JPH11340586A - 改良型超格子量子カスケ―ドレ―ザから成る物品 - Google Patents
改良型超格子量子カスケ―ドレ―ザから成る物品Info
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- JPH11340586A JPH11340586A JP11123340A JP12334099A JPH11340586A JP H11340586 A JPH11340586 A JP H11340586A JP 11123340 A JP11123340 A JP 11123340A JP 12334099 A JP12334099 A JP 12334099A JP H11340586 A JPH11340586 A JP H11340586A
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、改良型超格子量子カスケードレー
ザから成る物品に関する。 【解決手段】 新規超格子量子カスケード（ＳＬＱＣ）
レーザは、ドープされないＳＬ活性領域を有し、選ばれ
た前記インゼクタ領域におけるドープ剤濃度において
は、適正な電気的バイアスにおいて前記ＳＬ活性領域が
実質的に電場を有することのない濃度が選ばれる。ドー
プ剤原子が前記ＳＬ活性領域にないと、キャリヤ拡散が
減少して光学的損失が少なくなり、しきい値の低下、室
温での操作の両者またはいずれか一方が可能となる。前
記新規レーザは前記中赤外線スペクトル領域において発
振し、測定および監視システムすなわち汚染監視システ
ムに有利となる。
ザから成る物品に関する。 【解決手段】 新規超格子量子カスケード（ＳＬＱＣ）
レーザは、ドープされないＳＬ活性領域を有し、選ばれ
た前記インゼクタ領域におけるドープ剤濃度において
は、適正な電気的バイアスにおいて前記ＳＬ活性領域が
実質的に電場を有することのない濃度が選ばれる。ドー
プ剤原子が前記ＳＬ活性領域にないと、キャリヤ拡散が
減少して光学的損失が少なくなり、しきい値の低下、室
温での操作の両者またはいずれか一方が可能となる。前
記新規レーザは前記中赤外線スペクトル領域において発
振し、測定および監視システムすなわち汚染監視システ
ムに有利となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は量子カスケード（Ｑ
Ｃ）レーザに関連し、さらに詳しくは、超格子（ＳＬ）
ＱＣレーザに関する。
Ｃ）レーザに関連し、さらに詳しくは、超格子（ＳＬ）
ＱＣレーザに関する。
【０００２】
【政府との契約】本発明は、陸軍研究所との契約ＤＡＡ
Ｈ０４−９６−００２６の下で政府の支持によりなされ
た。同政府は本発明において一定の権利を有する。
Ｈ０４−９６−００２６の下で政府の支持によりなされ
た。同政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】量子
カスケード（ＣＳ）レーザは公知である。例えば、米国
特許第５、４５７、７０９号および第５、５０９、０２
５号を参照。また、Ｊ．Ｆｉａｓｔ等のＡｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、６８巻、３６８０頁
（１９９６）を参照。これらはすべて引用によりここに
合体されるものとする。
カスケード（ＣＳ）レーザは公知である。例えば、米国
特許第５、４５７、７０９号および第５、５０９、０２
５号を参照。また、Ｊ．Ｆｉａｓｔ等のＡｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、６８巻、３６８０頁
（１９９６）を参照。これらはすべて引用によりここに
合体されるものとする。
【０００４】要するに、ＱＣレーザは、多数の同一の
「繰り返しユニット」から成る。各々の繰り返しユニッ
トは、上位エネルギー準位および下位エネルギー準位と
関係している。被電場のもとでは、荷電キャリヤ（代表
的には電子）が、所定の繰り返しユニットの前記下位エ
ネルギー準位から、隣接する下流における前記繰り返し
ユニットの前記上位エネルギー準位へ移動し、続いて前
記繰り返しユニットの前記上位エネルギー準位から前記
下位エネルギー準位へ放射性遷移を起こし、次の繰り返
しユニットへ進む。このようにして、前記ＱＣレーザの
前記活性領域へ誘導された各々の荷電キャリヤは、理想
的にはＮ遷移（Ｎは、例えば約２５の数値を示す繰り返
しユニット）を起こし、各々の遷移が起こった結果、代
表的には中赤外線（具体的には３〜１３μｍ）の波長λ
のフォトンが放出する。
「繰り返しユニット」から成る。各々の繰り返しユニッ
トは、上位エネルギー準位および下位エネルギー準位と
関係している。被電場のもとでは、荷電キャリヤ（代表
的には電子）が、所定の繰り返しユニットの前記下位エ
ネルギー準位から、隣接する下流における前記繰り返し
ユニットの前記上位エネルギー準位へ移動し、続いて前
記繰り返しユニットの前記上位エネルギー準位から前記
下位エネルギー準位へ放射性遷移を起こし、次の繰り返
しユニットへ進む。このようにして、前記ＱＣレーザの
前記活性領域へ誘導された各々の荷電キャリヤは、理想
的にはＮ遷移（Ｎは、例えば約２５の数値を示す繰り返
しユニット）を起こし、各々の遷移が起こった結果、代
表的には中赤外線（具体的には３〜１３μｍ）の波長λ
のフォトンが放出する。
【０００５】引用によりここに合体されるＣａｐａｓｓ
ｏ等による米国特許第０８／７４４，２９２号（許可済
み）はＱＣレーザを開示しており、その中で繰り返しユ
ニットは、超格子活性領域と注入／緩和領域とから成
る。前記超格子領域は、上位微小帯および下位微小帯を
保有し、前記上位微小帯から前記下位微小帯へ放射性遷
移が起こる。前記放射性遷移が起こった後、前記荷電キ
ャリヤは、注入／緩和領域を介して前記下位微小帯から
隣接する下流の繰り返しユニットの前記上位微小帯へ移
動する。Ｇ．ＳｃａｍａｒｉｏらによるＳｃｉｅｎｃ
ｅ，Ｖｏｌ．２７６，Ｐ７７３（１９９７）は参考文献
として本出願に含まれるので参照すること。
ｏ等による米国特許第０８／７４４，２９２号（許可済
み）はＱＣレーザを開示しており、その中で繰り返しユ
ニットは、超格子活性領域と注入／緩和領域とから成
る。前記超格子領域は、上位微小帯および下位微小帯を
保有し、前記上位微小帯から前記下位微小帯へ放射性遷
移が起こる。前記放射性遷移が起こった後、前記荷電キ
ャリヤは、注入／緩和領域を介して前記下位微小帯から
隣接する下流の繰り返しユニットの前記上位微小帯へ移
動する。Ｇ．ＳｃａｍａｒｉｏらによるＳｃｉｅｎｃ
ｅ，Ｖｏｌ．２７６，Ｐ７７３（１９９７）は参考文献
として本出願に含まれるので参照すること。
【０００６】ＳＬＱＣ（超格子量子カスケード）レーザ
は、前記負荷電圧が増大した際に、レベルの誤調整をき
たすことなく大容量の電流密度を強力に保持する広範囲
の微小帯なる利点を提供する。しかし、先行技術である
ＳＬＱＣレーザは、光学的損失および放出線幅が比較的
大きく、高温での集団反転が小さくなる。この結果、先
行技術であるＳＬＱＣレーザは、これと同一波長におけ
る標準ＱＣレーザよりも高いしきい値の電流密度を呈す
ることが代表的であり、このために室温での動作、先行
技術であるＳＬＱＣレーザの持続的光波操作の両者また
はいずれか一方が不可能となる。
は、前記負荷電圧が増大した際に、レベルの誤調整をき
たすことなく大容量の電流密度を強力に保持する広範囲
の微小帯なる利点を提供する。しかし、先行技術である
ＳＬＱＣレーザは、光学的損失および放出線幅が比較的
大きく、高温での集団反転が小さくなる。この結果、先
行技術であるＳＬＱＣレーザは、これと同一波長におけ
る標準ＱＣレーザよりも高いしきい値の電流密度を呈す
ることが代表的であり、このために室温での動作、先行
技術であるＳＬＱＣレーザの持続的光波操作の両者また
はいずれか一方が不可能となる。
【０００７】ＳＬＱＣレーザの有する潜在的利点からみ
ると、引用されている前述の欠点から実質的に解放され
た（または少なくともほとんど影響を受けない）改良型
ＳＬＱＣレーザを入手することが強く望まれる。本出願
は、かかる改良型ＳＬＱＣレーザを開示する。
ると、引用されている前述の欠点から実質的に解放され
た（または少なくともほとんど影響を受けない）改良型
ＳＬＱＣレーザを入手することが強く望まれる。本出願
は、かかる改良型ＳＬＱＣレーザを開示する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】広範な目的において、本
発明は、キャリヤ散乱および光学的損失の少なさを特徴
とする新規ＳＬＱＣレーザにおいて具体化され、その結
果、電流しきい値の低さ、および室温での動作の両者ま
たはいずれか一方が具体化されている。
発明は、キャリヤ散乱および光学的損失の少なさを特徴
とする新規ＳＬＱＣレーザにおいて具体化され、その結
果、電流しきい値の低さ、および室温での動作の両者ま
たはいずれか一方が具体化されている。
【０００９】さらに特別には、本発明は、上位光学的閉
鎖領域と、導波管コア領域と、下位光学的閉鎖領域と、
さらには前記レーザに電気的に接する接触面が順序立て
て構成される物品において具体化される。前記導波管コ
ア領域は、本質的に同一の繰り返しユニットが多数（代
表的には１０個以上）集合して成り、所定の繰り返しユ
ニットは注入／緩和領域（ここでは「インゼクタ領域」
と呼ぶ）と、超格子活性領域の前記上位エネルギー準位
から前記下位エネルギー準位への放射性キャリヤ遷移を
容易にするように選ばれた前記超格子活性領域とから成
る。前記インゼクタ領域は、適正な電気的バイアスにお
いて、被超格子活性領域の前記下位エネルギー準位から
隣接する下流の超格子活性領域の前記上位エネルギー準
位へ向けた荷電キャリヤ経路を使用できるよう選ばれて
いる。
鎖領域と、導波管コア領域と、下位光学的閉鎖領域と、
さらには前記レーザに電気的に接する接触面が順序立て
て構成される物品において具体化される。前記導波管コ
ア領域は、本質的に同一の繰り返しユニットが多数（代
表的には１０個以上）集合して成り、所定の繰り返しユ
ニットは注入／緩和領域（ここでは「インゼクタ領域」
と呼ぶ）と、超格子活性領域の前記上位エネルギー準位
から前記下位エネルギー準位への放射性キャリヤ遷移を
容易にするように選ばれた前記超格子活性領域とから成
る。前記インゼクタ領域は、適正な電気的バイアスにお
いて、被超格子活性領域の前記下位エネルギー準位から
隣接する下流の超格子活性領域の前記上位エネルギー準
位へ向けた荷電キャリヤ経路を使用できるよう選ばれて
いる。
【００１０】ここで重要なことは、前記被超格子活性領
域はドープされず（強制的にドープされず）、少なくと
も前記被インゼクタ領域の一部はドープされ（代表的に
はｎ−タイプ）、前記ドープ剤濃度は、前記電気的バイ
アスのもとに、前記超格子活性領域が実質的に電場を有
することのないよう選ばれた濃度という点である。前記
ＳＬ活性領域は、前記電気光波関数が局在化されない代
りに前記ＳＬ領域の少なくとも実質的に一部に拡大する
と仮定した際、「実質的に電場をもたない」ことにな
る。局在化するか否かは、前記準位のエネルギースペク
トルから予め決定される。本発明によるＳＬＱＣレーザ
は、具体的には汚染監視に使用可能である。
域はドープされず（強制的にドープされず）、少なくと
も前記被インゼクタ領域の一部はドープされ（代表的に
はｎ−タイプ）、前記ドープ剤濃度は、前記電気的バイ
アスのもとに、前記超格子活性領域が実質的に電場を有
することのないよう選ばれた濃度という点である。前記
ＳＬ活性領域は、前記電気光波関数が局在化されない代
りに前記ＳＬ領域の少なくとも実質的に一部に拡大する
と仮定した際、「実質的に電場をもたない」ことにな
る。局在化するか否かは、前記準位のエネルギースペク
トルから予め決定される。本発明によるＳＬＱＣレーザ
は、具体的には汚染監視に使用可能である。
【００１１】「ドープされない」または「強制的にドー
プされない」半導体領域という語が意味するのは、論者
らによれば、約１０15キャリヤ／ｃｍ3未満を含む半導
体領域のことである。
プされない」半導体領域という語が意味するのは、論者
らによれば、約１０15キャリヤ／ｃｍ3未満を含む半導
体領域のことである。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明による具体的レー
ザ１０を図解で示し、この中で数字１６および数字１７
は金属接点を示し、数字１２〜１５はそれぞれ前記基板
／下位光学的閉鎖領域、導波管コア領域、上位光学的閉
鎖領域、および接触層を示す。少なくとも前記コア領域
は多層領域とするのが適正である。上位光学的閉鎖領
域、下位光学的閉鎖領域、および導波管コア領域は、上
位閉鎖領域、下位閉鎖領域、およびコア領域と呼ばれる
ことが多い。
ザ１０を図解で示し、この中で数字１６および数字１７
は金属接点を示し、数字１２〜１５はそれぞれ前記基板
／下位光学的閉鎖領域、導波管コア領域、上位光学的閉
鎖領域、および接触層を示す。少なくとも前記コア領域
は多層領域とするのが適正である。上位光学的閉鎖領
域、下位光学的閉鎖領域、および導波管コア領域は、上
位閉鎖領域、下位閉鎖領域、およびコア領域と呼ばれる
ことが多い。
【００１３】表１は本発明による具体的なＳＬＱＣレー
ザの層構造を示す。前記層構造はＭＢＥ（分子ビームエ
ピタキシー法）により成長し、格子はドープされた（ｎ
-１０17ｃｍ-3）ＩｎＰ基板と一致した。前記基板は、
下位光学的閉鎖領域となるが、表１には含まれていな
い。例えば米国特許第５，５０２，７８７号を参照のこ
と。前記上位光学閉鎖領域は、２つのＡｌＩｎＡｓ層す
なわち１２００ｎｍ、１．２×１０17ｃｍ3のｎ−タイ
プと、１２００ｎｍ、３×１０17ｃｍのｎ−タイプ）、
並びにＩｎＧａＡｓプラスモン導波管層（５００ｎｍ、
８×１０18ｃｍ-3ｎタイプ）から構成される。ＩｎＧａ
Ａｓ層は、ドープされた６×１０16ｃｍ-3の層で、前記
２５個の繰り返しユニットの上下に、それぞれ４００ｎ
ｍおよび２００ｎｍとして存在し、前記コア領域と前記
クラウディング領域における前記屈折指数の差を効果的
に増大させている。参考文献は、前記の'７８７番の特
許を参照のこと。この結果生じた前記基板の光学モード
の閉じ込め因子Γは、前記微小帯相互の遷移選択則に必
要とされるＴＭ分極化に対して０．６７と計算された。
ザの層構造を示す。前記層構造はＭＢＥ（分子ビームエ
ピタキシー法）により成長し、格子はドープされた（ｎ
-１０17ｃｍ-3）ＩｎＰ基板と一致した。前記基板は、
下位光学的閉鎖領域となるが、表１には含まれていな
い。例えば米国特許第５，５０２，７８７号を参照のこ
と。前記上位光学閉鎖領域は、２つのＡｌＩｎＡｓ層す
なわち１２００ｎｍ、１．２×１０17ｃｍ3のｎ−タイ
プと、１２００ｎｍ、３×１０17ｃｍのｎ−タイプ）、
並びにＩｎＧａＡｓプラスモン導波管層（５００ｎｍ、
８×１０18ｃｍ-3ｎタイプ）から構成される。ＩｎＧａ
Ａｓ層は、ドープされた６×１０16ｃｍ-3の層で、前記
２５個の繰り返しユニットの上下に、それぞれ４００ｎ
ｍおよび２００ｎｍとして存在し、前記コア領域と前記
クラウディング領域における前記屈折指数の差を効果的
に増大させている。参考文献は、前記の'７８７番の特
許を参照のこと。この結果生じた前記基板の光学モード
の閉じ込め因子Γは、前記微小帯相互の遷移選択則に必
要とされるＴＭ分極化に対して０．６７と計算された。
【００１４】前記層構造の前記最上層（１０ｎｍ、１×
１０20ｃｍ-3）は、汎用されている接触層である。表１
に示されるが詳細には説明されていないその他の層は、
異なる成分から成る複数の層間における段階的遷移を提
供する等、既知の機能を有する。
１０20ｃｍ-3）は、汎用されている接触層である。表１
に示されるが詳細には説明されていないその他の層は、
異なる成分から成る複数の層間における段階的遷移を提
供する等、既知の機能を有する。
【００１５】前記具体物からみると、前記下位閉鎖領域
は、前記２５ｎｍの段階的に数値化されたＧａＡｌＡｓ
層を構成すると考えられており、前記コア領域が前記４
００ｎｍの層から、前記２００ｎｍのＧａＩｎＡｓ層へ
拡大すると考えられ、前記閉じ込め層が表１の前記残留
層を構成する。
は、前記２５ｎｍの段階的に数値化されたＧａＡｌＡｓ
層を構成すると考えられており、前記コア領域が前記４
００ｎｍの層から、前記２００ｎｍのＧａＩｎＡｓ層へ
拡大すると考えられ、前記閉じ込め層が表１の前記残留
層を構成する。
【００１６】ＧａＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＡｓという表
現は化学式ではなく、前記構成部を一覧表示するにすぎ
ない。表１の前記層構造はＩｎＰに一致する格子として
育成した。このようにして、ＩｎＧａＡｓ Ｉｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓを構成し、ＡｌＩｎＡｓは組成物Ａｌ0.48Ｉ
ｎ0.52Ａｓを有し、本発明において熟知されている。
現は化学式ではなく、前記構成部を一覧表示するにすぎ
ない。表１の前記層構造はＩｎＰに一致する格子として
育成した。このようにして、ＩｎＧａＡｓ Ｉｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓを構成し、ＡｌＩｎＡｓは組成物Ａｌ0.48Ｉ
ｎ0.52Ａｓを有し、本発明において熟知されている。
【００１７】
【表１】
【００１８】前記ＩｎＰ基板から前記４００ｎｍＧａＩ
ｎＡｓ層への前記遷移は、段階的に数値化されている
（ディジタルグレーディングＩ）。段階的数値化Ｉの詳
細を表２に示す。
ｎＡｓ層への前記遷移は、段階的に数値化されている
（ディジタルグレーディングＩ）。段階的数値化Ｉの詳
細を表２に示す。
【００１９】
【表２】
【００２０】前記４００ｎｍのＧａＩｎＡｓ層に続いて
ディジタルグレーディングIIが起こり、その代りに超格
子領域およびインゼクタ領域から成る２５の繰り返しユ
ニットが続き、後者はディジタルグレーディングIIとな
る。前記段階的数値表示は表３に示される。「ｉ」と設
計された層はドープされていない（強制的にドープされ
ていない）。
ディジタルグレーディングIIが起こり、その代りに超格
子領域およびインゼクタ領域から成る２５の繰り返しユ
ニットが続き、後者はディジタルグレーディングIIとな
る。前記段階的数値表示は表３に示される。「ｉ」と設
計された層はドープされていない（強制的にドープされ
ていない）。
【００２１】
【表３】
【００２２】表４はインゼクタ（表３参照）と共に繰り
返しユニットを形成する前記超格子活性領域を詳細に示
す。表１の例示的層構造は２５個の繰り返しユニットを
有するが、当然のことながら、この個数よりも前後する
ことができる。
返しユニットを形成する前記超格子活性領域を詳細に示
す。表１の例示的層構造は２５個の繰り返しユニットを
有するが、当然のことながら、この個数よりも前後する
ことができる。
【００２３】
【表４】
【００２４】'２９２番の特許における前記ＳＬＱＣレ
ーザと、（前述のごとく開示後の層構造を有する）即時
に具体化した前記ＳＬＱＣレーザとの重大な差異は、ド
ープ剤分布に見出される。前者においては、前記ＧａＩ
ｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子活性領域がドープされたn-
タイプであり（ｎ＝１．０ｘ１０17ｃｍ-3、'２９２の
表１および表４を参照）、その一方、後者において超格
子活性領域はドープされておらず（強制的にドープされ
ておらず）、所定の繰り返しユニットの前記インゼクタ
のみがドープされている。事実上、代表的には前記イン
ゼクタの一部が、後述の場の平面度基準に影響を受けて
ドープされているにすぎない。ドーピングの差によっ
て、不純物の散乱が減り、（キャリヤ吸収がないので）
光学的損失が低下し、先行技術のＳＬＱＣレーザと比べ
た際に、本発明による前記ＳＬＱＣレーザには動作上の
重要性が認められる。
ーザと、（前述のごとく開示後の層構造を有する）即時
に具体化した前記ＳＬＱＣレーザとの重大な差異は、ド
ープ剤分布に見出される。前者においては、前記ＧａＩ
ｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子活性領域がドープされたn-
タイプであり（ｎ＝１．０ｘ１０17ｃｍ-3、'２９２の
表１および表４を参照）、その一方、後者において超格
子活性領域はドープされておらず（強制的にドープされ
ておらず）、所定の繰り返しユニットの前記インゼクタ
のみがドープされている。事実上、代表的には前記イン
ゼクタの一部が、後述の場の平面度基準に影響を受けて
ドープされているにすぎない。ドーピングの差によっ
て、不純物の散乱が減り、（キャリヤ吸収がないので）
光学的損失が低下し、先行技術のＳＬＱＣレーザと比べ
た際に、本発明による前記ＳＬＱＣレーザには動作上の
重要性が認められる。
【００２５】先行技術であるＳＬＱＣレーザにおける超
格子領域のドーピングは必要な特徴であり、外的バイア
スのもとに平面超格子帯の特徴を維持する目的で要求さ
れ、前記微小間隙の破損を防ぐのに必要である。その一
方で筆者らは、前記インゼクタにおける荷電分布を利用
することによって本質的に電場のない状態を維持し、前
記ＳＬにもたらされる場を補正するような電場を発生さ
せることが可能であるという事実を見出した。上述のよ
うに、各繰り返しユニットの前記層構造は、具体的には
格子厚４．６ｎｍのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ格子井戸と、
壁厚１．２ｎｍのＡｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓ障壁厚とを８個
提供し、前記上位微小帯の最下位エネルギー準位と、前
記下位微小帯の最上位エネルギー準位との間に、１６６
ｍｅＷの広い微小間隙を提供する。この間隙が、約７．
５μｍのフォトン波長に相当する。前記波長は、１個以
上のＳＬパラメタ、すなわち格子井戸厚および障壁厚の
範囲で変更可能なことが適正である。
格子領域のドーピングは必要な特徴であり、外的バイア
スのもとに平面超格子帯の特徴を維持する目的で要求さ
れ、前記微小間隙の破損を防ぐのに必要である。その一
方で筆者らは、前記インゼクタにおける荷電分布を利用
することによって本質的に電場のない状態を維持し、前
記ＳＬにもたらされる場を補正するような電場を発生さ
せることが可能であるという事実を見出した。上述のよ
うに、各繰り返しユニットの前記層構造は、具体的には
格子厚４．６ｎｍのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ格子井戸と、
壁厚１．２ｎｍのＡｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓ障壁厚とを８個
提供し、前記上位微小帯の最下位エネルギー準位と、前
記下位微小帯の最上位エネルギー準位との間に、１６６
ｍｅＷの広い微小間隙を提供する。この間隙が、約７．
５μｍのフォトン波長に相当する。前記波長は、１個以
上のＳＬパラメタ、すなわち格子井戸厚および障壁厚の
範囲で変更可能なことが適正である。
【００２６】また、前述のように、各繰り返しユニット
もまた、段階的インゼクタから成り、前記インゼクタ層
が隣接する下流のドープされた超格子活性領域近傍にあ
り、さらには表３に示すように、前記ドープ剤濃度はオ
プションとして段階づけられている。前記インゼクタ層
の層厚は、最下部に生じた微小帯の基底状態が、その前
方にある超格子近傍で濃縮される状態となるよう選ばれ
る。これを図２に図解で示す。この図は、２９ｋＶ／ｃ
ｍのバイアス場において、前記コア領域の前記伝導帯端
部分２０を示し、これにより前記繰り返しユニット同様
に、前記超格子活性領域と前記インゼクタ領域を示して
いる。具体物から考えると、前記繰り返しユニットは、
注入障壁２１から、前記下流注入壁のすぐ前方にある前
記量子井戸へ拡大すると考えられる。前記繰り返しユニ
ット上の他の区域も利用可能なはずである。数字２２は
前記最下位微小帯を示し、２３は前記微小帯のすぐ上に
ある前記微小間隙を示し、２４は前記微小帯の基底状態
における電子光波関数を示す。前記下流の方向も指示さ
れる。前記インゼクタ領域の隠れた部分はドープされ、
前記繰り返しユニットの残存部分はドープされていな
い。図２は（架空の）状況に関連すると理解されてお
り、その状況では、すべてのドープ剤原子はイオン化さ
れておらず、言い換えれば前記繰り返し構造には自由電
子が一つもないことになる。
もまた、段階的インゼクタから成り、前記インゼクタ層
が隣接する下流のドープされた超格子活性領域近傍にあ
り、さらには表３に示すように、前記ドープ剤濃度はオ
プションとして段階づけられている。前記インゼクタ層
の層厚は、最下部に生じた微小帯の基底状態が、その前
方にある超格子近傍で濃縮される状態となるよう選ばれ
る。これを図２に図解で示す。この図は、２９ｋＶ／ｃ
ｍのバイアス場において、前記コア領域の前記伝導帯端
部分２０を示し、これにより前記繰り返しユニット同様
に、前記超格子活性領域と前記インゼクタ領域を示して
いる。具体物から考えると、前記繰り返しユニットは、
注入障壁２１から、前記下流注入壁のすぐ前方にある前
記量子井戸へ拡大すると考えられる。前記繰り返しユニ
ット上の他の区域も利用可能なはずである。数字２２は
前記最下位微小帯を示し、２３は前記微小帯のすぐ上に
ある前記微小間隙を示し、２４は前記微小帯の基底状態
における電子光波関数を示す。前記下流の方向も指示さ
れる。前記インゼクタ領域の隠れた部分はドープされ、
前記繰り返しユニットの残存部分はドープされていな
い。図２は（架空の）状況に関連すると理解されてお
り、その状況では、すべてのドープ剤原子はイオン化さ
れておらず、言い換えれば前記繰り返し構造には自由電
子が一つもないことになる。
【００２７】各繰り返しユニットにおいて、前記電子
が、基底状態から、ドーピングの量からみて測定した準
Ｆｅｒｍｉレベルまで微小帯を充たし始めると仮定する
と、前記構造における帯の特徴を実地に計算することが
でき、本発明において習熟された技術により理解される
ように、Ｐｏｉｓｓｏｎ−Ｓｃｈｒｏｅｄｉｎｇｅｒの
繰り返し工程を介する非本質的変化によって発生した前
記電場を、自己相似性とあわせて考慮することができ
る。この計算結果を図３に示し、ここでは、「ｇ」は一
つの繰り返しユニットの基底状態を示し、番号１は最下
部微小帯の上部に拡大した電子光波関数を示し、番号２
および３は前記上位微小帯における、下位へ拡大した前
記電子光波関数を示す。矢印３１は、レーザ発振部の微
小間隙を示す。前記帯構造は、被電場２９ｋＶ／ｃｍか
ら計算した。
が、基底状態から、ドーピングの量からみて測定した準
Ｆｅｒｍｉレベルまで微小帯を充たし始めると仮定する
と、前記構造における帯の特徴を実地に計算することが
でき、本発明において習熟された技術により理解される
ように、Ｐｏｉｓｓｏｎ−Ｓｃｈｒｏｅｄｉｎｇｅｒの
繰り返し工程を介する非本質的変化によって発生した前
記電場を、自己相似性とあわせて考慮することができ
る。この計算結果を図３に示し、ここでは、「ｇ」は一
つの繰り返しユニットの基底状態を示し、番号１は最下
部微小帯の上部に拡大した電子光波関数を示し、番号２
および３は前記上位微小帯における、下位へ拡大した前
記電子光波関数を示す。矢印３１は、レーザ発振部の微
小間隙を示す。前記帯構造は、被電場２９ｋＶ／ｃｍか
ら計算した。
【００２８】図３から分かるように、前記ＳＬ領域には
実質的に電場がなく、所定の繰り返しユニットの第一微
小帯は次の（下流の）繰り返しユニットの第一微小帯と
緊密に整列されている。このことによって、発振状態に
ある前記ＳＬＱＣレーザへ効率よくキャリヤ注入を行う
よう保証される。
実質的に電場がなく、所定の繰り返しユニットの第一微
小帯は次の（下流の）繰り返しユニットの第一微小帯と
緊密に整列されている。このことによって、発振状態に
ある前記ＳＬＱＣレーザへ効率よくキャリヤ注入を行う
よう保証される。
【００２９】前記ｎタイプのＩｎＰウエハ上において、
層構造と一致する超格子がＭＢＥ法によって達成させた
後は、前記活性領域上に様々な幅の縦縞をつける汎用式
メサ腐食法によってレーザが形成され、シリコン・ニト
ライド絶縁体層の堆積と金属被覆が起こり、続いて長さ
１．５〜３ｎｍの破壊が起こり、切子面は被覆されずに
残る。このようにして形成されたデバイスは、銅板には
んだ付けされ、針金で取り付けられて、測定用にＨｅ−
流での低温装置に設置される。
層構造と一致する超格子がＭＢＥ法によって達成させた
後は、前記活性領域上に様々な幅の縦縞をつける汎用式
メサ腐食法によってレーザが形成され、シリコン・ニト
ライド絶縁体層の堆積と金属被覆が起こり、続いて長さ
１．５〜３ｎｍの破壊が起こり、切子面は被覆されずに
残る。このようにして形成されたデバイスは、銅板には
んだ付けされ、針金で取り付けられて、測定用にＨｅ−
流での低温装置に設置される。
【００３０】前記レーザは、約５ＫＨｚの反復速度で５
０ｎｓの電流パルスで運転され、単一切子面からの前記
光出力が（回収効率〜５０％で）ｆ／０．８光学単位で
迅速に校正された室温ＨｇＣｄＴｅ検出器へ回収され
る。図４に、幅１５ｍｍ、長さ３ｍｍの縦縞について記
録した光学電流特性をプロットしてある。５ｋにおい
て、〜５５０ｍＷまでの最大回収力が得られ、前記レー
ザ発振しきい値での電流密度は４．２ｋＡ／ｃｍ2とな
り、ほぼ同等の波長にて先行技術ＳＬＱＣから我々が得
た値より有意に良好であった。
０ｎｓの電流パルスで運転され、単一切子面からの前記
光出力が（回収効率〜５０％で）ｆ／０．８光学単位で
迅速に校正された室温ＨｇＣｄＴｅ検出器へ回収され
る。図４に、幅１５ｍｍ、長さ３ｍｍの縦縞について記
録した光学電流特性をプロットしてある。５ｋにおい
て、〜５５０ｍＷまでの最大回収力が得られ、前記レー
ザ発振しきい値での電流密度は４．２ｋＡ／ｃｍ2とな
り、ほぼ同等の波長にて先行技術ＳＬＱＣから我々が得
た値より有意に良好であった。
【００３１】本発明による前記レーザはまた、数ｍＷの
小型内燃機関の出力により室温での動作が可能となっ
た。これは、先行技術ＳＬＱＣレーザから得た結果より
も有意に改良されているとする点の構成要素となってお
り、具体的には温度２４０Ｋで最大に動作した。前記温
度が１６０〜２８０Ｋの範囲を越えるときは、図４にお
ける前記ＳＬＱＣの測定後におけるしきい値電流密度が
ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）に比例し、ここでＴは絶対温度、Ｔ
０は１０１Ｋであって、副次帯相互の反応を対象とした
ＱＣレーザにとって価値の高い特徴となっている。
小型内燃機関の出力により室温での動作が可能となっ
た。これは、先行技術ＳＬＱＣレーザから得た結果より
も有意に改良されているとする点の構成要素となってお
り、具体的には温度２４０Ｋで最大に動作した。前記温
度が１６０〜２８０Ｋの範囲を越えるときは、図４にお
ける前記ＳＬＱＣの測定後におけるしきい値電流密度が
ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）に比例し、ここでＴは絶対温度、Ｔ
０は１０１Ｋであって、副次帯相互の反応を対象とした
ＱＣレーザにとって価値の高い特徴となっている。
【００３２】図５は、図３に示した前記ＳＬＱＣレーザ
の低温におけるパルス放出のスペクトルを示す。前記レ
ーザ波長は約７μmであり、予測される波長7.5μｍより
短い。この矛盾は、理想的平面から前記ＳＬバンド構造
への経距に起因すると筆者らに信じられており、後述す
るように、実質的に取り除くことができる。
の低温におけるパルス放出のスペクトルを示す。前記レ
ーザ波長は約７μmであり、予測される波長7.5μｍより
短い。この矛盾は、理想的平面から前記ＳＬバンド構造
への経距に起因すると筆者らに信じられており、後述す
るように、実質的に取り除くことができる。
【００３３】図６は、室温における図３の前記レーザの
パルス光出力を示す。図７は、前述の層構造における長
さ１．５ｍｍの縦縞で示される持続波のしきい値以下の
スペクトルを、２．４ｋＡ／ｃｍ2の電子密度において
示したものである。主要ピーク上へ強制的に割り付けた
急激な振動は、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ縞である。これ
らの対比の高さは、利得のあることをはっきりと明示し
ている。二つの矢印は、図３に示すように、計算上の３
→１、および２→１へのエネルギー遷移の位置を示す。
パルス光出力を示す。図７は、前述の層構造における長
さ１．５ｍｍの縦縞で示される持続波のしきい値以下の
スペクトルを、２．４ｋＡ／ｃｍ2の電子密度において
示したものである。主要ピーク上へ強制的に割り付けた
急激な振動は、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ縞である。これ
らの対比の高さは、利得のあることをはっきりと明示し
ている。二つの矢印は、図３に示すように、計算上の３
→１、および２→１へのエネルギー遷移の位置を示す。
【００３４】表５は、本発明における改良型ＳＬＱＣレ
ーザの具体的層構造を示す。表１と比較すると、前記コ
ア領域では、二つの構造の差は、本質的かつ実質的なド
ーピング濃度による差、および若干の層の層厚差である
ことがわかる。
ーザの具体的層構造を示す。表１と比較すると、前記コ
ア領域では、二つの構造の差は、本質的かつ実質的なド
ーピング濃度による差、および若干の層の層厚差である
ことがわかる。
【００３５】
【表５】
【００３６】前記改良構造のグレーティング数値化1
は、前者のドーピングレベルがすべての層において１×
１０17／ｃｍ3であることを除けば、表２の改良構造と
同一である。
は、前者のドーピングレベルがすべての層において１×
１０17／ｃｍ3であることを除けば、表２の改良構造と
同一である。
【００３７】表６は、前記改良構造のグレーティング数
値化IIを示す。表３と比較すると、ウェル−バリア対間
と同様に、層の厚みとドーピングレベルでの違いが分か
る。
値化IIを示す。表３と比較すると、ウェル−バリア対間
と同様に、層の厚みとドーピングレベルでの違いが分か
る。
【表６】
【００３８】表７は、具体的な改良型ＳＬＱＣの活性領
域の層構造を示す。表４との比較により、層の数同様、
ＳＬにおけるウェル−バリア対等、層の厚みの違いを示
している。
域の層構造を示す。表４との比較により、層の数同様、
ＳＬにおけるウェル−バリア対等、層の厚みの違いを示
している。
【００３９】
【表７】
【００４０】本発明におけるレーザ（さらにはフィード
バックを提供するグレーティング構造から成る）は、具
体的には、例えば汚染監視システムの中赤外線放射の測
定源として有利に利用され、図８は、本発明による汚染
監視システム８０を具体的に図解で示す。さらに詳しく
は、１９９７年５月７日に出願された米国特許第０８／
８５２，６４６号において、Ｊ．Ｎ．Ｂａｌｌａｒｇｅ
ｏｎらによって出願された参考文献として含まれる。
バックを提供するグレーティング構造から成る）は、具
体的には、例えば汚染監視システムの中赤外線放射の測
定源として有利に利用され、図８は、本発明による汚染
監視システム８０を具体的に図解で示す。さらに詳しく
は、１９９７年５月７日に出願された米国特許第０８／
８５２，６４６号において、Ｊ．Ｎ．Ｂａｌｌａｒｇｅ
ｏｎらによって出願された参考文献として含まれる。
【００４１】本発明における改良型ＳＬＱＣＲーザーの
前記層構造は、（実質的に避けられない）ＳＬ層の非理
想的平面度を補正するべく設計された（これにより、微
小間隙における巨大なレーザオシレータ強度を復帰さ
せ）、光学フォトンの前記エネルギー準位に等しい前記
上位微小帯における最初の二つのエネルギー準位のエネ
ルギー差を得るよう設計され、これによって集団反転が
改善されている。
前記層構造は、（実質的に避けられない）ＳＬ層の非理
想的平面度を補正するべく設計された（これにより、微
小間隙における巨大なレーザオシレータ強度を復帰さ
せ）、光学フォトンの前記エネルギー準位に等しい前記
上位微小帯における最初の二つのエネルギー準位のエネ
ルギー差を得るよう設計され、これによって集団反転が
改善されている。
【００４２】前記改良型ＳＬＱＣレーザは低温（６ｋ）
におけるピーク出力約７００ｍＷを有し、２９８Ｋでは
約１７５ｍＷの出力を得た。前記レーザ波長は約８μｍ
であった。
におけるピーク出力約７００ｍＷを有し、２９８Ｋでは
約１７５ｍＷの出力を得た。前記レーザ波長は約８μｍ
であった。
【００４３】図８においては、参照番号８１は気体様雲
放出８２の放出源（工場）を示す。本発明におけるＳＬ
ＱＣレーザ８３は、放出気体様雲８４を介して中赤外線
放射を放出し、（コーナーリフレクタ８５の手段によ
り）反射する。
放出８２の放出源（工場）を示す。本発明におけるＳＬ
ＱＣレーザ８３は、放出気体様雲８４を介して中赤外線
放射を放出し、（コーナーリフレクタ８５の手段によ
り）反射する。
【００４４】あらゆる適正な方法を使って前記レーザに
エネルギー供給することは可能であり、前記検出器から
の出力光はあらゆる適正な方法で利用できる。ミラーま
たは前記の適正なリフレクタは、前記コーナーリフレク
タの代りに利用できる。前記リフレクタは航空機または
上昇物体上に搭載でき、監視中の前記煙スタックもこれ
に含まれる。
エネルギー供給することは可能であり、前記検出器から
の出力光はあらゆる適正な方法で利用できる。ミラーま
たは前記の適正なリフレクタは、前記コーナーリフレク
タの代りに利用できる。前記リフレクタは航空機または
上昇物体上に搭載でき、監視中の前記煙スタックもこれ
に含まれる。
【００４５】当然ながら、前記検出器は航空機または上
昇物体上に搭載することもできる。一般に、レーザと検
出装置がどのように組み合わされても、結果的には一直
線上に並ぶ配置となるよう意図される。
昇物体上に搭載することもできる。一般に、レーザと検
出装置がどのように組み合わされても、結果的には一直
線上に並ぶ配置となるよう意図される。
【００４６】本発明の内容説明に供した図面は、意図的
に拡大されることも等倍にされることもない。異なる図
に示された同一または近似の図は、一般に同一の数字で
設計される。
に拡大されることも等倍にされることもない。異なる図
に示された同一または近似の図は、一般に同一の数字で
設計される。
【図１】図１は具体的に本発明によるレーザを図解で示
す図である。
す図である。
【図２】図２は、本発明による具体的レーザの前記伝導
端部の関連部分を示し、ドープ剤原子すべてがイオン化
されているか否かのいずれかを示す図である。
端部の関連部分を示し、ドープ剤原子すべてがイオン化
されているか否かのいずれかを示す図である。
【図３】図３は、本発明による具体的レーザの前記伝導
端部の関連部分を示し、ドープ剤原子すべてがイオン化
されているか否かのいずれかを示す図である。
端部の関連部分を示し、ドープ剤原子すべてがイオン化
されているか否かのいずれかを示す図である。
【図４】図４は、本発明による具体的レーザから得た実
験データを示す図である。
験データを示す図である。
【図５】図５は、本発明による具体的レーザから得た実
験データを示す図である。
験データを示す図である。
【図６】図６は、本発明による具体的レーザから得た実
験データを示す図である。
験データを示す図である。
【図７】図７は、本発明による具体的レーザから得た実
験データを示す図である。
験データを示す図である。
【図８】図８は、本発明による具体的物品すなわち汚染
監視システムを図解で示す図である。
監視システムを図解で示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 ジェローム ファイスト スイス国 シーエッチ−2000 ノイシャテ ル，フォーブルグ デュ ラク 31 (72)発明者 クライア エフ． グマッチル アメリカ合衆国 07041 ニュージャーシ ィ，ミルバーン，デー−４，ミルバーン アヴェニュー 190 (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 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 (72)発明者 アレッサンドロ 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】 上位光学閉鎖領域と、導波管コア領域
と、下位光学的閉鎖領域と、さらにレーザと電気的に接
触する接触子とを連続的に含む量子カスケードレーザか
ら成る物品であって、前記導波管コア領域は、本質的に
同一の多数の繰り返しユニットと、インゼクタ領域から
成る所定の繰り返しユニットと、超格子活性領域の上位
エネルギー状態から下位エネルギー状態への放射性キャ
リヤの変化を容易にするために選ばれた超格子活性領域
とから成り；前記インゼクタ領域は、適切な電気的バイ
アスの下で、所定の超格子活性領域の下位エネルギー状
態からすぐ隣の下流の超格子活性領域の上位エネルギー
状態への荷電キャリヤの通過を容易にするように選ば
れ； ａ）前記所定の超格子活性領域は故意にドープされず； ｂ）前記インゼクタ領域の少なくとも一部はドープされ
たｎ-型であり、ドープ剤濃度は、前記電気バイアスの
下で、前記超格子活性領域が実質的に電場を有すること
のないように選ばれる、量子カスケードレーザから成る
物品。 - 【請求項２】 前記放射性キャリヤ変化により、３〜１
３μｍの前記波長領域における波長のフォトンを放出す
る請求項１記載の物品。 - 【請求項３】 前記光学的コア領域が１０以上の繰り返
しユニットから成る請求項１記載の物品。 - 【請求項４】 前記超格子活性領域がＧａＩｎＡｓおよ
びＡｌＩｎＡｓの交互の層から成る請求項１記載の物
品。 - 【請求項５】 前記インゼクタ領域の一部分のみがドー
プされたn型であり、前記インゼクタ領域の残りの部分
は故意にドープされていない請求項１記載の物品。 - 【請求項６】 前記の故意にドープされていない超格子
活性領域が１０１５ドープ原子/ｃｍ3未満を含む請求項
１記載の物品。 - 【請求項７】 前記物品が、測定種による赤外放射線吸
収を測定する測定システムであって、前記測定システム
が ａ）請求項１の前記量子カスケードレーザと； ｂ）赤外線レーザー放射線が前記測定種の所定量を通過
した後の赤外線レーザー放射線を検出する検出器とから
成る赤外線レーザー放射線の源から成る、請求項１記載
の物品。 - 【請求項８】 前記レーザが格子構造から成る請求項７
記載の物品。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/071219 | 1998-05-01 | ||
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