JP5160708B2 - サブバンド間超格子光エミッタおよび量子カスケード超格子レーザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サブバンド間（ＩＳＢ：intersubband）超格子（ＳＬ：superlattice）発光器（光エミッタ）に関し、特に、ほぼ平坦なミニバンドおよび空間的に対称な波動関数を有する量子カスケード（ＱＣ：quantum cascade）ＳＬレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＳＢ ＳＬレーザでは、光学的遷移（光遷移）が、上側ミニバンド（すなわち、そのバンドの最下部またはその付近のエネルギー状態）と、下側サブバンド（すなわち、そのバンドの最上部またはその付近のエネルギー状態）との間で起こる。このようなレーザが正しく作用するためには、上側および下側（上下）のミニバンドのフラットバンド（平坦バンド）条件が存在しなければならない。すなわち、次の２つの条件が満たされなければならない。
（１）それぞれの放射遷移（ＲＴ：radiative transition）領域が、隣接する注入／緩和（Ｉ／Ｒ：injection/relaxation）領域と巨視的に整列する（揃う）こと。
（２）さらに重要なことであるが、それぞれのＲＴ内で上側レーザエネルギーレベルが微視的に整列すること（かつ、下側レーザレベルが同様に整列すること）。
しかし、印加電界（例えば、レーザ発振を誘導するためにレーザを横断して加えられる外部バイアス）がある場合、量子井戸（ＱＷ：quantum well）層間の量子状態は、ほぼ同一のＱＷ領域のＳＬを用いた場合、電界の方向でどんどん高いエネルギーにシフトする。この問題点は、米国特許第６，０５５，２５４号（発明者：Capasso et al.、発行日：２０００年４月２５日、以下「Capasso米国特許」という）で解決されている。Capasso米国特許に記載されているＩＳＢ ＳＬレーザでは、ＳＬ内の印加電界の存在にかかわらず、平均として上下のミニバンドのほぼ平坦なプロファイルを達成するように、ＳＬ周期を変化させることによって、内部電子ポテンシャルにプリバイアスされる。Capasso米国特許の図２（本願の図２とほぼ同一）には、印加電界がある場合の実質的フラットバンド条件が示されている。すなわち、各ＲＴ領域（例えば、ＲＴ１４．５）内のミニバンド２の最下部またはその付近のエネルギー状態（その波動関数で表されている）は、ミニバンド１の最上部またはその付近のエネルギー状態と同様、そのＲＴ領域にわたり十分に広がっている。それぞれの上側ミニバンド２において、波動関数は、単極放射遷移（ＲＴ）領域の中点を通る垂直面（以下、中間面(midplane)という）に関してほぼ空間的に対称である。これに対して、それぞれの下側ミニバンド１では、波動関数は実質的に空間的に非対称である（中間面の右側のほうが大きいローブを有することで示されている）。この非対称性は、ミニバンドの幅が減少するとともに増大する。この非対称性の１つの効果は、光双極子行列要素が小さくなり、したがってエミッタの効率が低くなることである。
【０００３】
原理的に、Capasso米国特許の設計では、ミニギャップの両端（すなわち、光遷移に関連する２つのエネルギーレベル（状態））における２つの波動関数を対称にすることができるが、それは比較的狭い範囲の波長と電界においてのみである。しかし、これらの２つの状態の波動関数を対称にすると、他の多くの設計事項を最適化あるいは制御するのに必要な追加自由度がなくなる。例えば、次のパラメータ、すなわち、波動関数の形状と、２つのミニバンド内の残りの状態のエネルギー位置は、固定されることになり、これは、とりわけ、ミニバンドの電子の出入りや、ミニバンド内の光吸収に影響を及ぼす可能性がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ほぼ平坦なミニバンドを備えるのみならず、ほぼ空間的に対称な波動関数を備え、印加電界、所望の動作波長、波動関数の形状、および、ミニバンド内の残りの状態のエネルギー位置の独立制御が可能な設計のための、ＩＳＢＳＬエミッタの技術が必要とされている。ここで「独立制御」とは、あるパラメータセット内の１つのパラメータの値を、同じセット内の他のパラメータの値とは独立に選択することができることを意味する。以下では、このような選択を「任意」ということがある。
【０００５】
アプリケーションによっては、上下のミニバンド内のほぼすべての波動関数がほぼ空間的に対称なＩＳＢ ＳＬエミッタにおいて、上記の特徴を達成することが必要になる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの特徴によれば、ＩＳＢ光エミッタのＲＴ領域は、プリバイアスＳＬと、複数のスプリット量子井戸（ＳＰＱＷ：split quantum well）とを有する。ここで、ＳＰＱＷとは、上側および下側のエネルギー状態がそれらの自然幅を超えて分離して各ＲＴ領域で相異なるミニバンドに寄与するほどに十分に薄い少なくとも１つの障壁層によって、複数のサブ井戸に分割された量子井戸をいう。これに対して、隣り合うＳＰＱＷは、ミニバンドが各ＲＴ領域を横切って生成されるような厚さを有する別の障壁層によって互いに結合する。
【０００７】
一実施例では、本発明は、隣り合うＲＴ領域間にＩ／Ｒ領域を有し、別の実施例では、Ｉ／Ｒ領域は省略される（すなわち、インジェクタレス（注入源のない）ＩＳＢエミッタ）。
【０００８】
本発明によれば、光遷移に関連する少なくとも２つの波動関数（一実施例では、ミニバンド内のほぼすべての波動関数）は、空間的に対称となり、ミニバンド内のエネルギー位置、したがって、電子の注入および抽出を最適化するのに重要な追加自由度が提供される。ミニバンドのエネルギー位置の自由度を、電界の任意選択可能性と組み合わせることにより、インジェクタレスＩＳＢエミッタ設計が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下の記述では、次の順序で説明する。
・ＩＳＢ光エミッタの基本設計。
・ＲＴ領域のプリバイアスＳＬ設計。
・ＲＴ領域のＳＰＱＷ設計。
・ほぼ平坦なミニバンドおよびほぼ空間的に対称な波動関数の両方を有するようにこれらの設計特徴を組み込んだ、本発明によるレーザ。
ＲＴ領域を結合するＩ／Ｒ領域のあるＩＳＢレーザ、および、ＲＴ領域を結合するＩ／Ｒ領域のないＩＳＢレーザについても説明する。最後に、これらの両方のタイプのレーザの例について説明する。
【００１０】
［一般的なＩＳＢ ＳＬ光エミッタ］
図１を参照すると、ＩＳＢ ＳＬ半導体光エミッタ（例えば、ＱＣレーザ）１０は、上側クラッド領域１６と下側クラッド領域１２の間に挟まれたＳＬコア領域１４を有する。コア領域は、レーザの活性領域を含む。また、活性領域は、複数のＲＴ領域を含む。一実施例では、隣り合うＲＴ領域はＩ／Ｒ領域によって分離されるが、別の実施例でＩ／Ｒ領域は省略される。
【００１１】
一般に、ＩＳＢという用語は、ＲＴ領域およびＩ／Ｒ領域で起こる光遷移および電子遷移の周知の単極性を指す。
【００１２】
通常、エミッタのさまざまな層がその上に形成される基板は、下側クラッド領域として作用する。別法として、基板とは別に、下側クラッド領域を、基板とコア領域の間に形成することも可能である。実施例では、上側クラッド領域１６は、リッジ導波路レーザ構造に典型的なメサ（台形）状に形成されている。メサは、図示のように、コア領域１４で停止するように浅くエッチングされることも可能であり、あるいは、メサがコア領域内まで延びるように深くエッチングされる（ディープエッチ）ことも可能である。
【００１３】
いずれの場合でも、電気的絶縁層１８（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４やＳｉＯ_２）が、デバイスの最上部に形成され、メサの最上部の一部を露出する開口を形成するようにパターン形成される。別法として、絶縁層は、米国特許出願第０９／６１１，８８６号（出願日：２０００年７月７日、発明者：J. N. Baillargeon et al.）に記載されているタイプのカルコゲナイドガラスからなることも可能である。第１電極２０が、絶縁層１８の上、および、上側クラッド領域に接触するように開口内に（通常、高ドープ接触容易化層（図示せず）によって）形成され、第２電極２２が、基板１２上に形成される。
【００１４】
基板自体は、単結晶半導体であることも、単結晶半導体と他の層（例えば、単結晶半導体の上面に成長されたエピタキシャル層）との組合せであることも可能である。実施例では、このタイプのレーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（例えば、ＧａＩｎＡｓやＡｌＩｎＡｓのようなＩｎ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物）から製造される。
【００１５】
外部電圧バイアスを供給し、発光に十分な大きさのポンピングエネルギーをレーザに供給するために、駆動電流（図示せず）が電極に接続される。しきい値より下では、エミッタは、インコヒーレントな自然放出光源として動作するが、しきい値より上では、コヒーレントな誘導放出光源として動作する。後者の場合、光フィードバックを設けると、光源はレーザとして作用する。適当な光フィードバックは通常、例えば劈開結晶端面、分布フィードバック（ＤＦＢ）グレーティング、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、あるいはこれらの組合せによって形成される光空洞共振器により提供される。
【００１６】
［プリバイアスＳＬ］
図２に示すように、実施例では、コア領域１４は、複数（Ｎ個）の繰返しユニットを有する。各ユニットは、プリバイアスＳＬ ＲＴ領域１４．１と、Ｉ／Ｒ領域１４．２を有する。ＳＬの内部電子ポテンシャルにプリバイアスをかけることの効果は、印加バイアス電圧によって生成されるＳＬ内の電界の存在にかかわらず、上下のミニバンドの実質的フラットバンド条件を生成することである。具体的には、巨視的な観点からいうと、ある１つのＲＴ領域１４．１の下側ミニバンド１４．３は、隣のＲＴ領域１４．５の上側ミニバンド１４．４と整列し、整列した２つのミニバンドは、介在するＩ／Ｒ領域１４．２の単一のミニバンド１４．６に整合しこれによって架橋（橋渡し）される。他方、前述のように、微視的な観点から、それぞれの下側ミニバンド１において、波動関数は実質的に空間的に非対称である（中間面の右側のほうが大きいローブを有することで示されている）。この非対称性の１つの効果は、光双極子行列要素が小さくなり、したがってエミッタの効率が低くなることである。
【００１７】
このタイプのデバイスでは、レーザ発振は、ミニバンド間過程である。すなわち、波線の矢印１５で示されるように、ＲＴ領域１４．１において、波長λの誘導放出は、上側ミニバンド１４．７の最低エネルギーレベル２（波動関数Ｆ２）と、下側ミニバンド１４．３の最高エネルギーレベル１（波動関数Ｆ１）の間で起こる。同様の過程が他のＲＴ領域でも起こる。例えば、ＲＴ領域１４．５でも、レーザ発振は、同じ波長で、上側ミニバンド１４．４の最低エネルギーレベル２と、下側ミニバンド１４．８の最高エネルギーレベル１の間で起こる。
【００１８】
ＲＴ領域の内部電子ポテンシャルは、実際のポテンシャルがデバイスに組み込まれるという意味で、プリバイアスされる。すなわち、ＲＴ領域のＱＷ層の少なくとも第１のサブセットのエネルギーレベルは、ＱＷ層ごとにずらされる。一実施例では、プリバイアスは、これらのＱＷ層を横切る第１の方向（例えば、（バイアス電圧によって生成される）印加電界の方向に）にＱＷ層の厚さを単調増大させることによって達成される。好ましい実施例では、障壁層の第２のサブセットの厚さもまた、障壁層ごとに変えられる。好ましくは、これらの障壁層の厚さは、同じ第１方向に単調に減少または増大する。「サブセット」という用語は、ＲＴ領域内のすべてのＱＷ（あるいは障壁）層より少ない層も、ＲＴ領域内のすべてのＱＷ（あるいは障壁）層（すなわち、セット全体）も包含する。さらに、第１および第２のサブセットは、必ずしも同じ層のグループを包含する必要はなく、また、同数の層を含む必要もない。
【００１９】
プリバイアスＳＬ ＲＴ領域が上下の伝導ミニバンドの所望のフラットバンド条件をどのようにして提供するかをさらによく理解することができるように、図３および図４を参照して説明する。印加電界Ｅ_Ａがある場合の、ＳＬ内のミニバンド４０および４１の所望のフラットバンド条件を図３に示す。ここで、ＳＬは、従来の通常の、電界補償周期構造として示されており、それぞれのＱＷ層は同じ厚さｔ_ｗを有し、それぞれの障壁層は同じ厚さｔ_ｂを有する。しかし、何らかの形の補償電界ＥＣがなければ、図３の各ミニバンドは、それぞれの量子井戸内で、相異なるエネルギーの別々の量子状態に分裂する。この効果を利用して、印加電界がないときにずれているＳＬ量子状態が、印加電界があるときに同じ絶対エネルギーで互いに整列するようにする。そこで、図４に示すように、ＳＬは、電界Ｅ_Ａ（これはレーザの動作中にのみかけられるので、破線で示す）の方向に、ＱＷ層厚ｔ_ｗを増大させることによってプリバイアスされる。したがって、例えば、ｔ_ｗ１＜ｔ_ｗ２＜ｔ_ｗ３＜ｔ_ｗ４である。これは、狭いほうのＱＷ内の量子状態が、広いほうのＱＷ内の対応する状態よりも高いエネルギーにあり、狭いほうのＱＷ内の上側と下側のレベルの間のエネルギー差が、広いほうのＱＷにおけるものより大きいことを意味する。したがって、ＱＷの厚さに勾配をつけることによって、上下のミニバンドの所望のフラットバンド条件が実現されるように、ＱＷ間で量子状態をずらすことができる。
【００２０】
ここで注意すべき点であるが、比較的短いＳＬでは、上下のミニバンドの所望の平坦なミニバンド条件は、前述のようにＱＷの厚さのみを変えることによって達成することができる。しかし、長いＳＬでは、ＱＷおよび障壁層の両方の厚さを変えるのが好ましい。すなわち、本発明の別の実施例によれば、好ましくは、印加電界の方向に障壁層の厚さも変化（増大または減少）させる。障壁層の特定のサブセットの厚さを増大させるかそれとも減少させるかは、経験的に（コンピュータモデリングプログラムの利用を含む）決定される。ｔ_ｂを変えることの目標は、ＱＷの適当な結合を保証し、ＱＷ間の電子輸送を容易にし、比較的高い振動子強度（すなわち、光双極子行列要素ｚ_２１）を提供することである。いずれにしても、（ｔ_ｗ＋ｔ_ｂ）によって定義される周期は、ＲＴ領域のＳＬ特性が実質的に害されるほど大幅に変化してはならない。
【００２１】
現在のところ、最良の出力パワー結果は、障壁層のサブセットの厚さが印加電界の方向に減少するようなＱＣ ＳＬにおいて達成されている。しかし、最良のしきい値電流密度の結果は、障壁層のサブセットの厚さが印加電界の方向に増大するようなＱＣ ＳＬにおいて得られている。
【００２２】
残念ながら、プリバイアスＳＬは、各ＱＷの基底状態と、それと井戸の第１励起状態の間のエネルギー間隔とが独立ではないような、さまざまな幅のＱＷ領域を含む。特に、図４に示すように、ＱＷ領域が薄くなると、ＱＷ内の最初の２つの状態の間隔が増大する。このため、孤立したＱＷの基底状態が、印加電界がないときに平坦なミニバンドが形成されるようにすべて整列している場合、第１励起状態も完全に整列することは不可能であり、またその逆も成り立つ。孤立井戸のエネルギーレベルが同じエネルギーに整列していないと、その結果得られるミニバンドの波動関数の空間的な広がりおよび対称性は少なくなり、その結果、例えば、レーザ発振遷移のための光双極子行列要素が小さくなってしまう。
【００２３】
レベル１および２の波動関数（の絶対値の２乗）を図２に例示してある。注意すべき点であるが、それぞれのＲＴ内で、これらの波動関数は、そのＲＴのすべてのＱＷにわたって広がっており、このことは、ＱＷどうしが互いに有効に結合していることを示す。しかし、前述のように、上側ミニバンド１４．４および１４．７の最下部またはその付近の波動関数Ｆ２は実質的に空間的に対称であるが、下側ミニバンド１４．３および１４．８の最上部またはその付近の対応する波動関数Ｆ１は、実質的に空間的に非対称である。すなわち、ＲＴ領域の中間面１９に関して測定される対称性について、中間面１９の右側の各波動関数Ｆ１のローブの大きさは、左側のものより高い。このため、各波動関数Ｆ１は、その対応する中間面１９に関する鏡映対称性を欠く。これに対して、各波動関数Ｆ２は、その中間面１９に関してほぼ鏡映対称性を有する。前述のように、プリバイアスＳＬ設計では一般に、波動関数対称性を、上側ミニバンドで（図示のとおり）、または、下側ミニバンドで（図示せず）のいずれかで達成することができるが、設計の他の重要な事項を犠牲にせずに両方を達成することはできない。
【００２４】
［スプリット量子井戸］
ＲＴ領域３０の伝導帯内のスプリット量子井戸（ＳＰＱＷ）を図５に例示する。この構成は、隣り合うＱＷ３０．２を互いに分離する比較的厚い標準障壁領域３０．１を有する。さらに、各ＱＷは、各量子井戸３０．２を１対の隣り合うサブ井戸３０．２ａと３０．２ｂに分割（すなわち、スプリット）する比較的薄い障壁領域３０．３を有する。
【００２５】
障壁３０．３は、ＱＷを半分に分割するように図示されているが、この比は、以下の基準が満たされる限り本質的ではない。さらに、各ＱＷは、そのＱＷを２個より多くのサブ井戸に分割するように、複数の薄い障壁を含むことも可能である。
【００２６】
標準障壁領域３０．１の厚さは、所望のエネルギー幅のミニバンドが各ＲＴ領域にわたって生成されるように選択される。この点に関して望ましいことは、下側ミニバンドのエネルギー幅は、光吸収を小さくするように光遷移のエネルギーより小さい一方、光遷移の下側の状態の熱分布を小さくするのに十分なだけ大きいことである。これに対して、障壁領域３０．３の厚さは、（１）上側と下側の状態間のエネルギー間隔がそれらの自然幅より大きく、（２）これらの状態が各ＲＴ領域内の相異なるミニバンドに寄与するように、選択される。換言すれば、薄い障壁３０．３の厚さは、ミニバンド間のエネルギー差が、各ミニバンド内の状態間のエネルギー差にほぼ等しくなるような厚さより小さい。
【００２７】
薄い障壁領域３０．３および標準障壁３０．１の相対的な厚さについては、次のように言うことができる。特定のＳＰＱＷおよびそれに対応する標準障壁領域に関して、一般に、標準障壁領域３０．１は、薄い障壁領域３０．３より厚い。しかし、ＲＴ領域のある部分における（例えば、ＲＴ領域の一端における）特定の標準障壁領域を、そのＲＴ領域のやや離れた部分における（例えば、そのＲＴ領域の他端またはその付近における）特定の薄い障壁領域と比較すると、（ＳＬの勾配により）これらの２つの障壁領域が同等の厚さを有するか、あるいは、標準障壁領域の厚さが、薄い障壁領域の厚さより小さい可能性もある。
【００２８】
［プリバイアスＳＬとＳＰＱＷの組合せ］
本発明の１つの特徴によれば、ＩＳＢ ＳＬ光エミッタは、ほぼ平坦な上下のミニバンドとともに、これらのそれぞれのミニバンドにおいてほぼ対称な波動関数を達成するように相互に適応した、プリバイアスＳＬとＳＰＱＷの両方の設計を含む。
【００２９】
プリバイアスＳＬにおいてそれぞれの従来のＱＷをＳＰＱＷで置き換えることにより、本発明の発明者は、上側および下側のほぼ平坦なミニバンドを生成すると同時に、一実施例では、光遷移に関連する少なくとも２つの波動関数に対して、また、別の実施例では、ミニバンド内のほぼすべての波動関数に対して、ほぼ空間的に対称な（状態）波動関数を生成することができることを発見した。孤立ＳＰＱＷにおいて、２つのサブ井戸の厚さ合計と、それらを分離する薄い障壁領域の厚さとは、基底状態と第１励起状態が任意の絶対エネルギーに互いに独立に配置されることを可能にする２個の独立なパラメータである。したがって、プリバイアスＳＬにおいて、従来技術のプリバイアスＳＬにおける標準的なＱＷを用いるのではなく、ＳＰＱＷを用いると、印加電界を補償し個々のＳＰＱＷの基底状態を整列させることができると同時に、第１励起状態も整列させることができる。この組合せにより、光遷移に関連する少なくとも２つの状態に対して、設計電界においてほぼ空間的に対称な波動関数を有する、ほぼ平坦な上下のミニバンドが得られる。ミニバンド幅は、第３の独立なパラメータ、すなわち、隣り合うＳＰＱＷを分離する標準障壁領域の厚さのセットによって制御される。したがって、本発明のこの実施例では、最低ミニバンドのエネルギー位置、その幅、ミニバンド間のミニギャップの幅、および、印加電界は、すべて、独立に選択することができる。これに対して、従来のプリバイアスＳＬでは、３個のパラメータはすべて強く相互依存している。
【００３０】
また、本発明におけるこのパラメータの独立性によれば、ミニバンド内のほぼすべての状態において、ほぼ空間的に対称な波動関数を実現することができる。
【００３１】
このタイプのＩＳＢ ＳＬエミッタにおいては一般に、ドーパントイオンによる電子散乱およびそれによる放出スペクトルの広がりを低減するように、Ｉ／Ｒ領域はドープ（例えば、Ｓｉでｎ型に）され、ＲＴ領域はアンドープとするのが好ましい。
【００３２】
本発明の一実施例によるこのようなＩＳＢレーザのＲＴ領域の伝導帯構造と波動関数の絶対値の２乗を図６に示す。このＲＴ領域は、４個のＳＰＱＷを有するプリバイアスＳＬを有する。波動関数のフラットバンドおよび対称性に注意すべきである。ＲＴ領域（複数のＳＰＱＷと１個のプリバイアスＳＬを有する）とＩ／Ｒ領域とを含む繰返しユニット（ＲＵ：repeat unit）を図７に示す。次の例１では、ＩＳＢレーザなどから得られる実験結果について説明する。
【００３３】
［例１：Ｉ／Ｒ領域を有するＳＰＱＷプリバイアスＳＬ］
この例は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ＱＣレーザについてのものである。このレーザでは、本発明の一実施例に従って、Ｉ／Ｒ領域が隣り合うＲＴ領域を分離し、各ＲＵは、プリバイアスＳＬと複数のＳＰＱＷを含む。さまざまな材料、寸法および動作条件は、特に明示的に断らなければ単なる例示であり、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。ここで、「アンドープ」という用語は、意図的にはドープされていない半導体の層あるいは領域を意味する。すなわち、このような領域あるいは層のドーピングは比較的低く、一般に、デバイスの層を成長するために用いられた容器内の残留あるいはバックグラウンドドーピングに由来するものである。
【００３４】
レーザの一般的設計は、ディープエッチリッジ導波路構造を用いたことを除いては、図１に示したものと同様であった。ウェハＤ２６３６において、ＱＣ−ＳＬレーザの、中間Ｉ／Ｒ領域を有する２個のＲＴ領域の概略図を図７に示す。このレーザは、約１０．８μｍの中心波長で放射するように設計された。正確な層系列は表１〜表３に示す。分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いることにより、ｎ型ドープＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓ量子井戸層およびＡｌＩｎＡｓ障壁層を用いて、５５個のＲＵを成長させた。その結果得られたスタックを、A. Tredicucci et al., Electronics Lett., Vol.36, No.10, pp.876-877 (May 2000)、に記載されているのと同一の誘電体ＱＣレーザ導波路に埋め込んだ。このレーザを、リッジの中点で測定して１１〜１７μｍの範囲のストライプ幅のディープエッチリッジ導波路レーザとして加工し、劈開して長さ２．２５ｍｍのバーを形成した。端面はコーティングしないままとした。このレーザを銅ヒートシンクにはんだ付けし、ワイヤボンディングした後、温度可変クライオスタットの冷フィンガ上にマウントした。
【００３５】
このレーザ設計において、各ＲＴは８個の状態を有する。すべての状態はほぼ空間的に対称であった。
【００３６】
約７Ｋ〜１９５Ｋの範囲のさまざまな動作温度に対する、幅１７μｍのストライプを有するレーザのパルスＬ−Ｉ特性を図８に示す。この測定には、継続時間約５０ｎｓ、繰返しレート５ｋＨｚの電流パルスを用いた。レーザからの光出力（放射）は、高速の較正された室温ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）光起電力検出器と、ボックスカー方式を用いて収集された。ピークパワーは、７Ｋで１２０ｍＷ、１９５Ｋで１２．５ｍＷであった。
【００３７】
レーザの測定されたしきい値電流密度Ｊ_ｔｈは、ヒートシンク温度７Ｋでは３．５ｋＡ／ｃｍ^２であり、最高動作温度の１９５Ｋでは７．５ｋＡ／ｃｍ^２に上昇した。低温測定値は、１．７ｋＡ／ｃｍ^２という推定値とよく一致している。測定値のほうが２倍高いのは、リッジのＳｉＮ／金属側壁からの損失や、低い注入効率に起因する可能性があり、これらは計算において考慮に入れられなかったものである。レーザ遷移は、第２のミニバンドの最低状態（レベル２）と第１のミニバンドの最高状態（レベル１）の間で起こった。これらの２つの状態間での縦方向光学フォノンによる電子散乱時間を計算したところτ_２１＝３．２ｐｓであり、これは、最低レーザレベルの全寿命の計算値τ_１＝０．３ｐｓよりもずっと長く、反転分布を保証する。上側レーザレベルの全散乱寿命はτ_２＝０．７ｐｓであった。光双極子行列要素はｚ_２１＝２．７ｎｍと計算され、利得尖鋭化効果を避けるために円形メサ形状を有するデバイスで測定したエレクトロルミネセンススペクトルの幅は２０ｍｅＶであった。しきい値においてデバイスにかけられた電圧１２Ｖは、ＲＴおよびＩ／Ｒ領域のスタックの両端の設計電圧１０．４ボルトに近いものであった。この電圧の不一致の一部は、クラッド層と接点層における追加電圧降下による。
【００３８】
図８の挿入図は、パルスモードで動作する、中心波長が１１．６μｍ付近のわれわれのレーザのうちの１つのファブリ・ペロー設計の特性モードスペクトルを示す。スペクトル測定は、Nicoletフーリエ変換赤外分光器（ＦＴＩＲ）と冷却されたＭＣＴ検出器を用いて実行した。
【００３９】
ＱＣレーザ全体の設計を表１に与える。ディジタル勾配領域の詳細は当業者に周知であり、重要でない限り示していない。表２および表３はそれぞれ、Ｉ／Ｒ領域およびＲＴ領域の追加の詳細を示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
なお、本発明のこの実施例では、Ｉ／Ｒ領域は、（Ｓｉで）ｎ型にドープされているが、ＲＴ領域はドープされていない。
【００４２】
従来のＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ Ｉ／Ｒ領域のそれぞれの詳細を表２に示す。
【００４３】
【表２】

【００４４】
表３は、本発明の一実施例による、サンプルＤ２６３６のＲＴ領域（プリバイアスＳＬおよび４個のＳＰＱＷ）を構成するアンドープ層の、さまざまな層厚を示す。印加電界（示していない）は、上向き、すなわち、表の下から上への向きとなる。
【００４５】
【表３】

【００４６】
この表に示したように、ＱＷの全厚（薄い障壁を含む）は約４６〜５５Åであり、サブ井戸の厚さは約１７〜２４Åであり、ＱＷを分ける薄い障壁の厚さは約７〜１１Åであり、標準障壁の厚さは約２０〜２９Åである。
【００４７】
［インジェクタレスＩＳＢ ＳＬ光エミッタ］
以上の記述では、ＲＴ領域がプリバイアスＳＬと複数のＳＰＱＷの組合せからなるようなＩＳＢ ＳＬレーザについて説明した。この新規な設計の特徴によれば、従来のＳＬ ＩＳＢレーザよりもずっと自由度が高くなり、本発明のさらに別の実施例の可能性が開ける。そのような設計の１つは、インジェクタレスＩＳＢ ＳＬレーザ、すなわち、ＲＴ ＳＬ領域（定義は前述）どうしの間にＩ／Ｒ領域を含まないレーザである。Ｉ／Ｒ領域を省略すると、与えられた導波路コア内に入るＲＴ領域の数を増大させながら、ＲＴ領域とのモード強度プロファイルの重なりが増大する。（隣り合うＲＴ領域の間の境界線となるＩ／Ｒ領域がなくても、それらのＲＴ領域は互いに区別可能である。各ＲＴ領域のＳＬの勾配は、そのＲＴ領域の最初から再び始まるからである。）コンピュータモデリングによれば、この設計は、Ｉ／Ｒ領域を利用するＩＳＢ ＳＬレーザに比べて、しきい値を低くし、出力パワーを増大させるはずである。
【００４８】
図９に、本発明のこの実施例によるＩＳＢ ＳＬレーザの１対の隣り合うＲＴ領域を示す。それぞれのＲＴ領域は、前述のように、プリバイアスＳＬと複数のＳＰＱＷの組合せからなる。光遷移（直線の矢印）に関連する波動関数の絶対値の２乗は、１周期全体の長さにわたって（すなわち、各ＲＴ領域の長さにわたって）広がる。斑点の領域は、ＳＬミニバンドのエネルギー範囲を表す。この設計によれば、相対エネルギーレベル（このグラフにおける高さ）は、Ｉ／Ｒ領域がなくても、電流が、あるＲＴの下側ミニバンドから次のステージの上側ミニバンドへ流入することができるように配置することができる。（従来のＩＳＢレーザでは、あるＲＴ領域の下側ミニバンドは、隣のＲＴ領域の上側ミニバンドと整列しないため、その設計においてはＩ／Ｒ領域が必要である。）
【００４９】
さらに、本発明のこの実施例では、現在のところ、ドーパントイオンの存在により放出スペクトルの広がりが生じる可能性があっても、少なくとも一部のＲＴ領域はドープされることが好ましい。そうしないと、（電子の流れの方向に関して）下流のＲＴ領域は、放射遷移が起こりうる前に上流の電子が到着するのを「待つ」必要が生じる可能性がある。この潜在的な問題点を避けるには、コアの下流端またはその付近のＲＴ領域にドーピングを制限することが好ましい。しかし、他のドーピングパターン（すべてのＲＴ領域にドープすることを含む）も排除されるわけではない。
【００５０】
［例２：ＳＰＱＷプリバイアスＳＬを有するインジェクタレスＩＳＢエミッタ］この例は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のインジェクタレスＱＣ ＳＬレーザ、すなわち、直前で説明した本発明の実施例に従って、隣り合うＲＴ領域を分離するＩ／Ｒ領域がなく、各ＲＴ領域がプリバイアスＳＬおよび複数のＳＰＱＷを含むようなＱＣレーザについてのものである。前と同様に、さまざまな材料、寸法および動作条件は、特に明示的に断らなければ単なる例示であり、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。また、「アンドープ」という用語は、意図的にはドープされていない半導体の層あるいは領域を意味する。すなわち、このような領域あるいは層のドーピングは比較的低く、一般に、デバイスの層を成長するために用いられた容器内の残留あるいはバックグラウンドドーピングに由来するものである。
【００５１】
レーザの一般的設計は、ディープエッチリッジ導波路構造を用いたことを除いては、図１に示したものと同様であった。複数のＱＣ ＳＬレーザのうちの２個の代表的なＲＴ領域を示す概略図を図９に示す。各ＲＴ領域は、プリバイアスＳＬと、４個（ウェハＤ２６６６）または５個（ウェハＤ２６３０）のＳＰＱＷを含んでいた。レーザは、約１０．８μｍの中心波長で放射するように設計された（ウェハＤ２６３０およびＤ２６６６）。正確な層系列は表４〜表６に示す。一方の場合、５０個のＲＴを成長させ（ウェハＤ２６３０）、もう一方の場合、８０個のＲＴを成長させた（ウェハＤ２６６６）。いずれの場合でも、ＲＴは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いることにより、ｎ型ＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓ量子井戸層およびＡｌＩｎＡｓ障壁層を含んでいた。その結果得られたスタックを、A. Tredicucci et al.（前掲）に記載されているのと同一の誘電体ＱＣレーザ導波路に埋め込んだ。このレーザを、リッジの中点で測定して１１〜１７μｍの範囲のストライプ幅のディープエッチリッジ導波路レーザとして加工し、劈開して長さ２．２５ｍｍのバーを形成した。端面はコーティングしないままとした。このレーザを銅ヒートシンクにはんだ付けし、ワイヤボンディングした後、温度可変クライオスタットの冷フィンガ上にマウントした。
【００５２】
ウェハＤ２６６６からのレーザは、各ＲＴ領域に８個の状態を有し、そのうちの４個はほぼ空間的に対称であった。一方、ウェハＤ２６３０からのレーザは１０個の状態を有し、そのすべてがほぼ空間的に対称であった。
【００５３】
図１０に、１．５Ａ〜６Ａの範囲のさまざまな駆動電流における、ウェハＤ２６３０からのリッジ導波路エミッタのエレクトロルミネセンスを示す。挿入図は、同じデバイスのＩ−Ｖ特性である。高い電流密度は、エミッタが比較的大きい電流を運ぶことが可能であることを示す。これは、例えば、高出力パワーレーザに要求されることである。エレクトロルミネセンスが示すところによれば、放出光は、設計周波数／波長にあり、特性における他のピークは、十分に広がった状態を有するＳＬの存在を示す。他方、図１１には、中心波長が１２．２〜１２．３μｍ付近の、ウェハＤ２６６６からのレーザのマルチモードファブリ・ペロースペクトルを示す。
【００５４】
ＱＣレーザ全体の設計を表４に与える。ディジタル勾配領域の詳細は当業者に周知であり、重要でない限り示していない。表５および表６はそれぞれ、ウェハＤ２６３０およびＤ２６６６からのレーザのＲＴ領域の追加の詳細を示す。
【００５５】
【表４】

【００５６】
ウェハＤ２６６６の設計は、ＲＴ領域に隣接するすぐ上のディジタル勾配領域のドーピングをｎ＝５×１０^１６に下げ、厚さが１７３Åしかないことを除いては、表４に示したものとほぼ同一である。また、ウェハＤ２６６６には８０個のＲＴ領域があり、各ＲＴ領域は、全厚が２７４Åであり、５個ではなく４個のＳＰＱＷを有していた。表５および表６は、本発明の一実施例によるＲＴ領域（サンプルＤ２６３０については、プリバイアスＳＬおよび５個のＳＰＱＷ、サンプルＤ２６６６については、プリバイアスＳＬおよび４個のＳＰＱＷ）を構成する層の、さまざまな層厚を示す。印加電界（示していない）は、上向き、すなわち、表の下から上への向きとなる。
【００５７】
【表５】

【００５８】
なお、Ｄ２６３０の３個の中央ＳＰＱＷ領域（およびそれらの対応する薄い障壁層）は（Ｓｉで）ｎ型にドープされたが、両端のＳＰＱＷ領域はドープされていない。
【００５９】
表５に示したように、ＱＷの全厚は約４３〜６１Åであり、サブ井戸の厚さは約１５〜２９Åであり、薄いＳＰＱＷ障壁の厚さは約２３〜３２Åであり、標準障壁の厚さは約１７〜２４Åである。
【００６０】
【表６】

【００６１】
ここで、４番目のＳＰＱＷ領域と、その対応する薄い障壁層は、ＳＰＱＷ３の１個のサブ井戸とともに、（Ｓｉで）ｎ型にドープされたが、残りのＳＰＱＷ領域および障壁はドープされていない。
【００６２】
表６に示したように、ＱＷの全厚は約３７〜５８Åであり、サブ井戸の厚さは約１５〜２９Åであり、薄いＳＰＱＷ障壁の厚さは約４〜８Åであり、標準障壁の厚さは約１２〜３９Åである。
【００６３】
表２、表５および表６を組み合わせるとわかるように、これらの厚さの適当な範囲は以下の通りである。すなわち、ＱＷの全厚は約３７〜６１Åであり、サブ井戸の厚さは約１５〜２９Åであり、薄いＳＰＱＷ障壁の厚さは約４〜１２Åであり、標準障壁の厚さは約１２〜３９Åである。個々の設計に対して選択される層厚は、所望の放出周波数／波長、ミニバンド幅、電界強度、およびＳＰＱＷ数のようなさまざまなパラメータに依存する。
【００６４】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、ほぼ平坦なミニバンドを備えるのみならず、ほぼ空間的に対称な波動関数を備え、印加電界、所望の動作波長、波動関数の形状、および、ミニバンド内の残りの状態のエネルギー位置の独立制御が可能なＩＳＢ ＳＬエミッタが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるＩＳＢ ＳＬ光エミッタの概略断面図である。
【図２】４５ｋＶ／ｃｍの設計電界において２個のＳＬ領域がＩ／Ｒ領域により架橋される、従来のＩＳＢ光エミッタの伝導帯プロファイルの概略図である。
【図３】さまざまな従来技術により、外部印加電界と適当な内部補償電界とがある場合に、ミニバンドの代表的なフラットバンド条件を示す伝導帯プロファイルの概略図である。
【図４】 Capasso米国特許の一実施例による、印加電界がない場合のプリバイアスＳＬの伝導帯プロファイルの概略図である。
【図５】本発明の一実施例による、印加電界がない場合のＳＰＱＷ ＲＴ領域の伝導帯プロファイルの概略図である。
【図６】本発明の一実施例による、ＳＰＱＷ ＲＴ領域の伝導帯プロファイルの概略図である。この図は、印加電界がある場合に、ほぼ対称な波動関数（の絶対値の２乗）を有するミニバンドの代表的なフラットバンド条件を示す。閉込め基底状態のエネルギー（Ａ）、ミニバンド幅（Ｂ）、ミニギャップ（Ｃ）および電界強度は、互いに独立な設計によって選択することができる。
【図７】図６の実施例による、注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域によって結合された１対のＳＰＱＷ ＲＴ領域の伝導帯プロファイルの概略図である。この図もまた、印加電界がある場合に、ほぼ対称な波動関数（の絶対値の２乗）を有するミニバンドの代表的なフラットバンド条件を示す。薄い斑点の領域は、ＲＴ領域内のミニバンドを構成する状態によって占められるエネルギー領域を表し、濃い斑点の領域は、注入状態によって占められるエネルギー領域を表す。直線の矢印は、レーザ遷移に対応する。
【図８】図７に示したタイプのＩＳＢ ＳＬレーザのパルス光パワーを、さまざまなヒートシンク温度に対する駆動電流の関数として示す図である。パワーは、深エッチ（深くエッチングされた）ストライプ型レーザの単一の端面（収集効率はほぼ１）から抽出される。ストライプは、長さ２．２５ｍｍ、幅１７μｍである。点線は、７ＫにおけるＩ−Ｖ特性を示す。挿入図は、７Ｋにおけるしきい値を超えるファブリ・ペロースペクトルの測定値を示す。
【図９】本発明のもう１つの実施例による、インジェクタレスＩＳＢ ＳＬレーザの伝導帯プロファイルの概略図である。この図もまた、印加電界がある場合に、ほぼ対称な波動関数（の絶対値の２乗）を有するミニバンドの代表的なフラットバンド条件を示す。薄い斑点の領域は、ＲＴ領域内のミニバンドを構成する状態によって占められるエネルギー領域を表す。直線の矢印は、レーザ遷移に対応する。
【図１０】さまざまな駆動電流における、図９に示したタイプのＩＳＢ ＳＬ光エミッタのエレクトロルミネセンススペクトルを示す。１０．５μｍ（約１２５ｍｅＶ）における矢印は、単に参考のために付与されているだけである。挿入図は、デバイスのＩ−Ｖ曲線を示す。
【図１１】パルスモードで約１０Ｋで動作する、図９に示したタイプのＩＳＢ ＳＬレーザのファブリ・ペロースペクトルの図である。明確化および簡略化のため、図１〜図７および図９は正確な縮尺では描かれていない。さらに、記号Ａは、物理的または光学的な値について記述するときはオングストロームを表し、電流について記述するときはアンペアを表すことがある。
【符号の説明】
１ 下側ミニバンド
２ 上側ミニバンド
１０ ＩＳＢ ＳＬ半導体光エミッタ
１２ 下側クラッド領域
１４ ＳＬコア領域
１４．１ プリバイアスＳＬ ＲＴ領域
１４．２ Ｉ／Ｒ領域
１４．３ 下側ミニバンド
１４．４ 上側ミニバンド
１４．５ ＲＴ領域
１４．６ ミニバンド
１４．７ 上側ミニバンド
１４．８ 下側ミニバンド
１６ 上側クラッド領域
１８ 絶縁層
１９ 中間面
２０ 第１電極
２２ 第２電極
３０ ＲＴ領域
３０．１ 障壁領域
３０．２ 量子井戸
３０．２ａ サブ井戸
３０．２ｂ サブ井戸
３０．３ 障壁領域
４０ ミニバンド
４１ ミニバンド

Claims (16)

1. 複数の繰返しユニットを含むコア領域を有するサブバンド間（以下ＩＳＢと略す）超格子（以下ＳＬと略す）光エミッタにおいて、
   それぞれの繰返しユニットは、単極放射遷移領域（以下ＲＴ領域と略す）を含むＳＬ領域（以下、ＲＴＳＬ領域と略す）を有し、それぞれの前記ＲＴＳＬ領域は、複数の第１障壁領域と交互に配置された複数の量子井戸（以下ＱＷと略す）領域を有し、ＱＷ領域は、上側および下側ミニバンドによって特徴づけられるエネルギー状態を有し、
   前記エミッタはさらに、前記ＲＴ領域が、前記ミニバンド内の上側および下側エネルギー状態によって決定されるエネルギーで発光するように前記エミッタに電界を印加する電極を有し、
   前記複数のＱＷ領域のうちの少なくとも第１のサブセットにおいて、内部電子ポテンシャルは、前記第１のサブセット内のＱＷ領域からＱＷ領域へとエネルギーレベルをずらすことによって、前記ＳＬ内に印加電界があるにもかかわらず、前記上側および下側の両方のミニバンドのフラットバンド条件が達成されるようにプリバイアスされ、
   それぞれのＱＷ領域は、該ＱＷ領域を複数の結合したサブ井戸に分割する少なくとも１つの第２障壁領域を有し、第２障壁領域の厚さは、前記第１障壁領域の厚さよりも薄く、かつ、少なくとも前記上側および下側エネルギー状態の波動関数が各ＲＴ領域の中間面に関して空間的に対称になり、前記ミニバンドが前記ＱＷ領域内で独立に配置可能であるような厚さであることを特徴とするサブバンド間超格子光エミッタ。
2. 前記第２障壁領域の厚さは、前記波動関数のすべてが前記中間面に関して空間的に対称となるような厚さであることを特徴とする請求項１記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
3. 前記第２障壁領域は、前記状態が
   （１）その自然幅を超えて分裂し
   （２）各ＲＴ領域内の相異なるミニバンドに寄与する
   ほどに十分に薄いことを特徴とする請求項１記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
4. 前記第２障壁領域の厚さは、４ないし１２Åの範囲にあることを特徴とする請求項３記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
5. 前記第１障壁領域の厚さは、１２ないし３９Åの範囲にあり、前記ＱＷ領域の全厚は、３７ないし６１Åの範囲にあり、前記サブ井戸の厚さは、１５ないし２９Åの範囲にあることを特徴とする請求項４記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
6. 前記繰返しユニットはそれぞれ、注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域を含まないことを特徴とする請求項１記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
7. 一部のＲＴ領域のみがドープされることを特徴とする請求項６記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
8. ドープされたＲＴ領域は、前記コア領域内の電子の流れの方向に関して下流に位置することを特徴とする請求項７記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
9. それぞれの繰返しユニットは、そのＲＴ領域に隣接する注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域をさらに有することを特徴とする請求項１記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
10. 前記Ｉ／Ｒ領域はドープされ、前記ＲＴ領域はアンドープであることを特徴とする請求項９記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
11. 前記コア領域は、Ｉｎ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなることを特徴とする請求項１記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
12. 前記コア領域は、ＧａＩｎＡｓ層およびＡｌＩｎＡｓ層からなることを特徴とする請求項１１記載のサブバンド間超格子光エミッタ。
13. 複数の繰返しユニットを含むコア領域と、
    前記コア領域と境を接する１対のクラッド領域と
    を有する量子カスケード超格子（以下ＳＬと略す）レーザにおいて、
    それぞれの繰返しユニットは、単極放射遷移領域（以下ＲＴ領域と略す）を含むＳＬ領域（以下、ＲＴＳＬ領域と略す）を有し、それぞれの前記ＲＴＳＬ領域は、複数の第１障壁領域と交互に配置された複数の量子井戸（以下ＱＷと略す）領域を有し、ＱＷ領域は、上側および下側ミニバンドによって特徴づけられるエネルギー状態を有し、
    前記レーザはさらに、前記ＲＴ領域が、前記ＱＷ領域の上側および下側エネルギー状態によって決定されるエネルギーでレーザ作用を行うように前記レーザに電界を印加する電極を有し、
    前記上側および下側のレベルはそれぞれ前記上側および下側ミニバンド内に位置し、
    前記印加電界があるとき、１つのＲＴ領域の上側ミニバンドは隣のＲＴ領域の下側ミニバンドと整列し、
    各ＲＴ領域内のＱＷ領域の少なくとも第１サブセットにおいて、ＱＷ領域の厚さはＱＷ領域から次のＱＷ領域へと印加電界の方向に増大し、各ＲＴ領域内の第１障壁領域の少なくとも第２サブセットにおいて、第１障壁領域の厚さは障壁領域から次の障壁領域へと印加電界の方向に増大することにより、前記印加電界がないとき、前記上側および下側エネルギー状態はそれぞれ前記第１サブセット内の領域ごとに相異なるエネルギーに位置するとともに、前記印加電界があるとき、前記上側および下側の両方のミニバンドのフラットバンド条件が隣り合うＲＴ領域にわたって達成され、
    それぞれのＱＷ領域は、該ＱＷ領域を複数の結合したサブ井戸に分割する少なくとも１つの第２障壁領域を有し、第２障壁領域の厚さは、前記第１障壁領域の厚さよりも薄く、かつ、少なくとも前記上側および下側エネルギー状態の波動関数が各ＲＴ領域の中間面に関して空間的に対称になり、前記ミニバンドが前記ＱＷ領域内で独立に配置可能であるような厚さであり、
    前記第２障壁領域は、前記状態が
    （１）その自然幅を超えて分裂し
    （２）各ＲＴ領域内の相異なるミニバンドに寄与する
    ほどに十分に薄いことを特徴とする量子カスケード超格子レーザ。
14. 前記第２障壁領域の厚さは、前記波動関数のすべてが前記中間面に関して空間的に対称となるような厚さであることを特徴とする請求項１３記載の量子カスケード超格子レーザ。
15. 前記第２障壁領域の厚さは、４ないし１２Åの範囲にあることを特徴とする請求項１３記載の量子カスケード超格子レーザ。
16. 前記第１障壁領域の厚さは、１２ないし３９Åの範囲にあり、前記ＱＷ領域の全厚は、３７ないし６１Åの範囲にあり、前記サブ井戸の厚さは、１５ないし２９Åの範囲にあることを特徴とする請求項１５記載の量子カスケード超格子レーザ。

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