JP2015012221A - Quantum cascade laser element, method of driving the same, and electromagnetic wave generator - Google Patents

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Hiroshi Ono
啓 大野
信一郎 能崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve controllability and stability of laser output in a quantum cascade laser element.SOLUTION: A quantum cascade laser element 1 includes a GaAs substrate 11, an n-type GaAs layer 12, a quantum cascade layer 13, a p-type GaAs layer 14, an n-type AlGaAs layer 15, a first electrode 16, a second electrode 17, and a third electrode 18. The GaAs substrate 11 is a semi-insulating substrate. The n-type GaAs layer 12 is an n-doped semiconductor layer laminated on a surface of the GaAs substrate 11. For example, the n-type GaAs layer 12 has an electron concentration of 1×10cmby Sn doping and has a film thickness of 100 nm. The quantum cascade layer 13 is formed on a surface of the n-type GaAs layer 12 and constitutes a semiconductor superlattice.

Description

本発明は、量子カスケードレーザ素子に関し、特に、テラヘルツ波や赤外光を放出する量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法、並びに電磁波発生装置に関する。   The present invention relates to a quantum cascade laser element, and more particularly to a quantum cascade laser element that emits terahertz waves and infrared light, a driving method thereof, and an electromagnetic wave generator.

一般的な半導体レーザはバンド間遷移を用いるため、発振波長はそのバンドを形成する半導体レーザ材料によって決まる。それに対し、発光層が超格子で構成された量子カスケードレーザは伝導帯(または価電子帯)のサブバンド準位間の遷移を用いるため、発振波長をその超格子の井戸層、障壁層の厚み及びヘテロ障壁(バンド不連続)により自由に制御することができる。このため、近年、その研究開発が活発に行われている。   Since a general semiconductor laser uses interband transition, the oscillation wavelength is determined by the semiconductor laser material forming the band. On the other hand, quantum cascade lasers with a light-emitting layer composed of superlattices use transitions between subband levels of the conduction band (or valence band), so the oscillation wavelength is the thickness of the well layer and barrier layer of the superlattice. And can be controlled freely by a hetero barrier (band discontinuity). Therefore, research and development has been actively conducted in recent years.

例えば、透視や分析に有用なテラヘルツ帯(1〜3THz)はバンド間遷移では困難であり、現実的に使用可能な半導体材料で最も狭バンドギャップを有するInSbでも、バンドギャップ値は170meVであり、そのバンドギャップに対応する発振周波数は約40THzである。そのため、テラヘルツ帯の電磁波を放出するデバイスとして、量子カスケードレーザが提案されている(非特許文献1)。実際、サブバンド間の発光により、1.6THz(6.6meV)の発振が実現されている(非特許文献2)。   For example, a terahertz band (1 to 3 THz) useful for fluoroscopy and analysis is difficult in the transition between bands, and even in Insb having the narrowest band gap among practically usable semiconductor materials, the band gap value is 170 meV. The oscillation frequency corresponding to the band gap is about 40 THz. Therefore, a quantum cascade laser has been proposed as a device that emits terahertz band electromagnetic waves (Non-Patent Document 1). Actually, oscillation of 1.6 THz (6.6 meV) is realized by light emission between subbands (Non-Patent Document 2).

図6は、従来のテラヘルツ帯量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例である。縦方向はエネルギー準位を表し、横方向は積層厚み方向を表す。従来の量子カスケードレーザ素子は、半導体超格子600からなる。本構造では、半導体超格子としてGaAsを井戸層に、AlGaAs(Al15%)を障壁層に用いている。図中の破線部分が1ユニットであり、AlGaAs、GaAs、AlGaAs、GaAs、AlGaAsで1ユニットを構成している。厚みは、各々、4nm、2.4nm、4nm、3nm、(第5層は第1層に含まれる)である。第1のGaAs井戸が発光井戸601、第2のGaAs井戸が注入井戸603である。本図では3ユニットを示しているが、実際は約100ユニット積層されている。   FIG. 6 is an example of a band structure diagram of a conventional terahertz band quantum cascade laser device. The vertical direction represents the energy level, and the horizontal direction represents the stacking thickness direction. A conventional quantum cascade laser element is composed of a semiconductor superlattice 600. In this structure, GaAs is used for the well layer and AlGaAs (Al15%) is used for the barrier layer as the semiconductor superlattice. The broken line portion in the figure is one unit, and one unit is constituted by AlGaAs, GaAs, AlGaAs, GaAs, and AlGaAs. The thicknesses are 4 nm, 2.4 nm, 4 nm, 3 nm, respectively (the fifth layer is included in the first layer). The first GaAs well is a light emitting well 601 and the second GaAs well is an injection well 603. Although three units are shown in this figure, in actuality, about 100 units are stacked.

この量子カスケード構造には、半導体超格子の両端に電圧源610が接続されており、電圧Vが印加されているため、バンドが傾斜している。発光井戸601の下部サブバンド準位601Bと注入井戸603の上部サブバンド準位603Aが等しくなるように電圧を印加すると、共鳴トンネル現象により発光井戸601の電子が注入井戸603へ、また注入井戸603の電子が発光井戸601へ、次々と輸送される。この結果、電子は上から下へ順次流れる。   In this quantum cascade structure, the voltage source 610 is connected to both ends of the semiconductor superlattice and the voltage V is applied, so that the band is inclined. When a voltage is applied so that the lower subband level 601B of the light emitting well 601 and the upper subband level 603A of the injection well 603 are equal, electrons in the light emitting well 601 are injected into the injection well 603 and the injection well 603 due to the resonant tunneling phenomenon. Are transported to the light emitting well 601 one after another. As a result, electrons flow sequentially from top to bottom.

発光井戸601においては、上部サブバンド準位601Aから下部サブバンド準位601Bに電子が移る時、電子はそのエネルギーを失い、テラヘルツ光を放射する。この放射に関わる時定数τ3は、数psecのオーダである。   In the light emitting well 601, when electrons move from the upper subband level 601A to the lower subband level 601B, the electrons lose their energy and emit terahertz light. The time constant τ3 related to this radiation is on the order of several psec.

一方、注入井戸603においては、上部サブバンド準位603Aと下部サブバンド準位603Bとのエネルギー差を、半導体超格子を形成する材料のLO(Longitudinal Optical:縦光学)フォノンエネルギーと同程度にしておく。具体的にはGaAsの場合、35meVである。このようにしておくと、注入井戸603における上部サブバンド準位603Aから下部サブバンド準位603Bへのエネルギー遷移がLOフォノンと共鳴し、サブpsecのオーダの時定数τ4で電子のエネルギー遷移が起こる。   On the other hand, in the injection well 603, the energy difference between the upper subband level 603A and the lower subband level 603B is set to the same level as the LO (Longitudinal Optical) phonon energy of the material forming the semiconductor superlattice. deep. Specifically, in the case of GaAs, it is 35 meV. In this way, the energy transition from the upper subband level 603A to the lower subband level 603B in the injection well 603 resonates with the LO phonon, and the energy transition of electrons occurs with a time constant τ4 on the order of sub psec. .

この結果、注入井戸603の上部サブバンド準位603A(=発光井戸601の下部サブバンド準位601B)のエネルギーを有する電子がすばやく消失する。これらのエネルギー遷移における時定数の関係τ3>τ4により、発光井戸601において、上部サブバンド準位601Aにおける電子数が下部サブバンド準位601Bのそれより多い、所謂、反転分布が生じ、各発光井戸にてレーザ発振が生じる。   As a result, electrons having the energy of the upper subband level 603A (= lower subband level 601B of the light emitting well 601) of the injection well 603 are quickly lost. Due to the time constant relationship τ3> τ4 in these energy transitions, a so-called inversion distribution is generated in the light emitting well 601 in which the number of electrons in the upper subband level 601A is larger than that in the lower subband level 601B. Laser oscillation occurs at.

一方、量子カスケードレーザ素子は赤外域の波長でも有用に動作する。この場合、サブバンド遷移に十分な大きな伝導帯バンド不連続が必要であり、窒化物半導体材料を用いた例が示されている(特許文献1)。この文献では、発振波長1.5μmを目指し、GaNとAlNの超格子からなる量子カスケードレーザ素子が述べられている。   On the other hand, the quantum cascade laser device is usefully operated even at wavelengths in the infrared region. In this case, a conduction band discontinuity large enough for subband transition is required, and an example using a nitride semiconductor material is shown (Patent Document 1). This document describes a quantum cascade laser element composed of a superlattice of GaN and AlN aiming at an oscillation wavelength of 1.5 μm.

なお、以上は基本原理を述べたものであり、実デバイスでは、電子のエネルギー遷移を容易にするため、複数の井戸層/障壁層を挿入することがある。   The above describes the basic principle. In an actual device, a plurality of well layers / barrier layers may be inserted to facilitate electron energy transition.

ネイチャー 2002年第417巻第156ページ(Nature, 2002,vol.417, p.156)Nature 2002, 417, 156 (Nature, 2002, vol.417, p.156) アプライド フィジックス レターズ 2006年第89巻231121ページ(AppliedPhysics Letters, 2006, vol.89, p.231121)Applied Physics Letters 2006, 89, 231121 (AppliedPhysics Letters, 2006, vol.89, p.231121)

特開2004−311466号公報JP 2004-311466 A

しかしながら、従来の量子カスケードレーザ素子では、出射光量の制御が難しく、また、高出力化に適さないという課題を有する。以下、本課題について図を用いて説明する。   However, the conventional quantum cascade laser device has problems that it is difficult to control the amount of emitted light and is not suitable for high output. Hereinafter, this problem will be described with reference to the drawings.

図7(a)、図7(b)及び図7(c)は、それぞれ、上述した従来の量子カスケードレーザ素子に電圧V1、V2及びV3を印加した場合の伝導帯のバンド構造図である。量子カスケードレーザ素子は簡単のため、2つの井戸(発光井戸601、注入井戸603)及び障壁層602から構成されているとし、図6と同様に、発光井戸601は上部サブバンド準位601A及び下部サブバンド準位601B、注入井戸603は上部サブバンド準位603A及び下部サブバンド準位603Bから構成されているとする。電圧はV1<V2<V3とし、V=V2近傍でレーザ発振が生じるとする。すなわち、V=V2では、下部サブバンド準位601Bと上部サブバンド準位603Aとが、また、上部サブバンド準位601Aと下部サブバンド準位603Bとがほぼ同ポテンシャルになり、共鳴トンネル現象により電子が障壁層602を通過する。なお上部サブバンド準位601Aと下部サブバンド準位603Bがほぼ同ポテンシャルになるところは、(図7に描かれた井戸に)隣接した井戸においてである。従って、図7には描かれていない。   FIGS. 7A, 7B, and 7C are band structure diagrams of conduction bands when voltages V1, V2, and V3 are applied to the above-described conventional quantum cascade laser elements, respectively. For the sake of simplicity, it is assumed that the quantum cascade laser element is composed of two wells (light emitting well 601 and injection well 603) and a barrier layer 602. Like FIG. 6, the light emitting well 601 has an upper subband level 601A and a lower portion. Assume that the subband level 601B and the injection well 603 are composed of an upper subband level 603A and a lower subband level 603B. Assume that the voltage is V1 <V2 <V3, and laser oscillation occurs near V = V2. That is, at V = V2, the lower subband level 601B and the upper subband level 603A, and the upper subband level 601A and the lower subband level 603B have substantially the same potential. Electrons pass through the barrier layer 602. Note that the upper subband level 601A and the lower subband level 603B have substantially the same potential in the adjacent well (to the well depicted in FIG. 7). Therefore, it is not depicted in FIG.

V=V1の段階では、図7(a)のように発光井戸601のサブバンドと注入井戸603のサブバンドとはポテンシャルが一致しない。上部サブバンド準位601Aにある電子は、下部サブバンド準位601Bに遷移するより、上部サブバンド準位603Aに遷移する確率が高くなる。この結果、無効電流が発生する。   At the stage of V = V1, the subband of the light emission well 601 and the subband of the injection well 603 do not coincide with each other as shown in FIG. The electrons in the upper subband level 601A have a higher probability of transition to the upper subband level 603A than the transition to the lower subband level 601B. As a result, a reactive current is generated.

V=V2の段階では、図7(b)のように発光井戸601のサブバンドと注入井戸603のサブバンドとはポテンシャルが一致し、電流が流れる。   At the stage of V = V2, as shown in FIG. 7B, the subband of the light emitting well 601 and the subband of the injection well 603 have the same potential and a current flows.

V=V3の段階では、図7(c)のように再び発光井戸601のサブバンドと注入井戸603のサブバンドとはポテンシャルがずれ、発光井戸601の電子の波動関数と、注入井戸603の電子の波動関数の重なりが減り、障壁層602を電子が通過(トンネル)しなくなる。この結果、電流は流れなくなる。   At the stage of V = V3, as shown in FIG. 7C, the potential of the subband of the light emission well 601 and the subband of the injection well 603 are shifted again, and the wave function of electrons in the light emission well 601 and the electrons in the injection well 603 are lost. The wave functions overlap each other and electrons do not pass (tunnel) through the barrier layer 602. As a result, no current flows.

従って、極端に述べれば、量子カスケードレーザ素子はV=V2の状態でしか流れない。この時の量子カスケードレーザ素子の平均的な抵抗をRとおけば、I=V2/Rの電流が流れる。つまり、量子カスケードレーザ素子は本質的に、特定電圧/電流の時にのみ動作するデバイスである。   Therefore, to put it extremely, the quantum cascade laser element flows only in the state of V = V2. If the average resistance of the quantum cascade laser element at this time is R, a current of I = V2 / R flows. That is, the quantum cascade laser element is essentially a device that operates only at a specific voltage / current.

図7(d)は、従来の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。実際の量子カスケードレーザ素子では、各サブバンドにはある程度の幅があるため、印加電圧Vの増加とともに注入電流が徐々に増加する(図7(d)に記載された領域(a)及び領域(b))。しかし、発光井戸601のサブバンドと注入井戸603のサブバンドとのポテンシャルが一致する前後では、I−V特性にキンク(屈曲部)が生じる。キンクより低電流側が図7(a)に相当し、無効電流が流れている状態である。一方、キンクより高電流側は、図7(b)に相当し、無効電流が流れない状態である。キンクより高電流側では、本レーザ素子は利得を有し、利得が共振器損失を上回った時点からレーザ出力が得られる。   FIG. 7D is a graph showing current-voltage characteristics and current-laser output characteristics of a conventional quantum cascade laser element. In an actual quantum cascade laser element, since each subband has a certain width, the injection current gradually increases as the applied voltage V increases (region (a) and region (shown in FIG. 7D)). b)). However, before and after the potentials of the subband of the light emitting well 601 and the subband of the injection well 603 coincide, a kink (bent portion) occurs in the IV characteristic. The lower current side than the kink corresponds to FIG. 7A, and a reactive current is flowing. On the other hand, the higher current side than the kink corresponds to FIG. 7B and is a state where no reactive current flows. On the higher current side than the kink, this laser element has a gain, and a laser output can be obtained from the point in time when the gain exceeds the resonator loss.

ここで、図7(d)に記載された領域(b)の状態から、さらに、高出力化のため注入電流を増加させようと、印加電圧を増加させV=V3の状態とすると、サブバンドのポテンシャルレベルが互いに離れ、急速に電流が流れなくなる(図7(d)に記載された領域(c))。この結果、利得が無くなり出力が低下する。   Here, from the state of the region (b) shown in FIG. 7 (d), if the applied voltage is increased and V = V3 in order to increase the injection current for higher output, the subband is obtained. Are separated from each other and current does not flow rapidly (region (c) described in FIG. 7D). As a result, there is no gain and the output is reduced.

上述したように、従来の量子カスケードレーザ素子では、最適な印加電圧を決定すると、決定された印加電圧に依存して注入電流及び注入電流量に応じたレーザ出力量が同時に決定されてしまう。よって従来の量子カスケードレーザ素子は、テラヘルツ放射光量の制御が困難であり、レーザ出力の安定性に乏しく、また、高出力化に適さない。   As described above, in the conventional quantum cascade laser element, when the optimum applied voltage is determined, the injection current and the laser output amount corresponding to the injected current amount are simultaneously determined depending on the determined applied voltage. Therefore, the conventional quantum cascade laser element is difficult to control the amount of terahertz radiation, has poor laser output stability, and is not suitable for high output.

上記課題に鑑み、本発明は、量子カスケードレーザ素子において、レーザ出力の制御性及び安定性が高く、高出力可能な量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a quantum cascade laser element that has high controllability and stability of laser output and is capable of high output in a quantum cascade laser element, and a driving method thereof.

上記課題を解決するために、本発明に係る量子カスケードレーザ素子は、サブバンド間遷移によってフォトンを放出する半導体超格子を有する量子カスケードレーザ素子であって、前記半導体超格子への電圧印加とは独立に、前記半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部を備えることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a quantum cascade laser device according to the present invention is a quantum cascade laser device having a semiconductor superlattice that emits photons by intersubband transition, and voltage application to the semiconductor superlattice Independently, an electron injecting portion capable of injecting electrons into the semiconductor superlattice is provided.

上記構成をとることにより、半導体超格子に印加される電圧値を一定にして各サブバンドのポテンシャルレベルを固定した状態で電子注入量を独立に制御できるので、レーザ発振出力の安定性及び高出力化を実現することが可能となる。   By adopting the above configuration, the amount of electron injection can be controlled independently with the voltage level applied to the semiconductor superlattice fixed and the potential level of each subband fixed, so the stability of laser oscillation output and high output Can be realized.

また、前記電子注入部は、前記半導体超格子に接しているp型半導体層を備えることが好ましい。   The electron injection part preferably includes a p-type semiconductor layer in contact with the semiconductor superlattice.

これにより、例えば外部からの光励起などによってp型半導体層で生成された伝導帯電子を、半導体超格子に印加される電圧とは独立に、当該半導体超格子に注入することが可能となる。よって、半導体超格子に流れる電流を制御でき、レーザ発振出力の制御性が向上する。   Thereby, for example, conduction band electrons generated in the p-type semiconductor layer by photoexcitation from the outside can be injected into the semiconductor superlattice independently of the voltage applied to the semiconductor superlattice. Therefore, the current flowing through the semiconductor superlattice can be controlled, and the controllability of the laser oscillation output is improved.

また、前記電子注入部は、さらに、前記p型半導体層に接しているn型半導体層を備え、前記半導体超格子への電圧印加とは独立に、前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に電圧が印加されることにより、前記半導体超格子に電子を注入することが好ましい。   The electron injection part further includes an n-type semiconductor layer in contact with the p-type semiconductor layer, and the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are independent of voltage application to the semiconductor superlattice. It is preferable to inject electrons into the semiconductor superlattice by applying a voltage between the two.

これにより、電圧半導体超格子に印加される電圧とは独立に、n型半導体層とp型半導体層との間に電圧を印加することによりn型半導体層からp型半導体層に注入された電子を、当該半導体超格子に注入することが可能となる。よって、半導体超格子に流れる電流を制御でき、レーザ発振出力の制御性が向上する。   Thus, electrons injected from the n-type semiconductor layer into the p-type semiconductor layer by applying a voltage between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer independently of the voltage applied to the voltage semiconductor superlattice. Can be implanted into the semiconductor superlattice. Therefore, the current flowing through the semiconductor superlattice can be controlled, and the controllability of the laser oscillation output is improved.

また、量子カスケードレーザは窒化物半導体で構成されていることが望ましい。窒化物半導体はバンド不連続が大きく発振波長の設計自由度が増える特徴に加え、熱伝導率が高く、素子内の無効電力による発熱を容易にヒートシンクに逃がすことができるのでレーザ動作が安定化し、レーザ発振出力の制御性が向上する。   The quantum cascade laser is preferably made of a nitride semiconductor. Nitride semiconductors have a large band discontinuity and increase the design freedom of the oscillation wavelength. In addition, the thermal conductivity is high, and heat generated by reactive power in the element can be easily released to the heat sink, so the laser operation is stabilized. Controllability of laser oscillation output is improved.

また、GaNに比べて、InGaNを用いることによりp型層を、約一桁低抵抗にすることができる。したがって、本発明におけるp型層をInGaNにすることにより、素子内のジュール発熱を抑制することができ、レーザ発振出力の制御性が向上する。   Further, the resistance of the p-type layer can be reduced by about one digit compared to GaN by using InGaN. Therefore, by using InGaN for the p-type layer in the present invention, Joule heat generation in the element can be suppressed, and the controllability of laser oscillation output is improved.

また、電子を注入するp層、n層のバンドギャップは、本量子カスケードレーザの出射フォトンのエネルギーよりも大きなことが望ましい。   Further, it is desirable that the band gaps of the p layer and the n layer for injecting electrons are larger than the energy of the emitted photons of this quantum cascade laser.

これにより、電子を注入するp層、n層による出射フォトンの吸収が無くなり、レーザ発振出力の制御性が向上する。   This eliminates absorption of outgoing photons by the p layer and n layer that inject electrons, and improves the controllability of the laser oscillation output.

また、前記p型半導体層の厚みは、前記p型半導体層中の電子拡散距離よりも小さいことが好ましい。   The thickness of the p-type semiconductor layer is preferably smaller than the electron diffusion distance in the p-type semiconductor layer.

これにより、p型半導体層が、p型半導体層の電子拡散距離よりも薄いので、半導体超格子への電子注入効率を向上させることが可能となり、無効な電力が減少し、レーザ発振出力の制御性が向上する。   As a result, since the p-type semiconductor layer is thinner than the electron diffusion distance of the p-type semiconductor layer, it is possible to improve the efficiency of electron injection into the semiconductor superlattice, reduce the invalid power, and control the laser oscillation output. Improves.

また、前記n型半導体層のバンドギャップは、前記p型半導体層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。   The band gap of the n-type semiconductor layer is preferably larger than the band gap of the p-type semiconductor layer.

p型半導体層とn型半導体層とのpn接合部では、電子と正孔の相互注入が生じる。この構成により、上記pn接合部では、n型半導体層のバンドギャップの方がp型半導体層のバンドギャップよりも大きいので、正孔よりも電子の注入を大きくすることができ、半導体超格子への電子注入効率を向上させることが可能となる。   At the pn junction between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, mutual injection of electrons and holes occurs. With this configuration, since the band gap of the n-type semiconductor layer is larger than the band gap of the p-type semiconductor layer in the pn junction, electrons can be injected more than holes, and the semiconductor superlattice can be obtained. It becomes possible to improve the electron injection efficiency.

また、さらに、基板と、前記基板と前記半導体超格子との間に形成されたnドープ半導体層と、前記n型半導体層の表面に形成され、前記n型半導体層と導通する第1電極と、前記p型半導体層の表面に形成され、前記p型半導体層と導通する第2電極と、前記nドープ半導体層の表面に形成され、前記nドープ半導体層と導通する第3電極とを備え、前記半導体超格子への印加電圧は、前記第2電極と前記第3電極との間に印加され、前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に印加される電圧は、前記第2電極と前記第1電極との間に印加されてもよい。   Furthermore, a substrate, an n-doped semiconductor layer formed between the substrate and the semiconductor superlattice, a first electrode formed on the surface of the n-type semiconductor layer and electrically connected to the n-type semiconductor layer, A second electrode formed on the surface of the p-type semiconductor layer and electrically connected to the p-type semiconductor layer; and a third electrode formed on the surface of the n-doped semiconductor layer and electrically connected to the n-doped semiconductor layer. The voltage applied to the semiconductor superlattice is applied between the second electrode and the third electrode, and the voltage applied between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is It may be applied between two electrodes and the first electrode.

これにより、半導体超格子への電子注入のための電圧印加と、半導体超格子の各サブバンドのポテンシャルレベルを調整するための電圧印加とが独立になされるので、レーザ発振出力の安定性及び高出力化を実現することが可能となる。また、上記2つの電圧印加の際に、第2電極を共用できるので量子カスケードレーザ素子の小型化が可能となる。   As a result, the voltage application for electron injection into the semiconductor superlattice and the voltage application for adjusting the potential level of each subband of the semiconductor superlattice are made independent. Output can be realized. In addition, since the second electrode can be shared when the two voltages are applied, the quantum cascade laser element can be miniaturized.

なお、本発明は、このような特徴的な手段を備える量子カスケードレーザ素子を光源とした電磁波発生装置として実現できる。なお、ここで「電磁波」とは、当業者が「光」として扱う周波数帯を含むことは言うまでもない。   In addition, this invention is realizable as an electromagnetic wave generator which used the quantum cascade laser element provided with such a characteristic means as a light source. In addition, it cannot be overemphasized that an electromagnetic wave includes the frequency band which those skilled in the art treat as "light" here.

また、本発明は、このような特徴的な手段を備える量子カスケードレーザ素子として実現することができるだけでなく、量子カスケードレーザ素子の駆動方法として実現することができる。   In addition, the present invention can be realized not only as a quantum cascade laser element having such characteristic means but also as a driving method of the quantum cascade laser element.

上記課題を解決するために、本発明に係る量子カスケードレーザ素子の駆動方法は、サブバンド間遷移によってフォトンを放出する半導体超格子を有する量子カスケードレーザ素子の駆動方法であって、前記半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部からの電子注入量を一定にしたまま、前記半導体超格子への印加電圧を掃引させることにより、前記半導体超格子からのレーザ出力が最大になる最適印加電圧値を決定する電圧決定ステップと、前記電圧決定ステップにて決定された前記最適印加電圧値に前記半導体超格子層への印加電圧を固定したまま、前記電子注入部から前記半導体超格子への電子注入量を掃引させることにより、前記半導体超格子からのレーザ出力が最大になる最適電子注入量を決定する電子注入量決定ステップとを含むことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a driving method of a quantum cascade laser device according to the present invention is a driving method of a quantum cascade laser device having a semiconductor superlattice that emits photons by intersubband transition, and the semiconductor superlattice Optimum application in which the laser output from the semiconductor superlattice is maximized by sweeping the applied voltage to the semiconductor superlattice while keeping the amount of electron injection from the electron injection part constant so that electrons can be injected into the semiconductor superlattice. A voltage determining step for determining a voltage value; and while the applied voltage to the semiconductor superlattice layer is fixed to the optimum applied voltage value determined in the voltage determining step, from the electron injection portion to the semiconductor superlattice By sweeping the electron injection amount, an electron injection amount determination step for determining the optimum electron injection amount that maximizes the laser output from the semiconductor superlattice. Tsu, characterized in that it comprises a flop.

この駆動手法により、量子カスケードレーザ素子の最適な動作点を与えることができるので、高効率な動作が可能となる。   Since this driving method can provide an optimum operating point of the quantum cascade laser element, highly efficient operation is possible.

本発明の量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法によれば、半導体超格子の各サブバンドのポテンシャルレベルを調整するための電圧印加と、半導体超格子への電流注入とを独立に制御することができる。よって、レーザ出力量の制御性及び安定性が向上し、また、高出力化を実現することが可能となる。   According to the quantum cascade laser element and the driving method thereof of the present invention, voltage application for adjusting the potential level of each subband of the semiconductor superlattice and current injection into the semiconductor superlattice can be controlled independently. . Therefore, the controllability and stability of the laser output amount can be improved, and high output can be realized.

本発明の第1の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の構成斜視図である。It is a composition perspective view of the quantum cascade laser element concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the band structure figure of the quantum cascade laser element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。5 is a graph showing current-voltage characteristics and current-laser output characteristics of the quantum cascade laser device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の駆動方法を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the drive method of the quantum cascade laser element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)は、低Vcの場合の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフ、(b)は、高Vcの場合の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。(A) is a graph showing the current-voltage characteristics and current-laser output characteristics of the quantum cascade laser element in the case of low Vc, and (b) is the current-voltage characteristics and current of the quantum cascade laser element in the case of high Vc. -A graph representing laser output characteristics. 従来の量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the band structure figure of the conventional quantum cascade laser element. (a)は、従来の量子カスケードレーザ素子に電圧V1を印加した場合の伝導帯のバンド構造図、(b)は、従来の量子カスケードレーザ素子に電圧V2を印加した場合の伝導帯のバンド構造図、(c)は、従来の量子カスケードレーザ素子に電圧V3を印加した場合の伝導帯のバンド構造図、(d)は、従来の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。(A) is a band structure diagram of the conduction band when the voltage V1 is applied to the conventional quantum cascade laser element, and (b) is a band structure of the conduction band when the voltage V2 is applied to the conventional quantum cascade laser element. FIG. 4C is a band structure diagram of a conduction band when a voltage V3 is applied to a conventional quantum cascade laser element. FIG. 4D is a current-voltage characteristic and a current-laser output characteristic of the conventional quantum cascade laser element. It is a graph showing. 本発明の第2の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の構成斜視図である。It is a structure perspective view of the quantum cascade laser element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the band structure figure of the quantum cascade laser element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

本発明の実施の形態における量子カスケードレーザ素子は、サブバンド間遷移によってフォトンを放出させる半導体超格子と、当該半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部とを備える。上記電子注入部は、上記半導体超格子に接しているp型半導体層と、当該p型半導体層に接しているn型半導体層とを備え、上記半導体超格子への電圧印加とは独立して、上記p型半導体層と上記n型半導体層との間に電圧を印加することにより、半導体超格子に電子を注入することができる。これにより、上記半導体超格子の各サブバンドのポテンシャルレベルを変化させることなく電子注入量を制御できる。よって、レーザ発振出力の安定性及び高出力化を実現することが可能となる。   The quantum cascade laser device according to the embodiment of the present invention includes a semiconductor superlattice that emits photons by intersubband transition and an electron injection unit that can inject electrons into the semiconductor superlattice. The electron injection portion includes a p-type semiconductor layer in contact with the semiconductor superlattice and an n-type semiconductor layer in contact with the p-type semiconductor layer, independently of voltage application to the semiconductor superlattice. Electrons can be injected into the semiconductor superlattice by applying a voltage between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. Thereby, the electron injection amount can be controlled without changing the potential level of each subband of the semiconductor superlattice. Therefore, it is possible to realize stability and high output of the laser oscillation output.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の構成斜視図である。同図における量子カスケードレーザ素子1は、GaAs基板11とn+型GaAs層12と、量子カスケード層13と、p型GaAs層14と、n型AlGaAs層15と、第1電極16と、第2電極17と、第3電極18とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a structural perspective view of a quantum cascade laser device according to a first embodiment of the present invention. The quantum cascade laser device 1 in FIG. 1 includes a GaAs substrate 11, an n + -type GaAs layer 12, a quantum cascade layer 13, a p-type GaAs layer 14, an n-type AlGaAs layer 15, a first electrode 16, and a second electrode. An electrode 17 and a third electrode 18 are provided.

GaAs基板11は、半絶縁性基板である。   The GaAs substrate 11 is a semi-insulating substrate.

+型GaAs層12は、GaAs基板11表面上に積層されたnドープ半導体層である。n+型GaAs層12は、例えば、Snドープにより電子濃度が1×1018cm−3であり、また、膜厚は100nmである。 The n + -type GaAs layer 12 is an n-doped semiconductor layer stacked on the surface of the GaAs substrate 11. For example, the n + -type GaAs layer 12 has an electron concentration of 1 × 10 18 cm −3 by Sn doping and a film thickness of 100 nm.

量子カスケード層13は、n+型GaAs層12の表面上に形成され、半導体超格子を構成する。量子カスケード層13は、その両端に所定の電圧を印加することにより、半導体超格子において形成されるサブバンド間のエネルギー遷移が生じる。このエネルギー遷移により、半導体超格子は、フォトンを放出して発光する。量子カスケードレーザ素子1は、一般的な半導体レーザと異なり、発振周波数を、そのレーザを構成する主材料ではなく、その超格子の井戸層、障壁層の厚み及びヘテロ障壁により制御することができる。 The quantum cascade layer 13 is formed on the surface of the n + -type GaAs layer 12 and constitutes a semiconductor superlattice. The quantum cascade layer 13 is subjected to energy transition between subbands formed in the semiconductor superlattice by applying a predetermined voltage to both ends thereof. Due to this energy transition, the semiconductor superlattice emits photons and emits light. Unlike the general semiconductor laser, the quantum cascade laser element 1 can control the oscillation frequency not by the main material constituting the laser but by the thickness of the superlattice well layer, the barrier layer, and the heterobarrier.

量子カスケード層13は、1ユニットをAlGaAs/GaAs/AlGaAs/GaAsとし、例えば、170ユニットから構成された量子カスケード領域を有する。上記1ユニットの各層の膜厚は、例えば、順に、4.8nm/8.2nm/3.7nm/9.3nmであり、合計膜厚は26nmである。また、上記1ユニットに含まれるAlGaAsに対するAl組成は15%である。また、上記1ユニットの各層は、すべてアンドープである。以上より、量子カスケード層13の合計層数は、170×4層=680層となり、合計膜厚は170×26nm=約4.4μmとなる。   The quantum cascade layer 13 is made of AlGaAs / GaAs / AlGaAs / GaAs as one unit, and has a quantum cascade region composed of, for example, 170 units. The film thickness of each layer of the 1 unit is, for example, 4.8 nm / 8.2 nm / 3.7 nm / 9.3 nm in order, and the total film thickness is 26 nm. Moreover, the Al composition with respect to AlGaAs contained in the one unit is 15%. In addition, each layer of the 1 unit is undoped. As described above, the total number of layers of the quantum cascade layer 13 is 170 × 4 layers = 680 layers, and the total film thickness is 170 × 26 nm = about 4.4 μm.

p型GaAs層14は、量子カスケード層13の表面上に積層され、p型半導体層としての機能を有する。p型GaAs層14は、例えば、Mgドープにより正孔濃度が3×1017cm−3であり、また、膜厚は100nmである。p型GaAs層14のドーパントとしてMgを使用した理由は、固相拡散を防ぐためである。 The p-type GaAs layer 14 is stacked on the surface of the quantum cascade layer 13 and has a function as a p-type semiconductor layer. For example, the p-type GaAs layer 14 has a hole concentration of 3 × 10 17 cm −3 by Mg doping and a film thickness of 100 nm. The reason why Mg is used as the dopant of the p-type GaAs layer 14 is to prevent solid phase diffusion.

n型AlGaAs層15は、p型GaAs層14の表面上に積層され、n型半導体層としての機能を有する。n型AlGaAs層15は、例えば、Snドープにより電子濃度が1×1017cm−3であり、また、膜厚は150nmである。また、Al組成は10%である。 The n-type AlGaAs layer 15 is stacked on the surface of the p-type GaAs layer 14 and has a function as an n-type semiconductor layer. For example, the n-type AlGaAs layer 15 has an electron concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 150 nm by Sn doping. The Al composition is 10%.

p型GaAs層14及びn型AlGaAs層15は、それらの接合界面に形成されたpn接合により、量子カスケード層13へ電子を注入する電子注入部としての機能を有する。   The p-type GaAs layer 14 and the n-type AlGaAs layer 15 have a function as an electron injection part that injects electrons into the quantum cascade layer 13 by a pn junction formed at the junction interface between them.

第1電極16は、n型AlGaAs層15の表面上に形成され、電圧源19の一端と接続される。   The first electrode 16 is formed on the surface of the n-type AlGaAs layer 15 and is connected to one end of the voltage source 19.

第2電極17は、n型AlGaAs層15の一部が除去されたp型GaAs層14の表面上に形成され、電圧源19の他端及び電圧源20の一端と接続される。本実施の形態では、低抵抗化のため、第2電極17がn型AlGaAs層15を挟んで2カ所に配置されている。   The second electrode 17 is formed on the surface of the p-type GaAs layer 14 from which a part of the n-type AlGaAs layer 15 is removed, and is connected to the other end of the voltage source 19 and one end of the voltage source 20. In the present embodiment, the second electrode 17 is disposed at two positions with the n-type AlGaAs layer 15 interposed therebetween in order to reduce the resistance.

第3電極18は、量子カスケード層13の一部が除去されたn+型GaAs層12の表面上に形成され、電圧源20の他端に接続される。 The third electrode 18 is formed on the surface of the n + -type GaAs layer 12 from which a part of the quantum cascade layer 13 has been removed, and is connected to the other end of the voltage source 20.

電圧源19は、供給する電圧値を可変できる第1電圧源であり、第2電極17と第1電極16との間に挿入され、第2電極17に対して第1電極16が負になるよう接続されている。   The voltage source 19 is a first voltage source that can vary a supplied voltage value, and is inserted between the second electrode 17 and the first electrode 16, and the first electrode 16 becomes negative with respect to the second electrode 17. So connected.

電圧源19から所定の電圧を印加することにより、p型GaAs層14から量子カスケード層13へ電子が注入される。   By applying a predetermined voltage from the voltage source 19, electrons are injected from the p-type GaAs layer 14 into the quantum cascade layer 13.

電圧源20は、供給する電圧値を可変できる第2電圧源であり、第2電極17と第3電極18との間に挿入され、第2電極17に対して第3電極18が正になるよう接続されている。   The voltage source 20 is a second voltage source that can vary the voltage value to be supplied. The voltage source 20 is inserted between the second electrode 17 and the third electrode 18, and the third electrode 18 becomes positive with respect to the second electrode 17. So connected.

電圧源20から所定の電圧を印加することにより、量子カスケード層13の有する各バンドのエネルギー準位が積層方向に傾斜する。   By applying a predetermined voltage from the voltage source 20, the energy level of each band of the quantum cascade layer 13 is inclined in the stacking direction.

以上の構成により、電圧源19と電圧源20とは独立に電圧設定され得る。よって、量子カスケード層13の有する各バンドのエネルギー準位の傾斜度合いと、p型GaAs層14から量子カスケード層13への電子注入量とが独立に制御され得る。また、2つの電圧源19及び20からの電圧印加の際に、第2電極17が共用されるので、量子カスケードレーザ素子の小型化が可能となる。   With the above configuration, the voltage source 19 and the voltage source 20 can be set independently. Therefore, the inclination of the energy level of each band of the quantum cascade layer 13 and the amount of electrons injected from the p-type GaAs layer 14 into the quantum cascade layer 13 can be controlled independently. Further, since the second electrode 17 is shared when the voltages from the two voltage sources 19 and 20 are applied, the quantum cascade laser element can be reduced in size.

図2は、本発明の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例である。図2に記載されたバンド構造図の縦方向は各バンドのエネルギー準位を表し、横方向は、図1に記載されたX−X’線上の構造を表す。なお、図2には、X−X’線上の構造のうち、GaAs基板11及びn+型GaAs層12の記載を省略し、また、量子カスケード層13のうち3ユニット分のみを記載している。 FIG. 2 is an example of a band structure diagram of the quantum cascade laser device according to the embodiment of the present invention. The vertical direction of the band structure diagram described in FIG. 2 represents the energy level of each band, and the horizontal direction represents the structure on the line XX ′ described in FIG. In FIG. 2, the description of the GaAs substrate 11 and the n + -type GaAs layer 12 in the structure on the XX ′ line is omitted, and only three units of the quantum cascade layer 13 are illustrated. .

本発明にかかる量子カスケードレーザ素子1は、量子カスケード層13としてGaAsを井戸層に、また、AlGaAsを障壁層に用いている。図2中の破線で囲まれた部分が上述した1ユニットである。第1のGaAs井戸が発光井戸132、第2のGaAs井戸が注入井戸134である。本図では3ユニットを示しているが、実際は約170ユニット積層されている。   The quantum cascade laser device 1 according to the present invention uses GaAs as a well layer and AlGaAs as a barrier layer as the quantum cascade layer 13. A portion surrounded by a broken line in FIG. 2 is one unit described above. The first GaAs well is the light emitting well 132, and the second GaAs well is the injection well 134. In this figure, three units are shown, but actually about 170 units are stacked.

この量子カスケード構造には、量子カスケード層13の両端に電圧源20が接続されており、可変電圧Vcが印加されているため、バンドが傾斜している。発光井戸132の下部サブバンド準位132Bと注入井戸134の上部サブバンド準位134Aが等しくなるように電圧を印加すると、共鳴トンネル現象により発光井戸132の電子が注入井戸134へ、また注入井戸134の電子が発光井戸132へ、次々と輸送される。この結果、電子は上から下へ順次流れる。   In this quantum cascade structure, since the voltage source 20 is connected to both ends of the quantum cascade layer 13 and the variable voltage Vc is applied, the band is inclined. When a voltage is applied so that the lower subband level 132B of the light emitting well 132 is equal to the upper subband level 134A of the injection well 134, electrons in the light emitting well 132 are transferred to the injection well 134 and the injection well 134 due to the resonant tunneling phenomenon. Are transported to the light emitting well 132 one after another. As a result, electrons flow sequentially from top to bottom.

このとき、発光井戸132においては、上部サブバンド準位132Aから下部サブバンド準位132Bに電子が移る時、電子はそのエネルギーを失い、テラヘルツ光を放射する。この放射に関わる時定数τ1は、数psecのオーダである。   At this time, in the light emitting well 132, when electrons move from the upper subband level 132A to the lower subband level 132B, the electrons lose their energy and emit terahertz light. The time constant τ1 related to this radiation is on the order of several psec.

一方、注入井戸134においては、上部サブバンド準位134Aと下部サブバンド準位134Bとのエネルギー差を、量子カスケード層13を形成する材料のLO(Longitudinal Optical:縦光学)フォノンエネルギーと同程度にしておく。具体的にはGaAsの場合、35meVである。このようにしておくと、注入井戸134における上部サブバンド準位134Aから下部サブバンド準位134Bへのエネルギー遷移がLOフォノンと共鳴し、サブpsecのオーダの時定数τ2で電子のエネルギー遷移が起こる。   On the other hand, in the injection well 134, the energy difference between the upper subband level 134A and the lower subband level 134B is set to the same level as the LO (longitudinal optical) phonon energy of the material forming the quantum cascade layer 13. Keep it. Specifically, in the case of GaAs, it is 35 meV. By doing so, the energy transition from the upper subband level 134A to the lower subband level 134B in the injection well 134 resonates with the LO phonon, and the energy transition of electrons occurs with the time constant τ2 on the order of sub psec. .

この結果、注入井戸134の上部サブバンド準位134A(=発光井戸132の下部サブバンド準位132B)のエネルギーを有する電子がすばやく消失する。これらのエネルギー遷移における時定数の関係τ1>τ2により、発光井戸132において、上部サブバンド準位132Aにおける電子数が下部サブバンド準位132Bのそれより多い、所謂、反転分布が生じ、各発光井戸にてレーザ発振が生じる。   As a result, electrons having the energy of the upper subband level 134A of the injection well 134 (= lower subband level 132B of the light emitting well 132) are quickly lost. Due to the time constant relationship τ1> τ2 in these energy transitions, a so-called inversion distribution is generated in the light emitting well 132, in which the number of electrons in the upper subband level 132A is larger than that in the lower subband level 132B. Laser oscillation occurs at.

上述したように、量子カスケード層13は、発光井戸132の下部サブバンド準位132Bと注入井戸134の上部サブバンド準位134Aとのポテンシャルを一致させ、発光井戸132の上部サブバンド準位132Aと注入井戸134の下部サブバンド準位134Bとのポテンシャルを一致させることにより、積層方向に電流が流れる(なお、上部サブバンド準位132Aと下部サブバンド準位134Bが一致するのは隣接する井戸であり、図2には描かれていない)。そしてこの電流が流れると同時に、それぞれの発光井戸132にて、その電流量に応じたパワーを有するテラヘルツ波が放出される。上記電流量は、発光井戸132に注入される電子の数が多いほど大きい。従って、発光井戸132への電子注入量を制御することにより、テラヘルツ波の出力量を制御することが可能となる。   As described above, the quantum cascade layer 13 matches the potentials of the lower subband level 132B of the light emission well 132 and the upper subband level 134A of the injection well 134 so that the upper subband level 132A of the light emission well 132 and By matching the potential of the injection well 134 with the lower subband level 134B, a current flows in the stacking direction (note that the upper subband level 132A and the lower subband level 134B match the adjacent wells. Yes, not shown in FIG. At the same time as this current flows, each light emitting well 132 emits a terahertz wave having a power corresponding to the amount of the current. The amount of current increases as the number of electrons injected into the light emitting well 132 increases. Therefore, it is possible to control the output amount of the terahertz wave by controlling the electron injection amount into the light emitting well 132.

従来の量子カスケードレーザ素子では、上記電子注入量を、量子カスケード層の両端に印加する電圧により制御していた。しかしながら、この制御方法にて量子カスケード層への印加電圧を変化させると、半導体超格子の有する各サブバンドのポテンシャルレベルがずれてしまい、テラヘルツ波の放出が不安定となる。   In the conventional quantum cascade laser element, the electron injection amount is controlled by a voltage applied to both ends of the quantum cascade layer. However, if the voltage applied to the quantum cascade layer is changed by this control method, the potential level of each subband of the semiconductor superlattice shifts and the emission of terahertz waves becomes unstable.

これに対し、本発明の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子1は、いったん最適化された量子カスケード層13への印加電圧Vcを変化させずに、量子カスケード層13への電子注入量を制御することが可能である。以下、量子カスケード層13への印加電圧Vcとは独立した電子注入量の制御について説明をする。   On the other hand, the quantum cascade laser device 1 according to the embodiment of the present invention controls the amount of electrons injected into the quantum cascade layer 13 without changing the voltage Vc applied to the quantum cascade layer 13 once optimized. Is possible. Hereinafter, control of the electron injection amount independent of the applied voltage Vc to the quantum cascade layer 13 will be described.

前述したように、量子カスケード層13の表面上には、p型GaAs層14及びn型AlGaAs層15が積層され、電圧源19が接続されている(図2では量子カスケード層13の左側に記載されている)。この構成においては、p型GaAs層14及びn型AlGaAs層15には順方向の電圧が印加され、一般に知られているように、以下の(数1)   As described above, the p-type GaAs layer 14 and the n-type AlGaAs layer 15 are stacked on the surface of the quantum cascade layer 13 and connected to the voltage source 19 (described on the left side of the quantum cascade layer 13 in FIG. 2). Have been). In this configuration, a forward voltage is applied to the p-type GaAs layer 14 and the n-type AlGaAs layer 15, and as generally known, the following (Equation 1)

で表される電流Iが流れる。ここでeは電子素量、kはボルツマン定数、Tは温度であり、Iはp型GaAs層14中の電子の拡散長及びn型AlGaAs層15中の正孔の拡散長などで決まる定数である。n値は界面における再結合などを考慮した値であり、通常1〜2の値を取る。立ち上がり電圧はおよそビルトイン電圧に等しく、Vi=約1.5Vから電流が流れ始める。 A current I represented by Here, e is the elementary electron content, k is the Boltzmann constant, T is the temperature, and I 0 is a constant determined by the diffusion length of electrons in the p-type GaAs layer 14 and the diffusion length of holes in the n-type AlGaAs layer 15. It is. The n value is a value considering recombination at the interface and usually takes a value of 1 to 2. The rising voltage is approximately equal to the built-in voltage, and current starts to flow from Vi = about 1.5V.

一方、p型GaAs層14と量子カスケード層13との間には逆方向の電圧が印加される。量子カスケード層はアンドープであるため、ほとんどの空乏層は量子カスケード層13に形成される。すなわち印加電圧Vcのほとんどは量子カスケード層に印加されると考えてよい。量子カスケード層13には1ユニットあたり50meVを印加することにより、発光井戸132の下部サブバンド準位132Bが注入井戸134の上部サブバンド準位134Aに一致し、同時に、発光井戸132の上部サブバンド準位132Aが注入井戸134の下部サブバンド準位134Bに一致し、障壁層131及び133を共鳴トンネリングにより、順次電子が通過する。本実施の形態では量子カスケード層13が170ユニットであり、Vc=8.9Vを印加している。この印加電圧Vc値は一定とする。この結果、量子カスケード層13に加わる電圧も一定になる。したがって、注入電流量に係わらず、量子カスケード層の各サブバンドはレーザ発振に必要な状態に固定される。一方、量子カスケード層13への電子注入量は、上述した(数1)で表されるIで決定され、印加電圧Vcとは独立に、電圧源19で設定されるViに応じた値をとる。なお、Vc値の決定方法については後述する。   On the other hand, a reverse voltage is applied between the p-type GaAs layer 14 and the quantum cascade layer 13. Since the quantum cascade layer is undoped, most of the depletion layers are formed in the quantum cascade layer 13. That is, it can be considered that most of the applied voltage Vc is applied to the quantum cascade layer. By applying 50 meV per unit to the quantum cascade layer 13, the lower subband level 132 B of the light emitting well 132 coincides with the upper subband level 134 A of the injection well 134, and at the same time, the upper subband of the light emitting well 132. The level 132A coincides with the lower subband level 134B of the injection well 134, and electrons sequentially pass through the barrier layers 131 and 133 by resonance tunneling. In this embodiment, the quantum cascade layer 13 is 170 units, and Vc = 8.9 V is applied. The applied voltage Vc value is constant. As a result, the voltage applied to the quantum cascade layer 13 is also constant. Therefore, regardless of the amount of injected current, each subband of the quantum cascade layer is fixed in a state necessary for laser oscillation. On the other hand, the amount of electrons injected into the quantum cascade layer 13 is determined by I represented by the above-described (Equation 1), and takes a value corresponding to Vi set by the voltage source 19 independently of the applied voltage Vc. . The method for determining the Vc value will be described later.

なお、p型GaAs層14の厚みは、p型GaAs層14中の電子拡散距離よりも小さいことが好ましい。これにより、量子カスケード層13への電子注入効率を上げることができる。ここで、拡散距離について説明をし、本実施の形態におけるp型GaAs層14中の電子拡散距離を求めておく。   Note that the thickness of the p-type GaAs layer 14 is preferably smaller than the electron diffusion distance in the p-type GaAs layer 14. Thereby, the electron injection efficiency into the quantum cascade layer 13 can be increased. Here, the diffusion distance is described, and the electron diffusion distance in the p-type GaAs layer 14 in the present embodiment is obtained.

一般に、拡散距離Lは以下の(数2)で与えられる。   Generally, the diffusion distance L is given by the following (Equation 2).

ここでDは拡散定数であり、τは少数キャリア寿命である。また、拡散定数Dと移動度μとは以下の(数3)   Here, D is a diffusion constant, and τ is a minority carrier lifetime. Further, the diffusion constant D and the mobility μ are expressed by the following (Equation 3).

で表される関係がある。ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電子素量である。本実施の形態では、p型GaAs層14(μ=3000cm/Vs)を通過する電子(少数キャリア)についての拡散距離が、求められるべき値である。式3に、室温(=300K)及びμを代入すると、D=78cm/sとなる。GaAsでは、τ〜10nsより、式2から、拡散距離L=8.8μmが求められる。一方、p型GaAs層14の厚みは100nmであり、本実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子1の構造では、求められた拡散距離Lより十分に小さいことが解る。 There is a relationship represented by Here, k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, and q is an electron elementary quantity. In the present embodiment, the diffusion distance for electrons (minority carriers) passing through the p-type GaAs layer 14 (μ = 3000 cm 2 / Vs) is a value to be obtained. Substituting room temperature (= 300K) and μ into Equation 3, D = 78 cm 2 / s. In GaAs, the diffusion distance L = 8.8 μm is obtained from Equation 2 from τ to 10 ns. On the other hand, the thickness of the p-type GaAs layer 14 is 100 nm, and it is understood that the structure of the quantum cascade laser device 1 according to the present embodiment is sufficiently smaller than the obtained diffusion distance L.

また、n型AlGaAs層15のバンドギャップは、p型GaAs層14のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。一般に、p型半導体層とn型半導体層とのpn接合部では、電子と正孔の相互注入が生じる。この構成により、n型AlGaAs層15とp型GaAs層14との間のpn接合部では、正孔よりも電子の注入を大きくすることができ、量子カスケード層13への電子注入効率を上げることができる。   The band gap of the n-type AlGaAs layer 15 is preferably larger than the band gap of the p-type GaAs layer 14. Generally, mutual injection of electrons and holes occurs at the pn junction between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. With this configuration, at the pn junction between the n-type AlGaAs layer 15 and the p-type GaAs layer 14, it is possible to inject electrons larger than holes and increase the efficiency of electron injection into the quantum cascade layer 13. Can do.

図3は、本発明の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。横軸は、量子カスケード層13への注入電流Icを表し、縦軸は、n型AlGaAs層15−p型GaAs層14間に印加する電圧Vi(図中左側軸)、及び、テラヘルツ波発振出力パワー(図中右側軸)を表す。発振周波数は約2.7THzである。電圧源20による量子カスケード層への印加電圧Vcは、上述したように、8.9Vで一定である。この定電圧値は、発光井戸132の下部サブバンド準位132Bが注入井戸134の上部サブバンド準位134Aに一致し、同時に、発光井戸132の上部サブバンド準位132Aが注入井戸134の下部サブバンド準位134Bに一致し、障壁層131及び133を共鳴トンネリングにより、順次電子が通過するための電圧値である。図3に記載された本発明の量子カスケードレーザ素子1の電流−電圧特性は、図7(d)に記載された従来の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性に見られるようなキンク(図7(d)中の領域(a)と領域(b)との間の屈曲部)がなく、広範な注入電流Icにおいて滑らかである。また、従来の量子カスケードレーザ素子では、注入電流Icを増やそうとして印加電圧をかけると、図7(c)のように、サブバンド準位が大きくずれてしまい、電流が流れなくなり、図7(d)における領域(c)のように、出力が低下してしまう。   FIG. 3 is a graph showing current-voltage characteristics and current-laser output characteristics of the quantum cascade laser device according to the embodiment of the present invention. The horizontal axis represents the injection current Ic to the quantum cascade layer 13, and the vertical axis represents the voltage Vi (left axis in the figure) applied between the n-type AlGaAs layer 15 and the p-type GaAs layer 14 and the terahertz wave oscillation output. Represents power (right axis in the figure). The oscillation frequency is about 2.7 THz. The voltage Vc applied to the quantum cascade layer by the voltage source 20 is constant at 8.9 V as described above. The constant voltage value is such that the lower subband level 132B of the light emission well 132 matches the upper subband level 134A of the injection well 134, and at the same time, the upper subband level 132A of the light emission well 132 is lower than the lower subband level of the injection well 134. This is a voltage value that corresponds to the band level 134B and that allows electrons to sequentially pass through the barrier layers 131 and 133 by resonant tunneling. The current-voltage characteristics of the quantum cascade laser device 1 of the present invention shown in FIG. 3 are kink as shown in the current-voltage characteristics of the conventional quantum cascade laser device shown in FIG. (D) there is no bend between the region (a) and the region (b), and it is smooth over a wide range of injection current Ic. Further, in the conventional quantum cascade laser element, when an applied voltage is applied to increase the injection current Ic, the subband level is greatly shifted as shown in FIG. As in the area (c) in d), the output decreases.

これに対し、本発明の量子カスケードレーザ素子1では、注入電流Icを増加させても、量子カスケード層13に印加される電圧Vcは変化することがないので、サブバンド準位のレベルがずれることがない。この結果、広範囲な注入電流Ic(約1A付近まで)を供給することが可能となり、ダイナミックレンジの広いテラヘルツ波の出力が得られ、かつ、高出力状態を保持することが可能となる。   On the other hand, in the quantum cascade laser device 1 of the present invention, even if the injection current Ic is increased, the voltage Vc applied to the quantum cascade layer 13 does not change, so that the level of the subband level shifts. There is no. As a result, a wide range of injected current Ic (up to about 1 A) can be supplied, a terahertz wave output with a wide dynamic range can be obtained, and a high output state can be maintained.

次に、本発明の第1の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の駆動方法について説明する。   Next, a method for driving the quantum cascade laser device according to the first embodiment of the present invention will be described.

図4は、本発明の第1の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子の駆動方法を表すフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart showing a driving method of the quantum cascade laser element according to the first embodiment of the present invention.

まず初期状態として、無バイアス状態にする。つまり、量子カスケード層13への印加電圧Vc及びn型AlGaAs層15−p型GaAs層14間への印加電圧Viをともに0に設定する(S10)。ここで、ΔVc(=0.1V)及びΔVi(=0.1V)は、それぞれ、Vc及びViを少しずつ増加させるときのステップ量である。また、パラメータPpの初期値を0に設定する。 First, as an initial state, a non-bias state is set. That is, the applied voltage Vc to the quantum cascade layer 13 and the applied voltage Vi between the n-type AlGaAs layer 15 and the p-type GaAs layer 14 are both set to 0 (S10). Here, [Delta] Vc (= 0.1 V) and [Delta] Vi (= 0.1 V), respectively, is a step amount when increasing V c and V i gradually. The initial value of the parameter Pp is set to 0.

次に、ViにVbiを与える(S11)。Vbiは立ち上がり電圧と呼ばれ、pn接合に電流が流れ始める電圧である。この値は、概ねバンドギャップに等しい。この時、あまりに電流が小さいとレーザ出力Poは常にゼロとなる。この間、パラメータPp=0とする。   Next, Vbi is given to Vi (S11). Vbi is called a rising voltage, and is a voltage at which current starts to flow through the pn junction. This value is approximately equal to the band gap. At this time, if the current is too small, the laser output Po is always zero. During this time, the parameter Pp = 0.

以降のステップでは、量子カスケード層13への印加電圧Vcを掃引することにより、Vcの最適化を実行する。   In subsequent steps, optimization of Vc is performed by sweeping the applied voltage Vc to the quantum cascade layer 13.

次に、レーザ出力PoとパラメータPpとの比較を行う(S12)。初期状態では、Po=Pp(=0)である(S12でNo)。   Next, the laser output Po is compared with the parameter Pp (S12). In the initial state, Po = Pp (= 0) (No in S12).

次に、Vc値の増加回数が所定回数となったかを判断する(S13)。Vc値の増加回数が所定回数となれば、ViをΔViだけ増加させて、ステップS12を実行する(S13でYes)。   Next, it is determined whether the number of increases in the Vc value has reached a predetermined number (S13). If the increase count of the Vc value reaches the predetermined count, Vi is increased by ΔVi, and step S12 is executed (Yes in S13).

また、Vc値の増加回数が所定回数でなければ、パラメータPpをレーザ出力Poとし(S14)、VcをΔVcだけ増加する(S15)。ここで、Vc=Vbiである初期状態では、いくらステップS15でVcを増加させても、pn接合から供給される電流は一定であるので、Po=0のままである。よって、ステップS13にて、Vc値の増加回数が所定回数となることにより、Viを少し増加させ、さらにはステップS15にてVcを増加させる。レーザ光の出力が検出されるまで、以上のステップS12〜ステップS15を繰り返す。   If the increase number of the Vc value is not the predetermined number, the parameter Pp is set to the laser output Po (S14), and Vc is increased by ΔVc (S15). Here, in the initial state where Vc = Vbi, no matter how much Vc is increased in step S15, since the current supplied from the pn junction is constant, Po = 0 remains. Therefore, Vi is slightly increased by increasing the number of increases in the Vc value in step S13, and Vc is further increased in step S15. The above steps S12 to S15 are repeated until the output of the laser beam is detected.

次に、レーザ光の出力が検出されると、Vcの増加とともに、レーザ出力Poの値がゼロからある値に増加する。このとき、ステップS14では、パラメータPpは、0でないPo値に書き換えられる。   Next, when the output of the laser beam is detected, the value of the laser output Po increases from zero to a certain value as Vc increases. At this time, in step S14, the parameter Pp is rewritten to a non-zero Po value.

次に、ステップS15にて、VcがΔVcだけ増加することにより、レーザ出力Poは増加する。   Next, in step S15, the laser output Po increases as Vc increases by ΔVc.

次に、ステップS12にて、Po>Ppとなる(S12でNo)。この結果、次のループでは、Vcがさらに増加し、レーザ出力Poは益々大きくなり、ステップS12ではNoのループが繰り返される。   Next, in step S12, Po> Pp (No in S12). As a result, in the next loop, Vc further increases and the laser output Po becomes larger and the No loop is repeated in step S12.

やがて、Vcが最適値を超えると、ステップS15でVcを増加させることにより、レーザ出力Poが減少する。この結果、ステップS12では、Po<Ppとなる(S12でYes)。この出力低下は、レーザ出力Poが最適値をちょうど超えたことを示している。   Eventually, when Vc exceeds the optimum value, the laser output Po is decreased by increasing Vc in step S15. As a result, in step S12, Po <Pp (Yes in S12). This decrease in output indicates that the laser output Po has just exceeded the optimum value.

よって、次に、Vcを1ステップ分だけ下げて、Vcを最適印加電圧値にする(S16)。   Therefore, next, Vc is lowered by one step, and Vc is set to the optimum applied voltage value (S16).

以上のようにステップS12〜S16を実行することにより、Vcが最適化される。   As described above, Vc is optimized by executing steps S12 to S16.

上述したVc最適化の段階では、まだレーザ出力が小さく目標設定値に達していないことが想定される。   At the stage of Vc optimization described above, it is assumed that the laser output is still small and has not reached the target set value.

よって、以降のステップでは、上述したVcの最適化の後、Viを掃引することにより、Viの最適化を実行してレーザ出力を目標設定値に到達させる。   Therefore, in the subsequent steps, after the above-described optimization of Vc, by sweeping Vi, the optimization of Vi is executed and the laser output reaches the target set value.

まず、レーザ出力Poとレーザ出力目標値Paとを比較する(S17)。   First, the laser output Po is compared with the laser output target value Pa (S17).

レーザ出力Poがレーザ出力目標値Paを超えていなければ(ステップS17でNo)、ViをΔViだけ増加させ(S18)、再度、レーザ出力Poとレーザ出力目標値Paとを比較する(S17)。   If the laser output Po does not exceed the laser output target value Pa (No in step S17), Vi is increased by ΔVi (S18), and the laser output Po is compared with the laser output target value Pa again (S17).

レーザ出力Poがレーザ出力目標値Paを超えれば(ステップS17でYes)、p型GaAs層14からの電子注入量が最適電子注入量に到達したと判断し、レーザ出力の調整を終了する(調整終了)。   If the laser output Po exceeds the laser output target value Pa (Yes in step S17), it is determined that the electron injection amount from the p-type GaAs layer 14 has reached the optimum electron injection amount, and the adjustment of the laser output is finished (adjustment). End).

以上により、ステップS17及びステップS18では、Vcが最適な状態で、レーザ出力を最適化することができる。   As described above, in step S17 and step S18, the laser output can be optimized while Vc is optimal.

上述した本発明に係る量子カスケードレーザ素子1の駆動方法によれば、Vcが最適状態となっているので、無効電流がなく高効率動作が可能となる。   According to the driving method of the quantum cascade laser device 1 according to the present invention described above, since Vc is in an optimum state, there is no reactive current and high-efficiency operation is possible.

なお、ΔVc及びΔViは、量子カスケード層を構成する材料、ユニット数、レーザ出力目標値などを考慮して決定される値であり、上述した値に限定されるものではない。   ΔVc and ΔVi are values determined in consideration of the material constituting the quantum cascade layer, the number of units, the laser output target value, and the like, and are not limited to the values described above.

また、Vc及びViの決定方法については、上述した駆動方法に限られない。例えば、Vc値を変化させるたびに、図5に記載された量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を取得し、パーソナルコンピュータでそれらの特性をモニタすることにより、より広範囲なIcにおいてレーザ出力が得られ、かつ、レーザ高出力が得られるVc及びVi値を決定することが可能である。   Further, the method of determining Vc and Vi is not limited to the driving method described above. For example, each time the Vc value is changed, the current-voltage characteristics and current-laser output characteristics of the quantum cascade laser device described in FIG. 5 are obtained, and these characteristics are monitored by a personal computer. It is possible to determine the Vc and Vi values at which a laser output is obtained at Ic and a high laser output is obtained.

図5(a)は、低Vcの場合の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフであり、図5(b)は、高Vcの場合の量子カスケードレーザ素子の電流−電圧特性及び電流−レーザ出力特性を表すグラフである。Vc値が最適値より小さい図5(a)では、量子カスケード層13には、高抵抗ながらも電流が流れるが、テラヘルツ波の出力にはほとんど寄与しない。一方、Vc値が最適値より大きい図5(b)では、量子カスケード層13は非常に高抵抗になり、電流がほとんど流れなくなる。   FIG. 5A is a graph showing current-voltage characteristics and current-laser output characteristics of the quantum cascade laser element in the case of low Vc, and FIG. 5B is a graph of the quantum cascade laser element in the case of high Vc. It is a graph showing a current-voltage characteristic and a current-laser output characteristic. In FIG. 5A where the Vc value is smaller than the optimum value, a current flows through the quantum cascade layer 13 with high resistance, but hardly contributes to the output of the terahertz wave. On the other hand, in FIG. 5B in which the Vc value is larger than the optimum value, the quantum cascade layer 13 has a very high resistance, and current hardly flows.

以上のように、本実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子には以下の特徴がある。   As described above, the quantum cascade laser device according to the present embodiment has the following characteristics.

(1)従来、ほぼピンポイント的にしか存在しなかった量子カスケードレーザ素子の出力動作点を、本発明では、広範囲な注入電流に対して直線的に与えることができる。この結果、制御性が容易になる。   (1) In the present invention, the output operating point of a quantum cascade laser element which has conventionally existed only in a pinpoint manner can be given linearly over a wide range of injection currents. As a result, controllability is facilitated.

(2)従来、量子カスケード層に電流を流すためには、サブバンドのレベルを合致させるため、10V前後の高い駆動電圧が必要であった。これに対して、本発明の構造では、量子カスケード層に電流を流すための駆動電圧は、量子カスケード層に接するp型層/n型層の立ち上がり電圧程度でよく、本実施の形態のように、p型層/n型層をGaAs/AlGaAs構造とした場合では、約5V前後の駆動電圧で電流を流すことができ、高効率な発光素子を実現できる。   (2) Conventionally, in order to pass a current through the quantum cascade layer, a high driving voltage of about 10 V has been required to match the subband levels. On the other hand, in the structure of the present invention, the driving voltage for passing a current through the quantum cascade layer may be about the rising voltage of the p-type layer / n-type layer in contact with the quantum cascade layer, as in this embodiment. In the case where the p-type layer / n-type layer has a GaAs / AlGaAs structure, a current can be passed with a drive voltage of about 5 V, and a highly efficient light-emitting element can be realized.

以上のように、本発明の量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法に従えば、量子カスケード層の有するサブバンド状態が常に発振可能な状態に固定されたまま、量子カスケード層への電流注入を、量子カスケード層への電圧印加とは独立に制御することができる。テラヘルツ波の発生量は注入電流数に比例することから、本発明によれば、発光量も単独に制御することが可能であり、レーザ発振出力の安定性及び高出力化を実現することが可能となる。   As described above, according to the quantum cascade laser device and the driving method thereof of the present invention, current injection into the quantum cascade layer is performed while the subband state of the quantum cascade layer is always fixed in a oscillatable state. It can be controlled independently of voltage application to the cascade layer. Since the amount of generated terahertz waves is proportional to the number of injected currents, according to the present invention, the amount of emitted light can be controlled independently, and the stability and high output of the laser oscillation output can be realized. It becomes.

(第2の実施の形態)
図8は、本発明の第2の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子701の構成斜視図である。同図における量子カスケードレーザ素子701は、導電性GaN基板711とn+型GaN層712と、量子カスケード層713と、p型InGaN層714と、n型AlGaN層715と、第1電極716と、第2電極717と、裏面に第3電極718とを備える。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a structural perspective view of a quantum cascade laser element 701 according to the second embodiment of the present invention. The quantum cascade laser element 701 in the figure includes a conductive GaN substrate 711, an n + -type GaN layer 712, a quantum cascade layer 713, a p-type InGaN layer 714, an n-type AlGaN layer 715, a first electrode 716, A second electrode 717 and a third electrode 718 on the back surface are provided.

出射赤外光の波長は約6μmである。   The wavelength of the outgoing infrared light is about 6 μm.

+型GaN層712は、GaN基板711表面上に積層されたnドープ半導体層である。n+型GaN層712は、例えば、Siドープにより電子濃度が1×1018cm−3であり、また、膜厚は500nmである。 The n + -type GaN layer 712 is an n-doped semiconductor layer stacked on the surface of the GaN substrate 711. For example, the n + -type GaN layer 712 has an electron concentration of 1 × 10 18 cm −3 by Si doping and a film thickness of 500 nm.

量子カスケード層713は、n+型GaN層712の表面上に形成され、半導体超格子を構成する。量子カスケード層713は、その両端に所定の電圧を印加することにより、半導体超格子において形成されるサブバンド間のエネルギー遷移が生じる。このエネルギー遷移により、半導体超格子は、フォトンを放出して発光する。量子カスケードレーザ素子701は、一般的な半導体レーザと異なり、発振周波数を、そのレーザを構成する主材料ではなく、その超格子の井戸層、障壁層の厚み及びヘテロ障壁により制御することができる。 The quantum cascade layer 713 is formed on the surface of the n + -type GaN layer 712 and constitutes a semiconductor superlattice. The quantum cascade layer 713 generates energy transition between subbands formed in the semiconductor superlattice by applying a predetermined voltage to both ends thereof. Due to this energy transition, the semiconductor superlattice emits photons and emits light. Unlike a general semiconductor laser, the quantum cascade laser element 701 can control the oscillation frequency not by the main material constituting the laser but by the thickness of the superlattice well layer, the barrier layer, and the heterobarrier.

量子カスケード層713は、1ユニットをAlInN/GaN/AlInN/GaNとし、例えば、100ユニットから構成された量子カスケード領域を有する。上記1ユニットの各層の膜厚は、例えば、順に、2.5nm/3.5nm/1.5nm/4.5nmであり、合計膜厚は12nmである。また、上記1ユニットに含まれるAlInNに対するIn組成は約17%であり、AlInNとGaNは格子整合している。このため、ユニットを多数積層しても格子歪みによるクラックの恐れがなく、高出力の量子カスケ−ド層を実現できる。また、上記1ユニットの各層は、すべてアンドープである。以上より、量子カスケード層713の合計層数は、100×4層=400層となり、合計膜厚は100×12nm=約1.2μmとなる。   The quantum cascade layer 713 includes one unit of AlInN / GaN / AlInN / GaN, and has a quantum cascade region composed of, for example, 100 units. The film thickness of each layer of the 1 unit is, for example, 2.5 nm / 3.5 nm / 1.5 nm / 4.5 nm in order, and the total film thickness is 12 nm. In addition, the In composition relative to AlInN contained in one unit is about 17%, and AlInN and GaN are lattice-matched. Therefore, even if a large number of units are stacked, there is no risk of cracking due to lattice distortion, and a high-power quantum cascade layer can be realized. In addition, each layer of the 1 unit is undoped. From the above, the total number of layers of the quantum cascade layer 713 is 100 × 4 layers = 400 layers, and the total film thickness is 100 × 12 nm = about 1.2 μm.

p型InGaN層714は、量子カスケード層713の表面上に積層され、p型半導体層としての機能を有する。p型InGaN層14は、例えば、Mgドープにより正孔濃度が1×1018cm−3であり、また、膜厚は50nmである。 The p-type InGaN layer 714 is stacked on the surface of the quantum cascade layer 713 and functions as a p-type semiconductor layer. For example, the p-type InGaN layer 14 has a hole concentration of 1 × 10 18 cm −3 by Mg doping and a film thickness of 50 nm.

n型AlGaN層715は、p型InGaN層714の表面上に積層され、n型半導体層としての機能を有する。n型AlGaN層715は、例えば、Siドープにより電子濃度が5×1017cm−3であり、また、膜厚は150nmである。また、Al組成は10%である。 The n-type AlGaN layer 715 is stacked on the surface of the p-type InGaN layer 714 and functions as an n-type semiconductor layer. For example, the n-type AlGaN layer 715 has an electron concentration of 5 × 10 17 cm −3 by Si doping and a film thickness of 150 nm. The Al composition is 10%.

p型InGaN層714及びn型AlGaN層715は、それらの接合界面に形成されたpn接合により、量子カスケード層713へ電子を注入する電子注入部としての機能を有する。   The p-type InGaN layer 714 and the n-type AlGaN layer 715 have a function as an electron injection part that injects electrons into the quantum cascade layer 713 by a pn junction formed at the junction interface between them.

第1電極716は、n型AlGaN層715の表面上に形成され、電圧源719の一端と接続される。   The first electrode 716 is formed on the surface of the n-type AlGaN layer 715 and is connected to one end of the voltage source 719.

第2電極717は、n型AlGaN層715の一部が除去されたp型InGaN層714の表面上に形成され、電圧源719の他端及び電圧源720の一端と接続される。本実施の形態では、低抵抗化のため、第2電極717がn型AlGaN層715を挟んで2カ所に配置されている。   The second electrode 717 is formed on the surface of the p-type InGaN layer 714 from which a part of the n-type AlGaN layer 715 has been removed, and is connected to the other end of the voltage source 719 and one end of the voltage source 720. In the present embodiment, the second electrode 717 is disposed at two positions with the n-type AlGaN layer 715 interposed therebetween in order to reduce the resistance.

第3電極718は、基板711の裏面上に形成され、電圧源720の他端に接続される。   The third electrode 718 is formed on the back surface of the substrate 711 and is connected to the other end of the voltage source 720.

電圧源719は、供給する電圧値を可変できる第1電圧源であり、第2電極717と第1電極716との間に挿入され、第2電極717に対して第1電極716が負になるよう接続されている。   The voltage source 719 is a first voltage source that can vary the voltage value to be supplied, is inserted between the second electrode 717 and the first electrode 716, and the first electrode 716 becomes negative with respect to the second electrode 717. So connected.

電圧源719から所定の電圧を印加することにより、p型InGaN層714から量子カスケード層713へ電子が注入される。   By applying a predetermined voltage from the voltage source 719, electrons are injected from the p-type InGaN layer 714 into the quantum cascade layer 713.

電圧源720は、供給する電圧値を可変できる第2電圧源であり、第2電極717と第3電極718との間に挿入され、第2電極717に対して第3電極718が正になるよう接続されている。   The voltage source 720 is a second voltage source that can vary the voltage value to be supplied, and is inserted between the second electrode 717 and the third electrode 718, and the third electrode 718 becomes positive with respect to the second electrode 717. So connected.

電圧源720から所定の電圧を印加することにより、量子カスケード層713の有する各バンドのエネルギー準位が積層方向に傾斜する。   By applying a predetermined voltage from the voltage source 720, the energy level of each band of the quantum cascade layer 713 is inclined in the stacking direction.

以上の構成により、電圧源719と電圧源720とは独立に電圧設定され得る。よって、量子カスケード層713の有する各バンドのエネルギー準位の傾斜度合いと、p型InGaN層714から量子カスケード層713への電子注入量とが独立に制御され得る。また、2つの電圧源719及び720からの電圧印加の際に、第2電極17が共用されるので、量子カスケードレーザ素子の小型化が可能となる。   With the above configuration, the voltage source 719 and the voltage source 720 can be set independently. Therefore, the degree of inclination of the energy level of each band of the quantum cascade layer 713 and the amount of electrons injected from the p-type InGaN layer 714 to the quantum cascade layer 713 can be controlled independently. Further, since the second electrode 17 is shared when the voltages from the two voltage sources 719 and 720 are applied, the quantum cascade laser element can be reduced in size.

図9は、本発明の実施の形態に係る量子カスケードレーザ素子のバンド構造図の一例である。図9に記載されたバンド構造図の縦方向は各バンドのエネルギー準位を表し、横方向は、図8に記載されたY−Y’線上の構造を表す。なお、図9には、Y−Y’線上の構造のうち、GaN基板711及びn+型GaN層712の記載を省略し、また、量子カスケード層713のうち3ユニット分のみを記載している。 FIG. 9 is an example of a band structure diagram of the quantum cascade laser device according to the embodiment of the present invention. The vertical direction of the band structure diagram shown in FIG. 9 represents the energy level of each band, and the horizontal direction represents the structure on the YY ′ line shown in FIG. In FIG. 9, in the structure on the YY ′ line, the description of the GaN substrate 711 and the n + -type GaN layer 712 is omitted, and only three units of the quantum cascade layer 713 are illustrated. .

本発明にかかる量子カスケードレーザ素子701は、量子カスケード層713としてGaNを井戸層に、また、AlGaNを障壁層に用いている。図中の一点鎖線で囲まれた部分が上述した1ユニットである。第1のGaN井戸が発光井戸732、第2のGaN井戸が注入井戸734である。本図では3ユニットを示しているが、実際は約100ユニット積層されている。   The quantum cascade laser device 701 according to the present invention uses GaN as a well layer and AlGaN as a barrier layer as the quantum cascade layer 713. The portion surrounded by the one-dot chain line in the figure is one unit described above. The first GaN well is the light emitting well 732, and the second GaN well is the injection well 734. Although three units are shown in this figure, in actuality, about 100 units are stacked.

この量子カスケード構造には、量子カスケード層713の両端に電圧源720が接続されており、可変電圧Vcが印加されているため、バンドが傾斜している。発光井戸732の下部サブバンド準位732Bと注入井戸734の上部サブバンド準位734Aが等しくなるように電圧を印加すると、共鳴トンネル現象により発光井戸732の電子が注入井戸734へ、また注入井戸734の電子が発光井戸732へ、次々と輸送される。この結果、電子は上から下へ順次流れる。   In this quantum cascade structure, the voltage source 720 is connected to both ends of the quantum cascade layer 713 and the variable voltage Vc is applied, so that the band is inclined. When a voltage is applied so that the lower subband level 732B of the light emitting well 732 is equal to the upper subband level 734A of the injection well 734, electrons in the light emitting well 732 are transferred to the injection well 734 and the injection well 734 due to resonance tunneling. Are transported to the light emitting well 732 one after another. As a result, electrons flow sequentially from top to bottom.

このとき、発光井戸732においては、上部サブバンド準位732Aから下部サブバンド準位732Bに電子が移る時、電子はそのエネルギーを失い、赤外光を放射する。   At this time, in the light emitting well 732, when electrons move from the upper subband level 732A to the lower subband level 732B, the electrons lose their energy and emit infrared light.

一方、注入井戸734においては、上部サブバンド準位734Aと下部サブバンド準位734Bとの間に多数の準位を形成させる(図示せず)。このようにしておくと、注入井戸734における上部サブバンド準位734Aから下部サブバンド準位734Bへのエネルギー遷移がなめらかに起こる(いわゆるBound−to−Continuum構造)。   On the other hand, in the injection well 734, a number of levels are formed between the upper subband level 734A and the lower subband level 734B (not shown). In this way, energy transition from the upper subband level 734A to the lower subband level 734B in the injection well 734 occurs smoothly (so-called Bound-to-Continum structure).

この結果、注入井戸734の上部サブバンド準位734A(=発光井戸732の下部サブバンド準位732B)のエネルギーを有する電子がすばやく消失する。この結果、反転分布が生じ、各発光井戸にてレーザ発振が生じる。   As a result, electrons having the energy of the upper subband level 734A of the injection well 734 (= the lower subband level 732B of the light emission well 732) quickly disappear. As a result, an inversion distribution occurs and laser oscillation occurs in each light emitting well.

上述したように、量子カスケード層713は、発光井戸732の下部サブバンド準位732Bと注入井戸734の上部サブバンド準位734Aとのポテンシャルを一致させ、発光井戸732の上部サブバンド準位732Aと注入井戸734の下部サブバンド準位734Bとのポテンシャルを一致させることにより、積層方向に電流が流れる。そしてこの電流が流れると同時に、それぞれの発光井戸732にて、その電流量に応じたパワーを有する赤外光が放出される。上記電流量は、発光井戸732に注入される電子の数が多いほど大きい。従って、発光井戸732への電子注入量を制御することにより、赤外光の出力量を制御することが可能となる。   As described above, the quantum cascade layer 713 matches the potentials of the lower subband level 732B of the light emission well 732 and the upper subband level 734A of the injection well 734 so that the upper subband level 732A of the light emission well 732 and By matching the potential with the lower subband level 734B of the injection well 734, a current flows in the stacking direction. At the same time as this current flows, each light emitting well 732 emits infrared light having a power corresponding to the amount of the current. The amount of current increases as the number of electrons injected into the light emitting well 732 increases. Accordingly, the amount of infrared light output can be controlled by controlling the amount of electrons injected into the light emitting well 732.

なお、第2の実施の形態としてp型InGaN層714と、n型AlGaN層715を用いたが、それぞれ、p型GaNとn型AlGaNの組み合わせでもよい。   Although the p-type InGaN layer 714 and the n-type AlGaN layer 715 are used as the second embodiment, a combination of p-type GaN and n-type AlGaN may be used.

またGaN基板は、極性面(c面)でも無極性面(a面、m面)、(20−21)のような半極性面でも同様な効果を量子カスケードレーザに与えることができる。   In addition, the GaN substrate can give the same effect to the quantum cascade laser regardless of whether it is a polar plane (c plane), a nonpolar plane (a plane, m plane), or a semipolar plane such as (20-21).

以上、実施の形態について述べてきたが、本発明に係る量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る量子カスケードレーザ素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。   Although the embodiments have been described above, the quantum cascade laser element and the driving method thereof according to the present invention are not limited to the above embodiments. Modifications obtained by various modifications conceived by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention with respect to the embodiments, and various apparatuses incorporating the quantum cascade laser element according to the present invention are also included in the present invention.

例えば、本発明の量子カスケードレーザ素子を光源としたテラヘルツ発生装置が挙げられる。本発明の量子カスケードレーザ素子を光源として用いることにより、テラヘルツ波の放射量の制御性及び安定性が良好で、かつ、高出力可能なテラヘルツ発生装置を実現することが可能となる。   For example, a terahertz generator using the quantum cascade laser element of the present invention as a light source can be mentioned. By using the quantum cascade laser element of the present invention as a light source, it is possible to realize a terahertz generator that is excellent in controllability and stability of the radiation amount of terahertz waves and is capable of high output.

なお、本発明では、量子カスケード層としてGaAs/AlGaAs系材料やGaN/AlInN系材料を用いたが、GaN/AlGaN、GaN/AlNといったInGaAlN系材料、InGaAs/AlInAs材料、またはGe/GeSiSn系を用いた量子カスケードレーザ素子も、本実施の形態と同様の効果を奏する。   In the present invention, a GaAs / AlGaAs-based material or a GaN / AlInN-based material is used as the quantum cascade layer, but an InGaAlN-based material such as GaN / AlGaN or GaN / AlN, an InGaAs / AlInAs material, or a Ge / GeSiSn-based material is used. The quantum cascade laser device thus produced also has the same effect as this embodiment.

また、量子カスケードレーザ素子の光導波/共振器構造として、図1、図8に記載されたファブリペロー型構造を示したが、分布帰還型構造、マイクロディスク構造、垂直放射構造、または複合共振器構造などにも、本発明は適用可能である。   Further, as the optical waveguide / resonator structure of the quantum cascade laser element, the Fabry-Perot structure described in FIGS. 1 and 8 is shown. However, a distributed feedback structure, a microdisk structure, a vertical radiation structure, or a composite resonator is shown. The present invention can also be applied to structures and the like.

また、本発明の量子カスケードレーザ素子は、例えば第1の実施の形態の場合、電子注入部としてn型AlGaAs層15がなく、例えば、量子カスケード層13に接しているp型半導体層から当該電子注入部が構成されていてもよい。この場合、上記p型半導体層のエネルギーギャップよりも大きいエネルギーを有する光を上記p型半導体層に照射することにより生成した伝導帯電子を、量子カスケード層13へ注入することが可能となる。第2の実施の形態でも同様である。   Further, the quantum cascade laser device of the present invention has no n-type AlGaAs layer 15 as an electron injection part in the first embodiment, for example, and the electrons from a p-type semiconductor layer in contact with the quantum cascade layer 13, for example. An injection part may be configured. In this case, conduction band electrons generated by irradiating the p-type semiconductor layer with light having energy larger than the energy gap of the p-type semiconductor layer can be injected into the quantum cascade layer 13. The same applies to the second embodiment.

なお、本実施の形態では、本発明を実施するために必要な基本構造を述べたものであり、電子のエネルギー遷移をより容易にするため、複数の井戸層/障壁層を挿入することがある。これらの挿入によって、本発明の本質が失われることはない。   In this embodiment, the basic structure necessary for carrying out the present invention is described, and a plurality of well layers / barrier layers may be inserted in order to make the energy transition of electrons easier. . These insertions do not lose the essence of the present invention.

本発明は、封筒中の郵便物検査、食品・所持物検査、薬物分析、皮膚がん検査、半導体不純物量検査/複素誘電率評価などの医学応用、環境計測、工学応用などのためのレーザ発振源として用いることができ、特に、高出力のテラヘルツ波や赤外光及び出力パワーの制御性が要求される量子カスケードレーザ素子及びその駆動方法として用いるのに最適である。   The present invention is a laser oscillation for medical applications such as mail inspection in envelopes, food and belonging inspection, drug analysis, skin cancer inspection, semiconductor impurity amount inspection / complex dielectric constant evaluation, environmental measurement, engineering application, etc. It can be used as a source, and is particularly suitable for use as a quantum cascade laser element that requires control of high-power terahertz waves, infrared light, and output power, and a driving method thereof.

1、701 量子カスケードレーザ素子
11 GaAs基板
12 n+型GaAs層
13、713 量子カスケード層
14 p型GaAs層
15 n型AlGaAs層
16、716 第1電極
17、717 第2電極
18、718 第3電極
19、20、610 電圧源
131、133、602 障壁層
132、601、732 発光井戸
132A、134A、601A、603A 上部サブバンド準位
132B、134B、601B、603B 下部サブバンド準位
134、603 注入井戸
600 半導体超格子
711 GaN基板
712 n+型GaN層
714 p型InGaN層
715 n型AlGaN層
719、720 電圧源
732A、734A 上部サブバンド準位
732B、734B 下部サブバンド準位
734 注入井戸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,701 Quantum cascade laser element 11 GaAs substrate 12 n + type GaAs layer 13,713 Quantum cascade layer 14 p type GaAs layer 15 n type AlGaAs layer 16,716 First electrode 17,717 Second electrode 18,718 Third electrode 19, 20, 610 Voltage source 131, 133, 602 Barrier layer 132, 601, 732 Light emitting well 132A, 134A, 601A, 603A Upper subband level 132B, 134B, 601B, 603B Lower subband level 134, 603 Injection well 600 Semiconductor superlattice 711 GaN substrate 712 n + type GaN layer 714 p type InGaN layer 715 n type AlGaN layer 719, 720 Voltage source 732A, 734A Upper subband level 732B, 734B Lower subband level 734 Injection well

Claims (12)

サブバンド間遷移によってフォトンを放出する半導体超格子を有する量子カスケードレーザ素子であって、
前記半導体超格子への電圧印加とは独立に、前記半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部を備えることを特徴とする、量子カスケードレーザ素子。
A quantum cascade laser device having a semiconductor superlattice that emits photons by intersubband transition,
A quantum cascade laser device comprising: an electron injection unit capable of injecting electrons into the semiconductor superlattice independently of voltage application to the semiconductor superlattice.
前記電子注入部は、
前記半導体超格子に接しているp型半導体層を備えることを特徴とする、請求項1記載の量子カスケードレーザ素子。
The electron injection part is
The quantum cascade laser device according to claim 1, further comprising a p-type semiconductor layer in contact with the semiconductor superlattice.
前記電子注入部は、さらに、
前記p型半導体層に接しているn型半導体層を備え、
前記半導体超格子への電圧印加とは独立に、前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に電圧が印加されることにより、前記半導体超格子に電子を注入することを特徴とする、請求項2記載の量子カスケードレーザ素子。
The electron injection unit further includes:
An n-type semiconductor layer in contact with the p-type semiconductor layer;
Independently of voltage application to the semiconductor superlattice, a voltage is applied between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer to inject electrons into the semiconductor superlattice. The quantum cascade laser device according to claim 2.
窒化物半導体を用いていることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の量子カスケードレーザ素子。 The quantum cascade laser device according to claim 1, wherein a nitride semiconductor is used. 前記p型半導体層は、InGaNを用いていることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の量子カスケードレーザ素子。 5. The quantum cascade laser element according to claim 1, wherein the p-type semiconductor layer uses InGaN. 6. 前記p型半導体層および前記n型半導体層のバンドギャップは、前記フォトンのエネルギーよりも大きいことを特徴とする、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の量子カスケードレーザ素子。 6. The quantum cascade laser device according to claim 1, wherein a band gap of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is larger than an energy of the photon. 7. 前記p型半導体層の厚みは、前記p型半導体層中の電子拡散距離よりも小さいことを特徴とする、請求項3記載の量子カスケードレーザ素子。 4. The quantum cascade laser device according to claim 3, wherein a thickness of the p-type semiconductor layer is smaller than an electron diffusion distance in the p-type semiconductor layer. 前記n型半導体層のバンドギャップは、前記p型半導体層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする、請求項3記載の量子カスケードレーザ素子。 4. The quantum cascade laser device according to claim 3, wherein a band gap of the n-type semiconductor layer is larger than a band gap of the p-type semiconductor layer. 基板と、
前記基板と前記半導体超格子との間に形成されたnドープ半導体層と、
前記n型半導体層の表面に形成され、前記n型半導体層と導通する第1電極と、
前記p型半導体層の表面に形成され、前記p型半導体層と導通する第2電極と、
前記nドープ半導体層の表面に形成され、前記nドープ半導体層と導通する第3電極とを備え、
前記半導体超格子への印加電圧は、前記第2電極と前記第3電極との間に印加され、
前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に印加される電圧は、前記第2電極と前記第1電極との間に印加されることを特徴とする、
請求項3記載の量子カスケードレーザ素子。
A substrate,
An n-doped semiconductor layer formed between the substrate and the semiconductor superlattice;
A first electrode formed on a surface of the n-type semiconductor layer and electrically connected to the n-type semiconductor layer;
A second electrode formed on a surface of the p-type semiconductor layer and electrically connected to the p-type semiconductor layer;
A third electrode formed on a surface of the n-doped semiconductor layer and electrically connected to the n-doped semiconductor layer;
An applied voltage to the semiconductor superlattice is applied between the second electrode and the third electrode,
A voltage applied between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is applied between the second electrode and the first electrode,
The quantum cascade laser device according to claim 3.
請求項1〜9のうちいずれか1項に記載された量子カスケードレーザ素子を光源とすることを特徴とする、電磁波発生装置。 An electromagnetic wave generating device using the quantum cascade laser element according to any one of claims 1 to 9 as a light source. サブバンド間遷移によってフォトンを放出する半導体超格子を有する量子カスケードレーザ素子の駆動方法であって、
前記半導体超格子に電子を注入することができる電子注入部からの電子注入量を一定にしたまま、前記半導体超格子への印加電圧を掃引させることにより、前記半導体超格子からのレーザ出力が最大になる最適印加電圧値を決定する電圧決定ステップと、
前記電圧決定ステップにて決定された前記最適印加電圧値に前記半導体超格子層への印加電圧を固定したまま、前記電子注入部から前記半導体超格子への電子注入量を掃引させることにより、前記半導体超格子からのレーザ出力が最大になる最適電子注入量を決定する電子注入量決定ステップとを含むことを特徴とする、
量子カスケードレーザ素子の駆動方法。
A method for driving a quantum cascade laser device having a semiconductor superlattice that emits photons by intersubband transition,
The laser output from the semiconductor superlattice is maximized by sweeping the applied voltage to the semiconductor superlattice while keeping the amount of electrons injected from the electron injection part capable of injecting electrons into the semiconductor superlattice constant. A voltage determining step for determining an optimum applied voltage value to become,
By sweeping the electron injection amount from the electron injection part to the semiconductor superlattice while fixing the applied voltage to the semiconductor superlattice layer at the optimum applied voltage value determined in the voltage determination step, An electron injection amount determining step for determining an optimum electron injection amount that maximizes the laser output from the semiconductor superlattice,
Driving method of quantum cascade laser element.
前記電子注入部は、
前記半導体超格子に接しているp型半導体層と、
前記p型半導体層に接しているn型半導体層とを備え、
前記電圧決定ステップでは、
前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に印加される電圧を一定にすることにより、
前記電子注入部から前記半導体超格子への電子注入量を一定にし、
前記電子注入量決定ステップでは、
前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に印加される電圧を掃引させることにより、
前記電子注入部から前記半導体超格子への電子注入量を掃引させることを特徴とする、請求項11記載の量子カスケードレーザ素子の駆動方法。
The electron injection part is
A p-type semiconductor layer in contact with the semiconductor superlattice;
An n-type semiconductor layer in contact with the p-type semiconductor layer,
In the voltage determination step,
By making the voltage applied between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer constant,
A constant electron injection amount from the electron injection part to the semiconductor superlattice,
In the electron injection amount determination step,
By sweeping a voltage applied between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer,
12. The method of driving a quantum cascade laser element according to claim 11, wherein an electron injection amount from the electron injection portion to the semiconductor superlattice is swept.
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