JP2020043206A - Interband transition cascade laser - Google Patents

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明広 石田
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Abstract

To provide an interband transition cascade laser capable of emitting a laser beam with a wavelength in an unexplored wavelength band.SOLUTION: A laser element 1 includes a semiconductor substrate 2, and an active layer 8 formed on a main surface of the semiconductor substrate 2, the active layer having a cascade structure including an electron injection layer 10 and an electron discharge layer 11 alternately stacked therein. The electron injection layer 10 and the electron discharge layer 11 comprise a IV-VI group semiconductor. Energy indicating the lower end of the conduction band of the electron injection layer 10 is lower than energy indicating the lower end of the conduction band of the electron discharge layer 11. Energy indicating the upper end of the valence band of the electron injection layer 10 is lower than energy indicating the upper end of the valence band of the electron discharge layer 11.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、バンド間遷移カスケードレーザに関する。   The present invention relates to an interband transition cascade laser.

特許文献１〜３は、カスケードレーザに関する技術を開示する。   Patent Documents 1 to 3 disclose techniques relating to a cascade laser.

バンド間遷移カスケードレーザは、電子と正孔とが異なる材料内に分離して閉じ込められるタイプIIと呼ばれる量子井戸のバンド間遷移を利用する。バンド間遷移カスケードレーザは、量子井戸の価電子帯から伝導帯への電子の抜き取りと、当該電子を利用した発光と、を繰り返す。バンド間遷移カスケードレーザの研究開発では、III-V族半導体であるＩｎＡｓ／ＧａＳｂを利用した量子井戸が利用されている。タイプII量子井戸を利用したバンド間遷移カスケードレーザのメリットとして、キャリヤの分離閉じ込めによるオージェ非発光再結合確率の低減とキャリヤの再利用による電流閾値の低減とが挙げられる。また、III-V族半導体によるタイプII量子井戸を採用したバンド間遷移レーザは、タイプII量子井戸を採用しない従来構造のレーザに比べて長波長帯域での動作が可能である。例えば、３マイクロメートル以上５マイクロメートル以下である波長帯域において室温連続動作が可能なＩｎＡｓ／ＧａＳｂ系バンド間遷移カスケードレーザの報告がある。   Inter-band transition cascade lasers utilize inter-band transitions of a type II quantum well, in which electrons and holes are separated and confined in different materials. The interband transition cascade laser repeats extraction of electrons from the valence band of the quantum well to the conduction band and emission using the electrons. In research and development of an interband transition cascade laser, a quantum well using InAs / GaSb, which is a III-V group semiconductor, is used. Advantages of the interband transition cascade laser using the type II quantum well include a reduction in the probability of Auger non-radiative recombination by separating and confining carriers, and a reduction in current threshold by reusing carriers. In addition, an interband transition laser employing a type II quantum well of a III-V semiconductor can operate in a longer wavelength band than a laser having a conventional structure not employing a type II quantum well. For example, there is a report of an InAs / GaSb-based interband transition cascade laser capable of continuous operation at room temperature in a wavelength band of 3 μm or more and 5 μm or less.

米国特許第５７９９０２６号明細書U.S. Pat. No. 5,790,026 米国特許第８１２５７０６号明細書U.S. Pat. No. 8,125,706 米国特許第６４０４７９１号明細書U.S. Pat. No. 6,404,791

当該分野においては、室温連続動作が可能なレーザにおいて、波長帯域の拡大が望まれている。特に、２５マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の波長帯域は、未開拓波長帯域と呼ばれており、この帯域に含まれる波長を実現可能なバンド間遷移カスケードレーザが望まれている。   In this field, there is a demand for a laser capable of continuous operation at room temperature with an expanded wavelength band. In particular, a wavelength band of 25 micrometers or more and 50 micrometers or less is called an unexplored wavelength band, and an interband transition cascade laser capable of realizing a wavelength included in this band is desired.

そこで、本発明は、未開拓波長帯域に含まれる波長のレーザを出射可能なバンド間遷移カスケードレーザを提供する。   Therefore, the present invention provides an interband transition cascade laser capable of emitting a laser having a wavelength included in an unexplored wavelength band.

本発明の一形態のバンド間遷移カスケードレーザは、半導体基板と、半導体基板の主面に形成され、電子注入層および電子吐出層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、電子注入層及び電子吐出層は、IV−VI族半導体により構成され、電子注入層の伝導帯の下端は、電子吐出層の伝導帯の下端よりも低く、電子注入層の価電子帯の上端は、電子吐出層の価電子帯の上端よりも低い。   An interband transition cascade laser according to one embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate and an active layer formed on a main surface of the semiconductor substrate and having a cascade structure in which an electron injection layer and an electron ejection layer are alternately stacked. The electron injection layer and the electron ejection layer are made of a group IV-VI semiconductor. The lower end of the conduction band of the electron injection layer is lower than the lower end of the conduction band of the electron ejection layer, and the upper end of the valence band of the electron injection layer is , Lower than the upper end of the valence band of the electron ejection layer.

IV-VI族半導体はIII-V族半導体に比べてオージェ非発光再結合確率が小さい。さらに、IV-VI族半導体は、光学フォノン周波数が低く、この波長帯域のレーザへの応用が可能である。つまり、非発光オージェ再結合確率の更なる低減とキャリヤ再利用による低閾値化を実現できる。さらに、量子井戸として、電子注入層の伝導帯の下端が電子吐出層の伝導帯の下端よりも低く、電子注入層の価電子帯の上端が電子吐出層の価電子帯の上端よりも低くした構造を採用する。このような構造は、タイプIIの量子井戸と呼ばれる。従って、一形態のバンド間遷移カスケードレーザは、IV-VI族半導体を採用したタイプII型の量子井戸を用いているので、未開拓波長帯域である波長が２５マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の未開拓波長帯域に含まれる波長のレーザを出射することができる。   IV-VI semiconductors have a lower Auger non-radiative recombination probability than III-V semiconductors. Further, the IV-VI group semiconductor has a low optical phonon frequency and can be applied to a laser in this wavelength band. That is, it is possible to further reduce the non-light-emitting Auger recombination probability and lower the threshold value by reusing carriers. Further, as the quantum well, the lower end of the conduction band of the electron injection layer is lower than the lower end of the conduction band of the electron emission layer, and the upper end of the valence band of the electron injection layer is lower than the upper end of the valence band of the electron emission layer. Adopt structure. Such a structure is called a type II quantum well. Therefore, since one form of the interband transition cascade laser uses a type II quantum well employing a group IV-VI semiconductor, the wavelength in the unexplored wavelength band is not less than 25 micrometers and not more than 50 micrometers. A laser having a wavelength included in the pioneering wavelength band can be emitted.

一形態において、電子注入層は、IV−VI族半導体としての鉛（Ｐｂ）およびテルル（Ｔｅ）を主成分として含む第１井戸層と、所定の半導体材料により形成される第１障壁層と、が交互に積層された第１量子井戸構造を有し、電子吐出層は、IV−VI族半導体としての鉛−スズ−テルル〔（Ｐｂ（１−ｘ）Ｓｎ（ｘ）Ｔｅ（０．２＜ｘ＜０．６）〕を主成分として含む第２井戸層と、所定の半導体材料により形成される第２障壁層と、が交互に積層された第２量子井戸構造を有し、所定の半導体材料は、テルル化カルシウム（ＣａＴｅ）、セレン化カルシウム（ＣａＳｅ）、テルル化ユウロピウム（ＥｕＴｅ）、テルル化ストロンチウム（ＳｒＴｅ）、セレン化ストロンチウム（ＳｒＳｅ）、鉛テルルカルシウム（ＰｂＣａＴｅ）、鉛テルルユウロピウム（ＰｂＥｕＴｅ）、鉛テルルストロンチウム（ＰｂＳｒＴｅ）から選択されてもよい。これらの材料によれば、量子井戸構造を好適に形成することができる。   In one embodiment, the electron injection layer includes a first well layer mainly containing lead (Pb) and tellurium (Te) as a group IV-VI semiconductor, a first barrier layer formed of a predetermined semiconductor material, Are alternately stacked, and the electron discharge layer is made of lead-tin-tellurium [(Pb (1-x) Sn (x) Te (0.2 < x <0.6)] as a main component, and a second quantum well structure in which second barrier layers formed of a predetermined semiconductor material are alternately stacked, and a predetermined semiconductor Materials are calcium telluride (CaTe), calcium selenide (CaSe), europium telluride (EuTe), strontium telluride (SrTe), strontium selenide (SrSe), lead tellurium calcium (PbCaTe), lead tellurium Piumu (PbEuTe), may be selected from lead telluride strontium (PbSrTe). According to these materials, it is possible to suitably form the quantum well structure.

一形態において、第１井戸層は、さらにセレンｓ（Ｓｅ）を含んでもよい。この材料によれば、格子不整合を低減することができる。   In one embodiment, the first well layer may further include selenium s (Se). According to this material, lattice mismatch can be reduced.

一形態において、所定の半導体材料は、テルル化カルシウム（ＣａＴｅ）であってもよい。この材料によれば、量子井戸構造を好適に形成することができる。   In one aspect, the predetermined semiconductor material may be calcium telluride (CaTe). According to this material, a quantum well structure can be suitably formed.

本発明によれば、未開拓波長帯域に含まれる波長のレーザを出射可能なバンド間遷移カスケードレーザが提供される。   According to the present invention, there is provided an interband transition cascade laser capable of emitting a laser having a wavelength included in an unexplored wavelength band.

図１は、実施形態に係るバンド間遷移カスケードレーザの構造を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of an interband transition cascade laser according to the embodiment. 図２は、図１に示すバンド間遷移カスケードレーザが有する活性層の積層構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a stacked structure of an active layer included in the interband transition cascade laser shown in FIG. 図３は、図２に示す活性層のエネルギ帯構造を示す。FIG. 3 shows an energy band structure of the active layer shown in FIG. 図４は、活性層が有する光学透過スペクトルと吸収係数とを示す。FIG. 4 shows an optical transmission spectrum and an absorption coefficient of the active layer. 図５は、バンド間遷移カスケードレーザが有する活性層のエネルギ構造を示す。FIG. 5 shows the energy structure of the active layer of the interband transition cascade laser.

以下、図面とともにバンド間遷移カスケードレーザの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the interband transition cascade laser will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.

図１に示すように、バンド間遷移カスケードレーザ素子（以下、単に「レーザ素子１」と呼ぶ）は、主要な構成要素として、半導体基板２と、リッジ３と、埋め込み部４と、オーミック電極６と、を有する。レーザ素子１は、いわゆるストライプ型のレーザ構造を有する。また、レーザ素子１は、リッジ３と協働して光共振器を構成するための光反射膜（不図示）を有する。光反射膜は、リッジ３が伸びる方向と直交する一対の側面にそれぞれ設けられる。リッジ３及び埋め込み部４は、半導体基板２の主面上に形成されている。リッジ３の両側には、絶縁膜である埋め込み部４が形成されている。つまり、リッジ３の両側面は、絶縁膜に挟まれている。   As shown in FIG. 1, an inter-band transition cascade laser device (hereinafter, simply referred to as “laser device 1”) includes a semiconductor substrate 2, a ridge 3, a buried portion 4, an ohmic electrode 6 as main components. And The laser element 1 has a so-called stripe-type laser structure. In addition, the laser element 1 has a light reflection film (not shown) for forming an optical resonator in cooperation with the ridge 3. The light reflecting film is provided on each of a pair of side surfaces orthogonal to the direction in which the ridge 3 extends. The ridge 3 and the buried portion 4 are formed on the main surface of the semiconductor substrate 2. On both sides of the ridge 3, buried portions 4 which are insulating films are formed. That is, both side surfaces of the ridge 3 are sandwiched between the insulating films.

半導体基板２は、レーザ素子１の基体をなし、IV−VI族半導体により構成されている。例えば、ｎ型半導体材料として、IV−VI族半導体である鉛テルルセレン（ＰｂＴｅ０．９３Ｓｅ０．０７）を採用できる。 The semiconductor substrate 2 forms a base of the laser element 1 and is made of a group IV-VI semiconductor. For example, as the n-type semiconductor material, lead tellurium selenium (PbTe 0.93 Se 0.07 ) which is a group IV-VI semiconductor can be adopted.

リッジ３は、クラッド７と、活性層８と、クラッド９と、を有し、半導体基板２の主面からこの順に積層されている。   The ridge 3 has a clad 7, an active layer 8 and a clad 9, and are stacked in this order from the main surface of the semiconductor substrate 2.

クラッド７は、ｎ型半導体材料により構成されている。例えば、ｎ型半導体材料として、活性層８との格子整合の観点からIV−VI族半導体である鉛テルルセレン（ＰｂＴｅ０．９３Ｓｅ０．０７）を採用できる。クラッド７におけるキャリヤ濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下である。さらに、クラッド７の厚みは、２マイクロメートル程度である。クラッド７の一部７ａは、リッジ３を構成する。また、クラッド７の別の部分７ｂは、リッジ３の側方から主面に沿って延びており、別の部分７ｂの上には埋め込み部４が形成されている。 The clad 7 is made of an n-type semiconductor material. For example, as the n-type semiconductor material, lead tellurium selenium (PbTe 0.93 Se 0.07 ) which is a group IV-VI semiconductor can be adopted from the viewpoint of lattice matching with the active layer 8. The carrier concentration in the clad 7 is 1 × 10 18 cm −3 or less. Further, the thickness of the clad 7 is about 2 micrometers. A part 7a of the clad 7 forms the ridge 3. Further, another portion 7b of the clad 7 extends from the side of the ridge 3 along the main surface, and the buried portion 4 is formed on the other portion 7b.

図２に示すように、活性層８は、電子注入層１０と電子吐出層１１と、を含む。活性層８が有するカスケード構造とは、電子注入層１０と電子吐出層１１とが交互に積層された構造を意味する。例えば、電子注入層１０及び電子吐出層１１の積層数は、３０程度である。   As shown in FIG. 2, the active layer 8 includes an electron injection layer 10 and an electron ejection layer 11. The cascade structure of the active layer 8 means a structure in which the electron injection layers 10 and the electron discharge layers 11 are alternately stacked. For example, the number of layers of the electron injection layer 10 and the electron ejection layer 11 is about 30.

電子注入層１０は、第１井戸層１２と第１障壁層１３とを含む。第１井戸層１２及び第１障壁層１３は、交互に積層されて、第１量子井戸構造を構成する。第１井戸層１２及び第１障壁層１３の積層数は、３層から６層程度である。第１井戸層１２として、IV−IV族半導体である鉛−テルル（ＰｂＴｅ）を採用できる。なお、第１井戸層１２として、格子整合の観点から、鉛−テルル−セレン（ＰｂＴｅＳｅ）を用いてもよい。また、量子障壁である第１障壁層１３として、テルル化カルシウム（ＣａＴｅ）を採用できる。なお、第１障壁層１３として、三元混晶半導体を用いてもよい。混晶半導体は、セレン化カルシウム（ＣａＳｅ）、テルル化ユウロピウム（ＥｕＴｅ）、テルル化ストロンチウム（ＳｒＴｅ）、セレン化ストロンチウム（ＳｒＳｅ）、鉛テルル化カルシウム（ＰｂＣａＴｅ）、鉛テルル化ユウロピウム（ＰｂＥｕＴｅ）、鉛テルル化ストロンチウム（ＰｂＳｒＴｅ）から選択してよい。   The electron injection layer 10 includes a first well layer 12 and a first barrier layer 13. The first well layers 12 and the first barrier layers 13 are alternately stacked to form a first quantum well structure. The number of stacked first well layers 12 and first barrier layers 13 is about three to six layers. As the first well layer 12, lead-tellurium (PbTe), which is a group IV-IV semiconductor, can be employed. Note that lead-tellurium-selenium (PbTeSe) may be used as the first well layer 12 from the viewpoint of lattice matching. Calcium telluride (CaTe) can be used as the first barrier layer 13 which is a quantum barrier. Note that a ternary mixed crystal semiconductor may be used as the first barrier layer 13. Mixed crystal semiconductors include calcium selenide (CaSe), europium telluride (EuTe), strontium telluride (SrTe), strontium selenide (SrSe), lead calcium telluride (PbCaTe), lead europium telluride (PbEuTe), and lead. It may be selected from strontium telluride (PbSrTe).

電子吐出層１１は、第２井戸層１４と第２障壁層１６とを含む。第２井戸層１４及び第２障壁層１６は、交互に積層されて、第２量子井戸構造を形成する。第２井戸層１４及び第２障壁層１６の積層数は、３層から６層程度である。そして、複数の第２井戸層１４は、第１井戸層１２に接するものを含む。つまり、活性層８は、第１井戸層１２及び第２井戸層１４によるヘテロ接合部１７を有する。このような第２井戸層１４として、IV−IV族半導体である鉛−スズ−テルル（Ｐｂ（１−ｘ）Ｓｎ（ｘ）Ｔｅ）を採用できる。例えば、スズ（Ｓｎ）の組成比（ｘ）は、０．２以上０．６以下としてよく、例えば、ｘ＝０．３６としてよい。また、量子障壁である第２障壁層１６として、テルル化カルシウム（ＣａＴｅ）を採用できる。   The electron discharge layer 11 includes a second well layer 14 and a second barrier layer 16. The second well layers 14 and the second barrier layers 16 are alternately stacked to form a second quantum well structure. The number of laminations of the second well layer 14 and the second barrier layer 16 is about 3 to 6 layers. The plurality of second well layers 14 include those that are in contact with the first well layers 12. That is, the active layer 8 has the heterojunction 17 including the first well layer 12 and the second well layer 14. As such a second well layer 14, lead-tin-tellurium (Pb (1-x) Sn (x) Te) which is a group IV-IV semiconductor can be adopted. For example, the composition ratio (x) of tin (Sn) may be 0.2 or more and 0.6 or less, for example, x may be 0.36. Calcium telluride (CaTe) can be employed as the second barrier layer 16 as a quantum barrier.

レーザ素子１が有するヘテロ接合部１７は、IV−VI族半導体により構成されている。IV−VI族半導体は、拡散しやすい特性を有するので、従来は、薄膜を積層させる構造には適していないと考えられていた。換言すると、電子注入層１０や電子吐出層１１のように、短い周期をもって積層させることが難しいと考えられていた。本実施形態では、電子注入層１０及び電子吐出層１１を含む積層構造（リッジ３）をホットウォール法により作製した。その際に、拡散を抑制するため、半導体基板２近傍のヒータを制御することによって、半導体基板２の温度を所定温度以下（例えば、２５０℃以下とした。）   The heterojunction 17 of the laser device 1 is made of an IV-VI semiconductor. IV-VI semiconductors have characteristics that are easily diffused, and thus have conventionally been considered unsuitable for a structure in which thin films are stacked. In other words, it has been considered that it is difficult to stack the layers with a short period like the electron injection layer 10 and the electron ejection layer 11. In the present embodiment, a laminated structure (ridge 3) including the electron injection layer 10 and the electron ejection layer 11 was manufactured by the hot wall method. At this time, in order to suppress diffusion, the temperature of the semiconductor substrate 2 is controlled to a predetermined temperature or lower (for example, 250 ° C. or lower) by controlling a heater near the semiconductor substrate 2.

クラッド９は、活性層８の上に形成されている。クラッド９の構成及び材料などは、クラッド７と共通である。つまり、クラッド９は、IV−VI族半導体である鉛テルルセレン（ＰｂＴｅ０．９３Ｓｅ０．０７）を採用できる。また、クラッド９の厚みは、１マイクロメートル程度である。 The cladding 9 is formed on the active layer 8. The configuration and material of the clad 9 are the same as those of the clad 7. That is, for the cladding 9, lead tellurium selenium (PbTe 0.93 Se 0.07 ), which is an IV-VI group semiconductor, can be adopted. The thickness of the clad 9 is about 1 micrometer.

上述した材料により形成された構造によれば、動作温度を制御することにより発光波長を、７マイクロメートル以上１５マイクロメートル以下に設定することができる。また、発光波長を長波長側に拡大する場合には、第２井戸層１４において、スズ及びテルルの組成比を大きくする、または、第１井戸層１２及び第２井戸層１４の厚みを増加させる。その逆に、発光波長を短波長側に拡大する場合には、第２井戸層１４において、スズの組成比を小さくすればよい。そして、半導体のバンドギャップは温度を下げることにより小さくなる。さらに、伝導帯のバンド不連続量の温度依存性は小さい。従って、第１井戸層１２、第２井戸層１４及び第１障壁層１３により構成される超格子の温度を下げることによっても、発光波長の大幅な長波長化が可能である。   According to the structure formed of the above-described material, the emission wavelength can be set to 7 μm or more and 15 μm or less by controlling the operating temperature. When the emission wavelength is extended to the longer wavelength side, the composition ratio of tin and tellurium in the second well layer 14 is increased, or the thicknesses of the first well layer 12 and the second well layer 14 are increased. . Conversely, when the emission wavelength is extended to the shorter wavelength side, the composition ratio of tin in the second well layer 14 may be reduced. The band gap of the semiconductor is reduced by lowering the temperature. Further, the temperature dependence of the band discontinuity of the conduction band is small. Therefore, even if the temperature of the superlattice constituted by the first well layer 12, the second well layer 14, and the first barrier layer 13 is lowered, the emission wavelength can be significantly increased.

図３は、活性層８のエネルギ帯構造を示す。エネルギ帯構造は、第１井戸層１２、第２井戸層１４及び第１障壁層１３により構成される超格子のものである。より詳細には、図３は、ＰｂＴｅ／Ｐｂ０．６４Ｓｎ０．３６Ｔｅ／ＣａＴｅ超格子の室温（図３の（ａ）部）及び１００Ｋ（図３の（ｂ）部）におけるサブバンド構造を示す。図中のＥＣ１及びＥＶ１はそれぞれ電子注入層１０（ＰｂＴｅ）の伝導帯の下端を示すエネルギと、価電子帯の上端を示すエネルギである。ＥＣ２及びＥＶ２は、電子吐出層１１（ＰｂＳｎＴｅ）の伝導帯の下端を示すエネルギと、価電子帯の上端を示すエネルギである。レーザ素子１は、レーザ利得として、エネルギＥ１１で示す電子注入層１０（ＰｂＴｅ）の伝導帯の量子井戸と電子吐出層１１（ＰｂＳｎＴｅ）価電子帯の量子井戸内のサブバンド間の電子遷移を利用する。 FIG. 3 shows an energy band structure of the active layer 8. The energy band structure is of a superlattice composed of the first well layer 12, the second well layer 14, and the first barrier layer 13. More specifically, FIG. 3 shows a subband structure of a PbTe / Pb 0.64 Sn 0.36 Te / CaTe superlattice at room temperature (part (a) in FIG. 3) and at 100 K (part (b) in FIG. 3). Is shown. E C1 and E V1 in the figure are the energy indicating the lower end of the conduction band and the energy indicating the upper end of the valence band of the electron injection layer 10 (PbTe). The E C2 and E V2, an energy that shows the lower end of the conduction band of the electron ejection layer 11 (PbSnTe), is an energy that shows the top of the valence band. Laser device 1, as the laser gain, the intersubband electron transition of the electron injection layer 10 quantum wells and the electron ejection layer of the conduction band (PbTe) 11 (PbSnTe) value in the quantum well of the conduction band as indicated by the energy E 11 Use.

第１井戸層１２及び第２井戸層１４のヘテロ接合部１７において、第１井戸層１２（ＰｂＴｅ）の伝導帯の下端を示すエネルギは、第２井戸層１４（ＰｂＳｎＴｅ）の伝導帯の下端を示すエネルギより低い。また、当該ヘテロ接合部１７において、第１井戸層１２（ＰｂＴｅ）の価電子帯の上端を示すエネルギは、第２井戸層１４（ＰｂＳｎＴｅ）の価電子帯の上端を示すエネルギよりも低い。本実施形態において、このようなエネルギの関係を、タイプII型と呼ぶ。このようなエネルギの関係を有する構造によれば、電子と正孔とは空間的に分離される。その結果、２個の電子と１個の正孔によるオージェ非発光再結合の発生確率が低減される。同様に、１個の電子と２個の正孔によるオージェ再結合の発生確率も低減される。従って、このようなエネルギの関係を有する活性層８は、オージェ再結合確率が増大する長波長帯域のレーザ活性層として適している。   At the hetero junction 17 of the first well layer 12 and the second well layer 14, the energy indicating the lower end of the conduction band of the first well layer 12 (PbTe) is lower than the energy of the lower end of the conduction band of the second well layer 14 (PbSnTe). Lower than the indicated energy. In the heterojunction 17, the energy indicating the upper end of the valence band of the first well layer 12 (PbTe) is lower than the energy indicating the upper end of the valence band of the second well layer 14 (PbSnTe). In the present embodiment, such an energy relationship is referred to as a type II type. According to the structure having such an energy relationship, electrons and holes are spatially separated. As a result, the probability of occurrence of Auger non-radiative recombination due to two electrons and one hole is reduced. Similarly, the probability of Auger recombination due to one electron and two holes is reduced. Therefore, the active layer 8 having such an energy relationship is suitable as a laser active layer in a long wavelength band where the Auger recombination probability increases.

また、活性層８によれば、通常のバンド間遷移に比べて、電子と正孔との再結合発光遷移の発生確率も低減される。しかし、伝導帯と価電子帯との基底状態間の相互作用を増大させるために、電子注入層１０と電子吐出層１１とを多重積層構造（積層数が１０以上）とすることにより、レーザ動作に必要な十分な光利得を得ることができる。なお、第１井戸層１２及び第２井戸層１４の厚さを１０ｎｍ程度以下に設定することより、基底状態間の相互作用を増大させてもよい。   Further, according to the active layer 8, the probability of occurrence of recombination light-emission transition between electrons and holes is reduced as compared with normal inter-band transition. However, in order to increase the interaction between the ground state of the conduction band and the valence band, the laser operation is performed by forming the electron injection layer 10 and the electron ejection layer 11 into a multi-layer structure (the number of layers is 10 or more). Sufficient optical gain necessary for the above can be obtained. The interaction between the ground states may be increased by setting the thicknesses of the first well layer 12 and the second well layer 14 to about 10 nm or less.

図４は、超格子のカスケード構造（１５０周期）を含む活性層８が有する光学透過スペクトル（実線）と吸収係数（一点鎖線）を示す。より詳細には、実線は、ＰｂＴｅ／Ｐｂ０．６４Ｓｎ０．３６Ｔｅ／ＣａＴｅ超格子の室温（図４の（ａ）部）、２００Ｋ（図４の（ｂ）部）及び１００Ｋ（図４の（ｃ）部）における光学透過スペクトルである。一点鎖線は、吸収係数である。破線は、一点鎖線で示す吸収係数を仮定して計算したスペクトルである。図中のエネルギＥ１１、Ｅ１２及びＥ２１は、図３に示すサブバンド間遷移に対応する。 FIG. 4 shows an optical transmission spectrum (solid line) and an absorption coefficient (dashed-dotted line) of the active layer 8 including the superlattice cascade structure (150 periods). More specifically, the solid lines indicate the room temperature (part (a) in FIG. 4), 200K (part (b) in FIG. 4), and 100K (part (b) in FIG. 4) of the PbTe / Pb 0.64 Sn 0.36 Te / CaTe superlattice. (C) of FIG. The dashed line is the absorption coefficient. The broken line is a spectrum calculated assuming the absorption coefficient indicated by the dashed line. The energies E 11 , E 12 and E 21 in the figure correspond to the inter-subband transitions shown in FIG.

超格子の基底状態間の吸収係数は、温度の低下とともに増大する。具体的には、吸収係数は、温度を制御することにより、２５００ｃｍ−１以上５５００ｃｍ−１以下まで変化する。例えば、超格子のカスケード構造（３０周期）を含む活性層８である場合には、吸収係数は、５００ｃｍ−１以上１１００ｃｍ−１以下である光利得が得られる。つまり、自由キャリヤ吸収等の光損失をこの値より大幅に低く保つことにより、レーザ動作が行われる。 The absorption coefficient between the ground states of the superlattice increases with decreasing temperature. Specifically, the absorption coefficient by controlling the temperature, varying from 2500 cm -1 or 5500cm -1 or less. For example, in the case of the active layer 8 having a superlattice cascade structure (30 periods), an optical gain having an absorption coefficient of 500 cm -1 to 1100 cm -1 is obtained. That is, the laser operation is performed by keeping the optical loss such as free carrier absorption significantly lower than this value.

図５はレーザ素子１が有する活性層８のエネルギ構造を示す。より詳細には、図５は、ＰｂＴｅ／Ｐｂ０．７３Ｓｎ０.２７Ｔｅ／ＰｂＣａＴｅバンド間遷移カスケードレーザの活性層構造において２周期分を抽出して示す。ヘテロ接合部１７（ＰｂＴｅ／ＰｂＳｎＴｅ界面）の電子注入層１０（ＰｂＴｅ）の伝導帯における量子準位と電子吐出層１１（ＰｂＳｎＴｅ）の価電子帯における量子準位間のエネルギ差は９０ｍｅＶである。このエネルギ差は、波長が１３マイクロメートルの発光波長に相当する。 FIG. 5 shows an energy structure of the active layer 8 included in the laser device 1. More specifically, FIG. 5 shows two periods extracted from the active layer structure of the PbTe / Pb 0.73 Sn 0.27 Te / PbCaTe interband transition cascade laser. The energy difference between the quantum level in the conduction band of the electron injection layer 10 (PbTe) at the heterojunction 17 (PbTe / PbSnTe interface) and the quantum level in the valence band of the electron ejection layer 11 (PbSnTe) is 90 meV. This energy difference corresponds to an emission wavelength with a wavelength of 13 micrometers.

活性層８には右から左に電界が加わっている。従って、電子は、第１井戸層１２（ＰｂＴｅ）の厚さを徐々に薄くした電子注入層１０（ＰｂＴｅ／ＣａＴｅ）の伝導帯中を右側に向かって流れる。そして、第１井戸層１２（ＰｂＴｅ）と、第２井戸層１４（ＰｂＳｎＴｅ）との界面における、第１井戸層１２（ＰｂＴｅ）に注入される。   An electric field is applied to the active layer 8 from right to left. Therefore, electrons flow rightward in the conduction band of the electron injection layer 10 (PbTe / CaTe) in which the thickness of the first well layer 12 (PbTe) is gradually reduced. Then, it is injected into the first well layer 12 (PbTe) at the interface between the first well layer 12 (PbTe) and the second well layer 14 (PbSnTe).

さらに、第２井戸層１４（ＰｂＳｎＴｅ）の価電子帯量子井戸を満たす電子は、第２井戸層１４の厚さを徐々に厚くした電子吐出層１１（ＰｂＳｎＴｅ／ＣａＴｅ）を流れる。そして、電子は、次の電子注入層１０の伝導帯へ提供される。その後、次のヘテロ接合部１７（ＰｂＴｅ／ＰｂＳｎＴｅ）の界面における第１井戸層１２（ＰｂＴｅ）に注入される。   Further, the electrons filling the valence band quantum well of the second well layer 14 (PbSnTe) flow through the electron discharge layer 11 (PbSnTe / CaTe) in which the thickness of the second well layer 14 is gradually increased. Then, the electrons are provided to the next conduction band of the electron injection layer 10. After that, it is injected into the first well layer 12 (PbTe) at the interface of the next heterojunction 17 (PbTe / PbSnTe).

従って、ヘテロ接合部１７（ＰｂＴｅ／ＰｂＳｎＴｅ）の界面における、第１井戸層１２（ＰｂＴｅ）の伝導帯における量子井戸と、第２井戸層１４（ＰｂＳｎＴｅ）の価電子帯における量子井戸と、の間で反転分布が形成される。その結果、レーザ動作が可能になる。このとき、前段のヘテロ接合部１７（ＰｂＴｅ／ＰｂＳｎＴｅ）の界面における第２井戸層１４（ＰｂＳｎＴｅ）における価電子帯の電子は、次段の第１井戸層１２（ＰｂＴｅ）の伝導帯における量子井戸へ注入される。この構成によれば、３０周期の多段のカスケード構造においても必要な注入電流は、１段の量子井戸を反転分布させるのに必要な電流のみである。その結果、レーザ素子１は、通常のダブルへテロレーザ及び多重量子井戸レーザに比べて、電流閾値が大幅に低減される。   Therefore, between the quantum well in the conduction band of the first well layer 12 (PbTe) and the quantum well in the valence band of the second well layer 14 (PbSnTe) at the interface of the heterojunction 17 (PbTe / PbSnTe). , A population inversion is formed. As a result, laser operation becomes possible. At this time, electrons in the valence band in the second well layer 14 (PbSnTe) at the interface of the heterojunction 17 (PbTe / PbSnTe) in the former stage are converted into quantum wells in the conduction band of the first well layer 12 (PbTe) in the next stage. Injected into According to this configuration, even in the multi-stage cascade structure of 30 periods, the necessary injection current is only the current necessary for inverting the distribution of the quantum well of one stage. As a result, the current threshold of the laser device 1 is greatly reduced as compared with the ordinary double hetero laser and the multiple quantum well laser.

以下、レーザ素子１の作用効果について説明する。   Hereinafter, the function and effect of the laser element 1 will be described.

ところで、より長い波長帯域のレーザとして、III−V族半導体により構成される量子井戸の伝導帯内サブバンド間遷移を利用する量子カスケードレーザが知られている。このような量子カスケードレーザでは、波長が３マイクロメートル以上２５マイクロメートル以下のものが報告されている。また、波長が６０マイクロメートル以上２００マイクロメートル以下の帯域を有する量子カスケードレーザも報告されている一方、波長が２５マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の波長帯域は、これらの半導体のＬＯフォノンとＴＯフォノン周波数に挟まれたレストストラーレンバンドと呼ばれる波長帯域である。このレストストラーレンバンドにおいては、誘電率が負の値をとるため光が媒質中を伝わりにくい。この理由から、波長が２５マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の波長帯域の量子カスケードレーザは実現されていない。   Meanwhile, as a laser having a longer wavelength band, a quantum cascade laser using transition between sub-bands in a conduction band of a quantum well composed of a III-V semiconductor is known. As such a quantum cascade laser, a laser having a wavelength of 3 μm or more and 25 μm or less has been reported. In addition, while quantum cascade lasers having a wavelength band of 60 μm to 200 μm have been reported, the wavelength band of 25 μm to 50 μm corresponds to the LO phonon and TO phonon of these semiconductors. This is a wavelength band called reststrahlen band sandwiched between frequencies. In this reststrahlen band, light does not easily travel through the medium because the dielectric constant takes a negative value. For this reason, a quantum cascade laser having a wavelength band of not less than 25 micrometers and not more than 50 micrometers has not been realized.

一方、IV−VI族半導体は、III−V族半導体に比べてオージェ非発光再結合確率が小さい。さらに、IV−VI族半導体は、光学フォノン周波数が低い。従って、波長が２５マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下における波長帯域のレーザへの応用が期待されている。例えば、ＰｂＳｎＳｅのバンド間遷移を利用するレーザ素子であって、ホモ接合を有する構造を採用するものにつき、波長が４５マイクロメートルでのレーザ動作が報告されている。従来のバンド間遷移レーザは、波長の長波長化とともに、自由キャリヤ吸収損失及び非発光オージェ再結合確率が増大する。この理由から、レーザの高温動作は難しい。例えば、波長が２５マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下における波長帯域のレーザとしては、数十Ｋ以下の低温での動作報告があるのみである。   On the other hand, IV-VI group semiconductors have a lower Auger non-radiative recombination probability than III-V semiconductors. Further, the IV-VI group semiconductor has a low optical phonon frequency. Therefore, application to a laser in a wavelength band in a wavelength range of 25 micrometers to 50 micrometers is expected. For example, a laser operation at a wavelength of 45 micrometers has been reported for a laser element using a PbSnSe interband transition and employing a structure having a homojunction. In the conventional interband transition laser, the free carrier absorption loss and the non-emission Auger recombination probability increase as the wavelength becomes longer. For this reason, high temperature operation of the laser is difficult. For example, as a laser in a wavelength band at a wavelength of 25 μm or more and 50 μm or less, only operation at a low temperature of several tens K or less has been reported.

上述した事情に鑑み、本件発明者が鋭意検討を重ねた結果、非発光オージェ再結合確率の更なる低減とキャリヤ再利用による低閾値化が期待されるIV-VI半導体タイプII量子井戸を用いることにより、未開拓波長帯域（波長が２５マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下）を含む、波長が７マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の領域の波長帯域のレーザ性能の大幅な改善が期待できることを見出した。   In view of the above-mentioned circumstances, the present inventors have made extensive studies and as a result, using an IV-VI semiconductor type II quantum well, which is expected to further reduce the non-radiative Auger recombination probability and lower the threshold by carrier reuse As a result, the present inventors have found that a significant improvement in laser performance can be expected in a wavelength band including an unexplored wavelength band (wavelength of 25 μm or more and 50 μm or less) and a wavelength region of 7 μm or more and 50 μm or less.

要するに、本実施形態に係るレーザ素子１では、IV-VI族半導体がIII-V族半導体に比べてオージェ非発光再結合確率が小さい。さらに、光学フォノン周波数が低く、この波長帯域のレーザへの応用が可能である。つまり、非発光オージェ再結合確率の更なる低減とキャリヤ再利用による低閾値化を実現できる。さらに、量子井戸として、電子注入層の伝導帯の下端が電子吐出層の伝導帯の下端よりも低く、電子注入層の価電子帯の上端が電子吐出層の価電子帯の上端よりも低くした構造を採用する。このような構造は、タイプIIと呼ばれる。従って、一形態のバンド間遷移カスケードレーザは、IV-VI族半導体を採用したタイプII型の量子井戸を用いているので、未開拓波長帯域である波長が２５マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の帯域を含む、波長が７マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の波長帯域に含まれる波長のレーザを出射することができる。   In short, in the laser device 1 according to this embodiment, the IV-VI group semiconductor has a smaller Auger non-radiative recombination probability than the III-V semiconductor. Furthermore, the optical phonon frequency is low, and application to a laser in this wavelength band is possible. That is, it is possible to further reduce the non-light-emitting Auger recombination probability and lower the threshold value by reusing carriers. Further, as the quantum well, the lower end of the conduction band of the electron injection layer is lower than the lower end of the conduction band of the electron emission layer, and the upper end of the valence band of the electron injection layer is lower than the upper end of the valence band of the electron emission layer. Adopt structure. Such a structure is called type II. Therefore, since one form of the interband transition cascade laser uses a type II quantum well employing an IV-VI semiconductor, the unexplored wavelength band has a wavelength range of 25 to 50 micrometers. And a laser having a wavelength included in a wavelength band of 7 μm or more and 50 μm or less.

換言すると、本実施形態に係るレーザ素子１の活性層８は、ナローギャップ半導体であるＰｂＴｅとＰｂＳｎＴｅのタイプII型のヘテロ接合部１７を有する。ワイドギャップ半導体であるＣａＴｅ及びナローギャップ半導体であるＰｂＳｎＴｅの多層構造と、ＣａＴｅ及びＰｂＴｅの多層構造と、は、次段の活性領域への電子注入に用いられる。このような構造を、バンド間遷移カスケード構造と呼ぶ。バンド間遷移カスケード構造によれば、オージェ非発光再結合確率と自由キャリヤ吸収損失とが低減される。その結果、波長が７マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の領域で高温動作するレーザ素子１が提供される。   In other words, the active layer 8 of the laser device 1 according to the present embodiment has a type II heterojunction 17 of a narrow gap semiconductor such as PbTe and PbSnTe. The multilayer structure of CaTe which is a wide gap semiconductor and PbSnTe which is a narrow gap semiconductor, and the multilayer structure of CaTe and PbTe are used for electron injection into an active region of the next stage. Such a structure is called an interband transition cascade structure. According to the interband transition cascade structure, the Auger non-radiative recombination probability and free carrier absorption loss are reduced. As a result, the laser device 1 that operates at a high temperature in a region having a wavelength of 7 μm to 50 μm is provided.

１…レーザ素子（バンド間遷移カスケードレーザ）、２…半導体基板、３…リッジ、４…埋め込み部、６…オーミック電極、７…クラッド、８…活性層、９…クラッド、１０…電子注入層、１１…電子吐出層、１２…第１井戸層、１３…第１障壁層、１４…第２井戸層、１６…第２障壁層、１７…ヘテロ接合部。 REFERENCE SIGNS LIST 1 laser device (inter-band transition cascade laser), 2 semiconductor substrate, 3 ridge, 4 buried portion, 6 ohmic electrode, 7 cladding, 8 active layer, 9 cladding, 10 electron injection layer, 11: electron discharge layer, 12: first well layer, 13: first barrier layer, 14: second well layer, 16: second barrier layer, 17: heterojunction.

Claims (4)

半導体基板と、
前記半導体基板の主面に形成され、電子注入層および電子吐出層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、
前記電子注入層及び前記電子吐出層は、IV−VI族半導体により構成され、
前記電子注入層の伝導帯の下端は、前記電子吐出層の伝導帯の下端よりも低く、
前記電子注入層の価電子帯の上端は、前記電子吐出層の価電子帯の上端よりも低い、バンド間遷移カスケードレーザ。 A semiconductor substrate;
An active layer formed on the main surface of the semiconductor substrate and having a cascade structure in which an electron injection layer and an electron ejection layer are alternately stacked,
The electron injection layer and the electron ejection layer are composed of a group IV-VI semiconductor,
The lower end of the conduction band of the electron injection layer is lower than the lower end of the conduction band of the electron ejection layer,
An interband transition cascade laser, wherein an upper end of a valence band of the electron injection layer is lower than an upper end of a valence band of the electron ejection layer. 前記電子注入層は、前記IV−VI族半導体としての鉛（Ｐｂ）およびテルル（Ｔｅ）を主成分として含む第１井戸層と、所定の半導体材料により形成される第１障壁層と、が交互に積層された第１量子井戸構造を有し、
前記電子吐出層は、前記IV−VI族半導体としての鉛−スズ−テルル〔（Ｐｂ（１−ｘ）Ｓｎ（ｘ）Ｔｅ（０．２＜ｘ＜０．６）〕を主成分として含む第２井戸層と、前記所定の半導体材料により形成される第２障壁層と、が交互に積層された第２量子井戸構造を有し、
前記所定の半導体材料は、テルル化カルシウム（ＣａＴｅ）、セレン化カルシウム（ＣａＳｅ）、テルル化ユウロピウム（ＥｕＴｅ）、テルル化ストロンチウム（ＳｒＴｅ）、セレン化ストロンチウム（ＳｒＳｅ）、鉛テルル化カルシウム（ＰｂＣａＴｅ）、鉛テルル化ユウロピウム（ＰｂＥｕＴｅ）及び鉛テルル化ストロンチウム（ＰｂＳｒＴｅ）から選択される、請求項１に記載のバンド間遷移カスケードレーザ。 In the electron injection layer, a first well layer mainly containing lead (Pb) and tellurium (Te) as the IV-VI group semiconductor and a first barrier layer formed of a predetermined semiconductor material are alternately formed. Having a first quantum well structure laminated on
The electron ejection layer contains lead-tin-tellurium [(Pb (1-x) Sn (x) Te (0.2 <x <0.6)] as the IV-VI semiconductor as a main component. A second quantum well structure in which two well layers and a second barrier layer formed of the predetermined semiconductor material are alternately stacked;
The predetermined semiconductor material includes calcium telluride (CaTe), calcium selenide (CaSe), europium telluride (EuTe), strontium telluride (SrTe), strontium selenide (SrSe), lead calcium telluride (PbCaTe), The interband transition cascade laser according to claim 1, wherein the interband transition cascade laser is selected from lead europium telluride (PbEuTe) and lead strontium telluride (PbSrTe). 前記第１井戸層は、さらにセレン（Ｓｅ）を含む、請求項２に記載のバンド間遷移カスケードレーザ。   The interband transition cascade laser according to claim 2, wherein the first well layer further contains selenium (Se). 前記所定の半導体材料は、テルル化カルシウム（ＣａＴｅ）である、請求項２または３に記載のバンド間遷移カスケードレーザ。   4. The interband transition cascade laser according to claim 2, wherein the predetermined semiconductor material is calcium telluride (CaTe).
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