TWI667854B

TWI667854B - 量子級聯雷射

Info

Publication number: TWI667854B
Application number: TW106146314A
Authority: TW
Inventors: 斎藤真司; 角野努; 橋本玲; 金子桂
Original assignee: 日商東芝股份有限公司
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-08-01
Also published as: TW201931708A

Abstract

本發明之量子級聯雷射具有：活性層、第1及第2被覆層、及光引導層。活性層具有複數個注入量子井區域與複數個發光量子井區域。各個注入量子井區域與各個發光量子井區域交替積層。上述第1及第2被覆層以自兩側夾著上述活性層之方式設置，且具有低於上述各個發光量子井區域之實效折射率之折射率。上述光引導層以於積層方向上將上述活性層分割為2之方式配置。上述光引導層具有高於上述各個發光量子井區域之上述實效折射率之折射率，且具有大於上述各個發光量子井區域之量子井層之所有井層之厚度的厚度。

Description

量子級聯雷射

本發明之實施形態係關於一種量子級聯雷射。

量子級聯雷射(QCL：Quantum Cascade Laser)放出紅外線雷射光。

當降低量子級聯雷射之臨界值電流時，可提高量子效率或光輸出。

然而，量子級聯雷射具有發光量子井區域經大量級聯連接而成之活性層。因此，於較厚之活性層之垂直方向上光封閉不夠充分，而難以降低臨界值電流。

實施形態之量子級聯雷射具有：活性層、第1及第2被覆層、及光引導層。上述活性層具有複數個注入量子井區域與複數個發光量子井區域。各個注入量子井區域與各個發光量子井區域交替積層。上述各個發光量子井區域藉由載子之次頻帶間光學轉移而放出雷射光。上述各個注入量子井區域將上述次頻帶間光學轉移後之上述載子向微頻帶位準鬆弛而注入至下游之發光量子井區域。上述第1及第2被覆層以自兩側夾著上述活性層之方式設置，且具有低於上述各個發光量子井區域之實效折射率之折射率。上述光引導層係以於積層方向上將上述活性層分割為2之方式配置。上述光引導層具有高於上述各個發光量子井區域之上述實效折射率之折射率，且具有大於上述各個發光量子井區域之量子井層之所有井層之厚度的厚度。

10‧‧‧基板

20‧‧‧積層體

20a‧‧‧側面

20b‧‧‧側面

21‧‧‧基底層

22‧‧‧接觸層

23‧‧‧第1被覆層

24‧‧‧活性層

24a‧‧‧活性層

24b‧‧‧活性層

25‧‧‧光引導層

26‧‧‧第2被覆層

27‧‧‧接觸層

40‧‧‧介電層

42‧‧‧介電層

50‧‧‧第1電極

52‧‧‧第2電極

60‧‧‧雷射光

62‧‧‧光軸

80‧‧‧發光量子井區域

90‧‧‧注入量子井區域

100‧‧‧單位積層體

102‧‧‧載子

121‧‧‧基底層

122‧‧‧接觸層

123‧‧‧第1被覆層

124‧‧‧活性層

125‧‧‧光引導層

125a‧‧‧光引導層

125b‧‧‧光引導層

126‧‧‧第2被覆層

127‧‧‧接觸層

A‧‧‧位準

A‧‧‧點

A-A‧‧‧線

B‧‧‧位準

B‧‧‧點

C‧‧‧位準

C‧‧‧點

D‧‧‧位準

I_L‧‧‧光強度

M‧‧‧微頻帶

n‧‧‧折射率

RG‧‧‧凹形波導

TG‧‧‧厚度

TW‧‧‧厚度

WA‧‧‧寬度

Z‧‧‧垂直位置

Z‧‧‧橫軸

圖1(a)係說明第1實施形態之量子級聯雷射之垂直方向之光封閉的圖表圖，圖1(b)係表示傳導帶之能量位準之圖表圖。

圖2(a)係說明第1比較例之量子級聯雷射之垂直方向之光封閉的圖表圖，圖2(b)係說明第2比較例之量子級聯雷射之垂直方向之光封閉的圖表圖。

圖3(a)係第1實施形態之量子級聯雷射之模式立體圖，圖3(b)係沿著A-A線之模式剖視圖。

圖4(a)係表示第1實施形態之具體例1之相對光強度分佈之模擬結果的圖表圖，圖4(b)係表示臨界值電流對光引導層之厚度之依存性之模擬結果的圖表圖。

圖5係表示第2比較例之具體例之相對光強度分佈之模擬結果的圖表圖。

圖6(a)係表示第1實施形態之具體例2之相對光強度分佈之模擬結果的圖表圖，圖6(b)係表示臨界值電流對光引導層之厚度之依存性之模擬結果的圖表圖。

圖7(a)係表示第1實施形態之具體例3之相對光強度分佈之模擬結果的圖表圖，圖7(b)係表示臨界值電流對光引導層之厚度之依存性之模擬結果的圖表圖。

以下，一面參照圖式一邊對本發明之實施形態進行說明。

圖1(a)係說明第1實施形態之量子級聯雷射之相對於活性層垂直方向之光封閉之圖表圖，圖1(b)係表示傳導帶之能量位準的圖表圖。

於圖1(a)中，縱軸表示折射率n(實線)及光強度I_L(虛線)，橫軸Z表示半導體層之垂直(積層方向)位置。如圖1(a)所示，第1實施形態之量子級聯雷射具有活性層24(24a、24b)、第1被覆層23、第2被覆層26、及光引導層25。

於圖1(b)中，縱軸表示傳導帶能量位準，橫軸Z表示垂直位置。如圖1(b)所示，活性層24具有複數個注入量子井區域90與複數個發光量子井區域80。活性層24包含將各個注入量子井區域90與各個發光量子井區域80交替積層之積層體。即，排列包含1個注入量子井區域90與1個發光量子井區域80之對之單位積層體100。即，於圖1(a)中，夾在虛線之間之區域對應於各個單位積層體100。

該排列數設為例如30~200等。各個發光量子井區域80藉由電子等載子102之次頻帶間光學轉移而放出雷射光。又，各個注入量子井區域90將次頻帶間光學轉移後之載子102向微頻帶位準M鬆弛，進而注入至下游之發光量子井區域80。如圖1(b)所示，於載子102為電子之情形時，電子以注入量子井區域90之微頻帶M鬆弛(位準A→B)，於發光量子井區域80藉由次頻帶間轉移放出雷射光(位準B→C)，於注入至下游之注入量子井區域90後被鬆弛(位準D)。

光引導層25具有高於各個發光量子井區域80之實效折射率之折射率。發光量子井區域80之井層厚度及障壁層之井層厚度充分短於雷射光之波長。因此，發光量子井區域80之實效折射率可視為均一分佈有折射率為井層折射率、與低於井層折射率之障壁層折射率之中間折射率的媒介者。通常，有折射率越高之物質帶隙能量Eg越小之傾向。於該系統中，光引導層25之帶隙能量亦小於量子井層之帶隙能量。於pn接合雷射二極體中，由於帶隙能量Eg較小之物質成為光吸收層，故無須於活性層之中央部設置光引導層。然而，量子級聯係由於以小於帶隙能量之能量發光，故即使將折射率較高之物質設置於活性層25之中央部亦抑制光吸收。

光引導層25較佳不包含產生頻帶間光學轉移之量子井。因此，光引導層25具有分別大於各個發光量子井區域80之量子井層中所有井層之厚度的厚度TG。另，於圖1(b)中，1個發光量子井區域80具有2個量子井層，若以TW表示較大之井層之厚度，則TG>TW。另，於將光引導層25之厚度TG設為100nm以上時，如後續利用模擬說明般，可提高光封閉效果。另一方面，若活性層24a與活性層24b過度分開，則光反饋作用較弱。因此，較佳將光引導層25之厚度TG設為500nm以下。

又，若以將活性層24分割為大致2等分之方式設置光引導層25，則由於可使光強度分佈接近對稱故而較佳。例如，若級聯連接之單位積層體100之數為偶數，則以將單位積層體100之積層數2等分之方式設置光引導層25即可。又，若單位積層體100之積層數為奇數，則任意一側會略多。然而，由於單位積層體100之積層數多達30~200等，故亦可不嚴格地分割為二分之一。

第1被覆層23及第2被覆層26以自兩側夾著活性層24之方式設置。第1及第2被覆層23、26之折射率低於各個發光量子井區域之實效折射率。

於第1實施形態中，可藉由將光引導層25配置於活性層24之中央部附近而增強光封閉效果。因此，可降低臨界值電流，提高量子效率及光輸出化。

圖2(a)係說明第1比較例之量子級聯雷射之活性層之垂直方向之光封閉效果的圖表圖，圖2(b)係說明第2比較例之量子級聯雷射之活性層之垂直方向之光封閉效果的圖表圖。

於圖2(a)、(b)中，縱軸係折射率n及光強度I_L，橫軸係垂直位置Z。於圖2(a)所示之第1比較例之量子級聯雷射中，將活性層124夾於第1被覆層123與第2被覆層126之間，且不設置具有高於注入量子井區域之折射率及發光量子井區域之折射率之實效折射率的光引導層。因此，光封閉作用較弱之光強度I_L之分佈擴展至活性層124內。因此，無法降低臨界值電流而難以實現高輸出化。

於圖2(b)所示之第2比較例之量子級聯雷射中，將具有高於各個發光量子井區域之實效折射率之折射率的光引導層125設置於活性層124與第1被覆層123之間、及活性層124與第2被覆層126之間。由於設置光引導層125，故較第1比較例可增強光封閉作用，但光封閉作用較將光引導層125配置於中央部之第1實施形態為弱。另，關於光封閉作用，隨後基於模擬結果詳細地進行說明。

量子級聯雷射可進而具有基板10，且進而於基板10上使用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金屬化學氣相沈積)法或MBE(Molecular Beam Epitaxy：分子束磊晶)法設置經磊晶成長之積層體20。將積層體20加工成條狀之凹形波導RG。再者，以覆蓋基板10與積層體20之方式設置介電層40、42。以積層體20之上表面露出之方式將介電層40、42開口，且設置第1電極50。又，於基板10之背面設置第2電極 52。

凹形波導路徑RG之寬度WA設為例如10~50μm等。另，於圖3(b)中，凹形波導路徑RG之剖面以具有側面20a、20b之矩形表示。然而，凹形波導路徑RG之形狀不限定於此，亦可為台面形。

積層體20自基板10之側起依序具有基底層21、接觸層22、第1被覆層23、活性層24a、光引導層25、活性層24b、第2被覆層26、接觸層27。

如圖3(a)所示，具有紅外線~太赫茲波之波長之雷射光60沿著光軸62自活性層24之端面放出。

接著，針對具體例，說明利用模擬求出之光強度分佈與臨界值電流。基板10包含InP或GaAs，發光量子井區域80包含In_xGa_1-xAs(0<x<1)之井層與包含In_yAl_1-yAs(0<y<1)之障壁層。又，光引導層25包含In_zGa_1-zAs(0<z<1)。

圖4(a)係表示第1實施形態之具體例1之相對光強度分佈之模擬結果之圖表圖，圖4(b)係表示臨界值電流對光引導層之厚度之依存性之模擬結果的圖表圖。

於圖4(a)中，縱軸表示折射率(實線)n或光強度(虛線)I_L，橫軸表示垂直位置Z。

(表1)表示具體例1之單位積層體100。

積層體20自基板10之側起依序包含：包含n型InP之基底層21(厚度：3μm，折射率：2.97)、包含n型InGaAs之接觸層22(厚度：1μm，折射率：3.34)、包含n型InP之第1被覆層23(厚度：2.5μm，折射率：3.09)、活性層24a(厚度：1.19μm，折射率：3.26)、包含InGaAs之光引導層25(厚度：0.3μm，折射率：3.4)、活性層24b(厚度：1.19μm，折射率：3.26)、包含n型InP之第2被覆層26(厚度：2.5μm，折射率：3.09)、及包含n型InGaAs之接觸層27(厚度：1μm，折射率：3.34)。另，基底層21可為基板10之一部分。另，於以In_xGa_1-xAs(0<x<1)構成接觸層22、27、光引導層25、活性層24a、24b等之情形時，若將莫耳比x設為接近0.532，則易於與InP晶格匹配而結晶性良好。

如圖1(b)所示，發光量子井區域80可具有2個以上之井層。例如，將較厚之井層厚度TW設為4.5nm等。光引導層25之厚度TG為0.3μm，充分厚於井層厚度TW。因此，於光引導層25不會產生次頻帶間光學轉移。即，載子102即電子被封閉於發光量子井區域80之井層。另一方面，光被封閉於具有高於發光量子井層80之實效折射率之折射率的光引導層25附近。於將井層厚度TW設為4.5nm時，成為增益峰值為3.7μm附近、4.3μm附近等之紅外線帶。

如圖4(a)所示，可將光強度I_L為二分之一峰值之雷射束之擴展寬度(積層方向)縮窄為大致1.8μm。因此，如圖4(b)之A點所示，可將臨界值電流降低為大致0.392kA/cm²。因此，可提高量子效率及光輸出。又，可將應變導入至發光量子井區域80。例如，可將井層設為In_0.669Ga_0.331As(晶格常數大於InP)，障壁層設為In_0.362Ga_0.638As(晶格常數小於InP)等。如此一來，例如於井層與障壁層間應變得到了補償，因而可良好地保持結晶性，且進一步降低臨界值電流。

圖5係表示第2比較例之相對光強度分佈之模擬結果的圖表圖。

於圖5中，縱軸表示折射率(實線)n或光強度(虛線)I_L，橫軸表示垂直方向之位置Z。

(表2)表示第2比較例之單位積層體。

積層體自基板側起依序包含：包含n型InP之基底層121(厚度：3 μm，折射率：2.97)、包含n型InGaAs之接觸層122(厚度：1μm，折射率：3.34)、包含n型InP之第1被覆層123(厚度：2.5μm，折射率：3.09)、光引導層125a(厚度：0.3μm，折射率：3.40)、活性層124(厚度：2.38μm，折射率：3.26)、光引導層125b(厚度：0.3μm，折射率：3.40)、包含n型InP之第2被覆層126(厚度：2.5μm，折射率：3.09)、及包含n型InGaAs之接觸層127(厚度：1.0μm，折射率：3.34)。

光強度I_L為二分之一峰值之雷射束之擴展寬度(積層方向)擴展為大致2.29μm。因此，臨界值電流提高至大致0.498kA/cm²，量子效率及光輸出低於具體例1。

於圖6(a)中，縱軸表示折射率(實線)n或光強度(虛線)I_L，橫軸表示垂直位置Z。

(表3)表示具體例2之單位積層體100。

積層體20自基板10之側起依序配置有：包含n型InP之基底層21(厚度：3μm，折射率：2.97)、包含n型InP之第1被覆層23(厚度：2.5μm，折射率：3.09)、活性層24a(厚度：1.19μm，折射率：3.26)、光引導層25(厚度：0.3μm，折射率：3.4)、活性層24b(厚度：1.19μm，折射率：3.26)、包含n型InP之第2被覆層26(厚度：2.5μm，折射率：3.09)、及包含n型InGaAs之接觸層27(厚度：0.1μm，折射率：3.34)。

如圖6(a)所示，光強度I_L為二分之一峰值之雷射束之擴展寬度(積層方向)縮窄為大致1.8μm。因此，如圖6(b)之B點所示，可將臨界值電流降低為大致0.384kA/cm²。因此，可提高量子效率及光輸出。

於圖7(a)中，縱軸表示折射率(實線)n或光強度(虛線)I_L，橫軸表示垂直位置Z。

(表4)表示具體例3之單位積層體。

積層體20自基板10之側起依序包含：包含n型InP之基底層21(厚度：3μm，折射率：2.97)、包含n型InP之第1被覆層23(厚度：2.5μm，折射率：3.09)、活性層24a(厚度：0.69μm，折射率：3.29)、光引導層25(厚度：0.3μm，折射率：3.42)、活性層24b(厚度：0.69μm，折射率：3.29)、包含n型InP之第2被覆層26(厚度：2.5μm，折射率：3.09)、及包含n型InGaAs之接觸層27(厚度：0.1μm，折射率：3.37)。

如圖7(a)所示，光強度I_L為二分之一峰值之雷射束之擴展寬度(積層方向)縮窄為大致1.27μm。因此，如圖7(b)之C點所示，可將臨界值電流降低為大致0.206kA/cm²。因此，可提高量子效率及光輸出。

根據本實施形態，提供一種臨界值電流降低之量子級聯雷射。可藉由設為低臨界值電流，而提高量子級聯雷射之量子效率及光輸出。該等量子級聯雷射可廣泛應用於氣體分析、環境測定、及危險物質檢測等。

雖已說明了本發明之若干實施形態，但該等實施形態係作為例而提出者，並非意圖限定發明之範圍。該等新穎之實施形態可以其他各種實施形態實施，於不脫離發明主旨之範圍內，可進行各種省略、置換、變更。該等實施形態或其變化均包含於發明之範圍或主旨，且包含於申請專利範圍所記載之發明及與其均等之範圍內。

Claims

一種量子級聯雷射，其具備：活性層，其係具有複數個注入量子井區域與複數個發光量子井區域，且各個注入量子井區域與各個發光量子井區域交替積層者，上述各個發光量子井區域藉由載子之次頻帶間光學轉移而放出雷射光，上述各個注入量子井區域將上述次頻帶間光學轉移後之上述載子向微頻帶位準鬆弛而注入至下游之發光量子井區域；第1及第2被覆層，其以自兩側夾著上述活性層之方式設置，且具有低於上述各個發光量子井區域之實效折射率的折射率；及光引導層，其係以於積層方向將上述活性層分割為2之方式配置者，具有高於上述各個發光量子井區域之上述實效折射率之折射率，且具有大於上述各個發光量子井區域之量子井層之所有井層之厚度的厚度。
如請求項1之量子級聯雷射，其中上述光引導層係以於積層方向上將上述活性層大致2等分之方式設置。
如請求項1之量子級聯雷射，其中進而具備基板，且上述第1及第2被覆層包含與上述基板晶格匹配之材料。
如請求項2之量子級聯雷射，其中進而具備基板，且上述第1及第2被覆層包含與上述基板晶格匹配之材料。
如請求項3之量子級聯雷射，其中進而具備基板，且上述第1及第2被覆層包含與上述基板晶格匹配之材料。
如請求項1之量子級聯雷射，其中上述光引導層之上述厚度為100nm以上且500nm以下。
如請求項2之量子級聯雷射，其中上述光引導層之上述厚度為100nm以上且500nm以下。
如請求項3之量子級聯雷射，其中上述光引導層之上述厚度為100nm以上且500nm以下。
如請求項4之量子級聯雷射，其中上述光引導層之上述厚度為100nm以上且500nm以下。
如請求項5之量子級聯雷射，其中上述光引導層之上述厚度為100nm以上且500nm以下。
如請求項1之量子級聯雷射，其中上述基板包含InP，上述各個發光量子井區域具有包含In_xGa_1-xAs(其中，0<x<1)之井層及包含In_yAl_1-yAs(其中，0<y<1)之障壁層，且上述光引導層包含In_zGa_1-zAs(其中，0<z<1)，上述第1被覆層及上述第2被覆層包含InP。