WO2013061655A1 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

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WO2013061655A1
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emission
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upper level
emission upper
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忠孝 枝村
厚志 杉山
直大 秋草
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a quantum cascade laser using intersubband transition in a quantum well structure.
  • the light in the mid-infrared wavelength region (for example, wavelength 5 ⁇ m to 30 ⁇ m) is an important wavelength region in the spectroscopic analysis field.
  • quantum cascade lasers (QCL: Quantum Cascade Laser) have attracted attention as high-performance semiconductor light sources in such a wavelength region (see, for example, Patent Documents 1 to 8 and Non-Patent Documents 1 to 9).
  • the quantum cascade laser is a monopolar type laser element that uses a level structure of subbands formed in a semiconductor quantum well structure and generates light by electronic transition between subbands.
  • high-efficiency and high-power operation can be realized by cascade-coupling quantum well light-emitting layers that are configured with a quantum well structure and serve as an active region.
  • This cascade coupling of the quantum well light-emitting layers is realized by alternately stacking the quantum well light-emitting layers and the injection layers using an electron injection layer for injecting electrons into the emission upper level.
  • the element operating temperature was limited to an extremely low temperature at the time of successful laser oscillation, but in 2002, room temperature CW operation at an oscillation wavelength of 9.1 ⁇ m was achieved by M. Beck et al. (Non-Patent Document 1). Thereafter, room-temperature CW operation was also achieved at the oscillation wavelengths of 6 ⁇ m and 4.8 ⁇ m by the group of M. Razeghi et al. (Non-patent Documents 2 and 3). At present, room-temperature continuous oscillation has been achieved in a wide wavelength range of 3.8 to 11.5 ⁇ m, and has already reached the stage of practical use.
  • the gain width of the laser oscillation wavelength is narrow, so the Bragg wavelength determined by the gain peak of the laser oscillation wavelength and the period of the diffraction grating It is difficult to match with accurately.
  • crystal growth In order to accurately match the gain peak and the Bragg wavelength, crystal growth must be controlled with high precision, which has an influence on the yield.
  • gain width and element characteristics are in a trade-off relationship. For this reason, when the gain width is widened, the device characteristics are lowered, such as an increase in threshold and a decrease in output.
  • an object of the present invention is to provide a quantum cascade laser capable of achieving both a wide gain width and device characteristics.
  • a quantum cascade laser includes a semiconductor substrate and a quantum well light emitting layer provided on the semiconductor substrate, the unit stacked body including a quantum well light emitting layer and an injection layer being stacked in a plurality of stages. And an active layer having a cascade structure in which injection layers are alternately stacked, and a diffraction grating layer provided on the active layer.
  • the unit stack includes a first emission upper level in the subband level structure. Quantum well light emission, a second emission upper level having energy higher than the first emission upper level, and a plurality of emission lower levels each having energy lower than the first emission upper level.
  • the quantum well light-emitting layer includes n well layers (n is an integer of 2 or more), and one of the first light emission upper level and the second light emission upper level is the most upstream stage. Is the level caused by the ground level in the first well layer on the injection layer side, and the other is the level caused by the excited level in the well layer excluding the first well layer, the first emission upper level.
  • the second emission upper level are set to be smaller than the energy of the longitudinal optical phonon, and the second emission for the high energy level adjacent to the second emission upper level on the high energy side.
  • the energy interval between the upper level and the high energy level is set larger than the energy of the longitudinal optical phonon.
  • the unit stacked body composed of the light emitting layer and the injection layer has two levels of the first emission upper level and the second emission upper level as the levels related to the emission. And a plurality (two or more) of lower emission levels.
  • a wide gain range can be realized by combining two emission upper levels and two or more emission lower levels.
  • one of the first emission upper level and the second emission upper level is a level caused by the ground level in the first well layer of the emission layer.
  • the other is constituted by levels resulting from the excited levels in the well layers (second to nth well layers) excluding the first well layer.
  • the energy interval between the first emission upper level and the second emission upper level is set to be smaller than the energy of the longitudinal optical (LO: Longitudinal ⁇ ⁇ Optical) phonon and is higher than the second emission upper level.
  • the energy interval between the second emission upper level and the high energy level is set larger than the energy of the LO phonon.
  • the strength of coupling between the levels By designing the energy interval and the like, it is possible to suitably set and control characteristics such as an emission spectrum obtained by emission transition.
  • a quantum cascade laser capable of achieving both a wide gain width and device characteristics and capable of suitably obtaining light emission in a wide wavelength range is realized.
  • the subband level structure in the unit laminated body as described above can be controlled by designing the quantum well structure in the unit laminated body constituting the active layer.
  • the diffraction grating layer may include a base portion provided on the active layer and a plurality of protrusions provided on the base portion and spaced apart from each other.
  • the distance from the active layer to the protruding portion functioning as a diffraction grating can be adjusted by the thickness of the base portion. That is, by adjusting the thickness of the base portion, the coupling coefficient of the diffraction grating can be adjusted according to the wavelength.
  • the diffraction grating layer may have a phase shift portion.
  • a quantum cascade laser that stably suppresses bimode oscillation caused by a shift in the cleavage position of the diffraction grating in the manufacturing process and stably performs single mode oscillation.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a quantum cascade laser according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a subband level structure in the active layer of the quantum cascade laser.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the unit laminate structure constituting the active layer.
  • FIG. 4 is a chart showing an example of the structure of the unit laminate structure for one cycle in the active layer.
  • FIG. 5 is a graph showing an emission spectrum obtained by the quantum cascade laser.
  • FIG. 6 is a graph showing the voltage dependence of the emission half width.
  • FIG. 7 is a graph showing the electric field strength dependence of the energy interval between the first emission upper level and the second emission upper level.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a quantum cascade laser according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a subband level structure in the active layer of the quantum cascade laser.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the unit laminate structure constituting
  • FIG. 8 is a graph showing the electric field strength dependence of the existence probability of electrons other than the first well layer in the respective light emitting layers of the first light emitting upper level and the second light emitting upper level.
  • FIG. 9 is a graph showing the current-voltage-light output characteristics of the quantum cascade laser.
  • FIG. 10 is a graph showing the temperature dependence of the threshold current density.
  • FIG. 11 is a graph showing an oscillation spectrum of the quantum cascade laser.
  • FIG. 12 is a graph showing the oscillation spectrum of the quantum cascade laser and the single mode oscillation corresponding to the period of each diffraction grating.
  • the quantum cascade laser 1 is a monopolar type laser element that generates light using electronic transition between subbands in a semiconductor quantum well structure.
  • the quantum cascade laser 1 includes a cladding layer 13a, a lower core layer 11, an active layer 15, an upper core layer 12, and a diffraction grating on a semiconductor substrate 10 in this order from the substrate 10 side.
  • the layer 20, the clad layer 13b, and the contact layer 14 are sequentially stacked.
  • the active layer 15 has a cascade structure in which a quantum well light emitting layer used for light generation and an electron injection layer used for electron injection into the light emitting layer are alternately stacked in a plurality of stages.
  • the semiconductor multilayer structure composed of the quantum well light emitting layer and the injection layer is used as a unit laminated body 16 for one period, and the unit laminated body 16 is laminated in a plurality of stages, thereby forming an active layer 15 having a cascade structure.
  • the number of stacked unit stacked bodies 16 including the quantum well light emitting layer and the injection layer is appropriately set, and is about several hundreds, for example.
  • the active layer 15 is provided on the semiconductor substrate 10 via the lower core layer 11 in this embodiment, but may be provided directly on the semiconductor substrate 10.
  • Each of the plurality of unit laminates 16 included in the active layer 15 includes a quantum well light emitting layer 17 and an electron injection layer 18 as shown in FIG.
  • the light emitting layer 17 and the injection layer 18 have predetermined quantum well structures each including a quantum well layer and a quantum barrier layer, as will be described later.
  • the subband level structure which is an energy level structure by a quantum well structure is formed.
  • the second emission upper level L up2 has higher energy than the first emission upper level L up1 .
  • Each of the plurality of light emission lower levels L low has lower energy than the first light emission upper level L up1 .
  • the light emitting layer 17 includes n (n is an integer of 2 or more) well layers.
  • One of the first emission upper level L up1 and the second emission upper level L up2 is a level caused by the ground level in the first well layer on the most upstream injection layer 18a side, and the other is This is the level resulting from the excitation levels in the well layers (second to nth well layers) excluding the first well layer.
  • the energy interval ⁇ E 43 between the first emission upper level L up1 and the second emission upper level L up2 is set to be smaller than the energy E LO of the longitudinal optical (LO) phonon ( ⁇ E 43 ⁇ E LO ).
  • the high energy level (level 5) L h is adjacent to the second emission upper level L up2 on the high energy side.
  • the energy interval ⁇ E 54 between the second emission upper level L up2 and the high energy level L h is set to be larger than the LO phonon energy E LO (E LO ⁇ E 54 ).
  • the LO phonon energy E LO is 36 meV when the quantum well layer is made of GaAs, and 32 meV when it is made of InAs, which is almost the same as the 34 meV described above.
  • the two emission upper levels L up1 and L up2 are preferably designed so that the energy positions of the respective levels coincide with each other and the wave functions are strongly coupled (anticrossing) under the condition of the operating electric field. In this case, these two upper levels behave like one emission upper level having a width in energy. By changing the magnitude of the coupling of the two upper levels, it is possible to control the full width at half maximum (FWHM) of light emission.
  • the plurality of lower emission levels L low constitute a lower miniband MB including a plurality of levels, and the emission transitions from the first emission upper level and the second emission upper level are dispersed to the lower miniband. .
  • FIG. 2 exemplifies a configuration in which only a thin barrier layer that sufficiently oozes a wave function is provided between the light emitting layer 17 and the injection layer 18.
  • the mini-band MB is a band structure in which a mini-band in the quantum well light-emitting layer 17 and a mini-band in the injection layer 18 are combined and a plurality of levels are spread and distributed from the light-emitting layer 17 to the injection layer 18. have.
  • the portion of the miniband MB in the light emitting layer 17 on the high energy side functions as a lower miniband made up of the plurality of lower emission levels L low described above, and the injection layer 18 on the low energy side.
  • the inside portion functions as a relaxation miniband including a relaxation level (level 1) Lr that relaxes electrons after the light emission transition from the lower emission level L low to the light emitting layer 17b in the subsequent stage.
  • the ground level L g in the injection layer 18 is preferably the second level in the light emitting layer 17b in the subsequent unit stacked body under the condition of the operating electric field. It is designed to be strongly coupled to the emission upper level L up2 .
  • Electrons e ⁇ from the relaxation level L r in the previous injection layer 18a are injected into the light emitting layer 17 through the injection barrier by the resonant tunneling effect.
  • the second emission upper level L up2 coupled to the relaxation level L r is strongly excited.
  • sufficient electrons are also supplied to the first emission upper level L up1 through a high-speed scattering process such as electron-electron scattering, and sufficient for both of the two emission upper levels L up1 and L up2. Carrier is supplied.
  • the electrons injected into the first emission upper level L up1 and the second emission upper level L up2 transition to each of the plurality of emission lower levels L low constituting the lower miniband.
  • light h ⁇ having a wavelength corresponding to the energy difference between the subband levels of the upper levels L up1 and L up2 and the lower level L low is generated and emitted.
  • the two upper levels behave like one emission upper level having a width in energy, the obtained emission spectrum is a spectrum having a uniform spread.
  • FIG. 2 only the light emission transition from the upper level L up1 , L up2 to the lower level L low of the highest energy side is shown for the sake of easy viewing, and the transition to the other lower level is shown. The illustration is omitted.
  • laser oscillation is performed between the two upper levels L up1 and L up2 and a plurality of lower levels L low.
  • An inversion distribution for realization is easily formed.
  • the electrons relaxed from the lower emission level L low to the level L r in the injection layer 18 pass through the ground level L g in the injection layer 18, which is the relaxation level on the low energy side, and the subsequent emission layer. Injected in cascade to the upper emission levels L up1 and L up2 at 17b.
  • Such electron injection, light emission transition, and relaxation are repeated in the plurality of unit laminates 16 constituting the active layer 15, thereby generating cascaded light in the active layer 15. That is, by stacking a large number of quantum well light-emitting layers 17 and injection layers 18, electrons move one after another in the cascade 16 in a cascade manner, and light h ⁇ at the time of transition between subbands in each laminate 16. Is generated. By resonating such light in the optical resonator of the laser 1, laser light having a predetermined wavelength is generated.
  • the diffraction grating layer 20 includes a base portion 20 a provided on the active layer 15 via the upper core layer 12, and a plurality of protrusions 20 b provided on the base portion 20 a.
  • the foundation layer 20 a is formed on the entire surface of the upper core layer 12.
  • the underlayer 20a functions as an etching stopper when the protrusion 20b is formed by etching, and has a function of adjusting the distance from the active layer 15 to each protrusion 20b.
  • the protruding portions 20b are arranged on the base portion 20a so as to form a predetermined pattern in a state where they are evenly spaced from each other.
  • the pitch of each protrusion 20 b can be set to 824 nm using first-order diffraction.
  • the protrusion 21 located near the center in the width direction of the quantum cascade laser 1 is set to be about twice as wide as the other protrusions 22.
  • the protrusion 20b (diffraction grating layer 20) functions as a ⁇ / 4 phase shift diffraction grating in the present embodiment.
  • a clad layer 13b is formed between the protruding portions 20b.
  • Each protrusion 20b can be formed by an interference exposure method, an EB exposure method, a nanoimprint method, or the like.
  • the target wavelength is 5.26 ⁇ m (wave number 1901 cm ⁇ 1 )
  • the interval (period) between the protrusions 20 b is about 824 nm
  • the creation accuracy of the diffraction grating is about ⁇ 0.8 nm or less. Therefore, it is preferable to form each protrusion 20b using a nanoimprint method. This is because according to the nanoimprint method, the phase shift diffraction grating can be manufactured with a large area with high accuracy and bimode oscillation can be suppressed.
  • the semiconductor substrate 10 according to this configuration example is composed of an n-type InP single crystal.
  • the cladding layers 13a and 13b are both made of InP, and the thickness thereof can be set to about 3.5 ⁇ m.
  • the lower core layer 11 is made of InGaAs, and its thickness can be set to about 300 nm.
  • the upper core layer 11 is made of InGaAs, and the thickness thereof can be set to about 300 nm.
  • the contact layer 14 is made of InGaAs, and its thickness can be set to about 10 nm.
  • the underlayer 20a is made of InP, and its thickness can be set to about 200 nm to 300 nm.
  • Each protrusion 20b is made of InGaAs and can be set to a thickness of about 100 nm.
  • the quantum well structure of the active layer 15 is designed with an oscillation wavelength of 8.7 ⁇ m (oscillation energy: 142 meV) and an operating electric field of 41 kV / cm.
  • FIG. 3 shows a quantum well structure and a subband level structure of a part of a plurality of repeated structures of the active layer 15 including the light emitting layer 17 and the injection layer 18.
  • the device structure shown in FIGS. 1 and 3 can be formed by, for example, crystal growth by molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).
  • the active layer 15 is configured by stacking unit laminates 16 including the quantum well light-emitting layers 17 and the electron injection layers 18 in 40 cycles.
  • the structure of the unit laminated body 16 for one period is composed of 11 quantum well layers 161 to 164 and 181 to 187, and 11 quantum barrier layers 171 to 174 and 191 to 197 alternately. It is a quantum well structure laminated on the substrate.
  • the quantum well layer is composed of an In 0.53 Ga 0.47 As layer.
  • the quantum barrier layer is composed of an Al 0.52 In 0.48 As layer. Therefore, the structure of the active layer 15 is an InGaAs / InAlAs quantum well structure lattice-matched to the InP substrate 50.
  • a stacked portion composed of four well layers 161 to 164 and barrier layers 171 to 174 is a portion mainly functioning as the light emitting layer 17.
  • a laminated portion composed of seven well layers 181 to 187 and barrier layers 191 to 197 is a portion that mainly functions as the injection layer 18.
  • the first quantum barrier layer 171 among the semiconductor layers of the light emitting layer 17 is located between the previous injection layer and the light emitting layer 17, and an injection barrier for electrons from the previous injection layer to the light emitting layer 17. Acts as a layer.
  • the extraction barrier layer is located between the light emitting layer 17 and the injection layer 18, but this extraction barrier layer is effective as an extraction barrier against electrons from the light emitting layer 17 to the injection layer 18. Is not working.
  • FIG. 3 since the wave functions of the emission upper levels L up1 and L up2 described later are attenuated before the fifth barrier layer 191 in the unit laminate 16, the barrier layer 191 is formally extracted.
  • the light emitting layer 17 and the injection layer 18 are functionally divided before and after the extraction barrier layer.
  • FIG. 4 shows an example of a specific structure of the unit stacked body 16 for one period in the active layer 15.
  • the unit stack 16 has a first emission upper level (level 3) L up1 , a second emission upper level (level 4) L up2 , and a plurality of emission lower levels. It has a level (level 2) L low and a relaxation level (level 1) L r .
  • level structure of FIG. 3 there are twelve levels contributing to the laser operation, and a plurality of levels correspond to the emission lower level L low and the relaxation level L r , respectively.
  • the plurality of lower emission levels and the plurality of relaxation levels form a miniband MB in which a plurality of levels are spread and distributed from the light emitting layer 17 to the injection layer 18 as described above.
  • the thicknesses of the well layer and the barrier layer in the light emitting layer 17 and the injection layer 18 are designed based on quantum mechanics.
  • the energy interval between the first emission upper level L up1 and the lower miniband including the plurality of emission lower levels L low is determined by the well widths of the well layers 161 to 164 and the thicknesses of the barrier layers 172 to 174 in the emission layer 17.
  • the operating electric field is set based on the expected film thickness and voltage drop of the laminate per cycle. In this configuration example, as described above, the operating electric field is 41 kV / cm.
  • the well widths of the well layers 161 to 164 that determine the emission wavelength, the thicknesses of the barrier layers 172 to 174, and the thickness of the barrier layer 191 of the injection layer 18 cannot be determined independently. This is because the wave function of each level is sensitively influenced by each quantum well layer and barrier layer. Therefore, for these semiconductor layers, the thickness of each layer is determined quantum mechanically using numerical calculation. Since the design wavelength changes again when the level position of the second emission upper level L up2 is determined in the next design step, the configuration of the quantum well layers 162 to 164 and the barrier layers 173 and 174 is first described here. Decide roughly.
  • the well width of the quantum well layer 161 for setting the second emission upper level (level 4) L up2 is determined.
  • the thickness of the well layer 161 which is the first well layer in the light emitting layer 17 is such that the ground level when the first well layer 161 exists as a single quantum well layer corresponds to the second upper emission level L up2.
  • the light emitting layer 17 is thinner than the other well layers.
  • the first light emission upper level L up1 and the second light emission upper level L up2 need to be sufficiently overlapped with each other under the condition of the operating electric field. Therefore, the thickness of the first well layer 161 is set so that the ground level in the well layer 161 and the first emission upper level L up1 have substantially the same energy in the operating electric field. In this case, the first emission upper level L up1 is an excitation level in a well layer other than the first well layer 161.
  • the thickness of the second barrier layer 172 is the size of anticrossing in a state where the first emission upper level L up1 and the second emission upper level L up2 are coupled (the level when completely coupled). 3 and the energy difference ⁇ E 43 ) between the level 4 and the level 4 are determined.
  • the magnitude of the anti-crossing is large when the barrier layer 172 is thin, and is small when the barrier layer 172 is thick.
  • the quantum cascade laser according to the aspect of the present invention controls a transition from the first emission upper level L up1 and the second emission upper level L up2 to the emission lower level L low , thereby providing a wide emission half width. It is realized. For this reason, when the thickness of the barrier layer 172 is not appropriate, such a function is impaired. That is, when the barrier layer 172 is too thin, ⁇ E 43 increases, and therefore the transition to the emission lower level L low is either the first emission upper level L up1 or the second emission upper level L up2 .
  • the emission half-value width is narrow due to the transition from. Even if light is emitted without being biased, the emission spectrum is not uniform as in the case of transition between minibands.
  • the thickness of the barrier layer 172 needs to be set appropriately with a layer thickness smaller than that of the injection barrier layer 171.
  • the thickness of the barrier layer 172 by setting the 2.7 nm, it is set to 18meV the energy difference Delta] E 43 of emission upper level L up1, L up2.
  • the miniband MB is used for the plurality of emission lower levels L low .
  • the miniband MB there are many levels with the wave function spatially expanded.
  • the levels present in the electron injection layer 18 are also used as the levels constituting the miniband MB, and therefore the first barrier of the injection layer 18 so that the wave function of these levels leaks to the light emitting layer 17. It is important that the layer thickness of the layer (extraction barrier layer) 191 is also set thin. If the extraction barrier layer 191 is too thick, not only the electron flow from the light emitting layer 17 to the injection layer 18 is impaired, but also the formation of the lower mini-band MB is hindered. is there. In the present configuration example, as described above, the first barrier layer 191 does not function effectively as an extraction barrier.
  • the design wavelength, the interval between the levels, and the like always change.
  • the thicknesses of all the quantum well layers and barrier layers in the light emitting layer 17 are changed.
  • the thicknesses of the well layers 161 to 164 in the light emitting layer 17 were 3.1 nm, 7.5 nm, 5.8 nm, and 5.2 nm, respectively.
  • the thicknesses of the barrier layers 172 to 174 and the barrier layer 191 of the injection layer 18 were 2.7 nm, 0.9 nm, 1.0 nm, and 1.2 nm, respectively.
  • the electron injection layer 18 is designed.
  • Funnel Injector Patent Document 8: Japanese Patent Laid-Open No. 10-4242
  • the Injector the energy width of the mini-band MB can be narrowed as the next period is approached, and the efficiency of electron injection into the second emission upper level L up2 can be increased.
  • the level structure is realized by reducing the thickness of the quantum well layer and increasing the thickness of the barrier layer as it approaches the light emitting layer 17b of the next period from the light emitting layer 17 side. be able to.
  • the injection layer 18 shown in FIG. 3 it is necessary to first design the quantum well layer 187 adjacent to the light emitting layer 17b of the next period. This means that the wave function of the level existing in the well layer 187 (base level in the injection layer 18 in the operating electric field) is made to follow the emission upper level in any electric field below the operating electric field. This is necessary.
  • the thickness of the well layer 187 needs to be slightly thicker than the well layer 161 (about several mm).
  • the thickness of the well layer 187 of the injection layer 18 is set to 3.3 nm with respect to the thickness of the well layer 161 of the light emitting layer 17.
  • the second emission upper level L up2 can be excited by injection of electrons from the relaxation miniband, and a wide emission half width can be realized.
  • the relaxation level in the well layer 187 not only has lower energy than the second emission upper level L up2 in the well layer 161 but also more than the first emission upper level L up1. Furthermore, it will be located at low energy. In such a level structure, when the operating electric field is approached, electrons are first injected into the first emission upper level L up1 , making it difficult to obtain a wide emission half width.
  • the layer thicknesses of other quantum well layers and barrier layers in the injection layer 18 are determined by the same method as in the prior art.
  • the setting of the layer thickness of the first barrier layer 191 of the injection layer 18 is as described above.
  • the semiconductor layers constituting the injection layer 18 Regard the thicknesses of the well layer and the barrier layer on the extraction barrier layer 191 side, all electrons from the level existing in the light emitting layer 17 are all in the injection layer 18. Designed to be transportable to a mini band.
  • the thicknesses of the well layer and the barrier layer on the injection barrier layer 171 side in the next period electrons from the injection layer 18 are injected only into the second emission upper level L up2 in the next period, and energy higher than that. the level L h of the side so as not to be injected, it is necessary to sufficiently constrict the relaxation mini band.
  • the thicknesses of the well layers 181 to 187 in the injection layer 18 are 4.1 nm, 3.8 nm, 3.5 nm, 3.4 nm, 3.4 nm, 3.4 nm, It was set to 3.3 nm.
  • the thicknesses of the barrier layers 192 to 197 were set to 1.5 nm, 1.6 nm, 1.7 nm, 2.0 nm, 2.3 nm, and 2.8 nm, respectively.
  • the thickness of the injection barrier layer 171 in the quantum well light emitting layer 17 is determined.
  • the barrier layer 171 determines the strength of coupling in each period in the cascade structure of the multi-layer unit stacked body 16, and determines the maximum current that can be input.
  • the strength of coupling of the wave functions is determined by the anti-crossing gap.
  • the anti-crossing gap is set to 7.3 meV, and the design is performed so that a current equivalent to that of the conventional technology can be input.
  • the thickness of the injection barrier layer 171 is 3.7 nm.
  • FIG. 5 is a graph showing the operating voltage dependence of the emission spectrum obtained by the quantum cascade laser.
  • the horizontal axis represents light emission energy (meV)
  • the vertical axis represents light emission intensity (au).
  • Graphs A1 to A7 show the emission spectra when the applied voltage is 5.9V, 6.8V, 7.6V, 8.3V, 9.0V, 9.7V, 10.3V, respectively.
  • the light emission half-value width is, for example, similar to that of a 2-stack BTC (bound-to-continuum) structure, and wide and high-quality light emission is realized with a single design recipe.
  • FIG. 6 is a graph showing the voltage dependence of the emission half-width (FWHM of the emission spectrum).
  • the horizontal axis represents the applied voltage (V)
  • the vertical axis represents FWHM (meV) corresponding to the light emission half width.
  • V applied voltage
  • meanV FWHM
  • FIG. 6 shows the voltage dependence of the emission half-value width when the above-described new structure, the conventional bound-to-bound structure, and the BTC structure are used (for example, non-patent).
  • Reference 8 A. Wittmann et al., Appl. Phys. Lett. Vol.93 (2008) pp.141103-1-141103-3).
  • the above-described new structure has a very large emission half-value width as compared with other structures. Looking at the voltage dependence of the emission half width, in the BTC structure, the emission half width decreases as the voltage increases. On the other hand, in the new structure, the emission half width is almost constant, and the voltage dependency is very small. This indicates that the above-described new structure has a great advantage in consideration of application to laser elements such as DFB type and EC type.
  • the two levels L up1 when sufficient transition intensity from each L up2 are obtained, the first time sufficient characteristics, functions can be obtained.
  • the two upper levels are sufficiently coupled in the operating state, and each wave function needs to spread throughout the light emitting layer 17.
  • One of the first light emission upper level and the second light emission upper level is basically localized in the first well layer of the light emitting layer 17, and only when the light emitting layer 17 is coupled to the other upper level. The wave function spreads throughout.
  • FIG. 7 is a graph showing the electric field strength dependence of the energy interval between the first emission upper level Lup1 and the second emission upper level Lup2 .
  • the horizontal axis indicates the electric field strength (kV / cm) applied to the active layer 15, and the vertical axis indicates the energy interval ⁇ E 43 (meV) between the first emission upper level and the second emission upper level. Show.
  • FIG. 8 is a graph showing the electric field strength dependence of the existence probability of electrons other than the first well layer 161 of the light emitting layer 17 of each of the first light emission upper level L up1 and the second light emission upper level L up2.
  • the horizontal axis represents the electric field strength (kV / cm)
  • the vertical axis represents the existence probability of electrons other than the first well layer 161 having the upper emission level.
  • Graph C1 shows the existence probability other than the first well layer 161 having the first emission upper level
  • graph C2 shows the existence probability other than the first well layer 161 having the second emission upper level.
  • the first emission upper level L up1 and the second emission upper level L up2 are strongly coupled within the range of the electric field strength of 36 to 47 kV / cm indicated by the ranges R1 and R2 in FIGS. 7 and 8, respectively.
  • the existence probability of electrons other than the first well layer 161 is 30% or more, and the preferable condition is satisfied.
  • the energy interval between the two emission upper levels is the smallest.
  • the unit of the first emission upper level and the second emission upper level are considered in consideration of the combined state, energy interval, and wave function (existence probability) conditions. It is preferable to design the quantum well structure and the resulting subband level structure in the stacked body 16.
  • the characteristics of the quantum cascade laser according to the above configuration example will be further described with reference to FIGS.
  • the characteristics of a laser device having a resonator length of 4 mm and a ridge width of 14 ⁇ m in a ridge waveguide type configuration are shown.
  • the laser end face of the laser element is formed by cleavage, and no special coating or the like is applied.
  • FIG. 9 is a graph showing the current-voltage-light output characteristics of the quantum cascade laser.
  • the horizontal axis represents current (A) or current density (kA / cm 2 ), and the vertical axis represents voltage (V) or light intensity (W).
  • a graph D0 shows current-voltage characteristics at an operating temperature of 300K
  • graphs D1 to D6 show current-light output characteristics at operating temperatures of 300K, 320K, 340K, 360K, 380K, and 400K, respectively.
  • the threshold current density at room temperature is as low as 2.6 kA / cm 2 , which is a value comparable to that of a laser element with a narrow gain width.
  • the total light output from both end faces of the laser element reaches 1 W at room temperature, and it can be seen that an extremely high output laser element can be realized.
  • About 1 W / A is obtained about slope efficiency.
  • FIG. 10 is a graph showing the temperature dependence of the threshold current density.
  • the horizontal axis represents temperature (K)
  • the vertical axis represents threshold current density (kA / cm 2 ).
  • the temperature characteristic of the threshold is very good.
  • the value of the characteristic temperature T 0 indicating the rate of increase due to the temperature of the threshold is about 340 K, which is about twice as large as the value of the quantum cascade laser reported so far.
  • FIG. 11 is a graph showing an oscillation spectrum of the quantum cascade laser.
  • the horizontal axis indicates the wave number (cm ⁇ 1 ), and the vertical axis indicates the intensity (au).
  • Graphs E1 to E3 show oscillation spectra at currents of 1.75A, 2.3A, and 2.7A, respectively.
  • the quantum cascade laser having a new structure oscillates near the peak of gain immediately after oscillation, but the spectrum that is considered to be caused by coherent instability as the current is increased. It has been confirmed that the axial mode of oscillation occurs in a very wide wavelength range. It can be confirmed from the occurrence of the axial mode in such a wide range that the gain of the above-described new structure is extremely wide.
  • FIG. 12 is a graph showing the oscillation spectrum of the quantum cascade laser and the single mode oscillation corresponding to the period of each diffraction grating.
  • the horizontal axis indicates the wave number (cm ⁇ 1 )
  • the vertical axis indicates the intensity (au).
  • Graph F shows the oscillation spectrum at a current of 1.4A.
  • Three types of diffraction gratings corresponding to the short wavelength side, the center vicinity, and the long wavelength side of the oscillation spectrum were prepared.
  • the quantum cascade laser 1 can obtain single mode oscillation in a wide wavelength range from about 100 cm ⁇ 1 from the same wafer. This indicates that if the period of the diffraction grating is determined, single mode oscillation can be stably obtained at one wavelength even if the gain of the quantum cascade laser is shifted to the short wavelength side or the long wavelength side. By selecting the period of the diffraction grating, it is possible to produce a plurality of types of quantum cascade lasers that oscillate in a single mode from a single wafer.
  • the unit stacked body 16 composed of the light emitting layer 17 and the injection layer 18 has first emission upper levels L up1 and second as levels relating to light emission. It has two emission upper levels of emission upper level L up2 and a plurality (two or more) emission lower levels L low .
  • L up1 and second as levels relating to light emission It has two emission upper levels of emission upper level L up2 and a plurality (two or more) emission lower levels L low .
  • one of the first emission upper level L up1 and the second emission upper level L up2 is based on the ground level in the first well layer of the light emitting layer 17 (the level due to the ground level).
  • the other is constituted by excited levels (levels resulting from the excited levels) in the well layers (second to n-th well layers) excluding the first well layer of the light emitting layer.
  • the energy interval ⁇ E 43 between the first emission upper level and the second emission upper level is set to be smaller than the energy of the LO phonon, and the energy interval between the second emission upper level and the high energy level.
  • ⁇ E 54 is set larger than the energy of LO phonon.
  • the strength of coupling between the levels By designing the energy interval and the like, it is possible to suitably set and control characteristics such as an emission spectrum obtained by emission transition.
  • the wave functions of the two emission upper levels L up1 and L up2 are designed to be strongly coupled under the condition of the operating electric field, these two upper levels have a single energy width. It behaves like a luminescent upper level.
  • the obtained emission spectrum is not a non-uniform spectrum such as a superlattice structure, but a spectrum having a uniform spread.
  • Such an emission spectrum is suitable for a broadband single axis mode light source such as an EC type or a DFB type.
  • a broadband single axis mode light source such as an EC type or a DFB type.
  • hole burning of a gain spectrum occurs during laser oscillation due to high-speed electron-electron scattering between levels.
  • the quantum cascade laser 1 In the quantum cascade laser 1 according to the present embodiment, a hole is generated. Since burning does not occur, it is possible to maintain single-axis mode oscillation.
  • the quantum cascade laser 1 capable of suitably obtaining light emission in a wide wavelength range is realized.
  • the subband level structure in the unit laminated body 16 can be controlled by the design of the quantum well structure in the unit laminated body 16 constituting the active layer 15.
  • the subband level structure shown in FIG. 2 has a function as a lower miniband including the lower emission level L low and a function as a relaxation miniband including the relaxation level L r.
  • a mini band MB extending to the injection layer 18 is provided. According to such a configuration, it is possible to suitably realize both the light emission transition structure by the two upper levels and the plurality of lower levels and the electron relaxation structure after the light emission transition.
  • By using a band structure in which the miniband in the light emitting layer 17 and the miniband in the injection layer 18 are strongly coupled highly efficient electron transport from the light emitting layer 17 to the injection layer 18 can be realized.
  • the first emission upper level L up1 energy interval Delta] E 43 between the second emission upper level L up2 further, 25 meV following conditions 10 meV ⁇ least 10 meV ⁇ E 43 ⁇ 25 meV It is preferable to set within a range that satisfies the above. Thereby, it is possible to suitably set laser element characteristics such as an emission spectrum obtained by an emission transition from the first emission upper level and the second emission upper level to a plurality of emission lower levels.
  • the setting of the energy interval between the first emission upper level and the second emission upper level will be specifically described.
  • Each of these two upper levels is broadened to some extent due to the influence of scattering and temperature.
  • the level of level broadening is determined by temperature, the interface in the crystal, impurities, etc., but is generally about ⁇ 10 meV. This can be confirmed by the half width of absorption or emission. Therefore, by considering the upper level broadening width and appropriately setting the energy interval ⁇ E 43 , these two upper levels can be regarded as a single emission upper level. It becomes like this.
  • the carriers be distributed sufficiently uniformly within the two upper levels that function as one emission upper level in a pseudo manner as described above.
  • N 3 the number of carriers at the first emission upper level (level 3) on the low energy side
  • N 4 the number of carriers at the second emission upper level (level 4) on the high energy side
  • the energy interval ⁇ E 2 (see FIG. 2) between adjacent levels of the plurality of emission lower levels L low (lower minibands) is set to be smaller than the energy of the LO phonon ( ⁇ E 2 ⁇ E LO ). It is preferable. Also with such a configuration, laser element characteristics such as an emission spectrum obtained by an emission transition from the first emission upper level and the second emission upper level to a plurality of emission lower levels can be suitably set.
  • a condition of 10 meV to 25 meV is further satisfied 10 meV ⁇ ⁇ E 2 ⁇ 25 meV It is preferable to set within a range that satisfies the above.
  • the number of the plurality of lower emission levels L low is preferably 3 or more.
  • the energy interval ⁇ E 54 between the second emission upper level L up2 and the high energy level L h is further set to a condition of 50 meV ⁇ ⁇ E 54 It is preferable to set within a range that satisfies the above.
  • the energy is higher than that of the light emission upper level. Leakage of electrons to the level can be suppressed.
  • the level structure in which the high energy level is sufficiently separated from the first emission upper level and the second emission upper level is decisive for the upper miniband in the active layer using the superlattice structure. Is different.
  • Electrons e ⁇ from the level L r in the front injection layer 18a to the quantum well light emitting layer 17 are preferably injected into the second emission upper level L up2 .
  • the second emission upper level L up2 By injecting electrons into the second light emission upper level on the high energy side of the first light emission upper level and the second light emission upper level, carriers are uniformly distributed in the two upper levels.
  • the light emission transition from each of the first light emission upper level and the second light emission upper level to a plurality of lower levels can be suitably realized.
  • Both the first emission upper level L up1 and the second emission upper level L up2 are the presence of electrons given by the square of the wave function in the active layer other than the first well layer of the quantum well emission layer 17.
  • the probability is preferably 30% or more. Electrons are made to exist in the second to n-th well layers with sufficient probability without localizing the wave functions of the first emission upper level and the second emission upper level to the first well layer in the light emitting layer.
  • each of the first light emission upper level and the second light emission upper level is used for light emission transition with respect to a plurality of light emission lower levels. It is possible to realize a uniform light emission transition by suitably functioning as a level.
  • the diffraction grating layer 20 includes a base portion 20a provided on the active layer 15 and a plurality of protrusions 20b provided on the base portion 20a and spaced apart from each other. Yes. Therefore, the distance from the active layer 15 to the protruding portion 20b that functions as a diffraction grating can be adjusted by the thickness of the base portion 20a. That is, the coupling coefficient of the diffraction grating can be adjusted according to the wavelength by adjusting the thickness of the base portion 20a.
  • the protrusion 20b (diffraction grating layer 20) functions as a phase shift diffraction grating. For this reason, it is possible to obtain the quantum cascade laser 1 that suppresses bimode oscillation caused by the shift of the cleavage position of the diffraction grating in the manufacturing process and stably performs single mode oscillation.
  • the quantum cascade laser according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • the configuration example described above an example in which an InP substrate is used as the semiconductor substrate and the active layer is configured by InGaAs / InAlAs has been described, but light emission transition by intersubband transition in the quantum well structure is possible and described above.
  • Various configurations can be adopted as long as the subband level structure can be realized.
  • various material systems such as GaAs / AlGaAs, InAs / AlSb, GaN / AlGaN, and SiGe / Si can be used in addition to the above InGaAs / InAlAs.
  • Various methods for semiconductor crystal growth may be used.
  • the quantum cascade laser may be configured to include a semiconductor substrate and the active layer having the above-described configuration provided on the semiconductor substrate.
  • the configuration in which lattice matching is performed with respect to the InP substrate has been described.
  • a configuration in which lattice mismatch is introduced into the InP substrate may be used. In this case, it is possible to increase the degree of freedom in device design, to efficiently confine carriers, and to shorten the oscillation wavelength.
  • the diffraction grating layer 20 is formed as a ⁇ / 4 phase shift diffraction grating, but the diffraction grating layer 20 may be a diffraction grating having a phase shift amount other than ⁇ / 4.
  • the diffraction grating layer 20 has the base portion 20a, but it does not have the base portion 20a, and the protruding portion 20b is provided directly on the active layer 15 (upper core layer 12). Good.
  • SYMBOLS 1 Quantum cascade laser, 10 ... Semiconductor substrate, 11 ... Lower core layer, 12 ... Upper core layer, 13a, b ... Cladding layer, 14 ... Contact layer, 15 ... Active layer, 16 ... Unit laminated body, 17 ... Quantum well Light emitting layer, 18 ... injection layer, 20 ... diffraction grating layer, Lup1 ... first emission upper level, Lup2 ... second emission upper level, Llow ... lower emission level, Lr ... relaxation level, L g ... ground level in the injection layer, L h ... a high energy level, MB ... mini band.

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Abstract

　量子カスケードレーザ１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で構成される単位積層体１６が複数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を有する活性層１５と、活性層上に設けられた回折格子層２０とを備える。

Description

量子カスケードレーザ
　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。
　中赤外の波長領域（例えば、波長５μｍ～３０μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域である。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１～９参照）。
　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る。量子カスケードレーザにおいては、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複数段にカスケード結合することによって、高効率且つ高出力動作を実現することが可能である。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-InfraredSemiconductor Laser at Room Temperature", Science Vol.295 (2002)pp.301-305 J. S.Yu et. al., "High-Power Continuous-Wave Operation of a 6μmQuantum-Cascade Laser at RoomTemperature", Appl. Phys. Lett.Vol.83 (2003)pp.2503-2505 A.Evans et. al., "Continuous-Wave Operation of λ～4.8μm Quantum-Cascade Lasers at Room Temperature", Appl. Phys.Lett. Vol.85 (2004) pp.2166-2168 A.Tredicucci et. al., "A Multiwavelength Semiconductor Laser",Nature Vol.396 (1998) pp.350-353 A.Wittmann et. al., "Heterogeneous High-PerformanceQuantum-CascadeLaser Sources for Broad-BandTuning", IEEE J.QuantumElectron. Vol.44 (2008) pp.1083-1088 A.Wittmann et. al., "High-Performance Bound-To-ContinuumQuantum-CascadeLasers for Broad-Gain Applications", IEEE J. QuantumElectron. Vol.44 (2008)pp.36-40 R.Maulini et. al., "Broadband Tuning of External CavityBound-to-ContinuumQuantum-Cascade Lasers", Appl. Phys. Lett. Vol.84(2004)pp.1659-1661 A.Wittmann et. al., "Intersubband Linewidths in QuantumCascadeLaser Designs", Appl. Phys. Lett. Vol.93 (2008)pp.141103-1-141103-3 Claire Gmachl et.al., "Complex-Coupled Quantum CascadeDistributed-Feedback Laser", IEEE Photon.Technol. Lett., Vol.9 (1997)pp.1090-1092
　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）。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、非特許文献３）。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：External Cavity）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：Distributed Feed Back）型量子カスケードレーザの開発も進められている（例えば、非特許文献９参照）。
　これまでのＤＦＢ型量子カスケードレーザにおいては、１つの発光上準位から１つの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構造により、その発光のゲインを集中させることで、素子特性の向上が図られてきた（例えば特許文献６）。具体的には、この構造により、レーザ動作の低閾値化、高スロープ効率及び室温ＣＷ動作を達成することが可能となった。
　しかしながら、このような単一モードのＤＦＢ型量子カスケードレーザをガスの分光分析に用いる場合、レーザの発振波長のゲイン幅が狭かったため、レーザの発振波長のゲインピークと回折格子の周期で決まるブラッグ波長とを精度よく合わせ込むのが難しい。ゲインピークとブラッグ波長とを精度よく合わせ込むためには結晶成長を高精度にコントロールしなければならず、歩留まりに影響を及ぼしていた。
　この課題に対して、量子カスケードレーザのゲイン幅を広げることによって、結晶成長に要求される精度を緩和することも考えられる。一般に、ゲイン幅と素子特性とはトレードオフの関係にある。そのため、ゲイン幅を広げた場合には、閾値の上昇や出力低下など素子特性の低下を招いてしまう。
　そこで、本発明は、広いゲイン幅と素子特性との両立を図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。
　本発明の一側面に係る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、量子井戸発光層及び注入層で構成される単位積層体が複数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を有する活性層と、活性層上に設けられた回折格子層とを備え、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を有する第２発光上準位と、それぞれ第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する複数の発光下準位とを有し、量子井戸発光層における第１発光上準位及び第２発光上準位から複数の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、注入層内の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るとともに、量子井戸発光層はｎ個（ｎは２以上の整数）の井戸層を含み、第１発光上準位及び第２発光上準位の一方は、最も前段の注入層側の第１井戸層における基底準位に起因する準位であり、他方は、第１井戸層を除く井戸層における励起準位に起因する準位であり、第１発光上準位と第２発光上準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されるとともに、第２発光上準位に対して高エネルギー側で隣接する高エネルギー準位について、第２発光上準位と高エネルギー準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定される。
　本発明の一側面に係る量子カスケードレーザにおいては、発光層及び注入層から構成される単位積層体が、発光に関わる準位として、第１発光上準位及び第２発光上準位の２個の発光上準位と、複数（２個以上）の発光下準位とを有する。このように、２個の発光上準位と２個以上の発光下準位とを組み合わせることにより、広いゲイン幅を実現することができる。
　加えて、本発明の一側面に係る量子カスケードレーザでは、第１発光上準位及び第２発光上準位について、その一方が、発光層の第１井戸層における基底準位に起因する準位によって構成され、かつ、その他方が、第１井戸層を除く井戸層（第２～第ｎ井戸層）における励起準位に起因する準位によって構成されている。さらに、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（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギーよりも小さく設定されているとともに、第２発光上準位に対して高エネルギー側で隣接する高エネルギー準位について、第２発光上準位と高エネルギー準位とのエネルギー間隔が、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定されている。
　このような構成によれば、各井戸層における励起準位によって構成されたミニバンドを発光上準位として用いる超格子構造を利用した活性層構造とは異なり、各準位間の結合の強さやエネルギー間隔等の設計により、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設定及び制御することができる。以上により、広いゲイン幅と素子特性とを両立させることができ、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。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。
　回折格子層は、活性層上に設けられた下地部と、下地部に設けられ、互いに離間した複数の突出部とで構成されていてもよい。この場合、活性層から、回折格子として機能する突出部までの距離を、下地部の厚さによって調整できる。すなわち、下地部の厚さを調整することで、回折格子の結合係数を波長に応じて調整することが可能となる。
　回折格子層は位相シフト部を有していてもよい。この場合、製造工程における回折格子の劈開位置のずれに起因するバイモード発振が抑制され、安定して単一モード発振をする量子カスケードレーザを得ることが可能となる。このとき、回折格子の中央近傍で回折格子の凹凸の位相を反転させたλ／４位相シフト回折格子を採用すると、発振閾値利得を最小モードの１つだけにできるため、特によい。
　本発明によれば、広いゲイン幅と素子特性との両立を図ることが可能な量子カスケードレーザを提供することができる。
図１は、本実施形態に係る量子カスケードレーザの構成を示す図である。 図２は、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３は、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。 図４は、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。 図５は、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。 図６は、発光半値幅の電圧依存性を示すグラフである。 図７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の電界強度依存性を示すグラフである。 図８は、第１発光上準位及び第２発光上準位のそれぞれの発光層の第１井戸層以外での電子の存在確率の電界強度依存性を示すグラフである。 図９は、量子カスケードレーザの電流－電圧－光出力特性を示すグラフである。 図１０は、閾値電流密度の温度依存性を示すグラフである。 図１１は、量子カスケードレーザの発振スペクトルを示すグラフである。 図１２は、量子カスケードレーザの発振スペクトルと、各回折格子の周期に対応した単一モード発振とを示すグラフである。
　本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　［量子カスケードレーザの全体構成］
　本実施形態に係る量子カスケードレーザ１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。量子カスケードレーザ１は、図１に示されるように、半導体基板１０上に、基板１０側から順に、クラッド層１３ａと、下部コア層１１と、活性層１５と、上部コア層１２と、回折格子層２０と、クラッド層１３ｂと、コンタクト層１４とが順次積層されて構成されている。
　［活性層の構成］
　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複数段に積層されたカスケード構造を有する。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が複数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。活性層１５は、本実施形態においては下部コア層１１を介して半導体基板１０上に設けられているが、半導体基板１０上に直接設けられていてもよい。
　活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、図２に示されるように、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する。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。
　単位積層体１６中で形成されるサブバンド準位構造においては、図２に示されるように、第１発光上準位（準位３）Ｌｕｐ１と、第２発光上準位（準位４）Ｌｕｐ２と、複数の発光下準位（準位２）Ｌｌｏｗとを有する。第２発光上準位Ｌｕｐ２は、第１発光上準位Ｌｕｐ１よりも高いエネルギーを有する。複数の発光下準位Ｌｌｏｗは、それぞれ第１発光上準位Ｌｕｐ１よりも低いエネルギーを有する。
　発光層１７は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の井戸層を含んで構成される。第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２について、その一方が、最も前段の注入層１８ａ側の第１井戸層における基底準位に起因する準位であり、他方が、第１井戸層を除く井戸層（第２～第ｎ井戸層）における励起準位に起因する準位である。
　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ΔＥ４３は、縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギーＥＬＯよりも小さく設定されている（ΔＥ４３＜ＥＬＯ）。高エネルギー準位（準位５）Ｌｈは、第２発光上準位Ｌｕｐ２に対して高エネルギー側で隣接する。第２発光上準位Ｌｕｐ２と高エネルギー準位Ｌｈとのエネルギー間隔ΔＥ５４は、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定されている（ＥＬＯ＜ΔＥ５４）。
　ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、例えば、量子井戸層の半導体材料としてＩｎＧａＡｓを想定した場合、ＥＬＯ＝３４ｍｅＶである。ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、量子井戸層をＧａＡｓとした場合に３６ｍｅＶ、ＩｎＡｓとした場合に３２ｍｅＶであり、上記した３４ｍｅＶとほぼ同程度である。
　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、波動関数が強く結合（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。２つの上準位の結合の大きさを変化させることにより、発光の半値幅（ＦＷＨＭ）を制御することが可能である。複数の発光下準位Ｌｌｏｗは、複数の準位を含む下位ミニバンドＭＢを構成しており、第１発光上準位及び第２発光上準位からの発光遷移は下位ミニバンドへ分散する。
　図２に示される単位積層体１６は、発光層１７と、前段の単位積層体での注入層１８ａとの間に設けられた注入障壁（injection barrier）層を有する。注入障壁層は、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となる。発光層１７と、注入層１８との間に、必要に応じて抽出障壁（exit barrier）層を設けてもよい。抽出障壁層は、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁となる。ただし、図２では、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層のみを発光層１７と注入層１８との間に設ける構成を例示している。
　ミニバンドＭＢは、量子井戸発光層１７内でのミニバンドと、注入層１８内でのミニバンドとが結合して、発光層１７から注入層１８まで複数の準位が広がって分布するバンド構造を有している。これにより、ミニバンドＭＢは、そのうちの高エネルギー側で発光層１７内にある部分が、上述した複数の発光下準位Ｌｌｏｗからなる下位ミニバンドとして機能するとともに、低エネルギー側で注入層１８内にある部分が、発光遷移後の電子を発光下準位Ｌｌｏｗから後段の発光層１７ｂへと緩和させる緩和準位（準位１）Ｌｒを含む緩和ミニバンドとして機能する。
　発光下準位Ｌｌｏｗ及び緩和準位Ｌｒに連続準位を用いることで、極めて高効率に反転分布を形成することができる。緩和ミニバンドを構成する複数の緩和準位Ｌｒのうち注入層１８内の基底準位Ｌｇ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。
　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。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て、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、下位ミニバンドを構成する複数の発光下準位Ｌｌｏｗのそれぞれへと遷移する。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、生成及び放出される。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。図２においては、図の見易さのため、上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２から最も高エネルギー側の下準位Ｌｌｏｗへの発光遷移のみを示し、他の下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Ｌｌｏｗへと遷移した電子は、発光下準位Ｌｌｏｗ、及び注入層１８内の緩和準位Ｌｒを含むミニバンドＭＢにおいて、ＬＯフォノン散乱や電子－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。このように、ミニバンド内緩和を利用した発光下準位Ｌｌｏｗからのキャリアの引き抜きでは、２つの上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２と複数の下準位Ｌｌｏｗとの間で、レーザ発振を実現するための反転分布が容易に形成される。発光下準位Ｌｌｏｗから注入層１８内の準位Ｌｒへと緩和された電子は、低エネルギー側の緩和準位である注入層１８内の基底準位Ｌｇを介して後段の発光層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。このような光がレーザ１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。
　［回折格子層の構成］
　図１に戻り、回折格子層２０は、上部コア層１２を介して活性層１５上に設けられた下地部２０ａと、下地部２０ａ上に設けられた複数の突出部２０ｂとを有する。下地層２０ａは、上部コア層１２の表面全面に形成されている。下地層２０ａは、突出部２０ｂをエッチングで作製する際にエッチングのストッパとして機能すると共に、活性層１５から各突出部２０ｂまでの距離を調整する機能を有している。
　各突出部２０ｂは、互いが均等に離間した状態で、所定のパターンとなるように下地部２０ａ上に配列されている。例えば、ターゲット波長が５．２６μｍ（波数１９０１ｃｍ－１）である場合、一次の回折を利用すると、各突出部２０ｂのピッチを８２４ｎｍに設定することができる。量子カスケードレーザ１の幅方向中央近傍に位置する突出部２１は、図１に示されるように、それ以外の突出部２２よりも幅が２倍程度に設定されている。そのため、突出部２１は位相シフト部として機能することとなる結果、突出部２０ｂ（回折格子層２０）は本実施形態においてλ／４位相シフト回折格子として機能する。各突出部２０ｂの間には、クラッド層１３ｂが入り込むように形成されている。
　各突出部２０ｂは、干渉露光法、ＥＢ露光法、ナノインプリント法などで形成することができる。各突出部２０ｂの間隔（周期）は、例えば、ターゲット波長が５．２６μｍ（波数１９０１ｃｍ－１）である場合、８２４ｎｍ程度であり、回折格子の作成精度は±０．８ｎｍ以下程度である。そのため、特にナノインプリント法を用いて各突出部２０ｂを形成することが好ましい。ナノインプリント法によれば、位相シフト回折格子を高精度に大面積で作製でき、バイモード発振を抑制できるためである。
　［活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例］
　活性層１５での量子井戸構造を含む素子構造の具体例について、図１、図３及び図４に基づいて説明する。
　本構成例に係る半導体基板１０は、ｎ型ＩｎＰ単結晶から構成されている。クラッド層１３ａ，１３ｂは共に、ＩｎＰから構成されており、その厚さは３．５μｍ程度に設定することができる。下部コア層１１は、ＩｎＧａＡｓから構成されており、その厚さは３００ｎｍ程度に設定することができる。上部コア層１１は、ＩｎＧａＡｓから構成されており、その厚さは３００ｎｍ程度に設定することができる。コンタクト層１４は、ＩｎＧａＡｓから構成されており、その厚さは１０ｎｍ程度に設定することができる。下地層２０ａは、ＩｎＰから構成されており、その厚さは２００ｎｍ～３００ｎｍ程度に設定することができる。各突出部２０ｂは、ＩｎＧａＡｓから構成されており、その厚さ１００ｎｍ程度に設定することができる。
　本構成例に係る活性層１５の量子井戸構造は、一例として、発振波長を８．７μｍ（発振エネルギー：１４２ｍｅＶ）、動作電界を４１ｋＶ／ｃｍとして設計されている。図３には、活性層１５での発光層１７及び注入層１８による複数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が示されている。図１及び図３に示される素子構造は、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。
　本構成例に係る活性層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４０周期で積層されて構成されている。１周期分の単位積層体１６の構造は、図３に示されるように、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である。
　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。量子障壁層は、Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ａｓ層によって構成されている。従って、活性層１５の構造は、ＩｎＰ基板５０に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造である。
　図３に示されるように、単位積層体１６において、４層の井戸層１６１～１６４、及び障壁層１７１～１７４から構成される積層部分が、主に発光層１７として機能する部分である。単位積層体１６において、７層の井戸層１８１～１８７、及び障壁層１９１～１９７から構成される積層部分が、主に注入層１８として機能する部分である。発光層１７の各半導体層のうち１段目の量子障壁層１７１は、前段の注入層と発光層１７との間に位置しており、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して機能する。
　本構成例においては、抽出障壁層が発光層１７と注入層１８との間に位置しているが、この抽出障壁層は、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁として実効的には機能していない。図３においては、後述する発光上準位Ｌｕｐ１、Ｌｕｐ２の波動関数が単位積層体１６における５番目の障壁層１９１の手前で減衰しているため、この障壁層１９１を形式的に抽出障壁層と規定し、抽出障壁層の前後で、発光層１７と注入層１８とを機能的に区分している。図４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。
　単位積層体１６は、図３に示される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、複数の発光下準位（準位２）Ｌｌｏｗ、及び緩和準位（準位１）Ｌｒを有している。図３の準位構造において、レーザ動作に寄与する準位は１２個あり、発光下準位Ｌｌｏｗ及び緩和準位Ｌｒには、それぞれ複数の準位が対応している。これらの複数の発光下準位及び複数の緩和準位は、上述したように、発光層１７から注入層１８まで複数の準位が広がって分布するミニバンドＭＢを構成している。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。
　［量子井戸構造の具体的な設計手順］
　図３に示される単位積層体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、発光下準位Ｌｌｏｗとして複数の準位からなる下位ミニバンドを用いている。
　第１発光上準位Ｌｕｐ１と、複数の発光下準位Ｌｌｏｗを含む下位ミニバンドとのエネルギー間隔は、発光層１７内の井戸層１６１～１６４の井戸幅、障壁層１７２～１７４の厚さ、及び動作電界によって決まる。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。
　発光波長を決める井戸層１６１～１６４の井戸幅、障壁層１７２～１７４の厚さ、及び注入層１８の障壁層１９１の厚さは、単独では決定することができない。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である。そこで、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。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ため、ここでは、はじめに量子井戸層１６２～１６４、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。発光層１７における第１井戸層である井戸層１６１の層厚は、第１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。
　第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位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、第１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。この場合、第１発光上準位Ｌｕｐ１は、第１井戸層１６１以外の井戸層における励起準位である。
　第２障壁層１７２の厚さは、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位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及び準位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。
　本発明の一側面に係る量子カスケードレーザは、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位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又は第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。しかしそれ以前に、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４に示される構成例では、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１８ｍｅＶとしている。
　複数の発光下準位Ｌｌｏｗについては、上記したようにミニバンドＭＢを用いている。このミニバンドＭＢ内では、波動関数が空間的に広がった状態で準位が多数存在している。このような構成条件を満たすためには、発光層１７を構成するすべての障壁層を薄い層厚とし、それぞれの準位が強く結合した状態とする必要がある。
　本来、電子注入層１８内に存在する準位もミニバンドＭＢを構成する準位として使用するため、これらの準位の波動関数が発光層１７まで染み出すように、注入層１８の第１障壁層（抽出障壁層）１９１の層厚も薄く設定することが重要である。この抽出障壁層１９１については、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のみならず、下位ミニバンドＭＢの形成が妨げられることとなるため、注意深く設計する必要がある。本構成例では、上述したように、第１障壁層１９１は、実効的には抽出障壁としては機能していない。
　量子井戸構造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及び障壁層の厚さを決定する。最終的に、発光層１７内の井戸層１６１～１６４の層厚は、それぞれ３．１ｎｍ、７．５ｎｍ、５．８ｎｍ、５．２ｎｍとされた。障壁層１７２～１７４及び注入層１８の障壁層１９１の層厚は、それぞれ２．７ｎｍ、０．９ｎｍ、１．０ｎｍ、１．２ｎｍとされた。
　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、Funnel Injector（特許文献８：特開平１０－４２４２号公報）を用いた。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。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すると共に障壁層の層厚を厚くすることによって、この準位構造を実現することができる。
　図３に示される注入層１８を設計する際は、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。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及び障壁層の層厚を決定する。注入層１８の第１障壁層１９１の層厚の設定については、上述したとおりである。
　注入層１８を構成する各半導体層のうちで、抽出障壁層１９１側の井戸層及び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内の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側の井戸層及び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Ｌｈには注入されないように、緩和ミニバンド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に設定された。障壁層１９２～１９７の層厚は、それぞれ１．５ｎｍ、１．６ｎｍ、１．７ｎｍ、２．０ｎｍ、２．３ｎｍ、２．８ｎｍに設定された。
　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。障壁層１７１は、複数段の単位積層体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。
　［量子カスケードレーザの特性等］
　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５～図８を参照して説明する。
　図５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。グラフＡ１～Ａ７は、それぞれ、印加電圧が５．９Ｖ、６．８Ｖ、７．６Ｖ、８．３Ｖ、９．０Ｖ、９．７Ｖ、１０．３Ｖのときの発光スペクトルを示している。これらのグラフＡ１～Ａ７に示すように、活性層において上記の準位構造（dual-state-to-continuum）を採用することにより、その発光スペクトルにおいて広く且つフラットな発光が確認されている。この場合の発光半値幅は、例えば２stack型のＢＴＣ（bound-to-continuum）構造と同程度であり、単一の設計レシピで広く且つ良質な発光が実現されている。
　図６は、発光半値幅（発光スペクトルのＦＷＨＭ）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。ここでは、動作温度を３００Ｋ（グラフＢ１）または３０３Ｋ（グラフＢ２、Ｂ３）としたときの動作例を示している。グラフ（データプロット）Ｂ１～Ｂ３は、それぞれ、上記した新規構造、従来のbound-to-bound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（例えば、非特許文献８：A. Wittmann et al., Appl. Phys. Lett.
Vol.93(2008)pp.141103-1-141103-3を参照）。
　これらのグラフＢ１～Ｂ３に示すように、上記した新規構造では、他の構造と比べて非常に大きい発光半値幅が得られていることがわかる。発光半値幅の電圧依存性をみると、ＢＴＣ構造では、電圧の増大に伴って発光半値幅が減少している。これに対して、新規構造では、発光半値幅はほぼ一定であり、電圧依存性は非常に小さい。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発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２から複数の発光下準位Ｌｌｏｗへの発光遷移について、上述したように、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つの上準位は、動作状態では充分に結合されており、それぞれの波動関数が発光層１７内全体に広がっている必要がある。第１発光上準位及び第２発光上準位の一方は、基本的には発光層１７の第１井戸層に局在しており、他方の上準位と結合したときにのみ発光層１７内全体に波動関数が広がる。
　ここで、図７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電界強度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は活性層１５に印加されている電界強度（ｋＶ／ｃｍ）を示し、縦軸は第１発光上準位及び第２発光上準位のエネルギー間隔ΔＥ４３（ｍｅＶ）を示している。
　図８は、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２のそれぞれの発光層１７の第１井戸層１６１以外での電子の存在確率の電界強度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電界強度（ｋＶ／ｃｍ）を示し、縦軸は発光上準位の第１井戸層１６１以外での電子の存在確率を示している。グラフＣ１は、第１発光上準位の第１井戸層１６１以外での存在確率を示し、グラフＣ２は、第２発光上準位の第１井戸層１６１以外での存在確率を示している。
　図７及び図８においてそれぞれ範囲Ｒ１、Ｒ２によって示される、電界強度が３６～４７ｋＶ／ｃｍの範囲内において、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２が強く結合すると共に、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位について、第１井戸層１６１以外での電子の存在確率が３０％以上となっており、好適条件が満たされている。このとき、２つの発光上準位のエネルギー間隔が最も小さくなっている。上記した新規構造の量子カスケードレーザでは、このような第１発光上準位及び第２発光上準位の結合状態、エネルギー間隔、及び波動関数（存在確率）の広がりの条件を考慮して、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。
　上記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９～図１１を参照してさらに説明する。ここでは、共振器長を４ｍｍとすると共に、リッジ導波路型の構成におけるリッジ幅を１４μｍとして構成したレーザ素子の特性を示す。レーザ素子のレーザ端面はへき開によって形成されており、特別なコーティング等は施していない。
　図９は、量子カスケードレーザの電流－電圧－光出力特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電流（Ａ）または電流密度（ｋＡ／ｃｍ２）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）または光強度（Ｗ）を示している。ここでは、具体的には、パルス幅１００ｎｓ、繰返し周波数１００ｋＨｚでパルス動作させたときのレーザ素子特性を示す。グラフＤ０は、動作温度３００Ｋでの電流－電圧特性を示し、グラフＤ１～Ｄ６は、それぞれ動作温度３００Ｋ、３２０Ｋ、３４０Ｋ、３６０Ｋ、３８０Ｋ、４００Ｋでの電流－光出力特性を示している。
　これらのグラフＤ０～Ｄ６に示されるように、上記した新規構造により、極めて良好なレーザ特性が得られている。室温での閾値電流密度は２．６ｋＡ／ｃｍ２と低く、狭いゲイン幅のレーザ素子と比較しても遜色無い値となっている。レーザ素子の両端面からの合計光出力は室温で１Ｗにも達しており、極めて高出力なレーザ素子を実現可能であることがわかる。スロープ効率については、約１Ｗ／Ａが得られている。
　図１０は、閾値電流密度の温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は温度（Ｋ）を示し、縦軸は閾値電流密度（ｋＡ／ｃｍ２）を示している。このグラフに示されるように、閾値の温度特性は極めて良好である。閾値の温度による上昇の割合を示す特性温度Ｔ０の値は約３４０Ｋで、これまで報告されている量子カスケードレーザの値と比較すると、約２倍の値が得られている。特性温度Ｔ０は、下記の式
　　Ｊｔｈ＝Ｊ０ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）
によって定義される。図１０において、最高動作温度は４００Ｋ以上であり、閾値及び特性温度からの推定では、４７０Ｋ程度まで発振すると考えられる。
　図１１は、量子カスケードレーザの発振スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波数（ｃｍ－１）を示し、縦軸は強度（ａ．ｕ．）を示している。グラフＥ１～Ｅ３は、それぞれ電流１．７５Ａ、２．３Ａ、２．７Ａでの発振スペクトルを示している。
　これらのグラフＥ１～Ｅ３に示すように、新規構造の量子カスケードレーザについて、発振直後は利得のピーク付近で発振しているが、電流を増大させていくとコヒーレントの不安定性が原因と考えられるスペクトルの広がりが確認され、極めて広い波長範囲で発振の軸モードが発生している様子が観測されている。このような広範囲での軸モードの発生からも、上記した新規構造の利得が極めて広いことを確認することができる。
　図１２は、量子カスケードレーザの発振スペクトルと、各回折格子の周期に対応した単一モード発振とを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波数（ｃｍ－１）を示し、縦軸は強度（ａ．ｕ．）を示している。
　グラフＦは、電流１．４Ａでの発振スペクトルを示している。この発振スペクトルの短波長側、中央付近、長波長側のそれぞれに対応した、３種類の回折格子を作製した。回折格子の周期は、短波長側からそれぞれ、Λ＝９９４．５ｎｍ、１０２３．０ｎｍ、１０６２．８ｎｍに設定した。その結果、周期Λ＝９９４．５ｎｍの回折格子に対して１５７３ｃｍ－１（６．３６μｍ）で単一モード発振が得られ（図１２のＧ１参照）、周期Λ＝１０２３．０ｎｍの回折格子に対して１５３１ｃｍ－１（６．５３μｍ）で単一モード発振が得られ（図１２のＧ２参照）、周期Λ＝１０６２．８ｎｍの回折格子に対して１４７６ｃｍ－１（６．７７μｍ）で単一モード発振が得られた（図１２のＧ３参照）。
　このように、本実施形態に係る量子カスケードレーザ１では、同一のウエハから約１００ｃｍ－１にわたる広い波長範囲で単一モード発振が得られることが確認された。これは、回折格子の周期を決めれば、量子カスケードレーザのゲインが短波長側又は長波長側にずれても、安定して１つの波長で単一モード発振が得られることを示している。回折格子の周期を選択することによって、複数種類の単一モード発振する量子カスケードレーザを一つのウエハから作製することが可能である。
　［作用及び効果］
　本実施形態の作用及び効果について説明する。
　図１及び図２に示される量子カスケードレーザ１においては、発光層１７及び注入層１８から構成される単位積層体１６が、発光に関わる準位として、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２の２個の発光上準位と、複数（２個以上）の発光下準位Ｌｌｏｗとを有する。このように、２個の発光上準位と２個以上（より好ましくは３個以上）の発光下準位とを組み合わせることにより、広い波長範囲での発光を好適に実現することができる。
　上記構成では、第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２について、その一方が、発光層１７の第１井戸層における基底準位（基底準位に起因する準位）によって構成され、かつ、その他方が、発光層の第１井戸層を除く井戸層（第２～第ｎ井戸層）における励起準位（励起準位に起因する準位）によって構成されている。さらに、第１発光上準位及び第２発光上準位のエネルギー間隔ΔＥ４３が、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定されているとともに、第２発光上準位と高エネルギー準位とのエネルギー間隔ΔＥ５４が、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定されている。
　このような構成によれば、各井戸層における励起準位によって構成されたミニバンドを発光上準位として用いる超格子構造を利用した活性層構造とは異なり、各準位間の結合の強さやエネルギー間隔等の設計により、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設定及び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、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。通常の半導体レーザにおいては、準位間の高速な電子－電子散乱によって、レーザ発振時に利得スペクトルのホールバーニングが生じることがよく知られているが、本実施形態に係る量子カスケードレーザ１においてはホールバーニングが生じないので、単一軸モード発振を維持することが可能になる。
　図２に示したサブバンド準位構造において、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、注入層１８内の緩和準位Ｌｒを介して発光下準位Ｌｌｏｗから高速に引き抜かれる。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１が実現される。
　上記した単位積層体１６における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における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。図２に示されるサブバンド準位構造は、発光下準位Ｌｌｏｗを含む下位ミニバンドとしての機能と、緩和準位Ｌｒを含む緩和ミニバンドとしての機能とを有し、発光層１７から注入層１８まで広がるミニバンドＭＢが設けられている。このような構成によれば、２個の上準位及び複数の下準位による発光遷移構造と、発光遷移後の電子の緩和構造との両者を、好適に実現することができる。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強く結合したバンド構造を利用することにより、発光層１７から注入層１８への高効率な電子輸送を実現することができる。
　上記した量子カスケードレーザ１でのサブバンド準位構造において、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ΔＥ４３は、さらに、１０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下の条件
　　１０ｍｅＶ≦ΔＥ４３≦２５ｍｅＶ
を満たす範囲内で設定されることが好ましい。これにより、第１発光上準位及び第２発光上準位から複数の発光下準位への発光遷移によって得られる発光スペクトルなどのレーザ素子特性を好適に設定することができる。
　第１発光上準位及び第２発光上準位のエネルギー間隔の設定について具体的に説明する。これらの２つの上準位は、それぞれ、散乱や温度の影響によってある程度の幅にブロードニングしている。この準位のブロードニングの程度は、温度や結晶中の界面、不純物などによって決定されるが、一般的には±～１０ｍｅＶ程度である。これは、吸収または発光の半値幅によって確認することができる。したがって、このような上準位のブロードニングの幅を考慮して、エネルギー間隔ΔＥ４３を適切に設定することにより、これらの２つの上準位は擬似的に１本の発光上準位とみなせるようになる。
　２つの上準位でのキャリア分布については、上記したように擬似的に１本の発光上準位として機能する２つの上準位内において、充分に均一にキャリアが分布している必要がある。ここで、低エネルギー側の第１発光上準位（準位３）でのキャリア数をＮ３、高エネルギー側の第２発光上準位（準位４）でのキャリア数をＮ４とすると、それらのキャリア数の比は、次式
　　Ｎ４／Ｎ３＝ｅｘｐ（－ΔＥ４３／ｋＴ）
によって与えられる。
　例えば、室温（ｋＴ＝２５ｍｅＶ）では、第１発光上準位及び第２発光上準位のエネルギー間隔をΔＥ４３～２０ｍｅＶに設定した場合、平衡状態でもＮ４／Ｎ３～０．４５であり、第２発光上準位Ｌｕｐ２には、第１発光上準位Ｌｕｐ１の半分程度のキャリアが存在することとなる。前段の注入層１８ａからの電子を第２発光上準位Ｌｕｐ２側に注入するように構成すれば、キャリア数Ｎ３、Ｎ４を同程度とすることが可能である。
　複数の発光下準位Ｌｌｏｗ（下位ミニバンド）の隣接する準位同士のエネルギー間隔ΔＥ２（図２参照）は、いずれも、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定（ΔＥ２＜ＥＬＯ）されることが好ましい。このような構成によっても、第１発光上準位及び第２発光上準位から複数の発光下準位への発光遷移によって得られる発光スペクトルなどのレーザ素子特性を好適に設定することができる。
　複数の発光下準位Ｌｌｏｗ内でのエネルギー間隔ΔＥ２については、第１発光上準位及び第２発光上準位と同様に、さらに、１０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下の条件
　　１０ｍｅＶ≦ΔＥ２≦２５ｍｅＶ
を満たす範囲内で設定されることが好ましい。複数の発光下準位Ｌｌｏｗの個数については、３個以上とすることが好ましい。
　第２発光上準位Ｌｕｐ２と高エネルギー準位Ｌｈとのエネルギー間隔ΔＥ５４は、さらに、５０ｍｅＶ以上の条件
　　５０ｍｅＶ≦ΔＥ５４
を満たす範囲内で設定されることが好ましい。これにより、前段の注入層１８ａ内の準位Ｌｒから第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２へと注入される電子のうち、発光上準位よりも高エネルギーの準位への電子の漏れ出しを抑制することができる。このように、第１発光上準位及び第２発光上準位から高エネルギー準位が充分に離れている準位構造は、超格子構造を利用した活性層での上位ミニバンドとは決定的に異なるものである。
　前段の注入層１８ａ内の準位Ｌｒから量子井戸発光層１７への電子ｅ－は、第２発光上準位Ｌｕｐ２へと注入されることが好ましい。このように、第１発光上準位及び第２発光上準位のうちで、高エネルギー側の第２発光上準位へと電子を注入することにより、２つの上準位内でキャリアを均一に分布させて、第１発光上準位及び第２発光上準位のそれぞれから複数の下準位への発光遷移を好適に実現することができる。
　第１発光上準位Ｌｕｐ１及び第２発光上準位Ｌｕｐ２は、いずれも、活性層内で量子井戸発光層１７の第１井戸層以外での、波動関数の二乗で与えられる電子の存在確率が３０％以上であることが好ましい。第１発光上準位及び第２発光上準位のそれぞれの波動関数を発光層内で第１井戸層に局在させずに第２～第ｎ井戸層においても充分な確率で電子を存在させて、それぞれの波動関数がいずれも発光層１７内全体に広がっている構成によれば、第１発光上準位及び第２発光上準位のそれぞれを複数の発光下準位に対する発光遷移用の準位として好適に機能させて、均一な発光遷移を実現することが可能となる。
　本実施形態に係る量子カスケードレーザ１は、回折格子層２０が、活性層１５上に設けられた下地部２０ａと、下地部２０ａに設けられ且つ互いに離間した複数の突出部２０ｂとで構成されている。そのため、活性層１５から、回折格子として機能する突出部２０ｂまでの距離を、下地部２０ａの厚さによって調整できる。すなわち、下地部２０ａの厚さを調整することで、回折格子の結合係数を波長に応じて調整することが可能となる。
　本実施形態に係る量子カスケードレーザ１は、突出部２０ｂ（回折格子層２０）が位相シフト回折格子として機能する。そのため、製造工程における回折格子の劈開位置のずれに起因するバイモード発振が抑制され、安定して単一モード発振をする量子カスケードレーザ１を得ることが可能となる。
　［他の実施形態］
　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、様々な構成を採用できる。
　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。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。
　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１、図３、図４に示した構造以外にも様々な構造を採用できる。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。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。
　本実施形態においては、回折格子層２０をλ／４位相シフト回折格子として形成したが、回折格子層２０は、位相シフト量がλ／４以外の回折格子であってもよい。ただし、本実施形態のようにλ／４位相シフト回折格子を採用すると、発振閾値利得を最小モードの１つだけにできるため、特に好ましい。
　本実施形態においては、回折格子層２０が下地部２０ａを有していたが、下地部２０ａを有さず、突出部２０ｂが直接活性層１５（上部コア層１２）上に設けられていてもよい。
　１…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１１…下部コア層、１２…上部コア層、１３ａ，ｂ…クラッド層、１４…コンタクト層、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、２０…回折格子層、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、Ｌｇ…注入層内の基底準位、Ｌｈ…高エネルギー準位、ＭＢ…ミニバンド。

Claims (3)

  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で構成される単位積層体が複数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を有する活性層と、
    　前記活性層上に設けられた回折格子層とを備え、
    　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を有する第２発光上準位と、それぞれ前記第１発光上準位よりも低いエネルギーを有する複数の発光下準位とを有し、
    　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複数の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、前記注入層内の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るとともに、
    　前記量子井戸発光層はｎ個（ｎは２以上の整数）の井戸層を含み、前記第１発光上準位及び前記第２発光上準位の一方は、最も前段の注入層側の第１井戸層における基底準位に起因する準位であり、他方は、前記第１井戸層を除く井戸層における励起準位に起因する準位であり、
    　前記第１発光上準位と前記第２発光上準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されるとともに、前記第２発光上準位に対して高エネルギー側で隣接する高エネルギー準位について、前記第２発光上準位と前記高エネルギー準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定される量子カスケードレーザ。
  2. 　前記回折格子層は、前記活性層上に設けられた下地部と、前記下地部に設けられ、互いに離間した複数の突出部とで構成されている、請求項１に記載された量子カスケードレーザ。
  3. 　前記回折格子層は位相シフト部を有する、請求項１又は２に記載された量子カスケードレーザ。
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