JPH10144995A - 量子カスケードレーザを有する物品 - Google Patents
量子カスケードレーザを有する物品Info
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- JPH10144995A JPH10144995A JP28032297A JP28032297A JPH10144995A JP H10144995 A JPH10144995 A JP H10144995A JP 28032297 A JP28032297 A JP 28032297A JP 28032297 A JP28032297 A JP 28032297A JP H10144995 A JPH10144995 A JP H10144995A
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 新たな種類のＱＣレーザを提供する。
【解決手段】 本発明のＱＣレーザは、第１と第２のク
ラッド層と、このクラッド層間のコア領域とを有する。
このコア領域は、ほぼ同一の多層半導体繰り返し単位１
１を複数有し、各繰り返し単位は、活性領域１２とキャ
リア注入領域１３とを有する。活性領域は、上位ミニバ
ンド１７１と、下位ミニバンド１６１を有する超格子領
域を有し、上位ミニバンドと下位ミニバンドとの間にミ
ニギャップが形成される。キャリア注入領域は、ある繰
り返し単位の下位ミニバンドから隣接する下流側の繰り
返し単位の上位ミニバンドへのキャリアの位相が容易と
なるよう選択される。活性領域は波長が３−１５μｍの
範囲にあるよう選択される。
ラッド層と、このクラッド層間のコア領域とを有する。
このコア領域は、ほぼ同一の多層半導体繰り返し単位１
１を複数有し、各繰り返し単位は、活性領域１２とキャ
リア注入領域１３とを有する。活性領域は、上位ミニバ
ンド１７１と、下位ミニバンド１６１を有する超格子領
域を有し、上位ミニバンドと下位ミニバンドとの間にミ
ニギャップが形成される。キャリア注入領域は、ある繰
り返し単位の下位ミニバンドから隣接する下流側の繰り
返し単位の上位ミニバンドへのキャリアの位相が容易と
なるよう選択される。活性領域は波長が３−１５μｍの
範囲にあるよう選択される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、量子カスケード
（quantum cascade（ＱＣ）） レーザに関し、特にこの
ようなレーザを含む物品に関する。
（quantum cascade（ＱＣ）） レーザに関し、特にこの
ようなレーザを含む物品に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年新しいタイプの半導体レーザである
「量子カスケード」即ち「ＱＣ」レーザが発見された。
これに関しては例えば米国特許第５，４５７，７０９号
と第５，５０９，０２５号と米国特許出願０８／８２
５，２８６号（発明の名称 "Article Comprising An El
ectric Field-Tunable Semiconductor Laser", 出願日
１９９７年３月２７日、発明者Capasso et al.）を参照
のこと。
「量子カスケード」即ち「ＱＣ」レーザが発見された。
これに関しては例えば米国特許第５，４５７，７０９号
と第５，５０９，０２５号と米国特許出願０８／８２
５，２８６号（発明の名称 "Article Comprising An El
ectric Field-Tunable Semiconductor Laser", 出願日
１９９７年３月２７日、発明者Capasso et al.）を参照
のこと。
【０００３】公知のＱＣレーザは、ユニポーラ半導体レ
ーザであり、そのコア領域は複数のほぼ同一の繰り返し
ユニットを有し、そして各繰り返しユニットは、１個あ
るいは複数個の量子井戸（カンタムウェル：ＱＷ）を有
する。高エネルギ状態から低エネルギ状態への連続的な
キャリアの遷移は、そのエネルギが繰り返しユニットの
構造とその組成に依存するフォトンの放射となる。この
ためＱＣレーザは、幅広いスペクトル領域の所望の波長
で放射するよう設計できる。具体的に説明すると、ＱＣ
レーザは、中央赤外線（ミドインフラレッド（mid-I
R））のスペクトル領域で少ない放射ソースから放射で
きるよう設計できる。
ーザであり、そのコア領域は複数のほぼ同一の繰り返し
ユニットを有し、そして各繰り返しユニットは、１個あ
るいは複数個の量子井戸（カンタムウェル：ＱＷ）を有
する。高エネルギ状態から低エネルギ状態への連続的な
キャリアの遷移は、そのエネルギが繰り返しユニットの
構造とその組成に依存するフォトンの放射となる。この
ためＱＣレーザは、幅広いスペクトル領域の所望の波長
で放射するよう設計できる。具体的に説明すると、ＱＣ
レーザは、中央赤外線（ミドインフラレッド（mid-I
R））のスペクトル領域で少ない放射ソースから放射で
きるよう設計できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】現在数種類のＱＣレー
ザが知られているがさらに多くの種類のＱＣレーザを得
ることができることは望ましく、これにより幅広い設計
の自由度およびさらに改良された特性を有することがで
きる。したがって本発明の目的は、新たな種類のＱＣレ
ーザを提供することである。
ザが知られているがさらに多くの種類のＱＣレーザを得
ることができることは望ましく、これにより幅広い設計
の自由度およびさらに改良された特性を有することがで
きる。したがって本発明の目的は、新たな種類のＱＣレ
ーザを提供することである。
【０００５】
【用語の定義】本明細書における「量子井戸」（ＱＷ）
等は、第２の有効組成の２つの半導体領域（バリア層）
に挟まれた第１の有効組成の（通常平面上の）半導体領
域を意味する。この第２の有効組成は、第１の有効組成
よりもより大きなバンドギャップエネルギを有する。２
つのバリア層の間の間隔（これが量子井戸の厚さとな
る）は、関連チャージキャリア（通常電子）がＱＷに直
交する方向に量子効果を表すよう選択される。通常キャ
リアエネルギは、ＱＷに直交する方向で量子化され、量
子井戸は、１つあるいは複数のエネルギレベルを示す。
等は、第２の有効組成の２つの半導体領域（バリア層）
に挟まれた第１の有効組成の（通常平面上の）半導体領
域を意味する。この第２の有効組成は、第１の有効組成
よりもより大きなバンドギャップエネルギを有する。２
つのバリア層の間の間隔（これが量子井戸の厚さとな
る）は、関連チャージキャリア（通常電子）がＱＷに直
交する方向に量子効果を表すよう選択される。通常キャ
リアエネルギは、ＱＷに直交する方向で量子化され、量
子井戸は、１つあるいは複数のエネルギレベルを示す。
【０００６】「有効組成」とは、半導体領域，超格子領
域、デジタル的に（ドーパント濃度が）傾斜した合金領
域（digitally graded alloy region） の平均組成を意
味する。有効組成とは、バリア組成とＱＣ組成の厚さに
依存した重み付き平均である。このような領域は、超格
子合金あるいは「デジタル合金」と称する。
域、デジタル的に（ドーパント濃度が）傾斜した合金領
域（digitally graded alloy region） の平均組成を意
味する。有効組成とは、バリア組成とＱＣ組成の厚さに
依存した重み付き平均である。このような領域は、超格
子合金あるいは「デジタル合金」と称する。
【０００７】「超格子」とは、その間にバリア層を有す
る（周期的な）複数（例：５層以上）のＱＷを意味し、
バリア層間の間隔は、キャリアエネルギ状態が個々のＱ
Ｗに局在化せず、超格子領域全体に亘って延在している
ように選択される。デジタル合金は、超格子と見なされ
るが、超格子はＱＣおよびバリア層の厚さによっては、
必ずしもデジタル合金ではない。
る（周期的な）複数（例：５層以上）のＱＷを意味し、
バリア層間の間隔は、キャリアエネルギ状態が個々のＱ
Ｗに局在化せず、超格子領域全体に亘って延在している
ように選択される。デジタル合金は、超格子と見なされ
るが、超格子はＱＣおよびバリア層の厚さによっては、
必ずしもデジタル合金ではない。
【０００８】「ミニバンド」とは、超格子に関連したエ
ネルギ領域を言い、複数の通常幅の狭い局在化していな
いキャリアエネルギ状態を含む。空間的に延在したエネ
ルギ状態が存在することによりミニバンドは、効率的な
キャリア伝送ができる。ある超格子にまたがり、２以上
のミニバンドが存在する場合には、２つの隣接するミニ
バンドは、ミニギャップにより分離されている、即ち、
このエネルギ領域はキャリアエネルギ状態が欠落してい
る。
ネルギ領域を言い、複数の通常幅の狭い局在化していな
いキャリアエネルギ状態を含む。空間的に延在したエネ
ルギ状態が存在することによりミニバンドは、効率的な
キャリア伝送ができる。ある超格子にまたがり、２以上
のミニバンドが存在する場合には、２つの隣接するミニ
バンドは、ミニギャップにより分離されている、即ち、
このエネルギ領域はキャリアエネルギ状態が欠落してい
る。
【０００９】したがってミニギャップ領域を通過するキ
ャリア移送は、トンネル現象により発生し、極めて制限
されたものである。ＱＷ材料とバリア材料を選択する
と、ミニバンド幅とミニギャップ幅は、層の厚さを適宜
選択することにより調整できる。超格子は、公知の成長
技術例えばＭＢＥにより形成できる。
ャリア移送は、トンネル現象により発生し、極めて制限
されたものである。ＱＷ材料とバリア材料を選択する
と、ミニバンド幅とミニギャップ幅は、層の厚さを適宜
選択することにより調整できる。超格子は、公知の成長
技術例えばＭＢＥにより形成できる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、特許請求の範
囲に記載した通りである。本発明は新規のＱＣレーザを
含む物品（例、吸収率測定システム）で実現できる。こ
のＱＣレーザは、第１と第２のクラッド層と、このクラ
ッド層間のコア領域とを有する。コア領域の有効屈折率
は、クラッド領域のそれよりも高く、これらの組み合わ
せが光導波路を形成する。このＱＣレーザは、さらにレ
ーザに電流がよく流れるよう電気接点を有する。
囲に記載した通りである。本発明は新規のＱＣレーザを
含む物品（例、吸収率測定システム）で実現できる。こ
のＱＣレーザは、第１と第２のクラッド層と、このクラ
ッド層間のコア領域とを有する。コア領域の有効屈折率
は、クラッド領域のそれよりも高く、これらの組み合わ
せが光導波路を形成する。このＱＣレーザは、さらにレ
ーザに電流がよく流れるよう電気接点を有する。
【００１１】コア領域は、複数のほぼ同一（即ち、公称
上同一という意味であり、その差異は回避し難い製造プ
ロセスの変動に起因するもののみである）の多層半導体
繰り返しユニット（単位）を有する。各繰り返しユニッ
トは、活性領域とキャリア注入領域とを有する。
上同一という意味であり、その差異は回避し難い製造プ
ロセスの変動に起因するもののみである）の多層半導体
繰り返しユニット（単位）を有する。各繰り返しユニッ
トは、活性領域とキャリア注入領域とを有する。
【００１２】ある繰り返しユニットの活性領域は、その
間にミニギャップを有する上位ミニバンドと下位ミニバ
ンドとを有する強固に結合した超格子領域を有する。上
位エネルギ状態は、上位ミニバンド内（通常その下側エ
ッヂ）にあり、下位エネルギ状態は、下位ミニバンド内
（通常その上側エッヂ）内にある。さらにまたキャリア
注入領域は、ある繰り返しユニットの下位ミニバンドか
ら隣接する（下流側の）繰り返しユニットの上位ミニバ
ンドへのキャリアの移送を容易にするよう選択される。
このキャリア注入領域は、デジタル的に（ドーパント濃
度が）傾斜した合金領域であるが、アナログ的に（ドー
パント濃度が）傾斜した合金領域でもよい。
間にミニギャップを有する上位ミニバンドと下位ミニバ
ンドとを有する強固に結合した超格子領域を有する。上
位エネルギ状態は、上位ミニバンド内（通常その下側エ
ッヂ）にあり、下位エネルギ状態は、下位ミニバンド内
（通常その上側エッヂ）内にある。さらにまたキャリア
注入領域は、ある繰り返しユニットの下位ミニバンドか
ら隣接する（下流側の）繰り返しユニットの上位ミニバ
ンドへのキャリアの移送を容易にするよう選択される。
このキャリア注入領域は、デジタル的に（ドーパント濃
度が）傾斜した合金領域であるが、アナログ的に（ドー
パント濃度が）傾斜した合金領域でもよい。
【００１３】本発明のＱＣレーザ内では電子は、エネル
ギの「階段」を降りるように下がり、上位ミニバンドか
ら下位ミニバンドに１「ステップ」降りる毎に波長λの
フォトンを放出し、そしてキャリア注入領域を導通して
次の「エッヂ」に移動する。
ギの「階段」を降りるように下がり、上位ミニバンドか
ら下位ミニバンドに１「ステップ」降りる毎に波長λの
フォトンを放出し、そしてキャリア注入領域を導通して
次の「エッヂ」に移動する。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明のＱＣレーザは、ユニポー
ラ注入を用いてミニバンド間のレーザ発振遷移現象を示
す。したがって本発明は、従来技術には開示されていな
い新規のレーザ発振遷移現象を用いている。
ラ注入を用いてミニバンド間のレーザ発振遷移現象を示
す。したがって本発明は、従来技術には開示されていな
い新規のレーザ発振遷移現象を用いている。
【００１５】図１は、本発明のＱＣレーザのコア領域の
一部（２５回の繰り返しユニット（単位）の内の２つの
繰り返しユニット）の導電バンドのブロック図を表す。
電子は、トンネル現象によりｎドープの超格子活性領域
の上位ミニバンド内に注入される。レーザ動作（波形矢
印で示す）が上位ミニバンドの底部の充填エネルギ状態
から下位ミニバンドの上部の空乏エネルギ状態の間のミ
ニギャップで発生する。デジタル的に傾斜した（digita
lly graded）ＡｌＩｎＧａＡｓ注入領域は、短周期のｎ
ドープのＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓの超格子を有し、
そのデューティサイクルが変化可能である。
一部（２５回の繰り返しユニット（単位）の内の２つの
繰り返しユニット）の導電バンドのブロック図を表す。
電子は、トンネル現象によりｎドープの超格子活性領域
の上位ミニバンド内に注入される。レーザ動作（波形矢
印で示す）が上位ミニバンドの底部の充填エネルギ状態
から下位ミニバンドの上部の空乏エネルギ状態の間のミ
ニギャップで発生する。デジタル的に傾斜した（digita
lly graded）ＡｌＩｎＧａＡｓ注入領域は、短周期のｎ
ドープのＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓの超格子を有し、
そのデューティサイクルが変化可能である。
【００１６】さらに具体的に説明すると、図１は横軸に
はレーザの層構造に直交する方向の距離を表し、縦軸に
はエネルギ状態を表す２個の繰り返しユニットの導電バ
ンドのエッヂを示している。繰り返しユニット（単位）
１１は、１個の活性領域１２と１個のキャリア注入領域
１３とを有する。１４１は最低注入導電バンドを表し、
１６１，１７１はそれぞれある繰り返しユニットの下位
ミニバンドと上位ミニバンドとを表す。１６２，１７２
は、隣接する下流側の繰り返しユニットの下位ミニバン
ドと上位ミニバンドとを表す。
はレーザの層構造に直交する方向の距離を表し、縦軸に
はエネルギ状態を表す２個の繰り返しユニットの導電バ
ンドのエッヂを示している。繰り返しユニット（単位）
１１は、１個の活性領域１２と１個のキャリア注入領域
１３とを有する。１４１は最低注入導電バンドを表し、
１６１，１７１はそれぞれある繰り返しユニットの下位
ミニバンドと上位ミニバンドとを表す。１６２，１７２
は、隣接する下流側の繰り返しユニットの下位ミニバン
ドと上位ミニバンドとを表す。
【００１７】下位ミニバンド１６１から上位ミニバンド
１７２への電子の移送は、注入導電バンド１４２を介し
て行われる。１５２は注入上側導電バンドである。この
注入上側導電バンド１５２は、ＱＣレーザのレーザ動作
には重要な役割を果たしてはいない。活性領域のミニバ
ンド間のミニギャップの幅は、レーザ発振波長λを決定
する設計パラメータである。図１において、直線の矢印
は下流方向への電子の移送を表し、波形矢印はレーザ発
振遷移を示す。
１７２への電子の移送は、注入導電バンド１４２を介し
て行われる。１５２は注入上側導電バンドである。この
注入上側導電バンド１５２は、ＱＣレーザのレーザ動作
には重要な役割を果たしてはいない。活性領域のミニバ
ンド間のミニギャップの幅は、レーザ発振波長λを決定
する設計パラメータである。図１において、直線の矢印
は下流方向への電子の移送を表し、波形矢印はレーザ発
振遷移を示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】表Ｉは、約８μｍのＩＲ放射を行う本発明
のＱＣレーザの層構造を示す。この構造体は、２５個の
繰り返しユニットを有し、そして各繰り返しユニット
は、デジタル的に傾斜した注入領域と８個の周期の超格
子からなり、１ｎｍ厚さのＡｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓのバリ
ア層と、４．３ｎｍ厚さのＧａ0.47Ｉｎ0.53ＡｓＱＷｓ
からなる。表Ｉから分かるように、層構造はｎ型にドー
プされている。この点は、従来開示されている従来技術
に係るＱＣレーザとは全く異なる点である。従来技術に
係るＱＣレーザでは少なくとも層構造の一部は、ドーピ
ングされていない。本発明のレーザにおいては、ドーピ
ング剤は接点層を除き全てＳｉであり、そして接点層は
Ｓｎである。
のＱＣレーザの層構造を示す。この構造体は、２５個の
繰り返しユニットを有し、そして各繰り返しユニット
は、デジタル的に傾斜した注入領域と８個の周期の超格
子からなり、１ｎｍ厚さのＡｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓのバリ
ア層と、４．３ｎｍ厚さのＧａ0.47Ｉｎ0.53ＡｓＱＷｓ
からなる。表Ｉから分かるように、層構造はｎ型にドー
プされている。この点は、従来開示されている従来技術
に係るＱＣレーザとは全く異なる点である。従来技術に
係るＱＣレーザでは少なくとも層構造の一部は、ドーピ
ングされていない。本発明のレーザにおいては、ドーピ
ング剤は接点層を除き全てＳｉであり、そして接点層は
Ｓｎである。
【００２０】コアとクラッド層の間の導波路有効屈折率
差が層に平行の放射が伝播するのに必要な光閉じ込め機
能を提供する。本発明者等の計算によると、本発明の構
造体の閉じ込め係数Γ＝０．３２で、コアの有効屈折率
ｎeff ＝３．２１である。レーザ発振モードは、ミニバ
ンド間遷移の選択ルールにより必要とされるような層
（ＴＭモード）に直交して極性化されている。
差が層に平行の放射が伝播するのに必要な光閉じ込め機
能を提供する。本発明者等の計算によると、本発明の構
造体の閉じ込め係数Γ＝０．３２で、コアの有効屈折率
ｎeff ＝３．２１である。レーザ発振モードは、ミニバ
ンド間遷移の選択ルールにより必要とされるような層
（ＴＭモード）に直交して極性化されている。
【００２１】上部のクラッド層は、２．４μｍ厚のＡｌ
ＩｎＡｓ層を有する。この厚さは、材料中の長波長のた
め必要なものである。接点層の下の高濃度にドーピング
した６００ｎｍ厚のＧａＩｎＡｓ層は、ＡｌＩｎＡｓク
ラッド層を厚く成長させずにプラズマモード（半導体／
金属接点インタフェースに沿って伝播する）への結合を
低減させることにより、閉じ込め係数Γを上昇させるた
めと導波路損失を低減させるために機能する。これに関
しては、米国特許第５，５０２，７８７号を参照のこ
と。下側クラッド層はＩｎＰ基板である。このような下
側クラッド層（ＩｎＰ）を選択することにより、ＡｌＩ
ｎＡｓを使用する場合に比較して構造体の熱インピーダ
ンスを低減できる。
ＩｎＡｓ層を有する。この厚さは、材料中の長波長のた
め必要なものである。接点層の下の高濃度にドーピング
した６００ｎｍ厚のＧａＩｎＡｓ層は、ＡｌＩｎＡｓク
ラッド層を厚く成長させずにプラズマモード（半導体／
金属接点インタフェースに沿って伝播する）への結合を
低減させることにより、閉じ込め係数Γを上昇させるた
めと導波路損失を低減させるために機能する。これに関
しては、米国特許第５，５０２，７８７号を参照のこ
と。下側クラッド層はＩｎＰ基板である。このような下
側クラッド層（ＩｎＰ）を選択することにより、ＡｌＩ
ｎＡｓを使用する場合に比較して構造体の熱インピーダ
ンスを低減できる。
【００２２】ドープした超格子活性領域のキャリア濃度
の選択は、重要な設計的考慮事項である。この濃度は、
電界が超格子領域に突き抜けるのを最少にし、高電流注
入下（電界誘起局在化現象によりミニバンドを破壊する
ことがある）で形成される空間チャージを最少にするた
め十分大きくなければならない。またキャリア濃度は、
高温（例、室温あるいはそれ以上の温度）でもこれらの
状態の熱的占有を最少にするため、疑似フェルミレベル
が下位ミニバンドの上側よりも十分に下になるように低
く維持しなければならない。これらの事項を考慮する
と、本発明によるＱＣレーザではｎ＝１×１０17ｃｍ-3
を選択することになる。
の選択は、重要な設計的考慮事項である。この濃度は、
電界が超格子領域に突き抜けるのを最少にし、高電流注
入下（電界誘起局在化現象によりミニバンドを破壊する
ことがある）で形成される空間チャージを最少にするた
め十分大きくなければならない。またキャリア濃度は、
高温（例、室温あるいはそれ以上の温度）でもこれらの
状態の熱的占有を最少にするため、疑似フェルミレベル
が下位ミニバンドの上側よりも十分に下になるように低
く維持しなければならない。これらの事項を考慮する
と、本発明によるＱＣレーザではｎ＝１×１０17ｃｍ-3
を選択することになる。
【００２３】各４２．５ｎｍ厚の注入領域は、均一にド
ープした（ｎ＝１×１０17ｃｍ-3）Ａｌ0.48Ｉｎ0.52Ａ
ｓ／Ｇａ0.42Ｉｎ0.53Ａｓの傾斜バンドギャップ超格子
合金で、その周期は一定（５．３ｎｍ）で、ＡｌＩｎＡ
ｓ／ＧａＩｎＡｓの厚さの比率を変化させたものからな
る。適宜の電圧下で注入領域の導電バンドは、平坦なプ
ロファイルとなり、電子は注入領域から超格子内に移送
される。下流側上位活性領域のミニバンドの底部が、注
入領域のミニバンドのそれとほぼ一致すると、下流側上
位活性領域ミニバンドへの強いキャリア注入が発生す
る。
ープした（ｎ＝１×１０17ｃｍ-3）Ａｌ0.48Ｉｎ0.52Ａ
ｓ／Ｇａ0.42Ｉｎ0.53Ａｓの傾斜バンドギャップ超格子
合金で、その周期は一定（５．３ｎｍ）で、ＡｌＩｎＡ
ｓ／ＧａＩｎＡｓの厚さの比率を変化させたものからな
る。適宜の電圧下で注入領域の導電バンドは、平坦なプ
ロファイルとなり、電子は注入領域から超格子内に移送
される。下流側上位活性領域のミニバンドの底部が、注
入領域のミニバンドのそれとほぼ一致すると、下流側上
位活性領域ミニバンドへの強いキャリア注入が発生す
る。
【００２４】本発明のＱＣレーザにおいては、これは１
周期当たり０．３Ｖの印加電圧で、７．５Ｖの全電圧に
相当する。例えば表ＩのＱＣの注入層のシーケンスは、
３．６／１．７／３．３／２．０／３．０／２．３／
２．６／２．７／２．２／３．１／１．９／３．４／
１．６／３．７／１．４／４．０であり、ここで全ての
厚さの単位はｎｍであり、下線部の厚さはＱＷの厚さで
ある。
周期当たり０．３Ｖの印加電圧で、７．５Ｖの全電圧に
相当する。例えば表ＩのＱＣの注入層のシーケンスは、
３．６／１．７／３．３／２．０／３．０／２．３／
２．６／２．７／２．２／３．１／１．９／３．４／
１．６／３．７／１．４／４．０であり、ここで全ての
厚さの単位はｎｍであり、下線部の厚さはＱＷの厚さで
ある。
【００２５】ＩｎＰ基板上の２５ｎｍ厚のデジタル傾斜
領域は、緩和領域として機能する。その層シーケンス
は、０．５／４．５／１．０／４．０／１．５／３．５
／２．０／３．０／２．５／２．５で、全ての厚さの単
位はｎｍで、下線部の厚さはＱＷの厚さである。このＱ
Ｗの組成はＧａ0.47Ｉｎ0.53Ａｓで、バリア層の組成は
Ａｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓである。
領域は、緩和領域として機能する。その層シーケンス
は、０．５／４．５／１．０／４．０／１．５／３．５
／２．０／３．０／２．５／２．５で、全ての厚さの単
位はｎｍで、下線部の厚さはＱＷの厚さである。このＱ
Ｗの組成はＧａ0.47Ｉｎ0.53Ａｓで、バリア層の組成は
Ａｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓである。
【００２６】本発明のＱＣレーザの利点は、レーザ発振
遷移の高発振強度が得られることである。即ち、上位活
性領域のミニバンドの底部における状態と、下位活性領
域ミニバンドの上部における状態との間の直接的放射遷
移が得られることである。この発振の強度は、波ベクト
ルｋz と共に増加する。この波ベクトルは、活性領域超
格子のミニ／ブリリュアンゾーン境界において、最大値
π／ｄを達成する。特に発振機の強度は、バリア層の厚
さが減少すると増加する。例えば、上記のＱＣレーザに
おいては、ｋz ＝π／ｄにおける発振機強度と、ｋz ＝
０における発振機強度の比率は６０である。上記の説明
において、ｄは超格子の周期である。
遷移の高発振強度が得られることである。即ち、上位活
性領域のミニバンドの底部における状態と、下位活性領
域ミニバンドの上部における状態との間の直接的放射遷
移が得られることである。この発振の強度は、波ベクト
ルｋz と共に増加する。この波ベクトルは、活性領域超
格子のミニ／ブリリュアンゾーン境界において、最大値
π／ｄを達成する。特に発振機の強度は、バリア層の厚
さが減少すると増加する。例えば、上記のＱＣレーザに
おいては、ｋz ＝π／ｄにおける発振機強度と、ｋz ＝
０における発振機強度の比率は６０である。上記の説明
において、ｄは超格子の周期である。
【００２７】図２において、層に直交する波ベクトルｋ
z は、ミニゾーン境界ｋz ＝π／ｄにおける値の単位で
ある。下部ミニバンドと上部ミニバンドの計算上の幅
は、それぞれ１４６ｍｅＶと３００ｍｅＶである。波形
矢印は、レーザ発振の遷移を示す。このフォトンエネル
ギは、計算では１５９ｍｅＶとなり、測定結果とよく一
致する。斜線部２１は、下部ミニバンド内の占有電子状
態の範囲を表す。
z は、ミニゾーン境界ｋz ＝π／ｄにおける値の単位で
ある。下部ミニバンドと上部ミニバンドの計算上の幅
は、それぞれ１４６ｍｅＶと３００ｍｅＶである。波形
矢印は、レーザ発振の遷移を示す。このフォトンエネル
ギは、計算では１５９ｍｅＶとなり、測定結果とよく一
致する。斜線部２１は、下部ミニバンド内の占有電子状
態の範囲を表す。
【００２８】測定結果によると、本発明の層構造の蛍光
スペクトラムは、ゾーン境界の光学遷移により支配され
ていることが確認された。これは、ミニバンドの底部以
上の上部ミニバンド内へのキャリア注入にも一般的に当
てはまる。このことは光学フォトンの放射による超高速
ミニバンド緩和（ultrafast intraminiband relaxatio
n）（１ｐｓ以下）に帰属し、ゾーン境界光学遷移の大
きなマトリックス要素（ｚ21は約３．６ｎｍ）に起因す
る。
スペクトラムは、ゾーン境界の光学遷移により支配され
ていることが確認された。これは、ミニバンドの底部以
上の上部ミニバンド内へのキャリア注入にも一般的に当
てはまる。このことは光学フォトンの放射による超高速
ミニバンド緩和（ultrafast intraminiband relaxatio
n）（１ｐｓ以下）に帰属し、ゾーン境界光学遷移の大
きなマトリックス要素（ｚ21は約３．６ｎｍ）に起因す
る。
【００２９】本発明によるＱＣレーザの利点は、活性領
域下位ミニバンドの上部における電子の平均寿命（τ1
は約０．１ｐｓ）は、レーザ発振遷移の上位状態におけ
る電子の散乱時間τ21に比較して無視できる、という事
実により反転分布が確認される点である（τ21は約１０
ｐｓ）。このような大きな差は、ミニバンド内の遷移に
比較してミニバンド間の光学遷移に対する遥かに大きな
運動量移動（momentumtransfer） になる。
域下位ミニバンドの上部における電子の平均寿命（τ1
は約０．１ｐｓ）は、レーザ発振遷移の上位状態におけ
る電子の散乱時間τ21に比較して無視できる、という事
実により反転分布が確認される点である（τ21は約１０
ｐｓ）。このような大きな差は、ミニバンド内の遷移に
比較してミニバンド間の光学遷移に対する遥かに大きな
運動量移動（momentumtransfer） になる。
【００３０】低位エネルギ状態のキャリアの寿命は、ミ
ニバンド内のフォノン放射により制御され短い。３−１
５μｍの範囲内における波長λに対しては、ミニバンド
間の散乱時間よりも遥かに短い。かくして反転分布状態
は、波長に対して不感となり、レーザの設計が容易とな
る。
ニバンド内のフォノン放射により制御され短い。３−１
５μｍの範囲内における波長λに対しては、ミニバンド
間の散乱時間よりも遥かに短い。かくして反転分布状態
は、波長に対して不感となり、レーザの設計が容易とな
る。
【００３１】本発明によるＱＣレーザにおいては、上位
ミニバンドへのキャリアの注入は、図１に示すようにミ
ニバンド間のトンネル現象により行われる。印加電圧が
上位ミニバンドの底部が注入導電バンドの底部とほぼ一
線に並ぶような時、例えば０．３Ｖ／繰り返しユニット
となる時には、上位ミニバンドへの強いキャリア注入が
発生する。
ミニバンドへのキャリアの注入は、図１に示すようにミ
ニバンド間のトンネル現象により行われる。印加電圧が
上位ミニバンドの底部が注入導電バンドの底部とほぼ一
線に並ぶような時、例えば０．３Ｖ／繰り返しユニット
となる時には、上位ミニバンドへの強いキャリア注入が
発生する。
【００３２】上記の層構造を有するウェハが、リソグラ
フ処理によりメサエッチングされた（１０μｍ−２０μ
ｍ）の幅広リッジ導波路に形成される。光学キャビティ
の長さ（１．９ｍｍ）がウェハをへき開することにより
得られた。このようにへき開されたコーティングされて
いない面が、従来と同様光学的フィードバックを与え
る。６個のデバイスをテストしたが、どれも非常に類似
したスペクトラムでもってレーザ発振を行った。
フ処理によりメサエッチングされた（１０μｍ−２０μ
ｍ）の幅広リッジ導波路に形成される。光学キャビティ
の長さ（１．９ｍｍ）がウェハをへき開することにより
得られた。このようにへき開されたコーティングされて
いない面が、従来と同様光学的フィードバックを与え
る。６個のデバイスをテストしたが、どれも非常に類似
したスペクトラムでもってレーザ発振を行った。
【００３３】このデバイスをセラミックフォルダに固定
して、Helitran（登録商標）のフローデュアに搭載し
た。電流パルス（７０ｎ秒の持続時間で、１００ｋＨｚ
の繰り返しレート）がデバイス内に注入され、放射スペ
クトラムをＨｇＣｄＴｅ冷却ディテクタを用いてNicole
t フーリエ変換ＩＲスペクトロメータを用いて記録され
た。図３，４は、その結果を表す。
して、Helitran（登録商標）のフローデュアに搭載し
た。電流パルス（７０ｎ秒の持続時間で、１００ｋＨｚ
の繰り返しレート）がデバイス内に注入され、放射スペ
クトラムをＨｇＣｄＴｅ冷却ディテクタを用いてNicole
t フーリエ変換ＩＲスペクトロメータを用いて記録され
た。図３，４は、その結果を表す。
【００３４】図３の曲線３１−３４は、様々なバイアス
条件即ち（１．４８Ａ，７．５Ｖ），（１．５８Ａ，
７．６Ｖ），（１．６９Ａ，７．６７Ｖ），（１．７１
Ａ，７．７Ｖ）におけるしきい値以下の放射を示す。図
３の曲線３５は、１．７５Ａと７．７３Ｖの放射スペク
トラムを示し、レーザ動作を行っている状態を示す。曲
線３５は、サブしきい値曲線に対し１０3 でスケールダ
ウンしている。１６１ｍｅＶのレーザフォトンエネルギ
は、活性領域のミニギャップの計算値と極めてよく一致
している。
条件即ち（１．４８Ａ，７．５Ｖ），（１．５８Ａ，
７．６Ｖ），（１．６９Ａ，７．６７Ｖ），（１．７１
Ａ，７．７Ｖ）におけるしきい値以下の放射を示す。図
３の曲線３５は、１．７５Ａと７．７３Ｖの放射スペク
トラムを示し、レーザ動作を行っている状態を示す。曲
線３５は、サブしきい値曲線に対し１０3 でスケールダ
ウンしている。１６１ｍｅＶのレーザフォトンエネルギ
は、活性領域のミニギャップの計算値と極めてよく一致
している。
【００３５】図４は、図３のデバイスの１．７２Ａと
７．７Ｖの高解像度のスペクトラムを表す。測定された
縦軸モードの分離（Δexp） は、理論値Δtheoと極めて
よく一致している。
７．７Ｖの高解像度のスペクトラムを表す。測定された
縦軸モードの分離（Δexp） は、理論値Δtheoと極めて
よく一致している。
【００３６】図５は、様々なデバイスの温度におけるピ
ーク光学パワー対駆動電流の関係を表すグラフである。
最適化していないＱＣレーザの最大動作温度は、２４０
Ｋで、その温度における光学パワーは、３０ｍＷであっ
た。
ーク光学パワー対駆動電流の関係を表すグラフである。
最適化していないＱＣレーザの最大動作温度は、２４０
Ｋで、その温度における光学パワーは、３０ｍＷであっ
た。
【００３７】１１μｍで放射するレーザを例に本発明を
説明したが、層の厚さは適宜変化できる点を除いて、レ
ーザは上記のように構成された。そしてレーザ機能は、
予測通りであった。
説明したが、層の厚さは適宜変化できる点を除いて、レ
ーザは上記のように構成された。そしてレーザ機能は、
予測通りであった。
【００３８】
【発明の効果】以上述べたように本発明は、新たな種類
のＱＣレーザを提供するものである。現在数種類のＱＣ
レーザが知られているがさらに多くの種類のＱＣレーザ
を得ることができることは望ましく、これにより幅広い
設計の自由度およびさらに改良された特性を有すること
ができる。
のＱＣレーザを提供するものである。現在数種類のＱＣ
レーザが知られているがさらに多くの種類のＱＣレーザ
を得ることができることは望ましく、これにより幅広い
設計の自由度およびさらに改良された特性を有すること
ができる。
【図１】本発明によるＱＣレーザのコアの一部の導電バ
ンドを表す図
ンドを表す図
【図２】ブリリュアンゾーンを低減したＱＣレーザの超
格子活性領域の下側ミニバンドと上側ミニバンドの計算
上の分布を表すグラフ
格子活性領域の下側ミニバンドと上側ミニバンドの計算
上の分布を表すグラフ
【図３】本発明のＱＣレーザの光学パワー対フォトンエ
ネルギの関係を表すグラフ
ネルギの関係を表すグラフ
【図４】図３のレーザの高解像度スペクトラムを表すグ
ラフ
ラフ
【図５】本発明のＱＣレーザのピーク光学パワー対駆動
電流の関係を表すグラフ
電流の関係を表すグラフ
１１ 繰り返しユニット １２ 活性領域 １３ キャリア注入領域 １４１ 最低注入導電バンド １４２ 注入導電バンド １５２ 注入上側導電バンド １６１，１６２ 下位ミニバンド １７１，１７２ 上位ミニバンド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 アルフレッド イ チョ アメリカ合衆国、07901 ニュージャージ ー、サミット、ケネス コート 11 (72)発明者 ジェローム フェイスト アメリカ合衆国、07076 ニュージャージ ー、スコッチ プレインズ、カントリー クラブ レーン 239 (72)発明者 アルバート リー ハッチンソン アメリカ合衆国、08854 ニュージャージ ー、ピスカータウェイ、リバー ロード 1359 (72)発明者 ゲイタノ スカマーシオ イタリア、70124 バリ、ビア ゲネラル ダラ チエサ 24／ビー (72)発明者 カルロ サートリ アメリカ合衆国、07901 ニュージャージ ー、サミット、ヒルサイド アベニュー ２ (72)発明者 デボラ リー シブコ アメリカ合衆国、07059 ニュージャージ ー、ウォレン、プレインフィールド アベ ニュー 16
Claims (8)
- 【請求項１】 コア領域をその間に挟んだ第１と第２の
クラッド領域と、電流を流すための電気接点とを含む量
子カスケードレーザを有する物品において、 前記コア領域は、ほぼ同一の多層半導体繰り返しユニッ
ト（１１）を複数有し、 各繰り返しユニットは、活性領域（１２）とキャリア注
入領域（１３）とを有し、 前記活性領域は、上位エネルギ状態と下位エネルギ状態
とを有し、 前記上位エネルギ状態から下位エネルギ状態へのキャリ
アの移動が波長λのフォトンを放射し、 （ａ）前記活性領域は、上位ミニバンド（１７１）と、
下位ミニバンド（１６１）を有する超格子領域を有し、 前記上位ミニバンドと下位ミニバンドとの間にミニギャ
ップが形成され、 前記上位エネルギ状態は、上位ミニバンド内にあり、下
位エネルギ状態は、下位ミニバンド内にあり、 （ｂ）前記キャリア注入領域は、ある繰り返しユニット
の下位ミニバンドから隣接する下流側の繰り返しユニッ
トの上位ミニバンドへのキャリアの位相が容易となるよ
う選択されることを特徴とする量子カスケードレーザを
有する物品。 - 【請求項２】 前記活性領域は、波長λが３−１５μｍ
の範囲にあるよう選択されることを特徴とする請求項１
の物品。 - 【請求項３】 前記キャリアは、電子であることを特徴
とする請求項１の物品。 - 【請求項４】 前記コア領域は、１０以上の繰り返しユ
ニットを有することを特徴とする請求項１の物品。 - 【請求項５】 活性領域は、ドープした半導体材料を有
することを特徴とする請求項３の物品。 - 【請求項６】 前記コア領域の有効屈折率は、前記第１
と第２のクラッド領域の有効屈折率よりも大きいことを
特徴とする請求項１の物品。 - 【請求項７】 前記第１と第２のクラッド領域の少なく
とも一方は、二元半導体材料を含むことを特徴とする請
求項６の物品。 - 【請求項８】 前記二元半導体材料はドープしたＩｎＰ
であり、 前記ドープしたＩｎＰは、前記コア領域の基板として機
能することを特徴とする請求項７の物品。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/744,292 US5745516A (en) | 1996-11-06 | 1996-11-06 | Article comprising a unipolar superlattice laser |
| US08/744292 | 1997-04-29 | ||
| US08/841059 | 1997-04-29 | ||
| US08/841,059 US5936989A (en) | 1997-04-29 | 1997-04-29 | Quantum cascade laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10144995A true JPH10144995A (ja) | 1998-05-29 |
| JP3159946B2 JP3159946B2 (ja) | 2001-04-23 |
Family
ID=27114293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28032297A Expired - Fee Related JP3159946B2 (ja) | 1996-11-06 | 1997-10-14 | 量子カスケードレーザを有する物品 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0841731B1 (ja) |
| JP (1) | JP3159946B2 (ja) |
| DE (1) | DE69700103T2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003046202A (ja) * | 2001-05-23 | 2003-02-14 | Akihiro Ishida | 光機能性化合物半導体超格子構造物及びその製造方法 |
| JP2006310784A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-11-09 | National Institute Of Information & Communication Technology | 量子カスケードレーザ |
| JP2007517411A (ja) * | 2003-12-31 | 2007-06-28 | ウイスコンシン アラムニ リサーチ ファンデーション | サブバンド間における中赤外エレクトロルミネセンスのための半導体デバイス |
| WO2008087754A1 (ja) * | 2007-01-18 | 2008-07-24 | Hamamatsu Photonics K.K. | 量子カスケードレーザ |
| US7756178B2 (en) | 2003-02-13 | 2010-07-13 | Hamamatsu Photonics K.K. | Quantum cascade laser |
| WO2011013432A1 (ja) * | 2009-07-31 | 2011-02-03 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケードレーザ |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6137817A (en) * | 1998-06-12 | 2000-10-24 | Lucent Technologies Inc. | Quantum cascade laser |
| US6055254A (en) * | 1998-09-23 | 2000-04-25 | Lucent Technologies Inc. | Quantum cascade light emitter with pre-biased internal electronic potential |
| US6148012A (en) * | 1998-10-21 | 2000-11-14 | Lucent Technologies Inc. | Multiple wavelength quantum cascade light source |
| DE10061234C2 (de) * | 2000-12-08 | 2003-01-16 | Paul Drude Inst Fuer Festkoerp | Unipolarer Halbleiterlaser ohne Injektionsschichten |
| DE10119618A1 (de) * | 2001-04-21 | 2002-10-24 | Univ Konstanz | Optischer Mikro-Gassensor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5509025A (en) * | 1994-04-04 | 1996-04-16 | At&T Corp. | Unipolar semiconductor laser |
-
1997
- 1997-10-14 JP JP28032297A patent/JP3159946B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1997-10-28 EP EP19970308571 patent/EP0841731B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-10-28 DE DE1997600103 patent/DE69700103T2/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003046202A (ja) * | 2001-05-23 | 2003-02-14 | Akihiro Ishida | 光機能性化合物半導体超格子構造物及びその製造方法 |
| US7756178B2 (en) | 2003-02-13 | 2010-07-13 | Hamamatsu Photonics K.K. | Quantum cascade laser |
| JP2007517411A (ja) * | 2003-12-31 | 2007-06-28 | ウイスコンシン アラムニ リサーチ ファンデーション | サブバンド間における中赤外エレクトロルミネセンスのための半導体デバイス |
| JP2006310784A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-11-09 | National Institute Of Information & Communication Technology | 量子カスケードレーザ |
| WO2008087754A1 (ja) * | 2007-01-18 | 2008-07-24 | Hamamatsu Photonics K.K. | 量子カスケードレーザ |
| JP2008177366A (ja) * | 2007-01-18 | 2008-07-31 | Hamamatsu Photonics Kk | 量子カスケードレーザ |
| US8068528B2 (en) | 2007-01-18 | 2011-11-29 | Hamamatsu Photonics K.K. | Quantum cascade laser |
| WO2011013432A1 (ja) * | 2009-07-31 | 2011-02-03 | 浜松ホトニクス株式会社 | 量子カスケードレーザ |
| US8654809B2 (en) | 2009-07-31 | 2014-02-18 | Hamamatsu Photonics K.K. | Quantum cascade laser |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3159946B2 (ja) | 2001-04-23 |
| EP0841731B1 (en) | 1999-01-20 |
| DE69700103T2 (de) | 1999-07-15 |
| EP0841731A1 (en) | 1998-05-13 |
| DE69700103D1 (de) | 1999-03-11 |
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| Scamarcio et al. | Long-wavelength interminiband Fabry-Pérot and distributed feedback quantum cascade lasers |
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