JP2011151249A - 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(例えば、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.
量子カスケードレーザでは、そのサブバンド間遷移による発光動作の高効率化のため、前段の電子注入層内の準位から、発光層内の発光上準位への電子の注入、供給の効率の向上が求められている。ここで、従来の量子カスケードレーザの準位構造(例えば、特許文献4参照)では、活性層でのカスケード構造において、発光上準位への電子の効率的な注入が困難であるという問題がある。 In the quantum cascade laser, in order to increase the efficiency of light emission operation due to the transition between subbands, the efficiency of injection and supply of electrons from the level in the electron injection layer in the previous stage to the upper level in the light emission layer is improved. Is required. Here, the conventional quantum cascade laser level structure (see, for example, Patent Document 4) has a problem in that it is difficult to efficiently inject electrons into the emission upper level in the cascade structure in the active layer. .
これに対して、量子井戸発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光上準位及び発光下準位に加えて、発光上準位よりも高エネルギーの注入準位、及び発光下準位よりも低エネルギーの緩和準位を設ける4準位系の構成が提案されている(特許文献1、2)。この4準位系の構成では、前段の緩和準位及び注入層からの電子を発光上準位に直接注入(Direct Pump)せず、注入層からの電子を注入準位へと注入した後、縦光学(LO:Longitudinal Optical)フォノン散乱によって注入準位から発光上準位へと電子を供給する(IndirectPump)。しかしながら、このような構成においても、発光上準位への電子の注入効率などのレーザ素子特性について、充分な特性が得られない場合がある。
On the other hand, in the subband level structure in the unit stack composed of the quantum well light emitting layer and the injection layer, in addition to the upper emission level and the lower emission level, the energy higher than the upper emission level. A configuration of a four-level system in which a relaxation level having a lower energy than the injection level and the lower emission level is proposed (
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、発光上準位への電子の注入効率などのレーザ素子特性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-described problems, and an object of the present invention is to provide a quantum cascade laser capable of improving laser element characteristics such as electron injection efficiency into the emission upper level. And
本願発明者は、上記問題に関し、量子カスケードレーザでのサブバンド準位構造について詳細に検討を行った。その結果、上記した4準位系においてLOフォノンのエネルギーELO以上に設定されている注入準位と発光上準位とのエネルギー間隔について、そのエネルギー間隔をLOフォノンのエネルギーELOよりも小さく設定した構成においても、発光上準位への電子の注入効率などのレーザ素子特性の向上を実現することが可能であることを見出し、本発明に到達した。 The inventor of the present application has examined the subband level structure in the quantum cascade laser in detail with respect to the above problem. As a result, the energy interval between the injection level and the emission upper level, which is set higher than the LO phonon energy E LO in the above-described four-level system, is set smaller than the LO phonon energy E LO. It has been found that even in the configuration described above, it is possible to improve the laser element characteristics such as the efficiency of electron injection into the emission upper level, and the present invention has been achieved.
すなわち、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)単位積層体は、その量子井戸発光層内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、発光上準位よりも高いエネルギー準位である注入準位と、発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位とを有し、(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、発光下準位から緩和準位へと緩和され、緩和準位を介して注入層から後段の量子井戸発光層における注入準位へと注入され、注入準位から発光上準位へと電子が供給され、(5)注入準位と発光上準位とのエネルギー間隔は、10meVよりも大きく縦光学(LO)フォノンのエネルギーよりも小さく設定されるとともに、注入準位から発光下準位への発光強度は、発光上準位から発光下準位への発光強度よりも小さい強度であることを特徴とする。 That is, the quantum cascade laser according to the present invention includes (1) a semiconductor substrate, and (2) a quantum well light emitting device that is provided on the semiconductor substrate and is stacked in multiple layers including a quantum well light emitting layer and an injection layer. And an active layer having a cascade structure in which layers and injection layers are alternately stacked, and (3) the unit stacked body has a light emitting upper level in the subband level structure in the quantum well light emitting layer. And (4) quantum well light emission, having an emission lower level, an injection level that is an energy level higher than the emission upper level, and a relaxation level that is an energy level lower than the emission lower level. Light is generated by the intersubband transition of electrons from the upper emission level to the lower emission level in the layer, and the electrons that have undergone the intersubband transition are relaxed from the lower emission level to the relaxation level, and relaxed. Subsequent quantum from the injection layer through the level The electrons are injected into the injection level in the light emitting layer, and electrons are supplied from the injection level to the emission upper level. (5) The energy interval between the injection level and the emission upper level is greater than 10 meV and is a longitudinal optical. (LO) The emission intensity from the injection level to the lower emission level is smaller than the emission intensity from the upper emission level to the lower emission level. And
上記した量子カスケードレーザでは、発光層及び注入層から構成される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(準位3)及び下準位(準位2)に加えて、発光上準位よりも高エネルギーで電子の注入、供給に用いられる注入準位(準位4)と、発光下準位よりも低エネルギーで電子の緩和に用いられる緩和準位(準位1)とを設けた4準位系の構成を用いている。 In the above quantum cascade laser, in the subband level structure in the unit laminate structure composed of the light emitting layer and the injection layer, the light emitting upper level (level 3) and the lower level (level 2) related to the light emission. In addition, an injection level (level 4) used for injection and supply of electrons with higher energy than the emission upper level, and a relaxation level (level) used for electron relaxation with lower energy than the emission lower level. The structure of a four level system provided with position 1) is used.
このように高エネルギー側に注入準位を設けることにより、発光上準位への電子の供給効率を向上することができ、高温、高出力での動作を実現することが可能となる。また、低エネルギー側に緩和準位を設けることにより、発光層でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、緩和準位への緩和によって発光下準位から引き抜かれることとなり、発光層において反転分布を効率的に形成することができる。 By providing the injection level on the high energy side in this way, it is possible to improve the efficiency of supplying electrons to the emission upper level, and to realize an operation at a high temperature and a high output. In addition, by providing a relaxation level on the low energy side, electrons that have undergone light-emitting transition between subbands in the light-emitting layer are extracted from the lower light emission level due to relaxation to the relaxation level, and are inverted in the light-emitting layer. A distribution can be formed efficiently.
さらに、このような構成において、発光上準位よりも高エネルギー側に設けられる注入準位について、具体的に、注入準位と発光上準位とのエネルギー間隔ΔE43を、10meVよりも大きく、かつ、LOフォノンのエネルギーELOよりも小さく設定するとともに(10meV<ΔE43<ELO)、注入準位から発光下準位へのサブバンド間遷移による発光強度が、発光上準位から発光下準位への発光強度よりも小さい強度となる構成としている。以上の構成により、発光上準位への電子の注入効率、及び発光層での反転分布の形成効率等のレーザ素子特性を充分に向上することが可能な量子カスケードレーザが実現される。なお、上記のような単位積層体での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。 Furthermore, in such a configuration, for the injection level provided on the higher energy side than the emission upper level, specifically, the energy interval ΔE 43 between the injection level and the emission upper level is larger than 10 meV, In addition, the emission intensity is set lower than the LO phonon energy E LO (10 meV <ΔE 43 <E LO ), and the emission intensity due to the intersubband transition from the injection level to the emission lower level is reduced from the emission upper level to the emission level. The intensity is lower than the emission intensity to the level. With the above configuration, a quantum cascade laser capable of sufficiently improving the laser element characteristics such as the efficiency of electron injection into the emission upper level and the formation efficiency of the inversion distribution in the light emitting layer is realized. Note that the subband level structure in the unit laminate structure as described above can be controlled by designing the quantum well structure in the unit laminate structure constituting the active layer.
ここで、発光下準位への電子の発光遷移の強度については、注入準位から発光下準位への発光強度は、発光上準位から発光下準位への発光強度に対して1/3以下の強度であることが好ましい。これにより、注入準位を電子の注入、供給用の準位として、また、発光上準位を発光遷移用の準位としてそれぞれ好適に機能させ、発光上準位と下準位との間で実効的な反転分布を高効率で形成して、上記した4準位系におけるカスケード的な発光動作を好適に実現することができる。 Here, regarding the intensity of the luminescence transition of electrons to the lower emission level, the emission intensity from the injection level to the lower emission level is 1 / of the emission intensity from the upper emission level to the lower emission level. The strength is preferably 3 or less. Thus, the injection level suitably functions as an electron injection and supply level, and the light emission upper level functions as a light emission transition level, and between the light emission upper level and the lower level. An effective inversion distribution can be formed with high efficiency, and a cascaded light emission operation in the above-described four-level system can be suitably realized.
あるいは、量子井戸発光層はn個(nは2以上の整数)の井戸層を含み、最も前段の注入層側の第1井戸層以外で活性層内に存在する注入準位の波動関数の割合が30%以下であることが好ましい。このように、注入準位の波動関数を第1井戸層に局在させることによっても、注入準位を電子の注入、供給用の準位として、また、発光上準位を発光遷移用の準位としてそれぞれ好適に機能させ、発光上準位と下準位との間で実効的な反転分布を高効率で形成して、上記した4準位系におけるカスケード的な発光動作を好適に実現することができる。 Alternatively, the quantum well light-emitting layer includes n (n is an integer of 2 or more) well layers, and the ratio of the wave function of the injection level existing in the active layer other than the first well layer on the most upstream injection layer side Is preferably 30% or less. Thus, by localizing the wave function of the injection level in the first well layer, the injection level becomes the level for injection and supply of electrons, and the emission upper level becomes the level for emission transition. Each of the four level systems is preferably functioned, and an effective inversion distribution is formed between the upper level and the lower level with high efficiency, and the cascaded light emission operation in the above four level system is preferably realized. be able to.
また、注入準位と発光上準位とのエネルギー間隔ΔE43は、条件
10meV<ΔE43<34meV
を満たす範囲内で設定されることが好ましい。これにより、注入準位から発光上準位への電子の高速、高効率での供給を好適に実現することができる。
Further, the energy interval ΔE 43 between the injection level and the emission upper level is determined by the
It is preferable to set within a range that satisfies the above. Thereby, it is possible to suitably realize high-speed and high-efficiency supply of electrons from the injection level to the emission upper level.
また、発光下準位からの電子の引き抜きについては、単位積層体において、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準位へと緩和されることが好ましい。このように、発光下準位と緩和準位とのエネルギー差がLOフォノンのエネルギーに対応するように設定された構成では、発光層での発光遷移を経た電子は、LOフォノン散乱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、発光層での効率的な反転分布の形成、及びレーザ動作の低閾値化を実現することができる。 As for extraction of electrons from the lower emission level, it is preferable that electrons that have undergone intersubband transition in the unit stack are relaxed from the lower emission level to the relaxation level by longitudinal optical phonon scattering. Thus, in a configuration in which the energy difference between the lower emission level and the relaxation level is set to correspond to the energy of the LO phonon, electrons that have undergone the emission transition in the emission layer emit light via LO phonon scattering. It is pulled out from the lower level at high speed. Accordingly, it is possible to realize efficient inversion distribution formation in the light emitting layer and lower threshold of laser operation.
あるいは、活性層に含まれる単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、緩和準位として機能する緩和ミニバンドを有し、単位積層体において、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量子井戸発光層における注入準位へと注入される構成を用いても良い。 Alternatively, the unit laminate body included in the active layer has a relaxation miniband functioning as a relaxation level in the subband level structure, and electrons that have undergone intersubband transition in the unit laminate body are longitudinal optical phonons. A configuration may be used in which the light emission lower level is relaxed to the relaxation miniband by scattering, and injection is performed from the injection layer to the injection level in the subsequent quantum well light emission layer via the relaxation miniband.
上記構成では、単位積層体でのサブバンド準位構造において、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差がLOフォノンのエネルギーに対応するように準位構造を構成している。このような構成では、発光層で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、発光層での効率的な反転分布の形成、及び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特に向上することが可能となる。また、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できる。 In the above configuration, a relaxation miniband having an energy level lower than the lower emission level is provided in the subband level structure in the unit stack. The level structure is configured so that the energy difference between the emission lower level and the relaxation miniband corresponds to the energy of the LO phonon. In such a configuration, electrons that have undergone an emission transition 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. Accordingly, it is possible to realize efficient inversion distribution formation in the light emitting layer and lower the threshold value of the laser operation, and to particularly improve the laser operation performance. In addition, the use of minibands for electron relaxation facilitates the design of the electron relaxation structure from the lower emission level, stabilizes characteristics during laser device manufacturing, and improves yield. Can be realized.
本発明の量子カスケードレーザによれば、活性層の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、発光上準位よりも高エネルギーの注入準位、及び発光下準位よりも低エネルギーの緩和準位を設けた4準位系の構成とし、かつ、注入準位と発光上準位とのエネルギー間隔を、10meVよりも大きくLOフォノンのエネルギーよりも小さく設定するとともに、注入準位から発光下準位への発光強度が、発光上準位から発光下準位への発光強度よりも小さい強度となるように構成することにより、発光上準位への電子の注入効率、及び反転分布の形成効率などのレーザ素子特性を充分に向上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 stack of the active layer, in addition to the emission upper level and the lower level, an injection level having a higher energy than the emission upper level, And a four-level system having a relaxation level with lower energy than the lower emission level, and the energy interval between the injection level and the upper emission level is larger than 10 meV and higher than the LO phonon energy. The light emission intensity from the injection level to the lower emission level is set to be smaller than the emission intensity from the upper emission level to the lower emission level. It is possible to sufficiently improve the laser device characteristics such as the electron injection efficiency and the inversion distribution formation efficiency.
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。
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、電子注入層18とによって構成されている。これらの発光層17及び注入層18は、後述するように、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 stacked
本実施形態による量子カスケードレーザ1Aにおいて活性層15を構成している単位積層体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(準位3)Lupと、発光下準位(準位2)Llowとに加えて、発光上準位Lupよりも高いエネルギー準位である注入準位(準位4)Liを有している。この注入準位Liは、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43が、10meVよりも大きく、かつ、縦光学(LO)フォノンのエネルギーELOよりも小さくなる(10meV<ΔE43<ELO)ように設定されている。
In the
ここで、LOフォノンのエネルギーELOは、例えば、サブバンド準位構造が形成される量子井戸層の半導体材料としてInGaAsを想定した場合、ELO=34meVである。また、この注入準位Liは、注入準位Liから発光下準位Llowへの発光強度が、発光上準位Lupから発光下準位Llowへの発光強度よりも小さい強度であり、発光上準位Lupから発光下準位Llowへの発光遷移が優勢となるように設定されている。 Here, the energy E LO of LO phonon is E LO = 34 meV, for example, when InGaAs is assumed as the semiconductor material of the quantum well layer in which the subband level structure is formed. Moreover, the injection level L i is the injection level emission intensity from L i to the emission lower level L low is, a smaller intensity than the light emission intensity from emission upper level L up to the emission lower level L low Yes , the emission transition from the upper emission level L up to the lower emission level L low is set to be dominant.
また、図2に示すサブバンド準位構造では、さらに、発光下準位Llowよりも低いエネルギー準位として緩和準位(準位1)Lrが設けられている。この緩和準位Lrは、発光遷移後の電子を発光下準位Llowから引き抜くための準位であり、好ましくは、発光下準位Llowと緩和準位Lrとのエネルギー間隔がLOフォノンのエネルギーELOとなるように設定される。また、注入準位Liは、前段の注入層18aでの所定の準位、例えば緩和準位Lrと略一致するように設定されている。
Further, in the subband level structure shown in FIG. 2, a relaxation level (level 1) Lr is further provided as an energy level lower than the emission lower level L low . The relaxation level L r is a level for extracting electrons after the emission transition from the emission lower level L low , and preferably the energy interval between the emission lower level L low and the relaxation level L r is LO. The phonon energy E LO is set. The injection level L i is set so as to substantially coincide with a predetermined level in the
また、図2に示す単位積層体16では、量子井戸発光層17と、前段の単位積層体での注入層18aとの間に、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)層が設けられている。また、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(exitbarrier)層が設けられている。これらの障壁層は、発光層17及び注入層18を含む活性層15の具体的な積層構造及びサブバンド準位構造により、必要に応じて設けられる。
Further, 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での緩和準位Lrからの電子e−は、注入障壁を介して共鳴トンネル効果によって発光層17の注入準位Liへと注入される。また、注入準位Liに注入された電子は、発光層17内で注入準位Liから発光上準位Lupへと高速で供給される。さらに、発光上準位Lupに供給された電子は発光下準位Llowへと発光遷移し、このとき、発光上準位と下準位と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。
In such a subband level structure, electrons e − from the relaxation level L r in the
発光下準位Llowへと遷移した電子は、LOフォノン散乱などの緩和過程によって緩和準位Lrへと緩和される。このように、緩和準位Lrを利用して発光下準位Llowから電子を引き抜くことにより、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形成される。また、発光下準位Llowから緩和準位Lrへと緩和された電子は、抽出障壁及び注入層18を介して、緩和準位Lrから後段の発光層17bでの注入準位Liへとカスケード的に注入される。
The electrons that have transitioned to the emission lower level L low are relaxed to the relaxation level L r by a relaxation process such as LO phonon scattering. Thus, by using the relaxation level L r to extract electrons from the emission lower level L low , inversion for realizing laser oscillation between the upper level L up and the lower level L low. A distribution is formed. Further, the electrons relaxed from the emission lower level L low to the relaxation level L r are injected from the relaxation level L r to the injection level L i in the subsequent
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、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、発光に関わる上準位Lup及び下準位Llowに加えて、発光上準位Lupよりも高エネルギーで電子の注入、供給に用いられる注入準位Liと、発光下準位Llowよりも低エネルギーで電子の緩和に用いられる緩和準位Lrとを設けた4準位系の構成を用いている。
In the
このように、発光上準位及び下準位に対して高エネルギー側に注入準位Liを設けることにより、発光上準位Lupへの電子の供給効率を向上することができ、量子カスケードレーザ1Aの高温、高出力での動作を実現することが可能となる。また、低エネルギー側に緩和準位Lrを設けることにより、発光層17でのサブバンド間の発光遷移を経た電子は、緩和準位Lrへの緩和によって発光下準位Llowから引き抜かれることとなり、発光層17において反転分布を効率的に形成することができる。
Thus, by providing the injection level L i on the higher energy side with respect to the emission upper level and the lower level, the efficiency of supplying electrons to the emission upper level L up can be improved, and the quantum cascade can be improved. It is possible to realize the operation of the
さらに、このような構成において、注入準位Liについて、具体的に、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43を、10meVよりも大きく、LOフォノンのエネルギーELOよりも小さく設定し、かつ、注入準位Liから発光下準位Llowへのサブバンド間遷移による発光強度が、発光上準位Lupから発光下準位Llowへの発光強度よりも小さい強度となる構成としている。以上の構成により、発光上準位Lupへの電子の注入効率、及び発光層17での反転分布の形成効率等のレーザ素子特性を充分に向上することが可能な量子カスケードレーザ1Aが実現される。
Further, in such a configuration, for the injection level L i , specifically, the energy interval ΔE 43 between the injection level L i and the emission upper level L up is larger than 10 meV, and the LO phonon energy E LO The emission intensity due to the intersubband transition from the injection level L i to the emission lower level L low is smaller than the emission intensity from the emission upper level L up to the emission lower level L low . The structure has a small strength. With the above configuration, the
なお、上記のような単位積層体16での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。また、上記構成の量子カスケードレーザでは、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43をLOフォノンのエネルギーELOよりも小さく設定する構成であるため、例えば、エネルギー間隔ΔE43をELOと一致させる構成に比べて、素子設計の自由度が大きくなる。また、結晶成長時に要求される膜厚制御の条件も緩和される。
Note that the subband level structure in the unit stacked
ここで、注入準位または発光上準位から下準位への電子の発光遷移の強度については、より具体的には、注入準位Liから発光下準位Llowへの発光強度は、発光上準位Lupから発光下準位Llowへの発光強度に対して1/3以下の強度であることが好ましい。これにより、注入準位Liを電子の注入、供給用の準位として好適に機能させ、同時に、発光上準位Lupを発光遷移用の準位として好適に機能させ、発光上準位Lupと下準位Llowとの間で実効的な反転分布を高効率で形成して、4準位系におけるカスケード的な発光動作を好適に実現することができる。 Here, the injection for level or intensity of electron emission transition from the emission upper level to the lower level, more specifically, the injection level emission intensity from L i to the emission lower level L low is The intensity is preferably 1/3 or less of the emission intensity from the emission upper level L up to the emission lower level L low . Accordingly, the injection level L i preferably functions as a level for electron injection and supply, and at the same time, the light emission upper level L up functions suitably as a level for light emission transition, and the light emission upper level L An effective inversion distribution can be formed between the up level and the lower level L low with high efficiency, and a cascaded light emission operation in the 4-level system can be suitably realized.
また、量子井戸発光層17はn個(nは2以上の整数)の井戸層を含み、最も前段の注入層18a側の第1井戸層以外で活性層15内に存在する注入準位Liの波動関数の割合が30%以下であることが好ましい。このように、注入準位Liの波動関数を第1井戸層に充分に局在させることによっても、注入準位Liを電子の注入、供給用の準位として好適に機能させ、同時に、発光上準位Lupを発光遷移用の準位として好適に機能させ、発光上準位Lupと下準位Llowとの間で実効的な反転分布を高効率で形成して、4準位系におけるカスケード的な発光動作を好適に実現することができる。
The quantum well light emitting
また、発光下準位Llowからの電子の引き抜きについては、単位積層体16において、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Llowから緩和準位Lrへと緩和されることが好ましい。このように、発光下準位と緩和準位とのエネルギー差がLOフォノンのエネルギーELOに対応するように設定された構成では、発光層17での発光遷移を経た電子は、LOフォノン散乱を介して下準位Llowから高速に引き抜かれる。したがって、発光層17での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る。
Further, regarding the extraction of electrons from the emission lower level L low , the electrons that have undergone intersubband transition in the
あるいは、活性層15の単位積層体16は、そのサブバンド準位構造において、緩和準位Lrとして機能する緩和ミニバンドMBを有し、単位積層体16において、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Llowから緩和ミニバンドMBへと緩和され、緩和ミニバンドMBを介して注入層18から後段の量子井戸発光層17bにおける注入準位Liへと注入される構成を用いても良い。
Alternatively, the
上記構成では、単位積層体16でのサブバンド準位構造において、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とミニバンドMBとのエネルギー差がLOフォノンのエネルギーELOに対応するように準位構造を構成している。このような構成では、発光層17で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下準位Llowから高速に引き抜かれる。したがって、発光層17での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、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できる。
In the above configuration, the relaxation miniband MB having an energy level lower than the emission lower level L low is provided in the subband level structure in the unit stacked
ここで、この場合の発光下準位Llowについては、緩和ミニバンドMBにおける一のサブバンド(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発光下準位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、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。 Here, regarding the emission lower level L low in this case, one subband (the subband of the highest energy in the miniband MB) in the relaxation miniband MB is transferred from other subbands to the energy E LO of the LO phonon. For example, a configuration can be used in which the separated level is separated to the higher energy side and the separated level is the lower emission level. Thereby, a level structure including the lower emission level L low and the relaxation miniband MB can be suitably realized.
また、活性層15の量子井戸構造については、単位積層体16において、発光層17と注入層18との間に抽出障壁層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することができ、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、確実に発光上準位及び下準位のサブバンド間で行われ、下準位からのキャリアがLOフォノン散乱などの緩和過程によって、緩和準位あるいは緩和ミニバンドへと緩和することとなる。
Further, regarding the quantum well structure of the
また、サブバンド準位構造において緩和ミニバンドMBを用いる場合、緩和ミニバンド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、発光層17から注入層18への電子のトンネル時間を非常に短くすることができる。
Further, when the relaxation miniband MB is used in the subband level structure, the relaxation miniband MB preferably has a band structure in which the miniband in the
上記したサブバンド準位構造による発光上準位への電子の注入効率などのレーザ素子特性の向上効果について、さらに具体的に説明する。上述したように、注入準位、発光上準位、下準位、及び緩和準位を有する4準位系の量子カスケードレーザでは、従来、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43は、LOフォノンのエネルギーELO以上に設定されている。 The effect of improving the laser element characteristics such as the efficiency of electron injection into the light emission upper level by the above-described subband level structure will be described more specifically. As described above, in a four-level quantum cascade laser having an injection level, an emission upper level, a lower level, and a relaxation level, conventionally, an injection level Li and an emission upper level L up are The energy interval ΔE 43 is set to be equal to or greater than the LO phonon energy E LO .
このような注入準位Liを介した間接励起の構造とすることで、理論的には、ドーピングによって電子注入層18にあらかじめ配置されたキャリアの全てを発光層17に注入することが可能である。実際のレーザ素子において、実効的な注入効率の増大による電子注入層のキャリアのクエンチ効果によって損失(主に自由キャリア吸収)が低減され、その特性温度(閾値電流Jthの温度依存性)、及びスロープ効率などの素子特性の向上が実現されている。
With such injection level L i of indirect excitation via structure, in theory, can be injected all previously placed carriers in the
これに対して、本願発明者は、サブバンド準位構造についてさらに検討を行った結果、上記の4準位系において、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43をLOフォノンのエネルギーELOよりも小さく設定した構成においても、発光上準位Lupへの電子の注入効率などのレーザ素子特性の向上を実現することができ、低閾値を維持したまま高い特性温度、高いスロープ効率などの良好な特性を高温領域まで達成することが可能であることを見出した。 On the other hand, as a result of further examination of the subband level structure, the inventor of the present application has determined that the energy interval ΔE 43 between the injection level L i and the emission upper level L up in the above four level system. Even in a configuration set smaller than the LO phonon energy E LO, it is possible to improve the laser device characteristics such as the efficiency of electron injection into the emission upper level L up and maintain a low threshold while maintaining a high characteristic temperature. It has been found that good characteristics such as high slope efficiency can be achieved up to a high temperature region.
このように、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43をELOよりも小さく設定した構成において、注入準位Liから発光上準位Lupへと電子が高効率で供給され、発光上準位Lupから下準位Llowへの発光遷移が支配的となって、優れたレーザ素子特性が得られる理由について、以下に簡単に考察する。 As described above, in the configuration in which the energy interval ΔE 43 between the injection level L i and the emission upper level L up is set to be smaller than E LO , electrons increase from the injection level L i to the emission upper level L up . The reason why an excellent laser element characteristic can be obtained by the fact that the emission transition from the emission upper level L up to the lower level L low becomes dominant and the laser element characteristics can be obtained will be briefly discussed below.
エネルギー間隔ΔE43が条件
10meV<ΔE43<ELO
を満たすように注入準位(準位4)Li、発光上準位(準位3)Lupのエネルギーを設定した上記実施形態の量子カスケードレーザ1Aでは、注入準位Liからの電子は、1つには、高速で起こる電子−電子散乱によって発光上準位Lupへと供給される。
The energy interval ΔE 43 is the
In the
さらに、図3に模式的に示すように、電子温度の上昇によって熱活性化(thermalactivate)され、LOフォノンのエネルギーと同等になったキャリアがLOフォノン散乱によって緩和する過程が発生し、これらの複合的な緩和過程によって、電子が注入準位Liから発光上準位Lupへと高速かつ高効率で供給されるものと考えられる。また、上記した緩和過程のうち、熱活性化されたキャリアのLOフォノン散乱による緩和過程は、室温付近以上の領域で顕著になると考えられる。 Further, as schematically shown in FIG. 3, a process in which carriers activated by an increase in electron temperature and equivalent to the energy of LO phonon relaxes by LO phonon scattering occurs. It is considered that electrons are supplied from the injection level L i to the emission upper level L up at a high speed and with a high efficiency by an effective relaxation process. Of the relaxation processes described above, the relaxation process by LO phonon scattering of thermally activated carriers is considered to be remarkable in the region near room temperature or higher.
また、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43をELOよりも小さく設定した構成では、ELO以上に設定した構成に比べてリーク電流が減少し、これによってレーザ素子特性が向上する可能性があると考えられる。図4は、注入準位Liから発光上準位Lupへの電子の供給におけるリークパスについて模式的に示す図である。 In the configuration in which the energy interval ΔE 43 between the injection level L i and the emission upper level L up is set to be smaller than E LO , the leakage current is reduced compared to the configuration in which the energy interval ΔE 43 is set to be equal to or higher than E LO. It is considered that the device characteristics may be improved. FIG. 4 is a diagram schematically showing a leak path in the supply of electrons from the injection level L i to the emission upper level L up .
図4において、図4(a)は、エネルギー間隔ΔE43をELO以上に設定する従来構造における発光層でのサブバンド準位構造を示している。また、図4(b)は、エネルギー間隔ΔE43をELOよりも小さく設定する上記実施形態における発光層でのサブバンド準位構造を示している。また、これらの準位構造図では、注入準位Li、発光上準位Lup、下準位Llow、及び緩和準位Lrに加えて、注入準位Liよりも高エネルギー側に位置してレーザ動作に寄与しない高エネルギー準位Lhを併せて示している。 In FIG. 4, FIG. 4A shows a subband level structure in the light emitting layer in the conventional structure in which the energy interval ΔE 43 is set to E LO or more. FIG. 4B shows a subband level structure in the light emitting layer in the embodiment in which the energy interval ΔE 43 is set smaller than E LO . In these level structure diagrams, in addition to the injection level L i , the emission upper level L up , the lower level L low , and the relaxation level L r , the injection level L i is on the higher energy side. The high energy level L h that is positioned and does not contribute to laser operation is also shown.
エネルギー間隔ΔE43がELO以上に設定された構造では、注入準位Liのエネルギーが高くなるために、図4(a)に示すように、注入準位Liから高エネルギー準位Lhまでのエネルギー間隔ΔEhが比較的小さくなる。このため、このような準位構造を用いたレーザ発光動作において、準位Lhがリークパスとなってリーク電流が発生する可能性がある。このようにリーク電流が発生した場合、温度特性等には優れている一方で、他の構造に比べてリーク電流のために閾値が高くなる傾向がある。 In the structure in which the energy interval ΔE 43 is set to be equal to or greater than E LO , the energy of the injection level L i becomes high. Therefore, as shown in FIG. 4A, the high energy level L h from the injection level L i is obtained. Energy interval ΔE h until becomes relatively small. Therefore, in the laser light emitting operation using such a level structure, it is possible that the leakage current is generated becomes level L h is a leakage path. When a leak current is generated in this way, the temperature characteristics and the like are excellent, but the threshold value tends to be higher due to the leak current compared to other structures.
これに対して、エネルギー間隔ΔE43がELOよりも小さくなるように設定された構造では、図4(b)に示すように、注入準位Liのエネルギーを低くして、注入準位Liから高エネルギー準位Lhまでのエネルギー間隔ΔEhを大きくすることができる。このような構造によれば、準位Lhを介したリークパスの影響を抑制して、その素子特性を向上することが可能である。 On the other hand, in the structure in which the energy interval ΔE 43 is set to be smaller than E LO , as shown in FIG. 4B, the energy of the injection level L i is lowered to reduce the injection level L. The energy interval ΔE h from i to the high energy level L h can be increased. According to this structure, by suppressing the influence of the leakage path through the level L h, it is possible to improve the device characteristics.
注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43については、より具体的には、条件
10meV<ΔE43<34meV
を満たす範囲内でエネルギー間隔ΔE43を設定することが好ましい。これにより、注入準位から発光上準位への電子の高速、高効率での供給を好適に実現することができる。ここで、上記の条件式において上限値とした34meVは、量子井戸層の半導体材料としてInGaAsを想定した場合のLOフォノンのエネルギーELOに相当する。また、LOフォノンのエネルギーは、量子井戸層をGaAsとした場合に36meV、InAsとした場合に32meVであり、上記した34meVとほぼ同程度である。
More specifically, for the energy interval ΔE 43 between the injection level L i and the emission upper level L up , the
It is preferable to set the energy interval ΔE 43 within a range that satisfies the above. Thereby, it is possible to suitably realize high-speed and high-efficiency supply of electrons from the injection level to the emission upper level. Here, 34 meV, which is the upper limit in the above conditional expression, corresponds to the LO phonon energy E LO when InGaAs is assumed as the semiconductor material of the quantum well layer. The LO phonon energy is 36 meV when the quantum well layer is made of GaAs, and 32 meV when it is made of InAs, which is substantially the same as the 34 meV described above.
また、上記の条件式において下限値とした10meVは、前の周期の基底準位(例えば緩和準位Lr)と、発光層内の注入準位Liとの結合(アンチクロッシングギャップ)の強さを下回らない値であり、エネルギー間隔ΔE43がこの値を下回った場合には、充分な電流を運ぶことができないと考えられる。すなわち、量子カスケードレーザに流すことができる最大電流Jmaxは、前の周期の基底準位と注入準位Liとの結合の強さhΩによって決定され、この結合強さは例えばhΩ=5〜15meV程度、典型的には10meVである。エネルギー間隔ΔE43がこれよりも小さくなると、発光層17における第2障壁層の層厚が、第1障壁層(注入障壁層)の層厚よりも厚い構造となり、また、運べる電流も小さくなる。
Further, 10 meV, which was the lower limit in the above conditional expressions, strong with ground level of the previous cycle (e.g. relaxation level L r), coupled with the injection level L i in the light-emitting layer (anticrossing gap) If the energy interval ΔE 43 is less than this value, it is considered that sufficient current cannot be carried. That is, the maximum current J max that can flow in the quantum cascade laser is determined by the strength Etchiomega binding to the ground level of the previous cycle injected level L i, the binding strength, for example hΩ = 5~ It is about 15 meV, typically 10 meV. When the energy interval ΔE 43 is smaller than this, the thickness of the second barrier layer in the
また、注入準位Liと高エネルギー準位Lhとのエネルギー間隔ΔEhについては、より具体的には、条件ΔEh>ELO(例えば、量子井戸層の半導体材料をInGaAsとした場合にはΔEh>34meV)を満たすことが好ましい。エネルギー間隔ΔEhがELOを下回った場合には、リークパスの影響が大きくなってくるものと考えられる。 Further, the energy interval ΔE h between the injection level L i and the high energy level L h is more specifically set to the condition ΔE h > E LO (for example, when the semiconductor material of the quantum well layer is InGaAs) Preferably satisfies ΔE h > 34 meV). When the energy interval ΔE h is less than E LO , it is considered that the influence of the leak path is increased.
図5は、上記実施形態において示した構成を有する量子カスケードレーザで得られるELスペクトルの一例を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波数(cm−1)を示し、縦軸は発光強度(a.u.)を示している。ここで、以下においては、共振器長をL=4mm、リッジ導波路型の構成におけるリッジ幅をW=14μmとしてレーザ素子を構成し、端面コート無しの片ファセット出力、パルス幅100ns、繰返し周波数1kHzでパルス動作させたときのレーザ素子特性を示す。なお、量子カスケードレーザ素子の具体的な構成については後述する。 FIG. 5 is a graph showing an example of an EL spectrum obtained by the quantum cascade laser having the configuration shown in the above embodiment. In this graph, the horizontal axis indicates the wave number (cm −1 ), and the vertical axis indicates the emission intensity (au). Here, in the following description, a laser element is configured with a resonator length of L = 4 mm, a ridge width in a ridge waveguide configuration of W = 14 μm, a single facet output without an end face coat, a pulse width of 100 ns, and a repetition frequency of 1 kHz. The laser element characteristics when the pulse operation is performed at. A specific configuration of the quantum cascade laser element will be described later.
図5に示すELスペクトルでは、約100cm−1以下の充分に狭い発光スペクトル幅が観測されている。これは、発光層の準位構造において、注入準位Liに注入された電子が発光上準位Lupへと高効率で供給され、上準位Lup−下準位Llow間の発光が支配的になっていることを示している。 In the EL spectrum shown in FIG. 5, a sufficiently narrow emission spectrum width of about 100 cm −1 or less is observed. This is because, in the level structure of the light emitting layer, electrons injected into the injection level L i are supplied to the emission upper level L up with high efficiency, and light emission between the upper level L up and the lower level L low. Is becoming dominant.
また、図6は、電圧及びピーク出力パワーの電流密度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電流密度(kA/cm2)を示し、縦軸は電圧(V)、またはピーク出力パワー(W)を示している。また、図6のグラフにおいて、グラフA1は動作温度300Kでのピーク出力パワーの電流密度依存性を示し、グラフA2は電圧の電流密度依存性(I−V特性)を示している。 FIG. 6 is a graph showing the current density dependence of voltage and peak output power. In this graph, the horizontal axis represents current density (kA / cm 2 ), and the vertical axis represents voltage (V) or peak output power (W). In the graph of FIG. 6, graph A1 shows the current density dependence of the peak output power at the operating temperature of 300K, and graph A2 shows the current density dependence (IV characteristic) of the voltage.
図6のグラフA1に示すピーク出力パワー特性では、動作温度300Kにおいて、発振閾値電流密度Jth=1.5kA/cm2、最大ピーク出力パワーPmax=1Wが得られている。また、グラフA2に示すI−V特性では、グラフ中にA3によって示すように、ある電流密度で共鳴トンネルのパスが切れることで電圧が急上昇して、発光が止まる様子が観測されている。このように発光が止まるということは、発光するパス以外に、発光に寄与しないリークパスが存在しないことを示している。このことから、上述したように、高エネルギー準位Lhを介したリークパスの影響が抑制されていることがわかる。 In the peak output power characteristic shown in the graph A1 of FIG. 6, the oscillation threshold current density J th = 1.5 kA / cm 2 and the maximum peak output power P max = 1 W are obtained at the operating temperature of 300K. Further, in the IV characteristic shown in the graph A2, it is observed that the voltage suddenly rises due to the resonance tunnel path being cut off at a certain current density and the light emission is stopped, as indicated by A3 in the graph. The fact that the light emission stops in this manner indicates that there is no leak path that does not contribute to the light emission other than the light emission path. Therefore, as described above, the influence of the leakage path through a high energy level L h is seen to have been suppressed.
図7は、スロープ効率及び閾値電流の温度依存性を示すグラフである。図7(a)は、スロープ効率の温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は温度(K)を示し、縦軸はスロープ効率(W/A)を示している。また、図7(b)は、閾値電流の温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は温度(K)を示し、縦軸は閾値電流Jth(kA/cm2)を示している。 FIG. 7 is a graph showing temperature dependence of slope efficiency and threshold current. FIG. 7A is a graph showing the temperature dependence of the slope efficiency. In this graph, the horizontal axis indicates temperature (K), and the vertical axis indicates slope efficiency (W / A). FIG. 7B is a graph showing the temperature dependence of the threshold current. In this graph, the horizontal axis indicates temperature (K), and the vertical axis indicates threshold current J th (kA / cm 2 ).
図7(a)のグラフでは、スロープ効率は、温度T=77Kで0.91W/A、300Kで0.89W/A、380Kでも0.75W/Aとなっており、低温時におけるスロープ効率の80%以上を維持している。このグラフ、及び図7(b)のグラフより、低閾値を維持して400Kの高温領域までスロープ効率が落ちないという理想的な状態が達成されていることがわかる。これは、上記した準位構造を採用することにより、キャリアの注入効率が改善されたことによるものと考えられる。また、図7(b)のグラフに示すように、閾値の温度依存性を示す特性温度もT0=306Kと、300K以上を記録(通常構造では200K前後)している。 In the graph of FIG. 7 (a), the slope efficiency is 0.91 W / A at a temperature T = 77K, 0.89 W / A at 300K, and 0.75 W / A at 380K. Maintains over 80%. From this graph and the graph of FIG. 7B, it can be seen that an ideal state is achieved in which the slope efficiency is not lowered to the high temperature region of 400K while maintaining the low threshold. This is presumably because the carrier injection efficiency was improved by adopting the above-described level structure. Further, as shown in the graph of FIG. 7B, the characteristic temperature indicating the temperature dependence of the threshold is also T 0 = 306 K, and 300 K or more is recorded (around 200 K in the normal structure).
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8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9は、図8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. 8 is a diagram illustrating an example of a specific configuration of the quantum cascade laser. FIG. 9 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.
本構成例における活性層15の量子井戸構造では、発振波長を6.6μm、動作電界を40kV/cmとして設計された例を示している。図9においては、活性層15での量子井戸発光層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8、及び図9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成長(MOCVD)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8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3.5μmのInPクラッド層51、単位積層体16が多段に積層された活性層15、厚さ3.5μmのInPクラッド層52、及び高濃度SiドープInGaAsコンタクト層53が順次積層されることで、レーザ1Bの素子構造が形成されている。量子カスケードレーザ1Bの全体の構造については、例えば、通常のプロセス工程によって形成されるリッジ導波路型のレーザチップ構造を用いることができる。
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、例えば30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9に示すように、11個の量子井戸層161〜164、181〜187、及び11個の量子障壁層171〜174、191〜197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。
The
これらの単位積層体16の各半導体層のうち、量子井戸層は、InGaAs層によって構成されている。また、量子障壁層は、InAlAs層によって構成されている。これにより、活性層15は、InP基板50に格子整合するInGaAs/InAlAs量子井戸構造によって構成されている。また、図9に示す単位積層体16の積層構造において、4層の井戸層161〜164及び障壁層171〜174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、7層の井戸層181〜187及び障壁層191〜197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。
Among the semiconductor layers of these unit laminated
また、発光層17の各半導体層のうちで、1段目の量子障壁層171が、前段の注入層と、発光層17との間に位置し、前段の注入層から発光層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の各半導体層のうちで、1段目の量子障壁層191が、発光層17と、注入層18との間に位置し、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10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。
In addition, among the semiconductor layers of the
このような構成において、単位積層体16は、その図9に示すサブバンド準位構造において、注入準位Li、発光上準位Lup、発光下準位Llow、及び緩和準位Lrである緩和ミニバンドMBを有している。なお、緩和準位として機能する緩和ミニバンドMBには複数の準位が対応している。また、発光層17及び注入層18での井戸層、障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。
In such a configuration, the unit stacked
上記した準位構造において、注入準位Liと発光上準位Lupとは、主に発光層17の第1井戸層161と第2井戸層162とによって形成される。また、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43は、主に第1井戸層161と第2井戸層162との間の第2障壁層172の層厚によって決定される。本構成例では、この障壁層172の層厚が3.0nmとやや厚くなっている。また、エネルギー間隔ΔE43はLOフォノンのエネルギーELO=34meVよりも小さく、21meV程度になっている。
In the level structure described above, the injection level Li and the emission upper level L up are mainly formed by the
また、注入準位Liの波動関数については、最も前段の注入層側の第1井戸層161以外で活性層15内(単位積層体16内)に存在する注入準位Liの波動関数の割合は28%で、30%以下の条件を満たしている。すなわち、本構成例では、注入準位Liの波動関数は第1井戸層161に充分に局在している。
Also, injection for the wave function of level L i is the wave function of the injection level L i present in the active layer 15 (the unit laminate 16) except the most preceding injection layer side of the
上記した構成例による量子カスケードレーザ1Bの特性等について、図11〜図13を参照してさらに説明する。
The characteristics and the like of the
図11は、注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔の第1井戸層の層厚への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は発光層17における第1井戸層161の層厚(nm)を示し、縦軸は注入準位Liと発光上準位Lupとのエネルギー間隔ΔE43(meV)を示している。
FIG. 11 is a graph showing the dependence of the energy interval between the injection level L i and the emission upper level L up on the thickness of the first well layer. In this graph, the horizontal axis indicates the layer thickness (nm) of the
また、図12は、発光遷移の遷移強度に対応する双極子モーメントの第1井戸層の層厚への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は図11と同様に発光層17における第1井戸層161の層厚(nm)を示し、縦軸は発光上準位Lupから発光下準位Llowへの発光遷移の双極子モーメント、及び注入準位Liから発光下準位Llowへの発光遷移の双極子モーメントを示している。
FIG. 12 is a graph showing the dependence of the dipole moment corresponding to the transition intensity of the luminescence transition on the thickness of the first well layer. In this graph, the horizontal axis indicates the thickness (nm) of the
図9、図10に示した構成例において、発光層17の第1井戸層161の層厚は2.2nmである。これに対して、図11のグラフに示すように、井戸層161の層厚を変化させると、上記構成例の2.2nmに対して厚くした場合、エネルギー間隔ΔE43が最小となった後に、再び増大するように変化する。一方、層厚を2.2nmに対して薄くした場合、エネルギー間隔ΔE43が増大するように変化する。
9 and FIG. 10, the thickness of the
また、図12のグラフに示すように、上記構成例の2.2nmでは、発光上準位Lupから発光下準位Llowへの発光強度が、注入準位Liから発光下準位Llowへの発光強度に比べて充分に大きくなっていることがわかる。また、井戸層161の層厚を変化させると、層厚を薄くしたときに、発光上準位Lupから発光下準位Llowへの発光強度が増大するように変化する。ここで、実際のレーザ素子における発光強度は、双極子モーメントの2乗(遷移強度の2乗)によって決まるものである。上記した構成例では、発光上準位Lupから発光下準位Llowへの発光強度は、注入準位Liから発光下準位Llowへの発光強度に対して3.5倍と支配的な強さとなっている。その他の条件をも考慮すると、上記構成例における第1井戸層161の層厚については、図11、図12においてそれぞれR1、R2によって示す範囲内で設定することが好ましい。
As shown in the graph of FIG. 12, at 2.2 nm in the above configuration example, the emission intensity from the emission upper level L up to the emission lower level L low is such that the emission level L i is lower than the emission level L i. It can be seen that the intensity of light emitted to low is sufficiently large. Further, when the thickness of the
図13は、注入準位Liと発光上準位Lupとのアンチクロッシングの第2障壁層の層厚への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は発光層17における第2障壁層172の層厚(nm)を示し、縦軸は注入準位Liと発光上準位Lupとの結合の強さを示すアンチクロッシングhΩ43(meV)を示している。
FIG. 13 is a graph showing the dependence of the anti-crossing of the injection level L i and the emission upper level L up on the thickness of the second barrier layer. In this graph, the horizontal axis indicates the layer thickness (nm) of the
図9、図10に示した構成例において、発光層17の第2障壁層172の層厚は3.0nmである。これに対して、図13のグラフに示すように、障壁層172の層厚を変化させると、エネルギー間隔ΔE43を与える2準位のアンチクロッシングが変化する。この点も、上記の量子カスケードレーザの構造を規定する上で重要な要素である。第2障壁層172の層厚については、アンチクロッシングhΩ43及びエネルギー間隔ΔE43についてのこのような条件を考慮して設定することが好ましい。
9 and FIG. 10, the thickness of the
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によって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による発光遷移が可能であって上記した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。 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 in which an InP substrate is used as the semiconductor substrate and the active layer is configured by InGaAs / InAlAs has been described, but light emission transition by intersubband transition in the quantum well structure is possible and described above. Specifically, various configurations may be used as long as the subband level structure can be realized.
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。 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活性層における積層構造、及びレーザ素子全体としての半導体積層構造については、具体的には図8〜図10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、上記構成例では、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。 In addition, regarding the stacked structure in the active layer of the quantum cascade laser and the semiconductor stacked structure as the entire laser device, various structures other than the structures shown in FIGS. 8 to 10 may be used. 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. 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、発光上準位への電子の注入効率などのレーザ素子特性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 improving laser element characteristics such as electron injection efficiency into the emission upper level.
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…InPクラッド層、52…InPクラッド層、53…InGaAsコンタクト層、Li…注入準位、Lup…発光上準位、Llow…発光下準位、Lr…緩和準位、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、
前記単位積層体は、その前記量子井戸発光層内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、前記発光上準位よりも高いエネルギー準位である注入準位と、前記発光下準位よりも低いエネルギー準位である緩和準位とを有し、
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、前記発光下準位から前記緩和準位へと緩和され、前記緩和準位を介して前記注入層から後段の量子井戸発光層における前記注入準位へと注入され、前記注入準位から前記発光上準位へと電子が供給され、
前記注入準位と前記発光上準位とのエネルギー間隔は、10meVよりも大きく縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されるとともに、前記注入準位から前記発光下準位への発光強度は、前記発光上準位から前記発光下準位への発光強度よりも小さい強度であ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, which are provided on the semiconductor substrate. An active layer,
The unit laminate includes a light emission upper level, a light emission lower level, and an injection level that is an energy level higher than the light emission upper level in the subband level structure in the quantum well light emitting layer. And a relaxation level that is an energy level lower than the lower emission level,
Light is generated by the intersubband transition of electrons from the upper emission level to the lower emission level in the quantum well light emitting layer, and the electrons that have undergone the intersubband transition are transferred from the lower emission level to the Relaxed to the relaxation level, injected from the injection layer to the injection level in the subsequent quantum well light-emitting layer via the relaxation level, and electrons are supplied from the injection level to the emission upper level And
The energy interval between the injection level and the emission upper level is set to be larger than 10 meV and smaller than the energy of the longitudinal optical phonon, and the emission intensity from the injection level to the emission lower level is A quantum cascade laser characterized by having an intensity smaller than an emission intensity from an emission upper level to the emission lower level.
10meV<ΔE43<34meV
を満たす範囲内で設定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。 The energy interval ΔE 43 between the injection level and the emission upper level is defined by the condition 10 meV <ΔE 43 <34 meV.
The quantum cascade laser according to claim 1, wherein the quantum cascade laser is set within a range that satisfies the above.
前記単位積層体において、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量子井戸発光層における前記注入準位へと注入されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の量子カスケードレーザ。 The unit laminate body has a relaxation miniband functioning as the relaxation level in the subband level structure,
In the unit stack, the electrons that have undergone the transition between the subbands are relaxed from the emission lower level to the relaxation miniband by longitudinal optical phonon scattering, and are separated from the injection layer through the relaxation miniband. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein the quantum cascade laser is injected into the injection level in the well light emitting layer.
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JP2010012099A JP2011151249A (en) | 2010-01-22 | 2010-01-22 | Quantum cascade laser |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014534648A (en) * | 2011-11-29 | 2014-12-18 | コーニング インコーポレイテッド | Quantum cascade laser structure with stepped well active region |
JP2017208497A (en) * | 2016-05-20 | 2017-11-24 | シャープ株式会社 | Quantum cascade laser |
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2010
- 2010-01-22 JP JP2010012099A patent/JP2011151249A/en active Pending
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