッド層。
【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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