JP3717712B2 - 改良形量子カスケード・レーザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、量子カスケード（ＱＣ）レーザに関する。
＜政府契約＞
本発明は、陸軍調査局との契約番号ＤＡＡＨ０４−９６−Ｃ−００２６による政府の支援により行われた。政府は本発明に対してある種の権利を持つ。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
量子カスケード（ＱＣ）レーザは周知である。例えば、米国特許第５，４５７，７０９および５，５０９，０２５号を参照されたい。また、Ｊ．フェイスト他の「応用物理レター」６８巻、３６８０ページ（１９９６）を参照されたい。これらの文献はすべて、引用によって本明細書の記載に援用する。
【０００３】
簡単に説明すると、従来技術のＱＣレーザは、多数の同じ「反復ユニット」を備え、各反復ユニットは、能動領域およびインジェクタ／弛緩領域を備える。各能動領域は、高いエネルギー・レベルおよび少なくとも一つのエネルギー・レベルと関連する。応用分野においては、電荷キャリヤ（通常、電子）は、所与の能動領域の低いエネルギー・レベルからインジェクタ／弛緩領域を通って、隣接する下流の能動領域の高いエネルギー・レベルに移動し、その後、能動領域の高いレベルから低いレベルへ移動し、その後、インジェクタ／弛緩領域を通って次の能動領域へ進む。以下同じ。それ故、ＱＣレーザの関連位置に導入された各電荷キャリヤは、理想的には、Ｎ回移行を受けることが望ましく（Ｎは、例えば、約２５の反復ユニットの数である）、上記各移行により、通常、中赤外線（例えば、３〜１３μｍ）である波長λの光子を放射することが好ましい。
【０００４】
種々のＱＣ設計が開示されている。例えば、上記特許’０２５は、「垂直」移行、すなわち、所与の量子井戸（ＱＷ）の高いエネルギー・レベルから低いエネルギー・レベルへの移行を使用する設計を開示しているし、１９９６年１１月６日付のカパソ他の米国特許出願０８／７４４，２９２は、規則格子（ＳＬ）能動領域を使用する設計を開示している。
【０００５】
種々のインジェクタ／弛緩領域（Ｌ／Ｒ）領域設計も開示されている。例えば、チャープ規則格子（ＳＬ）Ｌ／Ｒ領域を開示している米国特許第５，７２７，０１０号を参照されたい。
【０００６】
１９９４年頃にＱＣレーザが発明され、それ以来かなりの改良が行われてきた。例えば、Ｊ．フェイスト他の「量子エレクトロニクスのＩＥＥＥジャーナル」３４巻、３３６ページ（１９９８年）は、８０Ｋにおいて、２００ミリワット／ファセットの持続波出力電力を持つλ≒５μｍで、放射を行うＱＣレーザを開示している。このレーザは、変調ドーピングされた「じょうご」インジェクタ、および三つの井戸を持つ移行能動領域を持っていた。
【０００７】
ＱＣレーザ（例えば、種々の感知および監視用途）のかなりの経済的および技術的な潜在的な可能性の点から考えて、ＱＺレーザの性能を改善するための、さらに別の方法を発見することが望ましい。本出願は、そのような方法を開示する。
【０００８】
＜用語および定義＞
二つのエネルギー・レベルがほぼ同じエネルギーであり、二つの能動領域間の半導体領域が、インジェクタ領域を通して、所与の反復ユニットのエネルギー・レベルから隣接する下流の反復ユニットのエネルギー的に等しいエネルギー・レベルへの大量の電子輸送を容易にするように選択されている場合には、所与の反復ユニットの能動領域内のエネルギー・レベルは、隣接する下流の反復ユニットの能動領域のエネルギー・レベルと「共振」する。
【０００９】
この場合、広くなったエネルギー・レベルの間で重畳するように、上記レベルが重畳している場合には、二つのエネルギー・レベルは、「ほぼ同じエネルギー」を持つ。エネルギー・レベルの広がりは、容易に決定することができ、通常、数ｍｅＶ（例えば、約３ｍｅＶ）であり、一般的に１０ｍｅＶより低い。
【００１０】
インジェクタ領域を通しての平均電子通過時間が、インジェクタ領域内の電子の散乱時間より短いか、等しい場合には、インジェクタ領域は、インジェクタを通しての「大量の電子輸送」を容易にする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
広い意味でいえば、本発明は、改良形ＱＣレーザを備える製品（例えば、監視または測定システム）で実行される。
【００１２】
より詳細に説明すると、ＱＣレーザは、上部光学的抑留（閉じ込め）領域、導波管コア領域および下部光学的抑留（閉じ込め）領域を直列に備え、さらに、レーザを電気的に接触させるための接点を備える。導波管コア領域は、多数のほぼ等しい反復ユニットを備え、所与の反復ユニットは、インジェクタ領域、および能動領域の高いエネルギー・レベルから低いエネルギー・レベルへの放射キャリヤの移行を容易にするように選択された能動領域とを備える。インジェクタは、多数の量子井戸層を備えるが、また量子井戸（ＱＷ）層の間にインターリーブされたバリヤ層も備える。インジェクタ領域のＱＷ層およびバリヤ層は、適当な電気的バイアスの下で、所与の能動領域の低いエネルギー状態から隣接する下流の能動領域の高いエネルギー状態への電荷キャリヤの通過を容易にするように選択される。
【００１３】
これは重要なことだが、第一のバイアスの下で、所与の能動領域の低いエネルギー・レベルが、隣接する下流の能動領域の高いエネルギー・レベルと共振するように、また所与の能動領域の低いエネルギー・レベルから隣接する下流の能動領域の高いエネルギー・レベルへのキャリヤの移動が容易に行われるように選択される。
【００１４】
好適な実施形態の場合には、ＱＷ層およびバリヤ層が、さらに、第一のバイアスよりも高い第二のバイアスの下で、所与の反復ユニットのインジェクタ領域のアース状態から隣接する下流の反復ユニットの、能動領域の高いエネルギー・レベルへの共振電荷キャリヤの注入が行われるように選択される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、例示としてのＱＣレーザ１０の略図である。参照番号１１−１６は、それぞれ、基板（例えば、ＩｎＰ）、下部光学的抑留領域、導波管コア領域、上部光学的抑留領域、上部接点および下部接点を示す。そうしたい場合には、基板に下部光学的抑留領域としての働きをさせることもできる。
【００１６】
図２は、４５ｋＶ／ｃｍの電界に対応するバイアスを掛けた場合の、本発明の例示としてのＱＣレーザの完全な反復ユニットと隣接する下流の能動領域の伝導帯の縁部の略図である。多重層導波管コア領域は、ＩｎＰに整合している格子であり、ＩｎＧａＡｓのＱＷ（例えば、２１）およびＡｌＩｎＡｓのバリヤ層（例えば、２２）を含む。能動領域は、例えば、薄いバリヤ層で接近した状態で結合している三つのＱＷを備える。図２は、また、レーザ移送内に含まれる波動関数を平方したモジュラスを示す。この場合、参照番号１は能動領域のアース状態を、参照番号２は低いレーザ・レベル、参照番号３は高いレーザ・レベルを示す。レベル３の上には、例示としてのＱＣレーザの動作には含まれない能動領域のもう一つのレベルが図示されている。レベル３からレベル２への曲がりくねった矢印は、レーザの移行を示す。
【００１７】
図２は、またインジェクタの波動関数を平方したモジュラスを示す。黒く塗った部分の多数のエネルギー状態は、インジェクタを通しての（適当なエネルギーの）電子の移動を容易にする「ミニバンド」であり、状態の濃度の薄い領域（影になっている部分で示す）は、能動領域のレベル３からの電子のトンネル抜けを防止する「ミニギャップ」である。図２は、また、所与の能動領域のアース状態１と、下流の能動領域のレベル３との（エネルギーにおける）ほぼ完全な整合を示す。この場合、「ミニバンド」は、所与の能動領域から下流の能動領域への電子の移動を容易にする。共振している４５ｋＶ／ｃｍの電界は、電界が多数の反復ユニットを通して均等であるとの仮定の下で、（低い温度での）しきい値におけるレーザ動作電圧から推定したものである。
【００１８】
本発明の例示としてのＱＣレーザの場合には、反復ユニットは、注入バリヤ２３、すなわち、図２の最も左の層から始まり、下流方向に向かう下記の一連の層を持つ。層の厚さの単位はナノメートルである。アンダーラインを引いた厚さの層は、シリコンでドーピングした２×１０¹⁷ｃｍ^-3である。他のすべての層はドーピングされていない（すなわち、故意にドーピングされていない）。上記一連の層は、下記のとおりである。
【００１９】
３．８／２．１／１．２／６．５／１．２／５．３／２．３／４．０／１．１／３．６／１．２／３．２／１．２／３．０／１．６／３．０
【００２０】
上記反復ユニットを含むＱＣレーザ内においては、４５ｋＶ／ｃｍのバイアス電界の下で、高いレーザ・レベル（レベル３）は、λ≒８．０８μｍに対応するＥ₃₂≒１５３．６ｍｅＶにより、低いレーザ・レベル（レベル２）から分離される。二つのレベルの間の縦方向の光学的（ＬＯ）音子散乱時間τ₃₂は、３．１ＰＳと計算され、光学的移行のマトリックス素子は、ｄ₃₂≒１．９ｎｍと計算された。低いレーザ・レベルは、能動材料のアース状態（レベル１）に近接した状態で結合していて、その結果、二つのレベルは、なかなか交差しないようになっている。これにより、ｄ₃₁に対するマトリックス素子ｄ₃₂が増大し、τ₃₁に対するτ₃₂が最大になる。エネルギーの差は、共振ＬＯ音子散乱（Ｅ_LO≒３４ｍｅＶ）を通して、電子の低いレーザ・レベルを効率的に低下させるように設計した、Ｅ₂₁≒３８．３ｍｅＶである。対応する寿命の計算値は、τ₂≒τ₂₁≒０．３ｐｓ＜＜τ₃₂≒３．１ｐｓであり、その結果、レベル３とレベル２との間の電子濃度の反転が容易に達成される。レベル３からレベル１へのＬＯ音子散乱時間は、τ₃₁≒３．６ｐｓであり、インジェクタの状態への散乱時間は、τ₃₁≒１４．６ｐｓと推定される。
【００２１】
図２の例示としてのＱＣレーザの場合には、インジェクタ「ミニバンド」（すなわち、インジェクタ領域での種々のエネルギー・レベル）は、従来技術の設計の「じょうご」インジェクタとは対照的に、「平らに」設計した。平らなインジェクタの特徴は、電子波動関数（図２に平方モジュラスとして示す）の非対称装置であることである。インジェクタのアース・レベルは、高いレーザ・レベル以下のエネルギーの約４０ｍｅＶである。インジェクタ・ミニバンドの次に高いレベルですら、エネルギー的には、高いレーザ・レベルより低い（約１４ｍｅＶ）。一つの反復ユニット当たり、ｎ≒１．６×１０¹¹ｃｍ^-2の電子シート密度を持つ、インジェクタ領域の中央領域をドーピングすると、動作状態の場合、約７．５ｍｅＶの準フェルミ・レベルとなる。これは、上記一連の層は、レーザしきい値（４５ｋＶ／ｃｍ）においては、電子はフェルミ面から高いレーザ・レベルに注入されないことを意味する。さらに、所与の能動領域のレベル１は、隣接する下流の能動領域のレベル３と共振し、インジェクタで有意にキャリヤを弛緩しないで、連続している能動領域間の共振キャリヤの移動ができるようにする。例示としてのＱＣレーザの所与のインジェクタ（長さ：２１．９ｎｍ、「幅」ミニバンド：約１５０ｍｅＶ）を通過する推定通過時間は、約０．５ｐｓである。比較した場合、インジェクタ内の弛緩時間は長い、何故なら、隣接する下流低いエネルギー・レベルへのエネルギー分離は、ＬＯ音子エネルギーより遙か下であり、インジェクタ領域のアース・レベルは、部分的に電子に満たされているからである。
【００２２】
上記例示としてのＱＣレーザの利点の中の一つに、共振トンネル効果を抑制することによるレーザの余りにも速すぎる「機能停止」を避けることができるという利点がある。（通常、「じょうご」インジェクタを持つ）従来技術のＱＣレーザの場合には、高いレーザ・レベルは、通常、インジェクタ・アース状態からだけの共振動トンネル効果よる電子で満たされている。従って、掛ける電界が強くなると（すなわち、大きな電流が流れる動作の場合には）、これら二つのレベルは、整合がズレて、レーザが遮断されることがある。一方、本発明のＱＣレーザの場合には、掛ける電界の強さが共振電界より増大すると、それにより、レベル１とレベル３との間の共振が停止するが、通常、インジェクタのアース状態から隣接する下流の能動領域の高いレーザ・レベルへの注入は依然として強く、電流の比較的広い動的な範囲が得られると同時に、比較的高い光学的倍率が得られる。それ故、本発明の好適な実施形態の場合には、インジェクタのＱＷおよびバリヤは、掛けられたバイアス電界が、レーザしきい値における共振電界より強い（通常、有意に強い）場合には、インジェクタのアース状態から隣接する下流の能動領域の高いレーザ・レベルへ電子の共振注入が行われるように選択される。図３は上記の特徴を示す。この図は、また６５ｋＶ／ｃｍの電界が掛けられた場合の、層構造体の伝導帯縁部を示す。
【００２３】
図３の場合、「ｇ」はインジェクタ領域のアース状態を示す。電子は、通常、アース状態のエネルギーより高いエネルギーで、インジェクタ領域に入るが、隣接する下流の能動領域へ運ばれている間に、アース状態へ弛緩し、その結果、電子は高いレーザ・レベル状態になり、さらにレーザ移行を起こす。現在説明している例示としての構造体の場合には、第一のバイアス（４５ｋＶ／ｃｍ）は、共振バイアス（およびレーザしきい値）に対応し、第二のバイアス（６５ｋＶ／ｃｍ）は、光学的電力のピークにほぼ対応する。
【００２４】
本発明の例示としてのＱＣレーザの場合には、３０の反復ユニットが、従来の下部光学的抑留領域と上部光学的抑留領域との間に配置されている。光学的抑留領域の例については、例えば、Ｊ．フェイスト他の「応用物理レター」７０巻、２６７０ページ（１９９７年）；Ｃ．グマクル他の「ＩＥＥＥホトニクス技術レター」９巻、１０９０ページ（１９９７年）；Ｃ．サートリ他の「ＩＥＥＥホトニクス技術レター」９巻、２９４ページ（１９９７年）；およびＪ．フェイスト他の「応用物理レター」６８巻、３６８０ページ（１９９６年）を参照されたい。
【００２５】
例を挙げて説明すると、本発明の一実施形態の場合には、光学的抑留領域の大部分はＩｎＰからなる。当業者なら周知のように、上部光学的抑留領域内でＩｎＰを使用すると、比較的高い熱伝導性および他の有利な特性のために、三元半導体材料と比較すると、（特に、より高い極低温およびそれより高い温度で）性能を改善することができる。本発明の他の実施形態の場合には、下部光学的抑留領域の大部分はＩｎＰからなり、上部光学的抑留領域の大部分は、ＡｌＩｎＡｓおよびＧａＩｎＡｓからなる。上部および下部光学的抑留層および接点は従来のものである。
【００２６】
上記層構造体のＭＢＥ成長が終了した後で、ウェハは、従来の方法で処理されて、幅１１〜１７μｍのストライプを持つリッジ導波管レーザになる。（「深くエッチングされた」）一実施形態の場合には、構造体はコア領域の底部までエッチングされ、（「浅くエッチングされた」）他の実施形態の場合には、構造体は上部光学的抑留領域の底部までしかエッチングされない。エッチングを行った後で、すべての従来の方法により、適当な誘電層（例えば、窒化シリコン）が設置され、パターン形成が行われ、金属接点（例えば、上部接点の場合にはＴｉ／Ａｕ、下部接点の場合にはＧｅ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕ）が設置され、パターン形成が行われる。ウェハは、幅が０．７５〜３ミリの複数のバーに分割される。ファセットはコーティングしないで放置される。レーザのワイヤ・ボンディングが終了した後で、上記バーは、温度制御常温フィンガ低温保持装置上に装着され測定が行われる。
【００２７】
図４は、長さ２．２５ミリの二つの深くエッチングしたレーザの種々のヒート・シンク温度での持続波（ｃｗ）光出力対駆動電流特性である。鎖線は、三つの成分からなる頂部クラッディングを持つレーザの特性を示し、実線はＩｎＰ頂部クラッディングを持つレーザの特性を示す。図４を見れば分かるように、レーザは、８μｍの波長において、８０Ｋのところで、約２００ｍＷ／ファセットのｃｗ電力を持つ。この出力電力は、フェイスト他の「ＩＥＥＥジャーナル量子エレクトロニクス」３４巻、３３６ページ（１９９８年）掲載の上記論文に記載されているＱＣレーザの５μｍの出力電力と非常によく似ている。
【００２８】
もっと長い波長（例えば、気体感知を行うために重要な第二の大気窓内において）を放射するＱＣレーザは、前者のより高い導波管ロスにより、より短い波長（例えば、５μｍ）を放射するＱＣレーザと比較すると、出力電力および電力効率が低いことが一般的に観察されている。実際、ＱＣレーザの導波管ロスを測定してみたところ、このロスは、自由キャリヤ吸収から予想されるように、波長に従ってほぼ二次式的に増大する。
【００２９】
上記の実験結果から考えて、８μｍの波長を持つＱＣレーザが、従来技術の５μｍＱＣレーザと比較した場合、かなり改善された出力電力を示すことは明らかである。
【００３０】
図５は、二つの浅くエッチングした長さ２．２５ミリの種々のヒート・シンク温度でのピーク出力電力対駆動電流特性である。鎖線は、三つの成分からなる頂部クラッディングを持つレーザの特性を示し、実線はＩｎＰ頂部クラッディングを持つレーザの特性を示す。レーザはパルス・モードで動作する。
【００３１】
図６は、二つの異なるヒート・シンク温度でのレーザしきい値ｃｗおよびパルス状に近い状態で測定した、（幅１３μｍ、長さ２．２５ミリ）の、上記ＱＣレーザの正規化した放射スペクトルである。放射波長で観察された違いは、レーザの利得スペクトルの温度依存性を反映している。
【００３２】
当業者なら周知のように、分散フィードバックを使用すると、単一モード出力となる場合があり、分散フィードバックを使用する本発明のＱＣレーザも考慮に対象になる。詳細については、例えば、１９９７年５月７日付のＪ．Ｎ．バイラゲオン他の米国特許出願０８／８５２，６４６を参照されたい。上記特許出願は引用によって本明細書の記載に援用する。
【００３３】
上記説明においては、「垂直」レーザ移行を行う３ＱＷ能動領域を持つ特定の実施形態を参照しながら、本発明を詳細に説明してきた。しかし、本発明はそれに限定されない。例えば、レーザ移行の方向を「対角線」方向にすることもできるし、能動領域を規則格子能動領域とすることもできる。そのようなすべての変化は現在のところ好ましいものではないが、考慮の対象にはなっている。
【００３４】
ＱＣレーザは、とりわけ、例えば、汚染監視、プロセス制御、医学または法施行目的のような微量の気体の検出および／または監視用に使用するのに適している。何故なら、これらのレーザは、いわゆる大気「窓」、すなわち、クリーンな大気が、本質的に放射を吸収しない波長の一つの中に出力を持つことができるからである。
【００３５】
図７は、放射源７１が気体７２を放射する本発明の例示としての実施形態７０の略図である。ＱＣレーザ７３（できれば、分散フィードバック・レーザであることが好ましい）は、放射気体を通り、任意の適当な手段（例えば、コーナ・リフレクタ７５）により、従来の検出装置７６の方向に向けられる中赤外線放射７４を放射する。もちろん、一回の通過の際の吸収が測定できるように、上記リフレクタの代わりに検出装置を使用することもできる。
【００３６】
放射源は、必ずしも、工場またはその他の大規模な施設である必要はなく、例えば、中赤外線に一つまたはそれ以上の吸収線を持つ化合物の任意のソースであってもよい。上記ソースは、例えば、人間であってもよいし、上記化合物はエタノールまたは医学的に価値のある化合物であってもよい。気体のサンプルは、多重経路吸収が測定できるように構成されたセル内に収容することもできる。測定についての詳細については、上記の’６４６特許出願を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】例示としてのＱＣレーザの略図である。
【図２】４５ｋＶ／ｃｍおよび６５ｋＶ／ｃｍの電界の下での、本発明の例示としてのＱＣレーザの反復ユニット（プラス隣接する下流の能動領域）の伝導帯の縁部である。
【図３】４５ｋＶ／ｃｍおよび６５ｋＶ／ｃｍの電界の下での、本発明の例示としてのＱＣレーザの反復ユニット（プラス隣接する下流の能動領域）の伝導帯の縁部である。
【図４】本発明の二つの例示としてのＱＣレーザの光出力電力対駆動電流に関するデータである。
【図５】本発明の二つの例示としてのＱＣレーザの光出力電力対駆動電流に関するデータである。
【図６】本発明の例示としてのＱＣレーザに対する、異なる動作状態の下での、波長の関数としての光学的出力である。
【図７】本発明のＱＣレーザを備える、例示としての測定システムまたは監視システムの略図である。上記図面の縮尺は正確なものではなく、釣合もとれていない。

Claims (8)

1. 上部光学的閉じ込め領域、導波管コア領域および下部光学的閉じ込め領域を直列に備え、さらに、レーザを電気的に接触させるための接点を備え；前記導波管コア領域が、多数のほぼ等しい反復ユニットを備え、各反復ユニットが、インジェクタ領域と、前記能動領域の高いエネルギー・レベルから低いエネルギー・レベルへの照射キャリヤの移行を容易にするように選択された能動領域とを備え；また前記インジェクタ領域が、前記量子井戸層の間にインターリーブされたバリヤ層を含む多数の量子井戸層を備え；前記量子井戸層およびバリヤ層が、適当な電気的バイアスの下で、所与の能動領域の低いエネルギー状態から直接隣接する下流の能動領域の高いエネルギー状態への電荷キャリヤの通過を容易にするように選択される量子カスケード・レーザを備える製品であって、
   第一のバイアスの下で、前記能動領域の第一の領域のアース状態が、隣接する下流の前記能動領域の第二の領域の高いエネルギー状態と共振するように、また前記能動領域の第一の領域のアース状態から隣接する下流の前記能動領域の第二の領域の高いエネルギー状態へのキャリヤの移動が容易に行われ、前記第一の適用されたバイアスの下で、前記能動領域の前記第一及び第二の領域の間の前記インジェクタ領域のミニバンドのアース状態が前記能動領域の第二の領域の上流のエネルギー状態よりも低いエネルギーを有するように、量子井戸層および／またはバリヤ層が選択されることを特徴とする製品。
2. 請求項１に記載の製品において、前記第一のバイアスよりも高い第二のバイアスが、前記能動領域の第一の領域のアース状態と前記能動領域の第二の領域の前記上流エネルギー状態の間の共振を破壊し、前記インジェクタ領域のミニバンドのアース状態が前記能動領域の第二の領域の上流エネルギー状態と同じエネルギーを有するような前記量子井戸層およびバリヤ層を有する製品。
3. 請求項１に記載の製品において、前記放射キャリヤ移行により、３〜１３μｍの範囲の波長の光子の放射が起こる製品。
4. 請求項３に記載の製品において、前記導波管コア領域が、１０またはそれ以上の反復ユニットを備える製品。
5. 請求項３に記載の製品において、前記上部光学的閉じ込め領域がＩｎＰを含む製品。
6. 請求項３に記載の製品において、所与の反復ユニットのインジェクタ領域のいくつかの層だけがドーピングされ、前記インジェクタ領域の前記層の残りが、故意にドーピングされない製品。
7. 請求項１に記載の製品において、前記量子カスケードレーザが、格子構造を持つ製品。
8. 請求項１に記載の製品において、前記製品が、測定対象物による赤外線放射吸収を測定するための測定システムであり；前記測定システムが、
   量子カスケード・レーザを備える赤外線レーザ放射のソースを備え；前記測定システムが、さらに、
   大量の前記測定対象物を通過した後で、赤外線レーザ放射を検出するための検出装置を備える製品。

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