JP5544574B2 - 量子カスケードレーザー素子 - Google Patents

Description

本発明は量子カスケードレーザー素子に関する。さらに詳細には、本発明は、テラヘルツ領域の電磁波を放出する量子カスケードレーザー素子に関する。

近年、中赤外領域やテラヘルツ（ＴＨｚ）領域の電磁波を放出する固体光源として、量子カスケードレーザー（Quantum Cascade Laser、以下「ＱＣＬ」という）が注目を集めている。特にＴＨｚ領域の電磁波は、光と電波の両方の性質を兼ね備えており、例えば光のもつ高い解像度と、電波のもつ高い透過性とを兼ね備えるとともに、Ｘ線などに比べ照射された対象物への影響が少ないという特徴を有している。これらから、ＴＨｚ領域の電磁波は、例えば透過による物質の特定や人体の透視検査といった用途への適用が期待されている。

ＱＣＬの放出機構は、典型的には、半導体超格子構造を利用し、例えばウェル（井戸）およびバリア（障壁）の繰り返しの構造を持たせた電子の伝導帯のみのポテンシャルを利用するものである。つまり、ＱＣＬでは、半導体超格子構造により生成されたサブバンド間の遷移（intersubband transition）により誘導放出（stimulated emission）を起こさせる。この点で、伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップを跨いで電子とホール（hole）の再結合により電磁波を誘導放出させる従来の半導体レーザーの放出機構とＱＣＬの放出機構は大きく異なる。より具体的には、ＱＣＬでは、半導体超格子構造のウェルおよびバリアのポテンシャルを利用し、さらに電圧を印加することにより、そのウェルとバリアの凹凸を有するポテンシャルを半導体超格子構造の厚みの位置に応じ傾斜させる。そして、傾斜して並ぶ凹凸のポテンシャルを利用し、電子の誘導放出を多段階につまりカスケード状に生じさせる。このような遷移を起こさせる半導体超格子構造を実現するためには、電界による傾斜を考慮しウェル層やバリア層の厚みを精密に設計する、バンドの作り込み（band engineering）が必要となる。ＱＣＬにおいては、キャリア（電子）が繰り返し誘導放出に利用されるため、キャリアリサイクリングが可能となる。

ＱＣＬにおいては、半導体超格子構造をなす材質のエネルギーギャップと無関係な波長を選択しレーザー発振させること（lasing）が可能となり、そして、そのレーザー波長（lasing wavelength）は半導体超格子構造の設計（design）により変更することができる。これらの理由から、これまで固体光源が得られていない波長域であるＴＨｚ領域における電磁波の放出がＱＣＬにより実現されている。ＴＨｚ領域のＱＣＬ（以下、「ＴＨｚ−ＱＣＬ」という）は、レーザー発振のための反転分布を実現する方式によりいくつかのタイプに分けられる。ＴＨｚ−ＱＣＬの一例は、孤立した準位から連続的になっているミニバンドへ遷移する電子が電磁波を放出する、bound-to-continuumタイプと呼ばれるものである。このタイプのＴＨｚ−ＱＣＬとして、ミニバンドにおける電子−電子散乱によりレーザー下位準位の電子を緩和させて反転分布が形成され、３．６５ＧＨｚの発振周波数にて動作するものが開示されている（非特許文献１）。ただし、そのbound-to-continuumタイプのＴＨｚ−ＱＣＬは、電圧効率が良いものの、設計が複雑であり、ＬＯフォノンの散乱による悪影響が大きく現われる。

別のタイプのＴＨｚ−ＱＣＬが特許文献１（米国特許第６８２９２６９号明細書）に開示されている。特許文献１に開示されるＴＨｚ−ＱＣＬでは、１段階分の誘導放出において３つの電子のエネルギー準位が利用される。すなわち、レーザー発振のために必須となる上位レーザー準位（upper lasing level）と下位レーザー準位（lower -）との間の反転分布を実現するために、もう一つの電子準位が利用される。特許文献１のＴＨｚ−ＱＣＬは、誘導放出に関連する上位レーザー準位（｜３＞、本明細書において「準位Ｌ３」という）と下位レーザー準位（｜２＞、同「準位Ｌ２」）と、準位Ｌ２よりさらに下位に位置する準位（｜１＞、同「準位Ｌ１」）とを用いる。準位Ｌ１は、縦光学フォノン（以下、「ＬＯフォノン」という）を利用して準位Ｌ２から電子を引き抜く（depopulation）作用を有している（特許文献１、ＦＩＧ３等）。以下、この３準位系の方式をＬＯフォノン散乱アシストタイプと呼ぶ。

ＬＯフォノン散乱アシストタイプのＴＨｚ−ＱＣＬとして、特許文献１には、誘導放出に関与する活性領域に、１段階分の誘導放出を生じさせるための構造（以下、単に「単位構造」という）を繰り返し配置する半導体超格子構造が開示されている。その単位構造は発光領域と注入領域を含んでいる。その単位構造におけるポテンシャルエネルギーつまりバンドは、発光領域においては発光効率が高まるように作り込まれているのに対し、注入領域においては反転分布の形成を助けるように作り込まれている。これらの設計を実現するために、ＬＯフォノン散乱アシストタイプのＴＨｚ−ＱＣＬにおける活性領域は、ウェル層がＧａＡｓにより、バリア層がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓにより作製されている。

米国特許第６８２９２６９号明細書

G. Scalari, N. Hoyler, M. Giovannini, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. No.86, 181101 (2005) S. Kumer, Q. Hu, and J. Reno, Appl. Phys. Lett. No.94, 131105 (2009) T. T. Lin, K. Ohtani, and H. Ohno, Applied Physics Express, No.2, 022102 (2009)

ＴＨｚ−ＱＣＬのうち、特許文献１に開示される上記ＬＯフォノン散乱アシストタイプのものは良好な性能を示している。例えば、ＴＨｚ−ＱＣＬでは比較的高温といえる１８６Ｋでのレーザー動作が実現された事例もＬＯフォノン散乱アシストタイプにおいて報告されている（非特許文献２）。また、ＬＯフォノン散乱アシストタイプは、比較的シンプルな半導体超格子構造を有している。

しかしＬＯフォノン散乱アシストタイプのＴＨｚ−ＱＣＬにはいまだ改善の余地が残されている。レーザー動作が実現される最高温度（以下、「最高動作温度（maximum operation temperature）Ｔ_ｍａｘ」という）が１８６Ｋにとどまる限り、レーザー動作のための冷却装置が大がかりなものとなる。この最高動作温度Ｔ_ｍａｘを２３０Ｋまたはそれ以上にできれば、ペルチェ素子などによる冷却（電子冷却）によるレーザー動作が可能となるため、ＴＨｚ−ＱＣＬの実用性が大幅に向上する。なお、最高動作温度Ｔ_ｍａｘを高温化したＱＣＬは、通常、その最大値より低い動作温度におけるレーザー発振のための電流密度の閾値（以下、「閾値電流密度（threshold current density）Ｊ_ｔｈ」という）も低減される。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものである。すなわち本発明は、ＴＨｚ−ＱＣＬの閾値電流密度Ｊ_ｔｈを低減するか、またはＴＨｚ−ＱＣＬの最高動作温度Ｔ_ｍａｘを高めることにより、ＴＨｚ−ＱＣＬを採用する各種の用途の実用化に貢献するものである。

本願の発明者らは、動作温度の上昇に直結するレーザー発振の閾値電流密度Ｊ_ｔｈが低減され、最高動作温度Ｔ_ｍａｘを高めることが可能なＴＨｚ−ＱＣＬの構成を設計し、理論的な数値計算（理論計算）に基づきその特性を予測した。そして、バリア層の材質を、これまで用いられていたＧａＡｓのみから他の材質に変更することにより、その理論計算に合致する特性が実現されることを実験により確認した。さらに、本願の発明者らは、その理論計算に基づく知見として、ウェル層の材質をＧａＡｓのみから他の材質に変更することにより、ＴＨｚ−ＱＣＬの閾値電流密度Ｊ_ｔｈを低減するか、またはＴＨｚ−ＱＣＬの最高動作温度Ｔ_ｍａｘを高めることが可能となることを見出し、本発明を創出するに至った。

すなわち、本発明のある態様においては、一対の電極と該一対の電極に挟まれている半導体超格子構造とを備える量子カスケードレーザー素子であって、該半導体超格子構造は、前記一対の電極間に電圧が印加された際にＴＨｚ領域の電磁波を放出する活性領域を備えており、該活性領域は、交互に積層されたウェル層とバリア層をいくつか含むある厚みの単位構造を該厚みの向きに繰り返して有しており、該ウェル層は、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの混晶であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ただし、０＜ｘ＜１）からなるものである、量子カスケードレーザー素子が提供される。

本出願全般に、ＴＨｚ領域の電磁波とは、概ね、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数範囲すなわち１０μｍ〜３ｍｍ程度の波長範囲の電磁波をいう。また、本出願の説明には、本出願にかかる発明の属する技術分野の慣例に従い、可視光や赤外線を対象とする光分野から転用され、または借用される技術用語を用いて、素子構造や機能を説明することがある。このため、発生される電磁波は可視光から遠く離れた周波数域または波長域のものであるが、それを生成する量子カスケードレーザーの素子や誘導放出の現象を示すために「レーザー」や「発光」との用語を用いることがあり、また、「光−」（optical -）などの用語も用いる場合がある。

本発明のいずれかの実施形態により、これまで以上に閾値電流密度Ｊ_ｔｈが低減されるか、または、最高動作温度Ｔ_ｍａｘが高められたＴＨｚ−ＱＣＬが提供される。これにより、ＴＨｚ領域の電磁波の発生源を利用する機器の発展に寄与する。

本発明のある実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子の構成の概要を示す斜視図（図１（ａ））、拡大断面図（図１（ｂ））およびさらなる部分拡大断面図（図１（ｃ））である。 本発明のある実施形態におけるＴＨｚ−ＱＣＬ素子に形成されるＱＣＬ構造の単位構造における電子に対するポテンシャルおよび電子のサブバンドを説明するため説明図である。 本発明のある実施形態における熱励起電子のフォノン媒介リークを示す説明図である。 本発明のある実施形態におけるサーマルバックフィリングを説明する説明図である。 ｘｙ面でのエネルギー分散関係の説明図である。図５（ａ）は従来のエネルギー分散関係を示し、図５（ｂ）は本実施形態のエネルギー分散関係を示す。 電子の緩和機構を説明するエネルギーチャートである。 本発明のある実施形態において、活性領域の組成を変更した場合の閾値電流密度Ｊ_ｔｈの数値計算結果の詳細なグラフである。 本発明のある実施形態において、数値計算結果から読み取った最高動作温度Ｔ_ｍａｘの組成依存性を示すグラフである。 本発明のある実施形態におけるＴＨｚ−ＱＣＬ素子の作製時の各時点における素子構造の概略図である。 本発明のある実施形態におけるＴＨｚ−ＱＣＬ素子の作製時の各時点における素子構造の概略図である。 本発明のある実施形態におけるＴＨｚ−ＱＣＬ素子の活性層のウェル層／バリア層の組成ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓにおいて、ｘ＝０．１５としたサンプルを実際に動作させた際の電流放出特性（図１１（ａ））と、放出される電磁波のスペクトル（図１１（ｂ））である。 本発明のある実施形態において、アルミニウムの組成比ｘを変更して作製したＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓの構成の実施作製例のサンプル（ｅｘｐ．）の特性と理論計算（ｓｉｍ．）の結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下の説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。

＜第１実施形態＞
［１ ＴＨｚ−ＱＣＬ素子の動作とその改良］
まず、ＴＨｚ領域の電磁波を放出するＬＯフォノン散乱アシストタイプの量子カスケードレーザー素子（ＴＨｚ−ＱＣＬ素子）の動作原理と本実施形態における改良の原理を説明する。

［１−１ ＴＨｚ−ＱＣＬの動作原理］
図１は、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の構成の概要を示す斜視図（図１（ａ））、拡大断面図（図１（ｂ））およびさらなる部分拡大断面図（図１（ｃ））である。典型的なＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００（図１（ａ））は、概して、一対の電極２０、３０と、その間に形成された半導体超格子構造であるＱＣＬ構造１００とにより構成されている。電極２０、３０は、ＱＣＬ構造１００に対し電界を形成するための電圧と放出（発光）のための電流とを受けるために利用される。また、電極２０、３０は、表面プラズモンによるキャビティ構造を利用する光閉じ込めの作用をも発揮する。ＱＣＬ構造１００は活性領域１０を備えている。ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００は、一対の電極２０、３０の間に電圧が印加された際に活性領域１０に形成される一のサブバンドからそれより下位のエネルギーを有する別のサブバンドに電子が遷移することによりＴＨｚ領域の電磁波２０００を放出するように動作する。図１のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００は、レセプター基板４０（以下、「レセプター４０」という）に電極３０が形成されている。

活性領域１０（図１（ｂ））は、上記動作のために、交互に積層されたウェル層１０Ｗおよびバリア層１０Ｂをいくつか含むある厚みの単位構造１０Ｕをその厚みの向きに繰り返し有している。このうち、ウェル層１０Ｗは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ただし、０＜ｘ＜１）からなり、バリア層１０Ｂは、本実施形態においては、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの混晶であるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ただし、ｘ＜ｙ≦１）からなる。ここで、ｘ＜ｙとすることにより、バリア層１０Ｂの伝導帯（conduction band）の作るポテンシャルがウェル層１０Ｗの伝導帯に対するポテンシャルのバリアとなる。なお、単位構造１０Ｕそれぞれには複数のウェル層１０Ｗおよびバリア層１０Ｂが含まれている。このため、必要に応じ個別のバリア層１０Ｂを区別する場合には、基板５０側から順にバリア層１０Ｂ１〜１０Ｂ５と区別する。ウェル層１０Ｗについても同様に、ウェル層１０Ｗをウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４と区別する。

ＱＣＬ構造１００（図１（ａ））は、半導体超格子構造１００Ａ（図１（ｂ））の層構造の広がりの外形をトリミングし形成される。半導体超格子構造１００Ａにおいて、（００１）面方位のＧａＡｓ基板５０（以下「基板５０」と記す）には後述するＡｌＧａＡｓを６００ｎｍ積層したエッチングストッパー層６０（「ＥＳ層６０」）が形成される。そして、ＥＳ層６０の面に接して高ドープｎ型ＧａＡｓ層１２０（電子密度約３×１０^１８ｃｍ^３）が８００ｎｍ厚に形成され、さらに、活性領域１０が形成されている。そして、形成された活性領域１０の面には、高ドープｎ型ＧａＡｓ層１４０（電子密度約３×１０^１８ｃｍ^３）が５０ｎｍ厚に形成される。そして、１ｎｍ厚ＧａＡｓ層とＳｉのδドープ層の組合せ１０セットからなるδドープＧａＡｓ層１６０が形成され、最後に、５ｎｍの低温成長させたＧａＡｓ層（ＬＴＧ−ＧａＡｓ層）１８０が形成される。なお、図１（ｂ）は、成膜時に基板５０の一方の面に積層される膜構成を積層順に紙面の下方から並べ示している。図１（ｂ）に記載の半導体超格子構造１００Ａは図１（ａ）のＱＣＬ構造１００と上下反転した関係に示されている。

ＱＣＬ構造１００の活性領域１０は、従来のＴＨｚ−ＱＣＬ素子（図示しない）では、ウェル層１０ＷがＧａＡｓ、バリア層１０ＢがＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘは、例えば０．１５または０．２０）により形成される（例えば、特許文献１、第３１欄）。これに対し、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００では、ウェル層１０ＷにもＡｌを添加し、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）とし、バリア層１０ＢはＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）とする。

図１（ｂ）に示す半導体超格子構造１００Ａにおいて、単位構造１０Ｕは、活性領域１０に例えば１０〜２００層程度繰り返し形成されている。各単位構造１０Ｕの１単位分（１周期分）の構造を拡大して示すのが図１（ｃ）である。ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の活性領域１０においては、１７５層の単位構造１０Ｕが含まれている。単位構造１０Ｕにおいては、バリア層１０Ｂとウェル層１０Ｗが交互に積層されている。バリア層１０Ｂとウェル層１０Ｗが交互に積層されているため、バリア層１０Ｂ１に接してウェル層１０Ｗ１が配置され、ウェル層１０Ｗ１に接しバリア層１０Ｂ２が配置される。以下同様である。なお、バリア層１０Ｂ５は、次の周期の単位構造１０Ｕのバリア層１０Ｂ１となる。

図２は、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００に形成されるＱＣＬ構造１００の単位構造１０Ｕにおける電子に対するポテンシャルおよび電子のサブバンドを説明するため説明図である。図２（ａ）は電子に対するポテンシャルのＺ軸方向の変化である。動作時にＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００に印加される電圧のためにポテンシャルは全体に傾斜している。ポテンシャルの各凸部および凹部には、図１（ｃ）に示した単位構造１０Ｕの各層と対応させる符号を付している。また、図２（ｂ）は、単位構造１０Ｕにおける電子のエネルギー準位を、ｘｙ面（図１）の面内の波数ｋ空間に対して示す分散関係（dispersion relationship）の説明図である。

図２（ａ)には、ポテンシャルに加え、電子の３次元的な波動関数Ψのうち、ｚ成分の因子のみの振幅を２乗した値｜Ψ｜^２を５本の曲線により図示している。各曲線は、自己無撞着計算法（self-consistent calculation）により求めた波動関数Ψから算出されたｚ軸方向の各位置における電子の存在確率の相対的な値を表している。図示した５本の曲線は、準位Ｌ３に対応する１本の曲線｜Ψ_３｜^２、準位Ｌ２および準位Ｌ１それぞれに対応する曲線｜Ψ_２｜^２および曲線｜Ψ_１｜^２である。準位Ｌ２および準位Ｌ１のための曲線が２本ずつ示されているのは、エネルギー値が互いに縮退した波動関数が各２つ存在するためである。ここで、準位Ｌ１〜Ｌ３の電子は、ｘｙ面（図１）の面内の波数ｋ空間について見ると、図２（ｂ）に示すエネルギー分散関係を有している。準位Ｌ３および準位Ｌ２は、上位レーザー準位および下位レーザー準位であり、準位Ｌ１は、引き込み準位である。なお、図２（ａ)の各曲線｜Ψ_３｜^２、｜Ψ_２｜^２および｜Ψ_１｜^２の紙面上の高さは、各曲線の｜Ψ｜^２＝０を示す軸（各曲線のベースライン、図示しない）が、図２（ｂ)のｋ_ｘ＝ｋ_ｙ＝０におけるエネルギー固有値の値、つまり各準位のエネルギーの最低値となるように描いている。

上述した構造およびポテンシャル形状をもつＱＣＬ構造１００を備えるＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００は次のように動作する。各単位構造１０Ｕにおいて、レーザー上位準位である準位Ｌ３からレーザー下位準位である準位Ｌ２に電子が遷移する際に、誘導放出によりＴＨｚ領域の電磁波が放出される。この電磁波は図２において波線矢印により明示している。レーザー発振に必要な反転分布のため、準位Ｌ１が準位Ｌ２からの電子を効率良く引き抜くことが可能となるように単位構造１０Ｕの構造つまり各層の膜厚や順序およびポテンシャルの値が設計されている。

放出過程を電子の動きに着目し説明すると、電子は、ともにウェル層１０Ｗ４またはウェル層１０Ｗ３に高い存在確率を有する準位Ｌ３から準位Ｌ２に遷移する。その遷移の際に、光学場と結合し光学遷移による電磁波を放出する。その放出後の電子の準位である準位Ｌ２は、ウェル層１０Ｗ２にも存在確率を持つ。そのため、準位Ｌ２の電子はバリア層１０Ｂ３をトンネルする。次に、主にウェル層１０Ｗ２において、準位Ｌ２の電子がＬＯフォノンとの間で電子−フォノン散乱を起こし準位Ｌ１に遷移してゆく。準位Ｌ１の電子は、ｚ軸の負の方向の次の単位構造１０Ｕの準位Ｌ３（図示しない）に注入される。このため、ウェル層１０Ｗ４およびウェル層１０Ｗ３の領域は、電磁波の放出が生じる発光領域といえる。また、ウェル層１０Ｗ２は、準位Ｌ２の電子の分布をＬＯフォノンの散乱を利用した電子の引き抜きを起こさせるフォノンウェル層となる。そして、ウェル層１０Ｗ１は、準位Ｌ１の電子を次段の単位構造１０Ｕへの注入領域となる注入ウェル層となる。

［１−２ 改良の思想］
本願の発明者らは、ＬＯフォノン散乱アシストタイプのＴＨｚ−ＱＣＬにおいて閾値電流密度Ｊ_ｔｈや最高動作温度Ｔ_ｍａｘを支配する機構を解析したところ、ＬＯフォノンの作用には、準位Ｌ２から準位Ｌ１へ電子を引き抜く以外にも、別の作用があることに気づいた。最高動作温度Ｔ_ｍａｘおよび閾値電流密度Ｊ_ｔｈに影響するのは、特に次の二つの作用である。

一つは、熱励起電子のフォノン媒介リークと呼ぶ機構である。図３は、その熱励起電子のフォノン媒介リークを示す説明図である。図３は、図２（ｂ）と同様に描いた単位構造１０Ｕにおける電子のエネルギー準位の図である。できるだけ少ない電流で、または、できるだけ高い温度でレーザー発振するためには、図３に示すように、レーザー上位準位である準位Ｌ３の電子は、可能な限り多くが準位Ｌ２との間で電磁波の放出に寄与することが望ましい。ところが、実際には、ＬＯフォノンが関与する別の遷移機構により、発光を伴わずに準位Ｌ３から準位Ｌ２に電子が遷移してしまう非発光遷移（nonradiative transition）が生じる。この非発光遷移には、準位Ｌ３の電子のうち熱励起されてある程度以上高いエネルギーを持つものが関与する。図３において準位Ｌ３にある電子は熱励起によりｘｙ面内でも運動しており、波数ｋが０ではなく、その運動エネルギー分だけ最低エネルギーＥ_３より高いエネルギーをもつものを含む。熱励起の程度は、電子温度Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}の関数として、ｋ_ＢＴ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}となる（ｋ_Ｂはボルツマン定数）。数値例を挙げれば、Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}が１００Ｋの場合、ｋ_ＢＴ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}は約８．６ｍｅＶ程度である。ここで、準位Ｌ３の最低エネルギーＥ_３と準位Ｌ２の最低エネルギーＥ_２との差Ｅ_３２は、放出される電磁波のフォトンとしてのエネルギーであり例えば１５ｍｅＶ程度である。また、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯは、例えばほとんどがＧａＡｓである組成では３６ｍｅＶ程度である。したがって、準位Ｌ３の電子のうち、準位Ｌ２の最低エネルギーＥ_２を基準にＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯだけ高いエネルギーつまりＥ_２＋Ｅ_ＬＯやそれを超える電子（図のハッチングの領域のエネルギーを持つ電子）は動作時には多数生じ、しかも、電子温度Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}に応じ増加する。

そして、Ｅ_２＋Ｅ_ＬＯを超えた電子は、ＬＯフォノンと相互作用し非常に早い速度（rate）で発光を伴わずに準位Ｌ２に緩和してしまう（非発光遷移）。これは、ＬＯフォノンの性質のためである。このような非発光遷移が支配的になると、電子の引き抜きにより準位Ｌ３と準位Ｌ２との間に形成した反転分布をキャンセルしてしまい、レーザー発振への障害となる。この熱励起電子がＬＯフォノンにより非発光遷移する現象が、熱励起電子のフォノン媒介リークである。熱励起電子のフォノン媒介リークとは、準位Ｌ３において熱励起された電子が非発光遷移し、本来の光学遷移をせずに「リーク」してしまう機構である。

もう一つのＬＯフォノンの作用は、準位Ｌ１から準位Ｌ２に対し電子が熱統計的に励起され、反転分布をキャンセルしてしまう現象である。この現象をサーマルバックフィリングと呼ぶ。図４は、サーマルバックフィリングを説明する説明図である。この機構は、準位Ｌ２から準位Ｌ１に引き抜かれた電子に、統計的な確率により、準位Ｌ２の最低エネルギーＥ_２と準位Ｌ１の最低エネルギーＥ_１との差であるエネルギー差Ｅ_２１を超える電子が含まれることによる。エネルギー差Ｅ_２１は、ＬＯフォノンによる電子の引き抜きの機構上、エネルギーＥ_ＬＯとほとんど同じか、ごくわずか（たとえば１ｍｅＶ以内）小さく設定される。

［１−２−１ 熱励起電子のフォノン媒介リークの低減］
熱励起電子のフォノン媒介リークを低減するために本願の発明者らが着目したのは、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯの値を変更するように、ＱＣＬ構造１００の材質を変更することである。端的には、ＱＣＬ構造１００の材質は、電磁波を放出する動作時の電圧が印加された際に、
Ｅ_ＬＯ＞ｋ_ＢＴ＋Ｅ_３２
を満足するように構成される。ここで、Ｅ_ＬＯは新たな設計のＱＣＬ構造１００の内部に励起されうるＬＯフォノンのエネルギー、Ｅ_３２は上位レーザー準位および下位レーザー準位それぞれの最小エネルギー値の差つまりＥ_３−Ｅ_２、そして、Ｔは動作温度（単位：Ｋ）である。

さらに好ましくは、ＱＣＬ構造１００の材質は、
Ｅ_ＬＯ＞ｋ_ＢＴ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}＋Ｅ_３２
を満足するように構成される。ただし、Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}は電子温度（単位：Ｋ）である。これらの構成により、上位レーザー準位である準位Ｌ３において熱励起された電子が、ＬＯフォノンとの間における電子−フォノン散乱により媒介され、準位Ｌ３から下位レーザー準位である準位Ｌ２へと非発光遷移する確率が低減される。ここで、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯの値を増大させれば、準位Ｌ３から準位Ｌ２へと電子が非発光遷移しリークする確率が一層低減される。さらに、Ｅ_ＬＯの値を増大させれば、熱励起されるエネルギーの指標ｋ_ＢＴ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}が増大しても、非発光遷移してリークが生じにくくなる。このため、Ｅ_ＬＯの値を増大することができれば、上記ＱＣＬの最高動作温度Ｔ_ｍａｘが高温化される。

なお、電子温度Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}は、動作温度Ｔに比べ、例えば１０Ｋ〜２０Ｋ程度高い値となる。これは、例えばパルス発振または連続発振しているレーザー素子においては、供給される電気的なエネルギーが最初に電子に伝達し、その電子からの熱エネルギーがヒートシンクなどに伝達して散逸されるためである。電子温度Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}は外部から測定される温度である動作温度Ｔよりも高くなるため、Ｅ_ＬＯは、動作温度Ｔを基準に決定され、より好ましくは、電子温度Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}を基準に決定される。

［１−２−２ サーマルバックフィリングの低減］
上述したＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯの値を単に増大させるだけでは、サーマルバックフィリングには特段影響がない。これは、準位Ｌ１から準位Ｌ２に励起される電子に対し直接的にはＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯが影響しないためである。ところが、準位Ｌ２と準位Ｌ１の最小エネルギーの差Ｅ_２１を、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯとの間で、準位Ｌ２から準位Ｌ１に電子引き抜きを良好に行なうための条件を満たすように維持することにより、このサーマルバックフィリングによる影響を低減することが可能となる。すなわち、サーマルバックフィリングは、準位Ｌ１から準位Ｌ２への熱的な電子の励起によるものであるため、Ｅ_ＬＯの増大に応じＥ_２１も増大するようにＱＣＬ構造１００の設計を変更することにより、サーマルバックフィリングを低減することが可能となる。

［１−３ 具体的な改良］
上述した改良の思想を反映し、本実施形態においては、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯ増大を目指すための手段としてＱＣＬ構造１００の活性領域１０を構成する材料が従来のものから変更される。そして、それに伴いＱＣＬ構造１００の設計も変更または調整される。

［１−３−１ 材料変更］
具体的な本実施形態の手段は、エネルギーＥ_ＬＯを増大させるように、活性領域１０におけるアルミニウムＡｌを増大させる。ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯを、ＧａＡｓのみの組成（従来のウェル層）と、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ程度、つまり原子数比で０．１５程度Ａｌを含むＧａＡｓとＡｌＡｓの混晶の組成（従来のバリア層）の組合せにおいて、Ａｌを増大させるのである。ここで、ＧａＡｓのＬＯフォノンのエネルギーは、約３６ｍｅＶであり、従来のウェル層／従来のバリア層の組成が、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａに対しても、ＬＯフォノンのエネルギーは、約３６ｍｅＶとなる。これに対して、ＡｌＡｓのＬＯフォノンのエネルギーは約４４ｍｅＶである。そして、活性領域１０においてＡｌが増加されるのは、一つにはバリア層１０Ｂであり、もう一つはウェル層１０Ｗである。特に、図２（ａ）に示したように、単位構造１０Ｕのうち層の割合が多いのはウェル層１０Ｗであるため、ウェル層１０Ｗの組成にアルミニウムＡｌを導入することにより、ＬＯフォノンのエネルギーを約４４ｍｅＶの値に近づけることが可能となり有効である。したがって、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の活性領域１０では、特にウェル層１０ＷにアルミニウムＡｌを導入しＬＯフォノンのエネルギーの値をこれまで以上に増大させる。

［１−３−２ 設計変更］
本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００においては、単に活性領域１０のＡｌを増大させるだけではなく、その設計も従来のものから変更または調整される。図５は、ｘｙ面でのエネルギー分散関係の説明図である。図５（ａ）は従来のエネルギー分散関係を示し、図５（ｂ）は本実施形態のエネルギー分散関係を示す。材質の変更に伴い、各準位の電子の有効質量などの細部が変化するが、ここでは図示していない。図５（ｂ）を図５（ａ）と対比することにより分かるように、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００においては、材料変更により増大されたエネルギーＥ_ＬＯにあわせ、準位Ｌ２と準位Ｌ１の間を拡げるように設計が変更される。

つまり、レーザー発振に必要な反転分布のため、準位Ｌ１への準位Ｌ２からの引き抜きの確率を高くするように設定される。典型的には、電圧が印加された状態において、準位Ｌ２の最小エネルギーＥ_２と準位Ｌ１の最小エネルギーＥ_２の差Ｅ_２１が、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯとの間で、
Ｅ_ＬＯ≧Ｅ_２１
の関係を満足するようにＱＣＬ構造１００が構成されている。従来のＴＨｚ-ＱＣＬ（図示しない）であれば、Ｅ_ＬＯは約３６ｍｅＶ（ＧａＡｓの値）付近である。このＬＯフォノンによる準位Ｌ２からの電子の引き抜きは、準位Ｌ２を占有している電子を可能な限り素早く準位Ｌ１に遷移させる作用により実現される。本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００においても、この目的のために、準位Ｌ２と準位Ｌ１との間のエネルギー差Ｅ_２１をＱＣＬ構造１００におけるフォノンのエネルギーＥ_ＬＯに一致させるように、または、Ｅ_ＬＯよりわずかに小さくなるように、半導体超格子構造１００Ａの設計が変更または調整される。

図６を参照しこの点をさらに説明する。図６は、その電子の緩和機構を説明するエネルギーチャートである。図６（ａ）は、ウェル層／バリア層が、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓという組成の場合を、エネルギーＥ_ＬＯが約３６ｍｅＶとして示したものであり、図６（ｂ）はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）という組成の場合をエネルギーＥ_ＬＯが約４４ｍｅＶとして示したものである。このエネルギーＥ_ＬＯは、上記ｘ、ｙの具体的な数値に応じて例えば約３６ｍｅＶ〜４４ｍｅＶの範囲において変化する。準位Ｌ１の最低エネルギーＥ_１は、図２（ａ）にて示したように、縮退した二つの準位のエネルギーを記載している。また、各準位間には生じる遷移の寿命の表現を付記している。準位Ｌ３と準位Ｌ２の間には、３．６ＴＨｚの周波数の電磁波のフォトンが持つ１５ｍｅＶのエネルギーを設けた場合を例示している。また説明のため、Ｅ_２１すなわちＥ_２−Ｅ_１はＥ_ＬＯに一致させることとする。

図６（ａ）に示すＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓのウェル層／バリア層の場合、準位Ｌ３の最低エネルギーＥ_３から２１ｍｅＶだけ高いエネルギーを持つ電子、つまり、約２４０Ｋ程度の電子温度Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}に相当するだけ熱励起された電子は、そのほとんどが準位Ｌ２に非発光遷移してしまう。つまり、準位Ｌ３において電子が分布することが可能なエネルギーの上限は、Ｅ_３から２１ｍｅＶ増大させた位置となる。これに対し、図６（ｂ）に示すＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）では、準位Ｌ３の最低エネルギーＥ_３から２９ｍｅＶの位置に上記上限が位置することとなり、エネルギーＥ_ＬＯが４４ｍｅＶであるとき８ｍｅＶ分つまり約９０Ｋ分だけ電子温度Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}の上昇可能な上限が拡がる。もちろん、ＧａＡｓをすべてＡｌＡｓとするわけではないものの、ＧａＡｓにＡｌを導入することにより、熱励起電子のフォノン媒介リークに対する余裕が改善される。これが、熱励起電子のフォノン媒介リークに対する対策となる。

そして、サーマルバックフィリングの影響も、ＧａＡｓにＡｌを導入し、半導体超格子構造１００Ａの設計を変更または調整することにより低減される。Ｅ_２１＝Ｅ_ＬＯと仮定し、電子温度Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}を２００Ｋとした場合、エネルギーＥ_ＬＯが３６ｍｅＶであれば、準位Ｌ１の電子のうち約１１％程度が準位Ｌ２に熱励起により遷移する。これに対し、エネルギーＥ_ＬＯが４４ｍｅＶであれば、準位Ｌ１の電子のうち準位Ｌ２に熱励起により遷移するものの割合は、約７．３％程度へと減少する。つまりＥ_ＬＯが３６ｍｅＶから４４ｍｅＶに変化するに従いサーマルバックフィリングによる準位Ｌ２の電子数は１．５分の１となり、反転分布をより起こしやすくすることができる。

さらに、本願の発明者らが得た知見には、ＬＯフォノンのエネルギーを増大するための材質の変更により、熱励起電子がＬＯフォノンにより散乱される散乱確率が増大しないことも含まれている。つまり、その散乱確率が上記材質変更により増大すると、かえってτ_３２が短くなるという可能性も考慮しなくてはならない。ところが、本願発明者らは、そのような散乱確率の増大が起きないことを確認している。

なお、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示した設計変更のための具体的手段は特に限定されない。例えば、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００において動作時に印加される電圧の調整や、ウェル層１０Ｗやバリア層１０Ｂの厚みの変更を行なうことにより、設計を変更することが可能である。

［１−４ 実施計算例］
本願の発明者らは、上述した材質変更と設計変更により、意図通りにレーザー発振の最高動作温度Ｔ_ｍａｘが増大するか、また、閾値電流密度Ｊ_ｔｈが減少するかどうかを、理論計算により確かめた。

［１−４−１ 材料変更の効果のシミュレーション］
レート方程式に用いる各パラメータと閾値電流密度Ｊ_ｔｈの関係は、

である。ここで、ε_０は真空の誘電率、ｅは電子の電荷量、Γは光閉じ込め因子（optical confinement factor）、Ｚ_３２は準位Ｌ３と準位Ｌ２の間の双極子行列要素（dipole matrix element）、λは電磁波の真空中での波長、ｎは波長λの電磁波に対する屈折率、Ｌは単位構造１０Ｕの厚み、α_ｗはミラーのロス、α_Ｍは導波路のロス、γ_３２は準位Ｌ３と準位Ｌ２の間のレーザー遷移における線幅（半値全幅）、τ_３は準位Ｌ３にある電子の寿命、τ_２は準位Ｌ２にある電子の寿命、そして、τ_３２は準位Ｌ３にある電子が準位Ｌ２へサブバンド間遷移する寿命である。

数１の閾値電流密度Ｊ_ｔｈの表現におけるτ_３２については、

が成り立つ。ここで、τ_ｅ−ｅは電子−電子散乱の時定数（または平均寿命、以下「散乱時間」と記す）であり、τ_{ｔｈｅｒｍａｌＬＯ}は、熱励起電子のフォノン媒介リークの散乱時間である。そして、ＧａＡｓにＡｌを導入する材料系では、τ_ｅ−ｅは無視しうるほど長いのに対しτ_{ｔｈｅｒｍａｌＬＯ}は短いため、準位Ｌ３から準位Ｌ２への寿命については、熱励起電子のフォノン媒介リークのτ_{ｔｈｅｒｍａｌＬＯ}により支配される。そしてτ_{ｔｈｅｒｍａｌＬＯ}は、

により与えられる。ここで、τ_ＬＯは、運動エネルギーがＥ_ＬＯ−Ｅ_３２であるような電子に対するＬＯフォノン散乱の散乱時間である。τ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}およびτ_ＬＯは、理論曲線が実験結果を説明するように決定されるフィッティングパラメータとされる。

数２の関係から、τ_３２以外にも、τ_３１（準位Ｌ３にある電子が準位Ｌ１へ遷移する寿命）、およびτ_２の温度依存性が問題となりうる。その温度依存性は、ＬＯフォノンがボーズ・アインシュタイン統計に従うことから、

の関係が成立する。ここで、ｈバーはプランク定数ｈを２πで除した量、ω_ＬＯは、ＬＯフォノンの角振動数である。Ｔ_{ｌａｔｔｉｃｅ}は結晶格子の温度である。Ｅ_ＬＯはＬＯフォノンのエネルギーであり、ｈバー×ω_ＬＯと同じである。格子の温度Ｔ_{ｌａｔｔｉｃｅ}はヒートシンク温度と同一とする。

さらに、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００に流れる電流密度の最大値Ｊ_ｍａｘは、

の関係により決定される。ここで、ｎはキャリア（電子）の濃度、ｑは、キャリア（電子）の電荷量であり、電荷素量ｅと同一である。理論上は、最高動作温度Ｔ_ｍａｘは、Ｊ_ＭＡＸ−Ｊ_ｔｈが非負である範囲として決定される。つまり、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００は、レーザ発振において流すことが可能な電流密度の最大値Ｊ_ｍａｘを、温度によって変化する閾値電流密度Ｊ_ｔｈが超えない場合に限り、動作することが可能である。

これらの関係式を用い、次のような手順により材料変更の効果が理論計算によりシミュレーションされる。まず、第１ステップとして、緩和時間τ（τ_３１、τ_２１）が、低温の条件により計算される。この際、電子−電子散乱が無視される。そして、τ_{ｔｈｅｒｍａｌＬＯ}中のτ_ＬＯおよびτ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}は、実験結果へのフィッティングにより決定される。次に、第２ステップとして、すべての緩和時間τ（τ_３１、τ_２１、τ_ＬＯ）の温度依存性を決定し、各温度における閾値電流密度Ｊ_ｔｈを数値計算により算出する。閾値電流密度Ｊ_ｔｈは一般に温度の上昇につれて増大する。そして、第３ステップとして、その閾値電流密度Ｊ_ｔｈが電流密度の最大値Ｊ_ｍａｘと一致する温度Ｔ_ｍａｘを決定する。さらに詳細な手法については、本願の一部の発明者が公表している（非特許文献３：T. T. Lin, K. Ohtani, and H. Ohno, Applied Physics Express, No.2, 022102 (2009)）。

［１−４−２ 理論計算結果］
次に、レート方程式によるレーザー動作の計算結果について説明する。数値計算の内容は、（１）バリア層のみにＡｌを増加させた材質変更と（２）ウェル層とバリア層の両方にＡｌを増加させた材質変更とのそれぞれに対する各温度での閾値電流密度Ｊ_ｔｈである。閾値電流密度Ｊ_ｔｈを各温度で求めれば、閾値電流密度Ｊ_ｔｈの組成依存性ばかりか、最高動作温度Ｔ_ｍａｘについての情報も得られるためである。図７は、活性領域１０の組成を変更した場合の閾値電流密度Ｊ_ｔｈの数値計算結果の詳細なグラフである。変更した活性領域１０の組成を、ウェル層１０Ｗ／バリア層１０Ｂの組成により示すと、図７（ａ）は、ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓにおいて、Ａｌの組成比ｘを、ｘ＝０．１５〜０．９５の範囲で０．１刻みに変化させたもの、およびｘ＝１としたものであり、図７（ｂ）は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓにおいて、ｙ＝ｘ＋０．２を保ってＡｌの組成比ｘをｘ＝０．２〜０．８の範囲で０．１刻みに変化させたものである。各図において、凡例ラベルは、（ウェル層におけるＡｌ原子％）−（バリア層におけるＡｌ原子％）としている。図７（ａ）および図７（ｂ）の横軸は、ヒートシンク温度すなわちＴ_{ｌａｔｔｉｃｅ}であり、縦軸は、ウェル層１０Ｗ／バリア層１０Ｂの組成がＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓである場合の４Ｋでの値を１とするように正規化した閾値電流密度Ｊ_ｔｈの高温域の各温度における値である。すなわち、各曲線は、各組成に対して上記のシミュレーション手順を実行し、第２ステップの時点における閾値電流密度Ｊ_ｔｈをプロットしたものである。また、図８は、図７の数値計算結果から読み取った最高動作温度Ｔ_ｍａｘの組成依存性を示すグラフである。この図８は、上記のシミュレーション手順を実行し、第３ステップの時点で数５のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００に流すことができる電流密度の最大値Ｊ_ｍａｘが与えられる温度を温度Ｔ_ｍａｘとして各組成に対してプロットしたものである。なお、Ｊ_ｍａｘは、組成や温度に依存しないため、図７においてＪ_ｍａｘに直線として明示している。

図７に示した結果からは、正規化した閾値電流密度Ｊ_ｔｈが同一に保ちうるという仮定の下では、Ａｌ組成を増大させるとヒートシンク温度つまり動作温度を高めうることが示されている。また、動作温度を同一に保った条件では、Ａｌ組成を増大させると正規化した閾値電流密度Ｊ_ｔｈが低減することも示されている。しかも、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すバリア層１０ＢのみにＡｌを投入する構成に比べ、ウェル層１０Ｗとバリア層１０Ｂの双方にＡｌを導入することが有効であることも示している。

この点は、図８にも明瞭に現われている。図８は、図７において閾値電流密度Ｊ_ｔｈが変わらないという仮定をおいて動作温度の組成依存性を読み取ったものである。

［１−５ 実施作製例］
次に、実際にいくつかの条件においてＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００を作製しその特性を測定した。

［１−５−１ 作製方法］
実施作製例として作製したＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の作製方法を説明する。図９、１０は実施形態におけるＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の作製時の各時点における素子構造の概略図である。まず、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置により各時点の下地となる結晶に対しコヒーレントに結晶成長させることにより、図１（ｂ）に示した半導体超格子構造１００Ａを形成する。このために、基板５０には（１００）面方位の単結晶ＧａＡｓ基板を採用する。また、ＥＳ層６０（図１（ｂ））を形成する。ＥＳ層６０は、後に基板５０をエッチングにより除去する際に、基板５０のためのエッチャントによりエッチングされにくい材質として、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓを十分な厚みである６００ｎｍ堆積させた層である。次に、コンタクト層となる高ドープＧａＡｓ層１２０を形成する。この際、ドーピングにより、電子密度を３×１０^１８ｃｍ^−３程度に制御しておく。次に、活性領域１０を形成する。活性領域１０は、図１（ｃ）に示した単位構造１０Ｕの繰り返し構造を形成する。バリア層１０Ｂおよびウェル層１０Ｗの組成は、各サンプルにあわせて調整する。膜厚も、バリア層１０Ｂおよびウェル層１０Ｗの組成にあわせて設計変更されるため、サンプル毎に変化させる。これらの一例を説明すれば、ウェル層１０ＷにＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ、バリア層１０ＢにＧａＡｓを採用する従来の構成を再現するサンプル（図７（ａ）において最も低温側の曲線に相当するサンプル）においては、具体的には、図１（ｃ）のバリア層１０Ｂ１〜ウェル層１０Ｗ４の順に、９．４／２．４／１４．８／３．８／６．４／２．４／７．８／５．４（ｎｍ）の膜厚に積層する。次いで高ドープＧａＡｓ層１４０が５０ｎｍ厚に形成される。高ドープＧａＡｓ層１４０は、ドーピングによって、電子密度を５×１０^１８ｃｍ^−３程度に制御しておく。さらにコンタクト層となるδドープＧａＡｓ層１６０を形成する。δドープＧａＡｓ層１６０は、１ｎｍ厚ＧａＡｓ層とＳｉのδドープ層の組合せ１０セットからなる層である。そして、５ｎｍの低温形成のＧａＡｓ層（ＬＴＧ−ＧａＡｓ層）１８０が形成される。さらに、図９（ａ）に示すように、メタル層３０Ａが形成される。このメタル層３０Ａは、積層順に、材質（膜厚）が、Ｔａ（２０ｎｍ）／Ｃｕ（６００ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）の構成に形成する。

また、図９（ｂ）に示すように、レセプター４０にメタル層３０Ｂを形成したものも準備しておく。メタル層３０Ｂは、レセプター４０側からメタル層３０Ａと同様の構造となるように形成されている。

次に、図９（ｃ）に示すように、メタル層３０Ａとメタル層３０Ｂを圧着しながら加熱して電極３０となるように一体化するウエハーボンディングにより、ほぼ全体の積層構造が形成される。このための典型的な条件は、３６ｋｇｆ／ｃｍ^２（約３．５ＭＰａ）程度の圧力を印加し続けながら、窒素雰囲気中で、３２０℃、３０分熱処理する。

その後、図９（ｄ）に示すように、基板５０を８０μｍに、レセプター４０を２０μｍに研磨し、図９（ｅ）に示すように、基板５０の外表面を残して他の部分を保護用のワックス５００にて被覆する。なお、図９（ｅ）では説明のため紙面に沿う側面にはワックス５００を描いていない。

次に、図１０（ｆ）に示すように、ウエットエッチングにより、基板５０の大半を除去する。このウエットエッチングは、Ｈ_３ＰＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：１：１（容積比）のエッチャントを用いて、液温１０℃、時間は、１０分程度行なわれる。次いで、選択的エッチングを行なう。このためには、エッチャントとして、（クエン酸Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７：Ｈ_２Ｏ）：Ｈ_２Ｏ_２＝３：１（容積比）が採用され、液温４０℃、時間は１〜３時間程度とされる。その結果、図１０（ｇ）に示すように、基板５０を除去し、最表面にＥＳ層６０を露出させる。そして、ＥＳ層６０を除去するため、バッファードフッ酸（HF with NH₄ F）による選択的エッチングを行なう。その段階では、図１０（ｈ）に示すように、ＥＳ層６０が除去され、半導体超格子構造１００Ａの最表面として高ドープＧａＡｓ層１２０が露出している。

さらに、半導体超格子構造１００Ａの高ドープＧａＡｓ層１２０の表面に電極２０を形成する（図１０（ｉ））。この電極２０は、Ａｕを１００ｎｍ程度形成し、２００μｍ幅にパターニングしたものである。この電極２０をマスクとして塩素ガスのドライエッチングにより、半導体超格子構造１００Ａの周囲を除去し、メサ幅２００μｍ幅のＱＣＬ構造１００を形成し、キャビティ長が０．５〜１．５ｍｍとなるように劈開によりを行なう（図１０（ｊ））。最後に、電極２０、３０に電気的接続を取ることにより、動作可能なＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００を作製する（図１０（ｋ））。

［１−５−２ サンプル］
現時点において実験により確認したのは、バリア層の組成を変更した図７（ａ）に示したもののみである。具体的には、実施作製例のサンプルは、ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓにおいて、ｘを、ｘ＝０．１５、０．２５、０．３５と変化させたものである。

［１−５−３ サンプルの測定結果とシミュレーション結果の対比］
次に、上述したように作製した実施作製例のサンプルにより、各温度での正規化した閾値電流密度Ｊ_ｔｈを測定した。また、図７と同様の手法により求めた理論計算も行なった。図１１は、実施作製例のサンプルの測定結果を示すグラフである。図１１は、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子の活性層のウェル層／バリア層の組成ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓにおいて、ｘ＝０．１５としたサンプルを実際に動作させた際の電流放出特性（図１１（ａ））と、放出される電磁波のスペクトル（図１１（ｂ））である。また、図１２は、アルミニウムの組成比ｘを変更し作製したＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓの構成の実施作製例のサンプル（ｅｘｐ．）の特性と理論計算（ｓｉｍ．）の結果を示すグラフである。

図１１に示すように、ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓにおいて、ｘ＝０．１５としたサンプルのレーザー発振を、６０Ｋ以下の低温において、おおよそ１２５０Ａ／ｃｍ^２程度の電流密度を閾値電流密度の密度として確認した。また、最高動作温度は、繰り返し周波数５００Ｈｚのパルス動作で約１４３Ｋであった。そして、図１２に示すように、実施作製例のサンプルから測定された正規化した閾値電流密度Ｊ_ｔｈは理論計算によく整合していた。特に、６０Ｋを超える領域ではサンプルの測定結果と理論計算の結果とが良好に整合していた。

したがって、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の特性を予測するために採用した理論計算は、閾値電流密度Ｊ_ｔｈと動作温度との関係を説明するために役立つものといえる。つまり、実測データから、同一の動作温度における正規化した閾値電流密度Ｊ_ｔｈを比較すると、Ａｌの導入量を増大させる手法により閾値電流密度Ｊ_ｔｈが低減されることが確認された。また、実測データから、同一の正規化した閾値電流密度Ｊ_ｔｈにおける動作温度を比較すると、Ａｌの導入量を増大させる手法により、これまで以上に高温において発振動作が実現することが確認された。

なお、各サンプルから確認された最高動作温度Ｔ_ｍａｘは、ＧａＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓのｘ＝０．１５において１４３Ｋ、ｘ＝０．２５において１３２Ｋ、ｘ＝０．３５において１２０Ｋであった。この結果のみに注目すると、現時点では、Ａｌの導入量を増大させる手法によって、最高動作温度Ｔ_ｍａｘが高められているとは言いがたい。実際のサンプルにおいてこのような最高動作温度Ｔ_ｍａｘの振る舞いが得られた原因については現時点では不明である。ただし、本願の発明者らは、理論計算の結果と実験との整合性が全般的に良好であることを確認している。つまり、Ａｌの導入量を増大させることにより閾値電流密度Ｊ_ｔｈを低減しうることについての理論的予測の正しさを、高温（１００Ｋ程度以上）の領域において実験により確認している。したがって、その理論的予測に基づき、最高動作温度Ｔ_ｍａｘを高めることも、実験的な困難を解決することにより必ずや確認されるものと確信している。また、上記実験は、バリア層１０Ｂの組成においてのみＡｌを増大させている。ウェル層１０ＷにＡｌを導入しまたその組成比を増大させられる実験を行なうことにより、図７（ｂ）および図８（ｂ）の計算結果により示唆されるような閾値電流密度Ｊ_ｔｈの低減と最高動作温度Ｔ_ｍａｘの向上が達成されるものと確信している。

＜第１実施形態：変形例＞
［２ 他の具体的構成］
上述した本実施形態におけるウェル層１０Ｗやバリア層１０Ｂの材質は、ウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４、およびバリア層１０Ｂ１〜バリア層１０Ｂ４のそれぞれで同一としているが本発明がこのような材質の組合せに限定されるものではない。

また、上述した本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の構成はより具体的な構成に変更することが可能である。例えば、ウェル層１０Ｗ／バリア層１０Ｂの組成Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）についてのｘおよびｙの値の範囲は、ｘ＜ｙ≦１とする点以外には特段制限がない。例えば、上述したＬＯフォノンのエネルギー値Ｅ_ＬＯからは、ｘやｙは、ともに、可能な限り１に近づけられる。しかし、ｘとｙの差によってウェル層１０Ｗに対してバリア層１０Ｂのポテンシャルバリアを形成するため、ｘの上限は、ポテンシャル障壁のために必要なｘとｙとの差分だけ、１から小さい値に設定される。一方のｙには、そのような上限がないため、最も端的には、ｙ＝１（１００％）とされる。

［３ 他の材料系］
本実施形態にてＧａＡｓ系の材料を採用するＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００に即して詳述した技術思想は、他の材料系のＱＣＬにも適用することが可能である。例えば、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いるＱＣＬを採用する変形例について説明する。近時のＩｎＰ系のＱＣＬは、bound-to-continuumタイプにより作製されている。このため、閾値電流密度Ｊ_ｔｈを予測したり、最高動作温度Ｔ_ｍａｘを予測することは容易ではない。これは、bound-to-continuumタイプにおいては、電子−電子散乱により緩和時間が決定されるためである。この場合、閾値電流密度Ｊ_ｔｈを予測したり、最高動作温度Ｔ_ｍａｘを予測するために、ＬＯフォノンのエネルギーや散乱を考慮するだけでは不十分となり、結果を一律に予測することはできない。

しかし、仮にＬＯフォノンによる電子引き抜きのアプローチをＩｎＰ系に適用し、ＬＯフォノン散乱により緩和時間が支配されているという状況が実現されている場合を想定すると、本実施形態において説明したＡｌの導入量の増大により、熱励起電子のフォノン媒介リークを減少させることが可能となる。つまり、ＬＯフォノン散乱による電子引き抜きのアプローチにおいて、ＩｎＰ基板の上に、ウェル層にＩｎＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓＰ、バリア層にＩｎＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓＰ（ただし、Ｘ＞Ｙ）を採用する活性領域のＱＣＬ素子を作製することが可能である。なお、従来のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの材料系を採用するＴＨｚ領域のＱＣＬの最高動作温度Ｔ_ｍａｘの値は、bound-to-continuumタイプのもので１１５Ｋである。この材料系において作製されるＱＣＬを、ＬＯフォノンによる電子引き抜きのアプローチにより動作させる場合には、Ａｌの組成比を増大することにより、閾値電流密度Ｊ_ｔｈを低減し、最高動作温度Ｔ_ｍａｘを高めることが可能といえる。

留意すべきは、ＩｎＰに格子整合した成長をＭＢＥにより行なうことは、ＧａＡｓ系の場合に比べ鋭敏なことである。具体的には、格子整合が得られる組成が、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ／Ｉｎ_０．４８Ａｌ_０．５２Ａｓのみに限定されている。このため、結晶成長に別途工夫が必要となる。

以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態、実施作製例、実施計算例および変形例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれる。

本発明によれば、閾値電流密度Ｊ_ｔｈが低減されたＴＨｚ−ＱＣＬまたは最高動作温度Ｔ_ｍａｘが向上されたＴＨｚ−ＱＣＬが提供される。これらＴＨｚ−ＱＣＬはＴＨｚ領域の電磁波の発生源を利用する機器に利用される。

１０００ 素子
１００ ＱＣＬ構造（半導体超格子構造）
１００Ａ 半導体超格子構造
１０ 活性領域
１０Ｂ、１０Ｂ１〜１０Ｂ５ バリア層
１０Ｗ、１０Ｗ１〜１０Ｗ４ ウェル層
１０Ｕ 単位構造
１２０、１４０ 高ドープＧａＡｓ層
１６０ δドープＧａＡｓ層
２０、３０ 電極
３０Ａ、３０Ｂ メタル層
４０ レセプター
５０ 基板
６０ エッチングストッパー層
５００ ワックス
Ｌ１〜Ｌ３ 準位
２０００ 電磁波

Claims (4)

1. 一対の電極と該一対の電極に挟まれている半導体超格子構造とを備える量子カスケードレーザー素子であって、
   該半導体超格子構造は、前記一対の電極間に電圧が印加された際にＴＨｚ領域の電磁波を放出する活性領域を備えており、
   該活性領域は、交互に積層されたウェル層とバリア層をいくつか含むある厚みの単位構造を該厚みの向きに繰り返して有しており、
   該ウェル層は、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの混晶であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ただし、０＜ｘ＜１）からなるものであり、
   前記半導体超格子構造の材質は、前記半導体超格子構造の内部に励起されうる縦光学フォノンのエネルギーＥ_ＬＯが、上位レーザー準位の最小エネルギー値Ｅ_３と下位レーザー準位の最小エネルギー値Ｅ_２との差であるＥ_３２との間で、前記電圧が印加された際に、
   Ｅ_ＬＯ＞ｋ_ＢＴ＋Ｅ_３２
   を満足する材質とされており、
   前記半導体超格子構造は、下位レーザー準位の最小エネルギー値Ｅ_２と引き抜き準位の最小エネルギー値Ｅ_１との差であるＥ_２１が、前記電圧が印加された際に、
   Ｅ_２１＜Ｅ_ＬＯ
   をさらに満足するように構成されている、ただし、Ｔは動作温度（単位Ｋ）、ｋ_Ｂはボルツマン定数である、
   量子カスケードレーザー素子。
2. 前記半導体超格子構造の材質は、前記電磁波を放出する動作時の電圧が印加された際に、
   Ｅ_ＬＯ＞ｋ_ＢＴ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}＋Ｅ_３２
   ただし、Ｔ_{ｅｌｅｃｔｒｏｎ}は電子温度（単位Ｋ）
   を満足するように決定されており、
   これにより、前記上位レーザー準位において熱励起された電子が、縦光学フォノンとの間における電子−フォノン散乱により媒介されて前記上位レーザー準位から前記下位レーザー準位へと非発光遷移する確率が低減されている
   請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
3. 前記半導体超格子構造の内部に励起されうる縦光学フォノンのエネルギーである前記Ｅ_ＬＯが、該半導体超格子構造の前記ウェル層がＧａＡｓから構成されている場合の縦光学フォノンのエネルギーに比べて大きな値である
   請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
4. 前記半導体超格子構造が、ＡｌＡｓからなるエネルギーバリア層
   を有するものである
   請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
   

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