JP6259325B2 - Quantum cascade laser - Google Patents
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Description
本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関するものである。 The present invention relates to a quantum cascade laser using intersubband transition in a quantum well structure.
中赤外の波長領域(例えば波長3〜30μm)の光は、分光分析分野において重要な波長領域となっている。このような波長領域での高性能な半導体光源として、近年、量子カスケードレーザ(QCL:Quantum Cascade Laser)が注目を集めている(例えば、特許文献1〜3参照)。
Light in the mid-infrared wavelength region (for example, wavelength 3 to 30 μm) is an important wavelength region in the spectroscopic analysis field. In recent years, quantum cascade lasers (QCLs) have attracted attention as high-performance semiconductor light sources in such a wavelength region (see, for example,
量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造で構成され活性領域となる量子井戸発光層を多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現することが可能である。また、この量子井戸発光層のカスケード結合は、発光上準位へと電子を注入するための電子注入層を用い、量子井戸発光層と注入層とを交互に積層することによって実現される。 Quantum cascade lasers are monopolar laser elements that use a level structure with subbands formed in a semiconductor quantum well structure and generate light by electronic transition between subbands. High-efficiency and high-power operation can be realized by cascading the quantum well light-emitting layers serving as active regions in multiple stages. The cascade coupling of the quantum well light-emitting layers is realized by alternately stacking the quantum well light-emitting layers and the injection layers using an electron injection layer for injecting electrons into the emission upper level.
量子カスケードレーザは、本来は、例えば260Hz程度の非常に狭いスペクトル線幅を有していると推断されている。しかしながら、実際にフリーランニング状態で使用する場合には、このような狭いスペクトル線幅は得られず、この線幅は、例えば400kHz程度(室温動作)に広がっている。 The quantum cascade laser is originally supposed to have a very narrow spectral line width of, for example, about 260 Hz. However, when actually used in a free-running state, such a narrow spectral line width cannot be obtained, and this line width extends, for example, to about 400 kHz (room temperature operation).
このような線幅の拡大は、レーザ素子内でのキャリアの揺らぎによる電圧ノイズが出力の揺らぎ、温度の揺らぎを生み出して、それによってレーザ素子内において屈折率が変化し、発振波長の揺らぎが発生することによるものである。すなわち、量子カスケードレーザにおけるスペクトル揺らぎの原因は、レーザ素子における電圧ノイズ(電気的揺らぎ)であり、また、その別の見え方である、電圧ノイズを素子の微分抵抗で割り算して得られる電流ノイズである(非特許文献1〜3参照)。
This increase in line width causes voltage noise due to carrier fluctuations in the laser element to produce output fluctuations and temperature fluctuations, thereby changing the refractive index in the laser elements and causing oscillation wavelength fluctuations. It is by doing. In other words, the cause of spectral fluctuations in quantum cascade lasers is voltage noise (electrical fluctuations) in the laser element, and another way of viewing it is current noise obtained by dividing voltage noise by the differential resistance of the element. (See Non-Patent
ここで、量子カスケードレーザの主要な用途の1つとして、吸収によるスペクトル分光がある。このような分光測定では、レーザ光のスペクトル線幅が測定精度を決めている。したがって、レーザ素子のスペクトル線幅を狭くすることは非常に重要であるが、従来の量子カスケードレーザでは、上記したように充分に狭い線幅は得られていない。また、上記のようなレーザ素子内での揺らぎ、攪乱は、レーザ出力の強度揺らぎの原因にもなる。また、非特許文献4には、スペクトル揺らぎを抑制する手法として、フィードバックループを用いた構成が記載されている。しかしながら、このような構成は、非常に大掛かりな装置を要し、実用的ではない。 Here, one of the main uses of the quantum cascade laser is spectral spectroscopy by absorption. In such spectroscopic measurement, the spectral line width of the laser light determines the measurement accuracy. Therefore, it is very important to narrow the spectral line width of the laser element, but the conventional quantum cascade laser cannot obtain a sufficiently narrow line width as described above. In addition, fluctuations and disturbances in the laser element as described above also cause intensity fluctuations in the laser output. Non-Patent Document 4 describes a configuration using a feedback loop as a technique for suppressing spectrum fluctuation. However, such a configuration requires a very large apparatus and is not practical.
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能な量子カスケードレーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a quantum cascade laser capable of reducing the spectral line width by suppressing the influence of electrical fluctuations in the laser element. For the purpose.
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケードレーザは、(1)半導体基板と、(2)半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、(3)活性層に含まれる単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位、または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有し、(4)量子井戸発光層における発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成され、サブバンド間遷移を経た電子は、ミニバンド内の緩和準位を介して後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、(5)注入層は、n個(nは4以上の整数)の障壁層及び井戸層を含んで構成され、ミニバンドは、I個(Iは4以上の整数)の準位を含み、注入層内において、電子を供給するための不純物が、注入層を構成するn個の障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内、または単一の障壁層内に添加されているとともに、注入層内において、電子を供給するための不純物が、下記式(1)
によって決まるミニバンド内での電荷分布の重心位置zcからの距離が3.6nm以下の位置を中心位置とし、4.4nm以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されていることを特徴とする。ただし、上記式(1)において、zはレーザ素子における半導体積層方向でのミニバンド内の電子の位置、Eiはミニバンドに含まれるi番目の準位(i番目のサブバンド)のエネルギー、Ψi(z)はミニバンドに含まれるi番目の準位の規格化された波動関数、Teは活性層内での電子温度、kBはボルツマン定数である。
In order to achieve such an object, the quantum cascade laser according to the present invention includes (1) a semiconductor substrate, and (2) a unit laminate body provided on the semiconductor substrate and including a quantum well light emitting layer and an injection layer in multiple stages. And an active layer having a cascade structure in which quantum well light-emitting layers and injection layers are alternately stacked, and (3) a unit stacked body included in the active layer has a sub-structure based on the quantum well structure. The band level structure includes at least a light emission upper level and a miniband including a plurality of levels each functioning as a light emission lower level or a relaxation level, and (4) a light emission upper level in a quantum well light emitting layer. Light is generated by the intersubband transition of electrons from the level to the lower emission level, and the electrons that have undergone the intersubband transition are transferred to the quantum well light emitting layer of the subsequent unit stack via the relaxation level in the miniband. And injected (5) injection layer, n (n is an integer of 4 or more) is configured to include a barrier layer and the well layer of the miniband, viewed contains a level of the I-number (I is an integer of 4 or more), In the injection layer, an impurity for supplying electrons is added to a single well layer or a single barrier layer among n barrier layers and well layers constituting the injection layer. At the same time, an impurity for supplying electrons in the injection layer is expressed by the following formula (1).
Characterized in that the distance from the gravity center position z c of the charge distribution within the miniband centered position following positions 3.6 nm, and is added in amount distribution having the following FWHM 4.4 nm determined by And However, in the above formula (1), z is an electronic position within the miniband in a semiconductor lamination direction of the laser element, E i is the energy of the i-th level included in the miniband (i th sub-band) Ψ i (z) is the normalized wave function of the i-th level included in the miniband, Te is the electron temperature in the active layer, and k B is the Boltzmann constant.
上記した量子カスケードレーザでは、発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを設けるとともに、注入層を、4個以上(n個)の障壁層及び井戸層を含んで構成し、また、ミニバンドを、4個以上(I個)のサブバンド準位によって構成している。 In the quantum cascade laser described above, in the subband level structure in the unit laminate structure composed of the light emitting layer and the injection layer, the light emitting upper level and a plurality of levels functioning as the light emitting lower level or the relaxation level, respectively. And the injection layer includes four or more (n) barrier layers and well layers, and the miniband includes four or more (I) subband levels. It is composed by.
そして、このような構成において、注入層内の所定位置に添加される電子(キャリア)を供給するための不純物について、上記式(1)によって決まるミニバンド内での電荷分布の重心位置zcを参照し、重心位置zcからの距離が3.6nm以下の位置を中心位置(重心位置)とし、12nm以下の半値全幅を有する添加量分布で不純物を添加する構成としている。このように、ミニバンド内での電荷分布の重心位置に対して所定条件を満たす添加量分布で不純物を添加することにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能となる。
In such a configuration, the centroid position z c of the charge distribution in the miniband determined by the above formula (1) is obtained for the impurity for supplying electrons (carriers) added to a predetermined position in the injection layer. reference, the distance from the gravity center position z c is the center position (barycentric position) of the following positions 3.6 nm, are configured to add an impurity in amount distribution having the following
ここで、上記した量子カスケードレーザにおいて、注入層内で不純物が添加される半導体層については、注入層内において、不純物が、注入層を構成するn個の障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内、または単一の障壁層内に添加されていることが好ましい。あるいは、注入層内において、不純物が、注入層を構成するn個の障壁層及び井戸層のうちで、隣り合う井戸層及び障壁層にわたって添加されている構成としても良い。 Here, in the above-described quantum cascade laser, for the semiconductor layer to which the impurity is added in the injection layer, the impurity is a single layer among the n barrier layers and the well layers constituting the injection layer in the injection layer. Preferably, it is added in one well layer or in a single barrier layer. Alternatively, the impurity may be added over the adjacent well layers and barrier layers among n barrier layers and well layers constituting the injection layer in the implantation layer.
また、不純物の添加量分布の幅については、注入層内において、不純物が、4.4nm以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されていることが好ましい。これにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響をさらに抑制することができる。 Regarding the width of the impurity addition amount distribution, it is preferable that the impurity is added in the additive amount distribution having a full width at half maximum of 4.4 nm or less in the injection layer. Thereby, the influence of the electrical fluctuation in the laser element can be further suppressed.
また、不純物の添加量分布の位置については、注入層内において、不純物が、ミニバンド内での電荷分布の重心位置zcからの距離が1.2nm以下の位置を中心位置とする添加量分布で添加されていることが好ましい。このような構成によっても、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響をさらに抑制することができる。 Also, the position of the added weight distribution of impurities in the implanted layer, impurities, added weight distribution distance from the gravity center position z c of the charge distribution within the miniband centered position following positions 1.2nm It is preferable that it is added. Even with such a configuration, it is possible to further suppress the influence of electrical fluctuation in the laser element.
また、上記した量子カスケードレーザは、活性層が、単位積層体として、互いに異なる量子井戸構造を有する複数種類の単位積層体を有し、注入層内における不純物の添加量分布が、単位積層体の種類毎に設定される構成としても良い。このように、各単位積層体での量子井戸構造に応じた添加量分布で不純物を添加することにより、様々な構成の活性層を有するレーザ素子内での電気的揺らぎの影響を好適に抑制することができる。 Further, in the quantum cascade laser described above, the active layer has a plurality of types of unit stacks having different quantum well structures as the unit stack, and the impurity additive distribution in the injection layer is that of the unit stack. It is good also as a structure set for every kind. In this way, by adding impurities with an addition amount distribution corresponding to the quantum well structure in each unit stack, the influence of electrical fluctuations in laser elements having active layers with various configurations is suitably suppressed. be able to.
本発明の量子カスケードレーザによれば、発光層及び注入層から構成される単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを設け、注入層を、4個以上の障壁層及び井戸層を含んで構成し、ミニバンドを、4個以上のサブバンド準位によって構成するとともに、注入層内において、電子を供給するための不純物を、ミニバンド内での電荷分布の重心位置からの距離が3.6nm以下の位置を中心位置とし、12nm以下の半値全幅を有する添加量分布で添加する構成とすることにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能となる。 According to the quantum cascade laser of the present invention, in the subband level structure in the unit laminate structure composed of the light emitting layer and the injection layer, a plurality of light emitting upper levels and a plurality of light emitting lower levels and relaxation levels respectively functioning. A mini-band including a plurality of levels, an injection layer including four or more barrier layers and a well layer, a mini-band including four or more subband levels, In the structure, an impurity for supplying electrons is added in an additive amount distribution having a full width at half maximum of 12 nm or less, with the center position being a position where the distance from the center of gravity of the charge distribution in the miniband is 3.6 nm or less. By doing so, the influence of electrical fluctuations in the laser element can be suppressed, and the spectral line width can be narrowed.
以下、図面とともに本発明による量子カスケードレーザの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, embodiments of the quantum cascade laser according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
図1は、本発明による量子カスケードレーザの基本構成を概略的に示す図である。本実施形態の量子カスケードレーザ1Aは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子遷移を利用して光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子である。この量子カスケードレーザ1Aは、半導体基板10と、半導体基板10上に形成された活性層15とを備えて構成されている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic configuration of a quantum cascade laser according to the present invention. The
活性層15は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を1周期分の単位積層体16とし、この単位積層体16が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層15が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体16の積層数は、レーザ素子の具体的な構成、特性等に応じて適宜設定される。また、活性層15は、半導体基板10上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
The
図2は、図1に示した量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造の一例を示す図である。図2に示すように、活性層15に含まれる複数の単位積層体16のそれぞれは、量子井戸発光層17と、電子注入層18とによって構成されている。これらの発光層17及び注入層18は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体16中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a subband level structure in the active layer of the quantum cascade laser shown in FIG. As shown in FIG. 2, each of the plurality of unit stacked
注入層18は、具体的には、nを4以上の整数として、それぞれn個の障壁層及び井戸層を含んで構成される。また、図2中に不純物準位Limpによって模式的に示すように、この注入層18内において、本レーザ素子での発光動作に必要なキャリア(電子)を供給するための不純物が、所定の添加位置及び添加幅を有する添加量分布で添加されている。このような注入層18における不純物の添加量分布が満たすべき構成条件等については、詳しくは後述する。
Specifically, the
本実施形態における単位積層体16は、図2に示すように、そのサブバンド準位構造において、発光に関わる準位である発光上準位Lupと、発光上準位よりも低エネルギーの複数の準位(複数のサブバンド)を含むミニバンドMBとを有している。ミニバンドMBは、具体的には、Iを4以上の整数として、それぞれ発光下準位Llow、または緩和準位Lrとして機能するI個のサブバンド準位によって構成されている。
As shown in FIG. 2, the unit laminated
ここで、発光下準位Llowは、発光上準位Lupとともに発光に関わる準位である。また、緩和準位Lrは、発光下準位Llowから後段の単位積層体の量子井戸発光層17bへの電子の緩和、輸送に用いられる準位である。これらのミニバンドMBを構成するI個のサブバンド準位は、注入層18のn個の障壁層及び井戸層、あるいはさらに発光層17の障壁層及び井戸層による量子井戸構造に起因して生成される。
Here, the emission lower level L low is a level related to emission together with the emission upper level L up . Further, the relaxation level L r is a level used for relaxation and transport of electrons from the lower emission level L low to the quantum well light emitting
また、図2に示すサブバンド準位構造では、上記した発光上準位Lup、及びミニバンドMBに加えて、発光上準位よりも高エネルギーの高エネルギー準位Lhが設けられている。本構成例では、この高エネルギー準位Lhは、準位Lupとともに、発光上準位(第2発光上準位)として機能している。 Further, in the subband level structure shown in FIG. 2, in addition to the above-described emission upper level L up and miniband MB, a high energy level L h having higher energy than the emission upper level is provided. . In this configuration example, the high energy level L h functions as a light emission upper level (second light emission upper level) together with the level L up .
また、図2に示す単位積層体16では、発光層17と、前段の単位積層体での注入層18aとの間に、注入層18aから発光層17へと注入される電子に対する障壁となる注入障壁(injection barrier)層161が設けられている。なお、発光層17と、注入層18との間においても、必要に応じて、発光層17から注入層18への電子に対する抽出障壁(exit barrier)層が設けられる。
In the unit laminated
このようなサブバンド準位構造において、前段の注入層18aでのミニバンドMB内の緩和準位Lrからの電子e−は、注入障壁層161を介して共鳴トンネル効果によって発光層17へと注入される。これにより、第2発光上準位(高エネルギー準位)Lh及び発光上準位Lupに対して、発光動作に必要なキャリアが供給される。
In such a subband level structure, electrons e − from the relaxation level L r in the mini-band MB in the preceding
発光上準位Lup及び第2発光上準位Lhに注入された電子は、ミニバンドMBに含まれる1または複数の発光下準位Llowのそれぞれへと遷移し、このとき、上準位Lup、Lhと、下準位Llowとのサブバンド準位間のエネルギー差に相当する波長の光hνが生成、放出される。なお、図2においては、図の見易さのため、上準位Lup、Lhから、ミニバンドMB内で最も高エネルギー側の下準位Llowへの発光遷移のみを示し、他の準位への遷移については図示を省略している。 The electrons injected into the emission upper level L up and the second emission upper level L h transition to one or more emission lower levels L low included in the miniband MB. At this time, Light hν having a wavelength corresponding to the energy difference between the subband levels of the levels L up and L h and the lower level L low is generated and emitted. In FIG. 2, only the light emission transition from the upper levels L up and L h to the lower level L low on the highest energy side in the miniband MB is shown for the sake of easy viewing. The illustration of the transition to the level is omitted.
発光下準位Llowへと遷移した電子は、発光下準位Llow及び緩和準位Lrを含むミニバンドMBにおいて、LOフォノン散乱、電子−電子散乱などを介したミニバンド内緩和によって、高速で緩和される。これにより、上準位Lup、Lhと下準位Llowとの間で反転分布が形成される。また、ミニバンドMB内で緩和、輸送された電子は、後段の発光層17bでの発光上準位Lup、Lhへとカスケード的に注入される。
Electrons transition to the emission lower level L low, in miniband MB including the emission lower level L low and the relaxation level L r, LO phonon scattering, electron - by miniband within relaxed through an electron scattering, Relaxed at high speed. As a result, an inversion distribution is formed between the upper levels L up and L h and the lower level L low . In addition, electrons relaxed and transported in the miniband MB are cascade-injected into the emission upper levels L up and L h in the
このような電子の注入、発光遷移、及び緩和を活性層15を構成する複数の単位積層体16で繰り返すことにより、活性層15においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、量子井戸発光層17及び注入層18を多数交互に積層することにより、電子は積層体16をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体16でのサブバンド間遷移の際に光hνが生成される。また、このような光がレーザ1Aの光共振器において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。
By repeating such electron injection, light emission transition, and relaxation in the plurality of unit laminated
なお、量子カスケードレーザ1Aの活性層15を構成する単位積層体16におけるサブバンド準位構造については、図2に示した構成に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。例えば、高エネルギー準位Lhについては、第2発光上準位ではなく、発光上準位Lupへと電子を注入するための注入準位として機能する構成としても良い。また、この高エネルギー準位Lhについては、不要であれば設けない構成としても良い。また、発光下準位Llowについては、ミニバンドMBを複数の緩和準位Lrを含む緩和ミニバンドとして構成するとともに、ミニバンドMBとは別に、1または複数の発光下準位Llowを設ける構成としても良い。
Note that the subband level structure in the
図1、図2に例示したような構成を有する量子カスケードレーザ1Aでは、上述したように、レーザ素子における電圧ノイズ(電気的揺らぎ)によって、スペクトル線幅が本来のものよりも広がっている。本願発明者は、このような量子カスケードレーザの素子内での電気的揺らぎについて考察を行った。以下、量子カスケードレーザでのスペクトル線幅の劣化の原因となる電圧ノイズについて説明する。
In the
量子カスケードレーザの素子内において見られる電圧ノイズは、1/fN型(fNはノイズ周波数)のいわゆるフリッカー雑音である(非特許文献3)。フリッカー雑音の全般については、電子が表面準位や欠陥などにトラップされ、あるいは、トラップされていた電子が解放される電気的なランダム現象によって引き起こされると考えられ、例えば、RTS(Random Telegraph Signal)モデルによって解釈されている。 The voltage noise seen in the element of the quantum cascade laser is 1 / f N type (f N is a noise frequency) so-called flicker noise (Non-patent Document 3). In general, flicker noise is considered to be caused by an electrical random phenomenon in which electrons are trapped by surface states or defects, or the trapped electrons are released. For example, RTS (Random Telegraph Signal) Interpreted by the model.
本願発明者は、上記したキャリアのトラップと解放という考え方を取り入れて、量子カスケードレーザについて考察を行った。なお、以下においては、不純物の添加位置、空間的広がり、ミニバンド内での電子の位置、広がりなどの空間的な概念は、特に断りがなければ全て、レーザ素子を構成する多重量子井戸構造の積層方向(積層面に垂直な方向)での概念を示しており、積層面に平行な方向については、特に制限は加えていない。 The inventor of the present application considered the quantum cascade laser by taking the above-described concept of carrier trapping and release. In the following, the spatial concepts such as impurity addition position, spatial expansion, electron position and expansion within the miniband are all of the multiple quantum well structure constituting the laser element unless otherwise specified. The concept in the stacking direction (direction perpendicular to the stacking surface) is shown, and no particular limitation is imposed on the direction parallel to the stacking surface.
本願発明者は、発光層17及び注入層18からなる単位積層体16の多段積層構造を有する量子カスケードレーザ1Aでの活性層15において、発光層17から引き抜かれた電子を緩和して、注入層18を介して後段の発光層17b(図2参照)へと輸送するミニバンドMBと、活性層15にキャリアである電子を供給するために注入層18内にドーピングされる不純物による不純物準位Limpとの関係に着目した。
The inventor of the present application relaxes the electrons extracted from the
図3は、量子カスケードレーザ1Aでの活性層15の注入層18内における、電子を供給するための不純物の添加について模式的に示す図である。図3(a)及び(b)において、Limpは不純物準位を示し、L1〜L5はミニバンドMBを構成する複数の準位(複数のサブバンド)を示している。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the addition of impurities for supplying electrons in the
電子e−は、不純物準位LimpからミニバンドMB内の準位に確率的に励起され、瞬く間に、規格化された波動関数とボルツマン分布とによって決まる電子分布を形成する。また、電子の励起によって空になった不純物準位Limpには、プラスの電荷を持ったイオン化ドナーが形成され、ミニバンドMBには、マイナスの電荷を持った電子が存在する。このとき、イオン化ドナーと電子とが空間的に離れていれば、ダイポール長Z(図3(b)参照)の電荷ダイポールが形成され、それによる電界が生じる。また、逆の過程として、ミニバンドMB内にある電子e−が、確率的に空の不純物準位Limpであるイオン化されたドナーにトラップされる現象が生じる。この過程では、上記のように形成された電荷ダイポールが消滅することとなる。 The electron e − is stochastically excited from the impurity level L imp to the level in the mini-band MB, and forms an electron distribution determined by the normalized wave function and Boltzmann distribution in an instant. Further, an ionized donor having a positive charge is formed in the impurity level L imp emptied by the excitation of electrons, and an electron having a negative charge exists in the miniband MB. At this time, if the ionized donor and the electrons are spatially separated, a charge dipole having a dipole length Z (see FIG. 3B) is formed, and an electric field is thereby generated. Further, as an opposite process, a phenomenon occurs in which electrons e − in the miniband MB are trapped by ionized donors which are stochastically empty impurity levels L imp . In this process, the charge dipole formed as described above disappears.
このように、注入層18に設けられた不純物準位Limpからの電子e−の放出とトラップとによって、電界の変化が生じる。このような電子の放出、トラップ過程による電圧の変化が、量子カスケードレーザ1Aにおける電圧ノイズとなる。図3に示すように、注入層18に形成される電荷ダイポールの極性と大きさとは、発生したプラスのイオン化ドナーの位置に対して、電子によるマイナスの電荷分布がどの位置に形成されるかによって異なってくる。
Thus, the electric field changes due to the emission and trapping of electrons e − from the impurity level L imp provided in the
ここで、注入層18において単一の不純物のみが存在する場合を考える。この場合、不純物から励起された電子によって生成される平均的な電荷ダイポールの大きさを考えることができる。また、ミニバンドMB内での電子分布によって生成される様々な極性の異なる電荷ダイポールをうまくバランスさせれば、平均的には電荷ダイポールの大きさをゼロにすることができる。すなわち、この場合には、量子カスケードレーザ1Aの素子内での電圧ノイズをゼロにすることができる。
Here, a case where only a single impurity exists in the
別の言い方をすれば、平均的な電荷ダイポールの大きさは、励起された電子が作る電荷分布の重心と、ドーピングされた不純物とによって生成される電荷ダイポールの大きさとなる。したがって、励起された電子の電荷分布の重心位置が、不純物の添加位置に対して空間的に離れていなければ、不純物準位LimpからミニバンドMBへの電子の励起、もしくはミニバンドMBから不純物準位Limpへの電子のトラップが繰り返されても、実質的に電荷ダイポールが形成されず、それによる電圧ノイズはゼロになる。 In other words, the average charge dipole size is the size of the charge dipole generated by the centroid of the charge distribution produced by the excited electrons and the doped impurities. Therefore, if the center of gravity of the charge distribution of excited electrons is not spatially separated from the impurity addition position, excitation of electrons from the impurity level L imp to the miniband MB, or from the miniband MB to the impurity Even if the trapping of electrons to the level L imp is repeated, a charge dipole is not substantially formed, and the voltage noise thereby becomes zero.
次に、上記した単一の不純物に加えて、空間的に離れた別の位置にもう1つの不純物が存在する場合を考える。この不純物からミニバンドMBに励起される電子も、先と同様に瞬く間に緩和され、規格化された波動関数とボルツマン分布とによって決まる電子分布を形成する。したがって、ミニバンドMBにおいて形成される電荷分布は、電子がどの位置の不純物から励起されたとしても変わらない。 Next, let us consider a case where, in addition to the single impurity described above, another impurity exists at another spatially separated position. The electrons excited from this impurity to the miniband MB are also instantly relaxed as before, and form an electron distribution determined by the normalized wave function and Boltzmann distribution. Therefore, the charge distribution formed in the miniband MB does not change no matter what position the impurities are excited from.
この場合、空間的に離れた位置に添加された第1、第2の不純物のそれぞれと、ミニバンドMB内での電荷分布の中心とによって生成される電荷ダイポール同士を平均化して、ゼロとすることはできない。第1、第2の不純物は、互いに全く独立な励起、トラップの過程を持つ独立した事象であるからである。この場合には、レーザ素子内での電圧ノイズは、それぞれの不純物に起因するノイズパワーの積算値として評価しなければならない。ノイズパワーは、電荷ダイポールが作るノイズ電圧を2乗した量であり、極性を持たない量であるため、ノイズパワーは必ず加算されることとなる。 In this case, the charge dipoles generated by the first and second impurities added at spatially separated positions and the center of the charge distribution in the miniband MB are averaged to be zero. It is not possible. This is because the first and second impurities are independent events having completely independent excitation and trapping processes. In this case, the voltage noise in the laser element must be evaluated as an integrated value of noise power caused by each impurity. The noise power is an amount obtained by squaring the noise voltage generated by the charge dipole, and is an amount having no polarity. Therefore, the noise power is always added.
そこで、レーザ素子の動作のために多数のキャリア(電子)が必要な状況においてノイズパワーを最小に抑える方法としては、できる限り空間的に離れていない位置に多数の不純物を添加(ドーピング)すると良い。このような構成では、注入層18に添加された多数の不純物のそれぞれによる不純物準位Limpの空間的位置がほとんど異ならないことから、不純物が作るダイポールの極性、大きさは略同じになると考えられる。したがって、ある不純物に対してノイズパワーが最小となる条件にしておけば、ノイズパワーを足し合わせてもノイズパワーは小さい値に保たれる。
Therefore, as a method for minimizing the noise power in a situation where a large number of carriers (electrons) are required for the operation of the laser element, it is preferable to add (dope) a large number of impurities at positions that are not separated as far as possible. . In such a configuration, since the spatial position of the impurity level L imp due to each of a large number of impurities added to the
以上の考察より、ノイズパワーの平方根である電圧ノイズを最小にするための量子カスケードレーザの構造としては、注入層18内において、ある特定の半導体層、添加位置に局所的に不純物添加を行うδドーピングの構造が最適であることがわかる。また、注入層18内において、不純物が空間的にある程度広がって添加されている場合には、不純物ができる限り狭い領域に添加され、また、不純物の添加量分布の中心位置(重心位置)と、ミニバンドMB内に形成される電荷分布の重心位置とをできる限り近接させることが、電圧ノイズの低減のために重要であることが理解される。
From the above consideration, as the structure of the quantum cascade laser for minimizing the voltage noise, which is the square root of the noise power, the impurity is locally added to a specific semiconductor layer and addition position in the
本願発明者は、上記考察を解析的に進め、ある特定の位置にのみ不純物をドーピングした場合に量子カスケードレーザ素子内に発生する電圧ノイズパワースペクトル密度(VNPSD:Voltage Noise Power Spectral Density)を、下記の式(2)
のように見積もった。
The inventor of the present application has proceeded analytically with the above consideration, and the voltage noise power spectral density (VNPSD) generated in the quantum cascade laser element when impurities are doped only at a specific position is expressed as follows. Equation (2)
Estimated as follows.
ここで、電圧ノイズパワースペクトル密度とは、電圧ノイズパワーが、各ノイズ周波数における帯域1Hzあたりにどれくらいあるかを示した量である。また、上記の式(2)において、各記号、式等は、それぞれ以下の通りである。
e:素電荷
Z(zimp):ダイポール長
ε0:真空の誘電率
εs:活性層の比誘電率
S:活性層の水平方向の面積
M:カスケード構造の段数
nimp:カスケード構造1段当たりの不純物面密度
f(Eimp,EF,Te):不純物準位の電子分布関数
Eimp:不純物準位のエネルギー
EF:注入層にあるミニバンドに対する擬似フェルミエネルギー
Te:活性層内での電子温度(〜格子温度)
I:ミニバンドに含まれるサブバンドの数
τeL:不純物準位からのミニバンドへの放出最長時間(レートの逆数)
τeS:不純物準位からのミニバンドへの放出最短時間
Ei:ミニバンドに含まれるi番目のサブバンド端のエネルギー
z:半導体積層構造の積層方向での空間的位置(ミニバンド内の電子の位置)
zimp:不純物準位の積層方向での空間的位置
Ψi:ミニバンドに含まれるi番目のサブバンドの規格化された波動関数
fN:ノイズ周波数
m*:電子の有効質量
kB:ボルツマン定数
Here, the voltage noise power spectral density is an amount indicating how much the voltage noise power is per
e: Elementary charge Z (z imp ): Dipole length ε 0 : Vacuum dielectric constant ε s : Relative permittivity of active layer S: Horizontal area of active layer M: Number of stages of cascade structure n imp : One stage of cascade structure Impurity surface density per contact f (E imp , E F , T e ): Impurity level electron distribution function E imp : Impurity level energy E F : Pseudo Fermi energy T e for the miniband in the injection layer: Active layer Electron temperature (~ lattice temperature)
I: Number of subbands included in miniband τ eL : Maximum emission time from impurity level to miniband (reciprocal of rate)
τ eS : Minimum emission time from impurity level to miniband E i : Energy at the edge of the i-th subband included in the miniband z: Spatial position in the stacking direction of the semiconductor stacked structure (electrons in the miniband Position of)
z imp : spatial position of impurity levels in the stacking direction ψ i : normalized wave function of the i-th subband included in the miniband f N : noise frequency m * : effective electron mass k B : Boltzmann constant
ここで、上記の式(2)は、1点の添加位置zimpに不純物が添加されたδドーピングの条件でVNPSDを計算している。また、不純物準位(添加位置)が空間的に広がっている場合には、式(2)をさらにzimpで積分した下記の式(7)によって、VNPSDを求めることができる。
ただし、上記の式(7)において、p(zimp)は、添加位置zimpに不純物が存在する確率である。
Here, in the above formula (2), VNPSD is calculated under the condition of δ doping in which an impurity is added to one addition position z imp . When the impurity level (addition position) is spatially widened, VNPSD can be obtained by the following equation (7) obtained by further integrating equation (2) with z imp .
However, in the above formula (7), p (z imp ) is the probability that an impurity exists at the addition position z imp .
VNPSDの式(2)において、添加位置zimpでダイポール長Z(zimp)=0であれば、ノイズ周波数fNによらず、VNPSDの値はSv(fN)=0である。また、不純物の添加位置zimpの関数であるダイポール長Z(zimp)は、2乗としてVNPSDの式に組み込まれており、不純物の添加位置が空間的に広がっている場合には、ノイズパワーは増加することがわかる。 In the VNPSD equation (2), if the dipole length Z (z imp ) = 0 at the addition position z imp , the value of VNPSD is S v (f N ) = 0 regardless of the noise frequency f N. Further, the dipole length Z (z imp ), which is a function of the impurity addition position z imp , is incorporated in the VNPSD equation as a square, and when the impurity addition position is spread spatially, the noise power Can be seen to increase.
なお、VNPSDの式(2)については、不純物準位LimpからミニバンドMBへの遷移の確率密度関数pe(τe)、及びミニバンドMBから不純物準位Limpへの遷移の確率密度関数pc(τc)が、それぞれ不純物準位からミニバンドへの放出時間τe、及びミニバンドから不純物準位への捕獲時間τcの逆数に比例するとして計算している。また、ミニバンドMB内での各準位への電子の分布については、電子温度Teでのボルツマン分布に従うとして計算しているが、このことは実験的にも確かめられており、広く知られている。また、多段に積層されたカスケード構造において、各段の注入層の構造は同一であるとしている。 Note that the formula VNPSD (2), the probability density of the transition of the impurity level probability density function of the transition from the L imp to the miniband MB p e (τ e), and from the miniband MB to impurity level L imp The function p c (τ c ) is calculated as being proportional to the reciprocal of the emission time τ e from the impurity level to the miniband and the capture time τ c from the miniband to the impurity level, respectively. The distribution of electrons to each level in the miniband MB is calculated according to the Boltzmann distribution at the electron temperature Te , but this has been confirmed experimentally and is widely known. ing. In addition, in the cascade structure stacked in multiple stages, the structure of the injection layer in each stage is the same.
上記式において、ダイポール長Z(zimp)は、不純物準位Limpの位置zimpと、ミニバンドMB内のある位置zでの電子の存在確率を示す規格化された波動関数Ψ(z)の2乗との積で決まる。また、f(Eimp,EF,Te)は、不純物準位に電子が存在する確率を示しており、活性層15での電子温度Teにおいて不純物準位からミニバンドへと励起できる電子の数を決定している。また、{1−f(Eimp,EF,Te)}は、不純物準位に電子が存在しない確率を示しており、不純物準位がミニバンドに存在する電子をどれだけ受け取ることができるかを決定している。式(2)のVNPSDは、これらのダイポール長Z(zimp)の2乗と、f(Eimp,EF,Te)と、{1−f(Eimp,EF,Te)}との積となっている。
In the above formula, dipole length Z (z imp) is set to the position z imp impurity level L imp, wave functions are normalized shows electron existence probability at the position z with the miniband MB [psi (z) Determined by the product of the square of. Further, f (E imp , E F , T e ) indicates the probability that electrons exist in the impurity level, and the electrons that can be excited from the impurity level to the miniband at the electron temperature T e in the
ここで、規格化された波動関数Ψ(z)は、カスケード構造の活性層15における多重量子井戸構造だけでなく、レーザ発振動作時の動作電圧による影響を含めて決定される。また、上記式(2)の分母は、不純物準位Limpと、ミニバンドMBとの遷移確率密度関数pe(τe)、pc(τc)を考慮したことによるものである。VNPSDの式(2)が基本的にこのような形式になることは、上記の説明から理解することができる。
Here, the normalized wave function Ψ (z) is determined including not only the multiple quantum well structure in the
なお、式(2)中のzimp、zなどの空間座標は、上述したように、活性層15での量子井戸構造の積層面に垂直な方向(積層方向、z軸方向)についての座標である。また、規格化された波動関数の2乗|Ψ(z)|2は、z軸方向の位置zにおける、z軸に直交するx軸方向、y軸方向について積分した1電子に対する確率密度を表している。
In addition, as described above, the spatial coordinates such as z imp and z in the formula (2) are coordinates in a direction (stacking direction, z-axis direction) perpendicular to the stack surface of the quantum well structure in the
ミニバンドMB内で積層方向の位置zに電子が分布する確率を示す電子分布、及びそれによる電荷分布は、下記の式(8)、(9)によって表される。
添加位置zimpにある不純物と、ミニバンドMB内にある電子とによって生成されるダイポール長Z(zimp)を示す上記の式(3)は、ミニバンドMB内での電子分布を示す式(8)に位置zを乗じた式(10)
によって求められるミニバンドMB内での電荷分布(電子分布)の重心位置zcを、不純物の添加位置zimpを座標の基準として表現したものとなっている。
The electron distribution indicating the probability that electrons are distributed at the position z in the stacking direction in the miniband MB, and the resulting charge distribution are expressed by the following equations (8) and (9).
The above equation (3) showing the dipole length Z (z imp ) generated by the impurity at the addition position z imp and the electrons in the miniband MB is an equation showing the electron distribution in the miniband MB ( 8) Multiplying position z (10)
Gravity position z c of the charge distribution (electron distribution) within the miniband MB obtained by, has become a representation of a feed point z imp impurities as reference coordinates.
このことは、電荷分布の重心位置zcと、不純物の添加位置zimpとが一致すると、ダイポール長Z(zimp)はゼロとなり、したがって、ダイポールによる電界が生成されずに、電圧ノイズの発生がなくなることを示している。また、不純物の添加位置が空間的に広がっている場合の式(7)については、不純物の添加位置zimpにおけるダイポール長Z(zimp)に不純物の存在確率p(zimp)を乗じて積分することは、不純物の重心に重み付けを行ってダイポール長Zを計算していることを表している。したがって、必然的に、ミニバンドMBでの電荷分布の重心位置zcと、不純物の添加量分布の中心位置(重心位置)とが一致する場合に、電圧ノイズが抑制されることとなる。 This means that when the center of gravity position z c of the charge distribution coincides with the impurity addition position z imp , the dipole length Z (z imp ) becomes zero, so that no electric field is generated by the dipole and voltage noise is generated. Indicates that there will be no more. In addition, with respect to the expression (7) in the case where the impurity addition position is spatially expanded, the integration is performed by multiplying the dipole length Z (z imp ) at the impurity addition position z imp by the impurity existence probability p (z imp ). This means that the dipole length Z is calculated by weighting the gravity center of the impurity. Therefore, necessarily, in a case where the center-of-gravity position z c of the charge distribution in the miniband MB, the center position of the added weight distribution of impurities (gravity center position) and is coincident, so that the voltage noise is suppressed.
以上より、本実施形態による量子カスケードレーザ1Aでは、注入層18内において、電子を供給するための不純物を、上記式(10)によって決まるミニバンドMB内での電荷分布の重心位置zcに対して所定の条件を満たす添加量分布となるように添加する。具体的には、注入層18内において、電子を供給する不純物が、ミニバンドMB内での電荷分布の重心位置zcからの距離が3.6nm以下の位置を中心位置とし、12nm以下の半値全幅(FWHM:Full Width at Half Maximum)を有する添加量分布で添加される構成とする。なお、不純物の添加量分布に要求される上記条件については、具体的にはさらに後述する。
As described above, in the
本実施形態による量子カスケードレーザ1Aの効果について説明する。
The effect of the
上記実施形態の量子カスケードレーザ1Aでは、発光層17及び注入層18から構成される単位積層体16でのサブバンド準位構造において、発光上準位Lupと、それぞれ発光下準位Llowまたは緩和準位Lrとして機能する複数の準位を含むミニバンドMBとを設けている。また、単位積層体16での量子井戸構造について、注入層18を、4個以上(n個)の障壁層及び井戸層を含んで構成している。また、ミニバンドMBを、4個以上(I個)のサブバンド準位によって構成している。
In the
そして、このような構成において、注入層18内の所定位置に添加される電子を供給するための不純物について、上記式(10)によって決まるミニバンドMB内での電荷分布の重心位置zcを参照し、この重心位置zcからの距離が3.6nm以下の位置を中心位置(重心位置)とし、12nm以下の半値全幅を有する添加量分布で不純物を添加する構成としている。このように、ミニバンド内での電荷分布の重心位置に対して所定条件を満たす添加量分布で不純物を添加することにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能となる。
In such a configuration, the gravity center position z c of the charge distribution in the miniband MB determined by the above formula (10) is referred to for the impurity for supplying electrons added to a predetermined position in the
ここで、上記した量子カスケードレーザにおいて、注入層18内で不純物が添加される半導体層については、注入層18内において、不純物が、注入層18を構成するn個の障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内、または単一の障壁層内に添加されていることが好ましい。あるいは、注入層18内において、不純物が、注入層18を構成するn個の障壁層及び井戸層のうちで、隣り合う井戸層及び障壁層にわたって添加されている構成としても良い。ただし、これらのいずれの場合でも、不純物の添加量分布については、上記した条件を満たしている必要がある。
Here, in the quantum cascade laser described above, for the semiconductor layer to which the impurity is added in the
また、不純物の添加量分布の幅については、注入層18内において、不純物が、4.4nm以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されていることが好ましい。これにより、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響をさらに抑制することができる。
In addition, with respect to the width of the impurity addition amount distribution, it is preferable that the impurity is added in the addition amount distribution having a full width at half maximum of 4.4 nm or less in the
また、不純物の添加量分布の位置については、注入層18内において、不純物が、ミニバンドMB内での電荷分布の重心位置zcからの距離が1.2nm以下の位置を中心位置とする添加量分布で添加されていることが好ましい。このような構成によっても、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響をさらに抑制することができる。
The addition for the location of the added weight distribution of impurities in the implanted
また、上記した量子カスケードレーザ1Aは、活性層15が、単位積層体16として、互いに異なる量子井戸構造を有する複数種類の単位積層体を有し、注入層18内における不純物の添加量分布は、単位積層体16の種類毎に個別に設定される構成としても良い。このように、複数種類の単位積層体に対し、各単位積層体16での量子井戸構造の種類に応じた添加量分布を設定して不純物を添加することにより、様々な構成の活性層15を有するレーザ素子内での電気的揺らぎの影響を好適に抑制することができる。
Further, in the
上記式(2)、(7)に示したVNPSD(電圧ノイズパワースペクトル密度)の評価式、及びそれに基づいて求められた、注入層18内での不純物の添加量分布に対する上記条件の妥当性について、具体的なレーザ素子を用いて検討を行った。図4は、量子カスケードレーザ1Aを構成する半導体積層構造の具体的な一例を示す図表である。なお、以下に示す図表において、「u」型とは、アンドープ(undoped)型を示している。また、n型の不純物としては、具体的にはSiを添加している。
Evaluation of VNPSD (Voltage Noise Power Spectral Density) shown in the above formulas (2) and (7), and the validity of the above condition for the impurity addition amount distribution in the
図4に示す構成例では、キャリア濃度が5×1018(/cm3)、厚さが350μmのn+型のInP基板50を半導体基板10として用い、この基板50上に、厚さ3.5μmのInP下部クラッド層51、厚さ10.0nmのInGaAs/AlInAs下部グレーデッド層52、厚さ0.25μmのInGaAs下部ガイド層53、InGaAs/AlInAs下部注入層25、単位積層体16が多段に積層されたInGaAs/AlInAs活性層15、InGaAs/AlInAs上部注入層20、厚さ0.25μmのInGaAs上部ガイド層54、厚さ10.0nmのInGaAs/AlInAs上部グレーデッド層55、及び厚さ3.5μmのInP上部クラッド層56が順に積層されることで、量子カスケードレーザの素子構造が形成されている。なお、各半導体層におけるキャリア濃度等については、図4に示す通りである。
In the configuration example shown in FIG. 4, an n +
また、本構成例では、上部クラッド層56上には、さらに、厚さ0.5μm、キャリア濃度3×1018(/cm3)のInP第2コンタクト層57、厚さ0.02μm、キャリア濃度5×1018(/cm3)のInP第1コンタクト層58、及び厚さ0.01μm、キャリア濃度1×1019(/cm3)のキャップ層59が設けられている。
In the present configuration example, an InP second contact layer 57 having a thickness of 0.5 μm and a carrier concentration of 3 × 10 18 (/ cm 3 ), a thickness of 0.02 μm, and a carrier concentration is further formed on the upper cladding layer 56. A 5 × 10 18 (/ cm 3 ) InP first contact layer 58 and a
図5は、図4に示した量子カスケードレーザにおける、上部注入層20、活性層15、及び下部注入層25の構成の一例を示す図表である。また、図6は、活性層15における1周期分の単位積層体16の構成の一例を示す図表である。本構成例では、上部注入層20は、AlInAs障壁層201〜204、及びInGaAs井戸層211〜213によって構成され、井戸層213において、キャリア濃度3×1017(/cm3)で不純物が添加されている。また、下部注入層25は、AlInAs障壁層251〜255、及びInGaAs井戸層261〜264によって構成され、井戸層264において、キャリア濃度3×1017(/cm3)で不純物が添加されている。
FIG. 5 is a chart showing an example of the configuration of the
また、図6は、構造Iの量子カスケードレーザ素子(素子I)での活性層15の単位積層体16の構成を示している。素子Iの構成では、単位積層体16での発光層17は、4個のAlInAs障壁層161〜164、及びInGaAs井戸層171〜174によって構成されている。また、注入層18は、7個のAlInAs障壁層181〜187、及びInGaAs井戸層191〜197によって構成され、第7井戸層197において、キャリア濃度3×1017(/cm3)で不純物が添加されている。
FIG. 6 shows the configuration of the
本構成例における活性層15は、発光層17及び注入層18を含む単位積層体16が40周期で積層されて構成されている。なお、活性層15を構成する40段の単位積層体16のうち、最も上段の単位積層体16では、発光層17の障壁層161が上部注入層20の障壁層204に置き換えられている。また、最も下段の単位積層体16では、注入層18が下部注入層25に置き換えられている。
The
図7は、図6に示した素子Iの活性層15における単位積層体16の構成、及びサブバンド準位構造について示す図である。本構成例では、単位積層体16は、そのサブバンド準位構造において、発光上準位Lup、第2発光上準位として機能する高エネルギー準位Lh、及びミニバンドMBを有している(図2参照)。
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the
また、図8は、構造IIの量子カスケードレーザ素子(素子II)での活性層15の単位積層体16の構成を示している。素子IIの構成では、単位積層体16での発光層17は、4個のAlInAs障壁層161〜164、及びInGaAs井戸層171〜174によって構成されている。また、注入層18は、7個のAlInAs障壁層181〜187、及びInGaAs井戸層191〜197によって構成され、第4井戸層194において、キャリア濃度3×1017(/cm3)で不純物が添加されている。なお、素子IIの構成は、不純物の添加位置を除けば素子Iと同様である。
FIG. 8 shows the configuration of the
図9は、上記した構造の素子I、素子IIについて、注入層18における不純物の添加位置zimp、及び不純物準位Limpについて示す図である。図9(a)では、注入層18で不純物が添加されている井戸層、及び不純物準位のエネルギー位置について、グラフによって示している。また、図9(b)では、不純物の添加位置zimp、及び不純物準位のエネルギーEimpについて、図表によって示している。
FIG. 9 is a diagram showing the impurity addition position z imp and the impurity level L imp in the
ここで、不純物の添加位置zimpについては、図9(a)のグラフに示すように、注入層18に隣接する注入障壁層161の井戸層171側の端部を基点としている。また、不純物準位のエネルギーEimpについては、図9(a)中に黒丸及び一点鎖線で示したエネルギー位置を基準としている。また、図9においては、上記した第7井戸層197に不純物を添加する素子I、及び第4井戸層194に不純物を添加する素子IIに加えて、後述する、第6井戸層196に不純物を添加する素子III、及び第5井戸層195に不純物を添加する素子IVについても、合わせて不純物の添加位置zimp、及び不純物準位Limpについて示している。
Here, the impurity addition position z imp is based on the end of the
上記構成の量子カスケードレーザについて、リッジ構造のレーザ素子を作製し、ノイズ電圧の周波数解析を行うことでVNPSDの測定を行い、また、上記した評価式を用いて計算によるVNPSDの評価を行った。なお、以下に示すVNPSDについての計算結果では、各パラメータの数値について、τeS=0.1μs、τeL=100ms、εs=14、M=40、nimp=1.0×1011cm−2、S=1.4×10−4cm2の数値を用いている。また、δドーピングについての式(2)を用いた計算では、不純物は井戸層の中心に局在しているとして計算を行っている。また、活性層15に印加されているバイアス電圧は、35kV/cmとしている。
With respect to the quantum cascade laser having the above-described configuration, a laser element having a ridge structure was manufactured, and VNPSD was measured by performing frequency analysis of noise voltage, and VNPSD was evaluated by calculation using the above-described evaluation formula. In the calculation results for VNPSD shown below, τ eS = 0.1 μs , τ eL = 100 ms, ε s = 14, M = 40, n imp = 1.0 × 10 11 cm − for each parameter value. 2 and a numerical value of S = 1.4 × 10 −4 cm 2 are used. In the calculation using the formula (2) for δ doping, the calculation is performed assuming that the impurity is localized at the center of the well layer. The bias voltage applied to the
図10は、ノイズパワーの周波数依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は周波数(Hz)を示し、縦軸はノイズパワー(V2/Hz)を示している。また、図10のグラフは、素子Iについての電子温度180KでのVNPSDの測定結果を示している。ここでは、測定結果と合わせて、ノイズ周波数fNが1桁高くなるとVNPSDが1桁下がるラインを破線で示しており、VNPSDの測定結果が、1/fNノイズとなっていることが確認できる。 FIG. 10 is a graph showing the frequency dependence of noise power. In this graph, the horizontal axis indicates the frequency (Hz), and the vertical axis indicates the noise power (V 2 / Hz). Further, the graph of FIG. 10 shows the measurement result of VNPSD of the element I at an electron temperature of 180K. Here, together with the measurement results, the noise frequency f N is an order of magnitude higher becomes the VNPSD shows an order of magnitude down line by broken lines, the measurement result of VNPSD is, it can be confirmed that becomes 1 / f N noise .
図11は、素子I、IIについてのVNPSDの温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電子温度(K)を示し、縦軸はVNPSD(V2/Hz)を示している。また、図11のグラフは、ノイズ周波数fN=100HzにおけるVNPSDについて、素子Iでの実験的な測定結果及び理論的な計算結果と、素子IIでの実験的な測定結果及び理論的な計算結果とを示している。図11に示すように、VNPSDについての測定結果、計算結果は、かなり良く一致しており、上記した評価式の妥当性を確認することができる。 FIG. 11 is a graph showing the temperature dependence of VNPSD for elements I and II. In this graph, the horizontal axis indicates the electron temperature (K), and the vertical axis indicates VNPSD (V 2 / Hz). Further, the graph of FIG. 11 shows the experimental measurement result and theoretical calculation result in the element I, and the experimental measurement result and theoretical calculation result in the element II for VNPSD at the noise frequency f N = 100 Hz. It shows. As shown in FIG. 11, the measurement results and calculation results for VNPSD agree fairly well, and the validity of the above-described evaluation formula can be confirmed.
なお、図11のグラフは、ノイズ周波数fN=100Hzでのデータを示しているが、図10からわかるように、測定されるVNPSDは1/fNの特性となっており、また、評価式(2)も1/fNの関数形となっているため、たまたまノイズ周波数100Hzで一致しているわけではない。
The graph of FIG. 11 shows the data at the noise frequency f N = 100 Hz. As can be seen from FIG. 10, the measured VNPSD has a characteristic of 1 / f N , and the evaluation formula (2) because that is the functional form of the 1 / f N, not match happens to
図11において、評価式(2)を用いて計算されたVNPSDの温度依存性をみると、素子II(Eimp=0.2154eV)では、電子温度550Kの動作温度で、電気的ノイズを示すVNPSDが非常に強く抑制されている。一方、素子I(Eimp=0.1563eV)については、VNPSDが強く抑制される温度領域は存在しない。 In FIG. 11, the temperature dependence of VNPSD calculated using the evaluation formula (2) shows that in the device II (E imp = 0.2154 eV), VNPSD indicating electrical noise at the operating temperature of the electron temperature of 550K. Is very strongly suppressed. On the other hand, for the element I (E imp = 0.1563 eV), there is no temperature region where VNPSD is strongly suppressed.
図12は、同様の素子構造で、不純物の添加位置zimpを図9に示した第6井戸層196の位置とした素子III(Eimp=0.1745eV)について、VNPSDの温度依存性の計算結果を示すグラフである。この構成では、150Kの動作温度で、VNPSDが強く抑制されている。
FIG. 12 shows the calculation of the temperature dependence of VNPSD for the element III (E imp = 0.1745 eV) having the same element structure and the impurity addition position z imp being the position of the
図13は、同様の素子構造で、不純物の添加位置zimpを図9に示した第5井戸層195の位置とした素子IV(Eimp=0.1950eV)について、VNPSDの温度依存性の計算結果を示すグラフである。この構成では、δドーピングでの計算結果をみると、300Kの動作温度で、VNPSDが強く抑制されている。
FIG. 13 shows the calculation of the temperature dependence of VNPSD for the element IV (E imp = 0.1950 eV) having the same element structure and the impurity addition position z imp being the position of the
なお、図13のグラフに示す破線は、ノイズの抑制がない場合に想定されるVNPSDを示している。また、図11のグラフにおいて、素子IIの場合、極低温側でVNPSDが著しく低下する傾向がある。これは、極低温では、不純物準位Limpに電子が存在する確率f(Eimp,EF,Te)が低下することによるものであり、電荷ダイポールが小さくなることによるものではない。 In addition, the broken line shown in the graph of FIG. 13 has shown VNPSD assumed when there is no suppression of noise. Further, in the graph of FIG. 11, in the case of the element II, VNPSD tends to be remarkably lowered on the extremely low temperature side. This is due to a decrease in the probability f (E imp , E F , T e ) that electrons exist in the impurity level L imp at an extremely low temperature, and not due to a decrease in the charge dipole.
素子I、II、III、IVのそれぞれのケースにおいて、ミニバンド内での電子分布(電荷分布)、その重心位置、及び不純物添加の空間的位置について検討する。図14(a)、(b)、及び図15(a)、(b)は、それぞれ、ミニバンドMB内での電荷分布(電子分布)について、単位積層体16の量子井戸構造(図7、図9(a)参照)とともに示すグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は積層方向の位置(nm)を示し、縦軸は量子井戸構造についてのエネルギー(eV)、または電子分布についてのキャリア数(a.u.)を示している。また、活性層15に印加されているバイアス電圧は、上記と同様に35kV/cmである。
In each case of the devices I, II, III, and IV, the electron distribution (charge distribution) in the miniband, the position of the center of gravity, and the spatial position of the impurity addition are examined. 14 (a), 14 (b), 15 (a), and 15 (b) respectively show the quantum well structure (FIG. 7, FIG. 7) for the charge distribution (electron distribution) in the miniband MB. It is a graph shown with FIG. 9 (a). In these graphs, the horizontal axis indicates the position (nm) in the stacking direction, and the vertical axis indicates the energy (eV) for the quantum well structure or the number of carriers (au) for the electron distribution. The bias voltage applied to the
図14(a)のグラフは、素子Iについて、ミニバンドにおける電子温度0Kでの電子分布、及びその重心位置(矢印で表示)を示している。この構成では、電子分布は温度がが低温になればなるほど、エネルギーが小さい方に偏るが、0Kにおいても、電子分布の重心位置zcは、注入障壁層からみて8.0nmの位置にある。素子Iでは、不純物の添加位置は注入層18の第7井戸層197内のzimp=5.3nmであり、電子分布の中心位置から大きくずれている。したがって、この構成では、電荷ダイポールをキャンセルすることができず、ノイズが抑制されない。
The graph of FIG. 14A shows the electron distribution at the electron temperature 0K in the miniband and the position of the center of gravity (indicated by an arrow) for the element I. In this configuration, the electronic distribution The more low temperature is, but biased towards small energy, even in 0K, centroid position z c of the electron distribution is in the position of 8.0nm as viewed from the injection barrier layer. In the element I, the impurity addition position is z imp = 5.3 nm in the
図14(b)のグラフは、素子IIについて、ミニバンドにおける電子温度550Kでの電子分布、及びその重心位置を示している。素子IIは、不純物の添加位置をzimp=22.8nmとし、電子温度550KでVNPSDが最小となる構成であるが、この場合、ミニバンドの電子分布についてみても、その重心位置zcが確かに不純物の添加位置zimpと同様に22.8nmの位置にある。 The graph in FIG. 14B shows the electron distribution at the electron temperature of 550 K in the miniband and the position of the center of gravity of the element II. The element II has a configuration in which the impurity addition position is z imp = 22.8 nm and the VNPSD is minimum at an electron temperature of 550 K. In this case, the center of gravity position z c is certain even in the miniband electron distribution. Similarly to the impurity addition position z imp , the position is 22.8 nm.
図15(a)のグラフは、素子IIIについて、ミニバンドにおける電子温度150Kでの電子分布、及びその重心位置を示している。素子IIIは、不純物の添加位置をzimp=11.4nmとし、150KでVNPSDが最小となる構成であるが、この場合でも、ミニバンドの電子分布について、その重心位置が11.4nmの位置にある。 The graph of FIG. 15A shows the electron distribution at the electron temperature of 150 K in the miniband and the position of the center of gravity of the element III. The element III has a configuration in which the impurity addition position is z imp = 11.4 nm and the VNPSD is minimum at 150 K. However, even in this case, the center of gravity position of the miniband electron distribution is 11.4 nm. is there.
図15(b)のグラフは、素子IVについて、ミニバンドにおける電子温度250K、300K、350Kでの電子分布、及びその重心位置を示している。素子IVは、不純物の添加位置をzimp=17.1nmとし、300KでVNPSDが最小となる構成であるが、この場合でも、ミニバンドの電子分布について、300Kでの重心位置が17.1nmの位置にある。また、VNPSDが最小となる300Kから外れた電子温度250K、350Kでの電子分布についてみると、その重心位置はそれぞれ15.7nm、18.4nmとなっており、不純物の添加位置とは一致していない。 The graph of FIG. 15B shows the electron distribution at the electron temperatures of 250 K, 300 K, and 350 K in the miniband and the position of the center of gravity for the element IV. The element IV has a configuration in which the impurity addition position is z imp = 17.1 nm and the VNPSD is minimum at 300 K. Even in this case, the center of gravity position at 300 K is 17.1 nm for the miniband electron distribution. In position. Further, regarding the electron distribution at the electron temperatures of 250K and 350K that are not 300K at which VNPSD is minimized, the positions of the centers of gravity are 15.7 nm and 18.4 nm, respectively, which coincide with the impurity addition positions. Absent.
ここまでの考察では、主に、注入層18内の特定の半導体層において、1点の添加位置zimpに局所的に不純物添加を行うδドーピングの構成について議論、計算を行った。一方、実際のレーザ素子では、不純物の添加量分布は、積層方向について一定の幅、広がりを有する。このような不純物の添加幅に関し、素子IVでのVNPDSの温度依存性について示した図13では、δドーピングでの計算結果に加えて、一定の添加幅で不純物添加を行った場合の式(7)を用いた計算結果について示している。
The discussion so far has mainly discussed and calculated the configuration of δ doping in which impurities are locally added to one addition position z imp in a specific semiconductor layer in the
具体的には、この図13のグラフにおいて、実線のグラフで300Kでのグラフ位置でみて下から順に、不純物の添加幅が0nm(δドーピング)、0.6nm、1.2nm、1.8nm、2.4nm、3.0nm、3.6nm、5.0nm、6.0nm、8.0nm、10.0nm、12.0nm、14.0nmの場合のVNPSDの温度依存性を示している。また、図13中の破線のグラフは、上記したように、ノイズの抑制がない場合に想定されるVNPSDを示している。 Specifically, in the graph of FIG. 13, the impurity addition width is 0 nm (δ doping), 0.6 nm, 1.2 nm, 1.8 nm, in order from the bottom in the graph of the solid line in the graph position at 300 K. The temperature dependence of VNPSD is shown for 2.4 nm, 3.0 nm, 3.6 nm, 5.0 nm, 6.0 nm, 8.0 nm, 10.0 nm, 12.0 nm, and 14.0 nm. Moreover, the broken line graph in FIG. 13 shows VNPSD assumed when there is no noise suppression as described above.
図13のグラフからわかるように、ノイズが抑制されていない状態では、VNPSDは温度に対して緩やかに変化する関数を示す。そこで、図13に示すデータに対して、ノイズ抑制量(Suppression)を下記の式(11)
によって定義して、不純物の添加幅(ドーピング層の厚さ)と、ノイズ抑制量との関係について調べた。
As can be seen from the graph of FIG. 13, in a state where noise is not suppressed, VNPSD shows a function that gradually changes with temperature. Therefore, the noise suppression amount (Suppression) is expressed by the following equation (11) for the data shown in FIG.
The relationship between the impurity addition width (doping layer thickness) and the noise suppression amount was examined.
図16は、ノイズ抑制量の不純物添加幅依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は不純物の添加幅(nm)を示し、縦軸は上記したノイズ抑制量を示している。また、図16中の破線のグラフは、添加幅が0nm(δドーピング)の場合のVNPSDを示している。このデータでは、添加幅を14nmとした場合にはノイズの抑制は確認できないが、それ以下の添加幅であれば、VNPSDが抑制されていることがわかる。したがって、不純物の添加量分布における添加幅については、12nm以下の半値全幅を有する添加量分布で不純物を添加することが好ましい。 FIG. 16 is a graph showing the dependency of the noise suppression amount on the impurity addition width. In this graph, the horizontal axis indicates the impurity addition width (nm), and the vertical axis indicates the above-described noise suppression amount. Moreover, the broken line graph in FIG. 16 shows VNPSD when the addition width is 0 nm (δ doping). In this data, when the addition width is 14 nm, suppression of noise cannot be confirmed, but when the addition width is less than that, it is understood that VNPSD is suppressed. Therefore, with respect to the addition width in the impurity addition amount distribution, it is preferable to add the impurity in an addition amount distribution having a full width at half maximum of 12 nm or less.
特に、図16のデータでは、4.4nmの添加幅で1桁程度のノイズ抑制が達成されており、1桁以上のノイズ抑制を高いノイズ抑制効果であると考えると、この添加幅が不純物の広がりの限界となる。この点を考慮すると、不純物の添加幅については、4.4nm以下の半値全幅を有する添加量分布で不純物を添加することが好ましい。ここで、上記した構成例のInGaAs材料系では、0.6nmが1格子層の厚さに対応している。この場合には、7格子層程度の広がりが、極めて効果的なノイズ抑制効果を得るための不純物広がりの限界であると考えられる。 In particular, in the data of FIG. 16, noise suppression of about one digit is achieved with the addition width of 4.4 nm, and considering that noise suppression of one digit or more is a high noise suppression effect, It becomes the limit of spread. Considering this point, it is preferable that the impurity is added in an additive amount distribution having a full width at half maximum of 4.4 nm or less. Here, in the InGaAs material system having the above configuration example, 0.6 nm corresponds to the thickness of one lattice layer. In this case, the spread of about seven lattice layers is considered to be the limit of the impurity spread for obtaining a very effective noise suppression effect.
次に、不純物の添加量分布における添加位置の位置ずれについて考える。不純物の添加位置zimpについては、上記したように、ミニバンド内での電荷分布の重心位置zcを中心位置として不純物を添加することが好ましい。ただし、この添加位置については、一定範囲の位置ずれがあっても、ノイズ抑制効果を得ることができる。 Next, the positional shift of the addition position in the impurity addition amount distribution will be considered. As described above, the impurity addition position z imp is preferably added with the center of gravity position z c of the charge distribution in the miniband as the center position. However, with respect to this addition position, even if there is a positional deviation within a certain range, a noise suppression effect can be obtained.
図17は、不純物の添加位置の位置ずれによるVNPSDの温度依存性の変化について示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は電子温度(K)を示し、縦軸はVNPSD(V2/Hz)を示している。また、図17のグラフでは、300K付近でノイズが最小となる構造の素子IVについて、添加位置の位置ずれが+4.8nm〜−4.8nmの範囲で、VNPSDの温度依存性の変化、及び電子温度300Kにおけるノイズ抑制効果の変化について示している。 FIG. 17 is a graph showing changes in the temperature dependence of VNPSD due to the displacement of the impurity addition position. In this graph, the horizontal axis indicates the electron temperature (K), and the vertical axis indicates VNPSD (V 2 / Hz). Further, in the graph of FIG. 17, regarding the element IV having a structure in which the noise is minimum at around 300 K, the change in the temperature dependence of VNPSD and the electron in the position shift of the addition position within the range of +4.8 nm to −4.8 nm It shows the change in noise suppression effect at a temperature of 300K.
図17に示す計算結果においては、実際の素子ではδドーピングは不可能であることから、InGaAsの格子定数にあたる0.6nmの添加幅で不純物が添加されている場合について計算を行った。また、図17中の破線のグラフは、ノイズ周波数fN=100Hzでノイズの抑制がない場合に想定されるVNPSDを示している。 In the calculation results shown in FIG. 17, since δ doping is impossible in an actual device, the calculation was performed for the case where impurities were added with an addition width of 0.6 nm corresponding to the lattice constant of InGaAs. Moreover, the broken line graph in FIG. 17 indicates VNPSD assumed when noise is not suppressed at the noise frequency f N = 100 Hz.
このデータによれば、ミニバンドでの電荷分布の重心位置zcからの不純物の添加位置(添加量分布の中心位置)zimpの位置ずれ(重心位置からの添加位置の距離)が3.6nm以下であれば、300KでVNPSDが抑制されていることがわかる。特に、1桁以上のノイズ抑制を高いノイズ抑制効果であると考えると、ミニバンドでの電荷分布の重心位置zcからの不純物の添加位置zimpの位置ずれは、1.2nm以下とすることが好ましい。 According to this data, the position shift (distance of the addition position from the center of gravity position) of the impurity addition position (center position of the addition amount distribution) z imp from the center of gravity position z c of the charge distribution in the miniband is 3.6 nm. If it is below, it will be understood that VNPSD is suppressed at 300K. In particular, considering that noise suppression of one digit or more is a high noise suppression effect, the position shift of the impurity addition position z imp from the center of gravity position z c of the charge distribution in the miniband should be 1.2 nm or less. Is preferred.
上記構成の量子カスケードレーザの具体的な構成例について、さらに説明する。図18は、量子カスケードレーザの具体的な構成の一例を示す斜視図である。図18に示す量子カスケードレーザ1Bでは、InP基板50(半導体基板10)上に、InP下部クラッド層51、InGaAs/AlInAs下部グレーデッド層52、InGaAs下部ガイド層53、InGaAs/AlInAs下部注入層25、単位積層体16が多段に積層されたInGaAs/AlInAs活性層15、InGaAs/AlInAs上部注入層20、InGaAs上部ガイド層54、InGaAs/AlInAs上部グレーデッド層55、InP上部クラッド層56、InP第2コンタクト層57、InP第1コンタクト層58、及びInGaAsキャップ層59が順に積層されることで、量子カスケードレーザ1Bの素子構造が形成されている。なお、これらの半導体層のうちで、上部注入層20、活性層15、及び下部注入層25を除く各層の構成については、図4に示したものと同様である。
A specific configuration example of the quantum cascade laser having the above configuration will be further described. FIG. 18 is a perspective view showing an example of a specific configuration of the quantum cascade laser. In the
図18に示す構成例では、このような半導体積層構造において、InP基板50の直上の下部クラッド層51が露出するように、その上の全ての半導体層を幅w=14μmだけ残してエッチングしてリッジ構造とし、露出した側面をSiNからなる絶縁層60によって覆っている。また、リッジ構造のキャップ層59上の絶縁層60にコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールに対して電極構造61を設けている。
In the configuration example shown in FIG. 18, in such a semiconductor stacked structure, all the semiconductor layers thereabove are etched leaving a width w = 14 μm so that the
電極構造61は、コンタクト層と電気的に接続された厚さ300nmのAu電極から延びるコンタクト電極を、露出した下部クラッド層51上の絶縁層60上まで引き出し、ボンディングパッドを形成した構造を有している。なお、本構成例において、リッジ構造のリッジ長さは、例えばl=1mmである。
The
図19は、実施例1における上部注入層20、活性層15、及び下部注入層25の構成を示す図表である。また、図20は、実施例1における活性層15での1周期分の単位積層体16の構成を示す図表である。また、図21は、図20に示した実施例1の活性層15での単位積層体16の構成、及びサブバンド準位構造について示す図である。なお、図21においては、発光上準位Lup、ミニバンドMB等を含むサブバンド準位構造と合わせて、不純物準位Limpについても図示している。また、活性層15に印加されているバイアス電圧は、35kV/cmとしている。
FIG. 19 is a chart showing configurations of the
本実施例1は、注入層18の第6井戸層196に不純物を添加する素子IIIの構造(図9参照)に対応しており、その具体的な不純物の添加量分布は、図20に示すようになっている。すなわち、本実施例1では、厚さ3.6nmの第6井戸層196をそれぞれ厚さ1.5nm、0.6nm、1.5nmの3つの領域に区分し、そのうちの厚さ0.6nmの中心領域のみにおいて、キャリア濃度1.8×1018(/cm3)で不純物Siを添加している。
The present Example 1 corresponds to the structure of the element III in which the impurity is added to the
図22は、実施例1の構成を有する量子カスケードレーザの素子特性について示す図である。図22(a)は、ノイズ周波数100HzでのVNPSDの温度依存性を示しており、活性層15の電子温度Teが150Kのときにノイズが最小となり、2桁程度のノイズ抑制効果が得られている。また、図22(b)は、ミニバンドにおける150Kでの電子分布、及びその重心位置を示しており、電子分布の重心位置は不純物の添加位置と一致する11.4nmとなっている。
FIG. 22 is a diagram showing device characteristics of the quantum cascade laser having the configuration of the first embodiment. FIG. 22 (a) shows the temperature dependence of VNPSD in
図23は、実施例2における活性層15での1周期分の単位積層体16の構成を示す図表である。なお、本実施例2においても、量子カスケードレーザの基本的な半導体積層構造、及び上部注入層20、下部注入層25の構成等については、上記した実施例1と同様である。
FIG. 23 is a chart showing a configuration of the
本実施例2は、注入層18の第5井戸層195に不純物を添加する素子IVの構造(図9参照)に対応しており、その具体的な不純物の添加量分布は、図23に示すようになっている。すなわち、本実施例2では、厚さ3.6nmの第5井戸層195をそれぞれ厚さ1.5nm、0.6nm、1.5nmの3つの領域に区分し、そのうちの厚さ0.6nmの中心領域のみにおいて、キャリア濃度1.8×1018(/cm3)で不純物Siを添加している。
Example 2 corresponds to the structure of the element IV in which impurities are added to the
図24は、実施例2の構成を有する量子カスケードレーザの素子特性について示す図である。図24(a)は、ノイズ周波数100HzでのVNPSDの温度依存性を示しており、活性層の電子温度Teが300Kのときにノイズが最小となっている。また、図22(b)はミニバンドにおける300Kでの電子分布、及びその重心位置を示しており、電子分布の重心位置は不純物の添加位置と一致する17.1nmとなっている。
FIG. 24 is a diagram illustrating element characteristics of the quantum cascade laser having the configuration of the second embodiment. FIG. 24 (a) is shows the temperature dependence of VNPSD in
ここで、中赤外量子カスケードレーザにおける電圧ノイズと周波数揺らぎ、すなわちスペクトル線半値全幅との関係について述べておく(非特許文献2、6参照)。 Here, the relationship between voltage noise and frequency fluctuation in the mid-infrared quantum cascade laser, that is, the full width at half maximum of the spectral line will be described (see Non-Patent Documents 2 and 6).
非特許文献6では、レーザ周波数のスペクトル線幅の半値全幅δνは、周波数ノイズが1/fn型の関数形、すなわちNflicker/fnを示すとき、下記の式(12)で求められることが示されている。
ただし、上記式(12)において、fcは下記の式(13)で与えられる。
Nflickerは、ノイズ周波数1Hzにおけるレーザ周波数ノイズパワースペクトル密度である。また、Twは、計測における積分時間である。この式から、スペクトル線幅は周波数ノイズと密接に関係し、周波数ノイズが2桁減少すれば、スペクトル線幅は1桁減少することがわかる。
In Non-Patent Document 6, the full width at half maximum δν of the spectral line width of the laser frequency is obtained by the following equation (12) when the frequency noise indicates a 1 / f n type function form, that is, N flicker / f n. It is shown.
However, in the above equation (12), fc is given by the following equation (13).
N flicker is a laser frequency noise power spectral density at a noise frequency of 1 Hz. Tw is an integration time in measurement. From this equation, it can be seen that the spectral line width is closely related to the frequency noise, and if the frequency noise is reduced by two digits, the spectral line width is reduced by one digit.
非特許文献2の図4及び図5は、同一素子の周波数ノイズパワースペクトル密度と温度との関係、及び電流ノイズパワースペクトル密度と温度との関係を示している。これによると、周波数揺らぎは温度200Kから270Kの範囲でほぼ一定で、ノイズ周波数3kHzにおいて7×106Hz2/Hzである。また、これに対応する電流ノイズパワースペクトル密度も同温度領域でほぼ一定で、ノイズ周波数3kHzにおいて6×10−17A2/Hzとなっている。 4 and 5 of Non-Patent Document 2 show the relationship between the frequency noise power spectral density and the temperature of the same element, and the relationship between the current noise power spectral density and the temperature. According to this, the frequency fluctuation is almost constant in the temperature range of 200 K to 270 K, and is 7 × 10 6 Hz 2 / Hz at a noise frequency of 3 kHz. The current noise power spectral density corresponding to this is also substantially constant in the same temperature region, and is 6 × 10 −17 A 2 / Hz at a noise frequency of 3 kHz.
電流変化に対する周波数変化を表す変換係数δν/δiが同一であると仮定し、1/fnの関係を用いて、これらの数値をTw=10msに対応するノイズ周波数100Hzにおける値に換算すると、それぞれ2.1×108Hz2/Hz、1.8×10−15A2/Hzとなる。この数値をもとにすると、Nflickerは2.1×1010Hzとなり、上記の式(13)よりfcを求めると193kHzとなる。さらに、式(12)よりTw=10msでのレーザ周波数のスペクトル線幅の半値全幅δνを求めると、939kHzと見積もることができる。 Assuming that the conversion coefficients δν / δi representing the frequency change with respect to the current change are the same, and using the 1 / f n relationship, these values are converted into values at a noise frequency of 100 Hz corresponding to T w = 10 ms. respectively and 2.1 × 10 8 Hz 2 /Hz,1.8×10 -15 a 2 / Hz. When this number to the original, N flicker becomes 2.1 × 10 10 Hz, and the when determining the f c from the above formula (13) and 193KHz. Furthermore, when the full width at half maximum δν of the spectral line width of the laser frequency at T w = 10 ms is obtained from the equation (12), it can be estimated as 939 kHz.
一方、本願発明による上記実施例では、図13において0.6nmの添加幅で不純物を添加した場合には、ノイズ周波数100Hzにおいて4×10−18V2/Hzの電圧ノイズパワースペクトル密度(VNPSD)が得られるが、素子の微分抵抗が10Ω程度であるので、電流ノイズパワースペクトル密度としては、4×10−20A2/Hzとなる。この揺らぎは、文献記載の揺らぎよりも1/45000程度小さくなっている。 On the other hand, in the above embodiment according to the present invention, when an impurity is added with an addition width of 0.6 nm in FIG. 13, a voltage noise power spectral density (VNPSD) of 4 × 10 −18 V 2 / Hz at a noise frequency of 100 Hz. However, since the differential resistance of the element is about 10Ω, the current noise power spectral density is 4 × 10 −20 A 2 / Hz. This fluctuation is about 1/45000 smaller than the fluctuation described in the literature.
このことは、Nflickerが1/45000になることも示しており、スペクトル線半値全幅がNflickerの平方根に比例することから、スペクトル線半値全幅は4.43kHzになると見積もることができる。さらに、式(12)での[ln(fcTw)]1/2の項によるスペクトル線幅への影響を考慮すると、室温で2.39kHzという非常に狭いスペクトル線半値全幅が期待されることを示している。 This also indicates that N flicker is 1/45000. Since the full width at half maximum of the spectral line is proportional to the square root of N flicker , it can be estimated that the full width at half maximum of the spectral line is 4.43 kHz. Furthermore, considering the influence on the spectral line width by the term [ln (f c T w )] 1/2 in Equation (12), a very narrow full width at half maximum of 2.39 kHz is expected at room temperature. It is shown that.
量子カスケードレーザの具体的な構成について、さらに説明する。上記した実施形態、及び実施例では、活性層15について、同一構造の発光層17及び注入層18を有する単位積層体16が多段に積層された構成としている。ただし、このような活性層15の構成については、単位積層体16として、互いに異なる量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を有する複数種類の単位積層体を有する構成としても良い。
A specific configuration of the quantum cascade laser will be further described. In the above-described embodiments and examples, the
また、上記のように複数種類の単位積層体16を有する構成では、注入層18内における不純物の添加量分布(添加位置、添加幅)を、単位積層体16の種類毎に個別に設定することが好ましい。この場合、例えばVNPSDの上記した評価式(7)は、さらに一般化された下記の式(14)となる。
ここで、式(14)において、添え字のjは、複数段の単位積層体のうちでj段目の単位積層体についてのパラメータを示している。また、上記の式(14)において、ダイポール長Z(zimp,j)は、下記の式(15)
によって表される。
Further, in the configuration having a plurality of types of unit
Here, in the formula (14), the subscript j indicates a parameter for the j-th unit laminated body among the plurality of unit laminated bodies. In the above equation (14), the dipole length Z (z imp, j ) is expressed by the following equation (15):
Represented by
活性層におけるj番目の単位積層体において、ミニバンド内で積層方向の位置zに電子が分布する確率を示す電子分布は、下記の式(16)によって表される。
ダイポール長Z(zimp,j)を示す上記の式(15)は、ミニバンド内での電子分布を示す式(16)に位置zを乗じた式(17)
によって求められるミニバンド内での電荷分布(電子分布)の重心位置zc,jを、不純物の添加位置zimp,jを座標の基準として表現したものとなっている。
In the j-th unit stacked body in the active layer, an electron distribution indicating the probability that electrons are distributed at the position z in the stacking direction within the miniband is represented by the following formula (16).
The above equation (15) indicating the dipole length Z (z imp, j ) is obtained by multiplying the equation (16) indicating the electron distribution in the miniband by the position z.
The center-of-gravity position z c, j of the charge distribution (electron distribution) in the miniband obtained by the above expression is expressed using the impurity addition position z imp, j as the coordinate reference.
このことは、活性層を構成する任意のj番目の単位積層体において、電荷分布の重心位置zc,jと、不純物の添加位置zimp,jとが一致すると、ダイポール長Z(zimp,j)はゼロとなり、したがって、ダイポールによる電界が生成されずに、電圧ノイズの発生がなくなることを示している。 This means that, in the arbitrary j-th unit laminate constituting the active layer, when the center of gravity position z c, j of the charge distribution coincides with the impurity addition position z imp, j , the dipole length Z (z imp, j ) is zero, which indicates that no electric field is generated by the dipole and no voltage noise is generated.
注入層における不純物の添加位置について、さらに説明する。上記した実施形態、実施例ではいずれも、注入層内において、単一の添加位置zimpに不純物を添加する構成としている。これに対して、注入層内で複数の添加位置に不純物を添加する構成を考えると、そのような構成では、充分なノイズ抑制効果を得ることができない。 The position of impurity addition in the injection layer will be further described. In the above-described embodiments and examples, an impurity is added to a single addition position z imp in the injection layer. On the other hand, considering a configuration in which impurities are added to a plurality of addition positions in the injection layer, such a configuration cannot provide a sufficient noise suppression effect.
図25は、添加位置zimp=9.6nm、24.6nmの2つの位置に、不純物を半分ずつδドーピングした場合の(a)VNPSDの温度依存性、及び(b)ミニバンド内での電荷分布について示す図である。ここで、VNPSDについては、評価式(7)を用いて求めた計算結果を示している。この場合、2つの位置に添加されている不純物の重心位置は、素子IVでの不純物の添加位置に対応する17.1nmであるが、素子IVでノイズが最小となる300Kをも含めて、ノイズの抑制効果は得られていない。 FIG. 25 shows (a) the temperature dependence of VNPSD and (b) the charge in the miniband when δ-doped impurities are doped in half at two positions of the addition position z imp = 9.6 nm and 24.6 nm. It is a figure shown about distribution. Here, for VNPSD, the calculation results obtained using the evaluation formula (7) are shown. In this case, the gravity center position of the impurity added to the two positions is 17.1 nm corresponding to the impurity addition position in the element IV, but the noise including 300 K at which the noise is minimized in the element IV is included. The inhibitory effect is not obtained.
すなわち、このように空間的に離れた添加位置に第1、第2の不純物が添加された構成では、先に説明したように、第1、第2の不純物は、互いに全く独立な励起、トラップの過程を持つ独立した事象であり、したがって、第1、第2の不純物のそれぞれと、ミニバンド内での電荷分布の中心とによって生成される電荷ダイポール同士をキャンセルすることはできない。また、上記構成では、不純物添加の広がり(添加幅)が15nmと広いため、ノイズを全く抑制できないことがわかる。 That is, in the configuration in which the first and second impurities are added to the spatially separated addition positions as described above, the first and second impurities are excited and trapped completely independent of each other as described above. Therefore, the charge dipoles generated by each of the first and second impurities and the center of the charge distribution in the miniband cannot be canceled. Moreover, in the said structure, since the spread (addition width) of impurity addition is as wide as 15 nm, it turns out that noise cannot be suppressed at all.
なお、複数の添加位置に不純物が添加された場合の添加量分布の半値全幅は、図26に示すように定義される。すなわち、グラフD1に示すように、2つの添加位置に不純物がδドーピングされている場合には、その半値全幅は、2つの添加位置の間隔D2である。また、グラフD6に示すように、2つの添加位置に不純物が一定の幅を持って添加されている場合には、その半値全幅は、それぞれの添加量分布においてピークの半値となる外側の位置の間隔D7である。 The full width at half maximum of the added amount distribution when impurities are added to a plurality of addition positions is defined as shown in FIG. That is, as shown in the graph D1, when an impurity is δ-doped at two addition positions, the full width at half maximum is the interval D2 between the two addition positions. Further, as shown in graph D6, when impurities are added to two addition positions with a certain width, the full width at half maximum is the value at the outer position where the half value of the peak is obtained in each addition amount distribution. The interval D7.
本発明による量子カスケードレーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、活性層15の単位積層体16におけるサブバンド準位構造については、図2はその一例を示すものであり、具体的には、図2以外にも様々な構成を用いて良い。一般には、単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有していれば良い。
The quantum cascade laser according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, FIG. 2 shows an example of the subband level structure in the unit stacked
また、上記した構成例では、半導体基板としてInP基板を用い、活性層をInGaAs/AlInAsによって構成した例を示したが、このような材料系以外にも、具体的には様々な構成を用いて良い。そのような半導体材料系としては、例えば、GaAs/AlGaAs、InAs/AlGaSb、AlGaN/GaN、Si/SiGeなど、様々な材料系を用いることが可能である。 In the above configuration example, an InP substrate is used as the semiconductor substrate and the active layer is configured by InGaAs / AlInAs. However, in addition to such a material system, various configurations are specifically used. good. As such a semiconductor material system, various material systems such as GaAs / AlGaAs, InAs / AlGaSb, AlGaN / GaN, and Si / SiGe can be used.
また、上記した構成例では、注入層を構成する障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内に不純物を添加する構成を示したが、このような構成に限らず、例えば単一の障壁層内に、または隣り合う井戸層及び障壁層にわたって不純物を添加する構成としても良い。ただし、これらの構成とする場合にも、不純物の添加量分布については、その添加位置及び添加幅について上記した条件を満たす必要がある。 In the above configuration example, the configuration in which impurities are added to a single well layer among the barrier layer and the well layer that configure the injection layer is not limited to such a configuration. The impurity may be added in the barrier layer or over the adjacent well layer and barrier layer. However, even in the case of these configurations, the impurity addition amount distribution needs to satisfy the above-described conditions for the addition position and the addition width.
本発明は、レーザ素子内での電気的揺らぎの影響を抑制して、スペクトル線幅を狭くすることが可能な量子カスケードレーザとして利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a quantum cascade laser capable of reducing the spectral line width by suppressing the influence of electrical fluctuations in the laser element.
1A、1B…量子カスケードレーザ、10…半導体基板、15…活性層、16…単位積層体、17…量子井戸発光層、18…注入層、161…注入障壁層、162〜164…障壁層、171〜174…井戸層、181〜187…障壁層、191〜197…井戸層、20…上部注入層、25…下部注入層、
50…InP基板、51…InP下部クラッド層、52…InGaAs/AlInAs下部グレーデッド層、53…InGaAs下部ガイド層、54…InGaAs上部ガイド層、55…InGaAs/AlInAs上部グレーデッド層、56…InP上部クラッド層、57…InP第2コンタクト層、58…InP第1コンタクト層、59…InGaAsキャップ層、60…絶縁層、61…電極構造、
Lup…発光上準位、Lh…高エネルギー準位(第2発光上準位、注入準位)、MB…ミニバンド、Llow…発光下準位、Lr…緩和準位、Limp…不純物準位。
DESCRIPTION OF
50 ... InP substrate, 51 ... InP lower cladding layer, 52 ... InGaAs / AlInAs lower graded layer, 53 ... InGaAs lower guide layer, 54 ... InGaAs upper guide layer, 55 ... InGaAs / AlInAs upper graded layer, 56 ... InP upper portion Cladding layer, 57 ... InP second contact layer, 58 ... InP first contact layer, 59 ... InGaAs cap layer, 60 ... insulating layer, 61 ... electrode structure,
L up ... upper emission level, L h ... high energy level (second emission upper level, injection level), MB ... miniband, L low ... lower emission level, L r ... relaxation level, L imp ... impurity levels.
Claims (4)
前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
前記単位積層体は、その量子井戸構造によるサブバンド準位構造において、発光上準位と、それぞれ発光下準位または緩和準位として機能する複数の準位を含むミニバンドとを少なくとも有し、
前記量子井戸発光層における前記発光上準位から発光下準位への電子のサブバンド間遷移によって光が生成され、前記サブバンド間遷移を経た電子は、前記ミニバンド内の前記緩和準位を介して後段の単位積層体の量子井戸発光層へと注入され、
前記注入層は、n個(nは4以上の整数)の障壁層及び井戸層を含んで構成され、前記ミニバンドは、I個(Iは4以上の整数)の準位を含み、前記注入層内において、電子を供給するための不純物が、前記注入層を構成する前記n個の障壁層及び井戸層のうちで、単一の井戸層内、または単一の障壁層内に添加されているとともに、
前記注入層内において、電子を供給するための前記不純物が、下記式(1)
(ただし、zは積層方向での前記ミニバンド内の電子の位置、Eiは前記ミニバンドに含まれるi番目の準位のエネルギー、Ψi(z)は前記ミニバンドに含まれるi番目の準位の規格化された波動関数、Teは前記活性層内での電子温度、kBはボルツマン定数)によって決まる前記ミニバンド内での電荷分布の重心位置zcからの距離が3.6nm以下の位置を中心位置とし、4.4nm以下の半値全幅を有する添加量分布で添加されていることを特徴とする量子カスケードレーザ。 A semiconductor substrate;
A cascade structure in which the quantum well light-emitting layers and the injection layers are alternately stacked is formed by stacking unit stacks of quantum well light-emitting layers and injection layers in multiple stages, which are provided on the semiconductor substrate. An active layer,
The unit stacked body has at least a light emission upper level and a miniband including a plurality of levels each functioning as a light emission lower level or a relaxation level in the subband level structure of the quantum well structure,
Light is generated by an intersubband transition of electrons from the upper emission level to the lower emission level in the quantum well light emitting layer, and the electrons that have undergone the intersubband transition have the relaxation level in the miniband. And then injected into the quantum well light-emitting layer of the subsequent unit laminate body,
The injection layer is n (n is an integer of 4 or more) is configured to include a barrier layer and the well layer of the miniband, viewed contains a level of the number I (I is an integer of 4 or more), the In the injection layer, an impurity for supplying electrons is added to a single well layer or a single barrier layer among the n barrier layers and well layers constituting the injection layer. And
In the injection layer, said impurity for supplying electrons, the following formula (1)
(Where z is the position of the electron in the miniband in the stacking direction, E i is the energy of the i th level included in the mini band, and ψ i (z) is the i th level included in the mini band. normalized wave function of level, T e is the electron temperature in the active layer, k B is the distance from the gravity center position z c of the charge distribution within the miniband depends Boltzmann constant) 3.6 nm A quantum cascade laser characterized in that the quantum cascade laser is added in an additive amount distribution having a full width at half maximum of 4.4 nm or less with the following position as a central position.
前記注入層内における前記不純物の前記添加量分布は、前記単位積層体の種類毎に設定されることを特徴とする請求項1または2記載の量子カスケードレーザ。 The active layer has a plurality of types of unit stacks having different quantum well structures as the unit stack,
3. The quantum cascade laser according to claim 1, wherein the distribution of the added amount of the impurity in the injection layer is set for each type of the unit stacked body.
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