JP3595193B2 - 改良型超格子量子カスケードレーザから成る物品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は量子カスケード（ＱＣ）レーザに関連し、さらに詳しくは、超格子（ＳＬ）ＱＣレーザに関する。
【０００２】
【政府との契約】
本発明は、陸軍研究所との契約ＤＡＡＨ０４−９６−００２６の下で政府の支持によりなされた。同政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
量子カスケード（ＣＳ）レーザは公知である。例えば、米国特許第５、４５７、７０９号および第５、５０９、０２５号を参照。また、Ｊ．Ｆｉａｓｔ等のＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、６８巻、３６８０頁（１９９６）を参照。これらはすべて引用によりここに合体されるものとする。
【０００４】
要するに、ＱＣレーザは、多数の同一の「繰り返しユニット」から成る。各々の繰り返しユニットは、上位エネルギー準位および下位エネルギー準位と関係している。被電場のもとでは、荷電キャリヤ（代表的には電子）が、所定の繰り返しユニットの前記下位エネルギー準位から、隣接する下流における前記繰り返しユニットの前記上位エネルギー準位へ移動し、続いて前記繰り返しユニットの前記上位エネルギー準位から前記下位エネルギー準位へ放射性遷移を起こし、次の繰り返しユニットへ進む。このようにして、前記ＱＣレーザの前記活性領域へ誘導された各々の荷電キャリヤは、理想的にはＮ遷移（Ｎは、例えば約２５の数値を示す繰り返しユニット）を起こし、各々の遷移が起こった結果、代表的には中赤外線（具体的には３〜１３μｍ）の波長λのフォトンが放出する。
【０００５】
引用によりここに合体されるＣａｐａｓｓｏ等による米国特許第０８／７４４，２９２号（許可済み）はＱＣレーザを開示しており、その中で繰り返しユニットは、超格子活性領域と注入／緩和領域とから成る。前記超格子領域は、上位微小帯および下位微小帯を保有し、前記上位微小帯から前記下位微小帯へ放射性遷移が起こる。前記放射性遷移が起こった後、前記荷電キャリヤは、注入／緩和領域を介して前記下位微小帯から隣接する下流の繰り返しユニットの前記上位微小帯へ移動する。Ｇ．ＳｃａｍａｒｉｏらによるＳｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２７６，Ｐ７７３（１９９７）は参考文献として本出願に含まれるので参照すること。
【０００６】
ＳＬＱＣ（超格子量子カスケード）レーザは、前記負荷電圧が増大した際に、レベルの誤調整をきたすことなく大容量の電流密度を強力に保持する広範囲の微小帯なる利点を提供する。しかし、先行技術であるＳＬＱＣレーザは、光学的損失および放出線幅が比較的大きく、高温での集団反転が小さくなる。この結果、先行技術であるＳＬＱＣレーザは、これと同一波長における標準ＱＣレーザよりも高いしきい値の電流密度を呈することが代表的であり、このために室温での動作、先行技術であるＳＬＱＣレーザの持続的光波操作の両者またはいずれか一方が不可能となる。
【０００７】
ＳＬＱＣレーザの有する潜在的利点からみると、引用されている前述の欠点から実質的に解放された（または少なくともほとんど影響を受けない）改良型ＳＬＱＣレーザを入手することが強く望まれる。本出願は、かかる改良型ＳＬＱＣレーザを開示する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
広範な目的において、本発明は、キャリヤ散乱および光学的損失の少なさを特徴とする新規ＳＬＱＣレーザにおいて具体化され、その結果、電流しきい値の低さ、および室温での動作の両者またはいずれか一方が具体化されている。
【０００９】
さらに特別には、本発明は、上位光学的閉鎖領域と、導波管コア領域と、下位光学的閉鎖領域と、さらには前記レーザに電気的に接する接触面が順序立てて構成される物品において具体化される。前記導波管コア領域は、本質的に同一の繰り返しユニットが多数（代表的には１０個以上）集合して成り、所定の繰り返しユニットは注入／緩和領域（ここでは「インゼクタ領域」と呼ぶ）と、超格子活性領域の前記上位エネルギー準位から前記下位エネルギー準位への放射性キャリヤ遷移を容易にするように選ばれた前記超格子活性領域とから成る。前記インゼクタ領域は、適正な電気的バイアスにおいて、被超格子活性領域の前記下位エネルギー準位から隣接する下流の超格子活性領域の前記上位エネルギー準位へ向けた荷電キャリヤ経路を使用できるよう選ばれている。
【００１０】
ここで重要なことは、前記被超格子活性領域はドープされず（強制的にドープされず）、少なくとも前記被インゼクタ領域の一部はドープされ（代表的にはｎ−タイプ）、前記ドープ剤濃度は、前記電気的バイアスのもとに、前記超格子活性領域が実質的に電場を有することのないよう選ばれた濃度という点である。前記ＳＬ活性領域は、前記電気光波関数が局在化されない代りに前記ＳＬ領域の少なくとも実質的に一部に拡大すると仮定した際、「実質的に電場をもたない」ことになる。局在化するか否かは、前記準位のエネルギースペクトルから予め決定される。本発明によるＳＬＱＣレーザは、具体的には汚染監視に使用可能である。
【００１１】
「ドープされない」または「強制的にドープされない」半導体領域という語が意味するのは、論者らによれば、約１０^１５キャリヤ／ｃｍ^３未満を含む半導体領域のことである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による具体的レーザ１０を図解で示し、この中で数字１６および数字１７は金属接点を示し、数字１２〜１５はそれぞれ前記基板／下位光学的閉鎖領域、導波管コア領域、上位光学的閉鎖領域、および接触層を示す。少なくとも前記コア領域は多層領域とするのが適正である。上位光学的閉鎖領域、下位光学的閉鎖領域、および導波管コア領域は、上位閉鎖領域、下位閉鎖領域、およびコア領域と呼ばれることが多い。
【００１３】
表１は本発明による具体的なＳＬＱＣレーザの層構造を示す。前記層構造はＭＢＥ（分子ビームエピタキシー法）により成長し、格子はドープされた（ｎ−１０^１７ｃｍ^−３）ＩｎＰ基板と一致した。前記基板は、下位光学的閉鎖領域となるが、表１には含まれていない。例えば米国特許第５，５０２，７８７号を参照のこと。前記上位光学閉鎖領域は、２つのＡｌＩｎＡｓ層すなわち１２００ｎｍ、１．２×１０^１７ｃｍ^３のｎ−タイプと、１２００ｎｍ、３×１０^１７ｃｍのｎ−タイプ）、並びにＩｎＧａＡｓプラスモン導波管層（５００ｎｍ、８×１０^１８ｃｍ^−３ｎタイプ）から構成される。ＩｎＧａＡｓ層は、ドープされた６×１０^１６ｃｍ^−３の層で、前記２５個の繰り返しユニットの上下に、それぞれ４００ｎｍおよび２００ｎｍとして存在し、前記コア領域と前記クラウディング領域における前記屈折指数の差を効果的に増大させている。参考文献は、前記の’７８７番の特許を参照のこと。この結果生じた前記基板の光学モードの閉じ込め因子Γは、前記微小帯相互の遷移選択則に必要とされるＴＭ分極化に対して０．６７と計算された。
【００１４】
前記層構造の前記最上層（１０ｎｍ、１×１０^２０ｃｍ^−３）は、汎用されている接触層である。表１に示されるが詳細には説明されていないその他の層は、異なる成分から成る複数の層間における段階的遷移を提供する等、既知の機能を有する。
【００１５】
前記具体物からみると、前記下位閉鎖領域は、前記２５ｎｍの段階的に数値化されたＧａＡｌＡｓ層を構成すると考えられており、前記コア領域が前記４００ｎｍの層から、前記２００ｎｍのＧａＩｎＡｓ層へ拡大すると考えられ、前記閉じ込め層が表１の前記残留層を構成する。
【００１６】
ＧａＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＡｓという表現は化学式ではなく、前記構成部を一覧表示するにすぎない。表１の前記層構造はＩｎＰに一致する格子として育成した。このようにして、ＩｎＧａＡｓ Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを構成し、ＡｌＩｎＡｓは組成物Ａｌ_０．４８Ｉｎ_０．５２Ａｓを有し、本発明において熟知されている。
【００１７】
【表１】

【００１８】
前記ＩｎＰ基板から前記４００ｎｍＧａＩｎＡｓ層への前記遷移は、段階的に数値化されている（ディジタルグレーディングＩ）。段階的数値化Ｉの詳細を表２に示す。
【００１９】
【表２】

【００２０】
前記４００ｎｍのＧａＩｎＡｓ層に続いてディジタルグレーディングＩＩが起こり、その代りに超格子領域およびインゼクタ領域から成る２５の繰り返しユニットが続き、後者はディジタルグレーディングＩＩとなる。前記段階的数値表示は表３に示される。「ｉ」と設計された層はドープされていない（強制的にドープされていない）。
【００２１】
【表３】

【００２２】
表４はインゼクタ（表３参照）と共に繰り返しユニットを形成する前記超格子活性領域を詳細に示す。表１の例示的層構造は２５個の繰り返しユニットを有するが、当然のことながら、この個数よりも前後することができる。
【００２３】
【表４】

【００２４】
’２９２番の特許における前記ＳＬＱＣレーザと、（前述のごとく開示後の層構造を有する）即時に具体化した前記ＳＬＱＣレーザとの重大な差異は、ドープ剤分布に見出される。前者においては、前記ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子活性領域がドープされたｎ−タイプであり（ｎ＝１．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３、’２９２の表１および表４を参照）、その一方、後者において超格子活性領域はドープされておらず（強制的にドープされておらず）、所定の繰り返しユニットの前記インゼクタのみがドープされている。事実上、代表的には前記インゼクタの一部が、後述の場の平面度基準に影響を受けてドープされているにすぎない。ドーピングの差によって、不純物の散乱が減り、（キャリヤ吸収がないので）光学的損失が低下し、先行技術のＳＬＱＣレーザと比べた際に、本発明による前記ＳＬＱＣレーザには動作上の重要性が認められる。
【００２５】
先行技術であるＳＬＱＣレーザにおける超格子領域のドーピングは必要な特徴であり、外的バイアスのもとに平面超格子帯の特徴を維持する目的で要求され、前記微小間隙の破損を防ぐのに必要である。その一方で筆者らは、前記インゼクタにおける荷電分布を利用することによって本質的に電場のない状態を維持し、前記ＳＬにもたらされる場を補正するような電場を発生させることが可能であるという事実を見出した。上述のように、各繰り返しユニットの前記層構造は、具体的には格子厚４．６ｎｍのＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ格子井戸と、壁厚１．２ｎｍのＡｌ_０．４８Ｉｎ_０．５２Ａｓ障壁厚とを８個提供し、前記上位微小帯の最下位エネルギー準位と、前記下位微小帯の最上位エネルギー準位との間に、１６６ｍｅＷの広い微小間隙を提供する。この間隙が、約７．５μｍのフォトン波長に相当する。前記波長は、１個以上のＳＬパラメタ、すなわち格子井戸厚および障壁厚の範囲で変更可能なことが適正である。
【００２６】
また、前述のように、各繰り返しユニットもまた、段階的インゼクタから成り、前記インゼクタ層が隣接する下流のドープされた超格子活性領域近傍にあり、さらには表３に示すように、前記ドープ剤濃度はオプションとして段階づけられている。前記インゼクタ層の層厚は、最下部に生じた微小帯の基底状態が、その前方にある超格子近傍で濃縮される状態となるよう選ばれる。これを図２に図解で示す。この図は、２９ｋＶ／ｃｍのバイアス場において、前記コア領域の前記伝導帯端部分２０を示し、これにより前記繰り返しユニット同様に、前記超格子活性領域と前記インゼクタ領域を示している。具体物から考えると、前記繰り返しユニットは、注入障壁２１から、前記下流注入壁のすぐ前方にある前記量子井戸へ拡大すると考えられる。前記繰り返しユニット上の他の区域も利用可能なはずである。数字２２は前記最下位微小帯を示し、２３は前記微小帯のすぐ上にある前記微小間隙を示し、２４は前記微小帯の基底状態における電子光波関数を示す。前記下流の方向も指示される。前記インゼクタ領域の隠れた部分はドープされ、前記繰り返しユニットの残存部分はドープされていない。図２は（架空の）状況に関連すると理解されており、その状況では、すべてのドープ剤原子はイオン化されておらず、言い換えれば前記繰り返し構造には自由電子が一つもないことになる。
【００２７】
各繰り返しユニットにおいて、前記電子が、基底状態から、ドーピングの量からみて測定した準Ｆｅｒｍｉレベルまで微小帯を充たし始めると仮定すると、前記構造における帯の特徴を実地に計算することができ、本発明において習熟された技術により理解されるように、Ｐｏｉｓｓｏｎ−Ｓｃｈｒｏｅｄｉｎｇｅｒの繰り返し工程を介する非本質的変化によって発生した前記電場を、自己相似性とあわせて考慮することができる。この計算結果を図３に示し、ここでは、「ｇ」は一つの繰り返しユニットの基底状態を示し、番号１は最下部微小帯の上部に拡大した電子光波関数を示し、番号２および３は前記上位微小帯における、下位へ拡大した前記電子光波関数を示す。矢印３１は、レーザ発振部の微小間隙を示す。前記帯構造は、被電場２９ｋＶ／ｃｍから計算した。
【００２８】
図３から分かるように、前記ＳＬ領域には実質的に電場がなく、所定の繰り返しユニットの第一微小帯は次の（下流の）繰り返しユニットの第一微小帯と緊密に整列されている。このことによって、発振状態にある前記ＳＬＱＣレーザへ効率よくキャリヤ注入を行うよう保証される。
【００２９】
前記ｎタイプのＩｎＰウエハ上において、層構造と一致する超格子がＭＢＥ法によって達成させた後は、前記活性領域上に様々な幅の縦縞をつける汎用式メサ腐食法によってレーザが形成され、シリコン・ニトライド絶縁体層の堆積と金属被覆が起こり、続いて長さ１．５〜３ｎｍの破壊が起こり、切子面は被覆されずに残る。このようにして形成されたデバイスは、銅板にはんだ付けされ、針金で取り付けられて、測定用にＨｅ−流での低温装置に設置される。
【００３０】
前記レーザは、約５ＫＨｚの反復速度で５０ｎｓの電流パルスで運転され、単一切子面からの前記光出力が（回収効率〜５０％で）ｆ／０．８光学単位で迅速に校正された室温ＨｇＣｄＴｅ検出器へ回収される。図４に、幅１５ｍｍ、長さ３ｍｍの縦縞について記録した光学電流特性をプロットしてある。５ｋにおいて、〜５５０ｍＷまでの最大回収力が得られ、前記レーザ発振しきい値での電流密度は４．２ｋＡ／ｃｍ^２となり、ほぼ同等の波長にて先行技術ＳＬＱＣから我々が得た値より有意に良好であった。
【００３１】
本発明による前記レーザはまた、数ｍＷの小型内燃機関の出力により室温での動作が可能となった。これは、先行技術ＳＬＱＣレーザから得た結果よりも有意に改良されているとする点の構成要素となっており、具体的には温度２４０Ｋで最大に動作した。前記温度が１６０〜２８０Ｋの範囲を越えるときは、図４における前記ＳＬＱＣの測定後におけるしきい値電流密度がｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）に比例し、ここでＴは絶対温度、Ｔ０は１０１Ｋであって、副次帯相互の反応を対象としたＱＣレーザにとって価値の高い特徴となっている。
【００３２】
図５は、図３に示した前記ＳＬＱＣレーザの低温におけるパルス放出のスペクトルを示す。前記レーザ波長は約７μｍであり、予測される波長７．５μｍより短い。この矛盾は、理想的平面から前記ＳＬバンド構造への経距に起因すると筆者らに信じられており、後述するように、実質的に取り除くことができる。
【００３３】
図６は、室温における図３の前記レーザのパルス光出力を示す。
図７は、前述の層構造における長さ１．５ｍｍの縦縞で示される持続波のしきい値以下のスペクトルを、２．４ｋＡ／ｃｍ^２の電子密度において示したものである。主要ピーク上へ強制的に割り付けた急激な振動は、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ縞である。これらの対比の高さは、利得のあることをはっきりと明示している。二つの矢印は、図３に示すように、計算上の３→１、および２→１へのエネルギー遷移の位置を示す。
【００３４】
表５は、本発明における改良型ＳＬＱＣレーザの具体的層構造を示す。表１と比較すると、前記コア領域では、二つの構造の差は、本質的かつ実質的なドーピング濃度による差、および若干の層の層厚差であることがわかる。
【００３５】
【表５】

【００３６】
前記改良構造のグレーティング数値化１は、前者のドーピングレベルがすべての層において１×１０^１７／ｃｍ^３であることを除けば、表２の改良構造と同一である。
【００３７】
表６は、前記改良構造のグレーティング数値化ＩＩを示す。表３と比較すると、ウェル−バリア対間と同様に、層の厚みとドーピングレベルでの違いが分かる。
【表６】

【００３８】
表７は、具体的な改良型ＳＬＱＣの活性領域の層構造を示す。表４との比較により、層の数同様、ＳＬにおけるウェル−バリア対等、層の厚みの違いを示している。
【００３９】
【表７】

【００４０】
本発明におけるレーザ（さらにはフィードバックを提供するグレーティング構造から成る）は、具体的には、例えば汚染監視システムの中赤外線放射の測定源として有利に利用され、図８は、本発明による汚染監視システム８０を具体的に図解で示す。さらに詳しくは、１９９７年５月７日に出願された米国特許第０８／８５２，６４６号において、Ｊ．Ｎ．Ｂａｌｌａｒｇｅｏｎらによって出願された参考文献として含まれる。
【００４１】
本発明における改良型ＳＬＱＣＲーザーの前記層構造は、（実質的に避けられない）ＳＬ層の非理想的平面度を補正するべく設計された（これにより、微小間隙における巨大なレーザオシレータ強度を復帰させ）、光学フォトンの前記エネルギー準位に等しい前記上位微小帯における最初の二つのエネルギー準位のエネルギー差を得るよう設計され、これによって集団反転が改善されている。
【００４２】
前記改良型ＳＬＱＣレーザは低温（６ｋ）におけるピーク出力約７００ｍＷを有し、２９８Ｋでは約１７５ｍＷの出力を得た。前記レーザ波長は約８μｍであった。
【００４３】
図８においては、参照番号８１は気体様雲放出８２の放出源（工場）を示す。本発明におけるＳＬＱＣレーザ８３は、放出気体様雲８４を介して中赤外線放射を放出し、（コーナーリフレクタ８５の手段により）反射する。
【００４４】
あらゆる適正な方法を使って前記レーザにエネルギー供給することは可能であり、前記検出器からの出力光はあらゆる適正な方法で利用できる。ミラーまたは前記の適正なリフレクタは、前記コーナーリフレクタの代りに利用できる。前記リフレクタは航空機または上昇物体上に搭載でき、監視中の前記煙スタックもこれに含まれる。
【００４５】
当然ながら、前記検出器は航空機または上昇物体上に搭載することもできる。一般に、レーザと検出装置がどのように組み合わされても、結果的には一直線上に並ぶ配置となるよう意図される。
【００４６】
本発明の内容説明に供した図面は、意図的に拡大されることも等倍にされることもない。異なる図に示された同一または近似の図は、一般に同一の数字で設計される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は具体的に本発明によるレーザを図解で示す図である。
【図２】図２は、本発明による具体的レーザの前記伝導端部の関連部分を示し、ドープ剤原子すべてがイオン化されているか否かのいずれかを示す図である。
【図３】図３は、本発明による具体的レーザの前記伝導端部の関連部分を示し、ドープ剤原子すべてがイオン化されているか否かのいずれかを示す図である。
【図４】図４は、本発明による具体的レーザから得た実験データを示す図である。
【図５】図５は、本発明による具体的レーザから得た実験データを示す図である。
【図６】図６は、本発明による具体的レーザから得た実験データを示す図である。
【図７】図７は、本発明による具体的レーザから得た実験データを示す図である。
【図８】図８は、本発明による具体的物品すなわち汚染監視システムを図解で示す図である。

Claims (8)

1. 上位光学閉鎖領域と、導波管コア領域と、下位光学的閉鎖領域と、さらにレーザと電気的に接触する接触子とを連続的に含む量子カスケードレーザから成る物品であって、前記導波管コア領域は、本質的に同一の多数の繰り返しユニットと、インゼクタ領域から成る所定の繰り返しユニットと、超格子活性領域の上位エネルギー状態から下位エネルギー状態への放射性キャリヤの変化を容易にするために選ばれた超格子活性領域とから成り；前記インゼクタ領域は、適切な電気的バイアスの下で、所定の超格子活性領域の下位エネルギー状態からすぐ隣の下流の超格子活性領域の上位エネルギー状態への荷電キャリヤの通過を容易にするように選ばれ；
   ａ）前記所定の超格子活性領域は故意にドープされず；
   ｂ）前記インゼクタ領域の少なくとも一部はドープされたｎ-型であり、ドーパント（ドープ剤）濃度は、前記電気バイアスの下で、前記超格子活性領域が実質的に電界（電場）を有することのないように選ばれる、量子カスケードレーザから成る物品。
2. 前記放射性キャリヤ変化により、３〜１３μｍの前記波長領域における波長のフォトンを放出する請求項１記載の物品。
3. 前記光学的コア領域が１０以上の繰り返しユニットから成る請求項１記載の物品。
4. 前記超格子活性領域がＧａＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＡｓの交互の層から成る請求項１記載の物品。
5. 前記インゼクタ領域の一部分のみがドープされたn型であり、前記インゼクタ領域の残りの部分は故意にドープされていない請求項１記載の物品。
6. 前記の故意にドープされていない超格子活性領域が１０¹⁵ドープ原子/ｃｍ³未満を含む請求項１記載の物品。
7. 前記物品が、測定種による赤外放射線吸収を測定する測定システムであって、前記測定システムが
   ａ）請求項１の前記量子カスケードレーザ
   を含む赤外線レーザ放射源、さらに
   ｂ）前記測定種の所定量を通過した後の赤外線レーザー放射線を検出するための検出器、から成る、請求項１記載の物品。
8. 前記レーザが（回折）格子構造から成る請求項７記載の物品。

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