超低消費電力基板放出型DFB量子カスケードレーザー：25°Cで0.43 W閾値

背景

近年量子カスケードレーザー（QCL）急速発展、中赤外領域最有望光源に [1,2,3]。高出力、単一モード動作、コンパクトサイズ利点でDFB QCL広範応用：微量ガスセンシング、自由空間通信、物質分析 [4,5,6]。しかしQCL残る欠点は高電力消費、ポータブル高集積システム応用制限。消費電力低減最直接法はデバイス幾何縮小：共振器短縮、リッジ狭小化。高反射率（HR）コーティングもミラー損失低減に極めて有効。短共振器とHRコーティング [7] または部分高反射率（PHR）コーティング [8] でファブリ・ペロー（FP）QCL閾値消費電力低減研究あり、A. C. Richardら22 °Cで1.2 W、Y. Baiら25 °Cで0.83 W実証。これら手法DFBデバイスにも適用可能。2014年Ryan M. Briggsら4.8 µm発振単一モードDFB QCLでCW閾値消費電力0.76 W、20 °Cで最大光出力約17 mW報告 [9]。2015年A. Bismutoら短共振器狭リッジ単一モードDFB QCL 4.5 µm発振、20 °CでCW閾値消費電力0.5 W実証 [10]。最大光出力約150 mWだが注入電力6 W超。ドーピング最適化、低周期活性構造等他手法も検討 [7, 11]。エッジ放出QCLではバックファセットHRコーティング、フロントファセット無コートまたはPHRコートでミラー損失低減しつつフロント放出光出力維持一般的。代わりに両ファセットHRコートで基板放出ならミラー損失さらに低減可能、光は基板から放出。さらに基板放出QCLで改善遠方界分布期待 [12, 13]。近作で両ファセットHRコート基板放出DFB QCL、20 °Cで1.27 W低閾値消費電力達成 [14]。Ref [14]活性領域40超格子周期、閾値電圧約13 V。活性領域周期数減少で閾値電圧低下、閾値消費電力低減期待。1 mm共振器長も埋め込み二次グレーティング適切設計で更短縮可能、閾値消費電力低減。

本研究で超低消費電力基板放出DFB QCL開発。CWモード閾値消費電力15 °Cで0.4 W、25 °Cで0.43 W達成、共振器長0.5 mm短縮と両ファセットHRコートで実現。CW最大光出力25 °Cで2.4 mW、分光応用十分。埋め込み二次グレーティング採用単一モード発振。発散角リッジ幅方向22.5°、共振器長方向1.94°半値全幅（FWHM）。共振器長方向二重ローブ遠方界分布で反対称モード優位示唆。15–105 °C広温度範囲CWモードモードホップフリー動作、高集積ポータブル応用に極めて適する。

実験方法

デバイス活性領域は~4.6 µm発振歪補償二フォノン共振設計ベース。ウェハーはnドープ（Si、2 × 10¹⁷ cm⁻³）InP基板上固体ソース分子線エピタキシー（MBE）成長。In₀.₆₇Ga₀.₃₃As/In₀.₃₆Al₀.₆₄As量子井戸と障壁30段活性コア含有、Ref. [15]類似。全層シーケンス：1.2 µm厚下部クラッド層（Si、2.2 × 10¹⁶ cm⁻³）、0.3 µm厚n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As層（Si、4 × 10¹⁶ cm⁻³）、30活性/インジェクタ段、0.3 µm厚n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As層（Si、4 × 10¹⁶ cm⁻³）、上部導波路クラッド層。

埋め込みグレーティング作製 위해上部導波路クラッド層除去し上部InGaAs層露出。周期Λ = 1.42 µm（デューティサイクルσ = 0.45、深さd = 130 nm）二次グレーティングを0.3 µm厚上部InGaAs層にホログラフィックリソグラフィ技術とウェットケミカルエッチングで形成。図1aに埋め込み二次グレーティングSEM像示す。その後3 µm厚低ドープInP層（Si、2.2 × 10¹⁶ cm⁻³）、0.15 µm段階的ドープInP層（Si、1 × 10¹⁷–3 × 10¹⁷ cm⁻³）、0.4 µm高ドープInPクラッド層（Si、5 × 10¹⁸ cm⁻³）順次上部クラッドとして金属有機気相成長法（MOVPE）成長。

a 埋め込みグレーティングSEM像と b COMSOLシミュレーション埋め込み二次グレーティング結合係数と結合強度

再成長後、ウェハー平均コア幅7 µmダブルチャネル導波路構造エッチング。450 nm厚SiO₂をプラズマCVD（PECVD）絶縁用堆積。リッジSiO₂層上2 µm幅電子注入ウィンドウパターニング、Ti/Au層電気接点。放熱改善 위해追加4 µm厚Au層電鋳。実際クレビング前、有限要素法ソフト（COMSOL）で二次埋め込みグレーティング設計大量シミュレーション、Ref. [16]類似実施。150 µm薄膜化後、導波路0.5 mmと1 mmデバイスクレビング、対応結合強度0.54 ~ 1.77と1.08 ~ 3.55。両ファセットこれらデバイスHRコート、電子ビーム蒸着。HRコートAl₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃（200/10/100/120）。デバイスインジウム半田で銅ヒートシンクエピ層ダウンマウント、ワイヤーボンディング外部接点パッド接続。

デバイス試験はサーミスタ搭載サーモ電気クーラー（TEC）ステージで実施、ヒートシンク温度制御監視。QCL出力電力は較正済みサーモパイル検出器（Coherent、EMP1000）で測定、デバイス直前金属チューブでレーザー放出収集。ステップモーター制御回転ステージ（分解能0.01°）で遠方界分布試験、室温HgCdTe検出器（Vigo、PVMI-10.6）30 cm距離前方配置放射検出。スペクトル測定はフーリエ変換赤外（FTIR）分光計（Thermo Fisher Scientific、Nicolet 8700）0.25 cm⁻¹分解能ラピッドスキャンモード使用。

結果と考察

COMSOLシミュレーション結果図1b示す。計算でデューティサイクル0.35–0.45、エッチング深さ180 nm埋め込みグレーティングで結合係数|κ| = 35.5 ~ 10.75 cm⁻¹取得。結合強度g = |κ|L、LはQCL共振器長。効率的面発光には結合強度1–2常時必要。1 mmと0.5 mm共振器長デバイスでデューティサイクル0.35–0.45時シミュレーション結合強度各3.55 ~ 1.07と1.78 ~ 0.54範囲。従って短共振器デバイス向け埋め込みグレーティング設計極めて重要。

特筆すべき電気的特性評価。異なる共振器長デバイス光–電流–電圧（L-I-V）曲線図2示す。レーザーCWモード動作、ヒートシンク温度温度コントローラ（Thorlabs、ITC-QCL-4000）制御。図2aで1 mm共振器デバイス25 °C閾値電流65 mA、閾値電流密度0.54 kA/cm²、消費電力0.67 W。最大光出力8.6 mW、注入電力1.66 W、傾斜効率0.11 W/A。高温65 °Cでも最大光出力5 mW超維持。0.5 mm共振器長デバイスで閾値電流と消費電力39 mAと0.4 W（15 °C）へ低減（図2b）。閾値電流密度0.65 kA/cm²。注入電力0.74 W時最大光出力2.8 mW推定。25 °Cで閾値電流わずか増加41 mA、消費電力0.43 W対応。同温度QCL最低閾値消費電力記録達成。本デバイス最大光出力2.4 mW、消費電力0.76 W、高集積センサ応用十分能力。35 °Cで最大光出力約1.9 mW。105 °CまでCW動作可能、出力小さく精密検出困難。Ref [9,10,11]先行研究比較で本設計最大光出力顕著でない、デバイス固有壁面効率低さ由来、本質的にエピタキシウェハー品質制限。また0.5 mm共振器デバイス最大壁面効率室温0.32%、1 mm共振器デバイス0.5%未満。

1 mm（a）と0.5 mm（b）デバイスL-I-V特性

レーザースペクトル特性評価図3示す。1 mmと0.5 mm両デバイス15–105 °C広温度範囲CWモードモードホップフリー動作。全低消費電力QCL中最高動作温度。如此高動作温度主にファセットHRコートもたらすミラー損失低減恩恵。温度シフト係数各−0.21 cm⁻¹/Kと−0.19 cm⁻¹/K。同温度範囲二デバイススペクトル領域小差、グレーティングリソグラフィとエッチング非均一性起因可能。サイドモード抑制比（SMSR）約25 dB。良好線形チューニング能力、単一モード、高動作温度で微量ガスセンシング等実用応用極めて有用。

a 0.5 mmとb 1 mm共振器長デバイスレーザースペクトル

0.5 mmデバイス遠方界分布図4示す。リッジ幅方向単一ローブパターン、発散角22.5°（FWHM）観測（図4a）。図4b共振器長方向遠方界パターン。反対称モード優位、手作業クレビング非均一性と残留ファセット反射起因 [16]。分布ブラッグ反射鏡（DBR）グレーティングをDFBグレーティング領域両側配置し制御不能クライブファセット反射除去で対称モード取得可能 [17]。

0.5 mm共振器長デバイス遠方界分布。a、b リッジ幅方向と共振器長方向各遠方界分布

結論

共振器長0.5 mm短縮と両ファセットHRコート堆積で、CWモード動作25 °C閾値消費電力0.43 W超低消費電力基板放出DFB QCL開発。最大光出力2.4 mW、対応消費電力0.76 W。埋め込み二次DFBグレーティング定義で15–105 °C広温度モードホップフリー単一モード発振取得。発散角リッジ幅方向22.5°、共振器長方向1.94°。デバイス低消費特性で電池駆動ポータブルシステム有望光源に。

略語

CW:

連続波

DFB:

分布帰還

FP:

ファブリ・ペロー

FTIR:

フーリエ変換赤外

FWHM:

半値全幅

HR:

高反射率

MBE:

分子線エピタキシー

MOVPE:

金属有機気相成長

PECVD:

プラズマCVD

PHR:

部分高反射率

QCL:

量子カスケードレーザー

SEM:

走査電子顕微鏡

SMSR:

サイドモード抑制比

TEC:

サーモ電気クーラー