JP5523759B2 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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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。
中赤外の波長領域（例えば波長５〜３０μｍ）の光は、分光分析分野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での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）が注目を集めている（例えば、特許文献１〜８、非特許文献１〜７参照）。
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。
米国特許第５４５７７０９号公報 米国特許第５７４５５１６号公報 米国特許第６７５１２４４号公報 米国特許第６９２２４２７号公報 特開平８−２７９６４７号公報 特開２００８−１７７３６６号公報 特開２００８−６０３９６号公報 特開平１０−４２４２号公報
M. Beck et al.,"Continuous Wave Operation of a Mid-Infrared Semiconductor Laser at RoomTemperature", Science Vol.295 (2002) pp.301-305 J. S. Yu et al.,"High-Power Continuous-Wave Operation of a 6μm Quantum-Cascade Laser atRoom Temperature", Appl. Phys. Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505 A. Evans et al.,"Continuous-Wave Operation of λ〜4.8μm Quantum-Cascade Lasers at RoomTemperature", Appl. Phys. Lett. Vol.85 (2004) pp.2166-2168 A. Tredicucci et al., "AMultiwavelength Semiconductor Laser", Nature Vol.396 (1998) pp.350-353 A. Wittmann et al.,"Heterogeneous High-Performance Quantum-Cascade Laser Sources forBroad-Band Tuning", IEEE J. Quantum Electron. Vol.44 (2008) pp.1083-1088 A. Wittmann et al.,"High-Performance Bound-To-Continuum Quantum-Cascade Lasers for Broad-GainApplications", IEEE J. Quantum Electron. Vol.44 (2008) pp.36-40 R. Maulini et al.,"Broadband Tuning of External Cavity Bound-to-Continuum Quantum-CascadeLasers", Appl. Phys. Lett. Vol.84 (2004) pp.1659-1661
上記した量子カスケードレーザでは、レーザ発振に成功した当初は素子の駆動温度は極低温に限られていたが、２００２年には M. Beck らによって発振波長９．１μｍでの室温ＣＷ動作が達成された（非特許文献１：M. Beck et al., Science Vol.295 (2002) pp.301-305）。また、その後、M. Razeghiらのグループによって発振波長６μｍ、及び４．８μｍにおいても室温ＣＷ動作が達成された（非特許文献２：J. S. Yu et al., Appl. Phys.Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505、非特許文献３：A. Evans et al., Appl. Phys. Lett.Vol.85 (2004) pp.2166-2168）。現在では、３．８〜１１．５μｍの広い波長範囲で室温連続発振が達成され、既に実用化の段階に到達している。
量子カスケードレーザの室温連続発振の達成後、レーザ素子を外部共振器（ＥＣ：ExternalCavity）とともに用いることで、広い波長領域で単一モード発振をする量子カスケードレーザを作製する試みが行われている。また、単一波長をスキャン可能な室温ＣＷ動作の分布帰還（ＤＦＢ：DistributedFeed Back）型量子カスケードレーザの開発も進められている。
ここで、広い波長範囲で単一モード発振を達成するためには、広い波長範囲で発光可能な発光層構造を採用する必要がある。現在、室温ＣＷ動作（ＲＴ−ＣＷ）を実現している量子カスケードレーザの発光層構造では、ピークゲインが重視された、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）の発光の半値幅（ＦＷＨＭ）が狭いものが主に用いられている。通常の単一準位間でのサブバンド間遷移を用いた場合、波長などの様々な条件に依存するが、発光半値幅は、一般的には１５〜２５ｍｅＶ程度（例えば、波長８μｍ付近で２０ｍｅＶ程度）であり、波数では１２０〜２００ｃｍ−１程度である。
一方、ＥＬの広い発光半値幅を有する量子カスケードレーザの活性層構造として、超格子構造（chirped superlattice）を利用した活性層構造がある（非特許文献４：A.Tredicucci et al., Nature Vol.396 (1998) pp.350-353）。この構造では、発光に関わる発光上準位及び発光下準位を、それぞれ多数の準位（サブバンド）から構成されるミニバンドとし、ミニバンド−ミニバンド間の電子遷移による発光を利用する。このような超格子構造によれば、発光上位ミニバンド内の複数の準位から発光下位ミニバンド内の複数の準位へと発光遷移が起こるため、必然的に広い発光半値幅が得られる。
しかしながら、このような構造では、発光上準位にミニバンドを用いているために、特定の準位へ選択的にキャリアを注入することが難しく、その結果、レーザ素子として良好な特性が得られないという問題がある。また、この超格子構造で得られる広い発光半値幅は、上記したように複数の準位から複数の準位への遷移によるものであるため、発光遷移の制御が困難であるという問題もある。
すなわち、ミニバンド内での複数の準位は、それぞれ準位のエネルギーで２０ｍｅＶ程度離れている。このため、ミニバンド−ミニバンド間の全体での発光は、いくつかの孤立した発光の重ね合わせとなっており、しかも、その発光強度は、動作電界に依存したそれぞれの準位間の遷移強度で決まっている。したがって、このような超格子による活性層構造から得られる発光スペクトルは、上記の非特許文献４に示されているように、それぞれの準位間の遷移が明確に分離できる不均一なスペクトルとなる。
このように不均一な広がりのスペクトルを有する発光形態では、その発光半値幅が広くても、上記したＥＣ型やＤＦＢ型などの量子カスケードレーザに組み込んだときに、選択された波長以外での発振の可能性が排除できない。したがって、超格子による活性層構造は、ＥＣ型やＤＦＢ型などでの広帯域単一軸モード光源には適していないと考えられる。実際、非特許文献４では、超格子活性層構造を用いて、同時に複数の波長の発振が確認されており、単一軸モード動作には至っていない。
これに対して、高い性能と同時に広い発光帯域を実現している発光層構造として、サブバンドからミニバンドへの遷移形態を有するＢＴＣ（Bound to Continuum）活性層構造がある（特許文献４：米国特許第６９２２４２７号公報）。ＢＴＣ構造では、室温ＣＷ動作が可能な他の構造と比べて１．５倍以上の広い発光半値幅が実現されている。また、このようなＢＴＣ構造での発光遷移は、超格子構造のようなミニバンド−ミニバンド間の遷移ではなく、共通の単一の上準位からの遷移であるため、発振と同時に１つの発光遷移に利得が固定され、複数の波長での発振は発生しない。
現在では、さらに２つの波長のＢＴＣ構造を組み合わせることにより、２９２ｃｍ−１（７．６６μｍ〜９．８７μｍ）の広い波長範囲において、外部共振器型量子カスケードレーザ（ＥＣ−ＱＣＬ）のパルス動作での波長スキャンを達成している。また、ＣＷ動作においても、２０１ｃｍ−１（８．０μｍ〜９．６μｍ）の広帯域で、ＥＣ−ＱＣＬでの波長スキャンを達成している（非特許文献５：A. Wittmann et al., IEEE J. Quantum Electron. Vol.44 (2008)pp.1083-1088）。
しかしながら、上記したＢＴＣ活性層構造における発光遷移では、後述するように、その動作電圧によって発光半値幅（ＥＬのＦＷＨＭ）が大きく変化するため、安定した波長スキャンという観点で課題を有している。また、サブバンド−ミニバンド間の遷移を利用しているため、ミニバンド内の各準位（各サブバンド）への遷移強度の制御が難しく、また、発振に寄与しない準位に遷移する発光も存在するなどの問題がある。
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、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能な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、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層と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を備え、（３）活性層に含まれる単位積層体は、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、単一の発光下準位と、発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位とを有し、量子井戸発光層及び注入層は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成され、量子井戸発光層は、前段の注入層側から、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、及び第２井戸層を少なくとも含んで形成され、第１発光上準位、第２発光上準位、及び発光下準位は、量子井戸発光層内の準位であるとともに、第１井戸層は、量子井戸発光層における最も前段の注入層側の第１井戸層が単一量子井戸層として存在した場合の基底準位が第２発光上準位に対応するように、量子井戸発光層における他の井戸層よりも薄い層厚を有し、第１障壁層は、単位積層体中で最も厚い障壁層である注入障壁層であり、第２障壁層は、第１発光上準位及び第２発光上準位のエネルギー間隔が縦光学フォノンのエネルギー以上となる層厚よりも厚く、かつ、注入障壁層よりも薄い層厚を有し、（４）量子井戸発光層における第１発光上準位及び第２発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成されるとともに、サブバンド間遷移を経た電子は、発光下準位から緩和準位へと緩和され、緩和準位を介して注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、活性層に含まれる単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第２発光上準位とを少なくとも含む複数の発光上準位を有し、複数の発光上準位のそれぞれから発光下準位へのサブバンド間遷移による発光強度について、最も弱い発光が、最も強い発光の１／５以上の発光強度を有し、複数の発光上準位の全体のエネルギー幅は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されていることを特徴とする。
上記した量子カスケードレーザでは、発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位として、第１、第２発光上準位の２つの発光上準位と、単一の発光下準位とを設けている。このように、２つまたはそれ以上のサブバンドを発光上準位として用いることにより、広い波長範囲での発光を実現することができる。また、２つの上準位からの発光遷移が単一で共通の下準位へと集中する準位構造では、第１、第２発光上準位の結合の強さ、２準位のエネルギー差等の設計により、発光遷移によって得られる発光スペクトルなどの特性を好適に制御することができる。
また、上記構成では、そのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位、及び発光下準位に加えて、発光下準位よりも低いエネルギーの緩和準位が設けられている。このような構成では、量子井戸発光層でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、緩和準位への緩和によって発光下準位から引き抜かれる。これにより、発光層において反転分布を効率的に形成することができる。以上により、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能な量子カスケードレーザが実現される。なお、上記のような単位積層体でのサブバンド準位構造は、活性層を構成する単位積層体での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。
ここで、発光下準位からの電子の引き抜きについては、単位積層体において、サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノン散乱によって発光下準位から緩和準位へと緩和されることが好ましい。このように、発光下準位と緩和準位とのエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーに対応するように設定された構成では、発光層でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱を介して発光下準位から高速に引き抜かれることとなる。したがって、発光層における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現することができる。
あるいは、活性層に含まれる単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、緩和準位として機能する緩和ミニバンドを有し、単位積層体において、サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって発光下準位から緩和ミニバンドへと緩和され、緩和ミニバンドを介して注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入される構成を用いても良い。
上記構成では、単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光下準位よりも低いエネルギー準位からなる緩和ミニバンドを設けている。そして、発光下準位と緩和ミニバンドとの間のエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーに対応するように準位構造を構成している。このような構成では、発光層でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱、及びミニバンド内での緩和を介して発光下準位から高速に引き抜かれることとなる。したがって、発光層における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現して、そのレーザ動作性能を特に向上することが可能となる。
また、サブバンド間遷移を経た電子の緩和にミニバンドを利用していることにより、発光下準位からの電子の緩和構造の設計が容易化されるとともに、レーザ素子の製造時における特性の安定化、及び歩留まりの向上を実現することが可能となる。
単位積層体のサブバンド準位構造における発光上準位については、より一般には、第１発光上準位と、第２発光上準位とを少なくとも含む複数（２つまたは３つ以上）の発光上準位を有する構成とすることができる。また、このような構成において、複数の発光上準位のそれぞれから発光下準位へのサブバンド間遷移による発光強度について、最も弱い発光が、最も強い発光の１／５以上の発光強度を有することが好ましい。この場合、複数の発光上準位は、その全体としてエネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞う。これにより、量子カスケードレーザから出力される発光において、均一な広がりを有する発光スペクトルを得ることが可能となる。
また、活性層に含まれる単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第２発光上準位とを少なくとも含む複数の発光上準位を有し、複数の発光上準位の全体のエネルギー幅は、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定されていることが好ましい。これにより、複数の発光上準位から発光下準位への発光遷移において、良好な特性が得られる。また、複数の発光上準位が第１、第２発光上準位の２つの準位である場合、上記条件は、それらの２準位間のエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定することに相当する。
また、活性層に含まれる単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第２発光上準位とを少なくとも含む複数の発光上準位を有し、前段の注入層の緩和準位からの電子は、複数の発光上準位のうちで最も低いエネルギー準位を除くエネルギー準位へと注入されることが好ましい。これにより、複数の発光上準位からなる上位ミニバンド内でのキャリア分布のエネルギー依存性を均一化することができる。
本発明の量子カスケードレーザによれば、活性層を構成する単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位として、第１、第２発光上準位の２つの発光上準位と、単一の発光下準位と、発光下準位よりも低いエネルギーの緩和準位とを設け、第１発光上準位及び第２発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光を生成するとともに、サブバンド間遷移を経た電子が、発光下準位から緩和準位へと緩和される構成とすることにより、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能となる。
量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。 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について示す図である。 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他の例について示す図である。 量子カスケードレーザの構成の一例を示す図である。 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。 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。 量子カスケードレーザで得られる発光スペクトルを示すグラフである。 量子カスケードレーザで得られる発光スペクトルを示すグラフである。 発光半値幅の電圧依存性を示すグラフである。 第１発光上準位と第２発光上準位とのエネルギー間隔の第１井戸層の層厚への依存性を示すグラフである。 発光遷移の双極子モーメントの第１井戸層の層厚への依存性を示すグラフである。 第１発光上準位と第２発光上準位とのエネルギー間隔の第２障壁層の層厚への依存性を示すグラフである。 活性層を構成する単位積層体の構成の他の例を示す図である。 活性層における１周期分の単位積層体の構造の他の例を示す図表である。
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。
図１は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。
活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
図２は、図１に示した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について示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、電子注入層１８とによって構成されている。これらの発光層１７及び注入層１８は、後述するように、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、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。
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａにおいて活性層１５を構成している単位積層体１６は、図２に示すように、そのサブバンド準位構造において、サブバンド間遷移による発光に関わる準位として、第１発光上準位Ｌｕｐ１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Ｌｕｐ２と、単一の発光下準位Ｌｌｏｗとを有している。このような準位構造において、２つの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２は、好ましくは、動作電界の条件下で、それぞれの準位のエネルギー位置が一致し、波動関数が結合（アンチクロッシング）するように設計される。この場合、これらの２つの上準位は、エネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞う。
また、図２に示すサブバンド準位構造では、これらの２つの発光上準位、及び１つの発光下準位に加えて、発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギー準位として緩和準位Ｌｒが設けられている。この緩和準位Ｌｒは、発光遷移後の電子を発光下準位Ｌｌｏｗから引き抜くための準位であり、好ましくは、発光下準位Ｌｌｏｗと緩和準位Ｌｒとのエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯとなるように設定される。また、注入層１８内の基底準位である緩和準位Ｌｒは、好ましくは、動作電界の条件下で、後段の単位積層体での発光層１７ｂにおける第２発光上準位Ｌｕｐ２と強く結合するように設計される。
また、図２に示す単位積層体１６では、発光層１７と、前段の単位積層体での注入層１８ａとの間に、注入層１８ａから発光層１７へと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。また、発光層１７と、注入層１８との間に、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exitbarrier）層が設けられている。これらの障壁層は、発光層１７及び注入層１８を含む活性層１５の具体的な積層構造及びサブバンド準位構造により、必要に応じて設けられる。
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでの緩和準位Ｌｒからの電子ｅ−は、注入障壁を介して発光層１７へと注入され、これによって、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。また、このとき、電子−電子散乱など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、２つの発光上準位Ｌｕｐ１、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、単一で共通の発光下準位Ｌｌｏｗへと発光遷移し、このとき、上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と下準位Ｌｌｏｗとのサブバンド準位間のエネルギー差に相当する波長の光ｈνが生成、放出される。また、このとき、上記したように、２つの上準位がエネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞うため、得られる発光スペクトルは、均一な広がりを有するスペクトルとなる。
発光下準位Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱などの緩和過程によって緩和準位Ｌｒへと緩和される。このように、緩和準位Ｌｒを利用して発光下準位Ｌｌｏｗから電子を引き抜くことにより、２つの上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と単一の下準位Ｌｌｏｗ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。また、発光下準位Ｌｌｏｗから緩和準位Ｌｒへと緩和された電子は、抽出障壁及び注入層１８を介して、緩和準位Ｌｒから後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２へとカスケード的に注入される。
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、量子井戸発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体１６でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。また、このような光がレーザ１Ａの光共振器において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。
本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａの効果について説明する。
図１及び図２に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、発光層１７及び注入層１８から構成される単位積層体１６でのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位として、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２の２つの発光上準位と、単一の発光下準位Ｌｌｏｗとを設けている。このように、２つまたはそれ以上のサブバンドを発光上準位として用いることにより、広い波長範囲での発光を実現することができる。
また、２つの上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２からの発光遷移が単一で共通の下準位Ｌｌｏｗへと集中する図２の準位構造では、準位構造の具体的な条件、例えば第１、第２発光上準位の結合の強さ、２準位のエネルギー差などの設計により、発光遷移によって得られる発光スペクトルなどの特性を好適に制御することができる。
特に、動作電界の条件下で、２つの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２の波動関数が強く結合するように設計した場合、これらの２つの上準位は、上述したように、エネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞う。このとき、得られる発光スペクトルは、超格子構造のような不均一なスペクトルとはならず、均一な広がりを有するスペクトルとなる。このような発光スペクトルは、例えばＥＣ型やＤＦＢ型などの広帯域単一軸モード光源に適している。また、通常の半導体レーザにおいて良く知られているように、準位間の高速の電子−電子散乱のために、レーザ発振時に利得スペクトルのホールバーニングは生じないこととなり、このため、単一軸モード発振を維持することが可能になる。
また、図２に示したサブバンド準位構造では、上記した第１、第２発光上準位、及び発光下準位に加えて、発光下準位よりも低いエネルギーの緩和準位Ｌｒが設けられている。このような構成では、量子井戸発光層１７でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、緩和準位Ｌｒへの緩和によって発光下準位Ｌｌｏｗから引き抜かれる。これにより、発光層１７において反転分布を効率的に形成することができる。以上により、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能な量子カスケードレーザ１Ａが実現される。
なお、上記のような単位積層体１６でのサブバンド準位構造は、活性層１５を構成する単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。また、発光に関わる準位のうち、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２については、それらの２準位間のエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定することが好ましい。これにより、２つの発光上準位、及び１つの発光下準位を用いたサブバンド間の発光遷移を好適に実現することができる。
ここで、単位積層体１６のサブバンド準位構造における発光上準位については、より一般には、第１発光上準位Ｌｕｐ１と、第２発光上準位Ｌｕｐ２とを少なくとも含む複数（２つまたは３つ以上）の発光上準位を有する構成とすることができる。また、このような構成において、複数の発光上準位のそれぞれから発光下準位Ｌｌｏｗへのサブバンド間遷移による発光強度について、最も弱い発光が、最も強い発光の１／５以上の発光強度を有することが好ましい。この場合、上述したように、複数の発光上準位が、その全体としてエネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞う構成を、確実に実現することができる。これにより、量子カスケードレーザから出力される発光において、より均一な広がりを有する発光スペクトルを得ることが可能となる。
また、第１、第２発光上準位を少なくとも含む複数の発光上準位の全体のエネルギー幅（最も高いエネルギー準位と最も低いエネルギー準位とのエネルギー差）は、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定されていることが好ましい。これにより、複数の発光上準位から発光下準位への発光遷移において、良好な特性が得られる。また、複数の発光上準位が第１、第２発光上準位の２つの準位である場合、上記条件は、それらの２準位間のエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定することに相当する。ここで、発光のエネルギー間隔が離れていると、それぞれの遷移が分離できるようになり、例えば室温では、およそ２５〜３０ｍｅＶほどで明確に不均一に広がることとなる。また、発光上準位が３つ以上の場合、エネルギー幅が広くなると、注入層から発光上準位への注入効率、あるいは電子の均一な分布などの点で問題が生じる場合がある。これに対して、上記したように、複数の発光上準位の全体のエネルギー幅を、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定することにより、良好な特性を得ることができる。
また、複数の発光上準位を有する上記構成において、前段の注入層１８ａの緩和準位Ｌｒからの電子は、複数の発光上準位のうちで最も低いエネルギー準位を除くエネルギー準位へと注入されることが好ましい。これにより、複数の発光上準位からなる上位ミニバンド内でのキャリア分布のエネルギー依存性を均一化することができる。
発光下準位Ｌｌｏｗからの電子の引き抜きについては、単位積層体１６において、サブバンド間遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱によって発光下準位Ｌｌｏｗから緩和準位Ｌｒへと緩和されることが好ましい。このように、発光下準位と緩和準位とのエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯに対応するように設定された構成では、発光層１７でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱を介して発光下準位から高速に引き抜かれることとなる。したがって、発光層１７における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現することができる。
また、活性層１５に含まれる単位積層体１６でのサブバンド準位構造における発光下準位Ｌｌｏｗからの電子の引き抜き構造については、単一のサブバンドからなる緩和準位Ｌｒを設ける構成に限らず、様々な構成を用いることが可能である。そのような構成の例としては、緩和準位Ｌｒへの２段階のＬＯフォノン散乱によって電子を引き抜くダブルフォノン共鳴構造を用いることができる。
あるいは、発光下準位Ｌｌｏｗからの電子の引き抜き構造として、単位積層体１６のサブバンド準位構造において、緩和準位として機能する緩和ミニバンドを設けるフォノン共鳴ミニバンド緩和（ＳＰＣ：Single Phonon Resonance-Continuum）活性層構造を用いることも可能である（特許文献６：特開２００８−１７７３６６号公報）。このような活性層構造は、本願発明者が、独自の量子カスケードレーザの素子構造として開発をすすめているものである。
図３は、図１に示した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他の例について示す図である。図３は、電子の引き抜き構造として、上記したＳＰＣ構造を用いた場合の準位構造を示している。なお、図３に示すサブバンド準位構造において、第１発光上準位Ｌｕｐ１、第２発光上準位Ｌｕｐ２、及び発光下準位Ｌｌｏｗについては、図２に示した準位構造と同様である。
本構成例における単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と、発光下準位Ｌｌｏｗとに加えて、発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギー準位であって緩和準位として機能する複数の準位（複数のサブバンド）からなる緩和ミニバンドＭＢを有している。このミニバンドＭＢは、発光下準位ＬｌｏｗとミニバンドＭＢとの間のエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯとなるように設定されている。
このようなサブバンド準位構造において、発光下準位Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱によって緩和ミニバンドＭＢへと高速で緩和され、さらに、ミニバンドＭＢ内で高速緩和される。このように、発光下準位ＬｌｏｗからＬＯフォノン散乱及びミニバンド内での緩和を介して高速で電子を引き抜くことにより、２つの上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と単一の下準位Ｌｌｏｗ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。
また、本準位構造においては、緩和ミニバンドＭＢは、図３に示すように、量子井戸発光層１７でのミニバンドと、注入層１８でのミニバンドとが結合したバンド構造を有している。このような構成において、発光下準位Ｌｌｏｗから緩和ミニバンドＭＢへと緩和された電子は、抽出障壁及び注入層１８を介して、ミニバンドＭＢから、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２へとカスケード的に注入される。
図３に示した構成では、単位積層体１６でのサブバンド準位構造において、発光下準位Ｌｌｏｗよりも低いエネルギー準位からなる緩和ミニバンドＭＢを設けている。そして、発光下準位Ｌｌｏｗと緩和ミニバンドＭＢとの間のエネルギー差がＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯに対応するように準位構造を構成し、サブバンド間遷移を経た電子が、ＬＯフォノン散乱によって発光下準位Ｌｌｏｗから緩和ミニバンドＭＢへと緩和され、ミニバンドＭＢを介して注入層１８から後段の単位積層体の量子井戸発光層１７ｂへと注入される構成としている。
このようなＳＰＣ構造では、発光層１７でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、ＬＯフォノン散乱、及びミニバンドＭＢ内での緩和を介して、発光下準位Ｌｌｏｗから高速に引き抜かれることとなる。したがって、発光層１７における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現して、そのレーザ動作性能が特に向上されたレーザ素子を実現することが可能となる。
また、サブバンド間遷移を経た電子の緩和に複数のサブバンドを含むミニバンドＭＢを利用していることにより、発光下準位Ｌｌｏｗからの電子の緩和構造の設計が容易化されるとともに、レーザ素子の製造時における特性の安定化、及び歩留まりの向上を実現することが可能となる。このようなサブバンド準位構造は、第１、第２発光上準位及び発光下準位と同様に、活性層１５を構成する単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。
ここで、図３に示したサブバンド準位構造における発光下準位Ｌｌｏｗについては、緩和ミニバンドＭＢにおける一のサブバンド（ミニバンドＭＢ内で最も高いエネルギーのサブバンド）を他のサブバンドからＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯ分だけ高エネルギー側に分離させ、その分離された準位を発光下準位Ｌｌｏｗとする構成を用いることができる。これにより、発光下準位Ｌｌｏｗと、緩和ミニバンドＭＢとを含む準位構造を好適に実現することができる。
また、活性層１５の量子井戸構造については、図２、図３に示したように、単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８との間に抽出障壁層が設けられていることが好ましい。これにより、注入層１８から発光層１７への電子の波動関数の染み出しを抑制することができ、発光層１７での発光遷移の効率を向上することが可能となる。すなわち、このように電子の波動関数の染み出しを抑制することにより、レーザ発振に寄与する光学遷移が、確実に第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２、及び下準位Ｌｌｏｗのサブバンド間で行われ、下準位ＬｌｏｗからのキャリアがＬＯフォノン散乱などの緩和過程によって、緩和準位Ｌｒあるいは緩和ミニバンドＭＢへと緩和することとなる。
また、サブバンド準位構造において緩和ミニバンドＭＢを用いる場合、図３に示したように、緩和ミニバンドＭＢは、発光層１７でのミニバンドと、注入層１８でのミニバンドとが結合したバンド構造を有することが好ましい。このように、発光層１７のミニバンドと注入層１８のミニバンドとを強く結合させることにより、発光層１７から注入層１８への電子のトンネル時間を非常に短くすることができる。
本発明による量子カスケードレーザの構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともにさらに説明する。図４は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。また、図５は、図４に示した量子カスケードレーザにおける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。
本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、発振波長を８．７μｍ（発振エネルギー：１４２ｍｅＶ）、動作電界を４１ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。図５においては、活性層１５での発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図４及び図５に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。
図４に示す量子カスケードレーザ１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０としてｎ型ＩｎＰ単結晶基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コア層５１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コア層５２、厚さ３．５μｍのＩｎＰクラッド層５３、及び厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層５４が順次積層されることで、量子カスケードレーザ１Ｂの素子構造が形成されている。
本構成例における活性層１５は、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８を含む単位積層体１６が３３周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図５に示すように、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。
これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ａｓ層によって構成されている。これにより、活性層１５は、ＩｎＰ基板５０に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。
また、このような単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８とについては、図５に示す積層構造において、４層の井戸層１６１〜１６４、及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分となっている。
また、発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１７１が、前段の注入層と、発光層１７との間に位置し、前段の注入層から発光層１７への電子に対する注入障壁層となっている。同様に、注入層１８の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１９１が、発光層１７と、注入層１８との間に位置し、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁層となっている。図６に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。
このような構成において、単位積層体１６は、その図５に示すサブバンド準位構造において、第１発光上準位（準位３）Ｌｕｐ１、第２発光上準位（準位４）Ｌｕｐ２、発光下準位（準位２）Ｌｌｏｗ、及び緩和準位（準位１）である緩和ミニバンドＭＢを有している。具体的には、図５に示す準位構造において、レーザ動作に寄与する準位は１２個あり、緩和準位として機能する緩和ミニバンドＭＢには複数の準位が対応している。また、発光層１７及び注入層１８での井戸層、障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。
図５に示した単位積層体１６における量子井戸構造の具体的な設計手順について説明する。まず、レーザ素子での発振波長を与えるために、第１発光上準位（準位３）Ｌｕｐ１と発光下準位（準位２）Ｌｌｏｗとの間のエネルギー間隔、及び発光下準位からの電子の引き抜き構造を決定する。上記したサブバンド準位構造では、単一の発光下準位Ｌｌｏｗは孤立した準位である必要があるため、ミニバンドを用いることはできない。また、発光下準位からの電子の引き抜き、緩和構造については、本構成例では、上記した緩和ミニバンドＭＢによるＳＰＣ構造を用いている。
第１発光上準位Ｌｕｐ１と発光下準位Ｌｌｏｗとのエネルギー間隔は、発光層１７内の井戸層１６１、１６２、１６３、１６４の井戸幅、障壁層１７２、１７３、１７４の厚さ、及び動作電界によって決まる。また、動作電界は、予想される１周期当たりの積層体の膜厚及び電圧降下量に基づいて設定される。本構成例では、上述したように、動作電界を４１ｋＶ／ｃｍとしている。
ここで、発光波長を決める井戸層１６１〜１６４の井戸幅、及び障壁層１７２〜１７４の厚さは、それぞれの準位の波動関数が敏感にそれぞれの量子井戸層と障壁層との影響を受けているため、単独では決定することができない。このため、これらの半導体層については、数値計算を用いて量子力学的に各層の層厚を決定する。また、次の設計ステップで第２発光上準位Ｌｕｐ２の準位位置を決定する際に、設計波長は再び変化する。そのため、ここでは、はじめに量子井戸層１６２、１６３、１６４、及び障壁層１７３、１７４の構成を大まかに決定する。
次に、第２発光上準位（準位４）Ｌｕｐ２を設定するための量子井戸層１６１の井戸幅を決定する。この井戸層１６１の層厚は、井戸層１６１が単一量子井戸層として存在した場合の基底準位が第２発光上準位Ｌｕｐ２に対応するため、必然的に発光層１７における他の井戸層よりも薄くなる。また、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２は、動作電界の条件下において波動関数が結合し、充分に重なっている必要がある。このため、井戸層１６１の厚さは、井戸層１６１における基底準位と、第１発光上準位Ｌｕｐ１とが、動作電界においてほぼ同じエネルギーになるように設定される。
また、障壁層１７２の厚さは、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２が結合している状態におけるアンチクロッシングの大きさ（完全に結合しているときの準位３、準位４間のエネルギー差ΔＥ４３）を決定している。アンチクロッシングの大きさは、障壁層１７２が薄ければ大きく、また、障壁層１７２が厚ければ小さくなる。
本発明による量子カスケードレーザは、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２から発光下準位Ｌｌｏｗへの遷移を制御することによって、広い発光半値幅を実現するものである。このため、障壁層１７２の厚さが適切でない場合には、そのような機能が損なわれることとなる。すなわち、障壁層１７２が薄すぎる場合には、ΔＥ４３が大きくなるため、発光下準位Ｌｌｏｗへの遷移は、第１発光上準位Ｌｕｐ１もしくは第２発光上準位Ｌｕｐ２のどちらかからの遷移に偏り、発光半値幅は狭いものとなる。仮に偏らずに発光したとしても、その発光スペクトルはミニバンド間遷移の場合のように不均一なものとなる。
一方、障壁層１７２が厚すぎる場合は、ΔＥ４３が小さくなりすぎるが、それ以前に、注入障壁層１７１よりも厚い障壁層がカスケード構造内に存在すると、キャリアの輸送が困難となり、レーザ動作そのものが損なわれる可能性がある。これらの観点から、障壁層１７２の厚さは、注入障壁層１７１よりは薄い層厚で、適切に設定する必要がある。図５に示した構成例では、この障壁層１７２の厚さを２．７ｎｍに設定することで、発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２のエネルギー差ΔＥ４３を１５ｍｅＶとしている。
これらの設計過程において、設計波長、及び各準位の間隔等は常に変化するが、そのたびに微調整を行うことにより、発光層１７内のすべての量子井戸層、障壁層の厚さを決定する。最終的に、発光層１７内の井戸層１６１、１６２、１６３、１６４の層厚は、それぞれ３．１ｎｍ、７．５ｎｍ、５．８ｎｍ、５．２ｎｍとした。また、障壁層１７２、１７３、１７４の層厚は、それぞれ２．７ｎｍ、０．７ｎｍ、１．５ｎｍとした。
続いて、電子注入層１８の設計を行う。本構成例では、この注入層１８の構造として、FunnelInjector（特許文献８：特開平１０−４２４２号公報）を用いた。このように、Funnel Injectorを用いることにより、次周期に近づくにしたがって、ミニバンドＭＢのエネルギー幅を狭くして、第２発光上準位Ｌｕｐ２への電子の注入効率を高めることができる。このような準位構造は、注入層１８内において、発光層１７側から次周期の発光層１７ｂに近づくにしたがって、量子井戸層の層厚を薄くし、障壁層の層厚を厚くすることによって実現することができる。
図５に示した構造では、注入層１８の設計は、まず次周期の発光層１７ｂと隣り合っている量子井戸層１８７の設計から行う必要がある。これは、井戸層１８７に存在する準位の波動関数（動作電界での注入層１８内の基底準位）を、動作電界以下のどの電界においても、発光上準位に追従する状態にしておく必要があるためである。
このような状態を実現するためには、井戸層１８７の層厚は井戸層１６１よりも若干厚く（数Å程度）する必要がある。本構成例では、発光層１７の井戸層１６１の厚さ３．１ｎｍに対して、注入層１８の井戸層１８７の厚さを３．３ｎｍに設定している。これにより、緩和ミニバンドＭＢからの電子の注入によって、第２発光上準位Ｌｕｐ２を励起することが可能となり、広い発光半値幅が実現可能となる。
ここで、例えば井戸層１８７を井戸層１６１よりも６Å（０．６ｎｍ、２原子層）ほど厚くした場合を考えると、低電界の条件下において、井戸層１８７内の緩和準位は、井戸層１６１内の第２発光上準位Ｌｕｐ２よりも低エネルギーとなるのみでなく、第１発光上準位Ｌｕｐ１よりもさらに低エネルギーに位置することとなる。このような準位構造では、動作電界に近づいたときに、電子が先に第１発光上準位Ｌｕｐ１に注入され、広い発光半値幅を得ることが困難となる。
井戸層１８７の層厚の決定後、従来と同様の方法によって、注入層１８内の他の量子井戸層、障壁層の層厚を決定する。はじめに、発光層１７に隣接する抽出障壁層１９１の厚さを決定する。抽出障壁層１９１は、厚すぎると発光層１７内から注入層１８への電子の流れが損なわれるが、薄すぎると発光層１７内の波動関数と強く結合して大きく影響を与えるため、注意深く設計する必要がある。
注入層１８を構成する各半導体層のうちで、抽出障壁層１９１側の井戸層、障壁層の厚さについては、発光層１７内に存在する準位からの電子がすべて、注入層１８内で形成されるミニバンドに輸送可能なように設計する。一方、次周期の注入障壁層１７１側の井戸層、障壁層の厚さについては、注入層１８からの電子が次周期の第２発光上準位Ｌｕｐ２のみに注入され、それよりも高エネルギー側の準位には注入されないように、緩和ミニバンドＭＢを充分に狭窄する必要がある。
以上の点を考慮した設計の結果、注入層１８内の井戸層１８１〜１８７の層厚は、それぞれ４．１ｎｍ、３．８ｎｍ、３．５ｎｍ、３．４ｎｍ、３．４ｎｍ、３．４ｎｍ、３．３ｎｍに設定した。また、障壁層１９１〜１９７の層厚は、それぞれ２．０ｎｍ、１．５ｎｍ、１．６ｎｍ、１．７ｎｍ、２．０ｎｍ、２．３ｎｍ、２．８ｎｍに設定した。
最後に、量子井戸発光層１７における注入障壁層１７１の層厚を決定する。この障壁層１７１は、多段の単位積層体１６のカスケード構造における各周期の結合の強さを決定するものであり、投入できる最大電流を決定している。波動関数の結合の強さはアンチクロッシングギャップによって決定されるが、本構成例では、アンチクロッシングギャップを７．３ｍｅＶとし、従来技術と同等の電流を投入可能なように設計を行った。このときの注入障壁層１７１の厚さは３．７ｎｍとなる。
上記のように設計した構成例による量子カスケードレーザの特性等について、図７〜図１２を参照して説明する。
図７は、量子カスケードレーザで得られる発光スペクトルの動作電圧依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は発光エネルギー（ｍｅＶ）を示し、縦軸は発光強度（ａ．ｕ．）を示している。ここでは、動作温度を３００Ｋ、繰返し周波数を１００ｋＨｚ、パルス幅を５００ｎｓｅｃとしたときの動作例を示している。また、グラフＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、それぞれ印加電圧が４．５Ｖ、６．３Ｖ、７．９Ｖ、９．２Ｖのときの発光スペクトルを示している。これらのグラフに示すように、活性層において上記の準位構造を採用することにより、その発光スペクトルにおいて広い発光半値幅が得られていることがわかる。
図８は、各種構造を有する量子カスケードレーザで得られる発光スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、グラフＢ１は、上記構成例による本発明の活性層構造を用いた場合の発光スペクトルを示している。また、グラフＢ２は、発光上準位を単一とした従来のＳＰＣ構造を用いた場合の発光スペクトルを示している。また、グラフＢ３は、ＢＴＣ構造を用いた場合の発光スペクトルを示している。
図８において、グラフＢ１、Ｂ２を比較すると、上記した新規構造によるグラフＢ１では、観測されている発光半値幅（ＦＷＨＭ）は最大で２９．５ｍｅＶであり、グラフＢ２に示す従来のＳＰＣ構造での発光半値幅１７ｍｅＶと比べて、非常に広い発光半値幅が実現されている。また、グラフＢ１、Ｂ３を比較すると、ＢＴＣ構造のグラフＢ３では、高エネルギー側にスペクトルの裾があるが、新規構造のグラフＢ１では、そのようなスペクトルの裾は存在しないことがわかる。これは、上記した新規構造では、発光遷移を所望の準位間同士の遷移のみに制御可能であることを示している。
図９は、発光半値幅の電圧依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は印加電圧（Ｖ）を示し、縦軸は発光半値幅に対応するＦＷＨＭ（ｍｅＶ）を示している。また、グラフ（データプロット）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、それぞれ上記した新規構造、従来のＳＰＣ構造、及びＢＴＣ構造を用いた場合の発光半値幅の電圧依存性を示している。これらのグラフに示すように、ＢＴＣ構造では、電圧の増大に伴って発光半値幅が単調に減少しているのに対して、新規構造では、発光半値幅は動作電圧５Ｖ〜８．５Ｖの範囲においてほぼ一定である。これは、ＤＦＢ型、ＥＣ型などのレーザ素子への適用を考慮すると、上記した新規構造が、非常に大きな優位性を有していることを示すものである。
上記構成による量子カスケードレーザでは、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２から発光下準位Ｌｌｏｗへの発光遷移について、２つの準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２のそれぞれから充分な遷移強度が得られるときに、はじめて充分な特性、機能が得られる。このため、２つの準位は、動作状態では常に充分に結合されている必要がある。２つの準位の結合が弱くなると、波動関数が別々の量子井戸層に局在し始め、遷移強度を示す双極子モーメントが減少することとなる。
ここで、図１０は、第１発光上準位Ｌｕｐ１と第２発光上準位Ｌｕｐ２とのエネルギー間隔の第１井戸層の層厚への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は発光層１７における第１井戸層１６１の層厚（ｎｍ）を示し、縦軸は第１、第２発光上準位のエネルギー間隔ΔＥ４３（ｍｅＶ）を示している。
また、図１１は、発光遷移の双極子モーメントの第１井戸層の層厚への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は図１０と同様に発光層１７における第１井戸層１６１の層厚（ｎｍ）を示し、縦軸は第１発光上準位Ｌｕｐ１から発光下準位Ｌｌｏｗへの発光遷移の双極子モーメント、及び第２発光上準位Ｌｕｐ２から発光下準位Ｌｌｏｗへの発光遷移の双極子モーメントを示している。
図５、図６に示した構成例において、発光層１７の第１井戸層１６１の層厚は３．１ｎｍである。これに対して、図１０のグラフに示すように、井戸層１６１の層厚を変化させると、上記構成例の３．１ｎｍに対して厚くした場合、及び薄くした場合ともに、２つの発光上準位のエネルギー間隔が大きくなることがわかる。すなわち、井戸層１６１の層厚を３．１ｎｍに設定したときに、２つの準位が最も結合した状態になっている。
また、図１１のグラフに示すように、同じように井戸層１６１の層厚を変化させたときに、上記構成例の３．１ｎｍにおいて、第１、第２発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２のそれぞれから、ほぼ等しい強度で発光が得られていることがわかる。上記構成による量子カスケードレーザでは、このように、２つの発光上準位のエネルギー間隔ΔＥ４３が適切に設定され、かつ、それらの２つの上準位の双方から発光下準位への充分な遷移強度が得られるように、単位積層体１６における量子井戸構造、及びそれによるサブバンド準位構造を設計することが好ましい。
ここで、実際の量子カスケードレーザからの発光強度は、双極子モーメントの２乗（遷移強度の２乗）、及び発光エネルギーによって決まるものである。上記構成例の設計状態であるΔＥ４３＝１５ｍｅＶでは、遷移強度の２乗の比（発光強度の比）が５：１よりも大きくなると、一方の発光強度が弱いために、全体として発光の半値幅を広くすることができない。これらの条件を考えると、上記構成例における第１井戸層１６１の層厚については、図１０、図１１においてそれぞれＲ１、Ｒ２によって示す範囲内で設定することが好ましい。
図１２は、第１発光上準位Ｌｕｐ１と第２発光上準位Ｌｕｐ２とのエネルギー間隔の第２障壁層の層厚への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は発光層１７における第２障壁層１７２の層厚（ｎｍ）を示し、縦軸は第１、第２発光上準位のエネルギー間隔ΔＥ４３（ｍｅＶ）を示している。
図５、図６に示した構成例において、発光層１７の第２障壁層１７２の層厚は２．７ｎｍである。これに対して、図１２のグラフに示すように、障壁層１７２の層厚を変化させると、エネルギー間隔ΔＥ４３を与える２準位のアンチクロッシングが変化する。この点も、上記の量子カスケードレーザの構造を規定する上で重要な要素である。図１２に示した例では、第２障壁層１７２の層厚は、ΔＥ４３がＬＯフォノンのエネルギー以上となる１．８ｎｍよりも厚く、かつ、単位積層体１６中で最も厚い障壁層である注入障壁層よりも薄い厚さに設定することが好ましい。
以上のように、２つの発光上準位を有する構成では、上記のように規定される第２障壁層１７２の層厚と、２つの上準位のそれぞれから下準位へと充分な遷移強度を与えるための第１井戸層１６１の層厚とを適切に設定することが重要である。なお、好適な構成条件を満たすための第１井戸層１６１の層厚の許容範囲は、第２障壁層１７２の層厚に依存して常に変化するが、第２障壁層１７２が薄ければ許容範囲は大きくなり、厚ければ小さくなる傾向にある。発光波長を８．７μｍとした上記構成例では、２つの上準位がほぼ同じ双極子モーメントを与える層厚から、およそ±２〜３原子層（０．４〜１．０ｎｍ）以内が許容範囲となる。ただし、このような条件は、発光エネルギー、半導体材料系等の具体的な構成によって異なるものとなる。
本発明による量子カスケードレーザの構成について、他の具体例とともにさらに説明する。図１３は、量子カスケードレーザにおける活性層を構成する単位積層体の構成の他の例を示す図である。また、図１４は、図１３に示した活性層１５における１周期分の単位積層体の具体的な構造を示している。図１３、図１４に示す構成は、図５、図６に示した構成の変形例に相当するものである。
本構成例において、１周期分の単位積層体１６は、図１３に示すように、１２個の量子井戸層２６１〜２６５、２８１〜２８７、及び１２個の量子障壁層２７１〜２７５、２９１〜２９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。また、図１３に示す積層構造において、５層の井戸層２６１〜２６５、及び障壁層２７１〜２７５からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層２８１〜２８７、及び障壁層２９１〜２９７からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分となっている。
このような構成において、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、３つの発光上準位Ｌｕｐ、発光下準位Ｌｌｏｗ、及び緩和準位である緩和ミニバンドＭＢを有している。すなわち、図１３に示す構造では、発光層１７において井戸層及び障壁層を１層ずつ追加することによって、発光上準位を、第１、第２、第３発光上準位の３つの準位からなる上位ミニバンドとする準位構造が実現されている。
このように、単位積層体１６のサブバンド準位構造における発光上準位については、第１、第２発光上準位を少なくとも含む３つ以上の準位を設ける構成とすることも可能である。また、このような構成においても、各準位のエネルギー間隔、波動関数の形状、遷移強度等の条件については、発光層１７を構成する量子井戸層、障壁層の層厚によって制御することが可能である。
また、発光上準位が２つまたは３つ以上の準位からなる構成では、上述したように、複数の発光上準位のそれぞれからのサブバンド間遷移による発光強度について、最も弱い発光が、最も強い発光の１／５以上の発光強度を有することが好ましい。また、複数の発光上準位の全体のエネルギー幅は、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定されていることが好ましい。
また、前段の注入層の緩和準位からの電子は、複数の発光上準位のうちで最も低いエネルギー準位を除くエネルギー準位へと注入されることが好ましい。具体的には、発光上準位として低エネルギー側から第１、第２発光上準位の２つの準位が設けられている場合には、高エネルギー側の第２発光上準位に電子が注入されることが好ましい。また、低エネルギー側から第１、第２、第３発光上準位の３つの準位が設けられている場合には、最も高エネルギー側の第３発光上準位、または中間の第２発光上準位に電子が注入されることが好ましい。
図１３、図１４に示した構成例では、具体的には、３つの発光上準位Ｌｕｐのそれぞれから発光下準位Ｌｌｏｗへの発光遷移の双極子モーメントは、高エネルギー準位側からそれぞれ１．２４ｎｍ、１．５３ｎｍ、１．２６ｎｍであり、それぞれの上準位から、広い利得スペクトルを与えるために必要な充分大きい遷移強度が得られている。また、各発光上準位から発光下準位への発光遷移のエネルギーは、それぞれ１３４．３ｍｅＶ、１４７．５ｍｅＶ、１５８．４ｍｅＶであり、これらの３つの準位によって構成される上位ミニバンドのエネルギー幅は２４．１ｍｅＶである。
本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による発光遷移が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。
また、量子カスケードレーザの活性層における積層構造、及びレーザ素子全体としての半導体積層構造については、図４〜図６、図１３、図１４に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、上記構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばＩｎＰ基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大、効率的なキャリア閉じ込め、及び発振波長の短波長化が可能となる。
本発明は、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。
１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＧａＡｓ下部コア層、５２…ＩｎＧａＡｓ上部コア層、５３…ＩｎＰクラッド層、５４…ＩｎＧａＡｓコンタクト層、Ｌｕｐ１…第１発光上準位、Ｌｕｐ２…第２発光上準位、Ｌｌｏｗ…発光下準位、Ｌｒ…緩和準位、ＭＢ…緩和ミニバンド。

Claims (4)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層と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を備え、
    前記活性層に含まれる前記単位積層体は、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、単一の発光下準位と、前記発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位とを有し、
    前記量子井戸発光層及び前記注入層は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む量子井戸構造を有して形成され、前記量子井戸発光層は、前段の注入層側から、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、及び第２井戸層を少なくとも含んで形成され、
    前記第１発光上準位、前記第２発光上準位、及び前記発光下準位は、前記量子井戸発光層内の準位であるとともに、前記第１井戸層は、前記量子井戸発光層における最も前段の注入層側の前記第１井戸層が単一量子井戸層として存在した場合の基底準位が前記第２発光上準位に対応するように、前記量子井戸発光層における他の井戸層よりも薄い層厚を有し、
    前記第１障壁層は、前記単位積層体中で最も厚い障壁層である注入障壁層であり、前記第２障壁層は、前記第１発光上準位及び前記第２発光上準位のエネルギー間隔が縦光学フォノンのエネルギー以上となる層厚よりも厚く、かつ、前記注入障壁層よりも薄い層厚を有し、
    前記量子井戸発光層における前記第１発光上準位及び前記第２発光上準位から前記発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成されるとともに、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記発光下準位から前記緩和準位へと緩和され、前記緩和準位を介して前記注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、
    前記活性層に含まれる前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記第１発光上準位と、前記第２発光上準位とを少なくとも含む複数の発光上準位を有し、
    前記複数の発光上準位のそれぞれから前記発光下準位へのサブバンド間遷移による発光強度について、最も弱い発光が、最も強い発光の１／５以上の発光強度を有し、
    前記複数の発光上準位の全体のエネルギー幅は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。
  2. 前段の注入層の緩和準位からの電子は、前記複数の発光上準位のうちで最も低いエネルギー準位を除くエネルギー準位へと注入されることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。
  3. 前記単位積層体において、前記サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって前記発光下準位から前記緩和準位へと緩和されることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
  4. 前記活性層に含まれる前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記緩和準位として機能する緩和ミニバンドを有し、
    前記単位積層体において、前記サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって前記発光下準位から前記緩和ミニバンドへと緩和され、前記緩和ミニバンドを介して前記注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入されることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
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