JP4892293B2 - 量子カスケードレーザ - Google Patents

Description

本発明は、近赤外領域からテラヘルツ領域に至る広い波長範囲で発振可能な量子カスケードレーザに関する。

量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）は、積層する半導体の膜厚を制御することによって近赤外からテラヘルツ領域までの広い波長範囲で発振可能なレーザとして研究が進められている。これらはいずれも、電子のポテンシャル障壁となる第１の半導体層および量子井戸となる第２の半導体層を交互に積層した構造であって、キャリア走行層と、キャリア走行層に隣接するサブバンド間遷移を利用する発光層とから構成される構造を基本単位としており、この構造を数〜数十層繰り返すことによって活性層が形成されるのが一般的である（例えば、非特許文献１、２参照）。

また活性層を挟んで両側に導波路層を形成し、活性層で発生した光を基板に垂直方向に閉じこめることも通常行われている。これらの導波路層は、屈折率差を利用して活性層内に光を閉じこめるだけでなく、両側に配した金属電極から導波路層を通じて活性層に電子を注入できる程度の伝導特性を有する必要があり、さらに基板となる材料上に良好な結晶を成長させるために格子ミスマッチが少ないこと、発生した熱を効率よく逃がすために熱伝導性が良いことなど、種々の要件を満たす必要がある。このため、活性層に使用される材料に応じて、高ドープしたｎ型ＡｌＩｎＡｓ層やｎ型ＩｎＡｓ層などが一般的に用いられている。

第１の半導体層と第２の半導体層の組み合わせは、それぞれの材料の伝導体オフセットや基板となる材料との格子ミスマッチを考慮して選択され、ＩｎＰ基板上にはＡｌＩｎＡｓとＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ基板上にはＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ、ＩｎＡｓ基板上にはＡｌＳｂとＩｎＡｓなどが提案されている（例えば、ＩｎＡｓ基板上のＡｌＳｂとＩｎＡｓの組み合わせについて、特許文献１を参照）。

通信用などに広く使われている半導体レーザとしてダブルへテロレーザがあるが、これはバンド間の電子−正孔の再結合エネルギーを発光に利用したものであり、発振波長は材料によって決められる。これに加えてダブルへテロレーザでは、発振波長が長くなると、すなわち使用する材料のバンドギャップが小さくなると、オージェ過程による非発光再結合が支配的になるため発振が極めて困難になり、波長２μｍ以上では実用的なものはできていない。

量子カスケードレーザは、電子のサブバンド間遷移を発光に利用するため膜厚を制御することによって波長を任意に制御することが可能であり、またオージェ過程の影響も少ないことから３μｍを越える波長でも発振可能であり、さらに小型で高温動作が可能といった実用化に適した優れた特性を有している。すでに、発振波長が１０μｍ程度の量子カスケードレーザが分析用光源などに実用化されている。

特開２００４−１６５３８８号公報 J. Faist, F. Cappaso, D.L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson and A. Y. Cho, Science 264 (1994) 553 Keita Ohtani and Hideo Ohno, Jpn. J. Phys. Vol. 41 (2002) pp. L 1279-L 1280

量子カスケードレーザに対して、レーザの基本性能としてより低い閾値電流密度で発振することが望まれている。

しかしながら、量子カスケードレーザの構造の特徴により電子注入の障壁が生じて、閾値電流密度を増加させる一因となっている。通常量子カスケードレーザの構造は、素子に電界をかけたときにミニバンドが形成されるようにするために、負電極側から正電極側に向けて単位構造の井戸幅が徐々に狭くなるように設計されている。そして、活性層が導波路層と接合する部分では、活性層内のミニバンドと導波路層に用いている半導体のフェルミ準位との差がポテンシャル障壁として発生するのである。このポテンシャル障壁は、素子に電圧を印加した時に、電子注入の障壁となって素子の閾値電流を増加させる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、素子の発振波長に影響を与えることなく、より低い閾値電流密度で発振する量子カスケードレーザを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る量子カスケードレーザは、ポテンシャル障壁となる第１の半導体層および量子井戸となる第２の半導体層を交互に積層した構造を有する活性層と、前記活性層を両側から挟む１組の導波路層と、前記活性層と前記活性層への電圧印加時に負極側となる導波路層との間に挿入された、前記活性層とは異なる積層構造を有する接合層とを備え、前記接合層の前記積層構造は、前記接合層によって形成されるミニバンドの下端と前記導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差が、前記活性層によって形成されるミニバンドの下端と前記導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差に比べて小さくなるように設計されていることを特徴とする。

本発明によれば、活性層への電圧印加時に負電極側となる導波路層と活性層との間に活性層とは異なる積層構造を有する接合層を挿入することにより、活性層のミニバンドの下端と導波路層のフェルミ準位との間に存在したエネルギー差を縮小することができる。それによって、電子注入の障壁を低減し、所望の発振波長に影響を与えることなく、従来よりも低い閾値で発振する量子カスケードレーザを提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、ＩｎＡｓ基板上において、第１の半導体としてＡｌＳｂを、第２の半導体層としてＩｎＡｓを用いたＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ系の量子カスケードレーザについて説明する。

図１（ａ）は、本発明に係る量子カスケードレーザ１００の構造を示している。量子カスケードレーザ１００は、クラッド層１１２およびコア層１１１から構成された導波路層１１０と、活性層１２０と、接合層１３０と、クラッド層１４２およびコア層１４１から構成された導波路層１４０と、ｎ−ＩｎＡｓ基板１５０を備える。図１（ａ）〜（ｃ）には、量子カスケードレーザ１００の構造を具体的に特定した実施例も合わせて示されているが、これについては図４および５を参照して後述する。

導波路層１１０および１４０は、光閉じ込めを行うために設けられている。屈折率が大きいコア層１１１および１４１を、屈折率が小さいクラッド層１１２および１４２で挟むことにより、導波路としての機能が得られている。例えば、コア層１１１および１４１を低濃度でＳｉをドーピングしたｎ−ＩｎＡｓ、クラッド層１１２および１４２を高濃度でＳｉをドーピングしたｎ^＋−ＩｎＡｓとすることができる。これはキャリア濃度の違いによる屈折率変化を利用したもので、ＩｎＡｓのような半導体中ではドーパントであるＳｉのドーピング濃度を高めて自由キャリア濃度が増大すると、半導体層のプラズマ周波数が変化し、屈折率が小さくなる。良好な閉じ込め特性を得るためには出来るだけ屈折率差を大きくとることが必要であり、コア層のキャリア濃度は自由キャリアによる吸収が問題になることなく、伝導特性を妨げない程度に低くとるのが望ましい。例えば、コア層のＳｉドーピング濃度を２．０×１０^１６ｃｍ^−３とすることができ、このときコア層のフェルミ準位（Ｅ_Ｆ）は、

によって見積もられる。数式（１）において、Ｅｃは伝導体の下端のエネルギー、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは温度、ｎは電子濃度、Ｎｃは電子の有効状態密度を表している。

図１（ｂ）は活性層１２０の積層構造を示し、図１（ｃ）は接合層１３０の積層構造を示している。これらの層は、例えば、いずれも第１の半導体層であるＡｌＳｂと第２の半導体層であるＩｎＡｓとを交互に積層したものとすることができる。あるいは、活性層１２０と接合層１３０とで、異なる半導体層の組み合わせを用いることができる。活性層１２０は、それぞれの半導体層の厚みを段階的に変えることによって、動作時に想定される電界強度において所望の発振波長が得られるように設計されている。

第１の半導体層と第２の半導体層の組み合わせは、ＡｌＳｂとＩｎＡｓ、ＡｌＧａＳｂとＩｎＡｓ、ＧａＳｂとＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓとＧａＩｎＡｓ、ＡｌＡｓとＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓが好ましい。上述した組み合わせは、基板になる材料と格子定数が比較的近く（ミスマッチが少なく）、組み合わせる２つの材料の伝導体バンドオフセットの差が出来るだけ大きいもの（更に付け加えれば、それぞれに直接遷移型であること）という観点から、ＱＣＬを作る上での半導体へテロ構造として好ましい。特にこの中でも比較的短波長のＱＣＬを作製する場合は、ＡｌＳｂとＩｎＡｓや、ＡｌＧａＳｂとＩｎＡｓの組み合わせなどが好適である。

図２は、活性層１２０の量子準位の模式図を示している。各々の量子井戸の基底準位をとる波動関数は、お互いに重なり合い、活性層１２０において空間的な拡がりを有している。本明細書では、上記の重なり合った波動関数のとるエネルギー準位のうち、最も低いエネルギー準位から最も高いエネルギー準位までをミニバンドと定義する。図２中で、ミニバンド２０１が網目で示されている。

図３は、図２と同様に、接合層１３０の量子準位の模式図を示しており、網目で示されるミニバンド３０１が形成されている。言い換えると、接合層１３０は、所望のミニバンドが形成されるように設計されている。

図２の活性層１２０を参照して量子カスケードレーザの発光機構を簡潔に説明すると、以下のようになる。まず、電子が、隣接する単位構造のミニバンドから発光層１２２に注入される。次に、この電子が、発光層内でフォトンを放出し、下のミニバンド２０１に遷移する（サブバンド間遷移）。そして、遷移した電子が、ミニバンド２０１内を順次左側に走行し、隣接する次の単位構造の発光層へ送られる。

上記の活性層１２０をそのまま導波路のコア層１４１に接合した場合、図２にあるようなポテンシャル障壁２０２が生じることになる。ここで、ミニバンド２０１の下端と伝導体の底までのエネルギー差は、結合した量子井戸の固有値を解くことによって求めることができる。また、伝導体の底を基準としたコア層１４１のフェルミ準位２０３は、数式（１）により求めることができる。したがって、活性層のミニバンド２０１の下端とコア層のフェルミ準位２０３との間のエネルギー差を求めることができる。例えば、実施例の構造では、伝導体の底を基準としたコア層１４１のフェルミ準位２０３は、室温でおよそ−３８．１ｍｅＶであり、活性層のミニバンド２０１の下端と第２半導体層であるＩｎＡｓの伝導体の底までのエネルギー差は３２．３ｍｅＶであり、したがって、活性層のミニバンド２０１の下端とコア層のフェルミ準位２０３との間には７０．４ｍｅＶのエネルギー差が存在することとなる。

本発明に係る量子カスケードレーザにおいては、活性層１２０とコア層１４１との間に接合層１３０が挿入されている。接合層１３０は、積層構造の膜厚の調整などの設計により活性層１２０と比較して広いミニバンド３０１を形成し、コア層のフェルミ準位２０３とのポテンシャル差を縮小することができる。例えば、実施例の構造では、接合層１３０のミニバンド３０１の下端と第２の半導体であるＩｎＡｓの伝導体の底との間のエネルギー差を計算すると５．７ｍｅＶであり、接合層のミニバンド３０１の下端とコア層のフェルミ準位２０３とのエネルギー差３０２が４３．８ｍｅＶとなるため、接合層１３０を挿入せずに活性層１２０をそのまま導波路のコア層１４１に接合した場合に比べてコア層１４１から発光層１２２への電子注入の障壁が低減する。

量子カスケードレーザ１００の構造を具体的に特定した実施例を用いた実験結果について、図４を参照して説明する。図４は、図１に示されている構造を具体的に特定した場合（ａ）、および（ａ）の構造が有する接合層１３０を備えない場合（ｂ）の電流−光強度を図５に示した測定系を用いて７８Ｋで比較したものである。いずれもレーザのリッジ構造の共振器長は約１．５ｍｍ、幅は２８μｍであり、１ｋＨｚの周波数で１００ｎｓの電流パルスを印加して測定した。活性層１２０は、発振波長が約５μｍになるように設計されている。

接合層を備えない場合は閾値電流密度が約３．０ｋＡ／ｃｍ^２であるのに対して、接合層１３０を備えたものでは２．６ｋＡ／ｃｍ^２に減少し、効果を確認した。またそれぞれの試料の最高動作温度は、接合層１３０を備えない場合が２７５Ｋであるのに対して、接合層１３０を備えた場合では３００Ｋであり、最高動作温度の点においても向上が見られた。

実施例で使用した量子カスケードレーザ１００は、ｎ−ＩｎＡｓ（１００）基板１５０を用い、分子線エピタキシー法により次のような手順で作製した。

まず、ＭＢＥ中に導入したＩｎＡｓ基板１５０を高真空中で加熱処理して表面酸化膜を除去した後、基板温度４３０℃においてＳｉを１×１０^１９ｃｍ^−３でドープしながら１．０μｍのｎ−ＩｎＡｓクラッド層１４２を成長した。

この後、Ｓｉのドープ量が２×１０^１６ｃｍ^−３になるようにＳｉセル温度を下げて、１．３μｍのｎ−ＩｎＡｓコア層１４１を成長した。

基板側を負電極側にするため、これに引き続いて接合層１３０を積層した。接合層１３０の成長は、各原料セルからの分子線をシャッター制御することによって、基板に近い側から０．９ｎｍのＡｌＳｂ、７．２ｎｍのＩｎＡｓ、０．９ｎｍのＡｌＳｂ、の順番で図１（ｃ）に示されているように順次積層し、３．６ｎｍのＩｎＡｓを成長したところで完了する。

引き続いて活性層１２０の成長を行うが、これも同様に基板に近い側から２．４ｎｍのＡｌＳｂ、７．５ｎｍのＩｎＡｓ、０．６ｎｍのＡｌＳｂ、のように図１（ｂ）に示されているように順次積層し、３．６ｎｍのＩｎＡｓまでを一周期として、この構造を２０周期繰り返すことによって活性層全体を形成した。

更に引き続き、Ｓｉを２×１０^１６ｃｍ^−３ドーピングしたｎ−ＩｎＡｓコア層１１１とＳｉを１×１０^１９ｃｍ^−３ドーピングしたｎ−ＩｎＡｓクラッド層１１２とをそれぞれ１．３μｍ、１．０μｍ成長して図１（ａ）の構造を得た。

以上説明してきたように、本発明に係る量子カスケードレーザは、活性層への電圧印加時に負電極側となる導波路層と活性層との間に、活性層とは異なる積層構造を有する接合層が挿入されていることを特徴とする。この積層構造を、その内部に形成されるミニバンドの下端と、隣接する導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差が、活性層によって形成されるミニバンドの下端とこの導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差に比べて小さくなるように設計することによって、活性層の設計に変更を加えることなく、すなわち、所望の発振波長に影響を与えることなく、従来よりも低い閾値で発振する量子カスケードレーザを提供することが可能となる。

特に、波長の短い、すなわち発光の遷移エネルギーの大きい特性を狙った量子カスケードレーザにおいて本発明の効果が顕著である。その理由は、そのような量子カスケードレーザでは発光層の井戸幅が狭くなり基底準位が上方に位置するようになるため、従来構造では導波路層のフェルミ準位とのずれが大きくなって活性層と導波路層との間の良好な接合特性を得ることが困難であるからである。

また、活性層と接合層とで同一の半導体層の組み合わせを用いた場合、格子不整合に起因する接合層の挿入による歪みの発生を抑え、素子全体の結晶性を維持することができる。

加えて、実施例の実験結果から確認されたように、最高動作温度の点においても向上が見られた。

さらに、実施例において示されているように、接合層と導波路層との間にあるポテンシャル障壁となる第１の半導体層の厚さを、導波路層に最も近い部位に設けられた活性層の第１の半導体層の厚さよりも薄くした構造をとることができる。こうすることによって、接合層側の電子の量子的閉じ込め効果が弱くなり、量子準位が下がってきて導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差が縮小するだけでなく、導波路層側からの波動関数が接合層側により広がるようになるため、より効率よく電子を注入することができるようになる。

本発明に係る量子カスケードレーザの構造を示す図である。 従来構造の量子カスケードレーザの発光層のエネルギー準位とコア層のフェルミ準位との関係を示す模式図である。 本発明に係る量子カスケードレーザの接合層とコア層のフェルミ準位との関係を示す模式図である。 本発明に係る量子カスケードレーザ、および従来構造の量子カスケードレーザにおける電流−光強度特性を示す図である。 本発明に係る量子カスケードレーザの評価に用いた測定装置の概略図である。

符号の説明

１００ 量子カスケードレーザ
１０１ 第１の半導体層
１０２ 第２の半導体層
１１０、１４０ 導波路層
１２０ 活性層
１２１ キャリア走行層
１２２ 発光層
１３０ 接合層
２０１、３０１ ミニバンド
２０２ ミニバンド２０１の下端とフェルミ準位２０３とのエネルギー差
２０３ 導波路層のフェルミ準位
３０２ ミニバンド３０１の下端とフェルミ準位２０３とのエネルギー差

Claims (4)

1. ポテンシャル障壁となる第１の半導体層および量子井戸となる第２の半導体層を交互に積層した構造を有する活性層と、
   前記活性層を両側から挟む、１組の導波路層と、
   前記活性層と、前記活性層への電圧印加時に負極側となる導波路層との間に挿入された、前記活性層とは異なる積層構造を有する接合層と
   を備え、
   前記接合層の積層構造は、前記接合層によって形成されるミニバンドの下端と前記導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差が、前記接合層を挿入することなく、前記活性層を前記活性層への電圧印加時に負極側となる導波路層に直接接合した場合に前記活性層によって形成されるミニバンドの下端と前記導波路層のフェルミ準位とのエネルギー差に比べて小さくなるように設計されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。
2. 前記接合層の積層構造は、前記第１および第２の半導体層から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の量子カスケードレーザ。
3. 前記接合層内にあって前記導波路層と接する第１の半導体層の厚さは、前記活性層内にあって前記導波路層に最も近い部位に設けられた第１の半導体層の厚さに比べて薄くなっていることを特徴とする請求項２に記載の量子カスケードレーザ。
4. 前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との組み合わせが、ＡｌＳｂとＩｎＡｓ、ＡｌＧａＳｂとＩｎＡｓ、ＧａＳｂとＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓとＧａＩｎＡｓ、ＡｌＡｓとＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓとＡｌＡｓＳｂのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。

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