特表 2017-537481 電流ブロック層を有する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】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2017-537481(P2017-537481A)

(43)【公表日】2017年12月14日

(54)【発明の名称】電流ブロック層を有する量子カスケードレーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20171117BHJP

   H01S 5/227 20060101ALI20171117BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/343

   H01S5/227

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2017-548354(P2017-548354)

(86)(22)【出願日】2014年12月3日

(85)【翻訳文提出日】2017年7月31日

(86)【国際出願番号】IB2014002666

(87)【国際公開番号】WO2016087888

(87)【国際公開日】20160609

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US

(71)【出願人】

【識別番号】517196111

【氏名又は名称】アルプ レイザーズ ソシエテ アノニム

【氏名又は名称原語表記】Ａｌｐｅｓ Ｌａｓｅｒｓ Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】アルフレド ビスムト

(72)【発明者】

【氏名】ジェローム ファイスト

(72)【発明者】

【氏名】エミリオ ジーニ

(72)【発明者】

【氏名】ボリスラフ ヒンコフ

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA26

5F173AA47

5F173AF03

5F173AF84

5F173AF92

5F173AF98

5F173AH03

5F173AR24

(57)【要約】

半導体量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）、特に約３〜５０μｍの波長で発光する中赤外線レーザは、しばしば、深くエッチングされた埋め込み型ヘテロ構造ＱＣＬとして設計される。埋め込み型ヘテロ構造の構成は、通常はＩｎＰより成る埋め込み層の熱伝導率が高く、低損失がデバイスの高出力および高性能を保証するので有利である。しかし、そのようなＱＣＬが短波長用に設計され、短波長で動作する場合、このような動作に必要な高電界が、絶縁埋め込み層内に動作電流を部分的に追いたてるという重大な欠点が生じる。これにより、活性領域に注入される電流が減少し、熱損失が発生し、ＱＣＬの性能が低下する。本発明は、埋め込み層内に、効果的に設計された、例えばＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＳｂの電流ブロッキングまたは量子バリアを提供することによって、この問題を解決する。この電流ブロッキングまたは量子バリアは、通常のＩｎＰまたは他の埋め込み層の間に挟まれている。これらは真性またはＦｅドープされている。これらの量子バリアは、説明した負の作用を大きくかつ制御可能に低減し、この結果、ＱＣＬは、短波長および／または高電界でも効果的に動作する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（１５；２５）と、活性領域（１２；２２）と、クラッド（１１；２１）と、前記活性領域（１２；２２）への電流注入を提供する少なくとも２つの電極（１３，１６；２３，２６）と、埋め込み型ヘテロ構造導波路（１４ａ〜１４ｃ；２４ａ，２４ｂ）と、を有する、特に中赤外線領域の波長で発光する半導体量子カスケードレーザであって、
前記ヘテロ構造導波路は、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物の少なくとも１つのバリア層（１４ｃ；２４ｃ）と、少なくとも１つの第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物の複数の層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）と、の積層体を含んでいる、
ことを特徴とする半導体量子カスケードレーザ。

【請求項2】

少なくとも１つの第２の半導体化合物の複数の埋め込み層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）と交互に配置されている複数のバリア層（１４ｃ；２４ｃ）が設けられている、
請求項１記載の量子カスケードレーザ。

【請求項3】

前記バリア層（１４ｃ；２４ｃ）の少なくとも１つの層は、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＳｂのグループのうちの１つの化合物より成る、
請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。

【請求項4】

前記埋め込み層の少なくとも１つの層（１４ａ；２４ａ）は、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含み、
前記埋め込み層の少なくとも１つの別の層（１４ｂ；２４ｂ）は、第２の、異なるＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含む、
請求項１から３までのいずれか１項記載の量子カスケードレーザ。

【請求項5】

前記埋め込み層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）の前記第１の半導体化合物は、真性化合物、特にｉ：ＩｎＰであり、
前記第２の化合物は、ドープされた化合物、特にＦｅドープされた化合物、とりわけＦｅドープされたＩｎＰである、
請求項４記載の量子カスケードレーザ。

【請求項6】

前記埋め込み層の少なくとも１つの層（２４ａ）は、真性化合物、特にｉ：ＩｎＰと、第２のドープされた化合物、特にＦｅドープされた化合物、とりわけＦｅドープされたＩｎＰと、の両方を含む、
請求項４記載の量子カスケードレーザ。

【請求項7】

前記埋め込み層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）の前記第１の半導体化合物と前記第２の化合物との両方が、ドープされた化合物、特にＦｅドープされた化合物、とりわけＦｅドープされたＩｎＰである、
請求項４記載の量子カスケードレーザ。

【請求項8】

有利には６である第１の数のバリア層（１４ｃ；２４ｃ）と、有利には６である第２の数の埋め込み層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）と、の埋め込み型ヘテロ構造導波路を含んでおり、前記バリア層は、前記埋め込み層と交互に積層されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の量子カスケードレーザ。

【請求項9】

各バリア層（１４ｃ；２４ｃ）は、５ｎｍ〜２００ｎｍ、有利には約５０ｎｍの厚さであり、
前記埋め込み層は、約５０ｎｍ〜約３μｍ、有利には６００ｎｍの厚さである、
請求項８記載の量子カスケードレーザ。

【請求項10】

以下の構造

【表1】

の埋め込み型ヘテロ構造導波路を含んでいる、
請求項１から９までのいずれか１項記載の量子カスケードレーザ。

【請求項11】

以下の構造

【表2】

の埋め込み型ヘテロ構造導波路を含んでいる、
請求項１から８までのいずれか１項記載の量子カスケードレーザ。

【請求項12】

以下の構造

【表3】

の埋め込み型ヘテロ構造導波路を含んでいる、
請求項１から８までのいずれか１項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、半導体レーザ、特に量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）に関し、これは赤外線スペクトル領域、すなわち、１ｍｍ〜７８０ｎｍの波長で、特に３〜５０μｍの中赤外線領域で発光する。

【背景技術】

【0002】

中赤外線スペクトル領域は、基本共鳴を示す多数の分子がこの領域にあるので、センシング用途にとって重要である。量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）は、より頻繁に使用されるようになってきており、このような用途に対する効率的なレーザ源である。例は、発明者Ｍａｕｌｉｎｉ、米国特許第７９４４９５９号明細書（US 7 944 959）および発明者Ｆａｉｓｔ、米国特許出願公開第２００３／０１７４７５１号明細書（US 2003/0 174 751）である。中赤外線スペクトルを生成するＱＣＬレーザは、発明者Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ、米国特許第８２９００１１号明細書（US 8 290 011）にも示されている。

【0003】

量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）用の導波路を形成するために使用される典型的な横方向ガイド構造は、深くエッチングされたリッジ導波路、浅くエッチングされたリッジ導波路または深く埋め込まれたヘテロ構造（ＢＨ）導波路である。高出力および高性能デバイスでは、ＩｎＰ埋め込み層のより高い熱伝導率を提供し、同時に低損失を保証するため、埋め込み型ヘテロ構造の構成が好まれる。発明者Ｂｅｃｋ、米国特許第６６６５３２５号明細書（US 6 665 325）は一例である。

【0004】

より具体的には、ＦｅドープされたＩｎＰの場合の電流ブロッキングは、ＦｅドープされたＩｎＰとｎドープされたＩｎＰコンタクト層との間の界面に存在する拡散電位によって保証される。ＦｅはＩｎＰの深いドナーレベルとして働くので、電子を捕らえるのにも能動的に役立ち、したがってリーク電流を防止する。拡散電位の大きさを、ＩｎＰ中のＦｅドーピングを調整することによってコントロールすることができる。残念ながら後者のパラメータは強く成長パラメータに結び付いており、拡散電位は通常、５０〜１００ｋＶ／ｃｍに制限されている。したがって典型的には、高電界で動作するＱＣＬの場合、電流は部分的に絶縁埋め込み層内へ追いたてられる。この効果は、レーザ活性領域に注入される実際の電流を減少させると同時に、熱を放散し、したがってレーザ性能を低下させる。

【0005】

さらに、埋め込み層の内部にＦｅ不純物を導入すると、半導体禁制ギャップの内部に欠陥状態が生じることが周知である（Ｐ．Ｂ．Ｋｌｅｉｎ等著、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ２９，１９４７（１９８４）：Ｔｉｍｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ ＩｎＰ：Ｆｅ）。このレベルは、特に３〜４μｍのスペクトル領域において吸収を示し、この領域における埋め込み型ヘテロ構造レーザデバイスの製造を妨げる。

【0006】

しかし、このスペクトル領域は、このスペクトル領域内に多くの分子の基本共鳴が存在しているために、分光法およびセンシング用途にとって極めて重要である。本発明の目的の１つは、上述した限界を克服し、このスペクトル領域においても光学損失が低いＢＨレーザを実現する方法を考案することである。

【0007】

しかし、本発明がこの波長のＱＣＬに限定されておらず、このスペクトル領域にわたるＱＣＬに広く適用可能であり、例えば、多色エミッタを有するＱＣＬであろうが、他のＢＨレーザであろうが、任意のＢＨレーザ設計に広く適用可能である、ということを理解されたい。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0008】

原則的に、本発明は、深くエッチングされた埋め込み型ヘテロ構造量子カスケードレーザ、すなわちＢＨ ＱＣＬの新たな構造を開示する。これは、埋め込み層として、複数の異なる、潜在的にドープされた半導体層の構造に特定の量子バリアを含めることによって実現される。有用なバリア材料には、ＡｌＡｓおよびＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＳｂが含まれる。

【0009】

特定の量子バリアを導入し、埋め込み層を構成する様々な層の数、厚さ、および／またはドーピングを変更することによって、埋め込み層の導電率を調整することができる。高い印加電界の場合には、これを特に低減することができる。

【0010】

本発明の概念は、埋め込み層の主たる構成要素であるドープされていない／真性のＩｎＰならびにＦｅドープされたＩｎＰに適用可能である。有利には、埋め込み層内にＦｅ不純物が存在しないことによって、追加の損失を導入することで、レーザ性能に不利益を与えることなく、３〜４μｍのスペクトル領域においても高性能ＢＨレーザを製造することが可能になる。

【0011】

本発明の詳細およびさらなる利点は、添付の図面に示されている数個の例の後続の説明において明らかになるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１ａは、従来技術の埋め込み型ヘテロ構造設計であり、図１ｂは、図１ａの従来技術設計の概略的なバンド構造である。

【図2】図２ａは、本発明の第１の実施形態であり、図２ｂは、図２ａの実施形態の概略的なバンド構造である。

【図3】図３ａは、本発明の第２の実施形態であり、図３ｂは、図３ａの実施形態の概略的なバンド構造である。

【図4】第３の実施形態の概略的なバンド構造である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下の説明は、従来技術および本発明のいくつかの実施形態を示す添付図面を参照する。

【0014】

図１ａおよび図１ｂは、従来技術の埋め込み型ヘテロ構造量子カスケードレーザ、ＢＨ ＱＣＬおよびこの従来技術の構造で使用されるｎ：ＩｎＰ−ＩｎＰ：Ｆｅ−ＡＲ接合の概略的なバンド構造を概略的に示す。ＡＲは、通常のように活性領域を表す。

【0015】

典型的な従来技術の構造では、通常はＡｕより成る背面または裏面電極６を有する、通常はＩｎＰである基板５は、通常はＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓである、ブロック層または埋め込み層４、すなわちＦｅドープされたＩｎＰまたはＦｅドープされたＩｎＧａＡｓによって横方向で閉じ込められている活性領域（ＡＲ）２を、自身の頂上部に担持している。通常はＡｕでもある頂上電極３と、通常はＩｎＰおよび／またはＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓのような三元系から構成されるｎドープされたクラッド１が、この構造を完成する。

【0016】

ｎドープされたクラッド１は導電体であるので、側方閉じ込め／ブロック層４内へのリーク電流を有する。埋め込み型ヘテロ構造デバイスのこの大きな問題は、通常、上述のようにＩｎＰブロック層内にＦｅ不純物を用いることによって解決される。

【0017】

図１ｂに、この従来技術設計におけるｎ：ＩｎＰ−ＩｎＰ：Ｆｅ−ＡＲ接合の概略的なバンド構造を示す。上述したように、ｎドープされたＩｎＰクラッド１からＩｎＰブロック層４に移動する電荷キャリアの数は、後者にＦｅドーピングを導入することによって低減される。このようにして形成されたｎ：ＩｎＰ−ＩｎＰ：Ｆｅ接合は、ｎ：ドープされたＩｎＰクラッド１から（複数の）ＩｎＰ：Ｆｅブロック層４へのキャリア漏れをブロックする。したがって、電流が閉じ込められ、複数のキャリアが活性領域（ＡＲ）２内に注入される。

【0018】

実際、ＦｅはＩｎＰ内に深いドナー状態を作り、半導体禁制ギャップの中央にフェルミ準位をピン止めする。ｎドープされたクラッドと（複数の）Ｆｅドープされたブロック層との間の界面における拡散電位は、電子をブロックするバリアとして作用する。残念なことに、この拡散電位は、ＩｎＰに組み込むことができる最大のＦｅドーピングに依存し、したがって任意に増加させることはできない。エピタキシャル成長によって組み込むことができる最大のＦｅは、成長温度によって強く影響される。成長温度を上昇させると、Ｆｅ前駆体分子のクラッキングが改善されるため、Ｆｅドーピングレベルが高くなる。

【0019】

残念なことに、ＱＣＬの成長は、高Ｆｅドーピングを得るために必要な温度よりも格段に低い温度で行われ得る。したがって、特に著しくひずんだ構造の場合、活性層の質を劣化させることなく、埋め込み層を成長させる温度を任意に高めることができない。したがって、Ｆｅドーピングは、一般に、２〜８×１０ｅ１６ｃｍ^−３の値に制限され、この結果、ブロック電界は、５０〜１００ｋＶ／ｃｍになる。これは、一般的に１００ｋＶ／ｃｍより小さい動作電界を伴う、中赤外線領域の比較的長い波長領域で放出するＱＣＬにおいて電子をブロックするのには十分であるが、短波長ＱＣＬ、特に動作電界が１００ｋＶ／ｃｍを超えることがある３〜５μｍの領域で発光するレーザにとっては不十分であり、その結果、埋め込み層を通ってリーク電流が流れる。

【0020】

さらに、Ｆｅドープされた層の成長は、成長に使用される機械のいわゆる「バックグラウンドドーピング」によって強く影響される。このバックグラウンドドーピングは、成長中に意図せずに添加されたキャリアの数である。ＩｎＰは例えば、「ドープされずに」成長した場合、わずかにｎドープされる傾向を有することが知られている。バックグラウンドドーピングの量は、成長が行われる装置、すなわち成長チャンバの状態に依存する。エピタキシャル再成長の開始時に、漏れ経路が導入されるのを防止するために、追加の予防措置が講じられなければならない。これは、例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ（ｖｏｌ．１０８，ｎｏ．１１，１１４５０２頁，２０１０年）において発表された、Ｏ．Ｏｓｔｉｎｅｌｌｉ等著「Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｒｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ＩｎＰ ｂｕｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ ｆｏｒ Ａｌ−ｆｒｅｅ ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」に記載されている。

【0021】

上述した問題を回避するために、本発明は、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＳｂ等によって構成された、付加的な量子バリアを導入する。これは、電子のブロックを改善する。これらのバリアは、自身のドーピングとは無関係にキャリア輸送を阻止し、したがって、光学損失を増加させることなく導入可能である。

【0022】

このような量子バリアの数および厚さを変更することによって、埋め込み層内の導電率を調整および／または低減することができ、これは、このようなＱＣＬを、印加された高電界に適したものにする。

【0023】

重要な利点は、このような量子バリアの成長がドーピングから完全に独立しており、したがって成長状態にそれ程敏感でない、ということである。上述したように、埋め込み層の内部のＦｅドーピングは、レベルＦｅ３＋およびＦｅ２＋の吸収線の存在のために、３〜５μｍのスペクトル領域において損失を導入することがよく知られている。これは、Ｃ−Ｈ、Ｏ−ＨおよびＮ−Ｈ結合の基本共鳴の存在のために、重要な分光窓における、すなわち、多くの医学およびセンシング用途にとって重要な波長に対する重要な分光窓における高性能レーザの製造を妨げる。

【0024】

本発明により、埋め込み層内の電子をブロックする新たな技術が創出される。特に、「ブロック」量子バリアの数を、レーザの動作電界に従って、かつあらゆるＦｅドーピングとは無関係に、調整することができる。

【0025】

さらに、本発明による量子バリアの使用は、これがレーザにおける付加的な光学損失をもたらさない領域におけるコンダクタンスをさらに低減するためのＦｅドーピングの使用と完全に適合する。

【0026】

要約すると、本発明は、埋め込み型ヘテロ構造量子カスケードレーザを製造するための新たな方法を導入する。この方法は、成長状態、特に成長温度によって制限されず、かつこの方法は、所望の中赤外線スペクトル領域において低損失の光導波路を生成することができる。

【0027】

いくつかの実施形態の以下の説明は、特定の材料を例示し、これは、例えば、本発明を実施する際に使用されるべきＩｎＰおよびＩｎＡｌＡｓであり、ＩｎＰは真性のもの（ｉ：ＩｎＰ）とドープされたもの、特にＦｅドープされたもの（ＩｎＰ：Ｆｅ）の両方を含む。ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ等の他の材料を、本発明の精神および要旨から逸脱することなく、上述した材料の代わりに使用することができる、ということが明らかである。

【0028】

本発明の３つの実施形態を以下に説明する。

【0029】

実施形態Ａ
この実施形態は、３．３μｍで発光する埋め込み型ヘテロ構造ＱＣＬである。

【0030】

図２ａは、埋め込み型ヘテロ構造を閉じ込める２つのバリアより成る層状配列を有するＱＣＬを示す。この構造は、本質的にドープされていないＩｎＰの層に埋め込まれた、ＩｎＡｌＡｓの６つの量子バリアより成る。このヘテロ構造は、本発明による低損失導波路および電子ブロックシーケンスを提供する。その詳細を以下に説明する。

【0031】

通常はＡｕより成る背面または裏面電極１６を有する、ここではＩｎＰである基板１５は、ヘテロ構造１４ａ／１４ｂ／１４ｃによって横方向に閉じ込められたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの活性領域１２をその頂上部で担持する。このヘテロ構造は、異なる層の３つのグループを含む。各層１４ａは、真性またはドープされていないｉ：ＩｎＰから成り、各層１４ｂは半導体、ここではｉ：ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓより成る。第３のグループは、ＡｌＩｎＡｓのバリア層１４ｃである。これらは、黒一色の薄い層として、図２ａに示されている。

【0032】

図２ａには、通常はＡｕより成る頂上電極１３と、ＩｎＰのｎドープされたクラッド１１と、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓのような三元系も示されている。バリア１４ａ−ｃの傾斜した端部１８は、エッチングされた領域の周りで起こるエピタキシャル再成長プロセスに起因する。これらは、エッチングされた表面に対して典型的に垂直な成長方向に依存する。

【0033】

ここに、図２ａに示されている構造のいくつかの近似的な寸法を挙げる。活性領域ＡＲ１２は、厚さ約３μｍ、幅３〜２０μｍである。バリアヘテロ構造は、活性領域ＡＲ１２にクラッド１１を加えたもののように、約６μｍの厚さであり、通常は数μｍ、ここでは３μｍの厚さである。

【0034】

バリア層のヘテロ構造については、以降で詳細に説明する。基板１５は、約０．１〜０．５ｍｍの厚さを有している。図２ａに示す全体の構造の長さは約２ｍｍ、幅は０．５ｍｍである。これらが単なる、近似的な寸法である、ということに留意されたい。これらは、有利な波長および／または装置の意図された用途に依存して変化する。図２ａも、すべての図のように、縮尺通りではない。

【0035】

図２ｂは、図２ａに示されているＱＣＬの量子バリアシーケンスの概略的なバンド構造を示している。「ｉ：ＩｎＰ」または「ｉ−ＩｎＰ」は、真性ＩｎＰ、すなわちドープされていないＩｎＰを表している、ということに留意されたい。バリア層１４ｃは、位置が変化可能な量子バリア１７として機能し、これと並んで、図２ａでは６である、このようなバリア１４ｃの数は、光損失を増加させることなく電子輸送を減少させる。実施形態Ａでは、図示のバリアを使用することによって、ＩｎＰ：Ｆｅを使用しなくてもキャリア漏れを防止することができる、ということを理解することが重要である。

【0036】

以下の表は、量子バリア１４ａ−１４ｃの厚さを含む物理的構造を開示する。これらの量子バリアを導入することにより、ヘテロ構造１４ａ／１４ｂ／１４ｃの電気伝導率は、上述したように光学損失を増加させることなく低減される。

【0037】

図１ａに示されている従来技術の埋め込み層またはブロック層と、図２ａに示されている本発明のブロック層との差は明らかである。ここでは、従来技術のブロック層は全体的に、ＦｅドープされたＩｎＰ、すなわちＩｎＰ：Ｆｅから構成されているが、本発明による新たなブロック層は、真性／ドープされていないＩｎＰを含む複数の異なる層を含んでいる。

【0038】

以下の表は、図２ａに示した閉じ込め層状ヘテロ構造の寸法を示す。これは、この実施形態Ａに従った量子バリア１４ａ−ｃを含む。表の下方と図２ａとを参照し、「開始」はヘテロ構造の底を定義する、ということに留意されたい。なぜなら、この底は再成長が開始される場所だからである。これは、表に示されたシーケンスが図２ａに示されている積層体において逆転されることを意味する。さらに、層１４ｂが、真性ＩｎＰ、すなわち、表に示されているようなｉ：ＩｎＰまたは上述したようなＩｎＡｌＡｓから成っていてよい。したがって、層１４ａと１４ｂとは、異なる材料から成っていてよい。最後に、上述したように、図２ａは縮尺通りではなく、すなわち、表に示されたサンプルの寸法および関係は、図に反映されていない。バリア層が太字で示されている、ということに留意されたい。

【0039】

【表1】

【0040】

実施形態Ｂ
実施形態Ｂは、３．３μｍで発光する別の埋め込み型ヘテロ構造ＱＣＬである。その全体の寸法は、実施形態Ａの寸法と同様である。

【0041】

しかし、所与の数の量子バリアに対して導電性をさらに低下させるために、ＩｎＰ領域のＦｅドーピングが部分的に再導入される。しかし、活性領域から遠くにのみ再導入される。この場合、Ｆｅドーピングは、電子が注入され、光学モードが関係する活性領域ＡＲの近くではないｎドープされたコンタクトとの接合部の近くにのみ存在する。

【0042】

図３ａは、本発明によるこの第２の実施形態を示す。この構造は、通常はＡｕより成る背面または裏面電極２６を伴う、ここではＩｎＰである基板２５と、通常はＡｕより成る頂上電極２３と、ＩｎＰおよび／または三元系より成るｎドープされたクラッド２１とを含む。ここでこの三元系は、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの活性領域２２の頂上部にあるＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓである。

【0043】

実施形態Ａのように、活性領域２２は、３つの層グループ２４ａ／２４ｂ／２４ｃを有するバリアヘテロ構造によって両側で、横方向で閉じ込められ、このうちの６つの層２４ｃはＩｎＡｌＡｓより成るブロック層として用いられる。実施形態Ａのように、ＩｎＡｌＡｓの６つの量子バリア２４ｃが電子ブロックのために使用される。さらに、層２４ｃの傾斜した端部２８は、エッチングされた領域の周りで起こるエピタキシャル再成長プロセスに起因する。

【0044】

この実施形態Ｂは、電気コンタクト２３に最も近い５つのＩｎＰ層２４ａおよび２４ｂがＦｅ、ＩｎＰ：Ｆｅでドープされているという点で、実施形態Ａと異なる。実施形態Ａに対する別の相違は、示されている実施形態ではそれぞれ３００ｎｍの厚さである、ＦｅドープされたＩｎＰ、ＩｎＰ：Ｆｅの析出物と、真性ＩｎＰ、ｉ：ＩｎＰの析出物より成る二成分の埋め込み層２４ａである。

【0045】

択一的に、実施形態Ｂのすべての層２４ａおよび２４ｂがＦｅドープされていてよく、すなわちＩｎＰ：Ｆｅから成っていてよく、これにより、Ｆｅドープレベルが活性領域２２の近傍で低減される。

【0046】

層２４ｂが、実施形態Ａ、図２ａと同様に、ＩｎＰの代わりにＩｎＧａＡｓから成っていてもよい。このようなＩｎＧａＡｓ層は、各ＩｎＰ層に関連して上で説明したようにＦｅドープされているだろう。上述したように、埋め込み層２４ａおよび２４ｂを閉じ込めるまたは分離する量子バリア２４ｃは、ここでも実施形態Ａの場合と同様に、ドープされていないＩｎＡｌＡｓより成る。したがって、実施形態Ａとの相違は、層２４ａおよび２４ｂの上述したＦｅドーピングと、上述した少なくとも１つの二成分埋め込み層２４ａの提供とにある。

【0047】

図３ｂは、図３ａに示されているＱＣＬの量子バリアシーケンスの概略的なバンド構造を示している。この場合、量子バリア２４ｃとＦｅドープ層２４ａおよび２４ｂとの両方がキャリアをブロックするために用いられる。以下の表は、図３ａに示された構造のサンプルの寸法を示している。

【0048】

【表2】

【0049】

実施形態Ｃ
この実施形態は、第３の埋め込み型ヘテロ構造ＱＣＬであり、電子漏れを低減するための高い動作電界を伴う、４．３μｍの波長で発光する構造である。

【0050】

この実施形態の基本構造は、実施形態Ａの構造と同一である。すなわち、閉じ込め層状バリアヘテロ構造は、ＩｎＡｌＡｓより成るバリアグループと、ＩｎＰの第２のグループと、ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓ層の第３のグループとの３つの層のグループを含んでいる。前述の２つの実施形態との違いは、すべてのＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓ層がＦｅドープされている、ということである。したがって、量子バリアとＦｅドーピングとの両方が、キャリアをブロックするのに用いられ、これは高電界で動作するＱＣＬにとって重要かつ重大であり得る。

【0051】

以下の表は、この第３の実施形態の構造および寸法を示す。

【0052】

【表3】

【0053】

図４は、本発明によるこの第３のＱＣＬの実施形態の概略的なバンド構造を示す。上記の表に示された構造に対して択一的に、この場合には８つの量子バリアが電子ブロッキングに使用されてよい。

【0054】

本発明の機能および様々な実施形態の上記の詳細な説明は、当業者が本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さらなる実装を考案することを可能にする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2015年12月7日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（１５；２５）と、活性領域（１２；２２）と、クラッド（１１；２１）と、前記活性領域（１２；２２）への電流注入を提供する少なくとも２つの電極（１３，１６；２３，２６）と、埋め込み型ヘテロ構造導波路（１４ａ〜１４ｃ；２４ａ，２４ｂ）と、を有する、特に中赤外線領域の波長で発光する半導体量子カスケードレーザであって、
前記ヘテロ構造導波路は、少なくとも１つの第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物の複数の埋め込み層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）と交互に配置されている第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物の複数のバリア層（１４ｃ；２４ｃ）の積層体を含んでいる、
ことを特徴とする半導体量子カスケードレーザ。

【請求項2】

前記バリア層（１４ｃ；２４ｃ）の少なくとも１つの層は、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＳｂのグループのうちの１つの化合物より成る、
請求項１記載の量子カスケードレーザ。

【請求項3】

前記埋め込み層の少なくとも１つの層（１４ａ；２４ａ）は、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含み、
前記埋め込み層の少なくとも１つの別の層（１４ｂ；２４ｂ）は、第２の、異なるＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含む、
請求項１または２記載の量子カスケードレーザ。

【請求項4】

前記埋め込み層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）の前記第１の半導体化合物は、真性化合物、特にｉ：ＩｎＰであり、
前記第２の化合物は、ドープされた化合物、特にＦｅドープされた化合物、とりわけＦｅドープされたＩｎＰである、
請求項３記載の量子カスケードレーザ。

【請求項5】

前記埋め込み層の少なくとも１つの層（２４ａ）は、真性化合物、特にｉ：ＩｎＰと、第２のドープされた化合物、特にＦｅドープされた化合物、とりわけＦｅドープされたＩｎＰと、の両方を含む、
請求項３記載の量子カスケードレーザ。

【請求項6】

前記埋め込み層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）の前記第１の半導体化合物と前記第２の化合物との両方が、ドープされた化合物、特にＦｅドープされた化合物、とりわけＦｅドープされたＩｎＰである、
請求項３記載の量子カスケードレーザ。

【請求項7】

有利には６である第１の数のバリア層（１４ｃ；２４ｃ）と、有利には６である第２の数の埋め込み層（１４ａ，１４ｂ；２４ａ，２４ｂ）と、の埋め込み型ヘテロ構造導波路を含んでおり、前記バリア層は、前記埋め込み層と交互に積層されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の量子カスケードレーザ。

【請求項8】

各バリア層（１４ｃ；２４ｃ）は、５ｎｍ〜２００ｎｍ、有利には約５０ｎｍの厚さであり、
前記埋め込み層は、約５０ｎｍ〜約３μｍ、有利には６００ｎｍの厚さである、
請求項７記載の量子カスケードレーザ。

【請求項9】

以下の構造

【表1】

の埋め込み型ヘテロ構造導波路を含んでいる、
請求項１から８までのいずれか１項記載の量子カスケードレーザ。

【請求項10】

以下の構造

【表2】

の埋め込み型ヘテロ構造導波路を含んでいる、
請求項１から８までのいずれか１項記載の量子カスケードレーザ。

【請求項11】

以下の構造

【表3】

の埋め込み型ヘテロ構造導波路を含んでいる、
請求項１から８までのいずれか１項記載の量子カスケードレーザ。

【国際調査報告】