JP2011243781A - 量子カスケードレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能な量子カスケードレーザを提供する。
【解決手段】 半導体基板と、基板上に設けられ、発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６が多段に積層されたカスケード構造を有する活性層とを備えて量子カスケードレーザを構成する。また、単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１と、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２と、複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗとを有し、第１、第２上準位の一方は第１井戸層での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での励起準位に起因する準位である。また、第１上準位と第２上準位とのエネルギー間隔は、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定され、第２上準位と高エネルギー準位Ｌ_ｈとのエネルギー間隔は、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。

中赤外の波長領域（例えば波長５〜３０μｍ）の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）が注目を集めている（例えば、特許文献１〜８、非特許文献１〜８参照）。

量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。

米国特許第５４５７７０９号公報 米国特許第５７４５５１６号公報 米国特許第６７５１２４４号公報 米国特許第６９２２４２７号公報 特開平８−２７９６４７号公報 特開２００８−１７７３６６号公報 特開２００８−６０３９６号公報 特開平１０−４２４２号公報

M. Beck et al.,"Continuous Wave Operation of a Mid-Infrared Semiconductor Laser at RoomTemperature", Science Vol.295 (2002) pp.301-305 J. S. Yu et al.,"High-Power Continuous-Wave Operation of a 6μm Quantum-Cascade Laser atRoom Temperature", Appl. Phys. Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505 A. Evans et al., "Continuous-WaveOperation of λ〜4.8μm Quantum-Cascade Lasers at Room Temperature", Appl.Phys. Lett. Vol.85 (2004) pp.2166-2168 A. Tredicucci et al., "AMultiwavelength Semiconductor Laser", Nature Vol.396 (1998) pp.350-353 A. Wittmann et al.,"Heterogeneous High-Performance Quantum-Cascade Laser Sources forBroad-Band Tuning", IEEE J. Quantum Electron. Vol.44 (2008) pp.1083-1088 A. Wittmann et al.,"High-Performance Bound-To-Continuum Quantum-Cascade Lasers for Broad-GainApplications", IEEE J. Quantum Electron. Vol.44 (2008) pp.36-40 R. Maulini et al.,"Broadband Tuning of External Cavity Bound-to-Continuum Quantum-CascadeLasers", Appl. Phys. Lett. Vol.84 (2004) pp.1659-1661 A. Wittmann et al.,"Intersubband Linewidths in Quantum Cascade Laser Designs", Appl.Phys. Lett. Vol.93 (2008) pp.141103-1-141103-3

上記した量子カスケードレーザでは、レーザ発振に成功した当初は素子の駆動温度は極低温に限られていたが、２００２年には M. Beck らによって発振波長９．１μｍでの室温ＣＷ動作が達成された（非特許文献１：M. Beck et al., Science Vol.295 (2002) pp.301-305）。また、その後、M. Razeghiらのグループによって発振波長６μｍ、及び４．８μｍにおいても室温ＣＷ動作が達成された（非特許文献２：J. S. Yu et al., Appl. Phys.Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505、非特許文献３：A. Evans et al., Appl. Phys. Lett.Vol.85 (2004) pp.2166-2168）。現在では、３．８〜１１．５μｍの広い波長範囲で室温連続発振が達成され、既に実用化の段階に到達している。

量子カスケードレーザの室温連続発振の達成後、レーザ素子を外部共振器（ＥＣ：ExternalCavity）とともに用いることで、広い波長領域で単一モード発振をする量子カスケードレーザを作製する試みが行われている。また、単一波長をスキャン可能な室温ＣＷ動作の分布帰還（ＤＦＢ：DistributedFeed Back）型量子カスケードレーザの開発も進められている。

ここで、広い波長範囲で単一モード発振を達成するためには、広い波長範囲で発光可能な発光層構造を採用する必要がある。現在、室温ＣＷ動作（ＲＴ−ＣＷ）を実現している量子カスケードレーザの発光層構造では、ピークゲインが重視された、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）の発光の半値幅（ＦＷＨＭ）が狭いものが主に用いられている。通常の単一準位間でのサブバンド間遷移を用いた場合、波長などの様々な条件に依存するが、発光半値幅は、一般的には１５〜２５ｍｅＶ程度（例えば、波長８μｍ付近で２０ｍｅＶ程度）であり、波数では１２０〜２００ｃｍ^−１程度である。

一方、ＥＬの広い発光半値幅を有する量子カスケードレーザの活性層構造として、超格子構造（chirped superlattice）を利用した活性層構造がある（非特許文献４：A.Tredicucci et al., Nature Vol.396 (1998) pp.350-353）。この構造では、発光に関わる発光上準位及び発光下準位を、それぞれ多数の準位（サブバンド）から構成されるミニバンドとし、ミニバンド−ミニバンド間の電子遷移による発光を利用する。このような超格子構造によれば、発光上位ミニバンド内の複数の準位から発光下位ミニバンド内の複数の準位へと発光遷移が起こるため、必然的に広い発光半値幅が得られる。

しかしながら、このような構造では、発光上準位にミニバンドを用いているために、特定の準位へ選択的にキャリアを注入することが難しく、その結果、レーザ素子として良好な特性が得られないという問題がある。また、この超格子構造で得られる広い発光半値幅は、上記したように複数の準位から複数の準位への遷移によるものであるため、発光遷移の制御が困難であるという問題もある。

すなわち、ミニバンド内での複数の準位は、それぞれ準位のエネルギーで２０ｍｅＶ程度離れている。このため、ミニバンド−ミニバンド間の全体での発光は、いくつかの孤立した発光の重ね合わせとなっており、しかも、その発光強度は、動作電界に依存したそれぞれの準位間の遷移強度で決まっている。したがって、このような超格子による活性層構造から得られる発光スペクトルは、上記の非特許文献４に示されているように、それぞれの準位間の遷移が明確に分離できる不均一なスペクトルとなる可能性がある。

このように不均一な広がりのスペクトルを有する発光形態では、その発光半値幅が広くても、上記したＥＣ型やＤＦＢ型などの量子カスケードレーザに組み込んだときに、選択された波長以外での発振の可能性が排除できない。したがって、超格子による活性層構造は、ＥＣ型やＤＦＢ型などでの広帯域単一軸モード光源には適していないと考えられる。

これに対して、高い性能と同時に広い発光帯域を実現している発光層構造として、サブバンドからミニバンドへの遷移形態を有するＢＴＣ（Bound to Continuum）活性層構造がある（特許文献４：米国特許第６９２２４２７号公報）。ＢＴＣ構造では、室温ＣＷ動作が可能な他の構造と比べて１．５倍以上の広い発光半値幅が実現されている。また、このようなＢＴＣ構造での発光遷移は、超格子構造のようなミニバンド−ミニバンド間の遷移ではなく、共通の単一の上準位からの遷移であるため、発振と同時に１つの発光遷移に利得が固定され、複数の波長での発振は発生しない。

現在では、さらに２つの波長のＢＴＣ構造を組み合わせることにより、２９２ｃｍ^−１（７．６６μｍ〜９．８７μｍ）の広い波長範囲において、外部共振器型量子カスケードレーザ（ＥＣ−ＱＣＬ）のパルス動作での波長スキャンを達成している。また、ＣＷ動作においても、２０１ｃｍ^−１（８．０μｍ〜９．６μｍ）の広帯域で、ＥＣ−ＱＣＬでの波長スキャンを達成している（非特許文献５：A. Wittmann et al., IEEE J. Quantum Electron. Vol.44 (2008)pp.1083-1088）。

しかしながら、このようなＢＴＣ構造においても、広い波長範囲での発光について充分な特性は得られていない。また、上記したように、複数のＢＴＣ活性層構造を直列に結合（multi-stack）させる構成では、素子設計が複雑になり、また、局所的な高電圧等、素子特性に悪影響を与える可能性がある。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能な量子カスケードレーザを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）活性層に含まれる単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と、第１発光上準位よりも高いエネルギーを有する第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、（４）量子井戸発光層における第１発光上準位及び第２発光上準位から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、（５）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、（６）第１発光上準位と第２発光上準位とのエネルギー間隔ΔＥ_４３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ΔＥ_５４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ことを特徴とする。

上記した量子カスケードレーザでは、発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位として、第１、第２発光上準位の２個の発光上準位と、複数（２個以上）の発光下準位とを設けている。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、広い波長範囲での発光を好適に実現することができる。

また、上記構成では、第１、第２発光上準位について、具体的に、その一方を、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し、かつ、他方を、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している。さらに、第１、第２発光上準位のエネルギー間隔ΔＥ_４３を、縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギーＥ_ＬＯよりも小さく設定（ΔＥ_４３＜Ｅ_ＬＯ）するとともに、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ΔＥ_５４を、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯよりも大きく設定（Ｅ_ＬＯ＜ΔＥ_５４）している。

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、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、制御することができる。以上により、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能な量子カスケードレーザが実現される。なお、上記のような単位積層体でのサブバンド準位構造は、活性層を構成する単位積層体での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。

ここで、上記した量子カスケードレーザでのサブバンド準位構造において、第１発光上準位と第２発光上準位とのエネルギー間隔ΔＥ_４３は、さらに、条件
１０ｍｅＶ≦ΔＥ_４３≦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、第２上準位から複数の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。

また、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ΔＥ_５４は、条件
５０ｍｅＶ≦ΔＥ_５４
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、前段の注入層内の準位から第１、第２発光上準位へと注入される電子のうちで、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。

また、複数の発光下準位の隣接する準位同士のエネルギー間隔ΔＥ_２は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定（ΔＥ_２＜Ｅ_ＬＯ）されることが好ましい。このような構成によっても、第１、第２上準位から複数の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。また、このエネルギー間隔ΔＥ_２については、さらに、条件
１０ｍｅＶ≦ΔＥ_２≦２５ｍｅＶ
を満たす範囲内で設定されることが好ましい。

また、前段の注入層内の準位から量子井戸発光層への電子は、第２発光上準位へと注入されることが好ましい。このように、第１、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、第１、第２発光上準位のそれぞれから発光下準位への発光遷移を好適に実現することができる。

また、第１発光上準位及び第２発光上準位は、いずれも、活性層内で量子井戸発光層の第１井戸層以外での電子の存在確率が３０％以上であることが好ましい。このように、第１、第２発光上準位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広く電子を存在させる構成によれば、第１、第２発光上準位のそれぞれを発光遷移用の準位として好適に機能させることができる。

本発明の量子カスケードレーザによれば、活性層を構成する単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位として、第１、第２発光上準位の２個の発光上準位と、複数の発光下準位とを設け、第１、第２発光上準位の一方を発光層の第１井戸層における基底準位に起因する準位とし、他方を第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とし、第１発光上準位と第２発光上準位とのエネルギー間隔ΔＥ_４３をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定し、かつ、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ΔＥ_５４をＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定することにより、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能となる。

量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。 量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。 量子カスケードレーザの構成の一例を示す図である。 活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。 活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。 量子カスケードレーザで得られる発光スペクトルを示すグラフである。 発光半値幅の電圧依存性を示すグラフである。 第１、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。 第１、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。 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。 閾値電流密度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発振スペクトルを示すグラフである。

以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。

活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。

図２は、図１に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、電子注入層１８とによって構成されている。これらの発光層１７及び注入層１８は、後述するように、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。

本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａにおいて活性層１５を構成する単位積層体１６は、図２に示すように、そのサブバンド準位構造において、サブバンド間遷移による発光に関わる準位として、第１発光上準位（準位３）Ｌ_ｕｐ１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（準位４）Ｌ_ｕｐ２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（準位２）Ｌ_ｌｏｗとを有している。

また、本実施形態において、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とともに、第１、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２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構成となっている。

また、サブバンド準位のエネルギー間隔については、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１と第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２とのエネルギー間隔ΔＥ_４３は、縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギーＥ_ＬＯよりも小さく設定されている（ΔＥ_４３＜Ｅ_ＬＯ）。また、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（準位５）Ｌ_ｈについて、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２と高エネルギー準位Ｌ_ｈとのエネルギー間隔ΔＥ_５４は、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯよりも大きく設定されている（Ｅ_ＬＯ＜ΔＥ_５４）。

ここで、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯ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、Ｅ_ＬＯ＝３４ｍｅＶである。また、また、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯ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。

このような準位構造において、２つの発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２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。このような構造では、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。また、複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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、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。

また、図２に示す単位積層体１６では、発光層１７と、前段の単位積層体での注入層１８ａとの間に、注入層１８ａから発光層１７へと注入される電子に対する注入障壁（injection barrier）層が設けられている。また、発光層１７と、注入層１８との間においても、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁（exitbarrier）層が必要に応じて設けられる。ただし、図２では、発光層１７と注入層１８との間については、充分に波動関数が染み出す程度の薄い障壁層のみを設ける構成を例示している。

また、本準位構造において、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。このような構成により、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Ｌ_ｌｏｗ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Ｌ_ｌｏｗから後段の発光層１７ｂへと緩和させる緩和準位（準位１）Ｌ_ｒを含む緩和ミニバンドとして機能している。

このように、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ及び緩和準位Ｌ_ｒ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。また、緩和ミニバンドを構成する複数の緩和準位Ｌ_ｒのうちで、注入層１８内の基底準位Ｌ_ｇ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Ｌ_ｕｐ２と強く結合するように設計される。

このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層１８ａでの緩和準位Ｌ_ｒ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、これによって、緩和準位Ｌ_ｒと結合している第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２が強く励起される。また、このとき、電子−電子散乱などの高速散乱過程を介して、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１にも充分な電子が供給されて、２つの発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２の両方に充分なキャリアが供給される。

第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１及び第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２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Ｌ_ｌｏｗのそれぞれへと遷移し、このとき、上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２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。また、このとき、上記したように、２つの上準位がエネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞うため、得られる発光スペクトルは均一な広がりを有するスペクトルとなる。なお、図２においては、図の見易さのため、上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２から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Ｌ_ｌｏｗへと遷移した電子は、発光下準位Ｌ_ｌｏｗ、及び注入層１８内の緩和準位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。このように、ミニバンド内緩和を利用した発光下準位Ｌ_ｌｏｗからのキャリアの引き抜きでは、容易に、２つの上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２と複数の下準位Ｌ_ｌｏｗとの間で、レーザ発振を実現するための反転分布が形成される。また、発光下準位Ｌ_ｌｏｗから注入層１８内の準位Ｌ_ｒ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Ｌ_ｇを介して後段の発光層１７ｂでの発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２へとカスケード的に注入される。

このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、量子井戸発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体１６でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。また、このような光がレーザ１Ａの光共振器において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。

本実施形態による量子カスケードレーザ１Ａの効果について説明する。

図１及び図２に示した量子カスケードレーザ１Ａでは、発光層１７及び注入層１８から構成される単位積層体１６でのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位として、第１、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２の２個の発光上準位と、複数（２個以上）の発光下準位Ｌ_ｌｏｗとを設けている。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。

また、上記構成では、第１、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２について、具体的に、その一方を、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）によって構成し、かつ、他方を、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）によって構成している。さらに、第１、第２発光上準位のエネルギー間隔ΔＥ_４３を、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定するとともに、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ΔＥ_５４を、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定している。

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、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、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Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２の波動関数が強く結合するように設計した場合、これらの２つの上準位は、上述したように、エネルギーに幅を持つ１本の発光上準位のように振舞う。このとき、得られる発光スペクトルは、超格子構造のような不均一なスペクトルとはならず、均一な広がりを有するスペクトルとなる。このような発光スペクトルは、例えばＥＣ型やＤＦＢ型などの広帯域単一軸モード光源に適している。また、通常の半導体レーザにおいて良く知られているように、準位間の高速の電子−電子散乱のために、レーザ発振時に利得スペクトルのホールバーニングは生じないこととなり、このため、単一軸モード発振を維持することが可能になる。

また、図２に示したサブバンド準位構造では、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Ｌ_ｒを介して発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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１Ａが実現される。

なお、上記した単位積層体１６でのサブバンド準位構造は、活性層１５を構成する単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。また、複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗ、及び注入層１８内の緩和準位Ｌ_ｒについては、図２に示したサブバンド準位構造では、発光下準位Ｌ_ｌｏｗを含む下位ミニバンドとしての機能と、緩和準位Ｌ_ｒ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を設ける構成としている。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。また、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１Ａでのサブバンド準位構造において、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１と第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２とのエネルギー間隔ΔＥ_４３は、さらに、１０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下の条件
１０ｍｅＶ≦ΔＥ_４３≦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、第２上準位から複数の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。

ここで、第１、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と、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ΔＥ_４３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。

また、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Ｎ_３、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Ｎ_４とすると、それらのキャリア数の比は、次式
Ｎ_４／Ｎ_３＝ｅｘｐ（−ΔＥ_４３／ｋＴ）
によって与えられる。

例えば、室温（ｋＴ＝２５ｍｅＶ）では、第１、第２発光上準位のエネルギー間隔をΔＥ_４３〜２０ｍｅＶに設定した場合、平衡状態でもＮ_４／Ｎ_３〜０．４５であり、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２には、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１の半分程度のキャリアが存在することとなる。さらに、前段の注入層１８ａからの電子を第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２側に注入するように構成すれば、キャリア数Ｎ_３、Ｎ_４を同程度とすることが可能である。

また、複数の発光下準位（下位ミニバンド）については、複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗの隣接する準位同士のエネルギー間隔ΔＥ_２（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（ΔＥ_２＜Ｅ_ＬＯ）されることが好ましい。このような構成によっても、第１、第２上準位から複数の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。

また、この複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗ内でのエネルギー間隔ΔＥ_２については、第１、第２発光上準位と同様に、さらに、１０ｍｅＶ以上２５ｍｅＶ以下の条件
１０ｍｅＶ≦ΔＥ_２≦２５ｍｅＶ
を満たす範囲内で設定されることが好ましい。また、複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗの個数については、３個以上とすることが好ましい。

また、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２と高エネルギー準位Ｌ_ｈとのエネルギー間隔ΔＥ_５４は、さらに、５０ｍｅＶ以上の条件
５０ｍｅＶ≦ΔＥ_５４
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Ｌ_ｒから第１、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２へと注入される電子のうちで、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、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。

また、前段の注入層１８ａ内の準位Ｌ_ｒから量子井戸発光層１７への電子ｅ⁻は、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２へと注入されることが好ましい。このように、第１、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、上記したように、２つの上準位内でキャリアを均一に分布させて、第１、第２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。

また、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１及び第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２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。このように、第１、第２発光上準位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、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。

本発明による量子カスケードレーザの構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともにさらに説明する。図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図である。また、図４は、図３に示した量子カスケードレーザにおける活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。

本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、発振波長を８．７μｍ（発振エネルギー：１４２ｍｅＶ）、動作電界を４１ｋＶ／ｃｍとして設計された例を示している。図４においては、活性層１５での発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図３及び図４に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。

図３に示す量子カスケードレーザ１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０としてｎ型ＩｎＰ単結晶基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コア層５１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コア層５２、厚さ３．５μｍのＩｎＰクラッド層５３、及び厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層５４が順次積層されることで、量子カスケードレーザ１Ｂの素子構造が形成されている。

本構成例における活性層１５は、量子井戸発光層１７及び電子注入層１８を含む単位積層体１６が４０周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図４に示すように、１１個の量子井戸層１６１〜１６４、１８１〜１８７、及び１１個の量子障壁層１７１〜１７４、１９１〜１９７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。

これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層は、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、Ａｌ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ａｓ層によって構成されている。これにより、活性層１５は、ＩｎＰ基板５０に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。

また、このような単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８とについては、図４に示す積層構造において、４層の井戸層１６１〜１６４、及び障壁層１７１〜１７４からなる積層部分が、主に発光層１７として機能する部分となっている。また、７層の井戸層１８１〜１８７、及び障壁層１９１〜１９７からなる積層部分が、主に注入層１８として機能する部分となっている。また、発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１７１が、前段の注入層と、発光層１７との間に位置し、前段の注入層から発光層１７への電子に対する注入障壁層となっている。

なお、本構成例においては、発光層１７と、注入層１８との間に位置し、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁層については、実効的に抽出障壁として機能している障壁層は存在していない。図４においては、後述する発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２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、その前後で、発光層１７と注入層１８とを機能的に区分している。図５に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。

このような構成において、単位積層体１６は、その図４に示すサブバンド準位構造において、第１発光上準位（準位３）Ｌ_ｕｐ１、第２発光上準位（準位４）Ｌ_ｕｐ２、複数の発光下準位（準位２）Ｌ_ｌｏｗ、及び緩和準位（準位１）Ｌ_ｒを有している。具体的には、図４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Ｌ_ｌｏｗ及び緩和準位Ｌ_ｒ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。また、発光層１７及び注入層１８での井戸層、障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。

図４に示した単位積層体１６における量子井戸構造の具体的な設計手順について説明する。まず、レーザ素子での発振波長を与えるために、第１発光上準位（準位３）Ｌ_ｕｐ１と発光下準位（準位２）Ｌ_ｌｏｗ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Ｌ_ｌｏｗ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Ｌ_ｕｐ１と、複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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、１６２、１６３、１６４の井戸幅、障壁層１７２、１７３、１７４の厚さ、及び動作電界によって決まる。また、動作電界は、予想される１周期当たりの積層体の膜厚及び電圧降下量に基づいて設定される。本構成例では、上述したように、動作電界を４１ｋＶ／ｃｍとしている。

ここで、発光波長を決める井戸層１６１〜１６４の井戸幅、障壁層１７２〜１７４の厚さ、及び注入層１８の障壁層１９１の厚さは、それぞれの準位の波動関数が敏感にそれぞれの量子井戸層と障壁層との影響を受けているため、単独では決定することができない。このため、これらの半導体層については、数値計算を用いて量子力学的に各層の層厚を決定する。また、次の設計ステップで第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２の準位位置を決定する際に、設計波長は再び変化する。そのため、ここでは、はじめに量子井戸層１６２、１６３、１６４、及び障壁層１７３、１７４の構成を大まかに決定する。

次に、第２発光上準位（準位４）Ｌ_ｕｐ２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Ｌ_ｕｐ２に対応するため、必然的に発光層１７における他の井戸層よりも薄くなる。

また、第１、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２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Ｌ_ｕｐ１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。なお、この場合、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１は、第１井戸層１６１以外の井戸層における励起準位である。

また、第２障壁層１７２の厚さは、第１、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２が結合している状態におけるアンチクロッシングの大きさ（完全に結合しているときの準位３、準位４間のエネルギー差ΔＥ_４３）を決定している。アンチクロッシングの大きさは、障壁層１７２が薄ければ大きく、また、障壁層１７２が厚ければ小さくなる。

本発明による量子カスケードレーザは、第１、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２から発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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、ΔＥ_４３が大きくなるため、発光下準位Ｌ_ｌｏｗへの遷移は、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１もしくは第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２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、ΔＥ_４３が小さくなりすぎるが、それ以前に、注入障壁層１７１よりも厚い障壁層がカスケード構造内に存在すると、キャリアの輸送が困難となり、レーザ動作そのものが損なわれる可能性がある。これらの観点から、障壁層１７２の厚さは、注入障壁層１７１よりは薄い層厚で、適切に設定する必要がある。図４に示した構成例では、この障壁層１７２の厚さを２．７ｎｍに設定することで、発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２のエネルギー差ΔＥ_４３を１８ｍｅＶとしている。

また、複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗ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。

また、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。なお、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。

これらの設計過程において、設計波長、及び各準位の間隔等は常に変化するが、そのたびに微調整を行うことにより、発光層１７内のすべての量子井戸層、障壁層の厚さを決定する。最終的に、発光層１７内の井戸層１６１、１６２、１６３、１６４の層厚は、それぞれ３．１ｎｍ、７．５ｎｍ、５．８ｎｍ、５．２ｎｍとした。また、障壁層１７２、１７３、１７４、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とした。

続いて、電子注入層１８の設計を行う。本構成例では、この注入層１８の構造として、FunnelInjector（特許文献８：特開平１０−４２４２号公報）を用いた。このように、Funnel Injectorを用いることにより、次周期に近づくにしたがって、ミニバンドＭＢのエネルギー幅を狭くして、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２への電子の注入効率を高めることができる。このような準位構造は、注入層１８内において、発光層１７側から次周期の発光層１７ｂに近づくにしたがって、量子井戸層の層厚を薄くし、障壁層の層厚を厚くすることによって実現することができる。

図４に示した構造では、注入層１８の設計は、まず次周期の発光層１７ｂと隣り合っている量子井戸層１８７の設計から行う必要がある。これは、井戸層１８７に存在する準位の波動関数（動作電界での注入層１８内の基底準位）を、動作電界以下のどの電界においても、発光上準位に追従する状態にしておく必要があるためである。

このような状態を実現するためには、井戸層１８７の層厚は井戸層１６１よりも若干厚く（数Å程度）する必要がある。本構成例では、発光層１７の井戸層１６１の厚さ３．１ｎｍに対して、注入層１８の井戸層１８７の厚さを３．３ｎｍに設定している。これにより、緩和ミニバンドからの電子の注入によって、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２を励起することが可能となり、広い発光半値幅が実現可能となる。

ここで、例えば井戸層１８７を井戸層１６１よりも６Å（０．６ｎｍ、２原子層）ほど厚くした場合を考えると、低電界の条件下において、井戸層１８７内の緩和準位は、井戸層１６１内の第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２よりも低エネルギーとなるのみでなく、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１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Ｌ_ｕｐ１に注入され、広い発光半値幅を得ることが困難となる。

井戸層１８７の層厚の決定後、従来と同様の方法によって、注入層１８内の他の量子井戸層、障壁層の層厚を決定する。なお、注入層１８の第１障壁層１９１の層厚の設定については、上述した通りである。

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、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、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Ｌ_ｕｐ２のみに注入され、それよりも高エネルギー側の準位Ｌ_ｈ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に設定した。また、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に設定した。

最後に、量子井戸発光層１７における注入障壁層１７１の層厚を決定する。この障壁層１７１は、多段の単位積層体１６のカスケード構造における各周期の結合の強さを決定するものであり、投入できる最大電流を決定している。波動関数の結合の強さはアンチクロッシングギャップによって決定されるが、本構成例では、アンチクロッシングギャップを７．３ｍｅＶとし、従来技術と同等の電流を投入可能なように設計を行った。このときの注入障壁層１７１の厚さは３．７ｎｍとなる。

上記のように設計した構成例による量子カスケードレーザの特性等について、図６〜図９を参照して説明する。

図６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。また、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、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、良質な発光が実現されている。

図７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。また、グラフ（データプロット）Ｂ１、Ｂ２、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。また、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、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２から複数の発光下準位Ｌ_ｌｏｗへの発光遷移について、上述したように、２つの準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２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、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８は、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１と第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２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、第２発光上準位のエネルギー間隔ΔＥ_４３（ｍｅＶ）を示している。

また、図９は、第１発光上準位Ｌ_ｕｐ１及び第２発光上準位Ｌ_ｕｐ２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、横軸は図８と同様に電界強度（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。また、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。

これらのグラフに示すように、上記した構成例では、図８、図９においてそれぞれ範囲Ｒ１、Ｒ２によって示した、電界強度が３６〜４７ｋＶ／ｃｍの範囲内において、第１、第２発光上準位Ｌ_ｕｐ１、Ｌ_ｕｐ２が強く結合し、それらの発光上準位の両者について、第１井戸層１６１以外での電子の存在確率が３０％以上となる好適条件を満たしている。また、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、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１０〜図１２を参照してさらに説明する。ここでは、共振器長を４ｍｍ、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。なお、レーザ素子において、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１０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／ｃｍ^２）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。また、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に示すように、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。また、室温での閾値電流密度は２．６ｋＡ／ｃｍ^２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。また、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。また、スロープ効率については、約１Ｗ／Ａが得られている。

図１１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／ｃｍ^２）を示している。このグラフに示すように、閾値の温度特性は極めて良好である。また、閾値の温度による上昇の割合を示す特性温度Ｔ_０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。なお、特性温度Ｔ_０は、下記の式
Ｊ_ｔｈ＝Ｊ_０ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ_０）
によって定義される。また、図１１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１２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。また、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。

本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による発光遷移が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。

このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。

また、量子カスケードレーザの活性層における積層構造、及びレーザ素子全体としての半導体積層構造については、図３〜図５に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、上記構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばＩｎＰ基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大、効率的なキャリア閉じ込め、及び発振波長の短波長化が可能となる。

本発明は、広い波長範囲での発光を好適に得ることが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。

１Ａ、１Ｂ…量子カスケードレーザ、１０…半導体基板、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＧａＡｓ下部コア層、５２…ＩｎＧａＡｓ上部コア層、５３…ＩｎＰクラッド層、５４…ＩｎＧａＡｓコンタクト層、Ｌ_ｕｐ１…第１発光上準位、Ｌ_ｕｐ２…第２発光上準位、Ｌ_ｌｏｗ…発光下準位、Ｌ_ｒ…緩和準位、Ｌ_ｇ…注入層内の基底準位、Ｌ_ｈ…高エネルギー準位、ＭＢ…ミニバンド。

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ΔＥ_４３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ΔＥ_５４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ことを特徴とする量子カスケードレーザ。
2. 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ΔＥ_４３は、条件
   １０ｍｅＶ≦ΔＥ_４３≦２５ｍｅＶ
   を満たす範囲内で設定されることを特徴とする請求項１記載の量子カスケードレーザ。
3. 前記第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ΔＥ_５４は、条件
   ５０ｍｅＶ≦ΔＥ_５４
   を満たす範囲内で設定されることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。
4. 前記複数の発光下準位の隣接する準位同士のエネルギー間隔ΔＥ_２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. 前段の注入層内の準位から前記量子井戸発光層への電子は、前記第２発光上準位へと注入され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. 前記第１発光上準位及び前記第２発光上準位は、いずれも、前記活性層内で前記量子井戸発光層の前記第１井戸層以外での電子の存在確率が３０％以上であ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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