JP2009206340A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】 高温、高効率での動作を実現すること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が多段に積層されたカスケード構造を有する活性層とを備えて量子カスケードレーザを構成する。また、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３と、下準位２と、上準位３よりも高エネルギーの注入準位４とを有し、発光層１７における準位３から準位２への電子のサブバンド間遷移によって光ｈνが生成され、発光遷移を経た電子が注入層１８を介して後段の注入準位４へと注入されるように構成される。また、発光層１７は２個以上の井戸層を含み、最も前段の注入層側の第１井戸層を注入準位形成用の井戸層として構成される。
【選択図】 図２

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における高性能かつコンパクト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（例えば、特許文献１〜６、非特許文献１〜３参照）。
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。
特開平８−２７９６４７号公報 特開２００６−０３２６９１号公報 特開２００４−１１９８１４号公報 米国特許第５４５７７０９号公報 米国特許第５５０９０２５号公報 特開平１０−４２４２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
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年の波長９．１μｍでの室温連続発振（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動作が達成されている。そのような室温連続動作の例としては、M. Razeghi らのグループによる発振波長６μｍ、及び４．８μｍでの動作の報告例がある（非特許文献２、３）。
ここで、室温以上の高温の動作条件において量子カスケードレーザの連続動作を実現するためには、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。しかしながら、現状においては、量子カスケードレーザの室温動作などのレーザ動作につ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、高温、高効率での動作を実現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。
本願発明者は、上記問題に関し、量子カスケードレーザでのサブバンド準位構造について詳細に検討を行った。その結果、従来構造の量子カスケードレーザでは、活性層の準位構造において前段の注入層内の準位から発光層内の発光上準位へと電子を効率的に注入することが困難であり、このことがレーザ特性が制限される要因の１つになっていることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、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）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、発光上準位よりも高いエネルギー準位である注入準位とを有し、（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が注入層を介して後段の単位積層体における注入準位へと注入されるとともに、（５）量子井戸発光層はｎ個（ｎは２以上の整数）の井戸層を含み、最も前段の注入層側の第１井戸層を注入準位形成用の井戸層として構成されていることを特徴とする。
上記した量子カスケードレーザにおいては、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、上準位よりも高いエネルギー準位として注入準位を設けている。そして、前段の単位積層体からの電子が上準位に直接注入されるのではなく、電子が注入準位へと注入された後に上準位へと緩和、供給される構成としている。これにより、発光上準位への電子の供給効率を向上することができる。
さらに、このような構成において、発光層を２個以上の井戸層を含む量子井戸構造とするとともに、それらのうちの最も前段側で注入障壁層に隣接する第１井戸層において注入準位を形成する構成としている。これにより、電子の注入に用いられる注入準位と、発光に関わる上準位及び下準位とを発光層内で好適に分離することができる。以上の構成により、発光上準位と下準位との間で効率的に反転分布を形成することができ、量子カスケードレーザの高温、高効率での動作を実現することが可能となる。また、こ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。なお、発光層に含まれるｎ個の井戸層については、３個以上とすることが好ましい。
ここで、発光層の第１井戸層における注入準位の形成については、量子井戸発光層は、注入準位の波動関数が第１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、発光層内で最も前段側の第１井戸層において注入準位を好適に局在させることが可能となる。
また、注入層は、注入層に含まれる複数の井戸層について、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ていることが好ましい。これにより、注入層を介した後段の注入準位への電子の注入を好適に実現することができる。
また、活性層を構成する単位積層体において、注入準位に注入された電子は、縦光学フォノン散乱（ＬＯフォノン散乱）によって注入準位から発光上準位へと供給されることが好ましい。このような構成では、前段の単位積層体から注入準位へと注入された電子は、ＬＯ（Longitudinal Optical）フォノン散乱を介して高速に発光上準位へと供給される。また、この場合、注入準位と発光上準位との間のエネルギー差は、ＬＯフォノンのエネルギーに応じて設定される。
また、単位積層体は、注入準位から発光上準位への電子の緩和時間が、発光上準位から発光下準位への電子の緩和時間よりも短くなるように構成されていることが好ましい。これにより、レーザ動作時において、発光上準位に好適に電子を蓄積させることができる。
また、単位積層体は、注入準位から発光上準位への電子の緩和時間が、注入準位から発光下準位への電子の緩和時間よりも短くなるように構成されていることが好ましい。あるいはさらに、単位積層体は、注入準位から発光上準位への電子の緩和時間が、注入準位から発光上準位よりも低い全ての準位への電子の緩和時間よりも短くなるように構成されていることが好ましい。これにより、上準位と下準位との間で実効的な反転分布を高効率で形成することが可能となる。また、このような緩和時間の設定は、上記したように発光層内で注入準位を前段側に局在させる構成によって、好適に実現することができる。
また、単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位を有し、サブバンド間遷移を経た電子は、発光下準位から緩和準位へと緩和された後に、後段の単位積層体における注入準位へと注入されることが好ましい。このように、緩和準位（準位１）、発光下準位（準位２）、発光上準位（準位３）、及び注入準位（準位４）を有する４準位系の準位構造によれば、複数の単位積層体からなる活性層でのカスケード的な発光動作を好適に実現することができる。
このようなサブバンド準位構造では、単位積層体において、サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって発光下準位から緩和準位へと緩和されることが好ましい。あるいは、単位積層体において、サブバンド間遷移を経た電子は、ミニバンド内の緩和によって発光下準位から緩和準位へと緩和されることが好ましい。
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において、発光上準位、及び発光下準位に加えて注入準位を設け、前段の単位積層体からの電子が注入準位へと注入された後に上準位へと供給される構成とするとともに、２個以上の井戸層を含む発光層において、最も前段側の第１井戸層を注入準位形成用の井戸層とすることにより、上準位と下準位との間で効率的に反転分布を形成することができ、量子カスケードレーザの高温、高効率での動作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、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活性層１５が構成されている。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。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。
図２に示すように、単位積層体１６は、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（準位３）と、発光下準位（準位２）とに加えて、上準位３よりも高いエネルギー準位である注入準位（準位４）を有している。この注入準位４は、注入準位４と上準位３との間のエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギー
Figure 2009206340
となるように設定されている。このエネルギーＥＬＯは、例えば半導体材料をＧａＡｓとした場合ＥＬＯ＝３６ｍｅＶ、ＩｎＧａＡｓとした場合ＥＬＯ＝３４ｍｅＶである。
また、本実施形態において、発光層１７は、ｎ個（ｎは２以上の整数、好ましくは３以上の整数）の井戸層を含んで構成されるとともに、最も前段の注入層１８ａ側に位置する第１井戸層が注入準位形成用の井戸層となっている。これにより、図２に模式的に示すように、注入準位４は発光層１７内において、第１井戸層を含む前段の注入層１８ａ側の領域に形成されている。また、このような注入準位４に対して、上準位３及び下準位２は、発光層１７内において同一段の注入層１８側の領域に形成されることが好ましい。これにより、注入準位４と、上準位３及び下準位２とが発光層１７内で空間的に分離される。
また、図２に示す単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、下準位２よりも低いエネルギー準位である緩和準位１を有している。また、この緩和準位１は、上記した注入準位４と同様に、下準位２と緩和準位１との間のエネルギー差が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。このとき、図２に示す準位構造では、準位４及び準位３のエネルギー間隔と、準位２及び準位１のエネルギー間隔とが等しく設定されている。また、注入準位４は、前段の単位積層体の注入層１８ａでの所定の準位（例えば緩和準位）１ａと略一致するように設定されている。
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での準位１ａからの電子ｅ−は、注入障壁（injection barrier）を介して共鳴トンネル効果によって量子井戸発光層１７の注入準位４へと注入される。また、注入準位４に注入された電子は、ＬＯフォノン散乱によって上準位３へと高速で供給される。さらに、上準位３に供給された電子は下準位２へと発光遷移し、このとき、準位３及び準位２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が生成される。また、下準位２へと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱によって緩和準位１へと高速で緩和されて引き抜かれる。これにより、上準位３と下準位２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、緩和準位１に緩和された電子は抽出障壁（exit barrier）及び注入層１８を介して、後段の発光層１７ｂの注入準位４ｂへと注入される。このような電子の注入、緩和、及び発光遷移を活性層１５の複数の単位積層体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、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に示したレーザ１Ａにおいては、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、発光に関わる上準位３及び下準位２に加えて、上準位３よりも高いエネルギー準位として注入準位４を設けている。そして、前段の単位積層体からの電子が発光上準位３に直接注入されるのではなく、電子が注入準位４へと注入された後に上準位３へと緩和、供給される構成としている。これにより、発光上準位３への電子の供給効率を向上することができる。
さらに、このような構成において、発光層１７を構成する２個以上の井戸層のうちの最も前段の注入層１８ａ側で注入障壁層に隣接する第１井戸層において、注入準位４を形成する構成としている。これにより、電子の注入に用いられる注入準位４と、発光に関わる上準位３及び下準位２とを発光層１７内で好適に分離することができる。以上の構成により、発光上準位３と下準位２との間で効率的に反転分布を形成することができ、量子カスケードレーザ１Ａの高温、高効率での動作を実現することが可能となる。
このようなサブバンド準位構造は、具体的な構成例とともに後述するように、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。また、発光層１７の量子井戸構造については、発光層１７に含まれる井戸層の個数を３個以上とすることが好ましい。このように、ｎ個（ｎは３以上の整数）の井戸層を含む発光層１７の構成とすることにより、前段側に位置する注入準位４と、発光に関わる上準位３及び下準位２とを好適に空間的に分離することができる。
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に示すように、従来構造の活性層での単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位３と、発光下準位２と、緩和準位１とを有している。また、この構造では、上準位３は、前段の単位積層体の注入層での所定の準位１ａと略一致するように設定されている。
このような準位構造において、前段の注入層での準位１ａからの電子は、注入障壁を介して共鳴トンネル効果によって上準位３へと注入される。そして、上準位３に供給された電子は下準位２へと発光遷移し、さらに、ＬＯフォノン散乱によって緩和準位１へと高速で緩和される。また、量子カスケードレーザにさらに電界が加わって最終的に前段の注入層の準位１ａと、発光層の準位３とが一致しなくなったときに、共鳴トンネルがクエンチすることでレーザ動作が停止する。このように、準位１ａと準位３とは動作中、常に直接結合した状態にある。このような準位構造は、レーザ特性が制限される要因となる。
すなわち、電子注入層には、通常、次周期の発光層に電流を供給するためのドーピングが施され、発光層から緩和した電子が蓄積されており、一種の熱溜の状態となっている。このような注入層の準位１ａと、発光上準位３とが直接結合した状態では、上準位における電子−電子散乱の影響の増大による利得幅の増大、上準位での散乱レートの増大による発振閾値の上昇、発光上準位３から注入層の準位１ａへの電流の引き戻し等が発生し、これらがレーザ特性の低下に影響する。
発光層の上準位３から注入層への電流の引き戻しが発生した場合、注入層から発光上準位３への最大電流が大幅に制限され、これがレーザ特性に大きく影響する。具体的に説明すると、レーザ動作を得るためには注入層から電子が供給され、常に上準位３に電子が蓄積された状態にある必要がある。ここで、以下の説明において、準位ｘに存在する電子数をＮｘと表記する。
図３の準位構造では、電子ｅ−がトンネル注入によって注入速度ｖで運動しているとすると、注入層の準位１ａ（前段の準位１）から発光上準位３への電流はｅｖＮ１となる。一方、準位１ａと上準位３とが直接結合した状態では、上準位３から電子が逆に準位１ａへと引き戻されることによる逆向きの電流ｅｖＮ３が存在する。このため、注入層の準位１ａから発光上準位３への実効的な電流はｅｖ（Ｎ１−Ｎ３）となる。
この電流量からわかるように、上準位３の電子数Ｎ３は準位１ａの電子数Ｎ１よりも多くはならず、レーザ動作時の最大電流を与える上準位３の電子数はＮ３＝Ｎ１となる。また、発光上準位３から下準位２へと遷移または緩和した電子は、下準位２から次の注入層の準位１へと高速で引き抜かれるため、レーザ動作時の発光下準位２の電子数はＮ２＝０となる。
ここで、単位積層体中のドーピング濃度をＮＳとしてＮＳ＝Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３が成り立つことを考慮すると、最終的に発光上準位３に存在可能な電子数Ｎ３の最大値は
Ｎ３ｍａｘ＝ＮＳ／２
で与えられる。すなわち、レーザ動作時において発振に寄与する電子数は、電子注入層にドーピングされた電子数ＮＳの半分以下に限定される。また、このような構造では、ドーピング濃度の半分以上の電子が注入層内に溜まることから、自由キャリア吸収、あるいはサブバンド間吸収などによって導波路損失が増大する。
これに対して、発光上準位３よりも高いエネルギーの注入準位４を設けた図２の準位構造では、前段の注入層１８ａの準位１ａから発光層１７の準位４へのトンネル注入による電流は、図３の構造と同様にｅｖＮ１となる。また、注入準位４へと注入された電子は、ＬＯフォノン散乱によってサブピコ秒程度で高速に発光上準位３へと供給される。このため、準位４には電子は蓄積されず、注入準位４から注入層１８ａの準位１ａへの逆向きの電流ｅｖＮ４は非常に小さくなる。また、注入準位４と上準位３とはエネルギー的に離れているため、準位３から準位４に戻る電子はほとんど存在しない。したがって、レーザ動作時の準位１ａ及び準位４の電子数はＮ１＝Ｎ４＝０とみなすことができる。
次に、発光上準位３から下準位２への緩和も主にＬＯフォノン散乱によるが、準位間のエネルギー間隔が大きいために緩和速度は比較的ゆっくりであり、その散乱時間は例えば数ピコ秒程度である。また、上準位３から下準位２への発光遷移については、自然放出では数１０ナノ秒程度、誘導放出でもＬＯフォノン散乱よりも遅いか同程度である。このため、レーザ動作時には、上準位３において電子が蓄積される。
このように、図２の準位構造を用いることにより、単位積層体１６において、注入準位４から上準位３への電子の緩和時間τ４３が、上準位３から下準位２への電子の緩和時間τ３２よりも充分に短くなる条件を好適に実現することができる。これにより、上記したようにレーザ動作時において、発光上準位３に好適に電子を蓄積させることができる。
また、発光上準位３から下準位２へと遷移または緩和した電子は、ＬＯフォノン散乱またはミニバンド内の緩和等によって、下準位２から準位１へとサブピコ秒程度で高速に引き抜かれるため、レーザ動作時の発光下準位２の電子数はＮ２＝０となる。ここで、単位積層体１６中のドーピング濃度をＮＳとしてＮＳ＝Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３＋Ｎ４が成り立つことを考慮すると、最終的に発光上準位３に存在可能な電子数Ｎ３の最大値は
Ｎ３ｍａｘ＝ＮＳ
で与えられる。
すなわち、図２に示したサブバンド準位構造では、図３の従来構造においてレーザ特性を制限している注入層の準位１ａと発光上準位３との直接的な結合の影響を無くし、レーザ動作時において電子注入層にドーピングされた電子のすべてを発振に使い切ることができる。また、注入層内の電子を使い切ることにより、自由キャリア吸収、サブバンド間吸収などによる導波路損失の増大が抑制される。したがって、図２の準位構造を用いることにより、従来構造よりもレーザ動作を低閾値化するとともに、ダイナミックレンジを向上させて、そのレーザ特性を大幅に向上することが可能となる。
また、図３に示した従来構造では、前段の注入層の準位１ａからの電子は、上準位３のみでなく、下準位２へも注入されてしまう場合がある。これに対して、図２に示した準位構造では、発光層１７で最も前段の注入層１８ａ側の第１井戸層を注入準位４形成用の井戸層として、注入準位４と、発光上準位３及び下準位２とを発光層１７内で空間的に分離する構成としている。このような構成では、準位４に注入された電子は空間的に離れた下準位２へはほとんど散乱されず、上準位３へと選択的かつ高速で供給される。
このように、図２の準位構造を用いることにより、単位積層体１６において、注入準位４から上準位３への電子の緩和時間τ４３が、注入準位４から下準位２への電子の緩和時間τ４２よりも充分に短くなる条件を好適に実現することができる。あるいはさらに、注入準位４から上準位３への電子の緩和時間τ４３が、注入準位４から上準位３よりも低い全ての準位（下準位２を含む）への電子の緩和時間τ４ｌｏｗよりも充分に短くなる条件を好適に実現することができる。これにより、上準位３と下準位２との間で実効的な反転分布を高効率で形成することが可能となる。また、このような緩和時間τの設定は、上記したように発光層１７内で注入準位４を前段側に局在させる構成によって、好適に実現することができる。
具体的には、注入準位４から上準位３よりも低い全ての準位への緩和時間τ４ｌｏｗは、例えば、短くとも数ｐｓｅｃ以上である。これに対して、注入準位４から上準位３への緩和時間τ４３は、ＬＯフォノン散乱等を用いることにより例えば０．３ｐｓｅｃ以下にまで短くすることが可能である。したがって、注入効率を向上する上で重要な条件τ４３≪τ４ｌｏｗを容易に設計、実現することができる。
なお、このように注入準位４と、上準位３及び下準位２とを空間的に分離する構成は、発光上準位３と注入層１８ａの準位１ａとの直接的な結合を確実に回避する点でも有効である。また、仮に注入準位４から下準位２または準位１等に直接緩和する電子が存在する場合でも、レーザ動作時において電子注入層にドーピングされた電子のすべてを発振に使い切るという上記した条件が成立する。すなわち、注入準位４の電子が準位２、１等に直接緩和した場合、その電子は高速で後段の注入準位４ｂを介して発光上準位３ｂへと供給されるため、そのような緩和がある場合でも、上準位３の電子数Ｎ３には影響しない。
ここで、上記したサブバンド準位構造における発光層１７の第１井戸層での注入準位の形成については、発光層１７は、注入準位４の波動関数が第１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、発光層１７内で最も前段側にあって注入障壁に隣接する第１井戸層において、注入準位４を好適に局在させることが可能となる。
また、第１井戸層に形成される注入準位４については、第１井戸層のみに局在する構成に限らず、第１井戸層を含み発光層１７のうちで前段の注入層１８ａ側の領域にある複数の井戸層にわたって注入準位４が形成される構成であっても良い。このような構成は、発光層１７に含まれる井戸層数などに応じて適宜設定することが好ましい。一般には、発光層１７において、最も前段の注入層１８ａ側の第１井戸層を少なくとも含む１または複数の井戸層を注入準位形成用の井戸層とする構成であれば良い。
また、上記実施形態では、注入準位４に対して、上準位３及び下準位２が発光層１７内で同一段の注入層１８側の領域に形成されている構成としたが、これに限定されるものではない。一般には、発光層１７において前段の注入層１８ａ側の第１井戸層を注入準位形成用の井戸層とする構成により、上記した発光層１７内での注入準位４と、上準位３及び下準位２との分離の効果を得ることが可能である。
また、電子注入層１８の構成については、注入層に含まれる複数の井戸層について、同一段の発光層１７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ていることが好ましい。これにより、例えば後述する Funnel Injector による電子の注入構造など、注入層１８を介した後段の発光層１７ｂの注入準位４ｂへの電子の注入を好適に実現することができる。
また、上記構成の量子カスケードレーザ１Ａでは、図２に示したように、活性層１５の単位積層体１６は、その準位構造において下準位２よりも低いエネルギー準位である緩和準位１を有し、サブバンド間遷移を経た電子は、下準位２から緩和準位１へと緩和された後に、後段の単位積層体における注入準位へと注入されることが好ましい。このような４準位系の準位構造によれば、複数の単位積層体１６からなる活性層１５でのカスケード的な発光動作を好適に実現することができる。
また、上記のように緩和準位１を有する構成では、単位積層体１６において、サブバンド間遷移を経て下準位２にある電子が、ＬＯフォノン散乱によって緩和準位１へと緩和されることが好ましい。これにより、下準位２へと遷移した電子を、ＬＯフォノン散乱によって緩和準位１へと高速で緩和させ、準位３と準位２との間での反転分布を好適に形成することが可能となる。あるいは、単位積層体１６において下準位２にある電子が、超格子によるミニバンド内の緩和によって緩和準位１へと緩和される構成としても良い。
また、注入準位４から上準位３への電子の供給については、単位積層体１６において、注入準位４に注入された電子が、ＬＯフォノン散乱によって発光上準位３へと供給されることが好ましい。これにより、図２に関して上記したように、前段の単位積層体の準位１ａから注入準位４へと注入された電子を、ＬＯフォノン散乱を介して高速に発光上準位３へと供給することができる。
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の具体例とともにさらに説明する。図４は、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の量子井戸構造は、発振波長を８．５μｍ、それに対応する発光遷移エネルギーを１４６ｍｅＶとし、動作電界を３２ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。なお、図４においては、活性層１５を構成する発光層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。
活性層１５を構成する１周期分の単位積層体１６は、図４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Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層によって構成されている。また、量子障壁層はＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ層によって構成されている。このＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ量子井戸構造は、ＩｎＰ基板に格子整合する材料系となっている。
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。また、図５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。
このような構成において、単位積層体１６では、レーザ動作に寄与するサブバンド準位として１２個の準位が形成されている。また、図２に示した準位１〜４のうちで発光下準位２及び緩和準位１については、それぞれ複数の準位が対応している。図４においては、実質的な発光下準位となっている準位を準位２とし、注入層１８内で最も低エネルギー側で後段の注入準位４ｂへと共鳴トンネルする準位を準位１としている。また、図４に示す準位構造では、下準位２から緩和準位１への電子の引き抜き構造として、ミニバンドによる緩和構造を用いている。
図４に示す単位積層体１６における量子井戸構造の設計手順について説明する。まず、レーザの発振波長を与えるための上準位３及び下準位２のエネルギー間隔と、下準位２側での電子の引き抜き構造とを決定する。準位３と準位２とのエネルギー間隔は、発光層１７内の井戸層１６１〜１６４の井戸幅、障壁層１７２〜１７４の厚さ、及び動作電界によって決まる。また、動作電界は、予想される１周期当たりの積層体の膜厚及び電圧降下量に基づいて設定される。
活性層１５での発光波長を決める井戸層１６１〜１６４の井戸幅、及び障壁層１７２〜１７４の厚さは、それぞれの準位の波動関数が敏感に各井戸層及び障壁層の影響を受けるために単独で決定することはできず、例えば数値計算を用いて量子力学的に決定される。また、次の設計ステップにおいて注入準位４の位置を決定する際に発光波長が再び変化するため、ここでは、井戸層１６２、１６３、１６４、及び障壁層１７３、１７４を概略的に決定する。
ここで、この設計ステップでは、上準位３と同時に、注入準位４よりもさらに高エネルギー側の準位５の位置も決定され、注入準位４は上準位３及び準位５の間に挿入される形態となる。このため、この時点で準位３と準位５とのエネルギー間隔が狭すぎると、前段の注入層の準位１ａ（図２参照）から準位５へと直接注入される電子が存在し、電子の注入効率が減少する。したがって、上記のように井戸層１６２、１６３、１６４、及び障壁層１７３、１７４を決定する時点では、発光上準位３と準位５とのエネルギー間隔を広く設定することが好ましい。図４に示す構成例では、準位３と準位５とのエネルギー間隔は９０ｍｅＶ程度となっている。
次に、本量子カスケードレーザの活性層１５での量子井戸構造を特徴付ける注入準位４を形成するための量子井戸層１６１の井戸幅を決定する。この井戸幅については、井戸層１６１が単独で存在した場合の基底準位が注入準位４に対応するため、その井戸幅は必然的に発光層１７内の他の井戸層よりも薄くなる。ただし、上記したように井戸層１６１内に準位４の波動関数が局在する必要があるため、例えば３ＱＷ構造、ダブルフォノン共鳴構造、ＢＴＣ構造などの従来構造よりは、井戸層１６１の井戸幅は厚くなる。
また、注入準位４と上準位３とのエネルギー間隔については、上述したようにＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯに一致させることが好ましい。この場合、井戸層１６１の厚さを調整することで、上準位３よりもＬＯフォノンのエネルギー分だけ高い位置に準位４を設定する。また、この際、障壁層１７２の厚さについても充分に検討し、注入準位４及び上準位３の波動関数が適切に結合した状態とする。
すなわち、障壁層１７２が厚すぎると、準位４の波動関数は井戸層１６１に完全に局在する状態となり、仮に準位３と準位４とのエネルギー間隔がＬＯフォノンのエネルギーに一致していても、波動関数の結合が小さいために準位４から準位３への充分に速い緩和時間τ４３が得られない。一方、障壁層１７２が薄すぎると、準位４と準位３との結合が強すぎる状態となり、準位４から下準位２以下の準位への電子の緩和も多くなるため、準位３への電子の注入効率が低下する。障壁層１７２の厚さの設定においては、これらの点を考慮する必要がある。
上記した各設計ステップにおいて、設計された発光波長、及び各準位の間隔等は常に変化する。したがって、各ステップでこのような変化を考慮して層構造の微調整を行い、図５に示すように、最終的に発光層１７での量子井戸層１６１〜１６４、及び障壁層１７２〜１７４のそれぞれの厚さが決定される。
次に、電子注入層１８の層構造の設計を行う。図４に示す構成例では、注入層１８において Funnel Injector と呼ばれる電子の輸送構造（特許文献６：特開平１０−４２４２号公報参照）を用いている。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を後段の発光層に向かって狭くすることで、準位１から後段の注入準位４ｂへの電子の注入効率を高めている。このような準位構造は、注入層１８内において同一段の発光層１７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することで実現することが可能である。また、この場合、注入層１８内において同一段の発光層１７側から後段の単位積層体側に向かって抽出障壁を除く障壁層厚が単調増加するように構成することが好ましい。
注入層１８を構成する井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７のうち、発光層１７に隣接する障壁層１９１は抽出障壁層となっている。この抽出障壁層１９１については、厚すぎると発光層１７から注入層１８への電子の流れが損なわれるが、薄すぎると発光層１７内の波動関数と強く結合して影響を与えるため、これらの点を考慮して注意深く設計する必要がある。
注入層１８のうちで抽出障壁側の井戸層及び障壁層の厚さについては、発光層１７内に存在する準位からの電子が全て注入層１８内のミニバンドに輸送可能なように設計する。一方、後段の発光層側の井戸層及び障壁層の厚さについては、後段の注入準位４ｂにのみ電子が注入され、準位５には電子が注入されないようにミニバンドのエネルギー幅を狭窄する必要がある。以上の点を考慮し、図５に示すように、最終的に注入層１８での量子井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７のそれぞれの厚さが決定される。
最後に、注入障壁層１７１の厚さを決定する。この障壁層１７１は、活性層１５を構成する複数周期の単位積層体１６において各周期の結合の強さ、及びそれによる最大電流を決定する。ここで、波動関数の結合の強さはアンチクロッシングギャップによって決定される。アンチクロッシングギャップ（反交差エネルギーギャップ）は、２つの井戸層のカップリングの度合いを示すものであり、間にある障壁層の厚さを無限大としたときに０となり、障壁層が薄くなるとアンチクロッシングギャップが大きく（カップリングが強く）なる。図４に示す構成例では、このアンチクロッシングギャップを
Figure 2009206340
とし、充分に大きい電流を輸送できるように設計している。また、このときの注入障壁層１７１の厚さは４．５ｎｍである。
以上のように設計された活性層１５でのサブバンド準位構造について、注入準位４から上準位３への電子の注入効率ηを考える。注入準位４から発光上準位３への電子の緩和時間を上記のようにτ４３、注入準位４から上準位３よりも低い全ての準位への緩和時間の総和をτ４ｌｏｗとすると、注入効率ηは
Figure 2009206340
によって与えられる。図４に示した構成例では、緩和時間はそれぞれτ４３＝０．２７１ｐｓｅｃ、τ４ｌｏｗ＝２．９４ｐｓｅｃと求められ、電子の注入効率はη＝０．９１５５となる。
図２に示したサブバンド準位構造を有する活性層を含む量子カスケードレーザの具体的な素子構造について、その具体的な例とともに説明する。図６は、量子カスケードレーザに用いられる半導体積層構造の一例を示す断面図である。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）法などを用いた結晶成長によって形成することが可能である。
図６に示す量子カスケードレーザ１Ｂの半導体積層構造においては、半導体基板として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３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コア層５１、単位積層体５６が多段に積層された活性層５５、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コア層５２、厚さ３．５μｍのＩｎＰクラッド層５３、及び厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層５４が積層されることで、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、このような積層構造において、活性層５５を除く下部コア層５１、上部コア層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。
本構成例において、活性層５５は、発光層及び注入層を含む単位積層体５６が３３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５６の具体的な構成については、例えば、それぞれ１１個の井戸層及び障壁層が交互に積層された図４及び図５に示す量子井戸構造を用いることができる。活性層５５の単位積層体５６を構成する各半導体層のうち、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層によって形成されている。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層によって形成されている。
単位積層体５６及び活性層５５では、上記の井戸層及び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。
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６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。また、本発明は、上記した例のような中赤外の波長領域に限られるものではなく、例えばテラヘルツ（ＴＨｚ）領域に対しても同様に適用可能である。
本発明は、高温、高効率での動作を実現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。 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。 量子カスケードレーザの半導体積層構造の一例を示す断面図である。
符号の説明
１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０、５０…半導体基板、１５、５５…活性層、１６、５６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、５１…下部コア層、５２…上部コア層、５３…クラッド層、５４…コンタクト層。

Claims (9)

  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、前記発光上準位よりも高いエネルギー準位である注入準位とを有し、
    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が前記注入層を介して後段の前記単位積層体における前記注入準位へと注入されるとともに、
    前記量子井戸発光層はｎ個（ｎは２以上の整数）の井戸層を含み、最も前段の注入層側の第１井戸層を注入準位形成用の井戸層として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。
  2. 前記量子井戸発光層は、前記注入準位の波動関数が前記第１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。
  3. 前記注入層は、前記注入層に含まれる複数の井戸層について、同一段の前記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ていることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
  4. 前記単位積層体において、前記注入準位に注入された電子は、縦光学フォノン散乱によって前記注入準位から前記発光上準位へと供給され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。
  5. 前記単位積層体は、前記注入準位から前記発光上準位への電子の緩和時間が、前記発光上準位から前記発光下準位への電子の緩和時間よりも短くなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  6. 前記単位積層体は、前記注入準位から前記発光上準位への電子の緩和時間が、前記注入準位から前記発光上準位よりも低い全ての準位への電子の緩和時間よりも短くなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  7. 前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位を有し、
    前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記発光下準位から前記緩和準位へと緩和された後に、後段の前記単位積層体における前記注入準位へと注入されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
  8. 前記単位積層体において、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準位へと緩和されることを特徴とする請求項７記載の量子カスケードレーザ。
  9. 前記単位積層体において、前記サブバンド間遷移を経た電子は、ミニバンド内の緩和によって前記発光下準位から前記緩和準位へと緩和されることを特徴とする請求項７記載の量子カスケードレーザ。
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