InAs量子カスケードレーザーの高性能化に関する研
究
著者
大野 英男
InAs量子カスケードレーザーの高性能化に
関する研究
(課唐番号: 17206029)平成17年度∼平成18年度科学研究費補助金(基盤研究(A))
研究成果報告書
平成19年4月
研究代表者
大野英男
(東北大学電気通信研究所･教授)
InAs量子カスケードレーザーの高性能化に
関する研究
(課題番号: 17206029)平成17年度∼平成18年度科学研究費補助金(基盤研究(A))
研究成果報告書
平成19年4月
研究代表者
大野英男
(東北大学電気通信研究所･教授)
1.研究組織
研究代表者
大野英男 東北大学電気通信研究所 教授研究分担者
大谷啓太 東北大学電気通信研究所 助手研究協力者
森安嘉貴 東北大学電気通信研究所 民間等共同研究員* (*旭化成エレクトロニクス(秩)) 大西秀和 東北大学大学院工学研究科博士前期課程2.交付決定額(配分額)
(金額単位:千円) 直接経費 亊I ｨﾆ N 合計 平成17年度 2ﾃ# 3,960 rﾃ c 平成18年度 Bﾃc 4,380 づ塔 総計 rﾃ 8,340 bﾃ C3.研究発表
3.1学会誌等
(1) K. Ohtani, K Fujita, and H･ Ohno, "Mid-infrared InAs/AIGaSb superlattice
quantum cascade lasers", Appl･ Phys･ Lett･, Vol･ 87, pp･ 211113 (1)-(3), 2005･
(2) K. Ohtani, K. Fujita, and H･ Ohno, "InAsquantum cascade lasers based on coupled
quantum well stmcturesM, Jpn･ J･ Appl･ Phys･, Ⅶ1･ 44, No･ 4B, pp･ 2572-2574, 2005･
3.2 口頭発表
3.2.1国際会議招待講演
(1) K. Ohtani and H. Ohno, "Recent research progress of lnAs-based quantum cascade
lasersn, SPIE Photonics WEST, Sam Jose, California USA, January 21-26, 2006･
(2) K. Ohtani and H. Ohno, "Mid-infrared InAs/AIGaSb superlattice quantum cascade
lasers", 20thCongress of the international commission for optlCS, Challenglng OPtlCS in
science and technology, Changchun, China, August 21-26, 2005･
(3) K. Ohtani and H. Ohno, "InAs/AISb quantum cascade lasers", CLEO/QELS2005,
Baltimore, Maryland USA, May 22-27, 2005･
(4) K. Ohtani and H. Ohno, "Mid-infrared InAs-based quantum cascade lasers", The
171h Indium Phosphide and Related Materials Conference (IPM2005), Glasgow, UK,
May 8-12, 2005･ 3.2.2国内学会､シンポジウム招待講演 (1)大谷啓太､ "量子カスケードレーザー:材料選択の観点から"､ 2006年秋季日 本物理学会シンポジウム､千葉大学､ 2006年9月23-26日 (2)大谷啓太､ "InAsをベースとした量子カスケードレーザー"､第25回電子･ 材料シンポジウム､伊豆長岡､ 2006年7月5-7日 3.2.3口頭一般発表 (2)大西秀和､大谷啓太､森安嘉貴､大野英男､ "InAs/AlSb量子カスケードレー ザー構造の光電流測定-､第67回応用物理学会学術講演会､立命館大学､ 2006 年8月29日-9月1日 (3)大谷啓太､森安嘉貴､大西秀和､大野英男､ "InAs/AIGaSb超格子量子カスケ ードレーザーの発振特性"､第67回応用物理学会学術講演会､立命館大学､ 2006 年8月29日-9月1日 (4)森安嘉貴､大谷啓太､大西秀和､大野英男､ "波長5ミクロン帯InAs/AISb 量子カスケードレーザーの発振特性(2) "､第67回応用物理学会学術講演会､立 命館大学､ 2006年8月29日-9月1日
-2-(5)大西秀和､森安嘉貴､大谷啓太､大野英男､ "注入層のドーピング濃度がInAs 量子カスケードレーザーの特性に及ぼす影響"､電子情報通信学会電子デバイス 研究会､東北大学､ 2006年3月2_3日 (6)森安嘉貴､大谷啓太､大西秀和､大野英男､ "波長5ミクロン帯InAs/AISb 量子カスケードレーザーの発振特性(1)"､第53回応用物理学会関係連合講演会､ 武蔵工業大学､ 2006年3月22_26日 (7)大谷啓太､藤田和上､大野英男､ "InAs/AlGaSb量子カスケードレーザーの室 温発振特性"､第66回応用物理学会学術講演会､徳島大学､ 2005年9月7_ll 日 (8)大西秀和､大谷啓太､大野英男､ M短波長InAs/AlSb量子カスケードレーザー の作製"､第66回応用物理学会学術講演会､徳島大学､ 2005年9月7_11日 3.3出版物 (1)大谷啓太､大野英男､ "量子カスケードレーザーの現状と展望"､応用物理､ Ⅵ)1. 75, No.2, 2006
4.研究成果による工業所有権の出願･取得状況
4.1特許出願 (1)発明の名称:量子カスケードレ-ザ発明者:森安嘉貴､大野英男､大谷啓太
出願人:旭化成エレクトロニクス(樵)､東北大学 出願番号(出願日) :特願20061203239 (平成18年7月26日)-3-5.研究内容と成果
5.1研究目的と実施計画
量子カスケードレーザーは活性領域のバンド構造を制御することで近赤外か
らテラ-ルツ帯までの広い波長領域で発振可能な半導体レーザーである｡この
レーザーではサブバンドの光学遷移を用いているため､発振波長､再結合時間､
キャリア輸送過程などを構造設計により最適化することが出来る利点を有する
が､これらの極限の値はやはり構成材料自身によって決まる｡特に閥値電流密
度を決める利得係数は､有効質量が小さいほど大きくなる｡我々はこの事実に
注目し､GalnAs/AIInAs, GaAs/AIGaAsなどの従来の量子カスケードレーザーの材 料よりも有効質量の軽いInAsを用いた量子カスケードレーザーの研究を進めて きた｡このInAs量子カスケードレーザーは大きな利得係数を持つだけでなく､ AISb及びGaSb と非常にユニークな-テロ接合の形成が可能であるために､ (1)InAs/GaSbブロークンギャップを用いてサブバンド間遷移に寄与しない漏れ電流を抑制できるためにテラ-ルツ帯においても高い量子効率を維持できるこ
と､ (2)AISbとの間の伝導帯バンド不連続エネルギーが2.1 eVと非常に大きく､ 3-4 pmの短波長領域においても発振が可能であることなどの優れた特徴を持つ0 本研究課題では､ InAs/AIGaSb系材料の優れた点を最大限に活用し､小型･低消費電力･広い波長範囲で発振する高出力長波長コヒ-レント光源を実現する
ことを目的として研究を進めた｡具体的には活性領域のバンド構造と電気･光学特性の関係を明らかにすると
同時に､どのように構造設計すれば高性能化につながるかを理論､実験の両面
から検討を行い､研究期間内に(1)低温低闘値電流密度化､ (2)室温動作､ (3)室温 高出力化､及び(3)高温動作を達成することを目標とした｡ 5.2研究の成果主たる研究成果は以下の通りである｡
(1)低温低闘値電流密度化レーザー発振の聞値電流密度を減少させるために､従来構造と比較して振動
子強度が5倍程度大きいInAs/Al02Gao.8Sb超格子を発光層に用いた構造(繰り返し36周期)を作製した｡障壁層には超格子中の井戸間の結合を強くし､シュタ
ルク･ラダー状態に遷移するのを防ぐためにAISbと比較して伝導帯バンド不連
続エネルギーが半分程度となるAlo.2Gao.8Sbを用いた｡試料構造は分子線エピタ キシーで作製した｡観測された液体窒素温度における開催電流密度は0.7 kA/cm2(パルス動作時)と､従来構造と比較して1/7程度までの低閉値電流密度化に成
功した｡又繰返しが50周期の素子で観測された聞値電流密度は0.42 kA/cm2 (パルス動作時)と､これまで報告されている量子カスケードレーザーの最低閥値
-4-電流密度(0.2 k〟cm2､パルス動作時)に近い値を実現した｡又聞値電流密度と電
流･光出力特性のスロープ効率の温度依存性から､温度上昇による発光層-の
注入効率の減少がこの素子の最高動作温度を制限している要因であることがわ
かった(Appl. Phys. Lett. 2005)0
(2)室温動作
熱活性型のフオノン散乱による注入効率の減少を抑えるために励起サブバン
ドの波動関数が局在した発光層構造を用い､室温パルス発振に成功した｡室温
における閤値電流密度は12 kA/cm2で発振波長は8.9 pmであった｡レーザー発 振は305Kまで観測された(論文投稿中)0 (3)室温高出力化注入層のドーピング濃度を増加させることで､室温高出力化に成功した(波
長12pm) ｡観測されたピーク光出力は125 mW程度であった.発光層にはこれ までに低温低間借電流密度化に成功しているInAs/AIGaSb超格子を用いた｡熱活 性型フオノン散乱による励起サブバンドからのキャリアのリークを防ぐため､ 励起サブバンドと注入層第2ミニバンドのエネルギー差が大きくなるように構造を設計した｡又注入層のドーピング濃度を増加させることで､注入電流に対
する光出力のダイナミックレンジが増大し､最高動作温度は高くなることがわ
かった｡観測された室温における間借電流密度は4.0 kA/cm2､最高動作温度は3 40 Kであり､この材料系で最も優れた特性を実現した(論文投稿準備中) 0 (4)高温動作発光層として結合量子井戸を用いた構造に注目し､構造と光利得係数､動作
温度との関係について調べた｡発振波長は5-6 pmに設定した｡結合量子井戸は発光層の基本となる構造で､これを検討することで井戸間の結合の強さなど他
の発光層でも重要となるパラメーターを抽出することができる｡結合量子井戸
の厚さ､および中央障壁の厚さを変えて光利得係数を求めたところ､計算結果
と定性的に一致し､結合･反結合エネルギーの差がInAs縦光学フオノンのエネルギーにほぼ一致したときに光利得係数が最大になることがわかった｡光利得
係数が最大となる構造で観測された最高動作温度(パルス動作時)は373 Kと
最高動作温度を向上させることに成功した(Jpn. ∫. Appl. Phys. 2005,論文投稿 準備中) ｡以上の成果について､参考文献として本研究に関連する発表論文､アブストラ
クトを添付する｡-5-TOUR ： Tohoku University Repository コメント・シート 本報告書収録の学術雑誌等発表論文は本ファイルに登録しておりません。なお、このうち東北大学 在籍の研究者の論文で、かつ、出版社等から著作権の許諾が得られた論文は、個別にTOUR に登録 しております。 TOUR http://ir.library.tohoku.ac.jp/
