(57)【要約】【課題】  狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作が可能な量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】  量子井戸発光層及び注入層が交互に、垂直方向に積層されたｍ１段の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２０を含む半導体積層体のレーザ素子部１０を用いて、量子カスケードレーザ１を構成する。さらに、本レーザ１においては、この活性層２０を含むレーザ素子部１０を、水平方向に互いに分離された状態でｍ２個配列する。そして、これらのレーザ素子部１０１〜１０ｍ２を直列に接続することにより、実効的な段数がｍ１×ｍ２段となる２次元状のカスケード構造を実現する。【選択図】  図１
2007019339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸発光層及び注入層が交互に、第１の方向に積層されたｍ１段のカスケード構造（ｍ１は２以上の整数）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を少なくとも含む半導体積層体を備え、
前記半導体積層体は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に、互いに分離された状態でｍ２個（ｍ２は２以上の整数）配列されるとともに、それらを直列に接続することで、実効的にｍ１×ｍ２段の２次元状のカスケード構造とすることが可能に構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】
前記第１の方向は、前記量子井戸発光層及び前記注入層を含む半導体層の結晶成長面に対して垂直方向であり、前記第２の方向は、前記結晶成長面に対して水平方向であ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】
ｍ２個配列された前記半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体同士は、その間に形成された高抵抗層によって互いに分離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】
ｍ２個配列された前記半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体同士は、その間に形成された間隙部によって互いに分離されてい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。
【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３〜１０μｍ）の光は、様々な分子の振動のエネルギー領域に相当しており、個々の分子を識別できることから、分光分析分野において重要な波長領域となっている。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】
一般に、分光分析用の光源としては、高分解能で計測を行うためにｋＨｚオーダーの狭スペクトル線幅が求められている。これに対し、上記波長領域の光源として、近年、量子カスケードレーザが注目を集めている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１参照）。量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造での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。
【特許文献１】特開平８−２７９６４７号公報
【特許文献２】特開２００４−２００３７５号公報
【非特許文献１】R.M.Williams et al., "Kilohertzlinewidth from frequency-stabilized mid-infrared quantum cascade lasers",OPTICS LETTERS Vol.24 (1999) pp.1844-1846
【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、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り、ｐｎ接合を含む従来型のバイポーラレーザ素子を凌駕する特性が得られている。また、そのスペクトル線幅については、例えば、非特許文献１においては、量子カスケードレーザでのスペクトル線幅として、１２ｋＨｚという極めて小さい値が報告されている。一方で、量子カスケードレーザを様々な分野に対して応用していく上で、このような狭線幅特性を保持しつつ、さらに低閾値、高出力での動作が可能なレーザ素子の開発が望まれている。
【０００５】
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、狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作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】
【０００６】
量子カスケードレーザの狭線幅特性について、上記非特許文献１では、反転分布の変動によって生じる屈折率変化による線幅増大係数をαｃとして、線幅は（１＋αｃ２）に比例し、また、量子カスケードレーザではその遷移機構よりαｃがほとんど０となるために線幅が狭くなると結論している。しかしながら、このαｃ〜０という条件だけでは、上記した１２ｋＨｚというような非常に狭いスペクトル線幅を説明することはできない。
【０００７】
これに対し、本願発明者は、量子カスケードレーザの上記特性について詳細な検討を行った。そして、量子井戸構造を有する発光層が多段にカスケード結合されたレーザ素子の構造をレート方程式において忠実に再現して発振特性の解析を行った結果、そのカスケード構造での段数ｍを増やすことによって低閾値、高出力での動作が可能となることを見出し、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）量子井戸発光層及び注入層が交互に、第１の方向に積層されたｍ１段のカスケード構造（ｍ１は２以上の整数）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を少なくとも含む半導体積層体を備え、（２）半導体積層体は、第１の方向とは異なる第２の方向に、互いに分離された状態でｍ２個（ｍ２は２以上の整数）配列されるとともに、それらを直列に接続することで、実効的にｍ１×ｍ２段の２次元状のカスケード構造とすることが可能に構成されてい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、所定の方向に量子井戸発光層及び注入層が交互に積層される活性層のカスケード構造について、そのようなカスケード構造を含んで構成された素子部分である半導体積層体を用いる。そして、積層方向（第１の方向）とは異なる方向で設定された配列方向（第２の方向）に複数の半導体積層体を配列し、それらを直列にカスケード接続することにより、２次元状のカスケード構造を実現している。このような構成によれば、レーザ素子を構成するカスケード構造の段数ｍを全体として充分に増やすことが可能となる。したがって、狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作が可能な量子カスケードレーザが実現される。
【００１０】
ここで、第２の方向に配列されたｍ２個の半導体積層体（レーザ素子部）をカスケード接続するための配線構造については、様々な構成を用いて良い。そのような配線構造としては、例えば、量子カスケードレーザのレーザチップ上に形成された配線パターン、及びワイヤ配線を用いて構成される配線構造がある。あるいは、レーザチップを載置するサブマウントに必要な配線パターンを形成しておく配線構造がある。
【００１１】
また、半導体層の積層方向、及び半導体積層体の配列方向については、積層方向である第１の方向は、量子井戸発光層及び注入層を含む半導体層の結晶成長面に対して垂直方向であり、配列方向である第２の方向は、結晶成長面に対して水平方向であることが好ましい。これにより、成長された半導体積層構造を水平方向に分割して複数の半導体積層体とした構成を用いて、上記した２次元カスケード構造を好適に実現することができる。
【００１２】
また、複数の半導体積層体を互いに分離するための構成としては、ｍ２個配列された半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体同士が、その間に形成された高抵抗層によって互いに分離されている構成を用いることができる。あるいは、ｍ２個配列された半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体同士が、その間に形成された間隙部によって互いに分離されている構成を用いることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の量子カスケードレーザによれば、量子井戸発光層及び注入層が交互に積層されるカスケード構造の活性層を含む半導体積層体を複数用い、積層方向とは異なる配列方向に複数の半導体積層体を配列し、さらに、それらを直列にカスケード接続して多段で２次元状のカスケード構造を実現することにより、狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力、高温での動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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１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り、後述するように、複数個（ｍ２個、ｍ２は２以上の整数）の半導体積層体であるレーザ素子部１０１〜１０ｍ２を備えて構成されている。
【００１６】
ここで、図１において、「垂直方向」とは半導体層の結晶成長面に対して垂直な方向を示している。この垂直方向は、本レーザ１における半導体層の積層方向に対応している。一方、「水平方向」とは半導体層の結晶成長面に対して水平な方向を示している。この水平方向は、本レーザ１におけるレーザ素子部の配列方向、及びレーザ光を発振させる光共振器での共振器軸方向に対応している。また、このような構成において、量子カスケードレーザ１でのレーザ素子部の配列方向は、半導体層の積層方向に対して直交している。
【００１７】
まず、図１の量子カスケードレーザ１を構成するｍ２個のレーザ素子部１０１〜１０ｍ２の個々の構成について説明する。これらのレーザ素子部１０１〜１０ｍ２のうちで図中の最も左側に位置する第１レーザ素子部１０１を例にとると、第１レーザ素子部１０１は、活性層２０１と、クラッド層４０１、４５１と、電極５０１、５５１とを有している。また、活性層２０１は、量子井戸発光層及び注入層が交互に、垂直方向（第１の方向）を積層方向として積層された複数段のカスケード構造（ｍ１段、ｍ１は２以上の整数）を有する。
【００１８】
これにより、レーザ素子部１０１は、ｍ１段のカスケード構造を有する活性層２０１を少なくとも含む半導体積層体となっている。活性層２０１は、上記したカスケード構造により、量子井戸構造でのサブバンド間遷移によってカスケード的に所定波長の光（例えば中赤外の波長領域内にある光）を生成する。活性層２０１におけ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。
【００１９】
図２は、図１に示した量子カスケードレーザ１のレーザ素子部１０における活性層２０の構成、及びその量子井戸構造でのサブバンド間遷移について示す模式図である。なお、図２においては、説明のため、活性層２０を構成している量子井戸発光層及び注入層による多段の繰返し構造のうち、隣合う１層ずつの量子井戸発光層２０１及び注入層２０６によってその積層構造を示している。
【００２０】
図２に示すように、量子井戸発光層２０１は、量子井戸層２０２と量子障壁層２０３とから構成されている。この発光層２０１は、活性層２０の半導体積層構造において光ｈνを生成する活性領域として機能する部分である。図２中においては、発光層２０１の量子井戸層２０２として、それぞれ厚さが異なる３つの量子井戸層を示している。また、この量子井戸発光層２０１では、これらの量子井戸層２０２及び量子障壁層２０３により、下から順に準位１、準位２、及び準位３の３つの量子準位が形成されている。また、発光層２０１と、次の発光層との間には、電子注入層２０６が設けられている。この注入層２０６は、量子井戸層２０７と量子障壁層２０８とから構成されている。
【００２１】
図１に示す量子カスケードレーザ１では、このような量子準位構造の活性層２０を有する半導体積層体であるレーザ素子部１０に対してバイアス電圧を印加した状態において、注入層２０６からの電子２００は発光層２０１の準位３へと注入される。この準位３に注入された電子２００は準位２へ発光遷移し、このとき、準位３及び準位２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。
【００２２】
また、この準位２へと遷移した電子２００は準位１へと高速で緩和し、注入層２０６を介して次の発光層の準位３へとカスケード的に注入される。このような電子の注入、及び発光遷移を活性層２０の積層構造中で繰り返すことにより、活性層２０において、カスケード的な光の生成が起こる。すなわち、図２に示したような量子井戸発光層２０１及び注入層２０６を多数交互に積層することにより、電子２００は発光層２０１をカスケード的に次々に移動するとともに、各発光層２０１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１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。
【００２３】
図１に示すレーザ１のレーザ素子部１０１では、図２に示したカスケード的な積層構造を有する活性層２０１に対し、活性層２０１において生成された光がレーザ１内で共振器方向に導波されるための導波路構造として、活性層２０１を間に挟むクラッド層４０１、４５１が設けられている。さらに、クラッド層４０１の活性層２０１とは反対側（図中の上側）に電極５０１が形成され、クラッド層４５１の活性層２０１とは反対側（図中の下側）に電極５５１が形成されることにより、本実施形態の量子カスケードレーザ１におけるレーザ素子部１０１が構成されている。
【００２４】
また、本実施形態の量子カスケードレーザ１は、上述したようにｍ２個のレーザ素子部１０１〜１０ｍ２から構成されている。これらのうち、第２〜第ｍ２レーザ素子部１０２〜１０ｍ２の構造については、上記した第１レーザ素子部１０１の構造と同様であり、それぞれ活性層２０２〜２０ｍ２、クラッド層４０２〜４０ｍ２、４５２〜４５ｍ２、及び電極５０２〜５０ｍ２、５５２〜５５ｍ２を有して構成されている。
【００２５】
次に、量子カスケードレーザ１における複数のレーザ素子部（半導体積層体）１０１〜１０ｍ２の配列構成について説明する。レーザ１を構成するｍ２個のレーザ素子部１０１〜１０ｍ２は、図１に示すように、半導体層の積層方向に直交する水平方向（第２の方向）を配列方向とし、互いに電気的に分離された状態で１次元的に配列されている。
【００２６】
また、このようなレーザ素子部の配列構造において、レーザ１を構成するｍ２個のレーザ素子部１０１〜１０ｍ２は、第１レーザ素子部１０１から第ｍ２レーザ素子部１０ｍ２へと順に、配線６０２〜６０ｍ２によって直列に接続されている。これにより、活性層２０１〜２０ｍ２を含む半導体積層体であるｍ２個のレーザ素子部１０１〜１０ｍ２が、必要な電極及び配線等を含む配線構造によって直列に接続され、実効的にｍ１×ｍ２段の２次元状のカスケード構造が得られる。
【００２７】
図１に示した構成例では、具体的には、第１レーザ素子部１０１の上側の電極５０１、及び第ｍ２レーザ素子部１０ｍ２の下側の電極５５ｍ２に対し、外部の電源装置に対する接続用の配線６０１、及び配線６０ｍ２＋１が接続されている。また、第１レーザ素子部１０１の下側の電極５５１と、第２レーザ素子部１０２の上側の電極５０２とが、配線６０２によって接続されている。同様に、配線６０３〜６０ｍ２によってレーザ素子部１０２〜１０ｍ２が接続されて、上記した２次元カスケード構造が実現されている。
【００２８】
また、ｍ２個のレーザ素子部１０１〜１０ｍ２での活性層２０１〜２０ｍ２、クラッド層４０１〜４０ｍ２、及びクラッド層４５１〜４５ｍ２は、それぞれ上記したように互いに電気的に分離される一方、光学的には、レーザ光の波長帯域において互いに光学的に接続されている。これにより、レーザ１において水平方向に延びる光導波路が構成されている。
【００２９】
また、レーザ１の水平方向の両端面に相当する第１レーザ素子部１０１の左端面、及び第ｍ２レーザ素子部１０ｍ２の右端面には、それぞれ鏡面が形成されている。そして、これらのレーザ素子部１０１〜１０ｍ２での光導波路構造、及び両端面での鏡面により、本レーザ１の全体としての光共振器が構成されている。なお、図１においては、互いに電気的に分離されたレーザ素子部１０１〜１０ｍ２の分離境界について、図中で垂直方向に延びる点線によって模式的に示している。
【００３０】
本実施形態による量子カスケードレーザ１の効果について説明する。
【００３１】
図１に示した量子カスケードレーザ１においては、垂直方向に量子井戸発光層２０１及び注入層２０６が交互に積層される活性層２０のｍ１段のカスケード構造について、そのようなカスケード構造を含んで構成された素子部分である半導体積層体を複数用いる。そして、積層方向とは異なる方向として設定された配列方向に活性層２０１〜２０ｍ２を含む複数の半導体積層体であるレーザ素子部１０１〜１０ｍ２を配列し、それらを直列にカスケード接続することにより、垂直方向及び水平方向の２方向についてそれぞれカスケード構造を有し、その段数ｍが実効的にｍ１×ｍ２段となる２次元状のカスケード構造を実現している。
【００３２】
このような構成によれば、レーザ素子を構成するカスケード構造の段数ｍを、レーザ１の全体として充分に増やすことが可能となる。したがって、得られるレーザ光について狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作が可能な量子カスケードレーザ１が実現される。また、上記構成では、レーザ素子部の配列方向でのカスケード接続の接続数ｍ２を稼ぐことにより、レーザ素子部内における積層方向でのカスケード構造の段数ｍ１を減らすことが可能である。これにより、レーザ素子を構成する半導体積層構造の成長時間の短縮が可能となる。また、これにより、得られる結晶品質の向上、及び素子の低コスト化が実現できる。
【００３３】
ここで、レーザ素子部内での半導体層の積層方向、及びレーザ素子部の配列方向については、図１に示した構成では、積層方向を半導体層の結晶成長面に対して垂直方向とするとともに、配列方向を結晶成長面に対して水平方向としている。これにより、複数のレーザ素子部を含む２次元カスケード構造を好適に実現することができる。特に、このような構成では、図１からわかるように、レーザ素子部１０１〜１０ｍ２の分割構造を除けば、レーザ１の全体での半導体積層構造は、通常の量子カスケードレーザの素子構造と同様となっている。したがって、このようなカスケード接続構造によれば、成長された半導体積層構造を水平方向に分割して複数の半導体積層体とした構成を用いることができ、結晶構造自体はそのままで、低閾値、高出力のレーザ１を容易に実現することができる。
【００３４】
また、複数の半導体積層体（レーザ素子部１０１〜１０ｍ２）を互いに分離するための構成としては、ｍ２個配列された半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体（隣合うレーザ素子部）同士が、その間に形成された高抵抗層によって互いに分離されている構成を用いることができる。あるいは、ｍ２個配列された半導体積層体のうちで隣合う半導体積層体（隣合うレーザ素子部）同士が、その間に形成された間隙部によって互いに分離されている構成を用いることができる。あるいは、高抵抗層と間隙部とを併用する構成としても良い。これらの半導体積層体の分離構造等については、さらに後述する。
【００３５】
また、水平方向に配列されたｍ２個のレーザ素子部１０１〜１０ｍ２をカスケード接続して２次元状のカスケード構造を実現するための配線構造については、様々な構成を用いて良い。そのような配線構造としては、例えば、量子カスケードレーザのレーザチップ上に形成された配線パターン、及び必要に応じてワイヤ配線等の追加的な配線を用いて構成される配線構造がある。あるいは、レーザチップを載置するサブマウントに必要な配線パターンを形成しておく配線構造がある。一般には、ｍ２個配列されたレーザ素子部１０１〜１０ｍ２は、それらを直列に接続することで、実効的にｍ１×ｍ２段の２次元状のカスケード構造とすることが可能に構成されていれば良い。
【００３６】
上記構成の量子カスケードレーザによるレーザ動作の低閾値化、高出力化の効果について、本願発明者が得た知見に基づいて、詳細に説明する。図３は、量子カスケードレーザ１における活性層２０のカスケード構造について示す模式図である。ここでは、カスケード的な量子準位によって、活性層２０のカスケード構造を示している。このような量子準位構造において、発光層の準位３に注入された電子は、準位２との間で発光遷移を起こした後、準位１へと高速で緩和して注入層を介して次の発光層へと再び注入される。
【００３７】
このとき、活性層のカスケード構造でのｉ番目の活性領域である量子井戸発光層における電子数のレート方程式は、以下の（１）式
【数１】
2007019339.tif 000003
となる。ここで、
Ｎｃｉ：準位３を占有している電子数
Ｐｉ：ポンプレート
Ｎｃｉ／τｒｉ：自然放出レート
Ｎｃｉ／τｎｒ：非発光レート
Ｅ３２ｉ：光子数当たりの誘導放出レート
Ｅ２３ｉ：光子数当たりの吸収レート
ｎ：光共振器内に存在する光子数
である。また、以降の式は、すべて「ｉ」を「ｉｊ」として２次元カスケード構造に拡張した場合にも成立するが、ここでは、簡単のため単に「ｉ」と表記する。
【００３８】
また、自然放出光結合係数をβｉとすると、アインシュタインの関係より、
【数２】
2007019339.tif 000004
が成り立つ。また、準位２→準位１の緩和が充分に速く、かつ準位２の熱平衡状態での電子の存在が無視できるとすれば、Ｅ２３ｉ＝０とおくことができる。
【００３９】
一方、光子数ｎについては、以下のように表すことができる。
【数３】
2007019339.tif 000005
ここで、γは光の吸収や光共振器外部への放出により光子数が減少するレートである。
【００４０】
また、ｄ／ｄｔ→０、Ｐ１＝Ｐ２＝…＝Ｐｉ＝…＝Ｐ０として定常状態を考えると、上記の（１）式、（３）式は、以下のようになる。
【数４】
2007019339.tif 000006
さらに、（４）式において光子数ｎ＝０、（５）式においてｎ≫１とすると、発振閾値ポンプレートＰｔｈは
【数５】
2007019339.tif 000007
と求められる。ただし、１／τｔｉ＝１／τｒｉ＋１／τｎｒである。
【００４１】
ポンプレートを規格化した形に書き、ｒ＝Ｐ０／Ｐｔｈとして、ｒの全領域に対して成立する関係を得るために
【数６】
2007019339.tif 000008
と仮定する。さらに、新たに実効結合係数として、次式で表されるβｅｆｆ
【数７】
2007019339.tif 000009
を導入すると、光子数ｎは
【数８】
2007019339.tif 000010
となる。また、閾値は
【数９】
2007019339.tif 000011
となる。ここで、ｍは量子カスケードレーザの活性層におけるカスケード構造の段数である。
【００４２】
今、ポンプレートが閾値より小さい、すなわちｒ＜１で、条件
【数１０】
2007019339.tif 000012
が成り立つならば、光子数ｎは
【数１１】
2007019339.tif 000013
となる。一方、ポンプレートが閾値より大きい、すなわちｒ＞１で、条件
【数１２】
2007019339.tif 000014
が成り立つならば、光子数ｎは
【数１３】
2007019339.tif 000015
となる。また、このとき、出力効率は
【数１４】
2007019339.tif 000016
となる。ここで、γ０は光共振器外部への放出により光子数が減少するレートである。
【００４３】
これらの（１０）式、（１１）式より、閾値Ｐ０＝Ｐｔｈ付近において、光子数ｎは急激に１／βｅｆｆ倍に上昇することがわかる。ここで、量子カスケードレーザにおいては、通常τｒ≫τｔ≒τｎｒ（τｒ〜１０−８ｓｅｃ、τｎｒ〜１０−１２ｓｅｃ、β〜１０−３）であるので、βｅｆｆは例えば１０−７程度と非常に小さい値となる。また、発振後の光子数は巨大な値（例えば＞１０６個）となる。
【００４４】
また、スペクトル線幅（角周波数で表した半値全幅）は
【数１５】
2007019339.tif 000017
となる。ここで、αｃは反転分布の変動によって生じる屈折率変化による線幅増大係数である。
【００４５】
βｅｆｆｉ＝βｅｆｆとして、ｒ＞１での関係
【数１６】
2007019339.tif 000018
及び（１１）式を用いると、スペクトル線幅は
【数１７】
2007019339.tif 000019
となる。ただし、ｒ＞１である。上記式で示されるように、線幅はカスケード構造の段数ｍとは無関係に決定される。
【００４６】
量子カスケードレーザでは、伝導帯におけるサブバンド間の電子遷移を利用していることからαｃはほぼ０であり、さらにβｅｆｆ≪１である。したがって、スペクトル線幅は原理的に非常に狭くなり、しかも、上記式より、量子カスケードレーザに特徴的である発光層の段数ｍには独立であることがわかる。ここで、例としてαｃ＝０、βｅｆｆ＝１０−７、ｒ＝１．５、γ＝５×１０１１／ｓｅｃとし、δｆ（＝δω／２π）を求めると約８ｋＨｚとなり、上述した非特許文献１に示された線幅を良く説明することができる。
【００４７】
ここで、量子カスケードレーザでは、上記したようにβｅｆｆ≪１であるため、（９）式から明らかなように、本質的に閾値は高くならざるを得ない。一方、（９）式より、カスケード構造の段数ｍを増やすことによりβｅｆｆ≪１の効果を緩和して、閾値を低減することが可能である。ただし、この実効結合係数βｅｆｆは、（７）式に示されているように、［τｔ／τｒ］〜１０−４に起因して非常に小さい値となっている。
【００４８】
このため、例えばカスケード構造の段数がｍ＝４０〜５０程度では、その閾値低減効果は充分ではない。一方、従来構造の量子カスケードレーザにおいて段数をｍ＝１０００程度とするには、活性層の厚さだけで数１０μｍにも及ぶこととなり、現実的ではない。また、結晶成長により垂直方向に高品質にｍ１＝１００段以上を実現できたとしても導波路中心付近から離れた部分の活性領域はレーザ発振に寄与しない。したがって、閾値は段数に逆比例して低下することにはならない。これに対し、図１に示した量子カスケードレーザ１では、上記したように、垂直方向（積層方向）に量子井戸発光層２０１及び注入層２０６が交互に積層されるｍ１段のカスケード構造の活性層２０について、水平方向（配列方向）に複数の活性層２０１〜２０ｍ２（複数のレーザ素子部１０１〜１０ｍ２）を配列し、それらを直列にカスケード接続して２次元状のカスケード構造を構成している。このような構成によれば、単一の活性層でのカスケード構造の段数ｍ１を過度に大きくすることなく、レーザ素子を構成するカスケード構造の全体での段数ｍを２次元構造によって実効的に増やすことが可能となる。
【００４９】
この場合、実効結合係数βｅｆｆの値は、電極が分割された状態でセグメント化された個々のレーザ素子部における配列方向（共振器方向）での寸法ＬＡに依存しない。また、積層方向である垂直方向でのカスケード構造の段数をｍ１＝ｍｖｅｒｔｉｃａｌ（＝ｍｖ）、配列方向である水平方向でのカスケード接続の接続数をｍ２＝ｍｌａｔｅｒａｌ（＝ｍｌ）とすると、全体としてのレーザ素子の実効的な段数はｍ＝ｍｖ×ｍｌとなる。
【００５０】
例えば、結晶成長によって形成される垂直方向の段数をｍｖ＝４０とし、水平方向については共振器長３ｍｍに１００μｍの電極が２０μｍ間隔で配置されるセグメント構造によってｍｌ＝２５とする。この構成例では、全体としての２次元カスケード構造の段数はｍ＝１０００となる。このような段数であれば、量子カスケードレーザでの閾値を充分に効果的に低減することが可能である。このとき、スペクトル線幅は、（１４）式においてβｅｆｆ≪１の効果により狭い線幅が維持される。また、閾値に関しては、（９）式において１／（ｍｖ×ｍｌ）によって減少する。また、出力効率は（１２）式より（ｍｖ×ｍｌ）倍となる。
【００５１】
また、これまでの量子カスケードレーザと同等の閾値、効率を有するレーザ素子であれば、垂直方向の段数をｍ１＝ｍｖ＝１０、水平方向の接続数をｍ２＝ｍｌ＝３〜４程度とした構成で実現が可能である。この場合、垂直方向でのカスケード構造の段数が１０と少なくなり、半導体積層構造を作製する際の成長時間を大幅に短縮できることから、その結晶品質の向上、低コスト化が実現可能である。
【００５２】
次に、上記においては、準位２の熱平衡状態での電子の存在が無視できるとしたが、ここで、例えば室温動作時のように準位２に熱的にキャリアが分布している場合について考える。一般には、準位２から準位１への緩和が高速であっても、準位２においては熱平衡分布Ｎ（２）ｔｈｅｒｍが存在する。なお、素子の安定動作のために電子注入層への不純物ドーピングが必要とされているので、室温動作時には、準位２には必ず電子が存在することになる。この場合、反転分布に必要な最小ポンプレートは、
【数１８】
2007019339.tif 000020
となる。ここで、Ｎ（２）ｔｈｅｒｍは熱的に分布している電子数、ｎ（２）ｔｈｅｒｍは熱的に分布している電子数の面密度、ＬＡはセグメントであるレーザ素子部の共振器方向の寸法、ｗＡはレーザ素子部のＬＡと直交する方向の寸法である。
【００５３】
したがって、この場合、閾値は
【数１９】
2007019339.tif 000021
となる。ただし、上記したようにｍ＝ｍ１×ｍ２＝ｍｖ×ｍｌである。
【００５４】
また、ここで、共振器長をＬ、セグメントであるレーザ素子部間のギャップ長をＬＧとすると、
【数２０】
2007019339.tif 000022
である。この（１７）式を（１５）式に代入すると、
【数２１】
2007019339.tif 000023
となる。これにより、閾値Ｐｔｈは以下のように表される。
【数２２】
2007019339.tif 000024
したがって、準位２における熱平衡分布の影響が顕著に現れる場合であっても、閾値は、ｍｌによって効果的に低減させることが可能である。すなわち、上記した２次元カスケード構造では、室温以上の高温動作時において、従来構造に比べて圧倒的に有利であり、量子カスケードレーザを様々な分野に応用展開していく上で非常に有効である。
【００５５】
なお、レーザ素子を構成するウエハの結晶構造、共振器長などのデバイスサイズが同一の場合に、従来構造と、複数のレーザ素子部に分割された上記構造とを比較すると、素子を動作させるのに必要な電流は、単純に水平方向の分割数分の１である１／ｍｌとなる。このとき、１つのレーザ素子部当たりの電流密度は同じである。すなわち、結晶構造は同一であるので、発振に必要な電流密度自体は変化せずに一定となる。
【００５６】
例えば、面積１ｃｍ２の素子で駆動電流１０Ａの場合、電流密度は１０Ａ／ｃｍ２となる。このような素子を水平方向に１０分割すると駆動電流は１Ａとなるが、１つのセグメントであるレーザ素子部を考えた場合、その面積は０．１ｃｍ２であり、電流密度自体は１０Ａ／ｃｍ２のままで一定となる。このとき、理想的な場合を考えると、その電流−光出力特性は図４のようになる。すなわち、素子を水平方向で分割する上記構造によれば、その効率が上がって閾値電流は下がる。
【００５７】
ここで、垂直方向での段数ｍｖを増やすと電流密度そのものが減るが、閾値電流密度が低くなると準位２に熱的に分布している電子の影響が大きくなり、室温以上での動作を考えた場合に、ある値以下にはなり得ない。これに対し、水平方向の分割数（配列数）ｍｌを増やすことによって、上記した限界を突破することが可能となる。
【００５８】
以下、量子カスケードレーザの具合的な実施形態により、カスケード構造の活性層を含むレーザ素子部の構成、複数のレーザ素子部を互いに分離するための分離構造、及びそれらをカスケード接続するための配線構造等を含めた量子カスケードレーザの構成例について説明する。
【００５９】
図５〜図９は、量子カスケードレーザの第１実施例について示す図であり、図５は、量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造を示す断面図であり、図６は、カスケード構造を有する活性層の具合的な構成例を示す表である。また、図７は、第１実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図であり、図８は、レーザの平面構成を示す上面図であり、図９は、レーザの立体構成を示す斜視図である。
【００６０】
図５に示す半導体積層構造では、固体ソースＭＢＥ法にて、ｎ型のＩｎＰ基板１１０上に、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓコア層４１５、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ量子井戸活性層２１、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓコア層４１０、ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓクラッド層４１１、及び高濃度ドープＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層４１２を順次エピタキシャル成長によって形成する。ここで、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、及びＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓのそれぞれの組成は、ＩｎＰ基板と格子整合するようにＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓとなっている。また、これらの半導体層の膜厚及びドーピング濃度の一例は、以下の通りである。
高濃度層４１２  ：０．５μｍ、３×１０１８ｃｍ−３
クラッド層４１１：２μｍ、２×１０１７ｃｍ−３
コア層４１０    ：０．６５μｍ、５×１０１６ｃｍ−３
活性層２１
コア層４１５    ：０．６５μｍ、５×１０１６ｃｍ−３
ＩｎＰ基板１１０
【００６１】
また、活性層２１については、例えば、特開平８−２７９６４７号公報、あるいは文献 Appl. Phys.Lett. vol.75 (1999) p.665 などに示されているような一般的な量子カスケードレーザの構造と同様に、量子井戸発光層と電子注入層とが交互に積層されることで構成されている。その具体的な構成の一例としては、発振波長λ＝１０μｍとして、活性層を構成する各半導体層の厚さは、例えば図６の表に示すようになる。図６において、表（ａ）は量子井戸発光層の半導体積層構造の構成例を、また、表（ｂ）は電子注入層の半導体積層構造の構成例を示している。
【００６２】
このような構造の半導体積層体に対し、通常のリソグラフィー技術、ウエットエッチング技術等によってリッジストライプ型のレーザ素子構造を作製するとともに、図７に示すように、共振器方向に分割された電極５１１〜５１ｍ２を形成して、ｍ２個のレーザ素子部１１１〜１１ｍ２にセグメント化された素子構造とする。電極の一例としては、Ａｕ電極を用いることができる。
【００６３】
また、電極の分割数は、素子の共振器長、電極幅、電極間隔等に応じて任意に決定可能である。例えば、リッジ幅１０μｍ、共振器長３ｍｍの素子では、電極幅を１００μｍ、電極間隔を５０μｍとすることで、最大２０分割、すなわちｍｌ＝２０とすることが可能である。この場合、エピタキシャル成長によって形成される活性層でのカスケード構造の段数を２０段、すなわちｍｖ＝２０とすると、２次元状のカスケード構造での実効的な段数は２０×２０＝４００となり、従来の構造では困難であった非常に多い段数のカスケード構造を実現できる。
【００６４】
レーザの共振器方向となる水平方向での複数のレーザ素子部の分離構造については、隣合うレーザ素子部同士（隣合う半導体積層体同士）の間に高抵抗層を形成することによって分離する構造を用いることができる。このような高抵抗層の例としては、図７に示すように、分割されるレーザ素子部１１１〜１１ｍ２のそれぞれの間に対して、電極５１１〜５１ｍ２をメタルマスクとしてプロトン注入を行うことによって半導体層を高抵抗化し、素子部１１１〜１１ｍ２を互いに分離するための高抵抗層７１２〜７１ｍ２を形成する。また、素子の裏面側については、研磨によって薄片化した後、同様に共振器方向に分割された電極５６１〜５６ｍ２を形成して素子部を分離する。
【００６５】
図７に示すレーザチップを用いた量子カスケードレーザの配線構造等を含めた構成としては、例えば、図８及び図９に示すように、電極パッド１１１が所定のパターンで形成された絶縁性ＡｌＮサブマウント１１２上にレーザチップをマウントする。そして、チップ上の電極とサブマウント上の電極パッドとを図示のようにボンディングすることで、分割されたレーザ素子部１１１〜１１ｍ２の水平方向でのカスケード接続を実現することができる。
【００６６】
図１０〜図１３は、量子カスケードレーザの第２実施例について示す図であり、図１０は、量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造を示す断面図である。また、図１１は、第２実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図であり、図１２は、レーザの平面構成を示す上面図であり、図１３は、レーザの立体構成を示す側面断面図である。
【００６７】
図１０に示す半導体積層構造では、半絶縁性のＩｎＰ基板１２０上に、高濃度ドープＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層４２７、ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓクラッド層４２６、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓコア層４２５、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ量子井戸活性層２２、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓコア層４２０、ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓクラッド層４２１、及び高濃度ドープＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層４２２を順次エピタキシャル成長によって形成する。活性層２２の具体的な構造等については、第１実施例と同様である。また、これらの半導体層の膜厚及びドーピング濃度の一例は、以下の通りである。
高濃度層４２２  ：０．５μｍ、３×１０１８ｃｍ−３
クラッド層４２１：２μｍ、２×１０１７ｃｍ−３
コア層４２０    ：０．６５μｍ、５×１０１６ｃｍ−３
活性層２２
コア層４２５    ：０．６５μｍ、５×１０１６ｃｍ−３
クラッド層４２６：２μｍ、２×１０１７ｃｍ−３
高濃度層４２７  ：０．５μｍ、３×１０１８ｃｍ−３
ＩｎＰ基板１２０
【００６８】
このような構造の半導体積層体に対し、通常のリソグラフィー技術、ウエットエッチング技術等によってリッジストライプ型のレーザ素子構造を作製するとともに、図１１に示すように、共振器方向に分割された電極５２１〜５２ｍ２を形成して、ｍ２個のレーザ素子部１２１〜１２ｍ２にセグメント化された素子構造とする。
【００６９】
レーザ素子部の分離構造については、第１実施例と同様に、図１１に示すように、分割されるレーザ素子部１２１〜１２ｍ２のそれぞれの間に対して、電極５２１〜５２ｍ２をメタルマスクとして基板部分までプロトン注入を行うことによって半導体層を高抵抗化し、素子部１２１〜１２ｍ２を互いに分離するための高抵抗層７２２〜７２ｍ２を形成する。
【００７０】
図１１に示すレーザチップを用いた量子カスケードレーザの配線構造等を含めた構成としては、例えば、図１２及び図１３に示すように、ＩｎＰ基板１２０上に形成されたエピタキシャル成長層で下側に位置する高濃度ドープＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層４２７をコンタクト層とし、このコンタクト層をエッチング等で露出させて所定のパターンの電極パッド１２１を形成する。そして、チップ上の電極とコンタクト層上の電極パッドとを図示のようにボンディングすることで、分割されたレーザ素子部１２１〜１２ｍ２の水平方向でのカスケード接続を実現することができる。
【００７１】
図１４は、量子カスケードレーザの第３実施例について示す図であり、第３実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。なお、本実施例で量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造については、例えば第２実施例と同様である。
【００７２】
レーザ素子部の分離構造については、本実施例においては高抵抗層ではなく、隣合うレーザ素子部同士の間に間隙部を形成することによって分離する構造を用いている。このような間隙部の例としては、図１４に示すように、分割されるレーザ素子部１３１〜１３ｍ２のそれぞれの間に対して、電極５３１〜５３ｍ２をメタルマスクとし、ＲＩＢＥなどのドライプロセスの手法を利用して、素子部１３１〜１３ｍ２を互いに分離するための間隙部である発振波長間隔以下のエアギャップ部７３２〜７３ｍ２を基板まで形成する。なお、図１４に示すレーザチップを用いた量子カスケードレーザの配線構造等を含めた構成は、例えば第２実施例と同様である。
【００７３】
これらの第１〜第３実施例に示したように、２次元カスケード構造を有する量子カスケードレーザにおいて、それぞれ活性層を含む半導体積層体である複数のレーザ素子部を配列方向で互いに分離するための構成としては、隣合う半導体積層体同士が、その間に形成された高抵抗層によって互いに分離されている構成、あるいは、隣合う半導体積層体同士が、その間に形成された間隙部によって互いに分離されている構成など、様々な構成を用いることができる。
【００７４】
なお、図１４に示した構成においては、共振器方向に並ぶレーザ素子部１３１〜１３ｍ２の間にギャップが存在することとなるが、上記したようにその間隔を発振波長間隔以下に設定するなど、充分に狭い間隔で間隙部を形成することが好ましい。これにより、発振波長においてはレーザ素子部が互いに光学的に接続されることとなり、レーザの全体としての光共振器構造が実現される。
【００７５】
図１５は、量子カスケードレーザの第４実施例について示す図であり、第４実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。なお、本実施例で量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造については、例えば第２実施例と同様である。
【００７６】
レーザ素子部の分離構造については、本実施例においては、上記したプロトン注入による高抵抗層、及びＲＩＢＥによる間隙部を併用するハイブリッド構造を用いている。ここで、例えば、レーザ素子での発振波長が長く、光閉じ込め構造を強固にするためにクラッド層を充分に厚く設定しているような場合、エピタキシャル成長層の全域にわたってプロトン注入による高抵抗化を行うことが困難となる。
【００７７】
このような場合には、上記したように、プロトン注入と、ＲＩＢＥなどのドライプロセスとを組み合わせて素子の分離構造を形成することが有効である。このような分離構造の例としては、図１５に示すように、分割されるレーザ素子部１４１〜１４ｍ２のそれぞれの間に対して、電極５４１〜５４ｍ２をメタルマスクとし、ＲＩＢＥなどによってエアギャップ部７４２〜７４ｍ２を上部クラッド層まで形成する。さらに、同様に電極５４１〜５４ｍ２をメタルマスクとし、活性層から下の部分に対してプロトン注入での高抵抗化を行って高抵抗層７９２〜７９ｍ２を形成する。これにより、素子部１４１〜１４ｍ２を互いに分離するための間隙部及び高抵抗層を組み合わせたハイブリッド分離構造が得られる。このようなハイブリッド分離構造では、一般には、素子構造の上部の所定範囲について間隙部を形成し、さらに下部についてプロトン注入を行って高抵抗層を形成することが好ましい。
【００７８】
図１６は、量子カスケードレーザの第５実施例について示す図であり、第５実施例の量子カスケードレーザの平面構成を示す上面図である。なお、本実施例で量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造については、例えば第２、第３実施例と同様である。
【００７９】
例えば文献 SCIENCE vol.286 (1999) p.749 に示されているような上下対称なバンド構造であれば、量子カスケードレーザは上下どちらから電流を流しても動作する。本実施例では、このような構造のレーザ素子部１５１〜１５ｍ２において、図１６に示すように、電流を流す方向がレーザ素子部ごとに交互に変わるような配線としている。この場合、その配線構造を簡素化することができる。
【００８０】
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実施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、上記した実施例では、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって活性層のカスケード構造を構成した例を示したが、格子整合条件からずれた歪系であっても良い。また、上記した実施例では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系のものを示したが、例えばＧａＡｓ系、ＧａＳｂ系、ＧａＮ系、Ｓｉ／ＳｉＧｅ系など、サブバンド間の電子遷移を利用した量子カスケード構造が可能なものであれば、いずれの材料を用いても良い。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。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、狭線幅特性を有するとともに、低閾値、高出力での動作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】
【００８２】
【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】量子カスケードレーザにおける活性層の構成、及びその量子井戸構造でのサブバンド間遷移について示す模式図である。
【図３】量子カスケードレーザにおける活性層のカスケード構造について示す模式図である。
【図４】レーザ素子の電流−光出力特性を模式的に示すグラフである。
【図５】量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造を示す断面図である。
【図６】カスケード構造を有する活性層の具合的な構成例を示す表である。
【図７】第１実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。
【図８】第１実施例のレーザの平面構成を示す上面図である。
【図９】第１実施例のレーザの立体構成を示す斜視図である。
【図１０】量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造を示す断面図である。
【図１１】第２実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。
【図１２】第２実施例のレーザの平面構成を示す上面図である。
【図１３】第２実施例のレーザの立体構成を示す側面断面図である。
【図１４】第３実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。
【図１５】第４実施例の量子カスケードレーザの断面構成を示す断面図である。
【図１６】第５実施例の量子カスケードレーザの平面構成を示す上面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１…量子カスケードレーザ、１０…レーザ素子部、２０…活性層、２００…電子、２０１…量子井戸発光層、２０２…量子井戸層、２０３…量子障壁層、２０６…注入層、２０７…量子井戸層、２０８…量子障壁層、４０、４５…クラッド層、５０、５５…電極、６０…配線、
１１…レーザ素子部、１１０…半導体基板、２１…活性層、４１０、４１５…コア層、４１１…クラッド層、４１２…高濃度ドープ層、５１、５６…電極、７１…高抵抗層、１１１…電極パッド、１１２…サブマウント、
１２…レーザ素子部、１２０…半導体基板、２２…活性層、４２０、４２５…コア層、４２１、４２６…クラッド層、４２２、４２７…高濃度ドープ層、５２…電極、７２…高抵抗層、１２１…電極パッド、
１３…レーザ素子部、１３０…半導体基板、２３…活性層、５３…電極、７３…エアギャップ部、
１４…レーザ素子部、１４０…半導体基板、２４…活性層、５４…電極、７４…エアギャップ部、７９…高抵抗層、
１５…レーザ素子部。
【図１】
2007019339.tif 000025
【図２】
2007019339.tif 000026
【図３】
2007019339.tif 000027
【図４】
2007019339.tif 000028
【図５】
2007019339.tif 000029
【図６】
2007019339.tif 000030
【図７】
2007019339.tif 000031
【図８】
2007019339.tif 000032
【図９】
2007019339.tif 000033
【図１０】
2007019339.tif 000034
【図１１】
2007019339.tif 000035
【図１２】
2007019339.tif 000036
【図１３】
2007019339.tif 000037
【図１４】
2007019339.tif 000038
【図１５】
2007019339.tif 000039
【図１６】
2007019339.tif 000040