[發明專利]量子級聯激光元件

無效

• 申請號: 201280042684.0
• 申請日: 2012-08-01
• 公開（公告）號: CN103797668A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 平山秀樹;林宗澤
• 申請（專利權）人: 獨立行政法人理化學研究所
• 主分類號: H01S5/343
• 分類號: H01S5/343
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 楊宏軍;李文嶼

技術領域

本發明涉及量子級聯激光元件。更加詳細地說，本發明涉及發射太赫茲波段的電磁波的量子級聯激光元件。

背景技術

近年來，作為發射中紅外波段或太赫茲(THz)波段的電磁波的固體光源，量子級聯激光器(Quantum?Cascade?Laser，以下稱為“QCL”)受到了關注。尤其是太赫茲波段的電磁波兼具光和電波這兩者的性質，例如兼具光所具有的高分辨率和電波所具有的高穿透性，并且具有對被照射的對象物體的影響比X射線等小的特征。因此，期待例如將THz波段的電磁波應用于通過穿透來確定物質或對人體進行透射檢查這樣的用途。

典型的QCL的發射機制是利用半導體超晶格結構，例如僅利用具有勢阱(well)和勢壘(barrier)的重復結構的電子的傳導帶的勢能的QCL的發射機制。即，在QCL中，通過基于半導體超晶格結構產生的子帶間躍遷(intersubband?transition)來引起受激發射(stimulated?emission)。在這一點上，通過電子躍遷過傳導帶和價電帶之間的能隙而與空穴(hole)復合來受激發射電磁波的以往的半導體激光器的發射機制與QCL的發射機制大不相同。更具體地說，在QCL中，利用半導體超晶格結構的勢阱和勢壘的勢能并施加電壓，由此使具有該勢阱和勢壘的凹凸的勢能與半導體超晶格結構的厚度位置相應地傾斜。并且，利用傾斜排列的凹凸的勢能，多級地、即級聯狀地產生電子的受激發射。為了實現產生這樣的躍遷的半導體超晶格結構，需要考慮基于電場的傾斜來精密地設計勢阱層、勢壘層的厚度的、能帶工程(band?engineering)。在QCL中，由于載流子(電子)被重復地用于受激發射，因此能夠實現載流子的重新利用(carrier?recycling)。

在QCL中，能夠選擇與形成半導體超晶格結構的材質的能隙無關的波長來發射激光(lasing)，并且能夠通過半導體超晶格結構的設計(design)來改變該激光波長(lasing?wavelength)。由于這些原因，作為至今為止無法獲得固體光源的波段的THz波段的電磁波的發射通過QCL得以實現。根據實現用于激光振蕩的粒子數反轉(population?inversion)的方式，THz波段的QCL(以下稱為“THz-QCL”)分為幾個類型。THz-QCL的一個例子是從孤立的能級向連續的微帶(mini-band)躍遷的電子發射電磁波的、被稱為束綽-連續(bound-to-continuum)型的THz-QCL。作為該類型的THz-QCL，公開了通過微帶的電子-電子散射使激光下能級的電子弛豫并形成粒子數反轉、通過3.65GHz的振蕩頻率工作的THz-QCL(非專利文獻1)。但是，該束綽-連續型的THz-QCL雖然電壓效率高，但是設計復雜，會顯現出LO聲子散射所導致的顯著的不良影響。

專利文獻1(美國專利第6829269號說明書)公開了其他類型的THz-QCL。在專利文獻1所公開的THz-QCL中，在一級的受激發射中利用三個電子的能級。即，為了實現激光振蕩所必需的激光上能級(upper?lasing?level)和激光下能級(lower?lasing?level)之間的粒子數反轉，利用另一個電子能級。專利文獻1的THz-QCL利用與受激發射相關的激光上能級(|3>，在本說明書中稱為“能級L3”)、激光下能級(|2>，在本說明書中稱為“能級L2”)、以及位于能級L2的下級的能級(|1>，在本說明書中稱為“能級L1”)。能級L1具有利用縱光學聲子(以下稱為“LO聲子”)從能級L2曳引(depopulation)電子的作用(專利文獻1、FIG3等)。以下，將該三能級系的方式稱為LO聲子散射輔助型。

作為LO聲子散射輔助型的THz-QCL，在專利文獻1中公開了在與受激發射相關的活性區域重復地配置用于產生一級的受激發射的結構(以下簡稱為“單位結構”)的半導體超晶格結構。該單位結構包括發光區域和注入區域。該單位結構的勢能、即能帶形成為在發光區域發光效率高，與此相對形成為在注入區域有助于形成粒子數反轉。為了實現這些設計，在LO聲子散射輔助型的THz-QCL的活性區域中，勢阱層由GaAs形成，勢壘層由Al_xGa_1-xAs形成。

現有技術文獻：

專利文獻：

專利文獻1：美國專利第6829269號說明書

非專利文獻：