JP6467193B2 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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３〜３０μｍ）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１〜４参照）。

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。

特開平１０−１４４９９５号公報 特許第５１２７４３０号公報 特開２００９−２０６３４０号公報 特開２００８−６０３９６号公報

M. Yamanishi et al., "Theoryof the Intrinsic Linewidth of Quantum-Cascade Lasers: Hidden Reason for theNarrow Linewidth and Line-Broadening by Thermal Photons", IEEE Journal ofQuantum Electronics Vol.44 No.1 (2008), pp.12-29 L. Tombez et al.,"Temperature dependence of the frequency noise in a mid-IR DFB quantumcascade laser from cryogenic to room temperature", Opt. Express Vol.20No.7 (2012), pp.6851-6859 S. Bartalini et al.,"Measuring frequency noise and intrinsic linewidth of a room-temperatureDFB quantum cascade laser", Opt. Express Vol.19 No.19 (2011),pp.17996-18003 I. Galli et al.,"Comb-assisted subkilohertz linewidth quantum cascade laser forhigh-precision mid-infrared spectroscopy", Appl. Phys. Lett. Vol.102(2013), pp.121117-1-121117-4 P. J. Orders and B. F. Usher,"Determination of critical layer thickness in InxGa1-xAs/GaAsheterostructures by x-ray diffraction", Appl. Phys. Lett. Vol.50 (1987),pp.980-982

量子カスケードレーザは、本来は、例えば２６０Ｈｚ程度の非常に狭いスペクトル線幅を有していると推断されている。しかしながら、実際にフリーランニング状態で使用する場合には、このような狭いスペクトル線幅は得られず、この線幅は、例えば４００ｋＨｚ程度（室温動作）に広がっている。

このような線幅の拡大は、レーザ素子内でのキャリアの揺らぎによる電圧ノイズが出力の揺らぎ、温度の揺らぎを生み出して、それによってレーザ素子内において屈折率が変化し、発振波長の揺らぎが発生することによるものである。すなわち、量子カスケードレーザにおけるスペクトル揺らぎの原因は、レーザ素子における電圧ノイズ（電気的揺らぎ）であり、また、その別の見え方である、電圧ノイズを素子の微分抵抗で割り算して得られる電流ノイズである（非特許文献１〜３参照）。

ここで、量子カスケードレーザの主要な用途の１つとして、吸収によるスペクトル分光がある。このような分光測定では、レーザ光のスペクトル線幅が測定精度を決めている。したがって、レーザ素子のスペクトル線幅を狭くすることは非常に重要であるが、従来の量子カスケードレーザでは、上記したように充分に狭い線幅は得られていない。また、上記のようなレーザ素子内での揺らぎ、攪乱は、レーザ出力の強度揺らぎの原因にもなる。また、非特許文献４には、スペクトル揺らぎを抑制する手法として、フィードバックループを用いた構成が記載されている。しかしながら、このような構成は、非常に大掛かりな装置を要し、実用的ではない。

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、レーザ素子内での電圧ノイズの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くす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。

本願発明者は、上記問題に対し、量子カスケードレーザにおいて発生する電圧ノイズについて詳細に検討を行った。その結果、半導体基板上にある活性層を含む半導体積層部分を所定の幅だけ残してエッチングしてリッジ構造とした量子カスケードレーザにおいて、そのリッジ側面に、ダングリングボンドによる表面準位が発生すること、また、この表面準位にトラップされている電子の注入層内のミニバンドへのランダムな遷移が過剰な電圧ノイズを発生させていることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、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）単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有し、（４）量子井戸発光層における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、サブバンド間遷移を経た電子は、ミニバンド内の緩和準位を介して後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、（５）注入層は、ｎ個（ｎは４以上の整数）の障壁層及び井戸層を含んで構成され、ミニバンドは、Ｉ個（Ｉは４以上の整数）の準位を含むとともに、（６）半導体基板を含む基体部と、活性層を含んで基体部上に設けられて活性層で生成される光に対するレーザ共振器構造における共振方向にストライプ状に延びるリッジ部と、活性層の側面を含むリッジ部のリッジ側面上にエピタキシャル成長された電子阻止膜とを有し、電子阻止膜は、活性層を構成する障壁層と同一の半導体材料で形成されているアンドープ型の膜であ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、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを設けるとともに、注入層を、４個以上（ｎ個）の障壁層及び井戸層を含んで構成し、また、ミニバンドを、４個以上（Ｉ個）のサブバンド準位によって構成している。

また、上記構成の量子カスケードレーザの共振器構造において、半導体基板を含む基体部と、カスケード構造の活性層を含み、基体部よりも狭い幅で共振方向に延びるストライプ状に形成されたリッジ部とを有するリッジ構造によって、レーザ素子を構成している。さらに、このように半導体積層構造の所定部分がエッチングされたリッジ構造の量子カスケードレーザにおいて、活性層を含むリッジ部に対し、活性層の側面を含むリッジ側面上にエピタキシャル成長された電子阻止膜を設ける構成としている。

このような構成では、リッジ側面上に所定の半導体材料、所定の膜厚で、電子阻止膜をエピタキシャル成長することにより、リッジ側面におけるダングリングボンドの形成、及びそれによる表面準位の発生が抑制される。これにより、リッジ側面の表面準位から注入層内のミニバンドへの電子の遷移、注入による電圧ノイズの影響を抑制して、スペクトル線幅が狭いレーザ素子を実現することが可能となる。

ここで、上記した量子カスケードレーザにおいて、電子阻止膜は、電子阻止膜内での伝導帯が、活性層における注入層内でのミニバンドよりも高いエネルギー位置（ミニバンドのエネルギー上端よりも高いエネルギー位置）にあるように形成されていることが好ましい。このような構成によれば、電子阻止膜内の伝導帯において形成されるポテンシャル障壁により、電子阻止膜の表面準位から注入層内のミニバンドへの電子の遷移、注入による電圧ノイズの影響を好適に抑制することができる。

また、電子阻止膜は、活性層を構成する井戸層に対して歪緩和が生じない半導体材料及び膜厚で形成されていることが好ましい。同様に、電子阻止膜は、活性層を構成する井戸層と電子阻止膜との間での格子不整合率の大きさが１％以下となるように形成されていることが好ましい。また、電子阻止膜は、活性層を構成する障壁層と同一の半導体材料で形成されていることが好ましい。これらの構成を有する電子阻止膜によれば、リッジ側面でのダングリングボンドによる表面準位の発生等を好適に抑制することができる。

また、電子阻止膜は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚で形成されていることが好ましい。電子阻止膜の膜厚を１００ｎｍ以上とすることにより、電子阻止膜の表面準位から注入層内のミニバンドへのトンネル効果による電子の注入を抑制することができる。また、電子阻止膜の膜厚を２００ｎｍ以下とすることにより、電子阻止膜が低抵抗となって電流が流れてしまうことを防止することができる。

また、電子阻止膜の具体的な構成については、活性層の側面を含むリッジ側面上に少なくとも形成されていれば良く、例えば、電子阻止膜が、活性層の側面を含むリッジ側面上のみに形成されている構成とすることができる。あるいは、電子阻止膜が、リッジ側面上から基体部の基体上面上にわたって形成されている構成としても良い。

本発明の量子カスケードレーザによれば、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、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを設け、半導体基板を含む基体部と、活性層を含むストライプ状のリッジ部とを有するリッジ構造によってレーザ素子を構成するとともに、活性層を含むリッジ部に対し、活性層の側面を含むリッジ側面上にエピタキシャル成長された電子阻止膜を設ける構成とすることにより、リッジ側面の表面準位から注入層内のミニバンドへの電子の遷移による電圧ノイズの影響を抑制して、スペクトル線幅が狭いレーザ素子を実現することが可能となる。

量子カスケードレーザにおける半導体積層構造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を示す図である。 量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）活性層の注入層内における、電子を供給するための不純物の添加について模式的に示す図である。 リッジ側面の表面準位からミニバンドへの電子の注入について模式的に示す図である。 リッジ側面の表面準位からミニバンドへの電子の注入の電子阻止膜による抑制効果について模式的に示す図である。 結晶膜の臨界膜厚の格子不整合率に対する依存性を示すグラフである。 量子カスケードレーザを構成する半導体積層構造の一例を示す図表である。 上部注入層、活性層、及び下部注入層の構成の一例を示す図表である。 活性層における１周期分の単位積層体の構成の一例を示す図表である。 活性層における単位積層体の構成、及びサブバンド準位構造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成の他の例を示す図表である。 素子Ｉ、IIについてのＶＮＰＳＤの温度依存性を示すグラフである。 素子II、IIIについてのＶＮＰＳＤの温度依存性を示すグラフである。 量子カスケードレーザの具体的な構成の他の例を示す斜視図である。

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における半導体積層構造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、レーザ素子の具体的な構成、特性等に応じて適宜設定される。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の一例を示す図である。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、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。

注入層１８は、具体的には、ｎを４以上の整数として、それぞれｎ個の障壁層及び井戸層を含んで構成される。また、図２中に不純物準位Ｌ_ｉｍｐによって模式的に示すように、この注入層１８内において、本レーザ素子での発光動作に必要なキャリアである電子を供給するための不純物が、所定の添加位置及び添加幅を有する添加量分布によって添加されている。

本実施形態における単位積層体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、発光に関わる準位である発光上準位Ｌ_ｕｐと、発光上準位よりも低エネルギーの複数の準位（複数のサブバンド）を含むミニバンドＭＢとを有している。ミニバンドＭＢは、具体的には、Ｉを４以上の整数として、それぞれ発光下準位Ｌ_ｌｏｗ、または緩和準位Ｌ_ｒとして機能するＩ個のサブバンド準位によって構成されている。

ここで、発光下準位Ｌ_ｌｏｗは、発光上準位Ｌ_ｕｐとともに発光に関わる準位である。また、緩和準位Ｌ_ｒは、発光下準位Ｌ_ｌｏｗから後段の単位積層体の量子井戸発光層１７ｂへの電子の緩和、輸送に用いられる準位である。これらのミニバンドＭＢを構成するＩ個のサブバンド準位は、注入層１８のｎ個の障壁層及び井戸層、あるいはさらに発光層１７の障壁層及び井戸層による量子井戸構造に起因して生成される。

また、図２に示すサブバンド準位構造では、上記した発光上準位Ｌ_ｕｐ、及びミニバンドＭＢに加えて、発光上準位よりも高エネルギーの高エネルギー準位Ｌ_ｈが設けられている。本構成例では、この高エネルギー準位Ｌ_ｈは、準位Ｌ_ｕｐとともに、発光上準位（第２発光上準位）として機能している。

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障壁となる注入障壁（injection barrier）層１６１が設けられている。なお、発光層１７と、注入層１８との間においても、必要に応じて、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exit barrier）層が設けられる。

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でのミニバンドＭＢ内の緩和準位Ｌ_ｒからの電子ｅ⁻は、注入障壁層１６１を介して共鳴トンネル効果によって発光層１７へと注入される。これにより、第２発光上準位（高エネルギー準位）Ｌ_ｈ及び発光上準位Ｌ_ｕｐに対して、発光動作に必要なキャリアが供給される。

発光上準位Ｌ_ｕｐ及び第２発光上準位Ｌ_ｈに注入された電子は、ミニバンドＭＢに含まれる１または複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗのそれぞれへと遷移し、このとき、上準位Ｌ_ｕｐ、Ｌ_ｈと、下準位Ｌ_ｌｏｗ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。なお、図２においては、図の見易さのため、上準位Ｌ_ｕｐ、Ｌ_ｈから、ミニバンドＭＢ内で最も高エネルギー側の下準位Ｌ_ｌｏｗへの発光遷移のみを示し、他の準位への遷移については図示を省略している。

発光下準位Ｌ_ｌｏｗへと遷移した電子は、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ及び緩和準位Ｌ_ｒを含むミニバンドＭＢにおいて、ＬＯフォノン散乱、電子−電子散乱などを介したミニバンド内緩和によって、高速で緩和される。これにより、上準位Ｌ_ｕｐ、Ｌ_ｈと下準位Ｌ_ｌｏｗとの間で反転分布が形成される。また、ミニバンドＭＢ内で緩和、輸送された電子は、後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌ_ｕｐ、Ｌ_ｈ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。

なお、量子カスケードレーザ１Ａの活性層１５を構成する単位積層体１６におけるサブバンド準位構造については、図２に示した構成に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。例えば、高エネルギー準位Ｌ_ｈについては、第２発光上準位ではなく、発光上準位Ｌ_ｕｐへと電子を注入するための注入準位として機能する構成としても良い。また、この高エネルギー準位Ｌ_ｈについては、不要であれば設けない構成としても良い。また、発光下準位Ｌ_ｌｏｗについては、ミニバンドＭＢを複数の緩和準位Ｌ_ｒを含む緩和ミニバンドとして構成するとともに、ミニバンドＭＢとは別に、１または複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗを設ける構成としても良い。

本発明による量子カスケードレーザ１Ａでは、図１、図２に関して上述した半導体積層構造、量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を有する構成において、半導体基板１０を含む基体部と、活性層１５を含むリッジ部とを有するリッジ構造によってレーザ素子を構成する。そして、活性層１５を含むリッジ部に対し、リッジ側面上にエピタキシャル成長された電子阻止膜を設け、これによって電圧ノイズを抑制する構成とする。以下、このような本発明による量子カスケードレーザの構成について、具体的に説明する。

図３は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す斜視図である。図３に示す量子カスケードレーザ１Ａでは、半導体基板１０として、ＩｎＰ基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０（１０）上に、ＩｎＰ下部クラッド層５１、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部グレーデッド層５２、ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５３、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部注入層２５、単位積層体１６が多段に積層されたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ活性層１５、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部注入層２０、ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５４、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部グレーデッド層５５、ＩｎＰ上部クラッド層５６、ＩｎＰ第２コンタクト層５７、ＩｎＰ第１コンタクト層５８、及びＩｎＧａＡｓキャップ層５９が順に積層されることで、量子カスケードレーザ１Ａの素子構造が形成されている。なお、図３に示す量子カスケードレーザ１Ａにおいて半導体積層構造を構成する各半導体層（図８参照）については、詳しくは後述する。また、図３の構成において、活性層１５における量子井戸構造、及びサブバンド準位構造については、図２に関して上述した通りである。また、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ活性層１５において、ＩｎＧａＡｓ層は井戸層を構成し、ＡｌＩｎＡｓ層は障壁層を構成している（図１０参照）。

図３に示す構成例では、このような半導体積層構造において、ＩｎＰ基板５０の直上の下部クラッド層５１の上面が露出するように、その上の全ての半導体層を所定の幅ｗだけ残してエッチングすることで、リッジ幅ｗ、リッジ長さｌのリッジ構造を形成している。このとき、量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０であるＩｎＰ基板５０を含む基体部３０と、活性層１５を含んで基体部３０上に設けられたリッジ部３５とを有して構成されている。

リッジ部３５は、活性層１５で生成される光に対するレーザ共振器構造における共振方向にストライプ状に延びている。また、このリッジ部３５に対し、活性層１５の側面を含むリッジ側面３６上にエピタキシャル成長された電子阻止膜６０が設けられている。この電子阻止膜６０は、リッジ側面３６の表面準位から注入層１８内のミニバンドＭＢへの電子の遷移、注入による電圧ノイズの影響を抑制する機能を有する。また、この電子阻止膜６０としては、本構成例では例えば、活性層１５における障壁層と同一の半導体材料からなるアンドープ型のＡｌＩｎＡｓ膜を用いることができる。

また、本構成例では、リッジ側面３６上に形成された電子阻止膜６０の外側面（リッジ部３５とは反対側の面）、リッジ部３５の上面、及び基体部３０の基体上面３１を覆うように、例えばＳｉＮからなる絶縁層６５が形成されている。また、リッジ部３５におけるキャップ層５９上の絶縁層６５にコンタクトホールが形成され、このコンタクトホールに対して電極構造６６が設けられている。

電極構造６６は、コンタクト層と電気的に接続された厚さ３００ｎｍのＡｕ電極から延びるコンタクト電極を、基体部３０において露出した下部クラッド層５１上の絶縁層６５上まで引き出し、ボンディングパッドを形成した構造を有している。なお、本構成例において、リッジ構造におけるリッジ部３５のリッジ幅は例えばｗ＝１４μｍ、リッジ長さは例えばｌ＝１ｍｍである。

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〜図３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、発光上準位Ｌ_ｕｐと、それぞれ発光下準位Ｌ_ｌｏｗまたは緩和準位Ｌ_ｒとして機能する複数の準位を含むミニバンドＭＢとを設けている。また、単位積層体１６での量子井戸構造について、注入層１８を、４個以上（ｎ個）の障壁層及び井戸層を含んで構成している。また、ミニバンドＭＢを、４個以上（Ｉ個）のサブバンド準位によって構成している。

また、上記構成の量子カスケードレーザ１Ａでの共振器構造において、半導体基板１０を含む基体部３０と、カスケード構造の活性層１５を含み、基体部３０よりも狭い幅で共振方向に延びるストライプ状に形成されたリッジ部３５とを有するリッジ構造によって、レーザ素子を構成している。さらに、このように半導体積層構造の所定部分がエッチングされたリッジ構造の量子カスケードレーザ１Ａにおいて、活性層１５を含むリッジ部３５に対し、活性層１５の側面を含むリッジ側面３６上にエピタキシャル成長された電子阻止膜６０を設ける構成としている。

このような構成では、リッジ側面３６上に所定の半導体材料、所定の膜厚で、電子阻止膜６０をエピタキシャル成長することにより、リッジ側面３６におけるダングリングボンドの形成、及びそれによる表面準位の発生が抑制される。これにより、リッジ側面３６の表面準位から注入層１８内のミニバンドＭＢへの電子の遷移、注入による電圧ノイズの影響を抑制して、スペクトル線幅が狭いレーザ素子を実現することが可能となる。

上記構成を有する量子カスケードレーザ１Ａによる、レーザ素子において発生する電圧ノイズの影響の抑制効果について、さらに具体的に説明する。図１、図２に例示したような構成を有する量子カスケードレーザ１Ａでは、上述したように、レーザ素子における電圧ノイズ（電気的揺らぎ）によって、スペクトル線幅が本来のものよりも広がっている。本願発明者は、このような量子カスケードレーザの素子内での電気的揺らぎについて考察を行った。

量子カスケードレーザの素子内において見られる電圧ノイズは、１／ｆ_Ｎ型（ｆ_Ｎはノイズ周波数）のいわゆるフリッカー雑音である（非特許文献３）。フリッカー雑音の全般については、電子が表面準位や欠陥などにトラップされ、あるいは、トラップされていた電子が解放される電気的なランダム現象によって引き起こされると考えられ、例えば、ＲＴＳ（Random Telegraph Signal）モデルによって解釈されている。

本願発明者は、上記したキャリアのトラップと解放という考え方を取り入れて、量子カスケードレーザについて考察を行った。なお、以下においては、不純物の添加位置、空間的広がりなどの空間的な概念は、特に断りがなければ全て、レーザ素子を構成する多重量子井戸構造の積層方向（積層面に垂直な方向）での概念を示しており、積層面に平行な方向については、特に制限は加えていない。

本願発明者は、発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６の多段積層構造を有する量子カスケードレーザ１Ａでの活性層１５において、発光層１７から引き抜かれた電子を緩和して、注入層１８を介して後段の発光層１７ｂ（図２参照）へと輸送するミニバンドＭＢと、活性層１５にキャリアである電子を供給するために注入層１８内にドーピングされる不純物による不純物準位Ｌ_ｉｍｐとの関係に着目した。

図４は、量子カスケードレーザ１Ａでの活性層１５の注入層１８内における、電子を供給するための不純物の添加について模式的に示す図である。図４（ａ）及び（ｂ）において、Ｌ_ｉｍｐは不純物準位を示し、Ｌ_１〜Ｌ_５はミニバンドＭＢを構成する複数の準位（複数のサブバンド）を示している。

電子ｅ⁻は、不純物準位Ｌ_ｉｍｐからミニバンドＭＢ内の準位に確率的に励起され、瞬く間に、規格化された波動関数とボルツマン分布とによって決まる電子分布を形成する。また、電子の励起によって空になった不純物準位Ｌ_ｉｍｐには、プラスの電荷を持ったイオン化ドナーが形成され、ミニバンドＭＢには、マイナスの電荷を持った電子が存在する。このとき、イオン化ドナーと電子とが空間的に離れていれば、ダイポール長Ｚ（図４（ｂ）参照）の電荷ダイポールが形成され、それによる電界が生じる。また、逆の過程として、ミニバンドＭＢ内にある電子ｅ⁻が、確率的に空の不純物準位Ｌ_ｉｍｐであるイオン化されたドナーにトラップされる現象が生じる。この過程では、上記のように形成された電荷ダイポールが消滅することとなる。

このように、注入層１８に設けられた不純物準位Ｌ_ｉｍｐからの電子ｅ⁻の放出とトラップとによって、電界の変化が生じる。このような電子の放出、トラップ過程による電圧の変化は、量子カスケードレーザ１Ａにおける電圧ノイズの一因となる。また、図４に示すように、注入層１８に形成される電荷ダイポールの極性と大きさとは、発生したプラスのイオン化ドナーの位置に対して、電子によるマイナスの電荷分布がどの位置に形成されるかによって異なってくる。

ここで、注入層１８において単一の不純物のみが存在する場合を考える。この場合、不純物から励起された電子によって生成される平均的な電荷ダイポールの大きさを考えることができる。また、ミニバンドＭＢ内での電子分布によって生成される様々な極性の異なる電荷ダイポールをうまくバランスさせれば、平均的には電荷ダイポールの大きさをゼロにすることができる。すなわち、この場合には、量子カスケードレーザ１Ａの素子内での電圧ノイズをゼロにすることができる。

別の言い方をすれば、平均的な電荷ダイポールの大きさは、励起された電子が作る電荷分布の重心と、ドーピングされた不純物とによって生成される電荷ダイポールの大きさとなる。したがって、励起された電子の電荷分布の重心位置が、不純物の添加位置に対して空間的に離れていなければ、不純物準位Ｌ_ｉｍｐからミニバンドＭＢへの電子の励起、もしくはミニバンドＭＢから不純物準位Ｌ_ｉｍｐへの電子のトラップが繰り返されても、実質的に電荷ダイポールが形成されず、それによる電圧ノイズはゼロになる。

次に、上記した単一の不純物に加えて、空間的に離れた別の位置にもう１つの不純物が存在する場合を考える。この不純物からミニバンドＭＢに励起される電子も、先と同様に瞬く間に緩和され、規格化された波動関数とボルツマン分布とによって決まる電子分布を形成する。したがって、ミニバンドＭＢにおいて形成される電荷分布は、電子がどの位置の不純物から励起されたとしても変わらない。

この場合、空間的に離れた位置に添加された第１、第２の不純物のそれぞれと、ミニバンドＭＢ内での電荷分布の中心とによって生成される電荷ダイポール同士を平均化して、ゼロとすることはできない。第１、第２の不純物は、互いに全く独立な励起、トラップの過程を持つ独立した事象であるからである。この場合には、レーザ素子内での電圧ノイズは、それぞれの不純物に起因するノイズパワーの積算値として評価しなければならない。ノイズパワーは、電荷ダイポールが作るノイズ電圧を２乗した量であり、極性を持たない量であるため、ノイズパワーは必ず加算されることとなる。

そこで、レーザ素子の動作のために多数のキャリア（電子）が必要な状況においてノイズパワーを最小に抑える方法としては、できる限り空間的に離れていない位置に多数の不純物を添加（ドーピング）すると良い。このような構成では、注入層１８に添加された多数の不純物のそれぞれによる不純物準位Ｌ_ｉｍｐの空間的位置がほとんど異ならないことから、不純物が作るダイポールの極性、大きさは略同じになると考えられる。したがって、ある不純物に対してノイズパワーが最小となる条件にしておけば、ノイズパワーを足し合わせてもノイズパワーは小さい値に保たれる。

以上の考察より、ノイズパワーの平方根である電圧ノイズを最小にするための量子カスケードレーザの構造としては、注入層１８内において、ある特定の半導体層、添加位置に局所的に不純物添加を行うδドーピングの構造が最適であることがわかる。また、注入層１８内において、不純物が空間的にある程度広がって添加されている場合には、不純物ができる限り狭い領域に添加され、また、不純物の添加量分布の中心位置（重心位置）と、ミニバンドＭＢ内に形成される電荷分布の重心位置とをできる限り近接させることが、電圧ノイズの低減のために重要であることが理解される。

しかしながら、本願発明者は、量子カスケードレーザにおける電圧ノイズについてさらなる検討を行った結果、半導体基板１０上にある活性層１５を含む半導体積層部分を所定の幅ｗだけ残してエッチングしてリッジ構造とした量子カスケードレーザでは、例えば上記のように不純物の添加量分布を設定した場合であっても、充分な電圧ノイズの抑制効果が得られない場合があることを見出した。これは、リッジ構造の量子カスケードレーザにおいて、そのリッジ側面３６にダングリングボンドによる表面準位が発生することによるものと考えられる。この場合、リッジ側面３６の表面準位にトラップされている電子の注入層１８内のミニバンドＭＢへのランダムな遷移、もしくは逆に、ミニバンドＭＢ内にある電子の表面準位へのランダムな遷移によって、電気的揺らぎである過剰な電圧ノイズが発生すると考えられる。

図５は、リッジ側面３６の表面準位ＬｓからミニバンドＭＢへの電子の注入について模式的に示す図である。図５では、活性層１５を含むリッジ部３５において、注入層１８内にある１つの井戸層、例えば、注入層１８内で最も発光層１７側にある第１井戸層（後述する図１１の構成例では井戸層１９１）について、リッジ側面３６に形成されている表面準位Ｌｓの影響を考慮したポテンシャル図を示している。このポテンシャル図では、伝導帯、価電子帯、及びミニバンドＭＢを示しており、伝導帯は、井戸層の底のエネルギーに対応している。

図５に示すように、リッジ部３５のリッジ側面３６では、リッジ構造を形成するためのエッチングによって形成されたダングリングボンドに起因して、表面準位Ｌｓが発生している。そして、この表面準位Ｌｓに電子がトラップされてたまるために、側面３６近傍においてポテンシャルが高くなる部分（ノッチ部分）が形成されている。図５に示すリッジ構造では、ポテンシャルにノッチがあるものの、実線矢印７１で示すように、レーザ素子の温度状態に応じて、リッジ側面３６の表面準位Ｌｓと、注入層１８内のミニバンドＭＢとの間で熱的、確率的に電子が行き来し、それによって電圧ノイズが発生する。これは、不純物準位Ｌ_ｉｍｐと、ミニバンドＭＢとの間での電子の行き来による電圧ノイズの発生と同様の機構である。

これに対して、図３に示した構成例におけるリッジ構造の量子カスケードレーザ１Ａでは、活性層１５を含むリッジ部３５に対し、活性層１５の側面を含むリッジ側面３６上にエピタキシャル成長された電子阻止膜６０を設ける構成としている。図６は、リッジ側面３６の表面準位ＬｓからミニバンドＭＢへの電子の注入の電子阻止膜６０による抑制効果について模式的に示す図である。

電子阻止膜６０は、上記したように、リッジ側面３６上に、所定の半導体材料、所定の膜厚でエピタキシャル成長されている。ここで、エピタキシャル成長では、成長用基板の成長面上に結晶方位が揃った薄膜結晶が成長する。上記の電子阻止膜６０では、リッジ部３５が成長用基板に相当し、リッジ側面３６が電子阻止膜６０の成長面に相当する。この場合、リッジ側面３６上にエピタキシャル成長された電子阻止膜６０は、活性層１５を構成する量子井戸層、障壁層との間で格子整合する。したがって、活性層１５の側面を含むリッジ側面３６には、図５に示したようなダングリングボンドによる表面準位Ｌｓは発生せず、また、表面準位Ｌｓによるポテンシャルのノッチも発生しない。このように、リッジ側面３６上に電子阻止膜６０をエピタキシャル成長することにより、リッジ側面３６の表面準位Ｌｓから注入層１８内のミニバンドＭＢへの電子の注入による電圧ノイズの発生を抑制することができる。

また、このような構成では、図６に示すように、電子阻止膜６０のリッジ側面３６とは反対側の面（図３に示した構成例では、電子阻止膜６０と絶縁層６５との界面）において表面準位Ｌｓが形成される場合がある。この場合、表面準位Ｌｓにトラップされている電子は、破線矢印７２で示すように、電子阻止膜６０内での伝導帯６０ａによるポテンシャル障壁を越えなければ、注入層１８内でのミニバンドＭＢに注入されることはない。したがって、電子阻止膜６０の半導体材料及び膜厚、及びそれによる電子阻止膜６０内でのポテンシャル構造等を適切に選択、設定することにより、電子阻止膜６０の表面準位Ｌｓから注入層１８内のミニバンドＭＢへの電子の注入による電圧ノイズの発生についても、抑制することができる。

ここで、上記構成の量子カスケードレーザ１Ａにおいて、電子阻止膜６０は、電子阻止膜６０内のポテンシャル構造での伝導帯６０ａが、活性層１５における注入層１８内でのミニバンドＭＢよりも高いエネルギー位置（ミニバンドＭＢのエネルギー上端よりも高いエネルギー位置）にあるように形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、電子阻止膜６０内に形成されるポテンシャル障壁により、電子阻止膜６０の外側面の表面準位Ｌｓから注入層１８内のミニバンドＭＢへの電子の注入を好適に抑制することができる。また、電子阻止膜６０内にポテンシャルのノッチがある場合には、図６に示すように、実質的に電子に対する障壁となる伝導帯６０ａのノッチ上端６０ｂが、ミニバンドＭＢよりも高いエネルギー位置にあることが好ましい。

また、電子阻止膜６０は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚で形成されていることが好ましい。ここで、電子阻止膜６０の膜厚が１００ｎｍより薄い場合、電子阻止膜６０内でのポテンシャル障壁を越えることなくトンネル効果によって、電子阻止膜６０の表面準位Ｌｓからの電子が注入層１８内のミニバンドＭＢへと注入される可能性がある。これに対して、電子阻止膜６０の膜厚を１００ｎｍ以上とすることにより、電子阻止膜６０の表面準位Ｌｓから注入層１８内のミニバンドＭＢへのトンネル効果による電子の注入を確実に抑制することができる。

また、電子阻止膜６０の膜厚が２００ｎｍより厚い場合、電子阻止膜６０が低抵抗となって電子阻止膜６０中を電流が流れてしまう可能性がある。これに対して、電子阻止膜６０の膜厚を２００ｎｍ以下とすることにより、電子阻止膜６０が低抵抗となって電流が流れてしまうことを確実に防止することができる。

また、電子阻止膜６０の半導体材料及び膜厚については、リッジ側面３６上で結晶方位が揃った状態でエピタキシャル成長することが可能な半導体材料、膜厚を選択する必要がある。また、電子阻止膜６０の格子定数については、活性層１５を構成する井戸層、障壁層の格子定数と一致していることが好ましいが、所定の条件を満たせば、格子定数は完全に一致していなくても良い。一般には、電子阻止膜６０は、活性層１５を構成する井戸層に対して歪緩和が生じない半導体材料及び膜厚で形成されていることが好ましい。

また、電子阻止膜６０は、より具体的には、上記した井戸層に対する歪緩和に関する条件等を考慮して、活性層１５を構成する井戸層と電子阻止膜６０との間での格子不整合率の大きさが１％以下となるように形成されていることが好ましい。

上記した格子不整合率の設定条件について、具体的に説明する。成長用基板として機能するリッジ部３５のリッジ側面３６上に、結晶膜（エピタキシャル膜）である電子阻止膜６０をエピタキシャル成長するためには、成長させる結晶膜の結晶構造が、基板の構造と同じであり、格子定数も両者で同じであることが理想であるが、上記したように、結晶膜（電子阻止膜６０）と、基板（リッジ部３５、活性層１５）との結晶構造が同じで格子定数がある程度ずれている場合、あるいは、結晶構造が異なる場合でも、所定の条件を満たせば、エピタキシャル成長は可能である。

格子定数が異なる場合には、エピタキシャル成長される結晶膜の格子が歪むことによって、基板との界面での格子の連続性を保って結晶膜が成長する（コヒーレント成長）。このように結晶膜がコヒーレント成長している場合、結晶膜と基板との格子定数の差が大きいほど、エピタキシャル成長可能な結晶膜の膜厚が薄くなる。格子定数の差がある条件下でエピタキシャル成長できる結晶膜の膜厚の限界値は、臨界膜厚と呼ばれる。結晶膜の膜厚が臨界膜厚を超えると、歪みエネルギーを緩和するためにミスフィット転位が発生して格子緩和し、本来の格子定数に近づく。すなわち、結晶膜の臨界膜厚は、歪緩和が生じない膜厚の限界値に相当する。

ここで、図７は、エピタキシャル成長される結晶膜の臨界膜厚の格子不整合率に対する依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は、結晶膜と成長用基板との間での格子不整合率（％）を示し、縦軸は、成長用基板上にエピタキシャル成長可能な結晶膜の臨界膜厚（ｎｍ）を示している。なお、臨界膜厚の算出については、非特許文献５（P. J. Orders and B. F. Usher, Appl. Phys. Lett. Vol.50 (1987),pp.980-982）を参照することができる。

また、臨界膜厚は材料にもよるが、図７では、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの間での格子不整合率と、臨界膜厚との関係を求めている。また、図７において、グラフＡ１は力学的平衡理論による計算結果を示し、グラフＡ２はエネルギー平衡論による計算結果を示している。実際の臨界膜厚は、通常はこれらの数値の間に来ると考えられる。また、ここでは、求められる臨界膜厚の値は格子不整合率０％近傍で発散するため、０％近傍については計算結果を示していない。

図７に示す臨界膜厚の計算結果によれば、エネルギー平衡論によるグラフＡ２では、格子定数が１％ずれると臨界膜厚は１００ｎｍとなることがわかる。このような条件を考慮すると、上記したように、電子阻止膜６０は、活性層１５を構成する井戸層と電子阻止膜６０との間での格子不整合率の大きさが１％以下となるように形成されていることが好ましい。

また、電子阻止膜６０の半導体材料については、具体的には例えば、活性層１５を構成する障壁層と同一の半導体材料で形成されていることが好ましい。この場合、通常、障壁層と井戸層とによって活性層１５が構成されていることから、上記した電子阻止膜６０の井戸層に対する歪緩和、格子不整合率についての条件は満たされている。また、障壁層と同一の半導体材料で電子阻止膜６０を形成した場合、電子阻止膜６０内での伝導帯６０ａが高いポテンシャル障壁を有することは明らかである。したがって、このような構成は、電子阻止膜６０の表面準位Ｌｓから注入層１８内のミニバンドＭＢへの電子の注入を抑制する上でも好適である。

リッジ構造の量子カスケードレーザ１Ａにおいて発生する電圧ノイズについて、さらに検討する。本願発明者は、上述した電圧ノイズに関する考察を解析的に進め、ある特定の位置にのみ不純物をドーピングした場合に量子カスケードレーザ素子内に発生する電圧ノイズパワースペクトル密度（ＶＮＰＳＤ：Voltage Noise Power Spectral Density）を、下記の式（１）

のように見積もった。

ここで、電圧ノイズパワースペクトル密度とは、電圧ノイズパワーが、各ノイズ周波数における帯域１Ｈｚあたりにどれくらいあるかを示した量である。また、上記の式（１）において、各記号、式等は、それぞれ以下の通りである。

ｅ：素電荷
Ｚ（ｚ_ｉｍｐ）：ダイポール長
ε_０：真空の誘電率
ε_ｓ：活性層の比誘電率
Ｓ：活性層の水平方向の面積
Ｍ：カスケード構造の段数
ｎ_ｉｍｐ：カスケード構造１段当たりの不純物面密度
ｆ（Ｅ_ｉｍｐ，Ｅ_Ｆ，Ｔ_ｅ）：不純物準位の電子分布関数
Ｅ_ｉｍｐ：不純物準位のエネルギー
Ｅ_Ｆ：注入層にあるミニバンドに対する擬似フェルミエネルギー
Ｔ_ｅ：活性層内での電子温度（〜格子温度）
Ｉ：ミニバンドに含まれるサブバンドの数
τ_ｅＬ：不純物準位からのミニバンドへの放出最長時間（レートの逆数）
τ_ｅＳ：不純物準位からのミニバンドへの放出最短時間
Ｅ_ｉ：ミニバンドに含まれるｉ番目のサブバンド端のエネルギー
ｚ：半導体積層構造の積層方向での空間的位置（ミニバンド内の電子の位置）
ｚ_ｉｍｐ：不純物準位の積層方向での空間的位置
Ψ_ｉ：ミニバンドに含まれるｉ番目のサブバンドの規格化された波動関数
ｆ_Ｎ：ノイズ周波数
ｍ^＊：電子の有効質量
ｋ_Ｂ：ボルツマン定数
ｐ（ｚ_ｉｍｐ）：添加位置ｚ_ｉｍｐに不純物が存在する確率

なお、ＶＮＰＳＤの式（１）については、不純物準位Ｌ_ｉｍｐからミニバンドＭＢへの遷移の確率密度関数ｐ_ｅ（τ_ｅ）、及びミニバンドＭＢから不純物準位Ｌ_ｉｍｐへの遷移の確率密度関数ｐ_ｃ（τ_ｃ）が、それぞれ不純物準位からミニバンドへの放出時間τ_ｅ、及びミニバンドから不純物準位への捕獲時間τ_ｃの逆数に比例するとして計算している。また、ミニバンドＭＢ内での各準位への電子の分布については、電子温度Ｔ_ｅでのボルツマン分布に従うとして計算しているが、このことは実験的にも確かめられており、広く知られている。また、多段に積層されたカスケード構造において、各段の注入層の構造は同一であるとしている。

上記式（１）に示したＶＮＰＳＤ（電圧ノイズパワースペクトル密度）の評価式等の妥当性について、具体的なレーザ素子を用いて検討を行った。図８は、量子カスケードレーザ１Ａを構成する半導体積層構造の具体的な一例を示す図表である。なお、以下に示す図表において、「ｕ」型とは、アンドープ（undoped）型を示している。また、ｎ型の不純物としては、具体的にはＳｉを添加している。また、以下に示す構成例は、図３に示した量子カスケードレーザ１Ａにおける半導体積層構造の具体例に対応している。

図８に示す構成例では、キャリア濃度が５×１０^１８（／ｃｍ^３）、厚さが３５０μｍのｎ^＋型のＩｎＰ基板５０を半導体基板１０として用い、この基板５０上に、厚さ３．５μｍのＩｎＰ下部クラッド層５１、厚さ１０．０ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部グレーデッド層５２、厚さ０．２５μｍのＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５３、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部注入層２５、単位積層体１６が多段に積層されたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ活性層１５、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部注入層２０、厚さ０．２５μｍのＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５４、厚さ１０．０ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部グレーデッド層５５、及び厚さ３．５μｍのＩｎＰ上部クラッド層５６が順に積層されることで、量子カスケードレーザの素子構造が形成されている。なお、各半導体層におけるキャリア濃度等については、図８に示す通りである。

また、本構成例では、上部クラッド層５６上には、さらに、厚さ０．５μｍ、キャリア濃度３×１０^１８（／ｃｍ^３）のＩｎＰ第２コンタクト層５７、厚さ０．０２μｍ、キャリア濃度５×１０^１８（／ｃｍ^３）のＩｎＰ第１コンタクト層５８、及び厚さ０．０１μｍ、キャリア濃度１×１０^１９（／ｃｍ^３）のキャップ層５９が設けられている。

図９は、図８に示した量子カスケードレーザにおける、上部注入層２０、活性層１５、及び下部注入層２５の構成の一例を示す図表である。また、図１０は、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の構成の一例を示す図表である。本構成例では、上部注入層２０は、ＡｌＩｎＡｓ障壁層２０１〜２０４、及びＩｎＧａＡｓ井戸層２１１〜２１３によって構成され、井戸層２１３において、キャリア濃度３×１０^１７（／ｃｍ^３）で不純物が添加されている。また、下部注入層２５は、ＡｌＩｎＡｓ障壁層２５１〜２５５、及びＩｎＧａＡｓ井戸層２６１〜２６４によって構成され、井戸層２６４において、キャリア濃度３×１０^１７（／ｃｍ^３）で不純物が添加されている。これらの上部注入層２０、及び下部注入層２５は、活性層１５に対して補助的に設けられている。

また、図１０は、構造Ｉの量子カスケードレーザ素子（素子Ｉ）での活性層１５の単位積層体１６の構成を示している。素子Ｉの構成では、単位積層体１６での発光層１７は、４個のＡｌＩｎＡｓ障壁層１６１〜１６４、及びＩｎＧａＡｓ井戸層１７１〜１７４によって構成されている。また、注入層１８は、７個のＡｌＩｎＡｓ障壁層１８１〜１８７、及びＩｎＧａＡｓ井戸層１９１〜１９７によって構成され、第７井戸層１９７において、キャリア濃度３×１０^１７（／ｃｍ^３）で不純物が添加されている。

本構成例における活性層１５は、発光層１７及び注入層１８を含む単位積層体１６が４０周期で積層されて構成されている。なお、活性層１５を構成する４０段の単位積層体１６のうち、最も上段の単位積層体１６では、発光層１７の障壁層１６１が上部注入層２０の障壁層２０４に置き換えられている。また、最も下段の単位積層体１６では、注入層１８が下部注入層２５に置き換えられている。

図１１は、図１０に示した素子Ｉの活性層１５における単位積層体１６の構成、及びサブバンド準位構造について示す図である。本構成例では、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位Ｌ_ｕｐ、第２発光上準位として機能する高エネルギー準位Ｌ_ｈ、及びミニバンドＭＢを有している（図２参照）。

また、図１２は、構造IIの量子カスケードレーザ素子（素子II）での活性層１５の単位積層体１６の構成を示している。素子IIの構成では、単位積層体１６での発光層１７は、４個のＡｌＩｎＡｓ障壁層１６１〜１６４、及びＩｎＧａＡｓ井戸層１７１〜１７４によって構成されている。また、注入層１８は、７個のＡｌＩｎＡｓ障壁層１８１〜１８７、及びＩｎＧａＡｓ井戸層１９１〜１９７によって構成され、第４井戸層１９４において、キャリア濃度３×１０^１７（／ｃｍ^３）で不純物が添加されている。なお、この素子IIの構成は、不純物の添加位置を除けば素子Ｉと同様である。

上記構成の量子カスケードレーザについて、図３に示したようにリッジ構造のレーザ素子を作製し、ノイズ電圧の周波数解析を行うことでＶＮＰＳＤの測定を行い、また、上記の評価式を用いて計算によるＶＮＰＳＤの評価を行った。なお、以下に示すＶＮＰＳＤについての計算結果では、各パラメータの数値について、τ_ｅＳ＝０．１μｓ、τ_ｅＬ＝１００ｍｓ、ε_ｓ＝１４、Ｍ＝４０、ｎ_ｉｍｐ＝１．０×１０^１１ｃｍ^−２、Ｓ＝１．４×１０^−４ｃｍ^２の数値を用いている。また、活性層１５に印加されているバイアス電圧は、３１ｋＶ／ｃｍとしている。また、レーザ素子のリッジ構造については、素子Ｉ、IIともに、リッジ長さ（共振器長）をｌ＝１ｍｍ、リッジ幅をｗ＝１４μｍとしている。

レーザ素子について測定されたＶＮＰＳＤは、式（１）に示したように１／ｆ_Ｎ型であり、ノイズ周波数ｆ_Ｎが１桁上がると、ノイズ密度が１桁下がる。図１３は、素子Ｉ、IIについてのＶＮＰＳＤの温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電子温度（Ｋ）を示し、縦軸はＶＮＰＳＤ（Ｖ^２／Ｈｚ）を示している。また、図１３のグラフは、ノイズ周波数ｆ_Ｎ＝１００ＨｚでのＶＮＰＳＤについて、実験的な測定結果、及び式（１）を用いた理論的な計算結果を示している。

具体的には、図１３において、データ点Ｂ１は、素子ＩのＶＮＰＳＤについての測定結果を示し、グラフＢ２は、素子ＩのＶＮＰＳＤの計算結果を示している。また、データ点Ｂ３は、素子IIのＶＮＰＳＤについての測定結果を示し、グラフＢ４は、素子IIのＶＮＰＳＤの計算結果を示している。

図１３に示す結果では、素子Ｉについては、ＶＮＰＳＤの測定値と計算値とが一致しており、ＶＮＰＳＤの評価式（１）の妥当性を確認することができる。一方、素子IIについては、計算値を示すグラフＢ４では、温度２８０Ｋ付近でＶＮＰＳＤが極小値となっているのに対し、データ点Ｂ３では、ＶＮＰＳＤの測定値は温度とともに増加していく結果が得られており、測定値と計算値とで高温領域での不一致が観測されている。このようなＶＮＰＳＤの測定値と計算値との不一致は、上述したように、リッジ側面の表面準位ＬｓからミニバンドＭＢへと注入される電子の影響と考えられる。

ここで、電圧ノイズにおけるリッジ側面の表面準位Ｌｓの影響を確認するために、素子IIと同じ半導体積層構造を有するとともにリッジ構造が異なる素子IIIを作製して比較を行った。具体的には、レーザ素子のリッジ構造について、素子IIでは、リッジ長さがｌ＝１ｍｍ、リッジ幅がｗ＝１４μｍであったのに対し、素子IIIでは、リッジ長さをｌ＝２２０μｍ、リッジ幅をｗ＝５０μｍとした。これらの素子II、IIIでは、活性層１５の水平方向の面積Ｓはほぼ同じであるが、リッジ側面の面積については、リッジ長さｌが短い素子IIIの方が面積が小さくなっている。

図１４は、素子II、IIIについてのＶＮＰＳＤの温度依存性を示すグラフである。図１４において、データ点Ｃ１は、図１３に示したものと同様の素子IIのＶＮＰＳＤについての測定結果を示している。また、データ点Ｃ３は、素子IIIのＶＮＰＳＤについての測定結果を示し、グラフＣ４は、素子IIIのＶＮＰＳＤの計算結果を示している。

図１４に示す結果では、リッジ側面の面積が小さい素子IIIについて、温度１４０Ｋあたりから温度上昇とともに、ＶＮＰＳＤの測定値が計算値と同様に減少する様子が観測されている。このことから、例えば室温のような高温領域では、リッジ側面の表面準位Ｌｓの影響による電圧ノイズが存在することが確認できる。なお、素子IIIの測定結果においても、温度２００Ｋ以上ではＶＮＰＳＤが増加している。これは、素子IIIでは、リッジ側面の面積は小さいものの表面準位Ｌｓは残っているため、高温領域においてその影響が出てきているものと考えられる。これに対して、上述したようにリッジ側面上に電子阻止膜を形成することにより、このような表面準位の影響を抑制することが可能である。

量子カスケードレーザの具体的な構成について、さらに説明する。図１５は、量子カスケードレーザの具体的な構成の他の例を示す斜視図である。図１５に示す量子カスケードレーザ１Ｂは、図３に示した量子カスケードレーザ１Ａと同様の構成を有するが、電子阻止膜の形成条件が異なっている。すなわち、図３の構成例では、リッジ部３５に対し、活性層１５の側面を含むリッジ側面３６上にエピタキシャル成長された電子阻止膜６０が設けられている。一方、図１５の構成例では、電子阻止膜６１は、エピタキシャル成長により、リッジ側面３６上から基体部３０の基体上面３１上にわたって形成されている。

このように電子阻止膜の具体的な構成については、図３に示すように、電子阻止膜６０が、リッジ側面３６上のみに形成されている構成、あるいは、図１５に示すように、電子阻止膜６１が、リッジ側面３６上から基体部３０の基体上面３１上にわたって形成されている構成のいずれを用いても良い。一般には、電子阻止膜は、活性層の側面を含むリッジ側面上に少なくとも形成されていれば良い。

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、活性層１５の単位積層体１６におけるサブバンド準位構造については、図２はその一例を示すものであり、具体的には、図２以外にも様々な構成を用いて良い。一般には、単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有していれば良い。

また、量子カスケードレーザにおける半導体積層構造、及びリッジ構造についても、上記した構成例に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。一般には、半導体積層構造については、半導体基板と、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ていれば良い。また、リッジ構造については、半導体基板を含む基体部と、活性層を含んで基体部上に設けられて活性層で生成される光に対するレーザ共振器構造における共振方向にストライプ状に延びるリッジ部とを有していれば良い。

また、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／ＡｌＩｎＡｓによって構成した例を示したが、このような材料系以外にも、具体的には様々な構成を用いて良い。そのような半導体材料系としては、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、Ｓｉ／ＳｉＧｅなど、様々な材料系を用いることが可能である。

本発明は、レーザ素子内での電圧ノイズの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くす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、１６１…注入障壁層、１６２〜１６４…障壁層、１７１〜１７４…井戸層、１８１〜１８７…障壁層、１９１〜１９７…井戸層、２０…上部注入層、２５…下部注入層、
５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＰ下部クラッド層、５２…ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ下部グレーデッド層、５３…ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層、５４…ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層、５５…ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ上部グレーデッド層、５６…ＩｎＰ上部クラッド層、５７…ＩｎＰ第２コンタクト層、５８…ＩｎＰ第１コンタクト層、５９…ＩｎＧａＡｓキャップ層、
３０…基体部、３１…基体上面、３５…リッジ部、３６…リッジ側面、６０、６１…電子阻止膜、６５…絶縁層、６６…電極構造、Ｌ_ｕｐ…発光上準位、Ｌ_ｈ…高エネルギー準位（第２発光上準位、注入準位）、ＭＢ…ミニバンド、Ｌ_ｌｏｗ…発光下準位、Ｌ_ｒ…緩和準位、Ｌ_ｉｍｐ…不純物準位、Ｌｓ…表面準位。

Claims (6)

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、
   前記単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有し、
   前記量子井戸発光層における前記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、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記ミニバンド内の前記緩和準位を介して後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、
   前記注入層は、ｎ個（ｎは４以上の整数）の障壁層及び井戸層を含んで構成され、前記ミニバンドは、Ｉ個（Ｉは４以上の整数）の準位を含むとともに、
   前記半導体基板を含む基体部と、前記活性層を含んで前記基体部上に設けられて前記活性層で生成される光に対するレーザ共振器構造における共振方向にストライプ状に延びるリッジ部と、前記活性層の側面を含む前記リッジ部のリッジ側面上にエピタキシャル成長された電子阻止膜とを有し、
   前記電子阻止膜は、前記活性層を構成する障壁層と同一の半導体材料で形成されているアンドープ型の膜であることを特徴とする量子カスケードレーザ。
2. 前記電子阻止膜は、前記電子阻止膜内での伝導帯が、前記活性層における前記注入層内での前記ミニバンドよりも高いエネルギー位置にあるように形成されてい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. 前記電子阻止膜は、前記活性層を構成する井戸層に対して歪緩和が生じない半導体材料及び膜厚で形成されてい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. 前記電子阻止膜は、前記活性層を構成する井戸層と前記電子阻止膜との間での格子不整合率の大きさが１％以下となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
5. 前記電子阻止膜は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。
6. 前記電子阻止膜は、前記リッジ側面上から前記基体部の基体上面上にわたって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。

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