量子级联激光器制造技术

本发明专利技术提供一种量子级联激光器。量子级联激光器具有活性层、第1包层和第2包层、以及光引导层。活性层具有多个注入量子阱区域和多个发光量子阱区域。各注入量子阱区域和各发光量子阱区域交替地层叠。所述第1包层和第2包层以从两侧夹持所述活性层的方式设置，具有比所述各发光量子阱区域的实效折射率低的折射率。所述光引导层以将所述活性层沿着层叠方向一分为二的方式配置。所述光引导层具有比所述各发光量子阱区域的所述实效折射率高的折射率，具有比所述各发光量子阱区域的量子阱层的全部的阱层的厚度大的厚度。

qcl

【技术实现步骤摘要】
量子级联激光器
本专利技术的实施方式涉及量子级联激光器。
技术介绍
量子级联激光器(QCL：QuantumCascadeLaser)发出红外线激光。若使量子级联激光器的阈值电流降低，则能够提高量子效率及光输出。不过，量子级联激光器具有将许多发光量子阱区域级联连接而成的活性层。因此，光限制在较厚的活性层的垂直方向上不能说充分，阈值电流的降低并不容易。
技术实现思路
本专利技术提供一种量子级联激光器，具备：活性层，具有多个注入量子阱区域和多个发光量子阱区域，且是各注入量子阱区域和各发光量子阱区域交替地层叠而成的活性层，所述各发光量子阱区域通过载流子的子带间光学跃迁而发出激光，所述各注入量子阱层使所述子带间光学跃迁后的所述载流子向微带能级弛豫而向下游的发光量子阱区域注入；第1包层和第2包层，以从两侧夹持所述活性层的方式设置，具有比所述各发光量子阱区域的实效折射率低的折射率；以及光引导层，是以将所述活性层沿着层叠方向一分为二的方式配置的光引导层，具有比所述各发光量子阱区域的所述实效折射率高的折射率，具有比所述各发光量子阱区域的量子阱层的全部的阱层的厚度大的厚度。附图说明图1(a)是说明第1实施方式涉及的量子级联激光器的垂直方向的光限制的曲线图，图1(b)是表示导带的能级的曲线图。图2(a)是说明第1比较例涉及的量子级联激光器的垂直方向的光限制的曲线图，图2(b)是说明第2比较例涉及的量子级联激光器的垂直方向的光限制的曲线图。图3(a)是第1实施方式涉及的量子级联激光器的示意立体图，图3(b)是沿着A-A线的示意剖面图。图4(a)是表示第1实施方式的具体例1的相对光强度分布的模拟结果的曲线图，图4(b)是表示阈值电流相对于光引导层的厚度的依赖性的模拟结果的曲线图。图5是表示第2比较例的具体例的相对光强度分布的模拟结果的曲线图。图6(a)是表示第1实施方式的具体例2的相对光强度分布的模拟结果的曲线图，图6(b)是表示阈值电流相对于光引导层的厚度的依赖性的模拟结果的曲线图。图7(a)是表示第1实施方式的具体例3的相对光强度分布的模拟结果的曲线图，图7(b)是表示阈值电流相对于光引导层的厚度的依赖性的模拟结果的曲线图。具体实施方式实施方式的量子级联激光器具有活性层、第1包层和第2包层、以及光引导层。所述活性层具有多个注入量子阱区域和多个发光量子阱区域。各注入量子阱区域和各发光量子阱区域交替地层叠。所述各发光量子阱区域通过载流子的子带间光学跃迁而发出激光。所述各注入量子阱层使所述子带间光学跃迁后的所述载流子向微带能级弛豫而向下游的发光量子阱区域注入。所述第1包层和第2包层以从两侧夹持所述活性层的方式设置，具有比所述各发光量子阱区域的实效折射率低的折射率。所述光引导层以沿着层叠方向将所述活性层一分为二的方式配置。所述光引导层具有比所述各发光量子阱区域的所述实效折射率高的折射率，具有比所述各发光量子阱区域的量子阱层的全部的阱层的厚度大的厚度。以下，参照附图且说明本专利技术的实施方式。图1(a)是针对第1实施方式涉及的量子级联激光器的活性层说明垂直方向的光限制的曲线图，图1(b)是表示导带的能级的曲线图。在图1(a)中，纵轴表示折射率n(实线)和光强度IL(虚线)，横轴Z表示半导体层的垂直(层叠方向)位置。如图1(a)所示，第1实施方式的量子级联激光器具有活性层24(24a、24b)、第1包层23、第2包层26、以及光引导层25。在图1(b)中，纵轴表示导带能级，横轴Z表示垂直位置。如图1(b)所示，活性层24具有多个注入量子阱区域90和多个发光量子阱区域80。活性层24包括各注入量子阱区域90和各发光量子阱层80交替地层叠而成的层叠体。即，包括1个注入量子阱区域90和1个发光量子阱区域80这一对的单位层叠体100被排列。即、在图1(a)中，由虚线夹着的区域分别与单位层叠体100相对应。其排列数设为例如30～200等。各发光量子阱区域80通过电子等载流子102的子带间光学跃迁而发出激光。另外，各注入量子阱区域90使子带间光学跃迁后的载流子102向微带能级M弛豫，进一步向下游的发光量子阱区域80注入。在如图1(b)所示那样载流子102是电子的情况下，电子在注入量子阱区域90的微带M被弛豫(能级A→B)，在发光量子阱区域80中通过子带间跃迁而发出激光(能级B→C)，在注入到下游的注入量子阱区域90之后被弛豫(能级D)。光引导层25具有比各发光量子阱区域80的实效折射率高的折射率。发光量子阱区域80的阱层的厚度和势垒层的阱层的厚度比激光的波长足够短。因此，发光量子阱区域80的实效折射率能够视作阱层的折射率与比阱层的折射率低的势垒层的折射率的中间的折射率、即媒质均匀地分布的折射率。通常，折射率更高的物质存在带隙能量Eg较小的倾向。在该系统中，光引导层25的带隙能量也比量子阱层的带隙能量小。在pn接合激光二极管中，带隙能量Eg较小的物质成为光吸收层，因此，不会在活性层的中央部设置光引导层。然而，量子级联激光器以比带隙能量小的能量发光，因此，折射率较高的物质即使设置于活性层25的中央部，光吸收也被抑制。优选光引导层25不包含使带间光学跃迁产生的量子阱。因此，光引导层25具有分别比各发光量子阱区域80的量子阱层中的全部的阱层的厚度大的厚度TG。此外，在图1(b)中，1个发光量子阱区域80具有两个量子阱层，若以TW表示较大的阱层的厚度，则TG>TW。此外，若将光引导层25的厚度TG设为100nm以上，如随后利用模拟进行说明那样，能够提高光限制效果。另一方面，若活性层24a和活性层24b过于分开，则光恢复作用减弱。因此，优选将光引导层25的厚度TG设为500nm以下。另外，若以将活性层24大致2等分地分割的方式设置光引导层25，则能够使光强度分布接近对称，因此，优选。只要例如是级联连接的单位层叠体100的数是偶数，光引导层25就以单位层叠体100的层叠数进行2等分的方式设置即可。另外，单位层叠体100的层叠数只要是奇数，任一个侧就稍微变多。但是，单位层叠体100的层叠数多达30～200等，因此，也可以不严密地分割成二分之一。第1包层23和第2包层26以从两侧夹持活性层24的方式设置。第1包层23和第2包层26的折射率比各发光量子阱区域的实效折射率低。在第1实施方式中，通过将光引导层25配置于活性层24的中央部附近，能够增强光限制效果。因此，阈值电流能够被降低，提高量子效率和光输出化。图2(a)是说明第1比较例涉及的量子级联激光器的活性层的垂直方向的光限制效果的曲线图，图2(b)是说明第2比较例涉及的量子级联激光器的活性层的垂直方向的光限制效果的曲线图。在图2(a)、(b)中，纵轴是折射率n和光强度IL，横轴是垂直位置Z。在图2(a)所示的第1比较例的量子级联激光器中，活性层124被第1包层123和第2包层126夹持，没有设置具有比注入量子阱区域的折射率和发光量子阱区域的折射率高的实效折射率的光引导层。因此，光限制作用较弱，光强度IL的分布向活性层124内扩展。因此，无法降低阈值电流，难以进行高输出化。在图2(b)所示的第2比较例涉及的量子级联激光器中，具有比各发光量子阱区域的实效折射率高的折射率的光引导层125设置于活性层124与第1包层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子级联激光器，具备：活性层，具有多个注入量子阱区域和多个发光量子阱区域，且是各注入量子阱区域和各发光量子阱区域交替地层叠而成的活性层，所述各发光量子阱区域通过载流子的子带间光学跃迁而发出激光，所述各注入量子阱层使所述子带间光学跃迁后的所述载流子向微带能级弛豫而向下游的发光量子阱区域注入；第1包层和第2包层，以从两侧夹持所述活性层的方式设置，具有比所述各发光量子阱区域的实效折射率低的折射率；以及光引导层，是以将所述活性层沿着层叠方向一分为二的方式配置的光引导层，具有比所述各发光量子阱区域的所述实效折射率高的折射率，具有比所述各发光量子阱区域的量子阱层的全部的阱层的厚度大的厚度。

【技术特征摘要】
1.一种量子级联激光器，具备：活性层，具有多个注入量子阱区域和多个发光量子阱区域，且是各注入量子阱区域和各发光量子阱区域交替地层叠而成的活性层，所述各发光量子阱区域通过载流子的子带间光学跃迁而发出激光，所述各注入量子阱层使所述子带间光学跃迁后的所述载流子向微带能级弛豫而向下游的发光量子阱区域注入；第1包层和第2包层，以从两侧夹持所述活性层的方式设置，具有比所述各发光量子阱区域的实效折射率低的折射率；以及光引导层，是以将所述活性层沿着层叠方向一分为二的方式配置的光引导层，具有比所述各发光量子阱区域的所述实效折射率高的折射率，具有比所述各发光量子阱区域的量子阱层的全部的阱层的厚度大的厚度。2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，所述光引导层以将所述活性层沿着层叠方向大致2等分的方式设置。3.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，该量子级联激光器还具备基板，所述第1包层和第2包层包含与所述基板进行晶格匹配的材料。4.根据权利要求2所述的量子级联激光器，其中，该量子级联激光器还具备基板，所述第1包层和第2包层包含与所述基板进...

【专利技术属性】
技术研发人员：斋藤真司，角野努，桥本玲，金子桂，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：日本,JP