研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

InAs量子カスケードレーザの研究― マテリアルデザインとバンドストラクチャーエンジニアリングによる長波長光源の実現 ―大谷 啓太
東北大学 電気通信研究所 助手

量子カスケードレーザは活性領域のバンド構造を制御したレーザで、構造の設計次第で中赤外からテラヘルツ帯までの広い波長範囲の光を出すことが可能である。本研究では構造設計だけでなく材料設計の観点からも検討を進め、狭ギャップ半導体InAsを用いれば低消費電力化などの高性能化が可能であることを理論的に示した。また1000層以上の超格子構造における界面ボンドの組み合わせを制御することによって世界に先駆けてInAs量子カスケードレーザを実現した。

１．
研究の背景・目的

く、又高温動作に耐えうる良質な結晶を作

2．
研究の成果製することが難しいために室温・高出力動
中赤外からテラヘルツ帯にわたる長波長作が困難である。1994年にアメリカのベル

量子カスケードレーザでは量子閉じ込め領域は、近年ガスセンサなどの環境モニタリ研究所から発表された量子カスケードレー効果により形成されるサブバンドと呼ばれるングや生体医療イメージング、又は麻薬、爆ザは、サブバンド間光学遷移を用いることに電子準位間の光学遷移を用いているため、発物などといった薬物検出などへの応用展

よって従来から長波長半導体レーザで問題発振波長、再結合時間、キャリア輸送過程開が期待されている。この波長領域におけとなっていた温度特性を改善し、カスケードなどを構造設計により最適化することが可

る光源は、ガスレーザやフェムト秒レーザなど構造と呼ばれる特殊な構造を用いてフォト能であるが、極限の値は構成材料自身によを用いた大規模な装置が多く、実用性、簡ンエネルギの小さな長波長領域においてもって決まる。本研究ではこの事実にいち早便性に欠けるために一般レベルでのニーズ高出力を可能とした半導体レーザである。
しく注目し、閾値電流密度を決める利得係数を満たしているとは言い難いのが現状であかしながらこのレーザにおいても用いた材は有効質量が小さいほど大きくなることを見る。この波長領域における電流注入形の料の性能のために非放射再結合時間が出して、従来の量子カスケードレーザの材半導体レーザとして3-5族あるいは4-6短く、閾値電流密度が高いという問題点が料よりも有効質量の軽いInAsを用いた量族半導体を用いたレーザが存在するが、オある。

子カスケードレーザについて研究を進めてきージェ非放射再結合により温度特性が悪た。以下にこれまでに得られた主な成果を示す。
● InAs量子カスケードレーザの閾値電流密度の理論的解析
InAsをベースとした量子カスケードレーザの性能を明らかにするために理論的検討を行い、InAsの軽い有効質量によりサブバンド間光学遷移における双極子モーメントが大きく、又縦光学フォノン散乱による非放射再結合時間が長いという優れた特徴を

図1（a）InAs/GaSb量子カスケード構造のバンドダイヤグラム： 量子カスケード構造は発光層と発光層の橋渡しの役目をする注入層から構成され、それらを複数（10-50周期）含む構造からなる。このカスケード構造に電圧を印加すると、電子の通り道に階段状のポテンシャルを作り出すことが可能となり、電子はその階段状のポテンシャルを駆け下りるたびに光を放出することができる。図では発光層がInAs量子井戸構造から構成されているが、デザインによりさまざまな構造で構成することが可能である。
（b）InAs井戸の厚さを変えて作製したInAs/GaSb量子カスケード構造発光ダイオードの発光スペクトル。括弧内の数字は設計値。

示すために閾値電流密度が従来の素子と比較して、1/6程度になることを明らかにした。

● InAs量子カスケード構造
発光ダイオードの作製● InAs量子カスケードレーザの低閾値電流密度化

量子カスケードレーザの活性領域である

大きな 利 得 係 数を 持 つカスケード構造をデザインするために、バン

InAs/AlGaSb超格子活性構造

ド非放物線性及び空間電荷を考慮に入れを活性層に用いることで、低閾値たInAs量子カスケード構造設計プログラム

電流密度化を実現した。観測さを開発した。このプログラムを用いてInAs

れた最も低い閾値電流密度は動量子カスケード構造のデザインを行い、世作波長10μm、カスケード構造の界ではじめてInAs/GaSb及びInAs/AlSb

周期数が50周期（総層数1200

量子カスケード構造発光ダイオードを実現層）のもので0.42kA/cm 2であっした。

た。この電流密度はこれまで報● InAs量子カスケードレーザの実現
分子線エピタキシによる結晶成長時に

図3 低閾値密度InAs/AlGaSb超格子量子カスケードレーザのバンドダイヤグラムと発振スペクトル。発振波長は10μmで設計値とほぼ一致している。

告されている量子カスケードレーザの閾値構造でも独自性を発揮して、室温・低消費電流密度の最も低いものの一つである。ま電力で動作する量子カスケードレーザの実たInAs/AlGaSb超格子構造を用いて波長現を目指したい。このレーザの主な応用分14μmまで長波長化することに成功した。

野として近年の大気汚染などの危惧から関心が高まっている環境計測分野と生体・医形成される界面ボンドを正確にコントロールして、井 戸 層のI n A sと障 壁 層のA l S b、3．
今後の展開

療分野がある。環境計測分野ではダイオキシンなどの有毒物質の吸収帯が量子カスAlGaSbとの間の歪みを界面ボンドの歪みにより補償する技術を開発し、良質なInAs現在までに発振に成功しているInAs量ケードレーザの動作波長域にあるため有毒量子カスケード構造を成長することに成功

子カスケードレーザは20-50周期の量子カ物質ハンディセンサへの応用が考えられる。

した。この技術を用い、活性領域の総層数スケード構造からなり、観測された閾値電流

また医療分野ではこの波長領域の光が皮が1000層を超えるInAs/AlSb量子カスケー密度は最も低いもので0.42kA/cm 2、最高

膚がんなどの癌細胞の診断に応用できるこ

ドレーザを作製し、世界に先駆けて発振に動作温度は270K、発振波長は4-14μmのとが近年示されており、高齢化社会に向け成功した。活性領域ではツェナートンネル領域である。閾値電流密度に関してはこれて新しい診断法の確立に役立つと考えて効果及び電子衝突電離を抑制するためにまで報告されている最低閾値電流密度にいる。以上に述べた分野にとどまらず、安価従来の素子と比較して動作電界を小さくす近い値で動作することがわかり、InAsの高で小型・高性能量子カスケードレーザがさまるなどの工夫を行なった。

いポテンシャルを示す段階に至っている。

ざまな新しい応用分野を切り開き活躍する今後材料の性能をさらに引き出すとともにことを期待している。

補足説明※1 サブバンド量子構造のサイズを小さくして電子を平均自由行程以下に閉じ込めると自由反射運動が起こり、電子のエネルギは離散的な値をとる。この離散的なエネルギ準位のことをサブバンドと呼ぶ。

R e f e r e n c e s（ 参 考 文 献 ）図2 作製したInAs/AlSb量子カスケードレーザの活性領域における断面透過型電子顕微鏡像。活性領域は50周期（総層数は1200層）の注入層及び発光層からなり、これらの層を構成するInAs井戸の厚さは数nm程度、AlSb障壁の厚さは1nm以下となっている。

【1】大谷啓太、大野英男、 タイプ2InAs/GaSb/AlSb
ヘテロ構造量子井戸サブバンド間の電流注入発光 、固体物理、Vol. 34、699（1999）.
【2】K. Ohtani and H. Ohno, "Intersubband
electroluminescence in InAs/GaSb/AlSb type-2
cascade structures", Appl. Phys. Lett. 74, 1409
（1999）.
【3】 K. Ohtani and H. Ohno, "An InAs-based
intersubband quantum cascade laser", Jpn. J.
Appl. Phys. 41, L1279（Express Letters）（2002）.
【4】K. Ohtani and H. Ohno, "InAs/AlSb quantum
cascade lasers operating at 10mm", Appl. Phys.
Lett. 82, 1003（2003）.
【5】 K. Ohtani, K. Fujita and H. Ohno, "A low
threshold current density InAs/AlGaSb superlatticequantum cascade laser operating at 14μm", Jpn.
J. Appl. Phys. 43, L879（Express Letters）（2004）.