量子级联激光元件的制作方法
【专利摘要】本发明的课题是制作一种减小了阈值电流密度(Jth)、提高了最高工作温度(Tmax)的量子级联激光元件。解决的手段是：在本发明的一个实施方式中，提供一种具有QCL结构(100)的THz-QCL元件(1000)，该QCL结构(100)为被一对电极(20、30)夹持的半导体超晶格结构(100A)。半导体超晶格结构(100A)(QCL结构100)具有活性区域(10)，该活性区域(10)例如通过在一对电极之间被施加了电压时的子带间的电子跃迁来发射THz波段的电磁波。该活性区域具有在厚度方向方向上重复设置的具有一定厚度的单位结构(10U)，该单位结构(10U)包括几个交替层叠的势阱层(10W)和势垒层(10B)，势阱层(10W)由作为AlAs和GaAs的混晶的AlxGa1-xAs(0<x<1)构成。
【专利说明】量子级联激光元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及量子级联激光元件。更加详细地说，本发明涉及发射太赫兹波段的电磁波的量子级联激光元件。
【背景技术】
[0002]近年来，作为发射中红外波段或太赫兹(THz)波段的电磁波的固体光源，量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，以下称为“QCL”)受到了关注。尤其是太赫兹波段的电磁波兼具光和电波这两者的性质，例如兼具光所具有的高分辨率和电波所具有的高穿透性，并且具有对被照射的对象物体的影响比X射线等小的特征。因此，期待例如将THz波段的电磁波应用于通过穿透来确定物质或对人体进行透射检查这样的用途。
[0003]典型的QCL的发射机制是利用半导体超晶格结构，例如仅利用具有势阱(well)和势鱼(barrier)的重复结构的电子的传导带的势能的QCL的发射机制。S卩,在QCL中,通过基于半导体超晶格结构产生的子带间跃迁(intersubband transition)来引起受激发射(stimulated emission)。在这一点上,通过电子跃迁过传导带和价电带之间的能隙而与空穴(hole)复合来受激发射电磁波的以往的半导体激光器的发射机制与QCL的发射机制大不相同。更具体地说，在QCL中，利用半导体超晶格结构的势阱和势垒的势能并施加电压，由此使具有该势阱和势垒的凹凸的势能与半导体超晶格结构的厚度位置相应地倾斜。并且，利用倾斜排列的凹凸的势能，多级地、即级联状地产生电子的受激发射。为了实现产生这样的跃迁的半导体超晶格结构，需要考虑基于电场的倾斜来精密地设计势阱层、势垒层的厚度的、能带工程(band engineering)。在QCL中，由于载流子(电子)被重复地用于受激发射，因此能够实现载流子的重新利用(carrier recycling)。
[0004]在QCL中，能够选择与形成半导体超晶格结构的材质的能隙无关的波长来发射激光(Iasing),并且能够通过半导体超晶格结构的设计(design)来改变该激光波长(Iasingwavelength)。由于这些原因，作为至今为止无法获得固体光源的波段的THz波段的电磁波的发射通过QCL得以实现。根据实现用于激光振荡的粒子数反转(population inversion)的方式，THz波段的QCL(以下称为“THz-QCL”)分为几个类型。THz-QCL的一个例子是从孤立的能级向连续的微带(min1-band)跃迁的电子发射电磁波的、被称为束掉-连续(bound-to-continuum)型的THz-QCL。作为该类型的THz-QCL,公开了通过微带的电子-电子散射使激光下能级的电子弛豫并形成粒子数反转、通过3.65GHz的振荡频率工作的THz-QCL (非专利文献I)。但是，该束绰-连续型的THz-QCL虽然电压效率高，但是设计复杂，会显现出LO声子散射所导致的显著的不良影响。
[0005]专利文献I (美国专利第6829269号说明书)公开了其他类型的THz-QCL。在专利文献I所公开的THz-QCL中，在一级的受激发射中利用三个电子的能级。即，为了实现激光振荡所必需的激光上能级(upper lasing level)和激光下能级(lower lasing level)之间的粒子数反转，利用另一个电子能级。专利文献I的THz-QCL利用与受激发射相关的激光上能级(|3>，在本说明书中称为“能级L3”)、激光下能级(|2>，在本说明书中称为“能级L2”)、以及位于能级L2的下级的能级(|1>，在本说明书中称为“能级LI”)。能级LI具有利用纵光学声子(以下称为“L0声子”)从能级L2曳引(depopulation)电子的作用(专利文献1、FIG3等)。以下，将该三能级系的方式称为LO声子散射辅助型。
[0006]作为LO声子散射辅助型的THz-QCL，在专利文献I中公开了在与受激发射相关的活性区域重复地配置用于产生一级的受激发射的结构(以下简称为“单位结构”)的半导体超晶格结构。该单位结构包括发光区域和注入区域。该单位结构的势能、即能带形成为在发光区域发光效率高，与此相对形成为在注入区域有助于形成粒子数反转。为了实现这些设计，在LO声子散射辅助型的THz-QCL的活性区域中，势阱层由GaAs形成，势垒层由AlxGa1^As 形成。
[0007]现有技术文献:
[0008]专利文献:
[0009]专利文献1:美国专利第6829269号说明书
[0010]非专利文献:
[0011]非专利文献I:G.Scalari, N.Hoyler, M.Giovannini, and J.Faist, Appl.Phys.Lett.N0.86,181101(2005)
[0012]非专利文献2:S.Kumer, Q.Hu, and J.Reno, Appl.Phys.Lett.N0.94,131105 (2009)
[0013]非专利文献3:Τ.T.Lin, K.0htani, and H.0hno, Applied Physics Express,N0.2，022102(2009 )
【发明内容】
[0014]发明要解决的问题
[0015]在THz-QCL中，专利文献I所公开的上述LO声子散射辅助型的THz-QCL表现出了良好的性能。例如，关于LO声子散射辅助型的THz-QCL，还报告了在对于THz-QCL来说可以说是高温的186K下实现了激光工作的事例(非专利文献2)。另外，LO声子散射辅助型的THz-QCL具有比较简单的半导体超晶格结构。
[0016]但是，LO声子散射辅助型的THz-QCL目前还存在着改善的余地。实现激光工作的最高温度(以下称为“最高工作温度”(maximum operation temperature) Tmax)限于186K,用于激光工作的冷却装置庞大。如果能够使该最高工作温度Tmax大于等于230K，则能够通过基于珀耳帖(Peltier)元件等的冷却(电子冷却)来实现激光工作，因此能够大幅地提高THZ-QCL的实用性。另外，对于使最高工作温度Tmax高温化的QCL来说，通常在比该最大值低的工作温度下的用于激光振荡的电流密度的阈值(以下称为“阈值电流密度(threshoIdcurrent density) ”) Jth 也会减小。
[0017]本发明是为了解决这样的问题而完成的。即，本发明通过减小THz-QCL的阈值电流密度Jth或提高THz-QCL的最高工作温度Tmax,使得应用THz-QCL的各种用途实用化。
[0018]用于解决问题的手段
[0019]本申请的发明人设计了能够减小与工作温度的上升直接相关的激光振荡的阈值电流密度Jth、提高最高工作温度Tmax的THz-QCL的结构，并基于理论的数值计算(理论计算)预测了其特性。并且，通过实验确认到:通过将势垒层的材质从此前使用的仅GaAs改变为其他材质，能够实现与该理论计算相符的特性。并且，作为基于该理论计算的结论，本申请的发明人发现:通过将势阱层的材质从仅GaAs改变为其他材质，能够减小THz-QCL的阈值电流Jth或提高THz-QCL的最高工作温度Tmax,从而创造出了本发明。
[0020]S卩，在本发明的一个实施方式中提供一种量子级联激光元件，其具有一对电极和被该一对电极夹持的半导体超晶格结构，该半导体超晶格结构具有活性区域，该活性区域在所述一对电极之间被施加了电压时发射THz波段的电磁波，该活性区域具有在所述厚度方向上重复设置的具有一定厚度的单位结构，该单位结构包括几个交替层叠的势阱层和势鱼层，该势讲层由作为AlAs和GaAs的混晶的AlxGahAs(CKxd)构成。
[0021]在本申请中，所谓THz波段的电磁波是指大致为0.1ΤΗζ-30ΤΗζ的频率范围、SP10 μ m-3mm左右的波长范围的电磁波。另外，在本申请的说明中，根据本申请的发明所属的【技术领域】的惯例，有时使用从以可视光或红外线为对象的光学领域转用或借用过来的技术术语来说明元件的结构或功能。因此，虽然产生的电磁波是远离可视光的频段或波段的电磁波，但是为了表示产生该电磁波的量子级联激光元件或受激发射的现象，有时使用“激光”或“辐射”这样的用语，另外有时还使用“光(optical-)等用语。
[0022]发明的效果
[0023]通过本发明的任一个实施方式，能够提供一种与现有技术相比阈值电流密度Jth更低或最高工作温度Tmax更高的THz-QCL。由此，有助于发展使用THz波段的电磁波的发生源的设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是表示本发明实施方式之一的THz-QCL元件的简要结构的立体图(图1(a))，是放大剖视图(图1(b))和进一步的局部放大剖视图(图1(c))。
[0025]图2是用于说明在本发明实施方式之一的THz-QCL元件中形成的QCL结构的单位结构中的相对于电子的势能和电子的子带的说明图。
[0026]图3是表示本发明实施方式之一的热激发电子的声子介导漏出(phonon mediatedleak)的说明图。
[0027]图4是说明本发明实施方式之一的热回注(thermal back filling)的说明图。
[0028]图5是xy面的能量分散(energy dispersion)关系的说明图。图5(a)表示了以往的能量分散关系，图5(b)表示了本实施方式的能量分散关系。
[0029]图6是说明电子的弛豫机制的能量图。
[0030]图7是在本发明实施方式之一中改变了活性区域的组分时的阈值电流密度Jth的数值计算结果的详细的图。
[0031]图8是表示在本发明实施方式之一中从数值计算结果读取的最高工作温度Tmax的组分依赖性的图。
[0032]图9是制作本发明实施方式之一的THz-QCL元件时的各时间点的元件结构的简略图。
[0033]图10是制作本发明实施方式之一的THz-QCL元件时的各时间点的元件结构的简略图。
[0034]图11是本发明实施方式之一的THz-QCL元件的活性层的势阱层/势垒层的组分GaAs / AlxGa(1_x)As中的x=0.15的样品实际工作时的电流发射特性(图11(a))和发射的电磁波的频谱(图11(b))。
[0035]图12是表示在本发明实施方式之一中改变铝的组分比X而制作的GaAs /AlxGa(1_x)As的结构的实施制作例的样品(exp.)的特性和理论计算(sim.)的结果的图。
【具体实施方式】
[0036]以下，说明本发明的实施方式。在以下的说明中，如果没有特别提及，对所有附图中的相同的部分或要素均标注了相同的标号。另外，在附图中，各个实施方式的各要素不一定保持了相互之间的比例地表示。
[0037]<第一实施方式>
[0038]【ITHz-QCL元件的工作及其改良】
[0039]首先，说明发射THz波段的电磁波的LO声子散射辅助型的量子级联激光元件(THz-QCL元件)的工作原理和本实施方式中的改良的原理。
[0040]【1-1THz-QCL的工作原理】 [0041]图1是表示本发明的THz-QCL元件1000的简要结构的立体图(图1 (a))、放大剖视图(图1 (b))、以及进一步的局部放大剖视图(图1 (c))。典型的THz-QCL元件1000 (图1(a))通常包括一对电极20、30和在它们之间形成的QCL结构100，该QCL结构100为半导体超晶格结构。电极20、30用于接收用以对QCL结构100形成电场的电压和用于发射(发光)的电流。另外，电极20、30还发挥利用基于表面等离子体振子的腔结构(cavitystructure)的光约束的作用。QCL结构100具有活性区域10。当在一对电极20、30之间施加了电压时，THz-QCL元件1000如下工作:通过电子从形成于活性区域10的一个子带跃迁到具有比该子带低的能量的其他子带，由此发射THz波段的电磁波2000。图1的THz-QCL元件1000在受体基板40 (以下称为“受体40”)上形成有电极30。
[0042]为了执行上述工作，活性区域10(图1(b))在其厚度方向上重复地具有单位结构10U，该单位结构10包括多个交替层叠的势阱层IOW和势垒层10B，并且具有一定的厚度。其中，势阱层IOW由AlxGahAsaKKl)形成，势垒层IOB在本实施方式中由作为AlAs和GaAs的混晶的AlyGa^yAs (其中，x〈y≤I)形成。这里,通过设定为x〈y,势鱼层IOB的传导带(conduction band)制造的势能成为势讲层IOW相对于传导带的势能的势鱼。另外,各个单位结构IOU分别包括多个势阱层IOW和势垒层10B。因此，在根据需要来区分个别的势垒层IOB的情况下，从基板50侧依次区分为势垒层10B1-10B5。关于势阱层10W，也同样地将势阱层IOW区分为势阱层10W1-10W4。
[0043]QCL结构100 (图1(a))通过修整(trimming)半导体超晶格结构100A(图1(b))的层结构的扩展的外形而形成。在半导体超晶格结构100A中，在(001)晶面取向的GaAs基板50 (以下记作“基板50”)上形成有通过层叠600nm的后述的AlGaAs而形成的蚀刻阻止层60( “ES层60”)。并且，与ES层60的面相连地形成有800nm厚的高掺杂η型GaAs层120 (电子密度约为3 X IO18em3)，之上形成有活性区域10。并且，在形成的活性区域10的面上，形成有50nm厚的高掺杂η型GaAs层140 (电子密度约为3X1018em3)。并且，其上形成有由10组(set) Inm厚的GaAs层和Si的δ掺杂层的组合构成的δ掺杂GaAs层160,最后形成有5nm的低温生长的GaAs层(LTG-GaAs层)180。另外，图1 (b)按照层叠顺序以从纸面的下方开始排列的方式表示了在成膜时层叠在基板50的一个面上的膜结构。图1(b)所示的半导体超晶格结构IOOA以与图1(a)的QCL结构100上下颠倒的关系进行了图示。
[0044]在以往的THz-QCL元件(未图示)中，QCL结构100的活性区域10的势阱层IOW由GaAs形成，势垒层IOB由AlxGai_xAs (x例如为0.15或0.20)形成(例如专利文献I的第31栏)。与此相对，在本实施方式的THz-QCL元件1000中，在势阱层IOW中也添加Al，使其由 AlxGahAs(CKxd)形成,势鱼层 IOB 由 AlyGahyAs (x〈y ( I)形成。
[0045]在图1 (b)所示的半导体超晶格结构100A中，单位结构IOU在活性区域10中例如层叠10-200层左右地重复形成。图1 (c)放大表示了各单位结构IOU的一个单位(一个周期)的结构。在THz-QCL元件1000的活性区域10中，包括175层的单位结构10U。在单位结构IOU中，势垒层IOB和势阱层IOW交替地层叠。由于势垒层IOB和势阱层IOW交替地层叠，因此与势垒层IOBl相连地配置势阱层IOWl，与势阱层IOWl相连地配置势垒层10B2，以下相同。另外，势垒层10B5成为下一个周期的单位结构IOU的势垒层10B1。
[0046]图2是用于说明在THz-QCL元件1000中形成的QCL结构100的单位结构IOU中的相对于电子的势能和电子的子带的说明图。图2(a)是相对于电子的势能在Z轴方向上的变化。工作时，由于施加于THz-QCL元件1000的电压，势能整体地倾斜。在势能的各凸部和凹部上标注有与图1(c)所示的单位结构IOU的各层相对应的符号。另外，图2(b)是将单位结构IOU中的电子的能级相对于xy面(图1)的面内的波数k空间进行表示的分散关系(dispersion relationship)的说明图。
[0047]在图2(a)中，除了势能以外，在电子的三次元的波函数Ψ中，将仅z分量的因子的振幅的二次方的值|Ψ2Ι通过五条曲线进行了图示。各个曲线表示了根据通过自洽计算(self-consistent calculation)求出的波函数Ψ计算出的Z轴方向上的各位置处的电子的存在概率的相对值。图示的五条曲线是与能级L3相对应的一条曲线|Ψ3|2、分别与能级L2和能级LI相对应的曲线I Ψ212和曲线|Ψ」2。用于能级L2和能级LI的曲线各表示了两条的原因在于能量值相互简并了(degenerate)的波函数各存在有两个。这里，当就xy面(图1)的面内的波数k空间观察时，能级L1-L3的电子具有图2(b)所示的能量分散关系。能级L3和能级L2是激光上能级和激光下能级，能级LI是曳引能级。另外，图2(a)的各曲线|Ψ3|2、|Ψ2|2、以及I Ψ」2的纸面上的高度为:各曲线的表示I Ψ I2=O的轴(各个曲线的基线，未图示)被描绘成图2(b)的匕=1^=0的能量固有值的值、即各能级的能量的最低值。
[0048]包括具有上述结构和势能形状的QCL结构100的THz-QCL元件1000如下工作。在各单位结构?ου中，当电子从作为激光上能级的能级L3跃迁到作为激光下能级的能级L2时，通过受激发射而发射THz波段的电磁波。该电磁波在图2中通过波线箭头来明确地表示。为了实现激光振荡所需的粒子数反转，设计单位结构IOU的结构、即各层的膜厚、顺序以及势能的值，使得能级I能够高效地曳引来自能级2的电子。
[0049]着眼于电子的运动来说明发射过程。电子从在势阱层10W4或势阱层10W3均具有高的存在概率的能级L3跃迁到能级L2。在该跃迁时，与光学场相结合，发射基于光学跃迁的电磁波。作为该发射后的电子的能级的能级L2在势阱层10W2也具有存在概率。因此，能级L2的电子将势垒层10Β3作 为通道(tunnel)。然后，主要在势阱层10W2中，能级L2的电子与LO声子之间发生电子-声子散射，该电子跃迁到能级LI。能级LI的电子被注入到Z轴负方向上的下一个单位结构IOU的能级L3(未图示)。因此，势阱层10W4和势阱层10W3的区域可以说是产生电磁波发射的发光区域。另外，势阱层10W2成为使能级L2的电子的分布产生电子的曳引的声子势阱层，该电子的曳引利用了 LO声子的散射。并且，势阱层IOWl成为注入势阱层，该注入势阱层是将能级LI的电子注入到下一级的单位结构IOU的注入区域。
[0050]【1-2改良的思想】
[0051]本申请的发明人分析了在LO声子散射辅助型的THz-QCL中支配阈值电流密度Jth、最高工作温度Tmax的机制，发现在LO声子的作用中，除了从能级L2向能级LI曳引电子以外，还具有其他的作用。尤其是以下两个作用会影响最高工作温度Tmax和阈值电流密度Jth。
[0052]一个是称为热激发电子的声子介导漏出的机制。图3是表示该热激发电子的声子介导漏出的说明图。图3是与图2(b)同样地进行了描绘的、单位结构IOU中的电子的能级的图。为了通过尽量小的电流或尽量高的温度来实现激光振荡，希望如图3所示那样，作为激光上能级的能级L3的电子尽可能多地在与能级L2之间贡献于电磁波的发射。但是，实际上，通过与LO声子相关的其他的跃迁机制，会在不伴随发光的情况下产生电子从能级L3跃迁到能级L2的非福射跃迁(nonradiative transition)。能级L3的电子中具有热激发的程度以上的能量的电子与该非辐射跃迁相关。在图3中，处于能级L3的电子由于热激发也在xy面内运动，波数k不为0，包括具有比最低能量E3高出其运动能量的能量的电子。作为电子温度I^cton的函数，热激发的程度为KBT&。一(Kb为玻尔兹曼常数)。如果举出数值例子的话，在Teleetam为100K的情况下，KBTeleetron大约为8.6meV左右。这里，能级L3的最低能量E3与能级L2的最低能量E2的差E32是作为发射的电磁波的声子的能量，例如为15meV左右。另外，例如在基本上是GaAs的组分的情况下，LO声子的能量Euj为36meV左右。因此，在能级L3的电子中，以能 级L2的最低能量E2为基准高出LO声子的能量Euj的能量、SPΕ2+Εω*者超过该能量的电子(具有图中的阴影区域的能量的电子)在工作时大量地产生，并且与电子温度
Telectron
相应地增加。
[0053]并且，超过Ε2+Εω的电子与LO声子相互作用，以非常快的速度(rate)在不伴随辐射的情况下弛豫到能级L2(非辐射跃迁)。这是由于LO声子的性质。如果这样的非辐射跃迁成为了支配性的话，会抵消由于电子的曳引而在能级L3和能级L2之间形成的粒子数反转，成为对激光振荡的阻碍。这种热激发电子由于LO声子而发生非辐射跃迁的现象为热激发电子的声子介导漏出。所谓热激发电子的声子介导漏出，是在能级L3被热激发的电子发生非辐射跃迁，不发生本来的光学跃迁而“漏出”的机制。
[0054]另一个LO声子的作用是电子被从能级LI对能级L2热统计地激发而抵消粒子数反转的现象。将该现象称为热回注。图4是说明热回注的说明图。该机制是基于以下事实而产生的:在被从能级L2曳引到能级LI的电子中，根据统计概率，包括超过能级L2的最低能量E2与能级LI的最低能量E1之差、即能量差E21的电子。能量差E21在基于LO声子的电子曳引的机制上，被设定为与能量Εω大致相同或者稍小(例如ImeV以内)。
[0055]【1-2-1热激发电子的声子介导漏出的减少】
[0056]为了减少热激发电子的声子介导漏出，本申请的发明人着眼于改变QCL结构100的材质，以改变LO声子的能量Euj的值。更直接地说，QCL结构100的材质满足:当施加了发射电磁波的工作时的电压时，Εω>ΚΒΤ+Ε32。这里，Εω是在新设计的QCL结构100的内部能够被激发的LO声子的能量，E32是激光上能级和激光下能级各自的最小能量值的差、即E3-E2,并且T是工作温度(单位:Κ)。[0057]更加优选的是，QCL结构100的材质满足EL0>kBT
electron~^-^32 ?其中，T
electron 是电子
温度(单位:κ)。由此，在作为激光上能级的能级L3被热激发的电子通过与LO声子之间的电子-声子散射作为介导而从能级L3非辐射跃迁到作为激光下能级的能级L2的概率减小。这里，如果增大LO声子的能量Εω的值，则电子从能级L3非辐射跃迁到能级L2而漏出的概率进一步减小。并且，如果增大Ew的值，则即使增大被热激发的能量的指标kBT?电子也难以发生非辐射跃迁而漏出。因此，如果能够增大Εω的值，则会使上述QCL的最高工作温度Tmax高温化。
[0058]另外，电子温度Teleetam与工作温度T相比，例如为高10K-20K左右的值。这是由于:例如在脉冲振荡或连续振荡的激光元件中，供应的电能最初到达电子，来自该电子的热能传递到热沉等而消散。由于电子温度高于作为从外部测定的温度的工作温度T，因此Euj以工作温度T为基准而被确定，更加优选的是以电子温度T&。,.为基准而被确定。
[0059]【1-2-2热回注的减小】
[0060]仅通过单纯地增大上述LO声子的能量Εω的值，对于热回注没有特殊的影响。这是因为:L0声子的能量Εω不会直接地影响从能级LI被激发到能级L2的电子。但是，通过将能级L2与能级LI的最小能量的差E21和LO声子的能量Εω维持为满足用于良好地从能级L2向能级LI曳引电子的条件，能够减小该热回注的影响。即，由于热回注基于电子从能级LI到能级L2的热激发，因此通过改变QCL结构100的设计以使E21与Euj的增大相应地也增大，能够减小热回注。
[0061]【1-3具体的改良】
[0062]反映上述改良的思想，在本实施方式中，作为用于以增大LO声子的能量Ew为目标的手段，改变以往构成QCL结构100的活性区域10的材料。并且，与之相伴还改变或调整QCL结构100的设计。
[0063]【1-3-1材料变更】
[0064]具体的本实施方式的手段是:增加活性区域10中的铝Al，以增大能量Εω。为了增大LO声子的能量Εω，在仅GaAs的组分(以往的势阱层)和GaAs与AlAs的混晶的组分(以往的势垒层)的组合中增加Al，所述混晶含有Alai5Gaa85As程度、即原子数比为0.15左右的Al。这里，GaAs的LO声子的能量大约为36meV，对于以往的势阱层/以往的势垒层的组分为GaAs / Alai5Gaa85As, LO声子的能量大约为36meV。与此相对，AlAs的LO声子的能量大约为44meV。并且，在活性区域10中增加Al的一个是势垒层10B，再一个是势阱层IOff0尤其是如图2(a)所示，在单位结构IOU中层的比例大的是势阱层10W，因此通过在势阱层IOW的组分中导入铝Al，能够使LO声子的能量接近大约44meV的值，是有效的。因此，在本实施方式的THz-QCL元件1000的活性区域10中，尤其是向势阱层IOW中导入铝Al，将LO声子的能量的值增大到此前的能量值以上。
[0065]【1-3-2设计变更】
[0066]在本实施方式的THz-QCL元件1000中，不是仅单纯地增加活性区域10的Al，其设计也从以往的设计发生了改变或调整。图5是xy面的能量分散关系的说明图。图5(a)表示了以往的能量分散关系，图5(b)表示了本实施方式的能量分散关系。伴随着材质的改变，各能级的电子的有效质 量等细部发生变化，但是这里没有进行图示。通过对比图5(b)和图5(a)可知，在THz-QCL元件1000中，与通过改变材料而增大的能量Euj相配合，改变设计以增大能级L2和能级LI之间的差异。
[0067]即，为了实现激光振荡所需的粒子数反转，调整设定从而提高从能级L2到能级LI的曳引的概率。典型的是QCL结构100构成为:在施加了电压的状态下，能级L2的最小能量E2和能级LI的最小能量E2之差E21和LO声子的能量Euj满足E21 ^ Elo的关系。如果是以往的THz-QCL(未图示)，则Εω大约为36meV(GaAs的值)左右。基于该LO声子的来自能级L2的电子的曳引通过使占有能级L2的电子尽快地跃迁到能级LI的作用来实现。在本实施方式的THz-QCL元件1000中，为了实现该目的，也改变或调整半导体超晶格结构100A的设计，以使能级L2和能级LI之间的能量差E21与QCL结构100中的声子的能量Euj —致或者比Εω稍大。
[0068]参照图6来进一步说明这一点。图6是说明该电子弛豫机制的能量图。图6(a)将势阱层/势垒层为GaAs / Alai5Gaa85As的组分的情况表示成能量Euj大约为36meV，图6(b)将AlxGapxAs / AlyGa1^yAs (x<y ^ I)的组分的情况表示成能量Εω大约为44meV。该能量Euj与上述x、y的具体的数值相应地例如在大约36meV-44meV的范围内变化。如图2 (a)所示，能级LI的最低能量E1记载了简并了的两个能级的能量。另外，标注了在各能级之间产生的跃迁的寿命的表示。例示了在能级L3与能级L2之间设置了 3.6THz频率的电磁波的声子所具有的15meV的能量的情况。另外，为了便于说明，使E21、即E2-E1与Εω—致。
[0069]在图6(a)所示的GaAs / Alai5Gaa85As的势阱层/势垒层的情况下，具有比能级L3的最低能量E3高21!11^的能量的电子、即被热激发到相当于大约240Κ左右的电子温度I；lec;ton的电子大多会非辐射跃迁到能级L2。即，在能级L3电子能够分布的能量的上限是WE3 增大了 21meV 的位置。与此相对，在图 6(b)所示的 AlxGai_xAs / AlyGa1^yAs (x<y ^ I)中，上述上限位于从能级L3的最低能量E3增大了 29meV的位置，当能量Ew为44meV时，能够上升8meV、即大约90K的电子温度Telecton的上限得以扩展。当然，虽然不是使GaAs全部为AlAs，但是通过向GaAs中导入Al，能够改善对于热激发电子的声子介导漏出的余地。这是针对热激发电子的声子介导漏出的对策。
[0070]并且，通过向GaAs中导入Al，改变或调整半导体超晶格结构100A的设计，还减小了热回注的影响。当假定E21=Eu^电子温度Teleetam为200K时，如果能量Euj为36meV，则在能级LI的电子中大约11%左右的电子会由于热激发而跃迁到能级L2。与此相对，如果能量Ew为44meV，则在能级LI的电子中由于热激发而跃迁到能级L2的电子的比例会减少到大约7.3%左右。即，随着Euj从36meV改变为44meV，基于热回注的能级L2的电子数为一点五分之一，能够更加容易地实现粒子数反转。
[0071]并且，本申请的发明人还获知，通过改变用于增大LO声子的能量的材质，热激发电子由于LO声子而散射的散射概率不会增大。即，如果该散射概率由于上述材质改变而增大的话，则必须还考虑τ32反而变短的可能性。但是，本申请的发明人确认到这样的散射概率的增大不会发生。
[0072]另外，对用于图5(b)和图6(b)所示的设计变更的具体的手段没有特殊的限定。例如，通过调整THz-QCL元件1000工作时施加的电压，改变势阱层10W、势垒层IOB的厚度，能够改变设计。
[0073]【1-4实施计算例】
[0074]本申请的
【发明者】通过理论计算明确了以下事实:通过上述材质变更或设计变更，激光振荡的最高工作温度Tmax是否会按照期望的那样增大，或者阈值电流密度Jth是否会按照期望的那样减小。
[0075]【1-4-1材料变更的效果的模拟】
[0076]速率方程(rate equation)所使用的各参数与阈值电流密度Jth的关系为:
[0077]【数学式I】
【权利要求】
1.一种量子级联激光元件，具有一对电极和被该一对电极夹持的半导体超晶格结构， 该半导体超晶格结构具有活性区域，该活性区域在所述一对电极之间被施加了电压时发射THz波段的电磁波， 该活性区域具有在厚度方向上重复设置的具有一定厚度的单位结构，该单位结构包括几个交替层叠的势阱层和势垒层， 该势阱层由作为AlAs和GaAs的混晶的AlxGai_xAs构成，其中，0〈χ〈1。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光元件，其中， 所述半导体超晶格结构的材质被确定为: 当施加了发射所述电磁波的工作时的电压时，满足EM>kBT+E32， 其中，Εω是在所述半导体超晶格结构的内部能够被激发的纵光学声子的能量，E32是激光上能级的最小能量值E3与激光下能级的最小能量值E2之差，T是工作温度，单位为K，kB是玻尔兹曼常数。
3.根据权利要求2所述的量子级联激光元件，其中， 所述半导体超晶格结构的材质被确定为: 当施加了发射所述电磁波的工作时的电压时，满足EM>kBT
electron~^-^32，其中，E
`
electron是电子温度，单位为K， 由此，在所述激光上能级被热激发的电子通过用与纵光学声子之间的电子-声子散射作为介导而从所述激光上能级非辐射跃迁到所述激光下能级的概率减小。
4.根据权利要求2或3所述的量子级联激光元件，其中， 所述半导体超晶格结构构成为:当被施加了所述电压时，满足Εω ^ E21，其中，E21是激光下能级的最小能量E2与曳引能级的最小能量E1之差。
5.根据权利要求1所述的量子级联激光元件，其中， 作为在所述半导体超晶格结构的内部能够被激发的纵光学声子的能量的所述Εω是比该半导体超晶格结构的所述势阱层由GaAs构成时的纵光学声子的能量大的值。
6.根据权利要求1所述的量子级联激光元件，其中， 所述半导体超晶格结构具有由AlAs构成的能量势垒层。
【文档编号】H01S5/343GK103797668SQ201280042684
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年8月1日 优先权日:2011年8月2日
【发明者】平山秀树, 林宗泽 申请人:独立行政法人理化学研究所