(57)【要約】【課題】  消費電力が低減されて高効率、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】  半導体基板と、基板上に設けられ、量子井戸発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６が多段に積層されることで発光層１７と注入層１８とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層１５とを備えて量子カスケードレーザを構成する。単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐと、発光下準位Ｌｌｏｗと、緩和ミニバンドＭとを有する。また、注入層１８のｎ個（ｎ≧３）の井戸層は、最も発光層１７側の井戸層を第１井戸層として第ｎ井戸層まで順に設けられるとともに、２≦ｍ≦ｎ−１の範囲内で設定された整数ｍに対し、第ｍ井戸層の層厚が第ｍ−１井戸層の層厚よりも厚くなるように構成される。【選択図】  図２
2009123955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
前記活性層に含まれる複数の前記単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、複数の準位を含む緩和ミニバンドとを有し、
前記量子井戸発光層における前記発光上準位から前記発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成され、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記緩和ミニバンドを介して、前記注入層から後段の前記単位積層体の前記量子井戸発光層へと注入され、
前記注入層は、前記量子井戸発光層から前記注入層への抽出障壁層を含んで、それぞれｎ個（ｎは３以上の整数）の障壁層及び井戸層から構成され、前記ｎ個の井戸層は、最も前記量子井戸発光層側の井戸層を第１井戸層として後段の前記単位積層体側の第ｎ井戸層まで順に設けられるとともに、２≦ｍ≦ｎ−１の範囲内で設定された整数ｍに対し、第ｍ井戸層の層厚が第ｍ−１井戸層の層厚よりも厚くなるよう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】
前記注入層において、前記緩和ミニバンドは、その複数の準位のうちで最低エネルギーの準位である最低緩和準位の波動関数が、前記第ｎ井戸層以外の井戸層で最大となるように構成されてい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】
前記注入層において、前記緩和ミニバンドは、その複数の準位のうちで前記最低緩和準位よりも高く前記発光下準位よりも低いエネルギーの準位である注入緩和準位の波動関数が、前記第ｎ井戸層で最大となるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記注入層の前記ｎ個の井戸層は、さらに、第ｍ−１井戸層の層厚が第ｍ−２井戸層の層厚よりも厚くなるように構成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。
【請求項５】
前記サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって前記発光下準位から前記緩和ミニバンドへと緩和されることを特徴とする請求項１〜４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３〜３０μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域でのコンパクトで高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）が注目を集めている（量子カスケードレーザについては、例えば、特許文献１〜５、非特許文献１参照）。
【０００３】
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラ型のレーザ素子であり、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る。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。
【特許文献１】特開平１０−４２４２号公報
【特許文献２】特開２０００−１２９８３号公報
【特許文献３】特開平８−２７９６４７号公報
【特許文献４】特開２０００−１０１２０１号公報
【特許文献５】特表２００４−５２１４８１号公報
【非特許文献１】M. Beck et al., "Continuous Wave Operation of a Mid-InfraredSemiconductor Laser at Room Temperature", Science Vol.295 (2002)pp.301-305
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子カスケードレーザでは、近年、急速に高性能化が進みつつあり、M. Beck らによる２００２年の室温連続発振（ＣＷ動作）の成功（非特許文献１）以降、現在では３．８〜１０μｍの波長領域において室温連続発振が達成されている。また、活性層での発光構造については、例えば３ＱＷ構造（特許文献１）、ＣＳＬ（Chirped Superlattice）構造（特許文献４）、４ＱＷ構造（double phonon resonance 構造、特許文献５）など、様々な構造が提案されている。
【０００５】
また、注入層における電子の輸送構造についても、Funnel Injector（特許文献１）、Flat Injector（特許文献２）など、いくつかの構造が提案されている。例えば、Funnel Injector では、注入層での電子の緩和、輸送にミニバンドを用いる。そして、緩和ミニバンドのエネルギー幅が後段の発光層に向かって、ミニバンドでの最低エネルギーの基底準位Ｌｇへと減少していき、その基底準位Ｌｇから後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと電子が注入されるように注入層を構成する。
【０００６】
また、Flat Injector では、発光下準位Ｌｌｏｗと、後段の発光上準位Ｌｕｐ’とが等しいエネルギーとなる動作電界において両準位が共鳴するように、注入層での緩和ミニバンドが設計される。また、この構造では、さらに高い動作電界、すなわちミニバンドでの基底準位Ｌｇと、後段の発光上準位Ｌｕｐ’とが等しいエネルギーとなる動作電界においても電子の輸送が行われるように、緩和ミニバンドが設計される。
【０００７】
ここで、量子カスケードレーザでは、上記したように量子井戸発光層と注入層とが複数段交互に積層されるモノポーラ型のカスケード構造のため、その消費電力が従来のバイポーラ型の半導体レーザに比べて大きいという問題がある。
【０００８】
例えば、ミニバンドを利用した上記構成の注入層の場合、活性層における発光層及び注入層からなる１段の単位積層体での電圧降下量は、発光層での発光遷移エネルギーＥＥＭ＝ｈνに対応する電圧降下分と、注入層の緩和ミニバンドでの発光下準位Ｌｌｏｗと基底準位Ｌｇとのエネルギー間隔Δに対応する電圧降下分とを合わせたものとなる。また、複数段の単位積層体からなる活性層の全体での動作電圧Ｖは、（１段当たりの電圧降下量）×（単位積層体の積層段数）となり、そのカスケード構造のために消費電力Ｗ＝Ｉ×Ｖが増大する。このように消費電力が大きくなると、活性層での発熱量が増大し、その動作特性が低下する原因となる。
【０００９】
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、消費電力が低減されて高効率、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】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）上記活性層に含まれる複数の単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐと、発光下準位Ｌｌｏｗと、複数の準位を含む緩和ミニバンドＭとを有し、（４）量子井戸発光層における発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成され、サブバンド間遷移を経た電子は、緩和ミニバンドを介して、注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、（５）注入層は、量子井戸発光層から注入層への抽出障壁層を含んで、それぞれｎ個（ｎは３以上の整数）の障壁層及び井戸層から構成され、ｎ個の井戸層は、最も量子井戸発光層側の井戸層を第１井戸層として後段の単位積層体側の第ｎ井戸層まで順に設けられるとともに、２≦ｍ≦ｎ−１の範囲内で設定された整数ｍに対し、第ｍ井戸層の層厚が第ｍ−１井戸層の層厚よりも厚くなるように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記した量子カスケードレーザでは、発光層及び注入層からなる単位積層体でのサブバンド準位構造を、発光上準位Ｌｕｐ、発光下準位Ｌｌｏｗ、及び緩和ミニバンドＭを含んで構成する。そして、注入層を構成する第１井戸層〜第ｎ井戸層のうちで、第１井戸層及び第ｎ井戸層を除くｎ−２個の井戸層から選択された第ｍ井戸層について、第ｍ井戸層の層厚が第ｍ−１井戸層の層厚よりも厚くなるように、注入層での量子井戸構造、及びそれによって生成される緩和ミニバンドＭを構成している。
【００１２】
ここで、量子カスケードレーザの活性層に用いられる注入層では、通常、注入層を構成する複数の井戸層は、同一段の量子井戸発光層側から後段の単位積層体側に向かって井戸層厚が単調減少するように構成される。これに対して、上記した量子カスケードレーザでは、注入層の内側の第ｍ井戸層について、その前段の第ｍ−１井戸層よりも層厚を増加させる構成としている。
【００１３】
このような構成では、ミニバンドＭでの基底準位Ｌｇである最低緩和準位Ｌ１を注入層において内側に配置して、最低準位Ｌ１よりも高いエネルギーの準位から後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと効率的に電子が注入される構造を実現することができる。これにより、動作電圧印加時における単位積層体１段当たりの電圧降下量のうちで、注入層のミニバンドでの電圧降下分を低減することができ、量子カスケードレーザの消費電力を低減することが可能となる。また、このように消費電力が低減されることにより、高温、高効率、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。
【００１４】
ここで、上記した量子カスケードレーザでは、注入層において、緩和ミニバンドは、その複数の準位のうちで最低エネルギーの準位である最低緩和準位Ｌ１の波動関数が、第ｎ井戸層以外の井戸層で最大となるように構成されていることが好ましい。このような準位構造は、上記したように注入層の内側の第ｍ井戸層の層厚を厚くすることで好適に実現することができる。このような構成としては、具体的には例えば、層厚が厚く設定された第ｍ井戸層において最低緩和準位Ｌ１の波動関数が最大となる構成がある。
【００１５】
また、注入層において、緩和ミニバンドは、その複数の準位のうちで最低緩和準位Ｌ１よりも高く発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギーの準位である注入緩和準位Ｌ２の波動関数が、第ｎ井戸層で最大となるように構成されていることが好ましい。これにより、注入層でミニバンドによって緩和、輸送された電子は、注入緩和準位Ｌ２から後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと効率的に注入されることとなる。
【００１６】
また、量子カスケードレーザでの注入層の構造については、注入層のｎ個の井戸層が、さらに、第ｍ−１井戸層の層厚が第ｍ−２井戸層の層厚よりも厚くなるように構成されている構成としても良い。これにより、緩和ミニバンドＭにおける電子の輸送を効率化することができる。
【００１７】
また、上記量子カスケードレーザにおいて、サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン（ＬＯフォノン）散乱によって発光下準位から緩和ミニバンドへと緩和される構成としても良い。このような構成では、サブバンド間の発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱、及び緩和ミニバンドＭ内での緩和を介して発光下準位Ｌｌｏｗから高速に引き抜かれる。したがって、量子井戸発光層における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現して、そのレーザ動作性能を向上することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の量子カスケードレーザによれば、活性層の単位積層体でのサブバンド準位構造を、発光上準位Ｌｕｐ、発光下準位Ｌｌｏｗ、及び緩和ミニバンドＭを含んで構成するとともに、注入層を構成するｎ個の井戸層のうちで、内側の井戸層から選択された第ｍ井戸層の層厚が第ｍ−１井戸層の層厚よりも厚くなるように注入層を構成することにより、緩和ミニバンドＭでの最低緩和準位Ｌ１を注入層において内側に配置して、準位Ｌ１よりも高いエネルギーの準位から後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと効率的に電子が注入される構造が実現され、量子カスケードレーザの消費電力を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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１Ａ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る。この量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。また、量子カスケードレーザ１Ａの側面のうちで対向している所定の２面には、光共振器を構成する鏡面（図示していない）が形成されている。
【００２１】
活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
【００２２】
図２は、図１に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、注入層１８とによって構成されている。量子井戸発光層１７及び注入層１８は、後述するようにそれぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
【００２３】
本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａにおいて活性層１５を構成している単位積層体１６は、図２に示すように、そのサブバンド準位構造において、サブバンド間遷移による発光に関わる発光上準位Ｌｕｐと、発光下準位Ｌｌｏｗとに加えて、発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギーの複数の準位を含む緩和ミニバンドＭを有している。なお、図２においては、動作電圧印加時における活性層１５の量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を示している。
【００２４】
量子井戸発光層１７は、主に発光上準位Ｌｕｐ及び発光下準位Ｌｌｏｗによる発光動作に用いられる積層部分であり、複数の障壁層、及び複数の井戸層を有して構成されている。また、発光層１７を構成する半導体層のうちで電子の輸送方向について最も上流側（図中の左側）で、前段の注入層１８ａと接する障壁層１７１は、量子井戸発光層１７と、前段の単位積層体での注入層１８ａとの間に位置し、注入層１８ａから発光層１７へと注入される電子に対する注入障壁（injection barrier）層となっている。
【００２５】
また、電子注入層１８は、主に緩和ミニバンドＭによる電子の緩和、輸送に用いられる積層部分であり、複数の障壁層、及び複数の井戸層を有して構成されている。また、注入層１８を構成する半導体層のうちで最も上流側で、同一段の発光層１７と接する障壁層１９１は、量子井戸発光層１７と、注入層１８との間に位置し、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層となっている。なお、図２においては、発光層１７及び注入層１８のそれぞれについて、図示の簡単のため、注入障壁層１７１及び抽出障壁層１９１以外の障壁層については図示を省略している。
【００２６】
より具体的には、抽出障壁層１９１を含む注入層１８は、ｎ個（ｎは３以上の整数）の障壁層、及びｎ個の井戸層を交互に積層することで構成されている。ｎ個の障壁層は、最も発光層１７側の障壁層を第１障壁層として、後段の単位積層体側の第ｎ障壁層まで電子の輸送方向に沿って順に設けられている。また、ｎ個の障壁層のうちで最も発光層１７側の第１障壁層は、上記した抽出障壁層１９１となっている。
【００２７】
同様に、ｎ個の井戸層は、最も発光層１７側の井戸層を第１井戸層として、後段の単位積層体側の第ｎ井戸層まで電子の輸送方向に沿って順に設けられている。また、これらのｎ個の井戸層について、２≦ｍ≦ｎ−１の範囲内で設定された整数ｍに対し、第ｍ井戸層の層厚ｔｍがその前段の第ｍ−１井戸層の層厚ｔｍ−１よりも厚くなる（ｔｍ−１＜ｔｍ）ように、注入層１８における各半導体層の層厚が設定されている。また、ｎ個の井戸層のうちで第ｍ井戸層以外の第ｉ井戸層については、いずれも、その層厚ｔｉは前段の第ｉ−１井戸層の層厚ｔｉ−１と同じかまたは薄くなっている（ｔｉ−１≧ｔｉ）。
【００２８】
このような単位積層体１６の量子井戸構造において、図２に示したサブバンド準位構造では、注入層１８の中央部に層厚が厚く設定された第ｍ井戸層が存在することにより、緩和サブバンドＭを構成する複数の準位のうちで最低エネルギーの準位である最低緩和準位Ｌ１（＝基底準位Ｌｇ）が、最も後段の第ｎ井戸層以外の内側の井戸層（例えば層厚が厚い第ｍ井戸層、あるいはその近傍の井戸層等）で波動関数が最大となっている。
【００２９】
また、緩和サブバンドＭの複数の準位のうちで最低緩和準位Ｌ１よりも高く発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギー（Ｅｌｏｗ＞Ｅ２＞Ｅ１）の準位Ｌ２が、最も後段の第ｎ井戸層で波動関数が最大となっている。これにより、この準位Ｌ２は、注入層１８内で電子を緩和するとともに、後段の発光層１７ｂへと電子を注入する注入緩和準位となっている。なお、図２において、Δ１は、発光下準位Ｌｌｏｗと最低緩和準位Ｌ１とのエネルギー間隔Δ１＝Ｅｌｏｗ−Ｅ１を示し、また、Δ２は、最低緩和準位Ｌ１と注入緩和準位Ｌ２とのエネルギー間隔Δ２＝Ｅ２−Ｅ１を示している。
【００３０】
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでのミニバンドＭからの電子ｅ−は、注入障壁層１７１を介して発光層１７の発光上準位Ｌｕｐへと注入される。発光上準位Ｌｕｐに注入された電子は発光下準位Ｌｌｏｗへと発光遷移し、このとき、上準位Ｌｕｐと下準位Ｌｌｏｗとのサブバンド準位間のエネルギー差ＥＥＭ＝Ｅｕｐ−Ｅｌｏｗに相当する波長の光ｈνが生成、放出される。
【００３１】
発光下準位Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、抽出障壁層１９１を介して注入層１８へと輸送され、さらに複数の準位からなる緩和ミニバンドＭによって緩和、輸送される。そして、ミニバンドＭによって緩和、輸送された電子は、注入層１８内で最も後段の第ｎ井戸層で最大の波動関数を有する準位Ｌ２から、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ’へと、共鳴トンネル効果によってカスケード的に注入される。
【００３２】
このように、発光下準位ＬｌｏｗからミニバンドＭ内での緩和を介して高速で電子を引き抜くことにより、上準位Ｌｕｐと下準位Ｌｌｏｗとの間でレーザ発振を実現するための反転分布が形成される。なお、緩和ミニバンドＭについては、発光層１７内のミニバンドと、注入層１８内のミニバンドとが結合したバンド構造を有する構成であっても良い。
【００３３】
活性層１５を構成する複数の単位積層体１６において、上記の電子の注入、発光遷移、及び緩和を繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、発光層１７及び注入層１８を多数、交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体１６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１Ａ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。
【００３４】
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａの効果について説明する。
【００３５】
図１及び図２に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６でのサブバンド準位構造を、発光上準位Ｌｕｐ、発光下準位Ｌｌｏｗ、及び緩和ミニバンドＭを含んで構成する。そして、注入層１８を構成しているｎ個の井戸層（ｎ≧３）のうちで、両端の第１井戸層及び第ｎ井戸層を除く内側のｎ−２個の井戸層から選択された第ｍ井戸層について、第ｍ井戸層の層厚がその前の第ｍ−１井戸層の層厚よりも厚くなるように、注入層１８での量子井戸構造、及びそれによって生成される緩和ミニバンドＭを構成している。
【００３６】
ここで、量子カスケードレーザの活性層に用いられる電子注入層では、通常、注入層を構成する複数の井戸層は、同一段の発光層側から後段の単位積層体側に向かって井戸層厚が単調減少するように構成される。この場合、第１〜第ｎ井戸層の層厚ｔは、２≦ｉ≦ｎのすべての整数ｉについてｔｉ−１≧ｔｉを満たすように設定される。これに対して、上記した量子カスケードレーザ１Ａでは、注入層１８の内側の第ｍ井戸層について、その前段の第ｍ−１井戸層よりも層厚を増加させてｔｍ−１＜ｔｍとする構成を用いている。
【００３７】
このような構成では、図２に示したように、緩和ミニバンドＭでの基底準位Ｌｇである最低緩和準位Ｌ１を注入層１８において内側に配置して、最低準位Ｌ１よりも高いエネルギーの準位（図２に示した例では注入緩和準位Ｌ２）から後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと効率的に電子が注入される構造を実現することができる。これにより、動作電圧印加時における単位積層体１６の１段当たりの電圧降下量のうちで、注入層１８の緩和ミニバンドＭでの電圧降下分を低減することができ、量子カスケードレーザ１Ａの消費電力を全体として低減することが可能となる。また、このようにレーザ１Ａの消費電力が低減されることにより、高温、高効率、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。
【００３８】
上記構成の量子カスケードレーザ１Ａによる消費電力の低減効果について説明する。図３及び図４は、それぞれ従来の量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図であり、図３は動作電圧を印加していない状態、図４は動作電圧を印加した状態でのサブバンド準位構造を示している。ここでは、井戸層の層厚が単調減少し、緩和ミニバンドＭでの基底準位Ｌｇである最低緩和準位Ｌ１が、最も後段の第ｎ井戸層で波動関数が最大となっている従来構造について説明する。このような構成では、この最低準位Ｌ１が、後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと電子を注入する注入緩和準位となる。
【００３９】
動作電圧が印加されていない状態では、図３に示すように、活性層の周期構造を構成する複数の単位積層体について、発光上準位Ｌｕｐ及び発光下準位Ｌｌｏｗが全ての周期で同じエネルギーに位置する。これに対して、動作電圧が印加された動作状態では、図４に示すように、注入層での緩和ミニバンドＭのうちで注入緩和準位である最低緩和準位Ｌ１のエネルギーが後段の発光層での発光上準位Ｌｕｐ’のエネルギーと略一致するように電圧が印加され、これによって活性層におけるカスケード動作が可能となる。
【００４０】
図４に示したサブバンド準位構造において、量子井戸発光層での発光遷移エネルギーをＥＥＭ＝Ｅｕｐ−Ｅｌｏｗとし、注入層での発光下準位Ｌｌｏｗと最低緩和準位Ｌ１とのエネルギー間隔をΔ＝Ｅｌｏｗ−Ｅ１とすると、発光層及び注入層からなる１段の単位積層体でのエネルギー降下量はそれらを合わせたエネルギーＥＥＭ＋Δとなる。また、活性層の全体でのエネルギー降下量は（ＥＥＭ＋Δ）×（単位積層体の積層段数）となり、レーザの動作電圧Ｖは、このエネルギー降下量に対応して設定される。
【００４１】
また、このような電子の輸送構造において室温以上の動作温度で良好なレーザ特性を得るためには、発光下準位ＬｌｏｗとミニバンドＭの最低準位Ｌ１とのエネルギー間隔Δをある程度大きく（例えばΔ≧２ｋＴ）する必要がある。これは、最低準位Ｌ１に存在する電子が発光下準位Ｌｌｏｗまで熱的に再分布して、発光層での反転分布が減少することを防止するためである。このようにΔが大きくなると、（ＥＥＭ＋Δ）×（積層段数）で決まるレーザの動作電圧Ｖ、及びそれによる消費電力Ｗ＝Ｉ×Ｖが大きくなる。
【００４２】
一方、量子カスケードレーザの室温ＣＷ動作では、活性層の温度は１００℃程度に達するため、その電流−光出力特性も、パルス動作の場合とは大きく異なるものとなる。すなわち、パルス動作の場合、量子カスケードレーザの典型的な電流−光出力特性での最大電流（活性層に供給できる最大電子数）は共鳴トンネル効果により、注入層の最低準位Ｌ１と後段の発光上準位Ｌｕｐ’との波動関数の結合の強さ、及び各半導体層でのドーピングなどのパラメータから決まる。
【００４３】
しかしながら、量子カスケードレーザの動作電圧Ｖは、活性層のカスケード構造のために、上記したように従来の半導体レーザに比べて大きくなっている。例えば、典型的な活性層の構造の例として、発光遷移エネルギーをＥＥＭ＝１６１ｍｅＶ（波長λ＝７．７μｍ）とし、活性層での単位積層体の積層段数を３３段とすると、仮にΔ＝０とすれば動作電圧は
Ｖ＝０．１６１×３３＝５．３Ｖ
である。一方、実際の動作条件としてΔ＝１５０ｍｅＶとすると動作電圧は
Ｖ＝（０．１６１＋０．１５）×３３＝１０．２６Ｖ
と１０Ｖ程度になる。また、このときの電流値を７００ｍＡとすると、消費電力Ｐは
Ｐ＝１０．２６×０．７＝７．１８Ｗ
となる。
【００４４】
量子カスケードレーザをＣＷ動作させた場合、上記したように大きい動作電圧Ｖ、及び消費電力Ｐのため、電流によって活性層の温度が上昇し、最大電流、及び最大光出力は熱飽和等によってパルス動作と比べて制限されてしまう。また、発光下準位Ｌｌｏｗと、ミニバンドＭの最低準位Ｌ１とのエネルギー間隔Δを小さくすることで消費電力Ｐを低減しようとすると、上記したように最低準位Ｌ１の電子が発光下準位Ｌｌｏｗに熱的に再分布し、レーザにおける発光効率が低下する。
【００４５】
これに対して、図２に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、発光下準位ＬｌｏｗとミニバンドＭの最低準位Ｌ１とのエネルギー間隔Δ１を充分に大きい値に保持するとともに、注入層１８の内側に層厚が厚い第ｍ井戸層を設けることで最低準位Ｌ１の波動関数が第ｎ井戸層以外の内側の井戸層で最大となる構成とする。そして、最低準位Ｌ１よりもエネルギー間隔Δ２だけ高いエネルギーの準位Ｌ２を注入緩和準位とし、この準位Ｌ２から後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと電子が注入されるように単位積層体１６内でのサブバンド準位を構成している。
【００４６】
このような構成では、エネルギー間隔Δ１が大きい値に設定、保持されることにより、上記したように最低準位Ｌ１に存在する電子が発光下準位Ｌｌｏｗまで熱的に再分布して、反転分布が減少することを防止することができる。
【００４７】
また、仮に最低準位Ｌ１から後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと電子を注入する構成とした場合、その動作電圧Ｖは上記したように
Ｖ＝（ＥＥＭ＋Δ１）×（積層段数）
となる。これに対して、最低準位Ｌ１とは別に後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと電子を注入する準位Ｌ２を設けた上記構成では、その動作電圧Ｖは
Ｖ＝（ＥＥＭ＋Δ１−Δ２）×（積層段数）
となる。したがって、このような構成により、量子カスケードレーザ１Ａの動作電圧Ｖ、及び消費電力を低減することができる。
【００４８】
ここで、発光下準位Ｌｌｏｗと、ミニバンドＭの最低準位Ｌ１とのエネルギー間隔Δ１については、その好適な値は動作温度、半導体層でのドーピング濃度、及び発光層の具体的な積層構造などによって異なる。一般には、最低準位Ｌ１から発光下準位Ｌｌｏｗへの電子の熱的な再分布がボルツマン分布にしたがって起こること等を考慮して検討すると、Δに関して上述したようにエネルギー間隔Δ１を２ｋＴ以上（Δ１≧２ｋＴ）とすることが好ましい。
【００４９】
また、注入層１８内での最低緩和準位Ｌ１の位置（準位Ｌ１の波動関数が最大となる位置）については、最低準位Ｌ１が同一段の発光層１７に近すぎると、注入層１８でのミニギャップの生成が損なわれる可能性がある。一方、最低準位Ｌ１が後段の発光層１７ｂに近すぎると、ミニバンドＭの最低準位Ｌ１から後段の発光下準位Ｌｌｏｗ’への電子の漏れ出しが発生する可能性がある。したがって、このミニバンドＭの最低緩和準位Ｌ１については、注入層１８の中央部、またはその近傍に準位Ｌ１が位置するように注入層１８での量子井戸構造を構成することが好ましい。
【００５０】
また、ミニバンドＭの最低準位Ｌ１と、注入緩和準位Ｌ２とのエネルギー間隔Δ２については、ボルツマン分布では低いエネルギーの状態ほど電子の存在確率が高くなるため、後段の発光上準位Ｌｕｐ’への電子の注入効率の点ではエネルギー間隔Δ２を小さくすることが好ましい。しかしながら、Δ２を小さくすると、上記した消費電力の低減効果も小さくなる。したがって、エネルギー間隔Δ２については、電子の注入効率と、消費電力の低減との関係を考慮して、それらが好適に両立するように設定することが好ましい。
【００５１】
具体的には、量子カスケードレーザ１Ａの想定される動作温度をＴとし、その熱エネルギーをｋＴ（ｋ：ボルツマン定数）とすると、上記したエネルギー間隔Δ２をこの熱エネルギーｋＴ程度に設定することにより、後段の発光上準位Ｌｕｐ’に充分な電子を供給することが可能である。例えば、レーザ１Ａの動作温度が１００℃程度であるとすると、対応する熱エネルギーは３１ｍｅＶ程度である。この場合、Δ２＝３１ｍｅＶ程度に設定すれば良い。また、上述したようにＣＷ動作では熱飽和等の影響で最大電流が小さくなることから、エネルギー間隔Δ２をさらに大きい値に設定することも可能である。この場合、条件ｋＴ≦Δ２＜Δ１を満たすようにエネルギー間隔Δ２を設定することが好ましい。
【００５２】
このような活性層１５でのサブバンド準位構造は、上述したように、注入層１８のｎ個の井戸層（ｎ≧３）のうちで、両端の第１井戸層及び第ｎ井戸層を除く内側のｎ−２個の井戸層から選択された第ｍ井戸層（２≦ｍ≦ｎ−１）について、第ｍ井戸層の層厚をその前の第ｍ−１井戸層の層厚よりも厚くする構成（ｔｍ−１＜ｔｍ）によって、好適に実現することができる。このような構成の例としては、例えば、注入層１８において７個の第１〜第７井戸層が設けられた構成においてｍ＝４とし、ｔ１≧ｔ２≧ｔ３、ｔ３＜ｔ４、ｔ４≧ｔ５≧ｔ６≧ｔ７を満たすように各井戸層の層厚を設定する構成がある。
【００５３】
また、注入層１８におけるｎ個の井戸層の構成については、さらに、第ｍ−１井戸層の層厚が第ｍ−２井戸層の層厚よりも厚くなるように注入層１８を構成しても良い。この場合、緩和ミニバンドＭにおける電子の輸送を効率化することができる。このような構成の例としては、例えば、上記と同様に注入層１８において７個の第１〜第７井戸層が設けられた構成においてｍ＝４とし、ｔ１≧ｔ２、ｔ２＜ｔ３＜ｔ４、ｔ４≧ｔ５≧ｔ６≧ｔ７を満たすように各井戸層の層厚を設定する構成がある。
【００５４】
また、このように構成された注入層１８における緩和ミニバンドＭの準位構造については、図２に示した準位構造では、最低緩和準位Ｌ１の波動関数が、第ｎ井戸層以外の井戸層で最大となるように構成されている。このような構成としては、具体的には例えば、層厚が厚く設定された第ｍ井戸層において最低緩和準位Ｌ１の波動関数が最大となる構成がある。また、図２に示した準位構造では、緩和ミニバンドＭは、最低緩和準位Ｌ１よりも高く発光下準位Ｌｌｏｗよりも低い注入緩和準位Ｌ２の波動関数が、第ｎ井戸層で最大となるように構成されている。これにより、注入層１８でミニバンドＭによって緩和、輸送された電子は、注入緩和準位Ｌ２から後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと効率的に注入されることとなる。
【００５５】
また、単位積層体１６を構成する発光層１７及び注入層１８での半導体積層構造、及びそれによって形成されるサブバンド準位構造については、具体的には様々な構成を用いて良い。例えば、発光層１７での発光構造としては、上述した３ＱＷ構造（特許文献１）、ＣＳＬ（Chirped Superlattice）構造（特許文献４）、４ＱＷ構造（double phonon resonance 構造、特許文献５）など、様々な構造を用いることが可能である。また、発光下準位Ｌｌｏｗから後段の発光上準位Ｌｕｐ’への緩和ミニバンドＭを用いた電子の緩和構造についても、具体的には様々な構成を用いることが可能である。
【００５６】
図５は、図１に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造の他の例を示す図である。図５に示すサブバンド準位構造は、その基本的な構造については図２に示したサブバンド準位構造と同様である。
【００５７】
活性層１５を構成している単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐと、発光下準位Ｌｌｏｗと、緩和ミニバンドＭとを有している。また、本構成例では、この緩和ミニバンドＭは、図５に示すように、発光下準位ＬｌｏｗとミニバンドＭとの間のエネルギー差が縦光学フォノン（ＬＯフォノン）のエネルギーＥＬＯとなるように設定されている。
【００５８】
このようなサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌｕｐから発光下準位Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱によって緩和ミニバンドＭへと高速で緩和され、さらに、ミニバンドＭ内で高速緩和される。このように、発光下準位ＬｌｏｗからＬＯフォノン散乱及びミニバンド内での緩和を介して高速で電子を引き抜くことにより、上準位Ｌｕｐと下準位Ｌｌｏｗとの間でレーザ発振を実現するための反転分布が形成される。
【００５９】
また、本準位構造においては、緩和ミニバンドＭは、図５に示すように、発光層１７内でのミニバンドＭ１と、注入層１８内でのミニバンドＭ２とが結合したバンド構造を有している。このような構成において、発光下準位Ｌｌｏｗから緩和ミニバンドＭへと緩和された電子は、注入層１８を介して、ミニバンドＭの注入緩和準位Ｌ２から、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ’へとカスケード的に注入される。このようなハイブリッド構造では、発光層１７における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現して、そのレーザ動作性能を向上することが可能となる。なお、上記のようなサブバンド準位構造は、活性層１５を構成する単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。
【００６０】
本発明による量子カスケードレーザの構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともにさらに説明する。図６及び図７は、それぞれ図１及び図２に示した量子カスケードレーザ１Ａにおいて活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図であり、図６は電流注入開始時の条件で動作電圧を印加した状態、図７は最大電流時の条件で動作電圧を印加した状態でのサブバンド準位構造を示している。
【００６１】
本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、発振波長を７．７μｍ、それに対応する発光遷移エネルギーを１６１ｍｅＶとしている。また、活性層１５に印加する動作電圧については、図６に示す電流注入開始時の動作電界を２７ｋＶ／ｃｍ、図７に示す最大電流時の動作電界を３８ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。
【００６２】
なお、図６及び図７においては、活性層１５を構成する量子井戸発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を示している。また、このような素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。
【００６３】
本構成例の量子カスケードレーザでは、半導体基板１０（図１参照）としてｎ型ＩｎＰ基板を用い、その上に所定の半導体積層構造を形成することで、量子カスケードレーザを構成している。また、活性層１５は、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８を含む単位積層体１６が３３周期で積層されて構成されている。
【００６４】
活性層１５を構成する１周期分の単位積層体１６は、図６及び図７に示すように、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの各半導体層のうち、量子井戸層はＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層はＡｌＩｎＡｓ層によって構成されている。
【００６５】
また、このような単位積層体１６において、井戸層１６１〜１６４、及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分となっている。また、井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分となっている。また、発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の障壁層１７１が注入障壁層となっている。同様に、注入層１８の各半導体層のうちで、１段目の障壁層１９１が抽出障壁層となっている。
【００６６】
図８は、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示している。本構成例では、注入層１８での７個（ｎ＝７）の井戸層１８１〜１８７について、層厚が単調減少する構成ではなく、両端の第１井戸層１８１及び第７井戸層１８７を除く内側の井戸層から選択された第４井戸層１８４（ｍ＝４）について、第４井戸層の層厚を第３井戸層の層厚よりも厚く設定している（ｔ３＝３．５ｎｍ＜３．６ｎｍ＝ｔ４）。また、本構成例では、さらに、第３井戸層の層厚を第２井戸層の層厚よりも厚く設定している（ｔ２＝３．４ｎｍ＜３．５ｎｍ＝ｔ３）。
【００６７】
このような積層構造により、図６及び図７に示す活性層１５では、緩和ミニバンドＭの最低準位Ｌ１の波動関数が第４井戸層１８４において最大となっており、最低準位Ｌ１よりも高いエネルギーの準位である準位Ｌ２が、第７井戸層１８７で波動関数が最大となり後段の発光上準位Ｌｕｐ’への電子の注入に用いられる注入緩和準位となっている。
【００６８】
また、本構成例では、発光準位構造については、図５に示したように発光下準位ＬｌｏｗからＬＯフォノン散乱及びミニバンドでの緩和を介して電子が引き抜かれるハイブリッド構造を用い、動作電界である電界強度２７ｋＶ／ｃｍ〜３８ｋＶ／ｃｍにおいて最も高効率な反転分布が得られるように量子井戸構造等を設計している。発光層１７及び注入層１８での井戸層、障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。また、最低準位Ｌ１のエネルギーについては、図７に示す動作電界３８ｋＶ／ｃｍの状態において、発光下準位Ｌｌｏｗと最低準位Ｌ１とのエネルギー間隔Δ１が約１００ｍｅＶと充分大きくなるように設定している。
【００６９】
注入層１８における７個の井戸層１８１〜１８７のそれぞれの層厚については、上記した注入層１８内での最低準位Ｌ１の位置、及び緩和ミニバンドＭのエネルギー幅の他、発光上準位ＬｕｐからミニバンドＭへの電子の漏れ出しを防止するためのミニギャップの大きさ等をも考慮して決定されている。また、最低準位Ｌ１の波動関数が最大となる第４井戸層（第ｍ井戸層）１８４については、その層厚を、注入層１８の最初の第１井戸層１８１の層厚よりも１０％以上薄くならず（ｔ１×０．９＜ｔｍ）、また、最後の第７井戸層（第ｎ井戸層）１８７の層厚よりも必ず厚くなる（ｔｍ＞ｔｎ）ように設定することが好ましい。
【００７０】
また、第４井戸層１８４から最終段の第７井戸層１８７にかけては、後段の発光上準位Ｌｕｐ’へと電子を効率的に注入するため、ミニバンドＭのエネルギー幅が後段の発光層に向かって減少していくように構成することが好ましい。これにより、後段の発光層において、発光上準位Ｌｕｐ’以外の準位に電子が漏れ出すことが防止される。また、このような構成は、注入層１８の出口に近づくにつれて障壁層の層厚を厚くしていくことによって容易に設定することができる。また、本構成例では、図７に示すように、動作電界３８ｋＶ／ｃｍにおいて、最低準位Ｌ１と注入緩和準位Ｌ２とのエネルギー間隔Δ２が約５０ｍｅＶとなるように設定している。
【００７１】
このような構成の活性層１５を用いた量子カスケードレーザでは、まず、図６に示すように動作電界２７ｋＶ／ｃｍの条件下において、発光下準位Ｌｌｏｗと、後段の発光上準位Ｌｕｐ’とが共鳴することによって電流が流れ始める。そして、図７に示すように動作電界３８ｋＶ／ｃｍの条件下において、注入層１８の緩和ミニバンドＭと後段の発光上準位Ｌｕｐ’との波動関数が最も強く結合し、最大電流が与えられる。
【００７２】
このとき、量子カスケードレーザの動作電圧Ｖは
Ｖ＝（０．１６１＋０．１００−０．０５０）×３３＝７．０Ｖ
となる。この動作電圧７．０Ｖは、従来構造の量子カスケードレーザについて例示した動作電圧１０．２６Ｖよりも３０％以上低減されている。また、動作時の電流を７００ｍＡとすると、消費電力Ｐは
Ｐ＝７．０×０．７＝４．９Ｗ
となる。また、上記の動作電界３８ｋＶ／ｃｍからさらに電界を強くすると、注入層１８の緩和ミニバンドＭと後段の発光上準位Ｌｕｐ’との共鳴トンネルが切れ、電流が注入されなくなる。
【００７３】
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構成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、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による発光遷移が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
【００７４】
このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。また、活性層１５を構成する単位積層体１６の量子井戸構造、及びサブバンド準位構造についても、図６及び図７に示した構成例に限らず、具体的には様々な構成を用いることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、消費電力が低減されて高効率、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】
【００７６】
【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】図１に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。
【図３】従来の量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造を示す図である。
【図４】従来の量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造を示す図である。
【図５】図１に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造の他の例を示す図である。
【図６】活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【図７】活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【図８】活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。
【符号の説明】
【００７７】
１Ａ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…電子注入層、１７１…注入障壁層、１９１…抽出障壁層、Ｌｕｐ…発光上準位、Ｌｌｏｗ…発光下準位、Ｍ…緩和ミニバンド、Ｍ１、Ｍ２…ミニバンド、Ｌ１…最低緩和準位、Ｌ２…注入緩和準位。
【図１】
2009123955.tif 000003
【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】
2009123955.tif 000008
【図７】
2009123955.tif 000009
【図８】
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