JP2010278326A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 広い波長範囲で発光を得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１０と、発光層及び注入層からなる単位積層体１６が多段に積層された第１活性層１５と、第１活性層１５に対して直列に設けられ発光層及び注入層からなる単位積層体２６が多段に積層された第２活性層２５とを備えて量子カスケードレーザ１Ａを構成する。活性層１５、２５のそれぞれは、その準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、緩和ミニバンドとを有し、上準位から下準位への発光遷移を経た電子が、ＬＯフォノン散乱によって下準位からミニバンドへと緩和されるように構成される。また、活性層１５、２５は、異なる積層構造を有し、第１活性層１５で生成される光の発光波長と、第２活性層２５で生成される光の発光波長とが異なるように構成される。
【選択図】 図１

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１〜６、非特許文献１〜５参照）。

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 特開平８−２７９６４７号公報 特開２００８−１７７３６６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 R. Maulini et al., "Broadband Tuning of External CavityBound-to-Continuum Quantum-Cascade Lasers", Appl. Phys. Lett. Vol.84(2004) pp.1659-1661 A. Wittmann et al., "Heterogeneous High-PerformanceQuantum-Cascade Laser Sources for Broad-Band Tuning", IEEE J. QuantumElectron. Vol.44 (2008) pp.1083-1088

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）。

量子カスケードレーザの室温連続発振の達成後、レーザ素子を外部共振器とともに用いることで、広い波長領域で単一モード発振をする量子カスケードレーザを作製する試みが行われている。広い波長範囲で単一モード発振を達成するためには、そのような広い波長範囲において利得スペクトルが存在することが必要である。J. Faist らは、比較的広い利得スペクトルが得られる、サブバンドからミニバンドへの遷移形態を有するＢＴＣ（Bound to Continuum）活性層構造を用いて、８〜９μｍの波長帯において１５０ｃｍ^−１の広い波長範囲で単一モード動作が可能なデバイスを報告している（非特許文献４：R. Maulini et al., Appl. Phys. Lett. Vol.84 (2004) pp.1659-1661）。

さらに、近年では、２波長のＢＴＣ活性層構造を用いることにより、同じく８〜９μｍ帯において、２９１ｃｍ^−１の極めて広い波長範囲で単一モード動作が得られることが報告されている（非特許文献５：A. Wittmann et al., IEEE J. Quantum Electron. Vol.44 (2008)pp.1083-1088）。このデバイスでは、さらに室温連続動作においても２０２ｃｍ^−１の単一モード動作が確認されており、研究レベルでの最も高い特性を有する外部共振器型の量子カスケードレーザとなっている。

しかしながら、上記したＢＴＣ活性層構造での発光遷移は、発光上準位であるサブバンドから、多くのサブバンドで構成されるミニバンドへの遷移である。このため、得られる発光のピーク強度はダブルフォノン共鳴構造などに比べて低い。また、ミニバンド内での各サブバンドへの遷移強度が電界によって大きく変化するため、利得スペクトルの形状を制御することがやや困難であるという問題がある。

一方、本願発明者は、独自の量子カスケードレーザの素子構造として、フォノン共鳴ミニバンド緩和（ＳＰＣ：Single Phonon Resonance-Continuum）活性層構造の開発をすすめている。ＳＰＣ構造は、活性層でのサブバンド準位構造において、発光上準位及び下準位に加えて、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、縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）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準位構造を用いるものである（特許文献６参照）。

このＳＰＣ構造は、ＢＴＣ構造などに比べて、発光の半値幅が狭く、そのピーク強度が高いなどの利点を有しており、また、現在までに４．５μｍ〜１１μｍまで室温連続発振を達成している。しかしながら、このようなＳＰＣ活性層構造は、発光の半値幅が狭いこと等から、上記したように外部共振器を用いた量子カスケードレーザの室温連続発振において求められている、広い波長範囲での発光波長のスキャンには適していない。

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、広い波長範囲で発光を得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第１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第１活性層と、（３）半導体基板上に第１活性層に対して直列に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなるとともに第１単位積層体とは異なる構造の第２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第２活性層とを備え、（４）第１活性層及び第２活性層のそれぞれにおいて、活性層に含まれる単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、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とを有し、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、縦光学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、緩和ミニバンドを介して注入層から後段の単位積層体へと注入されるとともに、（５）第１活性層及び第２活性層は、第１活性層でサブバンド間遷移によって生成される光の発光波長と、第２活性層でサブバンド間遷移によって生成される光の発光波長とが異なるように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（ＳＰＣ活性層構造）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、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、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。

また、上記のようにＳＰＣ構造を有する活性層では、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、発光の半値幅が狭く、ピーク強度が高いなどの利点がある。ただし、この場合、単一の活性層では、広い波長範囲で利得スペクトルを得ることは難しい。これに対して、上記した量子カスケードレーザでは、半導体基板上に、互いに発光波長（発光エネルギー）が異なるように構成された第１活性層、第２活性層の２種類の活性層を直列に設けている。これにより、広い波長範囲で発光を得ることが可能な量子カスケードレーザが実現される。

上記構成の量子カスケードレーザでは、第１活性層と、第２活性層との間に、バッファ層が設けられていることが好ましい。このようなバッファ層を設けることにより、２つの活性層をブリッジして、活性層構造間での電子輸送をスムーズにすることができる。

また、第１活性層で生成される光の発光エネルギーと、第２活性層で生成される光の発光エネルギーとのエネルギー間隔が、第１活性層及び第２活性層のそれぞれでの発光エネルギースペクトルの半値幅の７０％以下に設定されていることが好ましい。このような構成によれば、第１、第２活性層での利得スペクトルが充分に重なることとなり、２つの活性層からの発光を合わせた全体としての発光スペクトルを好適に設定、制御することが可能となる。

第１、第２活性層のそれぞれの構成については、サブバンド準位構造において、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とともに、半導体基板上に、互いに発光波長が異なるように構成された第１活性層、第２活性層を直列に設けることにより、広い波長範囲で発光を得ることが可能となる。

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。 量子カスケードレーザの構成の一例を示す図である。 第１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。 第１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。 第２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。 第２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において得られる発光スペクトルについて示すグラフである。

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。また、本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａでは、互いに異なる発光波長で設計された２種類のＳＰＣ活性層構造を用いるとともに、それらの活性層構造でのお互いの利得スペクトルが充分に重なり、かつ、重なり合った利得スペクトルのピーク強度がフラットになるように制御され、それによって、広い波長範囲での利得スペクトルを実現している。具体的には、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上に形成された第１活性層１５及び第２活性層２５の２つの活性層とを備えて構成されている。

これらの活性層１５、２５は、基板１０側から第２活性層２５、第１活性層１５の順で直列に積層されている。また、活性層１５、２５の間には、２つの活性層１５、２５をブリッジするためのバッファ層２０が設けられている。

第１活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層１７と、発光層１７への電子の注入に用いられる電子注入層１８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１７及び注入層１８からなる半導体積層構造を１周期分の第１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第１活性層１５が構成されている。活性層１５における発光層１７及び注入層１８を含む単位積層体１６の積層数は、適宜設定される。

第２活性層２５は、第１活性層１５と同様に、光の生成に用いられる量子井戸発光層２７と、発光層２７への電子の注入に用いられる電子注入層２８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２７及び注入層２８からなる半導体積層構造を１周期分の第２単位積層体２６とし、この単位積層体２６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する第２活性層２５が構成されている。発光層２７及び注入層２８を含む単位積層体２６の積層数は、適宜設定される。

これらの第１、第２活性層１５、２５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。また、活性層１５、２５を含む全体の活性層構造において、第２活性層２５での単位積層体２６の構造は、第１活性層１５での単位積層体１６の構造とは異なる構造となっている。これにより、第１活性層１５及び第２活性層２５は、活性層１５でサブバンド間遷移によって生成される光の発光波長λ１と、活性層２５でサブバンド間遷移によって生成される光の発光波長λ２とが異なるように構成されている。

第１活性層１５におけるサブバンド準位構造、及びその発光波長について説明する。図２は、図１に示した量子カスケードレーザの第１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、第１活性層１５に含まれる複数の第１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。

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（ＳＰＣ構造、特許文献６参照）。

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、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第１波長λ１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、及び緩和を第１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。

図１に示した構成の量子カスケードレーザ１Ａにおいて、第２活性層２５におけるサブバンド準位構造は、基本的には図２に示した第１活性層１５と同様のＳＰＣ構造である。ただし、上述したように、第２活性層２５の単位積層体２６における具体的な半導体積層構造は、第１活性層１５の単位積層体１６における積層構造とは異なるように設計されている。このとき、第２活性層２５でのサブバンド間のエネルギー差などの具体的な準位構造は、第１活性層１５とは異なる構造となり、したがって、第２活性層２５での発光波長λ２は、第１活性層１５での発光波長λ１とは異なる波長となる。また、量子カスケードレーザ１Ａの全体としては、第１活性層１５で生成される発光波長λ１の発光成分と、第２活性層２５で生成される発光波長λ２の発光成分とを合わせた、広い波長範囲の発光スペクトルの光が生成、出力される。

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、注入層１８から構成される単位積層体１６、及び発光層２７、注入層２８から構成される単位積層体２６のそれぞれについて、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、２７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、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。これにより、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（ＳＰＣ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。

また、上記のようにＳＰＣ構造を有する活性層では、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ため、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−ミニバンド間、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、発光の半値幅が狭く、ピーク強度が高いなどの利点が得られる。また、常に単一準位間での遷移となるため、ＢＴＣ構造などと比べて、発光スペクトルの形状を制御しやすいという利点もある。ただし、この場合、発光の半値幅が狭いこと等により、単一の活性層では、広い波長範囲で利得スペクトルを得ることは難しい。

これに対して、上記した量子カスケードレーザ１Ａでは、半導体基板１０上に、それぞれＳＰＣ構造を有するとともに、互いに発光波長λ１、λ２が異なる（発光エネルギーＥ１、Ｅ２が異なる）ように構成された第１活性層１５、第２活性層２５の２種類の活性層を直列に設けている。これにより、それらの活性層１５、２５からの発光を合わせて、広い波長範囲で発光を得ることが可能な量子カスケードレーザが実現される。また、このような構成のレーザ素子は、例えば、外部共振器型の量子カスケードレーザにおいて、好適に適用することができる。

上記構成の量子カスケードレーザ１Ａでは、図１において例示したように、第１活性層１５と、第２活性層２５との間に、バッファ層２０が設けられていることが好ましい。このようなバッファ層２０を設けることにより、２つの活性層１５、２５をブリッジして、活性層構造間での電子輸送をスムーズにすることができる。ただし、このようなバッファ層２０については、不要であれば設けなくても良い。

また、第１活性層１５で生成される光の発光エネルギーＥ１と、第２活性層２５で生成される光の発光エネルギーＥ２とのエネルギー間隔が、第１活性層１５及び第２活性層２５のそれぞれでの発光エネルギースペクトルの半値幅の７０％以下に設定されていることが好ましい。このような構成によれば、第１、第２活性層１５、２５での利得スペクトルが充分に重なることとなり、２つの活性層からの発光を合わせた全体としての発光スペクトルを好適に設定、制御することが可能となる。

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、２５での量子井戸構造については、図２に示したように、単位積層体において、量子井戸発光層と注入層との間に、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、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。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。このように、発光層のミニバンドと注入層のミニバンドとを強く結合させることにより、発光層から注入層への電子のトンネル時間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３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。図４は、図３に示した量子カスケードレーザにおける第１活性層を構成する第１単位積層体の構成の一例を示す図である。また、図５は、第１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。図６は、第２活性層を構成する第２単位積層体の構成の一例を示す図である。また、図７は、第２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。

本構成例における活性層１５、２５の量子井戸構造では、第１活性層１５については、発振波長をλ１＝８．５μｍ、動作電界強度を４５ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。このときの第１活性層１５の遷移強度を示すダイポールモーメントは２．３ｎｍである。また、第２活性層２５については、発振波長をλ２＝９．５μｍ、動作電界強度を３８ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。このときの第２活性層２５のダイポールモーメントは２．５ｎｍである。

なお、図４においては、第１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。同様に、図６においては、第２活性層２５を構成する量子井戸発光層２７及び注入層２８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３〜図７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３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５０側から順に、厚さ３．５μｍのＩｎＰクラッド層５１、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓコア層５２、第２単位積層体２６が多段に積層された発光波長９．５μｍの第２活性層２５、バッファ層２０である厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓバッファ層５３、第１単位積層体１６が多段に積層された発光波長８．５μｍの第１活性層１５、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓコア層５４、及び厚さ３．５μｍのＩｎＰクラッド層５５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。

上記の積層構造において、直列に連結された活性層１５、２５の間に挿入されたバッファ層５３は、２つの活性層１５、２５をブリッジして、活性層構造間での電子輸送をスムーズにするようにしている。また、クラッド層５５の上部には、さらに、プラズモン層、及び厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層５６が設けられている。なお、図３に示した半導体積層構造における導波路構造、プラズモン層、コンタクト層の構造等については、従来用いられている典型的な構造を用いることができる。

図３の積層構造において上方に位置する発光波長８．５μｍの第１活性層１５の構成について説明する。本構成例における第１活性層１５は、発光層１７及び注入層１８を含む単位積層体１６が所定周期、例えば２０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によって構成されている。

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、ＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。また、このような第１単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８とについては、図４に示す積層構造において、４層の井戸層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、７層の井戸層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、前段の注入層と、発光層１７との間に位置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段目の障壁層１９１が、発光層１７と、注入層１８との間に位置する抽出障壁層となっている。図５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４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。また、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分だけ高エネルギー側に分離されている。

図３の積層構造において下方に位置する発光波長９．５μｍの第２活性層２５の構成について説明する。本構成例における第２活性層２５は、基本的には第１活性層１５と同様の構造を有し、発光層２７及び注入層２８を含む単位積層体２６が所定周期、例えば２０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２６は、図６に示すように、１１個の量子井戸層２６１〜２６４、２８１〜２８７、及び１１個の量子障壁層２７１〜２７４、２９１〜２９７が交互に積層された量子井戸構造によって構成されている。

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、ＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。また、このような第２単位積層体２６において、発光層２７と注入層２８とについては、図６に示す積層構造において、４層の井戸層２６１〜２６４、及び障壁層２７１〜２７４からなる積層部分が、主に発光層２７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層２８１〜２８７、及び障壁層２９１〜２９７からなる積層部分が、主に注入層２８として機能する部分となっている。

また、発光層２７の各半導体層のうちで、１段目の障壁層２７１が、前段の注入層と、発光層２７との間に位置する注入障壁層となっている。同様に、注入層２８の各半導体層のうちで、１段目の障壁層２９１が、発光層２７と、注入層２８との間に位置する抽出障壁層となっている。図７に、活性層２５における１周期分の単位積層体２６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２６は、その図６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。また、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分だけ高エネルギー側に分離されている。

図３〜図７に示す構成例の量子カスケードレーザ１Ｂでは、第１、第２活性層１５、２５は、設計コンセプトもほぼ同様で、発光波長のみが異なるように設計されている。このようなＳＰＣ構造の活性層１５、２５を用いることにより、上述したように、単一準位間での高いピーク強度を有する発光が得られ、それぞれ波長８．５μｍ、９．５μｍにピークを持つ自然放出光を放出することができる。

また、本構成例では、第１、第２活性層１５、２５で、発光強度はほぼ同程度であると予想される。したがって、例えば、発光波長８．５μｍの第１活性層１５での単位積層体１６の積層周期数を２０周期、発光波長９．５μｍの第２活性層２５での単位積層体２６の積層周期数を同じく２０周期とすることで、２つの発光波長で同程度の自然放出光強度が得られる。

一般には、第１活性層１５及び第２活性層２５は、互いに異なる発光波長、及び遷移強度を有しているため、単位積層体の１周期当たりでは、得られる発光強度が異なる場合がある。発光波長が異なる２種類の活性層を組み合わせた上記構成の量子カスケードレーザでは、それぞれの活性層での発光強度が同程度であることが好ましい。２種類の活性層で一方のみの発光強度が大きい場合には、それらの発光スペクトルを重ね合わせて得られるレーザ素子の全体での発光スペクトルの形状が均等ではなくなる。

このため、第１、第２活性層１５、２５のそれぞれでの発光波長と、発光強度との制御は、例えば外部共振器型の量子カスケードレーザなどの量子カスケードレーザにおいて、極めて重要である。２種類の活性層を用いて得られる２波長の発光での発光強度を同程度に保つためには、活性層内のダイポールモーメントを調整するか、もしくは単位積層体の積層周期数を調整することによって、その発光強度を調整することが可能である。

第１、第２活性層１５、２５において生成される発光成分の合成について、さらに説明する。図８は、量子カスケードレーザにおいて得られる発光スペクトルについて示すグラフである。図８のグラフ（ａ）、（ｂ）において、横軸は発光エネルギー（ｍｅＶ）を示し、縦軸は発光強度（ａ．ｕ．）を示している。

図８のグラフ（ａ）において、グラフＡ１は、第１活性層１５単独での波長８．５μｍの発光のエネルギースペクトルを示している。また、グラフＡ２は、第２活性層２５単独での波長９．５μｍの発光のエネルギースペクトルを示している。ここでは、第１、第２活性層１５、２５のそれぞれでの発光エネルギースペクトルについて、その半値幅を２２ｍｅＶとしている。

このような構成では、活性層１５、２５のそれぞれでの発光スペクトルの形状は極めて重要である。すなわち、発光波長（発光エネルギー）が互いに異なる活性層１５、２５での発光スペクトルのピークが離れすぎていると、それらを重ね合わせた全体での発光スペクトルがフラットではなくなる。一方で、発光スペクトルのピークが近すぎると、スキャンできる発光の波長範囲が小さくなる。

したがって、発光スペクトルにおいては、第１活性層１５での発光エネルギーＥ１と、第２活性層２５での発光エネルギーＥ２とのエネルギー間隔が、第１活性層１５及び第２活性層２５のそれぞれでの発光エネルギースペクトルの半値幅の７０％以下に設定されていることが好ましい。上記構成例では、このような条件を満たすために、活性層１５、２５での発光波長をそれぞれ８．５μｍ、９．５μｍに設定している。これにより、図８のグラフ（ｂ）に、活性層１５、２５を合わせた全体での発光エネルギースペクトルのグラフＡ３を示すように、ブロードかつフラットな発光スペクトルが得られる。

また、上記した活性層１５、２５からの発光スペクトルの重ね合わせにおいて、それらの発光エネルギースペクトルの半値幅が同程度であることが好ましい。また、半値幅が同程度ではない場合には、第１活性層１５での発光エネルギーＥ１と、第２活性層２５での発光エネルギーＥ２とのエネルギー間隔が、第１活性層１５及び第２活性層２５のそれぞれでの発光エネルギースペクトルの半値幅のいずれに対しても７０％以下に設定されていることが好ましい。

第１、第２活性層１５、２５における積層構造及びサブバンド準位構造を設計する上でのもう１つの重要な項目として、２種類の活性層に流すことができる最大電流の制御が挙げられる。上記構成の量子カスケードレーザでは、２種類の活性層構造が直列に連結されている。したがって、それらの活性層１５、２５の設計において、２つの活性層構造で流せる最大電流を同程度にすることが必要となる。

このような最大電流は、ドーピングと活性層の層構造とによって決定されるが、このうちでドーピングは、量子カスケードレーザの活性層内に電子を供給し、流せる最大電流を決定させている。一方、活性層の層構造で最大電流を決定している部分は、注入障壁での準位間の波動関数の結合の大きさ（アンチクロッシング）である。アンチクロッシングは大きくすれば流せる電流は大きくなるが、大き過ぎるとレーザ特性に多大な影響を及ぼすことが知られており、通常の設計では５ｍｅＶ〜１０ｍｅＶ程度である。上記した構成例では、アンチクロッシングを８ｍｅＶ程度に統一し、また、２つの活性層１５、２５でのドーピング濃度を同程度としている。

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、半導体基板上に直列に設けられる活性層の個数については、２種類の活性層を積層する構成について例示したが、発光波長が異なる３種類以上の活性層を積層する構成としてもよい。

また、量子カスケードレーザの活性層における積層構造、及びレーザ素子全体としての半導体積層構造については、図３〜図７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、半導体基板上に直列に設けられた上記構成の第１活性層、第２活性層とを備えて構成されていれば良い。また、上記構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばＩｎＰ基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。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。

本発明は、広い波長範囲で発光を得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。

１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１５…第１活性層、１６…第１単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、２０…バッファ層、２５…第２活性層、２６…第２単位積層体、２７…量子井戸発光層、２８…注入層、
５０…ｎ型ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＰクラッド層、５２…ＩｎＧａＡｓコア層、５３…ＩｎＧａＡｓバッファ層、５４…ＩｎＧａＡｓコア層、５５…ＩｎＰクラッド層、５６…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 (3)

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第１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第１活性層と、
   前記半導体基板上に前記第１活性層に対して直列に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなるとともに前記第１単位積層体とは異なる構造の第２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第２活性層とを備え、
   前記第１活性層及び前記第２活性層のそれぞれにおいて、前記活性層に含まれる前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、前記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、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ミニバンドへと緩和され、前記緩和ミニバンドを介して前記注入層から後段の単位積層体へと注入されるとともに、
   前記第１活性層及び前記第２活性層は、前記第１活性層でサブバンド間遷移によって生成される光の発光波長と、前記第２活性層でサブバンド間遷移によって生成される光の発光波長とが異なるように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. 前記第１活性層と、前記第２活性層との間に、バッファ層が設けら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. 前記第１活性層で生成される光の発光エネルギーと、前記第２活性層で生成される光の発光エネルギーとのエネルギー間隔が、前記第１活性層及び前記第２活性層のそれぞれでの発光エネルギースペクトルの半値幅の７０％以下に設定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。

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