JP2009239093A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

【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、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のサブバンド準位構造は、発光上準位Ｌ_ｕｐと、発光下準位Ｌ_ｌｏｗと、緩和ミニバンドＭとを有する。注入層１８のｎ個の井戸層は、最も後段側の第ｎ井戸層の層厚が第ｎ−１井戸層の層厚よりも薄くなるように構成され、第ｎ井戸層において、最低緩和準位Ｌ_１よりも高く発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギーのミニバンドＭの準位であって、第ｎ井戸層で波動関数が最大となって後段の発光層への電子の注入に用いられる注入緩和準位Ｌ_２が形成される。
【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）。

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。
特開平１０−４２４２号公報 特開２０００−１２９８３号公報 特開平８−２７９６４７号公報 特開２０００−１０１２０１号公報 特表２００４−５２１４８１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

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。

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Ｌ_ｇへと減少していき、その基底準位Ｌ_ｇから後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’へと電子が注入されるように注入層を構成する。

また、Flat Injector では、発光下準位Ｌ_ｌｏｗと、後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’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Ｌ_ｇと、後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’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。

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。

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Ｅ_ＥＭ＝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Ｌ_ｌｏｗと基底準位Ｌ_ｇ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。

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。

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Ｌ_ｕｐと、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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、第ｎ井戸層の層厚が隣接する第ｎ−１井戸層の層厚よりも薄くなるように構成され、（６）注入層は、第ｎ井戸層において、緩和ミニバンドの複数の準位のうちで第ｎ井戸層で波動関数が最大となって注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層への電子の注入に用いられる注入緩和準位Ｌ_２が形成されるように構成され、注入緩和準位Ｌ_２は、緩和ミニバンドの最低エネルギーの準位である最低緩和準位Ｌ_１よりも高く発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギーの準位であ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、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Ｌ_ｕｐ、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ、及び緩和ミニバンドＭを含んで構成する。そして、緩和ミニバンドＭの準位構造について、その基底準位Ｌ_ｇである最低緩和準位Ｌ_１よりも高い準位を後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’への電子の注入に用いる注入緩和準位Ｌ_２としている。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、このような緩和ミニバンドＭの準位構造について、注入層を構成する第１井戸層〜第ｎ井戸層のうちで、最も後段の単位積層体側の第ｎ井戸層の層厚を第ｎ−１井戸層の層厚よりも薄く設定して、この第ｎ井戸層において、第ｎ井戸層で波動関数が最大となる注入緩和準位Ｌ_２を形成する構成としている。これにより、上記した注入緩和準位Ｌ_２及び最低緩和準位Ｌ_１を含む緩和ミニバンドＭの準位構造を好適に形成して、注入緩和準位Ｌ_２から後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’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。以上により、消費電力が低減されて、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。

ここで、注入層の第ｎ井戸層での注入緩和準位の形成については、上記したように、緩和ミニバンドは、注入緩和準位Ｌ_２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、注入層内で最も後段側の第ｎ井戸層において、注入緩和準位Ｌ_２を好適に局在させることが可能となる。また、このような構成では、注入層で緩和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Ｌ_２から後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’へと効率的に注入されることとなる。

また、上記した量子カスケードレーザでは、注入層において、ｎ個の井戸層は、第１井戸層から第ｎ井戸層に向かって井戸層の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。このような構成によれば、注入緩和準位Ｌ_２及び最低緩和準位Ｌ_１を含む緩和ミニバンドＭの準位構造を好適に形成することができる。

また、注入層において、ｎ個の井戸層は、第ｎ−１井戸層と第ｎ井戸層との間での層厚の減少量が、他のすべての隣接する井戸層の間での層厚の減少量よりも大き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、第ｎ井戸層の層厚を充分に薄く設定して、第ｎ井戸層において、最低緩和準位Ｌ_１よりも高いエネルギーの注入緩和準位Ｌ_２を好適に形成することが可能となる。

また、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、最低緩和準位Ｌ_１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。これにより、最低緩和準位Ｌ_１からではなく、注入緩和準位Ｌ_２から後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’へと電子を注入する上記した準位構造を、好適に構成することができる。また、このような準位構造は、例えば、上記したように注入層の第ｎ井戸層の層厚を充分に薄く設定することで実現可能である。

また、注入層において、緩和ミニバンドは、最低緩和準位Ｌ_１と発光下準位Ｌ_ｌｏｗとのエネルギー間隔が５０ｍｅＶ以上となるように構成されていることが好ましい。このように、最低緩和準位Ｌ_１と発光下準位Ｌ_ｌｏｗとのエネルギー間隔を充分に広く設定することにより、最低緩和準位Ｌ_１から発光下準位Ｌ_ｌｏｗへの電子の熱的な再分布（thermal backfilling）を抑制することができる。

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Ｌ_ｌｏｗ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。

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Ｌ_ｕｐ、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ、及び緩和ミニバンドＭを含んで構成し、緩和ミニバンドの最低緩和準位Ｌ_１よりも高い準位を電子の注入に用いる注入緩和準位Ｌ_２とするとともに、注入層を構成する井戸層のうちで最も後段側の第ｎ井戸層の層厚を第ｎ−１井戸層の層厚よりも薄く設定して、この第ｎ井戸層において注入緩和準位Ｌ_２を形成する構成とすることにより、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。

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。

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。

量子井戸発光層１７は、主に発光上準位Ｌ_ｕｐ及び発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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。

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。

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。

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、最も後段側の第ｎ井戸層の層厚が、隣接する第ｎ−１井戸層の層厚よりも薄くなるように、各井戸層の層厚が設定されている。また、ｎ個の井戸層の全体の構造については、好ましくは、第１井戸層から第ｎ井戸層に向かって、井戸層の層厚が単調減少するように構成される。

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、後段の量子井戸発光層１７ｂに隣接する注入層１８の第ｎ井戸層の層厚が薄く設定されていることにより、緩和ミニバンド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Ｌ_１（＝基底準位Ｌ_ｇ）が、第ｎ井戸層以外の内側の井戸層で波動関数が最大となっている。

また、上記構造において、注入層１８は、第ｎ井戸層を注入緩和準位形成用の井戸層として構成されている。すなわち、注入層１８は、最も後段側の第ｎ井戸層において、緩和ミニバンドＭの複数の準位のうちで第ｎ井戸層で波動関数が最大となって注入層１８から後段の発光層１７ｂへの電子の注入に用いられる注入緩和準位Ｌ_２が形成されるように構成されている。また、この注入緩和準位Ｌ_２は、緩和ミニバンドＭにおいて、最低緩和準位Ｌ_１よりも高く発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギー（Ｅ_ｌｏｗ＞Ｅ_２＞Ｅ_１）を有する準位となっている。なお、図２において、Δ_１は発光下準位Ｌ_ｌｏｗと最低緩和準位Ｌ_１とのエネルギー間隔Δ_１＝Ｅ_ｌｏｗ−Ｅ_１を示し、また、Δ_２は最低緩和準位Ｌ_１と注入緩和準位Ｌ_２とのエネルギー間隔Δ_２＝Ｅ_２−Ｅ_１を示している。

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と下準位Ｌ_ｌｏｗとのサブバンド準位間のエネルギー差Ｅ_ＥＭ＝Ｅ_ｕｐ−Ｅ_ｌｏｗ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、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内において最も後段側の第ｎ井戸層で最大の波動関数を有する注入緩和準位Ｌ_２から、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌ_ｕｐ’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。

このように、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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。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。

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。

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、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Ｌ_ｕｐ、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ、及び緩和ミニバンドＭを含んで構成する。そして、ミニバンドＭの準位構造について、その基底準位Ｌ_ｇである最低緩和準位Ｌ_１よりも高い準位を後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’への電子の注入に用いる注入緩和準位Ｌ_２としている。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１Ａの消費電力を低減することが可能となる。

また、このような緩和ミニバンドＭの準位構造について、注入層１８を構成する第１井戸層〜第ｎ井戸層のうちで、最も後段の単位積層体側の第ｎ井戸層の層厚を第ｎ−１井戸層の層厚よりも薄く設定して、この第ｎ井戸層において、第ｎ井戸層で波動関数が最大となる注入緩和準位Ｌ_２を形成する構成としている。このように、第ｎ井戸層の層厚を薄く設定することにより、上記した注入緩和準位Ｌ_２及び最低緩和準位Ｌ_１を含む緩和ミニバンドＭの準位構造を好適に形成して、準位Ｌ_２から後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’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。以上により、消費電力が低減されて、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１Ａが実現される。

ここで、注入層１８の第ｎ井戸層における注入緩和準位Ｌ_２の形成については、上記したように、緩和ミニバンドＭは、注入緩和準位Ｌ_２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１８内で最も後段側の第ｎ井戸層において、注入緩和準位Ｌ_２を好適に局在させることが可能となる。また、このような構成では、注入層１８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Ｌ_２から後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’へと効率的に注入されることとなる。

また、量子カスケードレーザ１Ａの注入層１８において、緩和ミニバンドＭは、上記したように、最低緩和準位Ｌ_１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。これにより、最低緩和準位Ｌ_１からではなく、注入緩和準位Ｌ_２から後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’へと電子を注入する上記した準位構造を、好適に構成することができる。また、このような準位構造は、例えば、注入層の第ｎ井戸層の層厚を充分に薄く設定することで実現可能である。

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、緩和ミニバンドＭでの基底準位Ｌ_ｇである最低緩和準位Ｌ_１が、最も後段側の第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Ｌ_１が、後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’へと電子を注入する注入緩和準位となる。

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Ｌ_ｕｐ及び発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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Ｌ_１のエネルギーが後段の発光層での発光上準位Ｌ_ｕｐ’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。

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Ｅ_ＥＭ＝Ｅ_ｕｐ−Ｅ_ｌｏｗとし、注入層での発光下準位Ｌ_ｌｏｗと最低緩和準位Ｌ_１とのエネルギー間隔をΔ＝Ｅ_ｌｏｗ−Ｅ_１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Ｅ_ＥＭ＋Δとなる。また、活性層の全体でのエネルギー降下量は（Ｅ_ＥＭ＋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。

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Ｌ_ｌｏｗとミニバンドＭの最低準位Ｌ_１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Ｌ_１に存在する電子が発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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、（Ｅ_ＥＭ＋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。

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Ｌ_１と後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’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。

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Ｅ_ＥＭ＝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。

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Ｌ_ｌｏｗと、ミニバンドＭの最低準位Ｌ_１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Ｌ_１の電子が発光下準位Ｌ_ｌｏｗに熱的に再分布し、レーザにおける発光効率が低下する。

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Ｌ_ｌｏｗとミニバンドＭの最低準位Ｌ_１とのエネルギー間隔Δ_１を充分に大きい値に保持するとともに、注入層１８の第ｎ井戸層において、第ｎ井戸層で波動関数が最大となる注入緩和準位Ｌ_２を形成する構成とする。そして、注入緩和準位Ｌ_２を最低準位Ｌ_１よりも高く発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギーの準位とし、この準位Ｌ_２から後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’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。

このような構成では、エネルギー間隔Δ_１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Ｌ_１に存在する電子が発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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。

また、仮に最低準位Ｌ_１から後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’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＝（Ｅ_ＥＭ＋Δ_１）×（積層段数）
となる。これに対して、最低準位Ｌ_１とは別に後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’へと電子を注入する準位Ｌ_２を設けた上記構成では、その動作電圧Ｖは
Ｖ＝（Ｅ_ＥＭ＋Δ_１−Δ_２）×（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。

ここで、発光下準位Ｌ_ｌｏｗと、ミニバンドＭの最低準位Ｌ_１とのエネルギー間隔Δ_１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Ｌ_１から発光下準位Ｌ_ｌｏｗへの電子の熱的な再分布（thermal backfilling）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Δ_１を例えば２ｋＴ以上（Δ_１≧２ｋＴ）とすることが好ましい。

また、具体的なエネルギー間隔Δ_１の値については、緩和ミニバンドＭを、最低緩和準位Ｌ_１と発光下準位Ｌ_ｌｏｗとのエネルギー間隔Δ_１が、少なくとも５０ｍｅＶ以上となるように構成する必要があり、特に、エネルギー間隔Δ_１を１００ｍｅＶ以上とすることが好ましい。このように、エネルギー間隔Δ_１を充分に広く設定することにより、最低緩和準位Ｌ_１から発光下準位Ｌ_ｌｏｗへの電子の熱的な再分布を抑制することができる。

また、注入層１８内での最低緩和準位Ｌ_１の位置（準位Ｌ_１の波動関数が最大となる位置）については、最低準位Ｌ_１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Ｌ_１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Ｌ_１から後段の発光下準位Ｌ_ｌｏｗ’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Ｌ_１については、注入層１８の中央部、またはその近傍に準位Ｌ_１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。

また、ミニバンドＭの最低準位Ｌ_１と、注入緩和準位Ｌ_２とのエネルギー間隔Δ_２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り、注入層１８内に分布する電子数は、このボルツマン分布による電子の分布によって決まる。このため、後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’への電子の注入効率の点ではエネルギー間隔Δ_２を小さくすることが好ましい。しかしながら、Δ_２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Δ_２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。

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Δ_２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Ｌ_ｕｐ’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、Δ_２＝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Δ_２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≦Δ_２＜Δ_１を満たすようにエネルギー間隔Δ_２を設定することが好ましい。例えば、消費電力の低減の観点からは、注入緩和準位Ｌ_２が発光下準位Ｌ_ｌｏｗと同程度のエネルギーに位置するように注入層１８を構成しても良い。このような構成は、注入層１８の第ｎ井戸層の層厚を充分に薄くすることで実現可能である。

注入層１８で最も後段側の第ｎ井戸層を注入緩和準位形成用の井戸層とする構成については、具体的には、注入層１８のｎ個の井戸層において、第ｎ−１井戸層と第ｎ井戸層との間での層厚の減少量が、他のすべての隣接する井戸層の間での層厚の減少量よりも大き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、第ｎ井戸層の層厚を充分に薄く設定して、第ｎ井戸層において、最低緩和準位Ｌ_１よりも高いエネルギーの注入緩和準位Ｌ_２を好適に形成することが可能となる。

また、上記構成の量子カスケードレーザ１Ａでは、注入層１８のｎ個の井戸層が、第１井戸層から第ｎ井戸層に向かって井戸層の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。このような構成によれば、注入緩和準位Ｌ_２及び最低緩和準位Ｌ_１を含む緩和ミニバンドＭの準位構造を好適に形成することができる。

なお、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Ｌ_ｌｏｗから後段の発光上準位Ｌ_ｕｐ’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。

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。

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Ｌ_ｕｐと、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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Ｌ_ｌｏｗ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Ｅ_ＬＯとな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、発光上準位Ｌ_ｕｐから発光下準位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Ｌ_ｌｏｗ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Ｌ_２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。

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は、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、電界強度２７ｋＶ／ｃｍ〜３８ｋＶ／ｃｍの範囲の動作電界で最も高効率な反転分布が得られ、また、注入層１８において効率的に電子が輸送されるように設計を行っている。また、図６は、電界強度２７ｋＶ／ｃｍ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。

なお、図６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。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。

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、例えば３３周期で積層されて構成されている。

活性層１５を構成する１周期分の単位積層体１６は、図６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。

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。

図７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、第１井戸層１８１から第７井戸層１８７に向かって井戸層の層厚が単調減少するように構成されている。また、隣接する井戸層の間での層厚の減少量については、最も後段側の第７井戸層１８７と隣接する第６井戸層１８６との間での層厚の減少量が、他のすべての隣接する井戸層の間での層厚の減少量よりも大きくなるように構成されている。

具体的には、注入層１８において、第１井戸層と第２井戸層との間での層厚の減少量は０．１ｎｍ、第２井戸層と第３井戸層との間での層厚の減少量は０．１ｎｍ、第３井戸層と第４井戸層との間での層厚の減少量は０．１ｎｍ、第４井戸層と第５井戸層との間での層厚の減少量は０．２ｎｍ、第５井戸層と第６井戸層との間での層厚の減少量は０．２ｎｍとなっている。これに対して、最も後段の単位積層体側の第６井戸層と第７井戸層との間での層厚の減少量は０．４ｎｍであり、他のすべての隣接する井戸層の間での減少量よりも大きく設定されている。

このような積層構造により、図６に示す活性層１５では、緩和ミニバンドＭにおいて、波動関数が第７井戸層で最大となって注入層１８から後段の発光層の発光上準位Ｌ_ｕｐ’への電子の注入に用いられる注入緩和準位Ｌ_２が、最低緩和準位Ｌ_１よりも高く発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギーの準位となっている。また、ミニバンドＭの最低緩和準位Ｌ_１については、最低準位Ｌ_１の波動関数が注入層１８のほぼ中ほど（第４井戸層１８４及びその近傍）で最大となるように構成されている。

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Ｌ_ｌｏｗ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（single phonon - continuum 構造）を用い、上記したように電界強度２７ｋＶ／ｃｍ〜３８ｋＶ／ｃｍで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。また、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。

注入層１８内のミニバンドＭ２については、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ、及び発光層１７のミニバンドＭ１と同程度のエネルギーに位置し、かつ、そのエネルギー幅が充分に大きくなるように構成することが好ましい。また、ミニバンドの最低準位Ｌ_１については、上記したように注入層１８のほぼ中ほどに位置するように設計する。また、最低緩和準位Ｌ_１のエネルギー値については、電子の熱的な再分布を抑制するために、発光下準位Ｌ_ｌｏｗと最低準位Ｌ_１とのエネルギー間隔Δ_１が例えば５０ｍｅＶ以上と充分に大きくなるように設計する必要がある。図６に示す構成では、動作電界２７ｋＶ／ｃｍの状態において、エネルギー間隔Δ_１を約６０ｍｅＶに設定して、注入層１８から発光層１７への電子の熱的な再分布を抑制している。

図６に示した活性層での量子井戸構造について、図８及び図９を参照して、従来の量子カスケードレーザの活性層での量子井戸構造と比較しつつさらに説明する。ここで、以下においては、それぞれ７個の障壁層及び井戸層から構成される注入層の量子井戸構造を例として、本発明の構造と従来構造との相違について説明する。

また、以下に例示する注入層の構造において、同一段の発光層側で第１〜第４障壁層、井戸層からなる積層部分が、抽出障壁層を含んで主に発光層からの電子の抽出に用いられる抽出領域となっている。この抽出領域は、電子を輸送する輸送領域としても機能する。また、後段の発光層側で第５〜第７障壁層、井戸層からなる積層部分が、主に後段の発光層に向けてミニバンドのエネルギー幅を狭窄していく狭窄領域となっている。

図８は、従来の量子カスケードレーザにおける注入層での障壁層及び井戸層の層厚の変化を示す図である。図８のグラフ（ａ）、（ｂ）において、横軸は注入層１８の第１障壁層１９１を層番号Ｎ＝１、第１井戸層１８１をＮ＝２、第２障壁層１９２をＮ＝３、…、第７井戸層１８７をＮ＝１４としたときの各半導体層の層番号Ｎを示し、縦軸は各半導体層の層厚（ｎｍ）を示している。また、図８のグラフ（ａ）は、注入層１８の構造としてFlat Injectorを用いた場合の半導体層の層厚の変化を示し、グラフ（ｂ）は、注入層１８の構造としてFunnel Injectorを用いた場合の半導体層の層厚の変化を示している。

まず、注入層における障壁層の層厚の変化については、グラフ（ａ）、（ｂ）のいずれの構造においても、第１障壁層がやや厚い抽出障壁層として構成されるとともに、第２障壁層〜第７障壁層の構成については、Flat InjectorとFunnel Injectorとで傾向が異なるものの、全体として上流側の抽出障壁側で層厚が薄く、後段の発光層への注入障壁に近づくにしたがって障壁層が厚くなる構成となっている。また、注入層における井戸層の層厚の変化については、いずれの構造においても、第１井戸層から第７井戸層に向かって井戸層の層厚が単調減少する構成となっている。

抽出障壁側で障壁層の層厚が薄くなっているのは、活性層内の発光下準位Ｌ_ｌｏｗに存在するキャリアが効率良く抽出されるように、注入層内のミニバンドのエネルギー幅を抽出障壁側で充分に広くするためである。また、注入障壁側で障壁層の層厚が厚くなっているのは、次周期の発光層の発光上準位Ｌ_ｕｐ’へと電子が効率良く注入されるように、ミニバンドのエネルギー幅を狭窄するためである。

また、グラフ（ａ）のFlat Injectorでは、後段の発光層の発光上準位Ｌ_ｕｐ’への電子の注入が低電圧で始まるように、緩和ミニバンドの出口でのエネルギー幅をあまり狭くはしないため、障壁層の層厚の変化も緩やかになっている。一方、グラフ（ｂ）のFunnel Injectorでは、後段の発光層の発光上準位Ｌ_ｕｐ’への電子の注入効率を最大にするため、ミニバンドの出口付近で障壁層の層厚を急激に厚くして、ミニバンドのエネルギー幅を狭窄している。

図９は、本発明の量子カスケードレーザにおける注入層での障壁層及び井戸層の層厚の変化を示す図である。図９のグラフ（ａ）は、図８のグラフ（ａ）、（ｂ）と同様に、注入層１８の構造として本発明による上記構造を用いた場合の半導体層の層厚の変化を示している。また、図９のグラフ（ｂ）において、横軸は第１井戸層１８１〜第７井戸層１８７をそれぞれ層番号Ｎ＝１〜７としたときの各井戸層の層番号Ｎを示し、縦軸は各井戸層の層厚（ｎｍ）を示している。また、グラフ（ｂ）において、グラフＧ０は本発明の構造（図９（ａ））における井戸層厚の変化を、グラフＧ１はFlat Injector（図８（ａ））における井戸層厚の変化を、また、グラフＧ２はFunnel Injector（図８（ｂ））における井戸層厚の変化をそれぞれ示している。

従来構造の注入層では、図９（ｂ）のグラフＧ１、Ｇ２に示すように井戸層の層厚の変化は緩やかであり、最も後段側の２つの井戸層については、第６井戸層及び第７井戸層の層厚は同じ厚さとなっている。これに対して、図９（ａ）、及び図９（ｂ）のグラフＧ０に示す本発明の構造では、井戸層の層厚は最後まで減少し、第７井戸層の層厚が第６井戸層の層厚よりも薄い構成となっている。

特に、本発明による注入層の構造では、図９（ｂ）のグラフＧ０からわかるように、第６井戸層と第７井戸層との間での層厚の減少量が、他のすべての隣接する井戸層の間での層厚の減少量よりも大きく設定され、最終段の第７井戸層において井戸層の層厚が急激に減少している。このような最も後段側の第７井戸層の層厚の設定は、第７井戸層で波動関数が最大となり、かつ、最低緩和準位Ｌ_１よりも高く発光下準位Ｌ_ｌｏｗよりも低いエネルギーの注入緩和準位Ｌ_２（図２参照）を好適に形成する上で重要である。

すなわち、注入層のｎ個の井戸層のうちで最終段の第ｎ井戸層の層厚を薄く設定することで、必然的に注入緩和準位Ｌ_２のエネルギーが押し上げられ、最低準位Ｌ_１よりも高いエネルギーとなる。また、手前の第ｎ−１井戸層については、その井戸層のみに波動関数が局在しないようにして、注入層内での電子の良好な輸送を確保するために井戸層幅を調節する必要がある。したがって、本発明の構造では、注入層の狭窄領域内において、井戸層の層厚の減少が従来構造に比べて急峻になる。

また、上記のように第ｎ井戸層において最低準位Ｌ_１よりも高いエネルギーの注入緩和準位Ｌ_２が形成される構成では、狭窄領域内において障壁層の層厚が増大する構成のために最低準位Ｌ_１の波動関数は後段の発光層への注入障壁に近づくことができず、確実に注入層の中央付近に位置することとなる。また、抽出領域内において従来構造と同様に層厚の変化を設定することにより、発光下準位Ｌ_ｌｏｗと最低準位Ｌ_１とのエネルギー間隔Δ_１を、例えば５０ｍｅＶ以上と充分に大きく保つことができる。

また、レーザの高温動作を目的として、エネルギー間隔Δ_１をさらに大きく設定したい場合には、障壁層の厚さを薄くして抽出領域でのミニバンドのエネルギー幅を大きくする構成を用いることができる。あるいは、抽出領域内において、他の井戸層よりもやや井戸幅が広い井戸層を設ける構成を用いても良い。

なお、上記した注入層の構造において、同一段の発光層側の抽出領域、及び後段の発光層側の狭窄領域については、従来構造と本発明の構造とで、井戸層の層厚についての平均層厚変化の傾向も異なっている。すなわち、Flat Injectorを用いた注入層では、井戸層の平均層厚変化は抽出領域で約０．１２３３ｎｍ、狭窄領域で０．０６５ｎｍとなっている。また、Funnel Injectorを用いた注入層では、井戸層の平均層厚変化は抽出領域で約０．１ｎｍ、狭窄領域で０．１ｎｍとなっている。

これに対して、本発明による構造を用いた注入層では、井戸層の平均層厚変化は抽出領域で０．１ｎｍ、狭窄領域で０．３ｎｍとなっている。このように、本発明による注入層の構造では、狭窄領域内での量子井戸層の平均層厚変化量は、抽出領域内での変化量に比べて１．５倍以上、あるいはさらに２倍以上となるように設定することが好ましい。これにより、上記したように注入層の狭窄領域内において、井戸層の層厚の減少が従来構造に比べて充分に急峻になる。

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／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。

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。

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。

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の一例を示す図である。 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を示す図である。 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を示す図である。 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の他の例を示す図である。 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。 従来の量子カスケードレーザにおける注入層での障壁層及び井戸層の層厚の変化を示す図である。 本発明の量子カスケードレーザにおける注入層での障壁層及び井戸層の層厚の変化を示す図である。

符号の説明

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、Ｌ_ｕｐ…発光上準位、Ｌ_ｌｏｗ…発光下準位、Ｍ…緩和ミニバンド、Ｍ１、Ｍ２…ミニバンド、Ｌ_１…最低緩和準位、Ｌ_２…注入緩和準位。

Claims (5)

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、前記第ｎ井戸層の層厚が隣接する第ｎ−１井戸層の層厚よりも薄くなるように構成され、
   前記注入層は、前記第ｎ井戸層において、前記緩和ミニバンドの複数の準位のうちで前記第ｎ井戸層で波動関数が最大となっ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の電子の注入に用いられる注入緩和準位が形成されるように構成され、前記注入緩和準位は、前記緩和ミニバンドの最低エネルギーの準位である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ことを特徴とする量子カスケードレーザ。
2. 前記注入層において、前記ｎ個の井戸層は、前記第１井戸層から前記第ｎ井戸層に向かって井戸層の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記載の量子カスケードレーザ。
3. 前記注入層において、前記ｎ個の井戸層は、前記第ｎ−１井戸層と前記第ｎ井戸層との間での層厚の減少量が、他のすべての隣接する井戸層の間での層厚の減少量よりも大き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または２記載の量子カスケードレーザ。
4. 前記注入層において、前記緩和ミニバンドは、前記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１〜３のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
5. 前記注入層において、前記緩和ミニバンドは、前記最低緩和準位と前記発光下準位とのエネルギー間隔が５０ｍｅＶ以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。

Images