(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポテンシャル障壁と量子井戸とを備えた多重量子井戸を含む多層膜構造と、前記多層膜構造に電界を印加するための電界印加手段と、を有し、前記多層膜構造は2つの第一の領域と第二の領域を少なくとも含み、前記第二の領域は前記第一の領域で挟まれるカスケードレーザ素子であって、
前記第一の領域は複数のサブバンドを含み、電界が印加されるとき前記第一の領域におけるエネルギーの上流側のサブバンドからポテンシャル障壁を介したエネルギーの下流側のサブバンドへ、キャリアが光と相互作用することで許容されるトンネリングによって輸送され、
前記第二の領域は、前記光の表皮深さの2倍よりも薄く且つ前記キャリアのド・ブロイ波長より厚い、連続的なエネルギーバンドを備えた膜を少なくとも含み、前記エネルギーバンドにおいて前記キャリアはエネルギー緩和される、ことを特徴とするカスケードレーザ素子。
【請求項２】
前記エネルギーバンドを備えた膜はキャリアを有していることを特徴とする請求項1に記載のカスケードレーザ素子。
【請求項３】
前記電界印加手段により前記多重量子井戸に所定の電界が印加されるときに、前記多重量子井戸に電流が流れ、前記第一の領域において光を放出或いは吸収することを特徴とする請求項1または2に記載のカスケードレーザ素子。
【請求項４】
前記第一の領域において放出される光に共振する光共振器構造を有し、レーザ発振することを特徴とする請求項3に記載のカスケードレーザ素子。
【請求項５】
前記多重量子井戸は光を吸収する構造を有し、光検出することを特徴とする請求項3に記載のカスケードレーザ素子。
【請求項６】
前記多層膜構造は、前記第一の領域と前記第二の領域とがその順番で繰り返される構造を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のカスケードレーザ素子。
【請求項７】
請求項1から6のいずれか1項に記載のカスケードレーザ素子と、前記カスケードレーザ素子にキャリアを注入するためのキャリア注入手段と、を備え、
前記電界印加手段により前記カスケードレーザ素子に所定の電界を印加して前記キャリア注入手段からキャリアを注入するときに、光を放出或いは吸収することを特徴とするカスケードレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（30GHz〜30THz）の周波数領域内の周波数帯における光半導体素子および半導体レーザ素子に関する。特には、所謂カスケードレーザ構造を有し、レーザ発振、光増幅、光検出などの用途に使用可能なカスケードレーザ素子等に関する。
【背景技術】
【０００２】
新しい種類の半導体レーザとして、量子カスケードレーザと名づけられた、伝導帯或いは価電子帯の同一エネルギー帯内におけるキャリアのサブバンド間遷移に基づく半導体レーザが知られている。量子カスケードレーザの発振波長は、光学遷移に関する2つのサブバンドのエネルギー間隔に依存する。そのため、広いスペクトル領域（中赤外域からテラヘルツ帯まで）に渡って発振波長を選択できる可能性がある。非特許文献1に開示されるように、はじめに、中赤外域4.2μmに発振波長が選択された構成によって、この様なレーザが実現可能であることが実証された。また、サブバンドの構成が異なる特許文献1の提案においては、中赤外域7.2μmのレーザ発振を達成している。最近では、生体センシングなどに有用と考えられているテラヘルツ帯の電磁波資源の需要もあり、発振波長を中赤外域より長波長側に選択した長波長レーザの開発が行われるようになっている。例えば、特許文献2に開示されるように、テラヘルツ帯における約120μm（約2.5THz）のレーザ素子が提案されている。
【０００３】
量子カスケードレーザの構成の概要を、図4を参照しながら以下に説明する。
図4は、設計した電界が量子カスケードレーザに印加されたときの伝導帯構造の一部を示している。活性領域410は、例えば、障壁441、443、445と量子井戸442、444、446とから構成されている。これらの構成により、活性領域410においてサブバンド411、412、413が形成されている。緩和領域420は、障壁451、453、455、457と量子井戸452、454、456、458とから構成され、これらの構成により、複数のサブバンドが束ねられたミニバンド421が形成されている。この様に活性領域410と緩和領域420とが交互に複数繰り返されるのが量子カスケードレーザの特徴で、符号430は次の繰り返しの活性領域を表す。
【０００４】
設計した電界が上記量子カスケードレーザに印加されたとき、電流が流れる様子を説明すると以下のようになる。電子は、活性領域410においてサブバンド411からサブバンド412へ光学遷移401し、サブバンド411とサブバンド412とのエネルギー間隔に相当する波長の光が放出される。続けて、活性領域410のサブバンド412における電子は、光学フォノン散乱402等によってサブバンド413を経由し、サブバンド411とサブバンド412の間の反転分布を確保して、緩和領域420へ抽出される。緩和領域420のミニバンド421を経由した電子は、次の活性領域430へ注入され、再び、活性領域410と同じ光学遷移を行う。
【０００５】
この様に、典型的な量子カスケードレーザにおける緩和領域の構成としては、ミニバンドを用いる構成が開示されている。また、特許文献2の量子カスケードレーザは、活性領域において緩和機構を持たせない例を開示しており、緩和領域にサブバンドを用いることによって、活性領域における光学遷移に関する2つのサブバンド間の反転分布を確保する構成となっている。
【特許文献１】特開2000-101201号公報
【特許文献２】特開2006-032691号公報
【非特許文献１】Nature, Vol. 417, 156(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した様に、従来の量子カスケードレーザは、活性領域をカスケード接続するための緩和領域に、エネルギーの等しい複数のサブバンドが束ねられて構成されるミニバンドやサブバンドを用いるものであった。
【０００７】
こうした技術状況において、本発明では次の点に着目した。すなわち、活性領域にサブバンドやミニバンドを持たせることは、サブバンド間遷移を利用するためにも必要であるが、以下の要件を満たすことができるのならば、緩和領域にサブバンドやミニバンドを持たせることは必ずしも必要ではない。その一つ目の要件とは、活性領域におけるサブバンドに対する選択的なキャリア抽出/注入が行えることである。二つ目の要件とは、カスケード接続された複数の活性領域が或る1つの電磁モードに寄与できることである。
【０００８】
従って、本発明の目的は、緩和領域にミニバンドやサブバンドを用いる従来技術とは別の観点から、活性領域のサブバンドに対して選択的なキャリア抽出/注入を行え、尚も複数の活性領域が同期して1つの電磁モードに寄与できる構造としたカスケードレーザ素子等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のカスケードレーザ素子は、次の特徴を有する。ポテンシャル障壁と量子井戸とを備えた多重量子井戸を含む多層膜構造と、前記多層膜構造に電界を印加するための手段と、を有し、前記多層膜構造は2つの第一の領域と第二の領域を少なくとも含み、前記第二の領域は前記第一の領域で挟まれる。前記第一の領域は複数のサブバンドを含み、電界が印加されるとき第一の領域におけるエネルギーの上流側のサブバンドからポテンシャル障壁を介したエネルギーの下流側のサブバンドへ、キャリアが光と相互作用することで許容されるトンネリングによって輸送される。更に、前記第二の領域は、前記光の表皮深さ（これの詳細は後述する）の2倍よりも薄く且つ前記キャリアのド・ブロイ波長より厚い、連続的なエネルギーバンドを備えた膜（これは、離散化されたサブバンドを含まない膜である）を少なくとも含む。そして、前記エネルギーバンドを経てキャリアが下流側の前記第一の領域に注入され、前記エネルギーバンドにおいて前記キャリアはエネルギー緩和される。
【００１０】
また、本発明のカスケードレーザ装置は、次の特徴を有する。上記カスケードレーザ素子と、このカスケードレーザ素子にキャリアを注入するためのキャリア注入手段と、を備え、前記電界印加手段により前記カスケードレーザ素子に所定の電界を印加してキャリアを注入するときに、光を放出或いは吸収する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、前記第二の領域が比較的単純な膜構成であるので、作製精度に対する許容度が比較的高いカスケードレーザ素子等を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を説明する。本発明によるカスケードレーザ素子の基本的な実施形態は次の様な構成を有する。まず、ポテンシャル障壁と量子井戸とを備えた多重量子井戸を含む多層膜構造と、この多層膜構造に電界を印加するための電界印加手段と、を有する。前記多層膜構造は、2つの第一の領域と、これら第一の領域で挟まれる第二の領域との3つの領域を少なくとも含む。例えば、多層膜構造は、第一の領域と第二の領域とがその順番で繰り返される構造を有する。前記第一の領域は複数のサブバンドを含み、電界が印加されるとき第一の領域におけるエネルギーの上流側のサブバンドからポテンシャル障壁を介したエネルギーの下流側のサブバンドへ、キャリアが光と相互作用することで許容されるトンネリングによって輸送される。前記第二の領域は、前記光の表皮深さの2倍よりも薄く、エネルギーバンドを備えた膜を少なくとも含み、前記エネルギーバンドにおいて前記キャリアはエネルギー緩和される。すなわち、第二の領域は、ほぼ連続的なエネルギーバンドを有するように、前記キャリアのド・ブロイ波長（これの詳細は後述する）より厚い膜を備える。
【００１３】
下流側の第一の領域へより多くのキャリアを注入するため、前記エネルギーバンドを備えた膜はキャリアを有しているのが好ましい。上記構成において、前記電界印加手段により前記多重量子井戸に所定の電界が印加されるときに、多重量子井戸に電流が流れ、第一の領域において光を放出或いは吸収する。前記第一の領域において放出される光に共振する光共振器構造を有する場合、カスケードレーザ素子はレーザ発振する。前記多重量子井戸が光を吸収する構造を有する場合、カスケードレーザ素子は光検出する。
【００１４】
上記のカスケードレーザ素子と、前記カスケードレーザ素子にキャリアを注入するためのキャリア注入手段とを備えてカスケードレーザ装置を構成することができる。ここでは、前記電界印加手段によりカスケードレーザ素子に所定の電界を印加してキャリアを注入するときに、光を放出或いは吸収する。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明によるカスケードレーザ素子の具体的な実施例を、図面を参照して説明する。
（実施例1）
図1は、本発明を適用できるカスケードレーザ素子の第1の実施例を示すもので、カスケードレーザ素子構成のバンドプロファイルの一部を表している。本実施例のカスケードレーザ素子は、ポテンシャル障壁141、143、151と量子井戸142、144とを備える多重量子井戸と、膜152とを含む多層膜構造と、バンドプロファイルをエネルギーの上流側から下流側に傾斜させる電界印加手段から構成される。電界印加手段としては、多層膜構造を挟むように電極を備え、これらを電源と接続する手段などが可能である（後述の実施例2、3参照）。
【００１６】
本発明を適用できる第一の領域110は、量子カスケードレーザにおける活性領域と同様の配置となるため、以降、単に活性領域と呼ぶ。活性領域110では、光学遷移に関する2つのサブバンドがポテンシャル障壁を介して配されるように、例えば、2つの量子井戸142、144を備える。この様にして、量子井戸142にはサブバンド111が、量子井戸144にはサブバンド112が形成される。これらの間にポテンシャル障壁143を配して弱い結合（波動関数の重なりが比較的小さい結合）を持たせ、更に、所定の電界を印加する。このとき、エネルギーの上流側のサブバンド111からエネルギーの下流側のサブバンド112へキャリアが光と相互作用することで許容されるトンネリング101によって輸送される。これは、photon-assisted
tunneling或いはフォトンアシストトンネル遷移ともいう。
【００１７】
図1のようにサブバンドｉ111のエネルギーＥｉがサブバンドｆ112のエネルギーＥｆより大きいとき、次の式（1）を満たすｈνの光（電磁波）が放出される。
Ｅｉ−Ｅｆ＝ｈν            （1）
ここで、ｈはプランク定数、νは光（電磁波）の周波数を表す。エネルギーＥｉとエネルギーＥｆとは、多重量子井戸の構成や印加される電界の大きさに依存する。よって、サブバンドｉ111とサブバンドｆ112とのエネルギー間隔に相当する光（電磁波）の波長は、多重量子井戸の構成と印加電界の大きさによって選択することができる。こうしたフォトンアシストトンネル遷移は、光（電磁波）の周波数νを、例えば、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（30GHz〜30THz）の範囲で選択するのに好ましい。
【００１８】
本発明を適用できる第二の領域120は、量子カスケードレーザにおける活性領域をカスケード接続するための緩和領域と同様の配置となるため、以降、単に緩和領域と呼ぶ。
【００１９】
緩和領域120では、ほぼ連続的なエネルギーバンド121を有するように、キャリアのド・ブロイ波長より厚い膜152を備える。ド・ブロイ波長とは量子力学的な波としての性質が顕著になる長さのことであるから、ド・ブロイ波長より厚い膜152とは、離散化されたサブバンドが形成されない量子井戸152ともいえる。キャリアのド・ブロイ波長としては、これを構成する材料とキャリアの種類に依る。半導体中の電子であれば、ド・ブロイ波長としてはおよそ50nmが上限、半導体中の正孔であればおよそ20nmが上限、金属中の電子であればおよそ1nmが上限である。故に、膜152の厚さは、膜152の材料が半導体でキャリアが電子であるときは、例えば50nm以上とする。
【００２０】
図5は、膜ないし量子井戸152の更に具体的な例を示すものである。GaAs系の半導体材料を想定し、キャリアが電子であるときにおいて、膜厚とシュレディンガー方程式の解（サブバンド）の関係を示すものである。図5（a）は、膜厚が200nmのときの関係を示しており、量子井戸にはサブバンドが高密度に形成され、ほぼ連続的なエネルギーバンドを有していることが分かる。この様にして現れるエネルギーバンドは、元々、膜152の材料が母材として有しているものであるから、作製精度に対する許容度であるロバスト性の高い構造となる。図5（b）は、膜厚が20.0nmのときの関係を示しており、量子井戸には、離散化されたサブバンドが形成されることが分かる。こうして離散化されたサブバンドが形成された量子井戸は、本発明では採用しない。
【００２１】
エネルギーバンド121は、光学フォノン散乱などの緩和機構を有している。そのため、この様な緩和領域120においてキャリアはエネルギー緩和され、エネルギーバンド121内において準フェルミ分布に従うようになる。また、活性領域における光学遷移に関する2つのサブバンドが空間的に隔てられているので、エネルギーバンド121は、活性領域110におけるエネルギーの下流側のサブバンドｆ112のみを経由するキャリアを選択的に抽出できるようになる。故に、緩和領域120にほぼ連続的なエネルギーバンド121を利用しても、サブバンドｉ111とサブバンドｆ112との間に反転分布を確保することができるようになる。尚、次の活性領域130へのより多くのキャリア注入のため、膜152はキャリアを有するように構成すると好ましい。つまり、膜152の材料が半導体であれば、キャリアドープして構成すると好ましい。
【００２２】
一方で、活性領域と緩和領域とが繰り返されるカスケードレーザ素子において、活性領域110において放出される光（電磁波）は、活性領域130において放出される光（電磁波）と、連成振り子の様に或る1つの電磁モードに同期する必要がある。そのために、緩和領域120の厚さｄ120は放出される光（電磁波）の表皮深さより薄くする。表皮深さ（skin
depth）δは、近似的に、次の式（2）で与えられることが知られており、光（電磁波）の周波数νや、緩和領域120におけるエネルギーバンド121の電気伝導度σや、透磁率μに依存する。
δ＝1/√(πνμσ)            （2）
【００２３】
次の表1は、いくつかの半導体材料や金属材料の電気伝導度と電磁波の周波数をパラメータとした表皮深さδの関係を示すものである。
【００２４】
【表１】
0005106260.tif 000002
【００２５】
ここで、半導体材料については、O. Madelung著 “Semiconductors-Basic Data (2nd
Rev. Ed.)” Springer(1996)における有効質量、移動度を参照した。また、当業者によく知られたドゥルーデモデルにより、キャリア濃度(concentration)に依存した電気伝導度(conductivity)を導出した。印*の付いたGaAsSbについては、J.Crystal
Growth, Vol.221, 59(2000)の電気伝導度を参照した。また、金属材料の電気伝導度については、David M. Pozar著 “Microwave Engineering (3rd
Ed.)” John Wiley & Sons, Inc.(2005)を参照した。式（2）より、光（電磁波）の周波数が高いほど表皮深さは薄くなるが、例えば表1から分かるように、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（30GHz〜30THz）においては、いずれの材料も適度な厚さといえる。つまり、十分精度良く作製できる厚さである。
【００２６】
図6は、緩和領域120の更に具体的な例を示すものである。例えば、活性領域110、130がInGaAs系の半導体材料で構成され、これに挟まれた緩和領域120における膜152の材料が電子濃度1×1018cm-3のn-InGaAs（厚さ3200nm）で構成されたときの電磁モードと周波数の関係を示す。図6(a)は、活性領域110、130と緩和領域120における0.3THzでの電磁モードaのプロファイルを示す。図6(b)は、活性領域110、130と緩和領域120における0.3THzでの電磁モードbのプロファイルを示す。図6(c)は、活性領域110と緩和領域120が同相となる電磁モードa（図6(a)）とそうでない電磁モードb（図6(b)）のモード損失の周波数依存性を示している。図6(c)によれば、特に周波数が約1THz以下において、aとbのモード損失に差が開くことが分かる。というのも、緩和領域120の厚さｄ120と表皮深さδとの間には、指数関数的な関係が存在するからである。
【００２７】
これを式に表すと、緩和領域120は活性領域110、130に挟まれるから、近似的には、緩和領域120の厚さの半分が表皮深さ以下となるとき、つまり、次の式（3）のとき、aとbのモード損失に差が開く。
ｄ120/2≦δ(ν)            （3）
【００２８】
いまの具体例の場合、式（3）を満たす右辺の表皮深さにおける光（電磁波）の周波数帯は1THz以下であり、先の1THz以下と一致する。こうして、式（3）を満たす様に右辺の表皮深さにおける光（電磁波）の周波数帯を選択することによって、活性領域110と活性領域130とが電磁モードaに寄与できるようになる。これを言い換れば、式（3）を満たす様な左辺の厚さを選択することによって、活性領域110と活性領域130とが電磁モードaに寄与できるようになる、といっても良い。尚、図6における計算手法としては、マクスウェル方程式の有限要素法ソルバを用いた。計算モデルとしては、多層膜構造の膜厚方向に一次元的にモデル化し、キャリア濃度に関してはドゥルーデモデルに反映した。
【００２９】
本実施例によるカスケードレーザ素子は次のように動作する。まず、電界印加手段によって所定の電界が印加されたとき、キャリアは活性領域110でサブバンド111からサブバンド112へフォトンアシストトンネル遷移101し、サブバンド111とサブバンド112とのエネルギー間隔に相当する周波数の光（電磁波）を放出する。続けて、活性領域110のサブバンド112におけるキャリアは緩和領域120へ抽出される。緩和領域120を経由した電子は次の活性領域130へ注入され、再び、活性領域110と同じフォトンアシストトンネル遷移を行う。緩和領域120におけるほぼ連続的なエネルギーバンド121内で、キャリアは、準フェルミ分布に従い、サブバンド111とサブバンド112との間に反転分布が確保される。最後に、はじめ個別に光（電磁波）を放出している複数の活性領域110、130が、同期して、或る1つの電磁モードの光を放出するようになる。
【００３０】
更に、活性領域110、130において放出された光（電磁波）を共振させる光共振器構造を備えると、レーザ発振を行うカスケードレーザ素子として動作する。光共振器構造としては、端面などを有する表面プラズモン導波路が好ましい。しかし、これに限ることはなく、他の光共振器構造（空洞共振器、DFB共振器など）も利用することができる。また、端面の反射率を抑え、共振を低減するように機能する無反射コートを端面にコーティングすると、一方の端面から入力された光は、もう一方の端面に増幅されて出力され、カスケード型増幅素子として動作させることも可能である。また、光共振器構造を備えずに光（電磁波）の放出を行うカスケード型光放出素子として動作させることも可能である。
【００３１】
また、以上の動作は、活性領域110、緩和領域120を複数回繰り返した構成においても可能である。そのため、本実施例によるカスケードレーザ素子の多層膜構造の構成としては、活性領域110、緩和領域120を複数回繰り返した構成にも容易に拡張することができる。
【００３２】
多層膜構造の材料としては、例えば半導体材料である、GaAs基板上のGaAs/AlGaAsやInP基板上のInGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAsを利用してもよい。また、これらに限ることはなく、InAs基板上のInAs/AlAsSbやInAs/AlSb、InP基板上のInGaAs/AlGaAsSb、Si基板上のSi/SiGeといった半導体多層膜構成も可能である。もちろん、半導体材料のみに限ることはなく、半導体/金属ヘテロ接合による多層膜構造や、金属ヘテロ接合による多層膜構造でもよい。
【００３３】
本実施例によれば、緩和領域において、サブバンド設計の必要がないエネルギーバンドを持たせる構成とするため、従来の量子カスケードレーザより作製精度に対する許容度であるロバスト性の高い構造となる。また、活性領域において、ポテンシャル障壁によって、光学遷移に関する2つのサブバンドをエネルギーの上流側と下流側とに隔てた構成とするため、緩和領域に連続的なエネルギーバンドを利用する場合でも選択的なキャリア抽出/注入を行える。尚も、緩和領域の厚さの半分を光（電磁波）の表皮深さより薄くするため、例えば、光共振器構造を伴ったとき、複数の活性領域が同期して1つのレーザ発振モードに寄与することができる。
【００３４】
それ故、緩和領域が比較的単純な膜構成であって、作製精度に対する許容度が比較的高い構造において、活性領域におけるサブバンドに対して選択的なキャリア抽出/注入を行え、尚も複数の活性領域が同期して1つの電磁モードに寄与することができるカスケードレーザ素子を提供することが可能となる。また、ロバスト性が高いことによる特性の向上も期待することができ、例えば、レーザ発振素子などとして用いる場合、発光効率を増大することができる。
【００３５】
（実施例2）
図2は、本発明を適用できるカスケードレーザ素子の第2の実施例を示すものである。図2(a)は、本実施例による伝導帯構造を表しており、緩和領域220が、離散化されたサブバンドを含まない膜254とスペーサ252、256とから構成される。
【００３６】
本実施例において、多層膜構造は、次に示すとおりの多重量子井戸を含む半導体多層膜構造で構成される。多重量子井戸における井戸層にはInP基板上に格子整合するInGaAsを用い、障壁層には格子整合するInAlAsや非整合のAlAsを用いる。また、具体的に各層は、エネルギーの上流から下流へ順に、次の様な半導体多層膜構造を構成する。
AlAs1.3nm(241)/InGaAs5.6nm(242)/InAlAs2.6nm(243)/InGaAs7.6
nm(244)/AlAs1.3nm(251)/InGaAs5.0nm(252)/n-InGaAs400nm(254)/InGaAs5.0nm(256)
【００３７】
このうち、初めから途中の厚さ1.3nmのAlAs251までが活性領域210、230であって、途中の厚さ1.3nmのAlAs251から最後までが緩和領域220である。緩和領域220における厚さ400nmのn-InGaAs254は、ほぼ連続的なエネルギーバンド221を形成する。また、n-InGaAs254にはキャリアドープを行い、2×1018 cm‐3程度の電子濃度とし、前の活性領域210のコレクタ、次の活性領域230のエミッタとして機能させる。また、スペーサ252、256は、キャリアドープの際の偏析を低減するための層である。こうした緩和領域220の厚さは410nmである。その半分が、活性領域において放出される光（電磁波）の表皮深さより小さくなるように、光（電磁波）の周波数帯が選択される。その周波数は、n-InGaAs254の電気伝導度と上記式（3）を参照すれば、約30THz以下となる。
【００３８】
上記の活性領域210、230の構成においては、約220kV/cmの電界が印加されたとき電流密度約280kA/cm2の電流が流れる。そして、フォトンアシストトンネル遷移によって、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（30GHz〜30THz）の周波数領域で最大600cm-1程度の利得が発生する。フォトンアシストトンネル遷移と利得との関係については、Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 40, 5251（2001）を参照した。従って、上記の30THz以下では、整合性のとれた活性領域210、230、緩和領域220となっている。
【００３９】
図2(b)は、本実施例によるカスケードレーザ素子の構造断面を表しており、表面プラズモン導波路を構成した例を示すものである。活性領域210、230の外側に、負誘電率媒質である電気的接点261、262、負誘電率クラッド265、266と、電極271、272をそれぞれ備え、表面プラズモン導波路を構成する。電気的接点261、262としては、InP基板に格子整合するn-InGaAs（厚さ50nm）の半導体膜で構成する。主としてエミッタ・コレクタとして機能させるためのキャリアドープを行い、電子濃度を2×1018cm‐3とする。こうした観点から、電気的接点261、262はキャリア注入手段を構成すると言える。負誘電率媒質265、266としては、やはりInP基板に格子整合するn-InGaAs（厚さ100nm）の半導体膜で構成する。主として表面プラズモンを保持する負誘電率クラッドとして機能させるために比較的高濃度なキャリアドープが好ましく、例えば、電子濃度を1×1019cm‐3とする。図2(b)では、InP基板はすでに除去されており、上記のエピタキシャル層が転写用基板21上に転写されるなどして、負誘電率媒質265、266が、Ti/Pd/Auなどの電極271、272とオーミックに接している。
【００４０】
この様にしたエピタキシャル層方向を一次元的にモデル化して計算した結果が図7に示されている。図7は、本実施例における電磁モードaと電磁モードbのモード損失の周波数依存性と1.0THzにおける電磁モードaのプロファイルを示す。図7に示された周波数領域のうち、本発明を適用できる30THz以下においては、活性領域210、230が同期して電磁モードaのみに寄与することができるため、発振モードとしてaを選択することが可能となる。発振波長は、表面プラズモン導波路に端面を備えるなどした光共振器構造によって選択することができる。この様にして、発振波長としては、30THz以下の、例えば、300μm（1THz）などを選択することもできる。
【００４１】
本実施例によるカスケードレーザ素子は次の作製方法で作製することができる。
まず、InP基板上に、分子ビームエピタキシー（MBE）法や有機金属気相エピタキシー（MOVPE）法などによって、次の層を成長させる。すなわち、n-InGaAs層266、262、InGaAs/AlAsまたはInGaAs/InAlAsによる活性領域230、緩和領域220、活性領域210、n-InGaAs層261、265をエピタキシャル成長させる。その表面に電極としてTi/Pd/Au271を蒸着してから、InP基板の研磨を行い120μm程度の厚みにする。次に、数百μm角程度のチップにへき開して、前記電極271とTi/Au薄膜などを蒸着した転写用基板21上のAu薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。AuSnなどの半田を用いた加熱融着でもよい。その後、塩酸によりウエットエッチングを行うと、InP基板だけが選択的に除去されるため、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板21上に転写される形となる。
【００４２】
その後、まず図2(b)のようなメサ形状を、下地が露出するまでホトリソグラフィとドライエッチングにて形成する。以上の工程によって、数百μm程度の長さを持たせ、その両端がへき開面であるストライプ状の導波路共振器構造ができる。次に、プラズマCVD法などによりSiO222を成膜した後、側壁を除くメサ状のエピタキシャル層を露出させる。このとき、パターニングによってストライプ状に窓開けしてエッチングを行えば、側壁を残すことができる。最後に、n-InGaAs層252の表面にリフトオフ法によりTi/Pd/Au電極272を形成して上記構成を完成する。
【００４３】
本実施例において、共振器構造をなす表面プラズモン導波路としては、半導体レーザ技術でよく知られるように、ストライプを伝播方向に変調したDFB型、或いは伝播方向に反射面を分布させて構成したDBR型も可能である。また、外部空間との不整合を低減するため、光技術で知られるように、終端からλ/4だけコーティングを行うARコートなどの構成も可能である。
【００４４】
本実施例も、レーザ発振を行うカスケードレーザ素子の他に、カスケード型増幅素子やカスケード型光放出素子として動作させることが可能である。更には、光検出素子として動作させることも可能である。この場合、電界印加手段としての電極間に所定の電界を印加すると、多重量子井戸によって決められた波長の光はストライプ内で吸収され、光が入力されるときには、多重量子井戸に電流が流れ、光検出の信号となる。光は、例えば、側壁の電極部を除いて形成した窓から入力される。本実施例の効果などのその他の点は、実施例1とほぼ同様である。
【００４５】
（実施例3）
図3は、本発明を適用できるカスケードレーザ素子の第3の実施例を示すものである。図3(a)は、本実施例による伝導帯構造を表しており、緩和領域320が、離散化されたサブバンドを含まない膜356と電気接点354、358とスペーサ352、360とから構成される。この様にすることで、緩和領域320におけるエミッタ・コレクタとしての機能とモード損失の低減とを効果的に両立させることができる。また、設計の自由度をより高めることができる。
【００４６】
本実施例において、多層膜構造は実施例1とほぼ同様であって、次に示すとおりの多重量子井戸を含む半導体多層膜構造で構成される。多重量子井戸における井戸層にはInP基板上に格子整合するInGaAsを用い、障壁層には格子整合するInAlAsや非整合のAlAsを用いる。また、具体的に各層は、エネルギーの上流側から下流側へ順に、次の様な半導体多層膜構造を構成する。
AlAs1.3nm(341)/InGaAs5.6nm(342)/InAlAs2.6nm(343)/InGaAs7.6
nm(344)/AlAs1.3nm(351)/InGaAs5.0nm(352)/n-InGaAs50nm(354)/n-InGaAs300nm(356)/n-InGaAs50nm(358)/InGaAs5.0nm(360)
【００４７】
このうち、初めから途中の厚さ1.3nmのAlAs351までが活性領域310、330であって、途中の厚さ1.3nmのAlAs351から最後までが緩和領域320である。緩和領域320における厚さ300nmのn-InGaAs356は、ほぼ連続的なエネルギーバンド321を形成する。また、n-InGaAs354、358にはキャリアドープを行い、2×1018cm‐3程度の電子濃度とし、前の活性領域310のコレクタ、次の活性領域330のエミッタとして機能させる。実施例2と異なるのは、n-InGaAs356である。エミッタ・コレクタとして機能する部分とは別であるため、単純にモード損失の低減のために設計することができる。
【００４８】
こうしたn-InGaAs356には高濃度なキャリアドープを行い、1×1019cm‐3程度の電子濃度として、モード損失を低減することができる。従って、緩和領域320の厚さは410nmである。その半分が、活性領域において放出される光（電磁波）の表皮深さより小さくなるように、光（電磁波）の周波数帯が選択され、n-InGaAs356の電気伝導度と上記式（3）を参照すると、約9THz以下となる。活性領域は実施例2と同じ構成となっているため、上記の9THz以下では整合性のとれた活性領域310、330、緩和領域320となっている。
【００４９】
実施例2と同様にエピタキシャル層方向を一次元的にモデル化して計算した結果が図8である。図8は、本実施例における電磁モードaと電磁モードbのモード損失の周波数依存性と1.0THzにおける電磁モードaのプロファイルを示す。図8に示された周波数領域のうち、本発明を適用できる9THz以下においては、活性領域310、330が同期して電磁モードaに寄与することができるため、増幅モードとしてaを選択することが可能となる。増幅可能な周波数帯としては、例えば、0.3THz〜1THzなどを選択することもできる。
【００５０】
本実施例において、伝送構造をなす表面プラズモン導波路としては、マイクロ波技術でよく知られるように、λ/4インピーダンス変換器を設けて、外部空間や外部伝送線路との不整合を低減してもよい。これには、終端（端面）からλ/4だけ導波路にテーパーを与えるなどの構成も可能である。本実施例の効果などのその他の点は、上記実施例とほぼ同様である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明を適用できるカスケードレーザ素子における実施例1の構成の伝導帯構造のバンドプロファイルを示す図。
【図２】(a)は本発明を適用できるカスケードレーザ素子における実施例2の構成の伝導帯構造のバンドプロファイルを示す図、(b)は実施例2のカスケードレーザ素子の構造断面を示す図。
【図３】(a)は本発明を適用できるカスケードレーザ素子における実施例3の構成の伝導帯構造のバンドプロファイルを示す図、(b)は実施例3のカスケードレーザ素子の構造断面を示す図。
【図４】従来の量子カスケードレーザ素子における伝導帯構造のバンドプロファイルの一例を示す図。
【図５】実施例1における量子井戸152のバンドプロファイルを説明する図であって、(a)は量子井戸152において離散化されていないサブバンドの様子を示す図、(b)は実施例1では採用しない量子井戸において離散化されているサブバンドの様子を示す図。
【図６】実施例1における第二の領域120の電磁モードの解析例を説明する図であって、(a) と(b)は2つの電磁モードのプロファイルをそれぞれ示す図、(c)はそれぞれのモード損失の周波数依存性を示す図。
【図７】実施例2における電磁モードの解析例を説明する図。
【図８】実施例3における電磁モードの解析例を説明する図。
【符号の説明】
【００５２】
21、31…基板
22、32…パッシベーション膜
101、201、301…フォトンアシストトンネル遷移
110、130、210、230、310、330…第一の領域（活性領域）
111、112、211、212、311、312…サブバンド
120、220、320…第二の領域（緩和領域）
121、221、321…エネルギーバンド
141、143、151、241、243、251、341、343、351…障壁
142、144、152、242、244、252、254、256、342、344、352、354、356、358、360…量子井戸
152、254、356…膜
252、256、352、360…スペーサ
261、262、361、362…電気的接点（負誘電率媒質、キャリア注入手段）
265、266、365、366…負誘電率クラッド（負誘電率媒質）
271、272、371、372…電極
354、358…電気的接点
【図１】
0005106260.tif 000003
【図２】
0005106260.tif 000004
【図３】
0005106260.tif 000005
【図４】
0005106260.tif 000006
【図５】
0005106260.tif 000007
【図６】
0005106260.tif 000008
【図７】
0005106260.tif 000009
【図８】
0005106260.tif 000010