特許 6011981 電子リークが低減された高出力・高効率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】6011981

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】電子リークが低減された高出力・高効率量子カスケードレーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20161011BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/343

【請求項の数】25

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-524077(P2013-524077)

(86)(22)【出願日】2011年6月3日

(65)【公表番号】特表2013-534369(P2013-534369A)

(43)【公表日】2013年9月2日

(86)【国際出願番号】US2011039133

(87)【国際公開番号】WO2012021208

(87)【国際公開日】20120216

【審査請求日】2014年6月2日

(31)【優先権主張番号】12/855,476

(32)【優先日】2010年8月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】591013274

【氏名又は名称】ウィスコンシン アラムニ リサーチ ファンデーション

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100084663

【弁理士】

【氏名又は名称】箱田 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100093300

【弁理士】

【氏名又は名称】浅井 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100119013

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100123777

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 さつき

(74)【代理人】

【識別番号】100136249

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 貴光

(72)【発明者】

【氏名】ボテツ ダン

(72)【発明者】

【氏名】シン ジェ チョル

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１６５９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００２２１９６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００３６５３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０８−２７９６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００４３７９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００７−５１７４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７７３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２３９５５（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用の半導体構造であって、
電子注入部と、前記電子注入部に隣接する活性領域と、前記活性領域に隣接する電子引き抜き部とを備え、
前記電子注入部、前記活性領域及び前記電子引き抜き部は、それぞれ半導体の層を有し、それらの層は、量子井戸と障壁とを交互に提供するように構成されており、
前記活性領域は、注入障壁と、放出障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間の第１の中間障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間で前記第１の中間障壁の下流にある第２の中間障壁と、前記第１の中間障壁と前記第２の中間障壁との間の第３の中間障壁とを含み、
前記注入障壁、前記放出障壁、前記第１の中間障壁、前記第２の中間障壁及び前記第３の中間障壁のそれぞれのエネルギーは、前記電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きく、
また、前記注入障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第１の中間障壁のエネルギーは前記第２の中間障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは、前記第１の中間障壁のエネルギーから前記第２の中間障壁のエネルギーまでの範囲にあり、更に、
前記第１の中間障壁、前記第２の中間障壁及び前記第３の中間障壁は、前記中間障壁のエネルギーが前記電子注入部に向かって減少し、かつ、前記中間障壁のエネルギーが前記電子引き抜き部へ向かって増加するように配置されている、半導体構造。

【請求項2】

前記第１の中間障壁のエネルギーは、前記注入障壁のエネルギー以上の大きさである、請求項１に記載の半導体構造。

【請求項3】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギー以下の大きさである、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項4】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも大きい、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項5】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさである、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項6】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギー以下の大きさである、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項7】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも大きい、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項8】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギーよりも大きく、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーに等しく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記第１の中間障壁のエネルギーに等しい、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項9】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギーに等しく、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーに等しく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記第１の中間障壁のエネルギーに等しい、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項10】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギーに等しく、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは、前記第１の中間障壁のエネルギーよりも大きく、かつ前記第２の中間障壁のエネルギーよりも小さい、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項11】

前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギーよりも大きく、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも大きく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記第１の中間障壁のエネルギーに等しい、
請求項１に記載の半導体構造。

【請求項12】

前記注入障壁は、第１の障壁層と第２の障壁層とを含む複合注入障壁であり、
前記第１の障壁層の組成と前記第２の障壁層の組成とが異なる、請求項１に記載の半導体構造。

【請求項13】

前記活性領域の量子井戸のうち少なくとも１つは、前記隣接する上流の電子注入部における量子井戸の底よりもエネルギーが低い井戸底を有する量子井戸である、請求項１に記載の半導体構造。

【請求項14】

前記活性領域の量子井戸は全て、各々が、前記隣接する上流の電子注入部における量子井戸の底よりもエネルギーが低い井戸底を有する量子井戸である、請求項１に記載の半導体構造。

【請求項15】

当該半導体構造は、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸と、ＡｌＩｎＡｓを含む障壁とを含む、請求項１に記載の半導体構造。

【請求項16】

前記活性領域は上位のエネルギー状態４、５及び６を含み、エネルギー状態４と５の間のエネルギー差（Ｅ₅₄）は少なくとも約７０ｍｅＶである、請求項１に記載の半導体構造。

【請求項17】

更に、エネルギー状態５と６の間のエネルギー差（Ｅ₆₅）は少なくとも約７０ｍｅＶである、請求項１６に記載の半導体構造。

【請求項18】

更に、エネルギー状態５と６の間のエネルギー差（Ｅ₆₅）は少なくとも約１００ｍｅＶである、請求項１６に記載の半導体構造。

【請求項19】

当該半導体構造は、約４μｍから約５μｍの波長帯で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されている、請求項１に記載の半導体構造。

【請求項20】

当該半導体構造は、約５％以下である室温相対リーク電流値（Ｊ_leak／Ｊ_th）を特徴とするレーザ装置を提供するように構成されている、請求項１９に記載の半導体構造。

【請求項21】

当該半導体構造は、約２０％より高い前端面室温連続波最大ウォールプラグ効率（η_wp,max）を示すレーザ装置を提供するように構成されている、請求項１９に記載の半導体構造。

【請求項22】

量子カスケードレーザ用の半導体構造であって、
電子注入部と、前記電子注入部に隣接する活性領域と、前記活性領域に隣接する電子引き抜き部とを備え、
前記電子注入部、前記活性領域及び前記電子引き抜き部は、それぞれ半導体の層を有し、それらの層は、量子井戸と障壁とを交互に提供するように構成されており、
前記活性領域は、注入障壁と、放出障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間の第１の中間障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間で前記第１の中間障壁の下流にある第２の中間障壁と、前記第１の中間障壁と前記第２の中間障壁との間の第３の中間障壁とを含み、
前記放出障壁、前記第１の中間障壁、前記第２の中間障壁及び前記第３の中間障壁のそれぞれのエネルギーは、前記電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きく、
また、前記注入障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第１の中間障壁のエネルギーは前記第２の中間障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは、前記第１の中間障壁のエネルギーから前記第２の中間障壁のエネルギーまでの範囲にあり、
前記第１の中間障壁、前記第２の中間障壁及び前記第３の中間障壁は、前記中間障壁のエネルギーが前記電子注入部に向かって減少し、かつ、前記中間障壁のエネルギーが前記電子引き抜き部へ向かって増加するように配置されており、
更に、当該半導体構造は、約５μｍより大きい波長で放射するレーザ装置を提供するように構成されている、半導体構造。

【請求項23】

当該半導体構造は、約８μｍより大きい波長で放射するレーザ装置を提供するように構成されている、請求項２２に記載の半導体構造。

【請求項24】

複数のレーザ段を含むレーザ装置であって、各レーザ段は、請求項２２に記載の半導体構造を含む、レーザ装置。

【請求項25】

複数のレーザ段を含むレーザ装置であって、
各レーザ段は、量子カスケードレーザ用の半導体構造を含み、
該半導体構造は、
電子注入部と、前記電子注入部に隣接する活性領域と、前記活性領域に隣接する電子引き抜き部とを備え、
前記電子注入部、前記活性領域及び前記電子引き抜き部は、それぞれ半導体の層を有し、それらの層は、量子井戸と障壁とを交互に提供するように構成されており、
前記活性領域は、注入障壁と、放出障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間の第１の中間障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間で前記第１の中間障壁の下流にある第２の中間障壁と、前記第１の中間障壁と前記第２の中間障壁との間の第３の中間障壁とを含み、
前記注入障壁、前記放出障壁、前記第１の中間障壁、前記第２の中間障壁及び前記第３の中間障壁のそれぞれのエネルギーは、前記電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きく、
また、前記注入障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第１の中間障壁のエネルギーは前記第２の中間障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは、前記第１の中間障壁のエネルギーから前記第２の中間障壁のエネルギーまでの範囲にあり、かつ、
前記第１の中間障壁、前記第２の中間障壁及び前記第３の中間障壁は、前記中間障壁のエネルギーが前記電子注入部に向かって減少し、かつ、前記中間障壁のエネルギーが前記電子引き抜き部へ向かって増加するように配置されている、
レーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

量子カスケードレーザ（ＱＣＬｓ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒｓ）は、電子注入部、活性領域、電子引き抜き部の３つの領域からそれぞれなる多段で構成されている。従来のＱＣＬｓでは、量子井戸と障壁は、すべての領域で同じであり、それぞれ一定のアロイ組成のものである。短波長（λ〜４．８μｍ）ＱＣＬｓの注入部の電子は、格子よりも温度が高いことが分かっている。このため、連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ‐Ｗａｖｅ）高出力で、４．５〜５．０μｍの範囲で放射するように最適化されたデバイスでは、レーザ上準位からのかなりの電子リークが見られ、従って、デバイスの電気光学特性は、室温より上の温度に極めて敏感である。特に、このようなデバイスは、３００Ｋより上で微分量子効率η_ｄの急激な低下を示し（すなわち、η_ｄの特性温度Ｔ_１が〜１４０Ｋの低い値である）、更には、３００Ｋより上で閾値電流密度Ｊ_ｔｈの比較的急速な増加を示す（すなわち、Ｊ_ｔｈの特性温度Ｔ_０が〜１４０Ｋの低い値である）。その結果、（高反射コーティングされた後端面を持つデバイスの前端面からの３００Ｋでの放射の場合の）最大ＣＷウォールプラグ効率η_{ｗｐ，ｍａｘ}は、理論的に予測される上限値である〜２８％（λ＝４．６μｍ）には遠く及ばない〜１２％の標準値を持つ。

【0002】

現状技術のＱＣＬｓは、低減された電子リークの結果として、より高いＴ_１値及びＴ_０値を示すものが開発されている。Ｊ．Ｃ．Ｓｈｉｎ等による「Ｕｌｔｒａ‐ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｅｐ‐ｗｅｌｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ（λ＝４．８μｍ） ｖｉａ ｕｐｔａｐｅｒｉｎｇ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ ｅｄｇｅ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｒｅｇｉｏｎｓ（注入領域の伝導帯端の傾斜を大きくすることにより温度依存性が極めて低く井戸が深い量子カスケードレーザ（λ＝４．８μｍ））」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌，２００９年７月２日，４５巻、１４号、を参照することができる。ところが、このようなＱＣＬｓの室温Ｊ_ｔｈ値は、レーザ遷移効率が従来のＱＣＬｓと比較して約２０％低下するので、基本的に従来のＱＣＬｓの場合と同じである。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

半導体構造、及びその半導体構造を含むレーザ装置を提供する。

【0004】

本発明の一態様により、半導体構造を提供する。この半導体構造は、電子注入部と、電子注入部に隣接する活性領域と、活性領域に隣接する電子引き抜き部と、を備える。電子注入部、活性領域、及び電子引き抜き部は、それぞれ半導体の層を有し、それらの層は、量子井戸と障壁とを交互に提供するように構成されている。活性領域は、注入障壁と、放出障壁と、注入障壁と放出障壁との間の第１の中間障壁と、注入障壁と放出障壁との間で第１の中間障壁の下流にある第２の中間障壁と、を含んでいる。放出障壁、第１の中間障壁、及び第２の中間障壁のそれぞれのエネルギーは、電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きい。更に、注入障壁のエネルギーも、電子注入部の障壁のエネルギーより大きくてもよい。そして、注入障壁のエネルギーは放出障壁のエネルギーよりも小さく、第１の中間障壁のエネルギーは第２の中間障壁のエネルギーよりも小さい。第１の中間障壁と第２の中間障壁のエネルギーは、それぞれ、注入障壁と放出障壁のエネルギーに対して相対的な値の範囲を持ち得る。

【0005】

半導体構造は、第１の中間障壁と第２の中間障壁との間に第３の中間障壁を含むことができる。第３の中間障壁のエネルギーは、電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きく、第１及び第２の中間障壁のエネルギーに対して相対的な値の範囲を仮定することができる。

【0006】

半導体構造の活性領域の障壁は、複合障壁とすることができる。半導体構造の活性領域の量子井戸は、深い量子井戸とすることができる。半導体構造は、様々な組成の量子井戸及び障壁を含むことができる。

【0007】

半導体構造の活性領域は、上位のエネルギー状態（energy state）４，５、６を含んでいる。半導体構造の活性領域は、エネルギー状態４と５の間のエネルギー差（Ｅ_５４）が少なくとも約７０ｍｅＶであることを特徴とすることができる。半導体構造の活性領域は、更に、エネルギー状態５と６の間のエネルギー差（Ｅ_６５）が少なくとも約７０ｍｅＶであることを特徴とすることができる。

【0008】

半導体構造は、中波長から長波長（すなわち３〜１２μｍ）の赤外領域の放射線を発するレーザ装置を提供するように構成することができる。このように、本発明の他の態様により、開示する半導体構造のいずれかを含むレーザ装置を提供する。レーザ装置は、室温での低い相対リーク電流値（例えば、約５％以下のＪ_ｌｅａｋ／Ｊ_ｔｈ）と、室温での低いＪ_ｔｈ値（例えば、３０段、３ｍｍ長で、コーティングされていないミラー端面を持つ装置の場合に、約１．７ｋＡ／ｃｍ^２以下）と、室温での高い最大ウォールプラグ効率（例えば、約１５％を超えるη_{ｗｐ，ｍａｘ}）とを含む優れた電気光学特性を示すことができる。

【0009】

構造の活性領域に特定の構成及び組成の障壁及び量子井戸を持つ例示的な半導体構造について、本明細書で記載する。更に、そのような構造を備えたレーザ装置の電気光学特性を提示する。

【0010】

本発明の他の主な特徴及び効果は、以下の図面、詳細な説明、及び添付の請求項をよく吟味することで、当業者には明らかになるであろう。

【0011】

本発明の例示的な実施形態について、添付の図面を参照して以下で説明する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、従来のＱＣＬについてのバンド図及び関連する波動関数を示している。

【0013】

【図2A】図２Ａは、開示する半導体構造の例示的な実施形態についてのバンド図及び関連する波動関数を示している。

【0014】

【図2B】図２Ｂは、図２Ａの半導体構造における量子井戸及び障壁のそれぞれの組成及び厚さを示している。

【0015】

【図3A】図３Ａは、開示する半導体構造の例示的な実施形態についてのバンド図及び関連する波動関数を示している。

【0016】

【図3B】図３Ｂは、図３Ａの半導体構造における量子井戸及び障壁のそれぞれの組成及び厚さを示している。

【0017】

【図4A】図４Ａは、開示する半導体構造の例示的な実施形態についてのバンド図及び関連する波動関数を示している。

【0018】

【図4B】図４Ｂは、図４Ａの半導体構造における量子井戸及び障壁のそれぞれの組成及び厚さを示している。

【0019】

【図5A】図５Ａは、開示する半導体構造の例示的な実施形態についてのバンド図及び関連する波動関数を示している。

【0020】

【図5B】図５Ｂは、図５Ａの半導体構造における量子井戸及び障壁のそれぞれの組成及び厚さを示している。

【発明を実施するための形態】

【0021】

半導体構造、及びその半導体構造を含むレーザ装置を提供する。この半導体構造により、中波長から長波長（すなわち３〜１２μｍ）の赤外線放射を発し、長時間（すなわち＞１０００時間）にわたる準連続波又は連続波（ＣＷ）動作で、高出力（すなわちワットレンジ）かつ高ウォールプラグ効率で機能するレーザ装置を提供することが可能である。このようなレーザ装置は、環境モニタリングから、爆発物の遠隔検知及び商用と軍用の両方の飛行機のミサイル回避システムに至るまで、様々な用途での使用に適している。

【0022】

本発明は、ＱＣＬｓにおける電子リークを、そのようなデバイスの活性領域において障壁及び量子井戸のある特定の構成を用いることによって実質的に抑制することができるという本発明者らの発見に、少なくとも部分的に基づくものである。これによって、開示する半導体構造のいずれかを含むレーザ装置は、従来及び現状技術のＱＣＬｓのどちらと比較した場合でも、優れた電気光学特性を示す。ほんの一例として、開示するレーザ装置のいずれかにおける電子リークは、現状技術のＱＣＬｓの約３分の１、従来のＱＣＬｓの約６分の１となり得る。室温Ｊ_ｔｈ値は、レーザ発振レベル間の行列要素を減少させる（現状技術のＱＣＬｓの課題）ことなく、現状技術及び従来のＱＣＬｓのどちらよりも約２０％小さくなり得る。低いＪ_ｔｈ値と、電子リークが実質的に抑制されることの組み合わせによって、有意に高い前端面（front-facet）又は片端面（single-facet）の室温ＣＷウォールプラグ効率（例えば約２２％）につながる。そして、ＣＷウォールプラグ効率の温度に伴う変化が、従来のＱＣＬｓに比較して約３倍遅くなり得ることで、高温かつワットレンジ出力レベルでの長期的な安定動作が可能となる。当然のことながら、上記の電気光学値は、開示するレーザ装置の単なる例示的な電気光学値にすぎない。他の値が可能である。

【0023】

開示する発明についての更なる背景を提供するため、図１は、従来のＱＣＬについてのバンド図及び関連する波動関数を示している。ＱＣＬの１段１００は、注入領域１０２と、活性領域１０４と、引き抜き領域１０６と、を含んでいる。活性領域の障壁には、注入障壁１０８と、放出障壁１１０と、中間障壁１１２と、が含まれる。電子は、注入領域における基底準位ｇから、活性領域におけるレーザ上準位４に注入される。一部の電子は、所望の波長で光を発して、レーザ下準位３に緩和する。レーザ上準位４からの一次電子リーク経路は、準位５への電子の熱励起を伴い、そこからそれらは、下位のエネルギー状態３、２、１に緩和するか、更に準位６に励起されるか、いずれかである。準位６では、電子リークは、準位３、２、１への緩和と、上位のΓミニバンド準位への励起及びその後の連続準位への励起と、そのどちらも伴う。図１は、更に、準位４と５のエネルギー差（Ｅ_５４＝４６ｍｅＶ）、準位５と６のエネルギー差（Ｅ_６５＝８０ｍｅＶ）、準位６と上位のΓミニバンドの底の準位のエネルギー差（Ｅ_ｕｍ，６＝７０ｍｅＶ）を提示している。

【0024】

開示するレーザ装置に関連する電気光学特性を算出するためには、ＱＣＬｓの閾値電流密度Ｊ_ｔｈ、微分量子効率η_ｄ、最大ウォールプラグ効率η_{ｗｐ，ｍａｘ}についての従来の等式を、電子のリーク及びバックフィリングの影響を考慮して修正する必要がある。そのような等式については、等式の導出についての詳細な解説を含めて、掲載のために２０１０年７月に受理されたＤ．Ｂｏｔｅｚ等による「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｌｅｃｔｒｏ‐ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ｍｉｄ‐ｉｎｆｒａｒｅｄ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ（中赤外放射量子カスケードレーザの主な電気光学特性の温度依存性）」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、を参照することができる。

【0025】

基本的な実施形態において、優れた電気光学特性を持つレーザ装置を提供する半導体構造は、電子注入部と、電子注入部に隣接する活性領域と、活性領域に隣接する電子引き抜き部とを含んでいる。電子注入部、活性領域、及び電子引き抜き部は、それぞれ半導体の層を含んでおり、それらの層は、量子井戸と障壁とを交互に提供するように構成されている。活性領域は、注入障壁と、放出障壁と、注入障壁と放出障壁との間の第１の中間障壁と、注入障壁と放出障壁との間で第１の中間障壁の下流にある第２の中間障壁と、を含んでいる。放出障壁、第１の中間障壁、及び第２の中間障壁のそれぞれのエネルギーは、電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きい。一部の実施形態では、注入障壁のエネルギーも、同じく電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きい。そして、注入障壁のエネルギーは放出障壁のエネルギーよりも小さく、第１の中間障壁のエネルギーは第２の中間障壁のエネルギーよりも小さい。

【0026】

活性領域の障壁のエネルギーは、その障壁の上端と、上流の隣接する量子井戸の底との間のエネルギーの差と定義することができる。例えば、図１の従来のＱＣＬでは、放出障壁１１０のエネルギーは、障壁１１０の上端と上流の隣接する量子井戸１１４の底との間のエネルギーの差である。

【0027】

第１の中間障壁と第２の中間障壁のエネルギーは、それぞれ、注入障壁と放出障壁のエネルギーに対して相対的な（すなわち、より小さい、等しい、又はより大きい）値の範囲を持ち得る。しかし、一部の実施形態では、第１の中間障壁のエネルギーは注入障壁のエネルギー以上の大きさである。他の実施形態では、第１の中間障壁のエネルギーは注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、第２の中間障壁のエネルギーは放出障壁のエネルギー以下の大きさである。更に別の実施形態では、第１の中間障壁のエネルギーは注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、第２の中間障壁のエネルギーは放出障壁のエネルギーよりも大きい。

【0028】

開示する半導体構造は、第１の中間障壁と第２の中間障壁との間に第３の中間障壁を含むことができ、この第３の中間障壁のエネルギーは、電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きい。一部の実施形態では、第１と第２の中間障壁に対し、第３の中間障壁のエネルギーは、第１の中間障壁のエネルギーから第２の中間障壁のエネルギーまでの範囲とすることができる。このような実施形態では、第１の中間障壁と第２の中間障壁のエネルギーは、上記で開示したエネルギーのいずれかとすることができる。一部の実施形態では、第１の中間障壁のエネルギーは注入障壁のエネルギーよりも大きく、第２の中間障壁のエネルギーは放出障壁のエネルギーに等しく、第３の中間障壁のエネルギーは第１の中間障壁のエネルギーに等しい。

【0029】

他の実施形態では、第１の中間障壁のエネルギーは注入障壁のエネルギーに等しく、第２の中間障壁のエネルギーは放出障壁のエネルギーに等しく、第３の中間障壁のエネルギーは第１の中間障壁のエネルギーに等しい。

【0030】

更に別の実施形態では、第１の中間障壁のエネルギーは注入障壁のエネルギーに等しく、第２の中間障壁のエネルギーは放出障壁のエネルギーよりも小さく、第３の中間障壁のエネルギーは、第１の中間障壁のエネルギーよりも大きく、かつ第２の中間障壁のエネルギーよりも小さい。

【0031】

更に別の実施形態では、第１の中間障壁のエネルギーは注入障壁のエネルギーよりも大きく、第２の中間障壁のエネルギーは放出障壁のエネルギーよりも大きく、第３の中間障壁のエネルギーは第１の中間障壁のエネルギーに等しい。

【0032】

開示する半導体構造の活性領域の障壁は、複合障壁とすることができる。複合障壁は、２つ以上の異なる半導体の障壁層からなる障壁である。複合障壁のエネルギーは、最も高いエネルギーの障壁層のエネルギーと、最も低いエネルギーの障壁層のエネルギー値との間の中間値である。例示的な複合障壁２０８を図２Ａに示している。この複合障壁は、第１の障壁層２１０と第２の障壁層２１２とを含んでいる。図２Ｂに示すように、第１の障壁層（Ａｌ_０．５６Ｉｎ_０．４４Ａｓ）と第２の障壁層（Ａｌ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ａｓ）の組成は異なる。一部の実施形態では、開示する半導体構造のいずれかにおける注入障壁は、第１の障壁層と第２の障壁層とを含む複合注入障壁である。

【0033】

開示する半導体構造の活性領域の量子井戸は、深い量子井戸とすることができる。深い量子井戸は、隣接する電子注入部の量子井戸の底よりも低いエネルギーの井戸底を持つ量子井戸である。例示的な深い量子井戸２２２を図２Ａに示している。一部の実施形態では、活性領域の量子井戸のうち少なくとも１つは、深い量子井戸である。他の実施形態では、活性領域の量子井戸の各々は、深い量子井戸である。

【0034】

開示する半導体構造は、様々な組成の量子井戸及び障壁を含むことができる。一部の実施形態では、半導体構造は、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸と、ＡｌＩｎＡｓを含む障壁と、を含んでいる。また、そのような実施形態では、半導体構造は、ＡｌＡｓを含む障壁を含むこともできる。他の実施形態では、半導体構造は、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸と、ＡｌＡｓＳｂを含む障壁と、を含んでいる。また、そのような実施形態では、半導体構造は、ＡｌＡｓを含む障壁を含むこともできる。更に別の実施形態では、半導体構造は、ＧａＡｓを含む量子井戸と、ＡｌＧａＡｓを含む障壁と、を含んでいる。更に別の実施形態では、半導体構造は、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸と、ＧａＡｓを含む量子井戸と、ＡｌＧａＡｓを含む障壁と、ＡｌＧａＡｓＰを含む障壁と、ＧａＡｓＰを含む障壁と、を含んでいる。具体的な、量子井戸及び障壁の典型例となる組成は、図２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、及び５Ｂに記載している。考えられる他の組成は、米国特許第７５５８３０５号及び第７４０３５５２号に記載されている。

【0035】

開示する半導体構造の活性領域は、上位のエネルギー状態４、５、６（例えば、図２Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａに示す例示的な実施形態を参照）を含んでおり、エネルギー状態４と５のエネルギー差はＥ_５４で表され、エネルギー状態５と６のエネルギー差はＥ_６５で表される。従来及び現状技術のＱＣＬｓと比べて、開示する半導体構造は、はるかに大きいＥ_５４値及びＥ_６５値を提供し、その結果、電子リークが実質的に抑制される。一部の実施形態では、Ｅ_５４は、少なくとも約７０ｍｅＶである。他の実施形態では、Ｅ_５４は、少なくとも約７５ｍｅＶ、又は少なくとも約８０ｍｅＶである。一部の実施形態では、Ｅ_６５は、少なくとも約７０ｍｅＶである。他の実施形態では、Ｅ_６５は、少なくとも約７５ｍｅＶ、少なくとも約８０ｍｅＶ、少なくとも約８５ｍｅＶ、少なくとも約９０ｍｅＶ、少なくとも約９５ｍｅＶ、又は少なくとも約１００ｍｅＶである。

【0036】

開示する半導体構造は、中波長から長波長（すなわち３〜１２μｍ）の赤外領域で放射するレーザ装置を提供するように構成することができる。一部の実施形態では、半導体構造は、約３μｍから約５μｍまで、約４μｍから約５μｍまで、約４．５μｍから約５μｍまで、約５μｍ超から、約８μｍ超から、又は約８μｍから約１２μｍまでの波長帯で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成される。このようにして、更に、開示する半導体構造のいずれかを含むレーザ装置が提供される。このようなレーザ装置は、複数のレーザ段（laser stage）を含み、各レーザ段は、開示する半導体構造のいずれかを有している。一部の実施形態では、レーザ装置は、少なくとも１０、少なくとも２５、少なくとも３０、又は少なくとも４０のレーザ段を含んでいる。レーザ装置は、例えば、最終電子ブラッグミラーを提供するための追加の引き抜き領域及び注入領域、横方向光導波路、基板、及びコンタクト層など、ＱＣＬ型半導体構造をレーザ装置に構成するための他の周知の構成要素を含むことができる。これらの構成要素のいくつかに関する更なる詳細については、少なくとも、Ｊ．Ｃ．Ｓｈｉｎ等による「Ｕｌｔｒａ‐ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｅｐ‐ｗｅｌｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ（λ＝４．８μｍ） ｖｉａ ｕｐｔａｐｅｒｉｎｇ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ ｅｄｇｅ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｒｅｇｉｏｎｓ（注入領域の伝導帯端の傾斜を大きくすることにより温度依存性が極めて低く井戸が深い量子カスケードレーザ（λ＝４．８μｍ））」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌，２００９年７月２日，４５巻、１４号、を参照することができる。

【0037】

上述のように、開示する半導体構造は、低い電子リークと、低い室温Ｊ_ｔｈ値と、高い最大ウォールプラグ効率とを含む優れた電気光学特性を持つ構造を備えるレーザ装置を提供することが可能である。一部の実施形態では、半導体構造は、約４μｍから約５μｍで放射するレーザ装置を提供するように構成されており、そのレーザ装置は、約５％以下、約４％以下、又は約３％以下である相対リーク電流値（Ｊ_ｌｅａｋ／Ｊ_ｔｈ）によって特徴付けられる。閾値電流密度Ｊ_ｔｈは、上記のように算出することができ、又は周知の方法を用いて実験的に決定することができる。また、電子リークＪ_ｌｅａｋは、掲載のために２０１０年７月に受理されたＤ．Ｂｏｔｅｚ等による「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｌｅｃｔｒｏ‐ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ｍｉｄ‐ｉｎｆｒａｒｅｄ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ（中赤外放射量子カスケードレーザの主な電気光学特性の温度依存性）」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、に記載されている適当な式から算出することもできる。

【0038】

一部の実施形態では、半導体構造は、約４．５μｍから約５μｍの波長帯で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されており、そのレーザ装置は、３０段、３ｍｍ長で、端面がコーティングされていない構造の場合に、約１．７ｋＡ／ｃｍ^２以下、約１．６ｋＡ／ｃｍ^２以下、約１．５ｋＡ／ｃｍ^２以下、又は約１．４ｋＡ／ｃｍ^２以下である室温Ｊ_ｔｈ値によって特徴付けられる。他の実施形態では、半導体構造は、約４．５μｍから約５μｍの波長帯で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されており、そのレーザ装置は、４０段、３ｍｍ長で、後端面が高反射コーティングされた構造の場合に、約１．０ｋＡ／ｃｍ^２以下、約０．９ｋＡ／ｃｍ^２以下、約０．８ｋＡ／ｃｍ^２以下、又は約０．７ｋＡ／ｃｍ^２以下である室温Ｊ_ｔｈ値によって特徴付けられる。

【0039】

一部の実施形態では、半導体構造は、約４．５から約５μｍの波長帯で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されており、そのレーザ装置は、約１５％超、約２０％超、又は約２２％超の室温ＣＷ最大ウォールプラグ効率（η_{ｗｐ，ｍａｘ}）を示すものである。η_{ｗｐ，ｍａｘ}値は、掲載のために２０１０年７月に受理されたＤ．Ｂｏｔｅｚ等による「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｌｅｃｔｒｏ‐ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ｍｉｄ‐ｉｎｆｒａｒｅｄ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ（中赤外放射量子カスケードレーザの主な電気光学特性の温度依存性）」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、に掲載されている適当な式から算出することができる。

【0040】

開示する半導体構造及びレーザ装置は、周知の方法を用いて形成することができる。例えば、半導体構造は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、適当な基板（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、及びＩｎＡｓ）上に成長させることができる。

【0041】

開示する半導体構造の例示的な実施形態を、図２〜５に示しており、更に以下で説明している。図２Ａは、半導体構造２００についての、７４ｋＶ／ｃｍの印加電界でのバンド図及び関連する波動関数を示している。半導体構造２００は、４．６４μｍの波長で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されている。図２Ｂは、図２Ａの半導体構造２００における量子井戸及び障壁のそれぞれの組成及び厚さを示している。

【0042】

図２Ａを参照すると、半導体構造２００は、電子注入部２０２と、活性領域２０４と、電子引き抜き部２０６と、を含んでいる。活性領域２０４は注入障壁２０８を含んでおり、それは、第１の障壁層２１０と第２の障壁層２１２とを含む複合注入障壁である。上述のように、注入障壁２０８のエネルギーは、第１の障壁層２１０のエネルギーと、第２の障壁層２１２のエネルギーとの間の中間値を持つ。更に、活性領域は、放出障壁２１４と、第１の中間障壁２１６と、第２の中間障壁２１８と、第３の中間障壁２２０と、を含んでいる。注入障壁２０８、放出障壁２１４、中間障壁２１８〜２２０のそれぞれのエネルギーは、電子注入部２０２の障壁２２４のエネルギーよりも大きい。注入障壁２０８のエネルギーは、放出障壁２１４のエネルギーよりも小さく、第１の中間障壁２１６のエネルギーは、第２の中間障壁２１８のエネルギーよりも小さい。また、第１の中間障壁２１６は注入障壁２０８よりもエネルギーが大きく、第２の中間障壁２１８は放出障壁２１４とエネルギーが等しく、第３の中間障壁２２０は第１の中間障壁２１６とエネルギーが等しい。活性領域は、更に量子井戸２２２を含み、これらは深い量子井戸である。

【0043】

図２Ａは、更に、半導体構造２００のＥ_５４値が７７ｍｅＶであり、Ｅ_６５値が７７ｍｅＶであることを示している。結果として、電子リークが大幅に抑制される。半導体構造２００を含むレーザ装置についての、計算による室温での推定相対リーク電流Ｊ_ｌｅａｋ／Ｊ_ｔｈは、約４％である。これは、現状技術のＱＣＬｓの約２分の１であり、従来のＱＣＬｓの約４分の１である。３０段、３ｍｍ長で、端面がコーティングされていない装置の場合の、計算による室温での推定Ｊ_ｔｈ値は、約１．５７ｋＡ／ｃｍ^２である。これは、現状技術及び従来のＱＣＬｓのいずれの同様の装置のパラメータよりも、約１４％小さい。一方、レーザ発振遷移の行列要素（すなわちｚ_４３）は１．４２ｎｍであり、寿命τ_４とτ_３は、それぞれ１．５４ｐｓと０．２９ｐｓである。これらの値は、従来のＱＣＬｓにおける場合と同じような値である。比較のため、現状技術のＱＣＬｓの電気光学特性は以下の通りである。室温Ｊ_ｌｅａｋ／Ｊ_ｔｈは約９％であり、３０段、３ｍｍ長で、端面がコーティングされていない装置の場合の室温Ｊ_ｔｈは約１．８３ｋＡ／ｃｍ^２であり、ｚ_４３＝１．４４ｎｍ、τ_４＝１．３７ｐｓ、τ_３＝０．３３ｐｓである。このように、半導体構造２００は、電子リークを抑制することが可能であり、また、レーザ発振レベル間の行列要素を減少させることなく、はるかに低い室温Ｊ_ｔｈ値を示すことが可能であり、これによって、高い前端面ＣＷウォールプラグ効率を提供する。

【0044】

図３Ａは、半導体構造３００についての、８２ｋＶ／ｃｍの印加電界でのバンド図及び関連する波動関数を示している。半導体構造３００は、４．６５μｍの波長で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されている。図３Ｂは、図３Ａの半導体構造３００における量子井戸及び障壁のそれぞれの組成及び厚さを示している。

【0045】

図３Ａを参照すると、半導体構造３００は、電子注入部３０２と、活性領域３０４と、電子引き抜き部３０６と、を含んでいる。活性領域３０４は、注入障壁３０８と、放出障壁３１０と、第１の中間障壁３１２と、第２の中間障壁３１４と、第３の中間障壁３１６と、を含んでいる。注入障壁３０８、放出障壁３１４、及び中間障壁３１２〜３１６のそれぞれのエネルギーは、電子注入部３０２の障壁３２０のエネルギーよりも大きい。注入障壁３０８のエネルギーは放出障壁３１０のエネルギーよりも小さく、第１の中間障壁３１２のエネルギーは第２の中間障壁３１４のエネルギーよりも小さい。また、第１の中間障壁３１２は注入障壁３０８とエネルギーが等しく、第２の中間障壁３１４は放出障壁３１０とエネルギーが等しく、第３の中間障壁３１６は第１の中間障壁３１２とエネルギーが等しい。活性領域は、更に量子井戸３１８を含み、これらは深い量子井戸である。

【0046】

図３Ａは、更に、半導体構造３００のＥ_５４値が７５ｍｅＶであり、Ｅ_６５値が８３ｍｅＶであることを示している。結果として、電子リークが大幅に抑制される。半導体構造３００を含むレーザ装置についての、計算による室温での推定相対リーク電流Ｊ_ｌｅａｋ／Ｊ_ｔｈは、約４％である。これは、現状技術のＱＣＬｓの約２分の１であり、従来のＱＣＬｓの約４分の１である。３０段、３ｍｍ長で、端面がコーティングされていない装置の場合の、計算による室温での推定Ｊ_ｔｈ値は約１．６４ｋＡ／ｃｍ^２である。これは、現状技術及び従来のＱＣＬｓのいずれの同様の装置のパラメータよりも、約１０％小さい。一方、レーザ発振遷移の行列要素（すなわちｚ_４３）は１．４５ｎｍであり、寿命τ_４とτ_３は、それぞれ１．４７ｐｓと０．３５ｐｓである。これらの値は、従来のＱＣＬｓの場合と同じような値である。このように、半導体構造３００は、電子リークを抑制することが可能であり、また、レーザ発振レベル間の行列要素を減少させることなく、はるかに低い室温Ｊ_ｔｈ値を示すことが可能であり、これによって、高い前端面ＣＷウォールプラグ効率を提供する。

【0047】

図４Ａは、半導体構造４００についての、７４ｋＶ／ｃｍの印加電界でのバンド図及び関連する波動関数を示している。半導体構造４００は、４．６０μｍの波長で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されている。図４Ｂは、図４Ａの半導体構造４００における量子井戸及び障壁のそれぞれの組成及び厚さを示している。

【0048】

図４Ａを参照すると、半導体構造４００は、電子注入部４０２と、活性領域４０４と、電子引き抜き部４０６と、を含んでいる。活性領域４０４は、注入障壁４０８と、放出障壁４１０と、第１の中間障壁４１２と、第２の中間障壁４１４と、第３の中間障壁４１６と、を含んでいる。注入障壁４０８、放出障壁４１０、中間障壁４１２〜４１６のそれぞれのエネルギーは、電子注入部４０２の障壁４２０のエネルギーよりも大きい。注入障壁４０８のエネルギーは放出障壁４１０のエネルギーよりも小さく、第１の中間障壁４１２のエネルギーは第２の中間障壁４１４のエネルギーよりも小さい。第１の中間障壁４１２は注入障壁４０８とエネルギーが等しく、第２の中間障壁４１４のエネルギーは放出障壁４１０のエネルギーよりも小さく、第３の中間障壁４１６のエネルギーは、第１の中間障壁４１２のエネルギーよりも大きく、かつ第２の中間障壁４１４のエネルギーよりも小さい。活性領域は、更に量子井戸４１８を含み、これらは深い量子井戸である。

【0049】

図４Ａは、更に、半導体構造４００のＥ_５４値が８４ｍｅＶであり、Ｅ_６５値が１０１ｍｅＶであることを示している。これらは、任意のタイプのＱＣＬ装置で達成されるそのような値の最も大きな値である。結果として、電子リークが大幅に抑制される。具体的には、半導体構造４００を含むレーザ装置についての、計算による室温での相対リーク電流Ｊ_ｌｅａｋ／Ｊ_ｔｈは、約２．７％である。これは、現状技術のＱＣＬｓの約３分の１であり、従来のＱＣＬｓの約６分の１である。半導体構造４００を含む、３０段、３ｍｍ長で、端面がコーティングされていないレーザ装置の場合の、計算による室温でのＪ_ｔｈ値は、約１．５ｋＡ／ｃｍ^２である。これは、現状技術及び従来のＱＣＬｓのいずれの同様の装置のパラメータよりも、約１８％小さい。一方、レーザ発振遷移の行列要素（すなわちｚ_４３）は１．４ｎｍであり、寿命τ_４とτ_３は、それぞれ１．５９ｐｓと０．３６ｐｓである。これらの値は、従来のＱＣＬｓの場合と同じような値である。

【0050】

低いＪ_ｔｈ値と、電子リークが実質的に抑制されることの組み合わせによって、有意に高い室温ＣＷウォールプラグ効率につながる。具体的には、半導体構造４００を含み、後端面が高反射コーティングされた装置の前端面放射出力についての推定室温パルスη_{ｗｐ，ｍａｘ}（すなわち有効出力）は、約２２．７％である。これは、これまでに公表された片端面出力の最高のパルスη_{ｗｐ，ｍａｘ}値よりも約１．６倍高い。Ｒ．Ｍａｕｌｉｎｉ等によるＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌，９５巻、１５１１１２（２００９年）を参照することができる。半導体構造４００を含む、４０段、３ｍｍ長で、後端面が高反射コーティングされたレーザ装置の前端面の推定室温ＣＷη_{ｗｐ，ｍａｘ}は、約２１．５％である。これは、あらゆるタイプのＱＣＬでこれまでに得られた最高の室温ＣＷη_{ｗｐ，ｍａｘ}値の約２倍である。そして、温度に伴うＣＷウォールプラグ効率の変化は、従来のＱＣＬｓに比べて約３倍遅い。

【0051】

図５Ａは、半導体構造５００についての、７４ｋＶ／ｃｍの印加電界でのバンド図及び関連する波動関数を示している。半導体構造５００は、４．６μｍの波長で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されている。図５Ｂは、図５Ａの半導体構造５００における量子井戸及び障壁のそれぞれの組成及び厚さを示している。

【0052】

図５Ａを参照すると、半導体構造５００は、電子注入部５０２と、活性領域５０４と、電子引き抜き部５０６と、を含んでいる。活性領域５０４は注入障壁５０８を含み、これは、第１の障壁層５１０と第２の障壁層５１２とからなる複合障壁である。上述のように、注入障壁５０８のエネルギーは、第１の障壁層５１０のエネルギーと第２の障壁層５１２のエネルギーとの間の中間値を持つ。更に、活性領域は、放出障壁５１４と、第１の中間障壁５１６と、第２の中間障壁５１８と、第３の中間障壁５２０と、を含んでいる。注入障壁５０８、放出障壁５１４、及び中間障壁５１６〜５２０のそれぞれのエネルギーは、電子注入部５０２の障壁５２４のエネルギーよりも大きい。注入障壁５０８のエネルギーは放出障壁５１４のエネルギーよりも小さく、第１の中間障壁５１６のエネルギーは第２の中間障壁５１８のエネルギーよりも小さい。第１の中間障壁５１６のエネルギーは注入障壁５０８のエネルギーよりも大きく、第２の中間障壁５１８のエネルギーは放出障壁５１４のエネルギーよりも大きく、第３の中間障壁５２０は第１の中間障壁５１６とエネルギーが等しい。活性領域は、更に量子井戸５２２を含み、これらは深い量子井戸である。

【0053】

図５Ａは、更に、半導体構造５００のＥ_５４値が７９ｍｅＶであり、Ｅ_６５値が７３ｍｅＶであることを示している。結果として、電子リークが大幅に抑制される。半導体構造５００を含むレーザ装置についての、計算による室温での推定相対リーク電流Ｊ_ｌｅａｋ／Ｊ_ｔｈは約３．５％である。これは、現状技術のＱＣＬｓの約２．５分の１であり、従来のＱＣＬｓの約４分の１である。３０段、３ｍｍ長で、端面がコーティングされていない装置の場合の、計算による室温での推定Ｊ_ｔｈ値は、約１．３６ｋＡ／ｃｍ^２である。これは、現状技術及び従来のＱＣＬｓのいずれの同様の装置のパラメータよりも約２６％小さい。４０段、３ｍｍ長で、後端面が高反射コーティングされた装置の場合の、計算による室温での推定Ｊ_ｔｈ値は更に低く、約０．６７ｋＡ／ｃｍ^２である。また、レーザ発振遷移の行列要素（すなわちｚ_４３）は１．４ｎｍであり、寿命τ_４とτ_３は、それぞれ１．７７ｐｓと０．３４ｐｓである。このように、半導体構造５００は、電子リークを抑制することが可能であり、また、レーザ発振レベル間の行列要素を減少させることなく、はるかに低い室温Ｊ_ｔｈ値を示すことが可能であり、これによって、高い前端面ＣＷウォールプラグ効率を提供する。具体的には、半導体構造５００を含む、４０段、３ｍｍ長で、後端面が高反射コーティングされたレーザ装置の場合の、推定される前端面室温ＣＷη_{ｗｐ，ｍａｘ}は２２％である。

【0054】

本開示の目的では、特に指定がなければ、“ａ”又は“ａｎ”は、「１つ又は複数の」を意味する。更に、「及び」もしくは「又は」を用いるときは、特に指定がなければ、「及び／又は」を含むものとする。

【0055】

本明細書で引用した全ての特許、出願、参考文献、及び刊行物は、それらが個々に参照により組み込まれるのと同じ程度に、その全体が参照により組み込まれる。

【0056】

当業者であれば分かるように、あらゆる目的のため、特に書面による明細書において、本書で開示する全ての範囲（ｒａｎｇｅ）は、その考え得るあらゆる部分範囲（ｓｕｂｒａｎｇｅ）、及び部分範囲の組み合わせも含むものである。記載した範囲はいずれも、その範囲を少なくとも２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分などすることを十分に示すものとして、またそのような等分が可能なものとして、容易に認められる。限定するものではない例として、本明細書で記載した範囲はそれぞれ、下側３分の１と、真ん中の３分の１と、上側３分の１などに、容易に分割することができる。また、やはり当業者であれば分かるように、「最大で（ｕｐ ｔｏ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」、「より大きい（ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ）」、「より小さい（ｌｅｓｓ ｔｈａｎ）」などの表現は全て、記載した数値を含むものであり、上述のように後に部分範囲に分割することが可能な範囲を指している。更に、当業者であれば分かるように、範囲は、１つ１つの要素を含むものである。

【0057】

本発明は、特に、本明細書に記載の実施形態及び実例に限定されるものではなく、それらの実施形態の変形を含むものであり、それには、それらの実施形態の部分、及び異なる実施形態の要素の組み合わせで、以下の請求項の範囲内にあるものが含まれる。

本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕半導体構造であって、
電子注入部と、前記電子注入部に隣接する活性領域と、前記活性領域に隣接する電子引き抜き部とを備え、
前記電子注入部、前記活性領域及び前記電子引き抜き部は、それぞれ半導体の層を有し、それらの層は、量子井戸と障壁とを交互に提供するように構成されており、
前記活性領域は、注入障壁と、放出障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間の第１の中間障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間で前記第１の中間障壁の下流にある第２の中間障壁とを含み、
前記注入障壁、前記放出障壁、前記第１の中間障壁及び前記第２の中間障壁のそれぞれのエネルギーは、前記電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きく、
また、前記注入障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第１の中間障壁のエネルギーは前記第２の中間障壁のエネルギーよりも小さい、
半導体構造。
〔２〕前記第１の中間障壁のエネルギーは、前記注入障壁のエネルギー以上の大きさである、前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔３〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギー以下の大きさである、
前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔４〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも大きい、
前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔５〕前記第１の中間障壁と前記第２の中間障壁との間に第３の中間障壁を更に含み、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きい、前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔６〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第３の中間障壁のエネルギーは、前記第１の中間障壁のエネルギーから前記第２の中間障壁のエネルギーまでの範囲にある、
前記〔５〕に記載の半導体構造。
〔７〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギー以下の大きさであり、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記第１の中間障壁のエネルギーから前記第２の中間障壁のエネルギーまでの範囲にある、
前記〔５〕に記載の半導体構造。
〔８〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギー以上の大きさであり、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも大きく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記第１の中間障壁のエネルギーから前記２の中間障壁のエネルギーまでの範囲にある、
前記〔５〕に記載の半導体構造。
〔９〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギーよりも大きく、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーに等しく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記第１の中間障壁のエネルギーに等しい、
前記〔５〕に記載の半導体構造。
〔１０〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギーに等しく、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーに等しく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記第１の中間障壁のエネルギーに等しい、
前記〔５〕に記載の半導体構造。
〔１１〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギーに等しく、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは、前記第１の中間障壁のエネルギーよりも大きく、かつ前記第２の中間障壁のエネルギーよりも小さい、
前記〔５〕に記載の半導体構造。
〔１２〕前記第１の中間障壁のエネルギーは前記注入障壁のエネルギーよりも大きく、
前記第２の中間障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも大きく、
前記第３の中間障壁のエネルギーは前記第１の中間障壁のエネルギーに等しい、
前記〔５〕に記載の半導体構造。
〔１３〕前記注入障壁は、第１の障壁層と第２の障壁層とを含む複合注入障壁である、前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔１４〕前記活性領域の量子井戸のうち少なくとも１つは、深い量子井戸である、前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔１５〕前記活性領域の量子井戸は全て、深い量子井戸である、前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔１６〕当該半導体構造は、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸と、ＡｌＩｎＡｓを含む障壁とを含む、前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔１７〕前記活性領域は上位のエネルギー状態４、５、６を含み、エネルギー状態４と５の間のエネルギー差（Ｅ₅₄）は少なくとも約７０ｍｅＶである、前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔１８〕更に、エネルギー状態５と６の間のエネルギー差（Ｅ₆₅）は少なくとも約７０ｍｅＶである、前記〔１７〕に記載の半導体構造。
〔１９〕更に、エネルギー状態５と６の間のエネルギー差（Ｅ₆₅）は少なくとも約１００ｍｅＶである、前記〔１７〕に記載の半導体構造。
〔２０〕当該半導体構造は、約４μｍから約５μｍの波長帯で放射線を発するレーザ装置を提供するように構成されている、前記〔１〕に記載の半導体構造。
〔２１〕当該半導体構造は、約５％以下である室温相対リーク電流値（Ｊ_leak／Ｊ_th）を特徴とするレーザ装置を提供するように構成されている、前記〔２０〕に記載の半導体構造。
〔２２〕当該半導体構造は、約２０％より高い前端面室温連続波最大ウォールプラグ効率（η_wp,max）を示すレーザ装置を提供するように構成されている、前記〔２０〕に記載の半導体構造。
〔２３〕半導体構造であって、
電子注入部と、前記電子注入部に隣接する活性領域と、前記活性領域に隣接する電子引き抜き部とを備え、
前記電子注入部、前記活性領域及び前記電子引き抜き部は、それぞれ半導体の層を有し、それらの層は、量子井戸と障壁とを交互に提供するように構成されており、
前記活性領域は、注入障壁と、放出障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間の第１の中間障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間で前記第１の中間障壁の下流にある第２の中間障壁とを含み、
前記放出障壁、前記第１の中間障壁及び前記第２の中間障壁のそれぞれのエネルギーは、前記電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きく、
また、前記注入障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第１の中間障壁のエネルギーは前記第２の中間障壁のエネルギーよりも小さく、
更に、当該半導体構造は、約５μｍより大きい波長で放射するレーザ装置を提供するように構成されている、半導体構造。
〔２４〕当該半導体構造は、約８μｍより大きい波長で放射するレーザ装置を提供するように構成されている、前記〔２３〕に記載の半導体構造。
〔２５〕複数のレーザ段を含むレーザ装置であって、各レーザ段は、前記〔２３〕に記載の半導体構造を含む、レーザ装置。
〔２６〕複数のレーザ段を含むレーザ装置であって、
各レーザ段は半導体構造を含み、
該半導体構造は、
電子注入部と、前記電子注入部に隣接する活性領域と、前記活性領域に隣接する電子引き抜き部とを備え、
前記電子注入部、前記活性領域及び前記電子引き抜き部は、それぞれ半導体の層を有し、それらの層は、量子井戸と障壁とを交互に提供するように構成されており、
前記活性領域は、注入障壁と、放出障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間の第１の中間障壁と、前記注入障壁と前記放出障壁との間で前記第１の中間障壁の下流にある第２の中間障壁とを含み、
前記注入障壁、前記放出障壁、前記第１の中間障壁及び前記第２の中間障壁のそれぞれのエネルギーは、前記電子注入部の障壁のエネルギーよりも大きく、
また、前記注入障壁のエネルギーは前記放出障壁のエネルギーよりも小さく、
前記第１の中間障壁のエネルギーは前記第２の中間障壁のエネルギーよりも小さい、
レーザ装置。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】