(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
・各々が量子障壁の性質を示す第一の型の薄層（26）と各々が量子井戸の性質を示す第二の型の薄層（28）とを、各層が交互に有する数個の層（20）（前記薄層は前記障壁と前記井戸とを形成する第一及び第二の半導体材料からなっている）及び
各々が第一の型の薄層より形成され、前記２つの層（20）の間に挿入されている数個の注入障壁層（22）
から形成された利得領域（14）、
・前記利得領域（14）の両側に配置された２つの光閉じ込め層（12、16）、並びに
・電場を与えるために、各々が前記光閉じ込め層（12、16）のどちらかに隣接している２つの電極（10）
を有する量子カスケードレーザーにおいて、前記利得領域（14）の層（20）の各々が隣接する注入障壁層（22）の一方から他方へと延在する活性領域を形成し、この活性領域において、前記薄層（26、28）が
・量子井戸（28）の各々が、電場の存在下において、少なくとも第一の上側副帯、第二の中間副帯及び第三の下側副帯を有し、
・電子が存在する確率が
−隣接する一方の障壁層の近傍においては、第一の副帯において最も高く、
−活性領域の中間部分においては、第二副帯において最も高く、
−隣接する他方の障壁層の近傍においては、第三の副帯において最も高く、
・上側副帯から中間副帯への電子の遷移が光学利得の基礎をなすこと
を特徴とする量子カスケードレーザー。
【請求項２】
・交互に配置された、各々が量子障壁の性質を示す第一の型の薄層（26）と各々が量子井戸の性質を示す第二の型の薄層（28）（前記薄層は前記障壁と前記井戸とを形成する第一及び第二の半導体材料からなっている）及び
各々が第一の型の薄層より形成され、前記２つの層（20）の間に挿入されている数個の注入障壁層（22）
を各々が有する複数の層（20）から形成された利得領域（14）、
・前記利得領域（14）の両側に配置された２つの光閉じ込め層（12、16）、並びに
・電場を与えるために、各々が前記光閉じ込め層（12、16）のどちらかに隣接している２つの電極（10）
を有する量子カスケードレーザーにおいて、前記利得領域（14）の層（20）の各々が隣接する注入障壁層（22）の一方から他方へと延在する活性領域を形成し、この活性領域において、前記薄層（26、28）が
・井戸（28）の各々が、電場の存在下において、少なくとも第一の上側副帯、第二の中間副帯及び第三の下側副帯を有し、
・電子が存在する確率が、隣接する一方の障壁層の近傍においては、第一の副帯において最も高く、活性領域の中間部分においては、第二副帯において最も高く、隣接する他方の障壁層の近傍においては、第三の副帯において最も高く、
・上側副帯から中間副帯への電子の遷移が光学利得の基礎をなすこと
を特徴とする量子カスケードレーザー。
【請求項３】
利得領域の各層（20）において、活性領域における第一の型の薄層の厚さが隣接する一方の障壁層（22）から他方の障壁層に向かって単調に増加して行くことを特徴とする請求項１に記載のレーザー。
【請求項４】
その中央部において、第一の型の薄層（26）と第二の型の薄層（28）とは、それぞれ第一の材料と第二の材料とを100％の濃度で有し、２つの中央部の間では薄層が前記２つの材料の合金で形成されており、２つの材料の合金中の濃度が連続的に変化することを特徴とする請求項１及び２に記載のレーザー。
【請求項５】
さらにInP基板を有し、前記層がその上に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザー。
【請求項６】
前記第一及び第二の材料が、一方の材料の格子定数が前記基板の格子定数よりも大きく、他方の材料の格子定数が基板の格子定数よりも小さくなるように選択されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザー。
【請求項７】
前記基板に面している閉じ込め層が、その放出スペクトルの所望の波長の半分の倍数に等しいピッチの回折格子を有する構造であることを特徴とする請求項４又は５に記載のレーザー。
【請求項８】
前記第二の材料がInGaAsであり、第一の材料がAlGaAs、InP及びAlInAsより選択されることを特徴とする請求項４又は６に記載のレーザー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は量子カスケードレーザーに関する。より詳しくは、
・各々が量子障壁の性質を示す第一の型の薄層と各々が量子井戸の性質を示す第二の型の薄層とを各層が交互に有する数個の層（前記薄層は前記障壁と前記井戸とを形成する第一及び第二の半導体材料からなっている）及び
各々が第一の型の薄層より形成され、前記２つの層の間に挿入されている数個の注入障壁層
から形成された利得領域、
・前記利得領域の両側に配置された２つの光閉じ込め層、並びに
・電場を与えるために、各々が前記光閉じ込め層のどちらかに隣接している２つの電極
を有するレーザーに関する。
【０００２】
この明細書において、「薄層」という用語はその組成がある程度均一である薄い層を意味し、「層」という用語は同一の機能を与える１セットの薄層を意味する。
【０００３】
この型のレーザーは米国特許第5,457,709に記載されている。該米国特許のレーザーはそれぞれ障壁と量子井戸とを形成する第一の型の薄層と第二の型の薄層とからなる。障壁と井戸とを構成する材料は、レーザーの厚み全体に単一の結晶構造を保つために、基板の格子定数に等しい格子定数を有するように選択される。
【０００４】
第一の型の薄層を形成する第一の材料の結晶ポテンシャルと、第二の型の薄層を形成する第二の材料の結晶ポテンシャルとの相違によって、副帯と呼ばれる、量子効果による１以上の２次元状態が定められる。
【０００５】
前記層の各々は活性領域とエネルギー緩和領域とを有する。前記電極の両端に電場を与えることにより、特に利得領域内に荷電キャリヤの流れを発生させる。
【０００６】
レーザー光線の放出は、活性領域において、第一副帯から第二の副帯に荷電キャリヤが遷移することによって起こる。通常、これらの荷電キャリヤは電子である。副帯間遷移と呼ばれるこの現象は、光子の放出を伴う。
【０００７】
より詳細には、活性領域の井戸は少なくとも３つの副帯を有しており、それぞれ、上側副帯（upper subband）、中間副帯（middle subband）及び下側副帯（lower subband）と称されている。光子の放出は、上側副帯と中間副帯との間で遷移が起こるときに発生する。光学フォノンの放出と共にその電子が下側副帯に移ることによって中間副帯における電子の分布が小さいので、このような遷移が可能になる。このような状態にするために、中間副帯から下側副帯へと荷電キャリヤが動くことによって失われるエネルギーが、使用される材料に特定の光学フォノンのエネルギーよりも大きいか等しいことが必要である。
【０００８】
前記米国特許では、続く層への効果的な注入を可能にするために、荷電キャリヤを無作為抽出してその過剰なエネルギーを消散させるように、エネルギー緩和領域が配置されていると説明されている。このように、中間副帯における分布が小さくなっているので、上側副帯と中間副帯との間で反転分布が起こる。
【０００９】
ある層の下側副帯から他の層の上側副帯に電子が移動するのを保証するために、他の障壁よりも厚い注入障壁が利得領域の隣接する２層の間に挿入されている。
【００１０】
この型の他のレーザーは、1988年10月12日号のApp. Phys. Letters、第７３巻第１５号に記載されており、「段階的に変化する超格子を有する高性能インターミニバンド量子カスケード（High performance interminiband quantum cascade lasers with graded superlattices）」（エイ．トレディクッチ（A. Tredicucci）らによる）と題されている。このレーザーはミニバンド抽出型レーザーと称される。この場合においては、上記のものと励起原理は異なるが、活性領域、緩和領域及び注入障壁がやはり見出される。
【００１１】
実際、この型の単一の結晶がレーザー光線を発生するためには、３つの機能が備わっていなくてはならない。
−層の各々において、２つの上側副帯と中間副帯との間で電子の反転分布が起こること。この機能は活性領域によって与えられる。
−層の各々において、遷移の後に電子の冷却（緩和）が行われること。この機能は緩和領域によって与えられる。
−１つの層から続く層に電子の注入が行われること。この機能は注入障壁によって与えられる。
【００１２】
ドーピングと薄層の厚さとを適切に調整することによって、前記機能を満たすことが可能になる。この調節（savoir-faire）は、当業者に完全に知られている。この目的に有用である全ての情報は前記特許に見出すことができる。
【００１３】
公知のレーザーにおいては、注入障壁は各層の障壁の中で最も厚いものであるが、他方、障壁層の厚さが最も薄く、注入障壁層から緩和領域に向かって増加しているのは活性領域においてであることが知られている。活性領域から緩和領域への通過は、第一障壁層の厚さが２倍になることによって特徴付けられる。トレディクッチらによって記載されている態様においては、緩和領域の障壁層の厚さは続く注入障壁層へと厚みを増して行く。
【００１４】
光学フォノン抽出レーザーにおいては、前記米国特許及び1999年９月13日発行のAppl. Phys. Letters、第７５巻第１１号の「電気的に調節可能な室温量子カスケードレーザー」（エイ．ミュラー（A. Mueller）らによる）と題された論文に記載されているように、活性領域に隣接する緩和領域の障壁層のみが、活性層の障壁層よりも厚い。
【００１５】
これらの薄層の厚さは、活性領域においては電子が３つの副帯に存在し、緩和領域においては電子が下側副帯に閉じ込められるように選択されている。
【００１６】
電子がある層の下側副帯へと横断してくる場合は、緩和領域と注入障壁層とを通って隣接する層、即ち、電子の移動元である下側副帯のポテンシャルに実質的に対応するポテンシャルの上側副帯へと電子は移動する。
【００１７】
活性領域から緩和領域へと移動するとき、障壁層の厚さの変化によって、上層にある電子を活性領域に閉じ込めることが可能になる。
【００１８】
上記文献に加えて、量子カスケードレーザーに関する完全な研究が、「半導体及び半金属」第６６巻と題された論文の第１章「量子カスケードレーザー」、2000年アカデミック・プレス刊に提示される。
【００１９】
本発明の主要な目的は、上記の従来技術とは異なった原理に基づき、公知のレーザーに匹敵するかそれよりも優れた特徴を有するレーザーを製造することである。この目的は、利得領域の複数の層がそれぞれ、隣接する注入障壁層の一方から他方に延在する活性領域を構成し、注入障壁層において前記薄層が
・量子井戸の各々が、電場の存在下において、少なくとも第一の上側副帯、第二の中間副帯及び第三の下側副帯を有し、
・電子が存在する確率が
−隣接する一方の障壁層の近傍においては、第一の副帯において最も高く、
−活性領域の中間部分においては、第二副帯において最も高く、
−隣接する他方の障壁層の近傍においては、第三の副帯において最も高く、
・上側副帯から中間副帯への電子の遷移が光学利得の基礎をなす
ように特性決定されているという事実によって達成される。
【００２０】
事実、当業者によって推定されていたのとは異なり、層が活性領域と緩和領域とを有する必要がないことが明らかである。
【００２１】
これは、実際に、緩和領域を挿入することなく、連続した活性領域と注入障壁層とから形成したレーザーを動作させるのが完全に可能であるからである。
【００２２】
活性領域における第一の型の薄層の厚さが、隣接する一方の障壁層から他方の障壁層に向かって単調に増加して行くのが好ましい。
【００２３】
さらに、このようなレーザーにおいては、障壁を形成する第一の材料と井戸を形成する第二の材料とが連続的に堆積されており、また、第二の材料は純粋であるか適切に不純物添加されており、隣り合う薄層に隣接する少しの原子層を除いては、各薄層は均一の組成を有している。このようにすることによって、殆ど垂直な側面を有する連続した井戸と障壁とを得ることができる。ここで、電子はこれらの薄層の接合面で分散する傾向があることがわかっている。
【００２４】
より詳細には、ケイ．エル．キャンプマン（K. L. Campman）らによってなされ、1996年10月21日付のAppl. Phys. Letters 69 (17)に「境界面の粗さ及び合金不規則分散の副帯間遷移線幅への寄与」という題で発表された研究は、薄層の境界面が、しきい電流を増加させる副帯間遷移を広げるのに決定的な影響を与えることを示している。
【００２５】
この欠点を緩和するために、そして、特に有益な態様においては、第一の型の薄層と第二の型の薄層とは、その中央部において、それぞれ100％の濃度の第一の材料と第二の材料とを有する。一方、それら２つの中央部の間では、前記２つの材料の合金で薄層が形成され、その濃度は連続的に変化する。
【００２６】
実際上、リン化インディウム基板の上に様々な層を載置するのがレーザーを作るのに特に好適であることが実証されている。
【００２７】
用途によっては、レーザー光線の波長は比較的短くなくてはならない。「緊張補償InGaAs/AlInAsに基づく短波長量子カスケードレーザー（Short wavelength quantum cascade laser based on strained compensated InGaAs/AlInAs）」と題され、1998年２月９日発行のAppl. Phys. Letters第７２巻第６号に発表された、ジェイ．フェイスト（J. Faist）らによる研究が、薄層を形成する二種類の材料の結晶ポテンシャルの相違を増加させて、結果として、放出される格子の波長を小さくすることが可能であることを示している。この理由によって、第一の材料と第二の材料を、片方の格子定数が他方の格子定数よりも大きく、また、小さい方の格子定数は基板の格子定数よりも小さくなるように選択すると有利である。
【００２８】
ある用途においては、放出スペクトル幅の狭い光線にする必要がある。この目的のために、基板に面する閉じ込め層は、その放出スペクトルの所望の波長の半分の倍数に等しいピッチを有する回折格子を特長とする構造を有している。
【００２９】
InP基板を用いた場合は、第二の材料がInGaAsであり、第一の材料がAlGaAs、InP及びAlInAsから選択されるのが好ましい。
【００３０】
本発明の他の効果及び特徴は、添付の図面を参照しながらなされる以下の記載によって理解されるであろう。
【００３１】
図１は、一例として、本発明による量子カスケードレーザーの断面を概略的に示している。このレーザーはユニポーラ型であって、電子が荷電キャリヤである。
【００３２】
この図においては、ある層の厚さが特に小さいので、相対的な層厚比は示されていない。このレーザーは、単一の結晶性リン化インディウムの基板10を有しており、電極の場所を取っている。第一の光閉じ込め層12、薄層を積層した構造によって形成されている利得領域14、第二の光閉じ込め層16及び電極18がこの基板10の上に積層されている。基板10は、図示されていない支持体に留め付けられている。ワイヤ19が電極18には取り付けられている。基板とワイヤ19との間に電圧を印加することによって、レーザーは電力を供給される。
【００３３】
光閉じ込め層12及び16は、砒素化インジウムの割合が52％、砒素化ガリウムの割合が48％であるインジウムとガリウムとの砒素化物の合金から作られている。このような組成によって、InPのそれに等しい同じ格子定数を有する結晶構造が得られる。
【００３４】
図１の拡大部分から理解されるように、利得領域14は連続層20と注入障壁層22とからなっている。連続層20は、第一の型の薄層26と第二の型の薄層28とからなっており、その２つの層が交互に配置されている。連続層20が少なくとも３、通常は５〜25の第二の型の薄層28を有しているのに対し、注入障壁層22は単一の薄層でなっている。
【００３５】
量子障壁を形成する薄層26の各々は、砒素化インディウム53モル％、砒素化アルミニウム47％のAlInAs合金より、主としてなっている。この組成によって、InPの結晶構造と全く同じ結晶構造を形成することができる。
【００３６】
量子井戸を形成する薄層28の各々は、光閉じ込め層12及び16と同じ組成を有するInGaAsより主としてなっている。
【００３７】
次の表１に示されている構造に従って本発明のレーザーを製造した。
【００３８】
【表１】
0004790201.tif 000002
【００３９】
電極18の典型的な性質並びに光閉じ込め層12及び16の典型的な性質は、本願の出願人による特許出願PCT/CH 99/00572とPCT/CH 00/00159とに完全に記載されている。したがって、それらの構造についてはこの明細書では詳述しない。
【００４０】
表２は、利得領域14の注入障壁層22、及び３５層ある連続層20を形成する薄層の組成を示している。
【００４１】
【表２】
0004790201.tif 000003
【００４２】
層20は第一の型の薄層６層と第二の型の薄層１１層とから形成され、障壁層22は第一の型の薄層ただ一層からなっている。
【００４３】
層20の薄層は、該層の井戸の各々が少なくとも１つの上側副帯、中間副帯及び下側副帯を有するようにサイズが決定されている。同じ型の薄層は、レーザーが電力供給されるときに、実質的に同じポテンシャルにある。従来、１つの電子が上側副帯から中間副帯へと遷移することによって、光学利得の基礎が形成されてきた。
【００４４】
図２によって、本発明のレーザーの構造がこれまで量子カスケードレーザーに用いられてきた構造とどのように相違しているかを特にはっきりと理解することが可能になる。図２は４つの線図を有しており、その内のa)、b)及びc)は公知のレーザーに関し、一方、線図d)は本発明のレーザーに対応している。Ｘ軸のＮは層20の薄層の数を示し、Ｙ軸はある層の厚さｅをnmで示している。障壁層に関する等しい薄層の厚さのみが示されている。井戸に関する情報は重要ではない。零層は注入障壁22に関する。
【００４５】
より詳しくは、線図a)、b)及びc)は、それぞれ以下の文献に記載されているレーザーに対応する。
−1998年10月12日発行のAppl. Phys. Letters第７３巻第１５号に発表されたエイ．トレディクッチ（A. Tredicucci）らによる「段階的に変化する超格子高性能インターミニバンド量子カスケードレーザー（High performance interminiband quantum cascade laser with graded superlattice）」。
−1999年２月１日発行のAppl. Phys. Letters第７４巻第５号に発表されたトレディクッチらによる「λ＝17μmでの長波長超格子量子カスケードレーザー（Long wavelength superlattice quantum cascade lasers at λ＝17μm）」
−1999年９月13日発行のAppl. Phys. Letters第７５巻第１１号に発表されたエイ．ミュラー（A. Mueller）らによる「電気的に調節可能な室温量子カスケードレーザー（Electrically tunable, room-temperature quantum-cascade lasers）」
これら３つの線図には３つの異なる箇所が見られる。注入障壁層に対応する部分Ａは厚みが大きい。厚みが小さく、部分Ａから離れるにつれて厚みが増して行く部分Ｂは活性領域に関する。部分Ｃは緩和領域に関する。線図d)は、対照的に、それぞれ注入障壁層と活性領域とに対応する２つの異なる部分ＡとＢのみを示している。
【００４６】
より詳細には、線図a)及びb)においては、緩和領域の障壁を形成する薄層は、活性領域の薄層の実質的に２倍の厚みを有している。一方、線図c)においては、活性領域との境界に配される緩和領域のただ一つの薄層のみが、活性領域の薄層よりも実質的に厚い。活性領域と緩和領域との間のこのような層厚の変化によって、電子を活性ゾーンに閉じ込めるのが可能になると、従来ならば、当業者によって考えられたであろう。
【００４７】
これに対して、線図d)は第一の型の薄層の厚さが、１つの注入障壁層から次の注入障壁層へと単調に増加して行くことを示している。
【００４８】
実施された試験は、緩和領域がなくてもレーザーが動作することを示している。図３に示された線図は、上記構造に従って作られた原型を用いて得られた性質を示している。曲線Ｄは、ボルトで表示された電圧ＵとkA/cm2で表示された電流密度Ｊとの関係を示している。曲線Ｅは、ｍＷで表示された最大電力Ｐmaxとアンペアで表示された電流Ｉとの関係に関する。
【００４９】
以下の表３によって、得られた結果と、室温での動作条件下にある線図2aのレーザーによって30℃で取得された結果とを比較することが可能になる。
【００５０】
【表３】
0004790201.tif 000004
【００５１】
他の温度で取得された結果についても容易に比較することができる。このように、本発明によるレーザーは、公知のレーザーに匹敵するか、その性能が勝るものであることが明確に理解される。
【００５２】
本発明によるレーザーは、図４によって示されるように、利得領域における薄層の化学組成を変更することによって改良することができる。この図において、化学組成は化学式GaｘAl(１−ｘ)InAs（但し、ｘは層の厚さの範囲内において、考慮されている位置に応じて、０〜１である。）に対応すると推定される。ｘ軸は構造体の厚さｅに関し、ｙ軸は上記変数ｘに関する。曲線Ｌは、従来技術のレーザーにおいて、及び上記例において示された組成の変化を示し、一方、曲線Ｍは特定の態様に関する。
【００５３】
曲線Ｌに対応する組成を有する構造体を製造するためには、材料（InGaAsとAlInAsとを）続けて堆積させる。このように積層して行くことによって、井戸層と障壁層とがほぼ垂直な側壁を形成し、薄層間の分散が小さくなる。ケイ．エル．キャンプマン（K. L. Campman）らによって先に記載した論文中で説明されているように、これらの薄層間の境界面で電子が分散し易いことに注意されたい。
【００５４】
曲線Ｍに対応する層の組成であると、この欠点を軽減することができる。この曲線は薄層の中央部に最大値が来る形状を有しており、組成は２つの中央部の間で連続的に変化する。
【００５５】
InGaAsの堆積とAlInAsの堆積とをより頻繁に交替させることによって、曲線Ｍによって示されているような層を作ることができる。各堆積層の厚さは薄層の部分を示し、２〜３の原子層に対応する。
【００５６】
ある用途においては、光放出スペクトルを狭くする必要がある。この条件は上側閉じ込め層、即ち、基板に面して配置された閉じ込め層によって満足することができる。この層は、その放出スペクトルの所望の波長の倍数に等しいピッチを有する回折格子によって特徴付けられる構造を有している。このような格子の製造については、「赤外半導体レーザー（Laser semiconducteur infrarouge）」という題で提出された特許出願PCT/CH00/0159に記載されている。
【００５７】
本発明による量子カスケードレーザーは、本発明の範囲から離れることなく、多くの変更を加えることができる。AlInAs以外の材料、例えば、InP又はAlGaAs等も障壁層を形成することができる。薄層の層及びその厚さも非常に大きく変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明によるレーザーの断面を概略的に示している。
【図２】  図２は、a)、b)及びc)は公知の型のレーザーについて、d)は本発明のレーザーについての薄層の厚さの変化を示している。
【図３】  図３は、曲線の形状で、本発明のレーザーによって得られた物理的性質を示している。
【図４】  図４は、利得領域の層における薄層の化学組成の変化を示している。
【図１】
0004790201.tif 000005
【図２】
0004790201.tif 000006
【図３】
0004790201.tif 000007
【図４】
0004790201.tif 000008