JP6309094B2 - 量子カスケードレーザ - Google Patents
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Description
[QCLの構造]
図1は、本発明の第1の実施形態のQCL10の断面図である。QCL10は、第1コンタクト層として機能する基板11と、基板11の上面に設けられた活性層12と、活性層12の上面に設けられた第2コンタクト層13と、第2コンタクト層13の上面に接する上部電極(第2電極)14と、基板11の下面に接する下部電極(第1電極)15とを備える。活性層12は、2つ以上の活性層ユニットが積層されて構成されている。活性層ユニットのそれぞれは、量子井戸層とバリア層とを少なくとも1層ずつ有し、1層の量子井戸層と1層のバリア層とが交互に積層されて構成されている。
基板11は、化合物半導体(第1化合物半導体)からなる。第1化合物半導体は、好ましくは一般式Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N(0≦x1≦1、0≦y1≦1)で表される。より好ましくは、第1化合物半導体は、後述の量子井戸層に用いられる材料の格子定数に近い格子定数を有する材料であり、つまり、GaN、InN、後述の第4化合物半導体、又は、GaN又はInNの格子定数と第4化合物半導体の格子定数との間の格子定数を有する材料である。
(量子井戸層)
活性層12の量子井戸層は、化合物半導体(第3化合物半導体)からなる。第3化合物半導体は、そのLOフォノンの振動エネルギーがGaAsのLOフォノンの振動エネルギーよりも大きくAlNのLOフォノンの振動エネルギー以下である。
活性層12のバリア層は、化合物半導体(第4化合物半導体)からなる。第4化合物半導体は、そのLOフォノンの振動エネルギーがGaAsのLOフォノンの振動エネルギーよりも大きくAlNのLOフォノンの振動エネルギー以下である。
第2コンタクト層13は、化合物半導体(第2化合物半導体)からなる。第2化合物半導体は、好ましくは一般式Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N(0≦x2≦1、0≦y2≦1)で表される。より好ましくは、第2化合物半導体は、上述の量子井戸層に用いられる材料の格子定数に近い格子定数を有する材料であり、つまり、GaN、InN、上述の第4化合物半導体、又は、GaN又はInNの格子定数と第4化合物半導体の格子定数との間の格子定数を有する材料である。
上部電極14は、第2コンタクト層13とは良好なオーミック特性を有する金属材料からなることが好ましく、例えば、Ti層とAl層とが積層されて構成されたオーミック電極である。上部電極14は、Ti及びAlとは異なる金属からなっても良いし、透明な酸化物電極であっても良い。
シミュレーションによって本実施形態の効果を検証した。このシミュレーションでは、電子のハミルトニアンとして単一バンドハミルトニアンを仮定し、且つ、自己無撞着な計算方法でシュレディンガー方程式とポアソン方程式とを計算することにより、活性層ユニット当たりに約95meVのバイアス電圧を印加した場合の電子のポテンシャルエネルギー及び波動関数を算出した。その計算結果を図2に示す。
1層目(バリア層) :Al0.2Ga0.8N(厚さ2.0nm)
2層目(量子井戸層):GaN(厚さ3.5nm)
3層目(バリア層) :Al0.2Ga0.8N(厚さ2.0nm)
4層目(量子井戸層):GaN(厚さ3.0nm)
5層目(バリア層) :Al0.2Ga0.8N(厚さ3.0nm)
6層目(量子井戸層):GaN(厚さ6.0nm)。
活性層ユニットの構成を変更して本実施形態の効果を検証した。このシミュレーションでは、電子のハミルトニアンとして単一バンドハミルトニアンを仮定し、且つ、自己無撞着な計算方法でシュレディンガー方程式とポアソン方程式とを計算することにより、活性層ユニット当たりに約80meVのバイアス電圧を印加した場合の電子のポテンシャルエネルギー及び波動関数を算出した。その計算結果を図5に示す。
1層目(バリア層) :In0.9Ga0.1N(厚さ4.0nm)
2層目(量子井戸層):InN(厚さ6.0nm)
3層目(バリア層) :In0.9Ga0.1N(厚さ4.0nm)
4層目(量子井戸層):InN(厚さ5.0nm)
5層目(バリア層) :In0.9Ga0.1N(厚さ5.0nm)
6層目(量子井戸層):InN(厚さ11.0nm)。
まず、例えば分子線エピタキシー法(MBE(Molecular Beam Epitaxy)法)又は有機金属気相成長法(MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy))によって、基板11の上面に活性層12及び第2コンタクト層13を形成する。次に、例えば電子線蒸着法によって、第2コンタクト層13の上面に上部電極14を形成し、基板11の下面に下部電極15を形成する。続いて、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法によって、上部電極14、第2コンタクト層13、活性層12及び基板11の一部をエッチングして図1に示すメサ形状を形成する。このようにして図1に示すQCLが得られる。
図7は、本発明の第2の実施形態のQCL20の断面図である。QCL20では、支持基板21が上部電極14の上面に設けられている。以下では、上記第1の実施形態とは異なる点を主に示す。
[QCLの構造]
図8は、本発明の第3の実施形態のQCL30の断面図である。以下では、上記第1の実施形態とは異なる点を主に示す。
上部電極14と下部電極15との間には金属層31が設けられている。これにより、電磁波の閉じ込め係数が大きくなるので、低閾値でのレーザ発振が可能となる。
第1コンタクト層32は、好ましくは第2コンタクト層13と同一の組成からなり、好ましくは第2コンタクト層13と同一濃度のn型ドーパントを含み、好ましくは第2コンタクト層13と同一の厚さを有する。
図9(a)及び(b)は、QCL30の製造方法の一部を工程順に示す断面図である。まず、基板11の上面に第1コンタクト層32を形成した後、例えばスパッタ法により第1コンタクト層32の上面全体に金属層を形成する。
図10は、本発明の第4の実施形態のQCL40の断面図である。以下では、上記第3の実施形態とは異なる点を主に示す。
基板11は、m面とは異なる面方位(例えばa面(面方位(11−20))を有していても良い。また、基板11としては、サファイア基板又はSiC基板の上面にm面自立GaN層又はm面自立InN層が形成された複合基板を用いても良い。
図1等に示すQCL10は、第1電極15と、第1電極15に接し、第1化合物半導体からなる第1コンタクト層(基板11)と、第1電極15とは反対の極性を有する第2電極14と、第2電極14に接し、第2化合物半導体からなる第2コンタクト層13と、第1コンタクト層と第2コンタクト層13との間に配置され、2つ以上の活性層ユニットを有する活性層12とを備える。活性層ユニットのそれぞれは、第3化合物半導体からなる量子井戸層と第4化合物半導体からなるバリア層とを少なくとも1層ずつ有し、1層の量子井戸層と1層のバリア層とが交互に積層されて構成されている。第3化合物半導体及び第4化合物半導体のそれぞれの縦光学フォノンの振動エネルギーが、GaAsの縦光学フォノンの振動エネルギーよりも大きくAlNの縦光学フォノンの振動エネルギー以下である。これにより、室温でも安定にレーザ発振させることができる。
Claims (13)
- 第1電極と、
前記第1電極に接し、第1化合物半導体からなる第1コンタクト層と、
前記第1電極とは反対の極性を有する第2電極と、
前記第2電極に接し、第2化合物半導体からなる第2コンタクト層と、
前記第1コンタクト層と前記第2コンタクト層との間に配置され、2つ以上の活性層ユニットを有する活性層とを備え、
前記活性層ユニットのそれぞれは、第3化合物半導体からなる量子井戸層と第4化合物半導体からなるバリア層とを少なくとも1層ずつ有し、1層の前記量子井戸層と1層の前記バリア層とが交互に積層されて構成され、
前記第3化合物半導体は、Alx3Iny3Ga(1-x3-y3)N(0≦x3≦1、0≦y3≦1)であり、
前記第4化合物半導体は、Alx4Iny4Ga(1-x4-y4)N(0≦x4≦1、0≦y4≦1)であり、
前記第4化合物半導体のバンドギャップエネルギーは、前記第3化合物半導体のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
少なくとも1層の前記バリア層の厚さが1.8nm以上である、量子カスケードレーザ。 - 前記厚さが1.8nm以上であるバリア層は、レーザ上準位を構成する量子井戸層とレーザ下準位を構成する量子井戸層との間に設けられている請求項1に記載の量子カスケードレーザ。
- 前記活性層に含まれる全てのバリア層は、1.8nm以上の厚さを有する請求項1または2に記載の量子カスケードレーザ。
- 前記活性層に含まれる全てのバリア層は、6.5nm以下の厚さを有する請求項1〜3のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
- 前記活性層ユニットのそれぞれは、3層以上の前記量子井戸層と3層以上の前記バリア層とを有する請求項1〜4のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
- 前記活性層ユニットのそれぞれは、3層の前記量子井戸層と3層の前記バリア層とを有する請求項5に記載の量子カスケードレーザ。
- レーザ上準位を構成する量子井戸層の厚さが1.5nm以上3.5nm以下であり、レーザ下準位を構成する量子井戸層の厚さが1.5nm以上3.5nm以下である、請求項1〜6のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
- 前記量子井戸層の主面及び前記バリア層の主面は、それぞれ、面方位(0001)とは異なる面方位を有する請求項1〜7のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
- 前記量子井戸層の主面及び前記バリア層の主面は、それぞれ、面方位(1−100)に対するオフ角が±1°である面方位を有する請求項8に記載の量子カスケードレーザ。
- 前記第1電極若しくは前記第2電極に接合される支持基板、又は、前記第1電極若しくは前記第2電極に電気的に接続される支持基板を更に備える請求項1〜9のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
- 前記第1電極と前記第2電極との間には金属層が設けられている請求項1〜10のいずれかに記載の量子カスケードレーザ。
- 前記金属層は、前記第1コンタクト層及び前記第2コンタクト層のうちの少なくとも1つの内部に設けられている請求項11に記載の量子カスケードレーザ。
- 前記第1コンタクト層及び前記第2コンタクト層のうちの少なくとも1つは、前記金属層をマスクとする選択成長により形成されている請求項12に記載の量子カスケードレーザ。
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