特許 6371332 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】6371332

(24)【登録日】2018年7月20日

(45)【発行日】2018年8月8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 20060101AFI20180730BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/343 610

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-101182(P2016-101182)

(22)【出願日】2016年5月20日

(65)【公開番号】特開2017-208497(P2017-208497A)

(43)【公開日】2017年11月24日

【審査請求日】2017年4月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005049

【氏名又は名称】シャープ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小谷 晃央

(72)【発明者】

【氏名】荒川 泰彦

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０４２５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１８６４６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１５１２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０６０３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５４９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７７３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５２５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３３８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２５９９８３（ＵＳ，Ａ１）

(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】

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、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を備え、
前記活性層に含まれる複数の前記単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、緩和準位として機能し、前記発光上準位と前記発光下準位とのエネルギー差（Ｅ_ＵＬ）よりも小さなエネルギー間隔で存在する２以上のエネルギー準位から構成される緩和ミニバンドとを有し、前記緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、縦光学フォノンのエネルギー（Ｅ_ＬＯ）から、前記発光上準位と前記発光下準位の差（Ｅ_ＵＬ）を引いたエネルギー（Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ）よりも小さく設定され（Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ）、
前記量子井戸発光層における前記発光上準位から前記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るとともに、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記注入層に含まれる前記緩和ミニバンド内を緩和して、前記注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入されるように構成され、
前記単位積層体が、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により表される材料からなる、量子カスケードレーザ。

【請求項2】

前記緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、縦光学フォノンのエネルギー（Ｅ_ＬＯ）から、前記発光上準位と前記発光下準位とのエネルギー差（Ｅ_ＵＬ）と、ボルツマン定数（ｋ）と量子カスケードレーザの温度（Ｔ）との積により求められる温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）を引いたエネルギーよりも小さい（Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ−Ｅ_ｋＴ）、請求項１に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項3】

前記緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、ボルツマン定数（ｋ）と量子カスケードレーザの温度（Ｔ）との積により求められる温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）よりも大きい（Ｅ_ＭＢ＞Ｅ_ｋＴ）、請求項１または２に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項4】

前記緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、２６ｍｅＶよりも大きい（Ｅ_ＭＢ＞２６ｍｅＶ）、請求項３に記載の量子カスケードレーザ。

【請求項5】

前記半導体基板がＧａＮからなり、その上面とＧａＮのｍ面（｛１−１００｝面）との成す角度が−５度以上であり、かつ＋５度以内である、請求項１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）は赤外領域からテラヘルツ帯（３００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）までの電磁波を高出力で発生可能な光源として期待されており、その研究開発は近年加速している。特にテラヘルツ帯の電磁波を発生可能な光源としては、ＱＣＬを除いて有望な光源（化合物半導体からなる小型の光源）は存在しない。そのため、ＱＣＬは、テラヘルツ帯の電磁波を発生可能な最も有望な光源として期待されている。このようなＱＣＬでは、化合物半導体からなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造の伝導帯サブバンド間又は価電子帯サブバンド間に反転分布を形成することによりレーザ発振が起こる。

【0003】

従来、ＧａＡｓ系材料、ＩｎＰ系材料又はＧａＳｂ系材料のいずれかを用いてテラヘルツ帯の電磁波を発生可能なＱＣＬを製造することが多かった。しかし、いずれの材料を用いた場合であっても、２００Ｋ以上の温度でのレーザ発振は報告されていない。

【0004】

２００Ｋ以上の温度でのレーザ発振を妨げている要因は、熱励起フォノン散乱である。熱励起フォノン散乱とは、レーザ上準位にある電子又は正孔（キャリア）が熱によって面内の運動エネルギーを得た結果、キャリアのエネルギーとレーザ下準位とのエネルギー差が縦光学（ＬＯ：Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ）フォノンの振動エネルギー以上になったときに、ＬＯフォノンにより散乱されて非輻射的にレーザ下準位に緩和することをいう。

【0005】

例えば約３ＴＨｚ（約１３ｍｅＶ）の電磁波を発生させるＱＣＬ（量子井戸層としてＧａＡｓ層を含む）では、レーザ上準位とレーザ下準位とのエネルギー差は約１３ｍｅＶ（レーザ発振波長に相当するエネルギー）である。低温では、キャリアは、レーザ上準位のエネルギーバンドの底部分に多く存在する。そのため、２００Ｋ未満の温度では、レーザ上準位に存在するキャリアのうち、ＬＯフォノンにより散乱されてレーザ下準位に遷移する割合は、誘導放出により遷移する割合よりも十分に小さい。

【0006】

しかしながら、温度が上昇すると、キャリアは熱により励起され、その分布は例えば擬フェルミ分布に近づく。熱によりレーザ上準位のエネルギーバンドの底部分よりも上の準位に励起されたキャリアのエネルギーとレーザ下準位のエネルギーとの差が、そのＱＣＬの量子井戸層を構成する化合物半導体のＬＯフォノンの振動エネルギーに一致すると、熱により励起されたキャリアはＬＯフォノンにより散乱されてレーザ下準位に遷移する。この遷移は、レーザ上準位からレーザ下準位への誘導放出よりも高い確率で起こる。つまり、熱により励起されたキャリアは、電磁波の発生によってではなくＬＯフォノンによる散乱によってエネルギーを失う。それだけでなく、熱により励起されたキャリアがＬＯフォノンにより散乱されてレーザ下準位に遷移すると、エネルギーを失ったキャリアがレーザ下準位を占有するので、反転分布の発生が抑制される。これらのことから、レーザ発振が抑制される。

【0007】

例えば、上述のＱＣＬでは、レーザ上準位に存在するキャリアが熱によって約２３ｍｅＶのエネルギーを得ると、ＬＯフォノンによる散乱（非輻射遷移）が支配的となり、よって、レーザ発振が抑制される。ここで、ＬＯフォノンの振動エネルギーは材料に固有の物性値である。そのため、テラヘルツ帯の電磁波を発生可能なＱＣＬにおいて量子井戸層としてＬＯフォノン振動エネルギーが約３６ｍｅＶであるＧａＡｓ層を用いると、そのＱＣＬを室温（３００Ｋ（約２６℃））で動作させることは困難であった。

【0008】

特開２０１３−１７１８４２号公報（特許文献１）には、テラヘルツ帯の電磁波を発生可能なＱＣＬにおいて量子井戸層としてＧａＡｓとは異なる化合物半導体からなる層を用いることが提案されている。特許文献１では、量子井戸層としてＧａＮ層が用いられている。ＧａＮのＬＯフォノンの振動エネルギーは９２ｍｅＶ程度である。そのため、上述の熱励起フォノン散乱の発生を防止できると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０１３−１７１８４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

図７に、特許文献１に開示されたＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬのサブバンド構造を示す（特許文献１の図１３に対応）。このＧａＮ系ＴＨｚ−ＱＣＬでは、ｃ面ＧａＮ層の上面にＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のＭＱＷ構造が形成されており、図７には、レーザ発振可能な程度にバイアス電圧が印加された状態のサブバンド構造を示す。図７に１ｕｎｉｔとして示されているのはＱＣＬの１周期である。ＱＣＬの１周期には、２つの量子井戸層が含まれている。レーザ発振可能な程度にバイアス電圧が印加された状態では、電子は、左側の量子井戸のエネルギー準位（３）から右側の量子井戸層のエネルギー準位（２）に発光遷移を生じ、エネルギー準位（２）の電子はＬＯフォノン散乱によりエネルギー準位（１）へと高速に緩和する。この機構を利用するため、エネルギー準位（２）とエネルギー準位（１）との差はＧａＮの縦光学フォノン（ＬＯフォノン）エネルギーに相当する約９２ｍｅＶの差が設けられている。ＴＨｚ帯の発光エネルギーは４〜４５ｍｅＶ程度の間であることから、ＧａＮのＬＯフォノンエネルギーは、ＴＨｚ帯の発光エネルギーよりも大きく、仮に発光エネルギーを３ＴＨｚ（約１３ｍｅＶ）とすれば、発光エネルギーの約７倍ものエネルギーをＬＯフォノン散乱により失うことになる。このことはつまり、ＱＣＬの駆動に投入された電力のうちの大半はフォノン散乱、つまり、熱となって消費されてしまい、特許文献１に示された構造、一般的にはフォノン共鳴引き抜き構造（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｈｏｎｏｎ Ｄｅｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）ではデバイスの電力効率が低くなってしまうという問題があった。

【0011】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、室温でも安定にレーザ発振可能なＴＨｚ−ＱＣＬを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）は、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、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を備え、前記活性層に含まれる複数の前記単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、緩和準位として機能し、前記発光上準位と前記発光下準位とのエネルギー差（Ｅ_ＵＬ）よりも小さなエネルギー間隔で存在する２以上のエネルギー準位から構成される緩和ミニバンドとを有し、前記緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、縦光学フォノンのエネルギー（Ｅ_ＬＯ）から、前記発光上準位と前記発光下準位の差（Ｅ_ＵＬ）を引いたエネルギー（Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ）よりも小さく設定され（Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ）、前記量子井戸発光層における前記発光上準位から前記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るとともに、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記注入層に含まれる前記緩和ミニバンド内を緩和して、前記注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入されるように構成されたことを特徴とする。

【0013】

本発明のＱＣＬは、前記緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、縦光学フォノンのエネルギー（Ｅ_ＬＯ）から、前記発光上準位と前記発光下準位とのエネルギー差（Ｅ_ＵＬ）と、ボルツマン定数（ｋ）と温度（Ｔ）との積により求められる温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）を引いたエネルギーよりも小さい（Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ−Ｅ_ｋＴ）ことが好ましい。

【0014】

本発明のＱＣＬは、前記緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、ボルツマン定数（ｋ）と温度（Ｔ）との積により求められる温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）よりも大きい（Ｅ_ＭＢ＞Ｅ_ｋＴ）ことが好ましい。

【0015】

本発明のＱＣＬは、前記緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、２６ｍｅＶよりも大きい（Ｅ_ＭＢ＞２６ｍｅＶ）ことが好ましい。

【0016】

本発明のＱＣＬは、前記単位積層体が、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により表される材料からなることが好ましい。

【0017】

本発明のＱＣＬにおいて、前記半導体基板がＧａＮからなり、その上面とＧａＮのｍ面（｛１−１００｝面）との成す角度が−５度以上であり、かつ＋５度以内であることが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、室温（３００Ｋ（約２６℃））でも安定にレーザ発振させることができ、かつ低消費電力なＱＣＬを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態のＱＣＬの断面図である。

【図2】本発明の一実施形態の活性層のエネルギーバンド構造及び波動関数の形状を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態の電子の流れを示す図である。

【図4】本発明の一実施形態のミニバンド幅の設計指針を示す図である。

【図5】本発明の一実施形態のミニバンド幅の設計指針を示す図である。

【図6】本発明の一実施形態のＱＣＬの断面図である。

【図7】特許文献１に開示されたＱＣＬのエネルギー状態を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明について図面を用いて説明する。以下では、テラヘルツ帯の電磁波を発生させるＱＣＬについて示すが、本発明のＱＣＬはテラヘルツ帯の電磁波を発生させるＱＣＬに限定されない。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

【0021】

［第１の実施形態］
≪ＱＣＬの構造≫
図１は、本発明の第１の実施形態のＱＣＬ１０の断面図である。図１に示す例のＱＣＬ１０は、半導体基板１００と、半導体基板１００の上面に設けられた歪緩和層１０１と、第１コンタクト層１１と、第１コンタクト層１１の上面に設けられた活性層１２と、活性層１２の上面に設けられた第２コンタクト層１３と、第２コンタクト層１３の上面に接する上部電極（第２電極）１４と、第１コンタクト層１１に接し、活性層１２と並ぶように設けられる下部電極（第１電極）１５とを備える。活性層１２は、２つ以上の活性層ユニットが積層されて構成されている。活性層ユニットのそれぞれは、井戸層とバリア層とを少なくとも１層ずつ有し、井戸層とバリア層とが交互に積層されて構成されている。

【0022】

ＱＣＬ１０では、幅が例えば１００μｍのメサ形状となるように第１コンタクト層の上面側の一部と活性層１２と第２コンタクト層１３とがエッチングされており、これにより導波路が形成されている。ＱＣＬ１０の用途に応じて導波路の幅を変更することができ、「１００μｍ」はテラヘルツ帯の電磁波のシングルモード発振が可能な導波路の幅の一例に過ぎない。

【0023】

＜半導体基板＞
半導体基板１００は、化合物半導体（第１化合物半導体）からなる。第１化合物半導体は、好ましくは一般式Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）で表される。より好ましくは、第１化合物半導体は、後述の量子井戸発光層に用いられる材料の格子定数に近い格子定数を有する材料であり、つまり、ＧａＮ、ＩｎＮ、後述の第４化合物半導体、又は、ＧａＮ又はＩｎＮの格子定数と第４化合物半導体の格子定数との間の格子定数を有する材料である。

【0024】

例えば、半導体基板１００は、ｍ面（｛１−１００｝面）自立ＧａＮ基板であることが好ましい。より好ましくは、半導体基板１００は、その上面が面方位（１−１００）を有するようにカットされた後に研磨されたｍ面自立ＧａＮ基板である。これにより、結晶品質に優れたＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のＭＱＷ構造を成長させることができる。半導体基板１００は、ＧａＮからなり、その上面とＧａＮのｍ面（｛１−１００｝面）との成す角度が−５度以上であり、かつ＋５度以内（さらに好ましくは−１度以上であり、かつ＋１度以内）であることが好ましい。この場合であっても結晶品質に優れたＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のＭＱＷ構造を成長させることができることを本発明者らは確認している。

【0025】

＜歪緩和層＞
歪緩和層１０１は、単一層の化合物半導体または、異なる組成を有する複数層の化合物半導体（まとめて化合物半導体群）からなる。後述の活性層１２に含まれるＡｌＧａＮ層に発生する引張り歪を低減させる目的で、半導体基板１００の格子定数を緩和させる目的で設けられる。歪緩和層１０１は、好ましくは一般式Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）で表される化合物半導体を複数組み合わせる。より好ましくは、約２５ｎｍのＡｌＮ層と約１μｍのＡｌＧａＮ層の２層構造である。２層目のＡｌＧａＮ層の好ましい構成は、後述の第４化合物半導体の組成と略同一であり、例えば、Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎであることが最も好ましい。

【0026】

＜コンタクト層＞
第１コンタクト層１１は、下部電極１５と良好なオーミックコンタクトを取ることが求められる。さらに、活性層１２に光を閉じ込めることができるよう、発光する波長の光を強く吸収することが求められる。このような目的を果たすために、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）を含むことが好ましい。これにより、第１コンタクト層１１自体の抵抗を低減でき、また、第１コンタクト層１１と下部電極１５との接触抵抗も低減できる。さらに、フリーキャリア吸収によりテラヘルツ帯の電磁波を吸収する。第１コンタクト層１１におけるｎ型ドーパント濃度は、好ましくは１×１０^１７／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３以下であり、より好ましくは１×１０^１７／ｃｍ^３以上３×１０^１８／ｃｍ^３以下である。

【0027】

このような第１コンタクト層１１の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、より好ましくは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

【0028】

＜活性層＞
（井戸層）
活性層１２は２以上の量子井戸により構成される活性層ユニットが複数繰り返し積層されることで形成される。量子井戸は井戸層とバリア層を交互に積層することにより形成される。井戸層は化合物半導体（第３化合物半導体）からなる。第３化合物半導体は、後述のバリア層に用いられる第４化合物半導体よりも小さなバンドギャップを有する材料であり、好ましくは一般式Ａｌ_ｘ３Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{（１−ｘ３−ｙ３）}Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）で表され、より好ましくはＧａＮ、又は、半導体基板１００の材料である第１化合物半導体の格子定数と近い格子定数を有するようにｘ３及びｙ３の少なくとも１つが調整されたＡｌ_ｘ３Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{（１−ｘ３−ｙ３）}Ｎである。半導体基板１００がｍ面自立ＧａＮ基板などのＧａＮ基板である場合には、第３化合物半導体はＧａＮであることが好ましい。これにより、ＧａＮからなる量子井戸層の結晶品質を高めることができる。

【0029】

（バリア層）
バリア層は化合物半導体（第４化合物半導体）からなる。第４化合物半導体は前述の第３化合物半導体よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましく、好ましくは一般式Ａｌ_ｘ４Ｉｎ_ｙ４Ｇａ_{（１−ｘ４−ｙ４）}Ｎ（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１）で表される。より好ましくはＡｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎである。

【0030】

（活性層全体）
活性層ユニット内では、複数の量子井戸（バリア層と井戸層を交互に積層させた構造）を並べることにより複数の量子準位（電子が井戸層内に閉じ込められることにより量子化された結果発現する準位）を結合させてミニバンドと呼ばれる状態を形成させる。ここで、好適な活性層ユニットの一例を示す。活性層ユニットは合計１８層（井戸層９層、バリア層９層）から成り、下記の通り表される。（ａ）〜（ｉ）は後述の説明に用いるために付与している。

【0031】

・第１層（ａ） ：ＧａＮ ９．２ｎｍ
・第２層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ ２．４ｎｍ
・第３層（ｂ） ：ＧａＮ １６．５ｎｍ
・第４層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ １．５ｎｍ
・第５層（ｃ） ：ＧａＮ １０．８ｎｍ
・第６層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ １．０ｎｍ
・第７層（ｄ） ：ＧａＮ ９．５ｎｍ
・第８層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ ０．６ｎｍ
・第９層（ｅ） ：ＧａＮ ９．５ｎｍ
・第１０層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ ０．６ｎｍ
・第１１層（ｆ）：ＧａＮ ９．５ｎｍ
・第１２層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ ０．６ｎｍ
・第１３層（ｇ）：ＧａＮ ９．５ｎｍ
・第１４層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ ０．６ｎｍ
・第１５層（ｈ）：ＧａＮ ９．５ｎｍ
・第１６層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ ０．６ｎｍ
・第１７層（ｉ）：ＧａＮ ９．５ｎｍ
・第１８層 ：Ａｌ_{０．１４５}Ｇａ_{０．８５５}Ｎ ３．２ｎｍ
なお、上述の活性層ユニット構成は一例であり、活性層ユニットのそれぞれにおける井戸層の層数及びバリア層の層数及び層厚は特に限定されない。また、第１１層にはドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）が５×１０^１７ｃｍ^−３の濃度でドーピングされている。

【0032】

活性層１２は活性層ユニットを繰り返し形成することによって得られ、その厚さは、好ましくは０．５μｍ以上１００μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下である。

【0033】

＜第２コンタクト層＞
第２コンタクト層１３は、化合物半導体（第５化合物半導体）からなる。第５化合物半導体は、好ましくは一般式Ａｌ_ｘ５Ｉｎ_ｙ５Ｇａ_{（１−ｘ５−ｙ５）}Ｎ（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１）で表される。より好ましくは、第５化合物半導体は、ＧａＮである。

【0034】

第２コンタクト層１３は、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）を含むことが好ましい。これにより、第２コンタクト層１３自体の抵抗を低減でき、また、第２コンタクト層１３と上部電極１４との接触抵抗も低減できる。第２コンタクト層１３におけるｎ型ドーパント濃度は、好ましくは１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、より好ましくは１×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３以下である。

【0035】

このような第２コンタクト層１３の厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、より好ましくは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

【0036】

＜上部電極、下部電極＞
上部電極１４は、第２コンタクト層１３とは良好なオーミック特性を有する金属材料からなることが好ましく、例えば、Ｔｉ層とＡｌ層とが積層されて構成されたオーミック電極である。上部電極１４は、Ｔｉ及びＡｌとは異なる金属からなっても良いし、透明な酸化物電極であっても良い。

【0037】

下部電極１５は、第１コンタクト層１１とは良好なオーミック特性を有する金属材料からなることが好ましく、例えば、Ｔｉ層とＡｌ層とが積層されて構成されたオーミック電極である。下部電極１５は、Ｔｉ及びＡｌとは異なる金属からなっても良いし、透明な酸化物電極であっても良い。

【0038】

≪効果の検証≫
シミュレーションによって本実施形態の効果を検証した。このシミュレーションでは、電子のハミルトニアンとして単一バンドハミルトニアンを仮定し、活性層ユニット当たりに約４５ｍＶのバイアス電圧を印加した場合の電子のポテンシャルエネルギー及び波動関数を算出した。その計算結果を図２に示す。

【0039】

図２では、横軸には活性層の厚さ方向における位置を表し、縦軸には電子のポテンシャルエネルギーを表す。図２に示されるように、本発明における活性層１２は、量子井戸発光層（発光層）及び注入層からなる単位積層体（活性層ユニット）が多段に積層され、前記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。図２において、発光層および注入層を含む、点線で囲まれた「１周期」が１つの活性層ユニットを表す。太線で描かれたエネルギー準位Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ１’，Ｌ２’，Ｌ３’が光学遷移、つまり発光に関わるエネルギー準位である。縦軸の値が電子のポテンシャルエネルギーを表し、その形状が波動関数の形状を表す。また、上記Ｌ１〜Ｌ３、Ｌ１’〜Ｌ３’以外の光学遷移に関わらないエネルギー準位についても細線を用いて図示してある（記号の付与はせず）。

【0040】

図２に示したとおり、合計１８層の活性層ユニットは多くのエネルギー準位を含む。まず、図２の井戸層（ａ）および（ｂ）に主に電子が存在するエネルギー準位Ｌ１〜Ｌ３は光学遷移に関わるエネルギー準位である。エネルギー準位Ｌ１，Ｌ２はレーザ上準位（発光上準位）であり、エネルギー準位Ｌ１，Ｌ２に注入された電子は光を放出しながらレーザ下準位（発光下準位）であるエネルギー準位Ｌ３へと緩和する。このとき、エネルギー準位Ｌ１，Ｌ２とエネルギー準位Ｌ３とのエネルギー差が発光エネルギーになる。図２に示された構造の場合、エネルギー準位Ｌ２とエネルギー準位Ｌ３とのエネルギー差は約１４．１ｍｅＶである。周波数では約３．２ＴＨｚである。エネルギー準位Ｌ２とほとんど離れておらず、エネルギー準位Ｌ１もエネルギー準位Ｌ２と同様、光学遷移に関わる。

【0041】

次に、エネルギー準位Ｌ３とエネルギー準位Ｌ１’（またはエネルギー準位Ｌ２’）の間には、井戸層（ｂ）〜（ｉ）に電子が存在可能な（波動関数が値を有する）エネルギー準位が多く存在する。多くの波動関数は異なる井戸間にまたがって値を有し、各エネルギー準位の間隔も数ｍｅＶと、光学遷移のエネルギー差よりも小さいため、光学遷移でエネルギー準位Ｌ３（井戸層（ｂ））に緩和した電子は井戸層（ｃ）〜（ｉ）へとエネルギーを失いながら連続的に遷移することが可能になる。このように、複数の井戸層を結合させて井戸間を電子が連続的に遷移することが可能なエネルギー準位の集合体を一般的に緩和ミニバンドと呼ぶ。このように、本発明において、活性層に含まれる複数の単位積層体（活性層ユニット）のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、緩和準位として機能し、前記発光上準位と前記発光下準位とのエネルギー差（Ｅ_ＵＬ）よりも小さなエネルギー間隔で存在する２以上のエネルギー準位から構成される緩和ミニバンドとを有する。

【0042】

図２に示された構造の場合、緩和ミニバンドは、空間的には井戸層（ｃ）〜（ｉ）にわたって広がり、エネルギー的にはエネルギー準位Ｌ３からエネルギー準位Ｌ１’にわたる。緩和ミニバンドの上端と下端のエネルギー差を緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）と規定すると、図２の構造において、緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は約２７．６ｍｅＶである。ここで、本発明における緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、縦光学フォノンのエネルギー（Ｅ_ＬＯ）から、前記発光上準位と前記発光下準位の差（Ｅ_ＵＬ）を引いたエネルギー（Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ）よりも小さく設定される（Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ）。

【0043】

図３を用いて電子の流れと発光のプロセスについて説明する。井戸層（ａ）を通じて井戸層（ｂ）のエネルギー準位Ｌ１およびエネルギー準位Ｌ２に注入された電子は、発光を伴いながら井戸層（ｂ）のエネルギー準位Ｌ３に遷移する。井戸層（ｂ）のエネルギー準位Ｌ３に遷移した電子はトンネル効果により井戸層（ｃ）に注入される。井戸層（ｃ）に注入された電子は緩和しながら井戸層（ｃ）→井戸層（ｄ）→井戸層（ｅ）→井戸層（ｆ）→井戸層（ｇ）→井戸層（ｈ）→井戸層（ｉ）へと連続的に緩和ミニバンド内を移動し、井戸層（ｉ）から後段の活性層ユニット（ａ）（エネルギー準位Ｌ１’，Ｌ２’）に注入される。このように、本発明においては、前記量子井戸発光層における前記発光上準位から前記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るとともに、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記注入層に含まれる前記緩和ミニバンド内を緩和して、前記注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入されるように構成される。

【0044】

ここで、緩和ミニバンドを介したエネルギー準位Ｌ３からエネルギー準位Ｌ１’への緩和は電子−電子散乱、界面ラフネス散乱、不純物散乱、音響フォノン散乱などを通じて非常に高速に生じる。エネルギー準位Ｌ１，Ｌ２からエネルギー準位Ｌ３への光学遷移（誘導放出遷移）よりもエネルギー準位Ｌ３から電子が引き抜かれる速さの方が高速であるので、エネルギー準位Ｌ１，Ｌ２とエネルギー準位Ｌ３との間は反転分布状態となり、利得が発生する。この状態で外部に共振器を設け、利得が共振器内のロスを上回るとＱＣＬ１０はレーザ発振状態になる。

【0045】

本発明においては、緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）は、縦光学フォノンのエネルギー（Ｅ_ＬＯ）から、発光上準位と発光下準位とのエネルギー差（Ｅ_ＵＬ）と、ボルツマン定数（ｋ）と温度（Ｔ）との積により求められる温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）を引いたエネルギーよりも小さい（Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ＵＬ−Ｅ_ｋＴ）ことが好ましい。以下、縦光学フォノンのエネルギー（Ｅ_ＬＯ）、発光波長（発光エネルギー（Ｅ_ＴＨｚ）、もしくはレーザ上準位（発光上準位）であるエネルギー準位Ｌ１またはエネルギー準位Ｌ２とレーザ下準位（発光下準位）であるエネルギー準位Ｌ３との差（Ｅ_ＵＬ））、緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）と温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）間の最も好適な関係、つまり、ＱＣＬの好適な設計指針について述べる。

【0046】

ＬＯフォノン散乱による電子の緩和は一般的に上述の誘導放出による緩和よりも非常に高速なプロセスであるため、エネルギー準位Ｌ１，Ｌ２に存在する電子のＬＯフォノン散乱による拡散を防ぐ必要がある。また、温度が上昇すると、電子は熱により高いエネルギーを持つことが可能になる。平均的な熱エネルギーを、ボルツマン定数（ｋ）と温度（Ｔ）との積により求められる温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）と定義する。温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）は、例えば室温３００Ｋでは約２６ｍｅＶである。

【0047】

まず、上述のＬＯフォノン散乱の高速性より、エネルギー準位Ｌ１またはエネルギー準位Ｌ２からＬＯフォノンエネルギー（Ｅ_ＬＯ）分下がったところに許される状態（緩和ミニバンド）が存在すると、エネルギー準位Ｌ１またはエネルギー準位Ｌ２の電子は発光せずにＬＯフォノン散乱により非発光遷移してしまうので、エネルギー準位Ｌ１またはエネルギー準位Ｌ２からＬＯフォノンエネルギー（Ｅ_ＬＯ）分だけ低いエネルギーにエネルギー準位が存在しないように設計されるのが好ましい。ここで、図４は、本発明の一実施形態のミニバンド幅の設計指針を示す図である。また、図４（ａ）に示されるように、エネルギー準位Ｌ１またはエネルギー準位Ｌ２から温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）分高い状態からＬＯフォノンエネルギー（Ｅ_ＬＯ）分だけ低い状態にエネルギー準位が存在しないと、熱励起された電子のＬＯフォノン散乱による緩和機構が抑制できるので、温度が上昇してもＱＣＬの反転分布は保たれる。

【0048】

図４（ｂ）のように、エネルギー準位Ｌ１またはエネルギー準位Ｌ２からＬＯフォノンエネルギー（Ｅ_ＬＯ）分だけ低いエネルギーにエネルギー準位が存在しなくても、温度エネルギー（Ｅ_ｋＴ）分だけ高いエネルギーからＬＯフォノンエネルギー（Ｅ_ＬＯ）分だけ低いエネルギーにエネルギー準位（緩和ミニバンド）が存在すると、温度が上昇して熱励起された電子がＬＯフォノン散乱により緩和してしまうため、温度上昇とともに反転分布が小さくなるという問題点が発生する。

【0049】

上述の条件から、好適な条件として、
Ｅ_ｋＴ＋Ｅ_ＭＢ＋Ｅ_ＴＨｚ−Ｅ_ＬＯ＜０ 式（１）
が導かれる。Ｅ_ＬＯは、材料固有の物性値であり、Ｅ_ｋＴはデバイスを動作させたい温度によって決まるため、動作温度と発光波長が決まると、
Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ｋＴ−Ｅ_ＴＨｚ 式（２）
により望ましいＥ_ＭＢを設計することができる。

【0050】

上記式（２）の条件に加えて、さらに好適な指針を図５を用いて示す。図５（ａ）のように、Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ｋＴの場合、緩和ミニバンドの底付近のエネルギー準位Ｌ１’，Ｌ２’の電子は熱励起により緩和ミニバンドの上端付近、つまりエネルギー準位Ｌ３へと一部遷移することが可能になる。熱励起によるエネルギー準位Ｌ３への遷移は、エネルギー準位Ｌ１，Ｌ２とエネルギー準位Ｌ３との間での反転分布を抑制することになる。このため、図５（ｂ）に示すように、
Ｅ_ＭＢ＞Ｅ_ｋＴ 式（３）
を満たすように緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）が設計されることが好ましい。

【0051】

上記式（２）及び上記式（３）から、緩和ミニバンドのエネルギー幅設計の指針として下記式（４）が導かれる。

【0052】

Ｅ_ｋＴ＜Ｅ_ＭＢ＜Ｅ_ＬＯ−Ｅ_ｋＴ−Ｅ_ＴＨｚ 式（４）
ここで、ＱＣＬ１０の井戸層はＧａＮであり、ＬＯフォノンエネルギー（Ｅ_ＬＯ）は９２ｍｅＶである。さらに、発光エネルギーＥ_ＴＨｚは１４．１ｍｅＶであり、室温３００Ｋでの動作を想定すると、Ｅ_ｋＴは２６ｍｅＶであるから好適なミニバンドのエネルギー幅Ｅ_ＭＢの条件は上記式（４）から２６ｍｅＶ以上、５１．９ｍｅＶ以下となる。図２から明らかなように、ＱＣＬ１０のミニバンドのエネルギー幅は２７．６ｍｅＶであるから、上記式（４）を満たし、室温３００Ｋにおいても動作が可能である。

【0053】

≪ＱＣＬの製造≫
まず、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）又は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）によって、半導体基板１００の上面に歪緩和層１０１、第１コンタクト層１１、活性層１２及び第２コンタクト層１３を形成する。次に、例えば電子線蒸着法によって、第２コンタクト層１３の上面に上部電極１４を形成し、半導体基板１００の下面に下部電極１５を形成する。続いて、例えばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法によって、上部電極１４、第２コンタクト層１３、活性層１２及び第１コンタクト層１１の一部をエッチングして図１に示すメサ形状を形成する。さらに、へき開によりメサと垂直方向（紙面と平行な面）の両端に光学ミラー構造を形成する。このようにして図１に示すＱＣＬが得られる。

【0054】

ここで、図７に示した従来のＱＣＬ（特許文献１に開示されたＱＣＬ）に対する本発明の実施形態１のＱＣＬ１０の利点を示す。従来のＱＣＬは図７のエネルギー準位（２）（本発明の第１の実施形態のＱＣＬ１０のエネルギー準位Ｌ３に相当）からエネルギー準位（１）へと電子を高速に引き抜く機構にＬＯフォノン散乱を利用しているため、縦光学フォノンのエネルギー（Ｅ_ＬＯ）に相当するエネルギー分だけ、投入電力のロスが生じる。一方、本発明の第１の実施形態のＱＣＬ１０の場合、エネルギーのロスは緩和ミニバンドのエネルギー幅（Ｅ_ＭＢ）である。例えば、従来のＱＣＬおよび本発明の第１の実施形態のＱＣＬ１０のようにＧａＮを材料として用いる場合、従来のＱＣＬのエネルギーロスは９２ｍｅＶである一方、本発明の第１の実施形態のＱＣＬ１０のエネルギーロスは２７．６ｍｅＶと、約３分の１で済むため、本発明の第１の実施形態のＱＣＬ１０では、より高効率なテラヘルツ光の発生が可能になる。

【0055】

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態のＱＣＬ２０の断面図である。図６に示す本発明の第２の実施形態のＱＣＬ２０では、歪緩和層１０１上に、第１コンタクト層を介さずに活性層１２が積層されており、下部電極１５’が基板１００の下面に設けられている。このような第２の実施形態のＱＣＬ２０の場合、下部電極を上部電極の反対側に取ることができるため、上述した第１の実施形態のＱＣＬ１０と比較して、放熱性に優れたジャンクションダウン（活性層をヒートシンクに取り付ける構成）を取ることが可能になるという利点がある。

【0056】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0057】

１０，２０ ＱＣＬ、１００ 半導体基板、１０１ 歪緩和層、１１ 第１コンタクト層、１２ 活性層、１３ 第２コンタクト層、１４ 上部電極、１５，１５’ 下部電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】