JP5641667B2 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

Description

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。

中赤外の波長領域（例えば波長５〜３０μｍ）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１〜４、非特許文献１〜４参照）。

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タイプ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。
米国特許第５４５７７０９号公報 米国特許第５７４５５１６号公報 米国特許第６７５１２４４号公報 米国特許第６９２２４２７号公報 M. Beck et al., "Continuous Wave Operation of a Mid-InfraredSemiconductor Laser at Room Temperature", Science Vol.295 (2002)pp.301-305 J. S. Yu et al., "High-Power Continuous-Wave Operation of a 6μm Quantum-Cascade Laser atRoom Temperature", Appl. Phys. Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505 A. Evans et al., "Continuous-Wave Operation of λ〜4.8μm Quantum-Cascade Lasersat Room Temperature", Appl. Phys. Lett. Vol.85 (2004) pp.2166-2168 A. Tredicucci et al., "High Performance Interminiband QuantumCascade Lasers with Graded Superlattices", Appl. Phys. Lett. Vol.73 (1998)pp.2101-2103

上記した量子カスケードレーザについては、レーザ発振に成功した当初は素子の駆動温度は極低温に限られていたが、２００２年には M. Beck らによって発振波長９．１μｍでの室温ＣＷ動作が達成された（非特許文献１：M. Beck et al., Science Vol.295 (2002) pp.301-305）。また、その後、M. Razeghi らのグループによって発振波長６μｍ、及び４．８μｍにおいても室温ＣＷ動作が達成された（非特許文献２：J. S. Yu et al., Appl. Phys. Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505、非特許文献３：A. Evans et al.,Appl. Phys. Lett. Vol.85 (2004) pp.2166-2168）。

室温以上の高温の動作条件で量子カスケードレーザのＣＷ動作を実現するためには、素子の放熱性の向上と同時に、効率的な反転分布の形成によるレーザ動作の低閾値化が必要となる。このように、活性層のサブバンド間での電子遷移による発光動作において、発光上準位と発光下準位との間で効率的に反転分布を形成するためには、発光上準位への効率的な電子注入、及び発光下準位におけるキャリア分布の抑制（キャリアの短寿命化）が重要となる。

例えば、特許文献１：米国特許第５４５７７０９号公報に記載されたレーザ素子では、３重量子井戸の発光層を含む活性層を用い、電子注入層と量子井戸発光層との間の注入障壁のすぐ隣に薄い量子井戸層を設ける構造により、発光上準位（Ｅ３）への電子の注入効率を向上（η＝０．８７）させている。

また、この特許文献１のレーザ素子では、発光下準位（Ｅ２）よりも低いエネルギー準位として、極性縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギー分だけ低い緩和準位（Ｅ１）を設け、ＬＯフォノン散乱を介して発光下準位から高速に電子を引き抜くことによって、発光下準位でのキャリアの短寿命化（τ_Ｅ２＝０．４ｐｓ程度）が実現されている。しかしながら、この構造では、量子井戸発光層から注入層へのトンネル時間がτ_ｅｓｃ＝２〜３ｐｓと比較的長く、ＬＯフォノン散乱による高速での電子の引き抜きがが実効的に制限されている。また、この場合、引き抜いた先の準位に溜まったキャリアは熱的に再分布されるため、素子の温度特性が悪化する要因になる。

一方、特許文献２：米国特許第５７４５５１６号公報に記載されたレーザ素子では、超格子によるミニバンド間の遷移を用いている。このような構造では、発光下準位におけるミニバンド内のキャリアの高速緩和によって、反転分布を容易に形成することが可能である。例えば、A. Tredicucci らの構造（非特許文献４：A. Tredicucci etal., Appl. Phys. Lett. Vol.73 (1998) pp.2101-2103）では、発光下準位のミニバンドにおけるキャリア寿命は０．１ｐｓ程度と見積もられている。しかしながら、この構造では、ミニバンド間の遷移を用いているために、発光に寄与する準位が多数存在し、発光のゲインが分散してその半値幅が広くなるという問題がある。また、活性層における一周期当たりの層厚が厚くなる、発光上準位への電子の注入効率が低い（η＝０．７６）などの問題もある。

また、これらの問題に対して、活性層の構造として、ダブルフォノン共鳴構造（特許文献３：米国特許第６７５１２４４号公報、対応日本公報：特表２００４−５２１４８１号公報）、及びＢＴＣ（Bound to Continuum）構造（特許文献４：米国特許第６９２２４２７号公報、対応日本公報：特表２００４−５０７９０３号公報）が提案されている。しかしながら、これらの構造の量子カスケードレーザでも、室温等の動作条件において、充分な性能が得られているとは言えない。

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、量子井戸発光層における反転分布を効率的に形成して、レーザ動作性能を向上すること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。

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、発光上準位と、発光下準位と、発光下準位よりも低い複数のエネルギー準位からなり緩和準位として機能する緩和ミニバンドとを有し、発光下準位と緩和ミニバントとは、その間のエネルギー差が縦光学フォノンのエネルギーに対応するように構成され、緩和ミニバンドは、量子井戸発光層でのミニバンドと、注入層でのミニバンドとが結合したバンド構造を有し、（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るとともに、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る発光下準位から緩和ミニバンドへの緩和、及び緩和ミニバンド内での緩和を介して、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、単位積層体において、量子井戸発光層と、注入層との間に、注入層の１段目の量子障壁層として、量子井戸発光層から注入層への電子に対する抽出障壁層が設けられているとともに、前段の注入層と、量子井戸発光層との間に、量子井戸発光層の１段目の量子障壁層として、前段の注入層から量子井戸発光層への電子に対する注入障壁層が設けられており、抽出障壁層は、その厚さが、注入層における抽出障壁層を除く最も量子井戸発光層側の障壁層の厚さよりも厚く、かつ、注入障壁層の厚さよりも薄く、発光下準位は、緩和ミニバンドにおける一のサブバンドを他のサブバンドから縦光学フォノンのエネルギー分だけ高エネルギー側に分離させた準位からなることを特徴とする。

上記した量子カスケードレーザでは、量子井戸発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光に関わる発光上準位、及び発光下準位に加えて、発光下準位よりも低いエネルギー準位からなるミニバンドである緩和ミニバンドを設けている。そして、発光下準位と緩和ミニバンドとの間のエネルギー差が縦光学フォノン（ＬＯフォノン）のエネルギーに対応するようにサブバンド準位構造を構成している。

このような構成では、量子井戸発光層でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱、及びミニバンド内での緩和を介して発光下準位から高速に引き抜かれることとなる。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。

また、発光下準位から緩和ミニバンドへの電子の引き抜きにＬＯフォノン散乱を用いている上記構成では、発光上準位と下準位との間の発光遷移がサブバンド間の遷移であるため、その発光のゲインを集中させることができる。また、サブバンド間遷移を経た電子の緩和にミニバンドを利用していることにより、発光下準位からの電子の緩和構造の設計が容易化されるとともに、レーザ素子の製造時における特性の安定化、及び歩留まりの向上を実現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、活性層を構成する単位積層体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。

ここで、上記のサブバンド準位構造における発光下準位については、緩和ミニバンドにおける一のサブバンドを他のサブバンドから縦光学フォノンのエネルギー分だけ高エネルギー側に分離させた準位を発光下準位とする構成を用いることができる。これにより、発光下準位と、発光下準位からＬＯフォノンのエネルギー分だけ離れた緩和ミニバンドとを含む準位構造を好適に実現することができる。

また、単位積層体において、量子井戸発光層と、注入層との間に、量子井戸発光層から注入層への電子に対する抽出障壁層が設けられていることが好ましい。これにより、注入層から発光層への電子の波動関数の染み出しを抑制することができ、量子井戸発光層での発光遷移の効率を向上することが可能となる。

また、緩和ミニバンドは、量子井戸発光層でのミニバンドと、注入層でのミニバンドとが結合したバンド構造を有することが好ましい。これにより、量子井戸発光層から注入層への電子のトンネル時間τ_ｅｓｃを短くすることができ、発光下準位からの高速での電子の引き抜きが実効的に制限されることを防止することができる。

本発明の量子カスケードレーザによれば、活性層を構成する単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光上準位、及び発光下準位に加えて、発光下準位よりも低いエネルギー準位からなる緩和ミニバンドを設け、サブバンド間遷移を経た電子が、ＬＯフォノン散乱及びミニバンド内での緩和によって発光下準位から高速に引き抜かれる構成とすることにより、発光層における効率的な反転分布の形成を実現することが可能となる。

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。

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。

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。

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について示す図である。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。

本実施形態による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Ｌ_ｕｐと、発光下準位Ｌ_ｌｏｗとに加えて、発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギー準位であって緩和準位として機能する準位からなるミニバンドである緩和ミニバンドＭＢを有している。このミニバンドＭＢは、発光下準位Ｌ_ｌｏｗとミニバンドＭＢとの間のエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯとなるように設定されている。

また、図２に示す単位積層体１６では、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、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）層が設けられている。また、量子井戸発光層１７と、注入層１８との間に、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が設けられている。これらの障壁層は、量子井戸発光層１７及び注入層１８を含む活性層１５の具体的な積層構造及びサブバンド準位構造により、必要に応じて設けられる。

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ＭＢからの電子ｅ⁻は、注入障壁を介して量子井戸発光層１７の発光上準位Ｌ_ｕｐへと注入される。発光上準位Ｌ_ｕｐに注入された電子は発光下準位Ｌ_ｌｏｗへと発光遷移し、このとき、上準位Ｌ_ｕｐ及び下準位Ｌ_ｌｏｗのサブバンド準位間のエネルギー差に相当する波長の光ｈνが生成、放出される。

発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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ＭＢへと高速で緩和され、さらに、ミニバンドＭＢ内で高速緩和される。このように、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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Ｌ_ｕｐと下準位Ｌ_ｌｏｗ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。

また、本準位構造においては、緩和ミニバンドＭＢは、図２に示すように、量子井戸発光層１７でのミニバンドと、注入層１８でのミニバンド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Ｌ_ｌｏｗから緩和ミニバンドＭＢへと緩和された電子は、抽出障壁及び注入層１８を介して、ミニバンドＭＢから、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌ_ｕｐへとカスケード的に注入される。

このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で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、量子井戸発光層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。

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。

図１及び図２に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、量子井戸発光層１７及び注入層１８から構成される単位積層体１６でのサブバンド準位構造において、発光に関わる発光上準位Ｌ_ｕｐ、及び発光下準位Ｌ_ｌｏｗに加えて、発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギー準位からなる緩和ミニバンドＭＢを設けている。そして、発光下準位Ｌ_ｌｏｗと緩和ミニバンドＭＢとの間のエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯに対応するようにサブバンド準位構造を構成している。

このような構成では、量子井戸発光層１７でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、発光下準位Ｌ_ｌｏｗからミニバンドＭＢへのＬＯフォノン散乱、及びミニバンドＭＢ内での緩和を介して発光下準位Ｌ_ｌｏｗから高速に引き抜かれることとなる。したがって、量子井戸発光層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することができ、レーザ動作性能が向上された高温、ＣＷ、高出力動作のレーザ素子を実現することが可能となる。

また、発光下準位Ｌ_ｌｏｗから緩和ミニバンドＭＢへの電子の引き抜きにＬＯフォノン散乱を用いている上記構成では、発光上準位Ｌ_ｕｐと下準位Ｌ_ｌｏｗとの間の発光遷移がミニバンド−ミンバンド間、あるいはサブバンド−ミニバンド間の遷移ではなく、サブバンド−サブバンド間の遷移となる。これにより、発光遷移での発光のゲインを集中させることができる。また、サブバンド間遷移を経た電子の緩和にミニバンドＭＢを利用していることにより、発光下準位Ｌ_ｌｏｗからの電子の緩和構造の設計が容易化されるとともに、レーザ素子の製造時における特性の安定化、及びその歩留まりの向上を実現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。

上記したサブバンド準位構造によるレーザ特性の向上効果について、従来構造と比較しつつ具体的に説明する。図３は、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る。図３において、準位構造（ａ）はダブルフォノン共鳴構造（特許文献３：米国特許第６７５１２４４号公報参照）を示している。また、準位構造（ｂ）はＢＴＣ（Bound to Continuum）構造（特許文献４：米国特許第６９２２４２７号公報参照）を示している。

図３の準位構造（ａ）に示すダブルフォノン共鳴構造では、発光下準位からの電子の引き抜きについて、下準位から２段階のＬＯフォノン散乱によって電子を引き抜くことで、発光下準位でのキャリアの短寿命化が図られている（キャリア寿命については、例えば文献：D. Hofstetter et al., Appl. Phys. Lett. Vol.78 (2001) pp.396-398 参照）。このような準位構造を実現するための量子井戸構造としては、例えば、量子井戸発光層において、発光下準位よりも低エネルギー側に２つの緩和準位を設けるための量子井戸層を１層追加した４重量子井戸構造を用いることができる。

しかしながら、このような構造では、従来の３重量子井戸構造（特許文献１：米国特許第５４５７７０９号公報参照）に比べて、サブバンド準位構造を構成する各エネルギー準位の量子力学的計算、及びその構造設計が複雑化する。また、発光下準位と１段目の緩和準位との間のエネルギー差、及び１段目の緩和準位と２段目の緩和準位との間のエネルギー差の両者をＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯと一致させなければ、かえって従来の３重量子井戸構造よりも特性が劣ってしまう可能性があり、優れた素子性能が得られる設計上あるいは製造上の最適範囲が狭いという問題がある。

この場合、活性層を形成する際の結晶成長において１分子層（ＭＬ）以下の精密な層厚制御が要求されることとなり、レーザ素子の製造時における特性のばらつきが発生し、その製造歩留まりが低下する可能性がある。量子カスケードレーザの産業応用を目指す上でＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）法などによる素子の大量生産を考えた場合、このような歩留まりの低下は非常に大きい問題である。

一方、図３の準位構造（ｂ）に示すＢＴＣ構造は、超格子によるミニバンド間の遷移を用いる構造（特許文献２：米国特許第５７４５５１６号公報参照）において、発光上準位に相当する上位ミニバンド、及び発光下準位に相当する下位ミニバンドのうちで、上位ミニバンドについて、ミニバンド内で最も低いエネルギーのサブバンドをミニバンドから分離して発光上準位とした構造となっている。

しかしながら、このように発光上準位を分離したＢＴＣ構造においても、その発光遷移は下位ミニバンドへの遷移であり、依然として発光のゲインが分散して発光半値幅が広くなるという問題がある。また、発光上準位から下位ミニバンドへの発光遷移において、本質的に複数の量子井戸層を横切るような対角（diagonal）遷移が支配的となり、その発光特性が量子井戸層の成長界面の影響を受けやすい。

これに対して、図２に示した本発明による量子カスケードレーザ１Ａのサブバンド準位構造では、発光下準位Ｌ_ｌｏｗからミニバンドＭＢへのＬＯフォノン散乱による高速での電子の引き抜きと、超格子によって形成されるミニバンドＭＢ内での高速緩和とを組み合わせることにより、レーザ素子の特性向上を実現している。

このような構造では、発光下準位Ｌ_ｌｏｗからミニバンドＭＢ内へと電子が緩和することにより、ダブルフォノン共鳴構造よりもさらに発光下準位Ｌ_ｌｏｗでのキャリア寿命を短くすることができる。すなわち、発光下準位Ｌ_ｌｏｗからミニバンドＭＢ内への緩和では、下準位Ｌ_ｌｏｗから緩和できる準位が多数存在するため、発光下準位Ｌ_ｌｏｗでのキャリア寿命が短くなる。

また、このようにミニバンドＭＢを利用しながらも、発光遷移自体は発光上準位Ｌ_ｕｐから下準位Ｌ_ｌｏｗへのサブバンド間の遷移であるため、ＢＴＣ構造などのように発光のゲインが分散することはなく、その発光のゲインを集中させることができる。また、発光上準位Ｌ_ｕｐから下準位Ｌ_ｌｏｗへの発光遷移において、同一の量子井戸層内で遷移が起こる直交（vertical）遷移が支配的となり、その発光特性が量子井戸層の成長界面の影響を受けにくい構造となっている。

また、２段階のＬＯフォノン散乱を利用するダブルフォノン共鳴構造では、上記したように構造設計が難しく、また、優れた素子性能が得られる結晶成長上の最適範囲が狭いという問題がある。これに対して、図２に示した準位構造では、発光下準位Ｌ_ｌｏｗからの電子がＬＯフォノン散乱によってミニバンドＭＢへと緩和する構造を採用することにより、ダブルフォノン共鳴構造における上記問題も克服することができる。

すなわち、キャリアの緩和過程の一部にミニバンドＭＢを利用する上記構造では、活性層での各層厚にある程度の揺らぎがあっても安定して充分な素子特性を得ることが可能である。また、レーザ素子の設計上、及び製造上の精度条件が緩和されることにより、その製造歩留まりの向上が期待できる。このような歩留まりの向上は、ＭＯＶＰＥ法などを用いた大量生産によるレーザ素子の低コスト化を考えた場合に、非常に重要である。

ここで、図２に示したサブバンド準位構造における発光下準位Ｌ_ｌｏｗについては、緩和ミニバンドＭＢにおける一のサブバンド（ミニバンドＭＢ内で最も高いエネルギーのサブバンド）を他のサブバンドからＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯ分だけ高エネルギー側に分離させ、その分離された準位を発光下準位Ｌ_ｌｏｗとする構成を用いることができる。これにより、発光下準位Ｌ_ｌｏｗと、発光下準位からＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯ分だけ離れた緩和ミニバンドＭＢとを含む準位構造を好適に実現することができる。

また、活性層１５の量子井戸構造については、図２に示したように、単位積層体１６において、量子井戸発光層１７と注入層１８との間に、量子井戸発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁層が設けられていることが好ましい。これにより、注入層１８から発光層１７への電子の波動関数の染み出しを抑制することができ、発光層１７での発光遷移の効率を向上することが可能となる。すなわち、このように電子の波動関数の染み出しを抑制することにより、レーザ発振に寄与する光学遷移が確実に発光上準位Ｌ_ｕｐ及び下準位Ｌ_ｌｏｗのサブバンド間で行われ、下準位Ｌ_ｌｏｗからのキャリアが１段階のＬＯフォノン散乱によってミニバンドＭＢ内へと緩和することとなる。

また、緩和ミニバンドＭＢは、量子井戸発光層１７でのミニバンドと、注入層１８でのミニバンドとが結合したバンド構造を有することが好ましい。このように、発光層１７のミニバンドと注入層１８のミニバンドとを強く結合させることにより、３重量子井戸構造において問題となっていた発光層１７から注入層１８への電子のトンネル時間τ_ｅｓｃを非常に短くすることができる。また、図２に示すように、注入層１８においてミニギャップを設けることにより、キャリアリークの原因となるレーザ発振に関与しない遷移の発生を抑制することができる。

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４は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。また、図５は、図４に示した量子カスケードレーザにおける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。

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５．２μｍ、動作電界を７０ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。なお、図５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、図４及び図５に示した素子構造は、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。

図４に示す量子カスケードレーザ１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０としてｎ型ＩｎＰ単結晶基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ４００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コア層５１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、厚さ４００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コア層５２、厚さ３μｍのＩｎＰクラッド層５３、及び厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層５４が順次積層されることで、量子カスケードレーザ１Ｂの素子構造が形成されている。また、この積層構造中で、活性層１５を除くコア層５１、５２、クラッド層５３、及びコンタクト層５４は、ＩｎＰ基板５０に格子整合している。

本構成例における活性層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３０周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図５に示すように、１１個の量子井戸層１６１〜１６５、１８１〜１８６、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７５、１９１〜１９６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、ＩｎＰ基板５０に対して＋１％の格子不整合（圧縮歪）を導入したＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、ＩｎＰ基板５０に対して−１％の格子不整合（引張歪）を導入したＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。また、単位積層体１６及び活性層１５では、上記の量子井戸層及び量子障壁層を交互に積層することで全体として格子歪を相殺する歪補償構造となっている。このような構造とすることにより、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃを基板に格子整合させた場合よりも大きくとることができる。この場合、素子設計の自由度の増大、効率的なキャリア閉じ込め、及び発振波長の短波長化が可能となる。

また、このような単位積層体１６において、量子井戸発光層１７と注入層１８とについては、図５に示す積層構造において、量子井戸層１６１〜１６５、及び量子障壁層１７１〜１７５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、量子井戸層１８１〜１８６、及び量子障壁層１９１〜１９６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段目の量子障壁層１７１が、前段の注入層１８ａと、発光層１７との間に位置し、前段の注入層１８ａから発光層１７への電子に対する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段目の量子障壁層１９１が、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層となっている。図６に、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す。

このような構成において、単位積層体１６は、その図５に示すサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌ_ｕｐ、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ、及び緩和ミニバンドＭＢを有している。本構成例では、発光下準位Ｌ_ｌｏｗは、ミニバンドＭＢからＬＯフォノンのエネルギーに相当する約３４ｍｅＶだけ高エネルギー側に分離されている。このような発光下準位Ｌ_ｌｏｗとミニバンドＭＢとの分離は、量子井戸発光層１７を構成する量子井戸層及び障壁層のそれぞれの層厚の組合せによって設計可能である。また、発光下準位Ｌ_ｌｏｗからの電子の引き抜きについては、下準位Ｌ_ｌｏｗでのキャリア寿命は約０．１９ｐｓと見積もられ、充分に短いキャリア寿命が得られることがわかる。

また、前段の注入層１８ａから量子井戸発光層１７への電子の注入については、注入障壁層１７１のすぐ隣に薄い量子井戸層１６１を設けることにより、発光上準位Ｌ_ｕｐへの電子の高い注入効率を実現している。そして、これらの構成により、量子井戸発光層１７における反転分布を効率的に形成することが可能となっている。なお、本構成例は、上記したように発振波長を５．２μｍとした場合の構成の一例を示すものである。一般には、活性層１５における半導体積層構造、各半導体層の組成、層厚、ドーピング、あるいはレーザ素子全体の構造等については、具体的には図４〜図６に示した構成例以外にも、様々な構成を用いることが可能である。

また、図５に示した構成例では、量子井戸発光層１７と注入層１８との間に設けられた抽出障壁層１９１の層厚を調整することにより、上記したように、注入層１８から発光層１７への波動関数の染み出しを抑制することが可能である。

ここで、このような波動関数の染み出しの抑制効果について説明するため、図５のサブバンド準位構造において、注入層１８に波動関数の中心がある準位のうちで最も高エネルギー側にある準位Ｌ_ｘを考える。そして、このような準位Ｌ_ｘに関して、発光上準位Ｌ_ｕｐから発光下準位Ｌ_ｌｏｗへの振動子強度ｆと、準位Ｌ_ｘへの振動子強度ｆ_ｘとの大きさの比ｆ_ｘ／ｆについて検討する。ここで、この振動子強度の比ｆ_ｘ／ｆの値が１のとき、発光上準位Ｌ_ｕｐから発光下準位Ｌ_ｌｏｗ及び準位Ｌ_ｘへと遷移する振動子強度が同じになることを意味している。

図７は、抽出障壁層１９１の層厚と、振動子強度の比ｆ_ｘ／ｆとの相関を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は抽出障壁層の層厚（ｎｍ）を示し、縦軸は上記した振動子強度の比ｆ_ｘ／ｆを示している。なお、サブバンド準位構造における各準位の位置は電界によって変化する。ここでは、振動子強度の計算において、対象とした準位Ｌ_ｘについて発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも５ｍｅＶだけ高エネルギー側に位置しているものとして計算を行った。

図７のグラフでは、図５に示したサブバンド準位構造において、抽出障壁層１９１の層厚を１．８ｎｍ〜２．４ｎｍの範囲で変えたときの振動子強度の比ｆ_ｘ／ｆの変化を示している。また、ここでは、比較のために、実施例と同等波長におけるＢＴＣ構造（文献：S. Blaser et al., "Room-Temperature, Continuous-Wave,Single-Mode Quantum-Cascade Lasers at λ〜5.4μm", Appl. Phys. Lett. Vol.86 (2005) 041109）における振動子強度の比ｆ_ｘ／ｆの値を、破線によって合わせて示している。

このグラフに示すように、ＢＴＣ構造では、発光上準位Ｌ_ｕｐから発光下準位Ｌ_ｌｏｗへの振動子強度ｆに対して、その７０％もの振動子強度ｆ_ｘで注入層１８内の準位Ｌ_ｘへの遷移が発生している。このような注入層１８内の準位Ｌ_ｘへの遷移の発生は、レーザ素子の動作効率の低下の原因となる。これに対して、本発明の準位構造では、ＢＴＣ構造に比べて振動子強度の比ｆ_ｘ／ｆが小さくなり、発光効率が向上していることがわかる。

さらに、このような構造において、抽出障壁層の層厚を厚くすることで、振動子強度の比ｆ_ｘ／ｆの値はさらに減少している。これは、抽出障壁層の層厚によって、注入層１８から発光層１７への波動関数の染み出しが制御可能であることを示している。このように波動関数の染み出しが抑制されることにより、量子井戸発光層１７における発光遷移を、確実に直交（vertical）遷移とすることが可能となる。なお、抽出障壁層の層厚を厚くすると、波動関数の染み出しが抑制される一方で、発光層１７と注入層１８との間でのミニバンドの結合が弱くなる。したがって、このような抽出障壁層の層厚については、それらのバランスを考慮して設計することが好ましい。

なお、このような抽出障壁層の機能は、上記したように、波動関数の染み出しを抑制しつつ、発光層と注入層との間でミニバンドの結合を保つことである。このような機能を実現するため、抽出障壁層の厚さは、注入層における（抽出障壁層を除く）最も発光層側の障壁層（図５の例では障壁層１９２）の厚さよりも厚いことが好ましい。また、抽出障壁層の厚さは、注入障壁層よりも薄いことが好ましい。

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／ＩｎＡｌＡｓ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。

このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ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、量子カスケードレーザのレーザ素子全体としての半導体積層構造については、図４に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。

本発明は、量子井戸発光層における反転分布を効率的に形成して、レーザ動作性能を向上することが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。

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。 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について示す図である。 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る。 量子カスケードレーザの構成の一例を示す図である。 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。 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。 抽出障壁層の層厚と、振動子強度の比との相関を示すグラフである。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ…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…注入層、５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＧａＡｓ下部コア層、５２…ＩｎＧａＡｓ上部コア層、５３…ＩｎＰクラッド層、５４…ＩｎＧａＡｓコンタクト層、Ｌ_ｕｐ…発光上準位、Ｌ_ｌｏｗ…発光下準位、ＭＢ…緩和ミニバンド。

Claims (1)

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、前記発光下準位よりも低い複数のエネルギー準位からなり緩和準位として機能する緩和ミニバンドとを有し、
   前記発光下準位と前記緩和ミニバントとは、その間のエネルギー差が縦光学フォノンのエネルギーに対応するように構成され、
   前記緩和ミニバンドは、前記量子井戸発光層でのミニバンドと、前記注入層でのミニバンドとが結合したバンド構造を有し、
   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るとともに、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る前記発光下準位から前記緩和ミニバンドへの緩和、及び前記緩和ミニバンド内での緩和を介して、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、
   前記単位積層体において、前記量子井戸発光層と、前記注入層との間に、前記注入層の１段目の量子障壁層として、前記量子井戸発光層から前記注入層への電子に対する抽出障壁層が設けられているとともに、前段の前記注入層と、前記量子井戸発光層との間に、前記量子井戸発光層の１段目の量子障壁層として、前段の前記注入層から前記量子井戸発光層への電子に対する注入障壁層が設けられており、
   前記抽出障壁層は、その厚さが、前記注入層における前記抽出障壁層を除く最も前記量子井戸発光層側の障壁層の厚さよりも厚く、かつ、前記注入障壁層の厚さよりも薄く、
   前記発光下準位は、前記緩和ミニバンドにおける一のサブバンドを他のサブバンドから縦光学フォノンのエネルギー分だけ高エネルギー側に分離させた準位からなることを特徴とする量子カスケードレーザ。

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