JP2021166234A - 量子カスケードレーザー素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】近赤外波長域で動作するＱＣＬ素子を提供する。
【解決手段】一対の導電部２０、３０に挟まれた半導体超格子構造（ＱＣＬ構造１００）を有する量子カスケードレーザー素子１０００が提供される。半導体超格子構造は、動作のために一対の導電部を通じ印加される外部電圧の下で近赤外領域のある波長の電磁波を放出する活性領域となる。活性領域は、繰り返して積層されている複数の単位構造１０Ｕを有している。各単位構造は、0≦x＜y≦1として、ＡｌyＧａ1-yＮの組成のバリア層１０Ｂ１〜１０Ｂ５で互いに仕切られたＡｌxＧａ1-xＮの組成の４つのウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４からなる。このうちいずれかのウェル層が他のよりも厚い最大厚ウェル層である。一対の導電部の両方は活性領域の屈折率よりも低い屈折率をもつ。
【選択図】図２

Description

本開示は量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）素子に関する。さらに詳細には本開示は、近赤外を放射する４ウェル構造をもつＱＣＬ素子に関する。
近年、中赤外領域やテラヘルツ（ＴＨｚ）領域の電磁波を放出（発光）する固体光源として量子カスケードレーザー（Quantum Cascade Laser、以下「ＱＣＬ」という）が注目されている。例えば特許文献１では窒化物によるＴＨｚ領域でのＱＣＬ素子が開示されている。ＱＣＬ素子は単位構造の繰り返しを含む半導体超格子構造を備えており、その内部での電気伝導をになうキャリアは電子であり、電子には外部電圧によるバイアスに加え、各単位構造をなす各層においてポテンシャルが作用している。電子に作用するポテンシャルは、各単位構造にウェル（井戸）およびバリア（障壁）を一般に複数備えている。電子に対するポテンシャルのウェルおよびバリアは、各単位構造をなす各層の材質で定まり、厚みの位置に応じ伝導帯オフセットが反映された凹凸を形成しており、ＱＣＬ素子を動作させるために外部電圧を印加すると全体が傾斜する。キャリアとなる電子は、傾斜した凹凸のあるポテンシャルに形成されるサブバンドすなわち準位を輸送されながらサブバンド間遷移（intersubband transitions;ＩＳＢＴ）を繰り返し、各遷移で電磁波の場と結合して誘導放出（stimulated emission）しレーザー発振（lasing）を引き起こす。このため、半導体超格子構造が発光における活性領域となる。カスケードとの名称は、サブバンド間遷移を起こしながらエネルギーを失いつつ輸送される電子の挙動にちなんで与えられている。ＱＣＬ素子においては材質のエネルギーバンドギャップと無関係な波長を選択しレーザー発振させることが可能である。そのレーザー波長（lasing wavelength）または周波数は、半導体超格子構造の材質や設計により変更することができる。このため、ＱＣＬ素子は固体光源がかつて得られていない波長域（周波数域）のコヒーレント光源のユニポーラ半導体レーザーとして注目されている。これまでに中赤外および遠赤外のＱＣＬが商業化されている。
電気ケーブルを基礎とする通信システムと比較して光ファイバーは多くの利点を実証しており、その最重要なものは、データ転送の膨大な容量、光伝送におけるロスの少なさ、および大幅な低コストである。光通信の可能な長距離通信のウインドウ（１．３μｍ、１．５５μｍ）は、近赤外波長域にある。現実の使用のために小型で、可変波長で、狭い発光ピーク、高出力という特徴を持つような光源が必要になる。量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）はこういった要件を満たしうる最有力な候補として扱われてきた。
特開２０１６−０４２５７２
しかしながら、近赤外波長域でのＱＣＬのレーザー発振動作は達成されていない。近赤外ＱＣＬ素子の主な困難は、非常に大きな光子エネルギーのために活性領域の設計において大きな伝導帯オフセットが必要になる点にあり、例えば、伝導帯オフセットが１ｅＶを上回らなくてはならならない。
この大きな伝導帯オフセットはＧａＮ／ＡｌＧａＮ系材料で実現することができる。ほかにもＧａＮのＩＳＢＴに対して、物理学面および実験面での先駆的貢献がなされており、超高速のキャリアダイナミクスが確認されているものの、近赤外領域でどのような構造により実用的なＱＣＬ素子が実現しうるかは示されていない。
本開示は、上記問題の少なくともいくつかを解決することを課題とし、近赤外の波長域でレーザー発振しうる実用的なＱＣＬの構造を提供することである。
本発明者は、バリア高さを調整しやすく波長範囲も広げやすいＧａＮ／ＡｌＧａＮ系材料を用いるＱＣＬ素子において実用性の高い構造を見いだした。すなわち、本開示では、一対の導電部に挟まれた半導体超格子構造を有する量子カスケードレーザー素子であって、該半導体超格子構造が、動作のために該一対の導電部を通じ印加される外部電圧の下で近赤外領域のある波長の電磁波を放出する活性領域となり、該活性領域は、繰り返して積層されている複数の単位構造を有しており、各単位構造は、0≦x＜y≦1として、ＡｌyＧａ1-yＮの組成のバリア層によって互いに仕切られたＡｌxＧａ1-xＮの組成の４つのウェル層からなり、いずれかのウェル層が他のよりも厚い最大厚ウェル層であり、前記一対の導電部の両方が、前記波長の電磁波に対して前記活性領域の屈折率よりも低い屈折率をもつものである量子カスケードレーザー素子が提供される。
本出願において、近赤外領域の電磁波とは、おおむね３０ＴＨｚ〜３８０ＴＨｚの周波数範囲すなわち約０．７８μｍ〜１０μｍ程度の波長範囲の電磁波をいう。さらに本出願の説明には、可視光や赤外線を対象とする電子デバイスや物理学の分野から転用または借用される技術用語を用いて素子構造や機能を説明することがある。このため、可視光とはいえない波長域または周波数域の電磁波に関する説明であっても、量子カスケードレーザーの素子や誘導放出の現象を示すために「レーザー」や「発光」との用語を用いたり、「光」（light）、「光学的−」（optical -）、「光−」（photo -）などの用語を用いる場合がある。光閉じ込め、屈折も、その例示の一部である。波長は、物質中でも真空中の値を用いる慣例に従う。
本開示のいずれかの態様では、近赤外で発光しうる実用的なＱＣＬ素子が提供される。
図１は、波長域に対してバンド間遷移を利用する従来のレーザーダイオード素子と、本開示のＧａＮ／ＡｌＧａＮ系材料に基づくＱＣＬ素子を含むカスケード動作つまりサブバンド間遷移（ＩＳＢＴ）を用いるＱＣＬ素子とにおいて、活性領域を構成する材料系と発光波長域の関係を示す説明図である 本発明の実施形態のＱＣＬ素子の構成の概要を示す斜視図（図２Ａ）、拡大断面図（図２Ｂ）、およびさらなる部分拡大断面図（図２Ｃ）である。 図３は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子のある設計例における動作状態について計算により求められた伝導帯電子に対するポテンシャルである伝導帯ダイアグラムと電子の存在確率分布の典型例を層厚方向の位置に対して示すグラフである。 図４は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子のある設計例における動作状態について計算により求められた電子の束縛状態における電子密度をエネルギーと層厚方向の位置に対して示すマップである。 図５は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子のある設計例における動作状態について計算により求められた波長に対する光学ゲインを示す特性図である。 図６は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子のある設計例における動作状態について計算により求められたフォトンエネルギーに対する光学ゲインを層厚方向の位置に対して示すマップである。 図７は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子のある設計例において、各波長に適合させた設計での光学ゲインのピークを算出した特性図である。 図８は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子のエピタキシャル成長により得られる製造方法と構造を示す構成図である。 図９は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子の放射面の断面を示す構成図である。 図１０は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子のある設計例におけるインデックスガイド構造とその光学モードの閉じ込め強度の計算値を示すグラフである。
以下図面を参照し、本開示に係るＱＣＬ素子の実施形態を説明する。全図を通じ当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付される。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。
１−１．着想
本実施形態にて提供されるＱＣＬ素子では、近赤外の波長域でのレーザー発振が達成される。本実施形態で提供されるのは、実現可能な活性領域（光利得領域）の設計と、発光を実現するインデックスガイド構造とである。つまり、本開示では、第１に、近赤外にて用いられるウェルの最小数である４つのウェルだけを含む活性領域の設計が提供される。その設計では、対角のＬＯフォノンによって、上位レーザー準位への電子注入がアシストされ、注入効率が増強される。さらに、第２に、成長軸方向について適切なインデックスガイド構造が提供される。典型的には、インデックスガイド構造のための屈折率と、カスケード構造をもつ活性領域に対するスムーズな電子の注入動作とが両立するように、ｎ型の酸化物導電体すなわちＺｎＯやＩＴＯの層を用いる。なお、酸化物導電体は透明導電酸化物（ＴＣＯ：transparent conductive oxide）とも呼ばれる。
図１は、波長域に対してバンド間遷移を利用する従来のレーザーダイオード素子と、カスケード動作つまりサブバンド間遷移（ＩＳＢＴ）を用いるＱＣＬ素子とにおいて、活性領域を構成する材料系と発光波長域の関係を示す説明図である。バンド間遷移による再結合発光を利用する光源では、ＡｌＧａＮ（ＧａＮ）系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ（ＧａＡｓ）系、ＩｎＧａＡｓ（ＩｎＰ）系、ＩｎＡｌＡｓＳｂ（ＧａＰ）系、Ｐｂ（塩）系材料のそれぞれのバンドギャップに対応した発光波長が得られる。しかし、バンド間遷移を利用する限り近赤外〜中赤外の波長域に対しては、高効率な発光動作は実現しにくい。これに対してサブバンド間遷移を利用するＱＣＬ素子は、バンドギャップの束縛はなくなる。ＱＣＬ素子では結晶成長技術が蓄積されているＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料やＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系材料を中心に研究が進展してきた。これらの材料系ではカスケード動作の発光実現しうる長い側の波長範囲、つまり中赤外〜ＴＨｚ波（波長２μｍ〜２００μｍ程度、周波数１．５ＴＨｚ〜１５０ＴＨｚ程度）での動作が期待できる。なお、ＱＣＬ素子の場合の材料と波長範囲の関係では材料系ごとにreststrahlen bandと呼ばれる帯域においてレーザー発振に必要な十分な光学ゲインを得ることはできない。この帯域を挟んで長波長側および短波長側でのレーザー発振が可能である。
混晶組成比の調整により伝導帯オフセットつまりバリア高さを拡大しやすいＧａＮ／ＡｌＧａＮ系材料は、ＧａＡｓ系材料などに比べて結晶成長の技術的困難性が高いなどの理由より、ＱＣＬ素子のために十分な検討がなされず見込みのある設計も提示されてこなかった。本願発明者は、バンド間遷移では高効率な発光動作が難しく、ＩＳＢＴによるＱＣＬ素子でも他の材料では達成し得ない近赤外波長域でのレーザー動作が期待できるような実用的な設計を目指し、バリア高さを調整しやすく波長範囲も広げやすいＧａＮ／ＡｌＧａＮ系材料を用いるＱＣＬ素子において実用性の高い構造を創出することに成功した。
１−２．実施形態のＱＣＬ素子の構成
図２は、本実施形態のＱＣＬ素子の構成の概要を示す斜視図（図２Ａ）、拡大断面図（図２Ｂ）、およびさらなる部分拡大断面図（図２Ｃ）である。本実施形態のＱＣＬ素子１０００（図２Ａ）は、概して、一対の導電部２０および３０と、その間に挟むようにされている半導体超格子構造であるＱＣＬ構造１００とにより構成されている。
導電部２０および３０は、ＱＣＬ構造１００に対し電界を形成するための電圧と電磁波の放出すなわち発光のための電流とを外部から受けるために利用される。典型的には、導電部２０がｎ型となるようドープされた酸化物導電体、導電部３０がｎ型となるようドープされたＡｌzＧａ1-zＮ（０．４≦ｚ≦０．６）層で形成されている。ＱＣＬ素子１０００は、近赤外領域の電磁波に対して導波路構造を持つように構成されている。導波路構造において光が閉じ込められるコアとなるのがＱＣＬ構造１００であり、その閉じ込めのためのインデックスガイド（クラッド）となるが導電部２０および３０である。ＱＣＬ素子１０００が動作する際には、上記電圧が印加された結果、電子に対し精密に設計されたポテンシャルの構造がＱＣＬ構造１００に形成される。このポテンシャル構造が適切な構造とその繰り返し構造をもつように、ＱＣＬ構造１００（図２Ｂ、２Ｃ）には交互に積層されたウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４およびバリア層１０Ｂ１〜１０Ｂ５を一つ以上含むある厚みの単位構造１０Ｕが複数、繰り返して形成されている。単位構造１０Ｕの厚み方向に通過する電子は、ポテンシャルの構造を通過する際、典型的にはポテンシャルのウェル１０Ｗに形成される複数の閉じ込め準位間（複数のサブバンド間）を電子が遷移しながら電磁波２０００を放出する。図２に示すように、本出願において、特に断りのない場合、ｚ方向を導電部３０から導電部２０に向かう膜厚方向に定める。また、ウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４およびバリア層１０Ｂ１〜１０Ｂ５をそれぞれウェル層１０Ｗ、バリア層１０Ｂと総称することがある。
ＱＣＬ素子１０００のＱＣＬ構造１００（図２Ａ）は、デバイス全体でみるとサファイア基板４０上の複数層の積層体であり、ＱＣＬ構造１００（図２Ｂ）の層構造の広がりの外形をトリミングして形成される。本実施形態に典型的なＱＣＬ素子１０００は、例えば（０００１）面方位のサファイア基板４０を利用して極性面を利用したエピタキシャル成長により形成される。この典型例を詳述すると、サファイア基板４０の表面には、バッファー層となるＡｌＮ層４２が１０００ｎｍ厚に形成され、その表面に接して高ドープｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ（典型的な電子密度約５×１０18ｃｍ-3）がＡｌzＧａ1-zＮ層が導電部３０として２０００ｎｍ厚に形成され、その後に活性領域となるＱＣＬ構造１００が形成される。導電部３０の組成は、ＡｌzＧａ1-zＮ（０．４≦z≦０．６）層の一典型例である。ＱＣＬ構造１００の詳細な構成については後述する。形成されたＱＣＬ構造１００の上面には、導電部２０のためにｎ型ドープのＴＣＯ層が４００ｎｍ厚に形成される。ＴＣＯ層の典型的な材質はインジウム酸化物スズ（Indium Tin Oxide;ＩＴＯ）で、典型的な電子密度は約５×１０19ｃｍ-3である。
図２Ｂに示すＱＣＬ構造１００において、同一の構造の単位構造１０Ｕが一般に１０〜２００周期分だけ繰り返して積層されて活性領域が構成され、例えば４０層繰り返される。図２Ｃは、各単位構造１０Ｕの１単位分（１周期分）の構造を拡大して示す。単位構造１０Ｕにおいては、バリア層１０Ｂとウェル層１０Ｗが交互に積層されている。バリア層１０Ｂ１に接してウェル層１０Ｗ１が配置され、ウェル層１０Ｗ１に接しバリア層１０Ｂ２が配置され、以下同様である。なお、バリア層１０Ｂ５は、次の周期の単位構造１０Ｕのバリア層１０Ｂ１となる。各単位構造１０Ｕは厚みの向きに繰り返して積層されている。各単位構造１０Ｕは、４つのウェル層１０Ｗであるウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４を導電部３０の側からこの順に有している。各ウェル層１０Ｗは互いにバリア層１０Ｂにより仕切られている。個別のバリア層１０Ｂも必要に応じ区別し、導電部３０の側から順にバリア層１０Ｂ１〜１０Ｂ５と呼ぶ。各単位構造１０Ｕは、０≦x＜y≦１として、互いにＡｌyＧａ1-yＮの組成のバリア層で仕切られたＡｌxＧａ1-xＮの組成のウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４からなる４量子井戸構造をもっている。ウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４は、典型的にはＧａＮ層である。なお、x、yは、ＧａＮとＡｌＮの混晶におけるＡｌＮの比率である。y−xの値が大きいほど伝導帯オフセットが大きくなり、ウェル層１０Ｗにおけるポテンシャル井戸の深さが増す。ウェル層１０Ｗ２はウェル層１０Ｗ１、１０Ｗ３、１０Ｗ４よりも厚くなっている。ウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４のうちの一つ以上のウェル層がドープによりｎ型にされ、典型的にはウェル層１０Ｗ１、１０Ｗ４がドープされる。ここでのドープは、ウェル層１０Ｗ１の電子密度が例えば２×１０18ｃｍ-3程度となるように、ウェル層１０Ｗ１、１０Ｗ４の形成時に変調ドーピングを施すことにより実施される。こうして、ウェル層１０Ｗ１〜Ｗ４の４つのウェル層が互いにバリア層により仕切られているような構造を有する単位構造１０Ｕが作製される。以下、特に断りの無い限り、ウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４の説明をx＝０とした場合のＧａＮ層に基づいて説明するが、その説明は、ウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４のためのＡｌxＧａ1-xＮの組成の場合の説明の一典型例にすぎない。
上述した典型的な設計例を各層のサイズまで含めてより具体的に説明すると、表１のようになる。なお、表１の設計例の値は波長１．５５μｍにて高いゲインが得られる具体的設計であり、その詳細は後述する。

Figure 2021166234
ＱＣＬ素子１０００の設計は理論計算に基づいて行われ、その手法は、非平衡グリーン関数法であり、波動関数の決定のためには自己無撞着法が採用される。その計算では、界面あらさによる散乱、電子−ＬＯフォノン相互作用、電子−荷電不純物、電子−電子相互作用、貫通転位がゲインに対し及ぼす効果が考慮される。
図３は、本実施形態のＱＣＬ素子１０００での３つの隣接周期内のカスケード構造について算出した伝導帯電子に対するポテンシャル（伝導帯ダイアグラム）と電子の存在確率分布の典型例を示す。表１に示したように、ＱＣＬ素子１０００は４つのウェルをもつＱＣＬ構造１００を持ち、その典型的な設計例では、ウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４のためにＧａＮ層を採用し、バリア層１０Ｂ１〜１０Ｂ５のためにＡｌ0.8Ｇａ0.2Ｎ層を採用する。図３は、膜厚方向を横軸にとり、バイアス電圧を印加して動作させた状態での電子に対するポテンシャルを描き、そこに波動関数により求まる膜厚方向閉じ込め準位の各位置での存在確率（存在確率分布）をプロットしている。層厚方向閉じ込め準位は、量子力学に従って離散的エネルギーを持つようにウェル層のポテンシャルに応じて形成される準位であり、その準位の波動関数はバリア層にもある程度侵入しうる。各存在確率分布のベースライン（図示しない）の縦方向の位置はその準位のエネルギー値に合わせて描いている。また、グラフ欄外上方には、ウェル層１０Ｗ１〜１０Ｗ４、バリア層１０Ｂ１〜１０Ｂ５、単位構造１０Ｕそれぞれの位置や範囲の目安を明示しており、その際ウェル層１０Ｗ１をＷ１等と略している。表１に示したように単位構造１０Ｕの１周期内のバリア層およびウェル層の厚み（ポテンシャルの幅）は、導電部３０の側から順に０．８５／０．９／０．７／２．２／０．８／１．３／０．８／１ｎｍである。この設計例において、動作バイアスは９８０ｍＶ／周期としている。上位レーザー準位（ＵＬＬ：upper lasing level）および下位レーザー準位（ＬＬＬ：lower lasing level）は、最大幅のＧａＮウェルの基底状態および第一励起状態、つまりウェル層１０Ｗ２における二つの層厚方向閉じ込め準位である。一つの典型的な設計例において、ＱＣＬ素子１０００における上位レーザー準位と下位レーザー準位間でのエネルギー分離および双極子行列要素は、それぞれ９７０ｍｅＶおよび０．４２ｎｍである。
この設計例において、動作バイアス（９８０ｍＶ／周期）の範囲内で、電子が縦サブバンド内（intra-subband）遷移に続けて上位レーザー準位から下位レーザー準位に緩和する時に光子が放出されうることが示される。まず、上流側の最隣接ウェルにおける基底状態から、上位レーザー準位への電子注入は、ＬＯフォノン1粒子を対角的に放出することにより達成される。この過程は、また熱緩和に対して利点があり、カスケードになっている一周期を通じての電子温度を下げる効果も持つ。また、上位レーザー準位・下位レーザー準位間での光子の放射の後、電子は下位レーザー準位から連続共鳴トンネル現象（sequential resonant tunneling）により引き抜かれ（depopulated）、その後、次の周期に注入され、以下同様となる。
ここまでの説明に基づいて、ＱＣＬ構造１００の具体的構造の設計に至る着想を説明する。図３において、ウェル層１０Ｗ２からみて電子の流れの上流側に連続して位置最大幅のＧａＮウェルはウェル層１０Ｗ２であり最大の厚みのウェルであるが、その厚みは、下位レーザー準位と上位レーザー準位の二つだけが層厚方向閉じ込め準位となる範囲で選択されている。一般に、厚くするとより多くの準位が層厚方向閉じ込め準位となりうるが、ここでは高々２つの層厚方向閉じ込め準位のみが最大幅のＧａＮウェル（ウェル層１０Ｗ２）に存在するように厚みを決定している。本実施形態は、近赤外の波長域に合せた上位レーザー準位と下位レーザー準位との大きなエネルギー差であっても、ウェル層１０Ｗとバリア層１０Ｂの材質や厚みを適切に選ぶことにより高々２つの層厚方向閉じ込め準位を持たせうる実例である。
また、光学遷移前後の電子の輸送にも反転分布を実現するための工夫がなされている。具体的には、ウェル層１０Ｗ３、１０Ｗ４、１０Ｗ１のうち、最隣接であるウェル層１０Ｗ１の層厚方向閉じ込め準位が、フォノンを媒介したフォノン−電子散乱により、上位レーザー準位へ電子を注入する注入準位となる。この注入準位は、ウェル層１０Ｗ１にとっての基底状態でもある。また、ウェル層１０Ｗ２からみて電子の流れの下流側に連続して位置するウェル層１０Ｗ３、１０Ｗ４、１０Ｗ１のいずれかの層厚方向閉じ込め準位が、共鳴トンネリングにより下位レーザー準位から電子を引き抜く引き抜き準位となる。電子の流れの下流側に連続して位置するウェル層１０Ｗ３、１０Ｗ４、１０Ｗ１には複数の層厚方向閉じ込め準位が形成される。これらの複数の膜厚方向閉じ込め準位は、下位レーザー準位から電子を引き抜いて、連続した共鳴トンネリングが可能となって、層厚方向閉じ込め準位を通じて電子を輸送するように動作する。
このような動作を実現する設計では、ウェル層１０Ｗ２（最大幅のウェル）以外のウェル層１０Ｗ３、１０Ｗ４、１０Ｗ１それぞれの厚みは、連続する二つの単位構造１０Ｕに属する二つの最大厚ウェル層に挟まれる範囲で、積層の順に順次に大きくなっているかまたは小さくなっている。例えば、図３に示したものでは、ウェル層１０Ｗ３、１０Ｗ４、１０Ｗ１の厚みは、１．３、１．０、０．９ｎｍと順に小さくなるように並んでいる。最大幅のウェルまで含めれば、４つのウェル層の厚みの値が、順次に大きくなっているかまたは小さくなっていると言える。なお、ここで順次に大きくなっているかまたは小さくなっている並びは、一つの単位構造の範囲であっても、連続する二つの単位構造の範囲でまたがっていることもあり得る。単位構造の選択が繰り返しの単位であること以外は任意であり、どのウェル層からどのウェル層までを単位構造に含めるかは任意となるためである。
本実施形態の設計では、フォノン−電子散乱によるＵＬＬへの注入のための電子の輸送と、連続した共鳴トンネリングによるＬＬＬからの引き抜きの電子の輸送とに適するように膜厚方向閉じ込め準位のエネルギー値を調整する。このとき、ウェル層のポテンシャル値は材質の持つ極性により傾斜している。例えば、図３に示すように、各ウェル層のポテンシャルつまりウェルの底が、全体の右下がりの傾斜と同じ右下がりに傾斜している。このポテンシャルの傾斜があるために、各ウェル層の厚みを調整することにより、各ウェル層のポテンシャルの値（図３の上下方向）の相対的な位置が調整できる。つまり、各ウェル層の厚みを順次に大きくしたり順次に小さくしたりすれば、バイアス電圧でポテンシャルの全体的な傾斜が生じている上で、複数の膜厚方向閉じ込め準位の互いのエネルギー値を調整することができる。膜厚方向閉じ込め準位のエネルギー値を設計することができるのである。ウェル層の厚みを順次に大きくするか小さくするかは、各層の分極による極性とバイアス電圧の極性や値に応じて決定することができる。なお、ポテンシャルの傾きと厚みによる膜厚方向閉じ込め準位のエネルギー値を設計は、ウェル層ではなくバリア層の厚みを順次に大きくなるようにまたは小さくなるように並べることによっても達成できる。
図４は、本実施形態のＱＣＬ素子１０００の設計例において、動作状態について計算により求められた電子の束縛状態における電子密度をエネルギーと層厚方向の位置に対して示すマップ（電子分布マップ）である。本設計で上位レーザー準位・下位レーザー準位間で反転分布が明瞭に達成されることが示され、数値では５．８×１０16ｃｍ-3である。図５は、ＱＣＬ素子１０００の設計例における各波長での３００Ｋの動作温度における光学ゲインである。理論計算により算出した図５に示されるように、本実施形態のＱＣＬ素子１０００は３００Ｋで波長１．５５μｍにて６３ｃｍ-1もの光学ゲインが得られる。図６は、層厚方向の空間の各位置における３００Ｋの動作温度での光学ゲイン（空間光学ゲイン： spatial optical gain）をプロットした計算値である。上位レーザー準位・下位レーザー準位間で放射遷移が生じる位置が明確に局在しており、一見して活性領域で実際に起きうることが確認できる。なお、レーザー発振は、３０ｃｍ-1程度の光学ゲインが得られれば実現しうるので、これらは３００Ｋの動作温度においてレーザー発振が可能なことを示している。
図７は、本実施形態のＱＣＬ素子において、各波長に適合させた設計での光学ゲインを３００Ｋの動作温度に対して算出した特性図である。波長１．５５μｍに対しては、表１に示した上述の具体的設計例において高いゲインのものが得られていた。この設計例と同様に、ウェル層１０Ｗ１〜Ｗ４、バリア層１０Ｂ１〜１０Ｂ５の層厚およびｘ、ｙ（混晶におけるＡｌＮ組成比）を調整して他の波長についてもＱＣＬ素子１０００を最適化することができる。このような最適化の結果得られたのが、図７の各波長における光学ゲインである。図７に示すように、本実施形態の設計では、レーザー波長を１．１以上３μｍ以下の範囲でチューニングしうる可能性が示されている。
図８は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子１０００の製造方法と構造を示す構成図であり、表１に示した具体的構成例の構造を実現するものである。１μｍ厚のバッファーとなるＡｌＮ層４２をサファイア基板４０上にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により形成する。連続して、そのＡｌＮ層４２をテンプレートとして、ドーピングレベル５×１０18ｃｍ-3の２ミクロン厚Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層の導電部３０が形成される。ついで、ＰＡＭＢＥ法（plasma assisted molecular beam epitaxy;プラズマ補助分子線エピタキシー）に移動して、合計厚み４００ｎｍの４０周期のＱＣＬ構造１００が活性領域のために成長される。この際に採用される原料は、Ｇａソースと窒素ガスである。ＰＡＭＢＥプロセスでは、窒素がプラズマにより反応性が与えられる。最後に、ＭＯＣＶＤ法で、４００ｎｍ厚のドーピングレベル５×１０19ｃｍ-3のｎ型ＴＣＯ（ＺｎＯ、ＩＴＯ）によってキャップされて導電部２０のためのＴＣＯ層とされる。このドープされたＴＣＯ層は、インデックスガイド構造の役を果たせるだけでなく、スムーズな電気的ポンピングのための金属と活性領域との間の中間層としても用いられうる。なお、本実施形態のＱＣＬ素子１０００の製造工程では、ＰＡＭＢＥ法以外に、アンモニアＭＥＢ法、ＭＯＣＶＤ法によりＱＣＬ構造１００を形成することもできる。
図９は、実施形態のＱＣＬ素子１００の放射面の断面を示す構成図である。図２にも示したメサ構造では、導電部２０、３０に電気的に接続を取るための金属接点２２、３２が形成される。金属接点２２、３２は、それぞれ、ＴＩ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕの構造を持つ積層体である。また、放射の光電場をさらに集中させるため、放射面に直交するｙ方向（図９の紙面上の左右）の側部がトリミングされる。そして、トリミングされた面にはパシベーション２４としてシリコン窒化膜（ＳｉＮx）が形成される。素子全体のｘ方向端面にＱＣＬ構造１００の積層断面が達している面が放射面となる。この放射面は、屈折率ステップ界面となることによる戻り光や、必要に応じて配置されるミラーなどの外部共振器の助けを借りて、往復する進行波を生じさせて誘導放射に寄与する。横方向の幅は典型的には５〜１０μｍとなるように作製され、ｙ方向については屈折率ステップによる全反射の導光による面内方向の閉じ込めが実現する。シリコン窒化膜は屈折率が２程度であり、薄いためパシベーション２４は特段影響しない。
膜厚方向（ｚ方向）は、導電部３０と導電部２０が低い屈折率、半導体超格子のＱＣＬ構造１００が高い屈折率のインデックスガイド構造（導波路構造）により閉じ込めが実現する。図１０は、本開示の実施形態のＱＣＬ素子においてインデックスガイド導波路構造とその光学モードの閉じ込め強度の計算値を波長１．５５μｍについて示すグラフである。横軸は、層厚方向であり、図２において導電部３０（ＡｌzＧａ1-zＮ層）の途中、上から５００ｎｍの位置を原点としている。波長１．５５μｍでの屈折率は、ＡｌzＧａ1-zＮ層である導電部３０は２．２程度、導電部２０に採用したＴＣＯ層は、例えばＩＴＯまたはＺｎＯであり１．７程度である。これに対して、ＱＣＬ構造１００の同波長での屈折率は２．５程度である。このため、ＱＣＬ構造１００において導電部３０と導電部２０は、これらにサンドイッチされたＱＣＬ構造１００に対して十分な光閉じ込め効果を持つ。なお、導電部２０はｎ型にドープされたＴＣＯ層であり、良好な電気特性を示し、電気的な接触特性もオーミックとなる。
以上のように、本実施形態のＱＣＬ素子１０００では、近赤外の波長域において高い効率でレーザー動作が実現する。
２．変形例
本実施形態では、種々の変形を行うことができる。例えば、活性領域となるＱＣＬ構造１００において、各単位構造のウェル層とバリア層の材質は、動作温度、発光波長に併せて種々変更できる。例えば、ウェル層の組成ＡｌxＧａ1-xＮと、バリア層の組成ＡｌyＧａ1-yＮにおいて、バリア層のＡｌＮの比率をウェル層よりも十分高くすることにより、つまりy-xの値を大きくすることにより、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系組成の高いバリア層を実現することができる。したがって、ウェル層をＧａＮとすることは必ずしも要さない。
以上、本開示の実施形態を具体的に説明した。上述の実施形態、変形例および実施例は、本出願において開示される発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき定められるべきものである。実施形態の他の組み合わせを含む本開示の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。
１０００ ＱＣＬ素子
１００ ＱＣＬ構造（半導体超格子構造）
１０Ｂ、１０Ｂ１〜１０Ｂ５ バリア層
１０Ｗ、１０Ｗ１〜１０Ｗ４ ウェル層
１０Ｕ 単位構造
２０ 導電部（ＴＣＯ層）
２２、３２ 金属接点
２４ パシベーション膜
３０ 導電部（ＡｌzＧａ1-zＮ層）
４０ サファイア基板
４２ ＡｌＮ層
２０００ 電磁波
ＵＬＬ 上位レーザー準位
ＬＬＬ 下位レーザー準位
上述した典型的な設計例を各層のサイズまで含めてより具体的に説明すると、表１のようになる。なお、表１の設計例の値は波長１．５５μｍにて高いゲインが得られる具体的設計であり、その詳細は後述する。
Figure 2021166234
ここまでの説明に基づいて、ＱＣＬ構造１００の具体的構造の設計に至る着想を説明する。図３において、最大幅のＧａＮウェルはウェル層１０Ｗ２であり最大の厚みのウェルであるが、その厚みは、下位レーザー準位と上位レーザー準位の二つだけが層厚方向閉じ込め準位となる範囲で選択されている。一般に、厚くするとより多くの準位が層厚方向閉じ込め準位となりうるが、ここでは高々２つの層厚方向閉じ込め準位のみが最大幅のＧａＮウェル（ウェル層１０Ｗ２）に存在するように厚みを決定している。本実施形態は、近赤外の波長域に合せた上位レーザー準位と下位レーザー準位との大きなエネルギー差であっても、ウェル層１０Ｗとバリア層１０Ｂの材質や厚みを適切に選ぶことにより高々２つの層厚方向閉じ込め準位を持たせうる実例である。
図９は、実施形態のＱＣＬ素子１０００の放射面の断面を示す構成図である。図２にも示したメサ構造では、導電部２０、３０に電気的に接続を取るための金属接点２２、３２が形成される。金属接点２２、３２は、それぞれ、ＴＩ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕの構造を持つ積層体である。また、放射の光電場をさらに集中させるため、放射面に直交するｙ方向（図９の紙面上の左右）の側部がトリミングされる。そして、トリミングされた面にはパシベーション２４としてシリコン窒化膜（ＳｉＮx）が形成される。素子全体のｘ方向端面にＱＣＬ構造１００の積層断面が達している面が放射面となる。この放射面は、屈折率ステップ界面となることによる戻り光や、必要に応じて配置されるミラーなどの外部共振器の助けを借りて、往復する進行波を生じさせて誘導放射に寄与する。横方向の幅は典型的には５〜１０μｍとなるように作製され、ｙ方向については屈折率ステップによる全反射の導光による面内方向の閉じ込めが実現する。シリコン窒化膜は屈折率が２程度であり、薄いためパシベーション２４は特段影響しない。

Claims (12)

  1. 一対の導電部に挟まれた半導体超格子構造を有する量子カスケードレーザー素子であって、
    該半導体超格子構造が、動作のために該一対の導電部を通じ印加される外部電圧の下で近赤外領域のある波長の電磁波を放出する活性領域となり、
    該活性領域は、繰り返して積層されている複数の単位構造を有しており、
    各単位構造は、0≦x＜y≦1として、ＡｌyＧａ1-yＮの組成のバリア層によって互いに仕切られたＡｌxＧａ1-xＮの組成の４つのウェル層からなり、いずれかのウェル層が他のよりも厚い最大厚ウェル層であり、
    前記一対の導電部の両方が、前記波長の電磁波に対して前記活性領域の屈折率よりも低い屈折率をもつものである
    量子カスケードレーザー素子。
  2. 前記４つのウェル層の組成がＧａＮであり、
    前記バリア層の組成がＡｌ0．8Ｇａ0．2Ｎである
    請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
  3. 前記一対の導電部の一方は、サファイア基板上のＡｌＮ層上に形成され、導電型がｎ型となるようドープされたＡｌzＧａ1-zＮ（０．４≦ｚ≦０．６）層である
    請求項２に記載の量子カスケードレーザー素子。
  4. 前記一対の導電部の他方は、導電型がｎ型となるようドープされた酸化物導電体である
    請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
  5. 連続する二つの単位構造に属する二つの最大厚ウェル層に挟まれるウェル層の厚みが、積層の順に順次に大きくまたは小さくなっている、
    請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
  6. 前記最大厚ウェル層が、前記外部電圧の下で少なくとも２つの層厚方向閉じ込め準位を持つような厚さである、
    請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
  7. 前記外部電圧の下で、前記少なくとも２つの層厚方向閉じ込め準位が、前記波長に対応するエネルギー差だけ離れている下位レーザー準位および上位レーザー準位を含んでいる、
    請求項６に記載の量子カスケードレーザー素子。
  8. 前記外部電圧の下で、前記最大厚ウェル層からみて電子の流れの上流側に連続して位置する３つのウェル層のうちのいずれかの層厚方向閉じ込め準位が、前記最大厚ウェル層の上位レーザー準位に対し前記半導体超格子構造のフォノンを媒介したフォノン−電子散乱により電子を注入する注入準位となる、
    請求項７に記載の量子カスケードレーザー素子。
  9. 前記注入準位が前記最大厚ウェル層からみて電子の流れの上流側で最隣接のウェル層の基底状態となる、
    請求項８に記載の量子カスケードレーザー素子。
  10. 前記外部電圧の下で、前記最大厚ウェル層からみて電子の流れの下流側に連続して位置する３つのウェル層のいずれかの層厚方向閉じ込め準位が、前記下位レーザー準位から共鳴トンネリングにより電子を引き抜く引き抜き準位となる、
    請求項７に記載の量子カスケードレーザー素子。
  11. 前記外部電圧の下で、前記最大厚ウェル層からみて電子の流れの下流側に連続して位置する３つのウェル層における複数の層厚方向閉じ込め準位が、前記下位レーザー準位から共鳴トンネリングにより電子を引き抜いて連続して輸送するよう動作する、
    請求項１０に記載の量子カスケードレーザー素子。
  12. 前記電磁波が１．１μｍ以上３μｍ以下のいずれかの波長の電磁波である
    請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
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