特許 5776229 量子カスケードレーザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5776229

(24)【登録日】2015年7月17日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】量子カスケードレーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20150820BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/343

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2011-49159(P2011-49159)

(22)【出願日】2011年3月7日

(65)【公開番号】特開2012-186362(P2012-186362A)

(43)【公開日】2012年9月27日

【審査請求日】2014年1月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100108257

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 伊知良

(72)【発明者】

【氏名】加藤 隆志

【審査官】 佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２０６３４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子カスケードレーザであって、
複数の活性層と、
前記複数の活性層と共にカスケード構造を成す複数の注入層と、
を有するコア層を備え、
前記活性層と前記注入層とはカスケード構造を成すように予め定められた方向に向かって交互に設けられ、
前記活性層は、第１〜第３の量子井戸層と第１〜第４の障壁層とを含み、
前記第１の障壁層、前記第１の量子井戸層、前記第２の障壁層、前記第２の量子井戸層、前記第３の障壁層、前記第３の量子井戸層、前記第４の障壁層は、前記方向に向かって、順に設けられ、
前記第１の量子井戸層の膜厚は、前記第２の量子井戸層の膜厚よりも大きく、
前記第２の量子井戸層の膜厚は、前記第３の量子井戸層の膜厚よりも大きく、
前記第２の障壁層の膜厚は、前記第３の障壁層の膜厚よりも小さく、
前記第１の障壁層は、前記注入層に隣接して設けられると共に、前記第１の量子井戸層が、前記第１の障壁層に隣接して設けられ、
前記注入層から前記活性層に注入された電子は、前記第１の量子井戸層、前記第２の障壁層、及び、前記第２の量子井戸層によって占められる領域に主に分布し、
前記活性層の上位準位から下位準位への電子の遷移によって発光が生じ、
前記上位準位における電子の波動関数、および前記下位準位の電子の波動関数が、前記第２の障壁層の厚み方向の中心を通る基準軸に対して、ほぼ対称に形成される、
ことを特徴とする量子カスケードレーザ。

【請求項2】

前記第１の量子井戸層の膜厚は、前記第２の量子井戸層の膜厚の１．０５倍以上１．１５倍以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項3】

前記第２の障壁層の膜厚は、０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項4】

前記第３の障壁層の膜厚は、１．２ｎｍより大きく２．０ｎｍ以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項5】

前記第１の量子井戸層、前記第２の量子井戸層及び前記第３の量子井戸層のそれぞれと、前記第２の障壁層及び前記第３の障壁層のそれぞれとの伝導帯のエネルギーの差は、０．５ｅＶ以上１．０ｅＶ以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の量子カスケードレーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子カスケードレーザに関する。

【背景技術】

【0002】

量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）の構造が、例えば非特許文献１に開示されている。このような量子カスケードレーザの動作を、図４を参照して説明する。図４に、従来の量子カスケードレーザのコア層のバンド構造を示す。図４に示すように、量子カスケードレーザのコア層は、量子井戸構造を有する一の活性層と一の注入層とからなる単位構造が、数十周期繰り返された構造を持つ。この量子カスケードレーザに対して、電界が、図４において矢印によって示されている方向Ｄ１１の向きに印加されており、共鳴トンネリングにより活性層に電子が注入される。この注入された電子が活性層の上位準位から下位準位に遷移すると、この遷移に応じて、上位準位と下位準位とのエネルギー差に相当する発光波長の光が活性層から放出される。光の放出を伴って下位準位に遷移した電子は、ＬＯフォノン散乱により、下位準位から基底準位（緩和準位）に高速に緩和し、そして、注入層に入る。

【0003】

上記のような電子の振る舞いは、ＬＯフォノン散乱が共鳴的に生じるように、下位準位と基底準位とのエネルギー差が、ＬＯフォノンのエネルギーとなるように設計されていることに起因する。ＬＯフォノン散乱が共鳴的に生じると、下位準位の電子は、比較的に短い散乱時間で基底準位に緩和する。このような比較的に高速なＬＯフォノンの緩和過程によって、上位準位と下位準位との間に反転分布が生じる。基底準位から注入層に入った電子は、次段の単位構造の活性層に注入されるように設計されているので、上記のような過程が、単位構造の数だけ数十周期繰り返されるので、最終的に大きな利得が得られ、レーザ発振が可能となる。このように、量子カスケードレーザは、量子井戸構造の伝導帯で三つの準位（上位準位、下位準位及び基底準位）のレーザ動作を行う。

【0004】

従来では、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法によって、例えば、コア層（活性層及び注入層）として、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ混晶（量子井戸層の材料／障壁層の材料）が結晶成長され、又は、ＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ系の混晶が結晶成長される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許第５４５７７０９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

図５に、従来の量子カスケードレーザの活性層のバンド構造を示す。図５に示すバンド構造は、図４に示す活性層のバンド構造に対応する。図５には、簡単のため、注入層のバンド構造は記載されていない。図５に示す量子カスケードレーザの活性層は、三つのＧａＩｎＡｓ量子井戸層と、四つのＡｌＩｎＡｓ障壁層とを含む。図５に示す量子カスケードレーザの活性層は、具体的には、ＡｌＩｎＡｓ障壁層Ｂ１１，ＧａＩｎＡｓ量子井戸層Ｗ１１(膜厚は１．０ｎｍ)，ＡｌＩｎＡｓ障壁層Ｂ１２(膜厚は２．０ｎｍ)，ＧａＩｎＡｓ量子井戸層Ｗ１２（膜厚は６．４ｎｍ），ＡｌＩｎＡｓ障壁層Ｂ１３（膜厚は１．９ｎｍ），ＧａＩｎＡｓ量子井戸層Ｗ１３（膜厚は４．９ｎｍ），ＡｌＩｎＡｓ障壁層Ｂ１４が、位置“０ｎｍ”の側からｚ方向に向けて、順に設けられている。図５のグラフＧ１１は、上位準位における電子分布（電子の波動関数の二乗であり、電子の存在確率を示す。以下同様。）を示し、グラフＧ１２は、下位準位における電子分布を示し、グラフＧ１３は、基底準位における電子分布を示す。グラフＧ１１のベースラインは、上位準位に存在する電子の固有エネルギーＥ１１を示し、グラフＧ１２のベースラインは、下位準位に存在する電子の固有エネルギーＥ１２を示し、グラフＧ１３のベースラインは、基底準位に存在する電子の固有エネルギーＥ１３を示す。上位準位と下位準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、６μｍ程度である。下位準位と基底準位とのエネルギー差は、３４．１ｍｅＶ程度であり、ＬＯフォノンのエネルギーは、３３．０ｍｅＶ程度であるので、フォノン散乱が共鳴的に生じる。

【0007】

電子は、注入層（図５の左側）から、共鳴トンネリング効果によって、膜厚の最も小さい量子井戸層Ｗ１１に注入される。発光は、上位準位から下位準位への電子の遷移によって生じるが、上位準位における電子分布の山は、下位準位における電子分布の山に対して、量子井戸層Ｗ１１の影響で量子井戸Ｗ１１の側に偏るので、下位準位へのＬＯフォノン散乱による遷移確率（発光を伴わない遷移確率）が、比較的に小さくなる。しかし、この場合、上位準位から下位準位へのＬＯフォノン散乱による遷移確率が減少する一方、発光を伴う遷移確率も減少する、というトレードオフが生じる。発光を伴う遷移確率が減少すると量子カスケードレーザの利得も減少し、レーザの閾値電流が大きくなる。ここで利得は後述する数式２で示されるが、単位距離あたりの光の増幅係数を表し、一般的な半導体レーザダイオードの利得測定と同様の測定方法で測定できる。そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みてなされたものであり、比較的に高い利得の量子カスケードレーザを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る量子カスケードレーザは、複数の活性層と、前記複数の活性層と共にカスケード構造を成す複数の注入層と、を有するコア層を備え、前記活性層と前記注入層とはカスケード構造を成すように予め定められた方向に向かって交互に設けられ、前記活性層は、第１〜第３の量子井戸層と第１〜第４の障壁層とを含み、前記第１の障壁層、前記第１の量子井戸層、前記第２の障壁層、前記第２の量子井戸層、前記第３の障壁層、前記第３の量子井戸層、前記第４の障壁層は、前記方向に向かって、順に設けられ、前記第１の量子井戸層の膜厚は、前記第２の量子井戸層の膜厚よりも大きく、前記第２の量子井戸層の膜厚は、前記第３の量子井戸層の膜厚よりも大きく、前記第２の障壁層の膜厚は、前記第３の障壁層の膜厚よりも小さい、ことを特徴とする。本発明に係る量子カスケードレーザによれば、第１の量子井戸層の膜厚は第２の量子井戸層の膜厚よりも大きく、第２の量子井戸層の膜厚は第３の量子井戸層の膜厚よりも大きく、第２の障壁層の膜厚は第３の障壁層の膜厚よりも小さい、このような活性層のバンド構造のもとでは、発光を伴う上位準位から下位準位への遷移確率を増加できると共に、発光を伴わない上位準位から下位準位への遷移確率の増加を少なくできるため、総合的に利得を大きくすることができる。よって、量子カスケードレーザの利得を増加でき、よって、レーザの閾値電流を抑制できる。

【0009】

本発明において、前記第１の量子井戸層の膜厚は、前記第２の量子井戸層の膜厚の１．０５倍以上１．１５倍以下の範囲にあることが好ましい。従って、発光を伴う上位準位から下位準位への遷移確率を十分に増加できると共に、発光を伴わない上位準位から下位準位への遷移確率の増加を少なくできるため、総合的に利得を大きくすることができる。

【0010】

本発明において、前記第２の障壁層の膜厚は、０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。従って、発光を伴う上位準位から下位準位への遷移確率を十分に増加できると共に、発光を伴わない上位準位から下位準位への遷移確率の増加を少なくできるため、総合的に利得を大きくすることができる。

【0011】

本発明において、前記第３の障壁層の膜厚は、１．２ｎｍより大きく２．０ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。従って、発光を伴う上位準位から下位準位への遷移確率を十分に増加できると共に、発光を伴わない上位準位から下位準位への遷移確率の増加を少なくできるため、総合的に利得を大きくすることができる。

【0012】

本発明において、前記第１の量子井戸層、前記第２の量子井戸層及び前記第３の量子井戸層のそれぞれと、前記第２の障壁層及び前記第３の障壁層のそれぞれとの伝導帯のエネルギーの差は、０．５ｅＶ以上１．０ｅＶ以下の範囲にあることが好ましい。従って、発光を伴う上位準位から下位準位への遷移確率を十分に増加できると共に、発光を伴わない上位準位から下位準位への遷移確率の増加を少なくできるため、総合的に利得を大きくすることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、比較的に高い利得の量子カスケードレーザが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、実施形態に係る量子カスケードレーザの構造を説明するための図である。

【図2】図２は、実施形態に係る量子カスケードレーザが有する活性層のバンド構造を説明するための図である。

【図3】図３は、実施形態に係る量子カスケードレーザの奏する効果を説明するための図である。

【図4】図４は、従来の量子カスケードレーザが有するコア層のバンド構造を説明するための図である。

【図5】図５は、従来の量子カスケードレーザが有するコア層に含まれる活性層のバンド構造を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、本発明に係る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、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１を参照して、実施形態に係る量子カスケードレーザ１の構造を説明する。図１には、量子カスケードレーザ１の電流狭窄部に含まれる積層構造が模式的に示されている。量子カスケードレーザ１は、波長３μｍ以上３０μｍ以下の中赤外領域のレーザ光を発光し、例えば、ガス分析などの分光システム、赤外イメージングシステム、及び、空間光通信に用いられる。

【0016】

図１に示すように、量子カスケードレーザ１は、基板３、クラッド層５、コア層７、クラッド層９、コンタクト層１１、電極１３、及び、電極１５を備える。クラッド層５、コア層７、クラッド層９、コンタクト層１１は、この順に、基板３上に積層されている。また、電極１５は、コンタクト層１１上に設けられ、電極１３は、基板３の裏面に設けられる。

【0017】

基板３は、例えば、ｎ型のＩｎＰの半導体基板であり、クラッド層５は、例えば、ｎ型のＩｎＰの半導体層であり、クラッド層９は、例えば、ｎ型のＩｎＰの半導体層であり、コンタクト層１１は、例えば、ｎ^＋型のＧａＩｎＡｓ混晶の半導体層である。

【0018】

クラッド層５及びクラッド層９の厚さは、何れも、例えば、１μｍ以上４μｍ以下であり、キャリア濃度は、例えば、２×１０^１７ｃｍ^−３以上７×１０^１７ｃｍ^−３以下である。電極１５は、ｎ^＋型のＧａＩｎＡｓ混晶のコンタクト層１１の上に設けられている。

【0019】

コア層７は、ｎ型のＩｎＰのクラッド層５とクラッド層９とによって挟まれている。コア層７は、複数の活性層７１と複数の注入層７３とを有する。コア層７は、カスケード構造を有する。コア層７のカスケード構造は、一つの活性層７１と一つの注入層７３とからなる単位構造が、例えば、２０周期以上４０周期以下の範囲で繰り返されている。活性層７１と注入層７３とは、カスケード構造を成すように交互に設けられている。

【0020】

活性層７１は、第１、第２及び第３の量子井戸層、すなわち、三つの量子井戸層（第１〜第３の量子井戸層）を含む３ＱＷ（ＱＷ：quantum well）構造を有する。活性層７１は、具体的には、量子井戸層Ｗ２１、量子井戸層Ｗ２２、及び、量子井戸層Ｗ２３を有する。活性層７１は、第１、第２、第３及び第４の障壁層、すなわち、四つの障壁層（第１〜第４の障壁層）、具体的には、障壁層Ｂ２１、障壁層Ｂ２２、障壁層Ｂ２３、及び、障壁層Ｂ２４を有する。障壁層Ｂ２１、量子井戸層Ｗ２１、障壁層Ｂ２２、量子井戸層Ｗ２２、障壁層Ｂ２３、量子井戸層Ｗ２３、障壁層Ｂ２４が、順に設けられている。なお、これらの層が基板３上に積層される順（積層方向）は、障壁層Ｂ２４、量子井戸層Ｗ２３、障壁層Ｂ２３、量子井戸層Ｗ２２、障壁層Ｂ２２、量子井戸層Ｗ２１、障壁層Ｂ２１の順であり、図２の方向Ｄ２１と一致する。

【0021】

量子井戸層Ｗ２１の膜厚Ｌｗ２１は、量子井戸層Ｗ２２の膜厚Ｌｗ２２よりも大きい。量子井戸層Ｗ２２の膜厚Ｌｗ２２は、量子井戸層Ｗ２３の膜厚Ｌｗ２３よりも大きい。障壁層Ｂ２２の膜厚Ｌｂ２２は、障壁層Ｂ２３の膜厚Ｌｂ２３よりも小さい。

【0022】

量子井戸層Ｗ２１の膜厚Ｌｗ２１は、量子井戸層Ｗ２２の膜厚Ｌｗ２２の１．０５倍以上１．１５倍以下の範囲にある。障壁層Ｂ２２の膜厚Ｌｂ２２は、０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下の範囲にある。障壁層Ｂ２３の膜厚Ｌｂ２３は、１．２ｎｍより大きく２．０ｎｍ以下の範囲にある。量子井戸層Ｗ２１、量子井戸層Ｗ２２及び量子井戸層Ｗ２３のそれぞれと、障壁層Ｂ２２及び障壁層Ｂ２３のそれぞれとの伝導帯のエネルギーの差は、何れも、０．５ｅＶ以上１．０ｅＶ以下の範囲にあるが、０．５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下の範囲にあることができる。ただし、量子井戸層Ｗ２１、量子井戸層Ｗ２２及び量子井戸層Ｗ２３のそれぞれと、障壁層Ｂ２２及び障壁層Ｂ２３のそれぞれとに生じる半導体基板３に対する歪み（圧縮歪みと引っ張り歪みとからなる歪み）を補償できる補償系のコア層７が設けられている場合、上記の伝導帯のエネルギー差は、０．５ｅＶ以上、１．０ｅＶ以下の範囲であることができる。例えば、ＧａＩｎＡｓ量子井戸のＩｎＰ基板に対する圧縮歪みを１．２８%（ＧａＩｎＡｓにおけるＧａの組成値は０．２８であり、Ｉｎの組成値は０．７２である。）、ＡｌＩｎＡｓ障壁層のＩｎＰ基板に対する引っ張り歪みを１．４１％（ＡｌＩｎＡｓにおけるＡｌの組成値は０．６８であり、Ｉｎの組成値は０．３２である。）で、歪み補償系のコア層を形成した場合、上記の伝導帯のエネルギー差は、０．９３ｅＶとなる。

【0023】

量子井戸層Ｗ２１、量子井戸層Ｗ２２及び量子井戸層Ｗ２３は、何れも、例えば、ＧａＩｎＡｓ混晶の半導体層である。障壁層Ｂ２１、障壁層Ｂ２２、障壁層Ｂ２３及び障壁層Ｂ２４は、何れも、例えば、ＡｌＩｎＡｓ混晶の半導体層である。

【0024】

量子井戸層Ｗ２１の膜厚は、例えば、５．５ｎｍ程度である。量子井戸層Ｗ２２の膜厚は、例えば、４．７ｎｍ程度である。量子井戸層Ｗ２３の膜厚は、例えば、３．７ｎｍ程度である。

【0025】

障壁層Ｂ２２の膜厚は、例えば、０．９ｎｍ程度である。障壁層Ｂ２３の膜厚は、例えば、１．８ｎｍ程度である。

【0026】

注入層７３は、例えば、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ混晶（量子井戸層の材料／障壁層の材料）の量子井戸構造で形成することができる。活性層７１及び注入層７３におけるＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓとＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓの組成値ｘは、ＩｎＰとの格子整合系における値（ＧａＩｎＡｓの場合、ｘ＝０．４６８であり、ＡｌＩｎＡｓの場合、ｘ＝０．４７６である。）、又は、歪み補償系における値（ＧａＩｎＡｓの場合、ｘ＝０．３以上０．６以下であり、ＡｌＩｎＡｓの場合、ｘ＝０．２以上０．７以下）、である。

【0027】

量子カスケードレーザ１の共振器の長さは、例えば、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。量子カスケードレーザ１のレーザ端面は、劈開によって形成されるが、必要に応じて、α−ＳｉやＳｉＯ_２などの誘電体多層膜の反射膜が設けられる。

【0028】

なお、コア層７の量子井戸層及び障壁層の材料（量子井戸層の材料／障壁層の材料）は、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ混晶に替えて、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ混晶系の材料を用いることができる。また、基板３の材料は、ｎ型のＩｎＰに替えて、ＧａＡｓが利用できる。ＧａＡｓの基板の場合、コア層７の量子井戸層及び障壁層の材料（量子井戸層の材料／障壁層の材料）は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ混晶を用いることができる。

【0029】

図２に、実施形態に係る量子カスケードレーザ１の活性層７１のバンド構造を示す。図２には、簡単のため、注入層７３のバンド構造は記載されていない。図２のグラフＧ２１は、上位準位における電子分布を示し、グラフＧ２２は、下位準位における電子分布を示し、グラフＧ２３及びグラフＧ２４は、何れも、各準位における電子分布を示す。グラフＧ２１のベースラインは、上位準位に存在する電子の固有エネルギーＥ２１を示し、グラフＧ２２のベースラインは、下位準位に存在する電子の固有エネルギーＥ２２を示し、グラフＧ２３のベースラインは、グラフＧ２３に対応する準位２３に存在する電子の固有エネルギーＥ２３を示し、グラフＧ２４のベースラインは、グラフＧ２４に対応する準位２４に存在する電子の固有エネルギーＥ２４を示す。

【0030】

上位準位と下位準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、６μｍ程度である。下位準位と準位２３（固有エネルギーＥ２３に対応する準位）とのエネルギー差は、５０ｍｅＶ程度である。下位準位と準位２４（固有エネルギーＥ２４に対応する準位）とのエネルギー差は、８０ｍｅＶ程度である。ＬＯフォノンのエネルギーは、３３．０ｍｅＶ程度である。

【0031】

グラフＧ２１に示すように、上位準位の固有エネルギーＥ２１の電子は、ｚ方向と逆の方向（Ｄ２１の方向）に電界を印加することによって、注入層７３（図２の左側）から共鳴トンネリング効果によって活性層７１に注入されると、量子井戸層Ｗ２１、障壁層Ｂ２２、及び、量子井戸層Ｗ２２によって占められる領域に主に分布する。発光は、上位準位から下位準位への電子の遷移によって生じるが、活性層７１のバンド構造から、図２に示す基準軸Ａ１を中心とした発光を伴う遷移確率は、比較的に大きい。基準軸Ａ１は、量子井戸層Ｗ２１と量子井戸層Ｗ２２との間にあり比較的に膜厚の薄い障壁層Ｂ２２の厚み方向の中心を通る。

【0032】

基準軸Ａ１を中心とした発光を伴う遷移確率が比較的に大きいことは、上位準位における電子の波動関数の対称性（偶奇性）と、下位準位における電子の波動関数の対称性（偶奇性）とに基づいて理解できる。電子の波動関数は、活性層７１のバンド構造等から算出できる。上位準位における電子の波動関数の形状、及び、下位準位における電子の波動関数の形状は、障壁層Ｂ２２の膜厚を変化させることによって、変化する。基準軸Ａ１を中心とした発光を伴う遷移確率を増加させるには、障壁層Ｂ２２の膜厚を調整することによって可能となる。

【0033】

ここで、量子カスケードレーザ１の製造方法を簡単に説明する。量子カスケードレーザ１は、量子カスケードレーザの従来の製造方法が適用できる。ｎ型のＩｎＰ基板を用意し、このｎ型のＩｎＰ基板の主面に、例えば、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型のＩｎＰクラッド層を結晶成長させ、このｎ型のＩｎＰクラッド層の上に、複数の活性層と複数の注入層がカスケード構造を成すコア層を結晶成長させる。

【0034】

活性層と注入層とは、交互に積層される。活性層は、ＧａＩｎＡｓ混晶の井戸層とＡｌＩｎＡｓ混晶の障壁層とが交互に積層される。注入層は、ＧａＩｎＡｓ混晶の井戸層と、ＡｌＩｎＡｓ混晶の障壁層とが交互に積層される。

【0035】

そして、コア層の上に、ｎ型のＩｎＰクラッド層を結晶成長させ、このｎ型のＩｎＰクラッド層の上にｎ^＋型のＧａＩｎＡｓコンタクト層を結晶させる。そして、電流狭窄部を、エッチングによって形成する。エッチングによって除去された領域には、例えば、ＢＣＢ（ベンジソクロブテン）樹脂を埋め込むが、ＢＣＢ樹脂に替えて、半絶縁ＩｎＰ（ＦｅがドープされたＩｎＰ）を、この領域に結晶成長させることができる。また、エッチングによって形成されるエッチング面にはＳｉＮ等の誘電体で絶縁することができる。そして、ｎ^＋型のＧａＩｎＡｓコンタクト層の上に、電極を形成し、更に、ｎ型のＩｎＰ基板の裏面に他の電極を形成する。

【0036】

この後、へき開によって、量子カスケードレーザのチップを形成する。へき開によって形成される面には、必要に応じて、反射膜を形成する。この反射膜は、α−ＳｉやＳｉＯ_２等の誘電体多層膜であることができる。

【0037】

以下、シュレディンガー方程式を数値計算により解くことにより得られた波動関数の計算結果を例示する。上位準位の電子の波動関数を、ψ１、とし、下位準位の電子の波動関数を、ψ２、とする。上位準位から下位準位へのＬＯフォノン散乱による散乱時間を、τ１２、とし、上位準位から基底準位へのＬＯフォノン散乱による散乱時間を、τ１、とし、下位準位から基底準位へのＬＯフォノン散乱による散乱時間を、τ２、とする。上位準位から下位準位への発光を伴う遷移行列要素を、ｚ１２、とする。量子カスケードレーザの利得を、Ｇｉｎ、とする。なお、数式１の“ｚ”は、ｚ方向（方向Ｄ２１と逆の方向）の位置を示す（図２の横軸に対応する。）。ｚ１２は、数式１のように表される。Ｇｉｎは、数式２のように表される。

【0038】

【数1】

【0039】

【数2】

【0040】

図４及び図５に示す従来の量子カスケードレーザの場合の計算結果と、実施形態に係る量子カスケードレーザ１の場合の計算結果とを、図３に示す。図４及び図５に示す従来の量子カスケードレーザの場合の利得Ｇｉｎを“１”とすると、実施形態に係る量子カスケードレーザ１の場合の利得Ｇｉｎは、１．６程度となる。従って、実施形態に係る量子カスケードレーザ１は、図４及び図５に示す従来の量子カスケードレーザに比較して、略１．６倍程度の利得を得ることが可能となることが本計算結果によって理解できる。よって、実施形態に係る量子カスケードレーザ１によれば、発光を伴う上位準位から下位準位への遷移確率を十分に増加できると共に、発光を伴わない上位準位から下位準位への遷移確率の増加を少なくできるため、総合的に利得を大きくすることができる。

【0041】

以上により、実施形態に係る量子カスケードレーザ１は、図４及び図５に示す従来の量子カスケードレーザに比較して、ＬＯフォノン散乱により発光を伴わない遷移確率に比べて、発光を伴う十分大きな遷移確率を得ることが可能であり、その結果、比較的に大きな利得を得ることができる。

【0042】

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

【符号の説明】

【0043】

１…量子カスケードレーザ、１１…コンタクト層、１３…電極、１５…電極、３…基板、５…クラッド層、７…コア層、７１…活性層、７３…注入層、９…クラッド層、Ｂ２１…障壁層、Ｂ２２…障壁層、Ｂ２３…障壁層、Ｂ２４…障壁層、Ｄ２１…方向、Ｌｂ２２…膜厚、Ｌｂ２３…膜厚、Ｌｗ２１…膜厚、Ｌｗ２２…膜厚、Ｌｗ２３…膜厚、Ｗ２１…量子井戸層、Ｗ２２…量子井戸層、Ｗ２３…量子井戸層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】