JP2014207399A

JP2014207399A - テラヘルツ帯光素子導波路

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Publication number: JP2014207399A
Application number: JP2013085435A
Authority: JP
Inventors: 関根　徳彦; Norihiko Sekine; 徳彦関根; 寳迫　巌; Iwao Hosako; 巌寳迫
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: JP6124293B2

Abstract

【課題】効率良く活性層から放熱を行い、安定した導波を可能にするテラヘルツ帯光素子導波路を提供する。
【解決手段】テラヘルツ帯電磁波の導波路とする活性層１３は、テラヘルツ帯電磁波の波長に対応する導波路幅を有し、層厚み方向に延設された間隙によって分割され、間隙に活性層１３よりも熱伝導率の高い放熱層１４を埋設しており、放熱層１４は、テラヘルツ帯電磁波の波長の１／１０以下の幅を有し、活性層１３の層厚み方向の端部を基板１０に積層された電極用金属１５に接しており、テラヘルツ帯光素子を有働したときに活性層１３の分割された各部（活性層１３ａ〜１３ｄ）に発生する熱を放熱層１４へ吸収し、放熱層１４の端部に接している電極用金属１５、また下部コンタクト層１１を介して電極用金属１６へ伝導する。また、テラヘルツ帯電磁波が導波路を伝搬するときには該電磁波の伝搬状態を乱すことが無い。
【選択図】図３

Description

この発明は、光素子（半導体デバイス）内においてテラヘルツ帯の光導波を行うテラヘルツ帯光素子導波路に関するものである。

テラヘルツ帯の周波数で動作する発光素子、変調素子、受光素子などの半導体デバイスには、当該周波数の導波路が設けられている。
図１は、従来の導波路の概略構成を示す説明図である。この図は、半導体デバイス中に形成された導波路部分の断面形状を示しており、図１（ａ）はＳＩＳＰ（semi-insulating surface plasmon）導波路の断面を示し、図１（ｂ）はＭＭ（metal-metal）導波路の断面を示している。
図１（ａ）の導波路は、例えばＳ．Ｉ．ＧａＡｓによって形成された基板１０１の上面に、ｎ＋ＧａＡｓ等からなる高濃度ドープの薄膜半導体層１０２を積層させている。薄膜半導体層１０２の上面には活性層１０３が積層され、この活性層１０３の上面に金属層１０４が積層されている。活性層１０３は、テラヘルツ帯の光等を伝導するコアを形成するもので、図中上下方向から金属層１０４と薄膜半導体層１０２によって挟まれている。また、薄膜半導体層１０２の上面には、活性層１０３から適当な間隔を設けて例えば電極となる金属層１０５，１０６が積層されている。

図１（ｂ）の導波路は、例えばｎ＋ＧａＡｓによって形成された基板２０１の上面に金属層２０２を積層させ、この金属層２０２の上面に活性層２０３を積層させている。活性層２０３の上面には金属層２０４が積層されており、金属層２０２と金属層２０４によって活性層２０３を図中上下方向から挟み、当該活性層２０３を導波路としている。
図１（ａ）および図１（ｂ）に示した導波路は、いずれもコアとなる活性層を上下方向から金属層などで挟むことにより、活性層内に導波光を効率良く閉じ込めて所定方向へ導くように構成されており、これらの構造は良好な光閉じ込め係数（optical confinement factor）Γが得られることから、例えばテラヘルツ帯量子カスケードレーザの導波路として採用されている（例えば、非特許文献１参照）。

図２は、従来の導波路を有する半導体デバイスの動作を示す説明図である。この図は、例えば、ＧａＡｓ系材料の基板３０１の上方に、金属層３０１、活性層３０３、金属層３０４を順に積層して、ＭＭ導波路を形成させた半導体デバイスの概略断面を表したもので、当該半導体デバイスの導波路が発熱した状態を表す概略断面図である。
テラヘルツ帯の光は１００［μｍ］以上の波長を有することから、図示した導波路、即ち活性層３０３は、上記の波長に対応させて１００〜２００［μｍ］程度の幅員を有しており、吸収損失を抑えるため幅広に形成されている。

半導体デバイスに電力を供給して当該デバイスを駆動すると、活性層３０３に流れる電流によって発熱が生じる。活性層３０３は前述のように幅広に形成されていることから、図２に示した発熱部分Ａのように導波路（活性層３０３）の断面において横広の楕円状に発熱する。
導波路には上記のように発熱部分Ａが横方向に広がって生じることから、特に導波路の断面中心部で発生した熱は図２の矢印Ｂが示す方向へ逃げる。換言すると、有効な放熱は、活性層３０３の縦（上下）方向に限られてしまうため、当該半導体デバイス内に熱が滞留し易くなる。

B.S.Williams, S.Kumar, H.Callebaut, Q.Hu, J.L.Reno:Appl.Phys.Lett.83,5142(2003).

従来のテラヘルツ帯光素子導波路は上記のように構成されているので、導波路の中心部分では、活性層に使用する材料の性質や多層膜構造などにより熱伝導率に異方性が生じ、上下（積層）方向の熱伝導率が低いため放熱効率が好ましくない。そのため、活性層コアが高温になり、導波特性などの劣化が生じやすくなるという問題点があった。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、効率良く活性層から放熱を行い、安定した導波を可能にするテラヘルツ帯光素子導波路を提供することを目的とする。

この発明に係るテラヘルツ帯光素子導波路は、基板に積層される活性層をテラヘルツ帯電磁波の導波路とし、前記活性層は、前記テラヘルツ帯電磁波の波長に対応する導波路幅を有し、層厚み方向に延設された間隙によって分割され、前記間隙に該活性層よりも熱伝導率の高い放熱層を埋設しており、前記放熱層は、前記テラヘルツ帯電磁波の波長の１／１０以下の幅を有し、前記活性層の層厚み方向の端部を前記基板に積層された金属に接しており、前記テラヘルツ帯光素子を駆動したときに前記活性層の分割された各部に発生する熱を前記放熱層へ吸収し、前記放熱層の端部に接している金属へ伝導し、前記テラヘルツ帯電磁波が前記導波路を伝搬するときに該電磁波の伝搬状態を乱すことが無い、ことを特徴とする。

また、前記放熱層は、前記活性層の層厚み方向において該活性層の層厚さの５０％以上の大きさを有する、ことを特徴とする。

また、前記放熱層に接する金属は、該テラヘルツ帯光素子の電極用金属である、ことを特徴とする。

この発明によれば、電力を供給したテラヘルツ帯光素子の温度上昇を抑制することができ、冷却装置等を備えるコストを抑えることができる。

従来の導波路の概略構成を示す説明図である。従来の導波路を有する半導体デバイスの動作を示す説明図である。この発明の実施例１によるテラヘルツ帯光素子導波路の概略構成を示す説明図である。図３のテラヘルツ帯光素子導波路の導波状態を示す説明図である。この発明の実施例２によるテラヘルツ帯光素子導波路の概略構成を示す説明図である。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
（実施例１）
図３は、この発明の実施例１によるテラヘルツ帯光素子導波路の概略構成を示す説明図である。この図は、実施例１によるデバイス１に設けられた導波路部分の縦断面を示したもので、詳しくは当該導波路の延設方向に直交する断面構造を表している。
デバイス１は、半絶縁性の例えばＳＩ−ＧａＡｓからなる基板１０に、ＭＢＥ成長法などの生成工程を実施することによって半導体化合物などを積層して形成されている。
基板１０の上面には、ｎ−ＧａＡｓからなる下部コンタクト層１１が積層されている。
下部コンタクト層１１は、例えば０．８［μｍ］の厚さに形成され、その上面に活性層１３が積層されている。また、下部コンタクト層１１は、例えば活性層１３の側方となる位置に下部電極用金属１６を積層・配設している。

活性層１３の上面には、厚さ０．１［μｍ］のｎ−ＧａＡｓからなる上部コンタクト層１７が積層され、上部コンタクト層１７の上面には、上部電極用金属１５が積層・配設されている。また、活性層１３の側面はＳｉＯ₂層１２によって覆われている。
上記のＳｉＯ₂層１２は、上記の活性層１３の側面から下部コンタクト層１１の上面にわたって積層されている。なお、前述の下部電極用金属１６は、詳しくはＳｉＯ₂層１２の上面に配設されており、当該ＳｉＯ₂層１２の下層となる下部コンタクト層１１に電気接続されている。
また、例えば上部電極用金属１５ならびに下部電極用金属１６は、デバイス１の外部に露出する部位を有している。

活性層１３は、例えば、厚さ４．９［ｎｍ］のｉ−ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）層、厚さ７．９［ｎｍ］のｉ−ＧａＡｓ層、厚さ２．５［ｎｍ］のｉ−ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）層、厚さ６．６［ｎｍ］のｉ−ＧａＡｓ層、厚さ４．１［ｎｍ］のｉ−ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）層、厚さ１５．６［ｎｍ］のｎ−ＧａＡｓ層、厚さ３．３［ｎｍ］のｉ−ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）層、厚さ９．０［ｎｍ］のｉ−ＧａＡｓ層を積層させたものを１周期とし、これを１７０周期繰り返し積層して構成されている。
活性層１３は、上部コンタクト層１７とともに積層方向に沿って（図中、上下方向に境界部分が延びるように）分割されており、デバイス１の活性層１３は例えば４分割されている。また、活性層１３は、基板１０の上面を正面視したとき導波路の延設方向に沿って分割されている。

活性層１３の分割された各部を活性層１３ａ〜１３ｄとしたとき、これらの部分は、それぞれ例えば２５［μｍ］の幅を有している。換言すると、活性層１３の積層方向と直交し、また、導波路の延設方向と直交する方向（導波路の幅方向）の大きさが２５［μｍ］となるように形成されている。
また、活性層１３ａ〜１３ｄの各分割境界には間隙が設けられている。この間隙は、活性層１３の層厚み方向に延設されており、活性層１３ａ〜１３ｄを構成する半導体化合物等よりも熱伝導率の高い例えばｉ−ＧａＡｓが埋め込まれ、活性層１３の層厚み方向に延設された放熱層１４が埋設されている。

放熱層１４は、例えば、導波路断面において５［μｍ］の幅（詳しくは、活性層１３の積層方向と直交するとともに導波路の延設方向と直交する方向の大きさ）を有しており、デバイス１の導波路幅、即ち活性層１３を伝搬するテラヘルツ帯の電磁波（以下、テラヘルツ光と記載する）の波長に比べて十分小さい幅に形成されている。デバイス１の導波路内に形成される放熱層１４は、導波路を伝搬するテラヘルツ光の波長の１／１０以下の幅を有する。
また、放熱層１４は、活性層１３の深さ方向（層厚み方向）において当該活性層１３の厚さの５０［％］以上の大きさに形成され、図３においては、活性層１３の全体の厚さと同様な深さ（積層方向の大きさ）を有するように形成されている。

図４は、図３のテラヘルツ帯光素子導波路の導波状態を示す説明図である。この図は、デバイス１の概略断面を示したもので、当該デバイス１に駆動電力が供給されたとき、デバイス１の導波路に電流が流れることにより活性層１３が発熱する状態を表している。なお、説明を明確にするため図３に示した一部分を省略している。
４つに分割された活性層１３ａ〜１３ｄからなる活性層１３の総幅、詳しくは活性層１３ａ〜１３ｄの各間に設けられた３つの放熱層１４を含めた総幅は、概ね１１５［μｍ］程度である。
例えば、波長が１００［μｍ］程度のテラヘルツ光を伝搬するモードを伝搬モードＣとする。伝搬モードＣにおいては、図４に示したように活性層１３の概ね縦断面全体を電磁波が伝搬する。ここで、放熱層１４は、前述のように幅が５［μｍ］であり、テラヘルツ光の波長に比べて十分小さいことから、導波路を伝搬するテラヘルツ光（電磁波）の電界分布を当該放熱層１４が乱すことは無い。

デバイス１に電力が供給され、当該デバイス１が稼動状態となって伝搬モードＣによる動作を行うとき、導波路内をテラヘルツ光が伝搬することによって活性層１３ａ〜１３ｄに電流が流れる。この電流によって活性層１３ａ〜１３ｄが発熱し、各活性層１３ａ〜１ｄにそれぞれ発熱領域Ｅが生じる。発熱領域Ｅに生じた熱は、近傍の放熱層１４へ伝わり、放熱層１４の端部へ向かって（図中、上下方向へ）伝導する。放熱層１４は、前述のように熱伝導率の高い材料によって形成されていることから、活性層１３ａ〜１３ｄの各発熱領域Ｅから熱を引き抜くようにして当該活性層１３ａ〜１３ｄの放熱を行い、過度の温度上昇を抑制する。
放熱層１４の上端部は上部電極用金属１５に接しており、活性層１３ａ〜１３ｄから吸収した熱を上部電極用金属１５へ伝導して放熱する。
また、放熱層１４の下端部は下部コンタクト層１１を介して下部電極用金属１６などに接していることから、活性層１３ａ〜１３ｄから吸収した熱を下部電極用金属１６や基板１０などに放熱する。

以上のように、この実施例１によれば、活性層１３を複数に分割し、この分割境界に熱伝導率の高い放熱層１４を備えることにより、テラヘルツ光素子を駆動したときに生じる熱をデバイス１の電極用金属等へ放熱することができ、光学特性を維持したまま熱特性を大きく改善することができる。また、例えばテラヘルツ帯量子カスケードレーザなどのテラヘルツ帯デバイスを、高温になる動作状態で稼動させることも可能になる。また、冷却装置等を簡略化、もしくは省略することができる。また、量子カスケードレーザ等のＣＷ動作を容易に実現することができる。

なお、図３、図４に示したデバイス１は、活性層１３を４分割しているが、２つ以上に活性層１３を分割し、この分割数に応じた数の放熱層１４を設けて、分割された各部に発生した熱を十分放熱することができるように構成してもよい。
また、図３、図４に示したデバイス１は、当該活性層１３の厚さ（積層方向の大きさ）全体に間隙を設け、これに放熱層１４を形成しているが、放熱層１４の深さ（積層方向の大きさ）を、活性層１３の厚さの５０［％］以上となるように形成し、活性層１３に発生した熱を十分吸収し、また適当な部位へ放熱することができるように構成してもよい。

（実施例２）
図５は、この発明の実施例２によるテラヘルツ帯光素子導波路の概略構成を示す説明図である。この図は、実施例２によるデバイス２に設けられた導波路部分の縦断面を示したもので、詳しくは当該導波路の延設方向に直交する断面構造を表している。
デバイス２は、例えばｎ−ＧａＡｓからなる基板２０に、ＭＢＥ成長法などの生成工程を実施することによって半導体化合物などを積層して形成されている。
基板２０は、裏面（底面）に下部電極用金属２１を積層・配設している。また、上面には、光封じ込め用金属２２が積層されている。この光封じ込め用金属２２は、導波路の底面部分として形成されたとき、テラヘルツ帯の電磁波を高率で反射し、当該電磁波を吸収しない特性を有するものである。

光封じ込め用金属２２の上面には、厚さ０．０５［μｍ］のｎ−ＧａＡｓからなる下部コンタクト層２３が積層されている。
下部コンタクト層２３の上面には活性層２４が積層され、活性層２４の上面には厚さ０．１［μｍ］のｎ−ＧａＡｓからなる上部コンタクト層２６が積層されている。
上部コンタクト層２６の上面には、上部電極用金属２７が積層・配設されている。
また、例えば上部電極用金属２７ならびに下部電極用金属２１は、デバイス２の外部へ露出する部位を有している。

活性層２４は、例えば、厚さ４．９［ｎｍ］のｉ−ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）層、厚さ７．９［ｎｍ］のｉ−ＧａＡｓ層、厚さ２．５［ｎｍ］のｉ−ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）層、厚さ６．６［ｎｍ］のｉ−ＧａＡｓ層、厚さ４．１［ｎｍ］のｉ−ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）層、厚さ１５．６［ｎｍ］のｎ−ＧａＡｓ層、厚さ３．３［ｎｍ］のｉ−ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ（ｘ＝０．１５）層、厚さ９．０［ｎｍ］のｉ−ＧａＡｓ層を積層させたものを１周期とし、これを１７０周期繰り返し積層して構成されている。

活性層２４は、上部コンタクト層２６とともに積層方向に沿って（図中、上下方向に境界部分が延びるように）分割されており、デバイス２の活性層２４は例えば４分割されている。また、活性層２４は、基板２０の上面を正面視したとき導波路の延設方向に沿って分割されている。
活性層２４の分割された各部を活性層２４ａ〜２４ｄとしたとき、これらの部分は、それぞれ例えば２５［μｍ］の幅を有している。換言すると、活性層２４の積層方向と直交し、また、導波路の延設方向と直交する方向の大きさが２５［μｍ］となるように形成されている。
また、活性層２４ａ〜２４ｄの各分割境界部分には、５［μｍ］の間隙が設けられている。この間隙は、活性層２４の層厚み方向に延設されており、活性層２４ａ〜２４ｄを構成する半導体化合物等よりも熱伝導率の高い例えばｉ−ＧａＡｓが埋め込まれ、活性層２４の層厚み方向に延設された放熱層２５が埋設されている。

ここで例示する放熱層２５は、活性層２４の積層方向と直交するとともに導波路の延設方向と直交する方向（導波路の幅方向）について５［μｍ］の大きさ（幅）を有しており、デバイス２の導波路幅、即ち活性層２４を伝搬するテラヘルツ光の波長に比べて十分小さい幅に形成されている。デバイス２の導波路内に形成される放熱層２５は、導波路を伝搬するテラヘルツ光の波長の１／１０以下の幅を有する。
デバイス２の導波路へ誘導されたテラヘルツ光が、例えば１００［μｍ］程度の波長を有するとき、放熱層２５が上記のように幅５［μｍ］に形成されている（テラヘルツ光の波長の１／１０以下の幅に形成されている）場合には、実施例１で説明したものと同様に、当該放熱層２５によってテラヘルツ光の電界分布が乱れることなく導波路内を伝搬させることができる。
また、放熱層２５は、活性層２４の深さ方向（層厚み方向）において当該活性層２４の厚さの５０［％］以上の大きさに形成され、図５においては、活性層２４の全体の厚さと同様な深さ（積層方向の大きさ）を有するように形成されている。

デバイス２の活性層２４は前述のように４分割されているが、２つ以上に分割して分割数に応じた数の放熱層２５を備える構成としてもよい。
前述のように構成されたデバイス２に電力を供給すると、当該電力によってデバイス２が稼動して導波路をテラヘルツ光が伝搬する。このとき、前述の実施例１で説明した活性層１３ａ〜１３ｄと同様に、デバイス２の導波路即ち活性層２４ａ〜２４ｄにそれぞれ電流が流れて発熱が生じる。この活性層２４ａ〜２４ｄに生じた熱は、各活性層２４ａ〜２４ｄの間に設けられた熱伝導率の高い放熱層２５に吸収される。活性層２４ａ〜２４ｄからそれぞれの放熱層２５へ伝導した熱は、例えば、放熱層２５の上端部に接している上部電極用金属２７へ伝導して放熱する。また、放熱層２５の下端部に接している下部コンタクト層２３、さらに光封じ込め用金属２２、基板２０、下部電極用金属２１などに伝導して放熱する。

以上のように、この実施例２によれば、上面と底面にそれぞれ電極を有する構造のデバイス２においても、活性層２４を複数に分割し、この分割境界に熱伝導率の高い放熱層２５を備えることにより、テラヘルツ帯光素子を駆動したときに生じる熱を上記の電極用金属などへ放熱することができ、光学特性を維持したまま熱特性を大きく改善することができる。また、例えばテラヘルツ帯量子カスケードレーザなどのテラヘルツ帯デバイスを、高温になる動作状態で稼動させることも可能になり、冷却装置等を簡略化、もしくは省略することができる。また、量子カスケードレーザ等のＣＷ動作を容易に実現することができる。

なお、図５に示したデバイス２は、活性層２４を４分割しているが、２つ以上に活性層２４を分割し、この分割数に応じた数の放熱層２５を設けて、分割された各部に発生した熱を十分放熱することができるように構成してもよい。
また、図５のデバイス２は、活性層２４の全体の厚さ（積層方向の大きさ）全体に間隙を設け、これに放熱層２５を形成しているが、放熱層２５の深さ（積層方向の大きさ）を、活性層２４の厚さの５０［％］以上となるように形成し、活性層２４に発生した熱を十分吸収し、また適当な部位へ放熱することができるように構成してもよい。

実施例１および実施例２で説明した構成により、テラヘルツ帯デバイスが発熱したとき、高温になるデバイス内から熱を効率よく放熱することができ、電子冷却による動作や室温動作が可能になる。また、上記のように冷却に関する構成等を簡便化することができることから、テラヘルツ帯量子カスケードレーザの特性を大幅に向上させることも可能になり、例えばコヒーレントテラヘルツ光源の小型化を図ることも可能になることから、セキュリティや環境モニタリング、また生体医療診断、毒物や劇物検出、無線通信、電波天文学、分光応用などの各分野で使用される機器等を発展させることができる。

１，２デバイス
１０，２０，１０１，２０１，３０１基板
１１，２３下部コンタクト層
１２ＳｉＯ₂層
１３，２４，３０３活性層
１４，２５放熱層
１５，２７，３０４上部電極用金属
１６，２１，３０２下部電極用金属
１７,２６上部コンタクト層
２２光封じ込め用金属
１０２薄膜半導体
１０３，２０３活性層
１０４，１０５，１０６，２０２，２０４金属層

Claims

基板に積層される活性層をテラヘルツ帯電磁波の導波路とするテラヘルツ帯光素子導波路であって、
前記活性層は、
前記テラヘルツ帯電磁波の波長に対応する導波路幅を有し、
層厚み方向に延設された間隙によって分割され、
前記間隙に該活性層よりも熱伝導率の高い放熱層を埋設しており、
前記放熱層は、
前記テラヘルツ帯電磁波の波長の１／１０以下の幅を有し、
前記活性層の層厚み方向の端部を前記基板に積層された金属に接しており、
前記テラヘルツ帯光素子を駆動したときに前記活性層の分割された各部に発生する熱を前記放熱層へ吸収し、前記放熱層の端部に接している金属へ伝導し、
前記テラヘルツ帯電磁波が前記導波路を伝搬するときに該電磁波の伝搬状態を乱すことが無い、
ことを特徴とするテラヘルツ帯光素子導波路。
前記放熱層は、
前記活性層の層厚み方向において該活性層の層厚さの５０％以上の大きさを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ帯光素子導波路。
前記放熱層に接する金属は、該テラヘルツ帯光素子の電極用金属である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ帯光素子導波路。