JP4250573B2 - 素子 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ帯（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）の周波数領域における電流注入型の光半導体素子および半導体レーザ素子に係る。

新しい種類の半導体レーザとして、量子カスケードレーザと名づけられた伝導帯あるいは価電子帯の同一エネルギー帯内におけるキャリアのエネルギー準位間遷移に基づく半導体レーザが開示された。このようなレーザの発振波長は光学遷移に関する２つのエネルギー準位のエネルギー間隔に依存するために、広いスペクトル領域（中赤外域からテラヘルツ帯まで）に渡って発振波長を選択できる可能性があり、初めに中赤外域４．２μｍに発振波長が選択された量子カスケードレーザによってこのようなレーザが実現可能であることが実証された。最近では、非特許文献１に開示されるように、テラヘルツ帯６７μｍに発振波長が選択された量子カスケードレーザにおいてもレーザ発振が確認され、テラヘルツ帯の光源として伝導帯あるいは価電子帯の同一エネルギー帯内におけるキャリアのエネルギー準位間遷移に基づいた半導体レーザが有効であることが示されている。

量子カスケードレーザの概要を、図４を参照しながら以下に説明する。

図４は、量子カスケードレーザに電界が印加されたときの伝導帯構造の一部を示している。領域Ａ４１０は、ポテンシャル障壁４４１、４４３、４４５、４４７と量子井戸４４２、４４４、４４６とから構成されている。これらの構成より領域Ａ４１０においてエネルギー準位４１１，４１２，４１３が形成されている。領域Ｂ４２０は、ポテンシャル障壁４４７、４４９、４５１、４５３、４５５と量子井戸４４８、４５０、４５２、４５４とから構成され、これらの構成より複数のエネルギー準位が束ねられたミニバンド４２１が形成されている。このような領域Ａ４１０と領域Ｂ４２０とが周期的に複数回繰り返され、領域Ａ４３０は次の周期の領域Ａを表す。この量子カスケードレーザに所定の電界が印加されたとき、電流が流れる様子を説明すると以下のようになる。電子は領域Ａ４１０においてエネルギー準位４１１からエネルギー準位４１２へ光学遷移４０１し、エネルギー準位４１１とエネルギー準位４１２とのエネルギー間隔に相当する波長の光が放出される。続けて、領域Ａ４１０のエネルギー準位４１２における電子は光学フォノン散乱４０２等によってエネルギー準位４１３を経由し、領域Ｂ４２０へ抽出される。領域Ｂ４２０のミニバンド４２１を経由した電子は次の領域Ａ４３０へ注入され、再び、領域Ａ４１０と同様に光学遷移を行う。エネルギー準位４１１とエネルギー準位４１２とのエネルギー間隔は、自由に設計することが可能であり、量子カスケードレーザによって放出される光は広いスペクトル領域に渡って選択することができる。このような光は適当な光共振器に共振し、レーザ発振させることが可能になる。
リューデガー・コーラーラ：Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４１７（２００２），１５６ リューデガー・コーラーラ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８４（２００４），１２６６ Ｋ．Ｋ．Ｃｈｏｉ，ｅｔ ａｌ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌ．３５（１９８７），４１７２

ミリ波帯からテラヘルツ帯に発振波長を選択するためには、領域Ａにおける光学遷移に関する２つのエネルギー準位のエネルギー間隔を本質的に避けることのできないエネルギー準位の広がり（１１ｍｅＶ、非特許文献３）と同じ程度かそれ以下にしなくてはならない。このため、ミリ波帯からテラヘルツ帯に発振波長を選択した従来の量子カスケードレーザの構造を用いると、領域Ａから光学遷移を経由しないで領域Ｂへ流れ込むような非発光性の電流経路あるいは領域Ｂから光学遷移を経由しないで領域Ａへ流れ込むような非発光性の電流経路が短絡し、典型的な場合、領域Ｂにおけるキャリアが暖まったままの状態になり、レーザ発振に必要な反転分布が得られなくなる。

したがって、発振波長をテラヘルツ帯に選択した従来の量子カスケードレーザをレーザ発振させるためには低温（９５Ｋ以下、非特許文献２）に冷却する必要があり、より高温で（好ましくは室温３００Ｋ）でレーザ発振するような半導体レーザ素子が望まれている。

そこで、本発明では、ポテンシャル障壁と量子井戸とを備える多重量子井戸と、前記多重量子井戸に電界を印加するための手段とを有する素子において、前記多重量子井戸は少なくとも２つの領域Ａの間に領域Ｂを含み、前記領域Ａは複数のエネルギー準位を含み、前記領域Ａにおける特定のエネルギー準位ｉからポテンシャル障壁を介した特定のエネルギー準位ｆへ、キャリアが光と相互作用することで許容されるトンネリングによって輸送され、前記領域Ｂは複数のエネルギー準位を含み、前記領域Ｂにおける特定のエネルギー準位ｅから特定のエネルギー準位ｇへ、前記領域Ａにおけるキャリアの輸送時間より短い緩和時間でエネルギー緩和され、前記多重量子井戸に所定の電界が印加されたときに、前記多重量子井戸に電流が流れるとき、前記領域Ａにおいて光を放出あるいは吸収する素子を提供する。

本発明で重要なことの一つ目は、光学繊維として光と相互作用することで許容されるトンネリング（ｐｈｏｔｏｎ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）を利用するため、領域Ａにおける光学遷移に関わる２つのエネルギー準位と領域Ｂとの結合が選択的になるという点にある。このことは非発光性電流を低減するだけでなく、領域Ａにおけるキャリアの輸送時間をポテンシャル障壁によって制限することができるため、次に示すように領域Ｂにおけるキャリアのエネルギー分布を安定化することになる。領域Ｂにおけるキャリアが暖まったままの状態、すなわち不安定なキャリアのエネルギー分布は、領域Ｂにおけるキャリアの緩和時間が領域Ａにおけるキャリアの輸送時間に比べて極めて短いと考えられるとき冷やされ、準フェルミ分布に近づくであろう。本発明で重要なことの２つ目は、高速な緩和機構を利用することで、領域Ｂにおけるキャリアのエネルギー緩和が光と相互作用することで許容されるトンネリングを含む領域Ａにおけるキャリアの輸送時間より短くなり、領域Ｂにおけるキャリアのエネルギー分布が安定化されるという点にある。ゆえに領域Ｂと結合する領域Ａにおける発光遷移に関する２つのエネルギー準位間の反転分布は確実に得られることになる。

このことを期すために、領域Ａと結合する領域Ｂにおける２つエネルギー準位のエネルギー間隔を光学フォノンエネルギーと共鳴するようにとると、緩和機構として光学フォノン散乱によるキャリアのエネルギー緩和を選択することができる。このような光学フォノン散乱は高速現象として知られており、領域Ｂにおけるキャリアのエネルギー分布を安定化するための手段として適している。

領域Ｂにおけるキャリアのエネルギー分布が安定化されていると、領域Ａと結合する領域Ｂにおける２つエネルギー準位のエネルギー間隔を熱エネルギーによって揺らぐ分布幅より大きくとることで、より高温においても、それぞれのエネルギー準位のキャリア占有率に有意義な占有率差を与えることができる。つまり、それぞれのキャリア占有率は、それぞれが結合する領域Ａにおける発光遷移に関する２つのエネルギー準位のキャリア占有率へすぐに反映されるので、領域Ａにおける発光遷移に関する２つのエネルギー準位間の反転分布はより高い温度においても確実に保持され、すなわちより高い温度でレーザ発振を得ることができる。

ただし、領域Ｂにキャリアが存在するとき、テラヘルツ帯の光の自由キャリア吸収は無視することできないほど大きく、領域Ｂにおけるキャリアの運動に関する自由度を必要最小限に抑えることはまた重要である。このために領域Ｂおける２つのエネルギー準位は領域Ｂおける基底準位、第一励起準位、第二励起準位、第三励起準位程度からの少ない組み合わせの中から選ばれるのがよい。

本発明の最も好ましい実施形態を、図１を参照しながら以下に説明する。

本発明に係る半導体素子における多重量子井戸は、領域Ａ１１０と領域Ｂ１２０を反復単位として周期的に繰り返される。図１はこの多重量子井戸に電界が印加されたときの伝導帯構造の一部を示している。

領域Ａ１１０はポテンシャル障壁１４１、１４３、１４５と量子井戸１４２、１４４とから構成される。これらの構成によってエネルギー準位ｉ（１１１）、エネルギー準位ｆ（１１２）が形成される。エネルギー準位ｉとエネルギー準位ｆとはポテンシャル障壁１４３によって空間的に隔てられているが、これらの間に弱い結合（波動関数の重なりが比較的小さい結合）がなされるように設計されていると、エネルギー準位ｉからエネルギー準位ｆへ光と相互作用することで許容されるトンネリング１０１によって電子が輸送される。図１のようにエネルギー準位ｉのエネルギーＥ_ｉがエネルギー準位ｆのエネルギーＥ_ｆより大きいとき、エネルギー準位ｉからエネルギー準位ｆへ電子が輸送されると、

を満たすのエネルギー

の光が放出される（

はプランク定数、ωは光の周波数を表す）。エネルギーＥ_ｉとエネルギーＥ_ｆとは領域Ａ１１０における多重量子井戸の構成や電界の大きさに依存するので、エネルギーＥ_ｉとエネルギーＥ_ｆとの関係は自由に与えることが可能である。すなわち、エネルギー準位ｉとエネルギー準位ｆとのエネルギー間隔に相当する光の波長は領域Ａ１１０における多重量子井戸の構成と電界の大きさとをもって選択することができる。また、図１には示していないが、エネルギーＥ_ｉがエネルギーＥ_ｆより小さいときには、エネルギー準位ｉからエネルギー準位ｆへ電子が輸送されると、エネルギー

の光が吸収される。このような光と相互作用することで許容されるトンネリング１０１を含むエネルギー準位ｉからエネルギー準位ｆへの電子の輸送には少なくとも十ピコ秒以上を要すると見積もられる。

領域Ｂ１２０はポテンシャル障壁１４５、１４７と量子井戸１４６とによって構成される。これらの構成によってエネルギー準位ｅ（１２１）、エネルギー準位ｇ（１２２）が形成される。図１は、エネルギー準位ｅを領域Ｂ１２０において一つめの励起状態である第一励起準位から、エネルギー準位ｇを領域Ｂ１２０において基底状態である基底準位から選んだ場合を示している。エネルギー準位ｅのエネルギーＥ_ｅとエネルギー準位ｇのエネルギーＥ_ｇとが

となるように設計されていると、電子はエネルギー

の光学フォノン散乱１０２によって（

はプランク定数、ω_ＬＯは光学フォノンの周波数を表す）、エネルギー準位ｅからエネルギー準位ｇへおよそ数百フェムト秒から一ピコ秒でエネルギー緩和することが知られている。

ポテンシャル障壁１４５を介して領域Ａ１１０のエネルギー準位ｆと領域Ｂ１２０のエネルギー準位ｅとに、およびポテンシャル障壁１４７を介して領域Ｂ１２０のエネルギー準位ｇと次の周期の領域Ａ１３０のエネルギー準位ｉとに、強い結合（波動関数の重なりが比較的に大きい結合）がなされているとき、領域Ａ１１０のエネルギー準位ｆにおいては領域Ｂ１２０のエネルギー準位ｅにおける電子の占有率と等しくなるまで電子が抽出され、領域Ａ１３０のエネルギー準位ｉにおいては領域Ｂ１２０のエネルギー準位ｇにおける電子の占有率と等しくなるまで電子が注入され、このことにはあまり時間はかからない。

以上より領域Ｂ１２０のエネルギー準位ｅとエネルギー準位ｇとにおける電子の占有率は準フェルミ分布に従うであろう。このとき、熱エネルギーによって揺らぐ分布幅ｋ_ＢＴを考慮して、有意義な（エネルギー準位ｉとエネルギー準位ｆとの間に反転分布を得るため、より広義にはエネルギー準位ｉからエネルギー準位ｆへの光と相互作用することで許容されるトンネリングを発生しやすくするため）占有率差を得るためには、
Ｅ_ｅ−Ｅ_ｇ＞ｋ_ＢＴ
であることが望ましく（ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは温度を表す）、たとえば室温（３００Ｋ）における熱エネルギー２６ｍｅＶを上回るように設計されると、以下に示すような動作が室温においても可能になる。

本発明に係る半導体素子の多重量子井戸に所定の電界が印加されたとき、多重量子井戸に電流が流れる様子を説明すると以下のようになる。領域Ａ１１０のエネルギー準位ｉにおける電子は光と相互作用することで許容されるトンネリング１０１を介してエネルギー準位ｆへ輸送され、エネルギー準位ｆにおける電子はすぐに領域Ｂ１２０のエネルギー準位ｅへ抽出される。領域Ｂ１２０のエネルギー準位ｅにおける電子は光学フォノン散乱１０２を介してエネルギー準位ｇへエネルギー緩和される。領域Ｂ１２０のエネルギー準位ｇにおける電子は、次の周期の領域Ａ１３０のエネルギー準位ｉへ注入され、再び、領域Ａ１１０と同様にエネルギー準位ｉにおける電子は光と相互作用することで許容されるトンネリング１０１を介してエネルギー準位ｆへ輸送される。すなわち多重量子井戸の端へ電子を注入すると、もう一方の端から電子が抽出されることになり、このとき、多重量子井戸全体として光を放出する光半導体素子としての動作する。また、図１には示していないが、多重量子井戸全体として光を吸収する光半導体素子として動作するように選択することもできる。さらに、放出されるエネルギー

の光と共振する光共振器構造が多重量子井戸を含むように組み込まれていると、これまでに説明した光半導体素子は半導体レーザ素子としても動作することもできる。

また、多重量子井戸を構成する各半導体における厚さの詳細な作用は、シュレディンガー方程式を計算することあるいはシュレディンガー方程式とポワソン方程式を自己無撞着に計算することによって得られる。

図２は、本発明に係る半導体素子による第一の実施例の断面構造を示している。第一の実施例において、多重量子井戸２０１はｎ−ＩｎＰ基板２０２に格子整合するＧａＩｎＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の半導体材料が使用される。図２は、この多重量子井戸２０１とその両側に積層された高濃度ドープされたｎ^＋−ＧａＩｎＡｓ層２０３、２０４、さらにｎ^＋−ＧａＩｎＡｓ層２０４の上部およびｎ−ＩｎＰ基板２０２の下部にはオーミック電極２０５、２０６が付加された構造を表している。このような構造におけるｎ^＋−ＧａＩｎＡｓ層２０３、２０４および上部オーミック電極２０５は波長より狭い空間に光を伝播させることができる表面プラズモン導波路として機能することが知られている。製作は次のようにして行われる。はじめに分子線ビームエピタキシャル成長法等によって、ｎ−ＩｎＰ基板２０２上にｎ^＋−ＧａＩｎＡｓ層２０３、多重量子井戸２０１、ｎ^＋−ＧａＩｎＡｓ層２０４を順次成長し、さらにエッチング等によって、ストライプを形成し、ストライプ側面は絶縁体２０７で処理する。さいごにｎ^＋−ＧａＩｎＡｓ層２０４上部にＣｒ／Ａｕ等を蒸着し、ＩｎＰ基板２０２下部にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等を蒸着し、オーミック電極２０５、２０６を形成する。また、ファセットはへき開されて形成され、反射ミラーとして機能する。

このような構造のオーミック電極２０５、２０６にワイヤボンディング、ダイボンディング等でコンタクトをとり、オーミック電極２０５、２０６間に所定の電界を印加すると、多重量子井戸２０１によって決められた波長の光がストライプ内に放出される。さらに、放出された光がストライプに沿う表面プラズモン導波路内を伝播し、ファセットに挟まれたファブリペロー共振器に共振すると、レーザ発振することが可能になる。

また、ファセットの反射率を抑え、共振を低減するように機能する無反射コートをファセットにコーティングすると、一方のファセットから入力された光は、もう一方のファセットに増幅されて出力され、光増幅器をして動作させることもできる。

表１は図２の多重量子井戸２０１における反復単位の詳細な構造の一例を表している。領域Ｂに使用するＧａＩｎＡｓにおける光学フォノンのエネルギーはおよそ３２ｍｅＶであることが知られているが、これに基づいて設計がなされている。この設計によると、多重量子井戸２０１における電界の大きさが５．０ｋＶ／ｃｍとなるように電界が印加されたときに、波長０．１２ｍｍ近傍の光を放出すると見積もられる。

図３は本発明に係る半導体素子による第二の実施例の構造を示している。第二の実施例は第一の実施例で示した構造とほぼ同様な構造であるが、多重量子井戸３０１は光を吸収する構造として設計され、窓３０８を開けるためのオーミック電極３０５の形状が異なる変形例である。

このような構造のオーミック電極３０５、３０６間に所定の電界を印加すると、多重量子井戸３０１によって決められた波長の光はストライプ内で吸収され、特に窓３０８から光が入力されるときには多重量子井戸３０１に電流が流れ、光検出の信号となる。

以上の実施例はＩｎＰ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系を半導体材料としたが、他の半導体材料（ＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系やＧａＮ基板上のＧａＮ／ＩｎＡｌＮ系、その他）も適用可能であり、領域Ｂに使用される半導体材料の光学フォノンのエネルギーが室温の熱エネルギー２６ｍｅＶを上回るものであると室温動作ために好ましい。また、レーザ発振のための光共振器構造もこれに限るものではなく、他の光共振器構造（空洞共振器、ＤＦＢ共振器、フォトニック結晶共振器、フォトニックフラクタル構造、その他）も適用可能である。

これまで説明したように、発振波長をテラヘルツ帯に選択した従来の量子カスケードレーザで問題になっていた、領域Ａと領域Ｂとの間を短絡するような非発光性電流の低減、領域Ｂにおけるキャリアのエネルギー分布の安定化などを試み、より高い温度（好ましくは室温３００Ｋ）でレーザ発振を得ることができることに本発明の効果が現れる。

本発明に係る半導体素子の発明を実施するための最良の形態を説明する多重量子井戸に電界が印加されたときの伝導帯構造の一部を示す。 第一の実施例を説明するための本発明に係る半導体素子の断面構造を示す。 第二の実施例を説明するための本発明に係る半導体素子の断面構造を示す。 従来の量子カスケードレーザに電界が印加されたときの伝導帯構造の一部を示す。

符号の説明

１０１ 光と相互作用することで許容されるトンネリング（ｐｈｏｔｏｎ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）
１０２ 光学フォノン散乱
１１０ 領域Ａ
１１１ エネルギー準位ｉ
１１２ エネルギー準位ｆ
１２０ 領域Ｂ
１２１ エネルギー準位ｅ（第一励起準位）
１２２ エネルギー準位ｇ（基底準位）
１３０ 領域Ａ
１４１，１４３，１４５，１４７ ポテンシャル障壁
１４２，１４４，１４６ 量子井戸
２０１ 多重量子井戸
２０２ ｎ−ＩｎＰ基板
２０３，２０４ ｎ^＋−ＧａＩｎＡｓ層
２０５，２０６ オーミック電極
２０７ 絶縁体
３０１ 多重量子井戸
３０２ ｎ−ＩｎＰ基板
３０３，３０４ ｎ^＋−ＧａＩｎＡｓ層
３０５，３０６ オーミック電極
３０７ 絶縁体
３０８ 窓
４０１ 光学遷移
４０２ 光学フォノン散乱
４１０ 領域Ａ
４１１，４１２，４１３ エネルギー準位
４２０ 領域Ｂ
４２１ ミニバンド
４３０ 領域Ａ
４４１，４４３，４４５，４４７，４４９，４５１，４５３，４５５ ポテンシャル障壁
４４２，４４４，４４６，４４８，４５０，４５２，４５４ 量子井戸

Claims (13)

1. ポテンシャル障壁と量子井戸とを備える多重量子井戸を有し、前記多重量子井戸は少なくとも領域Ａと領域Ｂとを含み、前記多重量子井戸に所定の電界が印加されたときに、前記多重量子井戸に電流が流れ、前記領域Ａにおいて光を放出あるいは吸収する素子において、
   前記領域Ａは、複数のエネルギー準位を含み、前記領域Ａにおける特定のエネルギー準位ｉからポテンシャル障壁を介した特定のエネルギー準位ｆへ、キャリアが光と相互作用することで許容されるトンネリングによって輸送されるように構成され、
   前記領域Ｂは、複数のエネルギー準位を含み、前記領域Ａにおけるキャリアの輸送時間より短い緩和時間でキャリアがエネルギー緩和されるように構成され、
   キャリアが前記特定のエネルギー準位ｆからポテンシャル障壁を介した前記領域Ｂにおける特定のエネルギー準位ｅへ輸送され、
   前記エネルギー緩和が、前記特定のエネルギー準位ｅから該特定のエネルギーｅよりも低いエネルギーである特定のエネルギー準位ｇへの緩和となるように、前記領域Ｂが構成されることを特徴とする素子。
2. 前記多重量子井戸が半導体によって構成され、前記領域Ａおよび前記領域Ｂにおける複数のエネルギー準位が伝導帯または価電子帯に属する請求項１記載の素子。
3. 前記領域Ｂにおける前記エネルギー準位ｇと前記エネルギー準位ｅとのエネルギー間隔が光学フォノンのエネルギーと共鳴し、前記緩和機構に光学フォノン散乱が選択されることを特徴とする請求項２記載の素子。
4. 前記領域Ｂにおける前記エネルギー準位ｇと前記エネルギー準位ｅとのエネルギー間隔が熱エネルギーより大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の素子。
5. 前記領域Ｂにおける前記エネルギー準位ｇと前記エネルギー準位ｅとが、前記領域Ｂにおける基底準位、第一励起準位、第二励起準位、第三励起準位のいずれから選ばれることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の素子。
6. 請求項１から５のいずれか記載の素子で、前記領域Ａにおける前記エネルギー準位ｉのエネルギーが前記エネルギー準位ｆのエネルギーより大きくなるように選択され、光を発生することを特徴とする素子。
7. 請求項１から５のいずれか記載の素子で、前記領域Ａにおける前記エネルギー準位ｉのエネルギーが前記エネルギー準位ｆのエネルギーより小さくなるように選択され、光検出することを特徴とする素子。
8. 前記領域Ａにおいて放出される光に共振する光共振器構造を有し、レーザ発振することを特徴とする請求項１から６のいずれか記載の素子。
9. 前記多重量子井戸は少なくとも２つの領域Ａの間に領域Ｂを含み、
   前記領域Ａと前記領域Ｂとが反復単位として周期的に繰り返されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか記載の素子。
10. 前記多重量子井戸に電界を印加するための電極を有し、
    前記電界を印加することにより前記多重量子井戸にキャリアが注入され、光を吸収又は放出することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の素子。
11. 前記領域Ｂの量子井戸は、一つの量子井戸で構成され、
    前記一つの量子井戸が、前記特定のエネルギー準位ｅと前記特定のエネルギー準位ｇとを含み、
    前記エネルギー緩和が、前記一つの量子井戸で行われるように構成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の素子。
12. 前記領域Ａの量子井戸は、２つの量子井戸で構成され、
    前記２つの量子井戸のうち、一方の量子井戸が前記特定のエネルギー準位ｉを含み、他方の量子井戸が前記特定のエネルギー準位ｆを含み、
    ポテンシャル障壁を介して前記特定のエネルギー準位ｉから前記特定のエネルギー準位ｆに輸送されるように構成されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の素子。
13. 前記領域Ａと前記領域Ｂとの間の前記ポテンシャル障壁は、該領域Ａと該領域Ｂとの波動関数が互いに重なるように構成されることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の素子。

Images