JP2006310784A - Quantum cascade laser - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum cascade laser of an easily manufactured structure which oscillates at lower frequency than conventional one. <P>SOLUTION: A superlattice device has a configuration in which an AlSb layer or GaAlSb layer and a GaSb layer are repeatedly laminated with an electrode layer formed at both ends. The thickness of the GaSb layer constituting a quantum well for stimulated emission of light has such thickness as a difference between the base state of quantum level formed in the GaSb layer, and an intrinsic energy in a first excitation state becomes LO phonon energy of GaSb. The superlattice of which AlSb layer, GaSb layer, AlSb layer, GaSb layer, AlSb layer, n-type GaSb layer, AlSb layer, and GaSb layer are repeated unit, is sandwiched between two n-type semiconductor layers used as a contact layer. The AlSb layer may be replaced with a GaAlSb layer. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、テラヘルツ領域で発振する量子カスケードレーザに関している。   The present invention relates to a quantum cascade laser that oscillates in the terahertz region.

テラヘルツ領域(1〜10THz)は、マイクロ波と光の間の周波数領域にある。この領域では大気による吸収が大きく、また小型の固体信号源が存在しなかったため、使用しづらい状況にあり、この領域の利用は限られてきた。しかし、1994年、化合物半導体の多重量子井戸構造におけるサブバンド間の電子の遷移を利用する量子カスケードレーザ(QCL:Quantum Cascade Lasers)が発明され、この発振周波数は、近赤外領域にあった。2002年には、テラヘルツ領域における量子カスケードレーザが発表され、近年これは、テラヘルツ領域における小型の固体信号源として注目を集めている。   The terahertz region (1-10 THz) is in the frequency region between microwave and light. In this region, absorption by the atmosphere is large, and since there is no small solid-state signal source, it is difficult to use, and the use of this region has been limited. However, in 1994, quantum cascade lasers (QCL: Quantum Cascade Lasers) utilizing electron transition between subbands in a multiple quantum well structure of a compound semiconductor were invented, and this oscillation frequency was in the near infrared region. In 2002, a quantum cascade laser in the terahertz region was announced, which has recently attracted attention as a compact solid-state signal source in the terahertz region.

量子カスケードレーザの例の一つに、非特許文献1に示されている、AlGaAs/GaAs系の多重量子井戸構造を用い、フォノン散乱を利用するものがある。これはGaAsのLO(縦光学)フォノンによる散乱を用いてサブバンド中に電子の反転分布を形成し、レーザ発振を行うものである。発振周波数の範囲は、LOフォノンエネルギーにより制限され、LOフォノンエネルギーが36meVであるGaAsの場合は、3THz程度であった。図1に示す様に、量子カスケードレーザは、基本となる多重量子井戸構造を複数回繰り返した構造を有する。上述の非特許文献1では、基本の多重量子井戸構造は、5.4/7.8/2.4/6.5/3.8/14.9/3.0/9.5(nm)と、なっている。ここで、下線をひいた層は、Al0.15Ga0.85As、よりなる障壁であり、下線をひいていない層は、GaAsよりなる井戸である。また、厚さが14.9nmのGaAs層はn型であり、立方センチメートル当たり1.9×10の16乗のレベルにドーピングされている。 One example of a quantum cascade laser is one that uses an AlGaAs / GaAs multiple quantum well structure and uses phonon scattering, as shown in Non-Patent Document 1. This is to perform laser oscillation by forming an inversion distribution of electrons in the subband using scattering by GaAs LO (longitudinal optical) phonons. The range of the oscillation frequency is limited by the LO phonon energy. In the case of GaAs where the LO phonon energy is 36 meV, it was about 3 THz. As shown in FIG. 1, the quantum cascade laser has a structure in which a basic multiple quantum well structure is repeated a plurality of times. In the above-mentioned Non-Patent Document 1, the basic multiple quantum well structure is 5.4 / 7.8 / 2.4 / 6.5 / 3.8 / 14.9 / 3.0 / 9.5 ( nm). It has become. Here, the underlined layer is a barrier made of Al 0.15 Ga 0.85 As, and the non-underlined layer is a well made of GaAs. The GaAs layer with a thickness of 14.9 nm is n-type and is doped to a level of 1.9 × 10 16 per cubic centimeter.

この量子カスケードレーザの動作原理を以下に簡単に説明する。まず、シュレディンガー方程式とポアソン方程式を自己無撞着に解くことで、この多重量子井戸構造のサブバンド状態を求めることができる。図1は、12.0kV/cmの電界が加えられたときの、2個の基本多重量子井戸構造分の伝導帯のサブバンド状態を示す。1個の基本多重量子井戸構造は、図1に示すように、注入領域と活性領域に分けられる。まず、電子は、注入領域の状態2´または1´から、活性領域の励起状態n=5、に注入される。次に、注入された電子は、活性領域において、励起状態n=5から基底状態n=4または3、にテラヘルツ波を放射しながら遷移する。この周波数は、励起状態と基底状態との間のエネルギー差により決定される。状態n=4または3、と状態n=2との間のエネルギー差は、井戸となる材料の縦型光学(LO)フォノンエネルギーとほとんど同じ値に設計されている。例えば、GaAsのLOフォノンエネルギーは、36meVである。よって、状態n=4または3、にある電子は、LOフォノンにより状態n=2に散乱され、状態n=4または3、にある電子の数は減少する。その結果、状態n=5と状態n=4または3との間で反転分布が形成され、レーザ発振が始まる。このレーザの発振周波数は、3.6THz(15meV)に設計されている。   The operating principle of this quantum cascade laser will be briefly described below. First, the subband state of this multiple quantum well structure can be obtained by solving the Schrodinger equation and the Poisson equation in a self-consistent manner. FIG. 1 shows the subband states of the conduction bands of two basic multiple quantum well structures when an electric field of 12.0 kV / cm is applied. One basic multiple quantum well structure is divided into an injection region and an active region, as shown in FIG. First, electrons are injected from the injection region state 2 ′ or 1 ′ to the active region excited state n = 5. Next, the injected electrons transition in the active region while emitting terahertz waves from the excited state n = 5 to the ground state n = 4 or 3. This frequency is determined by the energy difference between the excited state and the ground state. The energy difference between the state n = 4 or 3 and the state n = 2 is designed to be almost the same value as the vertical optical (LO) phonon energy of the material to be a well. For example, the LO phonon energy of GaAs is 36 meV. Thus, electrons in state n = 4 or 3 are scattered to state n = 2 by LO phonons, and the number of electrons in state n = 4 or 3 decreases. As a result, an inversion distribution is formed between the state n = 5 and the state n = 4 or 3, and laser oscillation starts. The oscillation frequency of this laser is designed to be 3.6 THz (15 meV).

しかし、電界強度が図1で用いた値(12.0kV/cm)よりも低い場合、状態n=4のエネルギーは、状態n=1´や2´よりも高くなり、上述のレーザ発振プロセスは成り立たなくなり、レーザ発振は起こらない。   However, when the electric field strength is lower than the value used in FIG. 1 (12.0 kV / cm), the energy of the state n = 4 is higher than that of the states n = 1 ′ and 2 ′, and the laser oscillation process described above is performed. No longer holds and no laser oscillation occurs.

また、B. S. Williamsらは非特許文献2において、上述の例と同様の構造で厚さが、それぞれ5.6/8.2/3.1/7.0/4.2/16.0/3.4/9.6nm(下線があるものはAlGaAs層、ないものはGaAs層)となる量子カスケードレーザを発表している。活性層の中央のバリアの厚さを3.1nmにして、状態5と状態4間のエネルギー差を9.0meVとして、2.1THzの発振を得ている。これは、先述の従来例のバリアの厚さを0.6nm、すなわちわずか2原子層だけ厚くしただけである。その前後の井戸の厚さは、0.4ないし0.5nm厚くしただけである。 BS Williams et al., In Non-Patent Document 2, have a structure similar to that of the above example and a thickness of 5.6 / 8.2 / 3.1 / 7.0 / 4.2 / 16.0 / 3 , respectively. Quantum cascade lasers with .4 / 9.6 nm (the one with an underline is an AlGaAs layer, the one without is a GaAs layer) have been announced. An oscillation of 2.1 THz is obtained by setting the thickness of the barrier in the center of the active layer to 3.1 nm and setting the energy difference between the state 5 and the state 4 to 9.0 meV. This is only that the thickness of the barrier of the above-described conventional example is increased to 0.6 nm, that is, only two atomic layers. The thickness of the well before and after that is only 0.4 to 0.5 nm thick.

しかし、上記の例では、次に示すような、制約や問題があった。
まず、これらの例では、活性層における井戸や障壁の厚さは、10nm未満である。GaAsやAlGaAsにおける一原子層の厚さが0.3nm程度であるので、形成する膜厚分布を小さくする必要があり、これにより設計の自由度は制約される。
However, the above example has the following limitations and problems.
First, in these examples, the thickness of the well or barrier in the active layer is less than 10 nm. Since the thickness of one atomic layer in GaAs or AlGaAs is about 0.3 nm, it is necessary to reduce the thickness distribution to be formed, and this limits the degree of freedom in design.

また、レーザ発振開始時における電界強度は12kV/cm程度であり、比較的高くなっている。このため、ホットエレクトロンやホットフォノンの発生が多くなり、設計と異なる動作をする場合があり、さらに、発熱が大きくなるためにレーザの劣化が生じ易い等の問題が生じる。   The electric field strength at the start of laser oscillation is about 12 kV / cm, which is relatively high. For this reason, the generation of hot electrons and hot phonons increases, and the operation may be different from the design. Further, since the heat generation becomes large, there is a problem that the laser is easily deteriorated.

さらに、一般に、この量子カスケードレーザは分子線エピタキシャル(MBE)装置により製造される。膜厚は10μm程度になるため、うねりなど凹凸が生じやすいという問題がある。そのため、局所的に電界集中が起こり、電界が集中される場所ではレーザ発振が起こるが、それ以外の場所では発振が起こらず、むしろ発生したテラヘルツ波を吸収することになり、レーザのパワーが弱くなる場合がある。   Further, in general, this quantum cascade laser is manufactured by a molecular beam epitaxial (MBE) apparatus. Since the film thickness is about 10 μm, there is a problem that irregularities such as waviness are likely to occur. For this reason, electric field concentration occurs locally, and laser oscillation occurs in a place where the electric field is concentrated, but oscillation does not occur in other places, but rather the generated terahertz wave is absorbed, and the laser power is weak. There is a case.

また、GaSb/AlSb(又はAlGaSb)系量子カスケードレーザにおいて、高いレーザ出力を得るためには、レーザの活性領域にテラヘルツ波を閉じ込めることが必要である。テラヘルツ帯の電磁波の波長は可視光に比べて長く、レーザの活性層をそれに応じて厚くすればよいことは知られているが、こうすることは結晶成長技術の限界により困難となる。一方、金属・金属間導波路、すなわち上と下の金属電極の間に量子カスケードレーザの活性領域を挟み込んだものでは、非常に高い閉じこめ効果(閉じ込め係数Γ〜0.99)を達成することができる事が知られている。しかし、この場合、ウェハ貼り合わせや選択的エッチングによる基板の除去など熟練を要する技術が必要であり、作製は容易ではない。
B. S. Williams, et al., "3.4 THz quantum cascade laser based on longitudinal-optical phonon scattering for depopulation, " Applied Physics Letters, 82:1015(2003) B. S. Williams, et al., Electronics Letters第40巻第7号431ページ
In order to obtain a high laser output in a GaSb / AlSb (or AlGaSb) quantum cascade laser, it is necessary to confine a terahertz wave in the active region of the laser. Although it is known that the wavelength of electromagnetic waves in the terahertz band is longer than that of visible light and the active layer of the laser only needs to be thickened accordingly, this is difficult due to limitations of crystal growth technology. On the other hand, a metal-metal waveguide, that is, an active region of a quantum cascade laser sandwiched between upper and lower metal electrodes can achieve a very high confinement effect (confinement coefficient Γ to 0.99). It has been known. However, in this case, a technique requiring skill such as wafer bonding and removal of the substrate by selective etching is required, and the production is not easy.
BS Williams, et al., "3.4 THz quantum cascade laser based on longitudinal-optical phonon scattering for depopulation," Applied Physics Letters, 82: 1015 (2003) BS Williams, et al., Electronics Letters Vol. 40, No. 7, p. 431

必要とする超格子を形成するために必要な半導体層の膜厚について、より厚いものが使えるようにする。また、レーザ発振開始時における電界強度を、より低くして、ホットエレクトロンやホットフォノンの発生による異常動作や発熱によるレーザの劣化を抑制する。   A thicker semiconductor layer can be used to form a necessary superlattice. In addition, the electric field intensity at the start of laser oscillation is lowered to suppress abnormal operation due to generation of hot electrons or hot phonons and laser degradation due to heat generation.

この発明により、従来のものよりも、低周波数で発振し、製造し易い構造の量子カスケードレーザが実現できる。   According to the present invention, it is possible to realize a quantum cascade laser having a structure that oscillates at a lower frequency and is easier to manufacture than the conventional one.

本発明の量子カスケードレーザは、従来用いられてきたGaAsよりも小さなLOフォノンエネルギーをもったGaSb層を用いるものであり、AlSb層あるいはGaAlSb層と、GaSb層とを繰り返し積層し、その両端に電極層を形成して構成した超格子素子であって、光の誘導放出を行う量子井戸を構成するGaSb層の厚さを、該GaSb層に形成された量子準位の基底状態と第1の励起状態の固有エネルギーの差がGaSbのLOフォノンエネルギーになる厚さにしたものである。   The quantum cascade laser of the present invention uses a GaSb layer having a LO phonon energy smaller than that of GaAs conventionally used, and an AlSb layer or a GaAlSb layer and a GaSb layer are repeatedly stacked, and electrodes are formed at both ends thereof. A superlattice element formed by forming a layer, wherein the thickness of a GaSb layer constituting a quantum well that performs stimulated emission of light is determined based on the ground state of the quantum level formed in the GaSb layer and the first excitation. The thickness is such that the difference between the intrinsic energy of the states becomes the LO phonon energy of GaSb.

特に、AlSb層、GaSb層、AlSb層、GaSb層、AlSb層、n型のGaSb層、AlSb層、GaSb層を繰り返し単位とする超格子を用いており、これを、コンタクト層として用いられる2つのn型の半導体層にはさんだ構造とする。   In particular, a superlattice having a repeating unit of an AlSb layer, a GaSb layer, an AlSb layer, a GaSb layer, an AlSb layer, an n-type GaSb layer, an AlSb layer, and a GaSb layer is used, and these are used as two contact layers. The structure is sandwiched between n-type semiconductor layers.

あるいは、上記のAlSb層は、GaAlSb層で置き換えた構造でも量子カスケードレーザとして機能する。   Alternatively, the AlSb layer described above functions as a quantum cascade laser even when the structure is replaced with a GaAlSb layer.

また、上記の量子カスケードレーザを、超格子バッファの上に形成することにより、テラヘルツ波の閉じ込めを効果的に行う。   Further, the above-described quantum cascade laser is formed on the superlattice buffer, thereby effectively confining the terahertz wave.

また、上記の量子カスケードレーザをGaAs基板上にバッファ層を介して作成することにより、GaAs基板を通して参照光を照射することができるようになる。   Further, by producing the above quantum cascade laser on the GaAs substrate via the buffer layer, it becomes possible to irradiate the reference light through the GaAs substrate.

上記の量子カスケードレーザは、同期発振に用いることができるが、その際の構成は、電極層間には、レーザ発振に必要な電位差を印加し、超格子部分には、参照光を照射する。   The above-described quantum cascade laser can be used for synchronous oscillation. In this configuration, a potential difference necessary for laser oscillation is applied between the electrode layers, and the superlattice portion is irradiated with reference light.

上記の量子カスケードレーザにおいては、量子カスケード構造の上部に第1のコンタクト層を介して第1の金属電極を設け、前記量子カスケード構造の下部に第2のコンタクト層を介して基板を設け、前記第1のコンタクト層の導電率を前記第2のコンタクト層の導電率よりも高くすることによって、テラヘルツ波を効果的に閉じ込めることが出来る。   In the above quantum cascade laser, a first metal electrode is provided above the quantum cascade structure via a first contact layer, and a substrate is provided below the quantum cascade structure via a second contact layer, By making the conductivity of the first contact layer higher than the conductivity of the second contact layer, the terahertz wave can be effectively confined.

上記の様にテラヘルツ波を効果的に閉じ込めるに当たっては、1例として、前記基板がGaAsであり、前記量子カスケード構造がGaSbよりなる井戸と、AlGaSbまたはAlSbよりなる障壁で構成される多重量子井戸構造とするとよい。   In order to effectively confine the terahertz wave as described above, as an example, the substrate is GaAs, and the quantum cascade structure includes a well made of GaSb and a barrier made of AlGaSb or AlSb. It is good to do.

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。先ず本発明の実施例を図1を用いて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following description, devices having the same function or similar functions are denoted by the same reference numerals unless there is a special reason. First, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図2は、本発明の実施例を示す。半導体基板として半絶縁性のGaAs基板を使う。分子線エピタキシャル(Molecular Beam Epitaxy:MBE)装置を用いて、基板上にバッファ層として、例えば順に100nmのGaAs、10nmのAlAs、100nmのAlSb、1000nmのGaSb層を形成する。さらにバッファ層として、2.5nmのAlSb層、2.5nmのGaSb層を交互に10回積層する。次に、第1のコンタクト層としてn型に不純物が例えば3×10の18乗/cm3にドープされたn+GaSb層を厚さ800nm程度に形成する。次に、上層部から4.3nm/14.4nm/2.4nm/11.4nm/3.8nm/24.6nm/3.0nm/16.2nm(下線あるものは障壁すなわちAlSb層の厚さ、下線ないものは井戸すなわちGaSb層の厚さを表す)なる基本多重量子井戸構造を、つまり16.2nmのGaSb層を基板側にして、形成する。厚さが24.6nmのGaSb層はn型であり、1.9x10の16乗/cm3のレベルにドーピングされている。このn型の層において、電子が供給され、散乱も生じる。この基本多重量子井戸構造を、例えば200回繰り返して形成する。さらに、第2のコンタクト層として、例えば厚さ60nmのn型層であり、不純物が例えば5×10の18乗/cm3でドーピングされたGaSb層を形成する。これらの化合物半導体層の形成は、バッファ層以降も、分子線エピタキシャル(MBE)装置で行う。 FIG. 2 shows an embodiment of the present invention. A semi-insulating GaAs substrate is used as the semiconductor substrate. Using a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus, as a buffer layer, for example, 100 nm GaAs, 10 nm AlAs, 100 nm AlSb, and 1000 nm GaSb layers are sequentially formed on the substrate. Further, as the buffer layer, a 2.5 nm AlSb layer and a 2.5 nm GaSb layer are alternately stacked 10 times. Next, an n + GaSb layer in which an n-type impurity is doped to 3 × 10 18 to the cm 3 / cm 3 is formed to a thickness of about 800 nm as the first contact layer. Next, 4.3 nm / 14.4 nm / 2.4 nm / 11.4 nm / 3.8 nm / 24.6 nm / 3.0 nm / 16.2 nm from the upper layer part (the underlined is the thickness of the barrier, that is, the AlSb layer, A basic multiple quantum well structure having a well, that is, a GaSb layer) is formed, that is, a 16.2 nm GaSb layer is formed on the substrate side. The GaSb layer with a thickness of 24.6 nm is n-type and is doped to a level of 1.9 × 10 16 sq. Cm 3 . In this n-type layer, electrons are supplied and scattering occurs. This basic multiple quantum well structure is formed repeatedly, for example, 200 times. Further, as the second contact layer, for example, a GaSb layer which is an n-type layer having a thickness of 60 nm and is doped with impurities at, for example, 5 × 10 18 power / cm 3 is formed. These compound semiconductor layers are formed by a molecular beam epitaxial (MBE) apparatus after the buffer layer.

ここで、GaSbなどアンチモン系の化合物半導体は、結晶成長の途中に表面で拡散しやすいため、表面の凹凸を抑えることが可能である。この結果、電圧を加えた際、電界集中が起こりにくくなる。そのため、レーザ光はより均一に発生し、また電界集中部以外でのテラヘルツ光の吸収が起こりにくくなってレーザの強度を上げることが可能となる。   Here, since antimony-based compound semiconductors such as GaSb are likely to diffuse on the surface during crystal growth, surface irregularities can be suppressed. As a result, electric field concentration is less likely to occur when a voltage is applied. Therefore, the laser light is generated more uniformly, and the terahertz light is not easily absorbed at portions other than the electric field concentration portion, so that the laser intensity can be increased.

次に、上記の層構造を持った量子カスケードレーザ(QCL)の製造プロセスを説明する。
1)図4(a)はMBE成長直後のウェハの断面図を示す。まず、量子カスケードレーザのリッジ構造となる部分の上にレジストを選択的に残す。
2)その後、例えばSiCl4ガスによる反応性イオンエッチング(RIE)を用いて、レジストをマスクにして、多重量子井戸構造を除去し、第1のコンタクト層を選択的に露出する。
3)レジストを除去した後(図4(b))、露出された第1のコンタクト層上に、例えばPd/AuGe/Ni/Auよりなる金属層をリフトオフ法を用いて選択的に形成する。図4(c)は、この段階での断面図を示す。
4)その後、例えば300℃、1分のアニールを行う。
5)次に、RIEにより形成されたメサ構造の上部、すなわち第2のコンタクト層の上に例えばPd/Auよりなる金属層をリフトオフ法を用いて選択的に作成する。
6)その後、試料を劈開して約2mmの長さの共振器を形成する。リッジ構造の幅は100μmから200μm程度である。
7)2本の金のワイヤを上述の第1のコンタクト層上の電極及び第2のコンタクト層上の電極にそれぞれ接続して引き出し線を形成する。図5(a)、図5(b)は、この段階での断面図、鳥瞰図をそれぞれ示す。
8)こうして製造した素子を動作させるためには、それらの引き出し線間、つまり電極間に電圧を加える。この際、必要に応じて、量子カスケードレーザを液体窒素あるいは液体ヘリウムを用いて冷却し、パルス状の電圧を加える。
Next, a manufacturing process of the quantum cascade laser (QCL) having the above layer structure will be described.
1) FIG. 4A shows a cross-sectional view of a wafer immediately after MBE growth. First, a resist is selectively left on the portion of the quantum cascade laser that forms the ridge structure.
2) Thereafter, for example, reactive ion etching (RIE) using SiCl 4 gas is used to remove the multiple quantum well structure using the resist as a mask, and the first contact layer is selectively exposed.
3) After removing the resist (FIG. 4B), a metal layer made of, for example, Pd / AuGe / Ni / Au is selectively formed on the exposed first contact layer using a lift-off method. FIG. 4C shows a cross-sectional view at this stage.
4) Thereafter, annealing is performed at 300 ° C. for 1 minute, for example.
5) Next, a metal layer made of, for example, Pd / Au is selectively formed on the upper portion of the mesa structure formed by RIE, that is, on the second contact layer, using a lift-off method.
6) Thereafter, the sample is cleaved to form a resonator having a length of about 2 mm. The width of the ridge structure is about 100 μm to 200 μm.
7) Connect two gold wires to the electrode on the first contact layer and the electrode on the second contact layer, respectively, to form a lead line. FIG. 5A and FIG. 5B show a cross-sectional view and a bird's-eye view at this stage, respectively.
8) In order to operate the device thus manufactured, a voltage is applied between the lead lines, that is, between the electrodes. At this time, if necessary, the quantum cascade laser is cooled with liquid nitrogen or liquid helium, and a pulsed voltage is applied.

図3は、第1の実施例のQCL構造の基本構造の2ユニット分の伝導帯中のサブバンドを示す。縦軸1目盛りは10meV、横軸1目盛りは10nmに相当する。サブバンドは、1次元でシュレディンガー方程式とポアッソン方程式を自己無撞着に解いて求めた。図3において、サブバンドは、その状態のエネルギーにその状態の存在確率、すなわち波動関数を2乗したもの、に表示の都合のため適当な倍数を掛けて加えたものを表している。各サブバンドの存在確率の和は、1に規格化してある。井戸a、b、c、dは、それぞれ厚さ16.2nm、24.6nm、11.4nm、14.4nmのGaSb層を表す。図3における電界強度は、5.45kV/cmであり、上記の図1での値の1/2以下である。状態5と状態4の間のエネルギー差は、7.66meVで1.85THzに相当し、状態5と状態3の間のエネルギー差は、10.64meVで2.57THzに相当する。このように、井戸cと井戸dの間のバリアの厚さは、2.4nmと上述の第1の従来例と同じにもかかわらず、それよりも低い周波数のレーザ発振が得られる。また、井戸の厚さは従来例よりも厚くなっており、設計の自由度が増す。   FIG. 3 shows subbands in the conduction band of two units of the basic structure of the QCL structure of the first embodiment. One scale on the vertical axis corresponds to 10 meV, and one scale on the horizontal axis corresponds to 10 nm. The subband was obtained by solving the Schrodinger equation and Poisson equation in one dimension in a self-consistent manner. In FIG. 3, the subband represents the energy of the state, the existence probability of the state, that is, the square of the wave function, multiplied by an appropriate multiple for convenience of display. The sum of the existence probabilities of each subband is normalized to 1. Wells a, b, c, and d represent GaSb layers having thicknesses of 16.2 nm, 24.6 nm, 11.4 nm, and 14.4 nm, respectively. The electric field strength in FIG. 3 is 5.45 kV / cm, which is ½ or less of the value in FIG. The energy difference between states 5 and 4 corresponds to 1.85 THz at 7.66 meV, and the energy difference between states 5 and 3 corresponds to 2.57 THz at 10.64 meV. Thus, although the thickness of the barrier between the well c and the well d is 2.4 nm, which is the same as that in the first conventional example, laser oscillation with a frequency lower than that can be obtained. Further, the thickness of the well is thicker than that of the conventional example, and the degree of freedom in design increases.

以下に、QCL構造の設計指針を説明して、本発明の望ましい構成を明らかにする。
まず、活性層について、井戸cと井戸dにおいて基底状態と第1の励起状態を生じさせ、そのエネルギー差が所定の電界強度において量子カスケードレーザの発振周波数程度になるように、井戸c、井戸d、及びその間の障壁の厚さを設計する。基底状態と励起状態の波動関数が井戸cと井戸dの両方に存在するように、基底状態の波動関数は主として井戸dから生じ、励起状態の波動関数は井戸cから生じるようにする。すなわち、井戸cの幅を小さくする。
Hereinafter, a design guideline for the QCL structure will be described to clarify a desirable configuration of the present invention.
First, in the active layer, the ground state and the first excited state are generated in the well c and the well d, and the well c and the well d are set so that the energy difference is about the oscillation frequency of the quantum cascade laser at a predetermined electric field strength. And design the thickness of the barrier between them. The ground-state wave function is generated mainly from the well d and the excited-state wave function is generated from the well c so that the ground-state and excited-state wave functions exist in both the wells c and d. That is, the width of the well c is reduced.

次に注入層に関して、図3において、状態4または3から状態2または1に電子がLOフォノン散乱されることが必要である。そのため、所定の電界強度、例えばレーザ発振を開始させる電界強度において、井戸bにおける基底状態と第1の励起状態の固有エネルギーの差がGaSbのLOフォノンエネルギーになるように井戸bの厚さを決める。GaSbのLOフォノンエネルギーは28.9meV程度であり、上記した従来例の値よりも小さいことが特徴となっている。   Next, with respect to the injection layer, in FIG. 3, the electrons need to be LO phonon scattered from state 4 or 3 to state 2 or 1. Therefore, the thickness of the well b is determined so that the difference between the intrinsic energy of the ground state and the first excited state in the well b becomes the GaSb LO phonon energy at a predetermined electric field strength, for example, the electric field strength at which laser oscillation is started. . The LO phonon energy of GaSb is about 28.9 meV, which is characterized by being smaller than the value of the conventional example described above.

また、所定の電界強度において、フォノン散乱された電子が井戸bから井戸aに効率よく引き抜かれるように、井戸bの基底状態のエネルギーと井戸aの基底状態のエネルギーが図3に示すように、ほぼ同じになるように井戸aの厚さ及び井戸a,b間の障壁の厚さを決める。井戸が薄いほど基底状態のエネルギーが高くなるので、井戸aの厚さは井戸bよりも薄くする。   In addition, as shown in FIG. 3, the ground state energy of the well b and the ground state energy of the well a are shown in FIG. 3 so that phonon scattered electrons are efficiently extracted from the well b to the well a at a predetermined electric field strength. The thickness of the well a and the thickness of the barrier between the wells a and b are determined so as to be substantially the same. Since the ground state energy increases as the well becomes thinner, the thickness of the well a is made thinner than that of the well b.

さらに活性層と注入層との関係について、井戸a´から井戸dや井戸cの第1の励起状態に電子が効率よく注入されるように、所定の電界強度において、注入層の基底状態と活性層の第1の励起状態がほぼ同じエネルギーレベルになり、両者の波動関数がカップリングするようにする。   Further, regarding the relationship between the active layer and the injection layer, the ground state of the injection layer and the active state are obtained at a predetermined electric field strength so that electrons are efficiently injected from the well a ′ to the first excited state of the well d or the well c. The first excited state of the layer is at approximately the same energy level so that both wave functions are coupled.

さらに、所定の電界強度において、活性層領域の基底状態から注入領域に電子が効率よく引き抜かれるように、すなわち井戸cや井戸dの基底状態が井戸bにおける第1の励起状態とカップリングするようにする。井戸cや井戸dの厚さは、井戸bの厚さの半分程度になる。   Further, at a predetermined electric field strength, electrons are efficiently extracted from the ground state of the active layer region to the injection region, that is, the ground state of the well c and the well d is coupled with the first excited state in the well b. To. The thickness of the well c and the well d is about half of the thickness of the well b.

これらの条件がみたされるよう、電界強度、井戸及び障壁の厚さを調節して、計算を繰り返す。この結果、井戸a´、井戸c、井戸dの厚さの和は、井戸bの厚さの2倍以下程度となる事が分かる。 The calculation is repeated, adjusting the field strength, well and barrier thicknesses so that these conditions are met. As a result, it can be seen that the sum of the thicknesses of the well a ′, the well c, and the well d is about twice or less the thickness of the well b.

また、所定の電界強度を加えた場合に、量子カスケードレーザの基本ユニット1個分で、注入層の励起状態と基底状態のエネルギー差すなわちLOフォノンエネルギーと、活性層における励起状態と基底状態のエネルギー差すなわち発振周波数に相当するエネルギーの和と同程度の電位差が生じなければならない。上述のように、井戸a〜dの厚さはほぼ決定されるので、電界強度を変えてこの条件をみたすようにしなければならない。その結果、本発明のようにLOフォノンエネルギーを小さくすることで、レーザ発振が開始する電界強度を小さくすることが可能となる。   In addition, when a predetermined electric field strength is applied, the energy difference between the excited state and the ground state of the injection layer, that is, the LO phonon energy, and the excited state and ground state energy in the active layer, for one basic unit of the quantum cascade laser. The difference, that is, a potential difference equivalent to the sum of the energy corresponding to the oscillation frequency must be generated. As described above, since the thicknesses of the wells a to d are substantially determined, it is necessary to satisfy the condition by changing the electric field strength. As a result, by reducing the LO phonon energy as in the present invention, it is possible to reduce the electric field strength at which laser oscillation starts.

また、本発明のようにLOフォノンエネルギーが小さい場合、井戸bの幅が大きくなり、その結果他の井戸の幅や障壁の厚さも厚くすることが可能となる。またGaSbの電子の有効質量は0.0412であり、GaAsの電子の有効質量0.067よりも小さいため、本発明のようにGaSbを用いると、より井戸の幅を大きくすることができる。その結果、一原子層の誤差がレーザの発振周波数等の性能に与える影響が小さくなり、MBEによる薄膜成長の際に許容される膜厚の範囲が大きくなり、MBE成長が容易になる。   Further, when the LO phonon energy is small as in the present invention, the width of the well b is increased, and as a result, the width of other wells and the thickness of the barrier can be increased. The effective mass of GaSb electrons is 0.0412, which is smaller than the effective mass of GaAs electrons, 0.067. Therefore, when GaSb is used as in the present invention, the well width can be further increased. As a result, the influence of the error of one atomic layer on the performance such as the oscillation frequency of the laser is reduced, the allowable film thickness range is increased during the thin film growth by MBE, and the MBE growth is facilitated.

さらに、上述のようにアンチモン系のMBE成長を用いることにより、表面のうねりを抑え、レーザのパワーを上げることが可能となる。   Furthermore, by using antimony-based MBE growth as described above, it is possible to suppress surface waviness and increase the laser power.

図7は、本発明の量子カスケードレーザの断面を示す。GaAs基板上に、例えばGaAs、GaSb、AlSbからなるバッファ層が設けられ、その上にn型にドープされたGaSbよりなるコンタクト層が設けられる。その上にGaSb、AlGaSbまたはAlSbからなる量子カスケード構造(活性領域)が設けられ、量子カスケード構造の上部にもn型にドープされたGaSbよりなるコンタクト層、及び電極となる金属が設けられる。   FIG. 7 shows a cross section of the quantum cascade laser of the present invention. A buffer layer made of, for example, GaAs, GaSb, or AlSb is provided on the GaAs substrate, and a contact layer made of n-type doped GaSb is provided thereon. A quantum cascade structure (active region) made of GaSb, AlGaSb, or AlSb is provided thereon, and a contact layer made of n-type doped GaSb and a metal serving as an electrode are also provided above the quantum cascade structure.

図8(a)は、図7の構造における固有モードの電界分布を2次元の有限要素法を用いて計算した結果を示す。周波数を3.0THzとした。GaSb/AlGaSb系量子カスケード構造の厚さを15μm、比誘電率を15.1とした。レーザのリッジ幅は150μmで、リッジの端と下の電極との距離を25μmとした。上及び下のn型GaSbコンタクト層の厚さをそれぞれ60nm、800nm、比誘電率を14.8、導電率を40000S/mとした。半絶縁性GaAs基板の比誘電率を13.3とした。バッファ層の厚さは1μmである。   FIG. 8A shows the result of calculating the electric field distribution of the eigenmode in the structure of FIG. 7 using the two-dimensional finite element method. The frequency was 3.0 THz. The thickness of the GaSb / AlGaSb quantum cascade structure was 15 μm, and the relative dielectric constant was 15.1. The laser ridge width was 150 μm, and the distance between the edge of the ridge and the lower electrode was 25 μm. The thicknesses of the upper and lower n-type GaSb contact layers were 60 nm and 800 nm, the relative dielectric constant was 14.8, and the conductivity was 40000 S / m. The relative dielectric constant of the semi-insulating GaAs substrate was 13.3. The thickness of the buffer layer is 1 μm.

図8(a)に示した固有モードの電界分布の計算結果において、テラヘルツ波の電界はリッジの領域、すなわち量子カスケードレーザの活性領域によく閉じこめられていることがわかる。閉じ込め係数Γを、活性領域内の電界強度の自乗の積分を全領域の電界強度の自乗の積分で割ることで求めると、図2の場合0.78となった。   In the calculation result of the electric field distribution of the natural mode shown in FIG. 8A, it can be seen that the electric field of the terahertz wave is well confined in the ridge region, that is, the active region of the quantum cascade laser. When the confinement factor Γ is obtained by dividing the integral of the square of the electric field strength in the active region by the integral of the square of the electric field strength in the entire region, it is 0.78 in the case of FIG.

比較のため、図8(b)に、GaSb基板上にGaSb系量子カスケードレーザを設けた場合の固有モードの電界分布を示す。周波数は3.0THzである。図7の構造において半絶縁性GaAs基板とバッファ層をGaSb基板に変えて計算した。閉じこめ係数Γは0.1程度であった。   For comparison, FIG. 8B shows the electric field distribution of the eigenmode when a GaSb-based quantum cascade laser is provided on a GaSb substrate. The frequency is 3.0 THz. In the structure of FIG. 7, the calculation was performed by replacing the semi-insulating GaAs substrate and the buffer layer with a GaSb substrate. The confinement coefficient Γ was about 0.1.

このように基板を、GaSbに比べてより誘電率の低いGaAsにすることでテラヘルツ波の高い閉じ込めを実現することができる。   In this way, high confinement of terahertz waves can be realized by making the substrate GaAs having a lower dielectric constant than GaSb.

またレーザ発振を低閾値で行うためには、量子カスケードレーザ内でのレーザ光の伝搬方向に沿ってのレーザ光の減衰を小さくすることも必要である。レーザ光の伝搬方向、すなわち図7では紙面に垂直の方向での減衰定数αを前述の2次元有限要素法を用いて計算した。図9は、図7におけるn型GaSbコンタクト層の導電率を変えた場合の計算結果を示す。周波数は3.0THzである。減衰定数αが小さいほど減衰が小さい。図4の黒丸(●)の点は、上のn型GaSbコンタクト層の導電率を一定、すなわち10000S/m、にし、下のn型GaSbコンタクト層の導電率を変えた場合の減衰定数を表し、四角(■)の点は、下のn型GaSbコンタクト層の導電率を一定、すなわち10000S/m、にし、上のn型GaSbコンタクト層の導電率を変えた場合の減衰定数を表す。   In order to perform laser oscillation with a low threshold, it is also necessary to reduce the attenuation of the laser light along the propagation direction of the laser light in the quantum cascade laser. The attenuation constant α in the propagation direction of the laser beam, that is, in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 7, was calculated using the above-described two-dimensional finite element method. FIG. 9 shows a calculation result when the conductivity of the n-type GaSb contact layer in FIG. 7 is changed. The frequency is 3.0 THz. The smaller the attenuation constant α, the smaller the attenuation. The black circles (●) in FIG. 4 represent the attenuation constant when the conductivity of the upper n-type GaSb contact layer is constant, that is, 10000 S / m, and the conductivity of the lower n-type GaSb contact layer is changed. Square dots (■) represent attenuation constants when the conductivity of the lower n-type GaSb contact layer is constant, ie, 10000 S / m, and the conductivity of the upper n-type GaSb contact layer is changed.

図9に示したように下のコンタクト層の導電率が高いほど減衰定数も大きくなる。これは、下のコンタクト層では導電率が高いほど電子が増えるため散乱などによる損失が大きくなるためと考えられる。一方、上のコンタクト層の導電率が高いほど逆に減衰定数が小さくなる。これは、下のコンタクト層の場合と同様に散乱による損失が増えるが、それ以上に金属・誘電体境界で生ずるプラズモン伝搬モードが発生し、これによる低損失の伝搬が支配的になるためと考えられる。   As shown in FIG. 9, the attenuation constant increases as the conductivity of the lower contact layer increases. This is presumably because the lower contact layer has a higher loss of electrons due to scattering and the like because the number of electrons increases as the conductivity increases. On the other hand, the higher the conductivity of the upper contact layer, the smaller the attenuation constant. This is because the loss due to scattering increases as in the case of the lower contact layer, but the plasmon propagation mode that occurs at the metal / dielectric interface is further generated, and the propagation of low loss is dominant. It is done.

このように金属電極と接するGaSbコンタクト層の導電率を高くし、基板と接するGaSbコンタクト層の導電率を低くすることでテラヘルツ光の伝搬に伴う損失を小さくすることが可能となる。ただ導電率を低くすると抵抗が高くなることも考慮しなければならないことは当然である。また、コンタクト層の導電率は温度に依存するため、量子カスケードレーザの動作温度を考慮してコンタクト層の不純物濃度を決めなければならない。   Thus, by increasing the conductivity of the GaSb contact layer in contact with the metal electrode and decreasing the conductivity of the GaSb contact layer in contact with the substrate, it is possible to reduce the loss associated with the propagation of terahertz light. However, it is a matter of course that the resistance increases as the conductivity decreases. Further, since the conductivity of the contact layer depends on temperature, the impurity concentration of the contact layer must be determined in consideration of the operating temperature of the quantum cascade laser.

以上述べたように、本発明のGaAs基板上に設けたGaSb/AlGaSb系量子カスケードレーザでは、高い光閉じこめを簡単な作成プロセスにより実現することができる。また、GaAs基板はGaSb基板よりも安いため、コスト面でも有利である。さらに、金属電極と接するGaSbコンタクト層の導電率を高くし、基板と接するGaSbコンタクト層の導電率を低くすることで、伝搬損失を小さくし、レーザ発振を効率的に行うことが可能となる。   As described above, in the GaSb / AlGaSb-based quantum cascade laser provided on the GaAs substrate of the present invention, high optical confinement can be realized by a simple production process. Moreover, since a GaAs substrate is cheaper than a GaSb substrate, it is advantageous in terms of cost. Furthermore, by increasing the conductivity of the GaSb contact layer in contact with the metal electrode and decreasing the conductivity of the GaSb contact layer in contact with the substrate, it is possible to reduce propagation loss and perform laser oscillation efficiently.

このように、本発明では、設計の自由度がより増加し、また発振周波数をより低くすることが可能である。   As described above, in the present invention, the degree of freedom in design can be further increased, and the oscillation frequency can be further decreased.

なお、上記の実施例では、バリア層としてAlSbを用いる例を示したが、この化合物に限定すべき理由はなく、GaSbに対して障壁となり超格子構造を形成しやすいものを使用することができ、上記の他に、例えばGaxAl1-xSb(xは0から1までの間の値)でもよい。また、AlSb層あるいはGaAlSb層は、障壁として用いられるので、混在させることも可能である。 In the above embodiments, AlSb is used as the barrier layer. However, there is no reason to limit to this compound, and it is possible to use a material that forms a superlattice structure as a barrier against GaSb. In addition to the above, for example, Ga x Al 1-x Sb (x is a value between 0 and 1) may be used. Moreover, since the AlSb layer or the GaAlSb layer is used as a barrier, it can be mixed.

また、導波路構造について、本発明では片側に表面プラズモンモードを用いている。しかし、これに限られるものではなく、金属−金属間の導波路でもよい。さらに、発生したテラヘルツ波を量子カスケードレーザ構造内に閉じこめるために、量子カスケードレーザ構造の上下に不純物濃度の高いコンタクト層を設けて屈折率を制御している。しかし、これに限定すべき理由はなく、低屈折率を示す層を設けてもよいことは明らかである。   As for the waveguide structure, the present invention uses a surface plasmon mode on one side. However, the present invention is not limited to this, and a metal-metal waveguide may be used. Further, in order to confine the generated terahertz wave in the quantum cascade laser structure, contact layers with high impurity concentration are provided above and below the quantum cascade laser structure to control the refractive index. However, there is no reason to limit to this, and it is obvious that a layer exhibiting a low refractive index may be provided.

また、上記した量子カスケードレーザは、次のように参照光を注入して同期発振させることも可能である。   The quantum cascade laser described above can be synchronously oscillated by injecting reference light as follows.

例えば1.5ミクロン帯の半導体レーザを照射して量子カスケードレーザの発振をロッキングしたい場合(インジェクションロッキング、注入同期)、図6に示す構成で、パルスレーザ光を注入する。しかし、上記の電極の場合には、量子カスケードレーザの上部電極は一般に金などの金属なので、半導体レーザ光は反射されてしまう。一方、量子カスケードレーザの基板がGaSbであるとするとGaSbは長波長側まで吸収するので、例えば1.5ミクロンのレーザによるインジェクションロッキングはできない。基板での吸収がないというのはこれに対し、実施例のようにGaAsを基板とすると、このような吸収がないため1.5ミクロン帯の半導体レーザを用いて、例えば、基板の裏から量子カスケードレーザの発振のロッキングを行うことが可能となる。なお、半導体レーザは基板側からだけでなく、リッジ構造の側面、あるいは量子カスケードレーザの電極をITOなどの透明電極にすれば上から照射してもよい。   For example, when it is desired to lock the oscillation of a quantum cascade laser by irradiating a 1.5 micron band semiconductor laser (injection locking, injection locking), pulse laser light is injected with the configuration shown in FIG. However, in the case of the above-described electrode, the semiconductor laser beam is reflected because the upper electrode of the quantum cascade laser is generally a metal such as gold. On the other hand, assuming that the substrate of the quantum cascade laser is GaSb, GaSb absorbs to the long wavelength side, so that injection locking with a 1.5 micron laser, for example, is not possible. In contrast to the fact that there is no absorption at the substrate, if GaAs is used as the substrate as in the embodiment, there is no such absorption, so a 1.5 micron band semiconductor laser is used, for example, a quantum cascade laser from the back of the substrate. It is possible to lock the oscillation. The semiconductor laser may be irradiated not only from the substrate side, but also from the side surface of the ridge structure or from the top if the electrode of the quantum cascade laser is a transparent electrode such as ITO.

従来の量子カスケードレーザのエネルギーバンド構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the energy band structure of the conventional quantum cascade laser. 本発明の量子カスケードレーザの層構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the layer structure of the quantum cascade laser of this invention. 本発明の量子カスケードレーザのエネルギーバンド構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the energy band structure of the quantum cascade laser of this invention. 本発明の量子カスケードレーザの製造プロセスの概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the manufacturing process of the quantum cascade laser of this invention. 本発明の量子カスケードレーザの断面図(a)および鳥瞰図(b)を示す図である。It is a figure which shows sectional drawing (a) and bird's-eye view (b) of the quantum cascade laser of this invention. インジェクションロッキングを行う場合の配置を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning in the case of performing injection locking. 本発明の量子カスケードレーザの模式的断面図を示す図である。It is a figure which shows the typical sectional drawing of the quantum cascade laser of this invention. (a)GaAs基板上の、(b)GaSb基板上の、GaSb系量子カスケードレーザにおける固有モードの電界分布を示す図である。It is a figure which shows the electric field distribution of the natural mode in a GaSb type | system | group quantum cascade laser on (a) GaAs substrate and (b) GaSb substrate. コンタクト層の導電率と減衰定数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electrical conductivity of a contact layer, and an attenuation constant.

符号の説明Explanation of symbols

1 状態n=1
2 状態n=2
1´ 注入領域の状態n=1
2´ 注入領域の状態n=2
3 基底状態n=3
4 基底状態n=4
5 励起状態n=5
1 State n = 1
2 State n = 2
1 'implantation region state n = 1
2 'implantation region state n = 2
3 Ground state n = 3
4 Ground state n = 4
5 Excited state n = 5

Claims (8)

AlSb層あるいはGaAlSb層と、GaSb層とを繰り返し積層し、その両端に電極層を形成して構成した超格子素子であって、光の誘導放出を行う量子井戸を構成するGaSb層の厚さを、該GaSb層に形成された量子準位の基底状態と第1の励起状態の固有エネルギーの差がGaSbのLOフォノンエネルギーになる厚さにしたことを特徴とする量子カスケードレーザ。   An AlSb layer or a GaAlSb layer and a GaSb layer are repeatedly stacked, and an electrode layer is formed on both ends of the superlattice device, and the thickness of the GaSb layer constituting the quantum well that performs stimulated emission of light A quantum cascade laser characterized by having a thickness at which the difference between the intrinsic energy of the quantum level formed in the GaSb layer and the first excited state becomes the LO phonon energy of GaSb. 上記の超格子素子は、AlSb層、GaSb層、AlSb層、GaSb層、AlSb層、n型のGaSb層、AlSb層、GaSb層を繰り返し単位とする超格子が、コンタクト層として用いられる2つのn型の半導体層にはさまれた構造をもつことを特徴とする請求項1に記載の量子カスケードレーザ。   The above superlattice element has two n layers in which a superlattice having an AlSb layer, a GaSb layer, an AlSb layer, a GaSb layer, an AlSb layer, an n-type GaSb layer, an AlSb layer, and a GaSb layer as a repeating unit is used as a contact layer. 2. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein the quantum cascade laser has a structure sandwiched by a semiconductor layer of a type. 上記の超格子素子は、GaAlSb層、GaSb層、GaAlSb層、GaSb層、GaAlSb層、n型のGaSb層、GaAlSb層、GaSb層を繰り返し単位とする超格子が、コンタクト層として用いられる2つのn型の半導体層にはさまれた構造をもつことを特徴とする請求項1に記載の量子カスケードレーザ。   The above superlattice element has two n layers in which a superlattice having a GaAlSb layer, a GaSb layer, a GaAlSb layer, a GaSb layer, a GaAlSb layer, an n-type GaSb layer, a GaAlSb layer, and a GaSb layer as repeating units is used as a contact layer. 2. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein the quantum cascade laser has a structure sandwiched by a semiconductor layer of a type. 超格子バッファの上に形成されたことを特徴とする請求項2あるいは3に記載の量子カスケードレーザ。   4. The quantum cascade laser according to claim 2, wherein the quantum cascade laser is formed on a superlattice buffer. GaAs基板上にバッファ層を介して作成されたことを特徴とする請求項2、3あるいは4に記載の量子カスケードレーザ。   5. The quantum cascade laser according to claim 2, wherein the quantum cascade laser is formed on a GaAs substrate via a buffer layer. 電極層間には、レーザ発振に必要な電位差が印加され、超格子部分には、参照光が照射されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。   6. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein a potential difference necessary for laser oscillation is applied between the electrode layers, and the superlattice portion is irradiated with reference light. 量子カスケード構造の上部に第1のコンタクト層を介して第1の金属電極が設けられ、前記量子カスケード構造の下部に第2のコンタクト層を介して基板が設けられ、前記第1のコンタクト層の導電率が前記第2のコンタクト層の導電率よりも高いことを特徴とする量子カスケードレーザ。   A first metal electrode is provided above the quantum cascade structure via a first contact layer, and a substrate is provided below the quantum cascade structure via a second contact layer. A quantum cascade laser characterized by having a conductivity higher than that of the second contact layer. 前記基板がGaAsであり、前記量子カスケード構造がGaSbよりなる井戸と、AlGaSbまたはAlSbよりなる障壁で構成される多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項7記載の量子カスケードレーザ。   8. The quantum cascade laser according to claim 7, wherein the substrate is GaAs, and the quantum cascade structure is a multiple quantum well structure including a well made of GaSb and a barrier made of AlGaSb or AlSb.
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