JPH11266062A - ひずみ補正ｑｃレ―ザ―を備える物質 - Google Patents
ひずみ補正ｑｃレ―ザ―を備える物質Info
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- JPH11266062A JPH11266062A JP11014257A JP1425799A JPH11266062A JP H11266062 A JPH11266062 A JP H11266062A JP 11014257 A JP11014257 A JP 11014257A JP 1425799 A JP1425799 A JP 1425799A JP H11266062 A JPH11266062 A JP H11266062A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 放出モニタリングなどの吸収分光学のために
有利に使用することができるレーザーを提供する。 【解決手段】 量子カスケード（ＱＣ）レーザーは、格
子定数がそれぞれａ1およびａ2である第一半導体材料お
よび第二半導体材料の層を交互に備える多層コア領域を
有する。第一材料はａ1＞ａ0（ａ0は基板（典型的には
ＩｎＰ）の格子定数である）であるように選択され、第
二材料はａ2＞ａ0であるように選択される。またこれら
の材料は、第一材料と第二材料との間の伝導帯不連続性
ΔＥcが絶対値で５２０ｍｅＶより大きくなるように選
択される。多層コアは、複数の本質的に同一の多層リピ
ートユニットを備える。リピートユニットの層の厚さと
材料は、リピートユニットに対してひずみ補正を実質的
に提供するように選択される。本発明によるＱＣレーザ
ーは、シングルモードレーザー放出を確保するように選
択された分布帰還機構（例えばブラッグ格子）を備える
ことが望ましく、第一大気ウィンドウの波長で、典型的
には約３〜５μｍで作動するように設計することができ
る。
有利に使用することができるレーザーを提供する。 【解決手段】 量子カスケード（ＱＣ）レーザーは、格
子定数がそれぞれａ1およびａ2である第一半導体材料お
よび第二半導体材料の層を交互に備える多層コア領域を
有する。第一材料はａ1＞ａ0（ａ0は基板（典型的には
ＩｎＰ）の格子定数である）であるように選択され、第
二材料はａ2＞ａ0であるように選択される。またこれら
の材料は、第一材料と第二材料との間の伝導帯不連続性
ΔＥcが絶対値で５２０ｍｅＶより大きくなるように選
択される。多層コアは、複数の本質的に同一の多層リピ
ートユニットを備える。リピートユニットの層の厚さと
材料は、リピートユニットに対してひずみ補正を実質的
に提供するように選択される。本発明によるＱＣレーザ
ーは、シングルモードレーザー放出を確保するように選
択された分布帰還機構（例えばブラッグ格子）を備える
ことが望ましく、第一大気ウィンドウの波長で、典型的
には約３〜５μｍで作動するように設計することができ
る。
Description
【０００１】
【発明の分野】本発明は、量子カスケード（ＱＣ）レー
ザーに関するものであり、かつＱＣレーザーを備える装
置およびシステムに関する。本発明は、米国政府の支援
のもとに契約第DAA H0496C0026号に基づいてなされた。
米国政府は本発明について特定の権利を有する。
ザーに関するものであり、かつＱＣレーザーを備える装
置およびシステムに関する。本発明は、米国政府の支援
のもとに契約第DAA H0496C0026号に基づいてなされた。
米国政府は本発明について特定の権利を有する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】最近、
「量子カスケード」または「ＱＣ」レーザーと称される
新しい種類の半導体レーザーが発明された。例えば、米
国特許第5,457,709号、第5,509,025号および第5,570,38
6号を参照。これらはすべて参照により本明細書に組み
込まれている。また、米国特許出願一連番号第08/825,2
86号（１９９７年３月２７日出願）および第08/744,292
号（１９９６年１１月６日出願）を参照。これらは両方
とも参照により本明細書に組み込まれている。
「量子カスケード」または「ＱＣ」レーザーと称される
新しい種類の半導体レーザーが発明された。例えば、米
国特許第5,457,709号、第5,509,025号および第5,570,38
6号を参照。これらはすべて参照により本明細書に組み
込まれている。また、米国特許出願一連番号第08/825,2
86号（１９９７年３月２７日出願）および第08/744,292
号（１９９６年１１月６日出願）を参照。これらは両方
とも参照により本明細書に組み込まれている。
【０００３】ここでいう「量子カスケード」または「Ｑ
Ｃ」レーザーとは、光導波管を形成する多層構造を有す
る単極半導体レーザーであり、比較的小さい有効屈折率
の閉込め領域と閉込め領域の間に比較的大きい有効屈折
率のコア領域を含む。コア領域は複数の名目上（nomina
lly）同一のリピートユニットを備え、各リピートユニ
ットは活性領域とキャリア注入領域とを備える。活性領
域は、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエネ
ルギー状態を提供するように選択された層構造を有し、
高エネルギー状態から低エネルギー状態へのキャリア遷
移によって波長λの光子が放出される。キャリア注入領
域は、所定のリピートユニットの活性領域の低エネルギ
ー状態から、隣接する（下流の）リピートユニットの活
性領域の高エネルギー状態へのキャリア遷移を容易にす
るように選択された層構造を有する。よって、キャリア
は、層構造を介して移動しながら、高エネルギー状態か
ら低エネルギー状態への連続的な遷移を経て、その結
果、波長λの複数の光子が産み出される。光子エネルギ
ー（およびλ）は、リピートユニットの構造上および組
成上の内容に依存し、またかけられた電界および／また
は分布帰還の要素に依存する。
Ｃ」レーザーとは、光導波管を形成する多層構造を有す
る単極半導体レーザーであり、比較的小さい有効屈折率
の閉込め領域と閉込め領域の間に比較的大きい有効屈折
率のコア領域を含む。コア領域は複数の名目上（nomina
lly）同一のリピートユニットを備え、各リピートユニ
ットは活性領域とキャリア注入領域とを備える。活性領
域は、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエネ
ルギー状態を提供するように選択された層構造を有し、
高エネルギー状態から低エネルギー状態へのキャリア遷
移によって波長λの光子が放出される。キャリア注入領
域は、所定のリピートユニットの活性領域の低エネルギ
ー状態から、隣接する（下流の）リピートユニットの活
性領域の高エネルギー状態へのキャリア遷移を容易にす
るように選択された層構造を有する。よって、キャリア
は、層構造を介して移動しながら、高エネルギー状態か
ら低エネルギー状態への連続的な遷移を経て、その結
果、波長λの複数の光子が産み出される。光子エネルギ
ー（およびλ）は、リピートユニットの構造上および組
成上の内容に依存し、またかけられた電界および／また
は分布帰還の要素に依存する。
【０００４】従来技術のＱＣレーザーは幅広いスペクト
ル領域の波長で放射するように設計することができる
が、いわゆる第一大気ウィンドウ（first atmospheric
window）（約３〜５μｍ）の波長で放射するように設計
することができるＱＣレーザーが利用できることが望ま
しい。このようなレーザーは、例えば微量のガス（ＨＣ
ｌなど）の感知などの多様な適用のために重要である。
ル領域の波長で放射するように設計することができる
が、いわゆる第一大気ウィンドウ（first atmospheric
window）（約３〜５μｍ）の波長で放射するように設計
することができるＱＣレーザーが利用できることが望ま
しい。このようなレーザーは、例えば微量のガス（ＨＣ
ｌなど）の感知などの多様な適用のために重要である。
【０００５】ＱＣレーザーは量子閉込めによって産み出
されるエネルギーレベルの間のキャリア遷移に基づくの
で、得られる放射は、活性領域の２つの半導体材料の間
の伝導帯不連続性のサイズによって短い波長側で制限さ
れる。従来技術のＱＣレーザーは、一般的にＩｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓ／Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓに基づき、これはＩ
ｎＰに格子整合されるとともに、伝導帯不連続性ΔＥc
＝５２０ｍｅＶを有する。このシステムでは、Ｔ≧３０
０Ｋの温度で約２５０ｍｅＶ（〜０．４８ΔＥc）の最
大光子エネルギーが実現される。
されるエネルギーレベルの間のキャリア遷移に基づくの
で、得られる放射は、活性領域の２つの半導体材料の間
の伝導帯不連続性のサイズによって短い波長側で制限さ
れる。従来技術のＱＣレーザーは、一般的にＩｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓ／Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓに基づき、これはＩ
ｎＰに格子整合されるとともに、伝導帯不連続性ΔＥc
＝５２０ｍｅＶを有する。このシステムでは、Ｔ≧３０
０Ｋの温度で約２５０ｍｅＶ（〜０．４８ΔＥc）の最
大光子エネルギーが実現される。
【０００６】３〜５μｍの大気ウィンドウを十分にカバ
ーするためには、従来技術のＱＣレーザーで利用できる
よりも大きい伝導幅不連続性とのヘテロ接合を有するＱ
Ｃレーザーが利用できることが望ましい。
ーするためには、従来技術のＱＣレーザーで利用できる
よりも大きい伝導幅不連続性とのヘテロ接合を有するＱ
Ｃレーザーが利用できることが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は一般的にＱＣレ
ーザーに関し、かつＱＣレーザーを備える物質に関す
る。特に、このＱＣレーザーは、格子定数ａ0を有する
半導体基板の上に配された多層半導体構造を備える。こ
の構造は、光導波管を形成するとともに、下部閉込め領
域と、下部閉込め領域の上に配されたコア領域と、コア
領域の上に配された上部閉込め領域とを備える。頻繁
に、基板は下部閉込め領域を形成する。
ーザーに関し、かつＱＣレーザーを備える物質に関す
る。特に、このＱＣレーザーは、格子定数ａ0を有する
半導体基板の上に配された多層半導体構造を備える。こ
の構造は、光導波管を形成するとともに、下部閉込め領
域と、下部閉込め領域の上に配されたコア領域と、コア
領域の上に配された上部閉込め領域とを備える。頻繁
に、基板は下部閉込め領域を形成する。
【０００８】コア領域は複数の名目上同一のリピートユ
ニットを備え、各リピートユニットは活性領域とキャリ
ア注入領域とを備える。活性領域は、第一半導体材料お
よび第二半導体材料の層をそれぞれ交互に備える層構造
を有するとともに、高キャリアエネルギー状態および低
キャリアエネルギー状態を提供するように選択され、高
キャリアエネルギー状態から低キャリアエネルギー状態
へのキャリア遷移によって波長λの光子が放出される。
第一半導体材料は格子定数ａ1を有し、第二半導体材料
は格子定数ａ2を有する。
ニットを備え、各リピートユニットは活性領域とキャリ
ア注入領域とを備える。活性領域は、第一半導体材料お
よび第二半導体材料の層をそれぞれ交互に備える層構造
を有するとともに、高キャリアエネルギー状態および低
キャリアエネルギー状態を提供するように選択され、高
キャリアエネルギー状態から低キャリアエネルギー状態
へのキャリア遷移によって波長λの光子が放出される。
第一半導体材料は格子定数ａ1を有し、第二半導体材料
は格子定数ａ2を有する。
【０００９】キャリア注入領域は、リピートユニットの
活性領域の低キャリア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活性領域の高キャリアエ
ネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするように選択
された層構造を有する。また、ＱＣレーザーは、電流が
多層半導体構造の中を流れることを容易にするように選
択された接点を備える。
活性領域の低キャリア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活性領域の高キャリアエ
ネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするように選択
された層構造を有する。また、ＱＣレーザーは、電流が
多層半導体構造の中を流れることを容易にするように選
択された接点を備える。
【００１０】重要なことは、第一半導体材料および第二
半導体材料が、ａ1＞ａ2、典型的にはａ1＞ａ0＞ａ2で
ある格子定数（ａ0は基板材料（典型的にはＩｎＰ）の
格子定数である）を有するように選択され、さらに第一
半導体組成と第二半導体組成との間の伝導帯エネルギー
不連続性ΔＥcが絶対値で５２０ｍｅＶよりも大きくな
るように選択されることである。
半導体材料が、ａ1＞ａ2、典型的にはａ1＞ａ0＞ａ2で
ある格子定数（ａ0は基板材料（典型的にはＩｎＰ）の
格子定数である）を有するように選択され、さらに第一
半導体組成と第二半導体組成との間の伝導帯エネルギー
不連続性ΔＥcが絶対値で５２０ｍｅＶよりも大きくな
るように選択されることである。
【００１１】後でわかるように、それぞれａ0よりも大
きくかつａ0よりも小さい格子定数を有する層を交互に
提供することによって、ひずみを補正することができ、
比較的大きいΔＥcを有するがために比較的短い波長λ
の放射線を放射できるＱＣレーザーの成長を容易にす
る。
きくかつａ0よりも小さい格子定数を有する層を交互に
提供することによって、ひずみを補正することができ、
比較的大きいΔＥcを有するがために比較的短い波長λ
の放射線を放射できるＱＣレーザーの成長を容易にす
る。
【００１２】典型的には、層の厚さは、リピートユニッ
ト全体にわたってひずみが実質的になくなるように選択
される。さらに層の厚さは、典型的には、応力／ひずみ
によって引き起こされる欠陥の形成のための臨界厚さよ
りも小さくなるように選択される。この臨界厚さは所定
の第一半導体組成および第二半導体組成について容易に
決定することができ、典型的には５ｎｍよりも大きい。
ト全体にわたってひずみが実質的になくなるように選択
される。さらに層の厚さは、典型的には、応力／ひずみ
によって引き起こされる欠陥の形成のための臨界厚さよ
りも小さくなるように選択される。この臨界厚さは所定
の第一半導体組成および第二半導体組成について容易に
決定することができ、典型的には５ｎｍよりも大きい。
【００１３】例えば、ＩｎxＧａ1-xＡｓは、ｘ＞０．５
３の場合にＩｎＰの格子定数よりも大きい格子定数を有
し、かつＩｎyＡｌ1-yＡｓは、ｙ＜０．５２の場合にＩ
ｎＰの格子定数よりも小さい格子定数を有する。
３の場合にＩｎＰの格子定数よりも大きい格子定数を有
し、かつＩｎyＡｌ1-yＡｓは、ｙ＜０．５２の場合にＩ
ｎＰの格子定数よりも小さい格子定数を有する。
【００１４】ここで問題の半導体は、典型的には、立方
対称性を有する。よって本明細書において「格子定数」
は、立方ユニットセルの縁（edge）の長さをいう。
対称性を有する。よって本明細書において「格子定数」
は、立方ユニットセルの縁（edge）の長さをいう。
【００１５】ａ1＞ａ0＞ａ2の場合は、例えば ｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜＜０．
２（δａ1／ａ0）Σｔ1 であることが望ましく、 ｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜≦０．
１０（δａ1／ａ0）Σｔ1 であることがより望ましい。
２（δａ1／ａ0）Σｔ1 であることが望ましく、 ｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜≦０．
１０（δａ1／ａ0）Σｔ1 であることがより望ましい。
【００１６】さらに望ましいのは、上記式の右辺がほぼ
０であることである。上記の式では、δａ1＝ａ1−ａ0
であり、δａ2＝ａ2−ａ0であり、Σｔ1は所定のリピー
トユニットの第一半導体材料の層の厚さの合計であり、
Σｔ2はこれに対応する第二半導体材料の層の厚さの合
計であり、縦棒は絶対値を意味する。上記の基準はあく
まで例であり、リピートユニットに対して必要なひずみ
補正を確保するために他の基準を考案することができ
る。
０であることである。上記の式では、δａ1＝ａ1−ａ0
であり、δａ2＝ａ2−ａ0であり、Σｔ1は所定のリピー
トユニットの第一半導体材料の層の厚さの合計であり、
Σｔ2はこれに対応する第二半導体材料の層の厚さの合
計であり、縦棒は絶対値を意味する。上記の基準はあく
まで例であり、リピートユニットに対して必要なひずみ
補正を確保するために他の基準を考案することができ
る。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１では、実線曲線１１は、Ｉｎ
Ｐ基板の上で成長したＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-y
Ａｓのひずみ補正された二重層に対して、伝導帯不連続
性ΔEcをモデル・ソリッド（model-solid）理論（C. G.
Van de Walle、Phys. Review B39、p.1871（1988年）
参照）を用いて計算したｘの関数として示す。ＩｎＧａ
Ａｓ層の厚さは、二重層の厚さ全体の４０％であると想
定されている。破線１２は、格子整合された組成におけ
る不連続性の公知の値によって測定された、不連続性の
計算値を示す（ｘ＝０．５３に相当する）。図１からわ
かるように、 ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-yＡｓの
ｘが増えるにつれてΔＥcも増える。例えば、Ｉｎ0.7Ｇ
ａ0.3Ａｓ／Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓの組成の二重層の場合
は、ΔＥc＝０．７４ｅＶである。
Ｐ基板の上で成長したＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-y
Ａｓのひずみ補正された二重層に対して、伝導帯不連続
性ΔEcをモデル・ソリッド（model-solid）理論（C. G.
Van de Walle、Phys. Review B39、p.1871（1988年）
参照）を用いて計算したｘの関数として示す。ＩｎＧａ
Ａｓ層の厚さは、二重層の厚さ全体の４０％であると想
定されている。破線１２は、格子整合された組成におけ
る不連続性の公知の値によって測定された、不連続性の
計算値を示す（ｘ＝０．５３に相当する）。図１からわ
かるように、 ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎyＡｌ1-yＡｓの
ｘが増えるにつれてΔＥcも増える。例えば、Ｉｎ0.7Ｇ
ａ0.3Ａｓ／Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓの組成の二重層の場合
は、ΔＥc＝０．７４ｅＶである。
【００１８】図２は、９．６ｘ１０4Ｖ／ｃｍの印加さ
れた電界における、本発明によるＱＣレーザーのリピー
トユニットの伝導帯端および関連する特徴を示す。正確
さを期するために、リピートユニットは、注入バリヤ２
１０から注入バリヤ２１１まで延在すると想定されてい
る。また、図２は該当する波動関数の二乗係数（moduli
squared）を示している。エネルギーレベル３から２へ
の波線は、レーザーの作用による移動を示している。ま
た図２は、活性領域２４およびキャリア注入領域２５を
示し、後者は当業者には公知である「ミニギャップ」２
２および「漏斗注入器」２３を提供するチャープ（chir
ped）規則格子を有する。例えば、J. Faist等のApplied
Physics Letters（応用物理学レター）、Vol. 68（2
6）、p.3680、１９９６年６月を参照。これは参照によ
り本明細書に組み込まれている。ミニギャップは、高エ
ネルギーレベル３から連続体へとキャリアが逃げるのを
抑制し、漏斗注入器は、下流のリピートユニットのエネ
ルギーレベル１からエネルギーレベル３へのキャリア遷
移を容易にする。
れた電界における、本発明によるＱＣレーザーのリピー
トユニットの伝導帯端および関連する特徴を示す。正確
さを期するために、リピートユニットは、注入バリヤ２
１０から注入バリヤ２１１まで延在すると想定されてい
る。また、図２は該当する波動関数の二乗係数（moduli
squared）を示している。エネルギーレベル３から２へ
の波線は、レーザーの作用による移動を示している。ま
た図２は、活性領域２４およびキャリア注入領域２５を
示し、後者は当業者には公知である「ミニギャップ」２
２および「漏斗注入器」２３を提供するチャープ（chir
ped）規則格子を有する。例えば、J. Faist等のApplied
Physics Letters（応用物理学レター）、Vol. 68（2
6）、p.3680、１９９６年６月を参照。これは参照によ
り本明細書に組み込まれている。ミニギャップは、高エ
ネルギーレベル３から連続体へとキャリアが逃げるのを
抑制し、漏斗注入器は、下流のリピートユニットのエネ
ルギーレベル１からエネルギーレベル３へのキャリア遷
移を容易にする。
【００１９】本発明による例示的なＱＣレーザーの以下
の層構造は、分子線エピキタシ法（ＭＢＥ）によって析
出（deposited）される。
の層構造は、分子線エピキタシ法（ＭＢＥ）によって析
出（deposited）される。
【００２０】
【表１】
【００２１】ＳＬは「規則格子（superlattice）」を意
味する。厚さの単位はすべてｎｍであり、ドーパントレ
ベルはすべて「キャリア／ｃｍ3」である。段階的な遷
移（graded transition）層またはデジタル格子などの
従来の特徴は、上記の層の配列順序では示されていな
い。
味する。厚さの単位はすべてｎｍであり、ドーパントレ
ベルはすべて「キャリア／ｃｍ3」である。段階的な遷
移（graded transition）層またはデジタル格子などの
従来の特徴は、上記の層の配列順序では示されていな
い。
【００２２】規則格子は、厚さが３ｎｍのＩｎ0.4Ａｌ
0.6Ａｓバリヤ層の間の厚さ２ｎｍのＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａ
ｓウェル層で構成される。注入バリヤ２１０から始まっ
て交互のウェル層とバリヤ層となる、活性領域／注入領
域の１つのリピートユニットの層の順序配列（ナノメー
ターによる）が以下に示されている。バリヤ層の組成は
Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓであり、ウェル層の組成はＩｎ0.7
Ｇａ0.3Ａｓである。星状の層はＳｉで２．５ｘ１０17
ｃｍ-3の厚さにドープされている。残りの層は意図的に
はドープされていない。
0.6Ａｓバリヤ層の間の厚さ２ｎｍのＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａ
ｓウェル層で構成される。注入バリヤ２１０から始まっ
て交互のウェル層とバリヤ層となる、活性領域／注入領
域の１つのリピートユニットの層の順序配列（ナノメー
ターによる）が以下に示されている。バリヤ層の組成は
Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓであり、ウェル層の組成はＩｎ0.7
Ｇａ0.3Ａｓである。星状の層はＳｉで２．５ｘ１０17
ｃｍ-3の厚さにドープされている。残りの層は意図的に
はドープされていない。
【００２３】
【表２】
【００２４】上記の層構造は、ａ1＞ａ0＞ａ2の要件を
満たしており、第一半導体材料および第二半導体材料は
それぞれＩｎ0.7Ｇａ0.3ＡｓおよびＩｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓ
である。実際、この構造は実質的にひずみ補正されてお
り、各リピートユニットは以下の要件を容易に満たす。 ｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜≦０．
１（δａ1／ａ0）Σｔ1
満たしており、第一半導体材料および第二半導体材料は
それぞれＩｎ0.7Ｇａ0.3ＡｓおよびＩｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓ
である。実際、この構造は実質的にひずみ補正されてお
り、各リピートユニットは以下の要件を容易に満たす。 ｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜≦０．
１（δａ1／ａ0）Σｔ1
【００２５】図２では、エネルギー状態および電子波動
関数は、公知の方法で単一帯モデルでシュレーディンガ
ー方程式を解くことによって計算され、エネルギーに依
存する有効質量によって非放物線がもたらされる。非放
物線の係数γの値は、Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓの場合に１．
５３ｘ１０-18とされ、有効質量の値は、Ｉｎ0.7Ｇａ
0.3Ａｓの場合には０．０３５ｍo、Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓ
の場合には０．０８９６ｍoとされた。ここで、ｍoは自
由電子の質量である。
関数は、公知の方法で単一帯モデルでシュレーディンガ
ー方程式を解くことによって計算され、エネルギーに依
存する有効質量によって非放物線がもたらされる。非放
物線の係数γの値は、Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓの場合に１．
５３ｘ１０-18とされ、有効質量の値は、Ｉｎ0.7Ｇａ
0.3Ａｓの場合には０．０３５ｍo、Ｉｎ0.4Ａｌ0.6Ａｓ
の場合には０．０８９６ｍoとされた。ここで、ｍoは自
由電子の質量である。
【００２６】レーザーの移動は典型的にはレベル３から
レベル２で起こり、計算された移動エネルギーＥ23は３
９２ｍｅＶであり、λ＝３．１６μｍに相当する。活性
領域は、しきい値電界（９６ｋＶ／ｃｍ）において活性
領域の３．５ｎｍおよび３．０ｎｍの厚さの量子ウェル
の基底状態は反交差（anti-crossed）するように設計さ
れているので、光学フォノンのエネルギー（〜３４ｍｅ
Ｖ）と共振するエネルギー分離を達成し、その結果ｎ＝
２の状態の寿命は短い（〜０．４ｐｓ）ものになる。レ
ベル３から低いレベルへの電子拡散時間は、大きいモメ
ンタム移動と関連する光学フォノンの放出を含むので、
約１．７ｐｓの比較的長いものになる。
レベル２で起こり、計算された移動エネルギーＥ23は３
９２ｍｅＶであり、λ＝３．１６μｍに相当する。活性
領域は、しきい値電界（９６ｋＶ／ｃｍ）において活性
領域の３．５ｎｍおよび３．０ｎｍの厚さの量子ウェル
の基底状態は反交差（anti-crossed）するように設計さ
れているので、光学フォノンのエネルギー（〜３４ｍｅ
Ｖ）と共振するエネルギー分離を達成し、その結果ｎ＝
２の状態の寿命は短い（〜０．４ｐｓ）ものになる。レ
ベル３から低いレベルへの電子拡散時間は、大きいモメ
ンタム移動と関連する光学フォノンの放出を含むので、
約１．７ｐｓの比較的長いものになる。
【００２７】図３は、上記の層構造の直径が１２５μｍ
のメサ装置についてのエレクトロルミネセンスのデータ
を示す。データは１０Ｋと３００Ｋで取られ、層材料の
優れた結晶と界面の品質を示している。観察されたルミ
ネセンスのピークは、第一大気ウィンドウの波長帯の十
分に範囲内である。
のメサ装置についてのエレクトロルミネセンスのデータ
を示す。データは１０Ｋと３００Ｋで取られ、層材料の
優れた結晶と界面の品質を示している。観察されたルミ
ネセンスのピークは、第一大気ウィンドウの波長帯の十
分に範囲内である。
【００２８】上記のようなＭＢＥによって生産された層
構造を有するウエハは、従来の湿式化学エッチングおよ
びＳｉ3Ｎ4（３５０ｎｍ）の絶縁体によって、幅が１０
〜１４μｍのメサエッチングされたリッジ導波管へと加
工される。非合金Ｔｉ／Ａｕのオーム接点（０．４μ
ｍ）が最上部層およびＩｎＰ基板の上に形成された。続
いてウエハは３ｍｍ幅のバーに裂かれ、切断面（facet
s）はコーティングしない状態のままにされた。続いて
このバーは、Ｈｅフロー低温槽の温度制御された（１０
〜３２０Ｋ）冷ヘッド（cold head）の上に、層構造を
上にして取り付けられた。続いてレーザーは、４．５ｋ
Ｈｚの繰返し率で５０ｎｓの電流パルスで駆動された。
構造を有するウエハは、従来の湿式化学エッチングおよ
びＳｉ3Ｎ4（３５０ｎｍ）の絶縁体によって、幅が１０
〜１４μｍのメサエッチングされたリッジ導波管へと加
工される。非合金Ｔｉ／Ａｕのオーム接点（０．４μ
ｍ）が最上部層およびＩｎＰ基板の上に形成された。続
いてウエハは３ｍｍ幅のバーに裂かれ、切断面（facet
s）はコーティングしない状態のままにされた。続いて
このバーは、Ｈｅフロー低温槽の温度制御された（１０
〜３２０Ｋ）冷ヘッド（cold head）の上に、層構造を
上にして取り付けられた。続いてレーザーは、４．５ｋ
Ｈｚの繰返し率で５０ｎｓの電流パルスで駆動された。
【００２９】図４は、例示的なレーザーの１つの切断面
からの、パルス電流操作における光パワー対駆動電流の
関係を示す。レーザーの放射波長は、１０Ｋでは３．４
９μｍで、２７０Ｋでは３．５８μｍであった。図４の
破線曲線は、２７５Ｋにおける代表的な電流対電圧の特
徴である。レーザー光を発する（lasing）際のしきい値
電圧は、典型的には６．５Ｖ（１０Ｋの場合）と８．５
Ｖ（２７５Ｋの場合）の間である。
からの、パルス電流操作における光パワー対駆動電流の
関係を示す。レーザーの放射波長は、１０Ｋでは３．４
９μｍで、２７０Ｋでは３．５８μｍであった。図４の
破線曲線は、２７５Ｋにおける代表的な電流対電圧の特
徴である。レーザー光を発する（lasing）際のしきい値
電圧は、典型的には６．５Ｖ（１０Ｋの場合）と８．５
Ｖ（２７５Ｋの場合）の間である。
【００３０】図５は、ＣＷ操作における例示的なレーザ
ーの光パワー対電流の関係を示し、図６は、ＣＷ操作に
おける光パワー対波長の関係を示している。後者の数値
は、しきい値より上のシングルモード操作を示す。
ーの光パワー対電流の関係を示し、図６は、ＣＷ操作に
おける光パワー対波長の関係を示している。後者の数値
は、しきい値より上のシングルモード操作を示す。
【００３１】本発明によるレーザーは、例えば、第一大
気ウィンドウにおける吸収分光学用の装置の放射源とし
て有利に用いることができる。例えば、H. I. Schiff等
の「Air Monitoring by Spectroscopic Techniques（分
光技術による空気モニタリング）」、編集者M. W. Sigr
ist、Wiley Interscience、1994年を参照。
気ウィンドウにおける吸収分光学用の装置の放射源とし
て有利に用いることができる。例えば、H. I. Schiff等
の「Air Monitoring by Spectroscopic Techniques（分
光技術による空気モニタリング）」、編集者M. W. Sigr
ist、Wiley Interscience、1994年を参照。
【００３２】本発明によるレーザーは、気体測定種の倍
音共振をターゲットとする中赤外鉛塩（lead salt）レ
ーザーまたは近赤外半導体レーザーを現在用いている適
用を含む、多くの適用において本発明のレーザーを有用
なものとすると信じるところの特性を有する。例えば、
本発明によるレーザーは、例えば、環境適用、自動車排
気センサー、燃焼診断、工業プロセス制御、医療適用、
または航空機もしくは自動車の衝突回避レーダーなどの
ための微量ガス分析に有利に用いることができる。
音共振をターゲットとする中赤外鉛塩（lead salt）レ
ーザーまたは近赤外半導体レーザーを現在用いている適
用を含む、多くの適用において本発明のレーザーを有用
なものとすると信じるところの特性を有する。例えば、
本発明によるレーザーは、例えば、環境適用、自動車排
気センサー、燃焼診断、工業プロセス制御、医療適用、
または航空機もしくは自動車の衝突回避レーダーなどの
ための微量ガス分析に有利に用いることができる。
【００３３】一般的に、本発明によるレーザーは、ポイ
ントセンシング装置およびリモートセンシング装置で有
利に用いることができ、ＣＷモードおよびパルスモード
で用いることができる。
ントセンシング装置およびリモートセンシング装置で有
利に用いることができ、ＣＷモードおよびパルスモード
で用いることができる。
【００３４】図７は、例示的なポイントセンシング装置
９０の略図であり、ここで符号９１は本発明によるレー
ザーを示す。典型的には、このレーザーは、粗波長同調
用の温度制御台（図示されていない）に取り付けられ
る。レーザーからの中赤外線９２１は、従来の気体セル
９３（またはマルチパスセル）を通過し、外に出た放射
線９２２は従来の検出器９４につきあたる。検出器の電
気出力はロックイン増幅器９５に（適切な変調信号、例
えば変調信号生成器９８３からの１．２ｋＨｚの正弦波
と共に）供給され、ロックイン増幅器の出力はデータの
分析およびフォーマットのためにコンピュータ９６に供
給される。続いてこのデータは適切な方法で表示および
／または格納される。レーザーは適切な電流でポンプさ
れる。例えば、ランプ電流生成器９８１からの低周波数
電流ランプ（例えば２５０ｍｓ期間）と、バイアス電流
生成器９８２からの短バイアスパルス（例えば５ｎｓパ
ルス幅、２μｓ期間）と、変調電流生成器９８３からの
変調信号とは結合器９７に供給され、その結果として生
じる電流ランプは、重畳電流パルスおよび正弦波と共に
レーザーに適用される。電流ランプは、レーザーの温度
を所定の範囲にわたるものとする（sweep）のに役立
ち、パルスによって短いレーザーパルスが放射される。
パルス波長はゆっくりと波長の範囲にわたり、波長の関
数としての吸収が決定される。よって、波長の範囲内に
吸収線を有する気体がセルの中に存在することが容易に
検出され、その気体を識別することができる。当業者で
あればわかるように、図７にはいくつかの従来の特徴が
示されていない。例えば、測定の設定は典型的にはコン
ピュータによって制御され、さらにコンピュータとの間
の入出力を必要とする。
９０の略図であり、ここで符号９１は本発明によるレー
ザーを示す。典型的には、このレーザーは、粗波長同調
用の温度制御台（図示されていない）に取り付けられ
る。レーザーからの中赤外線９２１は、従来の気体セル
９３（またはマルチパスセル）を通過し、外に出た放射
線９２２は従来の検出器９４につきあたる。検出器の電
気出力はロックイン増幅器９５に（適切な変調信号、例
えば変調信号生成器９８３からの１．２ｋＨｚの正弦波
と共に）供給され、ロックイン増幅器の出力はデータの
分析およびフォーマットのためにコンピュータ９６に供
給される。続いてこのデータは適切な方法で表示および
／または格納される。レーザーは適切な電流でポンプさ
れる。例えば、ランプ電流生成器９８１からの低周波数
電流ランプ（例えば２５０ｍｓ期間）と、バイアス電流
生成器９８２からの短バイアスパルス（例えば５ｎｓパ
ルス幅、２μｓ期間）と、変調電流生成器９８３からの
変調信号とは結合器９７に供給され、その結果として生
じる電流ランプは、重畳電流パルスおよび正弦波と共に
レーザーに適用される。電流ランプは、レーザーの温度
を所定の範囲にわたるものとする（sweep）のに役立
ち、パルスによって短いレーザーパルスが放射される。
パルス波長はゆっくりと波長の範囲にわたり、波長の関
数としての吸収が決定される。よって、波長の範囲内に
吸収線を有する気体がセルの中に存在することが容易に
検出され、その気体を識別することができる。当業者で
あればわかるように、図７にはいくつかの従来の特徴が
示されていない。例えば、測定の設定は典型的にはコン
ピュータによって制御され、さらにコンピュータとの間
の入出力を必要とする。
【００３５】図８は、例示的なリモートセンシングシス
テム１００の略図であり、ここで放出源１０１（例えば
工場）はガス排気雲１０２を放出する。レーザー１０３
は、排気雲を通って拡散する中赤外線を放射し、反射
（例えばコーナー反射器１０５による）を受ける。続い
て、反射された放射線１０７は検出器１０８によって検
出される。レーザーは、適切な方法で、例えば図７に関
連して説明した方法でポンプすることができ、検出器の
出力は適切な方法で、例えばこれも上記の方法で利用す
ることができる。ミラーまたは他の適切な反射器をコー
ナー反射器１０５の代わりに用いることができる。反射
器は、航空機や、監視されている煙突を含む高位の対象
物の上に置くことができる。一般的に、レーザーおよび
検出器が見通し配置（line-of-sight disposition）に
配されることが計画される。
テム１００の略図であり、ここで放出源１０１（例えば
工場）はガス排気雲１０２を放出する。レーザー１０３
は、排気雲を通って拡散する中赤外線を放射し、反射
（例えばコーナー反射器１０５による）を受ける。続い
て、反射された放射線１０７は検出器１０８によって検
出される。レーザーは、適切な方法で、例えば図７に関
連して説明した方法でポンプすることができ、検出器の
出力は適切な方法で、例えばこれも上記の方法で利用す
ることができる。ミラーまたは他の適切な反射器をコー
ナー反射器１０５の代わりに用いることができる。反射
器は、航空機や、監視されている煙突を含む高位の対象
物の上に置くことができる。一般的に、レーザーおよび
検出器が見通し配置（line-of-sight disposition）に
配されることが計画される。
【００３６】一般的に、レーザーは保護および制御のた
めに適切なハウジングの中に取り付けられる。パッケー
ジは、典型的には、冷却手段（例えば、水冷、熱電冷
却）と、温度制御用フィードバックループで用いられる
温度感知手段（例えば、熱電対）と、ポンプ電流をレー
ザーに流す手段とを備える。レーザーは、従来の方法で
冷却手段に取り付けられる。選択可能なこととして、ハ
ウジングは、レーザー出力を制限するための検出手段を
含んでもよい。ハウジングは、典型的には、レーザー放
射のために透過であるウィンドウを有し、典型的には真
空にされるか、または不活性ガスで満たされる。米国特
許出願一連番号第08/852,646号を参照。これは参照によ
り本明細書に組み込まれている。
めに適切なハウジングの中に取り付けられる。パッケー
ジは、典型的には、冷却手段（例えば、水冷、熱電冷
却）と、温度制御用フィードバックループで用いられる
温度感知手段（例えば、熱電対）と、ポンプ電流をレー
ザーに流す手段とを備える。レーザーは、従来の方法で
冷却手段に取り付けられる。選択可能なこととして、ハ
ウジングは、レーザー出力を制限するための検出手段を
含んでもよい。ハウジングは、典型的には、レーザー放
射のために透過であるウィンドウを有し、典型的には真
空にされるか、または不活性ガスで満たされる。米国特
許出願一連番号第08/852,646号を参照。これは参照によ
り本明細書に組み込まれている。
【００３７】当業者であれば容易に理解できるように、
吸収分光学または同様の適用で有利に用いられべき本発
明によるＱＣレーザーには、単一モード操作を確保する
ためのフィードバック手段が備えられる。かかるフィー
ドバック手段は、典型的には、米国特許出願一連番号第
08/852,646号で詳細に説明されるブラッグ格子である。
図９は、分布帰還（ＤＦＢ）機構を有する、本発明によ
る例示的なＱＣレーザー９００の略図である。符号９１
０、９２０および９３０は、下部閉込め領域と、複数の
リピートユニットを有するＱＣ活性領域と、最上面に格
子を有する上部閉込め領域とを示す。符号９４０と９５
０は、金属化層を示す。波矢印は、出力の放射を示す。
吸収分光学または同様の適用で有利に用いられべき本発
明によるＱＣレーザーには、単一モード操作を確保する
ためのフィードバック手段が備えられる。かかるフィー
ドバック手段は、典型的には、米国特許出願一連番号第
08/852,646号で詳細に説明されるブラッグ格子である。
図９は、分布帰還（ＤＦＢ）機構を有する、本発明によ
る例示的なＱＣレーザー９００の略図である。符号９１
０、９２０および９３０は、下部閉込め領域と、複数の
リピートユニットを有するＱＣ活性領域と、最上面に格
子を有する上部閉込め領域とを示す。符号９４０と９５
０は、金属化層を示す。波矢印は、出力の放射を示す。
【図１】ＩｎＰ上のひずみ補正されたＩｎＧａＡｓ／Ｉ
ｎＡｌＡｓの二重層についてのΔＥc対ＩｎxＧａ1-xＡ
ｓのインジウム含有量の計算曲線を示している。
ｎＡｌＡｓの二重層についてのΔＥc対ＩｎxＧａ1-xＡ
ｓのインジウム含有量の計算曲線を示している。
【図２】伝導帯端と、エネルギーレベルと、ミニギャッ
プと、漏斗注入器とを含む、コア領域の１つのリピート
ユニットの該当する諸局面を示す。
プと、漏斗注入器とを含む、コア領域の１つのリピート
ユニットの該当する諸局面を示す。
【図３】エレクトロルミネセンス対波長および光子エネ
ルギーについての例示的なデータを示す。
ルギーについての例示的なデータを示す。
【図４】パルス電流操作における、光パワー対駆動電
力、ならびに代表的な電流−電圧の特徴についての例示
的なデータを示す。
力、ならびに代表的な電流−電圧の特徴についての例示
的なデータを示す。
【図５】ＣＷ操作における光パワー対電流の関係を示
す。
す。
【図６】ＣＷ操作における光パワー対波長の関係を示
す。
す。
【図７】本発明に従ったレーザー、すなわち吸収分光学
のための装置を備える例示的な装置の略図である。
のための装置を備える例示的な装置の略図である。
【図８】本発明に従ったレーザー、すなわち吸収分光学
のための装置を備える例示的な装置の略図である。
のための装置を備える例示的な装置の略図である。
【図９】本発明に従ったＤＦＢ ＱＣレーザーの略図で
ある。
ある。
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 サン−ニー ジョージ チュー アメリカ合衆国 07974 ニュージャーシ ィ，マレイ ヒル，マレイ ヒル ブウル ヴァード 55 (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，ファウボルグ ジュ 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，ピスカッタウエイ，リヴァー ロード 1359 (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，プレインフィールド ア ヴェニュー 16
Claims (12)
- 【請求項１】 格子定数ａ0を有する半導体基板の上に
配された多層半導体構造を備える量子カスケードレーザ
ーを備える物質であって、 ａ）前記多層半導体構造が、下部閉込め領域と、下部閉
込め領域の上に配されたコア領域と、コア領域の上に配
された上部閉込め領域とを備える光導波管を形成し、 ｂ）前記コア領域が、複数の名目上同一のリピートユニ
ットを備えており、各リピートユニットが活性領域とキ
ャリア注入領域とを備え、活性領域が、第一半導体材料
と第二半導体材料の層を交互に備える層構造を有すると
ともに、高キャリアエネルギー状態および低キャリアエ
ネルギー状態を提供するように選択されており、高キャ
リアエネルギー状態から低キャリアエネルギー状態への
キャリア遷移の結果、波長λの光子が放出され、キャリ
ア注入領域が、活性領域の低キャリアエネルギー状態か
ら、隣接する下流のリピートユニットの活性領域の高キ
ャリアエネルギー状態へのキャリア遷移を容易にするよ
うに選択された層構造を有し、 ｃ）量子カスケードレーザーが、電流が多層半導体構造
の中を流れることを容易にするように選択された接点を
備えており、 ｄ）第一半導体材料が格子定数ａ1＞ａ0を有するように
選択され、第二半導体材料が格子定数ａ2＜ａ0を有する
ように選択され、さらに前記第一半導体材料と前記第二
半導体材料との間の伝導帯エネルギー不連続性ΔＥcが
絶対値で５２０ｍｅＶを超えるように選択されることを
特徴とする物質。 - 【請求項２】 前記第一半導体材料および第二半導体材
料ならびにリピートユニットの層の厚さが、｜（δａ1
／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／ａ0）Σｔ2｜が０．２（δａ1
／ａ0）Σｔ1であるように選択され、ここでδａ1＝ａ1
−ａ0、δａ2＝ａ2−ａ0、Σｔ1およびΣｔ2は所定のリ
ピートユニットの第一半導体材料層および第二半導体材
料層のそれぞれの厚さの合計であり、縦棒が絶対値を意
味する、請求項１記載の物質。 - 【請求項３】 第一半導体材料および第二半導体材料な
らびに層の厚さが、｜（δａ1／ａ0）Σｔ1＋（δａ2／
ａ0）Σｔ2｜が０．１（δａ1／ａ0）Σｔ1以下である
ように選択される、請求項２記載の物質。 - 【請求項４】 量子カスケードレーザーがさらに分布帰
還機構を備える、請求項１記載の物質。 - 【請求項５】 分布帰還機構が、閉込め領域に配された
ブラッグ格子である、請求項４記載の物質。 - 【請求項６】 物質とは、測定種による赤外線の吸収を
測定する測定システムであり、 該測定システムが、請求項１記載の量子カスケードレー
ザーを備えるシングルモード赤外線レーザー放射の源を
備え、かつさらに、ある量の前記測定種を介してそれを
通過した後のシングルモード赤外線レーザー放射を検出
する検出器を備える、請求項１記載の物質。 - 【請求項７】 前記測定種が、測定セルに配された気体
である請求項６記載の測定システム。 - 【請求項８】 前記測定種が非密封気体である、請求項
６記載の測定システム。 - 【請求項９】 前記電流接点に接続された電源をさらに
備え、 シングルモードレーザー放射の波長がレーザー加熱電流
に従って変化するように、該電源がレーザー加熱電流を
レーザーに提供する請求項１記載の物質。 - 【請求項１０】 前記レーザー加熱電流が電流ランプを
備える、請求項９記載の物質。 - 【請求項１１】 前記シングルモードレーザー放射が第
一大気ウィンドウとして言及される範囲の波長を有す
る、請求項１記載の物質。 - 【請求項１２】 前記シングルモードレーザー放射が約
３〜５μｍの範囲の波長を有する、請求項１記載の物
質。
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-
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