JP2017208497A - 量子カスケードレーザ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板と、半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層され、量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有する活性層とを備え、単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、緩和ミニバンドとを有し、緩和ミニバンドのエネルギー幅は、縦光学フォノンのエネルギーから、発光上準位と発光下準位の差を引いたエネルギーよりも小さく設定され、量子井戸発光層における発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成されるとともに、サブバンド間遷移を経た電子は、注入層に含まれる緩和ミニバンド内を緩和して、注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入されるように構成された、量子カスケードレーザ。
【選択図】図1
Description
≪QCLの構造≫
図1は、本発明の第1の実施形態のQCL10の断面図である。図1に示す例のQCL10は、半導体基板100と、半導体基板100の上面に設けられた歪緩和層101と、第1コンタクト層11と、第1コンタクト層11の上面に設けられた活性層12と、活性層12の上面に設けられた第2コンタクト層13と、第2コンタクト層13の上面に接する上部電極(第2電極)14と、第1コンタクト層11に接し、活性層12と並ぶように設けられる下部電極(第1電極)15とを備える。活性層12は、2つ以上の活性層ユニットが積層されて構成されている。活性層ユニットのそれぞれは、井戸層とバリア層とを少なくとも1層ずつ有し、井戸層とバリア層とが交互に積層されて構成されている。
半導体基板100は、化合物半導体(第1化合物半導体)からなる。第1化合物半導体は、好ましくは一般式Alx1Iny1Ga(1−x1−y1)N(0≦x1≦1、0≦y1≦1)で表される。より好ましくは、第1化合物半導体は、後述の量子井戸発光層に用いられる材料の格子定数に近い格子定数を有する材料であり、つまり、GaN、InN、後述の第4化合物半導体、又は、GaN又はInNの格子定数と第4化合物半導体の格子定数との間の格子定数を有する材料である。
歪緩和層101は、単一層の化合物半導体または、異なる組成を有する複数層の化合物半導体(まとめて化合物半導体群)からなる。後述の活性層12に含まれるAlGaN層に発生する引張り歪を低減させる目的で、半導体基板100の格子定数を緩和させる目的で設けられる。歪緩和層101は、好ましくは一般式Alx2Iny2Ga(1−x2−y2)N(0≦x2≦1、0≦y2≦1)で表される化合物半導体を複数組み合わせる。より好ましくは、約25nmのAlN層と約1μmのAlGaN層の2層構造である。2層目のAlGaN層の好ましい構成は、後述の第4化合物半導体の組成と略同一であり、例えば、Al0.145Ga0.855Nであることが最も好ましい。
第1コンタクト層11は、下部電極15と良好なオーミックコンタクトを取ることが求められる。さらに、活性層12に光を閉じ込めることができるよう、発光する波長の光を強く吸収することが求められる。このような目的を果たすために、n型ドーパント(例えばSi)を含むことが好ましい。これにより、第1コンタクト層11自体の抵抗を低減でき、また、第1コンタクト層11と下部電極15との接触抵抗も低減できる。さらに、フリーキャリア吸収によりテラヘルツ帯の電磁波を吸収する。第1コンタクト層11におけるn型ドーパント濃度は、好ましくは1×1017/cm3以上5×1019/cm3以下であり、より好ましくは1×1017/cm3以上3×1018/cm3以下である。
(井戸層)
活性層12は2以上の量子井戸により構成される活性層ユニットが複数繰り返し積層されることで形成される。量子井戸は井戸層とバリア層を交互に積層することにより形成される。井戸層は化合物半導体(第3化合物半導体)からなる。第3化合物半導体は、後述のバリア層に用いられる第4化合物半導体よりも小さなバンドギャップを有する材料であり、好ましくは一般式Alx3Iny3Ga(1−x3−y3)N(0≦x3≦1、0≦y3≦1)で表され、より好ましくはGaN、又は、半導体基板100の材料である第1化合物半導体の格子定数と近い格子定数を有するようにx3及びy3の少なくとも1つが調整されたAlx3Iny3Ga(1−x3−y3)Nである。半導体基板100がm面自立GaN基板などのGaN基板である場合には、第3化合物半導体はGaNであることが好ましい。これにより、GaNからなる量子井戸層の結晶品質を高めることができる。
バリア層は化合物半導体(第4化合物半導体)からなる。第4化合物半導体は前述の第3化合物半導体よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましく、好ましくは一般式Alx4Iny4Ga(1−x4−y4)N(0≦x4≦1、0≦y4≦1)で表される。より好ましくはAl0.145Ga0.855Nである。
活性層ユニット内では、複数の量子井戸(バリア層と井戸層を交互に積層させた構造)を並べることにより複数の量子準位(電子が井戸層内に閉じ込められることにより量子化された結果発現する準位)を結合させてミニバンドと呼ばれる状態を形成させる。ここで、好適な活性層ユニットの一例を示す。活性層ユニットは合計18層(井戸層9層、バリア層9層)から成り、下記の通り表される。(a)〜(i)は後述の説明に用いるために付与している。
・第2層 :Al0.145Ga0.855N 2.4nm
・第3層(b) :GaN 16.5nm
・第4層 :Al0.145Ga0.855N 1.5nm
・第5層(c) :GaN 10.8nm
・第6層 :Al0.145Ga0.855N 1.0nm
・第7層(d) :GaN 9.5nm
・第8層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第9層(e) :GaN 9.5nm
・第10層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第11層(f):GaN 9.5nm
・第12層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第13層(g):GaN 9.5nm
・第14層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第15層(h):GaN 9.5nm
・第16層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第17層(i):GaN 9.5nm
・第18層 :Al0.145Ga0.855N 3.2nm
なお、上述の活性層ユニット構成は一例であり、活性層ユニットのそれぞれにおける井戸層の層数及びバリア層の層数及び層厚は特に限定されない。また、第11層にはドーパントとしてシリコン(Si)が5×1017cm−3の濃度でドーピングされている。
第2コンタクト層13は、化合物半導体(第5化合物半導体)からなる。第5化合物半導体は、好ましくは一般式Alx5Iny5Ga(1−x5−y5)N(0≦x5≦1、0≦y5≦1)で表される。より好ましくは、第5化合物半導体は、GaNである。
上部電極14は、第2コンタクト層13とは良好なオーミック特性を有する金属材料からなることが好ましく、例えば、Ti層とAl層とが積層されて構成されたオーミック電極である。上部電極14は、Ti及びAlとは異なる金属からなっても良いし、透明な酸化物電極であっても良い。
シミュレーションによって本実施形態の効果を検証した。このシミュレーションでは、電子のハミルトニアンとして単一バンドハミルトニアンを仮定し、活性層ユニット当たりに約45mVのバイアス電圧を印加した場合の電子のポテンシャルエネルギー及び波動関数を算出した。その計算結果を図2に示す。
EkT+EMB+ETHz−ELO>0 式(1)
が導かれる。ELOは、材料固有の物性値であり、EkTはデバイスを動作させたい温度によって決まるため、動作温度と発光波長が決まると、
EMB>ELO−EkT−ETHz 式(2)
により望ましいEMBを設計することができる。
EMB>EkT 式(3)
を満たすように緩和ミニバンドのエネルギー幅(EMB)が設計されることが好ましい。
ここで、QCL10の井戸層はGaNであり、LOフォノンエネルギー(ELO)は92meVである。さらに、発光エネルギーETHzは14.1meVであり、室温300Kでの動作を想定すると、EkTは26meVであるから好適なミニバンド幅EMBの条件は上記式(4)から26meV以上、51.9meV以下となる。図2から明らかなように、QCL10のミニバンドは27.6meVであるから、上記式(4)を満たし、室温300Kにおいても動作が可能である。
まず、例えば分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)又は有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)によって、半導体基板100の上面に歪緩和層101、第1コンタクト層11、活性層12及び第2コンタクト層13を形成する。次に、例えば電子線蒸着法によって、第2コンタクト層13の上面に上部電極14を形成し、半導体基板100の下面に下部電極15を形成する。続いて、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法によって、上部電極14、第2コンタクト層13、活性層12及び第1コンタクト層11の一部をエッチングして図1に示すメサ形状を形成する。さらに、へき開によりメサと垂直方向(紙面と平行な面)の両端に光学ミラー構造を形成する。このようにして図1に示すQCLが得られる。
図6は、本発明の第2の実施形態のQCL20の断面図である。図6に示す本発明の第2の実施形態のQCL20では、歪緩和層101上に、第1コンタクト層を介さずに活性層12が積層されており、下部電極15’が基板100の下面に設けられている。このような第2の実施形態のQCL20の場合、下部電極を上部電極の反対側に取ることができるため、上述した第1の実施形態のQCL10と比較して、放熱性に優れたジャンクションダウン(活性層をヒートシンクに取り付ける構成)を取ることが可能になるという利点がある。
≪QCLの構造≫
図1は、本発明の第1の実施形態のQCL10の断面図である。図1に示す例のQCL10は、半導体基板100と、半導体基板100の上面に設けられた歪緩和層101と、第1コンタクト層11と、第1コンタクト層11の上面に設けられた活性層12と、活性層12の上面に設けられた第2コンタクト層13と、第2コンタクト層13の上面に接する上部電極(第2電極)14と、第1コンタクト層11に接し、活性層12と並ぶように設けられる下部電極(第1電極)15とを備える。活性層12は、2つ以上の活性層ユニットが積層されて構成されている。活性層ユニットのそれぞれは、井戸層とバリア層とを少なくとも1層ずつ有し、井戸層とバリア層とが交互に積層されて構成されている。
半導体基板100は、化合物半導体(第1化合物半導体)からなる。第1化合物半導体は、好ましくは一般式Alx1Iny1Ga(1−x1−y1)N(0≦x1≦1、0≦y1≦1)で表される。より好ましくは、第1化合物半導体は、後述の量子井戸発光層に用いられる材料の格子定数に近い格子定数を有する材料であり、つまり、GaN、InN、後述の第4化合物半導体、又は、GaN又はInNの格子定数と第4化合物半導体の格子定数との間の格子定数を有する材料である。
歪緩和層101は、単一層の化合物半導体または、異なる組成を有する複数層の化合物半導体(まとめて化合物半導体群)からなる。後述の活性層12に含まれるAlGaN層に発生する引張り歪を低減させる目的で、半導体基板100の格子定数を緩和させる目的で設けられる。歪緩和層101は、好ましくは一般式Alx2Iny2Ga(1−x2−y2)N(0≦x2≦1、0≦y2≦1)で表される化合物半導体を複数組み合わせる。より好ましくは、約25nmのAlN層と約1μmのAlGaN層の2層構造である。2層目のAlGaN層の好ましい構成は、後述の第4化合物半導体の組成と略同一であり、例えば、Al0.145Ga0.855Nであることが最も好ましい。
第1コンタクト層11は、下部電極15と良好なオーミックコンタクトを取ることが求められる。さらに、活性層12に光を閉じ込めることができるよう、発光する波長の光を強く吸収することが求められる。このような目的を果たすために、n型ドーパント(例えばSi)を含むことが好ましい。これにより、第1コンタクト層11自体の抵抗を低減でき、また、第1コンタクト層11と下部電極15との接触抵抗も低減できる。さらに、フリーキャリア吸収によりテラヘルツ帯の電磁波を吸収する。第1コンタクト層11におけるn型ドーパント濃度は、好ましくは1×1017/cm3以上5×1019/cm3以下であり、より好ましくは1×1017/cm3以上3×1018/cm3以下である。
(井戸層)
活性層12は2以上の量子井戸により構成される活性層ユニットが複数繰り返し積層されることで形成される。量子井戸は井戸層とバリア層を交互に積層することにより形成される。井戸層は化合物半導体(第3化合物半導体)からなる。第3化合物半導体は、後述のバリア層に用いられる第4化合物半導体よりも小さなバンドギャップを有する材料であり、好ましくは一般式Alx3Iny3Ga(1−x3−y3)N(0≦x3≦1、0≦y3≦1)で表され、より好ましくはGaN、又は、半導体基板100の材料である第1化合物半導体の格子定数と近い格子定数を有するようにx3及びy3の少なくとも1つが調整されたAlx3Iny3Ga(1−x3−y3)Nである。半導体基板100がm面自立GaN基板などのGaN基板である場合には、第3化合物半導体はGaNであることが好ましい。これにより、GaNからなる量子井戸層の結晶品質を高めることができる。
バリア層は化合物半導体(第4化合物半導体)からなる。第4化合物半導体は前述の第3化合物半導体よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましく、好ましくは一般式Alx4Iny4Ga(1−x4−y4)N(0≦x4≦1、0≦y4≦1)で表される。より好ましくはAl0.145Ga0.855Nである。
活性層ユニット内では、複数の量子井戸(バリア層と井戸層を交互に積層させた構造)を並べることにより複数の量子準位(電子が井戸層内に閉じ込められることにより量子化された結果発現する準位)を結合させてミニバンドと呼ばれる状態を形成させる。ここで、好適な活性層ユニットの一例を示す。活性層ユニットは合計18層(井戸層9層、バリア層9層)から成り、下記の通り表される。(a)〜(i)は後述の説明に用いるために付与している。
・第2層 :Al0.145Ga0.855N 2.4nm
・第3層(b) :GaN 16.5nm
・第4層 :Al0.145Ga0.855N 1.5nm
・第5層(c) :GaN 10.8nm
・第6層 :Al0.145Ga0.855N 1.0nm
・第7層(d) :GaN 9.5nm
・第8層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第9層(e) :GaN 9.5nm
・第10層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第11層(f):GaN 9.5nm
・第12層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第13層(g):GaN 9.5nm
・第14層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第15層(h):GaN 9.5nm
・第16層 :Al0.145Ga0.855N 0.6nm
・第17層(i):GaN 9.5nm
・第18層 :Al0.145Ga0.855N 3.2nm
なお、上述の活性層ユニット構成は一例であり、活性層ユニットのそれぞれにおける井戸層の層数及びバリア層の層数及び層厚は特に限定されない。また、第11層にはドーパントとしてシリコン(Si)が5×1017cm−3の濃度でドーピングされている。
第2コンタクト層13は、化合物半導体(第5化合物半導体)からなる。第5化合物半導体は、好ましくは一般式Alx5Iny5Ga(1−x5−y5)N(0≦x5≦1、0≦y5≦1)で表される。より好ましくは、第5化合物半導体は、GaNである。
上部電極14は、第2コンタクト層13とは良好なオーミック特性を有する金属材料からなることが好ましく、例えば、Ti層とAl層とが積層されて構成されたオーミック電極である。上部電極14は、Ti及びAlとは異なる金属からなっても良いし、透明な酸化物電極であっても良い。
シミュレーションによって本実施形態の効果を検証した。このシミュレーションでは、電子のハミルトニアンとして単一バンドハミルトニアンを仮定し、活性層ユニット当たりに約45mVのバイアス電圧を印加した場合の電子のポテンシャルエネルギー及び波動関数を算出した。その計算結果を図2に示す。
EkT+EMB+ETHz−ELO <0 式(1)
が導かれる。ELOは、材料固有の物性値であり、EkTはデバイスを動作させたい温度によって決まるため、動作温度と発光波長が決まると、
EMB <ELO−EkT−ETHz 式(2)
により望ましいEMBを設計することができる。
EMB>EkT 式(3)
を満たすように緩和ミニバンドのエネルギー幅(EMB)が設計されることが好ましい。
ここで、QCL10の井戸層はGaNであり、LOフォノンエネルギー(ELO)は92meVである。さらに、発光エネルギーETHzは14.1meVであり、室温300Kでの動作を想定すると、EkTは26meVであるから好適なミニバンドのエネルギー幅EMBの条件は上記式(4)から26meV以上、51.9meV以下となる。図2から明らかなように、QCL10のミニバンドのエネルギー幅は27.6meVであるから、上記式(4)を満たし、室温300Kにおいても動作が可能である。
まず、例えば分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)又は有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)によって、半導体基板100の上面に歪緩和層101、第1コンタクト層11、活性層12及び第2コンタクト層13を形成する。次に、例えば電子線蒸着法によって、第2コンタクト層13の上面に上部電極14を形成し、半導体基板100の下面に下部電極15を形成する。続いて、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法によって、上部電極14、第2コンタクト層13、活性層12及び第1コンタクト層11の一部をエッチングして図1に示すメサ形状を形成する。さらに、へき開によりメサと垂直方向(紙面と平行な面)の両端に光学ミラー構造を形成する。このようにして図1に示すQCLが得られる。
図6は、本発明の第2の実施形態のQCL20の断面図である。図6に示す本発明の第2の実施形態のQCL20では、歪緩和層101上に、第1コンタクト層を介さずに活性層12が積層されており、下部電極15’が基板100の下面に設けられている。このような第2の実施形態のQCL20の場合、下部電極を上部電極の反対側に取ることができるため、上述した第1の実施形態のQCL10と比較して、放熱性に優れたジャンクションダウン(活性層をヒートシンクに取り付ける構成)を取ることが可能になるという利点がある。
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層され、前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有する活性層とを備え、
前記活性層に含まれる複数の前記単位積層体のそれぞれは、そのサブバンド準位構造において、発光上準位と、発光下準位と、緩和準位として機能し、前記発光上準位と前記発光下準位とのエネルギー差(EUL)よりも小さなエネルギー間隔で存在する2以上のエネルギー準位から構成される緩和ミニバンドとを有し、前記緩和ミニバンドのエネルギー幅(EMB)は、縦光学フォノンのエネルギー(ELO)から、前記発光上準位と前記発光下準位の差(EUL)を引いたエネルギー(ELO−EUL)よりも小さく設定され(EMB<ELO−EUL)、
前記量子井戸発光層における前記発光上準位から前記発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成されるとともに、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記注入層に含まれる前記緩和ミニバンド内を緩和して、前記注入層から後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入されるように構成された、量子カスケードレーザ。 - 前記緩和ミニバンドのエネルギー幅(EMB)は、縦光学フォノンのエネルギー(ELO)から、前記発光上準位と前記発光下準位とのエネルギー差(EUL)と、ボルツマン定数(k)と温度(T)との積により求められる温度エネルギー(kT)の合計のエネルギー(EkT)を引いたエネルギーよりも小さい(EMB<ELO−EUL−EkT)、請求項1に記載の量子カスケードレーザ。
- 前記緩和ミニバンドのエネルギー幅(EMB)は、ボルツマン定数(k)と温度(T)との積により求められる温度エネルギー(kT)の合計のエネルギー(EkT)よりも大きい(EMB>EkT)、請求項1または2に記載の量子カスケードレーザ。
- 前記緩和ミニバンドのエネルギー幅(EMB)は、26meVよりも大きい(EMB>26meV)、請求項3に記載の量子カスケードレーザ。
- 前記単位積層体が、AlxInyGa(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1)により表される材料からなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の量子カスケードレーザ。
- 前記半導体基板がGaNからなり、その上面とGaNのm面({1−100}面)との成す角度が−5度以上であり、かつ+5度以内である、請求項5に記載の量子カスケードレーザ。
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