JP3923205B2 - ひずみ補正ｑｃレーザーを備える物質 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、量子カスケード（ＱＣ）レーザーに関するものであり、かつＱＣレーザーを備える装置およびシステムに関する。
本発明は、米国政府の支援のもとに契約第DAA H0496C0026号に基づいてなされた。米国政府は本発明について特定の権利を有する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
最近、「量子カスケード」または「ＱＣ」レーザーと称される新しい種類の半導体レーザーが発明された。例えば、米国特許第5,457,709号、第5,509,025号および第5,570,386号を参照。これらはすべて参照により本明細書に組み込まれている。また、米国特許出願一連番号第08/825,286号（１９９７年３月２７日出願）および第08/744,292号（１９９６年１１月６日出願）を参照。これらは両方とも参照により本明細書に組み込まれている。
【０００３】
ここでいう「量子カスケード」または「ＱＣ」レーザーとは、光導波管を形成する多層構造を有する単極半導体レーザーであり、比較的小さい有効屈折率の閉込め領域と閉込め領域の間に比較的大きい有効屈折率のコア領域を含む。コア領域は複数の名目上（nominally）同一のリピートユニットを備え、各リピートユニットは活性領域とキャリア注入領域とを備える。活性領域は、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエネルギー状態を提供するように選択された層構造を有し、高エネルギー状態から低エネルギー状態へのキャリア遷移によって波長λの光子が放出される。キャリア注入領域は、所定のリピートユニットの活性領域の低エネルギー状態から、隣接する（下流の）リピートユニットの活性領域の高エネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするように選択された層構造を有する。よって、キャリアは、層構造を介して移動しながら、高エネルギー状態から低エネルギー状態への連続的な遷移を経て、その結果、波長λの複数の光子が産み出される。光子エネルギー（およびλ）は、リピートユニットの構造上および組成上の内容に依存し、またかけられた電界および／または分布帰還の要素に依存する。
【０００４】
従来技術のＱＣレーザーは幅広いスペクトル領域の波長で放射するように設計することができるが、いわゆる第一大気ウィンドウ（first atmospheric window）（約３〜５μｍ）の波長で放射するように設計することができるＱＣレーザーが利用できることが望ましい。このようなレーザーは、例えば微量のガス（ＨＣｌなど）の感知などの多様な適用のために重要である。
【０００５】
ＱＣレーザーは量子閉込めによって産み出されるエネルギーレベルの間のキャリア遷移に基づくので、得られる放射は、活性領域の２つの半導体材料の間の伝導帯不連続性のサイズによって短い波長側で制限される。従来技術のＱＣレーザーは、一般的にＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ／Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓに基づき、これはＩｎＰに格子整合されるとともに、伝導帯不連続性ΔＥc＝５２０ｍｅＶを有する。このシステムでは、Ｔ≧３００Ｋの温度で約２５０ｍｅＶ（〜０．４８ΔＥc）の最大光子エネルギーが実現される。
【０００６】
３〜５μｍの大気ウィンドウを十分にカバーするためには、従来技術のＱＣレーザーで利用できるよりも大きい伝導幅不連続性とのヘテロ接合を有するＱＣレーザーが利用できることが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は一般的にＱＣレーザーに関し、かつＱＣレーザーを備える物質に関する。
特に、このＱＣレーザーは、格子定数ａ0を有する半導体基板の上に配された多層半導体構造を備える。この構造は、光導波管を形成するとともに、下部閉込め領域と、下部閉込め領域の上に配されたコア領域と、コア領域の上に配された上部閉込め領域とを備える。頻繁に、基板は下部閉込め領域を形成する。
【０００８】
コア領域は複数の名目上同一のリピートユニットを備え、各リピートユニットは活性領域とキャリア注入領域とを備える。活性領域は、第一半導体材料および第二半導体材料の層をそれぞれ交互に備える層構造を有するとともに、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエネルギー状態を提供するように選択され、高キャリアエネルギー状態から低キャリアエネルギー状態へのキャリア遷移によって波長λの光子が放出される。第一半導体材料は格子定数ａ1を有し、第二半導体材料は格子定数ａ2を有する。
【０００９】
キャリア注入領域は、リピートユニットの活性領域の低キャリアエネルギー状態から、隣接する（下流の）リピートユニットの活性領域の高キャリアエネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするように選択された層構造を有する。
また、ＱＣレーザーは、電流が多層半導体構造の中を流れることを容易にするように選択された接点を備える。
【００１０】
重要なことは、第一半導体材料および第二半導体材料が、ａ1＞ａ2、典型的にはａ1＞ａ0＞ａ2である格子定数（ａ0は基板材料（典型的にはＩｎＰ）の格子定数である）を有するように選択され、さらに第一半導体組成と第二半導体組成との間の伝導帯エネルギー不連続性ΔＥcが絶対値で５２０ｍｅＶよりも大きくなるように選択されることである。
【００１１】
後でわかるように、それぞれａ0よりも大きくかつａ0よりも小さい格子定数を有する層を交互に提供することによって、ひずみを補正することができ、比較的大きいΔＥcを有するがために比較的短い波長λの放射線を放射できるＱＣレーザーの成長を容易にする。
【００１２】
典型的には、層の厚さは、リピートユニット全体にわたってひずみが実質的になくなるように選択される。さらに層の厚さは、典型的には、応力／ひずみによって引き起こされる欠陥の形成のための臨界厚さよりも小さくなるように選択される。この臨界厚さは所定の第一半導体組成および第二半導体組成について容易に決定することができ、典型的には５ｎｍよりも大きい。
【００１３】
例えば、ＩｎxＧａ1-xＡｓは、ｘ＞０．５３の場合にＩｎＰの格子定数よりも大きい格子定数を有し、かつＩｎyＡｌ1-yＡｓは、ｙ＜０．５２の場合にＩｎＰの格子定数よりも小さい格子定数を有する。
【００１４】
ここで問題の半導体は、典型的には、立方対称性を有する。よって本明細書において「格子定数」は、立方ユニットセルの縁（edge）の長さをいう。
【００１５】
ａ1＞ａ0＞ａ2の場合は、例えば
｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜＜０．２（δａ1／ａ0）Σｔ1であることが望ましく、
｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜≦０．１０（δａ1／ａ0）Σｔ1
であることがより望ましい。
【００１６】
さらに望ましいのは、上記式の右辺がほぼ０であることである。上記の式では、δａ1＝ａ1−ａ0であり、δａ2＝ａ2−ａ0であり、Σｔ1は所定のリピートユニットの第一半導体材料の層の厚さの合計であり、Σｔ2はこれに対応する第二半導体材料の層の厚さの合計であり、縦棒は絶対値を意味する。上記の基準はあくまで例であり、リピートユニットに対して必要なひずみ補正を確保するために他の基準を考案することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１では、実線曲線１１は、ＩｎＰ基板の上で成長したＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-yＡｓのひずみ補正された二重層に対して、伝導帯不連続性ΔEcをモデル・ソリッド（model-solid）理論（C. G. Van de Walle、Phys. Review B39、p.1871（1988年）参照）を用いて計算したｘの関数として示す。ＩｎＧａＡｓ層の厚さは、二重層の厚さ全体の４０％であると想定されている。破線１２は、格子整合された組成における不連続性の公知の値によって測定された、不連続性の計算値を示す（ｘ＝０．５３に相当する）。図１からわかるように、 ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-yＡｓのｘが増えるにつれてΔＥcも増える。例えば、Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ／Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓの組成の二重層の場合は、ΔＥc＝０．７４ｅＶである。
【００１８】
図２は、９．６ｘ１０4Ｖ／ｃｍの印加された電界における、本発明によるＱＣレーザーのリピートユニットの伝導帯端および関連する特徴を示す。正確さを期するために、リピートユニットは、注入バリヤ２１０から注入バリヤ２１１まで延在すると想定されている。また、図２は該当する波動関数の二乗係数（moduli squared）を示している。エネルギーレベル３から２への波線は、レーザーの作用による移動を示している。また図２は、活性領域２４およびキャリア注入領域２５を示し、後者は当業者には公知である「ミニギャップ」２２および「漏斗注入器」２３を提供するチャープ（chirped）規則格子を有する。例えば、J. Faist等のApplied Physics Letters（応用物理学レター）、Vol. 68（26）、p.3680、１９９６年６月を参照。これは参照により本明細書に組み込まれている。ミニギャップは、高エネルギーレベル３から連続体へとキャリアが逃げるのを抑制し、漏斗注入器は、下流のリピートユニットのエネルギーレベル１からエネルギーレベル３へのキャリア遷移を容易にする。
【００１９】
本発明による例示的なＱＣレーザーの以下の層構造は、分子線エピキタシ法（ＭＢＥ）によって析出（deposited）される。
【００２０】
【表１】
【００２１】
ＳＬは「規則格子（superlattice）」を意味する。厚さの単位はすべてｎｍであり、ドーパントレベルはすべて「キャリア／ｃｍ3」である。段階的な遷移（graded transition）層またはデジタル格子などの従来の特徴は、上記の層の配列順序では示されていない。
【００２２】
規則格子は、厚さが３ｎｍのＩｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓバリヤ層の間の厚さ２ｎｍのＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓウェル層で構成される。注入バリヤ２１０から始まって交互のウェル層とバリヤ層となる、活性領域／注入領域の１つのリピートユニットの層の順序配列（ナノメーターによる）が以下に示されている。バリヤ層の組成はＩｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓであり、ウェル層の組成はＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓである。星状の層はＳｉで２．５ｘ１０17ｃｍ-3の厚さにドープされている。残りの層は意図的にはドープされていない。
【００２３】
【表２】
【００２４】
上記の層構造は、ａ1＞ａ0＞ａ2の要件を満たしており、第一半導体材料および第二半導体材料はそれぞれＩｎ0.7Ｇａ0.3ＡｓおよびＩｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓである。実際、この構造は実質的にひずみ補正されており、各リピートユニットは以下の要件を容易に満たす。
｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜≦０．１（δａ1／ａ0）Σｔ1
【００２５】
図２では、エネルギー状態および電子波動関数は、公知の方法で単一帯モデルでシュレーディンガー方程式を解くことによって計算され、エネルギーに依存する有効質量によって非放物線がもたらされる。非放物線の係数γの値は、Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓの場合に１．５３ｘ１０-18とされ、有効質量の値は、Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓの場合には０．０３５ｍo、Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓの場合には０．０８９６ｍoとされた。ここで、ｍoは自由電子の質量である。
【００２６】
レーザーの移動は典型的にはレベル３からレベル２で起こり、計算された移動エネルギーＥ23は３９２ｍｅＶであり、λ＝３．１６μｍに相当する。活性領域は、しきい値電界（９６ｋＶ／ｃｍ）において活性領域の３．５ｎｍおよび３．０ｎｍの厚さの量子ウェルの基底状態は反交差（anti-crossed）するように設計されているので、光学フォノンのエネルギー（〜３４ｍｅＶ）と共振するエネルギー分離を達成し、その結果ｎ＝２の状態の寿命は短い（〜０．４ｐｓ）ものになる。レベル３から低いレベルへの電子拡散時間は、大きいモメンタム移動と関連する光学フォノンの放出を含むので、約１．７ｐｓの比較的長いものになる。
【００２７】
図３は、上記の層構造の直径が１２５μｍのメサ装置についてのエレクトロルミネセンスのデータを示す。データは１０Ｋと３００Ｋで取られ、層材料の優れた結晶と界面の品質を示している。観察されたルミネセンスのピークは、第一大気ウィンドウの波長帯の十分に範囲内である。
【００２８】
上記のようなＭＢＥによって生産された層構造を有するウエハは、従来の湿式化学エッチングおよびＳｉ3Ｎ4（３５０ｎｍ）の絶縁体によって、幅が１０〜１４μｍのメサエッチングされたリッジ導波管へと加工される。非合金Ｔｉ／Ａｕのオーム接点（０．４μｍ）が最上部層およびＩｎＰ基板の上に形成された。続いてウエハは３ｍｍ幅のバーに裂かれ、切断面（facets）はコーティングしない状態のままにされた。続いてこのバーは、Ｈｅフロー低温槽の温度制御された（１０〜３２０Ｋ）冷ヘッド（cold head）の上に、層構造を上にして取り付けられた。続いてレーザーは、４．５ｋＨｚの繰返し率で５０ｎｓの電流パルスで駆動された。
【００２９】
図４は、例示的なレーザーの１つの切断面からの、パルス電流操作における光パワー対駆動電流の関係を示す。レーザーの放射波長は、１０Ｋでは３．４９μｍで、２７０Ｋでは３．５８μｍであった。図４の破線曲線は、２７５Ｋにおける代表的な電流対電圧の特徴である。レーザー光を発する（lasing）際のしきい値電圧は、典型的には６．５Ｖ（１０Ｋの場合）と８．５Ｖ（２７５Ｋの場合）の間である。
【００３０】
図５は、ＣＷ操作における例示的なレーザーの光パワー対電流の関係を示し、図６は、ＣＷ操作における光パワー対波長の関係を示している。後者の数値は、しきい値より上のシングルモード操作を示す。
【００３１】
本発明によるレーザーは、例えば、第一大気ウィンドウにおける吸収分光学用の装置の放射源として有利に用いることができる。例えば、H. I. Schiff等の「Air Monitoring by Spectroscopic Techniques（分光技術による空気モニタリング）」、編集者M. W. Sigrist、Wiley Interscience、1994年を参照。
【００３２】
本発明によるレーザーは、気体測定種の倍音共振をターゲットとする中赤外鉛塩（lead salt）レーザーまたは近赤外半導体レーザーを現在用いている適用を含む、多くの適用において本発明のレーザーを有用なものとすると信じるところの特性を有する。例えば、本発明によるレーザーは、例えば、環境適用、自動車排気センサー、燃焼診断、工業プロセス制御、医療適用、または航空機もしくは自動車の衝突回避レーダーなどのための微量ガス分析に有利に用いることができる。
【００３３】
一般的に、本発明によるレーザーは、ポイントセンシング装置およびリモートセンシング装置で有利に用いることができ、ＣＷモードおよびパルスモードで用いることができる。
【００３４】
図７は、例示的なポイントセンシング装置９０の略図であり、ここで符号９１は本発明によるレーザーを示す。典型的には、このレーザーは、粗波長同調用の温度制御台（図示されていない）に取り付けられる。レーザーからの中赤外線９２１は、従来の気体セル９３（またはマルチパスセル）を通過し、外に出た放射線９２２は従来の検出器９４につきあたる。検出器の電気出力はロックイン増幅器９５に（適切な変調信号、例えば変調信号生成器９８３からの１．２ｋＨｚの正弦波と共に）供給され、ロックイン増幅器の出力はデータの分析およびフォーマットのためにコンピュータ９６に供給される。続いてこのデータは適切な方法で表示および／または格納される。レーザーは適切な電流でポンプされる。例えば、ランプ電流生成器９８１からの低周波数電流ランプ（例えば２５０ｍｓ期間）と、バイアス電流生成器９８２からの短バイアスパルス（例えば５ｎｓパルス幅、２μｓ期間）と、変調電流生成器９８３からの変調信号とは結合器９７に供給され、その結果として生じる電流ランプは、重畳電流パルスおよび正弦波と共にレーザーに適用される。電流ランプは、レーザーの温度を所定の範囲にわたるものとする（sweep）のに役立ち、パルスによって短いレーザーパルスが放射される。パルス波長はゆっくりと波長の範囲にわたり、波長の関数としての吸収が決定される。よって、波長の範囲内に吸収線を有する気体がセルの中に存在することが容易に検出され、その気体を識別することができる。当業者であればわかるように、図７にはいくつかの従来の特徴が示されていない。例えば、測定の設定は典型的にはコンピュータによって制御され、さらにコンピュータとの間の入出力を必要とする。
【００３５】
図８は、例示的なリモートセンシングシステム１００の略図であり、ここで放出源１０１（例えば工場）はガス排気雲１０２を放出する。レーザー１０３は、排気雲を通って拡散する中赤外線を放射し、反射（例えばコーナー反射器１０５による）を受ける。続いて、反射された放射線１０７は検出器１０８によって検出される。レーザーは、適切な方法で、例えば図７に関連して説明した方法でポンプすることができ、検出器の出力は適切な方法で、例えばこれも上記の方法で利用することができる。ミラーまたは他の適切な反射器をコーナー反射器１０５の代わりに用いることができる。反射器は、航空機や、監視されている煙突を含む高位の対象物の上に置くことができる。一般的に、レーザーおよび検出器が見通し配置（line-of-sight disposition）に配されることが計画される。
【００３６】
一般的に、レーザーは保護および制御のために適切なハウジングの中に取り付けられる。パッケージは、典型的には、冷却手段（例えば、水冷、熱電冷却）と、温度制御用フィードバックループで用いられる温度感知手段（例えば、熱電対）と、ポンプ電流をレーザーに流す手段とを備える。レーザーは、従来の方法で冷却手段に取り付けられる。選択可能なこととして、ハウジングは、レーザー出力を制限するための検出手段を含んでもよい。ハウジングは、典型的には、レーザー放射のために透過であるウィンドウを有し、典型的には真空にされるか、または不活性ガスで満たされる。米国特許出願一連番号第08/852,646号を参照。これは参照により本明細書に組み込まれている。
【００３７】
当業者であれば容易に理解できるように、吸収分光学または同様の適用で有利に用いられべき本発明によるＱＣレーザーには、単一モード操作を確保するためのフィードバック手段が備えられる。かかるフィードバック手段は、典型的には、米国特許出願一連番号第08/852,646号で詳細に説明されるブラッグ格子である。図９は、分布帰還（ＤＦＢ）機構を有する、本発明による例示的なＱＣレーザー９００の略図である。符号９１０、９２０および９３０は、下部閉込め領域と、複数のリピートユニットを有するＱＣ活性領域と、最上面に格子を有する上部閉込め領域とを示す。符号９４０と９５０は、金属化層を示す。波矢印は、出力の放射を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＩｎＰ上のひずみ補正されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの二重層についてのΔＥc対ＩｎxＧａ1-xＡｓのインジウム含有量の計算曲線を示している。
【図２】伝導帯端と、エネルギーレベルと、ミニギャップと、漏斗注入器とを含む、コア領域の１つのリピートユニットの該当する諸局面を示す。
【図３】エレクトロルミネセンス対波長および光子エネルギーについての例示的なデータを示す。
【図４】パルス電流操作における、光パワー対駆動電力、ならびに代表的な電流−電圧の特徴についての例示的なデータを示す。
【図５】ＣＷ操作における光パワー対電流の関係を示す。
【図６】ＣＷ操作における光パワー対波長の関係を示す。
【図７】本発明に従ったレーザー、すなわち吸収分光学のための装置を備える例示的な装置の略図である。
【図８】本発明に従ったレーザー、すなわち吸収分光学のための装置を備える例示的な装置の略図である。
【図９】本発明に従ったＤＦＢ ＱＣレーザーの略図である。
【発明の分野】
本発明は、量子カスケード（ＱＣ）レーザーに関するものであり、かつＱＣレーザーを備える装置およびシステムに関する。
本発明は、米国政府の支援のもとに契約第DAA H0496C0026号に基づいてなされた。米国政府は本発明について特定の権利を有する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
最近、「量子カスケード」または「ＱＣ」レーザーと称される新しい種類の半導体レーザーが発明された。例えば、米国特許第5,457,709号、第5,509,025号および第5,570,386号を参照。これらはすべて参照により本明細書に組み込まれている。また、米国特許出願一連番号第08/825,286号（１９９７年３月２７日出願）および第08/744,292号（１９９６年１１月６日出願）を参照。これらは両方とも参照により本明細書に組み込まれている。
【０００３】
ここでいう「量子カスケード」または「ＱＣ」レーザーとは、光導波管を形成する多層構造を有する単極半導体レーザーであり、比較的小さい有効屈折率の閉込め領域と閉込め領域の間に比較的大きい有効屈折率のコア領域を含む。コア領域は複数の名目上（nominally）同一のリピートユニットを備え、各リピートユニットは活性領域とキャリア注入領域とを備える。活性領域は、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエネルギー状態を提供するように選択された層構造を有し、高エネルギー状態から低エネルギー状態へのキャリア遷移によって波長λの光子が放出される。キャリア注入領域は、所定のリピートユニットの活性領域の低エネルギー状態から、隣接する（下流の）リピートユニットの活性領域の高エネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするように選択された層構造を有する。よって、キャリアは、層構造を介して移動しながら、高エネルギー状態から低エネルギー状態への連続的な遷移を経て、その結果、波長λの複数の光子が産み出される。光子エネルギー（およびλ）は、リピートユニットの構造上および組成上の内容に依存し、またかけられた電界および／または分布帰還の要素に依存する。
【０００４】
従来技術のＱＣレーザーは幅広いスペクトル領域の波長で放射するように設計することができるが、いわゆる第一大気ウィンドウ（first atmospheric window）（約３〜５μｍ）の波長で放射するように設計することができるＱＣレーザーが利用できることが望ましい。このようなレーザーは、例えば微量のガス（ＨＣｌなど）の感知などの多様な適用のために重要である。
【０００５】
ＱＣレーザーは量子閉込めによって産み出されるエネルギーレベルの間のキャリア遷移に基づくので、得られる放射は、活性領域の２つの半導体材料の間の伝導帯不連続性のサイズによって短い波長側で制限される。従来技術のＱＣレーザーは、一般的にＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ／Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓに基づき、これはＩｎＰに格子整合されるとともに、伝導帯不連続性ΔＥc＝５２０ｍｅＶを有する。このシステムでは、Ｔ≧３００Ｋの温度で約２５０ｍｅＶ（〜０．４８ΔＥc）の最大光子エネルギーが実現される。
【０００６】
３〜５μｍの大気ウィンドウを十分にカバーするためには、従来技術のＱＣレーザーで利用できるよりも大きい伝導幅不連続性とのヘテロ接合を有するＱＣレーザーが利用できることが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は一般的にＱＣレーザーに関し、かつＱＣレーザーを備える物質に関する。
特に、このＱＣレーザーは、格子定数ａ0を有する半導体基板の上に配された多層半導体構造を備える。この構造は、光導波管を形成するとともに、下部閉込め領域と、下部閉込め領域の上に配されたコア領域と、コア領域の上に配された上部閉込め領域とを備える。頻繁に、基板は下部閉込め領域を形成する。
【０００８】
コア領域は複数の名目上同一のリピートユニットを備え、各リピートユニットは活性領域とキャリア注入領域とを備える。活性領域は、第一半導体材料および第二半導体材料の層をそれぞれ交互に備える層構造を有するとともに、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエネルギー状態を提供するように選択され、高キャリアエネルギー状態から低キャリアエネルギー状態へのキャリア遷移によって波長λの光子が放出される。第一半導体材料は格子定数ａ1を有し、第二半導体材料は格子定数ａ2を有する。
【０００９】
キャリア注入領域は、リピートユニットの活性領域の低キャリアエネルギー状態から、隣接する（下流の）リピートユニットの活性領域の高キャリアエネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするように選択された層構造を有する。
また、ＱＣレーザーは、電流が多層半導体構造の中を流れることを容易にするように選択された接点を備える。
【００１０】
重要なことは、第一半導体材料および第二半導体材料が、ａ1＞ａ2、典型的にはａ1＞ａ0＞ａ2である格子定数（ａ0は基板材料（典型的にはＩｎＰ）の格子定数である）を有するように選択され、さらに第一半導体組成と第二半導体組成との間の伝導帯エネルギー不連続性ΔＥcが絶対値で５２０ｍｅＶよりも大きくなるように選択されることである。
【００１１】
後でわかるように、それぞれａ0よりも大きくかつａ0よりも小さい格子定数を有する層を交互に提供することによって、ひずみを補正することができ、比較的大きいΔＥcを有するがために比較的短い波長λの放射線を放射できるＱＣレーザーの成長を容易にする。
【００１２】
典型的には、層の厚さは、リピートユニット全体にわたってひずみが実質的になくなるように選択される。さらに層の厚さは、典型的には、応力／ひずみによって引き起こされる欠陥の形成のための臨界厚さよりも小さくなるように選択される。この臨界厚さは所定の第一半導体組成および第二半導体組成について容易に決定することができ、典型的には５ｎｍよりも大きい。
【００１３】
例えば、ＩｎxＧａ1-xＡｓは、ｘ＞０．５３の場合にＩｎＰの格子定数よりも大きい格子定数を有し、かつＩｎyＡｌ1-yＡｓは、ｙ＜０．５２の場合にＩｎＰの格子定数よりも小さい格子定数を有する。
【００１４】
ここで問題の半導体は、典型的には、立方対称性を有する。よって本明細書において「格子定数」は、立方ユニットセルの縁（edge）の長さをいう。
【００１５】
ａ1＞ａ0＞ａ2の場合は、例えば
｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜＜０．２（δａ1／ａ0）Σｔ1であることが望ましく、
｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜≦０．１０（δａ1／ａ0）Σｔ1
であることがより望ましい。
【００１６】
さらに望ましいのは、上記式の右辺がほぼ０であることである。上記の式では、δａ1＝ａ1−ａ0であり、δａ2＝ａ2−ａ0であり、Σｔ1は所定のリピートユニットの第一半導体材料の層の厚さの合計であり、Σｔ2はこれに対応する第二半導体材料の層の厚さの合計であり、縦棒は絶対値を意味する。上記の基準はあくまで例であり、リピートユニットに対して必要なひずみ補正を確保するために他の基準を考案することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１では、実線曲線１１は、ＩｎＰ基板の上で成長したＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-yＡｓのひずみ補正された二重層に対して、伝導帯不連続性ΔEcをモデル・ソリッド（model-solid）理論（C. G. Van de Walle、Phys. Review B39、p.1871（1988年）参照）を用いて計算したｘの関数として示す。ＩｎＧａＡｓ層の厚さは、二重層の厚さ全体の４０％であると想定されている。破線１２は、格子整合された組成における不連続性の公知の値によって測定された、不連続性の計算値を示す（ｘ＝０．５３に相当する）。図１からわかるように、 ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-yＡｓのｘが増えるにつれてΔＥcも増える。例えば、Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ／Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓの組成の二重層の場合は、ΔＥc＝０．７４ｅＶである。
【００１８】
図２は、９．６ｘ１０4Ｖ／ｃｍの印加された電界における、本発明によるＱＣレーザーのリピートユニットの伝導帯端および関連する特徴を示す。正確さを期するために、リピートユニットは、注入バリヤ２１０から注入バリヤ２１１まで延在すると想定されている。また、図２は該当する波動関数の二乗係数（moduli squared）を示している。エネルギーレベル３から２への波線は、レーザーの作用による移動を示している。また図２は、活性領域２４およびキャリア注入領域２５を示し、後者は当業者には公知である「ミニギャップ」２２および「漏斗注入器」２３を提供するチャープ（chirped）規則格子を有する。例えば、J. Faist等のApplied Physics Letters（応用物理学レター）、Vol. 68（26）、p.3680、１９９６年６月を参照。これは参照により本明細書に組み込まれている。ミニギャップは、高エネルギーレベル３から連続体へとキャリアが逃げるのを抑制し、漏斗注入器は、下流のリピートユニットのエネルギーレベル１からエネルギーレベル３へのキャリア遷移を容易にする。
【００１９】
本発明による例示的なＱＣレーザーの以下の層構造は、分子線エピキタシ法（ＭＢＥ）によって析出（deposited）される。
【００２０】
【表１】
ＳＬは「規則格子（superlattice）」を意味する。厚さの単位はすべてｎｍであり、ドーパントレベルはすべて「キャリア／ｃｍ3」である。段階的な遷移（graded transition）層またはデジタル格子などの従来の特徴は、上記の層の配列順序では示されていない。
【００２２】
規則格子は、厚さが３ｎｍのＩｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓバリヤ層の間の厚さ２ｎｍのＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓウェル層で構成される。注入バリヤ２１０から始まって交互のウェル層とバリヤ層となる、活性領域／注入領域の１つのリピートユニットの層の順序配列（ナノメーターによる）が以下に示されている。バリヤ層の組成はＩｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓであり、ウェル層の組成はＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓである。星状の層はＳｉで２．５ｘ１０17ｃｍ-3の厚さにドープされている。残りの層は意図的にはドープされていない。
【００２３】
【表２】
上記の層構造は、ａ1＞ａ0＞ａ2の要件を満たしており、第一半導体材料および第二半導体材料はそれぞれＩｎ0.7Ｇａ0.3ＡｓおよびＩｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓである。実際、この構造は実質的にひずみ補正されており、各リピートユニットは以下の要件を容易に満たす。
｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜≦０．１（δａ1／ａ0）Σｔ1
【００２５】
図２では、エネルギー状態および電子波動関数は、公知の方法で単一帯モデルでシュレーディンガー方程式を解くことによって計算され、エネルギーに依存する有効質量によって非放物線がもたらされる。非放物線の係数γの値は、Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓの場合に１．５３ｘ１０-18とされ、有効質量の値は、Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓの場合には０．０３５ｍo、Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓの場合には０．０８９６ｍoとされた。ここで、ｍoは自由電子の質量である。
【００２６】
レーザーの移動は典型的にはレベル３からレベル２で起こり、計算された移動エネルギーＥ23は３９２ｍｅＶであり、λ＝３．１６μｍに相当する。活性領域は、しきい値電界（９６ｋＶ／ｃｍ）において活性領域の３．５ｎｍおよび３．０ｎｍの厚さの量子ウェルの基底状態は反交差（anti-crossed）するように設計されているので、光学フォノンのエネルギー（〜３４ｍｅＶ）と共振するエネルギー分離を達成し、その結果ｎ＝２の状態の寿命は短い（〜０．４ｐｓ）ものになる。レベル３から低いレベルへの電子拡散時間は、大きいモメンタム移動と関連する光学フォノンの放出を含むので、約１．７ｐｓの比較的長いものになる。
【００２７】
図３は、上記の層構造の直径が１２５μｍのメサ装置についてのエレクトロルミネセンスのデータを示す。データは１０Ｋと３００Ｋで取られ、層材料の優れた結晶と界面の品質を示している。観察されたルミネセンスのピークは、第一大気ウィンドウの波長帯の十分に範囲内である。
【００２８】
上記のようなＭＢＥによって生産された層構造を有するウエハは、従来の湿式化学エッチングおよびＳｉ3Ｎ4（３５０ｎｍ）の絶縁体によって、幅が１０〜１４μｍのメサエッチングされたリッジ導波管へと加工される。非合金Ｔｉ／Ａｕのオーム接点（０．４μｍ）が最上部層およびＩｎＰ基板の上に形成された。続いてウエハは３ｍｍ幅のバーに裂かれ、切断面（facets）はコーティングしない状態のままにされた。続いてこのバーは、Ｈｅフロー低温槽の温度制御された（１０〜３２０Ｋ）冷ヘッド（cold head）の上に、層構造を上にして取り付けられた。続いてレーザーは、４．５ｋＨｚの繰返し率で５０ｎｓの電流パルスで駆動された。
【００２９】
図４は、例示的なレーザーの１つの切断面からの、パルス電流操作における光パワー対駆動電流の関係を示す。レーザーの放射波長は、１０Ｋでは３．４９μｍで、２７０Ｋでは３．５８μｍであった。図４の破線曲線は、２７５Ｋにおける代表的な電流対電圧の特徴である。レーザー光を発する（lasing）際のしきい値電圧は、典型的には６．５Ｖ（１０Ｋの場合）と８．５Ｖ（２７５Ｋの場合）の間である。
【００３０】
図５は、ＣＷ操作における例示的なレーザーの光パワー対電流の関係を示し、図６は、ＣＷ操作における光パワー対波長の関係を示している。後者の数値は、しきい値より上のシングルモード操作を示す。
【００３１】
本発明によるレーザーは、例えば、第一大気ウィンドウにおける吸収分光学用の装置の放射源として有利に用いることができる。例えば、H. I. Schiff等の「Air Monitoring by Spectroscopic Techniques（分光技術による空気モニタリング）」、編集者M. W. Sigrist、Wiley Interscience、1994年を参照。
【００３２】
本発明によるレーザーは、気体測定種の倍音共振をターゲットとする中赤外鉛塩（lead salt）レーザーまたは近赤外半導体レーザーを現在用いている適用を含む、多くの適用において本発明のレーザーを有用なものとすると信じるところの特性を有する。例えば、本発明によるレーザーは、例えば、環境適用、自動車排気センサー、燃焼診断、工業プロセス制御、医療適用、または航空機もしくは自動車の衝突回避レーダーなどのための微量ガス分析に有利に用いることができる。
【００３３】
一般的に、本発明によるレーザーは、ポイントセンシング装置およびリモートセンシング装置で有利に用いることができ、ＣＷモードおよびパルスモードで用いることができる。
【００３４】
図７は、例示的なポイントセンシング装置９０の略図であり、ここで符号９１は本発明によるレーザーを示す。典型的には、このレーザーは、粗波長同調用の温度制御台（図示されていない）に取り付けられる。レーザーからの中赤外線９２１は、従来の気体セル９３（またはマルチパスセル）を通過し、外に出た放射線９２２は従来の検出器９４につきあたる。検出器の電気出力はロックイン増幅器９５に（適切な変調信号、例えば変調信号生成器９８３からの１．２ｋＨｚの正弦波と共に）供給され、ロックイン増幅器の出力はデータの分析およびフォーマットのためにコンピュータ９６に供給される。続いてこのデータは適切な方法で表示および／または格納される。レーザーは適切な電流でポンプされる。例えば、ランプ電流生成器９８１からの低周波数電流ランプ（例えば２５０ｍｓ期間）と、バイアス電流生成器９８２からの短バイアスパルス（例えば５ｎｓパルス幅、２μｓ期間）と、変調電流生成器９８３からの変調信号とは結合器９７に供給され、その結果として生じる電流ランプは、重畳電流パルスおよび正弦波と共にレーザーに適用される。電流ランプは、レーザーの温度を所定の範囲にわたるものとする（sweep）のに役立ち、パルスによって短いレーザーパルスが放射される。パルス波長はゆっくりと波長の範囲にわたり、波長の関数としての吸収が決定される。よって、波長の範囲内に吸収線を有する気体がセルの中に存在することが容易に検出され、その気体を識別することができる。当業者であればわかるように、図７にはいくつかの従来の特徴が示されていない。例えば、測定の設定は典型的にはコンピュータによって制御され、さらにコンピュータとの間の入出力を必要とする。
【００３５】
図８は、例示的なリモートセンシングシステム１００の略図であり、ここで放出源１０１（例えば工場）はガス排気雲１０２を放出する。レーザー１０３は、排気雲を通って拡散する中赤外線を放射し、反射（例えばコーナー反射器１０５による）を受ける。続いて、反射された放射線１０７は検出器１０８によって検出される。レーザーは、適切な方法で、例えば図７に関連して説明した方法でポンプすることができ、検出器の出力は適切な方法で、例えばこれも上記の方法で利用することができる。ミラーまたは他の適切な反射器をコーナー反射器１０５の代わりに用いることができる。反射器は、航空機や、監視されている煙突を含む高位の対象物の上に置くことができる。一般的に、レーザーおよび検出器が見通し配置（line-of-sight disposition）に配されることが計画される。
【００３６】
一般的に、レーザーは保護および制御のために適切なハウジングの中に取り付けられる。パッケージは、典型的には、冷却手段（例えば、水冷、熱電冷却）と、温度制御用フィードバックループで用いられる温度感知手段（例えば、熱電対）と、ポンプ電流をレーザーに流す手段とを備える。レーザーは、従来の方法で冷却手段に取り付けられる。選択可能なこととして、ハウジングは、レーザー出力を制限するための検出手段を含んでもよい。ハウジングは、典型的には、レーザー放射のために透過であるウィンドウを有し、典型的には真空にされるか、または不活性ガスで満たされる。米国特許出願一連番号第08/852,646号を参照。これは参照により本明細書に組み込まれている。
【００３７】
当業者であれば容易に理解できるように、吸収分光学または同様の適用で有利に用いられべき本発明によるＱＣレーザーには、単一モード操作を確保するためのフィードバック手段が備えられる。かかるフィードバック手段は、典型的には、米国特許出願一連番号第08/852,646号で詳細に説明されるブラッグ格子である。図９は、分布帰還（ＤＦＢ）機構を有する、本発明による例示的なＱＣレーザー９００の略図である。符号９１０、９２０および９３０は、下部閉込め領域と、複数のリピートユニットを有するＱＣ活性領域と、最上面に格子を有する上部閉込め領域とを示す。符号９４０と９５０は、金属化層を示す。波矢印は、出力の放射を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＩｎＰ上のひずみ補正されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの二重層についてのΔＥc対ＩｎxＧａ1-xＡｓのインジウム含有量の計算曲線を示している。
【図２】伝導帯端と、エネルギーレベルと、ミニギャップと、漏斗注入器とを含む、コア領域の１つのリピートユニットの該当する諸局面を示す。
【図３】エレクトロルミネセンス対波長および光子エネルギーについての例示的なデータを示す。
【図４】パルス電流操作における、光パワー対駆動電力、ならびに代表的な電流−電圧の特徴についての例示的なデータを示す。
【図５】ＣＷ操作における光パワー対電流の関係を示す。
【図６】ＣＷ操作における光パワー対波長の関係を示す。
【図７】本発明に従ったレーザー、すなわち吸収分光学のための装置を備える例示的な装置の略図である。
【図８】本発明に従ったレーザー、すなわち吸収分光学のための装置を備える例示的な装置の略図である。
【図９】本発明に従ったＤＦＢ ＱＣレーザーの略図である。
Claims (10)
- 格子定数a0を有する半導体基板の上に配された多層半導体構造を備える量子カスケードレーザからなる装置であって、
a) 該多層半導体構造が、下部閉込め領域と、下部閉込め領域の上に配されたコア領域と、コア領域の上に配された上部閉込め領域とを備える光導波管を形成し、
b) 該コア領域が、複数の名目上同一のリピートユニットを備えており、各リピートユニットが活性領域とキャリア注入領域とを備え、該活性領域が、第1半導体材料と第2半導体材料の層を交互に備える層構造を有するとともに、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエネルギー状態を提供するように選択されており、高キャリアエネルギー状態から低キャリアエネルギー状態へのキャリア遷移の結果、波長λの光子が放出され、該キャリア注入領域が、該活性領域の低キャリアエネルギー状態から、隣接する下流のリピートユニットの活性領域の高キャリアエネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするように選択された層構造を有し、
c) 該量子カスケードレーザは、電流が多層半導体構造の中を流れることを容易にするように選択された接点を備えており、
ｄ）第1半導体材料が格子定数a1＞a0を有するように選択され、第2半導体材料が格子定数a2＜a0を有するように選択され、さらに該第1半導体材料と該第2半導体材料との間の伝導帯エネルギー不連続性ΔEcが絶対値で520meVを超えるように選択され、
e) 該第1半導体材料と該第2半導体材料及びリピートユニットの層の厚さは、|(δa1/a0)Σt1＋(δa2/a0)Σt2|が0.2(δa1/a0)Σt1以下であるように選択され、ここでδa1＝a1−a0、δa2＝a2−a0、Σt1とΣt2は所定のリピートユニットの第1半導体材料層と第2半導体材料層のそれぞれの厚さの合計であり、縦棒が絶対値を表すことを特徴とする装置。 - 第1半導体材料と第2半導体材料及び層の厚さが、|(δa1/a0)Σt1＋(δa2/a0)Σt2|が0.1(δa1/a0)Σt1以下であるように選択される請求項１記載の装置。
- 量子カスケードレーザがさらに分布帰還機構を備える請求項１記載の装置。
- 分布帰還機構が、閉鎖領域に配されたブラッグ格子である請求項３記載の装置。
- 装置が、測定種による赤外線の吸収を測定する測定システムであり、
該測定システムが、請求項１記載の量子カスケードレーザを備えるシングルモード赤外線レーザ放射の源を備え、さらに、ある量の該測定種を介してそれを通過した後のシングルモード赤外線レーザ放射を検出する検出器を備える請求項１記載の装置。 - 該測定種が、測定セルに配された気体である請求項５記載の測定システム。
- 該測定種が非密封気体である請求項５記載の測定システム。
- 該電流接点に接続された電源をさらに備え、
シングルモードレーザ放射の波長がレーザ加熱電流に従って変化するように、該電源がレーザ加熱電流をレーザに提供する請求項１記載の装置。 - 格子定数a0を有する半導体基板の上に配された多層半導体構造を備える量子カスケードレーザからなる装置であって、
a) 該多層半導体構造が、下部閉込め領域と、該下部閉込め領域の上に配されたコア領域と、コア領域の上に配された上部閉込め領域とを備える光導波管を形成し、
b) 該コア領域が、複数の名目上同一のリピートユニットを備えており、各リピートユニットが活性領域とキャリア注入領域とを備え、該活性領域が、第1半導体材料と第2半導体材料の層を交互に備える層構造を有するとともに、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエネルギー状態を提供するように選択されており、高キャリアエネルギー状態から低キャリアエネルギー状態へのキャリア遷移の結果、波長λの光子が放出され、キャリア注入領域が、活性領域の低キャリアエネルギー状態から、隣接する下流のリピートユニットの活性領域の高キャリアエネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするように選択された層構造を有し、
c) 量子カスケードレーザは、電流が多層半導体構造の中を流れることを容易にするように選択された接点を備えており、
ｄ）第1半導体材料が格子定数a1＞a0を有するように選択され、第2半導体材料が格子定数a2＜a0を有するように選択され、さらに該第1半導体材料と該第2半導体材料との間の伝導帯エネルギー不連続性ΔEcが絶対値で520meVを超えるように選択され、
e) 該第1半導体材料と該第2半導体材料及びリピートユニットの層の厚さが、歪を該リピートユニット全体にわたって相殺するように選択されることを特徴とする装置。 - 請求項９に記載の装置において、さらに、層の厚さが、応力/歪によって引き起こされる欠陥の形成のための臨界厚さよりも小さくなるように選択される装置。
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