JP4440571B2

JP4440571B2 - 量子カスケードレーザ

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Publication number: JP4440571B2
Application number: JP2003274306A
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Inventors: 直大秋草; 忠孝枝村
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
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Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2023-07-14
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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。

近年、半導体材料を用いた赤外発光素子として、量子カスケードレーザの開発が進められている。量子カスケードレーザは、温度依存性の小さい量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用して光を生成するレーザ光源であり、原理的には波長３〜７０μｍ程度の波長領域の光を生成することが可能である。

上述したように量子カスケードレーザはサブバンド間遷移を利用したＰＮ接合を有しないユニポーラデバイスであって、周波数応答が高速であること、緩和振動が小さいこと、多重波長発振が可能であること及び温度特性に優れていることなどの特徴を備えている。

このような量子井戸カスケードレーザとしては、半導体基板としてＩｎＰ基板を用いた量子カスケードレーザ（ＩｎＰ−ＱＣＬ）が主に知られている。また、ＩｎＰよりも安価であり結晶性に優れたＧａＡｓ基板を用いた量子カスケードレーザ（ＧａＡｓ−ＱＣＬ）も開発されている。非特許文献１には、基板の半導体材料としてＧａＡｓを用いた量子カスケードレーザ（ＧａＡｓ−ＱＣＬ）が開示されている。この非特許文献１に記載のＧａＡｓ−ＱＣＬでは、活性層をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層から構成し、ＧａＡｓ基板と活性層との間に、ＧａＡｓ基板側から順に導波路クラッド層（ｎ⁺⁺型ＧａＡｓ層）及び導波路コア層（ｎ型ＧａＡｓ層）を設けている。そして、この構成により、温度７７Ｋ、波長９μｍでレーザ発振したことが報告されている。
C.Sirtori et. al., "Low-loss Al-free waveguides for unipolar semiconductor lasers", Appl. Phys. Lett. vol.75 (1999) pp.3911-3913.

半導体基板としてＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ−ＱＣＬの場合には、ドライエッチング等のプロセス技術を用いて超微細加工を施すことが可能であり、更なる高性能化や高機能化が期待できる。また、安価な原材料を使用できることからコスト面でも優れている。そして、パルス動作においてはＩｎＰ−ＱＣＬのピーク出力を凌駕している。このようにＧａＡｓ―ＱＣＬではＩｎＰ−ＱＣＬよりも優れたいくつかの特徴を有しており、ＧａＡｓ−ＱＣＬの高性能化（例えば、高温での連続（ＣＷ）発振）が望まれていた。

ところで、一般に、赤外域の波長の光を放射する半導体レーザは冷却器を必要としている。これは、可視域の波長の光を放射する半導体レーザよりも小さいエネルギーギャップ遷移を利用しているので、キャリアの熱分布に極めて敏感だからである。量子カスケードレーザにおいてもＣＷ動作は冷却しなければならならず冷却器を必要としていた。特に素子自体の自己発熱が大きいと冷却が必要であった。

本発明者らは、ＧａＡｓ−ＱＣＬを高温でＣＷ発振させることに関して鋭意研究を重ね、以下のことを見出した。すなわち、非特許文献１に記載のＧａＡｓ−ＱＣＬの構成では、導波路クラッド層での自由キャリア吸収を低減するために光の強度を導波路クラッド層までに十分減衰させる必要から導波路コア層の厚さを十分厚くしなければならなかった。そのため、ＧａＡｓ−ＱＣＬの素子抵抗が増大され自己発熱が大きくなっていた。

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、素子抵抗が低減された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、ＧａＡｓからなる半導体基板と、半導体基板上に設けられており、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する複数の量子井戸発光層、及び、それら複数の量子井戸発光層間夫々に設けられ量子井戸発光層と共にカスケード構造を形成している複数の注入層を有する活性層と、活性層上に設けられＧａＡｓからなるＧａＡｓ層と、を備え、活性層の量子井戸発光層及び注入層が、V族元素としてＡｓ、Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つと窒素とを含むIII-V族化合物半導体を含んで構成されており、半導体基板、活性層及びＧａＡｓ層は、半導体基板及びＧａＡｓ層を導波路クラッドとする導波路構造を構成している、ことを特徴とする。

上記構成によれば、活性層の実効的な屈折率を、ＧａＡｓからなる半導体基板よりも大きくすることが可能である。これにより、半導体基板を導波路クラッド層として機能させ、活性層自体を導波路コア層として機能させることができる。この場合、素子の厚さを薄くすることができるので、素子抵抗を低減してその素子抵抗による素子の自己発熱を抑制できる。また、半導体基板と活性層との間の層構造を簡略化することができる。

本発明に係る量子カスケードレーザでは、III-V族化合物半導体における窒素の組成比が０．１％以上４０％以下であることが望ましい。窒素の組成比が０．１％以上であることにより、活性層への光の閉じ込めをより確実にすることが可能である。また、窒素の組成比が４０％以下であることによりバンドギャップを小さくすることができる。

更にまた、本発明に係る量子カスケードレーザでは、半導体基板と活性層との間、及び、活性層とＧａＡｓ層との間のうちの少なくとも一方に活性層に隣接して設けられ、V族元素としてＡｓ、Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つと窒素とを含むIII-V族化合物半導体から構成される半導体層を備えることが好適である。この場合には、上記半導体層及び活性層を全体としてコア層として機能させることができる。そして、そのコア層の実効的な屈折率を、ＧａＡｓからなる半導体基板の屈折率、或いはさらに活性層の実効的な屈折率よりも大きくすることが可能であるので、光閉じ込めを強固にすることができる。

本発明による量子カスケードレーザでは、V族元素としてＡｓ、Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つと窒素とを含むIII-V族化合物半導体を活性層に用いることにより、活性層の実効的な屈折率をＧａＡｓ基板よりも高めることが可能である。そのため、ＧａＡｓからなる半導体基板をクラッド層として機能させることができるので、素子の厚さを薄くすることができる。これにより、素子抵抗が低減されて自己発熱を抑制することが可能である。また、ＧａＡｓからなる半導体基板と活性層との間の層構造を簡略化することができる。

更に、本発明による量子カスケードレーザでは、発振波長の短波長化を実現できる。これにより、従来、中赤外に限られていた短波長限界を近赤外域まで延ばすことができる。

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。
（第１の実施形態）
図１及び図２を参照して、本発明による量子カスケードレーザの第１の実施形態の構成について説明する。図１は、本実施形態の量子カスケードレーザ１を示す側面断面図である。図１に示したレーザ１は、基板の半導体材料としてＧａＡｓを用いた量子カスケードレーザである。

レーザ１は、０．５〜４×１０¹⁷cm^-3程度の低濃度ドープのＧａＡｓ基板（半導体基板）１０上に、活性層１１、導波路クラッド層１２、導波路クラッド層１３及びコンタクト層１４が順次積層されて構成されている。また、レーザ１の側面のうち、対向している所定の２面には、本レーザ１での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１１は、ＧａＡｓ基板１０上に隣接して形成され、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用して所定波長の光（例えば中赤外の波長領域内にある光）を生成する半導体層である。

具体的には、活性層１１は、量子井戸発光層（量子井戸活性層）、及び注入層が交互に積層されることにより、量子井戸発光層が多段に設けられたカスケード構造を有して形成されている。言い換えれば、活性層１１は、複数の量子井戸発光層と、それら複数の量子井戸発光層の間夫々に設けられカスケード構造を形成している複数の注入層を有している量子井戸発光層及び注入層の積層数は適宜設定されるが、一組の量子井戸発光層及び注入層を積層ユニットとした場合に、積層ユニットを３６層積層することが例示される。また、積層ユニットの厚さ（量子井戸発光層及び注入層の積層方向の厚さ）としては、約４５．３ｎｍが例示される。なお、積層ユニットの膜厚、及び、積層ユニットの積層数はこれに限る必要はない。

図２は、活性層１１のカスケード構造、及び量子井戸構造でのサブバンド間遷移の一例について示す模式図である。なお、図２においては、説明のため、活性層１１を構成している量子井戸発光層及び注入層による積層構造のうち、２層の量子井戸発光層１０２，１０４、及び発光層１０２，１０４に挟まれた１層の注入層１０３の３層について、そのカスケード構造を示している。

図２に示すように、量子井戸発光層１０２，１０４は、量子井戸層１１０と量子障壁層１１１とから構成されている。発光層１０２，１０４では、これらの量子井戸層１１０及び量子障壁層１１１により、例えば、局在化された量子準位ｎ＝１、２から夫々サブバンドＢ１、サブバンドＢ２が形成されている。

また、発光層１０２，１０４の間には、注入層１０３が設けられている。この注入層１０３は、量子井戸層１１２と量子障壁層１１３とから構成されており、量子井戸層１１２の幅が発光層１０２から発光層１０４へと向かう方向に沿って狭くなっていくように形成されている。

このような伝導帯量子準位構造の活性層１１を有するレーザ１にバイアス電圧を印加すると、電子１０１が発光層１０２のサブバンドＢ２に選択的に注入される。サブバンドＢ２に注入された電子１０１はサブバンドＢ１へと遷移し、このサブバンド間遷移により、サブバンドＢ１，Ｂ２のエネルギーギャップに相当する波長の光ｈνが生成される。

また、量子井戸発光層１０２のサブバンドＢ１へと遷移した電子１０１は、サブバンドＢ１から注入層１０３を通過して発光層１０４のサブバンドＢ２に選択的に注入される。そして、この電子１０１は、量子井戸発光層１０４においてサブバンドＢ２からサブバンドＢ1へと遷移する。このとき、サブバンドＢ１，Ｂ２のエネルギーギャップに相当する波長の光ｈνが生成される。量子井戸発光層１０２，１０４においてそれぞれ生成される光ｈνは、レーザ１の光共振器により共振されて、所定波長のレーザ光として出力される。さらに、上述したような量子井戸構造におけるサブバンド間遷移により光を生成する量子井戸発光層、及び注入層を多数交互に積層することにより、電子は量子井戸発光層をカスケード的に次々に移動するとともに、各発光層でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。

レーザ１においては、半導体基板としてＧａＡｓ基板１０が用いられていることに対応して、量子井戸層はV族元素としてのＡｓと窒素（Ｎ）とを含むIII−Ｖ族化合物半導体であるＧａＩｎＮＡｓから構成され、量子障壁層はＡｌＧａＡｓから構成されている。ここで、ＧａＩｎＮＡｓの一般式Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-yにおけるＩｎ及びＮの組成は種々考えられるが、例えば、Ｉｎの組成比ｘは０．０３、Ｎの組成比ｙは０．００４４である。このようなＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層として量子井戸発光層及び注入層を構成することで活性層１１の実効的な屈折率はＧａＡｓ基板１０よりも大きくなっている。

図１を参照すると、活性層１１からみてＧａＡｓ基板１０と反対側（図中の上側）の活性層１１上には、活性層１１から順に導波路クラッド層１２及び導波路クラッド層１３が形成されている。導波路クラッド層１２は、ｎ型のＧａＡｓ層からなる半導体層であり、活性層１１の屈折率より小さい屈折率を有する。また、導波路クラッド層１３は、ｎ⁺⁺型のＧａＡｓ層からなる半導体層であり、導波路クラッド層１２よりも更に小さい屈折率を有する。

また、上述したように導波路クラッド層１３上にはレーザ１に電流を注入する電極を接触させるためのコンタクト層１４が形成されている。

上記レーザ１における各半導体層の厚さ及びキャリア濃度の一例は表１のとおりである。

表１において、活性層１１は、上記量子井戸層及び量子障壁層を積層した量子井戸発光層及び注入層からなる積層ユニットを３６層積層することが例示され、この場合、例えば、積層ユニットの各層の厚さ（積層方向の厚さ）、積層順序及び各層のキャリア密度は図３に示す図表のとおりである。積層ユニットの構造は、図３の構造に限定されない。

上述したレーザ１は、例えば、ガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いて作製することができる。この方法では、ＧａＡｓ基板１０上に、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ活性層１１、導波路クラッド層１２及び導波路クラッド層１３を順次成長させてレーザ１における積層構造を形成する。

ここで、活性層１１を構成しているＡｌＧａＡｓ層、及び、導波路クラッド層１２，１３であるＧａＡｓ層は従来の成長温度、すなわち６００℃前後で成長させれば良いが、ＧａＩｎＮＡｓ層については、Ｉｎの相分離を考慮に入れて４５０℃程度で成長させることが好ましい。また、ドーパントが注入されたＧａＡｓ層である導波路クラッド層１２，１３のドーパントとしては、Ｓｉが例示される。

上記レーザ１において、活性層１１の量子井戸層がＧａＩｎＮＡｓから構成されていることが重要である。カスケード構造を形成している量子井戸発光層及び注入層が、Ｎを含むIII-V族化合物半導体を用いて構成されているので、上述したように活性層１１の実効的な屈折率が、ＧａＡｓ基板１０及び導波路クラッド層１２よりも高くなっている。従って、ＧａＡｓ基板１０、活性層１１及び導波路クラッド層１２により導波路構造が形成されている。言い換えれば、活性層１１は、光を生成する機能と共に生成した光を導波する導波路コア層としての機能も有する。

図４は、レーザ１の屈折率分布と、活性層１１で生成された光のレーザ１における光強度分布とを示す図である。横軸は、図１においてＧａＡｓ基板１０と活性層１１との界面を基準にした場合の各層までの距離ｘを示している。縦軸は光強度及び屈折率を示している。また、実線I及び実線II夫々は光強度分布及び屈折率分布である。計算条件は次の通りである。すなわち、活性層１１の量子井戸層はＧａ_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ_0.0044Ａｓ_0.9956から構成され、量子障壁層はＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓから構成されているとした。また、活性層１１は、上記量子井戸層及び量子障壁層を積層した量子井戸発光層及び注入層からなる積層ユニットを３６層積層したものとした。積層ユニットの各層の厚さ（積層方向の厚さ）及び積層順序は図３に示す図表のとおりである。更に、上記構成の活性層１１では、波長７μｍの光が発せられるとした。

図４を参照すると、レーザ１における活性層１１の屈折率は３．３０であり、上述したように活性層１１はＧａＡｓ基板１０（屈折率：３．２３）及び導波路クラッド層１２よりも大きい屈折率を有している。従って、実線Iから理解されるように、活性層１１での光閉じ込めが可能となっている。このときの光閉じ込め係数は０．３５である。

ここで、比較のために従来の量子カスケードレーザの構成例について説明する。図５は、従来の量子カスケードレーザを示す側面断面図である。図５に示したレーザ９は、ＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の量子カスケードレーザである。

レーザ９は、ＧａＡｓ基板９０上に、導波路クラッド層９１、導波路コア層９２、活性層９３、導波路コア層９４、導波路クラッド層９５及びコンタクト層９６が順に積層されて構成されている。

導波路クラッド層９１，９５はｎ⁺⁺型のＧａＡｓ層からなる半導体層であり、導波路コア層９２，９４はｎ型のＧａＡｓ層からなる半導体層である。また、活性層９３は、図１の活性層１１と同様のカスケード構造を有している。ただし、活性層９３では量子井戸層がＧａＡｓから構成され、量子障壁層がＡｌＧａＡｓから構成されている。

レーザ９におけるＧａＡｓ基板９０のキャリア濃度、及び、各層の厚さ及びキャリア濃度の一例は表２のとおりである。

表２において、活性層９３は、量子井戸層（ＧａＡｓ）及び量子障壁層（ＡｌＧａＡｓ）を積層した量子井戸発光層及び注入層からなる積層ユニットを３６層積層することが例示され、この場合、例えば、積層ユニットの各層の厚さ（積層方向の厚さ）、積層順序及び各層のキャリア密度は図６に示す図表のとおりである。

レーザ９は、半導体基板として３×１０¹⁸ｃｍ^-3程度に高濃度ドープされたＧａＡｓ基板９０を用いている点、活性層９３の量子井戸層としてＧａＡｓを用いている点、活性層９３とＧａＡｓ基板９０との間に導波路クラッド層９１及び導波路コア層９２を設けている点でレーザ１と相違する。

図７は、レーザ９における屈折率分布と光強度分布とを示す図である。横軸は、図５においてＧａＡｓ基板９０と導波路クラッド層９１との界面を基準にした場合の各層までの距離ｘを示している。縦軸は光強度及び屈折率を示している。また、実線III及び実線IV夫々は、光強度分布及び屈折率分布である。計算条件は次の通りである。すなわち、活性層９３の量子井戸層はＧａＡｓから構成され、量子障壁層はＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓから構成されているとした。また、活性層９３は、量子井戸層と量子障壁層とを積層した量子井戸発光層及び注入層からなる積層ユニットを更に３６層積層して構成した。積層ユニットの各層の厚さ（積層方向の厚さ）及び積層順序は図６に示す図表のとおりである。更に、上記構成において、活性層９３で波長９μｍの光が発せられるとした。活性層９３の実効的な屈折率は３．２１であり、ＧａＡｓ導波路コア層９２，９４の屈折率よりも小さい。そのため、活性層９３に光を閉じ込めるために、高濃度ドーピングされた導波路クラッド層９１，９５が設けられている。

図７に示すように、活性層９３の実効的な屈折率は導波路コア層９２，９４の屈折率よりも小さいので、活性層９３での光閉じ込めは十分にできていない。そのため、導波路クラッド層９１，９５での自由キャリア吸収を低減するために、導波路コア層９２，９４を十分に厚く（例えば、３．５μｍ）して、光が導波路クラッド層９１，９５に達するまでに光強度を減衰させなければならなかった。これにより、レーザ９の厚さが増加するので素子の直列抵抗が増大して自己発熱が大きくなっていた。

これに対して、本実施形態のレーザ１では、上述したようにＧａＩｎＮＡｓを活性層１１に用いていることから、ＧａＡｓ基板１０を導波路クラッド層として用いることができる。従って、図５に示したレーザ９における導波路クラッド層９１と導波路コア層９２とを省くことができる。これにより、ＧａＡｓ基板１０上の層厚が薄くなり素子抵抗が小さくなるので素子の自己発熱が低減される。そのため、安価で結晶性により優れたＧａＡｓ基板を用いた量子カスケードレーザにおいて、電子冷却温度でのＣＷ動作や室温でのＣＷ動作、及び高出力化などの高性能化を図ることが可能である。更に、ＧａＡｓ基板１０上の層が少ないことから製造工程が簡略化され、レーザ１の製造効率を向上させることもできる構成である。

また、通常、電子―正孔再結合に基づいたバンド間遷移レーザでは正孔に対する閉じ込めが弱まるのを回避するために、格子整合組成を避けて高歪み領域の組成が用いられていた。これは、ＧａＡｓに格子整合する領域におけるＧａＩｎＮＡｓの価電子帯レベルはＧａＡｓのそれに近接することから価電子帯バンド不連続がほぼなくなるからでる。

これに対して、レーザ１では、伝導帯サブバンド間の遷移のみを利用しているのでＧａＡｓと格子整合する領域のＧａＩｎＮＡｓを用いることができる。そして、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＮＡｓを用いることにより良質なヘテロエピタキシャル成長をさせることができるので、レーザ１はより優れた結晶性を備えることが可能となっている。

上記レーザ１の構成の説明において、活性層１１に用いられるＧａＩｎＮＡｓにおける窒素の組成比として０．４４％を例示したが、窒素の組成比は０．１％以上４０％以下であれば良く、更に０．１％以上１０％以下であることが好ましい。

図８は、レーザ１において、ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素の組成比と活性層１１における光閉じ込め係数との関係を示した図である。より具体的には、Ｉｎの組成比が０.０３であるＧａ_0.97Ｉｎ_0.03Ａｓに窒素を添加した場合の活性層１１の光閉じ込め係数の変化（言い換えれば、屈折率の変化）を示した図である。図８から理解されるように窒素の組成比が０．１％より小さい領域（図８の斜線部）では計算解が存在せず光閉じ込めができていない。言い換えれば、ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素の組成比が０．１％より小さい場合には、活性層１１の導波モードは漏洩モードとなっておりレーザ発振が生じない。そのため、ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素の組成比は０．１％以上であることが好適である。なお、計算に際しては、活性層１１において波長７μｍの光が生成されているとした。

一方、ＧａＩｎＮＡｓなどの窒素を含むIII-N-V型混晶型半導体は窒素の電気陰性度が他の原子に比べて大きいことから混晶組成に対して巨大なバンドボウイングを持つことが知られている。ＧａＡｓに窒素を添加するとワイドギャップのＧａＮに近づくために通常はバンドギャップが大きくなると予想されるが、巨大なバンドボウイングにより一度ＧａＡｓのバンドギャップより減少してからＧａＮに向けて増加することが知られている。Bellaicheらによると、窒素の組成比が１０％程度まではバンドギャップが急激に減少し、その後は緩やかとなり、窒素の組成比が４０％以上でバンドギャップは増加に転じることが示されている（Phys. Rev. B. Vol. 54, p17568 (1996) ）。

また、ＧａＩｎＡｓはＧａＡｓを中心として、窒素を添加することによりバンドギャップが小さくなると共に格子定数も小さくなる。一方、Ｉｎを添加するとバンドギャップが小さくなると共に格子定数は大きくなる。従って、ＧａＡｓに格子整合するＧａ_1-xＩｎ_xＮ_yＡｓ_1-yの組成はＩｎとＮとにより様々な値を取り得るが、窒素を添加してバンドギャップが小さくなるのは窒素の組成比が４０％程度であることから、窒素の組成比は４０％以下であることが好適である。

ところで、非特許文献１には、７７Ｋで波長９μｍにてレーザ発振したことが示されているが、量子カスケードレーザにおいて、達成可能な最短発振波長は材料固有の伝導帯不連続（ΔＥ_c）に依存する。図９は、従来のＧａＡｓ基板を用いた量子カスケードレーザにおける量子井戸層Ｗと量子障壁層Ｂとの伝導帯不連続の一例を示す模式図である。図９では、量子井戸層ＷをＧａＡｓから構成し、量子障壁層ＢをＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓから構成した場合を示している。図９に示す構成では、ΔＥ_cは０．２６４ｅＶと見積もられ、その半分がサブバンド間遷移に使用されると仮定した場合、波長が約８μｍの光ｈν₁が生成される。

これまでＧａＡｓ基板を用いた量子カスケードレーザの短波長限界は上述したような８μｍとなっており、ＩｎＰ基板を用いた量子カスケードレーザの短波長限界は３．５μｍとなっている。なお、量子カスケードレーザの短波長化は、大きな伝動帯不連続を有するナイトライド系材料（ＧａＮ／ＡｌＮ）でも行われているが、良好な伝導性基板がないことに加えて設計と製造技術の両面で困難があり十分な結果は得られていない。

これに対して、レーザ１の構成では発振波長の短波長化が可能である。図１０は、量子井戸層（例えば、図２の１１０）をＧａ_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ_0.02Ａｓ_0.98から構成し、量子障壁層（例えば、図２の１１１）をＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓから構成した場合の伝導帯不連続の模式図である。この場合の伝導帯不連続（ΔＥ_c）は０．６１１ｅＶと見積もられる。上記と同様にΔＥ_cの半分がサブバンド間遷移に使用されると仮定した場合、波長が約４μｍの光ｈν₂が生成され、従来の短波長限界８μｍを凌駕することが可能となる。量子カスケードレーザは、サブバンド間遷移を利用していることから、周波数応答が高速であり、緩和振動が小さく、多重波長発振が可能であるなどの特徴を有する。そのため、上述したように発振波長の短波長化が可能となれば、通信用の光源としての応用が可能である。

以上のように、図１に示した構成の量子カスケードレーザ１によれば、活性層１１の量子井戸層が窒素を含んだＧａＩｎＮＡｓから構成されているので、活性層１１の実効的な屈折率がＧａＡｓ基板１０よりも大きくなる。この場合、ＧａＡｓ基板１０をクラッド層として機能させることができるので、ＧａＡｓ基板１０上に隣接して活性層１１を形成することが可能である。従って、レーザ１の半導体基板上の層厚が従来よりも薄くなり、レーザ１の素子抵抗が低減され、レーザ１の自己発熱が抑制される。これにより、レーザ１の高出力化が図られ、更に、高温での連続（ＣＷ）発振も可能となる。
（第２の実施形態）
図１１は、本発明による量子カスケードレーザの第２の実施形態の構成を示す側面断面図である。図１１に示したレーザ２は、図１に示したレーザ１と同様に、ＧａＡｓ基板を用いた量子カスケードレーザである。

レーザ２は、３×１０¹⁸ｃｍ^-3程度に高濃度ドープされたＧａＡｓ基板２０上に、ｎ型のＧａＡｓ層２１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ活性層１１、ｎ型のＧａＡｓ層２２、導波路クラッド層１３及びコンタクト層１４が順に積層されて構成されている。また、第１の実施形態のレーザ１と同様に、レーザ２の側面のうち対向している所定の２面には、本レーザ２での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。ＧａＡｓ基板２０のキャリア濃度、並びに、各層の厚さ及びキャリア濃度の一例は表３の通りである。なお、活性層１１の構成は第１の実施形態と同様であり、図３の図表に示す構成の積層ユニットが３６層積層されたものが例示される。

レーザ２は、半導体基板として３×１０¹⁸ｃｍ^-3程度に高濃度ドープされたＧａＡｓ基板２０を用いている点、活性層１１とＧａＡｓ基板２０との間にｎ型のＧａＡｓ層２１を設けている点でレーザ１と相違する。

上記構成のレーザ２でも、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層に用いた活性層１１を有しており、活性層１１の実効的な屈折率はＧａＡｓ基板２０およびＧａＡｓ層２１，２２よりも大きくなっている。そのため、図５のレーザ９のように、活性層１１とＧａＡｓ基板２０との間に、導波路クラッド層９１を設ける必要はなく、ＧａＡｓ層２１を薄くすることができる。その結果、ＧａＡｓ基板２０上の層厚を薄くすることができるので、第１の実施形態の場合と同様に素子抵抗を低減することができる。また、レーザ２において、その発振波長がＧａＡｓ基板を用いた従来の量子カスケードレーザよりも短波長化できるのは、第１の実施形態の場合と同様である。

図１２は、本実施形態におけるレーザ２の光強度分布及び屈折率分布を示す図である。計算条件は、第１の実施形態の場合と同じである。横軸は、図１１においてＧａＡｓ基板２０とＧａＡｓ層２１との界面を基準にした場合の各層までの距離ｘを示している。縦軸は、光強度及び屈折率を示している。また、実線V及び実線VI夫々は、光強度分布及び屈折率分布を示している。図１２から理解されるように、ＧａＡｓ基板２０と活性層１１との間であってＧａＡｓ基板２０上のｎ型のＧａＡｓ層２１は、活性層１１を挟んで反対側のＧａＡｓ層２２と共に実質的にコア層として機能している。

図１３は、ＧａＡｓ層２１の厚さと光閉じ込め係数との関係を示した図である。横軸はＧａＡｓ層２１の厚さを示し、縦軸は光閉じ込め係数を示している。図１３から理解されるように、光閉じ込め係数は、ＧａＡｓ層２１の厚さが０．０μｍ〜２．０μｍの範囲では単調に増加しており、厚さが２．０μｍを越えると減少している。そのため、ＧａＡｓ層２１の厚さは２．０μｍ以下であることが望ましい。

また、ＧａＡｓ層２１の厚さが１．０μｍ近傍では光閉じ込め係数が約０．４０で、厚さが２．０μｍ近傍では光閉じ込め係数が約０．４３となっている。これから理解されるように、ＧａＡｓ層２１を設け、その厚さを適宜調整することにより活性層１１への光閉じ込め効果を増強することができている。
（第３の実施形態）
図１４は、本発明による量子カスケードレーザの第３の実施形態の構成を示す側面断面図である。図１４に示したレーザ３は、図１に示したレーザ１と同様に、ＧａＡｓ基板を用いた量子カスケードレーザである。

レーザ３は、第２の実施形態のレーザ２において、ＧａＡｓ層２１と活性層１１との間、及び、活性層１１とＧａＡｓ層２２との間に夫々活性層１１に隣接したアンドープのＧａＩｎＮＡｓ層３１，３２を設けた点でレーザ２と相違する。ＧａＩｎＮＡｓ層３１，３２の典型的な厚さは０．３μｍが例示される。

上記構成では、ＧａＡｓ層２１、ＧａＡｓ層２２の間の各層、すなわち、ＧａＩｎＮＡｓ層３１、活性層１１、ＧａＩｎＮＡｓ層３２は全体としてコア層として機能し、ＧａＡｓ基板２０及び導波路クラッド層１３と共に導波路構造を形成している。

上記ＧａＩｎＮＡｓ層３１，３２の組成は、活性層１１に用いられているＧａＩｎＮＡｓと同じ組成であるが、ＧａＩｎＮＡｓ層３１，３２の屈折率は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ活性層１１の実効的な屈折率よりも大きい。従って、上述したＧａＡｓ層２１，２２の間の各層から構成されるコア層の実効的な屈折率が大きくなる。これにより光閉じ込めをより強固にすることができる。活性層１１とＧａＩｎＮＡｓ層３１，３２で構成されるコア層の実効的な屈折率がＧａＡｓ基板２０およびＧａＡｓ層２１，２２よりも大きいことから、ＧａＩｎＮＡｓ層３１，３２の典型的な厚さ（０．３μｍ）で例示したようにＧａＩｎＮＡｓ層３１，３２は薄くても良い。そのため、ＧａＡｓ基板２０上の全体の層厚が図５に示す従来のレーザ９よりも薄くなり、素子抵抗を低減することができている。また、上記レーザ３の発振波長がＧａＡｓ基板を用いた従来の量子カスケードレーザよりも短波長化できるのは、第１の実施形態の場合と同様である。

図１５は、レーザ３の光強度分布と屈折率分布とを示す図である。計算条件は、第１の実施形態の場合と同じである。また、横軸及び縦軸は図１２と同様である。図１５における実線VII及び実線VIIIは夫々光強度分布及び屈折率分布を示している。図１５から、上述したようにＧａＡｓ層２１，２２の間の各層から構成される層は全体としてコア層として機能していることが理解できる。

以上本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、活性層１１における量子井戸層をＧａＩｎＮＡｓから構成しているが、V族元素としてＡｓ、Ｐ、Ｓｂのうち少なくとも１つと窒素とを含むIII-V族化合物半導体から構成されていれば良い。

また、量子カスケードレーザにおける積層構造の作製方法については、ガスソースＭＢＥ法による例を示したが、Ｎ（窒素）源をプラズマソースとした固体ソースＭＢＥ法、あるいはＭＯＣＶＤ法などを用いて作製しても良い。

更に、例えば図１に示したレーザ１では、活性層１１はＧａＡｓ基板１０と格子整合していることが望ましいが、光学的特性が優先されるため、レーザ特性に過度の影響を与えない範囲であれば、ある程度の格子不整合は許容される。

更にまた、第１の実施形態では、ＧａＡｓ基板として低濃度ドープしたＧａＡｓ基板としているが、アンドープのＧａＡｓ基板を用いることも可能である。また、第２の実施形態及び第３の実施形態では、ＧａＡｓ基板として高濃度ドープしたＧａＡｓ基板を用いているが、低濃度ドープＧａＡｓ基板を用いても良い。また、第３の実施形態では、ＧａＡｓ基板２０上の積層構造において活性層１１の両外側にＧａＩｎＮＡｓ層３１，３２を設けているが必ずしも両外側に設けている必要はなく、更にＧａＩｎＮＡｓ層でなくても良い。例えば、活性層１１とＧａＡｓ基板２０との間、及び、活性層１１に対してＧａＡｓ基板２０と反対側のうちの少なくとも一方に活性層１１と隣接して、V族元素としてＡｓ、Ｐ、及びＳｂのうちの少なくとも１つと窒素とを含むIII-V族化合物半導体から構成される半導体層が設けられていれば良い。

また、活性層１１のカスケード構造の説明では、一例として２つのサブバンドＢ１，Ｂ２が形成されているとしたが、２つのサブバンドが形成されている場合に限らない。量子井戸層及び量子障壁層の膜厚等を変えることにより３つ以上のサブバンドが形成されていても良い。この場合には、異なるサブバンド間遷移を利用することにより異なる波長の光を生成することも可能である。

量子カスケードレーザの第１の実施形態の構成を示す側面断面図である。活性層のカスケード構造、及び量子井戸構造でのサブバンド間遷移の一例について示す模式図である。活性層１１を構成する積層ユニットの各層の厚さ、各層の積層順序及びキャリア濃度の一例を示す図表である。図１の量子カスケードレーザにおける屈折率分布と光強度分布とを示す図である。従来の量子カスケードレーザの構成の一例を示す側面断面図である。活性層９３を構成する積層ユニットの各層の厚さ、各層の積層順序及びキャリア濃度の一例を示す図表である。図５の量子カスケードレーザにおける屈折率分布と光強度分布とを示す図である。活性層を構成するＧａＩｎＮＡｓにおける窒素の組成比と光閉じこめ係数との関係を示す図である。従来の量子カスケードレーザにおける量子井戸層と量子障壁層との伝導帯不連続の一例の模式図である。第１の実施形態に係る量子カスケードレーザにおける量子井戸層と量子障壁層との伝導帯不連続の一例の模式図である。量子カスケードレーザの第２の実施形態の構成を示す側面断面図である。図１１の量子カスケードレーザにおける屈折率分布と光強度分布とを示す図である。図１１の量子カスケードレーザにおけるＧａＡｓ層２１の厚さと光閉じ込め係数との関係を示す図である。量子カスケードレーザの第３の実施形態の構成を示す側面断面図である。図１２の量子カスケードレーザにおける屈折率分布と光強度分布とを示す図である。

符号の説明

１、２、３…量子カスケードレーザ、１０…ＧａＡｓ基板、１１…ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ活性層、１２、１３…導波路クラッド層、１４…コンタクト層、２０…ＧａＡｓ基板、２１…ＧａＡｓ層、２２…ＧａＡｓ層、３１，３２…ＧａＩｎＮＡｓ層、１０１…電子、１０２…量子井戸発光層、１０３…注入層、１０４…量子井戸発光層、１１０…量子井戸層、１１１…量子障壁層、１１２…量子井戸層、１１３…量子障壁層、Ｂ１，Ｂ２…サブバンド。

Claims

ＧａＡｓからなる半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられており、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する複数の量子井戸発光層、及び、それら複数の量子井戸発光層間夫々に設けられ前記量子井戸発光層と共にカスケード構造を形成している複数の注入層を有する活性層と、
前記活性層上に設けられＧａＡｓからなるＧａＡｓ層と、
を備え、
前記活性層の前記量子井戸発光層及び前記注入層が、V族元素としてＡｓ、Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つと窒素とを含むIII-V族化合物半導体を含んで構成されており、
前記半導体基板、前記活性層及び前記ＧａＡｓ層は、前記半導体基板及び前記ＧａＡｓ層を導波路クラッドとする導波路構造を構成している、
ことを特徴とする量子カスケードレーザ。
前記III-V族化合物半導体における前記窒素の組成比が０．１％以上４０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
前記半導体基板と前記活性層との間、及び、前記活性層と前記ＧａＡｓ層との間のうちの少なくとも一方に前記活性層に隣接して設けられ、V族元素としてＡｓ、Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つと窒素とを含むIII-V族化合物半導体から構成される半導体層を備えることを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ。