高出力・THz量子カスケードレーザーの開発
所属 理化学研究所
光量子工学研究センター
テラヘルツ量子素子研究チーム
氏名 平山 秀樹
2023年6月13日
1テラヘルツ光
LED/LDGas
Sensing

電波Broadcasting
Satellites

SelfphoneRadioTV

10μm

UHF Micro-wave MM-wave
10M

100M

1GHz

10GHz

100G

多くの物を透過高分解能～0.1mm
深さ～10cm（乾燥物）

THｚ
1THz 10THz

1μm

光
UVSterilization
Roentgenography

100nm 10nm

IR1nm

UV VUV

0.1nm

X-ray

Visible光と同じ伝搬特性
物質の同定

生命に無害

従来技術とその問題点●半導体レーザへの期待 （超小型/モバイルTHz光源）
THzパラメトリック発振器（0.5～20 THz）

サイズ
素子寿命
出力動作価格
モバスト性
波長可変・大型 50×30cm
・～2000時間・平均出力で数mW・パルス動作
・高価
・壊れやすい●広い波長可変性

THz量子カスケードレーザ（1.2～5.4 THz）

●微小：0.5×2mm●長寿命＞10000時間●＞1W可能●連続動作●低価格●高い耐久性・外部共振で20％程度

THz-QCLに期待される応用分野●セキュリティチェック

THzパイロメーター
THz Pyrometer
THzカメラ
THz Camera

THz LiDAR●Independent of the Weather●High Resolution

THz Laser

Incident Light

THz PDTime delay●電子産業（非接触検査）

Reflection
Light

●食品検査

●医療への応用●農業への応用

火傷の深さ診断●危険物検査（麻薬・爆発物）

Cars

モバイル・高出力THz-QCL光源★手のひらサイズ冷凍機で高出力THz-QCLをデモ・動作温度～80K、出力～400mW、3～4.5 THz

THz透過試験 ： 測定風景
（THz-QCLとパイロメーター）

QCLパルス電源

冷凍機温度表示器

冷凍機電源

パイロメーター表示器

THz-QCL内臓
冷凍機（80K）

パルス波形表示オシロスコープ

ここに測定物を放物面鏡（Au）
置き透過イメージを撮る

THz用パイロメーター

制御PC

THz量子カスケードレーザ(QCL)
THz-QCL： 実用型テラヘルツ光源
超小型、高出力、高効率、狭線幅、連続動作、安価
Double Metal
Waveguide (Cu)

●チップ1個でワットクラス
高出力

Cavity Length
2～3mm

0.3

CleavedFacet

E32 = 14.5 meV
z32 = 6.4 nm

0.2

QC-Layer～10μm
GaAs Substrate

THz
Laser
Output

GaAs/Al0.15Ga0.85As
9.4/2.4/14.8/3.8/6.4/2.4/7.8/5.4 nm

Energy [eV]

材料系 :GaAs/AlGaAs
InP/InGaAlAs
GaN/AlGaN
周波数 :1.2-5.4 THz

GaAs/AlGaAs QC-Active Layer(4QW×200 module)

Double Metal
Waveguide (Cu)0.1
0.0020E3E2E1(a)E1(b)

40 60 80
Thickness [nm]100●半導体超格子からのバンド内遷移発光を用いたレーザー●キャリアリサイクリングによる高出力動作

THz-QCLの現状と将来の目標
Temperature (K)GaAs/AlGaAs
THz-QCLs High T Target
300

RIKEN

200
LO-Phonon
Absorption
Are of GaAs

10000

GaAs/AlGaAs THz-QCLs withdouble-metal or single-metal
waveguide

RIKEN
Others12345Frequency (THz)

67

●現状:
周波数: 1.2-5.4 THz
最高動作温度: 250K
最高出力: 2.4W
●将来展望
300K以上の動作
動作周波数の拡大 5-12 THz

8GaAs/AlGaAs THz-QCL withdouble-metal or single-metal
waveguide
Measured at ～10K
RIKEN

理研のTHz-QCL新領域開拓● ワットクラス高出力 (GaAs系)

・1.4 W出力＠4.3THzの実現
・リーク電流遮断とドーピング制御● 室温動作の理論提案 (GaAs系)

・アイソレート3準位機構の提案（350Kまで可能）
・最高動作温度230Kの実現● 未開拓周波数QCL (GaN & ZnO系)

・2.5-15 THz、1～8μm赤外 (GaN) , 2.5-13 THz (ZnO)● 面発光(SE) THz-QCL (GaAs系)

・超高出力（100Wクラス）、平行直進ビーム

高性能化へのアプローチ
Operating Temperature (K)★間接注入機構
300Realizing Area
★リーク電流低減で実現230K: Thermoelectric cooling
1.9THz,160K
RIKEN 2013/3200★窒化物・酸化物
半導体により実現

3.8THz,150K
RIKEN 2012/6

3.7THz,143K
RIKEN 2011/310077K: LN2Pulsed

00.5CW

1234 5
10Frequency (THz)20

目標 ☑室温発振☑周波数の拡大：1.2THz以下、5-12THz☑高出力化

MBEによるTHz-QCLの作製

Cu-Cu metal-metal waveguide●超高真空装置（MBE）で薄膜を形成 （膜厚誤差0.5％以内）

200 μm●半導体プロセスで両面金属導波路を形成●FTIRで低温測定

新技術の特徴・従来技術との比較
THz-QCLは室温動作が得られていない。また、高出力・高効率動作が難しく、周波数も1.2～5.4THzに限られている。
本開発 → THz-QCLに新技術を投入• 「水平リークを遮断」することで、従来比3倍程度の高出力化を実現した。
• 高濃度ドーピング効果で従来比2倍程度の高出力を実現した。
• 「アイソレート3準位機構」の提案により、室温動作を予測した。
• GaN系半導体の導入による、赤外～THzにわたる広い未踏周波数と、高温高出力動作を解析で予測した。
12水平リーク電流遮断による高出力化の実現
Injection
Level

Upper
LasingLevel

Leakage
Current

Leakage Levelin the separate well

Emission
Lower Lasing Level
LO-phonon
Scattering
Injection Level

With Leakage Current

Leakage isreduced byshiftingleakagelevel
Upper Lasing
Level
Emission

T. Lin, K. Wang, L. Wang, T. Grange,
H. Hirayama. APEX 2018

Lower Lasing
Level

Without Leakage Current
Withoutleakage
With leakage

NEGF Analysis

高濃度ドーピングで高出力化●ドーピング時にバンドアラインメントをとる事で光利得を大幅に増加
Current (A)Output Power (mW)

GaAs/AlGaAs

E xperim ental
R edesig ned
G aAs/AlG aAs THz QCL
T=10K
n=6×1016cm-3
n=9×1016cm-3
n=1.2×1017cm-3
n=1.5×1017cm-3
Pulsed: 10μsec, 1kHz
Duty Cycle = 1%

Current Density (A/cm2 )● 400mW at n=6 x 1016cm-3, 600mW at n=1.2 x 1017cm-3

Low lasing well, break leakage
高出力（1.3W）THz-QCLを実現

エネルギー (eV)Mesa size :560 um - 2 mm
Pulse current :1kHz, 10µs, duty 1%

4.25 THz

GaAs/AlGaAs
4well THz-QCL
P(peak)= 1.31W
P(average)= 55mW
(duty cycle 5%)

GaAs/AlGaAs
THz-QCL

Mesa Size: 400 um×2 mm
Pulse: 1 kHz - 50 us, duty 5 %THz Camera Image (NEC)
膜厚方向の距離 (nm)P(peak)max = 1.31 WP(average) = 55 mW

通常共振器構造
Low lasing well,で世界トップ
break leakage●ヒートシンクへのボンディングでさらに高出力化

高出力1.4WTHz-QCL

発振ピーク出力 （mW）

f=4.26 THz

GaAs/AlGaAs
THz-QCL

Ti/Pd/Au電極

GaAs/AlGaAs THz-QCL
最高出力=1.4W
平均出力=60mW
電流密度 （A/cm2）

AlNサブマウント

常温動作可能な「アイソレート3準位機構」
押上げる(HLL)

HLL

IL

①ULL

②THz
光発振

③LLL

①

押上げる

LOフォノ
ン吸収

HLL(ULL)

ILTHz
光発振

LLL

(LLL)

IL
ULL

周期(n)nPeriod

①～③ のリークを遮断

②THz
光発振

2021年特許出願

周期(n+1)
Period n+1

ULL: 発振上位準位 （Upper Lasing Level）
LLL: 発振下位準位 （Lower Lasing Level ）IL: 注入準位 （Injection Level）
HLL: 上空リーク準位 （Highly Lying Level）

LOフォノン散乱~36meV

ULL~36meVLOフォノン散乱④①熱励起電子LOフォノン吸収リークチャネル②熱励起電子LOフォノン散乱リークチャネル③水平トンネルリークチャネル④垂直間接注入

間接注入

対角遷移で誘導放出

常温動作可能にする構造
アイソレート3準位機構③励起電子LOフォノン吸収の遮断

注入準位①LOフォノン散乱
による間接注入×②励起電子LOフォノン散乱の低減

×④水平リークの遮断×

発振上位準位

注入準位

発振下位準位★①～④機構の導入で300K以上温度動作
発振上位準位変形2量子井戸構造

室温動作＝従来型から革新
従来型 (最高動作温度250K) : 2量子井戸型 （電子リークあり。）

高温型 (最高動作温度340K) :変形2量子井戸 （電子リークチャネルを完全に遮断。）

解析：NEGF法GaAs系THz-QCLの室温動作範囲
解析：NEGF法
対角遷移でLOフォノン散乱を大幅に低減
Injection
Level (IL)

ULL

LLL

Gain (1/cm)

40300K
330K
340K

30

Waveguide Loss
Line：20 cm-120100

GaAs/AlGaAs
Deformation 2QW
3 THz QCL
0.150.20.25
Oscillator Strength0.3●3.2～4.0 THzで室温動作可能●最高動作温度は350K（3.8THz付近）

GaAs系THz-QCLの230K動作を実現「アイソレート3準位機構」
GaAs/AlGaAs THz-QCL

3.68THz

Pulse frequency：5kHz
Pulse width：800ns●230Kでレーザー発振を実現●室温発振ならず → 共振器メサが台形：注入不均一により光利得が低下
現在垂直メサ構造を作製中

GaN系半導体による新領域開拓
GaNの特異な物性を利用

QCL未開拓領域へ進出●LOフォノン散乱エネルギー ＝ GaAs系の3倍●バンド不連続値＝ GaAs系の3倍100LDの出力 P(mW)

500

100501051

QCLの電力変換効率 WPE (%)

10003005010520010090 80 70 60 504030（効率：左軸)(1～7μmが可能)

周波数 (THz)20109 8 7GaAs、InP系
MIR-QCL3456432

1 0.90.8
300kBTライン
3.6THz,230K
理研（2022）
1.9THz,160K
理研（2013）GaAs系
THz-QCLAlN GaNInP GaAs
LOフォノン散乱エネルギーの位置

25（動作温度：右軸）(2～20THzが可能)（効率：左軸）（3～20μm）（出力：左軸）0.5（～2.2μm）

6GaN系QCLの期待領域

GaN系QCL

InGaAsSb
1 系LD

0.1
0.80.91

テラヘルツ（THz）

中赤外（MIR）

7 8 9 1020

波長 (μm)3040200100（動作温度：右軸）（1.2～5THz）
50 60 70 80 90100

200●未開拓波長：5～15 THz、及び、2～3μmの実現が可能に●大きいLOフォノンエネルギーのため高温動作に有利

300

0400

QCLの動作温度（K）

赤外（IR）

3-20THz帯QCLが可能
1～8μ帯QCLが可能

GaN/AlGaN THz-QCLの解析
hv●すべての散乱過程を導入、不確定性原理に基づくバンドブロードニ
ング効果を解析☑電子・電子散乱☑電子・LOフォノン散乱☑不純物散乱☑界面ラフネス散乱●2～15THzで室温光利得が可能
8 THz

K. Wang, T. Grange, T. Lin, L. Wang, S. Birner, J. Yun, W. Terashima, H. Hirayama. APL 2018

GaN/AlGaN THz-QCLの動作範囲
20cm-1 line

GaAs/AlGaAs QCL
光利得 (cm-1)（ELO＝36meV）

GaN/AlGaN QCL（ELO＝92meV)

ｆ＝3.5THz
導波路ロス＝25cm-1

GaN/Al0.2GaN QCL
室温動作範囲：1.5～15.5THz

動作温度（K）●室温動作範囲は1.5～15.5 THzが可能●GaN系はTHzの室温動作で非常に有利（4倍の光利得）

GaN系バンド内遷移誘導放出の実現
Metal plasmon
Waveguide(Ti/Al/Ti/Au)

5.8 K
5.8 K

7.0V 3.2A

17.0V 3.2A

5.47 THz
5.47 THz

AlN/AlGaN buffer layer
Sapphire Substrate

16.5V 3A

Current (A)10

誘導放出発光
Lasing at

00.0

5.4 THz(56μm)

5.8 K
0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5
2Current density (kA/cm )4.0

Light intensity (arb. unit)

0.00 0.57 1.14 1.71 2.29 2.86 3.43 4.00 4.57 5.1420
5.8 K
GaN/AlGaN
THz-QCL(Pure-3-Level15 Scheme)

55.47 THz

16.5V 3A

Contactlayer(n+AlGaN)

4.5

FTIR
Intensity[SameFTIR
Intensity(a.
(arb.u.)unit)[SameScales]
scales]150 periods
QC activelayers(GaN/AlGaN)

Voltage (V)●未開拓周波数の5.4 THz

Electrode(Ti/Al/Ti/Au)

Contact layer(n+GaN)

5.47 THz

16.0V 2.8A

16.0V 2.8A

FWHM = 9.5GHz

5.47 THz
5.47 THz
FWHM = 9.7GHz
5.45 THz

15.8V 2.6A

15.8V 2.6A

5.45 THz

15.5V 2.4A
15.5V
2.4A

5.39 THz

14.5V2.1A
2.1A
14.5V

5.34 THz

FWHM = 9.6GHz

5.39 THz

5.34 THz

13.4V1.65A
1.65A
13.4V

4.6
4.6

4.8
4.8

No Signal
No signal
5.0
5.0

5.2
5.2

5.4
5.4

5.6
5.6

Frequency(THz)
Frequency (THz)

5.8
5.8

6.0
6.0

6.2
6.2

GaNを用いた赤外QCLの提案

GaN/AlN QCL(λ = 1.1-2.0 µm)
NEGF analysis
300K●波長0.8～7µmのGaN/AlN赤外QCLの設計が可能●室温に於いて60 cm-1 の高い光利得が可能

GaN/AlN赤外QCLの動作範囲
20cm-1 line

GaN/AlN IR QCL
室温動作範囲：0.8～6.5μm●未開拓波長2～3µm を含む0.8～6.5µmのGaN/AlNQCLが可能●ガス分析、環境計測、血液検査等の医療への応用に期待

実用化に向けた課題• QCLの製品化に向けた、結晶成長とデバイスプロセ
スの再現性や信頼性の確保、歩留まりの向上が今後必要。
• ドライエッチングによる垂直共振器の低ダメージ形成で1年以内に室温（300K）動作を達成見込み。
• GaN系QCLの実現は、基板材料にSiC（シリコンカーバイド）を用いる事で、未開拓周波数QCLの実現が可能と考えられる。
• QCLの高性能化の為に、超格子構造の膜厚誤差を0.2％程度まで下げる必要があるが、近年の製造技術の向上により実現のめどが経っている。
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企業への期待• THz-QCL、赤外QCLの開発に関して、結晶成長、素子化プロセス、測定・評価を含めた総合的な開発で共同研究を行ってくれる企業を希望しております。
• また、THz-QCLを用いたイメージングや計測への応用に置いて共同研究を行ってくれる企業を探しております。
• 将来的に本技術をコア技術としたスタートアップの立ち上げも検討中であり、チームメンバーや投資家を探しております。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：量子カスケードレーザー素子• 出願番号 ：特許第7157995号（JP）
特許第10666018号（US）
特許第3534469号（EP）
出願人：理研• 代表発明者 ：平山秀樹
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お問い合わせ先
株式会社理研鼎業（りけんていぎょう）

新技術説明会事務局
E-mail:senryaku@innovation-riken.jp

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