JP2002353569A

JP2002353569A - 半導体レーザ素子、半導体レーザ装置

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Publication number: JP2002353569A
Application number: JP2001154220A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ishida; 明広石田; Hiroshi Fujiyasu; 洋藤安; Masakazu Kuwabara; 正和桑原
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-12-06

Abstract

(57)【要約】【課題】複雑な素子構造を必要とせず、作製が容易で
あり、室温動作の可能な赤外線半導体レーザ素子を提供
する。【解決手段】価電子帯(不図示)からｎ＝２のサブバン
ドへと電子が光により励起される。この電子が基底サブ
バンド(ｎ＝１)へと遷移する際に、これら２つのサブバ
ンド間のエネルギーギャップに相当する光を放出する。
ここで、基底サブバンドは、約２００ｍｅＶといった広
いバンド幅を有しているため、ｎ＝２のサブバンドから
基底サブバンドへと遷移した電子は、基底サブバンド内
の低エネルギー領域へと極めて短い時間のうちに移動す
る。そのため、ｎ＝２のサブバンドと基底サブバンドと
の間で反転分布状態が容易に実現され、電子の遷移が継
続して起こる。電子の遷移により放出される光を光共振
することによりレーザ光が放射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線域の半導体
レーザ素子及び半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発振波長が３μｍを越える赤外線域の半
導体レーザ素子は、従来、２００Ｋ程度といった低い温
度にまで冷却しなければレーザ発振が起こらず、室温で
のレーザ発振を実現することは困難であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】赤外線域の半導体レー
ザ素子として、発振波長が４．２μｍであるＧａＩｎＡ
ｓ/ＡｌＩｎＡｓ量子井戸の伝導帯サブバンド間遷移を
用いた量子カスケードレーザ素子が１９９４年に発表さ
れた(文献「J.Faist, F.Capasso, D.L.Sivco, C.Sirtor
i, A.L.Hutchinson, and A.Y.Cho, "Quantum cascade l
aser," Science,vol.264, p.553, 1994」)。

【０００４】この量子カスケードレーザ素子は、以下の
通り動作する。図９は、量子カスケードレーザ素子の伝
導帯及び伝導帯サブバンド構造を示す図である。同図に
示す通り、発光層１０２，１０４は、量子井戸１１０と
量子障壁１１１とから構成されている。これら量子井戸
１１０と量子障壁１１１とから量子準位ｎ＝１，２，３
が形成されている。発光層１０２，１０４の間には、注
入層１０３が設けられる。この注入層１０３は、量子井
戸１１２と量子障壁１１３とからなり、量子井戸１１２
の幅が発光層１０２から発光層１０４へと向かう方向に
沿って狭くなるという構成上の特徴を有している。

【０００５】このような伝導帯量子準位構造を有する量
子カスケードレーザ素子にバイアス電圧を印加すると、
電子１０１が発光層１０２のｎ＝３の量子準位に選択的
に注入される。ｎ＝３の量子準位に注入された電子１０
１はｎ＝２の量子準位へと遷移し、このとき、ｎ＝２及
び３の量子準位間のエネルギー準位差に相当する波長を
有する光ｈνが放出される。また、ｎ＝２の量子準位へ
と遷移した電子１０１は、ｎ＝２の量子準位から注入層
１０３を通過して発光層１０４のｎ＝３の量子準位に選
択的に注入される。そして、この電子１０１は発光層１
０４においてｎ＝３の量子準位からｎ＝２の量子準位へ
と遷移する。このとき、これら２つの量子準位間のエネ
ルギー準位差に相当する波長を有する光ｈνが放出され
る。ｎ＝３の量子準位とｎ＝２の量子準位との間のエネ
ルギーギャップは、いずれも３００ｍｅＶ程度であるた
め、発光層１０２，１０４において放出される光ｈνは
４．２μｍといった中赤外域に相当する。このような光
が光共振器により共振されて中赤外域レーザ光が放射さ
れる。

【０００６】なお、図９において、発光層１０４の右側
に更に別の注入層１０３が設け、更にこの注入層１０３
の右側に第３の発光層を設けても良い。このように、複
数の発光層をそれぞれ注入層を介して併置すれば、カス
ケードの名の通り電子は発光層へと次々と移動し、各発
光層での遷移の際に光ｈνが放出される。

【０００７】通常のバンド間の遷移においては、発光再
結合寿命は数ナノ秒程度であるのに対し、サブバンド間
での遷移は数ピコ秒程度とたいへん速い。そのため、バ
ンド間遷移レーザ素子ではオージェ再結合がレーザ特性
に悪影響を与えることとなるが、量子カスケードレーザ
素子ではオージェ再結合は殆ど問題とならない。また、
バンド間遷移レーザ素子では、禁制帯中に深い準位等が
形成されると、電子のバンド間遷移の確率が低下されて
しまうという問題があるため、レーザ素子を構成する結
晶の結晶性が極めて高いことが重要である。しかし、量
子カスケードレーザ素子では、伝導帯内のサブバンド間
の遷移を利用するため、バンド間レーザ素子に比べる
と、結晶性の優劣はあまり大きな問題とはならない。

【０００８】このような利点により、量子カスケードレ
ーザ素子による室温パルス動作が１９９７年にベル研究
所から報告された(文献「F.Capasso et al., "Infrared
(4-11μｍ) quantum cascade lasers," solid State C
omm.102,pp.231-236(1997)」)。これが、中赤外線域の
半導体レーザ素子における始めての室温動作に関する報
告である。

【０００９】しかしながら、量子カスケードレーザ素子
においては、上位サブバンドへの電流注入と、下位サブ
バンドからの電子の早い抜き取りとを必要とするため、
レーザ素子構造が複雑になる。また、その作製において
も、超格子構造の膜厚制御等、結晶成長に高い精度が要
求される。

【００１０】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、複雑な素子構造を必要とせず、作製が容易で
あり、室温動作の可能な赤外線半導体レーザ素子を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明らは、複雑なデバ
イス設計及び製作を必要としない半導体レーザ素子を実
現すべく鋭意研究を重ね本発明に到達した。

【００１２】すなわち、本発明に係る半導体レーザ素子
は、半導体から成り量子井戸層と量子障壁層とから構成
される超格子構造を有し、この超格子構造により形成さ
れる複数のサブバンド間におけるキャリアの遷移を利用
する半導体レーザ素子であって、複数のサブバンドをキ
ャリアに対するエネルギー準位の低い順にｎ＝１，２，
３，…，Ｎ(Ｎは自然数)のサブバンドと表したとき、超
格子構造への光の照射により、ｎ＝ｍ＋１(ｍは自然数)
のサブバンドへキャリアが励起され、ｎ＝ｍ＋１のサブ
バンドへ励起されたキャリアがｎ＝ｍのサブバンドへと
遷移する際に放出される光を共振させることによりレー
ザ光を放射することを特徴とする。

【００１３】この半導体レーザ素子においてはキャリア
が光励起される。ここで言う光励起とは、価電子帯の電
子を伝導帯の所定のサブバンドのエネルギー準位まで励
起するバンド間光励起と、ｎ＝１のサブバンドの電子を
ｎ＝ｍのサブバンドへと励起するサブバンド間光励起と
を含む。励起されたキャリアは、エネルギー準位が１つ
低いサブバンドへと遷移する。このとき、遷移する前後
のサブバンド間のエネルギーギャップに相当するエネル
ギーを光として放出する。エネルギーギャップは、井戸
層及び障壁層のエネルギーギャップとこれらの層の膜厚
とに依存し、３０〜１０００ｍｅＶ程度の間で比較的任
意に設定することができる。つまり４０〜１．２μｍの
範囲の赤外域で任意に光の波長を設定できる。このサブ
バンド間のエネルギーギャップに相当する光を光共振器
により発振させることによりレーザ光が放出される。

【００１４】なお、ここで言うキャリアとは電子又は正
孔を意味する。すなわち、本発明による半導体レーザ素
子においては、伝導帯中に形成されるサブバンド間での
電子の遷移による光と、価電子帯中に形成されるサブバ
ンド間での正孔の遷移による光との一方又は両方を利用
し得る。また、ｎ＝１，２，３，…，Ｎ(Ｎは自然数)で
表されるエネルギー準位は、伝導帯中のサブバンドの場
合は、電子に対するエネルギー準位の低い方から順にｎ
＝１，２，３，…，Ｎ(Ｎは自然数)のサブバンドを意味
し、価電子帯中のサブバンドの場合は、正孔に対するエ
ネルギー準位の低い方から順にｎ＝１，２，３，…，Ｎ
(Ｎは自然数)のサブバンドを意味する。

【００１５】また、本発明に係る半導体レ−ザ素子は、
前記ｎ＝ｍのサブバンドのバンド幅をΔＥとすると、Δ
Ｅが ΔＥ＞−ｋ_BＴ×ｌｎ(Ｃ_m+1／Ｃ_m) … (１) ただし、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：半導体レーザ素子の動作温度(Ｋ)、Ｃ_m+1：光励起時のｎ＝ｍ＋１のサブバンドのキャリア
濃度(ｃｍ^-3)、Ｃ_m：ｎ＝ｍのサブバンドのキャリア濃度(ｃｍ^-3)、といった関係を満たすことを特徴とする。

【００１６】エネルギー準位が１つ低いサブバンドへと
遷移した電子は、極めて短い時間(１００ｆｓ程度)に当
該サブバンドの下端へと緩和する。したがって、このサ
ブバンド幅が、式（１）に示すように十分大きければ、
ｎ＝ｍ＋１のサブバンドとｎ＝ｍのサブバンドとの間で
反転分布が起こる。ｍ＞１の場合には、緩和した電子
は、準位の更に１つ低いサブバンドへと短い時間(１ｐ
ｓ程度)内に遷移する。そのため、式（１）の条件は容
易に満たされる。励起方法としては、バンド間光励起で
もサブバンド間光励起でも良い。

【００１７】また、本発明に係る半導体レ−ザ素子は、
ｍが１の場合、 ΔＥ＞−ｋ_BＴ×ｌｎ(τ_m+1／τ_m) … (２) ただし、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：半導体レーザ素子の動作温度(Ｋ)、 τ_m+1：ｎ＝ｍ＋１のサブバンドにおける電子の寿命
(秒)、 τ_m：ｎ＝ｍのサブバンドにおける電子の寿命(秒)、といった関係を満たすことを特徴としても良い。

【００１８】今、室温において、ｎ＝２のサブバンドか
ら基底サブバンド(ｎ＝１)への電子遷移を考える。光励
起時に、ｎ＝２のサブバンドの下端における電子濃度が
１０ ¹⁶ｃｍ^-3であったとする。ｎ＝２のサブバンドの電
子は、寿命時間τ₁＝１ｐｓ程度で基底サブバンドへと
遷移する。電子が基底サブバンドに遷移すると、極めて
短い時間(１００ｆｓ程度以下)で電子緩和が起こり、電
子は、基底バンドの下端(波数ｋ＝０)すなわち低エネル
ギー側へと移動する。電子が基底サブバンドから価電子
帯の基底サブバンドへと遷移する際の寿命時間τ₂は１
ｎｓ程度とサブバンド間の遷移の場合に比べ長いため、
基底サブバンドは、その低エネルギー側から電子で満た
されていくこととなる。電子はフェルミ分布に従って分
布し、基底サブバンド上端の電子濃度も徐々に上昇して
しまう。規定サブバンド上端のキャリア濃度が所定の値
以上に上昇してしまうと、ｎ＝２のサブバンドと基底サ
ブバンドとの間で反転分布状態が実現されない事態とな
り、レーザ発振が実現されなくなってしまう。このよう
な事態を避けるためには、基底サブバンドのバンド幅
が、電子の寿命とフェルミ分布幅とに基づいて以下のよ
うに決定されると好適である。

【００１９】ｎ＝２のサブバンドの下端での電子濃度を
Ｃ_2bとし、基底サブバンドの上端での電子濃度をＣ_1tと
し、基底サブバンドの下端での電子濃度をＣ_1bとする
と、定常状態で以下の関係が成りたつ。

【００２０】Ｃ_2b／τ₂ ＝Ｃ_1b／τ₁ … (４) Ｃ_1t＝Ｃ_1b×exp(−ΔＥ／ｋ_BＴ) … (５) ただし、ΔＥは基底サブバンドのバンド幅であり、ｋ_B
はボルツマン定数であり、Ｔはレーザ素子の動作温度
(Ｋ)である。また、τ₁はｎ＝１のサブバンドにおける
電子の寿命であり、τ₁はｎ＝２のサブバンドにおける
電子の寿命である。レーザ発振のためには、これら２つ
のサブバンド間で反転分布が実現しなければならない。
よって、Ｃ_2b＞Ｃ_1t … (６) の関係が成立しなければならない。これらの式(４)〜
(６)より、 ΔＥ＞−ｋ_BＴ×ｌｎ(τ₂／τ₁) … (２) が導かれる。基底サブバンドがこのようなバンド幅を有
していれば、ｎ＝２のサブバンドから基底サブバンドへ
遷移した電子は、基底サブバンド内で低エネルギー側へ
と確実に移動することができる。これにより、反転分布
状態が確実に達成されかつ維持される。その結果、半導
体レーザ素子の発振が可能となり連続動作も可能とな
る。

【００２１】また、本発明に係る半導体レーザ素子にお
いては、ｍが２以上であり、ｎ＝ｍ＋１のサブバンドと
ｎ＝ｍのサブバンドとの間のエネルギーギャップは、ｎ
＝ｌ（ｌはｍ以下の自然数）のサブバンドとｎ＝ｌ−１
のサブバンドとの間のサブバンドとの間のエネルギーギ
ャップよりも小さいことを特徴としても良い。このよう
にすれば、ｎ＝ｍ＋１(ｍ≧２)のサブバンドからｎ＝ｍ
のサブバンドへ電子が遷移したときに放出される光がそ
れより下位のサブバンド間で吸収されることがない。そ
のため、電子の遷移により放出される光の強度が低下す
るのを防止でき、レーザ発振効率を向上できる。

【００２２】この場合、本発明に係る半導体レーザ素子
は、ｎ＝ｍのサブバンドの上端と基底サブバンドの下端
の間のエネルギー幅をΔＥ_m1とすると、ΔＥ_m1が ΔＥ_m1＞−ｋ_BＴ×ｌｎ(τ_m+1／τ₁) … (３) ただし、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：半導体レーザ素子の動作温度(Ｋ)、 τ_m+1：ｎ＝ｍ＋１のサブバンドにおける電子の寿命
(秒)、 τ₁：ｎ＝１のサブバンドにおける電子の寿命(秒)、といった関係を満たすことを特徴とする。このようにす
れば、ｎ＝ｍ＋１のサブバンドとｎ＝ｍのサブバンドと
の間で反転分布状態がより確実に実現され且つ維持され
る。

【００２３】さらに、本発明の半導体レーザ素子は、超
格子構造を構成する量子井戸層と量子障壁層との間に半
導体中間層を更に備えることを特徴としても良い。ま
た、この半導体中間層は、量子井戸層を構成する半導体
と量子障壁層を構成する半導体との混晶半導体からなる
と好適である。さらに、この混晶半導体の混晶比は、量
子井戸層との界面において量子井戸層を構成する半導体
と同一であり、量子障壁層との界面において量子障壁層
を構成する半導体と同一であり、量子井戸層との界面及
び量子障壁層との界面の間で連続的又は階段状に変化す
る尚好ましい。このようにすれば、ｎ＝ｍ＋１(ｍ≧２)
のサブバンドとｎ＝ｍのサブバンドとのエネルギーギャ
ップを、ｎ＝ｌ（ｌはｍ以下の自然数）のサブバンドと
ｎ＝ｌ−１のサブバンドとの間のサブバンドとの間のエ
ネルギーギャップよりも確実に小さくできる。

【００２４】さらに、上記の超格子構造が、量子井戸層
となるべき半導体と量子障壁層となるべき半導体とが交
互に積層された半導体多層膜の構成元素を熱拡散させる
ことにより作製されると好適である。これにより、混晶
比が量子井戸層との界面及び量子障壁層との界面の間で
連続的に変化する超格子構造が容易に作製される。

【００２５】また、上記の超格子構造が、III−Ｖ族化
合物半導体から構成されることを特徴とすることもでき
る。さらに、超格子構造が、ＧａＮから成る量子井戸層
と、ＡｌＮから成る量子障壁層と、から構成されると尚
好適である。ＧａＮとＡｌＮとは、互いのバンドギャッ
プエネルギーの差が大きく、しかも、伝導帯の下端のエ
ネルギー差が大きい。そのため、これらを用いると様々
なサブバンド構造を設計し得る。その結果、上記の半導
体レーザ素子の波長を適宜決定できるとともに、発光効
率を向上させることもできる。

【００２６】さらに、上記の超格子構造の量子井戸層及
び量子障壁層が、Ｐｂ、Ｅｕ、Ｓｎ、Ｃａ、及びＳｒの
中から選択される１又は複数の元素と、Ｓ、Ｓｅ、及び
Ｔｅの中から選択される１又は複数の元素と、が化合し
た化合物から構成されることを特徴としてもよい。ま
た、超格子構造が、ＰｂＴｅから成る量子井戸層と、Ｃ
ａＴｅ又はＰｂＣａＴｅから成る量子障壁層と、から構
成されると有用である。

【００２７】上記の化合物では価電子帯上端及び伝導帯
下端におけるキャリアの有効質量がほぼ等しいため、サ
ブバンド間遷移エネルギ−は価電子帯、伝導帯ともほぼ
等しくなる。そのため伝導帯内電子遷移と価電子帯内電
子（正孔）遷移は同じ光を増幅できるので、バンド間光
励起レ−ザの効率は向上する。

【００２８】また、上記の化合物により超格子構造を形
成すると、超格子構造全体のキャリア濃度を低く、或い
は、キャリアの寿命を小さくし得る。そのため、式
（１）または（２）の条件を容易に満たすようになり、
バンド間励起レ−ザの効率が向上され得る。その結果、
正孔のエネルギー遷移を効率良く生じさせることができ
る。このような超格子構造としては、ＰｂＳ／（Ｐｂ）
ＥｕＳ系の超格子構造が好適である。

【００２９】また、超格子構造にＹｂが添加されたＰｂ
Ｔｅ量子井戸層又はＩｎが添加されたＰｂＳｎＴｅ量子
井戸層を有していると好適である。ＰｂＴｅ量子井戸層
にＹｂを添加する、或いは、ＰｂＳｎＴｅ量子井戸層に
Ｉｎを添加すると、量子井戸層内に深い準位が形成され
る。そのため、超格子構造全体のキャリア濃度を確実に
低減することが可能である。

【００３０】また、本発明に係る半導体レーザ装置は、
上述の半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子を光
励起する励起用半導体レーザ素子とが同一基体上に構成
されてなることを特徴とする。このような構成によれ
ば、上記の半導体レーザ素子が効果的に光励起され得
る。また、半導体レーザ素子の外部に励起用の光源を設
ける必要がないため、半導体レーザ装置は小型化され得
る。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による半導体レーザ
素子及び半導体レーザ装置の好適な実施形態について説
明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には
同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略す
る。

【００３２】(第１の実施形態)図１は、第１の実施形態
による半導体レーザ素子の構造を示す模式図である。レ
ーザ素子１は、Ａｌ₂Ｏ₃基板２の(０００１)面２ａ上
に、ＧａＮ光ガイド層３(厚さ２μｍ程度)と、超格子層
４とが順次積層されて構成される。ここで、超格子層４
は、１原子層のＡｌＮからなる量子障壁層と、９原子層
のＧａＮからなる量子井戸層とが交互に数百層程度積層
されて成る。また、超格子層４の側面には、光共振器と
してのミラー面４ａ，４ｂが形成されている。本実施形
態のレーザ素子１は、従来の量子カスケードレーザ素子
とは異なり、量子井戸層幅が漸次変化する注入層を有し
ていないため、構成が単純であり、その作製もまた容易
である。

【００３３】図２は、超格子層４の伝導帯サブバンド構
造を示す図である。同図において横軸は波数を示してい
る。また、同図中のＬは超格子層４の周期であり、Ａｌ
Ｎの１原子層とＧａＮの９原子層との合計膜厚に相当す
る。さらに、図中の黒丸は、電子を表している。

【００３４】このように、量子井戸層(ＧａＮ)の厚さに
比べ量子障壁層(ＡｌＮ)が薄く構成されていると、隣り
合う量子井戸間の電子の相互作用が大きくなるため、各
サブバンドは比較的広いバンド幅を有することとなる。
例えば、図２において、基底サブバンド(ｎ＝１)は、ｋ
＝０におけるエネルギー準位とｋ＝π／Ｌにおけるエネ
ルギー準位との差だけのバンド幅を有している。本発明
者らの計算によれば、超格子層４におけるバンド幅は約
２００ｍｅＶである。また、本発明者らの知見によれ
ば、ｎ＝１のサブバンドにおける電子の寿命τ₁は１ｎ
ｓ程度であり、ｎ＝２のサブバンドにおける電子の寿命
τ₂は１ｐｓ程度である。室温におけるフェルミ幅ｋ_BＴ
は約２６ｍｅＶである。そのため、上述の式(２)の右辺
は、 −ｋ_BＴ×ｌｎ(τ₂／τ₁)＝＋１７９．６ (ｍｅＶ) となる。よって、超格子層４により形成される基底サブ
バンドのバンド幅(約２００ｍｅＶ)は、式(２)を満たし
ている。すなわち、反転分布状態が容易に実現される。

【００３５】続いて、図２を参照しながら、レーザ素子
１のレーザ発振動作について説明する。まず、超格子層
４に対して、ＫｒＦエキシマレーザ(発振波長２４８ｎ
ｍ)装置などから放出される高出力紫外線レーザ光が励
起光Ｒとして照射される。励起光Ｒの光エネルギーは、
超格子層４の実質上のバンドギャップエネルギーよりも
大きいため、励起光Ｒの超格子層４への照射により、価
電子帯(不図示)から伝導帯のｎ＝２のサブバンドへと電
子が励起され得る。図２中の矢印Ａは、価電子帯から伝
導帯ｎ＝２のサブバンドへと電子が励起されることを例
示的に表す。ｎ＝２のサブバンドへと励起された電子の
多くは、伝導帯の基底サブバンド(ｎ＝１)へ遷移する前
に、波数ｋ＝π／Ｌ側へと直ちに移動する。そのため、
ｎ＝２のサブバンドの波数ｋ＝π／Ｌ側に多数の電子が
存在することとなる。

【００３６】一方、基底サブバンドに存在する電子は、
エネルギー準位の低い側、すなわち、波数ｋ＝０側へと
移動する。そのため、波数ｋ＝π／Ｌにおいては、ｎ＝
２のサブバンドと基底サブバンドとの間で反転分布状態
が実現される。これによりｎ＝２のサブバンドと基底バ
ンドとのエネルギー差に相当する光(波長約６μｍ)が誘
導放出される。ｋ＝π／Ｌにおいて、ｎ＝２のサブバン
ドから基底サブバンドへと遷移した電子は、基底サブバ
ンドが上述の通りのバンド幅を有しているため、基底サ
ブバンド内のよりエネルギー準位の低い状態(ｋ＝０)へ
と直ちに移動する。そのため、波数ｋ＝π／Ｌにおい
て、ｎ＝２のサブバンドと基底サブバンドとの間の反転
分布状態は維持され続ける。従って、光励起を続ける
間、ｎ＝２のサブバンドと基底サブバンドとの間で誘導
放出が持続する。そして、この遷移により放出される光
がミラー面４ａ，４ｂとの間で共振されてレーザ発振が
起こり、レーザ光がミラー面４ａ，４ｂを通して放射さ
れる。

【００３７】本発明者らは、エキシマレーザ装置を用い
てレーザ素子１に対してパルス光(波長２４８ｎｍ、出
力３００ｋＷ／ｃｍ²、２００Ｈｚ)を照射したとこ
ろ、波長約６μｍ、ピーク出力約１００ｍＷ以上のレー
ザ光の発振が室温において認められた。なお、本発明者
らの検討によれば、上記の条件にて光励起したときのｎ
＝２のサブバンドにおける電子濃度は、１×１０¹⁶ｃｍ
^-3程度であり、基底サブバンドにおける電子濃度は、1
×１０¹⁹ｃｍ^-3程度であった。この結果から、式(１)の
右辺を計算すると、１８０ｍｅＶという値が得られる。
すなわち、基底サブバンドのバンド幅は上述の通り約２
００ｍｅＶであるので、式(１)が満たされていることが
分かる。

【００３８】これまでは、紫外域の励起光Ｒを超格子層
４に照射し、超格子層４において価電子帯から伝導帯中
のｎ＝２のサブバンドへと電子を励起する場合について
説明したが、サブバンド間の光励起によってもレーザ発
振は実現される。サブバンド間で励起を行う場合には、
励起光は、ｎ＝２のサブバンド及び基底サブバンドの波
数ｋ＝０におけるエネルギー差に相当するエネルギーを
有していればよい。また、この場合には、励起光は超格
子層に平行に入射されると好ましい。

【００３９】光源としては、高出力半導体レーザ素子な
どの近赤外線レーザ素子を使うことができる。このよう
な素子からの近赤外線レーザ光を超格子層４に照射する
と、基底サブバンドからｎ＝２のサブバンドへと電子が
励起される(矢印Ｂ)。この電子は、基底サブバンドへと
遷移するに先立って、ｎ＝２のサブバンドの低エネルギ
ー側へと移動する。そして、波数ｋ＝π／Ｌにおいて、
ｎ＝２のサブバンドから基底サブバンドへと電子が遷移
する。また、このとき、上述の通り、ｎ＝２のサブバン
ドと基底サブバンドとの間で反転分布状態が実現される
ので、励起光の照射中、電子の遷移は継続して起こる。
この際に放出される光をミラー面４ａ，４ｂにより共振
すれば、レーザ発振が実現される。

【００４０】以上の通り、第１の実施形態のレーザ素子
１は、１原子層のＡｌＮと９原子層のＧａＮとが積層さ
れた超格子層４を有する。この超格子層４において、ｎ
＝２のサブバンドへと光により励起された電子が、基底
サブバンド(ｎ＝１)へと遷移する際に放出される光を光
共振器により共振させてレーザ光を放射する。ここで、
基底サブバンドは、約２００ｍｅＶといった広いバンド
幅を有しているため、ｎ＝２のサブバンドから基底サブ
バンドへと遷移した電子は、基底サブバンド内の低エネ
ルギー領域へと短時間のうちに移動する。そのため、ｎ
＝２のサブバンドと基底サブバンドとの間で反転分布状
態が容易に実現される。その結果、レーザ発振が確実に
起こすことができる。

【００４１】(第２の実施形態)第２の実施形態による半
導体レーザ素子は、超格子層を構成する半導体材料及び
層厚比が異なる以外は、第１の実施形態による半導体レ
ーザ素子と同一の構成を有している。以下では、相違点
を中心に説明する。

【００４２】第２の実施形態のレーザ素子１０は、Ｐｂ
Ｔｅ基板２の(０００１)面２ａ上に、ＰｂＴｅ光ガイド
層３(厚さ２μｍ程度)と、超格子層４０とが順次積層さ
れて構成される。ここで、超格子層４０は、厚さ３ｎｍ
のＰｂ_xＣａ_1-xＴｅから成る量子障壁層と、厚さ６ｎｍ
のＰｂＴｅから成る量子井戸層とが交互に積層されて成
る。この場合には、周期Ｌは９ｎｍである。ここで、Ｐ
ｂ_xＣａ_1-xＴｅの組成比ｘは、ＰｂＣａＴｅの有するエ
ネルギーバンドギャップが、ＰｂＴｅのエネルギーバン
ドギャップよりも２００ｍｅＶ程度大きくなるよう調整
されている。また、レーザ素子４０の端面には、光共振
器としてのミラー面４ａ，４ｂが形成されている。

【００４３】続いて、図３を参照しながら、レーザ素子
１０のレーザ発振動作について説明する。図３は、第２
の実施形態のレーザ素子１０の超格子層４０が有する伝
導帯サブバンド構造を示す図である。一般に、比較的厚
い量子障壁層をもつ超格子においても、量子障壁が低け
れば隣り合う量子井戸間の電子の相互作用が大きくなる
ため、サブバンドに幅を持たせることができる。超格子
層４０の場合も、ＰｂＣａＴｅ層(量子障壁層)が約３ｎ
ｍと比較的厚いにもかかわらず、ＰｂＴｅとＰｂＣａＴ
ｅとのエネルギーバンドギャップ差を約２００ｍｅＶと
比較的低く設定しているため、サブバンドが所定の幅を
有することになる。例えば、図３から分かるように、基
底サブバンドは約４０ｍｅＶのバンド幅を有し、ｎ＝２
のサブバンドは約１００ｍｅＶのバンド幅を有してい
る。また、同図から、基底サブバンドの下端とｎ＝２の
サブバンドの上端と間のエネルギー差は、１８０ｍｅＶ
程度であることがわかる。

【００４４】先ず、図３に示すようなバンド構造を有す
る超格子層４０に所定の励起光が照射される。すると、
価電子帯からｎ＝３のサブバンドへと電子が励起され
る。ｎ＝３のサブバンドへと励起された電子は、１ｐｓ
程度の寿命τ₃でｎ＝２のサブバンドへと遷移し、この
とき、ｎ＝３及びｎ＝２のサブバンド間のエネルギーギ
ャップに相当する光を放出する。ｎ＝２のサブバンドの
電子もまた寿命τ₂＝１ｐｓ程度で基底サブバンド(ｎ＝
１)へとで遷移するため、ｎ＝２のサブバンドの電子濃
度は低く保たれる。したがって、波数ｋ＝０において、
ｎ＝３のサブバンドとｎ＝２のサブバンドとの間で電子
の反転分布状態が容易に実現される。

【００４５】基底サブバンドまで遷移した電子は、寿命
τ₁＝１ｎｓ程度で価電子帯へと遷移する。今、τ₁＝１
ｎｓ、τ₃＝１ｐｓ、及びｋ_BＴ＝２６ｍｅＶを式(３)の
右辺に代入すると、 −ｋ_BＴ×ｌｎ(τ₃／τ₁)＝＋１７９．６ (ｍｅＶ) が得られる。一方、式(３)の左辺ΔＥ₃₁は、上述の通
り、１８０ｍｅＶ程度である。すなわち、本実施形態の
半導体レーザ素子は、式(３)の関係を満たしている。す
なわち、この結果からもｎ＝３及びｎ＝２のサブバンド
の間で電子の反転分布状態が実現されることがわかる。

【００４６】ｎ＝３のサブバンドからｎ＝２のサブバン
ドへ電子が遷移することにより放出される光の波長は３
５μｍである。したがって、ミラー面４ａ，４ｂが有す
る反射率及びミラー面４ａ，４ｂの間隔(光共振器長)を
適宜調整し、波長３５μｍの光を共振させれば、波長３
５μｍのレーザ光を放出するレーザ素子が実現され得
る。

【００４７】以上、第２の実施形態のレーザ素子１０
は、ｎ＝３のサブバンドへと光励起された電子がｎ＝２
のサブバンドへと遷移する際に放出される光を光共振器
により共振させてレーザ光を放射する。ここで、ｎ＝２
のサブバンドへと遷移した電子は、極めて短時間(約１
ｐｓ)のうちに基底サブバンドへと遷移する。そのた
め、ｎ＝３のサブバンドとｎ＝２のサブバンドとの間で
反転分布状態が容易に実現される。その結果、確実にレ
ーザ発振が生じる。第１の実施形態に比べ井戸層の厚さ
が厚くでき、作製が容易である。

【００４８】(第３の実施形態)第３の実施形態による半
導体レーザ素子は、超格子層の構成が異なる以外は、第
２の実施形態による半導体レーザ素子と同一の構成を有
している。以下では、相違点を中心に説明する。

【００４９】第３の実施形態によるレーザ素子１００
は、超格子層として以下の構成を有する。すなわち、レ
ーザ素子１００の超格子層は、ＣａＴｅ層と、ＣａＴｅ
層よりもエネルギーバンドギャップが約２００ｍｅＶ高
いＰｂＣａＴｅ層とを有しており、さらにこれらの層の
間にＰｂＴｅからＰｂＣａＴｅへと組成が連続的に変化
する中間層を有している。なお、組成の変化の仕方は、
連続的に限らず階段状であってもよい。組成の変化を伴
う超格子層に形成されるサブバンド構造は、以下の優れ
た効果を奏する。組成が急峻に変化する超格子層と対比
して説明する。

【００５０】図４(ａ)は、急峻な組成変化を有する超格
子層により形成されるサブバンド構造の一例を示す模式
図である。図４(ｂ)は、レーザ素子１００が有する超格
子層のサブバンド構造を示す模式図である。

【００５１】急峻な組成変化を有する超格子層の場合
は、量子井戸の幅は一定であるため、図４(ａ)に示すと
おり、各サブバンド間のエネルギーギャップは、エネル
ギー準位が高くなるに従って広くなる。そのため、例え
ば、ｎ＝３のサブバンドからｎ＝２のサブバンドへと電
子が遷移したときに放出される光がｎ＝２のサブバンド
と基底サブバンドとの間で吸収される可能性がある。す
なわち、超格子層から放出される光の光量が低下してし
まう虞がある。

【００５２】これに対し、図４(ｂ)に示す通り、組成変
化を伴う超格子層においては、組成変化が急峻でないた
め、エネルギー準位が高くなるに従って量子井戸幅が広
がって行く。そのため、このような超格子構造において
は、サブバンド間のエネルギーギャップについては、例
えば、基底サブバンドとｎ＝２のサブバンドとの間のエ
ネルギーギャップに比べ、ｎ＝２のサブバンドとｎ＝３
のサブバンドとの間のエネルギーギャップが小さくでき
る。そのため、ｎ＝３のサブバンドからｎ＝２のサブバ
ンドへの電子遷移により放出される光が、ｎ＝２のサブ
バンドと基底サブバンドとの間で吸収されることがな
い。したがって、電子遷移により放出される光が効率よ
くレーザ発振に寄与することとなる。その結果、レーザ
素子１００のレーザ光出力を大きくすることができる。

【００５３】なお、本実施形態のレーザ素子について
は、例えば、上述の通りの超格子構造を薄膜成長技術に
より作製することも可能であるが、井戸層と障壁層を作
製後、熱拡散等により達成することも可能である。すな
わち、光ガイド層３上に超格子層を作製する際に、Ｃａ
Ｔｅ層とＰｂＴｅ層とをそれぞれ所定の層厚で交互に堆
積する。堆積後、この堆積膜を所定の雰囲気の下で、所
定の時間、所定の温度において熱処理する。すると、Ｐ
ｂＴｅ層の構成原子であるＰｂ原子がＣａＴｅ層内へと
拡散していき、ＣａＴｅ層がＰｂＣａＴｅ層となる。こ
のように熱拡散により形成された超格子層では、ＰｂＣ
ａＴｅ層とＰｂＴｅ層との間では、組成が連続的に変化
することとなる。すなわち、この拡散により、図４(ｂ)
に示すようなサブバンド構造を有する超格子層が形成す
ることができる。

【００５４】また、このような超格子層形成方法におい
て、拡散温度や拡散時間の調整により、Ｐｂの拡散量
(変調量)を制御することができる。そのため、熱処理条
件によってレーザ発振波長を調整できるといった利点を
有している。さらに、各サブバンド間の電子遷移エネル
ギーの相対値を制御できるので、上位のサブバンド間遷
移でレーザ発振を得るとき、電子の濃度の増加した下位
サブバンド間の光吸収による光損失や下位サブバンドが
関係したオージェ効果を低減でき、発光再結合確率を増
大させることもできる。

【００５５】次に、本発明に係るレーザ素子が好適に適
用されるレーザ装置について説明する。

【００５６】図５は、本実施形態のレーザ装置の構造を
示す模式図である。レーザ装置５０は、図示の通り、Ｌ
字形状のヒートシンク５１と、ヒートシンク５１に設け
られた励起用半導体レーザ素子５２と、ヒートシンク５
１に対して２つの面で接するよう設けられたレーザ素子
１０とを有する。なお、レーザ装置５０においては、第
２の実施形態によるレーザ素子１０を用いたが、第１及
び第３の実施形態によるレーザ素子１及び４００のいず
れを用いても良い。

【００５７】励起用半導体レーザ素子５２は、レーザ素
子１０のｎが２以上の所定のサブバンドへと電子を励起
できるものであれば、通常の電流注入型の半導体レーザ
でよい。具体的には、発振波長が１．５５μｍ以下であ
ればよく、例えば、発振波長０．８μｍの高出力半導体
レーザ素子を使用できる。励起用半導体レーザ素子５２
は、ヒートシンク５１上において、レーザ光の放出面が
レーザ素子１０の表面１０ａと密着する又は近接するよ
う固定されている。このような配置により、励起用半導
体レーザ素子５２から放出されるレーザ光がレーザ素子
１０に対して効率的に照射される。また、この励起用半
導体レーザ素子５２は、レーザ素子１０の超格子層４０
内で電子を効率よく励起するためにブロードエリアレー
ザ素子であると好ましい。このようなレーザ素子を励起
用レーザ素子５２として用いれば、超格子層４０の幅数
μｍ、長さ数百μｍのストライプ状の範囲を高レベルに
励起できる。具体的には、１Ｗの光出力で１μｍ×３０
０μｍのストライプ状に超格子層を励起した場合、その
励起光強度は３００ｋＷ／ｃｍ²程度にも達することに
なる。そのため、レーザ素子１０から所望のレーザ光が
得られ得る。

【００５８】次に、レーザ装置５０の動作について説明
する。先ず、励起用半導体レーザ素子５２の電極(図示
せず)に電流を注入して、この励起用半導体レーザ素子
５２よりレーザ光を放出させる。すると、このレーザ光
はレーザ素子１０に照射され、レーザ素子１０の超格子
層４０により吸収される。ＰｂＴｅのエネルギーバンド
ギャップは０．３ｅＶと狭いため、この吸収により、価
電子帯からｎ＝３のサブバンドへと電子が容易に励起さ
れる。そして、図３を用いて説明したように、波数ｋ＝
０において、ｎ＝３のサブバンドへ励起された電子がｎ
＝２のサブバンドへと遷移し、波長約３５μｍの光が放
出される。ｎ＝３のサブバンドとｎ＝２のサブバンドと
の間では反転分布状態が維持されるため、この光は、励
起用半導体レーザ素子５２からの励起レーザ光がレーザ
素子１０の超格子層４０に照射されている間、放出され
続ける。そして、この波長の光がミラー面４ａ，４ｂに
より共振され、その波長を有するレーザ光がミラー面４
ａを透過して放射される。

【００５９】レーザ装置５０は、上述の通り、レーザ素
子１０と励起用半導体レーザ素子５２とが共にヒートシ
ンク上で互いに密接した或いは近接した構成を有する。
そのため、励起用半導体レーザ素子５２からの励起光が
効率よくレーザ素子１０に照射される。よって、レーザ
素子１０から高出力のレーザ光を放射させることができ
る。また、レーザ装置５０は、上述の通り、構成が簡単
であるので、小型化が容易であり、作製もまた容易であ
る。さらに、レーザ素子１０を光励起する励起用半導体
レーザ素子５２は、市販の半導体レーザを使用できるた
め、入手が容易である。したがって、レーザ装置５０は
安価に作製されるという利点を有している。

【００６０】以上、幾つかの実施形態を用いて本発明に
係る半導体レーザ素子及び半導体レーザ装置について説
明したが、本発明は上記の実施形態に限られることな
く、種々に変形可能である。

【００６１】上記の実施形態においては、ＡｌＮとＧａ
Ｎとからなる超格子層及びＰｂＴｅとＣａＴｅ又はＰｂ
ＣａＴｅとからなる超格子層について説明したが、これ
に限定されるものでなく、様々な組み合わせの化合物半
導体により超格子層を構成可能である。特に、Ｐｂ、Ｅ
ｕ、Ｓｎ、Ｃａ、或いはＳｒといった元素の１つ又は複
数と、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅの中から選択される１つ又は
複数の元素とから成る半導体により超格子層が構成され
ると好ましい。これらの化合物では、価電子帯の上端及
び伝導帯の下端においてキャリアの有効質量はほぼ等し
い。そのため、サブバンド間遷移エネルギ−は価電子
帯、伝導帯ともほぼ等しくなる。この際、伝導帯内電子
遷移と価電子帯内電子（正孔）遷移は同じ光を増幅でき
るので、バンド間光励起レ−ザの効率は向上する。

【００６２】また、超格子構造全体のキャリア濃度を低
く、或いは、バンド間のキャリア寿命を小さくすれば、
キャリヤの反転分布が容易に得られる。このような超格
子構造としては、ＰｂＳ／（Ｐｂ）ＥｕＳ系の超格子構
造が特に好適である。

【００６３】また、超格子構造にＹｂが添加されたＰｂ
Ｔｅ量子井戸層又はＩｎが添加されたＰｂＳｎＴｅ量子
井戸層を有していると好適である。ＰｂＴｅを量子井戸
層として有する超格子構造の場合に、当該量子井戸層に
Ｙｂを添加すると、量子井戸層内に深い準位が形成され
る。そのため、超格子構造全体のキャリア濃度を確実に
低減することが可能である。その結果、バンド間励起の
効率を向上できる。また、ＰｂＳｎＴｅを量子井戸層と
して有する超格子構造の場合に、当該量子井戸層にＩｎ
を添加しても同様の効果が得られる。

【００６４】また、上記のいくつかの実施形態及び変形
例として化合物半導体から構成される半導体レーザ素子
を例示したが、化合物半導体に限らず、元素半導体によ
り半導体レーザ素子を構成することもできる。

【００６５】また、第３の実施形態において、組成が連
続的に変化する中間層を量子井戸層と量子障壁層との間
に設けることにより、ｎ＝ｍ＋１(ｍ≧２)のサブバンド
とｎ＝ｍのサブバンドとのエネルギーギャップを、ｎ＝
ｍのサブバンドとｎ＝ｍ−１のサブバンドとのエネルギ
ーギャップよりも小さくするようにしたが、これに限ら
れるものではない。例えば、障壁層のエネルギー障壁の
高さをｎ＝ｍ＋１(ｍ≧２)のサブバンドとｎ＝ｍのサブ
バンドの間の適切な位置に設定することによっても、ｎ
＝ｍ＋１(ｍ≧２)のサブバンドとｎ＝ｍのサブバンドと
のエネルギーギャップを、ｎ＝ｍのサブバンドとｎ＝ｍ
−１のサブバンドとのエネルギーギャップよりも小さく
することができる。（２）式の条件を満たすように、下
位サブバンドのバンド幅を広げるには井戸層を薄くする
必要があるが、その場合これと同時にサブバンド間の間
隔も広がってしまう。そのため、波長の任意性が損なわ
れるという問題が発生する。そこで、ここで述べたよう
に、ｍを２以上とすることで（６）式を採用でき、必要
以上の井戸層の薄膜化を避けることもできるし、広がっ
てしまったサブバンド間の間隔を、任意のエネルギー間
隔に設定することも可能となる。またこの場合、この井
戸層と障壁層の外側もしくはそれらより構成される超格
子の外側にさらに高い障壁層を設けることにより、励起
した電子の閉じ込め効果により発振効率が向上すること
が期待される。

【００６６】また、組成が連続的に変化する中間層に替
わり、所定のエネルギーバンドギャップを有する半導体
から成る中間層を量子井戸層と量子障壁層との間に設け
るようにしても良い。ここで、中間層としての所定のエ
ネルギーバンドギャップを有する半導体としては、量子
井戸層を構成する半導体と量子障壁層を構成する半導体
との混晶半導体でよく、また、他の任意の半導体であっ
ても構わない。中間層としての半導体を適宜選択するこ
とによって、ｎ＝ｍ＋１(ｍ≧２)のサブバンドとｎ＝ｍ
のサブバンドとのエネルギーギャップを、ｎ＝ｍのサブ
バンドとｎ＝ｍ−１のサブバンドとのエネルギーギャッ
プよりも小さくし得る。

【００６７】また、上記の実施形態においては、量子井
戸層と量子障壁層との層厚として特定の値を用いて説明
したが、これらの層厚はこれに限定されることなく、目
標とするレーザ光波長に合せて適宜変更して良い。

【００６８】さらに、第２の実施形態においては、ｎ＝
３のサブバンドからｎ＝２のサブバンドへの遷移により
放出される光を共振させてレーザ光を放射させるように
したが、ｎ＝４のサブバンドへと電子を光励起し、この
電子がｎ＝３へと遷移する際に放出される光を共振させ
るようにしてもよい。また、一般に、ｎ＝ｍ＋２(１≦
ｍ)からｎ＝ｍ＋１への遷移の際に放出される光を利用
するようにして良い。

【００６９】また、本発明による半導体レーザ素子と励
起用半導体レーザとを同一のヒートシンク上に備えた半
導体レーザ装置について説明したが、これに限定される
ことなく様々な変形が可能である。例えば、以下に述べ
るように、本発明による半導体レーザ装置をモノリシッ
ク型レーザ装置に構成することもできる。

【００７０】図６は、励起用半導体レーザ素子と半導体
レーザ素子とをモノリシックに構成した半導体レーザ装
置の一例を示す模式図である。レーザ装置６０は、基板
６１上に設けられた電流注入型の励起用半導体レーザ素
子６２と、基板６１上に設けられたレーザ素子６３と、
対向する一組の平行面に設けられたミラー面６４ａ、６
４ｂとを有する。レーザ装置６０は、以下のように作製
され得る。すなわち、励起用半導体レーザ素子６２を基
板６１上に作製した後、所定の部分をエッチング等によ
り取り除いて基板６１の一部を露出させる。次に、その
露出した部分の基板６１に、バッファー層６３ａ、光ガ
イド層６３ｂ、超格子層６３ｃ、及び光ガイド層６３ｄ
を所定の結晶成長方法で順次成長させてレーザ素子６３
を形成する。ここで、超格子層６３ｃは、第１〜３の実
施形態のレーザ素子が有する超格子層と略同一の構成を
有している。

【００７１】励起用半導体レーザ素子６２は、レーザ素
子６３をレーザ発振させることが可能な波長を有するよ
う適宜設計されている。また、励起用半導体レーザ素子
６２の構造も適宜選択され得る。例えば、励起光の波長
に合わせた分布ブラック反射器(Distributed Bragg Ref
lector：ＤＢＲ)を有する半導体レーザ素子であっても
よい。また、レーザ素子６３は、その超格子層にサブバ
ンド間遷移の波長に合わせたＤＢＲ構造を有していても
よい。これによりサブバンド間遷移の効率を上げること
も可能である。

【００７２】励起用半導体レーザ素子６２の電極６２
ａ，６２ｂに電圧を印加して電流を注入し、励起用半導
体レーザ素子６２から励起光を放射させる。この励起光
は、励起用半導体レーザ素子６２とレーザ素子６３との
界面６５を介してレーザ素子６３に照射される。する
と、レーザ素子６３の超格子層６３ｃから電子遷移によ
る光が放出される。この光は、ミラー面６４ａと界面６
５との間で共振されてレーザ発振が起こり、ミラー面６
４ａからレーザ光が放射される。

【００７３】なお、レーザ素子６３にミラー面６６ａ，
６６ｂを設け、この２つのミラー面６６ａ，６６ｂの間
でレーザ素子６３の超格子層６３ｃから放出される光を
共振させるようにしても良い。このようにすれば、レー
ザ光はミラー面６６ａ，６６ｂ或いはこれらのいずれか
の面を通して放射される。

【００７４】図７は、本発明によるレーザ装置のさらに
他の構成例を示す模式図である。図示の通り、レーザ装
置７０は、バッファー層７１ａと、超格子層７３ａと、
励起用半導体レーザ活性層７２と、超格子層７３ｂとが
基板７１上に順次堆積されて構成される。このレーザ装
置７０においては、これらは当初すべてｎ形半導体で構
成し、その後、電流注入部７４から電流注入部７４直下
のクラッド層７６ｂと超格子層７３ｂにｐ形ドーパント
の熱拡散もしくはイオン注入を施し、ｐ形半導体とし電
流注入型励起用半導体素子を形成する。電流注入部７４
と基板７１との間に所定の電圧を印加し電流を注入する
と、励起用半導体レーザ活性層７２から励起光が超格子
層７３ａ，７３ｂに照射される。そして、この照射によ
り、超格子層７３ａ，７３ｂ内で中赤外域光が放出され
る。この光がミラー面７６ａ，７６ｂにより共振されて
レーザ光が放射される。

【００７５】図８は、本発明によるレーザ装置のさらに
また他の構成例を示す模式図である。図示の通り、レー
ザ装置８０は、基板８１上に、電流注入型の励起用半導
体レーザ素子８２が形成され、この励起半導体レーザ素
子８２のレーザ光の出射端面上に超格子構造を有するレ
ーザ素子８３が形成される。励起半導体レーザ素子８２
としては、基板８１と垂直且つレーザ素子８３に向かう
方向にレーザ光が放出される面発光レーザを用いること
ができる。このとき、超格子構造を有するレーザ素子８
３においては、当該レーザ素子８３及び励起用半導体レ
ーザ素子８２の界面とレーザ素子８３の表面８３ａとの
間で光共振が起こる。そして、表面８３ａからレーザ光
が放射することとなる。

【００７６】図９は、本発明によるレーザ装置のまたさ
らに他の構成例を示す模式図である。図示の通り、レー
ザ装置９０は、基板９１上に、電流注入型の励起用半導
体レーザ素子９２が形成される。励起用半導体レーザ素
子９２は、光反射端面９２ａと光出射端面９２ｂとを有
している。また、励起用半導体レーザ素子９２の光出射
端面９２ｂ上及び光出射端面９２ｂと同一の平面を形成
する基板９１の端面上には、超格子構造を有するレーザ
素子９３が形成されている。励起用半導体レーザ素子９
２の光出射端面９２ｂから放出される励起レーザ光は、
超格子構造を有するレーザ素子９３に入射する。この励
起レーザ光により、レーザ素子９３においてレーザ発振
が起こり、当該レーザ素子９３の表面９３ａからレーザ
光が放射される。

【００７７】以上、モノリシック型の半導体レーザ装置
について説明した。上述の半導体レーザ装置では、励起
用半導体レーザ素子として半導体レーザ素子が用いら
れ、その波長が超格子構造を有するレーザ素子をレーザ
発振できるよう適宜設計される。しかも、この励起用半
導体レーザ素子と超格子構造を有するレーザ素子とをモ
ノリシック型に構成できるので、コンパクトで信頼性が
高く低コストなレーザ装置を作製することが可能であ
る。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る半導
体レーザ素子は、超格子構造を有しており、この超格子
構造により伝導帯にサブバンドが形成されている。超格
子構造に励起光が照射され、ｎ＝ｍ＋１(ｍは自然数)の
サブバンドへ電子が励起される。励起された電子は、ｎ
＝ｍのサブバンドへ遷移し、これら２つのサブバンド間
のエネルギーギャップに相当するエネルギーを有する赤
外域光を放出する。この光が共振器により共振され、レ
ーザ発振が起こり、レーザ光が半導体レーザ素子から放
射される。ｎ＝ｍのサブバンドへ遷移した電子は極めて
短い時間で同一サブバンド内のよりエネルギーの低い状
態もしくはより下位の準位に移動するため、当該サブバ
ンドの高エネルギー側で電子が空乏化され得る。そのた
め、サブバンド間で反転分布状態が実現され、十分な光
量の光が放出される。この光を共振させることにより赤
外域レーザ光が放射される。

【００７９】また、本発明に係る半導体レーザ素子は、
サブバンドに電流により電子を注入する必要がないた
め、電子注入のための複雑な構造を必要としない。すな
わち、複雑な素子構造を必要とせず、作製が容易であ
り、室温動作の可能な赤外線半導体レーザ素子が提供さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、第１の実施形態によるレーザ素子の構
造を示す模式図である。

【図２】図２は、第１の実施形態のレーザ素子が有する
超格子層の伝導帯サブバンド構造を示す図である。

【図３】図３は、第２の実施形態のレーザ素子が有する
超格子層の伝導帯サブバンド構造を示す図である。

【図４】図４(ａ)は、量子井戸層と量子障壁層との間で
急峻な組成変化が実現されている超格子層の電子ポテン
シャルと伝導帯サブバンド構造との一例を示す図であ
る。図４(ｂ)は、量子井戸層と量子障壁層との間で組成
が変化する層を有する超格子層を備える超格子層の電子
ポテンシャルと伝導帯サブバンド構造との一例を示す図
である。

【図５】図５は、本発明によるレーザ装置の一構成例を
示す模式図である。

【図６】図６は、本発明によるレーザ装置の他の構成例
を示す模式図である。

【図７】図７は、本発明によるレーザ装置のさらに他の
構成例を示す模式図である。

【図８】図８は、本発明によるレーザ装置のさらにまた
他の構成例を示す模式図である。

【図９】図９は、本発明によるレーザ装置のまたさらに
他の構成例を示す模式図である。

【図１０】図１０は、量子カスケードレーザ素子の伝導
帯及び伝導帯サブバンド構造を示す図である。

【符号の説明】

１，１０，１００…レーザ素子、２，６１，７１，８１
…基板、３…光ガイド層、４，４０…超格子層、４ａ，
４ｂ…ミラー面、５０，６０，７０，８０，９０…レー
ザ装置、５１…ヒートシンク、５２，６２，７２，８
２，９２…励起用半導体レーザ素子、５３，６３，８
３，９３…レーザ素子、１０２，１０４…発光層、１０
３…注入層、１１０，１１２…量子井戸、１１１，１１
３…量子障壁、６２ａ，６２ｂ…電極、６６ａ，６６ｂ
…ミラー面、Ｒ…励起光。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桑原正和静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA74 CA02 CA22 EA08 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体から成り量子井戸層と量子障壁層と
から構成される超格子構造を有し、該超格子構造により
形成される複数のサブバンド間におけるキャリアの遷移
を利用する半導体レーザ素子であって、前記複数のサブバンドをキャリアに対するエネルギー準
位の低い順にｎ＝１，２，３，…，Ｎ(Ｎは自然数)のサ
ブバンドと表したとき、前記超格子構造への光の照射により、ｎ＝ｍ＋１(ｍは
自然数)のサブバンドへキャリアが励起され、前記ｎ＝ｍ＋１のサブバンドへ励起されたキャリアがｎ
＝ｍのサブバンドへと遷移する際に放出される光を共振
させることによりレーザ光を放射することを特徴とする
半導体レーザ素子。
【請求項２】前記ｎ＝ｍのサブバンドのバンド幅をΔ
Ｅとすると、ΔＥが ΔＥ＞−ｋ_BＴ×ｌｎ(Ｃ_m+1／Ｃ_m) … (１) ただし、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：半導体レーザ素子の動作温度(Ｋ)、Ｃ_m+1：光励起時のｎ＝ｍ＋１のサブバンドのキャリア
濃度(ｃｍ―³)、Ｃ_m：ｎ＝ｍのサブバンドのキャリア濃度(ｃｍ―³)、といった関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の
半導体レーザ素子。
【請求項３】前記ｍが１であり、前記ｎ＝ｍのサブバンドのバンド幅をΔＥとすると、Δ
Ｅが ΔＥ＞−ｋ_BＴ×ｌｎ(τ_m+1／τ_m) … (２) ただし、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：半導体レーザ素子の動作温度(Ｋ)、 τ_m+1：ｎ＝ｍ＋１のサブバンドにおける電子の寿命
(秒)、 τ_m：ｎ＝ｍのサブバンドにおける電子の寿命(秒)、といった関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の
半導体レーザ素子。
【請求項４】前記ｍが２以上であり、ｎ＝ｍ＋１のサブバンドとｎ＝ｍのサブバンドとの間の
エネルギーギャップは、ｎ＝ｌ（ｌはｍ以下の自然数）
のサブバンドとｎ＝ｌ−１のサブバンドとの間のサブバ
ンドとの間のエネルギーギャップよりも小さいことを特
徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】前記ｍが２以上であり、ｎ＝ｍのサブバンド上端とｎ＝１サブバンド下端とのエ
ネルギー差をΔＥ_m1とすると、ΔＥ_m1が ΔＥ_m1＞−ｋ_BＴ×ｌｎ(τ_m+1／τ₁) … (３) ただし、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：半導体レーザ素子の動作温度(Ｋ)、 τ_m+1：ｎ＝ｍ＋１のサブバンドにおける電子の寿命
(秒)、 τ₁：ｎ＝１のサブバンドにおける電子の寿命(秒)、といった関係を満たすことを特徴とする請求項４記載の
半導体レーザ素子。
【請求項６】前記超格子構造を構成する量子井戸層と
量子障壁層との間に半導体中間層を更に備えることを特
徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体
レーザ素子。
【請求項７】前記半導体中間層は、前記量子井戸層を
構成する半導体と前記量子障壁層を構成する半導体との
混晶半導体からなることを特徴とする請求項６記載の半
導体レーザ素子。
【請求項８】前記混晶半導体の混晶比は、前記量子井
戸層との界面において前記量子井戸層を構成する半導体
と同一であり、前記量子障壁層との界面において前記量
子障壁層を構成する半導体と同一であり、前記量子井戸
層との界面及び前記量子障壁層との界面の間で連続的又
は階段状に変化することを特徴とする請求項７記載の半
導体レーザ素子。
【請求項９】前記超格子構造が、量子井戸層となるべ
き半導体と量子障壁層となるべき半導体とが交互に積層
された半導体多層膜の構成元素を熱拡散させることによ
り作製されることを特徴とする請求項８記載の半導体レ
ーザ素子。
【請求項１０】前記超格子構造が、III−Ｖ族化合物
半導体から構成されることを特徴とする請求項１〜９の
いずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】前記超格子構造が、ＧａＮから成る量
子井戸層と、ＡｌＮから成る量子障壁層と、から構成さ
れることを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザ素
子。
【請求項１２】前記超格子構造の前記量子井戸層及び
前記量子障壁層が、Ｐｂ、Ｅｕ、Ｓｎ、Ｃａ、及びＳｒの中から選択される
１又は複数の元素と、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅの中から選択される１又は複数の元
素と、が化合した化合物から構成されることを特徴とす
る請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素
子。
【請求項１３】前記超格子構造が、ＰｂＴｅから成る
量子井戸層と、ＣａＴｅ又はＰｂＣａＴｅから成る量子
障壁層と、から構成されることを特徴とする請求項１２
に記載半導体レーザ素子。
【請求項１４】前記超格子構造が、Ｙｂが添加された
ＰｂＴｅ量子井戸層、又はＩｎが添加されたＰｂＳｎＴ
ｅ量子井戸層を有することを特徴とする請求項１２記載
の半導体レーザ素子。
【請求項１５】請求項１〜１４のいずれか一項に記載
の半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子を光励起す
る励起用半導体レーザ素子とが同一基体上に構成されて
なることを特徴とする半導体レーザ装置。