(57)【要約】      （修正有）【課題】テラヘルツ領域の量子カスケードレーザーの上限動作温度を高める。【解決手段】量子カスケードレーザー素子１０００は一対の電極に挟まれた半導体超格子構造を有し、半導体超格子構造が、動作のために一対の電極を通じ印加される外部電圧の下でＴＨｚ領域のある周波数の電磁波を放出する活性領域１００を有し、活性領域１００は、繰り返して積層されている複数の単位構造１０Ｕを有している。各単位構造１０Ｕは、互いにバリア層１０Ｂ１，１０Ｂ２で仕切られた第１ウェル層１０Ｗ１および第２ウェル層１０Ｗ２からなる２量子井戸構造をもち、第１ウェル層１０Ｗ１と第２ウェル層１０Ｗ２が互いに異なる組成をもち、外部電圧が印加されていない状態で、第２ウェル層内の電子に対するポテンシャルエネルギーが第１ウェル層内のものよりも低くなるようになっている。【選択図】図１
2019153652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極に挟まれた半導体超格子構造を有する量子カスケードレーザー素子であって、
該半導体超格子構造が、動作のために該一対の電極を通じ印加される外部電圧の下でＴＨｚ領域のある周波数の電磁波を放出する活性領域を有しており、
該活性領域は、繰り返して積層されている複数の単位構造を有しており、
各単位構造は、互いにバリア層で仕切られた第１ウェル層および第２ウェル層からなる２量子井戸構造をもっており、
該第１ウェル層と該第２ウェル層が互いに異なる組成をもっており、
前記外部電圧が印加されていない状態で、該第２ウェル層内の電子に対するポテンシャルエネルギーが該第１ウェル層内のものよりも低くなるようになっている、
量子カスケードレーザー素子。
【請求項２】
前記第２ウェル層の厚みが、前記外部電圧の下で、該第２ウェル層中に存在確率の最大値を持ち、該第２ウェル層を挟む二つのバリア層のポテンシャルより低いエネルギー値をもつ層厚方向閉じ込め準位が最大１つとなるよう狭められている、
請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項３】
前記外部電圧の下で、前記層厚方向閉じ込め準位が下位レーザー準位となり、
前記外部電圧の下で、前記第１ウェル層中に存在確率の最大値を持つ少なくとも２つの層厚方向閉じ込め準位のうちの低エネルギー側のものが上位レーザー準位となり、当該２つの層厚方向閉じ込め準位のうちの高エネルギー側のものが、電子の流れの上流側の単位構造において定まる下位レーザー準位から前記上位レーザー準位に電子を注入するために経由される注入準位となる、
請求項２に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項４】
前記第１ウェル層は、前記注入準位にある電子がＬＯフォノンによる散乱を受けて前記上位レーザー準位に注入されるような厚みをもっている
請求項３に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項５】
前記半導体超格子構造をなす半導体の材質が、ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ系、ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓ−ＩｎＡｌＡｓ系、ＡｌＩｎＳｂ−ＩｎＳｂ系、ＡｌＩｎＳｂ−ＩｎＡｓＳｂ系、ＧａＡｓＳｂ−ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓ系、無極性ＡｌＧａＮ−ＧａＮ−ＩｎＧａＮ系からなる組成群のいずれか一の無極性半導体である
請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項６】
前記第１ウェル層の材質がＡｌｘＧａ１．０−ｘＡｓの組成をもち、
前記第２ウェル層の材質がＡｌｙＧａ１．０−ｙＡｓの組成をもち、
前記バリア層の材質がＡｌｚＧａ１．０−ｚＡｓの組成をもつ、
ただし、０≦ｙ＜ｘ＜ｚ≦１である、
請求項５に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項７】
前記周波数が２ＴＨｚ以上４ＴＨｚ以下のいずれかの値である、
請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【請求項８】
前記周波数が２ＴＨｚ以下のいずれかの値である、
請求項１に記載の量子カスケードレーザー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子カスケードレーザー素子に関する。さらに詳細には本発明は、テラヘルツ領域の電磁波を放出する量子カスケードレーザー素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、中赤外領域やテラヘルツ（ＴＨｚ）領域の電磁波を放出（発光）する固体光源として量子カスケードレーザー（Quantum Cascade Laser、以下「ＱＣＬ」という）が注目されている。ＱＣＬ素子は単位構造の繰り返しを含む半導体超格子構造を備えており、その内部の電子に作用するポテンシャルには、一般に、各単位構造にウェル（井戸）およびバリア（障壁）が複数存在している。ＱＣＬ素子を動作させるために外部電圧を印加すると、半導体超格子構造のウェルおよびバリアのポテンシャルが凹凸となって厚みの位置に応じ全般的に傾斜する。キャリアとなる電子は、傾斜した凹凸のあるポテンシャルに形成されるサブバンドすなわち準位を輸送されながらサブバンド間遷移（intersubband transition）を繰り返し、電磁波を誘導放出（stimulated emission）してレーザー発振する。カスケードとの名称は、サブバンド間遷移を起こしながらエネルギーを失いつつ輸送される電子の挙動にちなんで与えられている。ＱＣＬ素子においては半導体超格子構造をなす材質のエネルギーギャップと無関係な波長を選択しレーザー発振させること（lasing）が可能である。レーザー波長（lasing wavelength）は半導体超格子構造の設計により変更することができる。そのため、固体光源がかつて得られていない波長域（周波数域）である中赤外領域やテラヘルツ（ＴＨｚ）領域のコヒーレント光源としてＱＣＬ素子は注目されている。
【０００３】
ＴＨｚ領域の電磁波すなわちＴＨｚ波は光と電波の両方の性質を兼ね備えており、例えば透過による物質の特定や人体の透視検査への適用が期待されている。その実用性を高めるため、目的の周波数での誘導放出を目的通りに生じさせることができるＴＨｚ波のＱＣＬ（ＴＨｚ−ＱＣＬ）素子が有望視されている。ＴＨｚ−ＱＣＬ素子では、電界による傾斜や物理機構を考慮に入れてウェル層やバリア層の厚みを精密に設計した半導体超格子構造を実際に作製する、というバンドの作り込み（band engineering）が必要となる。
【０００４】
特にＴＨｚ−ＱＣＬの実用性の指標となるのが、レーザー発振が得られる温度範囲の上限（以下、「上限動作温度」という）である。ＴＨｚ−ＱＣＬ素子の上限動作温度の世界最高値は、量子井戸を３つもつ３量子井戸（ＱＷ）型構造を持つもので達成されているものの、高々１９９．５Ｋ（−７３．６５℃）にとどまっている（非特許文献１）。３量子井戸構造のものでは、共鳴トンネル注入の動作と、ＬＯフォノン散乱を利用した電子の引き抜き動作との組合せによって反転分布が実現している。しかし、これまでのところ、ペルチェ電子冷却での冷却到達温度（２３０Ｋつまり約−４３℃またはそれ以上）の範囲やまして室温（例えば３００Ｋつまり約２７℃）で発振動作するＴＨｚ−ＱＣＬ素子は実現していない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S. Fathololoumi, et.al, "Terahertz quantum cascade lasers operating up to ~ 200 K with optimized oscillator strength and improved injection tunneling", Optics Express Vol. 20, Issue 4, pp. 3866-3876 (2012), doi:10.1364/OE.20.003866
【非特許文献２】Sushil Kumar, "Recent Progress in Terahertz Quantum Cascade Lasers," OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2010), paper CWF1, https://doi.org/10.1364/CLEO.2010.CWF1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願の発明者らは、伝導現象について信頼性の高い予測結果をもたらすＮＥＧＦ法（非平衡グリーン関数法）と呼ばれる理論計算手法に基づいて、これまでの世界最高の上限動作温度を実現する上記構造のＴＨｚ−ＱＣＬの動作を詳細に解析することにより、上限動作温度を決定している要因を調査した。その結果、次の２点が動作温度の上限に関連することを見いだした。
（１）注入準位への電子の停滞による反転分布が阻害されること、および
（２）上位レーザー準位から、それよりも高いエネルギーをもち電子の流れの下流側に複数の準位が比較的高い存在確率をもち、電子がリークしやすいこと。
【０００７】
本発明は上記問題の少なくともいずれかを解決する。本発明は、ＴＨｚ領域で動作する量子カスケードレーザー素子においてレーザー発振が実現する上限動作温度を高めることにより、ＴＨｚ−ＱＣＬを採用する各種の用途の発展に貢献する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の発明者らは、ＮＥＧＦ法により上記問題点を克服しうる具体的なＴＨｚ−ＱＣＬの構造を種々検討し、単位構造に量子井戸を２つ持ち（２量子井戸構造）、その二つの量子井戸において材質の対称性すなわちポテンシャル構造の対称性を意図的に低下させる構造の半導体超格子を採用することにより、上記原因が除去または緩和されて上限動作温度を高めうることを見いだし、本出願に係る発明を完成させた。
【０００９】
すなわち、本発明のある実施態様では、一対の電極に挟まれた半導体超格子構造を有する量子カスケードレーザー素子であって、該半導体超格子構造が、動作のために該一対の電極を通じ印加される外部電圧の下でＴＨｚ領域のある周波数の電磁波を放出する活性領域を有しており、該活性領域は、繰り返して積層されている複数の単位構造を有しており、各単位構造は、互いにバリア層で仕切られた第１ウェル層および第２ウェル層からなる２量子井戸構造をもっており、該第１ウェル層と該第２ウェル層が互いに異なる組成をもっており、前記外部電圧が印加されていない状態で、該第２ウェル層内の電子に対するポテンシャルエネルギーが該第１ウェル層内のものよりも低くなるようになっている、量子カスケードレーザー素子が提供される。
【００１０】
本発明の上記実施態様においては、好ましくは、前記第２ウェル層の厚みが、前記外部電圧の下で、該第２ウェル層中に存在確率の最大値を持ち、該第２ウェル層を挟む二つのバリア層のポテンシャルより低いエネルギー値をもつ層厚方向閉じ込め準位が最大１つとなるよう狭められている。
【００１１】
本出願においてＴＨｚ領域の電磁波とは、おおむね０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数範囲すなわち１０μｍ〜３ｍｍ程度の波長範囲の電磁波をいう。また低周波のＴＨｚ領域とは、上記ＴＨｚ領域のうち２．０ＴＨｚ以下の周波数範囲である。さらに本出願の説明には、可視光や赤外線を対象とする電子デバイスや物理学の分野から転用または借用される技術用語を用いて素子構造や機能を説明することがある。このため、可視光から遠く離れた周波数域または波長域の電磁波に関する説明であっても、量子カスケードレーザーの素子や誘導放出の現象を示すために「レーザー」や「発光」との用語、「光学的−」（optical -）、「光−」（photo -）などの用語を用いる場合がある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のいずれかの態様において提供される量子カスケードレーザー素子では、従来よりも高い動作温度でレーザー発振動作が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子の構成の概要を示す斜視図（図１Ａ）、拡大断面図（図１Ｂ）、およびさらなる部分拡大断面図（図１Ｃ）である。
【図２】本発明の実施形態に関連して、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子の伝導帯のポテンシャル構造と電子のサブバンド（準位）ごとの存在確率とを示す説明図であり、従来のＲＴ型３ＱＷ構造（図２Ａ）および本実施形態の非対称２ＱＷ構造のもの（図２Ｂ）である。
【図３】本発明の実施形態に関連して、複数の単位構造を輸送されて生じる現象として理想的なものを示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における非対称２ＱＷ構造の着想を説明する説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に関連して、キャリア密度の分布を示す分布図（従来のＲＴ型３ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬについて図５Ａ、実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子について図５Ｂ）および電流密度の分布を示す分布図（従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものについて図５Ｃ、実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子について図５Ｄ）である。
【図６】本発明の第１実施形態に関連して、従来の２ＱＷ構造について計算されたポテンシャル構造（図６Ａ）と電流密度の分布（図６Ｂ）の例である。
【図７】本発明の第１実施形態に関連して、従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものと本実施形態のＴＨｚＱＣＬ素子についてＩ−Ｖ特性を対比して示すグラフである。
【図８】本発明の第１実施形態に関連して、従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものと本実施形態のＴＨｚＱＣＬ素子について光利得を対比して示すグラフである。
【図９】本発明の第１実施形態に関連して、従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものと非対称２ＱＷ構造を採用するＴＨｚ−ＱＣＬ素子との光利得スペクトルを２００Ｋと２６０Ｋにおいて計算したグラフである。
【図１０】本発明の第１実施形態に関連して、従来のＲＴ型３ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬ素子と、非対称２ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬ素子のピーク光利得の動作温度依存性を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施形態に関連して、４ＱＷ構成のＴＨｚ−ＱＣＬ素子と、実施形態の非対称２ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬ素子とを対比して示す、ポテンシャル構造および電子のサブバンド構造を示す説明である。
【図１２】本発明の第２実施形態に関連して、従来の４ＱＷ構成のＴＨｚ−ＱＣＬ素子（図１２Ａ）と本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子（図１２Ｂ）とを対比した電流密度の分布を示す
【図１３】本発明の第２実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子においてシミュレーションした動作特性（Ｉ−Ｖ特性、光利得）を単位構造当たりの電位差に対して示す。
【図１４】本発明の第２実施形態において各温度でＮＥＧＦ法により求めたＴＨｚ波の周波数に対する光利得を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る量子カスケードレーザー素子について説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。
【００１５】
１．第１実施形態
本発明の最初の実施形態として、約３〜４ＴＨｚでの発振動作のためのＴＨｚ−ＱＣＬ素子について詳述する。
【００１６】
１−１．実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子の構成
図１は、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子の構成の概要を示す斜視図（図１Ａ）、拡大断面図（図１Ｂ）、およびさらなる部分拡大断面図（図１Ｃ）である。典型的なＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００（図１Ａ）は、概して、一対の電極２０および３０と、その間に挟むようにされている半導体超格子構造であるＱＣＬ構造１００とにより構成されている。電極２０および３０は、ＱＣＬ構造１００に対し電界を形成するための電圧と電磁波の放出すなわち発光のための電流とを外部から受けるために利用される。また、電極２０および３０は金属で形成されており、ＴＨｚ領域の電磁波が作用すると表面プラズモンが誘起され、電極２０および３０がキャビティ構造による光閉じ込めの作用をも発揮する。この構造はダブルメタルウェイブガイド（ＤＭＷ）構造とも呼ばれる。ＱＣＬ構造１００は活性領域１０を備えている。ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００は、上記電圧が印加された際の活性領域１０に形成される電子のポテンシャルの繰り返し構造を、その厚み方向に電子を通過させることにより動作する。その通過の際、サブバンドの間つまり準位間を電子が遷移しながらＴＨｚ領域の電磁波２０００を放出するように動作する。図１のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００は、レセプター基板４０（以下、「レセプター４０」という）に電極３０のうちのメタル層３０Ｂが形成され、ＱＣＬ構造１００に形成したメタル層３０Ａとボンディングされて作製される。
【００１７】
活性領域１０（図１Ｂ）は交互に積層されたウェル層１０Ｗおよびバリア層１０Ｂを複数含むある厚みの単位構造１０Ｕを複数もっており、各単位構造１０Ｕは厚みの向きに繰り返して積層されている。図１Ｂに示す半導体超格子構造１００Ａにおいて、活性領域１０は、単位構造１０Ｕが一般に１０〜２００周期分だけ同一の構造が繰り返して積層されて構成されている。図１Ｃは、各単位構造１０Ｕの１単位分（１周期分）の構造を拡大して示す。各単位構造１０Ｕは、２つのウェル層１０Ｗと２つのバリア層１０Ｂとからなり、各ウェル層１０Ｗは各バリア層１０Ｂにより互いに他から仕切られている。個別のウェル層１０Ｗは、基板５０側から順に第１ウェル層１０Ｗ１および第２ウェル層１０Ｗ２と区別される。個別のバリア層１０Ｂも必要に応じ区別され、基板５０側から順に第１バリア層１０Ｂ１および第２バリア層１０Ｂ２と呼ぶ。バリア層１０Ｂ１に接してウェル層１０Ｗ１が配置され、ウェル層１０Ｗ１に接しバリア層１０Ｂ２が配置される。以下同様である。なお、バリア層１０Ｂ３は、次段の単位構造１０Ｕのバリア層１０Ｂ１となる。
【００１８】
１−２．着想
本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００における各単位構造１０Ｕの構成によってこれまでにない高い温度での動作は、第１に間接注入（ｉｎｄｉｒｅｃｔ  ｐｕｍｐｉｎｇ）タイプの動作を実現すること、第２に電子のリークチャネルを十分に抑制できること、により達成される。これら動作や特性を実現しうる具体的な構造を、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半導体超格子構造のものを例に、その着想とともに詳述する。説明は、従来のＴＨｚ−ＱＣＬ素子であるＲＴ型（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ、共鳴トンネル型）３ＱＷ構造のものと本実施形態のものを対比しながら進める。なお、ＲＴ型は、本出願以前において約３．６ＴＨｚのレーザー発振を最高の上限動作温度（１９９．５Ｋ）で実証した構成である（非特許文献１）。
【００１９】
図２は、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子の伝導帯のポテンシャル構造と電子のサブバンド（準位）ごとの存在確率とを示す説明図であり、順に、従来のＲＴ型３ＱＷ構造（図２Ａ）および本実施形態の非対称２ＱＷ構造のもの（図２Ｂ）である。各構成において、ｚ方向（図１Ｂ）の各位置にて電子に作用するポテンシャルは伝導帯ポテンシャルであり、相対的にはウェル層は低い値、バリア層は高い値を持つ凹凸構造となる。電極対２０および３０に動作のための外部電圧が印加されると、その電圧は凹凸構造を全体に傾斜させるバイアス電界となる。図２ＢのＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００のポテンシャルの各凸部および凹部には、図１Ｃに示した単位構造１０Ｕの各層と対応させる符号を付している。図３は、複数の単位構造を輸送されて生じる現象として理想的なものを示す説明図である。
【００２０】
図２Ａに示す最高動作温度（１９９．５Ｋ）を実現したＲＴ型３ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬでは、各ウェル層はＧａＡｓ、各バリア層は、ＡｌＧａＡｓであり、３つのウェルは、上流側（図２Ａにおいて紙面上左側）から、最も広いフォノンウェルＷＰ、二つの発光ウェルＷａ１およびＷａ２となっている。これらのフォノンウェルＷＰ、二つの発光ウェルＷａ１およびＷａ２は例えばＧａＡｓのような同組成の材質であるため、外部電圧が印加されない場合には等しい深さをもつ。
【００２１】
従来のＲＴ型３ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬでのレーザー発振動作に関与する準位は注入準位ｉ、引き抜き準位ｅ、上位レーザー準位ｕ、下位レーザー準位ｌの４つである。図２Ａに示すように、注入準位ｉおよび引き抜き準位ｅは、ともにフォノンウェルＷＰに高い存在確率を持ち、それぞれのエネルギー値は低エネルギーおよび高エネルギーである。上位レーザー準位ｕおよび下位レーザー準位ｌは、それぞれ、二つの発光ウェルＷａ１およびＷａ２に高い存在確率をもつ。電子が輸送される動作を順にみると、図３Ａに示すように、まず、共鳴トンネル（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，ＲＴ）注入によって、注入準位ｉから上位レーザー準位ｕに電子が注入される。ついで，レーザー発光遷移によって、上位レーザー準位ｕから下位レーザー準位ｌに誘導放出を伴ってエネルギーを失う。さらに電子は、電子輸送により下位レーザー準位ｌから引き抜き準位ｅ’に移った後に、ＬＯフォノン散乱電子遷移により引き抜き準位ｅ’から注入準位ｉ’に遷移する。発光の遷移は、二つの発光ウェルＷａ１およびＷａ２の間で存在確率の重心が移動するように遷移する対角遷移となる。また、引き抜き準位ｅ’から注入準位ｉへのＬＯフォノン散乱による遷移は、フォノンウェルＷＰで生じる。なお、「’」は、下流側に位置する次の単位構造における準位であることを意味している。この動作は、電子のリークを考慮しない理想的なものであり、図３Ａに示すように、複数の単位構造にわたるサブバンド（準位）間の繰り返しの動作となる。
【００２２】
このように、従来のＲＴ型３ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬの動作は、いうなれば、誘導放出の後に下位レーザー準位ｌに遷移した電子を、引き抜き準位ｅ’および注入準位ｉを通じてＲＴとＬＯフォノン散乱によって抜き取ることにより、上位レーザー準位ｕと下位レーザー準位ｌの間に反転分布が実現しやすくする手法である。そしてこの従来のＲＴ型３ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬにおいて上限動作温度が高まらないのは、（１）注入準位ｉへの電子の停滞による反転分布が阻害されるため、および（２）上位レーザー準位ｕから、それよりも高いエネルギーをもち電子の流れの下流側に複数の準位が比較的高い存在確率をもち、電子がリークしやすいためである。リークした電子は、図３Ａのような理想的な状態遷移をたどらないため、反転分布の維持に障害となり、また、光利得等の効率を悪化させる。
【００２３】
図２Ｂに示すのが、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００に採用するポテンシャル構造であり、本発明者は本構造を非対称２量子井戸構造（非対称２ＱＷ構造）とよぶ。本構造のポテンシャル構造を持つＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００は、上記第１および第２の点を改善するものである。
【００２４】
ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００で電子の動作を輸送動作の順にみると、まず、ＬＯフォノン散乱により、注入準位ｉから上位レーザー準位ｕに注入される（間接注入）。ついで、レーザー発光遷移によって、上位レーザー準位ｕから下位レーザー準位ｌに誘導放出を伴ってエネルギーを失う。さらに、トンネル電子輸送によって、下位レーザー準位ｌから注入準位ｉに電子が引き抜かれる。ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００での間接注入は、第１ウェル１０Ｗ１内において、上位レーザー準位ｕよりも高いエネルギーを持つ注入準位ｉからＬＯフォノン散乱により効率的に電子が上位レーザー準位ｕに供給されるため、注入準位ｉには電子が滞留しにくい。このような動作を図３Ｂに状態間の遷移として示している。ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の単位構造１０Ｕにおける電子の輸送では、電子がＬＯフォノンにより高いレートで散乱されるため、上位レーザー準位ｕへの電子の注入にも停滞が生じにくい（間接注入）。さらに、第２ウェル１０Ｗ２が狭くかつ深いため、上位レーザー準位ｕからのリークチャネル、つまり、上位レーザー準位ｕよりも高いエネルギーをもち上位レーザー準位ｕから遷移しやすい位置に生じリークを生じさせやすい準位はほとんど形成されない。
【００２５】
この非対称２ＱＷ構造の着想を説明する説明図が図４である。簡単のためバイアス電界を省略し、現実の波動関数を簡略化して水平線のみで存在確率の高い範囲のみ示すと、第１ウェル１０Ｗ１に対応する第１ウェルＷ１において基底状態ＧＷ１と第１励起状態Ｅ１Ｗ１が形成される。第１励起状態Ｅ１Ｗ１から基底状態ＧＷ１のエネルギー差は、第１ウェルＷ１の厚みを適宜調整して、ＬＯフォノンによる遷移に適するようにしておく。他方、第２ウェル１０Ｗ２に対応する第１ウェルＷ２は、その内部に基底状態ＧＷ２が形成されるものの、それより上位には局在するような励起状態が形成されないようにする。これは、第２ウェルＷ２の厚みを狭くすることによって難なく実現できる。バイアス電界を含まないこの説明は、実際には、バイアス電界を考慮して全体を傾斜させても同様に成り立つ。この様子を図４Ｂに示している。
【００２６】
ここで、第１ウェルＷ１でＬＯフォノンによる高速な引き抜き動作で電子を貯めるのは基底状態ＧＷ１であるため、この基底状態ＧＷ１の準位を発光の上位となる上位レーザー準位ｕに対応させる。また、第２ウェルＷ２に局在する唯一の準位である基底状態ＧＷ２は、下位レーザー準位ｌに対応させる。その場合、仮に第１ウェル層Ｗ１と第２ウェル層Ｗ２が同じ材質であれば、基底状態ＧＷ１のエネルギーよりも基底状態ＧＷ２のエネルギーが高まる。これは、各ウェル内で零点振動に対応するエネルギー分だけ基底状態はウェルの伝導帯ポテンシャルから高くなるため、狭い第２ウェルでの基底状態ＧＷ２が上昇したエネルギー値となるためである。電子の輸送を一方向（紙面左側から右側に向かう方向）にしつつ発光準位のエネルギー値を合わせるには、基底状態ＧＷ１より基底状態ＧＷ２のエネルギー値を小さくする必要があるが、この関係をバイアス電界のみで実現することは現実的とは言えない。そこで、本実施形態では、第２ウェルＷ２の底を、第１ウェル層よりある値Δ１だけ深く（伝導帯ポテンシャルが低く）なるようにして、適切なバイアス電界で動作させるようにしている。その深くしたことに応じて第２ウェルＷ２の厚みを必要に応じてさらに狭くすれば、高々１つの層厚方向閉じ込め準位だけが第２ウェルＷ２に位置させることは困難ではない。実際の設計は、これをバイアス電界がある状態（図４Ｂ）で行う。バイアス電界がない場合（図４Ａ）でウェル層の伝導帯ポテンシャルが異なる値を持つことは、バイアス電界がある状態にもウェル内のポテンシャルのシフト量Δ２として反映され、通常このシフト量Δ２は値Δ１と同じ値となる。バリアについて、各バリア層のポテンシャルの値は本実施形態の具体的説明としては同一としているが、この点は必須ではない。また、各バリア層の厚みは、各準位のエネルギー値を調整するため等の目的手適宜調整される。
【００２７】
特に高々１つの層厚方向閉じ込め準位だけが第２ウェルＷ２に位置することは、第２ウェルの上方に不必要な準位を形成させないことにつながり、第１ウェルのリークを低減する上で極めて有効である。
【００２８】
ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００には動作の必要に応じ他の要素も作製される。図１（ａ）のＱＣＬ構造１００は、半導体超格子構造１００Ａ（図１（ｂ））の層構造の広がりの外形をトリミングして形成される。典型的な半導体超格子構造１００Ａは、例えば（００１）面方位の半絶縁性（ＳＩ）のＧａＡｓ基板５０（以下「基板５０」と記す）を利用して形成される。この典型例を詳述すると、基板５０の表面には、例えば２５０ｎｍだけＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓを積層したエッチングストッパー層６０（「ＥＳ層６０」）が形成される。そして、ＥＳ層６０の面に接して高ドープｎ型ＧａＡｓ層１２０（典型的な電子密度約３×１０１８ｃｍ−３）が８００ｎｍ厚に形成され、その後に活性領域１０が形成される。活性領域１０の詳細な構成については後述する。形成された活性領域１０の上面には、高ドープｎ型ＧａＡｓ層１４０（典型的な電子密度約３×１０１８ｃｍ−３）が１００ｎｍ厚に形成される。その後、１ｎｍ厚ＧａＡｓ層とＳｉのδドープ層の組合せ１０セットからなるδドープＧａＡｓ層１６０が形成され、最後に、５ｎｍだけ低温成長させたＧａＡｓ層（ＬＴＧ−ＧａＡｓ層）１８０が形成される。なお、図１（ｂ）では、成膜時に基板５０の一方の面に積層される膜構成を積層順に紙面の下方から上方へと並べて示している。図１（ｂ）に記載の半導体超格子構造１００Ａは図（ａ）のＱＣＬ構造１００と上下反転した関係に図示されている。
【００２９】
本実施形態の３〜４ＴＨｚで動作するＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の典型的な設計例を各層のサイズまで含めてより具体的に説明すると、表１のようになる。
【表１】
2019153652.tif 000003
また、ドーピングは、第１ウェル層１０Ｗ１に３×１０ｃｍ−２となるように設定した。
【００３０】
１−３．キャリアおよび電流密度の分布
上述した従来および本実施形態におけるポテンシャル構造にて実現しているキャリア（電子）の密度および電流密度の位置およびエネルギーでの分布をＮＥＧＦ法によりシミュレーションした結果を説明する。
【００３１】
図５に、キャリア密度の分布を従来のＲＴ型３ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬについて（図５Ａ）および本形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００について（図５Ｂ）、また、電流密度の分布を従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものについて（図５Ｃ）および本形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００について（図５Ｄ）について、それぞれ示す。これらの図における分布の値は、明るい位置が大きな値を持つ。なお、位置を理解するためのポテンシャル構造および準位を重ねて記している。それぞれの図を得た計算条件は、温度２００Ｋ、外部電圧すなわちバイアス電界は、５４ｍＶ／周期、３．９ＴＨｚの発振が実現する値とした。
【００３２】
キャリア密度の分布については、理想としては、反転分布のために上位レーザー準位ｕのみに電子が分布しているのが好ましい。従来のＲＴ型３ＱＷ構造では、図５Ａに示すとおり、フォノンウェルＷＰの低いエネルギーの位置に存在する注入準位ｉに比較的高い電子密度があり、上位レーザー準位ｕへ電子輸送には停滞が見られる。これに対し、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００では、図５Ｂに示すとおり、第１ウェル１０Ｗ１において、上位レーザー準位ｕのキャリア密度が高いものの注入準位ｉには電子が滞留していないことがわかる。
【００３３】
また、電流密度の分布は、理想としては、意図的に注入や引き抜きの動作をするエネルギー準位の位置のみで高い値を示し、それ以外の位置ではできるだけ小さな値となるのが好ましい。上位レーザー準位ｕの電子はそれよりもエネルギー値が高い任意の準位に熱的に励起される確率がある。もしその熱励起後に電子を受け取る準位が、連続帯（continuum）となりうるようなものであり、かつ上位レーザー準位ｕの存在確率が高い位置（第１ウェル層１０Ｗ１）よりも下流側（紙面上右側）に有意な存在確率を持つものという条件を満たしていれば、その準位からさらに下流に電子が漏れてしまうリークチャネルとなりうる。従来のＲＴ型３ＱＷ構造では図５Ｃに示すとおりであり、各準位の電子は横方向にリークしやすい。実際、リークチャネルとなり得る準位の最小のエネルギーを持つものは、上位レーザー準位ｕから４２ｍｅＶ上方に位置している。さらに、リークチャネルとなり得る準位を伝って流れるリーク電流が、明るい表示で示されている。つまり、従来のＲＴ型３ＱＷ構造では、上位レーザー準位ｕからリークが生じることが計算で確認された。これに対し、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００では、図５Ｄに示されるように発振上位準位ｕのうち電子が多く分布する位置から生じるリークの電流密度は小さく、発光に寄与する準位である下位レーザー準位ｌから注入準位ｉによる引き抜きによる電流密度に集中している。このため、反転分布がリークの影響を受けにくい。実際、リークチャネルとなる準位の最低のエネルギーのものが、上位レーザー準位ｕから９０ｍｅＶ上方に位置している。これは、従来のＲＴ型３ＱＷ構造での値（４２ｍｅＶ）との比較で２倍もの値であり、電子の熱励起も生じにくいことがわかる。
【００３４】
本実施形態のものとの比較のため、ウェルの深さが均一で、下位レーザー準位ｌの存在確率の最大値が位置する第２ウェルＷ２に、それよりもエネルギー値が高い準位が局在する構成についても同様の計算を行った。図６は、従来の２ＱＷ構造について計算されたポテンシャル構造（図６Ａ）と電流密度の分布（図６Ｂ）の例であり、両図の紙面左右方向をシフトしてｚ軸の座標を一致させている。この例は、本実施形態のものと同様の第１ウェルＷ１内の間接注入によって、上位レーザー準位ｕへの停滞のない電子輸送を実現している。しかし、第２ウェルＷ２内には、基底状態に対応する下位レーザー準位ｌだけでなく、第１励起状態および第２励起状態に対応する準位が、高い存在確率を示している。その結果、第２ウェルＷ２内で下位レーザー準位ｌからそれよりもエネルギー値が高い準位までのエネルギー差が近く、また多数のリークチャネルが形成されて電流が流れている。つまり、第１ウェルＷ１内での間接注入を用いても、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００のように第２ウェルＷ２を狭く深い井戸となるようにＱＣＬ構造１００を形成しない場合にはリークが生じてしまい、必ずしも良好な反転分布を期待することはできない。
【００３５】
１−４．動作特性
図７および図８は、２００Ｋの動作におけるＩ−Ｖ特性および光利得を従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものと本実施形態のＴＨｚＱＣＬ素子１０００について対比して示すグラフである。図７では、横軸は外部電圧によって生じる単位構造当たりの電位差つまり図２Ｂにおける傾斜に相当する値であり、縦軸は電流密度である。図８は図７と同じ横軸の値（ただし範囲は異なる）に対し、光学利得を描いたものである。これらの図において、Resonant-phonon schemeとして示される点線はＲＴ型３ＱＷ構造のものであり、実線が非対称２ＱＷ構造の本実施形態のＴＨｚＱＣＬ素子１０００である。図８の光学利得が０を超えれば理論的にはレーザー発振動作が可能となるので、０と交差する位置の横軸が発振閾値となる。図８から、従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものおよび本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００では、それぞれ、単位構造当たり４３ｍＶおよび４４ｍＶより高い電位差となればレーザー発振が可能となる。図７には、この発振閾値を矢印で示している。また、留意すべきは本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００では、単位構造当たりのウェル数が２と少ないにも関わらず、発振閾値では負性抵抗が生じていないことである。このため、外部電圧を０から増やして発振閾値に到達しても、複数の単位構造１０Ｕを含む構成でも動作が不安定とはならない。図７、８のグラフからは、従来３０．８ｃｍ−１であったピーク利得が本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００では５９ｃｍ−１となって１．９倍になること、および、レーザー発振の電流密度のダイナミックレンジが、従来１０４０〜１３９０Ａ／ｃｍ２までの３５０Ａ／ｃｍ２であったところ、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００では１０５０〜１５８２Ａ／ｃｍ２までの５３２Ａ／ｃｍ２となって１．５２倍となること、といった大幅な性能改善が予測できる。
【００３６】
動作可能な温度範囲を探り上限動作温度を予測するため、温度を変更したシミュレーションを実施した。図９は、従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものと非対称２ＱＷ構造を採用するＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００との光利得スペクトルを２００Ｋと２６０Ｋにおいて計算したグラフであり、横軸は放射するＴＨｚ波の周波数である。また、図１０は、ＲＴ型３ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬ素子と、非対称２ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬ素子のピーク光利得の動作温度依存性を示す。図９に示すように、光利得は、２００Ｋにおいて、従来のＲＴ型３ＱＷ構造では３０ｃｍ−１、非対称２ＱＷ構造では５５ｃｍ−１の光利得が得られ、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００で大幅に向上していることがわかる。また、図１０から、２６０Ｋでは、従来型で２０ｃｍ−１、ＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００では３８ｃｍ−１の光利得が得られた。実際のＱＣＬではある程度の導波路ロス（典型的には２０ｃｍ−１）を見込む必要がある。ＴＨｚＱＣＬのこれらのロスの典型値として２０ｃｍ−１を考慮すると、計算により予測される上限動作温度は、従来のＲＴ型３ＱＷ構造では約２６０Ｋ程度となる。本実施形態のものは２６０Ｋ程度で、従来のＲＴ型３ＱＷ構造のものの２００Ｋと同程度の光利得が実現している。なお、文献によれば従来のＲＴ型３ＱＷ構造が実証されている測定値は１９９．５Ｋである（非特許文献１）。この値は、ＴＨｚＱＣＬのこれらのロスを例えば３０ｃｍ−１（図９、図１０には図示しない）と見込むことによっても計算結果の図９と対比させうる。このロスの値を用いるなら、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の上限動作温度の計算値は２６０Ｋ程度と予測することもできる。本発明者は、図２Ｂの非対称２ＱＷ構造をポテンシャル構造にもつＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００を実際に作製した場合にも、３．５〜４ＴＨｚの波長では最高２６０Ｋ程度で動作させうるものと考えている。
【００３７】
２．第２実施形態：低周波数動作での構成
本発明の非対称２ＱＷ構造のさらなる可能性を探るべく、低周波のＴＨｚ領域（２．０ＴＨｚ以下の周波数範囲）における動作もＮＥＧＦ法により調査した。この周波数範囲での最高の上限動作温度が得られる構成は、４つの量子井戸の構成で得られておりその上限動作温度は１６０Ｋである（非特許文献２）。以下この四つの量子井戸の構成（４ＱＷ構成）のものと対比して本実施形態における構成を説明する。本実施形態の非対称２ＱＷ構造のＴＨｚＱＣＬも、図１に示す構造をもち、材質およびポテンシャル構造の細部（各層の厚み）が変更されるだけである。このため引き続き同様の符号を参照する。
【００３８】
図１１は、４ＱＷ構成のものと、本実施形態の非対称２ＱＷ構造のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００とを対比して示す、ポテンシャル構造および電子の準位構造を示す説明である。４ＱＷ構成のものはウェルをＧａＡｓ、バリアをＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓにより構成している。これに対し、本実施形態では、第１ウェル層をＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ、第２ウェル層をＧａＡｓ、バリアをＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓにより構成している。なお図２Ｂと比較すれば明らかであるように、第１実施形態のものに比べ本実施形態では周期が短くポテンシャルの変調量が大きくなっている。これは、低周波ＴＨｚでの発振が得られるように各層の材質および厚みを調整した結果である。
【００３９】
本実施形態の１．５〜１．９ＴＨｚで動作するＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００の典型的な設計例を各層のサイズまで含めてより具体的に説明すると、表２のようになる。
【表２】
2019153652.tif 000004
また、ドーピングは、第１ウェル層１０Ｗ１に３×１０ｃｍ−２となるように設定した。
【００４０】
図１２に、４ＱＷ構成のもの（図１２Ａ）と本実施形態のもの（図１２Ｂ）とを対比した電流密度の分布を示す。４ＱＷ構成に比較して本実施形態では、極めて明瞭な、電流の流れが実現しており、リーク電流が生じていないことが示されている。図１３に、本実施形態のＴＨｚ−ＱＣＬ素子１０００においてシミュレーションした動作特性（Ｉ−Ｖ特性、光利得）を単位構造当たりの電位差に対して示す。図７、図８に示す第１実施形態のものに比べて比較的大きなバイアス電界（約８５ｍＶ／周期）が必要となるが、高い光利得が実現し始める低電圧側の領域（７０〜８０ｍＶ）においては、負性抵抗が見られない。さらに、ピーク値では十分な光利得（１００ｃｍ−１）が実現する。図１４には、各温度で求めたＴＨｚ波の周波数に対する光利得を示す。図１４に示されるように、３００Ｋ（約２７℃）もの高温において１．５４ＴＨｚに平行持つような範囲で十分な光利得が得られた。この結果から本発明者は、本実施形態の非対称２ＱＷ構造を採用することにより、室温付近で動作１．５〜１．９ＴＨｚ程度のレーザー発振が達成されることを示唆しているものと考えている。
【００４１】
３．変形例
上述した本発明のいずれの実施形態も上述した例に限られず、種々の変形を行うことができる。
【００４２】
３−１．ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ系の適用範囲
本発明のいずれの実施形態も、ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ系の組成の半導体超格子を利用して実施することができる。その場合の典型例では、０≦ｙ＜ｘ＜ｚ≦１として、第１ウェル層１０Ｗ１の材質がＡｌｘＧａ１．０−ｘＡｓの組成をもち、第２ウェル層１０Ｗ２の材質がＡｌｙＧａ１．０−ｙＡｓの組成をもち、バリア層Ｂ１、Ｂ２の材質がＡｌｚＧａ１．０−ｚＡｓの組成をもつように選択される。第２ウェル層の伝導帯ポテンシャルエネルギーを第１ウェル層のものより小さくして第２ウェルを相対的に深くするために、ｙ＜ｘとなるように選択されている。表１、２に示した構成はいずれもこれらの関係を満たしている。
【００４３】
３−２．他の組成
本発明のいずれの実施形態も、他の材質によって実現することができる。例えば、ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓ−ＩｎＡｌＡｓ系、ＡｌＩｎＳｂ−ＩｎＳｂ系、ＡｌＩｎＳｂ−ＩｎＡｓＳｂ系、ＧａＡｓＳｂ−ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓ系やピエゾ電界を生じない無極性の方位とするＡｌＧａＮ−ＧａＮ−ＩｎＧａＮ系も採用することもできる。これらにおいて、図２Ｂに示した構造を作製することによって、図３Ｂに示したような遷移を伴う電子輸送を実現することは、図４に基づいて説明した設計手順をそれぞれの材料の条件を用いることにより、計算のみならず実験により実現することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた特許請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の上限動作温度が向上されたＴＨｚ−ＱＣＬはＴＨｚ領域の電磁波の発生源を利用する機器に利用される。
【符号の説明】
【００４６】
１０００  素子
１００  ＱＣＬ構造（半導体超格子構造）
１００Ａ  半導体超格子構造
１０  活性領域
１０Ｂ、１０Ｂ１〜１０Ｂ３  バリア層
１０Ｗ、１０Ｗ１〜１０Ｗ２  ウェル層
１０Ｕ  単位構造
１２０、１４０  高ドープＧａＡｓ層
１６０  δドープＧａＡｓ層
２０、３０  電極
３０Ａ、３０Ｂ  メタル層
４０  レセプター
５０  基板
６０  エッチングストッパー層
ｕ  上位レーザー準位
ｌ  下位レーザー準位
ｉ  注入準位
２０００  電磁波
【図１】
2019153652.tif 000005
【図２】
2019153652.tif 000006
【図３】
2019153652.tif 000007
【図４】
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【図５】
2019153652.tif 000009
【図６】
2019153652.tif 000010
【図７】
2019153652.tif 000011
【図８】
2019153652.tif 000012
【図９】
2019153652.tif 000013
【図１０】
2019153652.tif 000014
【図１１】
2019153652.tif 000015
【図１２】
2019153652.tif 000016
【図１３】
2019153652.tif 000017
【図１４】
2019153652.tif 000018