(57)【要約】【課題】広帯域にわたり低閾値電流密度で動作する量子カスケードレーザを提供すること。【解決手段】量子カスケードレーザ１００は、図１（Ａ）に示すように、ＩｎＡｓ基板１０１と、ＩｎＡｓ基板１０１上のＳｉ−ＩｎＡｓクラッド層１０２と、Ｓｉ−ＩｎＡｓクラッド層１０２上のＳｉ−ＩｎＡｓコア層１０３と、Ｓｉ−ＩｎＡｓコア層１０３上の活性領域１１０と、活性領域１１０上のＳｉ−ＩｎＡｓコア層１０４と、Ｓｉ−ＩｎＡｓコア層１０４上のＳｉ−ＩｎＡｓコア層１０５とを備える。活性領域１１０は、図１（Ｂ）に示す井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造が周期的に繰り返されたものであり、井戸層１１１としてＩｎＡｓ1-xＳｂx（０≦ｘ＜１）を、障壁層１１２としてＡｌＡｓyＳｂ1-y（０≦ｙ＜１）を用いている。井戸層１１１および障壁層１１２の組成は、活性領域１１０における歪みが低減されるように選択している。【選択図】図１
2009188197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を活性領域として有する量子カスケードレーザにおいて、
前記井戸層はＩｎＡｓ1-xＳｂx（０≦ｘ＜１）、前記障壁層はＡｌＡｓyＳｂ1-y（０≦ｙ＜１）であり、
前記ｘおよびｙは、ｘ＝ｙ＝０のときよりも歪みが低減されるように選択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】
前記活性層において、前記井戸層と前記障壁層とが形成する複数の界面に、ＡｌＡｓ型ボンドが少なくとも１つ以上存在することを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項３】
前記複数の界面に、ＡｌＡｓ型ボンドおよびＩｎＳｂ型ボンドの両方が存在することを特徴とする請求項２に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を活性領域として有する量子カスケードレーザにおいて、
前記井戸層はＩｎＡｓ1-xＳｂx（０≦ｘ＜１）、前記障壁層はＡｌＡｓyＳｂ1-y（０≦ｙ＜１）であり、
前記活性層において、前記井戸層と前記障壁層とが形成する複数の界面に存在するボンドは、すべてがＡｌＡｓ型ボンドのときよりも歪みが低減されるように選択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５】
前記複数の界面に、ＡｌＡｓ型ボンドおよびＩｎＳｂ型ボンドの両方が存在することを特徴とする請求項４に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記ｘおよびｙは、ｘ＝ｙ＝０のときよりも歪みが低減されるように選択されていることを特徴とする請求項５に記載の量子カスケードレーザ。
【請求項７】
前記量子カスケードレーザを形成する超格子の基板面に垂直方向の平均格子定数の値は、前記量子カスケードレーザの基板の格子定数に対して±０．８％以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
【請求項８】
前記量子カスケードレーザの基板は、ＩｎＡｓ単結晶またはＧａＳｂ単結晶であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに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、量子カスケードレーザに関し、より詳細には、広帯域にわたり低閾値電流密度で動作する量子カスケードレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子カスケードレーザは、大きな振動子強度を持つことや広い波長領域で発光波長を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の多重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が報告されている（特許文献１〜３、ならびに非特許文献１および２参照）。また本発明者らは、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂの多重量子井戸構造を提案している（特許文献４および非特許文献３参照）。
【０００３】
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装置は、大規模であったために非常に高価で消費電力も大きく、かつ波長可変性等の機能性も乏しかった。一方で量子カスケードレーザは、小型で機能性にも優れ、また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。これまで実用化されている量子カスケードレーザはＩｎＰ基板上に成長したＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの多重量子井戸構造を用いている。またＧａＡｓ基板上に成長したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸構造によるレーザも実現されている。
【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
【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】K. Ohtani and H. Ohno, Applied Physics Letters, Vol. 74, 1409 (1999)
【非特許文献４】P. van der Sluis, Applied physics letters, 62 (1993) 1898
【非特許文献５】J. Sigmund, K. Karova, G. Miehe, M. Saglam, H. L. Hartnagel and H. Fuess, Journal of crystal growth, 251 (2003) 526
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらのレーザは、基板に対する活性層の格子ミスマッチが殆どない材料で量子井戸を設計できるため、リーク電流の原因となる結晶欠陥を生じることなく成長可能であるという製造上のメリットを有するものの、材料の持つ有効質量が比較的大きいため、双極子モーメントが小さく非放射再結合時間が短くなり、その結果レーザの発振閾値電流密度が高くなるという問題点がある。
【０００６】
またΓ点における伝導帯のバンドオフセットが、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの量子井戸構造では０．５３ｅＶ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓでは０．３９ｅＶ程度しかなく、発振波長が短くなってエネルギーがこれらの値に近づくと、電子の井戸層内への閉じ込めが生じにくくなるため発振が得られないという問題点もある。
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広帯域にわたり低閾値電流密度で動作するＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系量子カスケードレーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を活性領域として有する量子カスケードレーザにおいて、前記井戸層はＩｎＡｓ1-xＳｂx（０≦ｘ＜１）、前記障壁層はＡｌＡｓyＳｂ1-y（０≦ｙ＜１）であり、前記ｘおよびｙは、ｘ＝ｙ＝０のときよりも歪みが低減されるように選択されていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記活性層において、前記井戸層と前記障壁層とが形成する複数の界面に、ＡｌＡｓ型ボンドが少なくとも１つ以上存在することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記複数の界面に、ＡｌＡｓ型ボンドおよびＩｎＳｂ型ボンドの両方が存在することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を活性領域として有する量子カスケードレーザにおいて、前記井戸層はＩｎＡｓ1-xＳｂx（０≦ｘ＜１）、前記障壁層はＡｌＡｓyＳｂ1-y（０≦ｙ＜１）であり、前記活性層において、前記井戸層と前記障壁層とが形成する複数の界面に存在するボンドは、すべてがＡｌＡｓ型ボンドのときよりも歪みが低減されるように選択されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記複数の界面に、ＡｌＡｓ型ボンドおよびＩｎＳｂ型ボンドの両方が存在することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記ｘおよびｙが、ｘ＝ｙ＝０のときよりも歪みが低減されるように選択されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記量子カスケードレーザを形成する超格子の基板面に垂直方向の平均格子定数の値が、前記量子カスケードレーザの基板の格子定数に対して±０．８％以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、前記量子カスケードレーザの基板が、ＩｎＡｓ単結晶またはＧａＳｂ単結晶であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系を用い、かつ活性領域における歪みが低減されるようにＩｎＡｓ1-xＳｂx（０≦ｘ＜１）で構成された井戸層の組成およびＡｌＡｓyＳｂ1-y（０≦ｙ＜１）で構成された障壁層の組成をそれぞれ選択することにより、広帯域にわたり低閾値電流密度で動作する量子カスケードレーザ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】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施携帯を詳細に説明する。  
（実施形態１）  
図１は、実施形態１の量子カスケードレーザを示している。量子カスケードレーザ１００は、図１（Ａ）に示すように、ＩｎＡｓ基板１０１と、ＩｎＡｓ基板１０１上のＳｉ−ＩｎＡｓクラッド層１０２と、Ｓｉ−ＩｎＡｓクラッド層１０２上のＳｉ−ＩｎＡｓコア層１０３と、Ｓｉ−ＩｎＡｓコア層１０３上の活性領域１１０と、活性領域１１０上のＳｉ−ＩｎＡｓコア層１０４と、Ｓｉ−ＩｎＡｓコア層１０４上のＳｉ−ＩｎＡｓコア層１０５とを備える。活性領域１１０は、図１（Ｂ）に示す井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造が周期的に繰り返されたものであり、井戸層１１１としてＩｎＡｓ1-xＳｂx（０≦ｘ＜１）を、障壁層１１２としてＡｌＡｓyＳｂ1-y（０≦ｙ＜１）を用いている。図１（Ｂ）に示される井戸層１１１および障壁層１１２の膜厚については実施例を説明する際に言及する。基板には、ＧａＳｂ基板を用いてもよい。
【００１８】
本発明に係る量子カスケードレーザ１００は、井戸層１１１にＩｎＡｓ1-xＳｂxを用いているため井戸層１１１内の有効質量が小さい。そのため、例えばＧａＡｓと比較して、非放射再結合時間が３倍程度長く、発振閾値電流密度が１／５程度に低減される。
【００１９】
また、ＩｎＡｓとＡｌＳｂとの間のΓ点における伝導帯バンドオフセットエネルギーが約２．１ｅＶと他の材料に比べて非常に大きいため、広範囲で発光波長を制御することが可能である。加えて、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有する。
【００２０】
さらに、本発明に係る量子カスケードレーザ１００では、活性領域１１０における歪みが低減されるように井戸層１１１および障壁層１１２の組成を選択している。ＩｎＡｓ（格子定数６．０５７Å）とＡｌＳｂ（格子定数６．１３５Å）との間には１．３％程度の格子不整合があり、ＩｎＡｓ上にＡｌＳｂ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、もはや基板と同一の格子定数を保ったまま成長させることができない。ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系量子カスケードレーザの場合、通常１周期は井戸層および障壁層を合わせて２０層程度であり、活性領域はこの多重量子井戸構造が数十回程度繰り返されるので、各層は臨界膜厚以下であっても大きな応力が発生する。このため通常の成長方法では活性領域内に転位が発生し、これが転位に沿った電流リークの原因になるため、レーザ動作の妨げとなる。本発明では、井戸層および活性層の混晶比を制御することによって、ｘ＝ｙ＝０のとき、すなわち井戸層をＩｎＡｓとし障壁層をＡｌＳｂとしたときと比べて、ヘテロ構造全体の歪みを小さくして欠陥の発生を抑制する。ＡｌＳｂを成長するときにＶ族を混晶化してＡｌＡｓyＳｂ1-yを形成すれば、障壁層の格子定数が減少し、ＩｎＡｓを成長するときにＶ族を混晶化してＩｎＡｓ1-xＳｂxを形成すれば、井戸層の格子定数が増加する。Ｖ族の混晶化は、それぞれの層をＭＢＥ等により成長する場合にＶ族原料の供給量を制御することによって実現することができる。なお、ＡｌＳｂに対してＡｓを混晶化する場合、混晶化によっても伝導帯バンドオフセットの変化は小さいため、広範囲に発振波長を制御可能というメリットは損なわれない。
【００２１】
混晶比による歪み低減の効果は、活性領域の平均格子定数を基板の格子定数と比較することによって確かめることができる。これにはＸＲＤ（Ｘ線回折）による方法が簡便であり好ましく、非特許文献４に開示されている、基板に対して垂直方向の超格子の平均格子定数を求める方法を用いることができる。実施例で説明するように、量子カスケードレーザの基板面に垂直方向の平均格子定数が基板の格子定数に対して±０．８％以下であるときに極めて良好な動作特性が得られる。
【００２２】
以上では、井戸層をＩｎＡｓ1-xＳｂxとして説明したが、必ずしもＩＩＩ族にＩｎのみを含むことを意図するものではなく、ＩｎＡｓ1-xＳｂxと同等の働きをする範囲でＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ等を用いてもよい。同様にＡｌＡｓyＳｂ1-yとして説明した障壁層に関しても、ＡｌＡｓyＳｂ1-yと同等の働きをする範囲でＧａＳｂＡｓ、ＡｌＧａＳｂＡｓ、ＡｌＩｎＧａＳｂＡｓ等を用いてもよい。
【００２３】
このレーザでは、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クラッド層と、低濃度にドーピングしたコア層からなるダブルプラズモン型の導波路を用いる。クラッド領域においては、ＩｎＡｓでは発振波長３〜１０μｍに対してドーピング濃度を３×１０18ｃｍ-3から２×１０19ｃｍ-3程度にすればよい。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する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。
【００２４】
一方、自由キャリア濃度が増大すると、その分、自由キャリア吸収による損失が増大する。これを避けるために、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層との間に挿入した構造を用いる。ＩｎＡｓでは発振波長３〜１０μｍに対してドーピング濃度を１×１０16ｃｍ-3から３×１０16ｃｍ-3程度にすればよい。
【００２５】
従来技術では、格子整合できる多層膜の周期数が超格子を構成するそれぞれの層の膜厚に依存し、これを超えると結晶欠陥が発生するなどしてレーザの特性を悪化させてしまうが、本実施形態のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系量子カスケードレーザでは、基板であるＩｎＡｓ又はＧａＳｂにほぼ格子整合するため、数百層の積層数を持つ構造がデバイス特性に致命的な結晶欠陥を生じることなく成長可能である。
【００２６】
本発明の量子カスケードレーザの実現により、機能的であることに加えて、広帯域にわたり低閾値電流密度で動作可能な光源を供給することができるので、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、様々な分野での応用可能性が高まる。応用が考えられる分野としては、近年の大気汚染等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の動作帯域にあるため、有毒ガスセンサ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等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。
【００２７】
（実施形態２）  
実施形態２の量子カスケードレーザは、実施形態１の量子カスケードレーザにおいて、活性領域の界面ボンドを制御した構造を有する。ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系超格子をＭＢＥにより成長する場合、界面はＩｎＳｂ型のボンドで形成するのが一般的である（非特許文献５参照）。これは、ＩｎＳｂ型にすることにより界面のインターミキシング（ｉｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ）が抑制されて急峻な界面が得られやすく、良好なデバイス特性が得られやすいためと理解されている。しかしながら、ＩｎＳｂの格子定数は６．４７９ÅとＡｌＳｂよりも更に大きいため、超格子にする場合は井戸層１１１における面内の圧縮応力を増加させる方向に働き、特に量子カスケードレーザでは積層数が多いために転位の発生する原因となり、デバイス特性に致命的な影響を与える。一方でＡｌＡｓの格子定数は５．６６１ÅとＩｎＡｓよりも小さく、界面ボンドをＡｌＡｓ型とすると井戸層１１１における面内の圧縮応力を軽減させる。したがって、界面ボンドの種類および数を制御して、少なくとも１つ以上のＡｌＡｓ型ボンドを存在させることによって、応力を低減することが可能である。
【００２８】
各界面ボンドの形成には、形成時に原料供給のシャッターシーケンスを制御し、おのおの１原子層分に当たるＡｌＡｓあるいはＩｎＳｂを成長することによって実現することができる。例えばＩｎＡｓ1-xＳｂx成長後にＡｌＡｓ型界面を形成する場合は、まず、ＩｎＡｓ1-xＳｂxを所望の膜厚分だけ成長した後に、Ａｓ以外のセルのシャッターを閉じ、そして１原子層に相当する遅延時間経過後にＡｓセルのシャッターを閉じることによりＩｎＡｓ上をＡｓで終端する。次に、ＡｌＡｓyＳｂ1-yの成長を開始する前に１原子層に相当する時間だけＡｌセルのみを開にしてＡｌを単独供給する時間を設ける。またもう一方の界面では、ＡｌＡｓyＳｂ1-yを所望の膜厚分だけ成長した後に、まずＡｌ以外のセルのシャッターを閉じ、そして１原子層に相当する遅延時間経過後にＡｌセルのシャッターを閉じることによりＡｌＳｂ上をＡｌで終端する。次に、ＩｎＡｓ1-xＳｂxの成長を開始する前に１原子層に相当する時間だけＡｓセルのみを開にしてＡｓを単独供給する時間を設ける。この際、基板の好適な温度範囲は４００〜４２０℃程度である。
【実施例】
【００２９】
実施例１ 
図１に示したＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系量子カスケードレーザを、Ａｓバルブドクラッカーセル及び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。ＩｎＡｓ基板１０１は、n型ＩｎＡｓ（００１）基板とし、活性領域１１０は、図１（Ｂ）に示した多重量子井戸構造を２０周期積層した。井戸層１１１中のＳｂ組成ｘは実質的に０であり障壁層１１２中のＡｓ組成ｙは約１４％となるように成長条件を選択し、発振波長が５．８μmとなるように設計した。コア層１０２、１０４には２．０×１０16ｃｍ-3程度、クラッド層１０３、１０５には１．０×１０19ｃｍ-3程度のＳｉをドーピングし、カスケード構造の一部には、空間電化による電化の不均一性を抑制するためＳｉのドーピングを行った。
【００３０】
活性領域１１０の成長にあたり、成長速度をＩｎＡｓでは約０．３原子層毎秒、ＡｌＳｂでは約０．１５原子層毎秒とし、シャッターシーケンスは１周期当たり１８ヵ所あるすべての界面においてＡｌＡｓ型のボンドが形成されるようにした。成長中の基板温度は４１０℃とした。
【００３１】
図２は、電極等を形成する前に、作製した超格子のＩｎＡｓ（００４）近傍でＸＲＤを用いて測定した回折ピークを示している。この結果から超格子の平均格子定数を求めると６．０２５５Åであり、ＩｎＡｓ基板に対して９９．４８％の長さを持っていることが確認できた。
【００３２】
図１には図示していないが、図１に示した超格子を成長後、幅３０μｍのリッジ構造をフォトリソグラフィ及びウエットエッチングで作製し、パッシベーション膜としてＳｉＯ2を形成した。コンタクトをとるためにリッジ構造上のＳｉＯ2の一部をエッチングで除去し、その上にＮｉ／Ａｕ電極を蒸着した。また、ＩｎＡｓ基板１０１の裏側を薄く研磨し、Ｎｉ／Ａｕを蒸着して下部電極を形成した。リッジレーザ構造の共振器長は１．４ｍｍである。
【００３３】
図３に、作製した量子カスケードレーザの電流−光強度特性を示す。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。電流−光強度特性は１ｋＨｚでデューティ比０．０１％の電流パルスを印加して測定した。最高動作温度（Ｔｍａｘ）３００Ｋまでの範囲でパルス動作により発振することを確認した。レーザ発振の閾値電流密度は７８Ｋにおいて２．６４ｋＡ／ｃｍ2であった。
【００３４】
図４に、７８Ｋにおけるレーザ発振の発光スペクトルを示す。波長５．５８μｍにおいて非常にシャープな発光が確認され、設計波長に近い値でレーザ発振が得られていることが確認できる。本実施例では、発光波長が５μm程度となるように活性領域１１０を設計したが、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系を用いていることから広範囲で発光波長を制御可能であることに留意されたい。
【００３５】
ＧａＳｂを基板として用いる場合には、ＧａＳｂの格子定数が6.095ÅとＩｎＡｓに比べて大きいため、ＩｎＡｓを成長する場合に混晶化しＩｎＡｓ1-xＳｂxとして超格子の平均格子定数を大きくすることによっても同等の効果を得ることが出来る。
【００３６】
実施例２ 
実施例１の量子カスケードレーザを、活性領域の界面ボンドを制御して作製した。具体的には、１周期当たり１８ヵ所の界面の内９ヵ所をＡｌＡｓ型ボンドに、残り９ヵ所をＩｎＳｂ型ボンドとして、それぞれ交互に形成されるようにシャッターシーケンスを制御した。
【００３７】
図５に、実施例２の超格子のＸＲＤ測定結果を示す。実施例１と同様の方法で超格子の平均格子定数を計算すると、６．０３２７ÅとなりＩｎＡｓ基板１０１に対して９９．６０％の長さとなった。また、図６に、成長後の活性領域の表面を光学顕微鏡で観察した結果を示す。面内の応力に起因したクロスハッチ状の欠陥は観察されず、良好な表面が得られた。図７は、電極等を形成して量子カスケードレーザを作製し、電流−光強度特性を測定したものを示している。７８Ｋにおける発振閾値電流密度は１．７６ｋＡ／ｃｍ2であり、３４０Ｋまでパルス動作により発振することを確認した。
【００３８】
実施例３ 
図１１に示した多重量子井戸構造が繰り返された活性領域を備えるＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系量子カスケードレーザを、Ａｓバルブドクラッカーセル及び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。ＩｎＡｓ基板１０１は、ｎ型ＩｎＡｓ（００１）基板とし、活性領域１１０は、図１１に示した多重量子井戸構造を２０周期積層した。井戸層中のＳｂ組成ｘおよび障壁層中のＡｓ組成ｙは実質的に０であり、発振波長が４．３μmとなるように設計した。コア層１０２、１０４には２．０×１０16ｃｍ-3程度、クラッド層１０３、１０５には１．０×１０19ｃｍ-3程度のＳｉをドーピングし、カスケード構造の一部には、空間電化による電化の不均一性を抑制するためＳｉのドーピングを行った。
【００３９】
活性領域１１０の成長にあたり、成長速度をＩｎＡｓでは約０．３原子層毎秒、ＡｌＳｂでは約０．１５原子層毎秒とし、シャッターシーケンスは１周期当たり２０ヵ所ある界面のうち、１２ヵ所でＩｎＳｂ型、残りの８ヵ所でＡｌＡｓ型の界面ボンドが形成されるようにした。本実施例の量子カスケードレーザと比較するために、界面ボンドをすべてＡｌＡｓ型とした比較例も作製した。成長中の基板温度は４１０℃とした。
【００４０】
図８（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ実施例３および比較例の超格子のＸＲＤの測定結果を示す。実施例１と同様の方法で超格子の平均格子定数を計算すると、実施例３の場合は６．０２８３ÅとなりＩｎＡｓ基板１０１に対して９９．５３％の長さになったのに対して、比較例の場合では６．００３９ÅとなりＩｎＡｓ基板１０１に対して99.12%と0.8％を超える大きな違いが観察された。
【００４１】
図９（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ実施例３および比較例の超格子の成長後の膜表面を光学顕微鏡で観察した結果を示す。比較例における表面にはクロスハッチ状の結晶欠陥が多数観察され、歩留まりを悪化させたのに対して、実施例３の表面には欠陥は殆ど観察されず、歩留まりも高かった。
【００４２】
これらの超格子を用いて実施例１と同様に量子カスケードレーザを作製し、電流−光強度特性を比較したものを図１０に示す。実施例３においては７８Ｋにおける発振閾値電流密度が３．３１ｋＡ／ｃｍ2であるのに対して、比較例では７．５８ｋＡ／ｃｍ2と高い値を示した。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態１の量子カスケードレーザを示す図である。
【図２】電極等を形成する前に、作製した超格子のＩｎＡｓ（００４）近傍でＸＲＤを用いて測定した回折ピークを示す図である。
【図３】作製した量子カスケードレーザの電流−光強度特性を示す図である。
【図４】７８Ｋにおけるレーザ発振の発光スペクトルを示す図である。
【図５】実施例２の超格子のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図６】成長後の膜の表面を光学顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図７】電極等を形成して量子カスケードレーザを作製し、電流−光強度特性を測定したものを示す図である。
【図８】図８（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ実施例３および比較例の超格子のＸＲＤの測定結果を示す図である。
【図９】図９（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ実施例３および比較例の薄膜成長後の表面を光学顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図１０】実施例１と同様に量子カスケードレーザを作製し、電流−光強度特性を比較したものを示す図である。
【図１１】実施例３の量子カスケードレーザを示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１００  量子カスケードレーザ
１０１  ＩｎＡｓ基板（基板に対応）
１１０  活性領域
１１１  井戸層
１１２  障壁層
【図１】
2009188197.tif 000003
【図２】
2009188197.tif 000004
【図３】
2009188197.tif 000005
【図４】
2009188197.tif 000006
【図５】
2009188197.tif 000007
【図６】
2009188197.tif 000008
【図７】
2009188197.tif 000009
【図８】
2009188197.tif 000010
【図９】
2009188197.tif 000011
【図１０】
2009188197.tif 000012
【図１１】
2009188197.tif 000013