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JP7783738B2 - 量子カスケード素子 - Google Patents
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JP7783738B2 - 量子カスケード素子 - Google Patents

量子カスケード素子

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Description

実施形態は、量子カスケード素子に関する。
量子カスケード素子は、量子カスケードレーザや量子カスケード光検出器を含む。量子カスケード素子には、多重量子井戸が用いられ、電子のエネルギーバンド間遷移により発光、受光などの機能を発現する。例えば、面発光型量子カスケードレーザもしくは量子カスケード光検出素子は、半導体基板上に順に積層された量子カスケード層、フォトニック結晶、クラッド層を含む。面発光型量子カスケードレーザは、フォトニック結晶により基板表面に垂直な方向にレーザ光を放出し、量子カスケード光検出素子は、基板表面に垂直な方向に入射された光を量子カスケード層において光電流に変換する。
フォトニック結晶は、量子カスケード層中において基板表面に平行な方向に導波されるレーザ光の伝播方向を基板表面に垂直な方向に変える。また、基板表面に垂直な方向に入射される光の伝播方向を基板表面に平行な方向に変え、量子カスケード層中を伝播させる。したがって、量子カスケード素子を高出力化もしくは高感度化するためには、フォトニック結晶と量子カスケード層中の光とのカップリング効率を向上させることが好ましい。
特許第６５１３６２６号公報
実施形態は、高出力化もしくは高感度化された量子カスケード素子を提供する。
実施形態に係る量子カスケード素子は、第１基板と、量子カスケード層と、第２基板と、を備える。前記量子カスケード層は、前記第１基板の表面上に設けられ、前記第１基板の前記表面に垂直な方向に交互に積層された複数の量子井戸層と複数の障壁層とを含む。前記第２基板は、前記量子カスケード層に接合され、前記複数の障壁層のうちの最上層に接する接合面に設けられた凹部により構成されるフォトニック結晶を含む。
実施形態に係る量子カスケード素子を示す模式断面図である。 実施形態に係る量子カスケード素子を示す模式斜視図である。 実施形態に係る量子カスケード素子の製造に用いられるウェーハを示す模式斜視図である。 実施形態に係る量子カスケード素子の製造過程を示す模式断面図である。 図４に続く製造過程を示す模式断面図である。 実施形態の変形例に係る量子カスケード素子の製造方法を示す模式斜視図である。 実施形態の変形例に係る量子カスケード素子を示す模式断面図である。 実施形態の別の変形例に係る量子カスケード素子を示す模式断面図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
図１（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る量子カスケード素子１を示す模式断面図である。量子カスケード素子１は、例えば、面発光型量子カスケードレーザである。なお、実施形態に係る量子カスケード素子は、以下の例に限定される訳ではない。実施形態に係る量子カスケード素子は、例えば、量子カスケード光検出素子であっても良い。
図１（ａ）に示すように、量子カスケード素子１は、第１基板１０と、第２基板２０と、量子カスケード層３０と、第１電極４０と、第２電極５０と、を含む。第１基板１０は、例えば、インジウムリン（ＩｎＰ）などの半導体基板である。第２基板２０は、例えば、ＩｎＰまたはシリコンなどの半導体基板である。量子カスケード層３０は、第１基板１０と、第２基板２０との間に設けられる。第２基板２０は、量子カスケード層３０に接するように設けられる。
第２基板２０は、量子カスケード層３０に接するフォトニック結晶ＰＣを含む。フォトニック結晶ＰＣは、第２基板２０の表面側に設けられる。フォトニック結晶ＰＣは、例えば、第２基板２０の表面に設けられた複数の凹部２１を含む。
第１電極４０は、例えば、第１基板１０の裏面上に設けられる。第１電極４０は、第１基板１０を介して、量子カスケード層３０に電気的に接続される。第２電極５０は、例えば、フォトニック結晶ＰＣとは反対側の第２基板２０の裏面上に設けられる。第２電極５０は、第２基板２０を介して、量子カスケード層３０に電気的に接続される。
図１（ｂ）は、量子カスケード層３０の構成を示す断面図である。量子カスケード層３０は、複数の量子井戸層３１と、複数の障壁層３３と、を含む。量子井戸層３１および障壁層３３は、第１基板１０上に交互に積層される。量子井戸層３１は、２つの障壁層３３の間に位置する。
第２基板２０は、例えば、複数の障壁層３３のうちの最上層にフォトニック結晶ＰＣが接するように設けられる。これにより、量子カスケード層３０内を伝播する光と、フォトニック結晶ＰＣと、の間のカップリング効率を向上させることができる。
量子カスケード素子１は、この例に限定される訳ではなく、例えば、第１基板１０と量子カスケード層３０との間に設けられるクラッド層もしくはバッファ層をさらに含んでもよい。
図２は、実施形態に係る量子カスケード素子１を示す模式斜視図である。量子カスケード素子１は、例えば、ヒートシンク６０上にマウントされる。ヒートシンク６０は、例えば、銅を含む金属ブロックである。
量子カスケード素子１は、例えば、第１基板１０の裏面を上に向けてマウントされる。第２基板２０の裏面側の第２電極５０は、ヒートシンク６０上のマウントパッド（図示しない）に、例えば、はんだ材などを介して接続される。
図２に示すように、第１電極４０は、第１基板１０の裏面側を露出させた開口を有する枠状もしくはリング状に設けられる。量子カスケード素子１から放射されるレーザ光ＬＬは、第１電極４０の開口を介して、外部に放出される。
第１電極４０は、例えば、金属ワイヤ４１を介して、ヒートシンク６０上の金属端子６３に電気的に接続される。金属端子６３は、例えば、絶縁部材６５によりヒートシンク６０から電気的に絶縁される。量子カスケード素子１は、金属端子６３およびヒートシンク６０上のマウントパッド（図示しない）を介して、外部の駆動回路に接続される。
図３（ａ）および（ｂ）は、量子カスケード素子１の製造に用いられるウェーハを模式的に示す斜視図である。量子カスケード素子１は、図３（ａ）および（ｂ）に示すウェーハを接合することにより形成される。
図３（ａ）は、実施形態に係る量子カスケード素子の第１基板１０を示す模式斜視図である。図３（ａ）に示すように、第１基板１０は、その表面１０Ｆ上に設けられた量子カスケード層３０を含む。
量子カスケード層３０は、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)を用いて、第１基板１０上に形成される。第１基板１０は、例えば、成長基板である。第１基板１０には、例えば、ＩｎＰ基板を用いることができる。
量子カスケード層３０は、表面１０Ｆに垂直な方向、例えば、Ｚ方向に積層された複数の量子井戸層３１と複数の障壁層３３とを含む。量子井戸層３１および障壁層３３は交互に積層され、複数の量子井戸を構成する。
量子井戸層３１は、例えば、組成式ＩｎＸＧａ１－ＸＡｓ（以下、ＩｎＧａＡｓ）で表される半導体混晶を含む。障壁層３３は、例えば、組成式ＩｎＹＡｌ１－ＹＡｓ（以下、ＩｎＡｌＡｓ）で表される半導体混晶を含む。
複数の量子井戸は、それぞれ、量子井戸層３１の伝導帯が量子化されたサブバンドを含む。量子カスケード素子１は、量子カスケード層３０に注入された電子のサブバンド間遷移により生じるレーザ光を放射する。
複数の量子井戸は、例えば、発光量子井戸として機能する複数の第１群と、注入量子井戸として機能する複数の第２群と、を含む。量子井戸の第１群および第２群は、例えば、Ｚ方向に交互に設けられる。量子カスケード層３０のＺ方向の厚さは、例えば、０．６～４マイクロメートル（以下、μｍ）である。
図３（ｂ）は、実施形態に係る量子カスケード素子１の第２基板２０を示す模式斜視図である。図３（ｂ）に表すように、第２基板２０は、例えば、その表面２０Ｆに設けられた複数の凹部２１を有する。
凹部２１は、例えば、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ等間隔に並び、２次元回折格子を構成するように配置される。複数の凹部２１は、２次元回折格子の格子点にそれぞれ位置する。凹部２１は、例えば、円形もしくは直角三角形の開口を有する。凹部２１は、好ましくは、２次元回折格子の並び方向、例えば、Ｘ方向またはＹ方向に対して非対称な形状を有する。凹部２１は、例えば、空洞であり、第２基板２０の材料の屈折率よりも低い屈折率を有する。また、第２基板２０の材料の屈折率よりも低い屈折率を有する材料を凹部２１の内部に充填しても良い。
次に、図４（ａ）～図５（ｂ）を参照して、量子カスケード素子１の製造方法を説明する。図４（ａ）～図５（ｂ）は、実施形態に係る量子カスケード素子１の製造過程を示す模式断面図である。
図４（ａ）に示すように、第２基板２０の表面２０Ｆ上に誘電体膜２２および金属膜２３を形成する。第２基板２０は、例えば、ＩｎＰ基板である。誘電体膜２２は、表面２０Ｆ上に形成され、金属膜２３は、誘電体膜２２上に形成される。
誘電体膜２２は、例えば、シリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜である。誘電体膜２２は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)、スパッタリング、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）などを用いて形成される。誘電体膜２２の厚さは、例えば、０．３μｍ～１μｍである。
金属膜２３は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を含む。金属膜２３は、例えば、スパッタ法を用いて形成される。金属膜２３の膜厚は、例えば、１００ナノメートル（以下、ｎｍ）である。
図４（ｂ）に示すように、金属膜２３上にエッチングマスク２５を形成する。エッチングマスク２５は、例えば、フォトレジストである。エッチングマスク２５は、金属膜２３上に塗布され、フォトニック結晶ＰＣに対応するマスクパターンを有するフォトマスクを用いて露光される。続いて、エッチングマスク２５を現像し、フォトニック結晶ＰＣに対応する開口２５ａを形成する。
図４（ｃ）に示すように、エッチングマスク２５を用いて、金属膜２３および誘電体膜２２を選択的に除去し、フォトニック結晶ＰＣに対応する開口２５ａを転写する。金属膜２３および誘電体膜２２は、例えば、ドライエッチングにより選択的に除去される。続いて、エッチングマスク２５を除去する。エッチングマスク２５は、例えば、酸素アッシングにより除去される。
図４（ｄ）に示すように、誘電体膜２２および金属膜２３に設けられた開口２５ａを介して、第２基板２０をエッチングし、凹部２１を形成する。第２基板２０は、例えば、ドライエッチングにより選択的に除去される。
続いて、ウェットエッチングにより誘電体膜２２を第２基板２０の表面２０Ｆから除去する。この際、誘電体膜２２と共に金属膜２３も除去される。これにより、第２基板２０の表面２０Ｆ側に、複数の凹部２１を含むフォトニック結晶ＰＣが形成される。
図５（ａ）に示すように、量子カスケード層３０を介して、第１基板１０と第２基板２０とを接合する。第２基板２０は、フォトニック結晶ＰＣが量子カスケード層３０に接するように接合される。
第２基板２０の表面２０Ｆおよび量子カスケード層３０の表面３０Ｆを、例えば、アルゴン（Ａｒ）スパッタリングにより清浄化した後、表面２０Ｆを表面３０Ｆに面接触させ、加圧および加熱する。第１基板１０および第２基板２０は、例えば、２５０℃に加熱される。これにより、第１基板１０および第２基板２０は、量子カスケード層３０を介して接合される。
第２基板２０の表面２０Ｆおよび量子カスケード層３０の表面３０Ｆは、それぞれ、自然酸化膜Ｎｏｘを含む。第２基板２０および量子カスケード層３０は、表面２０Ｆおよび表面３０Ｆの自然酸化膜Ｎｏｘの少なくとも一部を介して面接触されることが好ましい。すなわち、第２基板２０の表面２０Ｆおよび量子カスケード層３０の表面３０Ｆは、それぞれ、自然酸化膜Ｎｏｘの少なくとも一部を残すように清浄化されることが好ましい。これにより、第２基板２０と量子カスケード層３０との間の接合強度を、自然酸化膜Ｎｏｘを介さない場合に比べて高くすることができる。言い換えれば、第２基板２０と量子カスケード層３０との間の接合面は、好ましくは、酸素を含む。
図５（ｂ）に示すように、第１基板１０の裏面１０Ｂ上および第２基板２０の裏面２０Ｂ上に、第１電極４０および第２電極５０をそれぞれ形成する。第１電極４０および第２電極５０のいずれか一方は、レーザ光ＬＬの放射面を露出させた開口を有する。
続いて、第１基板１０および第２基板２０を、例えば、ダイシングブレードを用いて切断し、複数の量子カスケード素子１に分断する。量子カスケード素子１は、例えば、平面視において、５００μｍ角のチップサイズに分断される。
このように、実施形態に係る量子カスケード素子１では、量子カスケード層３０に接するフォトニック結晶ＰＣを設けることができる。これにより、量子カスケード層３０内を表面３０Ｆに平行な方向に伝播する光と、フォトニック結晶ＰＣと、の間のカップリング効率を向上させることが可能となる。その結果、量子カスケード素子１を高出力化できる。また、量子カスケード素子１を光検出素子として動作させる場合、フォトニック結晶ＰＣにより入射光を量子カスケード層３０の表面に沿った方向に伝播させることが可能となる。これにより、量子カスケード層３０における光吸収を大きくすることが可能となり、受光感度を高くすることができる。
例えば、第１基板１０の上に量子カスケード層３０を形成し、さらに、量子カスケード層３０上に別の半導体層を成長する方法を用いて、このような構造を形成することは難しい。フォトニック結晶ＰＣは、例えば、量子カスケード層３０上に形成された半導体層をエッチングすることにより形成されるが、ウェーハ面内におけるエピタキシャル膜厚の不均一およびエッチング速度の不均一を考慮すれば、量子カスケード層３０をエッチングしないで、フォトニック結晶ＰＣを量子カスケード層３０の直上に形成することは難しい。したがって、従来の量子カスケード素子は、製造歩留まりを低下させないように、フォトニック結晶ＰＣを量子カスケード層３０から離間させた構造を有する。
実施形態に係る製造方法では、フォトニック結晶ＰＣを含む第２基板２０を、量子カスケード層３０を介して第１基板１０に接合することにより、量子カスケード層３０の直上に設けられたフォトニック結晶ＰＣを含む構造を実現できる。
一方、このような製造方法では、ウェーハの接合界面が結晶構造の不連続に起因した結晶欠陥を含むことはさけられない。このような結晶欠陥は、例えば、エネルギーバンドギャップ中に位置するキャリア捕獲準位を形成する。このような準位を介した電子と正孔の非発光再結合は、結晶内部の発光効率を著しく低下させる。したがって、電子と正孔の再結合に伴う発光を用いる素子では、フォトニック結晶ＰＣを発光層に接合することは難しい。これに対し、電子のサブバンド間遷移による発光を利用する量子カスケード素子１では、エネルギーバンドギャップ中のキャリア捕獲準位が発光特性に与える影響は少ない。このため、フォトニック結晶ＰＣを量子カスケード層３０に接合する製造方法を用いることができる。すなわち、実施形態に係る量子カスケード素子の構造により、レーザ素子の高出力化もしくは光検出素子の高感度化を実現できる。
さらに、量子カスケード層３０とフォトニック結晶ＰＣとの界面に酸素を介在させることにより、量子カスケード層３０への電子注入の均一性を向上させることができる。すなわち、酸素の存在により接合界面の電気抵抗が上昇し、フォトニック結晶ＰＣの凹部２１に対向する量子カスケード層３０の領域に電子注入を広げることができる。これにより、量子カスケード層３０における発光効率を向上させることが可能となる。
図６は、実施形態の変形例に係る量子カスケード素子１の製造方法を示す模式斜視図である。第２基板２０は、ＩｎＰ基板以外の半導体基板や誘電体基板でも良い。第２基板２０は、例えば、シリコン基板である。
図６に示すように、第１基板１０と第２基板２０とを、量子カスケード層３０（図示しない）を介して接合する。第２基板２０は、例えば、シリコン基板である。第２基板２０は、例えば、フォトニック結晶ＰＣを形成した直径３００ミリメートル（ｍｍ）のシリコンウェーハから切り出される。
続いて、第２基板２０の裏面側を、例えば、ウェットエッチングすることにより、第２基板２０を所定の厚さに薄膜化した後、第１基板１０および第２基板２０のそれぞれの裏面側に第１電極４０および第２電極５０を形成する。
このように、シリコンウェーハを用いることにより製造プロセスが容易になり、フォトニック結晶ＰＣの加工精度を向上させることができる。また、シリコンウェーハは他の基板に比べて安価であり、量子カスケード素子の製造コストを低減することができる。
また、量子カスケード層３０の上に半導体層を結晶成長した後、半導体層にフォトニック結晶ＰＣを形成する方法では、フォトニック結晶ＰＣの形成過程やその後の工程において不良が発生した場合、量子カスケード層３０を形成した第１基板１０が不良品となる。実施形態に係る製造方法では、このような損失を最小限にすることが可能である。
図７（ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例に係る量子カスケード素子２、３を示す模式断面図である。量子カスケード素子２、３は、ブラッグ反射多層膜ＤＢＲを備える。
図７（ａ）に示すように、量子カスケード素子２は、第２基板２０の裏面上に設けられたブラッグ反射多層膜ＤＢＲをさらに備える。第２基板２０の裏面とは反対側の表面には、フォトニック結晶ＰＣが設けられる。ブラッグ反射多層膜ＤＢＲは、例えば、量子カスケード層３０から放射されるレーザ光ＬＬ２を、第１基板１０の方向に反射する。これにより、第１基板１０の裏面からのレーザ光ＬＬの取り出し効率を向上させることができる。
図７（ｂ）に示すように、量子カスケード素子３は、第２基板２０の裏面側に、ブラッグ反射多層膜ＤＢＲと、金属膜ＭＲと、をさらに備える。金属膜ＭＲは、ブラッグ反射多層膜ＤＢＲ上に設けられる。金属膜ＭＲは、例えば、金（Ａｕ）など、レーザ光に対する反射率の高い材料を含む。金属膜ＭＲは、例えば、５ｎｍの厚さのニッケルと、１μｍの厚さの金を積層した構造を有する。
ブラッグ反射多層膜ＤＢＲは、第２基板２０と金属膜ＭＲとの間に位置する。金属膜ＭＲは、量子カスケード層３０から放射されるレーザ光ＬＬ２に対する反射率を向上させ、第１基板１０の裏面からのレーザ光ＬＬの取り出し効率をさらに向上させる。金属膜ＭＲは、例えば、第２電極５０としても機能する。
ブラッグ反射多層膜ＤＢＲは、例えば、半導体多層膜である。ブラッグ反射多層膜ＤＢＲは、例えば、ＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層とを交互に積層した半導体多層膜である。ＩｎＰ層の層厚は、例えば、３６４ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ層の層厚は、例えば、３３１ｎｍである。ブラッグ反射多層膜ＤＢＲは、例えば、２０ペアのＩｎＰ層およびＩｎＧａＡｓ層を含み、波長４．５μｍのレーザ光に対する反射ミラーとして機能する。半導体多層膜は、例えば、導電性を有する。また、半導体多層膜は、多結晶であっても良い。すなわち、半導体多層膜中に含まれる結晶欠陥などは、量子カスケード素子２、３の特性には影響しない。
ブラッグ反射多層膜ＤＢＲの材料として、ＺｎＳｅ／ＺｎＳのペア、Ｓｉ／ＳｉＧｅのペア、もしくはＧａＡｓ／ＡｌＡｓのペアなどを用いることもできる。これらの材料は、例えば、結晶成長もしくはスパッタ法などを用いて形成される。ブラッグ反射多層膜ＤＢＲを構成する各層の厚さは、例えば、λ／４Ｎｅｆｆである。ここで、λは、レーザ光の波長、Ｎｅｆｆは、ブラッグ反射多層膜ＤＢＲの各層のレーザ光の波長における実効的な屈折率である。
ブラッグ反射多層膜ＤＢＲと量子カスケード層３０との間の距離は、例えば、量子カスケード層３０から放射され、第１基板１０の方向に直接伝播するレーザ光ＬＬ１と、ブラッグ反射多層膜ＤＢＲで反射され、第１基板１０に向かって伝播するレーザ光ＬＬ２とが干渉により打ち消されないように設けられることが好ましい。これにより、レーザ光ＬＬの取り出し効率をさらに向上させることができる。
量子カスケード層３０とフォトニック結晶ＰＣとの間の接合面からブラッグ反射多層膜ＤＢＲまでの距離、言い換えれば、第２基板２０の積層方向（Ｚ方向）の厚さｄは、好ましくは、次式で表される。
ｄ＝ｄａｃｔ／２＋（λ／Ｎｓｅｆｆ）×Ｍ
ここで、ｄａｃｔは、量子カスケード層３０の積層方向の厚さ、λは、レーザ光ＬＬの波長、Ｎｓｅｆｆは、第２基板２０の材料のレーザ光ＬＬの波長における実効的な屈折率、Ｍは、任意の整数である。
図８は、実施形態の別の変形例に係る量子カスケード素子４を示す模式断面図である。量子カスケード素子４は、例えば、光検出素子である。量子カスケード素子４は、第１電極４０と第２電極５０との間に所定の電圧を印加し、例えば、第２基板２０の裏面から入射する光ＩＬによる電流値の変化を検出する。
例えば、量子カスケード層３０におけるサブバンド間遷移により検出される赤外光の光吸収係数は小さい。このため、量子カスケード素子４の光感度を高くするには、量子カスケード層３０中の光の伝播距離を長くすることが好ましい。すなわち、量子カスケード素子４の光感度を高くするためには、量子カスケード層３０中において、第１基板１０の表面に平行な方向に光を伝播させることが好ましい。
第１基板１０の表面に平行な方向に光を伝播させるためには、例えば、量子カスケード素子４の側面から量子カスケード層３０に光を入射させればよい。しかしながら、量子カスケード層３０の積層方向（Ｚ方向）の厚さは、例えば、２～５μｍであり、側面から量子カスケード層３０に入射させる光の位置合わせは難しい。これに対し、実施形態に係る量子カスケード素子４では、第２基板２０の裏面から入射する光ＩＬをフォトニック結晶ＰＣにより第１基板１０の表面に平行な方向に伝搬する光に変換する。このため、入射光ＩＬの精密な位置合わせが不要であり、光の検出感度を向上させることができる。さらに、フォトニック結晶ＰＣを量子カスケード層３０に接するように配置することにより、受光感度をさらに向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、２、３、４…量子カスケード素子、 １０…第１基板、 １０Ｂ、２０Ｂ…裏面、 １０Ｆ、２０Ｆ、３０Ｆ…表面、 ２０…第２基板、 ２１…凹部、 ２２…誘電体膜、 ２３…金属膜、 ２５…エッチングマスク、 ２５ａ…開口、 ３０…量子カスケード層、 ３１…量子井戸層、 ３３…障壁層、 ４０…第１電極、 ４１…金属ワイヤ、 ５０…第２電極、 ６０…ヒートシンク、 ６３…金属端子、 ６５…絶縁部材、 ＤＢＲ…ブラッグ反射多層膜、 ＩＬ…光、 ＬＬ…レーザ光、 ＭＲ…金属膜、 Ｎｏｘ…自然酸化膜、 ＰＣ…フォトニック結晶

Claims (6)

  1. 第１基板と、
    前記第１基板の表面上に設けられ、前記第１基板の前記表面に垂直な方向に交互に積層された複数の量子井戸層と複数の障壁層とを含む量子カスケード層と、
    前記量子カスケード層に接合され、前記複数の障壁層のうちの最上層に接する接合面に設けられた凹部により構成されるフォトニック結晶を含む第２基板と、
    を備え、
    前記量子カスケード層と前記フォトニック結晶とは酸化膜を介して接触しており、
    前記酸化膜は、前記凹部の内部には設けられていない、量子カスケード素子。
  2. 前記量子カスケード層に電流を流すための電極を含み、
    前記量子カスケード層におけるサブバンド間遷移によるレーザ光を発する請求項１に記載の量子カスケード素子。
  3. 前記第２基板の前記接合面とは反対側の表面上に積層された多層膜からなる反射層をさらに備える請求項２に記載の量子カスケード素子。
  4. 前記反射層上に設けられ、前記量子カスケード層から放射される光を反射する金属膜をさらに備える請求項３に記載の量子カスケード素子。
  5. 前記量子カスケード層の光吸収により生じる電流を検出するための電極をさらに含む請求項１に記載の量子カスケード素子。
  6. 前記第１基板は、インジウムリンを含み、
    前記第２基板は、シリコンを含む、請求項１～５のいずれか１つに記載の量子カスケード素子。
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