特集

テラヘルツ技術特集

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特集

GaSb 系量子カスケードレーザ

3-1-2 GaSb Quantum Cascade Laser
安田浩朗
YASUDA Hiroaki
要旨GaSb/AlSb 系化合物半導体を用いて縦光学フォノン共鳴法により反転分布を形成する型のテラヘルツ帯量子カスケードレーザを作成した。GaSb の縦光学フォノンエネルギーや電子の有効質量が GaAsよりも小さいため、GaSb/AlSb 系テラヘルツ帯量子カスケードレーザの発振開始電界を GaAs/AlGaAs 系
量子カスケードレーザの場合よりも小さくすることができ、低パワー動作が可能になることが示された。さらに、シングルプラズモン導波路型の GaSb/AlSb 系テラヘルツ帯量子カスケードレーザを
GaAs 基板上に作成することで、レーザ活性層への高いテラヘルツ波閉じ込めを簡単な作成プロセスで実現できることを明らかにした。

A GaSb/AlSb terahertz quantum cascade laser (THz - QCL) using a resonant longitudinal
optical (LO) phonon depopulation scheme was successfully demonstrated. A smaller thresholdelectric field was expected for the GaSb/AlSb QCL because GaSb has a lower LO phonon
energy and smaller electron effective mass than GaAs. Experimental results indicated that thethreshold electric field of the GaSb/AlSb QCL was 3 . 2 kV/cm. These results mean that theGaSb/AlSb QCL is suitable for low input power operation. Furthermore, the GaSb/AlSb QCL ona GaAs substrate using single surface plasmon waveguide provides high confinement ofterahertz waves in the QCL active region without a complicated fabrication process.
［キーワード］テラヘルツ波信号源，量子カスケードレーザ，プラズモン導波路，ガリウムアンチモン
Terahertz wave generation, Quantum cascade laser, Plasmon waveguide, Gallium Antimonide

1 まえがきられる。今回、GaSb/AlSb 系のテラヘルツ帯量子カスケードレーザを作成したので、その概要を紹

テラヘルツ帯量子カスケードレーザは、半導体介する［2］。

多重量子井戸構造中のサブバンド間の電子の遷移を利用してレーザ発振を実現するものであり、小型・高出力のテラヘルツ帯の信号源として期待を2 GaSb 系量子カスケードレーザ集めている。4.4 THz における 2002 年の初発振報告［1］以来、連続波での発振、レーザ出力の向2.1

レーザ活性層上、動作温度の向上、低周波数における発振などレーザが発振するにはレーザ活性層において反を目指して活発に研究がなされている。材料系に転分布が形成されていることが必要である。テラ

関しては、これまで発表されたテラヘルツ帯量子ヘルツ帯量子カスケードレーザでの反転分布形成

カスケードレーザはいずれも GaAs/AlGaAs 系で方法として、チャープ超格子法、バウンド・あり、それ以外の材料系の報告はない。材料系をトゥ・コンティニュアム法など提案されている。

代えることにより、量子カスケードレーザの設計その一つに、縦光学（LO）フォノン共鳴法がある［3］。

可能範囲を広げることが可能となり、あるいは動これは所望のテラヘルツ波に相当するエネルギー作原理について新たな知見を得られることも考え差がある二つのサブバンド準位のうち、下の準位

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デバ
イス
／
発振器
／GaSb系
量子カス
ケードレー
ザ特集

テラヘルツ技術特集に存在する電子を縦光学（LO）フォノンが高速にザ活性層の状態、すなわちサブバンド準位におけ散乱するよう多重量子井戸構造を設計して、反転る電子の分布、電流・電圧特性、レーザ利得等を分布を形成するものである。この方法は、各種のシミュレートするには、フォノン散乱、電子間散反転分布形成方法の中で最も高い温度での動作を乱など多体効果を考慮しなければならない。その可能にすると考えられている。しかし、発振開始ため、非平衡グリーン関数法［4］を用いたプログラに必要な電界が高いという問題がある。

ムを開発した。

図 1 に GaAs と GaSb の各種の物性値を示す。
GaAs と比べると、GaSb の電子の有効質量は小さ2.2

導波路く、縦光学フォノンエネルギーも小さい。GaSb

テラヘルツ帯量子カスケードレーザではレーザ系量子カスケードレーザでは、電子の有効質量が活性層を含む導波路の構造に関して特有の問題が小さいので量子井戸の幅を広くすることができ存在する。レーザ活性層を波長程度の厚さにするる。その結果、分子線エピタキシー（MBE）法等には、周波数が 3 THz、半導体の屈折率が 4 の場を用いた結晶成長の際、膜厚の制御を比較的緩や合、25μm もの厚さの化合物半導体層を成長させかにすることができる。さらに、縦光学フォノンなければならない。しかし、この厚さの半導体層共鳴法を採用すると GaSb の縦光学フォノンエネを MBE 法などの一般に用いられる成長方法で高ルギーが小さいので、発振電界を下げることが可品質に作成することは困難である。そのためレー能となる。

ザ活性層の厚さを波長以下にしなければならな

我々は、シュレディンガー方程式とポアッソンい。その場合、レーザの電磁界モードと不純物方程式を自己無撞着に解いて、図 2 に示すようにドープ層とが空間的に重なることになる。テラヘ

1 ユニットが GaSb からなる 4 個の井戸と AlSbルツ帯では自由電子による吸収が強いため、このからなる 4 個の障壁からなるレーザ活性層構造を空間的な重なりを極力減らす必要がある。その対設計した。Te は n 型のドーパントである。発振策として、例えば金属と誘電体といった誘電率の周波数の設計値は 2.6 THz である。また発振開始

符号が異なる二つの物質の界面に生じる表面プラ電界は設計値で 5.4 kV/cm であり、同様の構造ズモンを用いて界面付近にモードを引き寄せる方の GaAs/AlGaAs 系量子カスケードレーザでの法が用いられている。現在、テラヘルツ帯量子カ［3］よりも低下し12 kV/cm（発振周波数 3.4 THz）スケードレーザに用いられている導波路にダブルている。

メタル型導波路とシングルプラズモン型導波路がなお、上述の自己無撞着計算ではサブバンド準位のエネルギーのみ求められる。より詳細なレーある。
ダブルメタル型導波路は、レーザ活性層の上下

図2
図120

GaAs と GaSb の物性値

情報通信研究機構季報Vol.54 No.1 2008

GaSb/AlSb 量子カスケードレーザ
活性層構造

に金属層を設けたもので、レーザ活性層の両側にグルプラズモン型導波路でもより高い閉じ込めを表面プラズモンモードが存在する。モードとレー実現することができる。図 4 はシングルプラズモ

ザ活性層との重なり合いの程度を閉じ込め係数でン型導波路を用いた GaAs 基板上の GaSb 系量子表すと、ダブルメタル型導波路の閉じ込め係数はカスケードレーザにおける電界分布を示す。GaSb

ほぼ 1 となり、完全な閉じ込めを実現できる。ま

基板を GaAs 基板とバッファ層に代えた以外はた、不純物がドープされたコンタクト層を薄くで

図 3 の構造と同一である。閉じ込め係数は 0.9 以きるので、導波路の損失のほとんどは金属層で生上となった。

じることになる。一方、ダブルメタル型導波路のこのように GaAs 基板上のシングルプラズモン作成には、ウェハ貼り付けや基板の選択的エッチ型 GaSb 系量子カスケードレーザでは、ダブルメングなど技量を要する複雑なプロセス工程が必要タル型導波路並の閉じ込め係数を簡単な作成プロとなる。

セスで実現できる。また、図 1 に示すようにシングルプラズモン型導波路は、レーザ活性層GaAs の熱伝導率が大きいため、量子カスケードの上に金属層を設け、レーザ活性層の下に高濃度レーザの放熱性を高めることができる。さらに、に不純物をドープした半導体層（厚さ 0 . 5 〜

アンチモンがレアメタルであるため、GaSb/AlSb1.0μm）を介して半絶縁性半導体基板を設けたもの分子線エピタキシャル成長自体に費用がかかるのである。不純物を高濃度にドープした半導体層

ものの、基板を安価な GaAs とすることでコストの誘電率はドルーデの式に従い、テラヘルツ帯での増加を抑えられる。ただ、バッファ層を導入しは負になるので、上部の金属・半導体界面とともても GaAs と GaSb の格子定数が異なるためにドープ半導体層の上下にも表面プラズモンモーGaSb 層に転位が生じることを避けられない。しドが生じる。そのため、半導体基板にもモードがかし、量子カスケードレーザでは電子のみで発振しみ出すことになり、閉じ込め係数は 0.1 〜 0.5し、ホールはほとんど存在しないので、転位が電程度と低くなる。一方、ダブルメタル型導波路よ子・ホールの再結合中心としてレーザ動作へ悪影り作成が簡単という利点がある。

響を及ぼすことは少ないものと思われる。

図 3 にシングルプラズモン型導波路を用いた
GaSb 基板上の GaSb 系量子カスケードレーザにおける電界分布を示す。有限要素法を用いて固有モード計算を行った［5］。半導体 GaSb/AlSb レー
ザ活性層の厚さは 15μm、レーザリッジ構造の幅は 150μm、レーザ活性層の下の不純物ドープ半導体層の厚さは 1.0μm、ドープ層における電子濃度は 4 × 10 18 cm −3 である。閉じ込め係数は0.5 となった。なお、計算には化合物半導体や金属のテラヘルツ帯での複素屈折率の値が必要であるが、複素屈折率が報告されていない物質も少なくない。我々は、テラヘルツ時間領域分光法

図3GaSb 基板上シングルプラズモン型
導波路における電界分布

図4GaAs 基板上シングルプラズモン型導波路における電界分布（THz-TDS）を用いて金属のテラヘルツ帯の複素屈折率を測定した［6］。
ところで、GaSb 系量子カスケードレーザはGaSb 基板上に成長させるだけでなく、GaAs 基板上にバッファ層を介して成長させることも可能である。図 1 に示すように GaSb の屈折率は GaAsの屈折率より高い。電磁波は屈折率の高い部分に集まりやすいことから、GaSb 系量子カスケードレーザの場合、基板を GaAs に代えることでシン

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2.3

テラヘルツ技術特集

プロセス

GaAs 系化合物半導体のプロセス技術に比べ、GaSb 系化合物半導体のプロセス技術は成熟しておらず、改良の必要があることが多い。
n 型にドープした化合物半導体層へのコンタクト電極として、GaAs 層に対しては一般にAuGe/Ni/Au 等を用いる。GaSb 層に対しAuGe/Ni/Au 電極を作成したところワイヤボンディングの際などにはがれやすく、コンタクト抵抗も高いという問題が生じた。そこで、GaSb 層表面を硫化アンモニウムで処理し、パラジウムを蒸着した後に、AuGe/Ni/Au 電極を作成することで、付着力の増強とコンタクト抵抗の低減を実現した。

図5

また、GaAs 基板上の GaSb 系量子カスケードレーザの場合、上述のように転位が存在する。酒GaSb/AlSb 系量子カスケードレーザの電界・電流密度特性及び、テラヘルツ波出力・電流密度特性

石酸等の溶液を用いてレーザ活性層をウェットエッチングすると、転位の近傍が急速にエッチン

ドープ Ge 検出器を液体ヘリウム温度に冷却してグされ、不均一なエッチングとなった。そこで、測定した。パルスモード（入力電圧パルス幅 1μs）

反応性イオンエッチング（RIE）等のプラズマ気体で発振させた。1.8 kA/cm 2 の電流密度近辺からを用いたエッチング法を用いることにした。ただ、急激なテラヘルツ波出力の増加が見られた。その10 数μm の深さに達するエッチングを行わなけ立ち上がりに対応する電界は 3.2 kV/cm であり、ればならず、RIE 法では 10 ％程度のエッチング

予想したように GaAs 系 QCL に比べてかなり減量の面内分布が生じるため、エッチングストップ少している。

層となるコンタクト層を厚くする等の対策が必要である。
2.4

実験結果

3 むすび
GaSb 系半導体材料を用いてテラヘルツ帯量子今回、GaAs 基板上にシングルプラズモン型カスケードレーザを作成した。レーザ活性層につGaSb/AlSb 系量子カスケードレーザを作成した。

いては、より高い温度で発振させるため縦光学

まず、MBE 法を用いて半絶縁性 GaAs 基板上にフォノン共鳴法を用い、GaSb/AlSb 系の多重量子GaSbと AlSb からなる厚さ 1.3μm のバッファ層井戸構造を設計した。GaSb の縦光学フォノンエを成長し、続いて、4 × 10 18 cm−3 の濃度で n 型ネルギーや電子の有効質量が GaAs よりも小さいにドープされた厚さ 0.8μmの GaSb 下部コンタ

ため、GaSb/AlSb 系テラヘルツ帯量子カスケードクト層、図 2 に示した構造を 230 回繰り返した厚レーザの発振開始電界を GaAs/AlGaAs 系量子カ

さ 18.4μm のレーザ活性層、最後に n 型 GaSb 上スケードレーザよりも小さくすることができた。

部コンタクト層を成長した。RIE により幅 150μm

さらに、導波路については、作成プロセスが簡単のレーザリッジ構造を作成し、下部コンタクト層であるシングルプラズモン導波路を採用した。

を露出させた。上部コンタクト層及び下部コンタ

GaAs 基板上に GaSb 系量子カスケードレーザをクト層に Pd/AuGe/Ni/Au 電極を形成し、劈開に作成することで、ダブルメタル型導波路と同程度より長さ 2 mm の共振器構造を作成した。の高いレベルで、レーザ活性層へのテラヘルツ波

図 5 に、この量子カスケードレーザにおける電閉じ込めを実現した。テラヘルツ帯量子カスケー界と電流密度の関係、テラヘルツ波出力と電流密ドレーザの実用化にあたっては、室温動作の困難度の関係を示す。量子カスケードレーザと Ga等様々な課題を解決しなければならない。GaAs22

情報通信研究機構季報Vol.54 No.1 2008

系以外の材料系による量子カスケードレーザは、くとも解決のための手がかりをもたらすものと考これらの課題の解決策の一つとなり得るか、少なえる。

特集

参考文献
1 R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie,

R. C. Iotti, and F. Rossi, "Terahertz semiconductor- heterostructure laser", Nature, Vol.417,
pp.156 -159, 2002.
2 H. Yasuda, I. Hosako, S. Miyashita, and M. Patrashin, "Terahertz electroluminescence from

GaSb/AlSb quantum cascade laser", Electron. Lett., Vol.41, pp.1062 -1063, 2005.
3 B. S. Williams, H. Callebaut, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, "3.4-THz quantum cascade laser

on longitudinal-optical-phonon scattering for depopulation", Appl. Phys. Lett., Vol.82, pp.10151017, 2003.
4 S.-C. Lee and A. Wacker, "Nonequilibrium Green's function theory for transport and gainproperties", Phys. Rev. B, Vol.66, 245314, 2002.
5 S. Kohen, B. S. Williams, and Q. Hu, "Electromagnetic modelling of terahertz quantum cascadelaser waveguide and resonators", J. Appl. Phys., Vol.97, 053106, 2005.
6 H. Yasuda and I. Hosako, "Measurement of terahertz refractive index for plasmon waveguides",2007 IEEE MTT- S Int. Microwave Symp. Dig., pp.1125 -1128, Jun. 2007.

やす だ ひろ あき

安田浩朗
新世代ネットワーク研究センター光波量子・ミリ波ICTグループ主任研究員
半導体デバイス23デバイス／
発振器／GaSb系
量子カスケードレーザ