(57)【要約】【課題】量子カスケードレーザーに用いられている従来のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの量子井戸構造は、非放射再結合時間が短く、閾値電流密度が高いという問題点がある。【構成】井戸層としてＩｎＡｓ、障壁層としてＡｌＳｂから構成されるカスケード構造を活性領域に持つことを特徴とする量子カスケードレーザー。ＩｎＡｓ基板上のドーピングしたＩｎＡｓ層により構成されるクラッド領域及びコア領域からなる導波路構造又はＧａＳｂ基板上のドーピングしたＧａＳｂ層により構成されるクラッド領域およびコア領域からなる導波路構造を持つ前記の量子カスケードレーザー。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層としてＩｎＡｓ、障壁層としてＡｌＳｂから構成されるカスケード構造を活性領域に持つことを特徴とする量子カスケードレーザー。
【請求項２】
発光の励起準位の波動関数と基底準位を構成するミニバンドの波動関数が空間的に離れている発光層を活性領域にもつ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ー。
【請求項３】
ＩｎＡｓ基板上のドーピングしたＩｎＡｓ層により構成されるクラッド領域及びコア領域からなる導波路構造を持つことを特徴とする請求項１又は２記載の量子カスケードレーザー。
【請求項４】
ＩｎＡｓ基板上に形成した発光層においてＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面及びＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面の界面ボンドをＡｌ−Ａｓを主とすることによって全体の歪みエネルギーを減少させることを特徴とする請求項３記載の量子カスケードレーザー。
【請求項５】
ＧａＳｂ基板上のドーピングしたＧａＳｂ層により構成されるクラッド領域およびコア領域からなる導波路構造を持つことを特徴とする請求項１又は２記載の量子カスケードレーザー。
【請求項６】
ＧａＳｂ基板上に形成した発光層においてＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面の界面ボンドではＡｌ−Ａｓを主とし、ＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面の界面ボンドではＩｎ−Ｓｂを主とすることによって全体の歪みエネルギーを減少させることを特徴とする請求項５記載の量子カスケードレーザー。
【請求項７】
ＧａＳｂ基板上に形成した発光層においてＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面の界面ボンドではＩｎ−Ｓｂを主とし、ＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面の界面ボンドではＡｌ−Ａｓを主とすることによって全体の歪みエネルギーを減少させることを特徴とする請求項５記載の量子カスケードレーザー。
【請求項８】
ＩｎＡｓ基板上に分子線エピタキシー法によって発光層を形成する際に、原料セルのシャッターシーケンスをＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面ではＩｎＡｓをＡｓで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前にＡｌを単独供給し、その逆のＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面ではＡｌＳｂをＡｌで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前にＡｓを単独供給するように制御することによって全体の歪エネルギーを減少させるような界面ボンドを形成させることを特徴とする請求項３又は４記載の量子カスケードレーザーの作製方法。
【請求項９】
ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法によって発光層を形成する際に、原料セルのシャッターシーケンスをＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面ではＩｎＡｓをＡｓで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前にＡｌを単独供給し、その逆のＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面ではＡｌＳｂをＳｂで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前にＩｎを単独供給するように制御することによって全体の歪エネルギーを減少させるような界面ボンドを形成させることを特徴とする請求項６記載の量子カスケードレーザーの作製方法。
【請求項１０】
ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法によって発光層を形成する際に、原料セルのシャッターシーケンスをＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面ではＩｎＡｓをＩｎで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前にＳｂを単独供給し、その逆のＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面ではＡｌＳｂをＡｌで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前にＡｓを単独供給するように制御することによって全体の歪エネルギーを減少させるような界面ボンドを形成させることを特徴とする請求項７記載の量子カスケードレーザーの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近赤外からＴＨｚ領域で低閾値電流密度で動作するＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザー及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子カスケードレーザーは、大きな振動子強度を持つことや発光波長を近赤外からＴＨｚ帯までの広い波長領域で制御可能であることから、広帯域高効率発光素子として期待されている。これまで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの量子井戸構造を用いて作製された量子カスケードレーザーが報告されている（例えば、非特許文献１，２、特許文献１〜３）。本発明者らは、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ量子カスケード構造を提案している（非特許文献３，特許文献４）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｊ．Ｆａｉｓｔ，  Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ，  Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ，  Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ，  Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ  ａｎｄ  Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ：Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６４（１９９４）５５３
【非特許文献２】
Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ，  Ｈ．Ｐａｇｅ，  Ｃ．Ｂｅｃｋｅｒ  ａｎｄ  Ｖ．Ｏｒｔｉｚ：ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．３８（２００２）５４７
【非特許文献３】
Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７４，１４０９（１９９９）
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２７９６４７号公報
【特許文献２】
特開平９−１０２６５３号公報
【特許文献３】
特開平１０−１４４９９５号公報
【特許文献４】
特開２００１−１４４３８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの中赤外から遠赤外までの長波長領域におけるレーザー装置は大規模装置であったために非常に高価で（使用できる人が限られてしまう）消費電力も大きく、かつ波長可変性などの機能性も乏しかった。一方で量子カスケードレーザーは小型で機能性にも優れ、産業ベースの半導体材料を用いて作製できるために安価に供給できるという利点がある。しなしながら、これまで実現されている量子カスケードレーザーはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの量子井戸構造を用いているために、非放射再結合時間が短く、閾値電流密度が高いという問題点がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非放射再結合時間が長く光ゲインが大きいために、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子カスケードレーザーと比較して低閾値電流密度化が可能であるＩｎＡｓ量子カスケードレーザーを提供する。
【０００７】
すなわち、本発明は、（１）井戸層としてＩｎＡｓ、障壁層としてＡｌＳｂから構成されるカスケード構造を活性領域に持つことを特徴とする量子カスケードレーザー、である。
また、本発明は、（２）発光の励起準位の波動関数と基底準位を構成するミニバンドの波動関数が空間的に離れている発光層を活性領域にもつことを特徴とする上記（１）の量子カスケードレーザー、である。
また、本発明は、（３）ＩｎＡｓ基板上のドーピングしたＩｎＡｓ層により構成されるクラッド領域及びコア領域からなる導波路構造を持つことを特徴とする上記（１）又は（２）の量子カスケードレーザー、である。
また、本発明は、（４）ＩｎＡｓ基板上に形成した発光層においてＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面及びＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面の界面ボンドをＡｌ−Ａｓを主とすることによって全体の歪みエネルギーを減少させることを特徴とする上記（３）の量子カスケードレーザー、である。
【０００８】
また、本発明は、（５）ＧａＳｂ基板上のドーピングしたＧａＳｂ層により構成されるクラッド領域およびコア領域からなる導波路構造を持つことを特徴とする上記（１）又は（２）の量子カスケードレーザー、である。
また、本発明は、（６）ＧａＳｂ基板上に形成した発光層においてＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面の界面ボンドではＡｌ−Ａｓを主とし、ＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面の界面ボンドではＩｎ−Ｓｂを主とすることによって全体の歪みエネルギーを減少させることを特徴とする上記（５）の量子カスケードレーザー、である。
また、本発明は、（７）ＧａＳｂ基板上に形成した発光層においてＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面の界面ボンドではＩｎ−Ｓｂを主とし、ＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面の界面ボンドではＡｌ−Ａｓを主とすることによって全体の歪みエネルギーを減少させることを特徴とする上記（５）の量子カスケードレーザー、である。
【０００９】
また、本発明は、（８）ＩｎＡｓ基板上に分子線エピタキシー法によって発光層を形成する際に、原料セルのシャッターシーケンスをＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面ではＩｎＡｓをＡｓで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前にＡｌを単独供給し、その逆のＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面ではＡｌＳｂをＡｌで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前にＡｓを単独供給するように制御することによって全体の歪エネルギーを減少させるような界面ボンドを形成することを特徴とする上記（３）又は（４）のＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの作製方法、である。
【００１０】
また、本発明は、（９）ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法によって発光層を形成する際に、原料セルのシャッターシーケンスをＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面ではＩｎＡｓをＡｓで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前にＡｌを単独供給し、その逆のＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面ではＡｌＳｂをＳｂで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前にＩｎを単独供給するように制御することによって全体の歪エネルギーを減少させるような界面ボンドを形成することを特徴とする上記（６）のＧａＳｂ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの作製方法、である。
【００１１】
また、本発明は、（１０）ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法によって発光層を形成する際に、原料セルのシャッターシーケンスをＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面ではＩｎＡｓをＩｎで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前にＳｂを単独供給し、その逆のＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面ではＡｌＳｂをＡｌで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前にＡｓを単独供給するように制御することによって全体の歪エネルギーを減少させるような界面ボンドを形成することを特徴とする上記（７）のＧａＳｂ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの作製方法、である。
【００１２】
本発明のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーではＩｎＡｓ量子井戸内の有効質量が小さいことが原因となって、非放射再結合時間がＧａＡｓと比較して３倍程度長く、閾値電流密度が１／５程度に低減される。また、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの間の伝導帯バンドオフセットエネルギーが非常に大きいために、広範囲で発光波長を制御することが可能であり、かつ注入したキャリアの漏れ出しが非常に小さいという特徴を持つ。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーは、通常のレーザーと同様に、活性領域と導波路からなり、ＩｎＡｓ又は  ＧａＳｂ基板上に作製され、井戸層としてＩｎＡｓ、障壁層としてＡｌＳｂから構成されるカスケード構造を活性領域に持つ。活性領域は量子カスケード構造とよばれる発光層が多段につながった構造により形成され、発光層は注入層と呼ばれる層で次の発光層に接続される。量子カスケード構造は発光層及び注入層ともにＩｎＡｓ／ＡｌＳｂの多層構造から形成される。導波路のクラッド領域は高濃度にドーピングしたＩｎＡｓ又はＧａＳｂ層で、コア領域はわずかにドーピングしたＩｎＡｓ又は  ＧａＳｂ層で構成される。
【００１４】
基底準位から効率良くキャリアを引き抜くために空間的に広がりを持つミニバンドを用い、発光の光学遷移として一つの井戸内に波動関数が局在するサブバンドとミニバンドの間の遷移を用いる。
【００１５】
活性領域は、図１に示すように、例えば、４０周期（矢印←→の部分が４０周期）の量子カスケード構造からなり、発光に寄与する励起準位の波動関数と基底準位を構成するミニバンドの波動関数が空間的に離れている発光層を形成する。カスケード構造の周期数が多いとレーザーゲインは大きくなる。この構造では一つの井戸内に波動関数が局在するサブバンド１と波動関数が空間的に広がりを持つミニバンド２との間で発光が起こる。発光するミニバンド２の波動関数と一つの井戸に局在するサブバンド１の波動関数との間で空間的な重なりが小さくなるような構造を採用することで、発光の励起準位（一つの井戸に局在するサブバンド１）の寿命を長くしていることが特徴である。
【００１６】
このレーザーでは、ドーピングしたＩｎＡｓ又は  ＧａＳｂ層をクラッド領域として用いている。高濃度にドーピングすることで自由キャリアのプラズマ振動のエネルギーを発光エネルギーに近づけ、屈折率を下げる。ＩｎＡｓでは発振波長１０ミクロンでドーピング濃度は３×１０１８ｃｍ−３から４×１０１８ｃｍ−３程度にすればよい。この高濃度にドーピングしたＩｎＡｓ又はＧａＳｂ層では自由キャリア濃度が増大したためにプラズマ周波数が変化し、屈折率がドーピングしない場合と比較して小さくなる。そのためにドーピング濃度が低い層を高濃度の層で両側から挟むことによって光を閉じ込めることが可能となる。
【００１７】
通常、自由キャリア濃度が増大すると、その分、自由キャリア吸収が増大するので、それを避けるために電気伝導が損なわれない（抵抗が高くなりすぎない）程度で、かつ自由キャリアによる吸収が非常に小さくなるようなわずかなドーピング濃度でドーピングしたコア領域を活性領域とクラッド領域の間に挿入した構造を用いる。ＩｎＡｓでは発振波長１０ミクロンでドーピング濃度は１×１０１６ｃｍ−３から３×１０１６ｃｍ−３程度にすればよい。
【００１８】
ＩｎＡｓとＡｌＳｂの間には１．３％程度の格子不整合があり、ＩｎＡｓ上にＡｌＳｂ又はＡｌＳｂ上にＩｎＡｓを２０ｎｍ程度（臨界膜厚）成長させると格子緩和を起こしてしまい、もはや下地の（面内の）格子定数を保ったまま成長させることができない。
【００１９】
したがって、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ多層構造を成長すると、格子緩和を起こさずに成長できる周期数は限られたものになる。ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケード構造１周期は２０層のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂから構成され、活性領域はこのカスケード構造１周期が４０回繰り返されるので、合計８００周期以上のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ多層構造を含む。したがって、これまでに用いられてきた通常の分子線エピタキシー法では格子緩和を起こさずに成膜するのは困難である。
【００２０】
これを解決する手段として、本発明者らは、ＩｎＡｓとＡｌＳｂのヘテロ界面に形成される２つのボンド（Ｉｎ−ＳｂとＡｌ−Ａｓ）を制御することでヘテロ構造全体の歪を小さくできることを見出した。
【００２１】
図２の上部に、ＩｎＡｓ基板上に分子線エピタキシー法によってＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーを作製する際に用いるシャッターシーケンスとＩｎＡｓ層、ＡｌＳｂ層及びこのシャッターシーケンスにより形成される界面ボンドのＩｎＡｓ基板に対する歪を模式的に示す。
【００２２】
図２の上部に示すように、Ｉｎセルのシャッターを閉じた後に←→で示す遅延時間後にＡｓセルのシャッターを閉じることによりＩｎＡｓ上をＡｓで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前に←→で示す数秒間Ａｌセルのみを開にしてＡｌを単独供給し、その逆の界面ではＡｌＳｂ成長後にＳｂセルのシャッターを閉じた後に←→で示す遅延時間後にＡｌセルのシャッターを閉じることによりＡｌＳｂ上をＡｌで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前に←→で示す数秒間Ａｓセルのみを開にしてＡｓを単独供給することでＡｌ−Ａｓボンドを形成する。Ａｓセル及びＡｌセルを閉にするまでの遅延時間は、供給量に依存するので、原子層数（ＭＬ）で表して界面での供給量はＡｌ、Ａｓともに１ＭＬとする。なお、基板の好適な温度範囲は４００〜４２０℃程度である。ＩｎＡｓ基板に対する歪は、図２の下部に示すようになり、上記のとおりのシャッターシーケンスによりＡｌ−ＡｓボンドがＩｎＡｓとＡｌＳｂの間の圧縮歪みを補償する。
【００２３】
ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法によって活性領域を形成する際には、原料セルのシャッターシーケンスには、二通りあり、第一のシーケンスは、ＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面ではＩｎＡｓをＡｓで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前にＡｌを単独供給し、その逆のＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面ではＡｌＳｂをＳｂで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前にＩｎを単独供給するものであり、第二のシーケンスは、ＩｎＡｓ上ＡｌＳｂ界面ではＩｎＡｓをＩｎで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前にＳｂを単独供給し、その逆のＡｌＳｂ上ＩｎＡｓ界面ではＡｌＳｂをＡｌで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前にＡｓを単独供給するように制御することによって全体の歪エネルギーを減少させるような界面ボンドを形成させる。
【００２４】
図３、図４に、ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法によってＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーを作製する際に用いる第一及び第二のシャッターシーケンスとＩｎＡｓ層、ＡｌＳｂ層及び第一及び第二のシャッターシーケンスにより形成される界面ボンドのＧａＳｂ基板に対する歪を模式的に示す。
【００２５】
図３の上部に示すように、第一のシャッターシーケンスは、Ｉｎセルのシャッターを閉じた後に←→で示す遅延時間後にＡｓセルのシャッターを閉じることによりＩｎＡｓ上をＡｓで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前に←→で示す数秒間Ａｌセルのみを開にしてＡｌを単独供給し、その逆の界面ではＡｌＳｂ成長後Ａｌセルのシャッターを閉じた後に←→で示す遅延時間後にＳｂセルのシャッターを閉じることによりＡｌＳｂ上をＳｂで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前に←→で示す数秒間Ｉｎセルのみを開にしてＩｎを単独供給することでＩｎ−Ｓｂボンドを形成する。
【００２６】
また、図４の上部に示すように、第二のシャッターシーケンスは、Ａｓセルのシャッターを閉じた後に←→で示す遅延時間後にＩｎセルのシャッターを閉じることによりＩｎＡｓ上をＩｎで終端し、次に、ＡｌＳｂの成長を開始する前に←→で示す数秒間Ｓｂセルのみを開にしてＳｂを単独供給し、その逆の界面ではＡｌＳｂ成長後Ｓｂセルのシャッターを閉じた後に←→で示す遅延時間後にＡｌセルのシャッターを閉じることによりＡｌＳｂ上をＡｌで終端し、次に、ＩｎＡｓの成長を開始する前に←→で示す数秒間Ａｓセルのみを開にしてＡｓを単独供給することでＡｌ−Ａｓボンドを形成する。
【００２７】
Ａｓセル、Ａｌセル、Ｉｎセル、Ｓｂセルを閉にするまでの遅延時間は、供給量に依存するので、原子層数（ＭＬ）で表して界面での供給量はＡｌ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｂともに１ＭＬとする。なお、基板の好適な温度範囲は４００〜４２０℃程度である。
ＧａＳｂ基板に対する歪は、図３の下部、図４の下部に示すようになり、上記のとおりのシャッターシーケンスによりＩｎＡｓ、Ａｌ−Ａｓボンドの引っ張り歪がＡｌＳｂ、Ｉｎ−Ｓｂボンドの圧縮歪により補償される。
【００２８】
格子整合できる多層膜の周期数は、多層構造を構成するそれぞれの層の膜厚に依存するが、この手法で成長したＩｎＡｓ又は  ＧａＳｂ基板上ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケード構造はほぼＩｎＡｓ又はＧａＳｂに格子整合し、８００周期もの周期数を持つ構造がＩｎＡｓ又はＧａＳｂ基板上に成長可能となった。
【００２９】
なお、本発明において、ＩｎＡｓ層はＩｎＡｓのみを意味するものではなく、ＩｎＡｓ層と同等の働きをするところのＩｎＡｓをベースとし、ほぼ基板に格子整合する混晶であってもよい。これらの混晶としては、ＩｎＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＰ，  ＩｎＡｓＮ，  ＩｎＡｓＰＳｂ，  ＩｎＡｓＳｂＮ，ＩｎＡｓＰＮ，  ＩｎＧａＡｓ，  ＩｎＧａＡｓＳｂ，  ＩｎＧａＡｓＰ，  ＩｎＧａＡｓＮ，ＩｎＧａＡｓＰＳｂ，  ＩｎＧａＡｓＳｂＮ，  ＩｎＧａＡｓＰＮ，  ＡｌＩｎＡｓ，  ＡｌＩｎＡｓＰ，  ＡｌＩｎＡｓＳｂ，  ＡｌＩｎＡｓＮ，  ＡｌＩｎＡｓＳｂＮ，ＡｌＩｎＡｓＰＳｂ，  ＡｌＩｎＡｓＰＮ、ＩｎＧａＡｌＡｓ，  ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ，  ＩｎＧａＡｌＡｓＰ，  ＩｎＧａＡｌＡｓＮ，  ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂＰ，ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂＮなどが挙げられる。
また、ＡｌＳｂ層も同様に、ＡｌＳｂをベースとし、ほぼ基板に格子整合する混晶であってもよい。これらの混晶としては、ＧａＳｂＡｓ，  ＧａＳｂＰ，  ＧａＳｂＮ，ＧａＳｂＡｓＰ，  ＧａＳｂＡｓＮ，ＧａＳｂＰＮ，  ＡｌＳｂＡｓ，  ＡｌＳｂＰ，  ＡｌＳｂＮ，  ＡｌＳｂＡｓＰ，  ＡｌＳｂＰＮ，  ＡｌＳｂＡｓＮ，ＡｌＧａＳｂ，  ＡｌＧａＳｂＡｓ，  ＡｌＧａＳｂＰ，  ＡｌＧａＳｂＮ，  ＡｌＧａＳｂ，  ＡｌＧａＳｂＡｓ，  ＡｌＧａＳｂＮ，  ＡｌＧａＳｂＰ，ＡｌＧａＳｂＰＮ，  ＡｌＧａＳｂＡｓＰ，  ＡｌＩｎＳｂ，  ＡｌＩｎＳｂＡｓ，  ＡｌＩｎＳｂＮ，  ＡｌＩｎＳｂＰ，  ＡｌＩｎＳｂＡｓＰ，  ＡｌＩｎＳｂＡｓＮ，ＡｌＩｎＳｂＰＮ，  ＡｌＩｎＧａＳｂ，  ＡｌＩｎＧａＳｂＡｓ，  ＡｌＩｎＧａＳｂＮ，  ＡｌＩｎＧａＳｂＰ，  ＡｌＩｎＧａＳｂＡｓＰ，  ＡｌＩｎＧａＳｂＮＰ，ＡｌＩｎＧａＳｂＮＡｓなどが挙げられる。また、ＩｎＡｓ層、ＡｌＳｂ層、ＩｎＡｓベースの基板にほぼ格子整合する混晶、ＡｌＳｂベースの基板にほぼ格子整合する混晶に不純物が添加されたものでもよい。
【００３０】
【実施例】
実施例１
図５に、本発明のＩｎＡｓ基板上に分子線エピタキシー法で作製したＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの構造を模式的に示す。図５の左部分は、導波路構造を示し、クラッド領域、コア領域、活性領域の膜厚とドーピング濃度をそれぞれ記載している。図５の右側は、カスケード構造１周期の構成を示す。光閉じ込め層に挟まれた活性領域はカスケード構造と呼ばれる注入層と発光層が合計４０周期積層されている。光閉じ込めには自由キャリアプラズマの屈折率分散を利用した導波路構造を用いている。
【００３１】
ドーピングすることにより屈折率を変化させることで光閉じ込めができるプラズモン導波路を採用した。量子カスケード構造は発光波長が１０ミクロンとなるように設計した。カスケード構造の周期数は４０周期、レーザー構造の総膜厚は１１．９ミクロンである。カスケード構造の一部の層にＳｉドーピングをすると、このドーピングした層は、空間電荷による電界の不均一性を抑制する働きがある。
【００３２】
試料はすべてｎ型ＩｎＡｓ（１００）基板上にＡｓバルブドクラッカー砒素セル、及びＳｂクラッカーセルがついた分子線エピタキシー装置により作製した。成長中の基板温度は４１０℃で、量子カスケード構造成長時には成長速度をＩｎＡｓでは０．２原子層毎秒、ＡｌＳｂでは０．４原子層毎秒とした。総成長時間は２７時間である。成長後、幅３０ミクロンのリッジ構造をウエットエッチング及びフォトリソグラフィーで作製した。パッシベーション膜としてＳｉＯ２を用いた。コンタクトをとるためにストライプ上のＳｉＯ２をエッチングで除去し、その上にＣｒ／Ａｕ電極を蒸着した。また、ＩｎＡｓ基板の裏側を薄く研磨し、Ｃｒ／Ａｕを蒸着して下部電極を形成した。リッジレーザー構造の共振器長は０．５ｍｍから１．５ｍｍである。
【００３３】
図６に、本発明の導波路構造を伝搬する光の厚さ方向のＴＭ０モード界分布強度（Ｍｏｄｅ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示す。図６の曲線は導波路構造内の閉じ込め方向に対する波長１０μｍの光の界分布強度を表しており、各々の領域にどの程度の界分布強度が存在するかを表している。
【００３４】
このレーザーでは、自由キャリアの屈折率分散を用いて光を閉じ込めるため、高濃度にドーピングしたＩｎＡｓ層をクラッド領域に用いている。ドーピングを施してキャリア濃度が増大すると屈折率が下がる。この高濃度にドーピングしたＩｎＡｓ層では自由キャリア濃度が増大したためにそのプラズマ周波数が変化し、屈折率がドーピングしない場合と比較して小さくなる。そのためにドーピング濃度が低い領域を高濃度の領域で両側から挟むことによって光を閉じ込めることが可能となる。通常、自由キャリア濃度が増大すると、その分自由キャリア吸収が増大するので、それを避けるためにわずかにドーピングしたコア領域を活性領域とクラッド領域の間に挿入した構造とした。
【００３５】
エミッション測定にはステップスキャンフーリエ赤外分光器を用いた。図７に、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ）ならびに電流−光強度特性を示す。温度は４Ｋで、リッジ構造のストライプの長さは０．９ｍｍである。電流電圧特性は１００Ｈｚでデューティ比３％のパルス電圧を印加して測定した。また、電流−光強度特性は５ＫＨｚでデューティ比０．０５％の電流パルスを印加して測定した。注入層がおよそ５Ｖ程度まで電流をブロックしており、この電圧は計算値とほぼ一致している。低いデューティ比のために、閾値電流以下での発光は観測できない。電流を増大させると、ある電流値で発光強度が３桁程度増大し、レーザー発振が観測された。そのときの閾値電流密度は５．２ｋＡ／ｃｍ２であった。
【００３６】
図８に、閾値電流密度が５．３ｋＡ／ｃｍ２の際の高分解能発光スペクトルを示す。レーザー波長は１０．１ミクロンで計算値とよい一致を示した。レーザー光の偏光はＴＭ偏光であり、サブバンド間の光学遷移の偏光と一致する。観測された縦モードの間隔は計算値とよい一致を示した。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの実現により、安価で消費電力も小さく機能的な光源が供給できるので、これまでの大規模装置にとって代わることはもちろんのこと、さまざまな応用分野での使用可能性が高まる。
応用が考えられる分野としては、近年の大気汚染などの危惧から関心が高まっている環境計測分野や生体・医療分野がある。特に、環境計測分野ではダイオキシンなどの有毒ガスの吸収帯が量子カスケードレーザーの動作域にあるため有毒ガスセンサーへの応用が考えられる。また、遠赤外領域の光が近年皮膚癌などのがん細胞の早期診断やＸ線に代わる造影診断に応用できることが示されているので、医療分野への波及効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの発光層の模式図である。
【図２】図２は、ＩｎＡｓ基板上に分子線エピタキシー法によってＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーを作製する際に用いるシャッターシーケンスの模式図とＩｎＡｓ層、ＡｌＳｂ層及びこのシャッターシーケンスにより形成される界面ボンドのＩｎＡｓ基板に対する歪を示す模式図である。
【図３】図３は、ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法によってＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーを作製する際に用いる第一のシャッターシーケンスの模式図とＩｎＡｓ層、ＡｌＳｂ層及びこのシャッターシーケンスにより形成される界面ボンドのＧａＳｂ基板に対する歪を示す模式図である。
【図４】図４は、ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法によってＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーを作製する際に用いる第二のシャッターシーケンスの模式図とＩｎＡｓ層、ＡｌＳｂ層及びこのシャッターシーケンスにより形成される界面ボンドのＧａＳｂ基板に対する歪を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施例１のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの構造の模式図である。
【図６】図６は、本発明の実施例１の導波路構造のＴＭ０モード界分布強度（Ｍｏｄｅ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）と導波路構造の深さ方向の距離との関係を示す概念図である。
【図７】図７は、本発明の実施例１のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性及び電流−光強度特性を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施例１のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ量子カスケードレーザーの高分解能発光スペクトルを示すグラフである。
【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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