JP2016042572A - 窒化物半導体量子カスケードレーザー - Google Patents

Abstract

【課題】未踏周波数のテラヘルツ量子カスケードレーザー（ＴＨｚ−ＱＣＬ）素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体結晶により超格子構造の繰り返しの単位構造を作製する。各単位構造では第１バリア層Ｂ１、第１ウェル層Ｗ１、第２バリア層Ｂ２、および第２ウェル層Ｗ２がこの順に配され、バイアス電界の下での電子のエネルギー準位構造は、媒介準位Ｌ１、レーザー上準位Ｌ３、およびレーザー下準位Ｌ２をもつ。媒介準位Ｌ１のエネルギー値は、単位構造およびそれに隣接する別の単位構造のいずれかに属するレーザー上準位Ｌ３およびレーザー下準位Ｌ２のうち、いずれか一方の準位のエネルギー値に近接し、他方の準位のエネルギー値から、結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に離れている。結晶はＧａＮ／ＡｌＧａＮにより形成され、放射電磁波の周波数は５ＴＨｚ〜２０ＴＨｚの範囲であり、単位構造はＭＢＥまたはＭＯＣＶＤで作製される。【選択図】図５

Description

本発明は窒化物半導体量子カスケードレーザーに関する。さらに詳細には、本発明は、窒化ガリウム系材料を利用する窒化物半導体量子カスケードレーザーに関する。

近年、バンド間遷移による電磁波放射が難しい波長域（周波数域）の固体レーザーとして、バンドギャップをまたぐことのないサブバンド間での伝導キャリアの遷移を利用する量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）が有望視されている。ＱＣＬは、超小型、高効率・高出力、狭線幅、長寿命、連続発振、安価、高耐久などの性質から実用化が期待され、中赤外域と、テラヘルツ領域とで開発が進められている。特に０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚにわたるテラヘルツ領域においてレーザー発振可能なテラヘルツ量子カスケードレーザー（ＴＨｚ−ＱＣＬ）が実現されれば、医療用イメージング、セキュリティー検査、および高速無線通信といった分野への適用が見込まれる。しかし、現在までに発振動作が報告されているＴＨｚ−ＱＣＬの周波数域は１．２〜５．２ＴＨｚや、１２ＴＨｚを超す領域に限られている。約１ＴＨｚまたはそれ未満（サブＴＨｚ）や、５．２ＴＨｚを越え１２ＴＨｚ以下の周波数域での発振動作は従来報告されていない。これらの周波数域（未踏周波数域）においてレーザー発振可能なＴＨｚ−ＱＣＬを実現することは重要な課題である。

従来のＴＨｚ−ＱＣＬの材料はＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ系半導体が採用されてきた。しかし、これらの材質を採用しても、５〜１２ＴＨｚの周波数域のためのＴＨｚ−ＱＣＬを実現することは難しい。これらの材質では、電子−縦光学（ＬＯ）フォノン間のフレーリッヒ相互作用による散乱のエネルギー帯が５〜１２ＴＨｚの周波数域に重なるためである。例えば、ＧａＡｓでは、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯが３６ｍｅＶつまり９ＴＨｚに相当する。また、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ系半導体ではサーマル・バックフィリングと呼ばれるレーザー下準位への電子の再充填が生じやすいことも、反転分布を劣化させ、レーザー発振にとって不利となる。

上述したＧａＡｓなどの従来の材質に替え窒化物半導体を採用すると、５〜１２ＴＨｚの周波数域のＴＨｚ−ＱＣＬが実現しうるものと見込まれている。窒化物半導体の代表であるＧａＮ系材料ではＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯが９０ｍｅＶ、つまりＧａＡｓの３倍程度と大きくなる。これに伴いＬＯフォノンのエネルギーに相当する２２ＴＨｚ付近までフォノンドメインがシフトするため、５〜１２ＴＨｚの周波数域では電子−ＬＯフォノン散乱による吸収が回避できるからである。さらに、電子−ＬＯフォノン散乱のエネルギーが大きいことは、より高温での動作が望める点でも有利である。

なお、ＧａＮのウェル層とＡｌＧａＮのバリア層を、１周期となるユニットにそれぞれ二つ含む超格子構造を利用する場合の理論計算結果が開示されている（特許文献１、例えば請求項２）。しかし、結晶成長上重要となる極性面で成長させる結晶格子の条件について、５ＴＨｚまたはそれ以上の周波数に相当するエネルギー（約２０ｍｅＶ以上）では利得が負の値をとることが示されているため、５ＴＨｚを超す周波数での発振動作は期待できない（特許文献１、図１７）。また、当該開示では、実際の動作は必ずしも予測されていない。例えば、実現される発振周波数は特定されていない。

特開２０１３−１７１８４２号公報

W. Terashima and H. Hirayama, "Design and fabrication of terahertz quantum cascade laser structure based on III-nitride semiconductors", Phys. Status Solidi C, 6, No.S2, S615-S618 (2009) W. Terashima and H. Hirayama, "Spontaneous emission from GaN/AlGaN terahertz quantum cascade laser grown on GaN substrate", Phys. Status Solidi C, 8, pp 2302-2304 (2011) 寺嶋 亘、平山 秀樹 "窒化物材料系テラヘルツ帯量子カスケードレーザーの開発"、レーザー研究、３９（１０）、７６９−７７４、（２０１１） W. Terashima and H. Hirayama, "The Utility of Droplet Elimination by Thermal Annealing Technique for Fabrication of GaN/AlGaN Terahertz Quantum Cascade Structure by Radio Frequency Molecular Beam Epitaxy", Appl. Phys. Express 3,125501 (2010) S. Kumar et al., "Two-well terahertz quantum-cascade laser with direct intrawell-phonon depopulation", Appl. Phys. Lett. 95,141110 (2009)

本出願の発明者らは、理論および実験の両側面から、窒化物半導体材料を採用したＴＨｚ−ＱＣＬの実証を試みてきた。その目的の一つが上述した未踏周波数域の一つである５〜１２ＴＨｚのいずれかの周波数で発振動作するＴＨｚ−ＱＣＬを作製することである。本出願の発明者らは１ユニットに４つのウェル層をもつ構造をＧａＮ系材料で作製し（「４量子井戸構造」、非特許文献１）、さらにこの４量子井戸構造のＧａＮ材料系によるＴＨｚ−ＱＣＬで、サブバンド間遷移による発光（放射）を確認している（非特許文献２）。

しかしながら、これまでのところ目的どおりのＴＨｚ−ＱＣＬが実現できたわけではない（非特許文献１、非特許文献３）。第１に、得られた放射は設計により目指した周波数（７．６ＴＨｚ）ではなく１．４〜２．８ＴＨｚであった。また第２に、観察された発光は継続的な誘導放出（レーザーの発振動作）には至っておらず、自然放出が確認されたに過ぎない。

上記課題を解決する具体的手段を探るため、本出願の発明者らは、４量子井戸構造のＧａＮ系材料のＴＨｚ−ＱＣＬにおける実際の動作を理論計算と対応させ詳しく解析した。その解析により、上記の意図しない周波数による放射が、エネルギー値が縮退していることを期待していた準位対の間での遷移による自然放出によるものと判明した。実際の結晶格子におけるこれらの準位対は縮退が解けた非縮退状態となっており、わずかなエネルギー差に応じた周波数で放射が生じることが確認された。

本発明は上述した課題の少なくともいずれかを解決することを課題とする。すなわち、本発明は、未踏周波数域において発振動作するＴＨｚ−ＱＣＬを提供することにより、ＴＨｚ−ＱＣＬの周波数域の拡大に貢献するものである。

本出願の発明者らは、上述した解析において、４量子井戸構造で意図しない放射が生じた原因について、基板の極性面に形成された場合において単位構造に多種のウェル層が含まれる複雑な構成それ自体が関係していると予測した。また、自然放出を引き起こす準位対の各準位の特徴にも注目した。そして、実際に上記自然放出に関与した準位対の具体的な構造をヒントに、あらたにサブバンド構造を設計することとした。さらにその構造のＴＨｚ−ＱＣＬを作製したところ、レーザー発振が実現されることを確認した。

すなわち、本発明のある態様においては、窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、該超格子構造が複数の単位構造を有しており、各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、および第２ウェル層をこの順に配置したものであり、外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、前記第１ウェル層および前記第２ウェル層の少なくともいずれかに有意な電子の存在確率をもつ媒介準位と、前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位とを備えており、前記媒介準位のエネルギー値は、前記バイアス電界の下で、前記単位構造およびそれに隣接する別の単位構造のいずれかに属するレーザー上準位およびレーザー下準位のうち、いずれか一方の準位のエネルギー値に近接し、他方の準位のエネルギー値から、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に離れており、前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記バイアス電界の下で前記レーザー上準位から前記レーザー下準位に遷移する電子により誘導放出される電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、量子カスケードレーザー素子が提供される。

加えて、追加の準位を利用することにより、上述したサブバンド構造の準位による発振動作が容易となりうることに気づいた。

すなわち、本発明の別の態様においては、窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、該超格子構造が複数の単位構造を有しており、各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、第２ウェル層、第３バリア層、および第３ウェル層をこの順に配置したものであり、外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ輸送準位と、該輸送準位よりも、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもち、前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位と該第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもち、該レーザー下準位のエネルギー値よりも、前記ＬＯフォノンのエネルギー値以上に低いエネルギー値をもつ引き抜き準位とを備えており、前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、量子カスケードレーザー素子が提供される。

さらに、本発明の別の態様においては、窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、該超格子構造が複数の単位構造を有しており、各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、第２ウェル層、第３バリア層、および第３ウェル層をこの順に配置したものであり、外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ輸送準位と、前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ注入準位と、該注入準位よりも、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもち、前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位と、前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもち、該レーザー下準位よりも、前記ＬＯフォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもつ引き抜き準位とを備えており、前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、量子カスケードレーザー素子が提供される。

本出願においてＴＨｚ領域の電磁波とは、概ね０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数範囲すなわち１０μｍ〜３ｍｍ程度の波長範囲の電磁波をいう。また未踏周波数域とは、５．２ＴＨｚを越え１２ＴＨｚ以下の電磁波の周波数域である。未踏周波数域のために本明細書ではしばしば５〜１２ＴＨｚと略記する。さらに本出願の説明には、可視光や赤外線を対象とする電子デバイスや物理学の分野から転用または借用される技術用語を用いることにより素子構造や機能を説明することがある。このため、可視光から遠く離れた周波数域または波長域の電磁波に関する説明であっても、ＴＨｚ−ＱＣＬの素子や誘導放出の現象を説明するために「レーザー」や「発光」との用語、「光学−」（optical -）、「光−」（photo -）などの用語を用いる場合がある。

本発明のいずれかの態様においては、５〜１２ＴＨｚの電磁波を放射する量子カスケードレーザー素子が提供される。

従来の種々のＴＨｚ−ＱＣＬの発振動作を発振周波数と動作温度によりプロットしたグラフである。 ＴＨｚ−ＱＣＬにおいて動作温度および発振周波数に影響を与える温度に関連のある現象を説明するための電子のエネルギーの模式図であり、積層方向の実空間（図２（ａ））および面内の波数空間（図２（ｂ））の模式図である。 従来および本発明の実施形態におけるＴＨｚ−ＱＣＬの概略構造を示す斜視図である。 従来の４量子井戸構造のＴＨｚ−ＱＣＬにおける電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すグラフである。 本発明の実施形態１のＭＢＥにより作製したＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すグラフである（図５（ａ））。電子の振る舞いを縮約した模式図も示す（図５（ｂ））。 本発明の実施形態１のＭＢＥにより作製したＴＨｚ−ＱＣＬにおいて、バイアス電界強度に対するサブバンド間のエネルギー差（図６（ａ））と、ダイポールモーメント（図６（ｂ））のグラフである。 本発明の実施形態１のＭＢＥにより作製したＴＨｚ−ＱＣＬを対象に実測した電流発光特性および電流電圧特性（図７（ａ））、ならびに、各電流における発光スペクトル（図７（ｂ））を示すグラフである。 本発明の実施形態１のＭＯＣＶＤにより作製したＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すグラフである（図８（ａ））。電子の振る舞いを縮約した模式図も示す（図８（ｂ））。 本発明の実施形態１のＭＯＣＶＤにより作製したＴＨｚ−ＱＣＬにおいて、バイアス電界強度に対するサブバンド間のエネルギー差（図９（ａ））と、ダイポールモーメント（図９（ｂ））とのグラフである。 本発明の実施形態１のＭＯＣＶＤにより作製したＴＨｚ−ＱＣＬを対象に実測した電流発光特性および電流電圧特性（図１０（ａ））、および、各電流における発光スペクトル（図１０（ｂ））を示すグラフである。 図１に実施形態１のＴＨｚ−ＱＣＬにて実証された値を追加したグラフである。 本発明の実施形態１で成長させた超格子構造の断面ＴＥＭ像であり、ＭＢＥ法（図１２（ａ））とＭＯＣＶＤ法（図１２（ｂ））のものを対比して示す。 本発明の実施形態１で成長させた超格子構造のＸ線回折強度グラフであり、ＭＢＥ法（図１３（ａ））とＭＯＣＶＤ法（図１３（ｂ））のものを対比して示す。厚みをパラメータにしてフィッティングさせた計算値のグラフも重ねて示す。 本発明の実施形態１で成長させた超格子構造のＸ線回折の逆格子空間へのマッピング像であり、ＭＢＥ法（図１４（ａ））とＭＯＣＶＤ法（図１４（ｂ））のものを対比して示す。 本発明の実施形態１において、ＴＨｚ−ＱＣＬの設計パラメータであるバリア高さに影響する組成比およびウェル層厚みを変化させて（図１５（ａ））、およびバイアス電界およびウェル層厚みを変化させて（図１５（ｂ））、発振周波数を理論計算により調査した結果を示す特性図である。 本発明の実施形態１においてＧａＮ／ＩｎＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフであり、６ＴＨｚ付近で発振する構成（図１６（ａ））と１０ＴＨｚ付近で発振する構成（図１６（ｂ））である。 本発明の実施形態１においてＧａＮ／ＩｎＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬのバリア高さに影響するＩｎ組成比に対する発振周波数の変化を示す計算結果のグラフである。 本発明の実施形態１においてＡｌＮ基板の無極性面上に形成されるＡｌＧａＮ／ＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフであり、１０ＴＨｚ付近で発振する構成（図１８（ａ））と７．３ＴＨｚ付近で発振する構成（図１８（ｂ））である。 本発明の実施形態１においてＡｌＮ基板の無極性面上に形成されるＡｌＧａＮ／ＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬのバリア高さに影響するＡｌ組成比に対する発振周波数の変化を示す計算結果のグラフである。 本発明の実施形態１においてＧａＮ基板の無極性面上に形成されるＧａＮ／ＩｎＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフであり、１２ＴＨｚ付近で発振する構成（図２０（ａ））と９ＴＨｚ付近で発振する構成（図２０（ｂ））である。 本発明の実施形態１においてＧａＮ基板の無極性面上に形成されるＧａＮ／ＩｎＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬのバリア高さに影響するＩｎ組成比に対する発振周波数の変化を示す計算結果のグラフである。 本発明の実施形態１において１２〜１９．５ＴＨｚの発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフである（図２２（ａ））。電子の振る舞いを縮約した模式図も示す（図２２（ｂ））。 本発明の実施形態１において１２〜１９．５ＴＨｚの発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬのバリア高さに影響する組成比（図２３（ａ））、およびバイアス電界（図２３（ｂ））のそれぞれに対する発振周波数の変化を示す計算結果のグラフである。 本発明の実施形態１において７〜１０．５ＴＨｚの発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフである（図２４（ａ））。電子の振る舞いを縮約した模式図も示す（図２４（ｂ））。 本発明の実施形態１において７〜１０．５ＴＨｚの発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬのバリア高さに影響する組成比（図２５（ａ））、およびバイアス電界（図２５（ｂ））のそれぞれに対する発振周波数の変化を示す計算結果のグラフである。 本発明の実施形態２において６ＴＨｚ付近の発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフである（図２６（ａ））。電子の振る舞いを縮約した模式図も示す（図２６（ｂ））。 本発明の実施形態３において６ＴＨｚ付近の発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフである（図２７（ａ））。電子の振る舞いを縮約した模式図も示す（図２７（ｂ））。 本発明の実施形態１の純粋３準位系ＱＣＬを低周波で発振させる構成例についての計算結果のグラフであり、１．８〜４．３ＴＨｚの発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すものである。 図２８と同様の発振させる構成例において１．８〜４．３ＴＨｚの発の発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬのバリア高さに影響する組成比（図２９（ａ））、およびバイアス電界（図２９（ｂ））のそれぞれに対する発振周波数の変化を示す計算結果のグラフである。 図５のＴＨｚ−ＱＣＬのサブバンド構造を持つＴＨｚ−ＱＣＬサンプルからの出力をワイヤーグリッド偏光素子を透過させて強度測定した測定値のグラフである。 図５のＴＨｚ−ＱＣＬのサブバンド構造を持つＴＨｚ−ＱＣＬサンプルで温度を変更して実測した電流発光特性および電流電圧特性を示すグラフである。 図３１の測定値から得られる発振閾値Ｊ_ｔｈを温度に対しプロットしたグラフである。

以下、本発明に係るＴＨｚ−ＱＣＬの実施形態（実施形態１〜３）を説明する。実施形態の説明のために、本出願の発明者らが行なったＴＨｚ−ＱＣＬの開発経緯を説明し、つぎに本発明の実施形態１〜３を詳述し、最後に得られた知見を補足する。当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。

１．ＴＨｚ−ＱＣＬの開発経緯
１−１．ＧａＮ系材料の選択
従来のＴＨｚ−ＱＣＬはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ系半導体を採用していた。これらの材質では、電子−ＬＯフォノン散乱のエネルギー帯が５〜１２ＴＨｚの周波数域に重なる。例えばＧａＡｓでは、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯが３６ｍｅＶつまり９ＴＨｚに相当する。このため、５〜１２ＴＨｚの周波数域では発振動作が得られず、レーザー発振が報告されない周波数域（未踏周波数域）となっている（図１）。

その対策のために、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯが大きい窒化物半導体、なかでもＥ_ＬＯが９０ｍｅＶ程度であるＧａＮまたはそれを主体とする材質（ＧａＮ系材料）によりＴＨｚ−ＱＣＬを作製することが有効である。ＧａＮ系材料は、ＬＯフォノンの影響が及ぶ周波数域（フォノンドメイン）をＧａＡｓの場合よりも高周波数側にシフトさせる。さらにＧａＮ系材料は、より高温でのレーザー発振の可能性を高める点でも有効である。図２は、ＴＨｚ−ＱＣＬにおいて動作温度および発振周波数に影響を与える温度に関連のある現象を説明するための電子のエネルギーの模式図であり、ある広がりの層を積層して作製するＴＨｚ−ＱＣＬの超格子構造において、積層方向の実空間（図２（ａ））および面内の波数空間（図２（ｂ））の模式図である。図２（ａ）は、図２（ｂ）の横軸の原点（波数＝０）での値、つまりエネルギーの各サブバンドの最低値を、積層方向の実空間に対応させてプロットした関係となっている。ＴＨｚ−ＱＣＬでは、電子に対し異なる伝導帯ポテンシャルをもたらすウェル層とバリア層が繰り返し積層された超格子に対し、外部電圧によるバイアス電界が積層方向に印加されている。この影響により、動作粒子である電子に対するエネルギーポテンシャルは凹凸しながら全般に傾斜している。電子はエネルギーを失いながらこの傾斜を流下する向きに輸送される。

エネルギーに着目し電子の輸送の様子を描写すれば、ポテンシャルのウェル層に束縛されたエネルギー準位（サブバンド）内のエネルギーがほぼ不変である輸送と、エネルギー準位が離散化されたサブバンド間でエネルギーの低下を伴う遷移とを繰り返すカスケード状の動作となる。関与するサブバンドには、レーザー発振した場合の誘導放出の上および下準位（レーザー上準位およびレーザー下準位、図２において、準位Ｌ３、Ｌ２）に加え、追加の準位（準位L１）も含まれる。図２に示すように、電子が準位Ｌ３から準位Ｌ２に遷移する際に電磁波を放射（発光）する。このため、準位Ｌ３、Ｌ２の準位間においてレーザー発振に必須となる反転分布を実現する必要がある。準位Ｌ１により、準位Ｌ３に比べ準位Ｌ２の電子占有数（population）が低くなれば反転分布を実現することができる。

実際のＴＨｚ−ＱＣＬの動作には温度が影響する。反転分布が維持できなければレーザー発振は困難なため、反転分布に対する温度の影響が問題となる。反転分布への影響の面からみると、温度は、第１に、準位Ｌ３内での熱運動によりＥ_２＋Ｅ_ＬＯ以上のエネルギーを得た電子が準位Ｌ２に緩和する非放射性の遷移を引き起こすという影響を及ぼす。また第２に、準位Ｌ１から再び準位Ｌ２にＬＯフォノンにより電子が再励起される現象（サーマル・バックフィリング）を通じ温度が影響を及ぼす。これら温度の影響は、高温であるほど深刻となる一方で、いずれもＬＯフォノンのエネルギー自体が大きくなれば緩和される性質をもつ。

すなわち、反転分布を形成するためにＬＯフォノンを利用する場合には、ＬＯフォノンのエネルギーを高めることが高温での動作を促進する性質をもつ。具体的には、電子を準位Ｌ３から準位Ｌ１（レーザー上準位）へ注入する動作か、電子を準位Ｌ２（レーザー下準位）から引き抜く動作かのいずれかまたは両方で、反転分布のためにＬＯフォノンが役立つ。その場合の温度およびＬＯフォノンとの関係は、準位Ｌ３から準位Ｌ１への遷移のレート（１／τ_３１）や準位Ｌ２から他の準位への遷移のレート（１／τ_２）を通じ、
という数式により記述される。ここで、「∝」はそれを挟む両辺が互いに線形の比例関係にあることを示す。この式の右辺はＢｏｓｅ−Ｅｉｎｓｔｅｉｎ統計に従うＬＯフォノンの放出割合である。つまり、ＬＯフォノンの周波数（角周波数ω_ＬＯ）を大きくすることができれば、結晶格子の温度（Ｔ_{ｌａｔｔｉｃｅ}）を大きくしても、１／τ_３１や１／τ_２を大きく保つことができる。このことは、ＬＯフォノンのエネルギーを高めれば高温での反転分布の形成や維持が容易になることを意味している。

以上のとおり、ＧａＮ系材料を選択することは、一つにはフォノンドメインのシフトによる未踏周波数の開拓のために、もう一つは高温動作への可能性の面において、有利といえる。

１−２．４量子井戸構造による実験的確認
上述した思想に基づき、本出願の発明者らはＴＨｚ−ＱＣＬを作製し動作の検討を重ねた。図３は、従来および本発明の実施形態におけるＴＨｚ−ＱＣＬの概略構造を示す斜視図である。ＴＨｚ−ＱＣＬ１００は、サファイア基板である基材１２に適当なバッファー層１４、１６を介し形成されたＧａＮ系材料の結晶を備える。ＧａＮ系材料の結晶は、コンタクト層２２（ｎ^＋ＡｌＧａＮ）、超格子構造３２、コンタクト層４２（ｎ^＋ＧａＮ）に大別される。コンタクト層２２、４２には、外部電圧を受けるための電極５２、５４がそれぞれ形成される。特に電極５４は、表面プラズモン導波路構造を形成するための金属積層体である。ＴＨｚ−ＱＣＬ１００全体がＧａＮ系材料ある場合、電極５４には例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕを採用する。

超格子構造３２は、ユニット３０２（単位構造）が多数（例えば１００周期分）繰り返し形成されている。ユニット３０２それぞれは、電子にポテンシャルのバリアおよびウェルをもたらすバリア層Ｂとウェル層Ｗをもつ。４量子井戸構造のＴＨｚ−ＱＣＬの場合、ユニット３０２の１つ当たりに４つのウェル層が配置され、ウェル層Ｗの間に位置するバリア層Ｂも４つ配置される。

図４に４量子井戸構造のＴＨｚ−ＱＣＬにおける電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す。超格子構造の設計の際に発振を期待していた準位対は準位Ｌ４およびＬ３であり、それぞれをレーザー上準位およびレーザー下準位のために動作させようとした。期待した発振周波数は準位Ｌ４およびＬ３のエネルギー値の差である３０ｍｅＶ（７．３ＴＨｚ）であった。準位Ｌ４およびＬ３において反転分布を得るため、準位Ｌ３と準位Ｌ２の間のエネルギー差は、ＧａＮ系材料の結晶が示すＬＯフォノンの値（９０ｍｅＶ）をわずかに超す１０２ｍｅＶの値に設定した。この条件が成立すれば、レーザー下準位である準位Ｌ３の電子が効率良く（素早く）準位Ｌ２によって引き抜かれる。準位Ｌ２およびＬ１は可能な限り同一のエネルギーをもつように、すなわち縮退させるように設定した。

しかし、観察された電磁波は、中心周波数が１．３７ＴＨｚ、ＦＷＨＭ（半値全幅）が１７０ＧＨｚ（０．７ｍｅＶ）と広い半値幅をともなう自然放出によるものであった。その自然放出が準位Ｌ２およびＬ１の間のエネルギー差５．３ｍｅＶ（１．３ＴＨｚ）に対応することも確認した。このことは、発振の周波数を意図通りにするには至っていないものの、設計通りのサブバンド構造がある程度は形成されたことを示している。なお、各厚みが設計に近い値となることは別途確認している。本願の発明者らは、図４に示すように準位Ｌ２およびＬ１がエネルギー差を示しエネルギー縮退が解ける理由は、ピエゾ電界のためであると考えている。ピエゾ電界が存在する場合に準位Ｌ２およびＬ１のエネルギーを縮退させることは設計上も容易ではない。なお、図４においてウェル層のポテンシャル底部およびバリア層のポテンシャル頂部に傾斜が見られるのがピエゾ電界の影響である。基材１２のためにサファイアのｃ軸配向基板など極性面を表面にもつものを利用すると、成長した結晶で材質が切り替わる界面での結晶格子のミスマッチのために残留する歪とピエゾ効果のために、材質毎に交番する向きの内部電界が生じる。

２．実施形態１
実施形態１では、上記知見を反映させて目的の発振周波数で動作する準位構造（サブバンド構造）を実現する。

２−１．下位準位発光型純粋３準位構造
上述した４量子井戸構造の実験における自然放出の動作は、周波数が意図したものではないものの、同時に、現実に自然放出による発光が得られた点において発光しやすい構造に関する直接的な知見を与える。すなわち、上記実験結果から、発光に直接関与する準位（レーザー上準位、レーザー下準位）を、各ウェル層におけるエネルギー値が低位の準位から選択することが有用といえる。また、実際の発光の上準位（図４、準位Ｌ２）に対しＬＯフォノン散乱により準位Ｌ３から電子が注入されることは、ＬＯフォノン散乱の有用性を示す。そこで、実施形態１では、
・意図しない準位間での発光を避けるために可能な限り準位数を減らすべく、より単純な構成である２量子井戸構造を採用する、
という思想に基づきサブバンド構造を設計する。さらに、最初の探求のために、
・発光の上下準位を各ウェル層における低位の準位に選ぶ
という追加の制約を課すこととする。これらを満たす実施形態１にて提案するサブバンド構造を、本出願において下位準位発光型純粋３準位構造と呼ぶ。当該サブバンド構造では、３つの準位が発光に直接・間接に関与する。

２−１−１．設計とＭＢＥ法で成膜したＴＨｚ−ＱＣＬによる実験的確認
本出願の実施形態１のために採用するＴＨｚ−ＱＣＬのサブバンド構造を図５に示す。図５（ａ）には、結晶を成長させる厚み方向の各位置における電子のポテンシャルの変化が折れ線により示されている。図５（ａ）のグラフ上軸にはバリア層Ｂ１、Ｂ２、ウェル層Ｗ１、Ｗ２の範囲を示している。本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬのユニット３０２は互いに厚みが異なるウェル層Ｗ１、Ｗ２と、それらを互いに区切るバリア層Ｂ１、Ｂ２をもつ。より詳細には、バリア層Ｂ１、ウェル層Ｗ１、バリア層Ｂ２、およびウェル層Ｗ２がこの順に配置される。図５に示されたサブバンド構造は超格子構造３２内部に形成される。このサブバンド構造は、ウェル層Ｗ１、Ｗ２にＧａＮ、バリア層Ｂ１、Ｂ２にＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎを採用し、バリア層Ｂ１、ウェル層Ｗ１、バリア層Ｂ２、およびウェル層Ｗ２の順に１５、６０、１５、４０オングストローム（１．５、６．０、１．５、および４．０ｎｍ）の厚み構成とし、さらに適切なバイアス電界を印加することにより実現される。このように、実施形態１のＴＨｚ−ＱＣＬの超格子構造は、１周期（ユニット）当たり２つの量子井戸と２つの障壁層から構成される。なお、ＴＨｚ−ＱＣＬの構造はユニット３０２の内部を除き図４に示したＴＨｚ−ＱＣＬ１００と同様である。本出願では、特段断りのない場合、積層体をなす各層の厚みを、バリア層Ｂ１、ウェル層Ｗ１、バリア層Ｂ２…の順にスラッシュ（／）を間において示し、その数値の記載のみ単位をオングストロームで示すことがある。

電極５２、５４間に外部電圧を印加すると、超格子構造３２に形成される直流のバイアス電界によりポテンシャルが傾斜する。電子のサブバンド（準位）はその傾斜の影響を受ける。バイアス電界の下で各ユニット（単位構造）において電子が示すエネルギー準位構造は、準位Ｌ１、Ｌ３、およびＬ２をもつ。準位Ｌ１は、ウェル層Ｗ１に有意な電子の存在確率をもつ媒介準位である。準位Ｌ３はレーザー上準位である。準位Ｌ３は、準位Ｌ１のエネルギー値よりも低いエネルギー値をもち、準位Ｌ３と準位Ｌ１とのエネルギー差は、超格子構造３２をなす窒化物半導体の結晶の示すＬＯフォノンのエネルギー値以上に大きい。この準位Ｌ１と準位Ｌ３のエネルギー差については、後述する。この準位Ｌ３は、ウェル層Ｗ１に有意な電子の存在確率をもつ。準位Ｌ２はレーザー下準位であり、ウェル層Ｗ２に有意な電子の存在確率をもつ。

準位Ｌ３（レーザー上準位）から準位Ｌ２（レーザー下準位）に遷移する電子が誘導放出すれば、その電磁波の周波数が発振周波数となる。準位Ｌ３と準位Ｌ２とのエネルギー差は、本設計では２１．７ｍｅＶであるため、それに応じた５．３７ＴＨｚが設計上の発振周波数である。超格子構造をなす窒化物半導体がＧａＮ系の材質であれば、ＬＯフォノンのエネルギー値は、電磁波の光子エネルギーよりも大きい約９０ｍｅＶである。

下位準位発光型純粋３準位構造での電子に生じる現象は、発光、共鳴トンネリング（ＲＴ）、ＬＯフォノン散乱の順となる。ＬＯフォノン散乱は、ＲＴとともに、発光に関与する準位対（準位Ｌ３、Ｌ２）の間に準位Ｌ１を媒介し反転分布を形成することに役立つ。これまでの通常の設計では、発光に関与する準位対において、一方の上準位に対する電子の注入効率を高める準位（注入準位等と呼ばれる）と、他方の下準位から電子を引き抜く動作をする準位（引き抜き準位等と呼ばれる）とを、上記準位対に追加して、かつ、互いに別々に設けることにより、反転分布を維持させる思想が主流である。この思想からみると、実施形態１における準位Ｌ１は、それ自体が、ＬＯフォノン散乱と、必要に応じＲＴを組合せた作用を果たすことによって、注入準位および引き抜き準位の両方の作用を同時にもたらす準位となっている。

図５（ｂ）には、理想的に動作する場合の電子の振る舞いを各ユニットの準位の種類のみに着目し１ユニット分に縮約した模式図も示す。ＴＨｚ−ＱＣＬの構造の超格子構造３２ではユニット３０２が繰り返し配置されることから、実際の動作における電子の遷移、輸送という現象の連なりにも周期性が現われる。複数のユニットを順次通過する過程で生じる現象は、一つのユニット内に含まれる準位同士をつなぐ電子の振る舞いにより表現することができる。下位準位発光型純粋３準位構造では、準位Ｌ３、Ｌ２がそれぞれレーザー上準位、レーザー下準位となるため、準位Ｌ３の電子は放射を伴いつつ準位Ｌ２に遷移する。準位Ｌ２の電子は共鳴トンネリングにより準位Ｌ１に輸送される。準位Ｌ１は上述した媒介準位となる。準位Ｌ１の電子は、下流側のユニットの準位Ｌ３に向けＬＯフォノン散乱により素早く遷移する。この様子は、図５（ａ）では順次に流れる矢印の連なりにより示され、図５（ｂ）では、準位をつなぐ矢印のなすループにより１ユニット分に縮約して表現される。

特に、実施形態１において電子輸送および発光に寄与する波動関数の数は、考えうる最小値といえる３である。この意味で、実施形態１のＴＨｚ−ＱＣＬ素子におけるサブバンド構造を純粋３準位系と呼ぶことができる。また、電子輸送および発光に寄与するいずれの波動関数も、いずれか１以上のウェル層に有意な値をもつ。このため準位Ｌ２から準位Ｌ１への遷移はＬＯフォノン散乱による高いレートでの遷移を期待することから、準位Ｌ１と準位Ｌ２間のエネルギー差は９０ｍｅＶ以上で、可能な限り９０ｍｅＶに近くなるように設定される。また、図５のバイアス電界の向きは、ウェル層（ＧａＮ層）の正分極方向に向くように印加される。

ここで、準位Ｌ３に電子を注入する準位は準位Ｌ１のみとなり、準位Ｌ２から電子を引き抜く役割をする準位も準位Ｌ１のみとなる。図５（ｂ）に示したように、電子の振る舞いは、注入され、放射の遷移をし、そして引き抜かれる、という順である。注入は、ＬＯフォノン散乱による間接注入である。放射の遷移は、遷移の前後で電子の位置（実空間での重心）が大きく移動する対角遷移（diagonal transition）である。また、引き抜きは、電子の共鳴トンネリングを介して得られる。この引き抜きには、共鳴トンネリングの直後のＬＯフォノンによる散乱も実質的に関与する。つまり、媒介準位となる準位Ｌ１は、ＬＯフォノン散乱により反転分布の形成のための注入と引き抜きの双方に関与することから、これら２つの役割を兼ね備えているといえる。ただし、準位Ｌ１に関し、注入は同一のウェル層Ｗ１に同様に有意な存在確率をもつ準位Ｌ３へ移る電子を対象とするのに対し、引き抜きは、上流側のユニットのウェル層Ｗ２に有意な存在確率をもつ準位Ｌ２からの電子を対象とする。

つまり、動作のためのバイアス電界の下で電子の振る舞いを追跡すると、各ユニットにおける媒介準位である準位Ｌ１の電子が、ＬＯフォノンにより散乱されてレーザー上準位である準位Ｌ３に遷移する。準位Ｌ３の電子は、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際に、電磁波を放出する。その際に、準位Ｌ３と準位Ｌ２のエネルギー差に相当する光子エネルギーの電磁波を放出する。準位Ｌ２の電子は、下流側の別のユニットのバリア層Ｂ１を共鳴トンネル伝導により通りぬけ、その下流側のユニットの準位Ｌ１へ輸送される。

さらに、準位Ｌ３〜Ｌ１間の電子密度を計算した。計算は、自己無撞着レート方程式を使用し、電子−電子散乱と、電子−ＬＯフォノン散乱を考慮した。この際、バルクＬＯフォノン近似を採用した。パラメータは、温度２０Ｋ、シートキャリア電子密度Ｎ_Ｓが６．４×１０^１０ｃｍ^−２である。その結果、準位Ｌ３〜Ｌ１について電子占有数は、表１の値となった。
こうしてレーザー上準位およびレーザー下準位となると期待される準位Ｌ３およびＬ２の間には反転分布が実現しうることを計算により確認した。

続けて、バイアス電界強度に対する準位間のエネルギー差と、ダイポールモーメントを算出した（図６）。発振が生じるのは、（１）Ｅ_２１が０ｍｅＶに近くなり、（２）Ｅ_１３がＬＯフォノンのエネルギー値（９０ｍｅＶ）以上であり、（３）ダイポールモーメントＺ_２１が極大となる、という条件を満たすバイアス電界である。図６から、これらの条件は、１００〜１１０ｋＶ／ｃｍ付近で満たされている。そして図５に示していたとおりこのバイアス電界において約５．４ＴＨｚでの発振動作を期待することができる。

本願の発明者らは、このように設計したＴＨｚ−ＱＣＬを実際に作製した。成膜には超格子構造３２についてＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）とＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を採用した。まずＭＢＥ法によるＴＨｚ−ＱＣＬを説明する。作製したＴＨｚ−ＱＣＬの全体の構成は、図３に示した構成と同様であるものの、超格子構造３２のユニット３０２内における層構成は、図５のサブバンド構造となるように作製した。結晶性や構造特性を良好にしつつ超格子構造において正確な厚みの層を多周期にわたり形成することにより、設計に極めて近い構造のＴＨｚ−ＱＣＬを実際に作製した。

具体的には、基材１２（図３）には、ｃ軸配向したサファイア基板を用い、成長方向の極性はＩＩＩ族極性とした。基板上にバッファー層１４、１６を形成するためにはＭＯＣＶＤ法を採用し、ＡｌＮ層およびＡｌＧａＮ層を形成した。バッファー層１４であるＡｌＮ層は、バッファー層１６を結晶成長させるためのテンプレートとなり、バッファー層１６であるＡｌＧａＮ層は、コンタクト層２２、超格子構造３２、コンタクト層４２となるＧａＮ系材料の結晶を結晶成長させるためのテンプレートとした。超格子構造３２のウェル層Ｗ１、Ｗ２の材料にはＧａＮを、バリア層Ｂ１、Ｂ２の材料にはＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎをそれぞれ採用した。つまり、バリア層ＢのＡｌＧａＮのＡｌ組成比は図５の通り０．２とした。超格子構造３２を挟んでいるコンタクト層２２、４２には、バリア層の組成とドーピング成分を除いて同じＡｌＧａＮ、およびＧａＮとした。コンタクト層２２、４２のＳｉドーピング量は１×１０^１８ｃｍ^−３以上とした。表面プラズモン導波路構造のために、電極５４の電極材料には、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕを用いた。

サファイア基板である基材１２にＭＯＣＶＤにより成長させるバッファー層１４、バッファー層１６（ＡｌＮ＋ＡｌＧａＮテンプレート）のうち、ＡｌＮはパルス交互供給法を採用して良質なテンプレートを形成した。パルス交互供給法は、第１に、ＡｌＮの微少結晶を成長させる工程を行い、第２に、結晶核の間を埋める埋込工程を行なう。これらの工程は、Ａｌ材料ガス（ＴＭＡｌ（ｔｒｉ−ｍｅｔｈｙｌ−ａｌｕｍｉｎｕｍ））が連続供給され、アンモニアガスがパルス供給されて実施される。埋込工程では、横方向への成長が強められる横エンハンス成長が採用される。さらに第３に、成長速度を稼ぐ連続供給縦高速成長と、横エンハンス成長との交互の成長が行なわれる。連続供給縦高速成長は、平坦化とクラックの抑制に効果がある。これに対し、横エンハンス成長は、形成済みの結晶核の結晶に対しコヒーレントに横方向（面内方向、無極性方向）に結晶成長しやすい条件であり、貫通転位密度を減少させる効果を持つ。結晶成長条件は、主として原料ガスのうちＶ族元素のためのガス（アンモニア）とＩＩＩ族元素のためのガス（ＴＭＡｌ）の供給比率により調整される。第３の成長速度を稼ぐ連続供給縦高速成長と、横エンハンス成長との交互の成長は、必要に応じ繰り返される。

超格子構造３２の結晶成長におけるＭＢＥ法は、高周波分子線エピタキシー法（ＲＦ−ＭＢＥ法）に分類される手法の一つとして本願の発明者らが開発してきたＤＥＴＡ法（Droplet Elimination through Thermal Annealing technique）を採用した。ＤＥＴＡ法は、ヘテロ材料を作製する際のための成膜手法であり、例えば非特許文献４にて本願の発明者らが開示している。すなわち、ＩＩＩ族窒化物半導体のＲＦ−ＭＢＥ成長においては、ＩＩＩ族（Ｇａ、Ａｌ）元素とＶ族（Ｎ）元素の原料供給比（ＩＩＩ／Ｖ比）を、ＩＩＩ／Ｖ比＞１という条件とすることにより、平坦で高品質な膜が形成される。ところが、ＩＩＩ族元素が潤沢に存在する条件（ＩＩＩ族リッチ条件）では成長中の表面にＩＩＩ族材料の液滴が析出することにより成長が阻害される。ＤＥＴＡ法では、ある成長温度（例えば基板温度で８２０℃）でのＩＩＩ族リッチ条件による成長の後、成長温度から有意に温度を上昇させ、基板温度を例えば９００℃とする。すると、成長温度付近での平衡蒸気圧が、（Ｇａ（またはＡｌ）の蒸気圧）＞（ＧａＮ（ＡｌＮ）の蒸気圧）という関係があるため、形成された膜に影響を与えずにＩＩＩ族材料の液滴のみを揮発させて除去することができる。再び成長温度に戻して成膜を再開することにより、液滴の影響を十分に抑制しながらＲＦ−ＭＢＥによる成長を継続することができる。液滴の除去の頻度は適宜決定することができ、例えば１０ユニット分の成長毎に液滴を除去することができる。液滴の除去のための基板の昇温は、反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）の強度が回復する程度の時間とすることができる。ＤＥＴＡ法では、それ以前の手法（窒素照射法）に比べ、膜厚を正確に制御することができ、超格子構造のユニット数を増大させても周期性がより良好に維持され、成長途中における結晶欠陥（波状転位、混合転位）を抑制することもできる。

さらに、電極５２、５４のオーミック接触抵抗を低減するため、４５０℃以上の温度で３０秒以上のアニールを行った。リッジ構造の作製にはＣｌ（塩素）系ＩＣＰドライエッチングを用いた。電極５４のパターン金属にはＮｉを用いた。デバイスサイズへの加工は基板へきかいを実施するため、サファイア基板は２００ミクロン以下に薄膜化する必要がある。このため基材１２は１５０ミクロン以下とした。

図７に、作製したＴＨｚ−ＱＣＬサンプルの特性測定例を示す。サンプルの量子カスケード構造の周期数は１００ユニット、６０オングストローム膜厚のＧａＮ量子井戸におけるＳｉドーピング量は、５×１０^１７ｃｍ^−３であった。素子サイズは、共振長１．１４３ｍｍ、リッジ幅１００μｍであった。測定条件は、駆動繰り返し周波数１２２Ｈｚ（パルス幅２００ｎｓ）とし、測定温度は５．６Ｋであった。測定には、測定素子（シリコンボロメータ）を用いた。結果、外部電圧が１４．５〜１６．５Ｖ付近においてほぼ設計通りに約５．５ＴＨｚでの発振スペクトルが観察された。この発振スペクトルは、半値幅が１１〜１３ＧＨｚ付近であり、測定に使用したＦＴＩＲ装置の分解能（７．５ＧＨｚ）にほぼ匹敵し、実質的に単色電磁波が放出された。また、Ｉ−Ｖカーブから、電磁波放出が得られた付近では、わずかながら閾値動作が確認された。閾値電流密度は１．７５〜２．５ｋＡ／ｃｍ^−２であった。このことから、作製したＴＨｚ−ＱＣＬサンプルでは、誘導放出が実現したものと考えている。なお、これらと同様の特性は複数のサンプルにおいて観察された。

図５に示した下位準位発光型純粋３準位構造のサブバンド構造をもつようにした別のＴＨｚ−ＱＣＬサンプル（追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプル）では、出力が偏光を示すこと、および、より高温で動作することが測定された。追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプルは、超格子構造３２の６０オングストローム膜厚のＧａＮ量子井戸（図５）におけるＳｉドーピング量を１×１０^１８ｃｍ^−３とした以外は図７の結果を得た上述のサンプルと同様に作製した。そしてパルス幅２００ｎｓ、繰り返し周波数９８０Ｈｚのパルス駆動でほぼ設計通りの５．７６ＴＨｚの半値幅が十分に狭い出力が生成されることを確認した。そしてその出力の強度を、ワイヤーグリッド偏光素子を透過させながら測定したところ、図３０のように偏光素子角度の１８０°で一回正弦波振動する依存性が観測された。その際に使用したワイヤーグリッド偏光素子は９６％の偏光度を持つものであり、出力強度の測定システムはTsurupica集光レンズ、シリコンボロメーター、およびロックイン増幅器を使用する十分なＳ／Ｎ比をもつものである。こうして得られた正弦波振動から、追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプルから放射される出力が９２％以上の偏光度を示すＴＭ偏光であることが確認された。これは、出力がサブバンド間遷移によるレーザー発振によるものであることを示している。さらに追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプルを用い温度を変更した測定を行った。パルス幅２００ｎｓ、繰り返し周波数９８５Ｈｚのパルス駆動で、図３１に示されるように、６．５、２４、３０、および４０Ｋの各温度でレーザー発振が実測された。図３２はこの追加のＴＨｚ−ＱＣＬサンプルの各温度での発振閾値Ｊ_ｔｈを示しており、６．５Ｋおよび４０Ｋでそれぞれ、１．９３および２．３７ｋＡｃｍ^−２であった。この発振閾値の温度変化はグラフ中に示した数式によりフィッティングされ、特性温度Ｔ_０は７．０Ｋであった。以上のようにして、ＭＢＥにより超格子構造３２を形成した本実施形態の下位準位発光型純粋３準位構造のＴＨｚ−ＱＣＬによって５．２ＴＨｚを越え１２ＴＨｚ以下の未踏周波数域のレーザー発振動作が実現された。

２−１−２．ＭＯＣＶＤ法で成膜したＴＨｚ−ＱＣＬによる実験的確認
さらに、成膜手法にＭＯＣＶＤ法を採用し実験的確認も行なった。まずＭＯＣＶＤ法に合わせ超格子構造を再度設計した。図８は、ＭＯＣＶＤにより作製したＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すグラフである。また、図９は、ＭＯＣＶＤにより作製したＴＨｚ−ＱＣＬにおいて、バイアス電界強度に対するサブバンド間のエネルギー差（図９（ａ））と、ダイポールモーメント（図９（ｂ））とのグラフである。図８、９の結果は、ＭＯＣＶＤ法のためのバリア層の材質においても、６．９ＴＨｚ付近で発振を期待しうるＴＨｚ−ＱＣＬの作製には特段支障はないことを示している。つまり、Ｅ_２１が０付近の値とバイアス電界（９０〜９５ｋＶ／ｃｍ）において、Ｅ_３１は材質のＬＯフォノンのエネルギー値である９０ｍｅＶを超えており、ダイポールモーメントＺ２１はほぼ変化しないながらも極大となる。実験的側面では、ＭＯＣＶＤ法ではＭＢＥ法とは成膜特性が異なることを確認した。この成膜特性の違いについては後述する。

ＭＯＣＶＤ法により作製したＴＨｚ−ＱＣＬの特性を図１０に示す。サンプルの量子カスケード構造の周期数は２００ユニット、６０オングストローム膜厚のＧａＮ井戸層（Ｗ１）におけるＳｉドーピング量はドーピングガス流量で０．００９ｓｃｃｍであった。素子サイズは、共振長１．１３８ｍｍ、リッジ幅１００μｍとした。測定条件は、駆動繰り返し周波数１２２Ｈｚ（パルス幅２００ｎｓ）とし、測定温度は５．２Ｋであった。測定は、測定素子（シリコンボロメータ）を用いた。２００ユニットの周期を形成したサンプルとしたのは、ＭＯＣＶＤ法ではＭＢＥよりも厚く積層しても良好な結晶を成長させうるためである。図１０から、ＭＯＣＶＤ法により作製したＴＨｚ−ＱＣＬにおいても発振動作が確認された。発振周波数は、設計値（６．８８ＴＨｚ）に対し、６．７１〜６．９７ＴＨｚ程度であった。またスペクトル線幅は８．９ＧＨｚであり、測定に使用したＦＴＩＲ装置の分解能（７．５ＧＨｚ）にほぼ匹敵した。また、Ｉ−Ｖカーブから、電磁波放出が得られた付近では、わずかながら閾値動作が確認された。閾値電流密度は０．８５ｋＡ／ｃｍ^２であった。

２−１−３．ＴＨｚ−ＱＣＬにおける未踏周波数の実験による開拓
上述したように、ＭＢＥ法とＭＯＣＶＤ法という別々の成膜手法で作製したＴＨｚ−ＱＣＬにより、未踏周波数であった５〜１２ＴＨｚ（正確には、５．２ＴＨｚを超え１２ＴＨｚ以下）のうち、５．４７ＴＨｚと、５．７６ＴＨｚ、６．９７ＴＨｚでの発振が初めて実験により確認された。図１１に発振が実証された動作条件を示す。図１１にプロットした点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、それぞれ、未踏周波数領域において本実施形態において実験的に確認された新たな発振周波数および最高動作温度を示している。

ここで、超格子構造３２について採用したＭＢＥ法とＭＯＣＶＤ法とを対比して説明する。ＭＢＥ法とＭＯＣＶＤ法とで超格子構造３２を作製した場合には、作製方法に起因して、成膜特性に違いが生じる。相異がみられる成膜特性は、結晶成長の制御性や結晶品質である。図１２、図１３、および図１４は、いずれも成長させた超格子構造についてＭＢＥ法とＭＯＣＶＤ法とを対比して示す図面およびグラフであり、順に、断面ＴＥＭ像、Ｘ線回折像、およびＸ線回折の逆格子空間へのマッピング像である。図１３では、厚みをパラメータにしてフィッティングした計算値のグラフも重ねて示す。なお、断面ＴＥＭ像（図１２）については、本実施形態において作製したサンプルのものではなく、別の設計であるが本実施形態と同様の材質でそれぞれの成膜法で作製した別の超格子構造を撮影した画像である。これらの顕微鏡像は、本実施形態の超格子構造の成膜においても、同様の傾向が観察されたことを例証するために示す。

図１２に例示されるように、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの超格子構造の材質の切り替わりすなわち界面のシャープさについては、ＭＢＥ法では１ＭＬ（モノレイヤー）程度となるのに対し、ＭＯＣＶＤ法では、わずかに大きく２ＭＬ程度となる。つまり、界面のシャープの点でＭＢＥ法はＭＯＣＶＤ法に優る。図１３では、ＭＢＥ法およびＭＯＣＶＤ法のそれぞれで作製したサンプルについて、Ｘ線回折測定結果と、計算とのフィッティングの結果を示す。実際に得られた膜厚は、実験により取得された回折像のピーク角度を説明しうるように計算によるグラフをフィッティングさせることにより求められ、ＭＢＥ法およびＭＯＣＶＤ法で、それぞれ、１％程度および４％程度だけ設計値（ターゲット）から変位したのみである。ＭＢＥ法およびＭＯＣＶＤ法のそれぞれで双方とも設計値に十分に近い膜厚での成膜が可能なことが確認された。そして図１４に示されるように、超格子構造における結晶品質（結晶欠陥の少なさ）は、ＭＯＣＶＤ法がＭＢＥ法に比べ良好である。具体的には、図１４に示した測定例では、（１０５）面ＱＣＬ０次のピークに見られるｏｍｅｇａ半値幅は、ＭＢＥ法が１１０３ｓｅｃ^−１であったのに対し、ＭＯＣＶＤ法が２６０ｓｅｃ^−１であった。このことは、ＭＯＣＶＤ法により作製したサンプルは、ＭＢＥ法のものに比べ、ａ軸（横軸）の広がりが小さく、結晶面のモザイク性・緩和性が小さいことを示している。この結晶品質の点では、ＭＯＣＶＤ法は相対的にＭＢＥ法に優っているといえる。全転位密度の値は、ＭＢＥ法では１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−２程度、ＭＯＣＶＤ法では２．２×１０^９ｃｍ^−２程度であった。ちなみに、ＡｌＮテンプレートの値は２．６×１０^９ｃｍ^−２であった。ＭＢＥ法とＭＯＣＶＤ法のいずれにより形成した超格子構造においてもレーザー発振動作が確認されたものの、ここに示したような成膜特性の違いが存在している。

２−１−４．下位準位発光型純粋３準位構造による未踏周波数域での発振可能性
つぎに、理論的設計により、下位準位発光型純粋３準位構造により未踏周波数領域にて発振可能な−ＱＣＬの実現可能性を探索した。図１５は、発振周波数を理論計算により調査した結果を示す特性図であり、ＴＨｚ−ＱＣＬの設計パラメータであるバリア高さに影響する組成比およびウェル層厚みを変化させたもの（図１５（ａ））、およびバイアス電界およびウェル層厚みを変化させたもの（図１５（ｂ））である。縦軸の発振周波数は、準位Ｌ３とＬ２のエネルギー差の周波数をプロットしている。この計算では、２つのＧａＮウェル層の厚みを、相対比を２：３に保ち変化させた。そして、厚みの各値に対して、バリア高さに影響するＡｌ組成を変化させ、発振周波数をプロットしたのが図１５（ａ）である。各条件では、外部電圧によるバイアス電界強度（「External electric field」の軸）に対し発振周波数をプロットしたのが図１５（ｂ）である。その結果、未踏周波数域である５〜１２ＴＨｚの領域において発振が可能であることが確認された。

この結果から下位準位発光型純粋３準位構造での設計における指針を導くことができる。まず、上述したウェル層の厚みを小さくすると発光エネルギーが増加する。また、バリア層のＡｌ組成を小さくする（バリア高さを低くする）と発光エネルギーが増加し、高周波化することができる。この際、Ａｌ組成の下限は、媒介準位（図５、図８の準位Ｌ１）がウェル層Ｗ１に束縛されなくなるか、または、媒介準位とレーザー上準位との間のエネルギー差がＬＯフォノンエネルギーを下回るか、のいずれかにより決まる。これに対しＡｌ組成の上限は、発光周波数が５ＴＨｚ以下になることにより定まる。バイアス電界については、大きくすると発光エネルギーが減少する。ウェル層の厚みを小さくすると、発振させるために必要なバイアス電界の値が大きくなる。

このように、実施形態１の思想に基づき５〜１２ＴＨｚの未踏波周波数域に発振周波数をもつＴＨｚ−ＱＣＬの設計が可能であることを理論計算により確認し、その際の設計指針を確立した。

なお、ここに示した設計指針も特定の仮定の下で確立したものである。発振周波数を変更するためには、発振周波数に合せた層構造を採用し、かつ適切な外部電圧を印加しバイアス電界を調整する必要があることは、確認できる。その層構造は、実施形態１における設計指針の調査では、ウェル層の厚みとバリア層のＡｌＧａＮ中のＡｌＮ組成比率の変更により調整されている。これら以外の変更可能なパラメータは、ウェル層の厚み比率、バリア層の厚み比率や、バリア層毎のアルミニウム比率を含んでいる。層構造に影響を与える上記パラメータは、成膜方式の選択や、成膜条件（材質等）の調整により容易に変更することができる。

２−１−５．下位準位発光型純粋３準位構造の別の材料系への適用
本実施形態の下位準位発光型純粋３準位構造はＧａＮ系の別の材料にも適用することができる。特に、ＧａＮ系材料のＧａＮとＩｎＧａＮとを採用し、バリア層／ウェル層をＧａＮ／ＩｎＧａＮとする構造では、成膜の基材のためにＧａＮを利用することができ有利である。図１６は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すグラフであり、６ＴＨｚ付近で発振する構成（図１６（ａ））と１０ＴＨｚ付近で発振する構成（図１６（ｂ））である。また、図１７はＧａＮ／ＩｎＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬのバリア高さに影響するＩｎ組成比に対する発振周波数の変化を示すグラフである。

図１６および図１７に示されるように、バリア層およびウェル層の材質を、それぞれＧａＮおよびＩｎＧａＮとする構成でも、下位準位発光型純粋３準位構造により未踏波周波数域の一部と重複する４〜９．５ＴＨｚの領域に発振周波数をもつＴＨｚ−ＱＣＬを作製することができる。

２−１−６．下位準位発光型純粋３準位構造の無極性基板への適用
上述した説明において、ＧａＮ系材料の超格子構造の内部に、基材の極性面を成長面に選び結晶成長させた場合に生じるピエゾ電界が発現する構成を説明した。本実施形態の下位準位発光型純粋３準位構造は、ピエゾ電界を伴わない構成、すなわち基材の無極性面を成長面に選び結晶成長させた場合にも適用することができる。無極性面を表面にもつ基材（無極性基板）を使用するＴＨｚ−ＱＣＬは、バリア層／ウェル層をＡｌＧａＮ／ＧａＮとする材料構成でも、また、ＧａＮ／ＩｎＧａＮとする材料構成でも作製することができる。図１８はＡｌＮ基板の無極性面上に形成されるＡｌＧａＮ／ＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すグラフである。１０ＴＨｚ付近で発振する構成（図１８（ａ））と７．５ＴＨｚ付近で発振する構成（図１８（ｂ））である。また、図１９はＡｌＮ基板の無極性面上に形成されるＡｌＧａＮ／ＧａＮの材質を採用するＴＨｚ−ＱＣＬのバリア高さに影響するＡｌ組成比に対する発振周波数の変化を示すグラフである。さらに、図２０、図２１は、これらと同様のグラフをＧａＮ基板の無極性面上に形成されるＧａＮ／ＩｎＧａＮの材質を採用する場合について示すものである。

なお、バリア層およびウェル層の材質をそれぞれＡｌＧａＮおよびＧａＮとする材料構成での無極性基板の例はｍ面を表面とするＡｌＮ基板であり、バリア層およびウェル層をＧａＮおよびＩｎＧａＮとする材料構成での無極性基板の例は、ｍ面を表面とするＧａＮ基板である。

図１７および図１９に示すように、無極性基板を使用する構成でも、下位準位発光型純粋３準位構造により未踏波周波数域の一部と重複する７．５〜１０．５ＴＨｚ（ＡｌＧａＮ／ＧａＮの場合）および９．５〜１２ＴＨｚ（ＧａＮ／ＩｎＧａＮの場合）のいずれかに発振周波数をもつＴＨｚ−ＱＣＬを作製することができる。

２−２．上位準位発光型純粋３準位構造
実験的および理論的に動作や設計の細部を説明した下位準位発光型純粋３準位構造の思想は、別の発光型純粋３準位構造に適用することができる。１２〜１９．５ＴＨｚの発振周波数が得られると理論的に予測されるＴＨｚ−ＱＣＬの構成の一つとして、上位準位発光型純粋３準位構造と呼ぶものも提供される。図２２は、上位準位発光型純粋３準位構造において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すグラフであり、図２３はバリア高さに影響する組成比（図２３（ａ））、およびバイアス電界（図２３（ｂ））のそれぞれに対する発振周波数の変化を示すグラフである。

図２２では、レーザー上準位およびレーザー下準位がそれぞれ準位Ｌ３およびＬ２である。ただし、図５、図８に示した下位準位発光型純粋３準位構造とは異なり、レーザー下準位である準位Ｌ３が有意な存在確率をもつウェル層Ｗ１には、より低いエネルギー値をもつ別の準位Ｌ１も有意な存在確率をもつ。下流（図２２において紙面右方向）の別のユニットの準位Ｌ３もウェル層Ｗ１に有意な存在確率をもつ。上位準位発光型純粋３準位構造では、準位Ｌ１がＬＯフォノン散乱により準位Ｌ２から電子を引き抜く。準位Ｌ１と下流のユニットの準位Ｌ３との間ではＲＴにより電子が輸送される。つまり、上位準位発光型純粋３準位構造は、電子の振る舞いが、発光、ＬＯフォノン散乱、ＲＴの順となる点で、下位準位発光型純粋３準位構造（発光、ＲＴ、ＬＯフォノン散乱の順、図５（ｂ））と相異する。したがって、上位準位発光型純粋３準位構造は、意図しない準位間での発光を避けるためにより単純な構成である２量子井戸構造を採用し可能な限り準位数を減らす、との思想に則っているものの、発光の上下準位を各ウェル層における低位の準位に選ぶ、という下位準位発光型純粋３準位構造で採用した制約を外したもの、といえる。

図２３に示すように、上位準位発光型純粋３準位構造でＧａＮ系材料のＴＨｚ−ＱＣＬを作製した場合には、１２〜１９．５ＴＨｚという広範な周波数域での発振可能性が期待できる。この周波数域は未踏周波数域からは外れるものの、ＧａＮ系材料のＬＯフォノンエネルギー（９０ｍｅＶ、２２ＴＨｚ）の高さを活かした発振周波数の拡張が達成される点で有用である。

上位準位発光型純粋３準位構造は１２ＴＨｚ以上の周波数の動作のみに適用されるものではない。図２４、図２５により、７〜１０．５ＴＨｚの領域に発振周波数が得られる構成を示す。すなわち、上位準位発光型純粋３準位構造では、図２２、図２３に示したものと比べウェル層の厚みが薄い層構造を採用することにより、７〜１０．５ＴＨｚの領域に発振周波数をもつＴＨｚ−ＱＣＬを作製することが可能である。またウェル層の厚みは成膜条件で変更可能なため、膜構造の設計をわずかに変更するのみで、１０．５〜１２ＴＨｚの周波数領域をカバーするＴＨｚ−ＱＣＬを作製することができる。

３．実施形態２
上述した実施形態１においては、下位準位発光型、または上位準位発光型の純粋３準位構造を説明した。そこでは単純な構成である２量子井戸構造を採用し発光に関与する準位を３つに限定していた。しかし、適切な設計がなされ、かつ設計通りに作製できる精度が確保できるなら、単純さを犠牲にすることと引き替えに、より高度な構造を採用することも不可能ではない。その際の高度化では、反転分布の確実性を高めることが指向される。本出願の実施形態２では、実施形態１にて媒介準位の作用に関連して説明した電子の輸送、引き抜きという別々の準位を対象とする別々の作用を、それぞれ専用の準位に分担させる。準位が１つ増加することから、このサブバンド構造を純粋４準位構造と呼ぶ。純粋４準位構造を実現するためには、ユニット中の量子井戸を１つ増加させて、３量子井戸の構造を採用する。

図２６は、６ＴＨｚ付近の発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフである。レーザー上準位およびレーザー下準位は、それぞれ準位Ｌ３およびＬ２である。これらの準位による発振周波数は６．５３ＴＨｚと予測される。準位Ｌ２は有意な存在確率をウェル層Ｗ３にもつ。そのウェル層Ｗ３には、準位Ｌ２よりも下方に、準位Ｌ１も有意な存在確率をもつ。この準位Ｌ１は、準位Ｌ２からＬＯフォノン散乱により電子を引き抜く準位となる。ここまでの説明は、上位準位発光型純粋３準位構造について図２２を参照した説明と同様である。純粋４準位構造では、図２６に示すように、レーザー上準位である準位Ｌ３のさらに上方に、準位Ｌ４が形成される。準位Ｌ４は、有意な存在確率をウェル層Ｗ１にもち、準位Ｌ３に対しＬＯフォノン散乱により電子を輸送する輸送準位の役割を果たす。図２６（ｂ）には電子の振る舞いを縮約して図示している。

動作のためのバイアス電界の下で、各ユニットにおける輸送準位である準位Ｌ４の電子は、ＬＯフォノンによって散乱されて準位Ｌ３に遷移する。準位Ｌ３の電子は、誘導放出により準位Ｌ２に遷移する。その際に、準位Ｌ３と準位Ｌ２のエネルギー差に相当する光子エネルギーの電磁波を放出する。準位Ｌ２の電子は、ＬＯフォノンによって散乱されて準位Ｌ１に遷移する。そして準位Ｌ１の電子は、下流側にて隣接する別のユニットのバリア層Ｂ１を共鳴トンネル伝導で通りぬけ、その下流側のユニットの準位Ｌ１へ輸送される。

４．実施形態３
上述した実施形態１、２に加え、さらなる複雑化と引き替えに反転分布の確実性を高めるための一層高度な構造を採用することも有用である。実施形態３では、実施形態２（純粋４準位構造）にて説明した輸送準位および引き抜き準位に加え、輸送準位とレーザー上準位との間に注入準位と呼ぶ準位を形成させる。この超格子構造の構成は、実施形態２と類似の３量子井戸の構造であり、間接注入促進型と呼ぶ。実施形態３ではこの間接注入促進型を採用する。

図２７は、６ＴＨｚ付近の発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示す計算結果のグラフである。レーザー上準位およびレーザー下準位は、それぞれ準位Ｌ３およびＬ２である。これらの準位による発振周波数は６．０ＴＨｚと予測される。準位Ｌ２、準位Ｌ１の関係および互いの作用は、実施形態２（純粋４準位構造）と同様である。実施形態３では、準位Ｌ５と準位Ｌ３の間に準位Ｌ４が介在する。準位Ｌ４は、レーザー上準位である準位Ｌ２と同様にウェル層Ｗ２に有意な存在確率をもつ。このため、実施形態３の間接注入促進型では、準位Ｌ４が、準位Ｌ３に対しＬＯフォノン散乱により電子を注入する注入準位の役割を果たす。準位Ｌ４と準位Ｌ３の重なり積分は、実施形態２の場合よりも大きくすることが可能であるため、レーザー上位準位となる準位Ｌ３への注入効率を大幅に向上させることができる。すなわち、実施形態３の間接注入促進型は、実施形態２におけるウェル層Ｗ２内に存在する波動関数（図２６にて点線で記していたもの）を、ウェル層Ｗ１内に有意な存在確率を持つ準位（図２６において準位Ｌ４、図２７において準位Ｌ５）と同等の高さに持ってきた（設計した）形態ともいえ、大幅に注入効率を上げられる構造となっている。なお、実施形態３における輸送準位は準位Ｌ５である。

実施形態３のＴＨｚ−ＱＣＬでは、動作のためのバイアス電界の下で、各ユニットにおける準位Ｌ５の電子は、バリア層Ｂ２を通りぬける共鳴トンネル伝導により、準位Ｌ４へ輸送される。準位Ｌ４の電子は、ＬＯフォノンによって散乱されて準位Ｌ３に遷移する。準位Ｌ３の電子は、誘導放出により準位Ｌ２へ遷移する。その際に、準位Ｌ３と準位Ｌ２のエネルギー差に相当する光子エネルギーの電磁波を放出する。準位Ｌ２の電子は、ＬＯフォノンによって散乱されて準位Ｌ１に遷移すると、準位Ｌ１の電子は、下流側の別のユニットのバリア層Ｂ１を共鳴トンネル伝導で通りぬけ、その下流側のユニットの準位Ｌ５へ輸送される。

５．純粋３準位系ＱＣＬによる低周波数の発振
上述した実施形態１の純粋３準位構造（下位準位発光型純粋３準位構造、２−１）における設計思想は、未踏周波数域といえない周波数のために採用することもできる。図２８は、純粋３準位系ＱＣＬを低周波で発振させる構成例についての計算結果のグラフであり、１．８〜４．３ＴＨｚの発振周波数が得られるＴＨｚ−ＱＣＬの構成において、電子に作用するポテンシャルの位置依存性と、各準位（各サブバンド）の波動関数から計算される電子の存在確率の分布とを示すものである。また、図２９はバリア高さに影響する組成比（図２９（ａ））、およびバイアス電界（図２９（ｂ））のそれぞれに対する発振周波数の変化を示すグラフである。１．８〜４．２ＴＨｚでの発振動作を実現するためにＧａＮ系材料を採用する場合であっても、ＬＯフォノンのエネルギー値が高いことは、高温での発振動作を実現するために役立つ。

６．知見の補足
未踏周波数域における発振動作を中心に、実験および理論計算の両面から説明した各実施形態を通じ、以下の知見も得られている。

６−１．結晶格子の極性面とバイアス電界
本発明の実施形態では、一般的説明である図２および無極性基板を利用する図１８〜２１を除き、基材の結晶格子の極性面に形成されピエゾ電界が生じる構成が説明されている。実験により発振動作を観察したＴＨｚ−ＱＣＬも同様である。これらすべての説明および実験は、外部電圧により伝導帯電子のポテンシャルに全体的傾斜を与えるバイアス電界の向きが、各ウェル層におけるポテンシャルの傾斜の向きを増大させる向きとなっている。この点、例えば特許文献１の開示のような従来の極性面を利用した超格子構造では、ポテンシャルの傾斜とバイアス電界の向きの上記関係は開示されていない。なお、バイアス電界の向きは、各ウェル層におけるポテンシャルの傾斜の向きを増大させる向きで設計されているものの、その逆向きのバイアス電界で動作させることも有利となりうる。例えば、高効率での発光を可能とする設計においては、各ウェル層におけるポテンシャルの傾斜の向きを減少させるバイアス電界の向きを採用することも可能である。

６−２．存在確率のピークとエネルギー値
一般に、あるウェル層がその中に有意な存在確率を持つ準位を複数収容する場合、それら準位のうち、当該ウェル層に存在確率のピークを１つのみもつ準位は、最低のエネルギー値またはそれと同等のエネルギー値を与える。また、当該ウェル層に存在確率のピークを２つもつ準位がある場合、その準位のエネルギーは、最低のエネルギー値またはそれと同等のエネルギー値に比べ、高いエネルギー値となる。この観点では、上述した各実施形態の説明をみると、レーザー上準位はどのケースでも存在確率のピークを一つのウェル層に２つ持つことはなく、１つのみである。つまり、レーザー上準位は、電子が高い確率で見出されるウェル層の最低のエネルギー値またはそれと同等のエネルギー値の準位となっている。

これに対しレーザー下準位の場合は具体的な準位構造に依存しており、必ずしも最低のエネルギー値またはそれと同等のエネルギー値をもつとは限らない。例えば下位準位発光型純粋３準位構造（２−１）では、レーザー下準位は、それが有意な存在確率をもつウェル層にピークを１つのみもち、そのウェル層の最低またはそれと同等のエネルギーを与えるといえる。これに対し、上位準位発光型純粋３準位構造（２−２）では、レーザー下準位は、それが有意な存在確率をもつウェル層にピークが２つ現われ、最低またはそれと同等のエネルギーとはならない。

このため、レーザー上準位が束縛されている同じウェル層にもし下位の準位が存在し有意な存在確率をもつと、反転分布を解消させるリークが生じかねない、という反転分布への悪影響は、上記各実施形態のサブバンド構造では防止されているといえる。なお、レーザー下準位は、同じウェル層に下位の準位が存在しても反転分布に悪影響はなく、もしその下位の準位がレーザー下準位から電子を引き抜く動作をするなら反転分布には好影響を及ぼす。

６−３．ウェル層の厚み
ウェル層の厚み、特にレーザー上準位およびレーザー下準位のそれぞれが有意な存在確率をもつウェル層の厚みのバランスは、上述したレーザー下準位が最低エネルギーの準位となるかどうかに依存する。下位準位発光型純粋３準位構造（２−１）では、レーザー上準位およびレーザー下準位が、厚いウェル層および薄いウェル層に、それぞれ位置する。この関係は上位準位発光型純粋３準位構造（２−２）では反転している。なお、この厚みの大小関係は、目的のエネルギー値や動作を各準位に実現させるために設計した結果であるため、材質やバイアス電界の値によっては成立しない可能性がある。

６−４．対角遷移
本出願のいずれの実施形態においても、レーザー上準位とレーザー下準位の間の遷移の関係は、両者の有意な存在確率をもつウェル層が別々となる関係である。このため、電子の重心が、レーザー上準位からレーザー下準位への遷移の際に移動する。このような遷移は対角遷移と呼ばれている。本出願のいずれの実施形態でも、レーザー上準位からレーザー下準位への遷移は対角遷移となっている。

以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、上述した説明に含まれるすべての文献にて開示される内容は、それらすべてをここに引用することにより、本明細書の一部をなすものとする。さらに、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた特許請求の範囲に含まれるものである。

本発明はＴＨｚの領域の電磁波源を使用する任意の装置に使用可能である。

１００ ＴＨｚ−ＱＣＬ
１２ 基材
１４ バッファー層（ＡｌＮ層）
１６ バッファー層（ＡｌＧａＮ層）
２２ コンタクト層（ｎ^＋ＡｌＧａＮ）
３２ 超格子構造
３０２ ユニット（単位構造）
Ｂ バリア層
Ｗ ウェル層
４２ コンタクト層（ｎ^＋ＧａＮ）
５２ 電極
５４ 電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ）

Claims (16)

1. 窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、
   該超格子構造が複数の単位構造を有しており、
   各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、および第２ウェル層をこの順に配置したものであり、
   外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、
   前記第１ウェル層および前記第２ウェル層の少なくともいずれかに有意な電子の存在確率をもつ媒介準位と、
   前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、
   前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位と
   を備えており、
   前記媒介準位のエネルギー値は、前記バイアス電界の下で、前記単位構造およびそれに隣接する別の単位構造のいずれかに属するレーザー上準位およびレーザー下準位のうち、いずれか一方の準位のエネルギー値に近接し、他方の準位のエネルギー値から、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に離れており、
   前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記バイアス電界の下で前記レーザー上準位から前記レーザー下準位に遷移する電子により誘導放出される電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、
   量子カスケードレーザー素子。
2. 前記バイアス電界の下で、
   前記媒介準位が前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつものであり、
   各単位構造における媒介準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されてレーザー上準位に遷移し、
   各単位構造におけるレーザー上準位の電子が、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際に前記電磁波を放出し、
   各単位構造におけるレーザー下準位の電子が、電子の下流側で隣接する別の単位構造の第１バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導により、当該別の単位構造の媒介準位へ輸送される
   ように動作する
   請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
3. 前記第１ウェル層が前記第２ウェル層の厚みより大きい厚みをもつものである、
   請求項２に記載の量子カスケードレーザー素子。
4. 前記超格子構造をなす窒化物半導体は、
   前記第１バリア層および前記第２バリア層がＡｌＧａＮであり、前記第１ウェル層および前記第２ウェル層がＧａＮである組合せ、または
   前記第１バリア層および前記第２バリア層がＧａＮであり、前記第１ウェル層および前記第２ウェル層がＩｎＧａＮである組合せ
   のいずれかである、
   請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
5. 前記電磁波の周波数が４．０〜１２ＴＨｚの範囲のいずれかである、
   請求項２に記載の量子カスケードレーザー素子。
6. 前記バイアス電界の下で、
   前記媒介準位が前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつものであり、
   各単位構造における電子の上流側で隣接する別の単位構造の媒介準位の電子が、第１バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導によりレーザー上準位に遷移し、
   各単位構造におけるレーザー上準位の電子が、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際に前記電磁波を放出し、
   各単位構造におけるレーザー下準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されて媒介準位へ遷移する
   ように動作する
   請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
7. 前記レーザー上準位から前記レーザー下準位に遷移する電子により誘導放出される電磁波の周波数が７．０〜１９．５ＴＨｚの範囲のいずれかである、
   請求項６に記載の量子カスケードレーザー素子。
8. 前記超格子構造は、基材の結晶の無極性面上に、または当該無極性面上に形成された他の層の結晶の無極性面上に形成されている、
   請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
9. 窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、
   該超格子構造が複数の単位構造を有しており、
   各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、第２ウェル層、第３バリア層、および第３ウェル層をこの順に配置したものであり、
   外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、
   前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ輸送準位と、
   該輸送準位よりも、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもち、前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、
   前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位と
   該第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもち、該レーザー下準位のエネルギー値よりも、前記ＬＯフォノンのエネルギー値以上に低いエネルギー値をもつ引き抜き準位と
   を備えており、
   前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、
   量子カスケードレーザー素子。
10. 前記バイアス電界の下で、
    各単位構造における輸送準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されてレーザー上準位に遷移し、
    各単位構造におけるレーザー上準位の電子が、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際にある周波数の電磁波を放出し、
    各単位構造におけるレーザー下準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されて引き抜き準位に遷移し、
    各単位構造における引き抜き準位の電子が、電子の下流側で隣接する別の単位構造の第１バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導により、当該別の単位構造の輸送準位へ輸送される
    ように動作する
    請求項９に記載の量子カスケードレーザー素子。
11. 窒化物半導体の結晶による超格子構造を備える量子カスケードレーザー素子であって、
    該超格子構造が複数の単位構造を有しており、
    各単位構造は、伝導帯電子に対し高低のポテンシャルを示すバリア層およびウェル層が繰り返し積層されることにより、第１バリア層、第１ウェル層、第２バリア層、第２ウェル層、第３バリア層、および第３ウェル層をこの順に配置したものであり、
    外部電圧による積層方向のバイアス電界の下で各単位構造において電子が示すエネルギー準位構造は、
    前記第１ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ輸送準位と、
    前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつ注入準位と、
    該注入準位よりも、前記超格子構造をなす前記窒化物半導体の結晶の示す縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもち、前記第２ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー上準位と、
    前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもつレーザー下準位と、
    前記第３ウェル層に有意な電子の存在確率をもち、該レーザー下準位よりも、前記ＬＯフォノンのエネルギー値分以上に低いエネルギー値をもつ引き抜き準位と
    を備えており、
    前記超格子構造をなす窒化物半導体は、前記ＬＯフォノンのエネルギー値が、前記電磁波の光子エネルギーよりも大きくなるものである、
    量子カスケードレーザー素子。
12. 前記バイアス電界の下で、
    各単位構造における輸送準位の電子が、第２バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導により、注入準位へ輸送され、
    各単位構造における注入準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されてレーザー上準位に遷移し、
    各単位構造におけるレーザー上準位の電子が、誘導放出によりレーザー下準位へ遷移する際にある周波数の電磁波を放出し、
    各単位構造におけるレーザー下準位の電子が、前記結晶のＬＯフォノンによって散乱されて引き抜き準位に遷移し、
    各単位構造における引き抜き準位の電子が、電子の下流側で隣接する別の単位構造の第１バリア層を通りぬける共鳴トンネル伝導により、当該別の単位構造の輸送準位へ輸送される
    ように動作する
    請求項１１に記載の量子カスケードレーザー素子。
13. 前記超格子構造が基材の結晶の極性面上に、または当該極性面上に形成された他の層の結晶の極性面上に形成されている、
    請求項１、請求項９、または請求項１１のいずれか１項に記載の量子カスケードレーザー素子。
14. 前記バイアス電界の向きは、各ウェル層が電子に及ぼすポテンシャルの前記積層方向の傾斜を増大させる向きである、
    請求項１３に記載の量子カスケードレーザー素子。
15. 前記超格子構造が基材の結晶の極性面上に形成された他の層の結晶の極性面上に形成されており、
    前記基材がサファイア基板であり、
    前記他の層が、ＭＯＣＶＤ法におけるパルス交互供給法により成長させたＡｌＮ層を含むものである、
    請求項１、請求項９、または請求項１１のいずれか１項に記載の量子カスケードレーザー素子。
16. 前記超格子構造が、ＭＢＥ法におけるＤＥＴＡ法により成長させたＧａＮ系材料結晶を含むものである
    請求項１５に記載の量子カスケードレーザー素子。