本发明专利技术的课题是制作一种减小了阈值电流密度(Jth)、提高了最高工作温度(Tmax)的量子级联激光元件。解决的手段是：在本发明专利技术的一个实施方式中，提供一种具有QCL结构(100)的THz-QCL元件(1000)，该QCL结构(100)为被一对电极(20、30)夹持的半导体超晶格结构(100A)。半导体超晶格结构(100A)(QCL结构100)具有活性区域(10)，该活性区域(10)例如通过在一对电极之间被施加了电压时的子带间的电子跃迁来发射THz波段的电磁波。该活性区域具有在厚度方向方向上重复设置的具有一定厚度的单位结构(10U)，该单位结构(10U)包括几个交替层叠的势阱层(10W)和势垒层(10B)，势阱层(10W)由作为AlAs和GaAs的混晶的AlxGa1-xAs(0<x<1)构成。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术的课题是制作一种减小了阈值电流密度(Jth)、提高了最高工作温度(Tmax)的量子级联激光元件。解决的手段是：在本专利技术的一个实施方式中，提供一种具有QCL结构(100)的THz-QCL元件(1000)，该QCL结构(100)为被一对电极(20、30)夹持的半导体超晶格结构(100A)。半导体超晶格结构(100A)(QCL结构100)具有活性区域(10)，该活性区域(10)例如通过在一对电极之间被施加了电压时的子带间的电子跃迁来发射THz波段的电磁波。该活性区域具有在厚度方向方向上重复设置的具有一定厚度的单位结构(10U)，该单位结构(10U)包括几个交替层叠的势阱层(10W)和势垒层(10B)，势阱层(10W)由作为AlAs和GaAs的混晶的AlxGa1-xAs(0<x<1)构成。【专利说明】量子级联激光元件
本专利技术涉及量子级联激光元件。更加详细地说，本专利技术涉及发射太赫兹波段的电磁波的量子级联激光元件。
技术介绍
近年来，作为发射中红外波段或太赫兹(THz)波段的电磁波的固体光源，量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，以下称为“QCL”)受到了关注。尤其是太赫兹波段的电磁波兼具光和电波这两者的性质，例如兼具光所具有的高分辨率和电波所具有的高穿透性，并且具有对被照射的对象物体的影响比X射线等小的特征。因此，期待例如将THz波段的电磁波应用于通过穿透来确定物质或对人体进行透射检查这样的用途。典型的QCL的发射机制是利用半导体超晶格结构，例如仅利用具有势阱(well)和势鱼(barrier)的重复结构的电子的传导带的势能的QCL的发射机制。S卩,在QCL中,通过基于半导体超晶格结构产生的子带间跃迁(intersubband transition)来引起受激发射(stimulated emission)。在这一点上,通过电子跃迁过传导带和价电带之间的能隙而与空穴(hole)复合来受激发射电磁波的以往的半导体激光器的发射机制与QCL的发射机制大不相同。更具体地说，在QCL中，利用半导体超晶格结构的势阱和势垒的势能并施加电压，由此使具有该势阱和势垒的凹凸的势能与半导体超晶格结构的厚度位置相应地倾斜。并且，利用倾斜排列的凹凸的势能，多级地、即级联状地产生电子的受激发射。为了实现产生这样的跃迁的半导体超晶格结构，需要考虑基于电场的倾斜来精密地设计势阱层、势垒层的厚度的、能带工程(band engineering)。在QCL中，由于载流子(电子)被重复地用于受激发射，因此能够实现载流子的重新利用(carrier recycling)。在QCL中，能够选择与形成半导体超晶格结构的材质的能隙无关的波长来发射激光(Iasing),并且能够通过半导体超晶格结构的设计(design)来改变该激光波长(Iasingwavelength)。由于这些原因，作为至今为止无法获得固体光源的波段的THz波段的电磁波的发射通过QCL得以实现。根据实现用于激光振荡的粒子数反转(population inversion)的方式，THz波段的QCL(以下称为“THz-QCL”)分为几个类型。THz-QCL的一个例子是从孤立的能级向连续的微带(min1-band)跃迁的电子发射电磁波的、被称为束掉-连续(bound-to-continuum)型的THz-QCL。作为该类型的THz-QCL,公开了通过微带的电子-电子散射使激光下能级的电子弛豫并形成粒子数反转、通过3.65GHz的振荡频率工作的THz-QCL (非专利文献I)。但是，该束绰-连续型的THz-QCL虽然电压效率高，但是设计复杂，会显现出LO声子散射所导致的显著的不良影响。专利文献I (美国专利第6829269号说明书)公开了其他类型的THz-QCL。在专利文献I所公开的THz-QCL中，在一级的受激发射中利用三个电子的能级。即，为了实现激光振荡所必需的激光上能级(upper lasing level)和激光下能级(lower lasing level)之间的粒子数反转，利用另一个电子能级。专利文献I的THz-QCL利用与受激发射相关的激光上能级(|3>，在本说明书中称为“能级L3”)、激光下能级(|2>，在本说明书中称为“能级L2”)、以及位于能级L2的下级的能级(|1>，在本说明书中称为“能级LI”)。能级LI具有利用纵光学声子(以下称为“L0声子”)从能级L2曳引(depopulation)电子的作用(专利文献1、FIG3等)。以下，将该三能级系的方式称为LO声子散射辅助型。作为LO声子散射辅助型的THz-QCL，在专利文献I中公开了在与受激发射相关的活性区域重复地配置用于产生一级的受激发射的结构(以下简称为“单位结构”)的半导体超晶格结构。该单位结构包括发光区域和注入区域。该单位结构的势能、即能带形成为在发光区域发光效率高，与此相对形成为在注入区域有助于形成粒子数反转。为了实现这些设计，在LO声子散射辅助型的THz-QCL的活性区域中，势阱层由GaAs形成，势垒层由AlxGa1^As 形成。现有技术文献:专利文献:专利文献1:美国专利第6829269号说明书非专利文献:非专利文献I:G.Scalari, N.Hoyler, M.Giovannini, and J.Faist, Appl.Phys.Lett.N0.86,181101(2005)非专利文献2:S.Kumer, Q.Hu, and J.Reno, Appl.Phys.Lett.N0.94,131105 (2009)非专利文献3:Τ.T.Lin, K.0htani, and H.0hno, Applied Physics Express,N0.2，022102(2009 )
技术实现思路
专利技术要解决的问题在THz-QCL中，专利文献I所公开的上述LO声子散射辅助型的THz-QCL表现出了良好的性能。例如，关于LO声子散射辅助型的THz-QCL，还报告了在对于THz-QCL来说可以说是高温的186K下实现了激光工作的事例(非专利文献2)。另外，LO声子散射辅助型的THz-QCL具有比较简单的半导体超晶格结构。但是，LO声子散射辅助型的THz-QCL目前还存在着改善的余地。实现激光工作的最高温度(以下称为“最高工作温度”(maximum operation temperature) Tmax)限于186K,用于激光工作的冷却装置庞大。如果能够使该最高工作温度Tmax大于等于230K，则能够通过基于珀耳帖(Peltier)元件等的冷却(电子冷却)来实现激光工作，因此能够大幅地提高THZ-QCL的实用性。另外，对于使最高工作温度Tmax高温化的QCL来说，通常在比该最大值低的工作温度下的用于激光振荡的电流密度的阈值(以下称为“阈值电流密度(threshoIdcurrent density) ”) Jth 也会减小。本专利技术是为了解决这样的问题而完成的。即，本专利技术通过减小THz-QCL的阈值电流密度Jth或提高THz-QCL的最高工作温度Tmax,使得应用THz-QCL的各种用途实用化。用于解决问题的手段本申请的专利技术人设计了能够减本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种量子级联激光元件，具有一对电极和被该一对电极夹持的半导体超晶格结构，该半导体超晶格结构具有活性区域，该活性区域在所述一对电极之间被施加了电压时发射THz波段的电磁波，该活性区域具有在厚度方向上重复设置的具有一定厚度的单位结构，该单位结构包括几个交替层叠的势阱层和势垒层，该势阱层由作为AlAs和GaAs的混晶的AlxGa1‑xAs构成，其中，0<x<1。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：平山秀树，林宗泽，
申请(专利权)人：独立行政法人理化学研究所，
类型：发明
国别省市：日本;JP
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