JP2007335686A

JP2007335686A - Quantum well intersubband transition device

Info

Publication number: JP2007335686A
Application number: JP2006166751A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ishida; 明広石田
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2007-12-27

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a mutual operation with TE mode light in addition to a mutual operation with light of a conventional TM mode; and to achieve high efficiency and high performance of devices since quantum well intersubband transition is applied to an infrared image sensor, a quantum cascade laser, and an ultra high-speed light modulation element. <P>SOLUTION: A method for generating intersubband electron transition by TE mode light (electromagnetic wave) is invented by using a semiconductor having anisotropy in effective mass of electrons and forming a quantum well structure in a direction inclined from a main axis in an equal energy face. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、赤外線検出及びイメージングを行なう赤外線センサー、赤外線発光素子及び変調素子に関するものである。 The present invention relates to an infrared sensor that performs infrared detection and imaging, an infrared light emitting element, and a modulation element.

ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等の量子井戸にできるサブバンド間光遷移は今から２０年ほど前から研究が行われ、サブバンド間遷移赤外線イメージセンサーに利用され、その後、サブバンド間光遷移を利用する超高速光変調素子やサブバンド間遷移発光を利用する量子カスケードレーザが開発されるようになった。量子井戸サブバンド間の光遷移はＴＭモードの光と相互作用して起こり、一般にはＴＥモードの光とはほとんど相互作用しない。したがって、サブバンド間遷移を利用する赤外線イメージセンサーには光を斜めに入射することが必要であり（図１を参照）、量子井戸面に垂直方向の電界成分を増大させ信号強度を増加させるには、デバイス表面の加工が必要になる。また、サブバンド間遷移の赤外線レーザは、１９９４年に米国ベル研究所で発明され（図２参照）、最近では量子カスケードレーザにより波長４μｍから１００μｍを越えるものが作製されている。 Intersubband optical transitions that can be made in quantum wells such as AlGaAs / GaAs have been studied for about 20 years ago, and are used for intersubband transition infrared image sensors, and then ultrafast using intersubband optical transitions. Quantum cascade lasers using light modulation elements and intersubband transition emission have been developed. The optical transition between the quantum well subbands occurs by interacting with TM mode light, and generally hardly interacts with TE mode light. Therefore, infrared image sensors that use intersubband transitions require light to be incident obliquely (see FIG. 1), which increases the electric field component in the direction perpendicular to the quantum well surface and increases the signal intensity. This requires processing of the device surface. Infrared laser with intersubband transition was invented at Bell Laboratories in the United States in 1994 (see FIG. 2), and recently, a quantum cascade laser having a wavelength exceeding 4 μm to 100 μm has been produced.

また、波長４〜１０μｍ辺りでは室温高出力動作するものも作製されるようになり、量子カスケードレーザはこの波長域のレーザとしては現在最も注目されている。この量子カスケードレーザにおいても、電子遷移はＴＭモード光のみと相互作用するためＴＭモード発振しか期待できなかった。したがって、電界が量子井戸面と平行になる面発光レーザの実現は期待できなかった。また、サブバンドの上位準位から基底状態への光遷移は、ナノ秒オーダーのバンド間遷移に比べ非常に速く、ピコ秒或いはそれ以下のオーダーである。 In addition, a device that operates at a high output power at room temperature is produced around a wavelength of 4 to 10 μm, and the quantum cascade laser is currently attracting the most attention as a laser in this wavelength region. Even in this quantum cascade laser, only the TM mode oscillation can be expected because the electron transition interacts only with the TM mode light. Therefore, realization of a surface emitting laser whose electric field is parallel to the quantum well surface could not be expected. In addition, the optical transition from the upper level of the subband to the ground state is much faster than the interband transition on the nanosecond order, and is on the order of picosecond or less.

したがって、サブバンド間光励起により、基底準位や励起準位のキャリヤ濃度を変調できれば、サブバンド間吸収を利用して超高速光変調が可能となる（図３）。この場合は変調を行なう光を量子井戸面に沿って通し、量子井戸に垂直方向に励起光を入れられれば、構造が単純になる。これらの問題はＴＥモード光と相互作用ができる量子井戸が開発されれば解決できる。 Therefore, if the carrier concentration of the ground level or the excited level can be modulated by intersubband optical excitation, ultrafast optical modulation can be performed using intersubband absorption (FIG. 3). In this case, the structure can be simplified if light to be modulated is passed along the quantum well surface and excitation light can be introduced perpendicularly to the quantum well. These problems can be solved if a quantum well capable of interacting with TE mode light is developed.

量子井戸の面に平行成分の電界と相互作用し光吸収や発光を生じさせることができれば、サブバンド間遷移イメージセンサーにおいては、赤外光を試料に垂直入射すればよく、斜め入射のための複雑な構造が不要になる。また、量子カスケードレーザにおいては、ＴＥモード発光が可能になるとともに、面発光レーザの作製も可能になる。さらに、高速光変調素子においては、励起光を試料に垂直方向から入射させ、弱い励起光強度で光変調が可能になる。したがって、これらの問題を解決するためにＴＥモード光と強く相互作用できる量子井戸構造の開発を行なってきた。 In the intersubband transition image sensor, it is sufficient to make infrared light incident perpendicularly to the sample if it can interact with the electric field of parallel components on the surface of the quantum well and cause light absorption and emission. A complicated structure becomes unnecessary. In addition, in the quantum cascade laser, TE mode light emission is possible and a surface emitting laser can be manufactured. Further, in the high-speed light modulation element, excitation light is incident on the sample from the vertical direction, and light modulation can be performed with weak excitation light intensity. Therefore, in order to solve these problems, a quantum well structure capable of strongly interacting with TE mode light has been developed.

量子井戸中の波動関数は、一般の教科書や論文などでは量子井戸に垂直な成分と量子井戸に平行な波動関数成分が独立に取り扱われる。量子井戸面に平行な電界との相互作用による光の吸収や発光を生じさせるには、量子井戸の面に垂直方向の波動関数成分がお互いに直交しないことが必要である。同じ量子井戸内の波動関数はお互いに直交しているので、量子井戸に垂直な成分と量子井戸に平行な波動関数成分が独立に取り扱える場合には、光吸収は生じないことになる。現在主に研究開発されているサブバンド間量子井戸デバイスは３−５族半導体であり、これらの半導体では、一般の量子力学教科書などにあるように、量子井戸に垂直な成分と量子井戸に平行な波動関数成分が独立に取り扱える。したがって、本発明では量子井戸に垂直な成分と平行成分とを独立に取り扱えなくする手法を検討し、本発明に至った。ＧｅやＰｂＴｅの伝導帯下端はブリルアンゾーンのＬ点に位置し、ＳｉではＸ点の内側に位置する。Ｓｉ、ＧｅやＰｂＴｅは有効質量の異方性が大きい多谷半導体として知られている（図４）。Ｓｉにおいては、＜１００＞方向に電子の有効質量が重く、ＧｅやＰｂＴｅにおいては＜１１１＞方向に重い質量を示す。これらの主軸に対して量子井戸構造を傾斜させ作製すると、量子井戸面に垂直な方向と面に平行な方向の波動関数を独立して取り扱えなくなるため、この観点から研究開発を行い、本発明に至った。 In general textbooks and papers, the wave function in the quantum well is treated independently of the component perpendicular to the quantum well and the wave function component parallel to the quantum well. In order to cause light absorption and light emission by interaction with an electric field parallel to the quantum well surface, it is necessary that the wave function components in the direction perpendicular to the surface of the quantum well are not orthogonal to each other. Since the wave functions in the same quantum well are orthogonal to each other, light absorption does not occur when a component perpendicular to the quantum well and a wave function component parallel to the quantum well can be handled independently. Currently, the inter-subband quantum well devices that are mainly researched and developed are Group 3-5 semiconductors. In these semiconductors, as shown in general quantum mechanics textbooks, components perpendicular to the quantum well and parallel to the quantum well are used. Wave function components can be handled independently. Therefore, in the present invention, a method for making it impossible to independently handle the component perpendicular to the quantum well and the parallel component has been studied, and the present invention has been achieved. The lower end of the conduction band of Ge or PbTe is located at the L point of the Brillouin zone, and in Si, it is located inside the X point. Si, Ge, and PbTe are known as multi-tani semiconductors with large effective mass anisotropy (FIG. 4). In Si, the effective mass of electrons is heavy in the <100> direction, and in Ge and PbTe, the mass is heavy in the <111> direction. If the quantum well structure is tilted with respect to these principal axes, the wave function in the direction perpendicular to the quantum well plane and the direction parallel to the plane cannot be handled independently. It came.

本発明は、異方性半導体量子井戸を用いることにより、ＴＥモード光によっても強いサブバンド間遷移を可能にするもので、ＴＭモードの光との相互作用しかできない従来のサブバンド間遷移デバイスの欠点を解消するもので、上述の量子井戸層に垂直に光入射させる赤外線イメージセンサー、量子カスケードレーザのＴＥモード動作、面発光量子井戸レーザ及び垂直入射サブバンド間光励起超高速光変調素子等への広い応用が期待できる。 The present invention enables a strong intersubband transition even by TE mode light by using an anisotropic semiconductor quantum well, and is a conventional intersubband transition device that can only interact with TM mode light. In order to eliminate the shortcomings, the infrared image sensor that vertically enters the quantum well layer described above, the TE mode operation of the quantum cascade laser, the surface emitting quantum well laser, the vertically incident intersubband optically pumped ultrafast optical modulator, etc. Wide application can be expected.

ＰｂＴｅやＧｅ系量子井戸においては、［１００］方向に量子井戸成長を行なえば、ブリルアンゾーンＬ点のどの極小点においても等価なサブバンド構造が形成され、且つ、等エネルギー楕円体主軸に対して量子井戸方向を傾斜させることができる。図５に（１００）方向に作製したＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ超格子の垂直入射での赤外透過特性を示す。超格子試料は、図５（ａ）においては、２原子層ＥｕＴｅと２０原子層ＰｂＴｅの３００周期からなり、図５（ｂ）においては、ＥｕＴｅ（１原子層）／ＰｂＴｅ（２３原子層）／ＥｕＴｅ（１原子層）／ＰｂＴｅ（９原子層）の２重量子井戸２００周期からなる。短周期の干渉縞は、超格子を厚いＰｂＴｅ上へ作製したため、このＰｂＴｅと超格子のトータル膜厚によるものである。サブバンド間吸収は干渉縞と平均透過率の減少により確認できる。図５（ｂ）の２重量子井戸超格子構造においては、サブバンド間吸収は波数１１５０ｃｍ^−１付近にあり、吸収係数に直すと２０００−３０００ｃｍ^−１に相当する。また、計算したエネルギー準位と波動関数の絶対値の２乗を図６に示す。吸収はy₁からy₁’への遷移で生じている。垂直入射において、このような大きな吸収が得られるので、この遷移を垂直入射赤外線イメージセンサーへ応用することができる(図７)。この吸収は本発明者が最近初めて発見した現象であり、電子の有効質量に異方性がある半導体の等エネルギー面の主軸から傾いた方向に量子井戸構造を形成し、量子井戸ポテンシャルを非対称化することにより得られる（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．へ投稿中）。したがって、ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ２重量子井戸を同様な異方性のあるＧｅ系２重量子井戸やＳｉ系に変えることもできる。また、（１１１）方向へＳｉ／ＳｉＣ等の量子井戸を作製すれば、単純な量子井戸構造においてもピエゾ電界により周期ポテンシャルを非対称化することが可能であり、同様に垂直入射サブバンド間遷移イメージセンサーへ応用することができる。 In PbTe or Ge-based quantum wells, if quantum well growth is performed in the [100] direction, an equivalent subband structure is formed at any local minimum point of the Brillouin zone L, and the principal axis of the isoenergy ellipsoid is The quantum well direction can be tilted. FIG. 5 shows infrared transmission characteristics at normal incidence of an EuTe / PbTe superlattice fabricated in the (100) direction. In FIG. 5A, the superlattice sample consists of 300 periods of two atomic layers EuTe and 20 atomic layers PbTe, and in FIG. 5B, EuTe (one atomic layer) / PbTe (23 atomic layers) / It consists of 200 periods of double quantum wells of EuTe (1 atomic layer) / PbTe (9 atomic layer). The short-period interference fringes are due to the total film thickness of the PbTe and the superlattice since the superlattice was fabricated on the thick PbTe. Intersubband absorption can be confirmed by interference fringes and a decrease in average transmittance. In double quantum well superlattice structure of FIG. 5 (b), intersubband absorption is in the vicinity of a wave number of 1150 cm ^-1, corresponding to 2000-3000Cm ^-1 when fix the absorption coefficient. FIG. 6 shows the calculated energy level and the square of the absolute value of the wave function. Absorption occurs at the transition from y ₁ to y ₁ '. Since such a large absorption is obtained at normal incidence, this transition can be applied to a normal incidence infrared image sensor (FIG. 7). This absorption is a phenomenon that the present inventor has recently discovered. A quantum well structure is formed in a direction inclined from the principal axis of the isoenergetic surface of a semiconductor having an anisotropic electron effective mass, and the quantum well potential is asymmetrical. (Submitted to Phys. Rev. Lett.) Therefore, the EuTe / PbTe double quantum well can be changed to a similar anisotropic Ge-based double quantum well or Si. If quantum wells such as Si / SiC are fabricated in the (111) direction, the periodic potential can be asymmetrical by a piezoelectric field even in a simple quantum well structure. It can be applied to sensors.

この遷移は、逆に、基底準位から上位準位への電子注入により、レーザ動作に利用することも可能である。このような強い吸収は垂直入射による他の超格子での測定では得られていない。図８に示すＰｂＴｅ／ＥｕＴｅ系量子井戸活性層（３０原子層ＰｂＴｅ／１原子層ＥｕＴｅ／２０原子層ＰｂＴｅ／１原子層ＥｕＴｅ／１５原子層ＰｂＴｅ／１原子層ＥｕＴｅ／１４原子層ＰｂＴｅ／２原子層ＥｕＴｅ／１４原子層ＰｂＴｅ／１原子層ＥｕＴｅを1周期として数十周期からなる）をＰｂＥｕＴｅクラッド層で挟むことにより、ＴＭモードのみでなく、ＴＥモードで動作するカスケードレーザが作製できる。この場合、導波路層にＰｂＴｅを用い、量子カスケード層をその両側に配置し、量子カスケード層に活性層とクラッド層の両方の役割を担わせることもできる。ＰｂＴｅ系量子カスケードレーザは有効質量の温度依存性が大きいため、温度による大きな波長チューナビリティが得られる(請求項２)。また、図９に活性層の上下をＰｂＴｅ／ＰｂＳ或いはＰｂＴｅ／ＰｂＳｅ或いはＰｂＴｅ／ＣｄＴｅ多層膜反射ミラーで挟むことにより面発光レーザも作製できる。
本実施例では、ＰｂＴｅをベースにした量子カスケードレーザを例に挙げているが、ｎ型ＧｅやＳｉ系の量子井戸を用いても同様な量子カスケードレーザが作製できる。 Conversely, this transition can also be used for laser operation by electron injection from the ground level to the upper level. Such strong absorption has not been obtained by measurement with other superlattices with normal incidence. PbTe / EuTe quantum well active layer (30 atomic layer PbTe / 1 atomic layer EuTe / 20 atomic layer PbTe / 1 atomic layer EuTe / 15 atomic layer PbTe / 1 atomic layer EuTe / 14 atomic layer PbTe / 2 atoms shown in FIG. A cascade laser that operates not only in the TM mode but also in the TE mode can be manufactured by sandwiching the layer EuTe / 14 atomic layer PbTe / 1 atomic layer EuTe (which consists of several tens of periods) with the PbEuTe cladding layer. In this case, PbTe can be used for the waveguide layer, the quantum cascade layer can be arranged on both sides thereof, and the quantum cascade layer can serve as both the active layer and the cladding layer. Since the PbTe-based quantum cascade laser has a large temperature dependence of the effective mass, a large wavelength tunability depending on the temperature can be obtained. In addition, a surface emitting laser can be manufactured by sandwiching the upper and lower sides of the active layer with PbTe / PbS, PbTe / PbSe, or PbTe / CdTe multilayer reflective mirrors in FIG.
In the present embodiment, a quantum cascade laser based on PbTe is taken as an example, but a similar quantum cascade laser can be fabricated using an n-type Ge or Si-based quantum well.

図１０にＥｕＴｅ（２原子層）／ＰｂＴｅ（２０原子層）／ＥｕＴｅ（１原子層）／ＰｂＴｅ（１０原子層）を１周期とする超格子を［１１１］方向に成長した場合のエネルギーバンド構造を示す。この場合、ブリルアンゾーンＬ点の［１１１］谷の超格子方向に向かう有効質量は重く、それに対し傾いた＜１１１＞谷の超格子方向の有効質量は軽くなり、２種類の電子状態が生じる。また、ＰｂＴｅ層はＥｕＴｅにより引張り歪を受けるので、［１１１］谷の伝導帯端はそれに対して傾いた＜１１１＞谷の伝導帯端より図１０に示すように上昇する。こうした超格子に、超格子面に垂直方向からＣＯ_２レーザのような波長１０ミクロン前後の光を入射すると［１１１］谷から傾いた＜１１１＞谷の基底準位から励起準位へ電子が励起され、この電子は光学フォノン散乱により［１１１］谷へ移る。［１１１］谷の超格子方向の有効質量は重く、図に示すようにたくさんのサブバンドが形成されており、この準位間の電子遷移によりレーザ動作する(請求項３)。この電子励起は、量子カスケード構造を作製し、電流注入によっても可能であり、光励起レーザも電流注入レーザも作製できる。また、量子井戸材料もＰｂＴｅに限らず、ＧｅやＳｉ等の多谷半導体を用いることもできる。 FIG. 10 shows an energy band structure in the case where a superlattice having one cycle of EuTe (2 atomic layers) / PbTe (20 atomic layers) / EuTe (1 atomic layer) / PbTe (10 atomic layers) is grown in the [111] direction. Indicates. In this case, the effective mass in the superlattice direction of the [111] valley at the Brillouin zone L point is heavy, whereas the effective mass in the superlattice direction of the tilted <111> valley is light, and two types of electronic states are generated. Further, since the PbTe layer is subjected to tensile strain by EuTe, the conduction band edge of the [111] valley rises as shown in FIG. 10 from the conduction band edge of the <111> valley that is inclined with respect to it. When light having a wavelength of about 10 microns such as a CO ₂ laser is incident on such a superlattice from a direction perpendicular to the superlattice surface, electrons are excited from the ground level of the <111> valley inclined from the [111] valley to the excitation level. This electron moves to the [111] valley by optical phonon scattering. The effective mass of the [111] valley in the superlattice direction is heavy, and a number of subbands are formed as shown in the figure, and laser operation is performed by electronic transitions between these levels (claim 3). This electron excitation is possible by producing a quantum cascade structure and current injection, and both an optically pumped laser and a current injection laser can be produced. The quantum well material is not limited to PbTe, and a multi-valley semiconductor such as Ge or Si can be used.

さらに、電子の有効質量に異方性がある半導体の等エネルギー面の主軸から傾いた方向に量子井戸構造を形成することにより、量子井戸に光を垂直入射させてサブバンド間電子遷移を生じさせることが可能であるので、図３に示す光変調素子において、励起光を垂直入射させて、光変調させることができる。この光変調素子構造として、図6に示すバンド構造を持つＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ2重井戸超格子を用いると、二酸化炭素10μｍレーザ励起により基底準位のキャリヤ濃度を変調させ、サブバンド間光吸収係数変化により波長１０μｍ付近の中赤外光を変調することができるし、E₁’準位の電子濃度を変調し、Ｅ_２−Ｅ₁’のエネルギーに相当するテラヘルツ光の変調を行なうこともできる。 Furthermore, by forming a quantum well structure in a direction inclined from the principal axis of the isoenergetic surface of the semiconductor having anisotropy in the effective mass of electrons, light is incident perpendicularly to the quantum well to cause intersubband electron transition. Therefore, in the light modulation element shown in FIG. 3, the light can be modulated by causing the excitation light to enter perpendicularly. As this light modulation element structure, if an EuTe / PbTe double well superlattice having the band structure shown in FIG. 6 is used, the carrier concentration of the ground level is modulated by the carbon dioxide 10 μm laser excitation, and the light absorption coefficient changes between subbands. It is possible to modulate mid-infrared light in the vicinity of a wavelength of 10 μm, modulate electron density at the E ₁ ′ level, and modulate terahertz light corresponding to the energy of E ₂ −E ₁ ′.

本発明により、量子井戸層に垂直に光入射させる赤外線イメージセンサー、量子カスケードレーザのＴＥモード動作、面発光量子井戸レーザ及び励起光を垂直入射するサブバンド間光励起超高速光変調素子への応用が可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to an infrared image sensor that makes light incident on a quantum well layer perpendicularly, a TE mode operation of a quantum cascade laser, a surface emitting quantum well laser, and an intersubband optically pumped ultrafast optical modulator that vertically makes an incident pumping light. Is possible.

従来のサブバンド間遷移赤外線センサーConventional intersubband transition infrared sensor 量子カスケードレーザバンド構造Quantum cascade laser band structure 超高速光変調素子の構造Structure of ultrafast light modulator ＰｂＴｅ，Ｇｅ及びＳｉの伝導帯下端等エネルギー面PbTe, Ge and Si conduction band bottom energy surface equivalent ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ超格子の赤外透過特性Infrared transmission characteristics of EuTe / PbTe superlattices ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ超格子の伝導帯サブバンド構造Conduction band subband structure of EuTe / PbTe superlattice 垂直入射赤外線イメージセンサーNormal incidence infrared image sensor ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ波長可変量子カスケードレーザEuTe / PbTe tunable quantum cascade laser ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ量子カスケード面発光レーザEuTe / PbTe quantum cascade surface emitting laser （１１１）面成長ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ光励起サブバンド間遷移レーザの電子遷移過程Electronic transition process of (111) plane grown EuTe / PbTe photoexcited intersubband transition laser

Claims

By using a semiconductor with an anisotropic effective electron mass and forming a quantum well structure in a direction inclined from the principal axis of the isoenergetic surface, inter-subband electron transition is caused by TE mode light (electromagnetic wave). Infrared sensor, quantum cascade laser, surface emitting quantum cascade laser, and quantum well intersubband transition device as light modulator

Quantum well intersubband transition device as wavelength tunable quantum cascade laser using PbTe, PbSe or PbS in quantum well layer

Intersubband transition quantum well intersubband transition device utilizing electronic transitions between states quantized by two effective masses in semiconductors with anisotropic electron effective mass