量子级联激光器制造技术

量子级联激光器的活性层具有多个发光区域和多个注入区域。各个发光区域具有注入势垒层、以及至少含有两个阱层并通过子带间跃迁发出红外光的发光量子阱层。各个注入区域具有抽出势垒层以及弛豫量子阱层，该弛豫量子阱层形成使来自上述发光区域的载流子的能量弛豫的能级。在各个发光量子阱层内邻接的两个阱层中，上述抽出势垒层侧的阱层比上述注入势垒层侧的第2阱层深。各个发光区域与各个注入区域交替层叠。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施方式涉及量子级联激光器。
技术介绍
在环境测量等广泛领域中应用了发出红外光的激光装置。其中，由半导体构成的量子级联激光器(QCL：Quantum Cascade Laser)小型且便利性较高，能够进行高精度的测量。量子级联激光器例如交替层叠有GaInAs与AlInAs，具有包含量子阱层的活性层。而且，具有活性层的两侧面由例如InP包层夹住的构造。在该情况下，级联连接的量子阱层能够通过载流子的子带间跃迁而发出波长为3～20μm的红外线激光。例如，呼气中所包含的CO2气体通过红外线照射而具有固有的吸收光谱。因此，通过测量红外线吸收量，能够知晓气体的浓度。另外，若测量13CO2与12CO2的同位素比，则能够诊断人类的身体有无异常。在该情况下，要求将从量子级联激光器发出的激光的波长范围控制为3.5～4.5μm的范围等。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2010－278326号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题提供一种能够以4.5μm以下的波长频带实现高输出化的量子级联激光器。用于解决课题的手段实施方式的量子级联激光器的活性层具有多个发光区域和多个注入区域。各个发光区域具有注入势垒层、以及至少含有两个阱层并通过子带间跃迁发出红外光的发光量子阱层。各个注入区域具有抽出势垒层以及弛豫量子阱层，该弛豫量子阱层形成使来自上述发光区域的载流子的能量弛豫的能级。各个发光量子阱层内邻接的两个阱层中，上述抽出势垒层侧的阱层比上述注入势垒层侧的第2阱层深。各个发光区域与各个注入区域交替层叠。附图说明图1(a)是局部剖切本专利技术的第1实施方式的半导体激光装置的示意立体图，图1(b)是沿着A－A线的示意剖视图。图2(a)是具有晶格匹配的发光量子阱层的QCL的量子阱构造的导带的能带图，图2(b)是具有晶格未被匹配的发光量子阱层的QCL的导带的能带图。图3是第1实施方式的QCL的导带的能带图(电场为零)。图4(a)是第2实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图4(b)是增益光谱的曲线图。图5(a)是比较例的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图5(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。图6(a)是第3实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图6(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。图7(a)是第4实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图7(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。图8(a)是第5实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图8(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。图9(a)是第6的实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图9(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。图10(a)是第7的实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图10(b)是相对于波长的增益依赖性的曲线图。图11(a)是表示波数2275～2325cm－1的13CO2以及12CO2的吸收系数的曲线图，图11(b)是表示波数2295.7～2296.3cm－1的吸收系数的曲线图。具体实施方式以下，一边参照附图一边说明本专利技术的实施方式。图1(a)是局部剖切本专利技术的第1实施方式的量子级联激光器的示意立体图，图1(b)是沿着A－A线的示意剖视图。量子级联激光器(QCL：Quantum Cascade Laser)至少具有基板10、设于基板10上的层叠体20、以及电介质层40。另外，QCL还可以具有第1电极50、第2电极52、以及绝缘膜42。层叠体20具有第1包层22、第1引导层23、活性层24、第2引导层25、以及第2包层28。第1包层22的折射率和第2包层28的折射率分别比第1引导层23、活性层24、以及第2引导层25的任意一方的折射率都低，在活性层24的层叠方向上将红外线激光60适当地限制。另外，层叠体20具有条纹的形状，能够被称作脊波导路RG。若使脊波导路RG的两个端面为镜面，则被引导发出的光作为红外线激光62而从光出射面发出。在该情况下，光轴62定义为将以镜面作为共振面的光共振器的剖面的中心连结的线。即，光轴62与脊波导路RG的延伸方向一致。在与光轴62垂直的剖面上，若与活性层24的第1面24a、第2面24b平行的方向上的宽度WA过宽，则在水平横方向上产生高次模式，难以进行高输出。若活性层24的宽度WA设为例如5～20μm等，则水平横方向模式的控制变得容易。若电介质层40的折射率比构成活性层24的任意一层的折射率低，则能够利用夹住层叠体20的侧面20a、20b而设置的电介质层40，沿光轴62构成脊波导路RG。图2(a)是具有晶格匹配的发光量子阱层的QCL的量子阱构造的能带图，图2(b)是具有晶格未被匹配的发光量子阱层的QCL的能带图。具有图2(a)所示的发光量子阱层的QCL有着三个阱层的MQW(Multi-Quatum Well，多量子阱)构造，阱层的电势(能量)的深度DC设为相同。构成发光量子阱层的阱层以及势垒层都被晶格匹配于作为基板的InP(晶格常数a0：约5.8687埃)。例如，使阱层由In0.53Ga0.47As构成，使势垒层由In0.52Al0.48As构成即可。另外，在具有图2(b)所示的发光量子阱层的QCL中，有着比图2(a)所示的阱层的深度DC深的阱层深度DD。例如，若使阱层由In0.669Ga0.331As构成，则晶格常数a1约为5.9242埃。另外，若使势垒层由In0.362Al0.638As构成，则晶格常数a2约为5.8049埃。其结果，对于作为基板10的InP，向阱层施加压缩应力，向势垒层施加拉伸应力。此外，阱层的深度与导带EC的能量不连续ΔEC相等。在图2(b)所示的应变补偿MQW中，能够使阱层的深度DD比图2(a)所示的阱层的深度DC大。因此，扩宽阱层的子带能级的间隔，能够使子带间跃迁ST作用下的红外光的波长λ1比图2(a)所示的子带跃迁的波长λ2短。图3是第1实施方式的QCL的导带的能带图(电场为零)。此外，第1实施方式是使电子为载流子的QCL。发光量子阱层86具有多个阱层。例如，从注入势垒层B1侧起将阱层的深度用D1、D2、D3表示。在三个阱层中的邻接的两个阱层中，抽出势垒层BE侧的阱层的深度比注入势垒层BI侧的阱层深。即，D1＜D2，或者D2＜D3。另外，也可以如本图那样，设为D1＜D2＜D3。在第1实施方式中，由于加深阱层，能够缩短红外光的波长。另外，能够高效地将载流子限制在较深的阱层内，并促进子带间跃迁ST。因此，能够实现高输出化。此外，子带能级因阱层的厚度、势垒层的厚度等而变化。因此，发光波长因阱层的厚度、势垒层的厚度等而变化。弛豫量子阱层88也可以相对于基板10晶格匹配。图4(a)是第2实施方式的QCL的导带的能带图(施加电场时)，图4(b)是增益光谱的曲线图。活性层24具有交替层叠有发光区域和注入区域的级联构造。此外，电子的波动函数能够通过模拟而求出。发光区域82、92具有注入势垒层BI、以及至少有着两个阱层并通过子带间跃迁发出红外光的发光量子阱层86、96。注入区域84、94具有抽出势垒层BE和弛豫量子阱层88、98，该弛豫量子阱层88、98使来自发光区域82、92的载流子的能量弛豫，并形成向接下来的发光区域注入载流子的能级(微带能级Lm1、Lm2等)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子级联激光器，具备活性层，该活性层具有多个发光区域和多个注入区域，上述发光区域包含注入势垒层以及至少具有两个阱层并通过子带间跃迁发出红外光的发光量子阱层，上述注入区域包含抽出势垒层以及弛豫量子阱层，上述弛豫量子阱层形成使来自上述发光区域的载流子的能量弛豫的能级，在各个发光量子阱层内邻接的两个阱层中，上述抽出势垒层侧的阱层比上述注入势垒层侧的第2阱层深，各个发光区域与各个注入区域交替层叠。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.13 JP 2015-0505221.一种量子级联激光器，具备活性层，该活性层具有多个发光区域和多个注入区域，上述发光区域包含注入势垒层以及至少具有两个阱层并通过子带间跃迁发出红外光的发光量子阱层，上述注入区域包含抽出势垒层以及弛豫量子阱层，上述弛豫量子阱层形成使来自上述发光区域的载流子的能量弛豫的能级，在各个发光量子阱层内邻接的两个阱层中，上述抽出势垒层侧的阱层比上述注入势垒层侧的第2阱层深，各个发光区域与各个注入区域交替层叠。2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，在上述各个发光量子阱层中，阱层随着朝向上述抽出势垒层而变深。3.根据权利要求2所述的量子级联激光器，还具备上述发光区域与上述注入区域交替层叠的基板。4.根据权利要求3所述的量子级联激光器，上述各个发光量子阱层具有至少一个所具有的晶格常数比上述基板的晶格常数小的势垒层。5.根据权利要求4所述的量子级联激光器，在施加电场而产生上述子带间跃迁时，上述发光量子阱层的势垒层中的至少两个导带端能量相同。6.根据权利要求3所述的量子级联激光器，上述各个发光量子阱层具有至少一个所具有的晶格常数比上述基板的晶格常数大的阱层。7.根据权利要求4所述的量子级联激光器，上述各个发光量子阱层具有至少一个所具有的晶格常数比上述基板的晶格常数大的阱层。8.根据权利要求5所述的量子级联激光器，上述各个发光量子阱层具有至少一个所具有的晶格常数比上述基板的晶格常数大的阱层。9....

【专利技术属性】
技术研发人员：薮原秀彦，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：日本;JP