(57)【要約】【課題】量子井戸サブバンド間遷移には、赤外線イメージセンサ、量子カスケードレーザや超高速光変調素子への応用があり、従来のＴＭモードのみの光との相互作用に加え、ＴＥモード光との相互作用を可能にし、これらのデバイスの高効率、高性能化を実現する。【解決手段】電子の有効質量に異方性がある半導体を用い、かつ、等エネルギー面の主軸から傾いた方向に量子井戸構造を形成することにより、ＴＥモード光（電磁波）によりサブバンド間電子遷移を生じさせる方法を発明した。【選択図】図８
2007335686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子の有効質量に異方性がある半導体を用い、かつ、等エネルギー面の主軸から傾いた方向に量子井戸構造を形成することにより、ＴＥモード光（電磁波）によりサブバンド間電子遷移を生じさせる赤外線センサー、量子カスケードレーザ、面発光量子カスケードレーザ及び光変調素子としての量子井戸サブバンド間遷移デバイス
【請求項２】
ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ或いはＰｂＳを量子井戸層に用いた波長可変量子カスケードレーザとしての量子井戸サブバンド間遷移デバイス
【請求項３】
電子の有効質量に異方性がある半導体の2種類の有効質量により量子化された状態間の電子遷移を利用するサブバンド間遷移量子井戸サブバンド間遷移デバイス
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出及びイメージングを行なう赤外線センサー、赤外線発光素子及び変調素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等の量子井戸にできるサブバンド間光遷移は今から２０年ほど前から研究が行われ、サブバンド間遷移赤外線イメージセンサーに利用され、その後、サブバンド間光遷移を利用する超高速光変調素子やサブバンド間遷移発光を利用する量子カスケードレーザが開発されるようになった。量子井戸サブバンド間の光遷移はＴＭモードの光と相互作用して起こり、一般にはＴＥモードの光とはほとんど相互作用しない。したがって、サブバンド間遷移を利用する赤外線イメージセンサーには光を斜めに入射することが必要であり（図１を参照）、量子井戸面に垂直方向の電界成分を増大させ信号強度を増加させるには、デバイス表面の加工が必要になる。また、サブバンド間遷移の赤外線レーザは、１９９４年に米国ベル研究所で発明され（図２参照）、最近では量子カスケードレーザにより波長４μｍから１００μｍを越えるものが作製されている。
【０００３】
また、波長４〜１０μｍ辺りでは室温高出力動作するものも作製されるようになり、量子カスケードレーザはこの波長域のレーザとしては現在最も注目されている。この量子カスケードレーザにおいても、電子遷移はＴＭモード光のみと相互作用するためＴＭモード発振しか期待できなかった。したがって、電界が量子井戸面と平行になる面発光レーザの実現は期待できなかった。また、サブバンドの上位準位から基底状態への光遷移は、ナノ秒オーダーのバンド間遷移に比べ非常に速く、ピコ秒或いはそれ以下のオーダーである。
【０００４】
したがって、サブバンド間光励起により、基底準位や励起準位のキャリヤ濃度を変調できれば、サブバンド間吸収を利用して超高速光変調が可能となる（図３）。この場合は変調を行なう光を量子井戸面に沿って通し、量子井戸に垂直方向に励起光を入れられれば、構造が単純になる。これらの問題はＴＥモード光と相互作用ができる量子井戸が開発されれば解決できる。
【０００５】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
量子井戸の面に平行成分の電界と相互作用し光吸収や発光を生じさせることができれば、サブバンド間遷移イメージセンサーにおいては、赤外光を試料に垂直入射すればよく、斜め入射のための複雑な構造が不要になる。また、量子カスケードレーザにおいては、ＴＥモード発光が可能になるとともに、面発光レーザの作製も可能になる。さらに、高速光変調素子においては、励起光を試料に垂直方向から入射させ、弱い励起光強度で光変調が可能になる。したがって、これらの問題を解決するためにＴＥモード光と強く相互作用できる量子井戸構造の開発を行なってきた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
量子井戸中の波動関数は、一般の教科書や論文などでは量子井戸に垂直な成分と量子井戸に平行な波動関数成分が独立に取り扱われる。量子井戸面に平行な電界との相互作用による光の吸収や発光を生じさせるには、量子井戸の面に垂直方向の波動関数成分がお互いに直交しないことが必要である。同じ量子井戸内の波動関数はお互いに直交しているので、量子井戸に垂直な成分と量子井戸に平行な波動関数成分が独立に取り扱える場合には、光吸収は生じないことになる。現在主に研究開発されているサブバンド間量子井戸デバイスは３−５族半導体であり、これらの半導体では、一般の量子力学教科書などにあるように、量子井戸に垂直な成分と量子井戸に平行な波動関数成分が独立に取り扱える。したがって、本発明では量子井戸に垂直な成分と平行成分とを独立に取り扱えなくする手法を検討し、本発明に至った。ＧｅやＰｂＴｅの伝導帯下端はブリルアンゾーンのＬ点に位置し、ＳｉではＸ点の内側に位置する。Ｓｉ、ＧｅやＰｂＴｅは有効質量の異方性が大きい多谷半導体として知られている（図４）。Ｓｉにおいては、＜１００＞方向に電子の有効質量が重く、ＧｅやＰｂＴｅにおいては＜１１１＞方向に重い質量を示す。これらの主軸に対して量子井戸構造を傾斜させ作製すると、量子井戸面に垂直な方向と面に平行な方向の波動関数を独立して取り扱えなくなるため、この観点から研究開発を行い、本発明に至った。
【０００９】
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、異方性半導体量子井戸を用いることにより、ＴＥモード光によっても強いサブバンド間遷移を可能にするもので、ＴＭモードの光との相互作用しかできない従来のサブバンド間遷移デバイスの欠点を解消するもので、上述の量子井戸層に垂直に光入射させる赤外線イメージセンサー、量子カスケードレーザのＴＥモード動作、面発光量子井戸レーザ及び垂直入射サブバンド間光励起超高速光変調素子等への広い応用が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ＰｂＴｅやＧｅ系量子井戸においては、［１００］方向に量子井戸成長を行なえば、ブリルアンゾーンＬ点のどの極小点においても等価なサブバンド構造が形成され、且つ、等エネルギー楕円体主軸に対して量子井戸方向を傾斜させることができる。図５に（１００）方向に作製したＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ超格子の垂直入射での赤外透過特性を示す。超格子試料は、図５（ａ）においては、２原子層ＥｕＴｅと２０原子層ＰｂＴｅの３００周期からなり、図５（ｂ）においては、ＥｕＴｅ（１原子層）／ＰｂＴｅ（２３原子層）／ＥｕＴｅ（１原子層）／ＰｂＴｅ（９原子層）の２重量子井戸２００周期からなる。短周期の干渉縞は、超格子を厚いＰｂＴｅ上へ作製したため、このＰｂＴｅと超格子のトータル膜厚によるものである。サブバンド間吸収は干渉縞と平均透過率の減少により確認できる。図５（ｂ）の２重量子井戸超格子構造においては、サブバンド間吸収は波数１１５０ｃｍ−１付近にあり、吸収係数に直すと２０００−３０００ｃｍ−１に相当する。また、計算したエネルギー準位と波動関数の絶対値の２乗を図６に示す。吸収はy1からy1’への遷移で生じている。垂直入射において、このような大きな吸収が得られるので、この遷移を垂直入射赤外線イメージセンサーへ応用することができる(図７)。この吸収は本発明者が最近初めて発見した現象であり、電子の有効質量に異方性がある半導体の等エネルギー面の主軸から傾いた方向に量子井戸構造を形成し、量子井戸ポテンシャルを非対称化することにより得られる（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．へ投稿中）。したがって、ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ２重量子井戸を同様な異方性のあるＧｅ系２重量子井戸やＳｉ系に変えることもできる。また、（１１１）方向へＳｉ／ＳｉＣ等の量子井戸を作製すれば、単純な量子井戸構造においてもピエゾ電界により周期ポテンシャルを非対称化することが可能であり、同様に垂直入射サブバンド間遷移イメージセンサーへ応用することができる。
【００１２】
この遷移は、逆に、基底準位から上位準位への電子注入により、レーザ動作に利用することも可能である。このような強い吸収は垂直入射による他の超格子での測定では得られていない。図８に示すＰｂＴｅ／ＥｕＴｅ系量子井戸活性層（３０原子層ＰｂＴｅ／１原子層ＥｕＴｅ／２０原子層ＰｂＴｅ／１原子層ＥｕＴｅ／１５原子層ＰｂＴｅ／１原子層ＥｕＴｅ／１４原子層ＰｂＴｅ／２原子層ＥｕＴｅ／１４原子層ＰｂＴｅ／１原子層ＥｕＴｅを1周期として数十周期からなる）をＰｂＥｕＴｅクラッド層で挟むことにより、ＴＭモードのみでなく、ＴＥモードで動作するカスケードレーザが作製できる。この場合、導波路層にＰｂＴｅを用い、量子カスケード層をその両側に配置し、量子カスケード層に活性層とクラッド層の両方の役割を担わせることもできる。ＰｂＴｅ系量子カスケードレーザは有効質量の温度依存性が大きいため、温度による大きな波長チューナビリティが得られる(請求項２)。また、図９に活性層の上下をＰｂＴｅ／ＰｂＳ或いはＰｂＴｅ／ＰｂＳｅ或いはＰｂＴｅ／ＣｄＴｅ多層膜反射ミラーで挟むことにより面発光レーザも作製できる。
本実施例では、ＰｂＴｅをベースにした量子カスケードレーザを例に挙げているが、ｎ型ＧｅやＳｉ系の量子井戸を用いても同様な量子カスケードレーザが作製できる。
【００１３】
図１０にＥｕＴｅ（２原子層）／ＰｂＴｅ（２０原子層）／ＥｕＴｅ（１原子層）／ＰｂＴｅ（１０原子層）を１周期とする超格子を［１１１］方向に成長した場合のエネルギーバンド構造を示す。この場合、ブリルアンゾーンＬ点の［１１１］谷の超格子方向に向かう有効質量は重く、それに対し傾いた＜１１１＞谷の超格子方向の有効質量は軽くなり、２種類の電子状態が生じる。また、ＰｂＴｅ層はＥｕＴｅにより引張り歪を受けるので、［１１１］谷の伝導帯端はそれに対して傾いた＜１１１＞谷の伝導帯端より図１０に示すように上昇する。こうした超格子に、超格子面に垂直方向からＣＯ２レーザのような波長１０ミクロン前後の光を入射すると［１１１］谷から傾いた＜１１１＞谷の基底準位から励起準位へ電子が励起され、この電子は光学フォノン散乱により［１１１］谷へ移る。［１１１］谷の超格子方向の有効質量は重く、図に示すようにたくさんのサブバンドが形成されており、この準位間の電子遷移によりレーザ動作する(請求項３)。この電子励起は、量子カスケード構造を作製し、電流注入によっても可能であり、光励起レーザも電流注入レーザも作製できる。また、量子井戸材料もＰｂＴｅに限らず、ＧｅやＳｉ等の多谷半導体を用いることもできる。
【００１４】
さらに、電子の有効質量に異方性がある半導体の等エネルギー面の主軸から傾いた方向に量子井戸構造を形成することにより、量子井戸に光を垂直入射させてサブバンド間電子遷移を生じさせることが可能であるので、図３に示す光変調素子において、励起光を垂直入射させて、光変調させることができる。この光変調素子構造として、図6に示すバンド構造を持つＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ2重井戸超格子を用いると、二酸化炭素10μｍレーザ励起により基底準位のキャリヤ濃度を変調させ、サブバンド間光吸収係数変化により波長１０μｍ付近の中赤外光を変調することができるし、E1’準位の電子濃度を変調し、Ｅ２−Ｅ1’のエネルギーに相当するテラヘルツ光の変調を行なうこともできる。
【００１５】
本発明により、量子井戸層に垂直に光入射させる赤外線イメージセンサー、量子カスケードレーザのＴＥモード動作、面発光量子井戸レーザ及び励起光を垂直入射するサブバンド間光励起超高速光変調素子への応用が可能である。
【００１６】
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のサブバンド間遷移赤外線センサー
【図２】量子カスケードレーザバンド構造
【図３】超高速光変調素子の構造
【図４】ＰｂＴｅ，Ｇｅ及びＳｉの伝導帯下端等エネルギー面
【図５】ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ超格子の赤外透過特性
【図６】ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ超格子の伝導帯サブバンド構造
【図７】垂直入射赤外線イメージセンサー
【図８】ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ波長可変量子カスケードレーザ
【図９】ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ量子カスケード面発光レーザ
【図１０】（１１１）面成長ＥｕＴｅ／ＰｂＴｅ光励起サブバンド間遷移レーザの電子遷移過程
【図１】
2007335686.tif 000003
【図２】
2007335686.tif 000004
【図３】
2007335686.tif 000005
【図４】
2007335686.tif 000006
【図５】
2007335686.tif 000007
【図６】
2007335686.tif 000008
【図７】
2007335686.tif 000009
【図８】
2007335686.tif 000010
【図９】
2007335686.tif 000011
【図１０】
2007335686.tif 000012