JP5201544B2

JP5201544B2 - 量子カスケードレーザ

Info

Publication number: JP5201544B2
Application number: JP2006181502A
Authority: JP
Inventors: 徳彦関根; 一彦平川
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: JP2008010733A

Description

この発明は、遠赤外領域もしくはテラヘルツ領域（数十〜数百μｍ）の周波数領域で発振する半導体レーザであって、特に、半導体基板上に作製した多重量子井戸構造におけるサブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザに関する。

従来、中赤外領域（５〜１２μｍ）から遠赤外領域もしくはテラヘルツ領域（数十〜数百μｍ）の周波数領域は、セキュリテイ・環境モ二タリング・生体医療診断・劇物／毒物検出・無線通信・分光などにおいて重要な周波数帯であったが、その発展は他の領域に比べて遅れていた。これは、光通信ネツトワ一クで用いられているバンド間遷移半導体レーザのようなコンパクトな光源がこれまで存在しなかったためである。

しかし最近、半導体量子構造中のサブバンド間遷移を用いた半導体レーザ、いわゆる量子カスケードレーザが開発された（非特許文献１）。これは、バンドギャップエネルギーの異なる半導体薄膜を多層積層し、キャリアの注入／引抜き領域と利得領域を多段に組み合わせることにより、所望の発光波長に相当する工ネルギー間隔を持つサブバンド間遷移からレーザ発振を実現する半導体光デバイスである。この例を図４（ａ）に示す。このデバイスは、発光波長が構成材料に固有な物性パラメータによらず、半導体薄膜の膜厚などの設計パラメータで決定されるため、発光波長が（エネルギー障壁高さ以下で）自由に設計可能であるという特徴を持つ。そのため、特に中赤外領域からテラヘルツ領域までカバーするコンパクトな光源を実現可能である。

しかしながら、特にこれまでのテラヘルツ帯量子カスケードレーザは、低温下もしくはパルス駆動下において実現されているものの、近赤外の量子カスケードレーザのような良好なデバイス特性は得られていない。これは、従来の量子カスケード構造は、エネルギー準位の配置がいわゆる３準位系（図４（ｂ））となっており、高いキャリア注入状態および高温動作時には、閾値上昇・キャリアのバックフィリング（back‐filling）などの影響により、レーザ発振自体が困難になることが１因である。

テラヘルツ帯量子カスケードレーザの高温動作化の対策として、レーザ端面に高反射膜を施し、閾値を低減することにより高温動作を実現するという例がある。また、レーザ活性層を金属で狭み込むことにより、高い光閉じ込め率と効率的な放熱を同時に兆現することにより、高温動作を実現しようとする例（例えば非特許文献２）もある。しかしながら、どちらの例も、レーザ特性の本質的な改善とはなっていない。
Science, vol. 264, 553(1994) Applied Physics Letters， vol. 83， 5142（2003）．

本発明の目的は、遠赤外領域もしくはテラヘルツ領域（数十〜数百μｍ）の周波数領域で発振する半導体レーザを実現することであって、特に、レーザ活性層におけるキャリアの注入・引抜きを効率よく行う基本構造を提供することを目的としている。これにより、大きな利得を実現し、さらに熱によるキャリアのback-fillingを抑制することにより、低閾値や連続発振動作を達成して、高温動作が可能な量子カスケードレーザを実現することにある。

この発明によって、量子カスケードレーザにおいて、利得層の前後に高速な緩和を伴う活性層を用いることにより、高い光学利得とバックフィリング効果を低減することができるようになり、これによって温度上昇による特性劣化を抑制することができるため、高温で連続発振動作する量子カスケードレーザの作製が可能となる。

本発明は、多重量子井戸型半導体レーザの一種であり、サブバンド間の遷移で発振する多重量子井戸型半導体レーザにおいて、４準位系のレーザ準位を備える活性層が、キャリア注入層、利得領域、キャリア引抜き層、および接続層からなる層を複数積層したものであり、上記キャリア注入層における第４準位から第３準位への遷移、上記利得領域における第３準位から第２準位への遷移、および上記キャリア引抜き層における第２準位から第１準位への遷移を用いたものであって、
上記キャリア注入層と上記利得領域は、第１化合物半導体による真性半導体層とエネルギーバンドギャップが異なる第２化合物半導体による真性半導体層とを交互に複数回繰り返し積層したものであり、
上記キャリア引抜き層は、上記第１化合物半導体による真性半導体層と、上記第２化合物半導体による真性半導体層とを交互に複数層積層し、さらに第２化合物半導体によるｎ型半導体層を積層したものであり、
上記接続層は、上記第１化合物半導体による真性半導体層と、上記第２化合物半導体によるｎ型半導体層を積層したものであり、
上記キャリア注入層における遷移と上記キャリア引抜き層における遷移による緩和について、上記の利得領域における遷移による緩和よりも高速な緩和を伴う層を用いることにより上記利得領域において高い光学利得を実現するものである。

また、上記の量子カスケードレーザにおいて、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層における高速な緩和が主に光学フォノン散乱で引き起こされるように構成することで、高速な緩和を実現するものである。

また、上記の量子カスケードレーザの活性層において、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層に、高速な緩和が主に誘導放出によるサブバンド間遷移で引き起こされる層を用いることで、高速な緩和を実現するものである。

また、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層において、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層で緩和されるエネルギー差は、散乱を引き起こす光学フォノンのエネルギーレベルと同等もしくはそれ以上とすることで、光学フォノンによる高速な緩和を実現するものである。

また、同じ波長の光で誘導放射を引き起こすサブバンドエネルギーレベルを持つキャリア注入層とキャリア引抜き層とにすることで、誘導放射のための光学系を１つにすることができる。

また、誘導放射は必ずしもレーザ発振には至らないので、外部から誘導放射を引き起こすレーザ光を入射することが望ましい。

さらに、誘導放射を引き起こすレーザ光は、共振器に閉じ込めることで、光の電場を増強できるので、量子カスケードレーザを前記の共振器内に設置することが望ましい。

また、上記の半導体レーザの端面に反射構造を設けることで、外見上は、使用する共振器の数を減らすことができる。

本発明では、図１（ａ）に示したような活性層構造を取ることにより、上記の問題を解決する。すなわち、量子カスケードレーザの活性層において、利得領域前後に少なくとも１段ずつ緩和時間の非常に短いキャリア注入・引抜き層を設けることで解決する。

この構造に対応する工ネルギー準位の配置は図１（ｂ）になり４準位系を形成している。この場合、利得領域直前のキャリア注入部においては、優先的にレーザ上位レベルにキャリアが蓄積されるため、レーザ上位レベルのキャリア密度を高密度にすることが出来る。一方、利得領域直後のキャリア引抜き部においては、優先的にキャリアがレーザ準位レベルから除去されるためにレーザ下位レベルのキャリア密度を常に低くすることが出来る。その結果、レーザ上位・下位レベル間に大きな注入キャリア密度差をつけることができ、すなわち大きな反転分布を形成することができるため、大きな光学利得を実現できる。

さらに、一般に量子スケードレーザの素子温度が上昇すると、キャリアの熱励起によりキャリア注入層の存在するキャリアが、前段のレーザ下位レベルに励起される、いわゆるキャリアのバックフィリング現象が起こり、その結果、反転分布の程度が小さくなりレーザ発振が困難になる。しかし、この手法によれば活性層の１ユニットをカスケード接続した際、レーザ上位レベルと前段のレーザ下位レベルの間のエネルギー差を大きく取れるため、キャリアのバックフィリングを抑制することができる。

上記２点（高い光学利得、バックフィリングの抑制）の特徴から、本手法により、量子カスケードレーザに温度に対して堅牢な構造をとることができ、低閾値や連続発振動作さらには高温動作を可能にする。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

ここに挙げる例では、ＧａＡｓ基板上に約９０μｍで発振する量子カスケードレーザについて示しているが、ＩｎＰ系・窒化物系・Ｓｉ／Ｇｅ系など他材料系でも、同様の工ネルギーバンド構造を有するものであれば、これらの材料を用いたレーザヘ適用することを妨げるものではない。これは、上記の様に、量子カスケードレーザは、発光波長が構成材料に固有な物性パラメータによらず、半導体薄膜の膜厚などの設計パラメータで決定されるという特徴による。

図２は実施例である。この実施例は、ＭＢＥ成長法などによって作製されており、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、下部ｎ‐ＧａＡｓコンタクト層２（０．８μｍ厚）、活性層４（キャリア注入層、利得領域、キャリア引抜き層を含む）、上部ｎ‐ＧａＡｓコンタクト層５（０．１μｍ厚）から成る。配線３、６は、それぞれ、下部ｎ‐ＧａＡｓコンタクト層２、上部ｎ‐ＧａＡｓコンタクト層５に、接続している。

活性層は、図１（ａ）のような周期構造を１２４周期繰り返している。１周期内の構成は、
a. ｉ‐Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（３．０ｎｍ厚）、
b. ｉ‐ＧａＡｓ層（１６．５ｎｍ厚）、
c. ｉ‐Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３）層（1.０ｎｍ厚）、
d. ｉ‐ＧａＡｓ層（９．５ｎｍ厚）、
e. ｉ‐Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３）層（３．６ｎｍ厚）、
f. ｉ‐ＧａＡｓ層（８．７ｎｍ厚）、
g. ｉ‐Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３）層（1.４ｎｍ厚）、
h. ｉ‐ＧａＡｓ層（７．０ｎｍ厚）、
i. ｉ‐Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３）層（２．０ｎｍ厚）、
j. ｉ‐ＧａＡｓ層（１５．２ｎｍ厚）、
k. ｉ‐Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３）層（1.０ｎｍ厚）、
l. ｉ‐ＧａＡｓ層（０．６ｎｍ厚）、
m. ｎ‐ＧａＡｓ層（９．０ｎｍ厚）、
n. ｉ‐Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３）層（２．０ｎｍ厚）、
o. ｎ‐ＧａＡｓ層（８．４ｎｍ厚）、
である。上記のｅ層が、キャリア注入層と利得領域との境界であり、ｉ層が利得領域とキャリア引抜き層との境界である。

ここで電流注入層及び電流引抜き層には、光学フオノンによる速い緩和を利用しており、今回のＧａＡｓの場合、遷移エネルギーは約３６ｍｅＶとした。ここで、電流注入層あるいは電流引抜き層の速い緩和を主に光学フォノンとの散乱によって行なうためには、遷移エネルギーと光学フォノンのエネルギーレベルを一致させるか遷移エネルギーを光学フォノンのエネルギーレベルよりも少し大きくすればよい。

上記の他、利得層が速い緩和を伴う電流注入・引抜き層に挟まれている構造を用いた量子カスケードレーザ構造である限りにおいて、上記以外の構造でも良い。

図３は、誘導放射を用いて、図１（ｂ）の準位４から３への遷移、あるいは準位２から１への遷移による緩和を促進するものである。量子カスケードレーザ素子１０は、ここでは端部に反射構造を持っていないものとして説明するが、量子カスケードレーザ素子１０は、反射鏡１１とわずかに透過せいのある反射鏡１３とで作られる第１の共振器に設置され、図１（ｂ）の準位３から２へ遷移によって誘導放射しレーザ発振する。ここで、反射鏡１２は、上記のレーザ発振によるレーザ光は透過するが、それ以外の光は反射するという波長選択性のあるものである。また、反射鏡１４は、レーザ１８からのレーザ光は透過するが、それ以外の光を反射する波長選択性をもつものである。このとき、量子カスケードレーザ素子１０は、反射鏡１１とわずかに透過性のある反射鏡１５で作られる第２の共振器、また反射鏡１１とわずかに透過せいのある反射鏡１７で作られる第３の共振器中にも設置されている。第２の共振器には、レーザ装置１６からのレーザ光を入力し、図１（ｂ）の準位４から３への誘導放射による遷移を促進させる。同様に、第３の共振器には、レーザ装置１７からのレーザ光を入力し、図１（ｂ）の準位２から１への誘導放射による遷移を促進させる。当然のことながら、照射するレーザ光の波長と誘導放射による光の波長は等しいものとする。また、第１から第３の共振器の光路は、量子カスケードレーザ素子１０の内部では一致させるようにすることが望ましい。また、誘導放射に係わる準位は、温度依存性を持つので、レーザ装置１６、１８は、波長を調整可能なレーザ装置とすることが望ましい。

また、準位４から３への遷移波長と準位２から１への遷移波長とを等しくなる様に設定することで、第２あるいいは第３のいずれかの共振器とそれに付随するレーザ装置を省くことができる。

ここで、反射鏡１１は、量子カスケードレーザ素子１０の端面に金属膜や多層誘電体膜を用いた反射構造を作りこむことによって外見上省くことができる。

図３に示す構成を従来の３準位系の量子カスケードレーザに適用することも容易である。この場合は、反射鏡１４、１５、レーザ装置１６を省いた構成にして、図４の準位２から１への誘導放射による遷移を促進させることができ、その結果、反転分布をより明確にして、レーザ発振の閾値を低減あるいは出力の増大を期待することができる。

本発明の（ａ）活性層構造、（ｂ）エネルギー準位の配置図である。本発明の量子カスケードレーザ素子の断面図である。誘導放射用いて緩和を改善した量子カスケードレーザを示すブロック図である。一般的な量子カスケードレーザの（ａ）活性層構造、（ｂ）エネルギー準位の配置図である。

符号の説明

１半絶縁性ＧａＡｓ基板
２下部ｎ‐ＧａＡｓコンタクト層
３配線
４活性層
５上部ｎ‐ＧａＡｓコンタクト層
６配線
１０量子カスケードレーザ素子
１１、１２、１３、１４、１５反射鏡
１６レーザ装置
１７反射鏡
１８レーザ装置

Claims

サブバンド間の遷移で発振する多重量子井戸型半導体レーザにおいて、４準位系のレーザ準位を備える活性層が、キャリア注入層、利得領域、キャリア引抜き層、および接続層からなる層を複数積層したものであり、上記キャリア注入層における第４準位から第３準位への遷移、上記利得領域における第３準位から第２準位への遷移、および上記キャリア引抜き層における第２準位から第１準位への遷移を用いたものであって、
上記キャリア注入層と上記利得領域は、第１化合物半導体による真性半導体層とエネルギーバンドギャップが異なる第２化合物半導体による真性半導体層とを交互に複数回繰り返し積層したものであり、
上記キャリア引抜き層は、上記第１化合物半導体による真性半導体層と、上記第２化合物半導体による真性半導体層とを交互に複数層積層し、さらに第２化合物半導体によるｎ型半導体層を積層したものであり、
上記接続層は、上記第１化合物半導体による真性半導体層と、上記第２化合物半導体によるｎ型半導体層を積層したものであり、
記キャリア注入層における遷移と上記キャリア引抜き層における遷移による緩和について、上記の利得領域における遷移による緩和よりも高速な緩和を伴う層を用いることにより上記利得領域において高い光学利得を実現することを特徴とする量子カスケードレーザ。
請求項１の量子カスケードレーザにおいて、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層における高速な緩和が主に光学フォノン散乱で引き起こされるように構成したことを特徴とする量子カスケードレーザ。
請求項１の量子カスケードレーザにおいて、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層に、高速な緩和が主に誘導放出によるサブバンド間遷移で引き起こされる層を用いることを特徴とする量子カスケードレーザ。
キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層において、キャリア注入層あるいはキャリア引抜き層で緩和されるエネルギー差は、散乱を引き起こす光学フォノンのエネルギーレベルと同等もしくはそれ以上とすることを特徴とする請求項２に記載の量子カスケードレーザ。
同じ波長の光で誘導放出を引き起こすサブバンドエネルギーレベルを持つ上記のキャリア注入層とキャリア引抜き層とを備えることを特徴とする請求項３に記載の量子カスケードレーザ。
誘導放出が外部から照射された光で引き起こされることを特徴とする請求項３あるいは５に記載の量子カスケードレーザ。
誘導放出を引き起こす光用の共振器内部に設置したことを特徴とする請求項３あるいは５に記載の量子カスケードレーザ。
上記の半導体レーザの端面に反射構造を設けて共振器を構成することを特徴とする請求項７に記載の量子カスケードレーザ。