JP2022035660A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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Abstract

Figure 2022035660000001
【課題】大きなエネルギー差ΔＥｃ及び良好な結晶品質を有するコア領域を備える量子カスケードレーザを提供する。
【解決手段】量子カスケードレーザは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む基板と、基板上に設けられ、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含むコア領域とを備える。コア領域は、積層された複数の単位構造を含む。複数の単位構造のそれぞれは、活性層及び注入層を含む。注入層は、第１井戸層及び第１バリア層を含む少なくとも１つの歪み補償層と、第２井戸層及び第２バリア層を含む少なくとも１つの格子整合層とを含む。第１井戸層は、基板の格子定数よりも大きい格子定数を有する。第１バリア層は、基板の格子定数よりも小さい格子定数を有する。第２井戸層及び第２バリア層のそれぞれは、基板に格子整合する格子定数を有する。
【選択図】図３

Description

本開示は、量子カスケードレーザに関する。
特許文献１は、ＩｎＰ基板上に設けられたコア層を備える量子カスケードレーザを開示する。コア層は、活性層及び注入層を有する。注入層は、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ混晶の量子井戸構造を有する。
特開２０１２－１８６３６２号公報
歪み補償型の注入層を用いる場合、注入層の井戸層の格子定数はＩｎＰ基板の格子定数よりも大きく、注入層のバリア層の格子定数はＩｎＰ基板の格子定数よりも小さい。その結果、ＩｎＰ基板に対する井戸層の歪みは圧縮歪みとなり、ＩｎＰ基板に対するバリア層の歪みは引っ張り歪みとなる。井戸層の歪みの絶対値及びバリア層の歪みの絶対値を大きくすることによって、井戸層の伝導帯とバリア層の伝導帯とのエネルギー差ΔＥｃを大きくできる。
しかしながら、井戸層の歪みの絶対値及びバリア層の歪みの絶対値を大きくすると、井戸層とバリア層との間の界面に局所的に大きな歪みが発生する。井戸層及びバリア層を交互に積層すると歪みが蓄積するので、結晶中に格子欠陥又は転位が発生する可能性がある。
本開示は、大きなエネルギー差ΔＥｃ及び良好な結晶品質を有するコア領域を備える量子カスケードレーザを提供する。
本開示の一側面に係る量子カスケードレーザは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む基板と、前記基板上に設けられ、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含むコア領域と、を備え、前記コア領域は、積層された複数の単位構造を含み、前記複数の単位構造のそれぞれは、活性層及び注入層を含み、前記注入層は、第１井戸層及び第１バリア層を含む少なくとも１つの歪み補償層と、第２井戸層及び第２バリア層を含む少なくとも１つの格子整合層と、を含み、前記第１井戸層は、前記基板の格子定数よりも大きい格子定数を有し、前記第１バリア層は、前記基板の格子定数よりも小さい格子定数を有し、前記第２井戸層及び前記第２バリア層のそれぞれは、前記基板に格子整合する格子定数を有する。
本開示によれば、大きなエネルギー差ΔＥｃ及び良好な結晶品質を有するコア領域を備える量子カスケードレーザが提供され得る。
図１は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザのコア領域に含まれる単位構造を模式的に示す図である。 図３は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザのコア領域の一部の伝導帯バンド構造の例を示す図である。 図４は、第２実施形態に係る量子カスケードレーザのコア領域の一部の伝導帯バンド構造の例を示す図である。
［本開示の実施形態の説明］
一実施形態に係る量子カスケードレーザは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む基板と、前記基板上に設けられ、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含むコア領域と、を備え、前記コア領域は、積層された複数の単位構造を含み、前記複数の単位構造のそれぞれは、活性層及び注入層を含み、前記注入層は、第１井戸層及び第１バリア層を含む少なくとも１つの歪み補償層と、第２井戸層及び第２バリア層を含む少なくとも１つの格子整合層と、を含み、前記第１井戸層は、前記基板の格子定数よりも大きい格子定数を有し、前記第１バリア層は、前記基板の格子定数よりも小さい格子定数を有し、前記第２井戸層及び前記第２バリア層のそれぞれは、前記基板に格子整合する格子定数を有する。
上記量子カスケードレーザによれば、少なくとも１つの歪み補償層によって、第１井戸層の伝導帯と第１バリア層の伝導帯とのエネルギー差ΔＥｃを大きくできる。一方、第２井戸層及び第２バリア層のそれぞれが、基板に格子整合する格子定数を有するので、基板に対する少なくとも１つの格子整合層の歪みの絶対値は小さい。この少なくとも１つの格子整合層によって、格子整合層が存在しない場合に比べて、第１井戸層と第１バリア層との間の局所的な歪みの蓄積が抑制される。したがって、大きなエネルギー差ΔＥｃ及び良好な結晶品質を有するコア領域が得られる。
第２井戸層及び第２バリア層のそれぞれの格子定数は、基板の格子定数と実質的に同じである。第２井戸層及び第２バリア層のそれぞれの格子定数は、基板の格子定数と同じであってもよく、基板の格子定数から僅かにずれてもよい。基板に対する第２井戸層及び第２バリア層に生じる各歪みの絶対値は小さい。
前記基板に対する前記第２井戸層の歪みの絶対値が０．３％以下であってもよい。この場合、基板に対する第２井戸層の歪みの絶対値は小さい。
前記基板に対する前記第２バリア層の歪みの絶対値が０．３％以下であってもよい。この場合、基板に対する第２バリア層の歪みの絶対値は小さい。
前記基板に対する前記第１井戸層の歪みの絶対値が０．５％以上であってもよい。この場合、基板に対する第１井戸層の歪みの絶対値は大きい。
前記基板に対する前記第１バリア層の歪みの絶対値が０．５％以上であってもよい。この場合、基板に対する第１バリア層の歪みの絶対値は大きい。
前記少なくとも１つの格子整合層が、互いに隣接して配置された複数の格子整合層であってもよい。この場合、複数の格子整合層間に歪み補償層が介在する場合に比べて、第１井戸層と第１バリア層との間の局所的な歪みの蓄積を小さくできる。
前記少なくとも１つの歪み補償層が複数の歪み補償層であり、前記少なくとも１つの格子整合層が、前記複数の歪み補償層間に配置されてもよい。この場合、活性層の近くに歪み補償層を配置できる。歪み補償層の第１バリア層の伝導帯のエネルギーは、格子整合層の第２バリア層の伝導帯のエネルギーに比べて大きい。そのため、歪み補償層の第１バリア層により、注入層におけるキャリアのリークの可能性を低減できる。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザを模式的に示す図である。図１に示される量子カスケードレーザ１０は、例えば３μｍ以上３０μｍ以下の中赤外領域又は遠赤外領域のレーザ光を発振することができる。量子カスケードレーザ１０は、例えばガス分析等の分光システム、赤外イメージングシステム又は空間光通信システムに使用され得る。
量子カスケードレーザ１０は、第１導電型（例えばｎ型）の基板１２と、基板１２上に設けられたコア領域１４とを備える。コア領域１４は、量子カスケード構造を有する。コア領域１４は、基板１２の主面１２ａに交差する軸Ａｘに沿って積層された複数の単位構造Ｕを含む。単位構造Ｕの数は例えば３０以上５０以下である。基板１２とコア領域１４との間には第１導電型の第１クラッド層１６が配置される。コア領域１４上には、第１導電型の第２クラッド層１８及び第１導電型のコンタクト層２０が順に設けられる。コンタクト層２０上には第１電極２２が設けられる。基板１２の裏面１２ｂには第２電極２４が設けられる。
基板１２は、例えばＩｎＰ等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。コア領域１４は、例えばＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ又はＡｌＡｓＳｂ等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。第１クラッド層１６は例えばＩｎＰ層である。第２クラッド層１８は例えばＩｎＰ層である。第１クラッド層１６及び第２クラッド層１８のそれぞれの厚みは、例えば１μｍ以上２μｍ以下である。第１クラッド層１６及び第２クラッド層１８のそれぞれのキャリア濃度は、例えば２×１０１７以上７×１０１７ｃｍ－３以下である。コンタクト層２０は例えばＧａＩｎＡｓ層である。量子カスケードレーザ１０のレーザ共振器長は例えば０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。量子カスケードレーザ１０の端面には反射膜が設けられてもよい。反射膜は、例えばα－Ｓｉ又はＳｉＯ２等を含む誘電体多層膜であってもよいし、例えば金等を含む金属膜であってもよい。
図２は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザのコア領域に含まれる単位構造を模式的に示す図である。図２に示されるように、各単位構造Ｕは、活性層３０及び注入層４０を含む。軸Ａｘに沿って活性層３０及び注入層４０が交互に配列されるように複数の単位構造Ｕは積層される。
活性層３０は発光層である。活性層３０は、量子井戸構造を有する。活性層３０は、複数の井戸層３２及び複数のバリア層３４を含む。井戸層３２及びバリア層３４は、軸Ａｘに沿って交互に配列される。軸Ａｘの方向において活性層３０の両端にはバリア層３４が位置する。井戸層３２は、例えばＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。バリア層３４は、例えばＡｌＩｎＡｓ又はＡｌＡｓＳｂ等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。バリア層３４がＡｌＡｓＳｂを含む場合、例えば３μｍ以上４μｍ以下の短波長領域のレーザを発振する量子カスケードレーザ１０が得られる。
井戸層３２の材料は、基板１２の格子定数よりも大きい格子定数を有する。基板１２が例えばＩｎＰ基板の場合、基板１２の格子定数は５．８６９オングストロームである。基板１２に対する井戸層３２の歪みεｗ０の絶対値は、０．５％以上であってもよいし、１．７％以下であってもよい。井戸層３２が例えばＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（０．２２≦ｘ≦０．３９）を含む場合、基板１２に対する井戸層３２の軸Ａｘに垂直な面内の歪みεｗ０（圧縮歪み）は－１．７％以上－０．５％以下となる。
バリア層３４の材料は、基板１２の格子定数よりも小さい格子定数を有する。基板１２に対するバリア層３４の歪みεｂ０の絶対値は、０．５％以上であってもよいし、２．０％以下であってもよい。バリア層３４が例えばＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（０．５５≦ｘ≦０．７７）を含む場合、基板１２に対するバリア層３４の軸Ａｘに垂直な面内の歪みεｂ０（引っ張り歪み）は０．５％以上２．０％以下となる。
活性層３０は歪み補償されている。全ての井戸層３２の合計厚みをｔｗ、全てのバリア層３４の合計厚みをｔｂとすると、基板１２に対する活性層３０の平均的な歪みεａは、下記式（１）によって算出される。
εａ＝（εｗ０ｔｗ＋εｂ０ｔｂ）／（ｔｗ＋ｔｂ） … （１）
注入層４０は、次の活性層３０にキャリアを注入する。注入層４０は、量子井戸構造を有する。注入層４０は、少なくとも１つの歪み補償層５０及び少なくとも１つの格子整合層６０を含む。本実施形態では、注入層４０は、複数の歪み補償層５０及び複数の格子整合層６０を含む。複数の歪み補償層５０及び複数の格子整合層６０は、軸Ａｘに沿って配列される。歪み補償層５０の数は格子整合層６０の数より多くてもよい。歪み補償層５０の厚みは格子整合層６０の厚みより大きくてもよい。本実施形態では、複数（例えば３つ）の格子整合層６０が互いに隣接して配置される。複数の格子整合層６０は、複数の歪み補償層５０間に配置される。格子整合層６０と活性層３０との間には、複数（例えば２つ）の歪み補償層５０が配置される。格子整合層６０と隣の単位構造Ｕの活性層３０との間にも、複数（例えば２つ）の歪み補償層５０が配置される。注入層４０の厚みは２０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であってもよい。
各歪み補償層５０は、第１井戸層５２及び第１バリア層５４を含む。第１井戸層５２及び第１バリア層５４は、軸Ａｘに沿って交互に配列される。各格子整合層６０は、第２井戸層６２及び第２バリア層６４を含む。第２井戸層６２及び第２バリア層６４は、軸Ａｘに沿って交互に配列される。軸Ａｘの方向において注入層４０の両端には第１バリア層５４が位置する。
第１井戸層５２の材料は、基板１２の格子定数よりも大きい格子定数を有する。基板１２に対する第１井戸層５２の歪みεｗ１の絶対値は、０．５％以上であってもよいし、１．７％以下であってもよい。基板１２の格子定数をａ０、第１井戸層５２の材料の格子定数をａ１ｗとした場合、基板１２に対する第１井戸層５２の歪みεｗ１は下記式（２）によって算出される。
εｗ１＝（ａ０－ａ１ｗ）／ａ１ｗ×１００ （％）… （２）
第１井戸層５２が例えばＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（０．２２≦ｘ≦０．３９）を含む場合、基板１２に対する第１井戸層５２の歪みεｗ１（圧縮歪み）は－１．７％以上－０．５％以下となる。一実施例において、第１井戸層５２はＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．３３０）を含む。第１井戸層５２の厚みは０．６ｎｍ以上５ｎｍ以下であってもよい。
第１バリア層５４の材料は、基板１２の格子定数よりも小さい格子定数を有する。基板１２に対する第１バリア層５４の歪みεｂ１の絶対値は、０．５％以上であってもよいし、２．０％以下であってもよい。基板１２の格子定数をａ０、第１バリア層５４の材料の格子定数をａ１ｂとした場合、基板１２に対する第１バリア層５４の歪みεｂ１は下記式（３）によって算出される。
εｂ１＝（ａ０－ａ１ｂ）／ａ１ｂ×１００ （％）… （３）
第１バリア層５４が例えばＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（０．５５≦ｘ≦０．７７）を含む場合、基板１２に対する第１バリア層５４の歪みεｂ１（引っ張り歪み）は０．５％以上２．０％以下となる。一実施例において、第１バリア層５４はＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．７００）を含む。第１バリア層５４の厚みは０．６ｎｍ以上５ｎｍ以下であってもよい。
第２井戸層６２の材料は、基板１２に格子整合する格子定数を有する。第２井戸層６２の格子定数は、基板１２の格子定数と実質的に同じである。第２井戸層６２の格子定数と基板１２の格子定数との差は例えば０．０２オングストローム以下である。基板１２に対する第２井戸層６２の歪みεｗ２の絶対値は小さい。基板１２に対する第２井戸層６２の歪みεｗ２の絶対値は、０．３％以下であってもよいし、０．１％以下であってもよい。基板１２の格子定数をａ０、第２井戸層６２の材料格子定数をａ２ｗとした場合、基板１２に対する第２井戸層６２の歪みεｗ２は下記式（４）によって算出される。
εｗ２＝（ａ０－ａ２ｗ）／ａ２ｗ×１００ （％）… （４）
第２井戸層６２が例えばＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）を含む場合、基板１２に対する第２井戸層６２の歪みεｗ２の絶対値は０．３％以下となる。一実施例において、第２井戸層６２はＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４６８）を含む。第２井戸層６２の厚みは０．６ｎｍ以上５ｎｍ以下であってもよい。
第２バリア層６４の材料は、基板１２に格子整合する格子定数を有する。第２バリア層６４の格子定数は、基板１２の格子定数と実質的に同じである。第２バリア層６４の格子定数と基板１２の格子定数との差は例えば０．０２オングストローム以下である。基板１２に対する第２バリア層６４の歪みεｂ２の絶対値は小さい。基板１２に対する第２バリア層６４の歪みεｂ２の絶対値は、０．３％以下であってもよいし、０．１％以下であってもよい。基板１２の格子定数をａ０、第２バリア層６４の格子定数をａ２ｂとした場合、基板１２に対する第２バリア層の歪みεｂ２は下記式（５）によって算出される。
εｂ２＝（ａ０－ａ２ｂ）／ａ２ｂ×１００ （％）… （５）
第２バリア層６４が例えばＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（０．４４≦ｘ≦０．５２）を含む場合、基板１２に対する第２バリア層６４の歪みεｂ２の絶対値は０．３％以下となる。一実施例において、第２バリア層６４はＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４７６）を含む。第２バリア層６４の厚みは０．６ｎｍ以上５ｎｍ以下であってもよい。
図３は、第１実施形態に係る量子カスケードレーザのコア領域の一部の伝導帯バンド構造の例を示す図である。図３において、縦軸は電子のエネルギー（ｅＶ）を示し、横軸は軸Ａｘに沿った位置（ｎｍ）を示す。
図３には、キャリア（電子）の存在確率（波動関数の絶対値の二乗）を示す曲線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が示されている。曲線Ｗ１は、活性層３０のレーザ上位準位を示す。曲線Ｗ２は、活性層３０に注入されたキャリアがレーザ上位準位から光学遷移（発光しながら遷移）する準位であるレーザ下位準位を示す。曲線Ｗ３は、レーザ下位準位のキャリアが緩和（発光せずに高速で遷移）する準位である基底準位を示す。
曲線Ｗ１のベースラインは、エネルギーＢ１に位置する。曲線Ｗ２のベースラインは、エネルギーＢ２に位置する。曲線Ｗ３のベースラインは、エネルギーＢ３に位置する。エネルギーＢ１，Ｂ２，Ｂ３は、曲線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３にそれぞれ従うキャリアが有するエネルギーである。ベースラインは、各曲線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の両端を結び、横軸に平行な直線である。各曲線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の両端は、波動関数の値が十分に小さい値（キャリアの存在確率がほぼ０）となる位置である。各曲線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の高さはキャリアの存在確率に関係している。各曲線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の極大値に対応する横軸の位置は、キャリアが多く存在し得る位置である。
本実施形態において、曲線Ｗ１のベースラインのエネルギーＢ１は、活性層３０のバリア層３４のエネルギー障壁の高さよりも十分に低い。活性層３０と注入層４０との境界の位置Ｘ１においてバリア層３４及び第１バリア層５４のエネルギー障壁の高さは約０．８５ｅＶである。一方、曲線Ｗ１のベースラインのエネルギーＢ１は約０．５６ｅＶである。よって、位置Ｘ１において、エネルギーＢ１と、バリア層３４及び第１バリア層５４のエネルギー障壁の高さとの差は約０．２９ｅＶである。例えば温度２００℃に相当する熱エネルギーは０．０４１ｅＶであり、約０．２９ｅＶは０．０４１ｅＶの約７倍である。よって、活性層３０におけるレーザ上位準位のキャリアは、２００℃の高温時でも注入層４０にリークすることなく光学遷移に寄与する。これにより、量子カスケードレーザ１０の発光効率を高めることができる。
本実施形態では、曲線Ｗ２と曲線Ｗ３とのエネルギー差が井戸層３２の光学フォノンのエネルギーに近くなるように単位構造Ｕの積層構造（各層の膜厚及び組成）が設計されている。これにより、キャリアをより高速で緩和させることができるので、量子カスケードレーザ１０の発光効率を高めることができる。
本実施形態では、曲線Ｗ１の極大値に対応する横軸の位置と曲線Ｗ２の極大値に対応する横軸の位置とが近くなるように単位構造Ｕの積層構造が設計されている。これにより、キャリアの光学遷移の確率を高めることができる。その結果、量子カスケードレーザ１０の発光効率を高めることができる。
本実施形態では、曲線Ｗ２の極大値に対応する横軸の位置と曲線Ｗ３の極大値に対応する横軸の位置とが近くなるように単位構造Ｕの積層構造が設計されている。これにより、キャリアとフォノンとの共鳴による非発光遷移の確率を高めることができる。その結果、キャリアをより高速で緩和させることができるので、量子カスケードレーザ１０の発光効率を高めることができる。
図３には、発光後のキャリアが活性層３０の基底準位（曲線Ｗ３）から次の活性層３０のレーザ上位準位（曲線Ｗ１）に移動するときに関係する複数の曲線Ｗ４が示されている。各曲線Ｗ４は、キャリアの存在確率（波動関数の絶対値の二乗）を示す。前の注入層４０と活性層３０との境界の位置Ｘ２において、前の注入層４０における曲線Ｗ４のベースラインは活性層３０における曲線Ｗ１のベースライン（エネルギーＢ１）に近い。注入層４０と次の活性層３０との境界の位置Ｘ３においても、注入層４０における曲線Ｗ４のベースラインは次の活性層３０における曲線Ｗ１のベースラインに近い。
本実施形態では、位置Ｘ２及び位置Ｘ３において、注入層４０における曲線Ｗ４のベースラインと活性層３０における曲線Ｗ１のベースラインとが近くなるように、注入層４０の積層構造（各層の膜厚、層数及び配置）が設計されている。これにより、キャリアは効率良く注入層４０から次の活性層３０に移動することができるので、量子カスケードレーザ１０の発光効率を高めることができる。
本実施形態では、格子整合層６０における曲線Ｗ４の極大値（ピーク高さ）は、格子整合層６０に隣接する歪み補償層５０における曲線Ｗ４の極大値（ピーク高さ）よりも大きい。極大値の差は、格子整合層６０にキャリアが溜まり易いことを示している。キャリアの溜まり易さは、格子整合層６０の第２バリア層６４のエネルギー障壁の高さが、隣接する歪み補償層５０の第１バリア層５４のエネルギー障壁の高さに比べて低いことに関係している。第１バリア層５４のエネルギー障壁の高さと第２バリア層６４のエネルギー障壁の高さとの差は例えば０．１ｅＶ以上０．５ｅＶ以下である。
本実施形態では、格子整合層６０における一部の曲線Ｗ４のベースラインのエネルギーが、歪み補償層５０における曲線Ｗ４のベースラインのエネルギーよりも高くなっている。格子整合層６０における一部の曲線Ｗ４のベースラインの高いエネルギーは、高いエネルギーを有するキャリアが格子整合層６０に存在し得ることを示す。一方、格子整合層６０における一部の曲線Ｗ４のベースラインのエネルギーは、格子整合層６０に隣接する歪み補償層５０の第１バリア層５４のエネルギー障壁の高さに比べて十分に低い。よって、格子整合層６０に溜まったキャリアが、隣接する歪み補償層５０の第１バリア層５４を超えて熱的にリークすることは抑制される。
格子整合層６０における曲線Ｗ４のベースラインの高いエネルギーは、低いエネルギー障壁を有する第２バリア層６４が高いエネルギー障壁を有する複数の第１バリア層５４間に挟まれていることに起因する。本実施形態では、格子整合層６０における曲線Ｗ４のベースラインのエネルギーが高くなり過ぎないように、注入層４０の積層構造が設計されている。
格子整合層６０に存在し得る高いエネルギーのキャリアは、フォノン散乱により、格子整合層６０中のより低いエネルギー準位帯に緩和する。格子整合層６０中のより低いエネルギー準位帯のキャリアは、電界及び拡散により次の活性層３０に流れ、次の活性層３０において発光遷移に寄与することができる。
本実施形態では、第１井戸層５２の伝導帯と第１バリア層５４の伝導帯とのエネルギー差ΔＥｃは０．６ｅＶ以上であってもよい。図３の例において、第１井戸層５２の伝導帯と第１バリア層５４の伝導帯とのエネルギー差ΔＥｃは０．８４ｅＶである。第１井戸層５２はＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．３３０）層である。第１バリア層５４はＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．７００）層である。第２井戸層６２はＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４６８）層である。第２バリア層６４はＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４７６）層である。
本実施形態の量子カスケードレーザ１０によれば、歪み補償層５０によって、第１井戸層５２の伝導帯と第１バリア層５４の伝導帯とのエネルギー差ΔＥｃを大きくできる。エネルギー差ΔＥｃを大きくすると、活性層３０におけるレーザ上位準位のキャリアの熱的リークを抑制できる。一方、基板１２に対する格子整合層６０の歪みの絶対値は小さい。本実施形態の量子カスケードレーザ１０によれば、格子整合層６０により、格子整合層６０が存在しない場合に比べて、第１井戸層５２と第１バリア層５４との間の局所的な歪みの蓄積が抑制される。したがって、大きなエネルギー差ΔＥｃ及び良好な結晶品質を有するコア領域１４が得られる。
本実施形態では、複数の格子整合層６０が互いに隣接して配置されるので、複数の格子整合層６０間に歪み補償層５０が介在する場合に比べて、第１井戸層５２と第１バリア層５４との間の局所的な歪みの蓄積を小さくできる。
本実施形態では、複数の格子整合層６０が複数の歪み補償層５０間に配置されるので、活性層３０の近くに歪み補償層５０を配置できる。例えば、歪み補償層５０の第１バリア層５４が活性層３０に隣接して配置される。よって、格子整合層６０が活性層３０に隣接して配置されない。歪み補償層５０の第１バリア層５４の伝導帯のエネルギーは、格子整合層６０の第２バリア層６４の伝導帯のエネルギーに比べて大きい。そのため、歪み補償層５０の第１バリア層５４により、注入層４０におけるキャリアのリークの可能性を低減できる。
本実施形態の量子カスケードレーザ１０は、以下のようにして製造され得る。まず、ｎ型ＩｎＰウエハを準備する。次に、ｎ型ＩｎＰウエハ上に、ｎ型下部ＩｎＰクラッド層、コア領域、ｎ型上部ＩｎＰクラッド層、及びｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層を順に成長して、半導体積層体を形成する。コア領域は、活性層及び注入層を交互に繰り返し成長することによって形成される。活性層及び注入層のそれぞれは、井戸層及びバリア層を交互に繰り返し成長することによって形成される。各層は、例えば分子線エピタキシー法又は有機金属気相成長法により成長される。続いて、ｎ＋型ＧａＩｎＡｓコンタクト層上に上部金属電極を形成すると共に、ＩｎＰウエハの裏面に下部金属電極を形成して、基板生産物を得る。その後、基板生産物をへき開によって分離して、量子カスケードレーザを得る。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る量子カスケードレーザのコア領域の一部の伝導帯バンド構造の例を示す図である。
本実施形態の量子カスケードレーザは、注入層４０の積層構造が異なること以外は量子カスケードレーザ１０と同じ構成を備える。本実施形態では、注入層４０において、複数（例えば２つ）の格子整合層６０間に歪み補償層５０が介在している。
図４の例において、第１井戸層５２の伝導帯と第１バリア層５４の伝導帯とのエネルギー差ΔＥｃは０．８３ｅＶである。第１井戸層５２はＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．３２０）層である。第１バリア層５４はＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．７００）層である。第２井戸層６２はＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４６８）層である。第２バリア層６４はＡｌｘＩｎ１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４７６）層である。
本実施形態において、活性層３０と注入層４０との境界の位置Ｘ１においてバリア層３４及び第１バリア層５４のエネルギー障壁の高さは約０．６５ｅＶである。一方、曲線Ｗ１のベースラインのエネルギーＢ１は約０．３６ｅＶである。よって、位置Ｘ１において、エネルギーＢ１と、バリア層３４及び第１バリア層５４のエネルギー障壁の高さとの差は約０．２９ｅＶである。例えば温度２００℃に相当する熱エネルギーは０．０４１ｅＶであり、約０．２９ｅＶは０．０４１ｅＶの約７倍である。よって、活性層３０におけるレーザ上位準位のキャリアは、２００℃の高温時でも注入層４０にリークすることなく光学遷移に寄与する。これにより、量子カスケードレーザ１０の発光効率を高めることができる。
本実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに、複数の格子整合層６０間に歪み補償層５０を介在させてもよいので、第１実施形態に比べてコア領域１４の設計自由度が向上する。
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。各実施形態の各構成要素は、任意に組み合わされてもよい。
量子カスケードレーザ１０は、コア領域１４及び第２クラッド層１８を含むメサを有してもよい。メサは、軸Ａｘに沿った高さを有し、軸Ａｘに交差する方向に延在する。これにより、電流狭窄構造を実現できる。メサの側面は例えばＳｉＮ等を含む絶縁膜によって覆われてもよい。あるいは、例えばＦｅがドープされたＩｎＰ等を含む半絶縁性埋め込み領域によって、メサが埋め込まれてもよい。
１０…量子カスケードレーザ
１２…基板
１２ａ…主面
１２ｂ…裏面
１４…コア領域
１６…第１クラッド層
１８…第２クラッド層
２０…コンタクト層
２２…第１電極
２４…第２電極
３０…活性層
３２…井戸層
３４…バリア層
４０…注入層
５０…歪み補償層
５２…第１井戸層
５４…第１バリア層
６０…格子整合層
６２…第２井戸層
６４…第２バリア層
Ａｘ…軸
Ｂ１…エネルギー
Ｂ２…エネルギー
Ｂ３…エネルギー
Ｕ…単位構造
Ｗ１…曲線
Ｗ２…曲線
Ｗ３…曲線
Ｗ４…曲線
Ｘ１…位置
Ｘ２…位置
Ｘ３…位置

Claims (7)

  1. ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む基板と、
    前記基板上に設けられ、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含むコア領域と、
    を備え、
    前記コア領域は、積層された複数の単位構造を含み、
    前記複数の単位構造のそれぞれは、活性層及び注入層を含み、
    前記注入層は、第１井戸層及び第１バリア層を含む少なくとも１つの歪み補償層と、第２井戸層及び第２バリア層を含む少なくとも１つの格子整合層と、を含み、
    前記第１井戸層は、前記基板の格子定数よりも大きい格子定数を有し、
    前記第１バリア層は、前記基板の格子定数よりも小さい格子定数を有し、
    前記第２井戸層及び前記第２バリア層のそれぞれは、前記基板に格子整合する格子定数を有する、量子カスケードレーザ。
  2. 前記基板に対する前記第２井戸層の歪みの絶対値が０．３％以下である、請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
  3. 前記基板に対する前記第２バリア層の歪みの絶対値が０．３％以下である、請求項１又は請求項２に記載の量子カスケードレーザ。
  4. 前記基板に対する前記第１井戸層の歪みの絶対値が０．５％以上である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
  5. 前記基板に対する前記第１バリア層の歪みの絶対値が０．５％以上である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
  6. 前記少なくとも１つの格子整合層が、互いに隣接して配置された複数の格子整合層である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
  7. 前記少なくとも１つの歪み補償層が複数の歪み補償層であり、
    前記少なくとも１つの格子整合層が、前記複数の歪み補償層間に配置される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の量子カスケードレーザ。
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