【手続補正書】
【提出日】平成30年7月20日(2018.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、
該超格子構造が複数の単位構造を有しており、
各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、および第２ウェル層をこの順に配置したものであり、
外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、
前記第１ウェル層および前記第２ウェル層の少なくともいずれかに有意な電子の存在確率をもつ媒介準位と、
前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、
前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位と
を備えており、
前記媒介準位のエネルギー値は、前記バイアス電界の下で、前記単位構造およびそれに隣接する別の単位構造のいずれかに属するレーザー上準位およびレーザー下準位のうち、いずれか一方の準位のエネルギー値に近接し、他方の準位のエネルギー値から、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に離れており、
前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記バイアス電界の下で前記レーザー上準位から前記レーザー下準位に遷移する電子により誘導放出される電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、
量子カスケードレーザー素子。
【請求項２】
前記バイアス電界の下で、
前記媒介準位が前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつものであり、
各単位構造における媒介準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されてレーザー上準位に遷移し、
各単位構造におけるレーザー上準位の電子が、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際に前記電磁波を放出し、
各単位構造におけるレーザー下準位の電子が、電子の下流側で隣接する別の単位構造の第１バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導により、当該別の単位構造の媒介準位へ輸送される
ように動作する
請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項３】
前記第１ウェル層が前記第２ウェル層の厚みより大きい厚みをもつものである、
請求項２に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項４】
前記超格子構造をなす窒化物半導体は、
前記第１バリア層および前記第２バリア層がＡｌＧａＮであり、前記第１ウェル層および前記第２ウェル層がＧａＮである組合せ、または
前記第１バリア層および前記第２バリア層がＧａＮであり、前記第１ウェル層および前記第２ウェル層がＩｎＧａＮである組合せ
のいずれかである、
請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項５】
前記電磁波の周波数が４．０〜１２ＴＨｚの範囲のいずれかである、
請求項２に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項６】
前記バイアス電界の下で、
前記媒介準位が前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつものであり、
各単位構造における電子の上流側で隣接する別の単位構造の媒介準位の電子が、第１バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導によりレーザー上準位に遷移し、
各単位構造におけるレーザー上準位の電子が、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際に前記電磁波を放出し、
各単位構造におけるレーザー下準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されて媒介準位へ遷移する
ように動作する
請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項７】
前記レーザー上準位から前記レーザー下準位に遷移する電子により誘導放出される電磁波の周波数が７．０〜１９．５ＴＨｚの範囲のいずれかである、
請求項６に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項８】
前記超格子構造は、基材の結晶の無極性面上に、または当該無極性面上に形成された他の層の結晶の無極性面上に形成されている、
請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項９】
窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、
該超格子構造が複数の単位構造を有しており、
各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、第２ウェル層、第３バリア層、および第３ウェル層をこの順に配置したものであり、
外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、
前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ輸送準位と、
該輸送準位よりも、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもち、前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、
前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位と
該第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもち、該レーザー下準位のエネルギー値よりも、前記ＬＯフォノンのエネルギー値以上に低いエネルギー値をもつ引き抜き準位と
を備えており、
前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記バイアス電界の下で前記レーザー上準位から前記レーザー下準位に遷移する電子により誘導放出される電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、
量子カスケードレーザー素子。
【請求項１０】
前記バイアス電界の下で、
各単位構造における輸送準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されてレーザー上準位に遷移し、
各単位構造におけるレーザー上準位の電子が、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際にある周波数の電磁波を放出し、
各単位構造におけるレーザー下準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されて引き抜き準位に遷移し、
各単位構造における引き抜き準位の電子が、電子の下流側で隣接する別の単位構造の第１バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導により、当該別の単位構造の輸送準位へ輸送される
ように動作する
請求項９に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項１１】
窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、
該超格子構造が複数の単位構造を有しており、
各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、第２ウェル層、第３バリア層、および第３ウェル層をこの順に配置したものであり、
外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、
前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ輸送準位と、
前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ注入準位と、
該注入準位よりも、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもち、前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、
前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位と、
前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもち、該レーザー下準位よりも、前記ＬＯフォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもつ引き抜き準位と
を備えており、
前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記バイアス電界の下で前記レーザー上準位から前記レーザー下準位に遷移する電子により誘導放出される電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、
量子カスケードレーザー素子。
【請求項１２】
前記バイアス電界の下で、
各単位構造における輸送準位の電子が、第２バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導により、注入準位へ輸送され、
各単位構造における注入準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されてレーザー上準位に遷移し、
各単位構造におけるレーザー上準位の電子が、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際にある周波数の電磁波を放出し、
各単位構造におけるレーザー下準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されて引き抜き準位に遷移し、
各単位構造における引き抜き準位の電子が、電子の下流側で隣接する別の単位構造の第１バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導により、当該別の単位構造の輸送準位へ輸送される
ように動作する
請求項１１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項１３】
前記超格子構造が基材の結晶の極性面上に、または当該極性面上に形成された他の層の結晶の極性面上に形成されている、
請求項１、請求項９、または請求項１１のいずれか１項に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項１４】
前記バイアス電界の向きは、各ウェル層が電子に及ぼすポテンシャルの前記積層方向の傾斜を増大させる向きである、
請求項１３に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項１５】
前記超格子構造が基材の結晶の極性面上に形成された他の層の結晶の極性面上に形成されており、
前記基材がサファイア基板であり、
前記他の層が、ＭＯＣＶＤ法におけるパルス交互供給法により成長させたＡｌＮ層を含むものである、
請求項１、請求項９、または請求項１１のいずれか１項に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項１６】
前記超格子構造が、ＭＢＥ法におけるＤＥＴＡ法により成長させたＧａＮ系材料結晶を含むものである
請求項１５に記載の量子カスケードレーザー素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
図５に示した下位準位発光型純粋３準位構造のサブバンド構造をもつようにした別のＴＨｚ−ＱＣＬサンプル（追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプル）では、出力が偏光を示すこと、および、より高温で動作することが測定された。追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプルは、超格子構造３２の６０オングストローム膜厚のＧａＮ量子井戸（図５）におけるＳｉドーピング量を１×１０１８ｃｍ−３とした以外は図７の結果を得た上述のサンプルと同様に作製した。そしてパルス幅２００ｎｓ、繰り返し周波数９８０Ｈｚのパルス駆動でほぼ設計通りの５．７６ＴＨｚで半値幅が十分に狭い出力が生成されることを確認した。そしてその出力の強度を、ワイヤーグリッド偏光素子を透過させながら測定したところ、図３０のように偏光素子角度の１８０°で一回正弦波振動する依存性が観測された。その際に使用したワイヤーグリッド偏光素子は９６％の偏光度を持つものであり、出力強度の測定システムはTsurupica集光レンズ、シリコンボロメーター、およびロックイン増幅器を使用する十分なＳ／Ｎ比をもつものである。こうして得られた正弦波振動から、追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプルから放射される出力が９２％以上の偏光度を示すＴＭ偏光であることが確認された。これは、出力がサブバンド間遷移によるレーザー発振によるものであることを示している。さらに追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプルを用い温度を変更した測定を行った。パルス幅２００ｎｓ、繰り返し周波数９８５Ｈｚのパルス駆動で、図３１に示されるように、６．５、２４、３０、および４０Ｋの各温度でレーザー発振が実測された。図３２はこの追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプルの各温度での発振閾値Ｊｔｈを示しており、６．５Ｋおよび４０Ｋでそれぞれ、１．９３および２．３７ｋＡｃｍ−２であった。この発振閾値の温度変化はグラフ中に示した数式によりフィッティングされ、特性温度Ｔ０は７．０Ｋであった。以上のようにして、ＭＢＥにより超格子構造３２を形成した本実施形態の下位準位発光型純粋３準位構造のＴＨｚ−ＱＣＬによって５．２ＴＨｚを越え１２ＴＨｚ以下の未踏周波数域のレーザー発振動作が実現された。