JP2021177520A - 量子カスケードレーザ素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】スロープ効率を効果的に向上させることができる量子カスケードレーザ素子を提供する。【解決手段】量子カスケードレーザ素子１は、半導体基板２と、半導体基板２上に設けられる活性層３１と、活性層３１の半導体基板２側とは反対側に設けられ、不純物のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満である上部クラッド層３３と、を備える。活性層３１に含まれる各単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第２発光上準位と、少なくとも１つの発光下準位と、を有している。活性層３１は、各単位積層体１６において、発光層１７における第１発光上準位、第２発光上準位、及び少なくとも１つの発光下準位のうちの少なくとも２つの準位間の電子の遷移によって、中心波長が１０μｍ以上の光を生成するように構成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、量子カスケードレーザ素子に関する。
中赤外の波長領域（例えば波長５〜３０μｍ）の光は、分光分析技術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の光を出力可能な半導体光源として、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）素子が知られている（例えば、非特許文献１〜５参照）。
Vitiello MS, Scalari G, Williams B,De Natale P. Quantum cascade lasers: 20 years of challenges. Optics express. 2015 Feb 23;23(4):5167-5182. Michel Rochat, Daniel Hofstetter, Mattias Beck, and Jerome Faist.Long-wavelength (λ≒16μm), room-temperature, single-frequency quantum-cascadelasers based on a bound-to-continuum transition. Applied Physics Letters 2001;79:4271-73. Fujita K, Yamanishi M, Edamura T,Sugiyama A, Furuta S. Extremely high T0-values (〜450 K) of long-wavelength (〜15μm), low-threshold-current-densityquantum-cascade lasers based on the indirect pump scheme. Applied PhysicsLetters 2010;97:201109. Huang X, Charles WO, Gmachl C.Temperature-insensitive long-wavelength (λ≒14μm) Quantum Cascade lasers withlow threshold. Optics express 2011;19:8297-302. Fuchs P, Semmel J, Friedl J, HoflingS, Koeth J, Worschech L, Forchel A. Distributed feedback quantum cascade lasersat 13.8μm on indium phosphide. Applied Physics Letters2011;98:211118.
非特許文献１に開示されているように、従来の量子カスケードレーザ素子では、中心波長が１０μｍ以上の波長帯において、高い光出力性能（スロープ効率）を実現することが困難であった。例えば、非特許文献２には、bound-to-continuum（ＢＴＣ）構造の活性層を有する量子カスケードレーザ素子が開示されているが、そのスロープ効率は２０ｍＷ／Ａ程度である。また、非特許文献３には、間接注入励起（ｉＤＰ）の活性層を有する量子カスケードレーザ素子が開示されているが、そのスロープ効率は３４６ｍＷ／Ａ程度である。非特許文献４には、two phonon-continuum構造の活性層を有する量子カスケードレーザ素子が開示されているが、そのスロープ効率は３７５ｍＷ／Ａ程度である。非特許文献５には、非特許文献１と同様にＢＴＣ構造の活性層を有する量子カスケードレーザ素子が開示されているが、そのスロープ効率は２００ｍＷ／Ａ程度である。
そこで、本開示の一側面は、スロープ効率を効果的に向上させることができる量子カスケードレーザ素子を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係る量子カスケードレーザ素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられる活性層であって、発光層及び注入層を含む単位積層体が多段に積層されることで発光層及び注入層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、活性層の半導体基板側とは反対側に設けられ、不純物のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満である第１クラッド層と、を備え、活性層に含まれる各単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第１発光上準位よりも高いエネルギー準位である第２発光上準位と、第１発光上準位よりも低いエネルギー準位である少なくとも１つの発光下準位と、を有し、活性層は、各単位積層体において、発光層における第１発光上準位、第２発光上準位、及び少なくとも１つの発光下準位のうちの少なくとも２つの準位間の電子のサブバンド間遷移によって、中心波長が１０μｍ以上の光を生成するように構成されている、量子カスケードレーザ素子。
上記量子カスケードレーザ素子では、活性層に隣接する第１クラッド層において、不純物のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満とされている。このように第１クラッド層における不純物のドーピング濃度を低く抑えることにより、活性層で生成された光のうち自由キャリア吸収によって第１クラッド層に吸収される量を、効果的に抑制することができる。一方、第１クラッド層における不純物のドーピング濃度を低くした場合、導電性が低下するため、第１クラッド層を介して活性層に電流が流れ難くなるというデメリットがある。そこで、上記量子カスケードレーザ素子では、このようなデメリットを補うために、活性層構造として、第１発光上準位、第２発光上準位、及び少なくとも１つの発光下準位と、を有するサブバンド準位構造（いわゆる結合二重上位準位構造（ＤＡＵ：dual-upper-state design））が採用されている。このサブバンド準位構造では、２つの発光上準位の両方に充分なキャリアが供給される構造により、比較的低い閾値電流密度が実現される。すなわち、ＤＡＵ構造を採用することにより、第１クラッド層における不純物のドーピング濃度を低くすることに起因する電流量の低下を許容することが可能となる。以上のように、ＤＡＵ構造を採用すると共に第１クラッド層における不純物のドーピング濃度を低くすることで、従来の量子カスケードレーザ素子において高い光出力性能（スロープ効率）を得ることが困難であった光（中心波長が１０μｍ以上の光）について、スロープ効率を効果的に向上させることができる。
第１クラッド層の厚さは５μｍ以上であってもよい。このように第１クラッド層の厚さを十分に大きくすることにより、活性層で生成された光を活性層内に効果的に閉じ込めることができる。これにより、活性層における光損失を一層効果的に抑制でき、スロープ効率の更なる向上を図ることができる。
半導体基板における不純物のドーピング濃度は１×１０１７ｃｍ−３未満であってもよい。これにより、半導体基板における自由キャリア吸収による光の吸収量を効果的に低減することができる。その結果、活性層における光損失を一層効果的に抑制でき、スロープ効率の更なる向上を図ることができる。
上記量子カスケードレーザ素子は、活性層と半導体基板との間に設けられ、不純物のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満である第２クラッド層を更に備えてもよい。活性層と半導体基板との間に第２クラッド層を設けることにより、活性層で生成された光を活性層内に効果的に閉じ込めることができる。更に、第２クラッド層についても第１クラッド層と同様に不純物のドーピング濃度を低く抑えることによって、活性層における光損失を一層効果的に抑制でき、スロープ効率の更なる向上を図ることができる。
第２クラッド層の厚さは５μｍ以上であってもよい。このように第２クラッド層の厚さを十分に大きくすることにより、活性層で生成された光を活性層内に一層効果的に閉じ込めることができる。これにより、活性層における光損失を一層効果的に抑制でき、スロープ効率の更なる向上を図ることができる。
上記量子カスケードレーザ素子は、半導体基板に対して活性層が配置される側に設けられ、第１クラッド層と電気的に接続される第１電極と、半導体基板を挟んで第１電極とは反対側に設けられ、半導体基板と電気的に接続される第２電極と、を更に備えてもよい。半導体基板における不純物のドーピング濃度は５×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３未満であってもよい。この場合、半導体基板を挟んだ両側のそれぞれに電極（第１電極、第２電極）を配置することにより、半導体基板を介して活性層に電流を流すことができる。これにより、半導体基板に対して活性層が設けられる側の構成部品のみに電流を流す構造（いわゆるサイドコンタクト構造）と比較して、量子カスケードレーザ素子の製造工程を簡素化することができる。また、半導体基板における不純物のドーピング濃度を５×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３未満とすることにより、半導体基板における自由キャリア吸収による光の吸収量を抑制しつつ、半導体基板を介して量子カスケードレーザ素子の駆動に必要な電流を適切に流すことができる。
本開示の一側面によれば、スロープ効率を効果的に向上させることができる量子カスケードレーザ素子を提供することが可能となる。
図１は、一実施形態に係る量子カスケードレーザ素子の断面図である。 図２は、図１のII-II線に沿った量子カスケードレーザ素子の断面図である。 図３は、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。 図５は、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、実施例に係る量子カスケードレーザの電流−光出力特性を示すグラフである。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。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。なお、図面の寸法比率は、明細書の説明と必ずしも一致していない。
［量子カスケードレーザ素子の構成］
図１及び図２に示されるように、量子カスケードレーザ素子１は、半導体基板２と、半導体積層体３と、埋め込み層４と、誘電体層５と、第１電極６と、第２電極７と、を備えている。
半導体基板２は、例えば、長方形板状のＳドープＩｎＰ単結晶基板である。一例として、半導体基板２の長さは３ｍｍ程度であり、半導体基板２の幅は５００μｍ程度であり、半導体基板２の厚さは百数十μｍ程度である。以下の説明では、半導体基板２の幅方向をＸ軸方向といい、半導体基板２の長さ方向をＹ軸方向といい、半導体基板２の厚さ方向をＺ軸方向という。Ｚ軸方向において半導体基板２に対して半導体積層体３が位置する側を第１の側Ｓ１といい、Ｚ軸方向において半導体積層体３に対して半導体基板２が位置する側を第２の側Ｓ２という。半導体基板２は、低ドープＩｎＰ基板である。例えば、半導体基板２における不純物（この例ではＳ）のドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３未満である。一例として、半導体基板２における不純物のドーピング濃度は、５×１０１６ｃｍ−３程度である。
半導体積層体３は、半導体基板２における第１の側Ｓ１の表面２ａ上に形成されている。半導体積層体３は、量子カスケード構造を有する活性層３１を含んでいる。半導体積層体３は、１０μｍ以上の中心波長を有するレーザ光を発振するように構成されている。本実施形態では、半導体積層体３は、下部クラッド層３２（第２クラッド層）、下部ガイド層（図示省略）、活性層３１、上部ガイド層（図示省略）、上部クラッド層３３（第１クラッド層）、及びコンタクト層（図示省略）が半導体基板２側からこの順に積層されることで構成されている。上部ガイド層は、分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）構造として機能する回折格子構造を有している。
活性層３１は、下部クラッド層３２及び下部ガイド層を介して、半導体基板２上に設けられている。活性層３１は、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多重量子井戸構造を有している。活性層３１の厚さは、例えば３〜７μｍである。一例として、活性層３１の厚さは、５．７μｍ程度である。活性層３１の詳細については後述する。
下部クラッド層３２は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。下部クラッド層３２は、下部ガイド層を介して、半導体基板２上に設けられている。すなわち、下部クラッド層３２は、活性層３１と半導体基板２との間に設けられている。下部クラッド層３２は、通常よりも厚い低ドープＩｎＰ層として構成されている。下部クラッド層３２の厚さは、例えば５μｍ以上である。一例として、下部クラッド層３２の厚さは、５μｍ程度である。ここで、下部クラッド層３２の厚さとは、下部クラッド層３２のうち半導体基板２と活性層３１との間にある部分（すなわち、Ｚ軸方向から見て活性層３１と重なる部分）の厚さである。下部クラッド層３２における不純物（この例ではＳｉ）のドーピング濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３未満である。一例として、下部クラッド層３２における不純物のドーピング濃度は、４×１０１６ｃｍ−３程度である。
上部クラッド層３３は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。上部クラッド層３３は、上部ガイド層を介して、活性層３１における第１の側Ｓ１の表面３１ａ上に設けられている。すなわち、上部クラッド層３３は、活性層３１の半導体基板２側とは反対側に設けられている。上部クラッド層３３は、下部クラッド層３２と同様に、通常よりも厚い低ドープＩｎＰ層として構成されている。上部クラッド層３３の厚さは、例えば５μｍ以上である。一例として、上部クラッド層３３の厚さは、５μｍ程度である。上部クラッド層３３における不純物（この例ではＳｉ）のドーピング濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３未満である。一例として、上部クラッド層３３における不純物のドーピング濃度は、４×１０１６ｃｍ−３程度である。
活性層３１と下部クラッド層３２との間に設けられる下部ガイド層は、例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。下部ガイド層の厚さは、例えば０．２０μｍ程度である。下部ガイド層における不純物（この例ではＳｉ）のドーピング濃度は、例えば５×１０１６ｃｍ−３程度である。
活性層３１と上部クラッド層３３との間に設けられる上部ガイド層は、例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。上部ガイド層の厚さは、例えば０．４５μｍ程度である。上部ガイド層における不純物（この例ではＳｉ）のドーピング濃度は、例えば５×１０１６ｃｍ−３程度である。
上部クラッド層３３における第１の側Ｓ１の表面上に設けられたコンタクト層は、例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓ層である。コンタクト層の厚さは、例えば１０ｎｍ程度である。コンタクト層における不純物（この例ではＳｉ）のドーピング濃度は、例えば３×１０１８ｃｍ−３程度である。
半導体積層体３は、Ｙ軸方向に沿って延在するリッジ部３０を有している。リッジ部３０は、下部クラッド層３２における第１の側Ｓ１の部分、並びに、下部ガイド層、活性層３１、上部ガイド層、上部クラッド層３３及びコンタクト層によって構成されている。Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の幅は、Ｘ軸方向における半導体基板２の幅よりも狭い。Ｙ軸方向におけるリッジ部３０の長さは、Ｙ軸方向における半導体基板２の長さに等しい。一例として、リッジ部３０の長さは３ｍｍ程度であり、リッジ部３０の幅は１２μｍ程度であり、リッジ部３０の厚さは１１μｍ程度である。リッジ部３０は、Ｘ軸方向において半導体基板２の中央に位置している。Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の両側には、半導体積層体３を構成する各層が存在していない。
リッジ部３０は、頂面３０ａと、一対の側面３０ｂと、を有している。頂面３０ａは、リッジ部３０における第１の側Ｓ１の表面である。一対の側面３０ｂは、Ｘ軸方向におけるリッジ部３０の両側の表面である。この例では、頂面３０ａ及び側面３０ｂの各々は、平坦面である。図１における中心線ＣＬは、Ｙ軸方向から見た場合におけるリッジ部３０の中心（幾何中心）を通り且つＺ軸方向に平行な直線である。量子カスケードレーザ素子１は、Ｙ軸方向から見た場合に中心線ＣＬに関して線対称に構成されている。
半導体積層体３は、光導波方向Ａにおけるリッジ部３０の両端面である第１端面３ａ及び第２端面３ｂを有している。光導波方向Ａは、リッジ部３０の延在方向であるＹ軸方向に平行な方向である。第１端面３ａ及び第２端面３ｂは、光出射端面として機能する。第１端面３ａ及び第２端面３ｂは、Ｙ軸方向における半導体基板２の両端面とそれぞれ同一平面上に位置している。
埋め込み層４は、例えば、ＦｅドープＩｎＰ層からなる半導体層である。埋め込み層４は、一対の第１部分４１と、一対の第２部分４２と、を有している。一対の第１部分４１は、リッジ部３０の一対の側面３０ｂ上にそれぞれ形成されている。一対の第２部分４２は、それぞれ、一対の第１部分４１における第２の側Ｓ２の縁部からＸ軸方向に沿って延在している。各第２部分４２は、下部クラッド層３２の表面３２ａ上に形成されている。表面３２ａは、下部クラッド層３２のうちリッジ部３０を構成していない部分における第１の側Ｓ１の表面である。第１部分４１の厚さは、例えば１〜２μｍ程度である。第２部分４２の厚さは、例えば３μｍ程度である。
Ｚ軸方向において、各第２部分４２における第１の側Ｓ１の表面４２ａは、活性層３１における第１の側Ｓ１の表面３１ａと第２の側Ｓ２の表面３１ｂとの間に位置している。換言すれば、Ｘ軸方向から見た場合に、第２部分４２における第１の側Ｓ１の一部は、活性層３１における第２の側Ｓ２の一部と重なっている。
誘電体層５は、例えば、ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜からなる絶縁層である。誘電体層５は、リッジ部３０の頂面３０ａ、第１部分４１の表面４１ａ、及び第２部分４２の内側部分４２ｂの表面４２ａが誘電体層５から露出するように、第２部分４２の外側部分４２ｃの表面４２ａ上に形成されている。内側部分４２ｂは、第２部分４２のうち第１部分４１に連続する部分であり、外側部分４２ｃは、第２部分４２のうち内側部分４２ｂよりもＸ軸方向における外側に位置する部分である。
誘電体層５は、外側部分４２ｃの表面４２ａ上に形成されており、内側部分４２ｂの表面４２ａ上には形成されていない。これにより、内側部分４２ｂの表面４２ａが露出している。換言すれば、誘電体層５には、内側部分４２ｂを露出させるための開口５ａが形成されている。開口５ａは、リッジ部３０の頂面３０ａ、第１部分４１の表面４１ａ、及び第２部分４２の内側部分４２ｂの表面４２ａを誘電体層５から露出させている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれにおいても、誘電体層５の外縁は、埋め込み層４の外縁に至っている。誘電体層５は、埋め込み層４と後述する金属層６１との間の密着性を高める密着層としても機能する。
Ｘ軸方向における開口５ａの幅は、例えば、Ｘ軸方向における活性層３１の幅の２倍以上である。Ｘ軸方向における開口５ａの幅は、Ｘ軸方向における活性層３１の幅の５倍以上であってもよい。一例として、Ｘ軸方向における開口５ａの幅は５０μｍ程度であり、Ｘ軸方向における活性層３１の幅は９μｍ程度である。なお、図１では、活性層３１の幅は一定とされているが、活性層３１の幅は、第２の側Ｓ２から第１の側Ｓ１に向かうにつれて狭くなるテーパ状に形成され得る。この場合、上述した「Ｘ軸方向における活性層３１の幅」とは、活性層３１の第１の側Ｓ１の端部の幅である。
Ｘ軸方向における開口５ａの幅は、Ｚ軸方向における埋め込み層４の厚さの１０倍以上であってもよい。ここで、「埋め込み層４の厚さ」は、第１部分４１の厚さ及び第２部分４２の厚さの厚い方であり、この例では第２部分の厚さ（３μｍ程度）である。つまり、開口５ａの幅は、第２部分４２の厚さの１０倍以上であってもよい。
第１電極６は、金属層６１と、メッキ層６２と、を有している。金属層６１は、例えば、Ｔｉ／Ａｕ層であり、メッキ層６２を形成するための下地層として機能する。メッキ層６２は、金属層６１上に形成されている。メッキ層６２は、例えばＡｕメッキ層である。Ｚ軸方向における第１電極６の厚さは、例えば６μｍ以上である。
金属層６１は、リッジ部３０の頂面３０ａ上、並びに、埋め込み層４の第１部分４１及び第２部分４２上にわたって延在するように、一体的に形成されている。金属層６１は、リッジ部３０の頂面３０ａに接触している。これにより、第１電極６は、コンタクト層を介して上部クラッド層３３に電気的に接続されている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向のいずれにおいても、金属層６１の外縁は、埋め込み層４及び誘電体層５の外縁の内側に位置している。Ｘ軸方向における金属層６１の外縁と誘電体層５の外縁（半導体基板２、半導体積層体３及び埋め込み層４の外縁）との間の距離は、例えば５０μｍ程度である。
金属層６１は、第１部分４１上に直接に形成されている。すなわち、金属層６１と第１部分４１との間には別の層（例えば、誘電体層又は絶縁層）が形成されていない。金属層６１は、第１部分４１の表面４１ａの全面にわたって形成されている。
金属層６１は、第２部分４２の内側部分４２ｂにおいては、誘電体層５に形成された開口５ａを介して内側部分４２ｂの表面４２ａに接触している。金属層６１は、第２部分４２の外側部分４２ｃにおいては、誘電体層５を介して第２部分４２上に形成されている。すなわち、誘電体層５は、第２部分４２の外側部分４２ｃと第１電極６との間に配置されている。Ｚ軸方向から見た場合に、第１電極６の外縁は、半導体基板２、半導体積層体３、埋め込み層４及び誘電体層５の外縁よりも内側に位置している。
メッキ層６２における第１の側Ｓ１の表面６２ａには、複数のワイヤ８が電気的に接続されている。各ワイヤ８は、例えばワイヤボンディングにより形成され、メッキ層６２を介して金属層６１に電気的に接続されている。第１電極６（メッキ層６２）と各ワイヤ８との接続位置は、Ｚ軸方向から見た場合に、誘電体層５と重なっている。なお、ワイヤ８の本数は限定されず、１本のワイヤ８のみが設けられてもよい。
第２電極７は、半導体基板２における第２の側Ｓ２の表面２ｂ上に形成されている。第２電極７は、例えば、ＡｕＧｅ／Ａｕ膜、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜、又はＡｕ膜である。第２電極７は、半導体基板２を介して下部クラッド層３２に電気的に接続されている。
量子カスケードレーザ素子１では、第１電極６及び第２電極７を介して活性層３１にバイアス電圧が印加されると、活性層３１から光が発せられ、当該光のうち所定の中心波長を有する光が分布帰還構造において共振させられる。これにより、所定の中心波長を有するレーザ光が第１端面３ａ及び第２端面３ｂの各々から出射される。なお、第１端面３ａ及び第２端面３ｂの一方の端面に高反射膜が形成されていてもよい。この場合、所定の中心波長を有するレーザ光が第１端面３ａ及び第２端面３ｂの他方の端面から出射される。或いは、第１端面３ａ及び第２端面３ｂの一方の端面に低反射膜が形成されてもよい。また、低反射膜が形成された端面とは異なる他方の端面に高反射膜が形成されてもよい。これらのいずれの場合にも、所定の中心波長を有するレーザ光が第１端面３ａ及び第２端面３ｂの一方の端面から出射される。前者の場合には、第１端面３ａ及び第２端面３ｂの両方からレーザ光が出射される。
量子カスケードレーザ素子１は、量子カスケードレーザ素子１を駆動する駆動部と共に、量子カスケードレーザ装置を構成し得る。駆動部は、第１電極６及び第２電極７に電気的に接続される。駆動部は、例えば、量子カスケードレーザ素子１がレーザ光をパルス発振するように量子カスケードレーザ素子１を駆動するパルス駆動部である。
［活性層の構成］
図３に示されるように、活性層３１は、単位積層体１６が多段に積層されてなるカスケード構造を有している。単位積層体１６は、光を発生させる発光層１７と、発光層１７から電子が輸送される注入層１８と、を含んでいる。発光層１７は、光を発生させる発光機能を主として発揮する部分である。注入層１８は、発光層１７の電子を後段の単位積層体１６の発光層１７の発光上準位へと注入する電子輸送機能を主として発揮する部分である。発光層１７及び注入層１８の各々は、量子井戸層及び障壁層が交互に積層されてなる量子井戸構造を有している。これにより、各単位積層体１６において、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。
単位積層体１６は、２つの発光上準位を有する結合二重上準位構造（ＤＡＵ：dual-upper-state design）のサブバンド準位構造を有している。図３の例では、単位積層体１６は、２つの発光上準位と複数（ここでは３つ）の発光下準位とを有するＤＡＵ／ＭＳ（dual-upper-state to multiple lower state）構造のサブバンド準位構造を有している。単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位（準位４）Ｌｕｐ１（Ｌ４）と、第１発光上準位よりも高いエネルギー準位である第２発光上準位（準位５）Ｌｕｐ２（Ｌ５）と、を有している。更に、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位よりも低いエネルギー準位である第１発光下準位（準位１）Ｌｌｏｗ１（Ｌ１）と、第１発光上準位よりも低く且つ第１発光下準位よりも高いエネルギー準位である第２発光下準位（準位２）Ｌｌｏｗ２（Ｌ２）と、第１発光上準位よりも低く且つ第２発光下準位よりも高いエネルギーを有する第３発光下準位（準位３）Ｌｌｏｗ３（Ｌ３）と、これらの発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位Ｌｒと、を有している。
発光層１７と前段の単位積層体１６の注入層１８ａとの間には、注入層１８ａから発光層１７に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。発光層１７と注入層１８との間には、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層が設けられている。なお、発光層１７と注入層１８との間に、発光層１７から注入層１８に抽出される電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が設けられてもよい。
単位積層体１６のサブバンド準位構造における各準位の間隔構成は、次のとおりである。すなわち、第１発光上準位Ｌｕｐ１から第１発光下準位Ｌｌｏｗ１への発光遷移（４→１）のエネルギーΔＥ４１、及び、第２発光上準位Ｌｕｐ２から第２発光下準位Ｌｌｏｗ２への発光遷移（５→２）のエネルギーΔＥ５２は、それぞれ、第１周波数ω１のポンプ光のエネルギーＥ１と略一致している（ΔＥ４１＝ΔＥ５２＝Ｅ１）。また、第１発光上準位Ｌｕｐ１から第２発光下準位Ｌｌｏｗ２への発光遷移（４→２）のエネルギーΔＥ４２、及び、第２発光上準位Ｌｕｐ２から第３発光下準位Ｌｌｏｗ３への発光遷移（５→３）のエネルギーΔＥ５３は、それぞれ、第２周波数ω２のポンプ光のエネルギーＥ２と略一致している（ΔＥ４２＝ΔＥ５３＝Ｅ２）。また、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１と第２発光下準位Ｌｌｏｗ２とのエネルギー差ΔＥ２１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２と第３発光下準位Ｌｌｏｗ３とのエネルギー差ΔＥ３２、及び、第１発光上準位Ｌｕｐ１と第２発光上準位Ｌｕｐ２とのエネルギー差ΔＥ５４は、それぞれ、第１周波数ω１と第２周波数ω２との差周波数ωのテラヘルツ波のエネルギーＥ＝Ｅ１−Ｅ２と略一致している（ΔＥ２１＝ΔＥ３２＝ΔＥ５４＝Ｅ）。本実施形態では、第１周波数ω１は第２周波数ω２よりも大きく、差周波数はω＝ω１−ω２である。
以上のようなサブバンド準位構造においては、前段の注入層１８ａの緩和準位Ｌｒから注入障壁を介して発光層１７に電子が注入され、これにより、緩和準位Ｌｒと結合している第２発光上準位Ｌｕｐ２が強く励起される。このとき、電子−電子散乱等の高速散乱過程を介して、第１発光上準位Ｌｕｐ１にも充分な電子が供給される。すなわち、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２の両方に充分なキャリアが供給される。
第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２に注入された電子は、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３のそれぞれに遷移する。このとき、発光上準位と発光下準位とのサブバンド準位間のエネルギー差に相当するエネルギーの光が生成されて放出される。特に、エネルギーＥ１を有する第１周波数ω１の第１ポンプ光、及び、エネルギーＥ２を有する第２周波数ω２の第２ポンプ光が生成されて放出される。
第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３に遷移した電子は、緩和準位Ｌｒに緩和される。このように、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下準位Ｌｌｏｗ２及び第３発光下準位Ｌｌｏｗ３から電子が引き抜かれることで、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２と、第１発光下準位Ｌｌｏｗ１、第２発光下Ｌｌｏｗ２及び第３発光下Ｌｌｏｗ３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。緩和準位Ｌｒに緩和された電子は、注入層１８を介して、後段の発光層１７ｂの第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２にカスケード的に注入される。なお、緩和準位Ｌｒは、１つの準位のみによって構成されたものに限定されず、複数の準位によって構成されたものであってもよいし、或いは、ミニバンドによって構成されたものであってもよい。
以上のような電子の注入、電子の発光遷移、及び電子の緩和が、活性層３１を構成する複数の単位積層体１６において繰り返されることで、活性層３１においてカスケード的な光の生成が起こる。電子が複数の単位積層体１６をカスケード的に移動する際に、各単位積層体１６での電子のサブバンド間発光遷移によって第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光が生成される。そして、チェレンコフ位相整合による差周波発生によって第１周波数ω１及び第２周波数ω２の差周波数ω（＝｜ω１−ω２｜）のテラヘルツ波が生成される。
図４及び図５を参照して、活性層３１の構成について更に説明する。なお、図４には、発光層１７及び注入層１８による繰返し構造のうちの一部について、その動作電界における量子井戸構造及びサブバンド準位構造が示されている。
本構成例では、７０周期分の単位積層体１６が積層されることで活性層３１が構成されており、活性層３１でのゲインの中心波長が１０μｍ以上の所定の波長に設定されている。一例として、１周期分の単位積層体１６は、１１層の量子井戸層（井戸層１６１〜１６４，１８１〜１８７）及び１１層の量子障壁層（障壁層１７１〜１７４，１９１〜１９７）が交互に積層されることで量子井戸構造として構成されている。各井戸層１６１〜１６４，１８１〜１８７は、例えば、ＩｎＧａＡｓ層であり、各障壁層１７１〜１７４，１９１〜１９７は、例えば、ＩｎＡｌＡｓ層である。
単位積層体１６においては、４層の井戸層１６１〜１６４及び４層の障壁層１７１〜１７４が交互に積層された部分が主に発光層１７として機能し、７層の井戸層１８１〜１８７及び７層の障壁層１９１〜１９７が交互に積層された部分が主に注入層１８として機能する。発光層１７に含まれる１段目の障壁層１７１は、注入障壁層として機能する。なお、本構成例では、実効的に抽出障壁として機能する抽出障壁層が発光層１７と注入層１８との間に設けられていない。本構成例では、障壁層１９１が形式的に抽出障壁層と規定されており、その前後で、発光層１７と注入層１８とが機能的に区分されている。
活性層３１において、差周波発生によるテラヘルツ波の生成を実現するためには、２波長のポンプ光成分を生成可能であり、且つ２波長のポンプ光成分に対して高い２次の非線形感受率χ（２）を有する必要がある。例えば、上部ガイド層に２種類の回折格子層を設けることで、単一の活性層設計で、第１周波数ω１の第１ポンプ光及び第２周波数ω２の第２ポンプ光の生成、並びに、差周波数ωのテラヘルツ波の生成を実現することができる。なお、第１ポンプ光又は第２ポンプ光のいずれかのみを出力する量子カスケードレーザ素子を実現する場合には、上部ガイド層には、第１ポンプ光又は第２ポンプ光に対応した１種類の回折格子層が設けられればよい。なお、これらの回折格子層は、クラッド層（例えば上部クラッド層３３）の内部に設けられていてもよい。
図４に示されるように、本構成例のサブバンド準位構造は、強く結合した第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３に電子が光学遷移するように、設計されている。本構成例では、第１発光上準位Ｌ４と第２発光準位Ｌ５との間のエネルギー間隔は、ΔＥ５４＝１８ｍｅＶである。その他の準位間のエネルギー間隔は、ΔＥ５３＝１２１ｍｅＶ、ΔＥ５２＝１３６ｍｅＶ、ΔＥ５１＝１４９ｍｅＶ、ΔＥ４３＝１０２ｍｅＶ、ΔＥ４２＝１１７ｍｅＶ、ΔＥ４１＝１３１ｍｅＶである。
本構成例において、前段の注入層１８から発光層１７に注入された電子は、高速な電子−電子散乱等によって第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５に等しく分布し、第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５はあたかも広がった単一の上準位のように振る舞う。したがって、第１発光上準位Ｌ４から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３への電子の遷移によるゲインと、第２発光準位Ｌ５から第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２及び第３発光下準位Ｌ３への電子の遷移によるゲインとが同等の寄与で重なり合い、単峰で広帯域な発光スペクトルが得られる。
このように、単一の活性層構造を用いた構成では、積層された複数の活性層構造を用いた構成とは異なり、活性層３１の全領域にわたって均一な非線形光学特性が得られ、高効率な波長変換が実現される。第１発光下準位Ｌ１、第２発光下準位Ｌ２、第３発光下準位Ｌ３、第１発光上準位Ｌ４及び第２発光準位Ｌ５のキャリア濃度をそれぞれｎ１〜ｎ５と仮定すると共に、ｎ１＝ｎ２＝ｎ３と仮定し、条件ｎ５−ｎｉ＝１．０×１０１５／ｃｍ３、ｎ４−ｎｉ＝１．３×１０１５／ｃｍ３（ｉ＝１、２、３）を用いると、ＤＡＵ構造によって生成される２次の非線形感受率χ（２）の総和の絶対値として、｜χ（２）｜＝２３．３ｎｍ／Ｖが得られる。
量子カスケードレーザ素子１をテラヘルツ波を出力するテラヘルツ波用光学素子として構成する場合、設計周波数ωTHz、第１周波数ω１及び第２周波数ω２は、ＤＦＢ構造で決定される。最終的に得られるテラヘルツ波は、ωTHz（＝ω１−ω２）により決定される。例えば、設計周波数ωTHzは、３ＴＨｚ程度に決定される。この際、２つの周期のＤＦＢ構造を用いて第１周波数ω１及び第２周波数ω２を共にシングルモード動作させ、テラヘルツ波をシングルモード動作させることが可能である。本構成例では、第１周波数ω１の光、第２周波数ω２、及び差周波数ωTHzの光（テラヘルツ波）の少なくとも１つの光に対応する波長が１０μｍ以上となるように構成されている。
［作用及び効果］
量子カスケードレーザ素子１では、活性層３１に隣接する上部クラッド層３３において、不純物（この例ではＳｉ）のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満とされている。このように上部クラッド層３３における不純物のドーピング濃度を低く抑えることにより、活性層３１で生成された光のうち自由キャリア吸収によって上部クラッド層３３に吸収される量を、効果的に抑制することができる。一方、上部クラッド層３３における不純物のドーピング濃度を低くした場合、導電性が低下するため、上部クラッド層３３を介して活性層３１に電流が流れ難くなるというデメリットがある。そこで、量子カスケードレーザ素子１では、このようなデメリットを補うために、活性層構造として、上述したようなＤＡＵ構造（本実施形態では一例として、ＤＡＵ／ＭＳ構造）が採用されている。このサブバンド準位構造では、２つの発光上準位の両方に充分なキャリアが供給される構造により、比較的低い閾値電流密度が実現される。すなわち、ＤＡＵ構造を採用することにより、上部クラッド層３３における不純物のドーピング濃度を低くすることに起因するデメリット（すなわち、活性層３１を流れる電流量の低下）を許容することが可能となる。以上のように、ＤＡＵ構造を採用すると共に上部クラッド層３３における不純物のドーピング濃度を低くすることで、従来の量子カスケードレーザ素子において高い光出力性能（スロープ効率）を得ることが困難であった光（中心波長が１０μｍ以上の光）について、スロープ効率を効果的に向上させることができる。
また、上部クラッド層３３の厚さは５μｍ以上であってもよい。このように上部クラッド層３３の厚さを十分に大きくすることにより、活性層３１で生成された光を活性層３１内に効果的に閉じ込めることができる。これにより、活性層３１における光損失を一層効果的に抑制でき、スロープ効率の更なる向上を図ることができる。
また、半導体基板２における不純物（この例ではＳ）のドーピング濃度は１×１０１７ｃｍ−３未満であってもよい。上述したように、本実施形態では、半導体基板２として、ドーピング濃度が５×１０１６ｃｍ−３程度の低ドープＩｎＰ基板が用いられている。このような低ドープの半導体基板２を用いることにより、半導体基板２における自由キャリア吸収による光の吸収量を効果的に低減することができる。その結果、活性層３１における光損失を一層効果的に抑制でき、スロープ効率の更なる向上を図ることができる。
また、量子カスケードレーザ素子１は、活性層３１と半導体基板２との間に設けられ、不純物（この例ではＳｉ）のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満である下部クラッド層３２を更に備えてもよい。活性層３１と半導体基板２との間に下部クラッド層３２を設けることにより、活性層３１で生成された光を活性層３１内に効果的に閉じ込めることができる。更に、下部クラッド層３２についても上部クラッド層３３と同様に不純物のドーピング濃度を低く抑えることによって、活性層３１における光損失を一層効果的に抑制でき、スロープ効率の更なる向上を図ることができる。
また、下部クラッド層３２の厚さは５μｍ以上であってもよい。このように下部クラッド層３２の厚さを十分に大きくすることにより、活性層３１で生成された光を活性層３１内に一層効果的に閉じ込めることができる。これにより、活性層３１における光損失を一層効果的に抑制でき、スロープ効率の更なる向上を図ることができる。
また、量子カスケードレーザ素子１は、いわゆる上下導通型の素子として構成されてもよい。具体的には、量子カスケードレーザ素子１は、半導体基板２に対して活性層３１が配置される側（すなわち、第１の側Ｓ１）に設けられ、上部クラッド層３３と電気的に接続される第１電極６と、半導体基板２を挟んで第１電極６とは反対側（すなわち、第２の側Ｓ２）に設けられ、半導体基板２と電気的に接続される第２電極７と、を備えてもよい。そして、半導体基板２における不純物のドーピング濃度は５×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３未満であってもよい。この場合、半導体基板２を挟んだ両側（すなわち、第１の側Ｓ１及び第２の側Ｓ２）のそれぞれに電極（第１電極６、第２電極７）を配置することにより、半導体基板２を介して活性層３１に電流を流すことができる。これにより、半導体基板２に電流を流さずに、半導体基板２に対して活性層３１が設けられる側（すなわち、第１の側Ｓ１）の構成部品のみに電流を流す構造（いわゆるサイドコンタクト構造）と比較して、量子カスケードレーザ素子の製造工程を簡素化することができる。また、半導体基板２における不純物（この例ではＳ）のドーピング濃度を５×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３未満とすることにより、半導体基板２における自由キャリア吸収による光の吸収量を抑制しつつ、半導体基板２を介して量子カスケードレーザ素子１の駆動に必要な電流を適切に流すことができる。
具体的には、サイドコンタクト構造では、第２電極７の代わりの電極として、下部クラッド層３２と電気的に接続される電極が設けられる。このような電極を設けるために、例えば、半導体基板２と下部クラッド層３２との間にコンタクト層（例えばＳｉドープＩｎＧａＡｓ層）を設ける必要がある。また、当該コンタクト層と上記電極とを電気的に接続するために、第１電極６が設けられない部分において、埋め込み層４及び誘電体層５の一部にコンタクトホールを形成する必要がある。更に、このようなサイドコンタクト構造では、第１電極６と上記電極（第２電極７に代えて設けられる電極）の両方が、半導体基板２の第１の側Ｓ１に配置されることになる。このため、これらの電極同士が接触しないように、電極部材等を高精度に組み立てる必要も生じる。一方、本実施形態のように量子カスケードレーザ素子１を上下導通型の素子として構成することにより、上述したサイドコンタクト構造と比較して製造プロセスを簡素化することができる。また、上下導通型によれば、サイドコンタクト構造と比較して駆動電圧を低減することも可能となる。
［実施例］
図６は、実施例（すなわち、上述した量子カスケードレーザ素子１）の電流−光出力特性を示すグラフである。グラフ中の実線は光出力（Ｗ）を示しており、グラフ中の破線は駆動電圧（Ｖ）を示している。なお、実施例では、第１端面３ａ及び第２端面３ｂの一方の端面に高反射膜を形成することにより、第１端面３ａ及び第２端面３ｂの他方の端面（出射面）から光を出射させた。また、実施例では、半導体積層体３（上部ガイド層）に１２．９μｍの波長に対応する回折格子層を設けることにより、中心波長が１２．９μｍの光が上記出射面から出射されるように構成した。また、比較例（上述した非特許文献２〜５）に開示された構造及びスロープ効率は以下の通りである。図６に示されるように、下記の比較例１〜４に対して、実施例においては、高いスロープ効率（１Ｗ／Ａ程度）が確認された。
［比較例１：非特許文献２］
・活性層構造：ＢＴＣ構造
・上部クラッド層（ＩｎＰ）の厚さ：１．７５μｍ
・上部クラッド層における不純物のドーピング濃度：６×１０１６ｃｍ−３
・下部クラッド層（ＩｎＰ）の厚さ：０．６μｍ
・下部クラッド層における不純物のドーピング濃度：６×１０１６ｃｍ−３
・半導体基板（ＩｎＰ）における不純物のドーピング濃度：１×１０１７ｃｍ−３
・出力光の波長：１６μｍ程度
・スロープ効率：２０ｍＷ／Ａ程度
［比較例２：非特許文献３］
・活性層構造：ｉＤＰ構造
・上部クラッド層（ＩｎＰ）の厚さ：５μｍ
・上部クラッド層における不純物のドーピング濃度：５×１０１６ｃｍ−３
・下部クラッド層（ＩｎＰ）の厚さ：５μｍ
・下部クラッド層における不純物のドーピング濃度：５×１０１６ｃｍ−３
・半導体基板（ＩｎＰ）：不純物のドーピング濃度：１×１０１８ｃｍ−３以上
・出力光の波長：１４〜１５．５μｍ程度
・スロープ効率：３４６ｍＷ／Ａ
［比較例３：非特許文献４］
・活性層：two phonon-continuum構造
・上部クラッド層（ＩｎＰ）の厚さ：２．４μｍ
・上部クラッド層における不純物のドーピング濃度：５×１０１６ｃｍ−３
・下部クラッド層：なし（下部クラッドの機能を半導体基板で代用）
・半導体基板（ＩｎＰ）：不純物のドーピング濃度：１×１０１７ｃｍ−３
・出力光の波長：１４μｍ程度
・スロープ効率：３７５ｍＷ／Ａ
［比較例４：非特許文献５］
・活性層構造：ＢＴＣ構造
・上部クラッド層（ＩｎＰ）の厚さ：４μｍ
・上部クラッド層における不純物のドーピング濃度：５．５×１０１６ｃｍ−３
・下部クラッド層（ＩｎＰ）の厚さ：４μｍ
・下部クラッド層における不純物のドーピング濃度：５．５×１０１６ｃｍ−３
・半導体基板の構造：不明
・出力光の波長：１３．８μｍ程度
・スロープ効率：２００ｍＷ／Ａ程度
［変形例］
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上述した実施形態に限定されない。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。
例えば、半導体積層体３（上部ガイド層）には１種類の回折格子層が設けられてもよいし、或いは、３種類以上の回折格子層が半導体積層体３に設けられてもよい。分布帰還構造として機能する回折格子層は、第１ポンプ光及び第２ポンプ光の少なくとも１つを単一モード発振させるものであればよい。
また、活性層３１は、図３〜図５に示した１種類の単位積層体１６のみを含む構成に限定されず、２種類以上の活性層構造（単位積層体）を含んでいてもよい。また、下部クラッド層３２は省略されてもよい。この場合、半導体基板２の一部（活性層３１に隣接する部分）が、クラッド層として機能してもよい。
また、上記実施形態では、ＩｎＰ単結晶基板に対して格子整合する構成の活性層３１を例示したが、活性層３１は、歪補償を導入した構成を用いたものであってもよい。また、活性層３１の半導体材料系については、上述したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓに限定されず、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉ等、様々な半導体材料系を適用できる。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を適用できる。
また、量子カスケードレーザ素子は、上記実施形態のような上下導通型に限られず、サイドコンタクト構造を有するものであってもよい。この場合にも、活性層構造としてＤＡＵ構造を採用すると共に、上述した上部クラッド層３３、下部クラッド層３２、及び半導体基板２の構成（主に、厚さ及びドーピング濃度）の少なくとも１つを採用することにより、上述した量子カスケードレーザ素子１と同様の効果を得ることができる。また、サイドコンタクト構造を採用する場合には、半導体基板に電流を流す必要がないため、半導体基板として不純物がドーピングされていない半絶縁体基板を用いることができる。これにより、半導体基板での出力光の吸収損失を効果的に低減することができる。
また、Ｙ軸方向における金属層６１の外縁は、埋め込み層４及び誘電体層５の外縁に至っていてもよい。この場合、第１端面３ａ及び第２端面３ｂでの放熱性を向上することができる。リッジ部３０の各側面３０ｂは、中心線ＣＬと平行に延在していてもよい。金属層６１は、互いに分離された複数の部分を含んで構成されていてもよい。例えば、第１部分４１上の金属層６１が、第２部分４２上の金属層６１から分離して設けられていてもよい。
また、メッキ層６２が設けられず、金属層６１のみによって第１電極６が構成されていてもよい。この場合、ワイヤ８は、金属層６１における第１の側Ｓ１の表面に接続されていてもよい。上記実施形態では、第２部分４２の内側部分４２ｂが誘電体層５から露出し、金属層６１が内側部分４２ｂに接触していたが、第２部分４２の一部が誘電体層５から露出し、金属層６１が当該一部において第２部分４２に接触していればよい。上記実施形態では、メッキ層６２の一部の表面６２ａがリッジ部３０の頂面３０ａよりも第２の側Ｓ２に位置していたが、メッキ層６２の表面６２ａの全体が、頂面３０ａよりも第１の側Ｓ１に位置していてもよい。例えば、表面６２ａの全体が頂面３０ａよりも第１の側Ｓ１に位置するようにメッキ層６２がメッキにより形成された後に、表面６２ａが研磨によって平坦化されてもよい。
１…量子カスケードレーザ素子、２…半導体基板、６…第１電極、７…第２電極、１６…単位積層体、１７，１７ｂ…発光層、１８，１８ａ…注入層、３１…活性層、３２…下部クラッド層（第２クラッド層）、３３…上部クラッド層（第１クラッド層）、Ｌｕｐ１…第１発光上準位、Ｌｕｐ２…第２発光上準位、Ｌｌｏｗ１…第１発光下準位（発光下準位）、Ｌｌｏｗ２…第２発光下準位（発光下準位）、Ｌｌｏｗ３…第３発光下準位（発光下準位）。

Claims (6)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられる活性層であって、発光層及び注入層を含む単位積層体が多段に積層されることで前記発光層及び前記注入層が交互に積層されたカスケード構造が形成された前記活性層と、
    前記活性層の前記半導体基板側とは反対側に設けられ、不純物のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満である第１クラッド層と、
    を備え、
    前記活性層に含まれる各前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、前記第１発光上準位よりも高いエネルギー準位である第２発光上準位と、前記第１発光上準位よりも低いエネルギー準位である少なくとも１つの発光下準位と、を有し、
    前記活性層は、各前記単位積層体において、前記発光層における前記第１発光上準位、前記第２発光上準位、及び前記少なくとも１つの発光下準位のうちの少なくとも２つの準位間の電子の遷移によって、中心波長が１０μｍ以上の光を生成するように構成されている、量子カスケードレーザ素子。
  2. 前記第１クラッド層の厚さは５μｍ以上である、請求項１に記載の量子カスケードレーザ素子。
  3. 前記半導体基板における不純物のドーピング濃度は１×１０１７ｃｍ−３未満である、請求項１又は２に記載の量子カスケードレーザ素子。
  4. 前記活性層と前記半導体基板との間に設けられ、不純物のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満である第２クラッド層を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ素子。
  5. 前記第２クラッド層の厚さは５μｍ以上である、請求項４に記載の量子カスケードレーザ素子。
  6. 前記半導体基板に対して前記活性層が配置される側に設けられ、前記第１クラッド層と電気的に接続される第１電極と、
    前記半導体基板を挟んで前記第１電極とは反対側に設けられ、前記半導体基板と電気的に接続される第２電極と、を更に備え、
    前記半導体基板における不純物のドーピング濃度は５×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３未満である、請求項４又は５に記載の量子カスケードレーザ素子。
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