本發(fā)明的實施方式涉及量子級聯(lián)激光器。

背景技術(shù)：

在環(huán)境測量等廣泛領(lǐng)域中應(yīng)用了發(fā)出紅外光的激光裝置。其中，由半導(dǎo)體構(gòu)成的量子級聯(lián)激光器(QCL：Quantum Cascade Laser)小型且便利性較高，能夠進(jìn)行高精度的測量。

量子級聯(lián)激光器例如交替層疊有GaInAs與AlInAs，具有包含量子阱層的活性層。而且，具有活性層的兩側(cè)面由例如InP包層夾住的構(gòu)造。在該情況下，級聯(lián)連接的量子阱層能夠通過載流子的子帶間躍遷而發(fā)出波長為3～20μm的紅外線激光。

例如，呼氣中所包含的CO₂氣體通過紅外線照射而具有固有的吸收光譜。因此，通過測量紅外線吸收量，能夠知曉氣體的濃度。

另外，若測量¹³CO₂與¹²CO₂的同位素比，則能夠診斷人類的身體有無異常。在該情況下，要求將從量子級聯(lián)激光器發(fā)出的激光的波長范圍控制為3.5～4.5μm的范圍等。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2010－278326號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

提供一種能夠以4.5μm以下的波長頻帶實現(xiàn)高輸出化的量子級聯(lián)激光器。

用于解決課題的手段

實施方式的量子級聯(lián)激光器的活性層具有多個發(fā)光區(qū)域和多個注入?yún)^(qū)域。各個發(fā)光區(qū)域具有注入勢壘層、以及至少含有兩個阱層并通過子帶間躍遷發(fā)出紅外光的發(fā)光量子阱層。各個注入?yún)^(qū)域具有抽出勢壘層以及弛豫量子阱層，該弛豫量子阱層形成使來自上述發(fā)光區(qū)域的載流子的能量弛豫的能級。各個發(fā)光量子阱層內(nèi)鄰接的兩個阱層中，上述抽出勢壘層側(cè)的阱層比上述注入勢壘層側(cè)的第2阱層深。各個發(fā)光區(qū)域與各個注入?yún)^(qū)域交替層疊。

附圖說明

圖1(a)是局部剖切本發(fā)明的第1實施方式的半導(dǎo)體激光裝置的示意立體圖，圖1(b)是沿著A－A線的示意剖視圖。

圖2(a)是具有晶格匹配的發(fā)光量子阱層的QCL的量子阱構(gòu)造的導(dǎo)帶的能帶圖，圖2(b)是具有晶格未被匹配的發(fā)光量子阱層的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖。

圖3是第1實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(電場為零)。

圖4(a)是第2實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖4(b)是增益光譜的曲線圖。

圖5(a)是比較例的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖5(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

圖6(a)是第3實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖6(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

圖7(a)是第4實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖7(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

圖8(a)是第5實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖8(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

圖9(a)是第6的實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖9(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

圖10(a)是第7的實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖10(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

圖11(a)是表示波數(shù)2275～2325cm^－1的¹³CO₂以及¹²CO₂的吸收系數(shù)的曲線圖，圖11(b)是表示波數(shù)2295.7～2296.3cm^－1的吸收系數(shù)的曲線圖。

具體實施方式

以下，一邊參照附圖一邊說明本發(fā)明的實施方式。

圖1(a)是局部剖切本發(fā)明的第1實施方式的量子級聯(lián)激光器的示意立體圖，圖1(b)是沿著A－A線的示意剖視圖。

量子級聯(lián)激光器(QCL：Quantum Cascade Laser)至少具有基板10、設(shè)于基板10上的層疊體20、以及電介質(zhì)層40。另外，QCL還可以具有第1電極50、第2電極52、以及絕緣膜42。

層疊體20具有第1包層22、第1引導(dǎo)層23、活性層24、第2引導(dǎo)層25、以及第2包層28。第1包層22的折射率和第2包層28的折射率分別比第1引導(dǎo)層23、活性層24、以及第2引導(dǎo)層25的任意一方的折射率都低，在活性層24的層疊方向上將紅外線激光60適當(dāng)?shù)叵拗啤?/p>

另外，層疊體20具有條紋的形狀，能夠被稱作脊波導(dǎo)路RG。若使脊波導(dǎo)路RG的兩個端面為鏡面，則被引導(dǎo)發(fā)出的光作為紅外線激光62而從光出射面發(fā)出。在該情況下，光軸62定義為將以鏡面作為共振面的光共振器的剖面的中心連結(jié)的線。即，光軸62與脊波導(dǎo)路RG的延伸方向一致。

在與光軸62垂直的剖面上，若與活性層24的第1面24a、第2面24b平行的方向上的寬度WA過寬，則在水平橫方向上產(chǎn)生高次模式，難以進(jìn)行高輸出。若活性層24的寬度WA設(shè)為例如5～20μm等，則水平橫方向模式的控制變得容易。若電介質(zhì)層40的折射率比構(gòu)成活性層24的任意一層的折射率低，則能夠利用夾住層疊體20的側(cè)面20a、20b而設(shè)置的電介質(zhì)層40，沿光軸62構(gòu)成脊波導(dǎo)路RG。

圖2(a)是具有晶格匹配的發(fā)光量子阱層的QCL的量子阱構(gòu)造的能帶圖，圖2(b)是具有晶格未被匹配的發(fā)光量子阱層的QCL的能帶圖。

具有圖2(a)所示的發(fā)光量子阱層的QCL有著三個阱層的MQW(Multi-Quatum Well，多量子阱)構(gòu)造，阱層的電勢(能量)的深度D_C設(shè)為相同。構(gòu)成發(fā)光量子阱層的阱層以及勢壘層都被晶格匹配于作為基板的InP(晶格常數(shù)a0：約5.8687埃)。例如，使阱層由In_0.53Ga_0.47As構(gòu)成，使勢壘層由In_0.52Al_0.48As構(gòu)成即可。

另外，在具有圖2(b)所示的發(fā)光量子阱層的QCL中，有著比圖2(a)所示的阱層的深度D_C深的阱層深度D_D。例如，若使阱層由In_0.669Ga_0.331As構(gòu)成，則晶格常數(shù)a1約為5.9242埃。另外，若使勢壘層由In_0.362Al_0.638As構(gòu)成，則晶格常數(shù)a2約為5.8049埃。其結(jié)果，對于作為基板10的InP，向阱層施加壓縮應(yīng)力，向勢壘層施加拉伸應(yīng)力。此外，阱層的深度與導(dǎo)帶E_C的能量不連續(xù)ΔE_C相等。

在圖2(b)所示的應(yīng)變補(bǔ)償MQW中，能夠使阱層的深度D_D比圖2(a)所示的阱層的深度D_C大。因此，擴(kuò)寬阱層的子帶能級的間隔，能夠使子帶間躍遷ST作用下的紅外光的波長λ1比圖2(a)所示的子帶躍遷的波長λ2短。

圖3是第1實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(電場為零)。

此外，第1實施方式是使電子為載流子的QCL。

發(fā)光量子阱層86具有多個阱層。例如，從注入勢壘層B1側(cè)起將阱層的深度用D1、D2、D3表示。在三個阱層中的鄰接的兩個阱層中，抽出勢壘層BE側(cè)的阱層的深度比注入勢壘層BI側(cè)的阱層深。即，D1＜D2，或者D2＜D3。另外，也可以如本圖那樣，設(shè)為D1＜D2＜D3。在第1實施方式中，由于加深阱層，能夠縮短紅外光的波長。

另外，能夠高效地將載流子限制在較深的阱層內(nèi)，并促進(jìn)子帶間躍遷ST。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高輸出化。此外，子帶能級因阱層的厚度、勢壘層的厚度等而變化。因此，發(fā)光波長因阱層的厚度、勢壘層的厚度等而變化。弛豫量子阱層88也可以相對于基板10晶格匹配。

圖4(a)是第2實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖4(b)是增益光譜的曲線圖。

活性層24具有交替層疊有發(fā)光區(qū)域和注入?yún)^(qū)域的級聯(lián)構(gòu)造。此外，電子的波動函數(shù)能夠通過模擬而求出。

發(fā)光區(qū)域82、92具有注入勢壘層BI、以及至少有著兩個阱層并通過子帶間躍遷發(fā)出紅外光的發(fā)光量子阱層86、96。注入?yún)^(qū)域84、94具有抽出勢壘層BE和弛豫量子阱層88、98，該弛豫量子阱層88、98使來自發(fā)光區(qū)域82、92的載流子的能量弛豫，并形成向接下來的發(fā)光區(qū)域注入載流子的能級(微帶能級Lm1、Lm2等)。在各個發(fā)光量子阱層86、96中，鄰接的至少兩個阱層中的抽出勢壘層BE側(cè)的阱層比注入勢壘層BI側(cè)的阱層深。在本圖中，阱層的深度設(shè)為D3＜D1＜D2。其中，阱層的深度也可以逐漸變深(D1＜D2＜D3)。

若減小構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的阱層的厚度，則能級離散，產(chǎn)生子帶(高能級Lu、低能級Ll)等。從注入勢壘層BI注入的載流子被有效地限制于阱層，載流子從高能級Lu向低能級Ll躍遷，發(fā)出對應(yīng)于(Lu－Ll)的光(hν)。此外，注入到注入?yún)^(qū)域的載流子的能量Ll1、Ll2通過弛豫量子阱層88、98，并且被弛豫到微帶能級Lm2。

(表1)表示第3實施方式的QCL的單位層疊體的構(gòu)成。最后的列的數(shù)字表示各個層的厚度(埃)。

【表1】

厚度(A)

構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的阱層全部由In_0.53Ga_0.47As構(gòu)成，并晶格匹配于基板10的InP(晶格常數(shù)：a0)。另一方面，在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的勢壘層中，分別由In_0.5Al_0.5As和In_0.48Al_0.52As構(gòu)成并鄰接的兩個層的晶格常數(shù)a2比基板10的InP的晶格常數(shù)a0小。因此，如能帶圖的虛線區(qū)域RB1所示，構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的勢壘層的導(dǎo)帶端上升，勢壘層提高(即，阱層變深)。其結(jié)果，載流子能夠有效地被限制于發(fā)光區(qū)域82、92內(nèi)的阱層，并提高光輸出。

注入勢壘層BI、抽出勢壘層BE、以及弛豫量子阱層88、98能夠晶格匹配于基板10的InP。這樣，整體上良好地保持了結(jié)晶性。此外，施加電場時的能帶圖的導(dǎo)帶E_C傾斜。通過使發(fā)光量子阱層86、96的兩個勢壘層的組成比變化，并設(shè)為晶格不匹配，能夠使傾斜的能帶圖中的虛線區(qū)域RB1的勢壘層的導(dǎo)帶端的能量E_C局部成為大致相同的高度。

此外，在本圖中，子帶間躍遷主要在發(fā)光量子阱層86、96的第二個阱層(深度D1)中產(chǎn)生。

在圖4(b)中，縱軸表示相對凈模式增益(日文：ネットモード利得)，橫軸表示波長(μm)。將凈模式增益設(shè)為G，光限制系數(shù)設(shè)為Γ，媒質(zhì)增益設(shè)為g，內(nèi)部損失設(shè)為α?xí)r，凈模式增益G由下式表示。

G＝?！羐－α

凈模式增益成為極大的波長為3.7μm以及4.3μm的附近。因此，能夠進(jìn)行¹³CO₂、¹²CO₂的分光測量。

圖5(a)是比較例的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖5(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

在比較例中，如(表2)所示，發(fā)光區(qū)域182、192以及注入?yún)^(qū)域184、194的全部的量子阱晶格匹配于基板10的InP。因此，如虛線區(qū)域RBC所示，勢壘層的高度恒定，超過發(fā)光量子阱層186、196的勢壘層而向抽出勢壘層BE漏出的載流子增加。因此，光限制效果降低，難以提高子帶間躍遷。其結(jié)果，光輸出較低。

【表2】

厚度(A)

如圖5(b)所示，發(fā)光量子阱層186、196晶格匹配于基板10的InP，因此增益成為極大的波長為4.4μm以上，難以成為比其短的波長。

圖6(a)是第3實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖6(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

另外，(表3)表示第3實施方式的QCL的單位層疊體的構(gòu)成。

【表3】

厚度(A)

構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的阱層全部由In_0.53Ga_0.47As構(gòu)成，并晶格匹配于基板10的InP。另一方面，在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的勢壘層中，分別由In_0.48Al_0.52As和In_0.46Al_0.54As構(gòu)成且鄰接的兩個層的晶格常數(shù)a2比基板10的InP的晶格常數(shù)a0小。因此，如虛線區(qū)域RB2所示，發(fā)光量子阱層86、96的導(dǎo)帶端相比于第2實施方式進(jìn)一步上升，勢壘層進(jìn)一步提高(即，阱層變深)。其結(jié)果，載流子能夠更有效地被限制于發(fā)光區(qū)域82、92的阱層內(nèi)，并提高光輸出。注入勢壘層BI、抽出勢壘層BE以及弛豫量子阱層88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整體上抑制了結(jié)晶性的降低。

如圖6(b)所示，增益成為極大的波長為3.7μm的附近。因此，能夠進(jìn)行¹³CO₂、¹²CO₂的分光測量。

圖7(a)是第4實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖7(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

另外，(表4)表示第4實施方式的QCL的單位層疊體的構(gòu)成。

【表4】

厚度(A)

構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的阱層中的具有In_0.55Ga_0.45As和In_0.57Ga_0.43As的兩個層的晶格常數(shù)a1比基板10的InP的晶格常數(shù)a0大。因此，如虛線區(qū)域RW1所示，發(fā)光量子阱層86、96的阱層的導(dǎo)帶端下降，阱層變深。

另一方面，在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的勢壘層中，分別由In_0.50Al_0.50As和In_0.48Al_0.52As構(gòu)成的兩個層的晶格常數(shù)a2比基板10的InP的晶格常數(shù)a0小。因此，如虛線區(qū)域RB2所示，發(fā)光量子阱層86、96的導(dǎo)帶端相比于第2實施方式上升，勢壘層進(jìn)一步提高(即，阱層變深)。其結(jié)果，載流子能夠有效地被限制于發(fā)光區(qū)域82、92的阱層內(nèi)，并提高光輸出。注入勢壘層BI、抽出勢壘層BE、以及弛豫量子阱層88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整體上抑制了結(jié)晶性的降低。

如圖7(b)所示，增益成為極大的波長為3.6μm附近。因此，能夠進(jìn)行¹³CO₂、¹²CO₂的分光測量。

圖8(a)是第5實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(施加電場時)，圖8(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

另外，(表5)表示第5實施方式的QCL的單位層疊體的構(gòu)成。

【表5】

厚度(A)

在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的阱層中，具有In_0.57Ga_0.43As和In_0.59Ga_0.41As的兩個層的晶格常數(shù)a1比基板10的InP的晶格常數(shù)a0大。因此，如虛線區(qū)域RW2所示，發(fā)光量子阱層86、96的阱層的導(dǎo)帶端下降，阱層變深。

另一方面，在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86的勢壘層中，分別由In_0.50Al_0.50As和In_0.48Al_0.52As構(gòu)成的兩個層的晶格常數(shù)a2比基板10的InP的晶格常數(shù)a0小。因此，如虛線區(qū)域RB2所示，發(fā)光量子阱層86、96的導(dǎo)帶端比第2實施方式上升，勢壘層進(jìn)一步提高(即，阱層變深)。其結(jié)果，載流子能夠有效地被限制于發(fā)光區(qū)域82、92的阱層內(nèi)，并提高光輸出。注入勢壘層BI、抽出勢壘層BE、弛豫量子阱層88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整體上抑制了結(jié)晶性的降低。

如圖8(b)所示，增益成為極大的波長為3.6μm以及4.3μm的附近。因此，能夠進(jìn)行¹³CO₂、¹²CO₂的分光測量。

圖9(a)是第6的實施方式的QCL的導(dǎo)帶能帶圖(施加電場時)，圖9(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

另外，(表6)表示第7的實施方式的QCL的單位層疊體的構(gòu)成。

【表6】

厚度(A)

在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的阱層中，具有In_0.57Ga_0.43As和In_0.59Ga_0.41As的兩個層的晶格常數(shù)a1比基板10的InP的晶格常數(shù)a0大。因此，發(fā)光量子阱層86、96的阱層的導(dǎo)帶端下降，阱層變深。

另一方面，在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的勢壘層中，分別由In_0.48Al_0.52As和In_0.46Al_0.54As構(gòu)成的兩個層的晶格常數(shù)a2比基板10的InP的晶格常數(shù)a0小。因此，發(fā)光量子阱層86、96的導(dǎo)帶端相比于第2實施方式上升，勢壘層進(jìn)一步提高(即，阱層變深)。其結(jié)果，載流子能夠有效地被限制于發(fā)光區(qū)域82、92的阱層內(nèi)，并提高光輸出。注入勢壘層BI、抽出勢壘層BE、弛豫量子阱層88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整體上抑制了結(jié)晶性的降低。

如圖9(b)所示，增益成為極大的波長為3.55μm的附近。因此，能夠進(jìn)行¹³CO₂、¹²CO₂的分光測量。

圖10(a)是第7實施方式的QCL的導(dǎo)帶的能帶圖(電場施加狀態(tài))，圖10(b)是相對于波長的增益依賴性的曲線圖。

另外，(表7)表示第7實施方式的QCL的單位層疊體的構(gòu)成。

【表7】

厚度(A)

在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的阱層中，具有In_0.57Ga_0.43As和In_0.59Ga_0.41As的兩個層的晶格常數(shù)a1比基板10的InP的晶格常數(shù)a0大。因此，如虛線區(qū)域RW2所示，發(fā)光量子阱層86、96的阱層的導(dǎo)帶端下降，阱層變深。

另一方面，在構(gòu)成發(fā)光量子阱層86、96的勢壘層中，分別由In_0.48Al_0.52As、In_0.46Al_0.54As、以及In_0.48Al_0.52As構(gòu)成的三個層的晶格常數(shù)a2比基板10的InP的晶格常數(shù)a0小。因此，如虛線區(qū)域RB3所示，發(fā)光量子阱層86、96的導(dǎo)帶端比第2實施方式上升，勢壘層進(jìn)一步提高(即，阱層變深)。其結(jié)果，載流子能夠有效地被限制于發(fā)光區(qū)域82、92的阱層內(nèi)，并提高光輸出。注入勢壘層BI、抽出勢壘層BE、以及弛豫量子阱層88、98晶格匹配于基板10的InP。因此，整體上抑制了結(jié)晶性的降低。

如圖10(b)所示，增益成為極大的波長為3.55μm的附近。因此，能夠進(jìn)行¹³CO₂、¹²CO₂的分光測量。

根據(jù)第1～7的實施方式，提供了能夠以4.4μm以下的波長頻帶實現(xiàn)高輸出化的量子級聯(lián)激光器。

圖11(a)是表示波數(shù)2275～2325cm^－1的¹³CO₂以及¹²CO₂的吸收系數(shù)的曲線圖，圖11(b)是表示波數(shù)2295.7～2296.3cm^－1的吸收系數(shù)的曲線圖。

此外，CO₂濃度設(shè)為8％，壓力設(shè)為0.5氣壓，溫度設(shè)為313K。

例如，若使用¹³CO₂以及¹²CO₂的同位素，則能夠檢測幽門螺旋桿菌。首先，人將包含¹³C―尿素的試劑作為標(biāo)志化合物而飲入。在胃內(nèi)若存在幽門螺旋桿菌，則會與試劑產(chǎn)生反應(yīng)，排出¹³CO₂作為吐氣。另一方面，若不存在幽門螺旋桿菌，則不會排出¹³CO₂。因此，通過測量¹³CO₂與¹²CO₂的同位素比，能夠得知感染幽門螺旋桿菌的程度，能夠高精度地進(jìn)行胃的診斷。此外，檢查對象并不限定于幽門螺旋桿菌。通過測量包含同位素的CO₂濃度，能夠在較寬的范圍內(nèi)診斷胃的排空機(jī)能。

在該情況下，若使用¹³CO₂與¹²CO₂的吸收系數(shù)為相同程度的波數(shù)范圍內(nèi)的紅外光，則能夠抑制較高的氣體濃度中的飽和，并能夠提高測量精度。例如，如圖11(a)所示，優(yōu)選的是波數(shù)2275cm^－1(波長為4.396μm)～波數(shù)2325cm^－1(波長為4.301μm)的范圍。此外，圖11(b)表示包含一條¹²CO₂的吸收線和一條¹³CO₂的吸收線的波數(shù)范圍。

在比較例的QCL中，增益的極大值在4.4μm以上的波長時產(chǎn)生，難以覆蓋優(yōu)選的波數(shù)范圍。與此相對，在本實施方式中，能夠?qū)⒃鲆娴臉O大值控制為3.55～4.5μm的范圍。因此，將本實施方式的QCL作為光源的呼氣分析裝置能夠高精度地測量呼氣所包含的¹³CO₂與¹²CO₂的同位素比，適合人的胃的診斷。

雖然說明了本發(fā)明的幾個實施方式，但這些實施方式是作為例子而提出的，并非旨在限定發(fā)明的范圍。這些新的實施方式能夠通過其他各種方式來實施，在不脫離發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行各種省略、替換、變更。這些實施方式及其變形包含在發(fā)明的范圍、主旨中，并且包含在權(quán)利要求書所記載的發(fā)明及其等價的范圍中。