JP2008034447A - Quantum cascade laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、近赤外領域からテラヘルツ領域に至る広い波長範囲で発振可能な量子カスケードレーザに関する。 The present invention relates to a quantum cascade laser that can oscillate in a wide wavelength range from the near infrared region to the terahertz region.
量子カスケードレーザ(QCL)は、積層する半導体の膜厚を制御することによって近赤外からテラヘルツ領域までの広い波長範囲で発振可能なレーザとして研究が進められている。これらはいずれも、電子のポテンシャル障壁となる第1の半導体層および量子井戸となる第2の半導体層を交互に積層した構造であって、キャリア走行層と、キャリア走行層に隣接するサブバンド間遷移を利用する発光層とから構成される構造を基本単位としており、この構造を数〜数十層繰り返すことによって活性層が形成されるのが一般的である(例えば、非特許文献1、2参照)。 The quantum cascade laser (QCL) is being researched as a laser that can oscillate in a wide wavelength range from the near infrared region to the terahertz region by controlling the film thickness of a stacked semiconductor. Each of these structures has a structure in which first semiconductor layers serving as electron potential barriers and second semiconductor layers serving as quantum wells are alternately stacked, and are formed between a carrier traveling layer and subbands adjacent to the carrier traveling layer. A basic unit is a structure composed of a light emitting layer using transition, and an active layer is generally formed by repeating this structure several to several tens of layers (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). reference).
また活性層を挟んで両側に導波路層を形成し、活性層で発生した光を基板に垂直方向に閉じこめることも通常行われている。これらの導波路層は、屈折率差を利用して活性層内に光を閉じこめるだけでなく、両側に配した金属電極から導波路層を通じて活性層に電子を注入できる程度の伝導特性を有する必要があり、さらに基板となる材料上に良好な結晶を成長させるために格子ミスマッチが少ないこと、発生した熱を効率よく逃がすために熱伝導性が良いことなど、種々の要件を満たす必要がある。このため、活性層に使用される材料に応じて、高ドープしたn型AlInAs層やn型InAs層などが一般的に用いられている。 Further, a waveguide layer is formed on both sides of the active layer, and light generated in the active layer is usually confined in a direction perpendicular to the substrate. These waveguide layers need not only confine light in the active layer using the difference in refractive index, but also have conduction characteristics that allow electrons to be injected into the active layer from the metal electrodes arranged on both sides through the waveguide layer. Furthermore, it is necessary to satisfy various requirements such as a small lattice mismatch for growing a good crystal on a material to be a substrate and a good thermal conductivity for efficiently releasing generated heat. For this reason, highly doped n-type AlInAs layers, n-type InAs layers, etc. are generally used according to the material used for the active layer.
第1の半導体層と第2の半導体層の組み合わせは、それぞれの材料の伝導体オフセットや基板となる材料との格子ミスマッチを考慮して選択され、InP基板上にはAlInAsとGaInAs、GaAs基板上にはAlGaAsとGaAs、InAs基板上にはAlSbとInAsなどが提案されている(例えば、InAs基板上のAlSbとInAsの組み合わせについて、特許文献1を参照)。 The combination of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is selected in consideration of the conductor offset of each material and the lattice mismatch with the material to be the substrate. On the InP substrate, on the AlInAs, GaInAs, and GaAs substrates. Have proposed AlGaAs and GaAs, and AlSb and InAs on an InAs substrate (for example, see Patent Document 1 for a combination of AlSb and InAs on an InAs substrate).
通信用などに広く使われている半導体レーザとしてダブルへテロレーザがあるが、これはバンド間の電子−正孔の再結合エネルギーを発光に利用したものであり、発振波長は材料によって決められる。これに加えてダブルへテロレーザでは、発振波長が長くなると、すなわち使用する材料のバンドギャップが小さくなると、オージェ過程による非発光再結合が支配的になるため発振が極めて困難になり、波長2μm以上では実用的なものはできていない。 There is a double hetero laser as a semiconductor laser widely used for communication, etc., which uses the electron-hole recombination energy between bands for light emission, and the oscillation wavelength is determined by the material. In addition to this, in the double hetero laser, when the oscillation wavelength becomes longer, that is, when the band gap of the material to be used becomes smaller, non-radiative recombination due to Auger process becomes dominant, and oscillation becomes extremely difficult. There is nothing practical.
量子カスケードレーザは、電子のサブバンド間遷移を発光に利用するため膜厚を制御することによって波長を任意に制御することが可能であり、またオージェ過程の影響も少ないことから3μmを越える波長でも発振可能であり、さらに小型で高温動作が可能といった実用化に適した優れた特性を有している。すでに、発振波長が10μm程度の量子カスケードレーザが分析用光源などに実用化されている。 Since the quantum cascade laser uses the intersubband transition of electrons for light emission, it is possible to control the wavelength arbitrarily by controlling the film thickness, and since the influence of the Auger process is small, even at wavelengths exceeding 3 μm It has excellent characteristics suitable for practical use, such as being able to oscillate, and being small and capable of high-temperature operation. A quantum cascade laser having an oscillation wavelength of about 10 μm has already been put to practical use as a light source for analysis.
量子カスケードレーザに対して、レーザの基本性能としてより低い閾値電流密度で発振することが望まれている。 For a quantum cascade laser, it is desired to oscillate at a lower threshold current density as the basic performance of the laser.
しかしながら、量子カスケードレーザの構造の特徴により電子注入の障壁が生じて、閾値電流密度を増加させる一因となっている。通常量子カスケードレーザの構造は、素子に電界をかけたときにミニバンドが形成されるようにするために、負電極側から正電極側に向けて単位構造の井戸幅が徐々に狭くなるように設計されている。そして、活性層が導波路層と接合する部分では、活性層内のミニバンドと導波路層に用いている半導体のフェルミ準位との差がポテンシャル障壁として発生するのである。このポテンシャル障壁は、素子に電圧を印加した時に、電子注入の障壁となって素子の閾値電流を増加させる。 However, the structure of the quantum cascade laser creates a barrier for electron injection, which contributes to an increase in threshold current density. Normally, the quantum cascade laser has a structure in which the well width of the unit structure gradually decreases from the negative electrode side to the positive electrode side so that a miniband is formed when an electric field is applied to the device. Designed. At the portion where the active layer is joined to the waveguide layer, a difference between the miniband in the active layer and the Fermi level of the semiconductor used for the waveguide layer is generated as a potential barrier. This potential barrier becomes a barrier for electron injection when a voltage is applied to the device, and increases the threshold current of the device.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、素子の発振波長に影響を与えることなく、より低い閾値電流密度で発振する量子カスケードレーザを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a quantum cascade laser that oscillates at a lower threshold current density without affecting the oscillation wavelength of the element. .
このような目的を達成するために、本発明に係る量子カスケードレーザは、ポテンシャル障壁となる第1の半導体層および量子井戸となる第2の半導体層を交互に積層した構造を有する活性層と、前記活性層を両側から挟む1組の導波路層と、前記活性層と前記活性層への電圧印加時に負極側となる導波路層との間に挿入された、前記活性層とは異なる積層構造を有する接合層とを備え、前記接合層の前記積層構造は、前記接合層によって形成されるミニバンドの下端と前記導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差が、前記活性層によって形成されるミニバンドの下端と前記導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差に比べて小さくなるように設計されていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the quantum cascade laser according to the present invention includes an active layer having a structure in which first semiconductor layers serving as potential barriers and second semiconductor layers serving as quantum wells are alternately stacked; A laminated structure different from the active layer, inserted between a pair of waveguide layers sandwiching the active layer from both sides and a waveguide layer which becomes a negative electrode side when a voltage is applied to the active layer and the active layer The laminated structure of the bonding layer has an energy difference between the lower end of a miniband formed by the bonding layer and the Fermi level of the waveguide layer formed by the active layer. It is designed to be smaller than the energy difference between the lower end of the miniband and the Fermi level of the waveguide layer.
本発明によれば、活性層への電圧印加時に負電極側となる導波路層と活性層との間に活性層とは異なる積層構造を有する接合層を挿入することにより、活性層のミニバンドの下端と導波路層のフェルミ準位との間に存在したエネルギー差を縮小することができる。それによって、電子注入の障壁を低減し、所望の発振波長に影響を与えることなく、従来よりも低い閾値で発振する量子カスケードレーザを提供することが可能となる。 According to the present invention, by inserting a bonding layer having a laminated structure different from the active layer between the active layer and the waveguide layer on the negative electrode side when a voltage is applied to the active layer, the miniband of the active layer is obtained. The energy difference existing between the lower end of the waveguide and the Fermi level of the waveguide layer can be reduced. Accordingly, it is possible to provide a quantum cascade laser that oscillates at a lower threshold than the conventional one without reducing the barrier for electron injection and without affecting the desired oscillation wavelength.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、InAs基板上において、第1の半導体としてAlSbを、第2の半導体層としてInAsを用いたInAs/AlSb系の量子カスケードレーザについて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, an InAs / AlSb quantum cascade laser using AlSb as a first semiconductor and InAs as a second semiconductor layer on an InAs substrate will be described.
図1(a)は、本発明に係る量子カスケードレーザ100の構造を示している。量子カスケードレーザ100は、クラッド層112およびコア層111から構成された導波路層110と、活性層120と、接合層130と、クラッド層142およびコア層141から構成された導波路層140と、n−InAs基板150を備える。図1(a)〜(c)には、量子カスケードレーザ100の構造を具体的に特定した実施例も合わせて示されているが、これについては図4および5を参照して後述する。
FIG. 1A shows the structure of a
導波路層110および140は、光閉じ込めを行うために設けられている。屈折率が大きいコア層111および141を、屈折率が小さいクラッド層112および142で挟むことにより、導波路としての機能が得られている。例えば、コア層111および141を低濃度でSiをドーピングしたn−InAs、クラッド層112および142を高濃度でSiをドーピングしたn+−InAsとすることができる。これはキャリア濃度の違いによる屈折率変化を利用したもので、InAsのような半導体中ではドーパントであるSiのドーピング濃度を高めて自由キャリア濃度が増大すると、半導体層のプラズマ周波数が変化し、屈折率が小さくなる。良好な閉じ込め特性を得るためには出来るだけ屈折率差を大きくとることが必要であり、コア層のキャリア濃度は自由キャリアによる吸収が問題になることなく、伝導特性を妨げない程度に低くとるのが望ましい。例えば、コア層のSiドーピング濃度を2.0×1016cm−3とすることができ、このときコア層のフェルミ準位(EF)は、
によって見積もられる。数式(1)において、Ecは伝導体の下端のエネルギー、kBはボルツマン定数、Tは温度、nは電子濃度、Ncは電子の有効状態密度を表している。 Estimated by In Equation (1), Ec represents the energy at the lower end of the conductor, k B represents the Boltzmann constant, T represents the temperature, n represents the electron concentration, and Nc represents the effective density of electrons.
図1(b)は活性層120の積層構造を示し、図1(c)は接合層130の積層構造を示している。これらの層は、例えば、いずれも第1の半導体層であるAlSbと第2の半導体層であるInAsとを交互に積層したものとすることができる。あるいは、活性層120と接合層130とで、異なる半導体層の組み合わせを用いることができる。活性層120は、それぞれの半導体層の厚みを段階的に変えることによって、動作時に想定される電界強度において所望の発振波長が得られるように設計されている。
FIG. 1B shows a laminated structure of the
第1の半導体層と第2の半導体層の組み合わせは、AlSbとInAs、AlGaSbとInAs、GaSbとInAs、AlInAsとGaInAs、AlAsとGaAs、AlGaAsとGaAsが好ましい。上述した組み合わせは、基板になる材料と格子定数が比較的近く(ミスマッチが少なく)、組み合わせる2つの材料の伝導体バンドオフセットの差が出来るだけ大きいもの(更に付け加えれば、それぞれに直接遷移型であること)という観点から、QCLを作る上での半導体へテロ構造として好ましい。特にこの中でも比較的短波長のQCLを作製する場合は、AlSbとInAsや、AlGaSbとInAsの組み合わせなどが好適である。 The combination of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is preferably AlSb and InAs, AlGaSb and InAs, GaSb and InAs, AlInAs and GaInAs, AlAs and GaAs, AlGaAs and GaAs. The above-mentioned combination has a relatively close lattice constant (less mismatch) to the material used as the substrate, and the difference in conductor band offset between the two materials to be combined is as large as possible (additionally, each is a direct transition type) In view of the above, it is preferable as a semiconductor heterostructure for making QCL. In particular, when a QCL having a relatively short wavelength is manufactured, a combination of AlSb and InAs or AlGaSb and InAs is preferable.
図2は、活性層120の量子準位の模式図を示している。各々の量子井戸の基底準位をとる波動関数は、お互いに重なり合い、活性層120において空間的な拡がりを有している。本明細書では、上記の重なり合った波動関数のとるエネルギー準位のうち、最も低いエネルギー準位から最も高いエネルギー準位までをミニバンドと定義する。図2中で、ミニバンド201が網目で示されている。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the quantum levels of the
図3は、図2と同様に、接合層130の量子準位の模式図を示しており、網目で示されるミニバンド301が形成されている。言い換えると、接合層130は、所望のミニバンドが形成されるように設計されている。
FIG. 3 shows a schematic diagram of the quantum level of the
図2の活性層120を参照して量子カスケードレーザの発光機構を簡潔に説明すると、以下のようになる。まず、電子が、隣接する単位構造のミニバンドから発光層122に注入される。次に、この電子が、発光層内でフォトンを放出し、下のミニバンド201に遷移する(サブバンド間遷移)。そして、遷移した電子が、ミニバンド201内を順次左側に走行し、隣接する次の単位構造の発光層へ送られる。
The light emission mechanism of the quantum cascade laser will be briefly described with reference to the
上記の活性層120をそのまま導波路のコア層141に接合した場合、図2にあるようなポテンシャル障壁202が生じることになる。ここで、ミニバンド201の下端と伝導体の底までのエネルギー差は、結合した量子井戸の固有値を解くことによって求めることができる。また、伝導体の底を基準としたコア層141のフェルミ準位203は、数式(1)により求めることができる。したがって、活性層のミニバンド201の下端とコア層のフェルミ準位203との間のエネルギー差を求めることができる。例えば、実施例の構造では、伝導体の底を基準としたコア層141のフェルミ準位203は、室温でおよそ−38.1meVであり、活性層のミニバンド201の下端と第2半導体層であるInAsの伝導体の底までのエネルギー差は32.3meVであり、したがって、活性層のミニバンド201の下端とコア層のフェルミ準位203との間には70.4meVのエネルギー差が存在することとなる。
When the
本発明に係る量子カスケードレーザにおいては、活性層120とコア層141との間に接合層130が挿入されている。接合層130は、積層構造の膜厚の調整などの設計により活性層120と比較して広いミニバンド301を形成し、コア層のフェルミ準位203とのポテンシャル差を縮小することができる。例えば、実施例の構造では、接合層130のミニバンド301の下端と第2の半導体であるInAsの伝導体の底との間のエネルギー差を計算すると5.7meVであり、接合層のミニバンド301の下端とコア層のフェルミ準位203とのエネルギー差302が43.8meVとなるため、接合層130を挿入せずに活性層120をそのまま導波路のコア層141に接合した場合に比べてコア層141から発光層122への電子注入の障壁が低減する。
In the quantum cascade laser according to the present invention, the
量子カスケードレーザ100の構造を具体的に特定した実施例を用いた実験結果について、図4を参照して説明する。図4は、図1に示されている構造を具体的に特定した場合(a)、および(a)の構造が有する接合層130を備えない場合(b)の電流−光強度を図5に示した測定系を用いて78Kで比較したものである。いずれもレーザのリッジ構造の共振器長は約1.5mm、幅は28μmであり、1kHzの周波数で100nsの電流パルスを印加して測定した。活性層120は、発振波長が約5μmになるように設計されている。
An experimental result using an example in which the structure of the
接合層を備えない場合は閾値電流密度が約3.0kA/cm2であるのに対して、接合層130を備えたものでは2.6kA/cm2に減少し、効果を確認した。またそれぞれの試料の最高動作温度は、接合層130を備えない場合が275Kであるのに対して、接合層130を備えた場合では300Kであり、最高動作温度の点においても向上が見られた。
When the bonding layer was not provided, the threshold current density was about 3.0 kA / cm 2 , while that with the
実施例で使用した量子カスケードレーザ100は、n−InAs(100)基板150を用い、分子線エピタキシー法により次のような手順で作製した。
The
まず、MBE中に導入したInAs基板150を高真空中で加熱処理して表面酸化膜を除去した後、基板温度430℃においてSiを1×1019cm−3でドープしながら1.0μmのn−InAsクラッド層142を成長した。
First, the
この後、Siのドープ量が2×1016cm−3になるようにSiセル温度を下げて、1.3μmのn−InAsコア層141を成長した。
Thereafter, the Si cell temperature was lowered so that the Si doping amount was 2 × 10 16 cm −3 , and a 1.3 μm n-
基板側を負電極側にするため、これに引き続いて接合層130を積層した。接合層130の成長は、各原料セルからの分子線をシャッター制御することによって、基板に近い側から0.9nmのAlSb、7.2nmのInAs、0.9nmのAlSb、の順番で図1(c)に示されているように順次積層し、3.6nmのInAsを成長したところで完了する。
Subsequently, the
引き続いて活性層120の成長を行うが、これも同様に基板に近い側から2.4nmのAlSb、7.5nmのInAs、0.6nmのAlSb、のように図1(b)に示されているように順次積層し、3.6nmのInAsまでを一周期として、この構造を20周期繰り返すことによって活性層全体を形成した。
Subsequently, the
更に引き続き、Siを2×1016cm−3ドーピングしたn−InAsコア層111とSiを1×1019cm−3ドーピングしたn−InAsクラッド層112とをそれぞれ1.3μm、1.0μm成長して図1(a)の構造を得た。
Further, an n-
以上説明してきたように、本発明に係る量子カスケードレーザは、活性層への電圧印加時に負電極側となる導波路層と活性層との間に、活性層とは異なる積層構造を有する接合層が挿入されていることを特徴とする。この積層構造を、その内部に形成されるミニバンドの下端と、隣接する導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差が、活性層によって形成されるミニバンドの下端とこの導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差に比べて小さくなるように設計することによって、活性層の設計に変更を加えることなく、すなわち、所望の発振波長に影響を与えることなく、従来よりも低い閾値で発振する量子カスケードレーザを提供することが可能となる。 As described above, the quantum cascade laser according to the present invention is a junction layer having a laminated structure different from that of the active layer between the waveguide layer on the negative electrode side when a voltage is applied to the active layer and the active layer. Is inserted. In this laminated structure, the energy difference between the lower end of the miniband formed therein and the Fermi level of the adjacent waveguide layer is such that the lower end of the miniband formed by the active layer and the Fermi level of the waveguide layer are Quantities that oscillate at a lower threshold than before without changing the design of the active layer, i.e., without affecting the desired oscillation wavelength. A cascade laser can be provided.
特に、波長の短い、すなわち発光の遷移エネルギーの大きい特性を狙った量子カスケードレーザにおいて本発明の効果が顕著である。その理由は、そのような量子カスケードレーザでは発光層の井戸幅が狭くなり基底準位が上方に位置するようになるため、従来構造では導波路層のフェルミ準位とのずれが大きくなって活性層と導波路層との間の良好な接合特性を得ることが困難であるからである。 In particular, the effect of the present invention is remarkable in a quantum cascade laser aimed at a characteristic with a short wavelength, that is, a large emission transition energy. The reason for this is that in such a quantum cascade laser, the well width of the light emitting layer becomes narrower and the ground level becomes higher, so in the conventional structure, the deviation from the Fermi level of the waveguide layer becomes large and active. This is because it is difficult to obtain good bonding characteristics between the layer and the waveguide layer.
また、活性層と接合層とで同一の半導体層の組み合わせを用いた場合、格子不整合に起因する接合層の挿入による歪みの発生を抑え、素子全体の結晶性を維持することができる。 Further, when the same combination of semiconductor layers is used for the active layer and the bonding layer, generation of distortion due to insertion of the bonding layer due to lattice mismatch can be suppressed and the crystallinity of the entire element can be maintained.
加えて、実施例の実験結果から確認されたように、最高動作温度の点においても向上が見られた。 In addition, as confirmed from the experimental results of the examples, an improvement was also observed in terms of the maximum operating temperature.
さらに、実施例において示されているように、接合層と導波路層との間にあるポテンシャル障壁となる第1の半導体層の厚さを、導波路層に最も近い部位に設けられた活性層の第1の半導体層の厚さよりも薄くした構造をとることができる。こうすることによって、接合層側の電子の量子的閉じ込め効果が弱くなり、量子準位が下がってきて導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差が縮小するだけでなく、導波路層側からの波動関数が接合層側により広がるようになるため、より効率よく電子を注入することができるようになる。 Furthermore, as shown in the embodiment, the thickness of the first semiconductor layer serving as a potential barrier between the junction layer and the waveguide layer is set to be an active layer provided at a position closest to the waveguide layer. A structure in which the thickness is smaller than the thickness of the first semiconductor layer can be taken. By doing this, the quantum confinement effect of the electrons on the junction layer side becomes weak, the quantum level is lowered, and not only the energy difference from the Fermi level of the waveguide layer is reduced, but also from the waveguide layer side. Since the wave function becomes wider on the bonding layer side, electrons can be injected more efficiently.
100 量子カスケードレーザ
101 第1の半導体層
102 第2の半導体層
110、140 導波路層
120 活性層
121 キャリア走行層
122 発光層
130 接合層
201、301 ミニバンド
202 ミニバンド201の下端とフェルミ準位203とのエネルギー差
203 導波路層のフェルミ準位
302 ミニバンド301の下端とフェルミ準位203とのエネルギー差
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記活性層を両側から挟む、1組の導波路層と、
前記活性層と、前記活性層への電圧印加時に負極側となる導波路層との間に挿入された、前記活性層とは異なる積層構造を有する接合層と
を備え、
前記接合層の積層構造は、前記接合層によって形成されるミニバンドの下端と前記導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差が、前記活性層によって形成されるミニバンドの下端と前記導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差に比べて小さくなるように設計されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。 An active layer having a structure in which first semiconductor layers serving as potential barriers and second semiconductor layers serving as quantum wells are alternately stacked;
A set of waveguide layers sandwiching the active layer from both sides;
A bonding layer inserted between the active layer and a waveguide layer that becomes a negative electrode side when a voltage is applied to the active layer, and having a laminated structure different from the active layer,
The laminated structure of the bonding layer is such that the energy difference between the lower end of the miniband formed by the bonding layer and the Fermi level of the waveguide layer is such that the lower end of the miniband formed by the active layer and the waveguide layer Quantum cascade laser, which is designed to be smaller than the energy difference from the Fermi level.
The combination of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is any one of AlSb and InAs, AlGaSb and InAs, GaSb and InAs, AlInAs and GaInAs, AlAs and GaAs, AlGaAs and GaAs, GaInAs and AlAsSb. The quantum cascade laser according to any one of claims 1 to 3, wherein
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