JP6557649B2

JP6557649B2 - 量子カスケードレーザ

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Publication number: JP6557649B2
Application number: JP2016234066A
Authority: JP
Inventors: 真司斎藤; 努角野; 玲橋本; 桂金子
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: JP2018093023A

Description

本発明の実施形態は、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：Quantum Cascade Laser)は、赤外線レーザ光を放出する。

量子カスケードレーザのしきい値電流を低減すると、量子効率や光出力を高めることができる。

しかし、量子カスケードレーザは、発光量子井戸領域を多数カスケード接続した活性層を有する。このため、厚い活性層の垂直方向において光閉じ込めが十分とはいえず、しきい値電流の低減は容易ではない。

特開２０１０−２７８３２６号公報

しきい値電流が低減された量子カスケードレーザを提供する。

実施形態の量子カスケードレーザは、活性層と、第１および第２のクラッド層と、光ガイド層と、を有する。前記活性層は、複数の注入量子井戸領域と複数の発光量子井戸領域とを有する。それぞれの注入量子井戸領域とそれぞれの発光量子井戸領域とは、交互に積層される。前記それぞれの発光量子井戸領域はモノキャリアのサブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出する。前記それぞれの注入量子井戸領域は前記サブバンド間光学遷移後の前記モノキャリアをミニバンド準位へ緩和して下流の発光量子井戸領域に注入する。前記第１および第２のクラッド層は、前記活性層の外側面を両側から挟むように設けられ、前記それぞれの発光量子井戸領域の実効屈折率よりも低い屈折率を有する。前記光ガイド層は、前記活性層を積層方向に２分割しかつ前記第１および第２のクラッド層とは離間する。前記光ガイド層は、前記それぞれの発光量子井戸領域の前記実効屈折率よりも高い屈折率を有し、前記それぞれの発光量子井戸領域の量子井戸層のすべての井戸層の厚さよりも大きい厚さを有する。前記モノキャリアのサブバンド間エネルギー準位差は、前記発光量子井戸領域のバンドギャップエネルギーよりも小さい。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザの垂直方向の光閉じ込めを説明するグラフ図、図１（ｂ）は伝導帯のエネルギー準位を表すグラフ図、である。図２（ａ）は第１比較例にかかる量子カスケードレーザの垂直方向の光閉じ込めを説明するグラフ図、図２（ｂ）は第２比較例にかかる量子カスケードレーザの垂直方向の光閉じ込めを説明するグラフ図、である。図３（ａ）は第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザの模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。図４（ａ）は第１の実施形態の具体例１の相対光強度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図、図４（ｂ）は光ガイド層の厚さに対するしきい値電流依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図、である。第２比較例の具体例の相対光強度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図である。図６（ａ）は第１の実施形態の具体例２の相対光強度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図、図６（ｂ）は光ガイド層の厚さに対するしきい値電流依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図、である。図７（ａ）は第１の実施形態の具体例３の相対光強度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図、図７（ｂ）は光ガイド層の厚さに対するしきい値電流依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザの活性層に対して垂直方向の光閉じ込めを説明するグラフ図、図１（ｂ）は伝導帯のエネルギ準位を表すグラフ図である。
図１（ａ）において、縦軸は屈折率ｎ（実線）および光強度Ｉ_Ｌ（ドット線）を表し、横軸Ｚは半導体層の垂直（積層方向）位置を表す。図１（ａ）に表すように、第１の実施形態の量子カスケードレーザは、活性層２４（２４ａ、２４ｂ）と、第１のクラッド層２３と、第２のクラッド層２６と、光ガイド層２５と、を有する。

図１（ｂ）において、縦軸は伝導帯エネルギー準位を表し、横軸Ｚは垂直位置を表す。図１（ｂ）に表すように、活性層２４は、複数の注入量子井戸領域９０と複数の発光量子井戸領域８０とを有する。活性層２４は、それぞれの注入量子井戸領域９０とそれぞれの発光量子井戸層８０とが交互に積層された積層体を含む。すなわち、１つの注入量子井戸領域９０と１つの発光量子井戸領域８０とのペアを含む単位積層体１００が配列される。すなわち、図１（ａ）において、破線で挟まれた領域は、それぞれ単位積層体１００に対応する。

その配列数は、たとえば、３０〜２００などとされる。それぞれの発光量子井戸領域８０は、電子などのキャリア１０２のサブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出する。また、それぞれの注入量子井戸領域９０はサブバンド間光学遷移後のキャリア１０２をミニバンド準位Ｍへ緩和し、さらに下流の発光量子井戸領域８０に注入する。図１（ｂ）に表すようにキャリア１０２が電子の場合、電子は、注入量子井戸領域９０のミニバンドＭで緩和され（準位Ａ→Ｂ）、発光量子井戸領域８０でサブバンド間遷移によりレーザ光を放出し（準位Ｂ→Ｃ）、下流の注入量子井戸領域９０に注入されたのち緩和される（準位Ｄ）。

光ガイド層２５は、それぞれの発光量子井戸領域８０の実効屈折率よりも高い屈折率を有する。発光量子井戸領域８０の井戸層の厚さおよび障壁層の井戸層の厚さは、レーザ光の波長よりも十分に短い。このため、発光量子井戸領域８０の実効屈折率は、井戸層の屈折率と、井戸層の屈折率よりも低い障壁層の屈折率と、の中間の屈折率である媒質が均一に分布しているものと見なすことができる。通常、屈折率がより高い物質は、バンドギャップエネルギＥｇが小さい傾向にある。この系でも光ガイド層２５のバンドギャップエネルギーは、量子井戸層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。ｐｎ接合レーザダイオードでは、バンドギャップエネルギーＥｇが小さい物質は光吸収層となるため、活性層の中央部に光ガイド層を設けることはない。しかしながら、量子カスケードレーザは、バンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーで発光するため、屈折率が高い物質が活性層２５の中央部に設けられても光吸収が抑制される。

光ガイド層２５は、バンド間光学遷移を発生させる量子井戸を含まないことが好ましい。このため、光ガイド層２５は、それぞれの発光量子井戸領域８０の量子井戸層のうちのすべての井戸層の厚さよりもそれぞれ大きい厚さＴＧを有するものとする。なお、図１（ｂ）では、１つの発光量子井戸領域８０が２つの量子井戸層を有し、大きい方の井戸層の厚さをＴＷで表すと、ＴＧ＞ＴＷとなる。なお、光ガイド層２５の厚さＴＧを１００ｎｍ以上とすると、後にシミュレーションにより説明するように、光閉じ込め効果を高めることができる。他方、活性層２４ａと活性層２４ｂとが離間しすぎると、光帰還作用が弱まる。このため、光ガイド層２５の厚さＴＧを５００ｎｍ以下とすることが好ましい。

また、活性層２４を略２等分に分割するように光ガイド層２５が設けられると、光強度分布を対称に近づけることができるので好ましい。たとえば、カスケード接続する単位積層体１００の数が偶数であれば、光ガイド層２５は単位積層体１００の積層数を２等分するように設ければよい。また、単位積層体１００の積層数が奇数であれば、いずれかの側がわずかに多くなる。但し、単位積層体１００の積層数は、３０〜２００などと多いので、厳密に２分の１に分割しなくともよい。

第１のクラッド層２３および第２のクラッド層２６は、活性層２４を両側から挟むように設けられる。第１および第２のクラッド層２３、２６の屈折率は、それぞれの発光量子井戸領域の実効屈折率よりも低い。

第１の実施形態において、光ガイド層２５を活性層２４の中央部近傍に配置することにより、光閉じ込め効果を強めることができる。このため、しきい値電流が低減され、量子効率および光出力化を高めることができる。

図２（ａ）は第１比較例にかかる量子カスケードレーザの活性層の垂直方向の光閉じ込め効果を説明するグラフ図、図２（ｂ）は第２比較例にかかる量子カスケードレーザの活性層の垂直方向の光閉じ込め効果を説明するグラフ図、である。
図２（ａ）、（ｂ）において、縦軸は屈折率ｎおよび光強度Ｉ_Ｌ、横軸は垂直位置Ｚ、である。図２（ａ）に表す第１比較例の量子カスケードレーザにおいて、活性層１２４は第１クラッド層１２３と第２クラッド層１２６とに挟まれており、注入量子井戸領域の屈折率および発光量子井戸領域の屈折率よりも高い実効屈折率を有する光ガイド層は設けられない。このため、光閉じ込め作用が弱く光強度Ｉ_Ｌの分布は活性層１２４内に広がる。このため、しきい値電流を低減できず高出力化が困難である。

図２（ｂ）に表す第２比較例にかかる量子カスケードレーザにおいて、それぞれの発光量子井戸領域の実効屈折率よりも高い屈折率を有する光ガイド層１２５は、活性層１２４と第１クラッド層１２３との間、および活性層１２４と第２クラッド層１２６との間に設けられる。光ガイド層１２５が設けられるために、第１比較例よりも光閉じ込め作用を強めることができるが、光ガイド層１２５が中央部に配置される第１の実施形態よりも光閉じ込め作用が弱くなる。なお、光閉じ込め作用については、のちにシミュレーション結果に基づいて詳細に説明する。

図３（ａ）は第１の実施形態にかかる量子カスケードレーザの模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
量子カスケードレーザは基板１０をさらに有することができ、基板１０の上にはＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemincal Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用いて結晶成長された積層体２０がさらに設けられる。積層体２０は、ストライプ状のリッジ導波ＲＧに加工される。さらに、基板１０と積層体２０とを覆うように誘電体層４０、４２が設けられる。積層体２０の上面が露出するように誘電体層４０、４２が開口され、第１電極５０が設けられる。また基板１０の裏面には第２電極５２が設けられる。

リッジ導波路ＲＧの幅ＷＡは、たとえば、１０〜５０μｍなどとされる。なお、図３（ｂ）において、リッジ導波路ＲＧの断面は、側面２０ａ、２０ｂを有する矩形で表している。しかし、リッジ導波路ＲＧの形状はこれに限定されず、メサ形であってもよい。

積層体２０は、基板１０の側から、下地層２１、コンタクト層２２、第１クラッド層２３、活性層２４ａ、光ガイド層２５、活性層２４ｂ、第２クラッド層２６、コンタクト層２７、をこの順序に有する。

図３（ａ）に表すように、赤外線〜テラヘルツ波の波長を有するレーザ光６０は、光軸６２に沿って、活性層２４の端面から放出される。

次に、具体例に対して、シミュレーションにより求めた光強度分布としきい値電流を説明する。基板１０はＩｎＰまたはＧａＡｓを含み、発光量子井戸領域８０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）を含む井戸層とＩｎ_ｙＡｌ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）を含む障壁層であるものとする。また、光ガイド層２５は、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）を含むものとする。

図４（ａ）は第１の実施形態の具体例１の相対光強度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図、図４（ｂ）は光ガイド層の厚さに対するしきい値電流依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図、である。
図４（ａ）において、縦軸は屈折率（実線）ｎまたは光強度（破線）Ｉ_Ｌ、横軸は垂直位置Ｚを表す。

（表１）は、具体例１の単位積層体１００を表す。

積層体２０は、基板１０の側から、ｎ形ＩｎＰを含む下地層２１（厚さ：３μｍ、屈折率：２．９７）、ｎ形ＩｎＧａＡｓを含むコンタクト層２２（厚さ：１μｍ、屈折率：３．３４）、ｎ形ＩｎＰを含む第１クラッド層２３（厚さ：２．５μｍ、屈折率：３．０９）、活性層２４ａ（厚さ１．１９μｍ、屈折率：３．２６）、ＩｎＧａＡｓを含む光ガイド層２５（厚さ：０．３μｍ、屈折率：３．４）、活性層２４ｂ（厚さ１．１９μｍ、屈折率：３．２６）、ｎ形ＩｎＰを含む第２クラッド層２６（厚さ：２．５μｍ、屈折率３．０９）、およびｎ形ＩｎＧａＡｓを含むコンタクト層２７（厚さ：１μｍ、屈折率：３．３４）をこの順序で含む。なお、下地層２１は、基板１０の一部であってもよい。なお、コンタクト層２２、２７、光ガイド層２５、活性層２４ａ、２４ｂなどをＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）で構成する場合、モル比ｘを０．５３２近傍にすると、ＩｎＰとの格子整合が容易となり結晶性が良好になる。

図１（ｂ）に表すように、発光量子井戸領域８０は２つ以上の井戸層を有することができる。たとえば、厚い方の井戸層厚さＴＷを４．５ｎｍなどとする。光ガイド層２５の厚さＴＧは０．３μｍであり、井戸層厚さＴＷよりも十分に厚い。このため、光ガイド層２５ではサブバンド間光学遷移は生じない。すなわち、キャリア１０２である電子は発光量子井戸領域８０の井戸層に閉じ込められる。他方、光は、発光量子井戸層８０の実効屈折率よりも高い屈折率を有する光ガイド層２５の近傍に閉じ込められる。井戸層厚さＴＷを４．５ｎｍとすると、利得のピークは、３．７μｍ近傍、４．３μｍ近傍などの赤外線帯となる。

図４（ａ）に表すように、光強度Ｉ_Ｌがピーク値の２分の１となるレーザビームの広がり幅（積層方向）を略１．８μｍと狭くできる。このため、図４（ｂ）のＡ点に表すように、しきい値電流を、略０．３９２ｋＡ／ｃｍ^２と低くできる。このため、量子効率および光出力を高めることができる。また、発光量子井戸領域８０に歪を導入してもよい。たとえば、井戸層をＩｎ_{０．６６９}Ｇａ_{０．３３１}Ａｓ（格子定数がＩｎＰよりも大きい）とし、障壁層をＩｎ_{０．３６２}Ａｌ_{０．６３８}Ａｓ（格子定数がＩｎＰよりも小さい）などとすることができる。このようにすると、たとえば、井戸層と障壁層との間で歪が補償されるので結晶性を良好に保ちつつ、しきい値電流をさらに低減できる。

図５は第２比較例の相対光強度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図である。
図５において、縦軸は屈折率（実線）ｎまたは光強度（破線）Ｉ_Ｌ、横軸は垂直方向の位置Ｚを表す。

（表２）は、第２比較例の単位積層体を表す。

積層体は、基板の側から、ｎ形ＩｎＰを含む下地層１２１（厚さ：３μｍ、屈折率：２．９７）、ｎ形ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１２２（厚さ：１μｍ、屈折率：３．３４）、ｎ形ＩｎＰを含む第１クラッド層１２３（厚さ：２．５μｍ、屈折率：３．０９）、光ガイド層１２５ａ（厚さ：０．３μｍ、屈折率：３．４０）、活性層１２４（厚さ２．３８μｍ、屈折率：３．２６）、光ガイド層１２５ｂ（厚さ：０．３μｍ、屈折率：３．４０）、ｎ形ＩｎＰを含む第２クラッド層１２６（厚さ：２．５μｍ、屈折率３．０９）、およびｎ形ＩｎＧａＡｓを含むコンタクト層１２７（厚さ：１．０μｍ、屈折率：３．３４）をこの順に含む。

光強度Ｉ_Ｌがピーク値の２分の１となるレーザビームの広がり幅（積層方向）は略２．２９μｍと広くなる。このため、しきい値電流は、略０．４９８ｋＡ／ｃｍ^２と高くなり、量子効率および光出力は、具体例１よりも低下する。

図６（ａ）は第１の実施形態の具体例２の相対光強度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図、図６（ｂ）は光ガイド層の厚さに対するしきい値電流依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図、である。
図６（ａ）において、縦軸は屈折率（実線）ｎまたは光強度（破線）Ｉ_Ｌ、横軸は垂直位置Ｚを表す。

（表３）は、具体例２の単位積層体１００を表す。

積層体２０は、基板１０の側から、ｎ形ＩｎＰを含む下地層２１（厚さ：３μｍ、屈折率：２．９７）、ｎ形ＩｎＰを含む第１クラッド層２３（厚さ：２．５μｍ、屈折率：３．０９）、活性層２４ａ（厚さ１．１９μｍ、屈折率：３．２６）、光ガイド層２５（厚さ：０．３μｍ、屈折率：３．４）、活性層２４ｂ（厚さ１．１９μｍ、屈折率：３．２６）、ｎ形ＩｎＰを含む第２クラッド層２６（厚さ：２．５μｍ、屈折率３．０９）、ｎ形ＩｎＧａＡｓを含むコンタクト層２７（厚さ：０．１μｍ、屈折率：３．３４）と配置される。

図６（ａ）に表すように、光強度Ｉ_Ｌがピーク値の２分の１となるレーザビームの広がり幅（積層方向）は略１．８μｍと狭くできる。このため、図６（ｂ）のＢ点に表すように、しきい値電流を、略０．３８４ｋＡ／ｃｍ^２と低くできる。このため、量子効率および光出力を高めることができる。

図７（ａ）は第１の実施形態の具体例３の相対光強度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図、図７（ｂ）は光ガイド層の厚さに対するしきい値電流依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図、である。
図７（ａ）において、縦軸は屈折率（実線）ｎまたは光強度（破線）Ｉ_Ｌ、横軸は垂直位置Ｚを表す。

（表４）は、具体例３の単位積層体を表す。

積層体２０は、基板１０の側から、ｎ形ＩｎＰを含む下地層２１（厚さ：３μｍ、屈折率：２．９７）、ｎ形ＩｎＰを含む第１クラッド層２３（厚さ：２．５μｍ、屈折率：３．０９）、活性層２４ａ（厚さ０．６９μｍ、屈折率：３．２９）、光ガイド層２５（厚さ：０．３μｍ、屈折率：３．４２）、活性層２４ｂ（厚さ０．６９μｍ、屈折率：３．２９）、ｎ形ＩｎＰを含む第２クラッド層２６（厚さ：２．５μｍ、屈折率３．０９）、ｎ形ＩｎＧａＡｓを含むコンタクト層２７（厚さ：０．１μｍ、屈折率：３．３７）をこの順に含む。

図７（ａ）に表すように、光強度Ｉ_Ｌがピーク値の２分の１となるレーザビームの広がり幅（積層方向）は略１．２７μｍと狭くできる。このため、図７（ｂ）のＣ点に表すように、しきい値電流を、略０．２０６ｋＡ／ｃｍ^２と低くできる。このため、量子効率および光出力を高めることができる。

本実施形態により、しきい値電流が低減された量子カスケードレーザが提供される。低しきい値電流とすることにより、量子カスケードレーザの量子効率および光出力を高めることができる。これらの量子カスケードレーザは、ガス分析、環境測定、および危険物質検出などに広く用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０基板、２３クラッド層、２４、２４ａ、２４ｂ活性層、２５光ガイド層、２６クラッド層、８０発光量子井戸領域、９０注入量子井戸領域、１０２キャリア、Ｍミニバンド、ＴＧ光ガイド層の厚さ、ＴＷ（発光量子井戸領域のうち）最も厚い井戸層の厚さ、ｎ屈折率、Ｉ_Ｌ光強度

Claims

複数の注入量子井戸領域と複数の発光量子井戸領域とを有し、それぞれの注入量子井戸領域とそれぞれの発光量子井戸領域とが交互に積層された活性層であって、前記それぞれの発光量子井戸領域はモノキャリアのサブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出し、前記それぞれの注入量子井戸領域は前記サブバンド間光学遷移後の前記モノキャリアをミニバンド準位へ緩和して下流の発光量子井戸領域に注入する、活性層と、
前記活性層の外側面を両側から挟むように設けられ、前記それぞれの発光量子井戸領域の実効屈折率よりも低い屈折率を有する第１および第２のクラッド層と、
前記活性層を積層方向に２分割しかつ前記第１および第２のクラッド層とは離間する光ガイド層であって、前記それぞれの発光量子井戸領域の前記実効屈折率よりも高い屈折率を有し、前記それぞれの発光量子井戸領域の量子井戸層のすべての井戸層の厚さよりも大きい厚さを有する、光ガイド層と、
を備え、
前記モノキャリアのサブバンド間エネルギー準位差は、前記発光量子井戸領域のバンドギャップエネルギーよりも小さい、量子カスケードレーザ。
前記光ガイド層は、前記活性層を積層方向に略２等分するように設けられる、請求項１記載の量子カスケードレーザ。
基板をさらに備え、
前記第１および第２のクラッド層は、前記基板と格子整合する材料を含む、請求項１または２に記載の量子カスケードレーザ。
前記光ガイド層の前記厚さは、１００ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の量子カスケードレーザ。
前記基板は、ＩｎＰを含み、
前記それぞれの発光量子井戸領域は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ(但し、０＜ｘ＜１）を含む井戸層およびＩｎ_ｙＡｌ_１−yＡｓ（但し、０＜ｙ＜１）を含む障壁層を有し、
前記光ガイド層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（但し、０＜ｚ＜１）を含み、
前記第１のクラッド層および前記第２のクラッド層は、ＩｎＰを含む、請求項３記載の量子カスケードレーザ。