JP2010165994A - Quantum cascade laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。 The present invention relates to a quantum cascade laser using intersubband transition in a quantum well structure.
中赤外の波長領域(例えば波長5〜30μm)の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ(QCL:Quantum Cascade Laser)が注目を集めている(量子カスケードレーザについては、例えば、特許文献1〜5、非特許文献1〜4参照)。
Light in the mid-infrared wavelength region (for example,
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。 Quantum cascade lasers are monopolar laser elements that use a level structure with subbands formed in a semiconductor quantum well structure and generate light by electronic transition between subbands. High-efficiency and high-power operation can be realized by cascading the quantum well light-emitting layers serving as active regions in multiple stages. The cascade coupling of the quantum well light-emitting layers is realized by alternately stacking the quantum well light-emitting layers and the injection layers using an electron injection layer for injecting electrons into the emission upper level.
上記した量子カスケードレーザについては、レーザ発振に成功した当初は素子の駆動温度は極低温に限られていたが、2002年には M. Beck らによって発振波長9.1μmでの室温CW動作が達成された(非特許文献1:M. Beck et al., Science Vol.295 (2002) pp.301-305)。また、その後、M. Razeghiらのグループによって発振波長6μm、及び4.8μmにおいても室温CW動作が達成された(非特許文献2:J. S. Yu et al., Appl. Phys.Lett. Vol.83 (2003) pp.2503-2505、非特許文献3:A. Evans et al., Appl. Phys. Lett.Vol.85 (2004) pp.2166-2168)。 With regard to the quantum cascade laser described above, the element operating temperature was limited to an extremely low temperature at the time of successful laser oscillation, but in 2002, room temperature CW operation at an oscillation wavelength of 9.1 μm was achieved by M. Beck et al. (Non-Patent Document 1: M. Beck et al., Science Vol. 295 (2002) pp. 301-305). Thereafter, room temperature CW operation was also achieved by the group of M. Razeghi et al. At oscillation wavelengths of 6 μm and 4.8 μm (Non-Patent Document 2: JS Yu et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 83 ( 2003) pp. 2503-2505, Non-Patent Document 3: A. Evans et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 85 (2004) pp. 2166-2168).
室温以上の高温の動作条件で量子カスケードレーザのCW動作を実現するためには、素子の放熱性の向上と同時に、効率的な反転分布の形成によるレーザ動作の低閾値化が必要となる。このように、活性層のサブバンド間での電子遷移による発光動作において、発光上準位と発光下準位との間で効率的に反転分布を形成するためには、発光上準位への効率的な電子注入、及び発光下準位におけるキャリア分布の抑制(キャリアの短寿命化)が重要となる。 In order to realize the CW operation of the quantum cascade laser under an operating condition at a temperature higher than room temperature, it is necessary to improve the heat dissipation of the element and lower the threshold of the laser operation by forming an efficient inversion distribution. As described above, in the light emission operation by the electronic transition between the subbands of the active layer, in order to efficiently form the inversion distribution between the light emission upper level and the light emission lower level, Efficient electron injection and suppression of carrier distribution at the lower emission level (shortening of carrier lifetime) are important.
例えば、特許文献1:米国特許第5457709号公報に記載されたレーザ素子では、3重量子井戸の発光層を含む活性層を用い、電子注入層と量子井戸発光層との間の注入障壁のすぐ隣に薄い量子井戸層を設ける構造により、発光上準位(E3)への電子の注入効率を向上(η=0.87)させている。 For example, in the laser device described in Patent Document 1: US Pat. No. 5,457,709, an active layer including a triple quantum well light emitting layer is used, and an injection barrier immediately between the electron injection layer and the quantum well light emitting layer is provided. The structure in which a thin quantum well layer is provided next to the structure improves the efficiency of electron injection into the emission upper level (E3) (η = 0.87).
また、この特許文献1のレーザ素子では、発光下準位(E2)よりも低いエネルギー準位として、極性縦光学(LO:Longitudinal Optical)フォノンのエネルギー分だけ低い緩和準位(E1)を設け、LOフォノン散乱を介して発光下準位から高速に電子を引き抜くことによって、発光下準位でのキャリアの短寿命化(τE2=0.4ps程度)が実現されている。しかしながら、この構造では、量子井戸発光層から注入層へのトンネル時間がτesc=2〜3psと比較的長く、LOフォノン散乱による高速での電子の引き抜きがが実効的に制限されている。また、この場合、引き抜いた先の準位に溜まったキャリアは熱的に再分布されるため、素子の温度特性が悪化する要因になる。
Further, in the laser element of
一方、特許文献2:米国特許第5745516号公報に記載されたレーザ素子では、超格子によるミニバンド間の遷移を用いている。このような構造では、発光下準位におけるミニバンド内のキャリアの高速緩和によって、反転分布を容易に形成することが可能である。例えば、A. Tredicucci らの構造(非特許文献4:A. Tredicucci etal., Appl. Phys. Lett. Vol.73 (1998) pp.2101-2103)では、発光下準位のミニバンドにおけるキャリア寿命は0.1ps程度と見積もられている。しかしながら、この構造では、ミニバンド間の遷移を用いているために、発光に寄与する準位が多数存在し、発光のゲインが分散してその半値幅が広くなるという問題がある。また、活性層における一周期当たりの層厚が厚くなる、発光上準位への電子の注入効率が低い(η=0.76)などの問題もある。 On the other hand, the laser element described in Patent Document 2: US Pat. No. 5,745,516 uses a transition between minibands by a superlattice. In such a structure, an inversion distribution can be easily formed by high-speed relaxation of carriers in the miniband in the lower emission level. For example, in the structure of A. Tredicucci et al. (Non-Patent Document 4: A. Tredicucci etal., Appl. Phys. Lett. Vol. 73 (1998) pp. 2101-2103), the carrier lifetime in the mini-band of the lower emission level. Is estimated to be about 0.1 ps. However, since this structure uses transitions between minibands, there are a number of levels that contribute to light emission, and there is a problem that the light emission gain is dispersed and the half-value width is widened. There are also problems such as an increase in layer thickness per cycle in the active layer and a low efficiency of injection of electrons into the emission upper level (η = 0.76).
また、これらの問題に対して、活性層の構造として、ダブルフォノン共鳴構造(特許文献3:米国特許第6751244号公報、対応日本公報:特表2004−521481号公報)、及びBTC(Bound to Continuum)構造(特許文献4:米国特許第6922427号公報、対応日本公報:特表2004−507903号公報)が提案されている。しかしながら、これらの構造の量子カスケードレーザでも、室温等の動作条件において、充分な性能が得られているとは言えない。 In addition, to solve these problems, as the structure of the active layer, a double phonon resonance structure (Patent Document 3: US Pat. No. 6,751,244, corresponding Japanese publication: JP-A-2004-521814), and BTC (Bound to Continuum) ) Structure (Patent Document 4: US Pat. No. 6,922,427, corresponding Japanese publication: JP-T-2004-507903) has been proposed. However, even with quantum cascade lasers of these structures, it cannot be said that sufficient performance is obtained under operating conditions such as room temperature.
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、量子井戸発光層における反転分布を効率的に形成して、レーザ動作性能を向上することが可能な量子カスケードレーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a quantum cascade laser capable of efficiently forming an inversion distribution in a quantum well light-emitting layer and improving laser operating performance. For the purpose.
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、(1)半導体基板と、(2)半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、(3)活性層に含まれる複数の単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、発光下準位よりも低いエネルギー準位からなり緩和準位として機能する緩和ミニバンドとを有し、緩和ミニバンドのエネルギー幅は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定され、(4)量子井戸発光層における発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成されるとともに、サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって発光下準位から緩和ミニバンドへと緩和され、緩和ミニバンドを介して、注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、量子井戸発光層は、前段の単位積層体側から順に第1〜第n量子障壁層のn個(nは5以上の整数)の量子障壁層、及び第1〜第n量子井戸層のn個の量子井戸層を有し、第1量子障壁層は、前段の注入層から量子井戸発光層への注入障壁層として機能するとともに、第3量子井戸層の層厚は、第2量子井戸層の層厚に対して90%以上105%以下の範囲内で設定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 (1) a semiconductor substrate, and (2) a unit laminate body provided on the semiconductor substrate and including a quantum well light emitting layer and an injection layer in multiple stages. And an active layer having a cascade structure in which quantum well light-emitting layers and injection layers are alternately stacked, and (3) each of the plurality of unit stacks included in the active layer includes The band level structure has a light emission upper level, a light emission lower level, and a relaxation miniband consisting of energy levels lower than the light emission lower level and functioning as a relaxation level. The energy width of the relaxation miniband Is set to be larger than the energy of the longitudinal optical phonon. (4) Light is generated by intersubband transition of electrons from the upper emission level to the lower emission level in the quantum well emission layer. Electrons that have undergone inter-transition are relaxed from the lower emission level to the relaxation miniband by longitudinal optical phonon scattering, and are injected from the injection layer into the quantum well emission layer of the subsequent unit stack through the relaxation miniband, The quantum well light-emitting layer includes n quantum barrier layers (n is an integer greater than or equal to 5) of the first to nth quantum barrier layers and n pieces of the first to nth quantum well layers in order from the unit stacked body side in the previous stage. The first quantum barrier layer has a quantum well layer, and the first quantum barrier layer functions as an injection barrier layer from the previous injection layer to the quantum well light-emitting layer, and the layer thickness of the third quantum well layer is the layer of the second quantum well layer It is set within a range of 90% to 105% with respect to the thickness.
上記した量子カスケードレーザでは、量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光に関わる発光上準位、及び発光下準位に加えて、発光下準位よりも低いエネルギー準位からなる緩和ミニバンドを設けている。そして、発光下準位と緩和ミニバンドとの間のエネルギー間隔が縦光学フォノン(LOフォノン)のエネルギーに対応するようにサブバンド準位構造を構成している。 In the quantum cascade laser described above, in the subband level structure in the unit stack including the quantum well light emitting layer and the injection layer, in addition to the light emitting upper level and the light emitting lower level related to light emission, A relaxation miniband consisting of low energy levels is also provided. The subband level structure is configured so that the energy interval between the emission lower level and the relaxation miniband corresponds to the energy of the longitudinal optical phonon (LO phonon).
このような構成では、発光層でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、LOフォノン散乱、及びミニバンド内での緩和を介して発光下準位から高速に引き抜かれる。したがって、発光層における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現して、そのレーザ動作性能を向上することが可能となる。また、上記構成では、緩和ミニバンドのエネルギー幅を、LOフォノンのエネルギーよりも大きく設定している。これにより、ミニバンド内での電子の緩和、及びそれによる発光層での反転分布の形成の効率を向上することができる。 In such a configuration, electrons that have undergone an emission transition between subbands in the light emitting layer are extracted at a high speed from the lower emission level through LO phonon scattering and relaxation in the miniband. Therefore, it is possible to improve the laser operation performance by realizing efficient inversion distribution formation in the light emitting layer and lowering the laser operation threshold. In the above configuration, the energy width of the relaxation miniband is set larger than the energy of the LO phonon. Thereby, it is possible to improve the efficiency of relaxation of electrons in the miniband and the formation of the inversion distribution in the light emitting layer.
また、発光下準位から緩和ミニバンドへの電子の引き抜きにLOフォノン散乱を用いている上記構成では、発光上準位と下準位との間の発光遷移がサブバンド間の遷移であるため、その発光のゲインを集中させることができる。また、サブバンド間遷移を経た電子の緩和にミニバンドを利用していることにより、発光下準位からの電子の緩和構造の設計が容易化されるとともに、レーザ素子の製造時における特性の安定化、及び歩留まりの向上を実現することが可能となる。 In the above configuration using LO phonon scattering to extract electrons from the lower emission level to the relaxation miniband, the emission transition between the upper and lower emission levels is a transition between subbands. The light emission gain can be concentrated. In addition, the use of minibands for relaxation of electrons that have undergone intersubband transitions facilitates the design of electron relaxation structures from the lower emission level and stabilizes the characteristics during laser device manufacturing. And improvement in yield can be realized.
上記のようなサブバンド準位構造は、活性層を構成する単位積層体での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。さらに、上記構成では、5層以上の量子障壁層及び量子井戸層によって量子井戸発光層を構成し、第1障壁層を注入障壁層とするとともに、第3井戸層の層厚を、第2井戸層の層厚に対して90%以上105%以下の範囲内で設定している。これにより、発光上準位及び下準位の波動関数が発光層全体に広がることで遷移の強度を示すダイポールモーメントを大きくして、量子井戸発光層での発光遷移の効率を向上することが可能となる。以上より、上記構成によれば、発光層における反転分布が効率的に形成されるとともに、発光遷移の強度が向上された量子カスケードレーザが実現される。このような構成は、例えば室温以上の動作温度における低閾値、高出力なレーザ動作を実現する上で有効である。 The subband level structure as described above can be controlled by designing the quantum well structure in the unit laminate structure constituting the active layer. Further, in the above configuration, the quantum well light-emitting layer is constituted by five or more quantum barrier layers and quantum well layers, the first barrier layer is used as an injection barrier layer, and the layer thickness of the third well layer is set to be the second well layer. It is set within the range of 90% to 105% with respect to the layer thickness. This makes it possible to increase the dipole moment indicating the intensity of the transition by spreading the wave functions of the upper and lower emission levels throughout the emission layer, thereby improving the efficiency of emission transitions in the quantum well emission layer. It becomes. As described above, according to the above configuration, a quantum cascade laser in which the inversion distribution in the light emitting layer is efficiently formed and the intensity of the light emission transition is improved is realized. Such a configuration is effective in realizing, for example, a low threshold and high output laser operation at an operating temperature of room temperature or higher.
ここで、発光層での第2、第3井戸層以外の井戸層については、量子井戸発光層において、第4量子井戸層及び第5量子井戸層の層厚は、それぞれ第2量子井戸層の層厚に対して70%以上100%以下の範囲内で設定されていることが好ましい。これにより、単位積層体でのサブバンド準位構造を好適に形成することができる。 Here, for the well layers other than the second and third well layers in the light emitting layer, in the quantum well light emitting layer, the thicknesses of the fourth quantum well layer and the fifth quantum well layer are respectively the same as those of the second quantum well layer. It is preferably set within a range of 70% to 100% with respect to the layer thickness. Thereby, the subband level structure in a unit laminated body can be formed suitably.
また、量子井戸発光層において、第2量子障壁層、第3量子障壁層、及び第4量子障壁層の層厚は、それぞれ2〜5原子層の範囲内で設定されていることが好ましい。このように、第2〜第4障壁層の層厚を薄く設定することにより、上記のように発光層全体に広がった発光上準位及び下準位の波動関数を充分に強く結合させることができる。 In the quantum well light-emitting layer, the layer thicknesses of the second quantum barrier layer, the third quantum barrier layer, and the fourth quantum barrier layer are preferably set within a range of 2 to 5 atomic layers, respectively. As described above, by setting the thicknesses of the second to fourth barrier layers to be thin, it is possible to couple the wave functions of the light emission upper level and the lower level spread over the entire light emitting layer sufficiently strongly as described above. it can.
また、量子井戸発光層において、第5量子障壁層の層厚は、第2量子障壁層、第3量子障壁層、及び第4量子障壁層のいずれの層厚よりも大きく、かつ、注入層における量子井戸発光層から注入層への抽出障壁層の層厚よりも小さく設定されていることが好ましい。このように、第5障壁層の層厚を適切に設定することにより、発光上準位及び下準位の波動関数を第5井戸層まで充分な大きさで分布させることができる。 In the quantum well light-emitting layer, the layer thickness of the fifth quantum barrier layer is larger than any of the second quantum barrier layer, the third quantum barrier layer, and the fourth quantum barrier layer, and in the injection layer The thickness is preferably set smaller than the thickness of the extraction barrier layer from the quantum well light emitting layer to the injection layer. As described above, by appropriately setting the layer thickness of the fifth barrier layer, the wave functions of the emission upper level and the lower level can be distributed with a sufficient size up to the fifth well layer.
また、単位積層体のサブバンド準位構造において、発光上準位から発光上準位よりも高エネルギー側にある準位までのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定されていることが好ましい。これにより、前段の注入層から発光上準位へと注入される電子のうちで、発光上準位よりも高エネルギーの準位への電子の漏れ出しを抑制することができる。 Also, in the sub-band level structure of the unit stack, the energy interval from the emission upper level to the level on the higher energy side than the emission upper level is set to be larger than the energy of the longitudinal optical phonon. Is preferred. Thereby, out of the electrons injected from the injection layer in the previous stage to the emission upper level, leakage of the electrons to a level having a higher energy than the emission upper level can be suppressed.
また、緩和ミニバンドは、量子井戸発光層でのミニバンドと、注入層でのミニバンドとが結合したバンド構造を有することが好ましい。これにより、量子井戸発光層から注入層への電子のトンネル時間を短くすることができ、発光下準位からの高速での電子の引き抜きが実効的に制限されることを防止することができる。 The relaxation miniband preferably has a band structure in which a miniband in the quantum well light-emitting layer and a miniband in the injection layer are combined. Thereby, the tunneling time of electrons from the quantum well light emitting layer to the injection layer can be shortened, and it is possible to prevent the electron extraction at a high speed from the emission lower level from being effectively limited.
本発明の量子カスケードレーザによれば、活性層を構成する単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光上準位及び下準位に加えて、下準位よりも低いエネルギー準位からなりLOフォノンのエネルギーよりも大きいエネルギー幅の緩和ミニバンドを設け、サブバンド間遷移を経た電子がLOフォノン散乱及びミニバンド内での緩和によって下準位から高速に引き抜かれる構成とし、かつ、5層以上の井戸層及び障壁層によって発光層を構成し、第1障壁層を注入障壁層とするとともに、第3井戸層の層厚を第2井戸層の層厚に対して90%以上105%以下の範囲内で設定することにより、発光層における効率的な反転分布の形成、及び発光遷移の強度の向上を実現することが可能となる。 According to the quantum cascade laser of the present invention, in the subband level structure in the unit laminate structure constituting the active layer, in addition to the emission upper level and the lower level, the energy level is lower than the lower level. A relaxation miniband having an energy width larger than that of LO phonon energy is provided, and electrons having undergone intersubband transition are extracted at a high speed from the lower level by LO phonon scattering and relaxation within the miniband, and five layers A light emitting layer is constituted by the above well layer and barrier layer, the first barrier layer is an injection barrier layer, and the layer thickness of the third well layer is 90% or more and 105% or less with respect to the layer thickness of the second well layer. By setting within this range, it is possible to achieve efficient inversion distribution formation in the light emitting layer and improvement in the intensity of the light emission transition.
以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of the quantum cascade laser according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
図1は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ1Aは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ1Aは、半導体基板10と、半導体基板10上に形成された活性層15とを備えて構成されている。また、量子カスケードレーザ1Aの側面のうちで対向している所定の2面には、光共振器を構成する鏡面(図示していない)が形成されている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic configuration of a quantum cascade laser according to the present invention. The
活性層15は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を1周期分の単位積層体16とし、この単位積層体16が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層15が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体16の積層数は適宜設定されるが、例えば数100程度である。また、活性層15は、半導体基板10上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
The
図2は、図1に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図2に示すように、活性層15に含まれる複数の単位積層体16のそれぞれは、量子井戸発光層17と、注入層18とによって構成されている。量子井戸発光層17及び注入層18は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体16中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
FIG. 2 is a diagram showing a subband level structure in the active layer of the quantum cascade laser shown in FIG. As shown in FIG. 2, each of the plurality of unit laminated
具体的には、発光層17は、前段の単位積層体の注入層18a側から順に第1〜第n量子障壁層のn個(nは5以上の整数)の量子障壁層、及び第1〜第n量子井戸層のn個の量子井戸層を有し、障壁層と井戸層とが交互に積層されて構成されている。また、これらの半導体層のうちで第1量子障壁層は、前段の注入層18aから発光層17へと注入される電子に対する注入障壁(injection barrier)層171となっている。注入層18は、発光層17側から順に第1〜第m量子障壁層のm個(mは整数)の量子障壁層、及び第1〜第m量子井戸層のm個の量子井戸層を有し、障壁層と井戸層とが交互に積層されて構成されている。また、これらの半導体層のうちで第1量子障壁層は、発光層17から注入層18への電子に対する抽出障壁(exitbarrier)層191となっている。
Specifically, the light emitting layer 17 includes n (n is an integer of 5 or more) quantum barrier layers of the first to n-th quantum barrier layers in order from the
本実施形態における活性層15の単位積層体16は、図2に示すように、そのサブバンド準位構造において、サブバンド間遷移による発光に関わる発光上準位Lupと、発光下準位Llowとに加えて、発光下準位Llowよりも低いエネルギー準位であって緩和準位として機能する準位からなる緩和ミニバンドMBを有している。このミニバンドMBは、発光下準位LlowとミニバンドMBとの間のエネルギー差が、縦光学(LO)フォノンのエネルギーELOとなるように設定されている。また、ミニバンドMBは、そのエネルギー幅ΔEMBが、LOフォノンのエネルギーよりも大きくなる(ΔEMB>ELO)ように設定されている。なお、LOフォノンのエネルギーについては、例えば半導体材料としてInGaAsを用いた場合、ELOは約34meVである。
As shown in FIG. 2, the
さらに、本実施形態の単位積層体16では、量子井戸発光層17での半導体積層構造において、第3量子井戸層の層厚が、第2量子井戸層の層厚と同程度に設定された構成となっている。具体的には、第3量子井戸層の層厚は、第2量子井戸層の層厚に対して90%以上105%以下の範囲内で設定されている。これにより、発光層中央付近に波動関数の中心を設置することが可能となり、発光上準位Lup及び下準位Llowの波動関数が発光層17全体に充分に広がることとなる。
Furthermore, in the unit stacked
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層18aでのミニバンドMBからの電子e−は、注入障壁層171を介して量子井戸発光層17の発光上準位Lupへと注入される。発光上準位Lupに注入された電子は発光下準位Llowへと発光遷移し、このとき、上準位Lup及び下準位Llowのサブバンド準位間のエネルギー差に相当する波長の光hνが生成、放出される。また、上記したように、準位Lup、Llowの波動関数が発光層17全体に広がっていることにより、発光遷移の強度を示すダイポールモーメントが大きくなって、発光遷移の効率が向上される。
In such a subband level structure, electrons e − from the miniband MB in the
発光下準位Llowへと遷移した電子は、LOフォノン散乱によって緩和ミニバンドMBへと高速で緩和され、さらに、ミニバンドMB内で高速緩和される。このように、発光下準位LlowからLOフォノン散乱及びミニバンド内での緩和を介して高速で電子を引き抜くことにより、発光上準位Lupと下準位Llowとの間でレーザ発振を実現するための反転分布が高効率で形成される。また、上記構成では、ΔEMB>ELOであるため、ミニバンドMB内においてもLOフォノン散乱を介した電子の高速緩和が起こる。 The electrons that have transitioned to the lower emission level L low are relaxed at a high speed to the relaxation miniband MB by LO phonon scattering, and further relaxed at a high speed within the miniband MB. Thus, laser oscillation occurs between the emission upper level L up and the lower level L low by extracting electrons from the emission lower level L low at high speed through LO phonon scattering and relaxation in the miniband. The inversion distribution for realizing is formed with high efficiency. In the above configuration, since ΔE MB > E LO , fast relaxation of electrons occurs via LO phonon scattering even in the miniband MB.
また、図2に示した準位構造の例では、緩和ミニバンドMBは、量子井戸発光層17でのミニバンドと、注入層18でのミニバンドとが結合したバンド構造を有している。このような構成において、発光下準位Llowから緩和ミニバンドMBへと緩和された電子は、抽出障壁層191及び注入層18を介して、ミニバンドMBから、後段の発光層17bでの発光上準位Lupへとカスケード的に注入される。
In the example of the level structure shown in FIG. 2, the relaxation miniband MB has a band structure in which the miniband in the quantum well light emitting layer 17 and the miniband in the injection layer 18 are combined. In such a configuration, the electrons relaxed from the emission lower level L low to the relaxation mini-band MB are emitted from the mini-band MB via the extraction barrier layer 191 and the injection layer 18 and emitted from the
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層15を構成する複数の単位積層体16で繰り返すことにより、活性層15においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、量子井戸発光層17及び注入層18を多数交互に積層することにより、電子は積層体16をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体16でのサブバンド間遷移の際に光hνが生成される。また、このような光がレーザ1Aの光共振器において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。
By repeating such electron injection, light emission transition, and relaxation in the plurality of unit laminated
本実施形態による量子カスケードレーザ1Aの効果について説明する。
The effect of the
図1及び図2に示した量子カスケードレーザ1Aでは、量子井戸発光層17及び注入層18から構成される単位積層体16でのサブバンド準位構造において、発光に関わる発光上準位Lup、及び発光下準位Llowに加えて、発光下準位Llowよりも低いエネルギー準位からなる緩和ミニバンドMBを設けている。そして、発光下準位Llowと緩和ミニバンドMBとの間のエネルギー間隔がLOフォノンのエネルギーELOに対応するようにサブバンド準位構造を構成している。
In the
このような構成では、発光層17でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、発光下準位LlowからミニバンドMBへのLOフォノン散乱、及びミニバンドMB内での緩和を介して発光下準位Llowから高速に引き抜かれることとなる。したがって、量子井戸発光層17における効率的な反転分布の形成、及びそれによるレーザ動作の低閾値化を実現することができ、レーザ動作性能が向上された高温、CW、高出力動作のレーザ素子を実現することが可能となる。 In such a configuration, electrons that have undergone an emission transition between subbands in the light emitting layer 17 emit light through LO phonon scattering from the emission lower level L low to the miniband MB, and relaxation in the miniband MB. It will be pulled out from the lower level L low at high speed. Therefore, an efficient inversion distribution can be formed in the quantum well light-emitting layer 17 and a laser operation threshold value can be reduced thereby, and a laser element with high temperature, CW, and high output operation with improved laser operation performance can be realized. It can be realized.
また、上記構成では、緩和ミニバンドMBのエネルギー幅ΔEMBを、LOフォノンのエネルギーELOよりも大きく設定している。これにより、ミニバンドMB内での電子の緩和、及びそれによる発光層17での反転分布の形成の効率を向上することができる。すなわち、このような構成では、発光下準位LlowからミニバンドMB内に緩和された電子は、ミニバンドMB内での緩和によって効率的に注入層18内の基底準位Lgへと緩和される。このとき、上記したようにミニバンドMBのエネルギー幅をLOフォノンのエネルギーよりも充分に大きく設定することにより、ミニバンドMB内においてもLOフォノン散乱を介した緩和が可能となるため、より効率的な電子の緩和が実現される。 In the above configuration, the energy width ΔE MB of the relaxation miniband MB is set larger than the energy E LO of the LO phonon. Thereby, it is possible to improve the efficiency of relaxation of electrons in the miniband MB and the formation of the inversion distribution in the light emitting layer 17 thereby. That is, in such a configuration, electrons relaxed in the miniband MB from the lower emission level L low are efficiently relaxed to the ground level L g in the injection layer 18 by relaxation in the miniband MB. Is done. At this time, as described above, by setting the energy width of the mini-band MB sufficiently larger than the energy of the LO phonon, the mini-band MB can be relaxed through LO phonon scattering, so that it is more efficient. Easy electron relaxation.
また、発光下準位Llowから緩和ミニバンドMBへの電子の引き抜きにLOフォノン散乱を用いる上記構成では、発光上準位Lupと下準位Llowとの間の発光遷移がミニバンド−ミニバンド間、あるいはサブバンド−ミニバンド間の遷移ではなく、サブバンド−サブバンド間の遷移となる。これにより、発光遷移での発光のゲインを集中させることができる。また、サブバンド間遷移を経た電子の緩和にミニバンドMBを利用していることにより、発光下準位Llowからの電子の緩和構造の設計が容易化されるとともに、レーザ素子の製造時における特性の安定化、及びその歩留まりの向上を実現することが可能となる(特許文献5参照)。 Further, in the above configuration in which LO phonon scattering is used for extraction of electrons from the emission lower level L low to the relaxation miniband MB, the emission transition between the emission upper level L up and the lower level L low is a miniband − It is not a transition between minibands or a transition between subbands and minibands, but a transition between subbands and subbands. Thereby, the gain of light emission in the light emission transition can be concentrated. In addition, the use of the mini-band MB for relaxation of electrons that have undergone intersubband transition facilitates the design of an electron relaxation structure from the emission lower level L low, and at the time of manufacturing a laser device. It is possible to stabilize the characteristics and improve the yield (see Patent Document 5).
上記のようなサブバンド準位構造は、活性層15を構成する単位積層体16での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。さらに、上記構成では、5層以上の量子障壁層及び量子井戸層によって量子井戸発光層17を構成し、第1障壁層171を注入障壁層とするとともに、第3井戸層の層厚を、第2井戸層の層厚に対して90%以上105%以下の範囲内で設定している。
The subband level structure as described above can be controlled by designing the quantum well structure in the unit stacked
このような量子井戸構造では、発光上準位Lup及び下準位Llowの波動関数は、発光層17全体に広がって存在している。また、発光遷移の強度を示すダイポールモーメントは、上準位及び下準位の波動関数の空間積分によって決定される。したがって、上準位、及び下準位の波動関数が発光層17全体に広がることでダイポールモーメントを大きくして、発光層17での発光遷移の効率を向上することが可能となる。以上より、上記構成によれば、発光層17における反転分布が効率的に形成されるとともに、発光遷移の強度が向上された量子カスケードレーザ1Aが実現される。このような構成は、例えば室温以上の動作温度における低閾値、高出力なレーザ動作を実現する上で有効である。
In such a quantum well structure, the wave functions of the upper level L up and the lower level L low are spread over the entire light emitting layer 17. The dipole moment indicating the intensity of the luminescence transition is determined by the spatial integration of the upper level and lower level wave functions. Therefore, the wave functions of the upper level and the lower level are spread over the entire light emitting layer 17, thereby increasing the dipole moment and improving the efficiency of light emission transition in the light emitting layer 17. As described above, according to the above configuration, the
ここで、発光層17での第2、第3量子井戸層以外の井戸層については、量子井戸発光層17において、第4量子井戸層及び第5量子井戸層の層厚は、それぞれ第2量子井戸層の層厚に対して70%以上100%以下の範囲内で設定されていることが好ましい。これにより、単位積層体16でのサブバンド準位構造を好適に形成することができる。
Here, for the well layers other than the second and third quantum well layers in the light emitting layer 17, the layer thicknesses of the fourth quantum well layer and the fifth quantum well layer in the quantum well light emitting layer 17 are respectively the second quantum well layers. It is preferably set within a range of 70% to 100% with respect to the thickness of the well layer. Thereby, the subband level structure in the unit laminated
また、発光層17において、第2量子障壁層、第3量子障壁層、及び第4量子障壁層の層厚は、それぞれ2〜5原子層の範囲内で設定されていることが好ましい。このように、第2〜第4障壁層の層厚を薄く設定することにより、発光層17全体に広がった発光上準位Lup及び下準位Llowの波動関数を充分に強く結合させることができる。 Moreover, in the light emitting layer 17, it is preferable that the layer thickness of a 2nd quantum barrier layer, a 3rd quantum barrier layer, and a 4th quantum barrier layer is each set in the range of 2-5 atomic layers. As described above, by setting the thicknesses of the second to fourth barrier layers to be thin, the wave functions of the light emission upper level L up and the lower level L low spread over the entire light emitting layer 17 are sufficiently coupled. Can do.
また、発光層17において、第5量子障壁層の層厚は、第2量子障壁層、第3量子障壁層、及び第4量子障壁層のいずれの層厚よりも大きく、かつ、注入層18における発光層17から注入層18への抽出障壁層191の層厚よりも小さく設定されていることが好ましい。このように、第5障壁層の層厚を適切に設定することにより、発光上準位Lup及び下準位Llowの波動関数を第5井戸層まで充分な大きさで分布させることができる。なお、発光層17の量子井戸構造については、具体的にはさらに後述する。 In the light emitting layer 17, the layer thickness of the fifth quantum barrier layer is larger than any one of the second quantum barrier layer, the third quantum barrier layer, and the fourth quantum barrier layer, and in the injection layer 18. The thickness is preferably set smaller than the thickness of the extraction barrier layer 191 from the light emitting layer 17 to the injection layer 18. As described above, by appropriately setting the layer thickness of the fifth barrier layer, the wave functions of the emission upper level L up and the lower level L low can be distributed in a sufficiently large size up to the fifth well layer. . The quantum well structure of the light emitting layer 17 will be specifically described later.
また、図2に示すように、発光上準位Lupよりも高エネルギー側に準位Lhがある場合には、発光上準位Lupから準位Lhまでのエネルギー間隔ΔEhは、LOフォノンのエネルギーELOよりも大きくなる(ΔEh>ELO)ように設定されていることが好ましい。これにより、前段の注入層18aから発光上準位Lupへと注入される電子のうちで、発光上準位よりも高エネルギーの準位Lhへの電子の漏れ出しを抑制することができる。また、このような構成では、仮に準位Lhに入った電子があったとしても、そのような電子はLOフォノン散乱によって即座に発光上準位Lupへと緩和するため、発光上準位Lupのみへの高い電子の注入効率を実現することができる。
Further, as shown in FIG. 2, when there is a level L h to a higher energy side than the emission upper level L up the energy interval Delta] E h from the emission upper level L up to level L h is It is preferably set so as to be larger than the energy E LO of the LO phonon (ΔE h > E LO ). As a result, out of the electrons injected from the
また、発光下準位Llowについては、ミニバンドMBでの一のサブバンド(ミニバンドMB内で最も高いエネルギーのサブバンド)を他のサブバンドからLOフォノンのエネルギーELO分だけ高エネルギー側に分離させ、その分離された準位を下準位Llowとする構成を用いることができる。これにより、発光下準位Llowと、下準位からLOフォノンのエネルギーELO分だけ離れた緩和ミニバンドMBとを含む準位構造を好適に実現することができる。 For the lower emission level L low , one subband in the miniband MB (the subband with the highest energy in the miniband MB) is shifted from the other subband to the higher energy side by the LO phonon energy E LO. Can be used, and the separated level can be a lower level L low . Thus, a level structure including the emission lower level L low and the relaxation miniband MB separated from the lower level by the LO phonon energy E LO can be suitably realized.
また、単位積層体16において、量子井戸発光層17と注入層18との間に、発光層17から注入層18への電子に対する抽出障壁層191が設けられていることが好ましい。これにより、注入層18から発光層17への電子の波動関数の染み出しを抑制して、発光層17での発光遷移の効率を向上することが可能となる。すなわち、このように電子の波動関数の染み出しを抑制することにより、レーザ発振に寄与する光学遷移が確実に上準位Lup及び下準位Llowのサブバンド間で行われ、下準位Llowからのキャリアが1段階のLOフォノン散乱によってミニバンドMB内へと緩和することとなる。
In the
また、緩和ミニバンドMBは、量子井戸発光層17でのミニバンドと、注入層18でのミニバンドとが結合したバンド構造を有することが好ましい。このように、発光層17のミニバンドと注入層18のミニバンドとを強く結合させることにより、量子井戸発光層17から注入層18への電子のトンネル時間を短くすることができ、下準位Llowからの高速での電子の引き抜きが実効的に制限されることを防止することができる。 The relaxation miniband MB preferably has a band structure in which the miniband in the quantum well light emitting layer 17 and the miniband in the injection layer 18 are combined. Thus, by strongly coupling the miniband of the light emitting layer 17 and the miniband of the injection layer 18, the tunnel time of electrons from the quantum well light emitting layer 17 to the injection layer 18 can be shortened, and the lower level. It is possible to prevent effective extraction of electrons from L low at a high speed.
本発明による量子カスケードレーザの構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともにさらに説明する。図3は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す図である。また、図4は、図3に示した量子カスケードレーザにおける活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。 The configuration of the quantum cascade laser according to the present invention will be further described together with a specific example of an element structure including a quantum well structure in an active layer. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a specific configuration of the quantum cascade laser. FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the unit laminate structure constituting the active layer in the quantum cascade laser shown in FIG.
本実施例における活性層15の量子井戸構造では、発振波長を9μm(エネルギー140meV)、動作電界を45kV/cmとして設計された例を示している。なお、図4においては、活性層15を構成する発光層17及び注入層18による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を示している。また、図3及び図4に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシー(MBE)法、または有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法による結晶成長で形成することができる。
In the quantum well structure of the
図3に示す量子カスケードレーザ1Bの半導体積層構造では、半導体基板10としてn型InP単結晶基板50を用いている。そして、このInP基板50上に、基板側から順に、厚さ300nmのInGaAs下部コア層51、単位積層体16が多段に積層された活性層15、厚さ300nmのInGaAs上部コア層52、厚さ3.5μmのInPクラッド層53、及び厚さ10nmのInGaAsコンタクト層54が順次積層されることで、量子カスケードレーザ1Bの素子構造が形成されている。
In the semiconductor stacked structure of the
本構成例における活性層15は、量子井戸発光層17及び電子注入層18を含む単位積層体16が33周期で積層されて構成されている。また、1周期分の単位積層体16は、図4に示すように、11個の量子井戸層161〜165、181〜186、及び11個の量子障壁層171〜175、191〜196が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの量子井戸層/量子障壁層は、具体的には、InP基板と格子整合するIn0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48Asによって構成されている。
The
また、図4に示す単位積層体16の積層構造において、井戸層161〜165及び障壁層171〜175からなる積層部分が、発光層17として機能する部分となっている。また、井戸層181〜186及び障壁層191〜196からなる積層部分が、注入層18として機能する部分となっている。また、発光層17の第1障壁層171は、注入層18aから発光層17への電子に対する注入障壁層となっている。同様に、注入層18の第1障壁層191は、発光層17から注入層18への電子に対する抽出障壁層となっている。図5に、活性層15における1周期分の単位積層体16の具体的な構造の一例を示す。
Further, in the stacked structure of the unit stacked
このような構成において、図4に示す単位積層体16のサブバンド準位構造ではレーザ動作に寄与する準位は12個あり、また、緩和ミニバンドMBには複数の準位が対応している。具体的には、図4に示す準位構造は、発光上準位Lup、発光下準位Llow、及び複数の準位を含む緩和ミニバンドMBを有している。本構成例では、下準位Llowは、ミニバンドMBからLOフォノンのエネルギーに相当する約34meVだけ高エネルギー側に分離されている。また、ミニバンドMBは、発光層17でのミニバンドと、注入層18でのミニバンドとが結合したバンド構造を有するとともに、そのエネルギー幅が、LOフォノンのエネルギーELOよりも大きくΔEMB=60meVに設定されている。
In such a configuration, the subband level structure of the
また、本構成例の準位構造は、発光上準位Lup及び下準位Llowの波動関数が発光層17全体に充分に広がるように設計されている。また、発光上準位Lupよりも高エネルギー側にある準位Lhについて、上準位Lupから準位Lhまでのエネルギー間隔が、LOフォノンのエネルギーよりも大きくΔEh=55meVに設定されている。 The level structure of this configuration example is designed so that the wave functions of the emission upper level L up and the lower level L low are sufficiently spread over the entire light emitting layer 17. For the level L h on the higher energy side than the emission upper level L up, the energy interval from the upper level L up to the level L h is larger than the LO phonon energy and is set to ΔE h = 55 meV. Has been.
このような発光上準位Lupと下準位Llowとのエネルギー間隔、下準位LlowとミニバンドMBとのエネルギー間隔、ミニバンドMBのエネルギー幅ΔEMB、上準位Lupと準位Lhとのエネルギー間隔ΔEh、及び発光層17内での各準位の波動関数の広がり等は、発光層17を構成する井戸層及び障壁層のそれぞれの層厚の組合せによって設計することが可能である。以下、発光層17及び注入層18における具体的な量子井戸構造について、その設計手法とともに説明する。なお、本構成例では、上述したように、発振波長を9μm、動作電界を45kV/cmとしている。この動作電界は、量子井戸構造の設計において、予想される一周期当たりの膜厚及び電圧降下に基づいて設定される。 The energy interval between the emission upper level L up and the lower level L low , the energy interval between the lower level L low and the miniband MB, the energy width ΔE MB of the miniband MB , the upper level L up and the level The energy interval ΔE h with respect to the level L h and the spread of the wave function of each level in the light emitting layer 17 should be designed by the combination of the respective layer thicknesses of the well layer and the barrier layer constituting the light emitting layer 17. Is possible. Hereinafter, a specific quantum well structure in the light emitting layer 17 and the injection layer 18 will be described together with a design method thereof. In this configuration example, as described above, the oscillation wavelength is 9 μm and the operating electric field is 45 kV / cm. This operating electric field is set based on the expected film thickness and voltage drop per cycle in the design of the quantum well structure.
まず、量子井戸発光層17の構成について説明する。図4に示す構成例において、発光層17は、前段の注入層18a側から順に第1〜第5量子障壁層171〜175、及び第1〜第5量子井戸層161〜165が交互に積層されて構成されている。障壁層171〜175のうちで第1障壁層171は層厚が3.7nmとやや厚く、注入層18aから発光層17への注入障壁層となっている。
First, the configuration of the quantum well light emitting layer 17 will be described. In the configuration example shown in FIG. 4, the light emitting layer 17 is formed by alternately stacking first to fifth quantum barrier layers 171 to 175 and first to fifth quantum well layers 161 to 165 in order from the
発光層17におけるサブバンド準位構造は、第2〜第5障壁層172〜175、第1〜第5井戸層161〜165の層厚、及び上記した動作電界によって決定される。なお、これらの各半導体層の層厚は、それぞれの準位の波動関数が障壁層及び井戸層の影響を敏感に受けるために単独で決定することはできず、例えば数値計算を用いて量子力学的に各層の層厚が設計される。 The subband level structure in the light emitting layer 17 is determined by the layer thicknesses of the second to fifth barrier layers 172 to 175 and the first to fifth well layers 161 to 165 and the operating electric field described above. Note that the layer thickness of each of these semiconductor layers cannot be determined independently because the wave function of each level is sensitive to the influence of the barrier layer and the well layer. Thus, the layer thickness of each layer is designed.
本構成例では、緩和ミニバンドMBのエネルギー幅ΔEMBがLOフォノンのエネルギーよりも大きく、また、発光上準位Lup及び下準位Llowの波動関数が発光層17全体に広がる構成としている。このため、障壁層172〜175の層厚、特に第2障壁層172、第3障壁層173、及び第4障壁層174の層厚は、それぞれ0.8nm、0.7nm、0.8nmと薄く設定されている。このように、第2〜第4障壁層172〜174の層厚を薄くすることにより、発光層17内において準位同士が充分に強く結合し、また、ミニバンドMBのエネルギー幅ΔEMBが大きくなる。一般には、第2〜第4障壁層172〜174の層厚は、それぞれ2〜5原子層の範囲内で設定することが好ましく、2〜4原子層、あるいは2〜3原子層の範囲内で設定することがさらに好ましい。
In this configuration example, the energy width ΔE MB of the relaxation mini-band MB is larger than the LO phonon energy, and the wave functions of the emission upper level L up and the lower level L low are spread over the entire emission layer 17. . Therefore, the layer thicknesses of the barrier layers 172 to 175, particularly the
また、第5障壁層175の層厚は、第2〜第4障壁層172〜174のいずれの層厚よりも厚く、かつ、注入層18における抽出障壁層191の層厚よりも小さく設定されていることが好ましい(第2、3、4障壁層<第5障壁層<抽出障壁層)。本構成例では、上記した第2〜第4障壁層172〜174の層厚、及び抽出障壁層191の層厚2.0nmに対して、第5障壁層175の層厚は1.6nmに設定されている。
The thickness of the
このように第5障壁層175の層厚がやや厚く設定されるのは、ミニバンド内での準位間隔を適切に設定するためである。すなわち、第5障壁層175が薄すぎると、ミニバンド内での準位間の結合が強くなって準位間隔が広くなりすぎるため、レーザの製造上の自由度が低下する。一方、第5障壁層175が厚すぎると、ミニバンド内での準位間の結合が弱くなるため、電子の輸送効率が落ちることとなる。
The reason why the thickness of the
また、第5障壁層175が厚い場合、上記した電子の輸送効率の低下に加えて、発光上準位及び下準位の波動関数が第5井戸層165に存在しなくなるため、発光遷移の強度を示すダイポールモーメントも小さくなる。図6は、第5障壁層175の層厚と、第5井戸層165でのダイポールモーメントの割合との相関を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は第5障壁層の層厚(nm)を示し、縦軸は発光層17全体でのダイポールモーメントに対する第5井戸層でのダイポールモーメントの割合(%)を示している。
In addition, when the
図6のグラフに示すように、例えば第5障壁層175の層厚を抽出障壁層191と同じ2.0nmとした場合、第5井戸層165でのダイポールモーメントの割合は10%程度である。これに対して、第5障壁層175の層厚を1.6nmとした上記の実施例では、発光上準位及び下準位の波動関数が第5井戸層165まで充分な大きさで分布して、井戸層165で約20%と充分に大きいダイポールモーメントが得られている。
As shown in the graph of FIG. 6, for example, when the thickness of the
発光層17における発光波長に対応する発光上準位と下準位とのエネルギー間隔、及びそれらの準位の波動関数の広がりは、上記した障壁層171〜175の層厚の設定と合わせて、井戸層161〜165の層厚によって決定される。第1〜第5井戸層161〜165のうちで、最も前段の注入層18a側の第1井戸層161は、層厚1.7nmの比較的薄い層とされており、この井戸層161は、前段の注入層18aから発光層17への電子の注入効率を向上させる効果を与えている。
The energy interval between the emission upper level and the lower level corresponding to the emission wavelength in the light emitting layer 17 and the spread of the wave function of those levels are combined with the setting of the layer thickness of the barrier layers 171 to 175 described above. It is determined by the layer thickness of the well layers 161-165. Of the first to fifth well layers 161 to 165, the
また、第2〜第5井戸層162〜165の層厚については、それぞれの井戸層内での波動関数の重みを決定しており、基本的には第2井戸層から第5井戸層まで層厚が単調減少するように設定される。このような構成では、発光上準位及び下準位の波動関数は、第2井戸層162から第5井戸層165に向けて徐々に減衰する。また、このように各井戸層の層厚を設定することにより、上記したように発光上準位とその上の準位とのエネルギー間隔ΔEhを充分に大きくすることができる。このエネルギー間隔ΔEhは、特に高温でのレーザ特性に大きく影響する。
The thickness of the second to fifth well layers 162 to 165 determines the weight of the wave function in each well layer, and basically the layers from the second well layer to the fifth well layer. It is set so that the thickness decreases monotonously. In such a configuration, the wave functions of the upper and lower light emission levels are gradually attenuated from the
本構成例では、第2井戸層162、第3井戸層163、第4井戸層164、及び第5井戸層165の層厚は、それぞれ5.6nm、5.6nm、5.2nm、4.2nmに設定されている。ここで、図7は、発光層17における量子井戸層の層厚の変化を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は発光層内での量子井戸層の番号(1〜5)を示し、縦軸は第2井戸層162の層厚を1としたときの各井戸層の層厚比を示している。図7のグラフに示すように、図4、図5に示した構成では、第2〜第5井戸層162〜165の層厚比は、1:1:0.93:0.75となっている。
In this configuration example, the thicknesses of the
発光層17内での第2〜第5井戸層162〜165の構成において、第2、第3井戸層162、163については、サブバンド準位構造における発光波長を決定するとともに、発光上準位及び下準位の波動関数を発光層17全体に分布させるため、第2、第3井戸層162、163の層厚を同程度とする必要がある。ただし、井戸層162、163の層厚は、どちらかが数%程度大きくなるように設定することも可能である。このような条件を考慮すると、これらの井戸層の層厚については、第3井戸層163の層厚を、第2井戸層162の層厚に対して90%以上105%以下の範囲内で設定することが好ましく、95%以上105%以下の範囲内で設定することがさらに好ましい。
In the configuration of the second to fifth well layers 162 to 165 in the light emitting layer 17, the second and third well layers 162 and 163 determine the emission wavelength in the subband level structure and the upper emission level. In order to distribute the wave function of the lower level to the entire light emitting layer 17, the thicknesses of the second and third well layers 162 and 163 need to be approximately the same. However, the layer thicknesses of the well layers 162 and 163 can be set so that one of them becomes larger by several percent. In consideration of such conditions, the layer thickness of these well layers is set such that the layer thickness of the
次に、第4、第5井戸層164、165については、上記したように発光上準位とその上の準位とのエネルギー間隔ΔEhを充分に大きく設定するために、第2、第3井戸層162、163の層厚に対して、第4井戸層164、第5井戸層165と、その層厚が順に減少していく構成とすることが好ましい。図8は、第5井戸層165の層厚と、エネルギー間隔ΔEhとの相関を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は第5井戸層の層厚(nm)を示し、縦軸は発光上準位から発光上準位よりも高エネルギー側にある準位までのエネルギー間隔ΔEh(meV)を示している。
Next, with respect to the fourth and fifth well layers 164 and 165, as described above, the second, third, and third well layers 164 and 165 are set in order to set the energy interval ΔE h between the upper emission level and the upper level sufficiently large. It is preferable that the
図8のグラフに示すように、例えば第5井戸層165の層厚を第2井戸層162の層厚の93%に相当する5.2nmとした場合、エネルギー間隔ΔEhは34meVとなり、LOフォノンのエネルギーELOと同程度となる。これに対して、第5井戸層165の層厚を第2井戸層162の層厚の75%に相当する4.2nmとした上記の実施例では、エネルギー間隔ΔEhを約53meVと充分に大きくすることができる。
As shown in the graph of FIG. 8, for example, when the thickness of the
一般には、第5井戸層165の層厚は、上記したエネルギー間隔ΔEhをELOよりも大きく保つために、第2井戸層162の層厚に対して100%以下、より好ましくは95%以下、の範囲内で設定されていることが好ましい。また、第4井戸層164の層厚についても、エネルギー間隔ΔEhに大きく影響を与えるため、第5井戸層165の層厚と同様に、第2井戸層162の層厚に対して100%以下、より好ましくは95%以下、の範囲内で設定されていることが好ましい。
Generally, the layer thickness of the
一方、第4、第5井戸層164、165の層厚の下限については、井戸層164、165の層厚が第2井戸層162の層厚の70%よりも薄くなると、それらの井戸層に波動関数が強く局在してしまう。したがって、第4井戸層164、第5井戸層165の層厚は、それぞれ第2井戸層162の層厚に対して70%以上の範囲内で設定されていることが好ましい。
On the other hand, regarding the lower limit of the layer thickness of the fourth and fifth well layers 164 and 165, when the layer thickness of the well layers 164 and 165 is less than 70% of the layer thickness of the
次に、電子注入層18の構成について説明する。図4に示す構成例において、注入層18は、発光層17側から順に第1〜第6量子障壁層191〜196、及び第1〜第6量子井戸層181〜186が交互に積層されて構成されている。障壁層191〜196のうちで第1障壁層191は、発光層17から注入層18への抽出障壁層である。この抽出障壁層191については、厚すぎると発光層17から注入層18への電子の流れが損なわれるが、薄すぎると注入層18内の波動関数が発光層17内の波動関数と強く結合してしまうため、これらの条件を考慮して障壁層191の層厚を設定することが好ましい。 Next, the configuration of the electron injection layer 18 will be described. In the configuration example shown in FIG. 4, the injection layer 18 is configured by alternately stacking first to sixth quantum barrier layers 191 to 196 and first to sixth quantum well layers 181 to 186 in order from the light emitting layer 17 side. Has been. Of the barrier layers 191 to 196, the first barrier layer 191 is an extraction barrier layer from the light emitting layer 17 to the injection layer 18. If the extraction barrier layer 191 is too thick, the flow of electrons from the light emitting layer 17 to the injection layer 18 is impaired, but if it is too thin, the wave function in the injection layer 18 is strongly coupled to the wave function in the light emitting layer 17. Therefore, it is preferable to set the thickness of the barrier layer 191 in consideration of these conditions.
本実施例における電子注入層18では、Funnel Injector(特開平10−4242号公報参照)を用い、次周期の発光層が近づくにしたがってミニバンドMBのエネルギー幅が狭くなるように構成することで、次の発光上準位への電子の注入効率を高めている。このような注入層18の準位構造は、発光層17側から次周期の発光層側に向けて、井戸層の層厚を薄くし、障壁層の層厚を厚くしていくことで実現することができる。 In the electron injection layer 18 in the present embodiment, a funnel injector (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-4242) is used so that the energy width of the miniband MB becomes narrower as the light emitting layer of the next period approaches. The efficiency of electron injection into the next emission upper level is increased. Such a level structure of the injection layer 18 is realized by decreasing the thickness of the well layer and increasing the thickness of the barrier layer from the light emitting layer 17 side toward the light emitting layer side of the next period. be able to.
注入層18のうち、同一周期の発光層17側(抽出障壁層191側)の井戸層及び障壁層の層厚は、発光層17内に存在する準位の電子がすべて、注入層18内のミニバンドに輸送可能なように設計することが好ましい。一方、次周期の発光層側(注入障壁層側)の井戸層及び障壁層の層厚は、ミニバンドのエネルギー幅が充分に狭窄して、注入層18からの電子が発光上準位Lupのみに注入され、その上の準位Lhには注入されないように設計することが好ましい。 Of the injection layer 18, the layer thickness of the well layer and the barrier layer on the light emitting layer 17 side (extraction barrier layer 191 side) of the same period is such that all of the level electrons existing in the light emitting layer 17 are in the injection layer 18. It is preferably designed to be transportable to a miniband. On the other hand, the thickness of the well layer and the barrier layer on the light emitting layer side (injection barrier layer side) in the next period is such that the energy width of the miniband is sufficiently narrowed, and the electrons from the injection layer 18 emit the upper emission level L up. is injected only, it is preferable to design so as not to be injected into the level L h thereon.
以上の条件を考慮して注入層18を設計した結果、本構成例では、第1〜第6障壁層191〜196の層厚は、それぞれ2.0nm、1.6nm、1.8nm、2.1nm、2.7nm、3.2nmに設定されている。また、第1〜第6井戸層181〜186の層厚は、それぞれ3.4nm、3.1nm、3.0nm、2.9nm、3.0nm、2.8nmに設定されている。 As a result of designing the injection layer 18 in consideration of the above conditions, in the present configuration example, the layer thicknesses of the first to sixth barrier layers 191 to 196 are 2.0 nm, 1.6 nm, 1.8 nm, and 2. It is set to 1 nm, 2.7 nm, and 3.2 nm. The layer thicknesses of the first to sixth well layers 181 to 186 are set to 3.4 nm, 3.1 nm, 3.0 nm, 2.9 nm, 3.0 nm, and 2.8 nm, respectively.
最後に、注入層18から次周期の発光層への注入障壁層となる発光層17の第1障壁層171の層厚を設定する。本構成例では、障壁層171の層厚は、上述したように3.7nmに設定されている。この注入障壁層171は、複数周期で積層される単位積層体16の各周期の結合の強さ、及びレーザに投入可能な最大電流を決定するものである。波動関数の結合の強さはアンチクロッシングギャップで決定されるが、本実施例ではアンチクロッシングギャップを9meVとして、充分に大きな電流を輸送できる設計としている。
Finally, the layer thickness of the first barrier layer 171 of the light emitting layer 17 that becomes an injection barrier layer from the injection layer 18 to the light emitting layer of the next period is set. In the present configuration example, the thickness of the barrier layer 171 is set to 3.7 nm as described above. The injection barrier layer 171 determines the strength of coupling in each cycle of the unit stacked
図9は、上記の実施例に基づいて製造された量子カスケードレーザの特性の評価結果を示すグラフであり、横軸は電流(A)を示し、縦軸はレーザ出力(W)を示している。また、この評価結果は、室温パルス動作時でのレーザ素子の電流−出力特性を示している。このグラフに示すように、従来の量子カスケードレーザの最高出力が1.6W程度であったのに対し、上記した構造を採用することにより、約4Wと非常に高い最高出力が得られていることがわかる。 FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the characteristics of the quantum cascade laser manufactured based on the above-described embodiment, in which the horizontal axis indicates current (A) and the vertical axis indicates laser output (W). . Further, this evaluation result shows the current-output characteristics of the laser element during the room temperature pulse operation. As shown in this graph, the maximum output of the conventional quantum cascade laser was about 1.6 W, but by adopting the above structure, a very high maximum output of about 4 W was obtained. I understand.
本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてInP基板を用い、活性層をInGaAs/InAlAsとした例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間の発光遷移が可能であって上記のサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。このような半導体材料系については、上記したInGaAs/InAlAs以外にも、例えばGaAs/AlGaAs、InAs/AlSb、GaN/AlGaN、SiGe/Siなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。 The quantum cascade laser according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, in the configuration example described above, an example is shown in which an InP substrate is used as the semiconductor substrate and the active layer is InGaAs / InAlAs. However, emission transition between subbands in a quantum well structure is possible, and the above subbands are used. Specifically, various structures may be used as long as the level structure can be realized. As such a semiconductor material system, various material systems such as GaAs / AlGaAs, InAs / AlSb, GaN / AlGaN, and SiGe / Si can be used in addition to the above InGaAs / InAlAs. Various methods may be used for the semiconductor crystal growth method.
また、量子カスケードレーザのレーザ素子全体としての半導体積層構造については、図3に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、量子井戸発光層を構成する障壁層及び井戸層の層数については、上記した構成例では5層としたが、6層以上の層数としても良い。また、上記した構成例では、InP基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばInP基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大、効率的なキャリア閉じ込め、及び発振波長の短波長化が可能となる。 Further, various structures other than the structure shown in FIG. 3 may be used for the semiconductor stacked structure as the entire laser element of the quantum cascade laser. In general, the quantum cascade laser may be configured to include a semiconductor substrate and the active layer having the above-described configuration provided on the semiconductor substrate. The number of barrier layers and well layers that constitute the quantum well light-emitting layer is five in the above configuration example, but may be six or more. In the above configuration example, the configuration in which lattice matching is performed with respect to the InP substrate has been described. However, for example, a configuration in which lattice mismatch is introduced into the InP substrate may be used. In this case, it is possible to increase the degree of freedom in device design, to efficiently confine carriers, and to shorten the oscillation wavelength.
本発明は、量子井戸発光層における反転分布を効率的に形成して、レーザ動作性能を向上することが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a quantum cascade laser capable of efficiently forming an inversion distribution in a quantum well light emitting layer and improving laser operating performance.
1A、1B…量子カスケードレーザ、10…半導体基板、15…活性層、16…単位積層体、17…量子井戸発光層、18…注入層、50…InP基板、51…InGaAs下部コア層、52…InGaAs上部コア層、53…InPクラッド層、54…InGaAsコンタクト層、Lup…発光上準位、Llow…発光下準位、MB…緩和ミニバンド。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
前記活性層に含まれる複数の前記単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、前記発光下準位よりも低いエネルギー準位からなり緩和準位として機能する緩和ミニバンドとを有し、前記緩和ミニバンドのエネルギー幅は、縦光学フォノンのエネルギーよりも大きく設定され、
前記量子井戸発光層における前記発光上準位から前記発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成されるとともに、前記サブバンド間遷移を経た電子は、縦光学フォノン散乱によって前記発光下準位から前記緩和ミニバンドへと緩和され、前記緩和ミニバンドを介して、前記注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、
前記量子井戸発光層は、前段の単位積層体側から順に第1〜第n量子障壁層のn個(nは5以上の整数)の量子障壁層、及び第1〜第n量子井戸層のn個の量子井戸層を有し、第1量子障壁層は、前段の注入層から前記量子井戸発光層への注入障壁層として機能するとともに、第3量子井戸層の層厚は、第2量子井戸層の層厚に対して90%以上105%以下の範囲内で設定されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。 A semiconductor substrate;
A cascade structure in which the quantum well light-emitting layers and the injection layers are alternately stacked is formed by stacking unit stacks of quantum well light-emitting layers and injection layers in multiple stages provided on the semiconductor substrate. An active layer,
Each of the plurality of unit laminates included in the active layer is relaxed by a light emission upper level, a light emission lower level, and an energy level lower than the light emission lower level in the subband level structure. A relaxation miniband functioning as a level, the energy width of the relaxation miniband is set larger than the energy of the longitudinal optical phonon,
Light is generated by an intersubband transition of electrons from the upper emission level to the lower emission level in the quantum well emission layer, and the electrons that have undergone the intersubband transition are emitted by longitudinal optical phonon scattering. It is relaxed from the lower level to the relaxation miniband, and is injected from the injection layer to the quantum well light emitting layer of the subsequent unit stack through the relaxation miniband,
The quantum well light emitting layer includes n (n is an integer of 5 or more) quantum barrier layers of the first to nth quantum barrier layers and n pieces of the first to nth quantum well layers in order from the unit stacked body side in the previous stage. The first quantum barrier layer functions as an injection barrier layer from the previous injection layer to the quantum well light-emitting layer, and the thickness of the third quantum well layer is the second quantum well layer. The quantum cascade laser is characterized by being set within a range of 90% or more and 105% or less with respect to the layer thickness.
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