JPH11284287A - 二重波長量子カスケード光子源 - Google Patents
二重波長量子カスケード光子源Info
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- JPH11284287A JPH11284287A JP31153598A JP31153598A JPH11284287A JP H11284287 A JPH11284287 A JP H11284287A JP 31153598 A JP31153598 A JP 31153598A JP 31153598 A JP31153598 A JP 31153598A JP H11284287 A JPH11284287 A JP H11284287A
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- B82—NANOTECHNOLOGY
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、二重波長量子カスケード光子源を
搭載する装置を提供することにある。 【解決手段】 本発明に従う量子カスケード（ＱＣ）光
子源は、２つの別々の波長で、通常は共に中赤外線で、
同時に放出できる。これは、適切なバイアス電圧におい
て、電子が、エネルギー・レベルＥ3に注入され、次
に、動作領域のグランド状態Ｅ1に達する前に中間レベ
ルＥ2に強制的にカスケード接続される、半導体層構造
から実現できる。処理中に、エネルギーＥ3−Ｅ2（波長
λ1）とＥ2−Ｅ1（波長λ2）との光子が放出される。本
発明に従う二重波長光子源は、多種多様な用途に、例え
ば、波長λ1とλ2とにおけるガス・サンプルの吸収量の
決定や、一般的には、サンプルにおける特定の化学合成
物の濃度の決定に使用できる。
搭載する装置を提供することにある。 【解決手段】 本発明に従う量子カスケード（ＱＣ）光
子源は、２つの別々の波長で、通常は共に中赤外線で、
同時に放出できる。これは、適切なバイアス電圧におい
て、電子が、エネルギー・レベルＥ3に注入され、次
に、動作領域のグランド状態Ｅ1に達する前に中間レベ
ルＥ2に強制的にカスケード接続される、半導体層構造
から実現できる。処理中に、エネルギーＥ3−Ｅ2（波長
λ1）とＥ2−Ｅ1（波長λ2）との光子が放出される。本
発明に従う二重波長光子源は、多種多様な用途に、例え
ば、波長λ1とλ2とにおけるガス・サンプルの吸収量の
決定や、一般的には、サンプルにおける特定の化学合成
物の濃度の決定に使用できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、量子カスケード（Ｑ
Ｃ）光子源、及び、このような発生源、代表的なものと
して、レーザ又は発光ダイオードを搭載する装置及びシ
ステムに関する。
Ｃ）光子源、及び、このような発生源、代表的なものと
して、レーザ又は発光ダイオードを搭載する装置及びシ
ステムに関する。
【０００２】政府との契約 本発明は、海軍研究契約番号Ｎ０００１４−９６−Ｃ−
０２８８のもとで政府の支援をえて実施したものであ
る。政府は、本発明の一部の権利を有している。
０２８８のもとで政府の支援をえて実施したものであ
る。政府は、本発明の一部の権利を有している。
【０００３】
【従来技術】最近、“量子カスケード”又は“ＱＣ”レ
ーザと呼ばれる新しい分野の半導体レーザが発見され
た。例えば、ここで全てが引例によって包含されてい
る、米国特許第５，４５７，７０９号、第５，５０９，
０２５号及び第５，５７０，３８６号を参照されたい。
また、ここで共に引例によって包含されている、米国特
許申請０８／８２５，２８６（１９９７年３月２７日提
出）及び０８／７４４，２９２（１９９６年１１月６日
提出）も参照されたい。
ーザと呼ばれる新しい分野の半導体レーザが発見され
た。例えば、ここで全てが引例によって包含されてい
る、米国特許第５，４５７，７０９号、第５，５０９，
０２５号及び第５，５７０，３８６号を参照されたい。
また、ここで共に引例によって包含されている、米国特
許申請０８／８２５，２８６（１９９７年３月２７日提
出）及び０８／７４４，２９２（１９９６年１１月６日
提出）も参照されたい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】“量子カスケード”又
は“ＱＣ”光子源は、比較的小さい有効屈折率の閉込め
領域間に比較的大きい有効屈折率のコア領域を含めて、
光導波路を形成する多層構造を有するユニポーラ半導体
デバイスである。コア領域には通常は等しいリピート・
ユニットが数多く存在し、各リピート・ユニットは動作
領域とキャリア注入領域とを備えている。動作領域には
上方と下方のキャリア・エネルギー状態を呈するように
選択した層が存在するので、キャリアが上方から下方の
エネルギー状態に転移すると、波長λの光子が放出され
る結果になる。キャリア注入領域には、キャリアを、あ
るリピート・ユニットの動作領域の下方エネルギー状態
から、隣接する（下流の）リピート・ユニットの動作領
域の上方エネルギー状態に転移させるように選択した層
構造がある。従って、キャリアは、層構造を移動する
と、上方から下方のエネルギー状態に引き続き転移する
ので、波長λの光子が数多く生成される結果になる。光
子エネルギー（従って、λ）は、リピート・ユニットの
構造的及び組成的な細かい要因に依存し、印加電界又は
分布帰還要素あるいその両方に依存する場合もある。
は“ＱＣ”光子源は、比較的小さい有効屈折率の閉込め
領域間に比較的大きい有効屈折率のコア領域を含めて、
光導波路を形成する多層構造を有するユニポーラ半導体
デバイスである。コア領域には通常は等しいリピート・
ユニットが数多く存在し、各リピート・ユニットは動作
領域とキャリア注入領域とを備えている。動作領域には
上方と下方のキャリア・エネルギー状態を呈するように
選択した層が存在するので、キャリアが上方から下方の
エネルギー状態に転移すると、波長λの光子が放出され
る結果になる。キャリア注入領域には、キャリアを、あ
るリピート・ユニットの動作領域の下方エネルギー状態
から、隣接する（下流の）リピート・ユニットの動作領
域の上方エネルギー状態に転移させるように選択した層
構造がある。従って、キャリアは、層構造を移動する
と、上方から下方のエネルギー状態に引き続き転移する
ので、波長λの光子が数多く生成される結果になる。光
子エネルギー（従って、λ）は、リピート・ユニットの
構造的及び組成的な細かい要因に依存し、印加電界又は
分布帰還要素あるいその両方に依存する場合もある。
【０００５】従来技術のＱＣ光子源は、広いスペクトル
領域の赤外線、普通は３〜１３μｍの波長を放出するよ
うに製作できる。このような発生源（特にレーザ）は、
例えば、微量ガス分析や環境モニタや工業用プロセス制
御や燃焼生成物の判定や医療学的な診断のように、種々
の分野における使用の可能性を秘めている。例えば、
Ｋ．Ｎａｍｊｏｕ等による光学的論文Ｖｏｌ．２３の２
１９頁（１９９８）を参照されたい。
領域の赤外線、普通は３〜１３μｍの波長を放出するよ
うに製作できる。このような発生源（特にレーザ）は、
例えば、微量ガス分析や環境モニタや工業用プロセス制
御や燃焼生成物の判定や医療学的な診断のように、種々
の分野における使用の可能性を秘めている。例えば、
Ｋ．Ｎａｍｊｏｕ等による光学的論文Ｖｏｌ．２３の２
１９頁（１９９８）を参照されたい。
【０００６】使用の可能性がある少なくとも一部の分野
（量子光学的研究）では、２つ以上の波長で放出する半
導体光子源を使用できることが望ましい。一般的に、こ
のような発生源は、少なくとも２つの異なる波長にて光
散乱が評価されかつ比較されねばならない、差動吸収ラ
イダー（ＤＩＡＬ）のような技術に特に効果的である。
“分光技術を用いる大気環境のモニタ”Ｗｉｌｅｙ、ニ
ューヨーク（１９９４）著者Ｍ．Ｓｉｇｒｉｓｔを参照
されたい。加えて、２つの波長で放出する光子に関連性
がある場合、このような発生源は、２つのレーザ放射の
ビート又はヘテロダインを必要とする測定で発生する自
然放出雑音を除去できる。例えば、Ｍ．Ｏ．Ｓｃｕｌｌ
ｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．５５
の２８０２頁（１９８５）を参照されたい。本出願はこ
のような光子源を開示するものである。
（量子光学的研究）では、２つ以上の波長で放出する半
導体光子源を使用できることが望ましい。一般的に、こ
のような発生源は、少なくとも２つの異なる波長にて光
散乱が評価されかつ比較されねばならない、差動吸収ラ
イダー（ＤＩＡＬ）のような技術に特に効果的である。
“分光技術を用いる大気環境のモニタ”Ｗｉｌｅｙ、ニ
ューヨーク（１９９４）著者Ｍ．Ｓｉｇｒｉｓｔを参照
されたい。加えて、２つの波長で放出する光子に関連性
がある場合、このような発生源は、２つのレーザ放射の
ビート又はヘテロダインを必要とする測定で発生する自
然放出雑音を除去できる。例えば、Ｍ．Ｏ．Ｓｃｕｌｌ
ｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．５５
の２８０２頁（１９８５）を参照されたい。本出願はこ
のような光子源を開示するものである。
【０００７】前述の’２８６の出願は、特に、二重波長
放出を可能にする分割電極を有するＱＣレーザを開示し
ている。このようなレーザでは、３つのターミナルが必
要になるので、更に複雑な回路が必要になり、そして、
２つの波長の分離間隔が比較的短くなる。２つ以上の結
合された転移におけるレーザ放出が、色素分子とＨｅＮ
ｅ（ヘリウム・ネオン）ベースのガス混合物で既に観察
されている。Ｈ．ＦｕなどのＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．６０の２６１４頁（１９８８）及び
Ｈ．Ｊ．ＧｅｒｒｉｔｓｅｎなどのＡｐｐ．Ｐｈｓｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．４の２０頁（１９６４）
をそれぞれ参照されたい。
放出を可能にする分割電極を有するＱＣレーザを開示し
ている。このようなレーザでは、３つのターミナルが必
要になるので、更に複雑な回路が必要になり、そして、
２つの波長の分離間隔が比較的短くなる。２つ以上の結
合された転移におけるレーザ放出が、色素分子とＨｅＮ
ｅ（ヘリウム・ネオン）ベースのガス混合物で既に観察
されている。Ｈ．ＦｕなどのＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．６０の２６１４頁（１９８８）及び
Ｈ．Ｊ．ＧｅｒｒｉｔｓｅｎなどのＡｐｐ．Ｐｈｓｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．４の２０頁（１９６４）
をそれぞれ参照されたい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、波長λ1と波
長λ2とで放射エネルギーを放出するように構成した新
規のＱＣ光子源を搭載する装置において具体的に実施さ
れている。一般的にλ1とλ2は赤外線のものである。
長λ2とで放射エネルギーを放出するように構成した新
規のＱＣ光子源を搭載する装置において具体的に実施さ
れている。一般的にλ1とλ2は赤外線のものである。
【０００９】特に、ＱＣ光子源は、基板と基板上に設け
た半導体構造とを具備し、この構造は、基板と垂直な方
向に順に、複数の基本的に等しいリピート・ユニットを
備え、各リピート・ユニットが複数の層を備えている。
ＱＣ光子源は、半導体構造に電気的バイアスを印加する
ために、第１と第２の接触部を更に備えている。
た半導体構造とを具備し、この構造は、基板と垂直な方
向に順に、複数の基本的に等しいリピート・ユニットを
備え、各リピート・ユニットが複数の層を備えている。
ＱＣ光子源は、半導体構造に電気的バイアスを印加する
ために、第１と第２の接触部を更に備えている。
【００１０】上流側と下流側のリピート・ユニット間に
接触状態で設けられた、あるリピート・ユニットが、動
作領域と注入領域とを備えていて、動作領域は上流側と
下流側の障壁層間に設けた少なくとも１つの量子井戸を
具備し、少なくとも１つの量子井戸は、印加バイアスの
もとで、動作領域が少なくとも３つの電子エネルギー・
レベルを維持するように選択されていて、上流側リピー
ト・ユニットの注入部が電子を前記の少なくとも３つの
電子エネルギー・レベルのなかで最大のレベルに注入
し、前述の最大電子エネルギー・レベルからの電子が中
間電子エネルギー・レベルに転移し、中間電子エネルギ
ー・レベルからの電子が前述の少なくとも３つの電子エ
ネルギー・レベルのなかで最小のレベルに転移し、前述
の最小電子エネルギー・レベルからの電子があるリピー
ト・ユニットの注入部を介して下流側リピート・ユニッ
トの最大電子エネルギー・レベルに転移するところが重
要である。波長λ1の光子の放出が最大から中間のエネ
ルギー・レベルに対する転移に付随し、波長λ2の光子
の放出が中間から最小のエネルギー・レベルに対する転
移に付随している。
接触状態で設けられた、あるリピート・ユニットが、動
作領域と注入領域とを備えていて、動作領域は上流側と
下流側の障壁層間に設けた少なくとも１つの量子井戸を
具備し、少なくとも１つの量子井戸は、印加バイアスの
もとで、動作領域が少なくとも３つの電子エネルギー・
レベルを維持するように選択されていて、上流側リピー
ト・ユニットの注入部が電子を前記の少なくとも３つの
電子エネルギー・レベルのなかで最大のレベルに注入
し、前述の最大電子エネルギー・レベルからの電子が中
間電子エネルギー・レベルに転移し、中間電子エネルギ
ー・レベルからの電子が前述の少なくとも３つの電子エ
ネルギー・レベルのなかで最小のレベルに転移し、前述
の最小電子エネルギー・レベルからの電子があるリピー
ト・ユニットの注入部を介して下流側リピート・ユニッ
トの最大電子エネルギー・レベルに転移するところが重
要である。波長λ1の光子の放出が最大から中間のエネ
ルギー・レベルに対する転移に付随し、波長λ2の光子
の放出が中間から最小のエネルギー・レベルに対する転
移に付随している。
【００１１】リピート・ユニットは、それらが実質的に
防止できない製作上の差異の存在のみに因り異なる場合
に“本質的な同一である”とみなされる。
防止できない製作上の差異の存在のみに因り異なる場合
に“本質的な同一である”とみなされる。
【００１２】
【実施例】本発明に従うＱＣ光子源は、２つの別々の波
長で、通常は共に中赤外線で、同時に放出できる。これ
は、適切なバイアス電圧において、電子が、エネルギー
・レベルＥ3に注入され、次に、動作領域のグランド状
態Ｅ1に達する前に中間レベルＥ2に強制的にカスケード
接続される、半導体層構造から実現できる。処理中に、
エネルギーＥ3−Ｅ2（波長λ1）とＥ2−Ｅ1（波長λ2）
との光子が放出される。本発明に従うＱＣ光子源は、た
びたび“レーザ”と呼ばれるが、非レーザ源（代表的に
は、ＬＥＤ）としても使用可能であり、それも“レー
ザ”という用語に含めることを意図している。
長で、通常は共に中赤外線で、同時に放出できる。これ
は、適切なバイアス電圧において、電子が、エネルギー
・レベルＥ3に注入され、次に、動作領域のグランド状
態Ｅ1に達する前に中間レベルＥ2に強制的にカスケード
接続される、半導体層構造から実現できる。処理中に、
エネルギーＥ3−Ｅ2（波長λ1）とＥ2−Ｅ1（波長λ2）
との光子が放出される。本発明に従うＱＣ光子源は、た
びたび“レーザ”と呼ばれるが、非レーザ源（代表的に
は、ＬＥＤ）としても使用可能であり、それも“レー
ザ”という用語に含めることを意図している。
【００１３】図１は、本発明の代表的な実施例を概略的
に示す。リピート・ユニットの全ての伝導帯の末端が、
近くの下流側のリピート・ユニットの動作領域の帯域の
末端と共に図示してある。リピート・ユニットは、ある
リピート・ユニットの障壁層１０から隣接する下流側リ
ピート・ユニットの障壁層１０に延長していると想定さ
れている。これは具体的に説明することだけを意図して
おり、別の構成のリピート・ユニットも可能である。
に示す。リピート・ユニットの全ての伝導帯の末端が、
近くの下流側のリピート・ユニットの動作領域の帯域の
末端と共に図示してある。リピート・ユニットは、ある
リピート・ユニットの障壁層１０から隣接する下流側リ
ピート・ユニットの障壁層１０に延長していると想定さ
れている。これは具体的に説明することだけを意図して
おり、別の構成のリピート・ユニットも可能である。
【００１４】リピート・ユニットの動作領域は上流側障
壁層１０と量子井戸１１と下流側障壁層１２とを備えて
いる。注入部がリピート・ユニットの残りの部分を占め
ており、これについて次に詳細に説明する。量子井戸
は、Ｅ3、Ｅ2及びＥ1として指定される、少なくとも３
つの電子エネルギー・レベルを有するように選択されて
いる。図は、３つのエネルギー・レベルに相応する波動
関数に関して計算された二乗値を示す。波の矢印は、Ｅ
3からＥ2及びＥ2からＥ1への放射遷移を示す。
壁層１０と量子井戸１１と下流側障壁層１２とを備えて
いる。注入部がリピート・ユニットの残りの部分を占め
ており、これについて次に詳細に説明する。量子井戸
は、Ｅ3、Ｅ2及びＥ1として指定される、少なくとも３
つの電子エネルギー・レベルを有するように選択されて
いる。図は、３つのエネルギー・レベルに相応する波動
関数に関して計算された二乗値を示す。波の矢印は、Ｅ
3からＥ2及びＥ2からＥ1への放射遷移を示す。
【００１５】当業者は、ＱＣレーザでは、光導波路が構
成されていて、導波路のコアが多くの（例えば１０以上
の）基本的に等しいリピート・ユニットを具備し、コア
が上方と下方の閉込め領域の間に挟まれていて、閉込め
領域の有効屈折率がコアより小さいことを認めるものと
思われる。閉込め領域について次に説明する。
成されていて、導波路のコアが多くの（例えば１０以上
の）基本的に等しいリピート・ユニットを具備し、コア
が上方と下方の閉込め領域の間に挟まれていて、閉込め
領域の有効屈折率がコアより小さいことを認めるものと
思われる。閉込め領域について次に説明する。
【００１６】ここで述べる本発明の代表的な実施例の半
導体構造は、ＩｎＰ（インジウム・リン）基板に整合す
る格子をもつ、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ（アルミニ
ウム・インジウム・ヒ素／ガリウム・インジウム・ヒ
素）材料系の分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によって成長
したものである。
導体構造は、ＩｎＰ（インジウム・リン）基板に整合す
る格子をもつ、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ（アルミニ
ウム・インジウム・ヒ素／ガリウム・インジウム・ヒ
素）材料系の分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によって成長
したものである。
【００１７】図１では、帯域の末端が６２ｋＶ／ｃｍの
バイアス・フィールドで図示してある。量子井戸１１は
１１ｎｍの厚みであり、障壁１０と１２は、それぞれ
５．５と３．２ｎｍである。注入部は、前段階の緩和領
域として機能する組成物であって（空間電荷効果を防止
するため）ｎ型でドーピング処理された３６．６ｎｍの
デジタル的に等級化された混合物である。注入部の層の
厚み（単位はｎｍ）（図１で左側から右側にかけて）は
次のようであった。すなわち、４．４／１．６*／３．
８／１．８ *／３．４／２．０ *／３．２／２．３ *／
３．２／２．３ *／３．０／２．８ *／２．８であり、Ａ
ｌＩｎＡｓ障壁層が星形であり、下線を引いた層がシリ
コンでドーピング処理されていた（ｎ＝１×１０17／ｃ
ｍ3）。
バイアス・フィールドで図示してある。量子井戸１１は
１１ｎｍの厚みであり、障壁１０と１２は、それぞれ
５．５と３．２ｎｍである。注入部は、前段階の緩和領
域として機能する組成物であって（空間電荷効果を防止
するため）ｎ型でドーピング処理された３６．６ｎｍの
デジタル的に等級化された混合物である。注入部の層の
厚み（単位はｎｍ）（図１で左側から右側にかけて）は
次のようであった。すなわち、４．４／１．６*／３．
８／１．８ *／３．４／２．０ *／３．２／２．３ *／
３．２／２．３ *／３．０／２．８ *／２．８であり、Ａ
ｌＩｎＡｓ障壁層が星形であり、下線を引いた層がシリ
コンでドーピング処理されていた（ｎ＝１×１０17／ｃ
ｍ3）。
【００１８】図１で、“ミニバンド”領域はデジタル的
に等級付けた混合物の帯域のような状態のマニフォルド
のエネルギーと空間的な広がりとを示し、“ミニギャッ
プ”領域はごく僅かな密度の状態の領域のエネルギーと
空間的な度合いとを示している。図１は、注入部のグラ
ンド状態の波動関数に関して計算した二乗値も示す。
に等級付けた混合物の帯域のような状態のマニフォルド
のエネルギーと空間的な広がりとを示し、“ミニギャッ
プ”領域はごく僅かな密度の状態の領域のエネルギーと
空間的な度合いとを示している。図１は、注入部のグラ
ンド状態の波動関数に関して計算した二乗値も示す。
【００１９】図１の構造において、光転移は共に“垂直
方向”であり、大きなダイポール・マトリクス要素（Ｚ
32＝２．７ｍｍ、Ｚ21＝２．３ｍｍ）になる。しかし、
本発明に従うレーザは、次に示すように、垂直方向の転
移に限定されない。
方向”であり、大きなダイポール・マトリクス要素（Ｚ
32＝２．７ｍｍ、Ｚ21＝２．３ｍｍ）になる。しかし、
本発明に従うレーザは、次に示すように、垂直方向の転
移に限定されない。
【００２０】図１の構造では、関連する状態間の中間２
次帯域散乱時間は、光学的光子放出から決まり、大きな
エネルギー分離の場合に長くなる。我々は、τ32＝１．
２４ｐｓ、τ21＝０．８３ｐｓ、τ31＝２．０８ｐｓと
計算した。計算の詳細については、Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ
などの物理学的考察Ｖｏｌ．５０の８６６３頁（１９９
４）を参照されたい。グランド状態Ｅ1の寿命τ1は、注
入部ミニバンドに対するトンネル効果と散乱とから実質
的に決まり、通常は比較的短く、約０．５ｐｓである。
一方で、状態Ｅ3とＥ2とからの脱出率は、これらのエネ
ルギーで電子ブラッグ反射器として作動するために注入
部を形成することによって、比較的小さく保たれる。τ
32＞τ21かつτ21＞τ1なので、２つの光転移のレーザ
作用に不可欠な反転分布に適した条件が満足されること
になる。
次帯域散乱時間は、光学的光子放出から決まり、大きな
エネルギー分離の場合に長くなる。我々は、τ32＝１．
２４ｐｓ、τ21＝０．８３ｐｓ、τ31＝２．０８ｐｓと
計算した。計算の詳細については、Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ
などの物理学的考察Ｖｏｌ．５０の８６６３頁（１９９
４）を参照されたい。グランド状態Ｅ1の寿命τ1は、注
入部ミニバンドに対するトンネル効果と散乱とから実質
的に決まり、通常は比較的短く、約０．５ｐｓである。
一方で、状態Ｅ3とＥ2とからの脱出率は、これらのエネ
ルギーで電子ブラッグ反射器として作動するために注入
部を形成することによって、比較的小さく保たれる。τ
32＞τ21かつτ21＞τ1なので、２つの光転移のレーザ
作用に不可欠な反転分布に適した条件が満足されること
になる。
【００２１】図２は、図１の構造の電界発光スペクトル
を、幾つかの電流密度に対して示す。図から分かるよう
に、２つの別々のピークが観察された。ピークには約８
ＭｅＶの半値全幅があり、８．１μｍ及び１０μｍの波
長に対応するエネルギーのピーク光パワーが、それぞ
れ、Ｅ3−Ｅ2及びＥ2−Ｅ1の転移に対応している。
を、幾つかの電流密度に対して示す。図から分かるよう
に、２つの別々のピークが観察された。ピークには約８
ＭｅＶの半値全幅があり、８．１μｍ及び１０μｍの波
長に対応するエネルギーのピーク光パワーが、それぞ
れ、Ｅ3−Ｅ2及びＥ2−Ｅ1の転移に対応している。
【００２２】電界発光を測定するために、１０個のリピ
ート・ユニットが、半絶縁基板上で、２つの厚いｎ+Ｉ
ｎＧａＡｓ接触層間に挟まれて成長された。この構造
は、次に、湿式化学エッチングにより１２５μｍ直径の
円形メサにされ、放出光を結合するために４５°で押し
込まれた。
ート・ユニットが、半絶縁基板上で、２つの厚いｎ+Ｉ
ｎＧａＡｓ接触層間に挟まれて成長された。この構造
は、次に、湿式化学エッチングにより１２５μｍ直径の
円形メサにされ、放出光を結合するために４５°で押し
込まれた。
【００２３】図２のデータは、適切なバイアスにおい
て、ほぼ全ての電子が、Ｅ2に達する前にＥ3を通過する
ことを示している。ピーク比率が、発信強度と検出効率
とにおける差異が一旦補償され、実質的に１になること
から、これが確認できる。
て、ほぼ全ての電子が、Ｅ2に達する前にＥ3を通過する
ことを示している。ピーク比率が、発信強度と検出効率
とにおける差異が一旦補償され、実質的に１になること
から、これが確認できる。
【００２４】閉込め層間の２５のリピート・ユニット
が、ｎ型でドーピング処理したＩｎＰ基板上で成長さ
れ、動作領域を介してエッチングされたリージ導波路の
１８μｍ幅と３．５ｍｍ長のメサにされた。下方閉込め
領域は７００ｎｍＩｎＧａＡｓ（ｎ＝６×１０16）層を
もち、上方クラッディング領域は、次の層の順で、すな
わち、５００ｎｍのＩｎＧａＡｓ（ｎ＝６×１０16）／
１２００ｎｍのＡｌＩｎＡＳ（ｎ＝２×１０17）／２０
０ｎｍのＡｌＩｎＡｓ（ｎ＝３×１０17）／７００ｎｍ
のＩｎＧａＡｓ（ｎ＝７×１０18）を備えていた。
が、ｎ型でドーピング処理したＩｎＰ基板上で成長さ
れ、動作領域を介してエッチングされたリージ導波路の
１８μｍ幅と３．５ｍｍ長のメサにされた。下方閉込め
領域は７００ｎｍＩｎＧａＡｓ（ｎ＝６×１０16）層を
もち、上方クラッディング領域は、次の層の順で、すな
わち、５００ｎｍのＩｎＧａＡｓ（ｎ＝６×１０16）／
１２００ｎｍのＡｌＩｎＡＳ（ｎ＝２×１０17）／２０
０ｎｍのＡｌＩｎＡｓ（ｎ＝３×１０17）／７００ｎｍ
のＩｎＧａＡｓ（ｎ＝７×１０18）を備えていた。
【００２５】リピート・ユニット動作領域は、５．７ｎ
ｍ上流側障壁と３．２ｎｍ下流側障壁との間で１１．５
ｎｍ量子井戸から構成された。注入層順は、前述と同様
に次のようであった。すなわち、４．４／１．６*／
３．７／１．８ *／３．３／１．９ *／３．１／２．３ *
／３．０／２．７*／３．０であり、ドーピングのｎは
１．５×１０17であった。
ｍ上流側障壁と３．２ｎｍ下流側障壁との間で１１．５
ｎｍ量子井戸から構成された。注入層順は、前述と同様
に次のようであった。すなわち、４．４／１．６*／
３．７／１．８ *／３．３／１．９ *／３．１／２．３ *
／３．０／２．７*／３．０であり、ドーピングのｎは
１．５×１０17であった。
【００２６】図３は、１０Ｋのパルス・モードにおけ
る、前述の代表的なデバイスの光電流と電圧電流の特性
を示している。図４は、スレッショルドのすぐ上のデバ
イスのスペクトルを示す。レーザ放出がＥ3−Ｅ2転移で
発生したことが明らかである。最適な構造が、Ｅ3−Ｅ2
転移におけるレーザ放出になることも予想される。
る、前述の代表的なデバイスの光電流と電圧電流の特性
を示している。図４は、スレッショルドのすぐ上のデバ
イスのスペクトルを示す。レーザ放出がＥ3−Ｅ2転移で
発生したことが明らかである。最適な構造が、Ｅ3−Ｅ2
転移におけるレーザ放出になることも予想される。
【００２７】寿命、特にτ31が、図５に概略的に示す更
なる代表的な実施例で改善されている。リピート・ユニ
ットの動作領域は、厚みが５．４ｎｍのＡｌＩｎＡｓ障
壁５０と、厚みが２．２ｎｍの井戸５１と、厚みが２．
２ｎｍの障壁５２と、厚みが８．８ｎｍの井戸５３と、
厚みが２．４ｎｍの障壁５４とから構成される。図から
分かるように、Ｅ3−Ｅ2転移は実空間で明らかに対角線
方向になり、Ｅ2−Ｅ1転移は垂直方向である。本発明に
従う構造は、必要に応じて、両方の転移が対角線方向に
なるように製作することもできる。
なる代表的な実施例で改善されている。リピート・ユニ
ットの動作領域は、厚みが５．４ｎｍのＡｌＩｎＡｓ障
壁５０と、厚みが２．２ｎｍの井戸５１と、厚みが２．
２ｎｍの障壁５２と、厚みが８．８ｎｍの井戸５３と、
厚みが２．４ｎｍの障壁５４とから構成される。図から
分かるように、Ｅ3−Ｅ2転移は実空間で明らかに対角線
方向になり、Ｅ2−Ｅ1転移は垂直方向である。本発明に
従う構造は、必要に応じて、両方の転移が対角線方向に
なるように製作することもできる。
【００２８】図５の対角線状の転移は、７３ｋＶ／ｃｍ
の設計バイアス・フィールドで、次のような計算された
寿命、τ32＝３．２ｐｓ、τ21＝１ｐｓ、τ31＝１１．
２ｐｓを有し、Ｅ3の状態での２．５ｐｓの寿命がをも
たらする。ダイポールと時間との値は、Ｅ3−Ｅ2転移の
対角線方向の特長から、印加電界に依存する。１つの対
角線方向の転移をもつ構造における寿命τ32／τ21の大
きな比率が、２つの垂直方向の転移をもつ構造の同じ比
率と比較して、小さいポンプ電流でレーザ作用の励起を
促すことになる。
の設計バイアス・フィールドで、次のような計算された
寿命、τ32＝３．２ｐｓ、τ21＝１ｐｓ、τ31＝１１．
２ｐｓを有し、Ｅ3の状態での２．５ｐｓの寿命がをも
たらする。ダイポールと時間との値は、Ｅ3−Ｅ2転移の
対角線方向の特長から、印加電界に依存する。１つの対
角線方向の転移をもつ構造における寿命τ32／τ21の大
きな比率が、２つの垂直方向の転移をもつ構造の同じ比
率と比較して、小さいポンプ電流でレーザ作用の励起を
促すことになる。
【００２９】図６は、前述のように、１０のリピート・
ユニットをもつサンプル上における電界発光の測定結果
を示す。２つの明確なピークがあり、約８μｍ及び１０
μｍにおける最大値が、Ｅ2−Ｅ1及びＥ3−Ｅ2エネルギ
ーにそれぞれ正確に対応している。
ユニットをもつサンプル上における電界発光の測定結果
を示す。２つの明確なピークがあり、約８μｍ及び１０
μｍにおける最大値が、Ｅ2−Ｅ1及びＥ3−Ｅ2エネルギ
ーにそれぞれ正確に対応している。
【００３０】リージ導波路は、３０のリピート・ユニッ
トと３×１０7でドーピング処理した注入部とを具備す
るアナログ層構造から製作された。下部閉込め層は、６
８０ｎｍのＩｎＧａＡｓであり、ｎ＝６×１０16でドー
ピング処理した。上部閉込め層は、３３０ｎｍのＩｎＧ
ａＡｓ（ｎ＝６×１０16）／１５００ｎｍのＡｌＩｎＡ
ｓ（ｎ＝１．２×１０17）／１１００ｎｍのＡｌＩｎＡ
ｓ（ｎ＝３×１０17）／７００ｎｍのＩｎＧａＡｓ（ｎ
＝５×１０18）だった。レーザ作用は、対角線方向の転
移で、２２０Ｋまで、パルス・モードで実施できた。こ
の最適化により、相関出力をもつ二重波長デバイスを実
現できることが期待される。
トと３×１０7でドーピング処理した注入部とを具備す
るアナログ層構造から製作された。下部閉込め層は、６
８０ｎｍのＩｎＧａＡｓであり、ｎ＝６×１０16でドー
ピング処理した。上部閉込め層は、３３０ｎｍのＩｎＧ
ａＡｓ（ｎ＝６×１０16）／１５００ｎｍのＡｌＩｎＡ
ｓ（ｎ＝１．２×１０17）／１１００ｎｍのＡｌＩｎＡ
ｓ（ｎ＝３×１０17）／７００ｎｍのＩｎＧａＡｓ（ｎ
＝５×１０18）だった。レーザ作用は、対角線方向の転
移で、２２０Ｋまで、パルス・モードで実施できた。こ
の最適化により、相関出力をもつ二重波長デバイスを実
現できることが期待される。
【００３１】二重波長量子カスケード光子源は、多種多
様な用途に、例えば、波長λ1とλ２とにおけるガス・
サンプルの吸収量の決定や、一般的には、測定サンプル
における特定の化学合成物の濃度の決定に使用できる。
図７はこのような測定装置７０を概略的に示しており、
参照番号７１〜７３はそれぞれ二重波長光子源、サンプ
ル及び検出器を表している。測定サンプルは、測定セル
に閉込めたり、又は閉込めずに実施することができる。
様な用途に、例えば、波長λ1とλ２とにおけるガス・
サンプルの吸収量の決定や、一般的には、測定サンプル
における特定の化学合成物の濃度の決定に使用できる。
図７はこのような測定装置７０を概略的に示しており、
参照番号７１〜７３はそれぞれ二重波長光子源、サンプ
ル及び検出器を表している。測定サンプルは、測定セル
に閉込めたり、又は閉込めずに実施することができる。
【図１】本発明に従う二重波長光子源の伝導帯の末端の
関連部を概略的に示す図である。
関連部を概略的に示す図である。
【図２】図１に従う発生源に関する放出光パワーと光子
エネルギーの代表的なデータを示す図である。
エネルギーの代表的なデータを示す図である。
【図３】電圧と放出光パワーと電流とに関する代表的な
データを示す図である。
データを示す図である。
【図４】放出光パワーと波長に関する代表的なデータを
示す図である。
示す図である。
【図５】本発明に従う更なる二重波長光子源の伝導帯の
末端の関連部を概略的に示す図である。
末端の関連部を概略的に示す図である。
【図６】図５に従う発生源に関する放出光パワーと光子
エネルギーの代表的なデータを示す図である。
エネルギーの代表的なデータを示す図である。
【図７】本発明に従う代表的な測定装置を概略的に示す
図である。
図である。
１０ 障壁層 １１ 量子井戸 １２ 下流側障壁層 ５０ ＡｌＩｎＡｓ障壁 ５１，５３ 井戸 ５２，５４ 障壁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルフレッド イー． チョー アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，ケネス コート 11 (72)発明者 ジェローム ファイスト スイス国 シーエッチ−2000 ニューチャ テル，ファウボーグ デュ ラック 31 (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 ニュージャーシ ィ，ピスカッタウェイ，リヴァー ロード 1359 (72)発明者 カルロ シルトリ フランス国 75013 パリ，リュー ブー ト ８ (72)発明者 デボラー リー シヴコ アメリカ合衆国 07059 ニュージャーシ ィ，ウォーレン，プレインフィード アヴ ェニュー 16 (72)発明者 アレサンドロ トレディクッチ アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，ヒルサイド アヴェニュー ２
Claims (8)
- 【請求項１】 基板と該基板上に設けた半導体構造とを
具備する量子カスケード光子源を搭載する装置であっ
て、該半導体構造は、該基板と垂直な方向に順に、複数
の本質的に同一のリピート・ユニットを備え、各々リピ
ート・ユニットが複数の層を備え、該光子源は、該半導
体構造に電気的バイアスを印加するための第１及び第２
の接触部を更に備えていて、 上流側リピート・ユニットと下流側リピート・ユニット
との間に接触状態で設けた所与のリピート・ユニット
が、動作領域と注入領域とを備えていて、 該動作領域は、上流側と下流側の障壁層間に設けた少な
くとも１つの量子井戸を具備し、 該少なくとも１つの量子井戸は、印加バイアスのもと
で、動作領域が少なくとも３つの電子エネルギー・レベ
ルを維持するように選択されていて、 該上流側リピート・ユニットの注入部からの電子が、該
少なくとも３つのエネルギー・レベルのなかで最大のレ
ベルに注入され、 該最大エネルギー・レベルからの電子が中間エネルギー
・レベルに転移し、 該中間エネルギー・レベルからの電子が、該少なくとも
３つのエネルギー・レベルのなかで最小のレベルに転移
し、 該最小エネルギー・レベルからの電子が、該所与のリピ
ート・ユニットの注入部を介して該下流側リピート・ユ
ニットの最大エネルギー・レベルに転移し、 波長λ1の光子の放出が該最大エネルギー・レベルから
該中間エネルギー・レベルへの該転移に付随し、波長λ
2の光子の放出が該中間エネルギー・レベルから該最小
エネルギー・レベルへの該転移に付随することを特徴と
する装置。 - 【請求項２】 該量子カスケード光子源が、量子カスケ
ード・レーザである請求項１に記載の装置。 - 【請求項３】 該量子カスケード光子源が、量子カスケ
ード発光ダイオードである請求項２に記載の装置。 - 【請求項４】 該最大エネルギー・レベルから中間エネ
ルギー・レベルへの転移及び該中間エネルギー・レベル
から最小エネルギー・レベルへの転移の各々が、垂直方
向の転移である請求項１に記載の装置。 - 【請求項５】 該最大エネルギー・レベルから中間エネ
ルギー・レベルへの転移が、対角線方向の転移である請
求項１に記載の装置。 - 【請求項６】 該中間エネルギー・レベルから最小エネ
ルギー・レベルへの転移が対角線方向の転移である請求
項５に記載の装置。 - 【請求項７】 該半導体構造が１１以上の本質的に同一
のリピート・ユニットを搭載している請求項１に記載の
装置。 - 【請求項８】 該装置が波長λ1とλ2とにおけるガス状
測定サンプルの吸収量を測定する計器であり、該計器
は、請求項１に記載の二重波長量子カスケード光子源
と、それぞれ、波長λ1及びλ2の放射を検出する１つ又
は複数の検出器とを搭載している請求項１に記載の装
置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/033250 | 1998-03-02 | ||
| US09/033,250 US6144681A (en) | 1998-03-02 | 1998-03-02 | Article comprising a dual-wavelength quantum cascade photon source |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11284287A true JPH11284287A (ja) | 1999-10-15 |
Family
ID=21869351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31153598A Pending JPH11284287A (ja) | 1998-03-02 | 1998-11-02 | 二重波長量子カスケード光子源 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6144681A (ja) |
| EP (1) | EP0948106A1 (ja) |
| JP (1) | JPH11284287A (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6404791B1 (en) | 1999-10-07 | 2002-06-11 | Maxion Technologies, Inc. | Parallel cascade quantum well light emitting device |
| US6795467B2 (en) | 2001-04-04 | 2004-09-21 | Lucent Technologies Inc. | Technique for measuring intersubband electroluminescence in a quantum cascade laser |
| US6829269B2 (en) | 2002-05-21 | 2004-12-07 | University Of Massachusetts | Systems and methods using phonon mediated intersubband laser |
| US20040109692A1 (en) * | 2002-12-09 | 2004-06-10 | James Plante | FSO communication systems having high performance detectors |
| US7010010B2 (en) | 2003-06-19 | 2006-03-07 | Lucent Technologies, Inc. | Broadband cascade light emitters |
| DE102007002819B4 (de) * | 2007-01-19 | 2008-10-16 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Unipolarer Quantenkaskaden-Laser hoher Effizienz |
| US20080273565A1 (en) * | 2007-05-04 | 2008-11-06 | Gmachl Claire F | Excited state quantum cascade photon source |
| EP2096459B1 (de) * | 2008-02-29 | 2017-11-01 | OSRAM Opto Semiconductors GmbH | Sensorsystem mit einer Beleuchtungseinrichtung und einer Detektoreinrichtung |
| US20120091916A1 (en) | 2010-10-14 | 2012-04-19 | Humboldt-Universitat Zu Berlin | Radiation source |
| US8957376B1 (en) * | 2013-08-07 | 2015-02-17 | Bah Holdings, Llc | Optopairs with temperature compensable electroluminescence for use in optical gas absorption analyzers |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5457709A (en) * | 1994-04-04 | 1995-10-10 | At&T Ipm Corp. | Unipolar semiconductor laser |
| US5509025A (en) * | 1994-04-04 | 1996-04-16 | At&T Corp. | Unipolar semiconductor laser |
| US5570386A (en) * | 1994-04-04 | 1996-10-29 | Lucent Technologies Inc. | Semiconductor laser |
| US5999553A (en) * | 1997-11-25 | 1999-12-07 | Xerox Corporation | Monolithic red/ir side by side laser fabricated from a stacked dual laser structure by ion implantation channel |
-
1998
- 1998-03-02 US US09/033,250 patent/US6144681A/en not_active Expired - Lifetime
- 1998-10-27 EP EP98308790A patent/EP0948106A1/en not_active Withdrawn
- 1998-11-02 JP JP31153598A patent/JPH11284287A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0948106A1 (en) | 1999-10-06 |
| US6144681A (en) | 2000-11-07 |
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