JP2000101201A - プレバイアスされた内部電子ポテンシャルを有する量子カスケ―ド光エミッタ - Google Patents
プレバイアスされた内部電子ポテンシャルを有する量子カスケ―ド光エミッタInfo
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 プレバイアスされた内部電子ポテンシャルを
有する量子カスケード光エミッタを提供する。 【解決手段】 ＱＣレーザのＳＬを無電界に保つ試みの
代わりに、ＳＬ周期を変えることにより、実際の電子ポ
テンシャルをプレバイアスし、上方及び下方ミニバンド
の平均して本質的に平坦なプロフィルが得る。上方及び
下方レーザレベルは、印加電界が無い時、第１のサブセ
ット内で層から層へそれぞれ異なるエネルギーに位置
し、印加電界が存在するにもかかわらず上方及び下方ミ
ニバンドの所望のフラットバンド条件が実現される。第
１のサブセット内のＱＷ層の厚さは、印加電界の方向に
増加するように、ＱＷ層からＱＷ層へ変化し、障壁層の
第２のサブセットの厚さも、印加電界の方向に減少又は
増加するように障壁層から障壁層へ変化させる。
有する量子カスケード光エミッタを提供する。 【解決手段】 ＱＣレーザのＳＬを無電界に保つ試みの
代わりに、ＳＬ周期を変えることにより、実際の電子ポ
テンシャルをプレバイアスし、上方及び下方ミニバンド
の平均して本質的に平坦なプロフィルが得る。上方及び
下方レーザレベルは、印加電界が無い時、第１のサブセ
ット内で層から層へそれぞれ異なるエネルギーに位置
し、印加電界が存在するにもかかわらず上方及び下方ミ
ニバンドの所望のフラットバンド条件が実現される。第
１のサブセット内のＱＷ層の厚さは、印加電界の方向に
増加するように、ＱＷ層からＱＷ層へ変化し、障壁層の
第２のサブセットの厚さも、印加電界の方向に減少又は
増加するように障壁層から障壁層へ変化させる。
Description
【０００１】本発明はともにＤＡＲＰＡ／米軍研究オフ
ィスから許与された契約第ＤＡＡＨ０４−９６−Ｃ−０
０２６号及び契約第ＤＡＡＧ５５−９８−Ｃ−００５０
の下で政府の支持を得た。政府は本発明について、ある
程度の権利を持つ。
ィスから許与された契約第ＤＡＡＨ０４−９６−Ｃ−０
０２６号及び契約第ＤＡＡＧ５５−９８−Ｃ−００５０
の下で政府の支持を得た。政府は本発明について、ある
程度の権利を持つ。
【０００２】
【補本発明の分野】本発明は一般に超格子（ＳＬ）半導
体デバイス、より具体的には、量子カスケード（ＱＣ）
ＳＬ半導体光エミッタ（たとえばレーザ）に係る。
体デバイス、より具体的には、量子カスケード（ＱＣ）
ＳＬ半導体光エミッタ（たとえばレーザ）に係る。
【０００３】
【本発明の背景】半導体ＳＬは独特の電子的特性を有す
る多層構造である。これらの構造は、異なる禁制帯をも
つ２つの異なる半導体材料の交互の薄い（たとえばナノ
メータの厚さ）層の周期的な積み重ね（すなわち、低禁
制帯量子井戸（ＱＷ）層がより広い禁制帯障壁層にはさ
まれている）である。ジー・スカマルチオ（Ｇ．Ｓｃａ
ｍａｒｃｉｏ）ら、サイエンス、２７６巻、７７３−７
７６（１９９７年５月）に述べられているように、この
構造の周期（〜０．５ｎｍ）はバルク結晶成分の格子定
数（〜０．５ｎｍ）より、典型的な場合、はるかに大き
い。このようにポテンシャルが重畳されることにより、
伝導帯及び価電子帯は、ミニバンドと呼ばれる一連のは
るかに狭いエネルギー帯（典型的な場合、強いトンネル
結合があると数十ないし数百ミリボルトの幅）に分離
し、それらは層に垂直な方向に沿った禁制帯（ミニギャ
ップ）により分離される。ミニバンドを形成するには、
ＱＷのそれぞれの中の状態の波動関数が、局在しないこ
と、すなわち波動関数が多くのＱＷ上に延びることが必
要である。このことはＱＷが相互に強く結合し、それら
が局在しないことを意味する。その場合、ＱＷは実効的
に相互に結合が解かれるであろう。
る多層構造である。これらの構造は、異なる禁制帯をも
つ２つの異なる半導体材料の交互の薄い（たとえばナノ
メータの厚さ）層の周期的な積み重ね（すなわち、低禁
制帯量子井戸（ＱＷ）層がより広い禁制帯障壁層にはさ
まれている）である。ジー・スカマルチオ（Ｇ．Ｓｃａ
ｍａｒｃｉｏ）ら、サイエンス、２７６巻、７７３−７
７６（１９９７年５月）に述べられているように、この
構造の周期（〜０．５ｎｍ）はバルク結晶成分の格子定
数（〜０．５ｎｍ）より、典型的な場合、はるかに大き
い。このようにポテンシャルが重畳されることにより、
伝導帯及び価電子帯は、ミニバンドと呼ばれる一連のは
るかに狭いエネルギー帯（典型的な場合、強いトンネル
結合があると数十ないし数百ミリボルトの幅）に分離
し、それらは層に垂直な方向に沿った禁制帯（ミニギャ
ップ）により分離される。ミニバンドを形成するには、
ＱＷのそれぞれの中の状態の波動関数が、局在しないこ
と、すなわち波動関数が多くのＱＷ上に延びることが必
要である。このことはＱＷが相互に強く結合し、それら
が局在しないことを意味する。その場合、ＱＷは実効的
に相互に結合が解かれるであろう。
【０００４】ＳＬの興味ある特徴、すなわちミニバンド
内の緩和時間に比べ、ミニバンド間緩和時間が長いこと
は、固有のポピュレーションインバージョンを有し、非
常に大きな電流と光パワー出力を保持できるＳＬＱＣレ
ーザを開発するために用いられてきた。これらのＱＣレ
ーザにおいて、活性領域くり返しユニット（放射遷移
（ＲＴ）領域プラスはさまれた注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領
域）は、ＳＬにより形成される。たとえば、上で引用し
たスカマルチオ（Ｓｃａｍａｒｃｉｏ）らの論文及びエ
イ・トレディクッチ（Ａ．Ｔｒｅｄｉｃｕｃｃｉ）ら、
アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．）第７２巻、第１９号、２３８８−２
３９０頁（１９９８年５月）を参照のこと。両方ともこ
こに参照文献として含まれる。両方の場合において、各
ＲＴ領域中のレーザ動作は、各Ｉ／Ｒ領域を貫くミニバ
ンドによるユニポーラ（電子）注入により、ミニバンド
間で実現された。上方伝導帯ミニバンドの底におけるエ
ネルギー状態と、下方伝導帯ミニバンドの最上部付近の
エネルギー状態間の垂直レーザ遷移は、障壁及びＱＷ材
料のエネルギー禁制帯の十分下のフォトンエネルギーで
起こる。これらのＱＣＳＬレーザの中心波長は、ミニギ
ャップにより決められ、障壁及びＱＷ厚を変えることに
より、ＩＲスペクトルの広い領域で選択できる。
内の緩和時間に比べ、ミニバンド間緩和時間が長いこと
は、固有のポピュレーションインバージョンを有し、非
常に大きな電流と光パワー出力を保持できるＳＬＱＣレ
ーザを開発するために用いられてきた。これらのＱＣレ
ーザにおいて、活性領域くり返しユニット（放射遷移
（ＲＴ）領域プラスはさまれた注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領
域）は、ＳＬにより形成される。たとえば、上で引用し
たスカマルチオ（Ｓｃａｍａｒｃｉｏ）らの論文及びエ
イ・トレディクッチ（Ａ．Ｔｒｅｄｉｃｕｃｃｉ）ら、
アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．）第７２巻、第１９号、２３８８−２
３９０頁（１９９８年５月）を参照のこと。両方ともこ
こに参照文献として含まれる。両方の場合において、各
ＲＴ領域中のレーザ動作は、各Ｉ／Ｒ領域を貫くミニバ
ンドによるユニポーラ（電子）注入により、ミニバンド
間で実現された。上方伝導帯ミニバンドの底におけるエ
ネルギー状態と、下方伝導帯ミニバンドの最上部付近の
エネルギー状態間の垂直レーザ遷移は、障壁及びＱＷ材
料のエネルギー禁制帯の十分下のフォトンエネルギーで
起こる。これらのＱＣＳＬレーザの中心波長は、ミニギ
ャップにより決められ、障壁及びＱＷ厚を変えることに
より、ＩＲスペクトルの広い領域で選択できる。
【０００５】ＱＣＳＬレーザを適切に動作させるために
は、ミニバンドのフラットバンド条件が存在しなければ
ならない。すなわち、２つの条件があわなければならな
い。 （１）ＲＴ及びＩ／Ｒ領域の相互の巨視的な配置及び
（２）ＲＴに渡る上方エネルギー帯及び下方エネルギー
レベルの微視的配置である。しかし、印加電界が存在す
ると（たとえばレーザ動作させるために、層に垂直に印
加された外部バイアス）、量子状態はＱＷ層からＱＷ層
へ、電界の方向により高いエネルギーにシフトする。ス
カマルチオ（Ｓｃａｍａｒｃｉｏ）らのＱＣＳＬレーザ
では、この問題はＲＴ領域のすべてに全体的に高濃度ド
ーピングし、それによってドーピングイオン及び対応す
る外部電子により、遮蔽電界が生じ、それにより印加電
界を補償（すなわち、活性領域中への著しい電界の侵透
を防止する）することにより、解決しようとした。他
方、トレディクッチ（Ｔｒｅｄｉｃｕｃｃｉ）らのＱＣ
ＳＬレーザでは、ＲＴ領域に近接したＩ／Ｒ領域の端部
のみが、ドープされた。ここで、ドーパントイオン及び
それらの外因的な電子は、容量の相対する電極のように
動作し、印加電界を遮蔽する。このようにして、ＳＬ領
域にはほとんど電界はなく、各くり返しユニットの上方
ミニバンドは、先の隣接したユニットの下方ミニバンド
と（電子流の方向に）整合している。しかし、比較的高
い外因的な電子（トレディクッチ（Ｔｒｅｄｉｃｕｃｃ
ｉ）らのレーザでは１周期当りのシート濃度７−８×１
０11ｃｍ-2）のため、閾値電流の絶対値は高くなるとと
もに、温度の上昇とともに、閾値電流は急速に増加し
た。
は、ミニバンドのフラットバンド条件が存在しなければ
ならない。すなわち、２つの条件があわなければならな
い。 （１）ＲＴ及びＩ／Ｒ領域の相互の巨視的な配置及び
（２）ＲＴに渡る上方エネルギー帯及び下方エネルギー
レベルの微視的配置である。しかし、印加電界が存在す
ると（たとえばレーザ動作させるために、層に垂直に印
加された外部バイアス）、量子状態はＱＷ層からＱＷ層
へ、電界の方向により高いエネルギーにシフトする。ス
カマルチオ（Ｓｃａｍａｒｃｉｏ）らのＱＣＳＬレーザ
では、この問題はＲＴ領域のすべてに全体的に高濃度ド
ーピングし、それによってドーピングイオン及び対応す
る外部電子により、遮蔽電界が生じ、それにより印加電
界を補償（すなわち、活性領域中への著しい電界の侵透
を防止する）することにより、解決しようとした。他
方、トレディクッチ（Ｔｒｅｄｉｃｕｃｃｉ）らのＱＣ
ＳＬレーザでは、ＲＴ領域に近接したＩ／Ｒ領域の端部
のみが、ドープされた。ここで、ドーパントイオン及び
それらの外因的な電子は、容量の相対する電極のように
動作し、印加電界を遮蔽する。このようにして、ＳＬ領
域にはほとんど電界はなく、各くり返しユニットの上方
ミニバンドは、先の隣接したユニットの下方ミニバンド
と（電子流の方向に）整合している。しかし、比較的高
い外因的な電子（トレディクッチ（Ｔｒｅｄｉｃｕｃｃ
ｉ）らのレーザでは１周期当りのシート濃度７−８×１
０11ｃｍ-2）のため、閾値電流の絶対値は高くなるとと
もに、温度の上昇とともに、閾値電流は急速に増加し
た。
【０００６】従って、本質的に電界のないＳＬを必要と
せずに、たとえば印加電界を補償するためにドーパント
を導入する必要なしに、上方及び下方ミニバンドの所望
のフラットバンド条件を満す設計に対して、ＱＣＳＬレ
ーザ技術には必要性が残る。
せずに、たとえば印加電界を補償するためにドーパント
を導入する必要なしに、上方及び下方ミニバンドの所望
のフラットバンド条件を満す設計に対して、ＱＣＳＬレ
ーザ技術には必要性が残る。
【０００７】
【本発明の要約】本発明の一視点に従うと、ＱＣレーザ
のＳＬを無電界に保とうとする代わりに、ＳＬに印加電
界が存在しても、平均して上方及び下方ミニバンドの本
質的に平坦なプロフィルが実現するよう、ＳＬ周期（従
って平均組成）を変えることにより、実際の電子電位を
“プレバイアス”する。“プレバイアス”という用語の
定義については、以後十分に述べる。たとえば、一実施
例において、ＱＷ層の少なくとも第１のサブセット中
で、ＱＷ層の厚さはＯＷ層からＯＷ層に変え、印加電界
の方向に増加するようにする。この実施例において、上
方及び下方レーザ発振レベルは、印加電界が無い時、第
１のサブセット内で層から層へ異なるエネルギーにあ
り、それによって印加電界が存在しても、上方及び下方
ミニバンドの所望のフラットバンド条件が実現される。
好ましい実施例において、第１のサブセット内のＱＷ層
の厚さは、ＱＷ層からＱＷ層に変化し、印加電界の方向
に増加するようにする。別の実施例において、障壁層の
第２のサブセットの厚さも、第２のサブセット内で障壁
層から障壁層に変化し、印加電界の方向に変化（増加又
は減少）するようにする。
のＳＬを無電界に保とうとする代わりに、ＳＬに印加電
界が存在しても、平均して上方及び下方ミニバンドの本
質的に平坦なプロフィルが実現するよう、ＳＬ周期（従
って平均組成）を変えることにより、実際の電子電位を
“プレバイアス”する。“プレバイアス”という用語の
定義については、以後十分に述べる。たとえば、一実施
例において、ＱＷ層の少なくとも第１のサブセット中
で、ＱＷ層の厚さはＯＷ層からＯＷ層に変え、印加電界
の方向に増加するようにする。この実施例において、上
方及び下方レーザ発振レベルは、印加電界が無い時、第
１のサブセット内で層から層へ異なるエネルギーにあ
り、それによって印加電界が存在しても、上方及び下方
ミニバンドの所望のフラットバンド条件が実現される。
好ましい実施例において、第１のサブセット内のＱＷ層
の厚さは、ＱＷ層からＱＷ層に変化し、印加電界の方向
に増加するようにする。別の実施例において、障壁層の
第２のサブセットの厚さも、第２のサブセット内で障壁
層から障壁層に変化し、印加電界の方向に変化（増加又
は減少）するようにする。
【０００８】もちろん、本発明の原理は一般的にＱＣＳ
Ｌ光エミッタに、具体的にはレーザとともに自発放射光
エミッタに適用できる。
Ｌ光エミッタに、具体的にはレーザとともに自発放射光
エミッタに適用できる。
【０００９】本発明の更に別の視点に従うと、ＱＣＳＬ
光エミッタの作製方法は、以下の工程を含む。（１）Ｉ
／Ｒ領域ではさまれた複数のＳＬユニポーラＲＴ領域を
作製する工程。それぞれのＲＴ領域は障壁層ではさまれ
た複数のＱＷ層を含む。ＱＷ層は上方及び下方ミニバン
ドを特徴とするエネルギー状態をもつ。（２）少なくと
もＱＷ層の第１のサブセット内で、層を横切る第１の方
向に、ＱＷ層からＱＷ層へＱＷ層の厚さを増加させる工
程。別の実施例は、追加の工程を含む。すなわち、障壁
層の少なくとも第２のサブセット内で、同じ方向に障壁
層から障壁層へ障壁層の厚さを変え（ 減少又は増
加）、それによってＳＬ内に印加電界が存在しても、上
方及び下方ミニバンドの所望のフラットバンド条件が実
現される。
光エミッタの作製方法は、以下の工程を含む。（１）Ｉ
／Ｒ領域ではさまれた複数のＳＬユニポーラＲＴ領域を
作製する工程。それぞれのＲＴ領域は障壁層ではさまれ
た複数のＱＷ層を含む。ＱＷ層は上方及び下方ミニバン
ドを特徴とするエネルギー状態をもつ。（２）少なくと
もＱＷ層の第１のサブセット内で、層を横切る第１の方
向に、ＱＷ層からＱＷ層へＱＷ層の厚さを増加させる工
程。別の実施例は、追加の工程を含む。すなわち、障壁
層の少なくとも第２のサブセット内で、同じ方向に障壁
層から障壁層へ障壁層の厚さを変え（ 減少又は増
加）、それによってＳＬ内に印加電界が存在しても、上
方及び下方ミニバンドの所望のフラットバンド条件が実
現される。
【００１０】
【本発明の詳細な記述】図１を参照すると、ＱＣＳＬ半
導体光エミッタ（たとえばレーザ）１０は、上方クラッ
ド領域１６及び下方クラッド領域として働く基板の間に
はさまれたＱＣＳＬ活性領域１４を含む。あるいは、下
方クラッド領域は基板から分離され、基板と活性領域の
間に形成してよい。上方クラッド領域１６はたとえばリ
ッジ導波路レーザ構造のメサ又は台形の形に形成してよ
い。メサは図示されるように活性領域１４で停止するよ
うに浅くエッチングしてもよく、メサが活性領域中に延
びるように、深くエッチングしてもよい。いずれの場合
も、電気的に絶縁性の層１８（たとえば Ｓｉ3Ｎ4又は
ＳｉＯ2）がデバイスの最上部上に形成され、メサの最
上部の一部を露出する開口を形成するため、パターン形
成される。第１の電極２０が絶縁層１８上と上方クラッ
ド領域に接触するように、開口中に形成され（通常、高
濃度ドープ接触促進層による。これは図示されていな
い）、第２の電極２２が基板１２上に形成される。
導体光エミッタ（たとえばレーザ）１０は、上方クラッ
ド領域１６及び下方クラッド領域として働く基板の間に
はさまれたＱＣＳＬ活性領域１４を含む。あるいは、下
方クラッド領域は基板から分離され、基板と活性領域の
間に形成してよい。上方クラッド領域１６はたとえばリ
ッジ導波路レーザ構造のメサ又は台形の形に形成してよ
い。メサは図示されるように活性領域１４で停止するよ
うに浅くエッチングしてもよく、メサが活性領域中に延
びるように、深くエッチングしてもよい。いずれの場合
も、電気的に絶縁性の層１８（たとえば Ｓｉ3Ｎ4又は
ＳｉＯ2）がデバイスの最上部上に形成され、メサの最
上部の一部を露出する開口を形成するため、パターン形
成される。第１の電極２０が絶縁層１８上と上方クラッ
ド領域に接触するように、開口中に形成され（通常、高
濃度ドープ接触促進層による。これは図示されていな
い）、第２の電極２２が基板１２上に形成される。
【００１１】基板それ自身は単結晶半導体基体又は別の
層（たとえば、基体の最上部表面上に成長させたエピタ
キシャル層）を有するそのような基体の組合せでよい。
たとえば、この型のレーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体、たとえばＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓのようなＩ
ｎを基本とするＩＩＩ−Ｖ族化合物で作製される。
層（たとえば、基体の最上部表面上に成長させたエピタ
キシャル層）を有するそのような基体の組合せでよい。
たとえば、この型のレーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体、たとえばＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓのようなＩ
ｎを基本とするＩＩＩ−Ｖ族化合物で作製される。
【００１２】図示されていない駆動回路が、外部電圧を
印加し、光を発生させるのに十分な大きさのポンピング
エネルギーを、レーザに供給するため、電極間に結合さ
れている。閾値以下ではエミッタは非可干渉の自発放射
源として動作し、一方閾値以上では、それは可干渉性の
刺激放射源として動作する。後者の場合、光学的な帰還
を与えた時、光源はレーザとして機能する。適切な光学
的帰還は典型的な場合、たとえばへき開した結晶面、分
布帰還（ＤＦＢ）回折格子、分布ブラッグ反射器（ＤＢ
Ｒ）又はそれらの組合せといったもので形成される光空
胴共振器により得られる。
印加し、光を発生させるのに十分な大きさのポンピング
エネルギーを、レーザに供給するため、電極間に結合さ
れている。閾値以下ではエミッタは非可干渉の自発放射
源として動作し、一方閾値以上では、それは可干渉性の
刺激放射源として動作する。後者の場合、光学的な帰還
を与えた時、光源はレーザとして機能する。適切な光学
的帰還は典型的な場合、たとえばへき開した結晶面、分
布帰還（ＤＦＢ）回折格子、分布ブラッグ反射器（ＤＢ
Ｒ）又はそれらの組合せといったもので形成される光空
胴共振器により得られる。
【００１３】図２に示されるように、本発明の一視点に
従うと、活性領域１４は複数Ｎのくり返しユニットを含
み、それぞれのユニットは“プレバイアス”ＳＬＲＴ領
域１４．１及びＩ／Ｒ領域１４．２を含む。ＳＬの内部
電子的ポテンシャルを“プレバイアスする”効果は、印
加されたバイアス電圧により生じたＳＬ中の電界の存在
にもかかわらず、上方及び下方ミニバンドのフラットバ
ンド条件を生成させることである。より具体的には、１
つのＲＴ領域１４．１の下方ミニバンド１４．３は、隣
接したＲＴ領域１４．５の上方ミニバンド１４．４と整
合され、２つの整合したミニバンドははさまれたＩ／Ｒ
領域１４．２の単一のミニバンド１４．６と整合し、橋
渡しされる。この型のデバイスレーザ発振は、ミニバン
ド間プロセスである。すなわち、波形の矢印１５によっ
て示されるように、波長λにおける刺激放射は上方ミニ
バンド１４．７の底部エネルギーレベル２と下方ミニバ
ンド１４．３の最上部エネルギーレベル１の間で、ＲＴ
領域１４．１内で起こる。同様のプロセスは他のＲＴ領
域中で起こる。たとえば、レーザ発振はまた上方ミニバ
ンド１４．４の底部エネルギーレベル２と下方ミニバン
ド１４．８の最上部エネルギーレベル１の間で、ＲＴ領
域１４．５中と同じ波長で起こる。レベル１及び２の波
動関数（２乗の対数）も、図２に示されている。各ＲＴ
内で、これらの波動関数はそのＲＴのすべてのＱＷを横
切って延び、従ってＱＷは相互に実効的に結合されてい
ることに、注意されたい。
従うと、活性領域１４は複数Ｎのくり返しユニットを含
み、それぞれのユニットは“プレバイアス”ＳＬＲＴ領
域１４．１及びＩ／Ｒ領域１４．２を含む。ＳＬの内部
電子的ポテンシャルを“プレバイアスする”効果は、印
加されたバイアス電圧により生じたＳＬ中の電界の存在
にもかかわらず、上方及び下方ミニバンドのフラットバ
ンド条件を生成させることである。より具体的には、１
つのＲＴ領域１４．１の下方ミニバンド１４．３は、隣
接したＲＴ領域１４．５の上方ミニバンド１４．４と整
合され、２つの整合したミニバンドははさまれたＩ／Ｒ
領域１４．２の単一のミニバンド１４．６と整合し、橋
渡しされる。この型のデバイスレーザ発振は、ミニバン
ド間プロセスである。すなわち、波形の矢印１５によっ
て示されるように、波長λにおける刺激放射は上方ミニ
バンド１４．７の底部エネルギーレベル２と下方ミニバ
ンド１４．３の最上部エネルギーレベル１の間で、ＲＴ
領域１４．１内で起こる。同様のプロセスは他のＲＴ領
域中で起こる。たとえば、レーザ発振はまた上方ミニバ
ンド１４．４の底部エネルギーレベル２と下方ミニバン
ド１４．８の最上部エネルギーレベル１の間で、ＲＴ領
域１４．５中と同じ波長で起こる。レベル１及び２の波
動関数（２乗の対数）も、図２に示されている。各ＲＴ
内で、これらの波動関数はそのＲＴのすべてのＱＷを横
切って延び、従ってＱＷは相互に実効的に結合されてい
ることに、注意されたい。
【００１４】ＲＴ領域の内部の電子的ポテンシャルは、
実際のポテンシャルがデバイス中にできるようにプレバ
イアスされる。すなわち、ＲＴ領域のＱＷ層の少なくと
も第１のサブセットは、ＱＷ層からＱＷ層へ揺れる。一
実施例において、“プレバイアスする”ことは、たとえ
ば印加電界（バイアス電圧によって生じる）の方向に、
層を横切る第１の方向に、これらのＱＷ層の厚さを単調
に増加させることにより、実現される。好ましい実施例
において、障壁層の第２のサブセットの厚さは、障壁層
から障壁層へ変ってもよい。これらの障壁層の厚さは、
同じ第１の方向に、単調に減少又は増加するのが好まし
い。サブセットという用語は、ＲＴ領域中のＱＷ（又は
障壁）層の全て、又はＲＴ領域中のＱＷ（又は障壁）層
の全て（すなわち完全なセット）より少ない層を含むこ
とを意図している。更に、第１及び第２のサブセット
は、層の同じグループを含む必要はなく、同数の層を含
む必要もない。
実際のポテンシャルがデバイス中にできるようにプレバ
イアスされる。すなわち、ＲＴ領域のＱＷ層の少なくと
も第１のサブセットは、ＱＷ層からＱＷ層へ揺れる。一
実施例において、“プレバイアスする”ことは、たとえ
ば印加電界（バイアス電圧によって生じる）の方向に、
層を横切る第１の方向に、これらのＱＷ層の厚さを単調
に増加させることにより、実現される。好ましい実施例
において、障壁層の第２のサブセットの厚さは、障壁層
から障壁層へ変ってもよい。これらの障壁層の厚さは、
同じ第１の方向に、単調に減少又は増加するのが好まし
い。サブセットという用語は、ＲＴ領域中のＱＷ（又は
障壁）層の全て、又はＲＴ領域中のＱＷ（又は障壁）層
の全て（すなわち完全なセット）より少ない層を含むこ
とを意図している。更に、第１及び第２のサブセット
は、層の同じグループを含む必要はなく、同数の層を含
む必要もない。
【００１５】“プレバイアス”されたＳＬＲＴ領域が上
方及び下方伝導帯ミニバンドの所望のフラットバンド条
件をいかに与えるかをより良く理解するために、次に図
３及び図４を参照する。印加電界ＥA の存在下でのＳＬ
中のミニバンド３０、４０の所望のフラットバンド条件
が、図３に描かれている。ここでＳＬは典型的な従来技
術として示されており、電界を補償する周期構造をも
ち、その中で各ＱＷ層は同じ厚さｔwをもち、各障壁層
は同じ厚さｔbをもつ。しかし、電界ＥC を補償する何
らかの形がないと、図３の各ミニバンドは、各量子井戸
内の異なるエネルギーで別々の量子状態に分離するであ
ろう。ＳＬ量子状態中に作るこの効果を利用する。この
状態は印加電界が無い時ずらされ、印加電界がある時、
相互に整合するようになる。従って、図４に示された本
発明の一実施例に従うと、電界ＥA の方向にＱＷ層の厚
さｔw を増すことにより、ＳＬは“プレバイアスされ
る”（レーザの動作中のみ印加されるから、ＥA は仮想
的に示されている。）このようにたとえばｔw4＜ｔw3＜
ｔw2＜ｔw1であると、より狭いＱＷ中の量子状態はより
広いＱＷ中の対応する状態より、高いエネルギーにある
こと及びより狭いＱＷ中の上方及び下方レベル間のエネ
ルギー差は、より広いＱＷ中より大きいことを意味す
る。従って、ＱＷの厚さに差をつけることにより、上方
及び下方ミニバンドの所望のフラットバンド条件が実現
されるように、ＱＷからＱＷへ量子状態をずらすことが
できる。
方及び下方伝導帯ミニバンドの所望のフラットバンド条
件をいかに与えるかをより良く理解するために、次に図
３及び図４を参照する。印加電界ＥA の存在下でのＳＬ
中のミニバンド３０、４０の所望のフラットバンド条件
が、図３に描かれている。ここでＳＬは典型的な従来技
術として示されており、電界を補償する周期構造をも
ち、その中で各ＱＷ層は同じ厚さｔwをもち、各障壁層
は同じ厚さｔbをもつ。しかし、電界ＥC を補償する何
らかの形がないと、図３の各ミニバンドは、各量子井戸
内の異なるエネルギーで別々の量子状態に分離するであ
ろう。ＳＬ量子状態中に作るこの効果を利用する。この
状態は印加電界が無い時ずらされ、印加電界がある時、
相互に整合するようになる。従って、図４に示された本
発明の一実施例に従うと、電界ＥA の方向にＱＷ層の厚
さｔw を増すことにより、ＳＬは“プレバイアスされ
る”（レーザの動作中のみ印加されるから、ＥA は仮想
的に示されている。）このようにたとえばｔw4＜ｔw3＜
ｔw2＜ｔw1であると、より狭いＱＷ中の量子状態はより
広いＱＷ中の対応する状態より、高いエネルギーにある
こと及びより狭いＱＷ中の上方及び下方レベル間のエネ
ルギー差は、より広いＱＷ中より大きいことを意味す
る。従って、ＱＷの厚さに差をつけることにより、上方
及び下方ミニバンドの所望のフラットバンド条件が実現
されるように、ＱＷからＱＷへ量子状態をずらすことが
できる。
【００１６】ここで、比較的短いＳＬにおいて、上方及
び下方ミニバンドの所望のフラットミニバンド条件は、
先に述べたように、ＱＷ厚のみを変えることにより、実
現できることに注目する。しかし、より長いＳＬにおい
ては、ＱＷ及び障壁層の両方の厚さを変えることが好ま
しい。すなわち、本発明の別の実施例に従うと、印加電
界の方向に障壁厚を変える（増加又は減少）ことも好ま
しい。障壁層の特定のサブセットの厚さを増加又は減少
させるか否かは、（コンピュータ・モデルプログラムを
使うことを含む）実験により決められる。ｔb を変える
目的には、ＱＷの適切な結合を確実にすること、ＱＷ間
の電子の輸送を容易にすること及び比較的高い振動強度
（すなわち、ダイポールマトリクス要素Ｚ21）を与える
ことが含まれる。いずれの場合も、（ｔw＋ｔb）により
規定される周期は、ＲＴ領域のＳＬ特性が著しく損なわ
れないように、あまり広く変化すべきではない。
び下方ミニバンドの所望のフラットミニバンド条件は、
先に述べたように、ＱＷ厚のみを変えることにより、実
現できることに注目する。しかし、より長いＳＬにおい
ては、ＱＷ及び障壁層の両方の厚さを変えることが好ま
しい。すなわち、本発明の別の実施例に従うと、印加電
界の方向に障壁厚を変える（増加又は減少）ことも好ま
しい。障壁層の特定のサブセットの厚さを増加又は減少
させるか否かは、（コンピュータ・モデルプログラムを
使うことを含む）実験により決められる。ｔb を変える
目的には、ＱＷの適切な結合を確実にすること、ＱＷ間
の電子の輸送を容易にすること及び比較的高い振動強度
（すなわち、ダイポールマトリクス要素Ｚ21）を与える
ことが含まれる。いずれの場合も、（ｔw＋ｔb）により
規定される周期は、ＲＴ領域のＳＬ特性が著しく損なわ
れないように、あまり広く変化すべきではない。
【００１７】今日までの最善の出力パワーの結果は、障
壁層のサブセットの厚さが印加電界の方向に減少したＱ
ＣＳＬで得られた。しかし、最善の閾値電流密度は障壁
層のサブセットの厚さが、印加電界の方向に増加したＱ
ＳＳＬレーザで得られた。これらのレーザの両方の例に
ついて、以下に述べる。
壁層のサブセットの厚さが印加電界の方向に減少したＱ
ＣＳＬで得られた。しかし、最善の閾値電流密度は障壁
層のサブセットの厚さが、印加電界の方向に増加したＱ
ＳＳＬレーザで得られた。これらのレーザの両方の例に
ついて、以下に述べる。
【００１８】実施例 この実施例 では、本発明の一実施例に従うＩＩＩ−Ｖ
化合物半導体ＱＣ“プレバイアス”ＳＬレーザについて
述べる。各種の材料、寸法及び動作条件は、説明のため
だけに示されており、特に述べなければ本発明の視野を
制限することは、意図していない。ここで用いるよう
に、アンドープという用語は具体的な半導体層又は領域
が意図的にはドーピングされていないこと、すなわちそ
のような領域又は層のいずれのドーピングも比較的低
く、典型的な場合、デバイスの層を成長させるために用
いたチャンバ中の残留ドーピング又はバックグランドの
ドーピングから生じることを意味する。
化合物半導体ＱＣ“プレバイアス”ＳＬレーザについて
述べる。各種の材料、寸法及び動作条件は、説明のため
だけに示されており、特に述べなければ本発明の視野を
制限することは、意図していない。ここで用いるよう
に、アンドープという用語は具体的な半導体層又は領域
が意図的にはドーピングされていないこと、すなわちそ
のような領域又は層のいずれのドーピングも比較的低
く、典型的な場合、デバイスの層を成長させるために用
いたチャンバ中の残留ドーピング又はバックグランドの
ドーピングから生じることを意味する。
【００１９】レーザの概略的な伝導帯ダイヤグラムが、
図２に示されている。２つの良く規定されたミニバンド
１４．３及び１４．４はカスケード段に渡ってそれらの
橋渡しをする単一Ｉ／Ｒミニバンド１４．６に整合した
隣接する“プレバイアス”ＳＬＲＴ領域１４．１及び１
４．５中でそれぞれ得られた。レーザ遷移に含まれる状
態は、各ＲＴ領域中の上方及び下方ミニバンド間の約
７．２μｍの中心波長において、各ＳＬの少なくとも６
周期に渡って、均一に脱局在していた。これにより、大
きなダイポールマトリクス要素Ｚ21＝２．７ｎｍが確実
になった。光学フォノン放射を通したそれらの寿命は、
τ2〜１ｐｓ及びτ1〜０．１ｐｓと計算され、散乱時間
はτ21＝５．３ｐｓであった。
図２に示されている。２つの良く規定されたミニバンド
１４．３及び１４．４はカスケード段に渡ってそれらの
橋渡しをする単一Ｉ／Ｒミニバンド１４．６に整合した
隣接する“プレバイアス”ＳＬＲＴ領域１４．１及び１
４．５中でそれぞれ得られた。レーザ遷移に含まれる状
態は、各ＲＴ領域中の上方及び下方ミニバンド間の約
７．２μｍの中心波長において、各ＳＬの少なくとも６
周期に渡って、均一に脱局在していた。これにより、大
きなダイポールマトリクス要素Ｚ21＝２．７ｎｍが確実
になった。光学フォノン放射を通したそれらの寿命は、
τ2〜１ｐｓ及びτ1〜０．１ｐｓと計算され、散乱時間
はτ21＝５．３ｐｓであった。
【００２０】それぞがＮ＝２８くり返しユニット（ＲＴ
プラスＩ／Ｒ領域）を有する２つの同一のＧａＩｎＡｓ
／ＡｌＩｎＡｓ試料を、低ドープＩｎＰ基板に格子整合
した分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により、成長させ
た。表Ｉに示された完成した構造は、基板及び上部クラ
ッド領域間にはさまれ、しかし周知のＧａＩｎＡｓ／Ａ
ｌＩｎＡｓディジタル傾斜遷移層により分離されたコア
を含む。コアは比較的厚い低ドープＧａＩｎＡｓ層によ
り区切られた２８のくり返しユニットを含んだ。薄い高
濃度ドープＧａＩｎＡｓ接触補助層を、上部クラッド領
域の最上部上に形成した。基板それ自身が下部クラッド
領域として働く。
プラスＩ／Ｒ領域）を有する２つの同一のＧａＩｎＡｓ
／ＡｌＩｎＡｓ試料を、低ドープＩｎＰ基板に格子整合
した分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により、成長させ
た。表Ｉに示された完成した構造は、基板及び上部クラ
ッド領域間にはさまれ、しかし周知のＧａＩｎＡｓ／Ａ
ｌＩｎＡｓディジタル傾斜遷移層により分離されたコア
を含む。コアは比較的厚い低ドープＧａＩｎＡｓ層によ
り区切られた２８のくり返しユニットを含んだ。薄い高
濃度ドープＧａＩｎＡｓ接触補助層を、上部クラッド領
域の最上部上に形成した。基板それ自身が下部クラッド
領域として働く。
【００２１】ウエハはいくつかの幅のメサエッチ・リッ
ジ導波路レーザに加工され、典型的な場合、約２−３ｍ
ｍの長さにへき開され、レーザ出力ファセットは被覆し
ないままにした。しかし、用途によっては、当業者には
良く知られるように、ファセットを被覆するのが好まし
いことがある。
ジ導波路レーザに加工され、典型的な場合、約２−３ｍ
ｍの長さにへき開され、レーザ出力ファセットは被覆し
ないままにした。しかし、用途によっては、当業者には
良く知られるように、ファセットを被覆するのが好まし
いことがある。
【００２２】
【表１】 従来のＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ Ｉ／Ｒ領域のそれ
ぞれの詳細が、表ＩＩに示されている。
ぞれの詳細が、表ＩＩに示されている。
【００２３】
【表２】
【００２４】表ＩＩＩは本発明の一実施例に従う両方の
試料Ｄ２３６９及びＤ２４０４についての“プレバイア
スされた”ＲＴ領域の変化する層厚を示す。印加電界
（図示されていない）は、上の方向すなわち表の底から
最上部の方向になるであろう。先に述べたことと一致し
て、６つのＧａＩｎＡｓＱＷ層の厚さは、電界の方向に
単調に３５Ａから５１Ａまで増加した。従って、この例
で、傾斜ＱＷ層のサブセットは、完全なセットである
が、先に述べたように、サブセットは各ＲＴ領域中のＱ
Ｗ層の全てより少ない層を含んでよい。それに対し、４
つのＡｌＩｎＡｓ障壁層の最も底部のサブセットのみの
厚さが、変えられる。この場合、電界の方向に以下のよ
うに単調に減少する：２５Ａ、１３Ａ、１２Ａ、１１
Ａ。最も底部の２５Ａ障壁は、より薄く（たとえば１４
Ａ）できるが、隣接するＩ／Ｒ領域からＲＴ領域をある
程度脱結合させるため、必要に応じて厚く設計した。そ
れに対し、４つの障壁層の最も上のサブセットは、すべ
て１１Ａの厚さを有した。
試料Ｄ２３６９及びＤ２４０４についての“プレバイア
スされた”ＲＴ領域の変化する層厚を示す。印加電界
（図示されていない）は、上の方向すなわち表の底から
最上部の方向になるであろう。先に述べたことと一致し
て、６つのＧａＩｎＡｓＱＷ層の厚さは、電界の方向に
単調に３５Ａから５１Ａまで増加した。従って、この例
で、傾斜ＱＷ層のサブセットは、完全なセットである
が、先に述べたように、サブセットは各ＲＴ領域中のＱ
Ｗ層の全てより少ない層を含んでよい。それに対し、４
つのＡｌＩｎＡｓ障壁層の最も底部のサブセットのみの
厚さが、変えられる。この場合、電界の方向に以下のよ
うに単調に減少する：２５Ａ、１３Ａ、１２Ａ、１１
Ａ。最も底部の２５Ａ障壁は、より薄く（たとえば１４
Ａ）できるが、隣接するＩ／Ｒ領域からＲＴ領域をある
程度脱結合させるため、必要に応じて厚く設計した。そ
れに対し、４つの障壁層の最も上のサブセットは、すべ
て１１Ａの厚さを有した。
【００２５】
【表３】
【００２６】試料Ｄ２３６９からのレーザのパルス動作
中に放出されたピークパワーが、駆動電流の関数とし
て、図５に示されている。能動デバイスの寸法と電流密
度が良く規定されて測定されるように、リッジ導波路は
２８段を貫いて、深くエッチングした。５Ｋでほぼ９０
０ｍＷ、室温でほぼ３００ｍＷのピークパワーが得られ
た。やはり図５にプロットされたＩ−Ｖ特性から導出で
きるように、閾値電圧（〜８．５Ｖ）は構造が設計され
た電界に良く対応する。５Ｋ、Ｊth＝１．５ｋＡ／ｃｍ
2 における閾値電流密度は、これまで報告されているミ
ニバンド間ＳＬレーザよりほぼ３分の１良く（たとえ
ば、先に引用したトレディクッチ（Ｔｒｅｄｉｃｕｃｃ
ｉ）らの論文を参照のこと）、同様の動作波長の従来の
サブバンド間ＱＣレーザのそれと同程度である。（シー
・グマクル（Ｃ．Ｇｍａｃｈｌ）ら、アプライド・フィ
ジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．）、第７２巻、第２４号、３１３０−３１３２頁
（１９９８年６月）を参照のこと。この文献は参照文献
として、ここに含まれる。）室温での値はＪth＝５．２
ｋＡ／ｃｍ2 であった。しかし、より低い室温での閾値
電流密度が試料Ｄ２３９４からのＱＣＳＬレーザで得ら
れた。この場合、ＱＷ層の第１のサブセットの厚さは、
上述のように印加電界の方向に増加したが、障壁層の第
２のサブセットの厚さも、同じ方向に増加した。試料Ｄ
２３９４において、６つの障壁層の厚さは、１Ａずつ７
Ａから１２Ａまで増加したが、最も底の障壁層（７Ａ障
壁層に最も近い層）は、上述のようにＲＴ及びＩ／Ｒ領
域を脱結合させるために、２５Ａの厚さであった。
中に放出されたピークパワーが、駆動電流の関数とし
て、図５に示されている。能動デバイスの寸法と電流密
度が良く規定されて測定されるように、リッジ導波路は
２８段を貫いて、深くエッチングした。５Ｋでほぼ９０
０ｍＷ、室温でほぼ３００ｍＷのピークパワーが得られ
た。やはり図５にプロットされたＩ−Ｖ特性から導出で
きるように、閾値電圧（〜８．５Ｖ）は構造が設計され
た電界に良く対応する。５Ｋ、Ｊth＝１．５ｋＡ／ｃｍ
2 における閾値電流密度は、これまで報告されているミ
ニバンド間ＳＬレーザよりほぼ３分の１良く（たとえ
ば、先に引用したトレディクッチ（Ｔｒｅｄｉｃｕｃｃ
ｉ）らの論文を参照のこと）、同様の動作波長の従来の
サブバンド間ＱＣレーザのそれと同程度である。（シー
・グマクル（Ｃ．Ｇｍａｃｈｌ）ら、アプライド・フィ
ジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．）、第７２巻、第２４号、３１３０−３１３２頁
（１９９８年６月）を参照のこと。この文献は参照文献
として、ここに含まれる。）室温での値はＪth＝５．２
ｋＡ／ｃｍ2 であった。しかし、より低い室温での閾値
電流密度が試料Ｄ２３９４からのＱＣＳＬレーザで得ら
れた。この場合、ＱＷ層の第１のサブセットの厚さは、
上述のように印加電界の方向に増加したが、障壁層の第
２のサブセットの厚さも、同じ方向に増加した。試料Ｄ
２３９４において、６つの障壁層の厚さは、１Ａずつ７
Ａから１２Ａまで増加したが、最も底の障壁層（７Ａ障
壁層に最も近い層）は、上述のようにＲＴ及びＩ／Ｒ領
域を脱結合させるために、２５Ａの厚さであった。
【００２７】閾値電流密度の測定された温度依存性が、
試料Ｄ２３６９について、図６の挿入図にプロットされ
ている。有限の温度依存性は、よく知られたＱＣレーザ
のＪthの式に、より低いレーザレベル（状態１）の熱的
に励起されたポピュレーションを考慮することにより、
見積もった。そのように計算された閾値電流密度も、図
６の挿入図中にプロットされている。モデルの不確定性
を考慮すると、実験結果との一致は良い。本レーザの低
い閾値電流は、高くり返し率における室温動作で特に望
ましく、その場合熱放散が課題である。図６からわかる
ように、この特性がピークパワーの特性と結びつくと、
試料Ｄ２４０４から得られたレーザで、２９５Ｋにおい
て１４ｍＷの平均パワーが得られる。このパワーは放物
線コア及び従来のサーモパイル・パワーメータを用い
て、ほぼ１の収集効率で測定された。
試料Ｄ２３６９について、図６の挿入図にプロットされ
ている。有限の温度依存性は、よく知られたＱＣレーザ
のＪthの式に、より低いレーザレベル（状態１）の熱的
に励起されたポピュレーションを考慮することにより、
見積もった。そのように計算された閾値電流密度も、図
６の挿入図中にプロットされている。モデルの不確定性
を考慮すると、実験結果との一致は良い。本レーザの低
い閾値電流は、高くり返し率における室温動作で特に望
ましく、その場合熱放散が課題である。図６からわかる
ように、この特性がピークパワーの特性と結びつくと、
試料Ｄ２４０４から得られたレーザで、２９５Ｋにおい
て１４ｍＷの平均パワーが得られる。このパワーは放物
線コア及び従来のサーモパイル・パワーメータを用い
て、ほぼ１の収集効率で測定された。
【００２８】試料Ｄ２４０４からのデバイスも、エッチ
ングプロセスをクラッド層に限定することにより、（深
くエッチングした狭いメサのリッジ導波路ではなく）図
１に示されるような広面積の形態に加工した。これらの
レーザは図７に示されるように、ピークパワーの点で標
準的な深くエッチングしたレーザの出力特性を示した。
この図には２つのそのようなデバイスの各種温度におけ
るＬ−Ｉ特性が示されている。閾値のすぐ上での本広面
積レーザの放射の室温におけるマルチモードスペクトル
が、図７の挿入図中に示されている。
ングプロセスをクラッド層に限定することにより、（深
くエッチングした狭いメサのリッジ導波路ではなく）図
１に示されるような広面積の形態に加工した。これらの
レーザは図７に示されるように、ピークパワーの点で標
準的な深くエッチングしたレーザの出力特性を示した。
この図には２つのそのようなデバイスの各種温度におけ
るＬ−Ｉ特性が示されている。閾値のすぐ上での本広面
積レーザの放射の室温におけるマルチモードスペクトル
が、図７の挿入図中に示されている。
【００２９】サブバンド間及びミニバンド間レーザの連
続波（ＣＷ）動作の制限要因は、デバイスの大きなパワ
ー放散から生じる。レーザの有限の熱抵抗により、活性
領域の温度はヒートシンクのそれよりはるかに高い。基
板温度Ｔsub は後者の良い近似で、ＣＷ動作のＴsubの
典型的な最大値（Ｔsub,max）は約１４５Ｋである。く
り返しユニット（段）の数を減らすことにより得られる
活性領域に印加される電圧の減少により、電流閾値の増
加があまり大きくない限り、Ｔsub,max はより高くなる
であろう。（試料Ｄ２３６９と同一の設計において）１
９段のみをもつＱＣ“プレバイアス”ＳＬレーザは、こ
の点で有効であることを見い出した。しかし、１９段は
例を示すためだけであり、意図する用途に依存して、そ
れ以上又はそれ以下の段を用いることができる。
続波（ＣＷ）動作の制限要因は、デバイスの大きなパワ
ー放散から生じる。レーザの有限の熱抵抗により、活性
領域の温度はヒートシンクのそれよりはるかに高い。基
板温度Ｔsub は後者の良い近似で、ＣＷ動作のＴsubの
典型的な最大値（Ｔsub,max）は約１４５Ｋである。く
り返しユニット（段）の数を減らすことにより得られる
活性領域に印加される電圧の減少により、電流閾値の増
加があまり大きくない限り、Ｔsub,max はより高くなる
であろう。（試料Ｄ２３６９と同一の設計において）１
９段のみをもつＱＣ“プレバイアス”ＳＬレーザは、こ
の点で有効であることを見い出した。しかし、１９段は
例を示すためだけであり、意図する用途に依存して、そ
れ以上又はそれ以下の段を用いることができる。
【００３０】ウエハＤ２４３３からの１デバイスの駆動
電流の関数としてのＣＷ光パワーが、各種温度に対し
て、図８に示されている。２５Ｋで３００ｍＷ以上の光
パワーが得られ、１５０Ｋでなお２０ｍＷが得られた。
１６０Ｋの高い温度で、レーザはＣＷモードで動作する
ことを止めた。図８の挿入図に示されるように、閾値の
すぐ上の寒剤温度におけるＣＷスペクトルは、ほぼ７．
２２μｍの中心波長で、シングルモードであり、上方及
び下方ミニバンド間の計算されたエネルギー差と、非常
に良く一致した。１９段以上の試料では、より高い傾斜
効率の値が得られた。これは閾値以上に注入された各電
子が１段当り１つのフォトンを放出するという良く知ら
れたカスケード方式に従っている。３ｍｍ長、１６．７
μｍ幅である（ウエハＤ２４０４からの）２８段レーザ
で、４７８ｍＷ／Ａの傾斜効率が記録された。この測定
された効率は、計算値４７２ｍＷ／Ａと良く一致した。
５．６の得られた外部微分量子効率は、１より大きく、
それはカスケード活性領域を有するレーザでのみ可能で
ある。
電流の関数としてのＣＷ光パワーが、各種温度に対し
て、図８に示されている。２５Ｋで３００ｍＷ以上の光
パワーが得られ、１５０Ｋでなお２０ｍＷが得られた。
１６０Ｋの高い温度で、レーザはＣＷモードで動作する
ことを止めた。図８の挿入図に示されるように、閾値の
すぐ上の寒剤温度におけるＣＷスペクトルは、ほぼ７．
２２μｍの中心波長で、シングルモードであり、上方及
び下方ミニバンド間の計算されたエネルギー差と、非常
に良く一致した。１９段以上の試料では、より高い傾斜
効率の値が得られた。これは閾値以上に注入された各電
子が１段当り１つのフォトンを放出するという良く知ら
れたカスケード方式に従っている。３ｍｍ長、１６．７
μｍ幅である（ウエハＤ２４０４からの）２８段レーザ
で、４７８ｍＷ／Ａの傾斜効率が記録された。この測定
された効率は、計算値４７２ｍＷ／Ａと良く一致した。
５．６の得られた外部微分量子効率は、１より大きく、
それはカスケード活性領域を有するレーザでのみ可能で
ある。
【００３１】上述の構成は本発明の原理の応用を表わす
ために考案できる多くの可能な具体的な実施例の単なる
例であることを、理解する必要がある。本発明の精神及
び視野を離れることなく、当業者には、これらの原理に
従い、多くの変更された構成が考案できる。具体的に
は、上の記述では２つの仮定が暗に含まれている。第１
に、くり返しユニットは相互に全て同一であること、第
２に各くり返しユニット中の外部印加電界は同じである
ことである。もし後者があてはまらなければ、くり返し
ユニットはＱＷ又は障壁層又は両方の中で、わずかに異
なる厚さ変化をもたせるのが望ましい可能性がある。た
とえば、ＳＬ中に作られる（ＱＷ又は障壁層厚の）変化
は、デバイスパラメータとして直線的に変化する必要は
なく、単調な変化である必要もない。最後に、印加電界
を遮蔽するために用いるドーピング方式は下方に向かう
ものであるが、そのような方式は本発明と組合せて用い
てよいことに気付く。
ために考案できる多くの可能な具体的な実施例の単なる
例であることを、理解する必要がある。本発明の精神及
び視野を離れることなく、当業者には、これらの原理に
従い、多くの変更された構成が考案できる。具体的に
は、上の記述では２つの仮定が暗に含まれている。第１
に、くり返しユニットは相互に全て同一であること、第
２に各くり返しユニット中の外部印加電界は同じである
ことである。もし後者があてはまらなければ、くり返し
ユニットはＱＷ又は障壁層又は両方の中で、わずかに異
なる厚さ変化をもたせるのが望ましい可能性がある。た
とえば、ＳＬ中に作られる（ＱＷ又は障壁層厚の）変化
は、デバイスパラメータとして直線的に変化する必要は
なく、単調な変化である必要もない。最後に、印加電界
を遮蔽するために用いるドーピング方式は下方に向かう
ものであるが、そのような方式は本発明と組合せて用い
てよいことに気付く。
【図１】本発明の一実施例に従うＱＣＳＬレーザの概略
断面図である。
断面図である。
【図２】４５ｋＶ／ｃｍの設計電界において、Ｉ／Ｒ領
域により橋渡しされた２つのＳＬ領域の概略伝導帯プロ
フィルを示す図である。
域により橋渡しされた２つのＳＬ領域の概略伝導帯プロ
フィルを示す図である。
【図３】従来技術においては、印加電界を遮蔽（又は補
償）するために、ドーパントを導入することにより実現
された印加電界の存在下でのミニバンドの典型的なフラ
ットバンド条件を示す概略伝導帯プロフィルの図であ
る。
償）するために、ドーパントを導入することにより実現
された印加電界の存在下でのミニバンドの典型的なフラ
ットバンド条件を示す概略伝導帯プロフィルの図であ
る。
【図４】本発明の一実施例に従う印加電界が存在しない
場合の“プレバイアス”ＳＬの概略伝導帯プロフィルの
図である。
場合の“プレバイアス”ＳＬの概略伝導帯プロフィルの
図である。
【図５】本発明の一実施例に従うＱＣＳＬレーザの異な
る温度（５Ｋないし２９５Ｋ）における一連の光−電流
（Ｌ−Ｉ）特性を示す図である。データはほぼ５０％の
収集効率を有する単一のレーザファセットからの出力を
検出するために、ｆ／０．８光学系及び補正された室温
ＨｇＣｄＴｅ検出器を用いて記録した。本発明の一実施
例に従って設計されたレーザ（３ｍｍ長、１７．７μｍ
幅）は、パルスモード（５０ｎｓパルス幅、５ｋＨｚの
くり返し速度）で励起され、測定は調整可能なゲート平
均化器で行った。５Ｋにおける電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特
性も示されている。
る温度（５Ｋないし２９５Ｋ）における一連の光−電流
（Ｌ−Ｉ）特性を示す図である。データはほぼ５０％の
収集効率を有する単一のレーザファセットからの出力を
検出するために、ｆ／０．８光学系及び補正された室温
ＨｇＣｄＴｅ検出器を用いて記録した。本発明の一実施
例に従って設計されたレーザ（３ｍｍ長、１７．７μｍ
幅）は、パルスモード（５０ｎｓパルス幅、５ｋＨｚの
くり返し速度）で励起され、測定は調整可能なゲート平
均化器で行った。５Ｋにおける電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特
性も示されている。
【図６】本発明の別の実施例に従うＱＣＳＬレーザの単
一ファセットからのほぼ収集効率１で測定した室温にお
ける平均放射光パワーを示す図である。試料Ｄ２４０４
からのレーザ（３ｍｍ長、１４．２μｍ幅）を、５％反
復、１００ｎｓ持続の電流パルスで駆動した。挿入図は
理論値とともに、図５のレーザの測定された閾値電流密
度を示す。
一ファセットからのほぼ収集効率１で測定した室温にお
ける平均放射光パワーを示す図である。試料Ｄ２４０４
からのレーザ（３ｍｍ長、１４．２μｍ幅）を、５％反
復、１００ｎｓ持続の電流パルスで駆動した。挿入図は
理論値とともに、図５のレーザの測定された閾値電流密
度を示す。
【図７】約５０％収集効率を有する試料Ｄ２４０４から
作った広面積レーザの単一ファセットから記録した駆動
電流の関数として、各種温度におけるピーク光パワーを
示す図である。実線及び波線はそれぞれ２．２５ｍｍ長
の２つの異なるデバイスをさす。レーザ放射の典型的な
室温パルススペクトルが、挿入図に示されている。
作った広面積レーザの単一ファセットから記録した駆動
電流の関数として、各種温度におけるピーク光パワーを
示す図である。実線及び波線はそれぞれ２．２５ｍｍ長
の２つの異なるデバイスをさす。レーザ放射の典型的な
室温パルススペクトルが、挿入図に示されている。
【図８】本発明の別の実施例に従うレーザの連続波Ｌ−
Ｉ特性を示す図である。レーザは試料Ｄ２４３３から作
り、長さ２．２６ｍｍ、幅１０．８μｍで、ほぼ１の収
集効率を有する単一デバイスファセットから測定した。
挿入図はレーザ閾値のすぐ上で、２０Ｋにおいて記録し
たＣＷスペクトルを示す。
Ｉ特性を示す図である。レーザは試料Ｄ２４３３から作
り、長さ２．２６ｍｍ、幅１０．８μｍで、ほぼ１の収
集効率を有する単一デバイスファセットから測定した。
挿入図はレーザ閾値のすぐ上で、２０Ｋにおいて記録し
たＣＷスペクトルを示す。
１０ 光エミッタ １２ 基板 １４ 活性領域 １４．１ ＲＴ領域 １４．２ Ｉ／Ｒ領域 １４．３ 下方ミニバンド １４．４ 上方ミニバンド １４．５ ＲＴ領域 １４．６ ミニバンド １４．７ 上方ミニバンド １４．８ 下方ミニバンド １５ 矢印 １６ 上方クラッド領域 １８ 層、絶縁層 ２０ 第１の電極 ２２ 第２の電極 ３０，４０ （図中になし）ミニバンド ｔw ，ｔb 厚さ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルフレッド イー． チョー アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，ケネス コート 11 (72)発明者 クライア エフ． グマッチル アメリカ合衆国 07041 ニュージャーシ ィ，ミルバーン，アパートメント デー ４，ミルバーン アヴェニュー 190 (72)発明者 アルバート リー ハッチンソン アメリカ合衆国 08854 ニュージャーシ ィ，ピスカッタウェイ，リヴァー ロード 1359 (72)発明者 デボラー リー シヴコ アメリカ合衆国 07059 ニュージャーシ ィ，ウォーレン，プレインフィールド ア ヴェニュー 16 (72)発明者 アレッサンドロ トレディクッチ アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，ヒルサイド アヴェニュー ２
Claims (17)
- 【請求項１】 複数のくり返しユニットを含み、各くり
返しユニットはユニポーラ放射遷移（ＲＴ）ＳＬ領域及
び注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域を含み、前記ＲＴＳＬ領域
のそれぞれは複数の障壁層ではさまれた複数の量子井戸
（ＱＷ）層を含み、前記ＱＷ層は上方及び下方ミニバン
ドを特徴とするエネルギー状態をもつＱＣ活性領域を含
むコア領域、及び前記ミニバンド内の上方及び下方エネ
ルギーレベルにより決まるエネルギーにおいて、前記Ｒ
Ｔ領域に光を発生させるのに効果的であるように、前記
エミッタに電界を印加するための電極を含み、 前記ＱＷ層の少なくとも第１のサブセット内で、内部の
電子的ポテンシャルをプレバイアスし、それによって前
記ＳＬ内で前記印加電界が存在するにもかかわらず、前
記上方及び下方ミニバンドの両方の本質的なフラットバ
ンド条件が存在することを特徴とする量子カスケード
（ＱＣ）超格子（ＳＬ）光エミッタ。 - 【請求項２】 前記上方及び下方エネルギーレベルは、
前記印加電界が無い状態で、前記第１のサブセット内で
ＱＷ層からＱＷ層へ異なるエネルギーに位置し、ＱＷ層
内の上方及び下方エネルギーレベル間のエネルギー差
は、前記印加電界の方向に減少する請求項１記載の光エ
ミッタ。 - 【請求項３】前記第１のサブセット内の前記ＱＷ層の厚
さは、ＱＷ層からＱＷ層へ変化する請求項１記載の光エ
ミッタ。 - 【請求項４】 前記ＱＷ層の前記厚さは、前記印加電界
の方向に増加する請求項３記載の光エミッタ。 - 【請求項５】 前記障壁層の第２のサブセットの厚さ
は、障壁層から障壁層へ変化させた請求項３記載の光エ
ミッタ。 - 【請求項６】 前記第２のサブセット内の前記障壁層の
前記厚さは、前記印加電界の方向に減少する請求項５記
載の光エミッタ。 - 【請求項７】 前記第２のサブセット内の前記障壁層の
前記厚さは、前記印加電界の方向に増加する請求項５記
載の光エミッタ。 - 【請求項８】 前記コア領域はＩｎを基本とするＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層を含む請求項１記載の光エミッ
タ。 - 【請求項９】 前記コア領域はＧａＩｎＡｓの層及びＡ
ｌＩｎＡｓの層を含む請求項８記載の光エミッタ。 - 【請求項１０】 複数のくり返しユニットを含み、各く
り返しユニットはユニポーラ放射遷移（ＲＴ）ＳＬ領域
及び注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域を含み、前記ＲＴＳＬ領
域のそれぞれは複数の障壁層ではさまれた複数の量子井
戸（ＱＷ）層を含み、前記ＱＷ層は上方及び下方ミニバ
ンドを特徴とするエネルギー状態を有するＱＣ活性領域
を含むコア領域、 前記コア領域に区切られた一対のクラッド領域、及び前
記ＱＷ層の上方及び下方エネルギーレベルにより決まる
エネルギーにおいて、前記ＲＴ領域がレーザ動作を起こ
すのに効果的であるように、レーザに電界を印加し、前
記上方及び下方レベルはそれぞれ前記上方及び下方ミニ
バンド内に位置し、前記電界が存在する時、１つのＲＴ
領域の上方ミニバンドが隣接したＲＴ領域の下方ミニバ
ンド及び間に配置されたＩ／Ｒ領域のミニバンドと整合
するようにする電極を含み、 前記ＲＴ領域のそれぞれの中の前記ＱＷ層の少なくとも
第１のサブセット内で、前記ＱＷ層の厚さは前記印加電
界の方向に、ＱＷ層からＱＷ層へ増加し、前記ＲＴ領域
のそれぞれの中の前記障壁層の少なくとも第２のサブセ
ット内で、前記障壁層の厚さは前記印加電界の方向に、
障壁層から障壁層へ変化し、それによって前記印加電界
が無い時、前記上方及び下方エネルギーレベルは前記第
１のサブセット内で層から層へ、それぞれ異なるエネル
ギーに位置し、前記印加電界がある時、前記上方及び下
方ミニバンドの両方の本質的なフラットバンド条件が、
隣接するＲＴ領域に渡って存在することを特徴とする量
子カスケード（ＱＣ）超格子（ＳＬ）レーザ。 - 【請求項１１】 前記障壁層の前記第２のサブセットの
厚さは、前記印加電界の方向に、障壁層から障壁層へ減
少する請求項１０記載のレーザ。 - 【請求項１２】 前記障壁層の前記第２のサブセットの
厚さは、前記印加電界の方向に、障壁層から障壁層へ増
加する請求項１１記載のレーザ。 - 【請求項１３】 緩和／遷移（ＲＴ）領域にはさまれた
複数のＳＬユニポーラ放射遷移（ＲＴ）領域を作製し、
各ＲＴ領域は障壁層ではさまれた複数の量子井戸（Ｑ
Ｗ）層を含み、前記ＱＷ層は上方及び下方ミニバンドを
特徴とするエネルギー状態を有し、 前記ＱＷ層の少なくとも第１のサブセット内で、前記Ｑ
Ｗ層の厚さは、ＱＷ層からＱＷ層へ変化し、それによっ
て前記層に対し縦方向に印加された電界の存在下で、前
記上方及び下方ミニバンドの両方の本質的なフラットバ
ンド条件が、隣接したＲＴ領域間及びそれらの間のＩ／
Ｒ領域に渡って存在する工程を含む量子カスケード（Ｑ
Ｃ）超格子（ＳＬ）光エミッタの作製方法。 - 【請求項１４】 前記変化させる工程は、前記ＱＷ層の
厚さを、前記電界の方向にＱＷ層からＱＷ層へ増加させ
ることを含む請求項１３記載の方法。 - 【請求項１５】 障壁層の第２のサブセットの厚さを、
障壁層から障壁層へ変化させる工程を更に含む請求項１
３記載の方法。 - 【請求項１６】 前記変化させる工程は、前記障壁層の
厚さを、前記電界の方向に、障壁層から障壁層へ減少さ
せることを含む請求項１５記載の方法。 - 【請求項１７】 前記変化させる工程は、前記障壁層の
厚さを、前記電界の方向に、障壁層から障壁層へ増加さ
せることを含む請求項１５記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/159127 | 1998-09-23 | ||
| US09/159,127 US6055254A (en) | 1998-09-23 | 1998-09-23 | Quantum cascade light emitter with pre-biased internal electronic potential |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000101201A true JP2000101201A (ja) | 2000-04-07 |
| JP3522606B2 JP3522606B2 (ja) | 2004-04-26 |
Family
ID=22571183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26801999A Expired - Lifetime JP3522606B2 (ja) | 1998-09-23 | 1999-09-22 | プレバイアスされた内部電子ポテンシャルを有する量子カスケード光エミッタ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6055254A (ja) |
| EP (1) | EP0989644B1 (ja) |
| JP (1) | JP3522606B2 (ja) |
| DE (1) | DE69924439T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002076516A (ja) * | 2000-07-07 | 2002-03-15 | Lucent Technol Inc | カルコゲナイド誘電体コーティングを有するメサ構造半導体光エミッタ |
| JP2002158404A (ja) * | 2000-11-08 | 2002-05-31 | Lucent Technol Inc | サブバンド間超格子光エミッタおよび量子カスケード超格子レーザ |
| JP2003046202A (ja) * | 2001-05-23 | 2003-02-14 | Akihiro Ishida | 光機能性化合物半導体超格子構造物及びその製造方法 |
| JP2008177366A (ja) * | 2007-01-18 | 2008-07-31 | Hamamatsu Photonics Kk | 量子カスケードレーザ |
| US7864828B2 (en) | 2008-06-16 | 2011-01-04 | Canon Kabushiki Kaisha | Laser device |
| JP4790201B2 (ja) * | 2000-08-31 | 2011-10-12 | アルプ ラゼール エス．アー． | 量子カスケードレーザー |
| JP2012089756A (ja) * | 2010-10-21 | 2012-05-10 | Sharp Corp | 太陽電池 |
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| US6560259B1 (en) | 2000-05-31 | 2003-05-06 | Applied Optoelectronics, Inc. | Spatially coherent surface-emitting, grating coupled quantum cascade laser with unstable resonance cavity |
| DE10061234C2 (de) * | 2000-12-08 | 2003-01-16 | Paul Drude Inst Fuer Festkoerp | Unipolarer Halbleiterlaser ohne Injektionsschichten |
| US20020097471A1 (en) * | 2001-01-22 | 2002-07-25 | Bethea Clyde George | Data transmission via direct modulation of a mid-IR laser |
| EP1249905A1 (fr) * | 2001-04-10 | 2002-10-16 | Alpes Lasers SA | Laser semi-conducteur muni d'un miroir |
| US6728282B2 (en) | 2001-06-18 | 2004-04-27 | Lucent Technologies Inc. | Engineering the gain/loss profile of intersubband optical devices having heterogeneous cascades |
| US20040208602A1 (en) * | 2001-12-01 | 2004-10-21 | James Plante | Free space optical communications link tolerant of atmospheric interference |
| US6788727B2 (en) * | 2002-06-13 | 2004-09-07 | Intel Corporation | Method and apparatus for tunable wavelength conversion using a bragg grating and a laser in a semiconductor substrate |
| US20040109692A1 (en) * | 2002-12-09 | 2004-06-10 | James Plante | FSO communication systems having high performance detectors |
| US7010010B2 (en) * | 2003-06-19 | 2006-03-07 | Lucent Technologies, Inc. | Broadband cascade light emitters |
| JP4250573B2 (ja) * | 2004-07-16 | 2009-04-08 | キヤノン株式会社 | 素子 |
| US8948226B2 (en) * | 2012-08-20 | 2015-02-03 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Semiconductor device and method for producing light and laser emission |
| US9088126B2 (en) | 2013-10-17 | 2015-07-21 | The Trustees Of Princeton University | Single-mode quantum cascade lasers with enhanced tuning range |
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| JP3159946B2 (ja) * | 1996-11-06 | 2001-04-23 | ルーセント テクノロジーズ インコーポレイテッド | 量子カスケードレーザを有する物品 |
-
1998
- 1998-09-23 US US09/159,127 patent/US6055254A/en not_active Expired - Lifetime
-
1999
- 1999-09-14 EP EP99307257A patent/EP0989644B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1999-09-14 DE DE69924439T patent/DE69924439T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1999-09-22 JP JP26801999A patent/JP3522606B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0989644A1 (en) | 2000-03-29 |
| US6055254A (en) | 2000-04-25 |
| DE69924439D1 (de) | 2005-05-04 |
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