レーザ素子
【課題】 従来の長波長レーザにおいて、動作点が安定せずにレーザ発振を不安定にするという課題があった。
【解決手段】 表面プラズモン導波路の表面電流が極大となる部分に抵抗体を備え、表面プラズモン導波路における第一のクラッドと第二にクラッドの間の電位差を安定化する。
【解決手段】 表面プラズモン導波路の表面電流が極大となる部分に抵抗体を備え、表面プラズモン導波路における第一のクラッドと第二にクラッドの間の電位差を安定化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利得媒質が、電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で挟まれた発振素子に関する。特に、３０ＧＨｚ乃至３０ＴＨｚの周波数領域内の周波数を含む電磁波を出力するレーザ素子に関する。
【０００２】
なお、以下では、３０ＧＨｚ乃至３０ＴＨｚの周波数領域の電磁波をミリ波及びテラヘルツ波と称する。但し、３０ＧＨｚ寄りの領域をミリ波帯、３０ＴＨｚ寄りの領域をテラヘルツ帯と称する場合もある。
【背景技術】
【０００３】
新しい種類の半導体レーザとして、伝導帯或いは価電子帯の同一エネルギー帯内におけるキャリアのエネルギー準位間遷移（サブバンド間遷移）に基づく量子カスケードレーザと呼ばれる半導体レーザがある。
【０００４】
量子カスケードレーザの発振波長は、光学遷移に関する二つのエネルギー準位のエネルギー間隔に依存する。従って、広いスペクトル領域（中赤外域からテラヘルツ帯まで）に亘って発振波長を選択できる可能性があり、はじめに、中赤外域の４．２μｍに発振波長が選択された構成によって、このようなレーザが実現可能であることが実証された。
【０００５】
最近では、生体センシングなどに有用と考えられているテラヘルツ帯の電磁波資源の需要もあり、発振波長を中赤外域より長波長側に選択された長波長レーザの開発が行われるようになっている。
【０００６】
長波長レーザでは、その周波数領域において利得を有するような利得媒質の構成とともに、同利得媒質へのタイトな光閉じ込めを行える表面プラズモン導波路と呼ばれる構造を伴っている。これは、従来の半導体レーザで知られるような誘電体クラッドによって光閉じ込めを行うものとは異なるものである。
【０００７】
特許文献１は、誘電率実部が負である負誘電率媒質をクラッドとして用いる方法を開示している。このとき、クラッドに導かれる導波モードは、表面プラズモンと呼ばれる負誘電率媒質内の荷電キャリアの分極振動が寄与した電磁波である。表面プラズモンには回折限界が存在しないため、モード強度の多くを、利得媒質へ閉じ込めることが可能である。
【０００８】
このような手法を用いることによって、発振波長が長波長よりの１１．４μｍのレーザ発振を達成している。
【０００９】
また、非特許文献１は、誘電率実部が負である負誘電率媒質をクラッドとして、利得媒質の上下に配する方法を開示している。このときも、クラッドに導かれる導波モードは表面プラズモンである。二枚の負誘電率媒質をクラッドとした利得媒質では、特許文献１と比べても更に多くのモード強度を利得媒質へ閉じ込めることが可能である。このような手法を用いることによって、発振波長が更に長波長よりの約１００μｍ（３ＴＨｚ）のレーザ発振を達成している。
【００１０】
このような表面プラズモン導波路と呼ばれる構造を伴った長波長レーザにおいて、所望のレーザ発振を得るための安定化が試されている。特許文献２では、異なる負誘電率媒質を導波モードの伝播方向に繰り返したＤＦＢ構造として発振波長を安定化する手法を開示している。一方で、発振波長が更に長波長よりのテラヘルツ帯ともなると、電子デバイスにおける安定化技術も利用できる可能性がある。非特許文献２は、電子デバイスであるが、アンテナ型共振器の外部に抵抗体を挿入して０．５９ＴＨｚ（５１１μｍ）の発振を安定化する手法を開示している。
【特許文献１】特開２０００−１３８４２０号公報
【特許文献２】特開２００１−２９１９２９号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８３，２１２４（２００３）
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４４，７８０９（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の長波長レーザにおいて、利得媒質への電流注入の方法として、トンネル注入が使用されるため、動作点が安定せずにレーザ発振を不安定にする場合があるという課題があった。
【００１２】
動作点が安定しないのは、トンネル注入に伴い電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）において負性抵抗領域が現れるためで、典型的な光半導体レーザには見られない現象である。したがって、特許文献２に開示される手法は、従来の長波長レーザのための十分な安定化構造とはいえず、動作点をも安定化させることもできる安定化構造が求められていた。また、非特許文献２に開示される手法は電子デバイスにおける安定化手法のため、そのままレーザに用いるとレーザ発振が得られなくなる問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るレーザ素子は、特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記電磁波が前記導波路を伝搬する際に、
前記第二のクラッドを基準としたときの前記第一のクラッドにおける表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと前記第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るレーザ素子は、特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記導波路の前記第一のクラッドにおける前記第二のクラッドを基準とした前記電磁波の表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、別の本発明に係るレーザ素子は、
発振されるべき電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記利得媒質は前記電磁波の伝播方向に沿って伸びて、その厚さ方向の上下において、前記電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の第一のクラッドと第二のクラッドで挟まれて前記導波路を構成しており、
前記導波路の前記第一のクラッドにおける前記第二のクラッドを基準とした前記発振されるべき電磁波の表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来の長波長レーザ素子の発振波長を安定化する上に、従来不安定であった動作点におけるレーザ発振の安定化をも行えるようになる。
【００１７】
これは、例えば、効率のよい動作点を選ぶことによるレーザ発振の出力の増大、動作点を掃引することによる発振波長の可変動作など、レーザ発振の基本的な制御を可能にする。これに伴い、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで３０ＧＨｚ乃至３０ＴＨｚの周波数領域におけるアプリケーション、例えば、生体センシングなどに用いるスペクトル検査とこれに基づく物質の同定や、イメージングなどに適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
第１の本発明に係るレーザ素子は、特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、以下の特徴を有する。
【００１９】
即ち、前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されている。そして、前記電磁波が前記導波路を伝搬する際に、前記第二のクラッドを基準としたときの前記第一のクラッドにおける表面電流が極大となる部分に、抵抗体を備える。ここでいう抵抗体とは、前記第一のクラッドと前記第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体である。
【００２０】
この抵抗体自体は、第一のクラッド上部あるいは第二のクラッド下部（図２の第二のクラッド１０１からみて基板１１側）に設けることができる。
【００２１】
前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において開放端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の四分の一だけ離れた部分を少なくとも含むように構成できる。
【００２２】
前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において固定端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の二分の一だけ離れた部分を少なくとも含むように構成できる。
【００２３】
前記抵抗体は、例えば、導電性材料で形成される膜抵抗体で構成したり、半金属、透明性導電膜又は半導体によって構成できる。また、前記抵抗体は、金属と前記半導体の間に生じるショットキー障壁を含む抵抗体である。
【００２４】
なお、前記表面電流が極大となる部分が複数有る場合には、前記複数の表面電流が極大となる部分には抵抗温度係数の符号の異なる前記抵抗体を備える構成にできる。
【００２５】
前記負誘電率媒質は、金属、キャリアドープした半導体、又は金属とキャリアドープした半導体によって構成さできる。
【００２６】
前記利得媒質は、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオードで構成できる。
【００２７】
前記電磁波の周波数は３０ＧＨｚから３０ＴＨｚまでの周波数領域内の周波数を含む電磁波であることが好適である。
【００２８】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本発明を適用できるレーザ素子構成を表し、図１（ａ）は本発明を適用できるレーザ素子構成の斜視図、図１（ｂ）は本発明を適用できるレーザ素子構成の断面図を示すものである。
【００３０】
図１（ｂ）において、１０１と１０２は負誘電率媒質であって、発振されるべき電磁波の周波数領域において負の誘電率実部を有する物質である。ミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域においては、例えば、キャリアドープした半導体（例えば、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉなど）、金属（例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌなど）、またはこれらの複数の物質によって構成される。
【００３１】
また、図１（ｂ）において、１０３は上記の負誘電率媒質１０１、１０２で上下を挟まれた利得媒質である。利得媒質は、一般に、キャリアを注入すると利得が発生する物質であって、外部から電流注入を行うためには利得媒質１０３と負誘電率媒質１０１、１０２との電気的な接触を図る必要がある。このため、高濃度キャリアドープされた半導体を電気的接点１１１、１１２として利用する。ここで、高濃度とは、少なくとも誘電率実部が負になるようなキャリア濃度より濃度が高いものとする。
【００３２】
また、１２１と１２２は電極である。
【００３３】
このような構成で、負誘電率媒質１０１、１０２と電気的接点１１１、１１２はミリ波帯やテラヘルツ帯の電磁波にとって、幾何光学的な反射面をなすクラッドとして機能する。したがって、このようなクラッド（負誘電率媒質１０１、１０２と電気的接点１１１、１１２）によって導かれる電磁波は、回折限界をもたない表面プラズモンが導波モードとして許容される。このことによって、利得媒質１０３の厚さの制約が少なくなり、長波長レーザに好ましいといえる。
【００３４】
ところで、このようなクラッド（負誘電率媒質１０１、１０２と電気的接点１１１、１１２）に沿って伝搬する表面プラズモンは、クラッドの内部におけるキャリアの変動を伴いながら伝播するものである。したがって、クラッドの内部におけるキャリアの変動を制御することができると、表面プラズモンそのものを制御すること可能になると考えられる。
【００３５】
荷電キャリアの制御方法としては、真空管におけるグリッドのように、空間部分における電位をあらかじめ与えておく方法が考えられる。一方で、一般にレーザにおいて、電磁波は共振器構造において定在波を形成するものであって、ある発振波長を考えると、共振器構造の空間電位は時間的に一定となっている。表面プラズモン導波路を伴った長波長レーザにおいて、これらの関係は大変都合よく、これを積極的に利用したレーザ発振の制御を考えることができる。すなわち、クラッド（負誘電率媒質１０１、１０２と電気的接点１１１、１１２）における電磁波の節となる部分又は腹となる部分に電極などを挿入すれば、レーザ発振を制御することが可能である。
【００３６】
更に、挿入すべき電極を有限な電気抵抗を持たせた構造へ置き換えると、電流注入における動作点の制御も可能にする。１２はこのための抵抗体である。後述するように、動作点の制御のために抵抗体１２の電気抵抗は、典型的には、比較的小さい値が好ましい。
【００３７】
比較的低抵抗な抵抗体１２は、挿入した部分の電位を一定にするように働くため、表面プラズモン導波路において発振されるべき電磁波の節となる部分を注意して選んで抵抗体１２を挿入する。
【００３８】
ここで、電磁波の節となる部分は、導波路における第二のクラッドを基準とした第一のクラッドの電位と表面電流の関係で読み替えると、表面電流が極大となる部分のことを指す。第一のクラッドとは、負誘電率媒質１０１と電気的接点１１１で構成される。第二のクラッドとは、負誘電率媒質１０２と電気的接点１１２で構成される。電気的接点は必要に応じて省略できる。
【００３９】
もちろん、第一のクラッドを基準とした第二のクラッドの電位と表面電流の関係で読み替え、表面電流が極大となる部分としてもよい。或いは、発振を望まない電磁波で考えれば、抵抗体１２は表面電流が極大とはならない部分（例えば、電磁波の腹）へ挿入されていることになる。すなわち、抵抗体１２は空間電位を一定にするように働くため、発振を望まない電磁波に対しては損失として働く。本発明を適用できる最良の形態において、抵抗体１２は、このような現象を利用して発振波長を安定化する。
【００４０】
利得媒質１０３としては、例えば、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いてもよい。量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造を用いてもよい。これらは、電流注入によってミリ波帯やテラヘルツ帯の電磁波に電磁波利得を発生する。ただし、電流注入を行う際トンネル注入を伴っており、利得を発生させるの動作点付近のＩ−Ｖ特性には負性抵抗領域を持つ。負性抵抗領域は、非線形微分方程式であるｖａｎ ｄｅｌ ｐｏｌ方程式で記述されるように、不安定な分岐である。したがって、このような利得媒質１０３を選ぶとき、所望の動作点を設定するための安定化が必須となる。負性抵抗領域のおける不安定性を安定化するためには、電子デバイス技術でよく知られるように、負性抵抗より低抵抗な抵抗器を並列に挿入して全体を受動回路とする方法が考えられ、本発明を適用できる最良の形態においた抵抗体１２がこれを担う。
【００４１】
図１（ａ）において、共振器構造は端面１０４、１０５によって形成する。図１（ａ）のように端面の処理がされていない場合は、開放端となる。したがって、開放端１０４、１０５の部分はこのような導波路型共振器において表面電流が極小となる。これは、端面１０４、１０５における寄生リアクタンス成分を無視した極限での近似であるが、典型的な場合、よい近似となっている。このとき、端面１０４、１０５から導波路に沿って表面電流がはじめて極大となる部分は、発振波長をλとした光学的な長さでλ／４だけ離れた部分となる。これは電気的な長さではπ／２に相当する。あとは分布定数回路と同様に、光学的な長さでλ／２毎に（電気的な長さでいうとπ毎に）定常的に等価な部分が現れる。或いは、端面における第一のクラッド（負誘電率媒質１０１と電気的接点１１１）と第二のクラッド（負誘電率媒質１０２と電気的接点１１２）を短絡するように端面の処理を行うと、固定端となる。この場合、固定端１０４、１０５の部分はこのような導波路型共振器において表面電流が極大となる。このとき、端面１０４、１０５から導波路に沿って表面電流がはじめて極大となる部分は、発振波長をλとした光学的な長さでλ／２だけ離れた部分となる。これは電気的な長さではπに相当する。あとは分布定数回路と同様に、光学的な長さでλ／２毎に（電気的な長さでいうとπ毎に）定常的に等価な部分が現れる。いずれの場合も、抵抗体１２は、表面プラズモン導波路における発振されるべき電磁波の表面電流が極大となる部分へ挿入する。尚、挿入される抵抗体１２は最低１個でもよいが、十分な安定化を期すためには複数個が望ましい。
【００４２】
抵抗体１２は負誘電率の第一のクラッド（負誘電率媒質１０１と電気的接点１１１）と第二のクラッド（負誘電率媒質１０２と電気的接点１１２）の間へ挿入されればよく、例えば、図１（ｂ）のように電極１２１、１２２を介して挿入する。もちろん、これに限ることはなく負誘電率媒質１０１と１０２を横方向に引き出して、直接、電気的に接するようにしてもよい。いずれにしても、利得媒質１０３の側壁に接触しないようにすればよい。そのための１３はパッシベーションのために設けられた領域であり、図１（ｂ）のように誘電体を充填する。好ましくは低誘電率で低損失な誘電体か、ほぼ無損失なエアギャップがよい。
【００４３】
抵抗体１２の構成としては、比較的低抵抗な抵抗値を実現しやすいような導電性材料が好ましいといえる。例えば、半金属（例えば、Ｂｉ、グラファイト）や透明性導電膜（例えばＩＴＯ、ＺｎＯやＺｎＳｎ）が考えられる。また、ｐｏｌｙ−Ｓｉのような比較的電気伝導度の高い半導体でもよい。これらは、素子本体１０の上の成膜した膜抵抗体１２として用いると、寄生リアクタンスも低減することができ、また、モノリシック化のためにも好ましい。ただし、膜抵抗体１２は、材料や形状などがそれぞれ異なるものでもよく、一般には、図１（ｂ）のように１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ．．．などと表される。例えば、１２Ａ、１２Ｃは温度が上がるほど電気伝導度が下がるような抵抗温度係数を持つ半金属、１２Ｂは温度が上がるほど電気伝導度が上がるような抵抗温度係数を持つ半導体などとしてもよい。というのも、膜抵抗体１２の抵抗値によっては、安定化のための電流によってジュール熱が発生することがあるが、これらを補償する方法も考えられるからである。透明性半導体はどちらの使い方もできる。また、抵抗体１２はこれに限ることはなく、あとで説明するように、安定化のために流れる電流そのものを抑制することができる非線形抵抗体を利用してもよい。
【００４４】
このようなレーザ素子の駆動は、図示しない外部電界制御手段に電極１２１、１２２を接続して行えばよい。ただし、利得媒質１０３への電流注入と安定化のために抵抗体１２を流れる電流を考慮し、十分な駆動能力の外部電界制御手段を利用するとよい。
【００４５】
更に具体的な構成については、以下の実施例において説明する。
【実施例１】
【００４６】
図２は、本発明を適用できるレーザ素子を構成する一実施例を示している。本実施例において、利得媒質は共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）である。ＲＴＤにおいて生じる利得は、ミリ波帯からテラヘルツ帯までに及んでいると考えられている。ＲＴＤでは電流注入の方法としてトンネル注入を利用しており、Ｉ−Ｖ特性に負性抵抗領域が現れる。ＲＴＤにおいては利得の発生する動作点は負性抵抗領域とオーバーラップしており、通常、動作点は不安定である。したがって、レーザ発振の安定化が必要であり、本発明を適用できるレーザ素子を構成する利得媒質として好ましい例となる。
【００４７】
図２（ｂ）は本実施例におけるレーザ素子構成の断面図を示すものである。利得媒質２０３はＲＴＤであり、スペーサ層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／スペーサ層のように障壁層を三枚用いた構成になっている。これらはＩｎＰ基板上に格子整合するＩｎＧａＡｓを井戸層として、障壁層には格子整合するＩｎＡｌＡｓ、非整合のＡｌＡｓやＳｂ系のＡｌＧａＡｓＳｂを用いてもよい。より具体的には、エミッタ側からコレクタ側へ順に、以下のように半導体多層膜構造から構成する。
ＩｎＧａＡｓ ５．０ｎｍ ／ ＡｌＡｓ １．３ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ ５．６ｎｍ ／ ＩｎＡｌＡｓ ２．６ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ ７．６ ｎｍ／ＡｌＡｓ １．３ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ ５．０ｎｍ
いずれの層も意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。エミッタからトンネル注入されるキャリア（ここでは電子）は、以上の半導体多層膜構造を通過するとき、フォトンアシストトンネルと呼ばれる現象に基づいてミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域で利得を発生する。また、０．７Ｖの電界印加時においてピーク電流密度が約２８０ｋＡ／ｃｍ２、０．７−０．９Ｖにおいて負性抵抗を示すものである。
【００４８】
詳細に解析すれば、例えば、動作点を０．７Ｖとした電界印加時では、０．３‐１ＴＨｚの周波数領域で６００ｃｍ‐１程度の利得を有していると考えられる。なお、ＲＴＤの解析についてはＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４０，５２５１（２００１）を参照した。
【００４９】
このような利得媒質２０３は、負誘電率媒質でもある電気的接点２１１、２１２に挟まれる。利得媒質２０３の電気的接点２１１、２１２としては、例えばＩｎＰ基板に格子整合するｎ−ＩｎＧａＡｓ ５０ｎｍの半導体膜で構成する。ここではキャリアとして電子を選び、Ｓｉをドーパントとして用いて電子濃度を２×１０１８ｃｍ‐３とする。更に、負誘電率媒質２０１、２０２に挟まれるが、やはりＩｎＰ基板に格子整合するｎ−ＩｎＧａＡｓ １００ｎｍの半導体膜で構成する。ここでは電子濃度を１×１０１９ｃｍ‐３として、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕなどの電極２２１、２２２とオーミックに接する。ただし、以上はＩｎＰ基板上の構成の一例を示したもので、これに限るものではない。ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂやＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ／ＡｌＡｓやＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ基板上のＳｉ／ＳｉＧｅといった半導体多層膜構成も考えられる。これらの素子本体２０は、図２（ａ）における転写用基板２１上に転写され、更に、誘電体２３によって埋め込まれた埋め込み型とする。誘電体２３としては、ＢＣＢなど低誘電率で且つ損失の少ないものを選択する。このようにすると、抵抗体２２を利得媒質の側壁に接触させずに、電極２２２、２２１の間に挿入することができる。また、抵抗体２２を誘電体２３上に引き出して長さを調整することができるため、抵抗体２２の抵抗値を調整できる。ここでは、素子本体２０の大きさを表面プラズモンの伝播方向に３００μｍ、横方向に５μｍとする。なお、図２（ａ）で２０４、２０５は端面を表す。
【００５０】
以上のレーザ素子構成において、抵抗体２２は負誘電率の第一のクラッド（負誘電率媒質２０１と電気的接点２１１）と第二のクラッド（負誘電率媒質２０２と電気的接点２１２）の間へ、電極２２１、２２２を介して挿入する。本実施例では抵抗体２２の材料としては、半金属であるＢｉを用いて、リボン状の膜とする。Ｂｉを蒸着法で成膜としたときの手元の測定によると、比抵抗は約３Ω．μｍであった。したがって、比較的作製しやすい形状のＢｉ膜抵抗体２２は、抵抗値を数Ωから数十Ω程度まで任意に調整することができる。抵抗値Ｒは、発振波長から見てＢｉ膜抵抗体２２をほとんど無視できるように、
Ｚｉｎ＜Ｒ （式１）
とする。ここで、ＺｉｎはＢｉ膜抵抗体２２を配置する表面プラズモン導波路における表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさである。この部分におけるＺｉｎは、素子本体２０の表面プラズモン導波路における特性インピーダンスＺ０より十分に小さい（Ｚｉｎ＜＜Ｚ０）ため、Ｚ０より大きい抵抗値を選択すれば式１を満たすことができる。いまの場合、表面プラズモン導波路における特性インピーダンスＺ０を詳細に解析すれば、０．３−１ＴＨｚにおいて０．１Ω程度である。ただし、表面プラズモン導波路の解析方法については、素子本体２０におけるそれぞれの層の自由キャリア濃度をよく知られたドゥルーデの複素誘電率モデルに反映し、マクスウェル方程式の有限要素法ソルバを用いている。そこで、本実施例では図２（ｂ）に記述するように、片側が膜厚１．２μｍ、幅４μｍ、誘電体上の長さが１０μｍのリボン状のＢｉ膜抵抗体２２を、素子本体２０を横断するように両側に配置し、抵抗値Ｒを約３Ωへ調整する。このようにして、表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさＺｉｎとＢｉ膜抵抗体２２の抵抗値Ｒとの間にインピーダンス不整合を確保する。配置方法に関しては、本実施例の場合、端面２０４、２０５は開放端であるから、端面２０４、２０５から光学的な長さでλ／４だけ離れた部分がはじめの表面電流の極大となる部分となる。したがって、この部分より伝播方向にλ／２のピッチで部分的に抵抗体２２を配置する方法を選択する。光学的な長さｎｅＬで表され（等価屈折率ｎｅ、物理的長さＬ）、表面プラズモン導波路における等価屈折率を求め、発振波長を決めると物理的長さのピッチが求まる。いまの場合、表面プラズモン導波路における等価屈折率は０．３−１ＴＨｚ周辺で約１２である（表面プラズモン導波路の解析については上記の手法を利用した）。本実施例では、１ＴＨｚを選択することにする。このとき、光学的な長さλ／２は物理的長さに換算すると１２．５μｍである。また、素子本体２０の動作点を安定化するために、
【００５１】
【数１】
【００５２】
とする。ここで、ＮＤＲ（＜０）は動作点における素子本体２０の負性抵抗（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の値、ｒは素子全体２０に並列した抵抗体２２の抵抗の和である。いまの場合、利得媒質２０３の動作点における面積当りのＮＤＲは約−２×１０−６Ω．ｃｍ２であって、伝播方向１２．５μｍ当りのＮＤＲは約−３．２Ωとなる。このように比較的低抵抗なときは、抵抗体２２を並列に数多く配置するとよい。本実施例では、例えば、表面プラズモン導波路におけるすべての表面電流の極大となる部分に配置する。このときＢｉ膜抵抗体２２の１個当りに換算して３．２Ω以下となれば、式２を満たすことができるが、いまの場合、そのようになっている。したがって、Ｂｉ膜抵抗体２２は素子本体２０上に２４個配置される。
【００５３】
以上のレーザ素子構成において、発振波長の周辺におけるレーザ発振の安定化を確かめるために計算と、ＤＣの周辺における動作点の安定化を確かめる計算を行った。実際には、１ＴＨｚの発振波長を除く全周波数領域に、Ｂｉ膜抵抗体２２による損失の効果が見られれば安定化の効果があるといえるが、計算では便宜上、主要な二つ周波数領域で行えば十分と考えられる。
【００５４】
図３は、発振波長の周辺におけるＱ値の計算結果を示したものである。
【００５５】
計算では、本実施例のレーザ素子構成で全電磁界シミュレーションを行っている。全電磁界シミュレーションでは、３次元有限要素法ソルバとして知られる商用のアンソフト社ＨＦＳＳｖｅｒ１０．１を用いた。
【００５６】
また、負誘電率材料の指定方法としては、ドゥルーデの複素誘電率モデルを近似して用いている。近似は、ドゥルーデの複素誘電率モデルにおける交流伝導度σ（ω）を直流伝導度σ（０）へ置き換えるものである。
【００５７】
これは、負誘電率材料におけるキャリアの緩和時間τと解くべき角周波数ωの関係がωτ＜１を満たす場合、よい近似となることで知られる。
【００５８】
ここでは、シミュレーションを行う周波数領域を０．３−１ＴＨｚ周辺とする。
【００５９】
電極材２０１、２０２における電子の緩和時間τは０．０５ｐｓｅｃ、ｎ−ＩｎＧａＡｓ系の半導体材料２０１、２０２、２２１、２２２における電子の緩和時間τは０．１ｐｓｅｃとしてモデル化できることが知られている。緩和時間については非特許文献１を参照した。
【００６０】
ゆえにこれを適用し、ｎ−ＩｎＧａＡｓ系の半導体材料２０１、２０２、２２１、２２２は一律にσ（０）＝６×１０５Ｓ／ｍとする。尚、ＩｎＧａＡｓ系の半導体材料は背景誘電率１１．６が想定されるため、ｉ−ＩｎＧａＡｓ系の半導体材料２０３の誘電率は背景誘電率そのものとしておく。
【００６１】
更に、計算規模の簡略化のため、電極材２０１、２０２における内部にメッシュを用いず、表面電流のみ近似できるように直流伝導度σ（０）を十分に大きくしている。
【００６２】
以上のモデル化の下で計算を行い、図３（ａ）は計算結果を示している。これを見ると２４番目のモード（縦モード）のＱ値にピークがあり、その他のモードはＱ値が比較的小さいことがわかる。したがって、レーザ発振においては２４番目のモードが選択されるため、発振波長は安定である。また、２４番目のモードに対応する発振波長１．０５ＴＨｚであった。
【００６３】
この結果は、Ｂｉ膜抵抗体２２を上記のように表面電流が極大となる部分に挿入し、所望のレーザ発振以外のモードに損失を与えたために得られたものと考えられる。
【００６４】
図３（ｂ）は比較のための、Ｂｉ膜抵抗体２２を挿入しないときの計算結果を示している。２４番目のモードは、図３（ａ）、（ｂ）を比較するとわかるように、Ｂｉ膜抵抗体２２の影響をあまり受けていない。これは、Ｂｉ膜抵抗体２２の幅によっても前後する。図３（ｃ）は全電磁界シミュレーションに用いた解析モデルの斜視図を示すものである。それと同時に、電極材２２１とｎ−ＩｎＧａＡｓ２０１の境界部における２４番目のモードの表面電流分布を表している。全電磁界シミュレーションにおいて、Ｂｉ膜抵抗体２２は、表面電流分布の大きい部分に配置されていることが可視化されている。
【００６５】
図４は、ＤＣの周辺におけるリターン損失の計算結果を示したものである。計算は、本実施例のレーザ素子構成を集中定数回路とみなし、電極２２１、２２２を１ポートとしたｓパラメータ解析を行ったものである。
【００６６】
素子本体２０の大きさが考える周波数領域（この場合はＤＣの周辺）において十分に小さいので妥当と考えられる。
【００６７】
ここでは、素子本体２０のＮＤＲ、Ｂｉ膜抵抗体２２の合成抵抗ｒの他に、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極２２１、２２２によるオーミック接触抵抗（１×１０−７Ω．ｃｍ２）を考慮する。更に、Ｂｉ膜抵抗体２２における静電容量（ＢＣＢ２３の誘電率は２．６を仮定した）をも考慮する。
【００６８】
図４の計算結果を見るとわかるように、ＤＣ−３０ＧＨｚまでの全周波数領域において０ｄＢ以下となり、動作点は安定である。この結果は、典型的な場合、式２を満たすようにＢｉ膜抵抗体２２を挿入するときに得られる。
【００６９】
本実施例のレーザ素子構成は次の作製方法で作製することができる。
【００７０】
まず、ＩｎＰ基板上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などによって、下記の層を作製する。
【００７１】
ｎ−ＩｎＧａＡｓ層２０２、２１２、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる多重量子井戸２０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層２１１、２０１をエピタキシャル成長する。
【００７２】
その表面に電極としてＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ２２１を蒸着し、上記のような幅５μｍ、長さ３００μｍのメサ状に基板までのエッチングを行う。エッチングにはフォトリソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。次に、上記電極２２１とＡｕ薄膜を蒸着した転写用基板２１上のＡｕ薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。ＡｕＳｎなど半田を用いた加熱融着でもよい。その後、塩酸によりウエットエッチングを行うと、ＩｎＰ基板だけが選択的に除去されるため、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板２１上に転写される形となる。次に、スピンコートによりＢＣＢ２３を塗布した後、メサ状のエピタキシャル層を露出させる。更に、上記ＩｎＰ基板を除去した後に現れたｎ−ＩｎＧａＡｓ層２０２の表面に、リフトオフ法により電極２２２を形成する。最後に、リフトオフ法によりＢｉ膜抵抗体２２を蒸着して上記構成を完成する。
【００７３】
尚、本実施例における膜抵抗体の変形例としては、Ｂｉのような半金属以外に、比抵抗が比較的近い透明性導電膜も考えられる。本実施例において、このようなＩＴＯやＺｎＯなどを同様の形状の膜として用いてもよい。
【実施例２】
【００７４】
図５は、本発明を適用できるレーザ素子を構成する一実施例を示している。本実施例においても、利得媒質は実施例１と同じ共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）である。実施例１のＲＴＤのＮＤＲは比較的低抵抗なため、安定化に用いる抵抗体の抵抗値も比較的低く、例えば１個の抵抗体で１００ｍＡオーダの電流を余計に消費するものであった。ただし、抵抗体は線形抵抗体に限ることはなく非線形抵抗体でもよい。本実施例では、これを改良するための金属と半導体の界面に形成されるショットキー障壁を利用した非線形抵抗体を利用するものである。構成はやや複雑になるが、本発明を適用できるレーザ素子を構成する抵抗体として、更に好ましい例となる。
【００７５】
図５（ｂ）において、利得媒質５０３は簡単のため実施例１と同じＩｎＰ基板上のＲＴＤとする。電気的接点５１１、５１２としては電子濃度が２×１０１８ｃｍ‐３のｎ−ＩｎＧａＡｓ ５０ｎｍ、負誘電率媒質５０１、５０２としては電子濃度が１×１０１９ｃｍ‐３のｎ−ＩｎＧａＡｓ １００ｎｍの半導体膜で構成する。また、電極５２１、５２２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いる。これらの素子本体５０は、図５（ａ）における転写用基板５１上に転写され、更に、誘電体５３によって埋め込まれた埋め込み型とする。更に、本実施例では、非線形抵抗体としてショットキー障壁を用いる。そのため転写用基板５１は、比抵抗が約１Ω．ｃｍのｎ−Ｓｉ基板を用いる。ｎ−Ｓｉ５１に対して、ショットキー電極を構成するための電極材は電子デバイス技術においてよく知られており、いくつかを選択することができる。ショットキー電極材５２はリボン状の膜として、ショットキー障壁５４となるｎ−Ｓｉ５１の一表面上と素子本体５０上の電極５２２とを電気的に接続する。こうしたショットキー障壁５４を含む抵抗体５２は電極５２１、５２２と電気的に接するようになる。ここでは、素子本体５０の大きさを表面プラズモンの伝播方向に３００μｍ、横方向に５μｍとする。また、ショットキー障壁５４の表面の面積としては、例えば４μｍ角とする。
【００７６】
以上のレーザ素子構成において、ショットキー障壁５４を含む抵抗体５２は負誘電率の第一のクラッド（負誘電率媒質５０１と電気的接点５１１）と第二のクラッド（負誘電率媒質５０２と電気的接点５１２）の間へ、電極５２１、５２２を介して挿入されている。ただし、ショットキー障壁５４を含む抵抗体５２の抵抗値としては、式１は同じであるが、式２は実施例１とは異なる。具体的には、動作点における抵抗値Ｒは、発振波長から見てショットキー障壁５４を含む抵抗体５２をほとんど無視できるように、
Ｚｉｎ＜Ｒ （式１）
とする。また、素子本体５０の動作点を安定化するために、
【００７７】
【数２】
【００７８】
とする。ここで、ＮＤＲ（＜０）は動作点における素子本体５０の負性抵抗の値、ＤＲは動作点における素子全体５０に並列したショットキー障壁５４を含む抵抗体５２の微分抵抗（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の和である。この式は、式２を更に一般化したものと考えてよい。これを満たすようにショットキー電極材５２を検討した計算結果が図６である。計算では、よく知られたｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ−ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎモデルを用いた。ここで、ｎ−Ｓｉに対するショットキー障壁の高さ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｈｅｉｇｈｔ）をＰｔ、Ｐｄ、Ｔｉのそれぞれを順に０．９ｅＶ、０．８ ｅＶ、０．５ｅＶと仮定した。また、ショットキー障壁５４界面のｎ値（ｉｄｅａｌ ｆａｃｔｏｒ）については、典型的な値である１．１を仮定した。図６（ａ）において、動作点０．７Ｖを見ると、ショットキー電極材５２にＰｔを用いたとき抵抗値Ｒは１０Ω程度である。図６（ｂ）において、動作点０．７Ｖを見ると、ショットキー電極材５２にＰｔを用いたときショットキー障壁５４を含む抵抗体５２の１個の当りの微分抵抗値ＤＲは１Ω程度である。したがって、式１と式３を同時に満たすためにショットキー電極材５２はＰｔが好ましい。こうしたＰｔ５２を、実施例１と同様に、素子本体２０上に１２．５ｕｍピッチで２４個配置すると、発振波長約１ＴＨｚのレーザ発振が安定化される。
【００７９】
非線形抵抗体を用いた本実施例では、レーザ発振の安定化のために１個の抵抗体当り１０ｍＡオーダの電流を余計に消費するが、これは実施例１より小さく、好ましい変形例といえる。
【００８０】
本実施例のレーザ素子構成は次の作製方法で作製することができる。まず、ＩｎＰ基板上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などによって、下記の層を形成する。
【００８１】
ｎ−ＩｎＧａＡｓ層５０２、５１２、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる多重量子井戸５０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層５１１、５０１をエピタキシャル成長する。
【００８２】
その表面に電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ５２１を蒸着し、上記のような幅５μｍ、長さ３００μｍのメサ状に基板までのエッチングを行う。エッチングにはフォトリソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。また、転写用ｎ−Ｓｉ基板５１には上記のような４μｍ角のメサ状にエッチングを行い、エッチングした部分へはＴｉ／Ａｕ薄膜を蒸着する。次に、上記電極５２１と転写用ｎ−Ｓｉ基板５１上のＴｉ／Ａｕ薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。ＡｕＳｎなど半田を用いた加熱融着でもよい。その後、塩酸によりウエットエッチングを行うと、ＩｎＰ基板だけが選択的に除去されるため、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板５１上に転写される形となる。次に、スピンコートによりＢＣＢ５３を塗布した後、メサ状のエピタキシャル層を露出させる。更に、上記ＩｎＰ基板を除去した後に現れたｎ−ＩｎＧａＡｓ層５０２の表面に、リフトオフ法により電極５２２を形成する。最後に、リフトオフ法によりＰｔ５２を蒸着して上記構成を完成する。
【実施例３】
【００８３】
図７は、本発明を適用できるレーザ素子を構成する一実施例を示している。本実施例において、利得媒質は量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造である。このような利得媒質において、サブバンド間遷移に基づいて生じる利得はテラヘルツ帯に広く及んでいると考えられる。量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造においても電流注入の方法としてトンネル注入を利用しており、Ｉ−Ｖ特性に負性抵抗領域が現れる。例えば、図８はその典型例を示している。利得の発生する動作点は負性抵抗領域を一部含んでおり、このような領域を動作点に選ぶとき、通常は、不安定である。更に、図８はＩ−Ｖ特性に加えて、電流レーザ発振出力特性（Ｉ−Ｌ特性）も示しており、負性抵抗領域においてＩ−Ｌ特性の失活する様子が見て取れる。ここでは電流Ｉを横軸にとっているが、このような典型例は、例えば、電圧Ｖを制御するときに見られる現象である。したがって、レーザ発振の安定化が必要であり、本発明を適用できるレーザ素子を構成する利得媒質として好ましい例となる。
【００８４】
図７（ｂ）において、利得媒質７０３は量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造である。
【００８５】
例えば、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層のように障壁層を四枚用いたモジュールを繰り返した構成になっている。
【００８６】
繰り返しの一単位は、当業者であればよく知られた４−ｗｅｌｌ型の設計となっているが、３−ｗｅｌｌ型、或いはＢｏｕｎｄ−ｔｏ−Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ型を用いてもよい。これらはＧａＡｓ基板上に格子整合するＧａＡｓを井戸層として、障壁層には格子整合するＡｌＧａＡｓや非整合のＡｌＧａＡｓを用いてもよい。
より具体的には、エミッタ側からコレクタ側へ順に、
ＡｌＧａＡｓ ４．９ｎｍ／ＧａＡｓ ７．９ｎｍ／ＡｌＧａＡｓ ２．５ｎｍ／ＧａＡｓ ６．６ｎｍ／ＡｌＧａＡｓ ４．１ｎｍ／ｎ−ＧａＡｓ １５．６ｎｍ／ＡｌＧａＡｓ ３．３ｎｍ／ＧａＡｓ ９．０ｎｍ
の半導体多層膜構造を１７８回繰り返して構成する。
【００８７】
なお、利得媒質の構成についてはＯｐｔ．Ｅｘｐｒ．，Ｖｏｌ．１３，３３３１（２００５）を参照した。ここで、１５．６ｎｍのｎ−ＧａＡｓは当業者であればよく知られたインジェクタと呼ばれる層であって、キャリアドープを行い、２×１０１６ｃｍ‐３程度の軽微な電子濃度とする。他の層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。エミッタからトンネル注入されるキャリア（ここでは電子）は、以上の半導体多層膜構造を通過するとき、サブバンド間遷移に基づいてテラヘルツ帯の周波数領域で利得を発生する。また、１３Ｖの電界印加時においてピーク電流密度（図８におけるＪｐに相当）が約０．８ｋＡ／ｃｍ２、１３−１４Ｖにおいて負性抵抗を示すものである。このような利得媒質７０３は、電気的接点を兼ねた負誘電率媒質７０１、７０２に挟まれる。利得媒質７０３の電気的接点７０１、７０２としては、例えばＧａＡｓ基板に格子整合するｎ−ＧａＡｓ ５０ｎｍの半導体膜で構成する。ここでは電子濃度を５×１０１８ｃｍ‐３とする。このようにして、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕなどの電極５２１、５２２とオーミックに接する。ただし、以上はＧａＡｓ基板上の構成の一例を示したもので、これに限るものではない。ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂやＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、Ｓｉ基板上のＳｉ／ＳｉＧｅといった半導体多層膜構成も考えられる。これらの素子本体７０は、図７（ａ）における転写用基板７１上に転写され、更に、誘電体７３によって埋め込まれた埋め込み型とする。誘電体７３としては、ＢＣＢなど低誘電率で且つ損失の少ないものを選択する。ここでは、素子本体７０の大きさを表面プラズモンの伝播方向に１０００μｍ、横方向に２０μｍとする。なお、図７（ａ）で７０４、７０５は端面を表す。
【００８８】
以上のレーザ素子構成において、抵抗体７２は負誘電率の第一のクラッド（負誘電率媒質２０１）と第二のクラッド（負誘電率媒質２０２）の間へ、電極７２１、７２２を介して挿入する。本実施例では抵抗体７２の材料としては、透明性導電膜であるＩＴＯを用いて、リボン状の膜とする。ＩＴＯを低温環境下においてＲＦスパッタ法で成膜したとき、比抵抗は１０Ω．μｍ程度として知られている（比抵抗については、日本学術振興会“透明導電膜の技術”オーム社（１９９９）の５章を参照した）。抵抗値Ｒは、発振波長から見てＩＴＯ膜抵抗体７２をほとんど無視できるように、
Ｚｉｎ＜Ｒ （式１）
とする。ＺｉｎはＩＴＯ膜抵抗体７２を配置する表面プラズモン導波路における表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさである。この部分におけるＺｉｎは、素子本体７０の表面プラズモン導波路における特性インピーダンスＺ０より十分に小さい（Ｚｉｎ＜＜Ｚ０）ため、Ｚ０より大きい抵抗値を選択すれば式１を満たすことができる。いまの場合、表面プラズモン導波路における特性インピーダンスＺ０を詳細に解析すれば、３ＴＨｚ周辺において６０Ω程度である。ただし、表面プラズモン導波路の解析方法については、素子本体５０におけるそれぞれの層の自由キャリア濃度をよく知られたドゥルーデの複素誘電率モデルに反映し、マクスウェル方程式の有限要素法ソルバを用いている。そこで、本実施例では図７（ｂ）に記述するように、片側が膜厚１．０μｍ、幅５μｍ、誘電体上の長さが４０μｍのリボン状のＩＴＯ膜抵抗体７２を、素子本体７０を横断するように片側に配置し、抵抗値Ｒを約８０Ωへ調整する。このようにして、表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさＺｉｎとＩＴＯ膜抵抗体７２の抵抗値Ｒとの間にインピーダンス不整合を確保する。配置方法に関しては、本実施例の場合、端面７０４、７０５は開放端であるから、端面７０４、７０５から光学的な長さでλ／４だけ離れた部分がはじめの表面電流の極大となる部分となる。したがって、この部分より伝播方向にλ／２のピッチで部分的に抵抗体７２を配置する方法を選択する。光学的な長さはｎｅＬで表され（等価屈折率ｎｅ、物理的長さＬ）、表面プラズモン導波路における等価屈折率を求め、発振波長を決めると物理的長さのピッチが求まる。いまの場合、表面プラズモン導波路における等価屈折率は３ＴＨｚ周辺で約３．０である（表面プラズモン導波路の解析については上記の手法を利用した）。本実施例では、３ＴＨｚを選択することにする。このとき、光学的な長さλ／２は物理的長さに換算すると１６．７μｍである。また、素子本体７０の動作点を安定化するために、
【００８９】
【数３】
【００９０】
とする。ここで、ＮＤＲ（＜０）は動作点における素子本体７０の負性抵抗（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の値、ｒは素子全体７０に並列した抵抗体７２の抵抗の和である。いまの場合、利得媒質７０３の動作点における面積当りのＮＤＲは約−１×１０−２Ω．ｃｍ２であって、伝播方向１６．７μｍ当りのＮＤＲは約−３０００Ωとなる。このように比較的高抵抗なときは、抵抗体７２を並列に数少なく配置するとよい。本実施例では、例えば、表面プラズモン導波路における端面７０４、７０５からはじめの表面電流の極大となる部分に配置する。このときＩＴＯ膜抵抗体７２の１個当りに換算して１００Ω以下となれば、式２を満たすことができるが、いまの場合、そのようになっている。こうしたＩＴＯ膜抵抗体７２を素子本体７０上に２個配置すると、発振波長約３ＴＨｚのレーザ発振が安定化される。
【００９１】
本実施例のレーザ素子構成は次の作製方法で作製することができる。まず、ＧａＡｓ基板上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などによって、ＡｌＧａＡｓによるエッチストップ層、ｎ−ＧａＡｓ層７０２、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓによる多重量子井戸７０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層７０１をエピタキシャル成長する。その表面に電極としてＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ７２１を蒸着し、上記のような幅２０μｍ、長さ１０００μｍのメサ状に基板までのエッチングを行う。エッチングにはフォトリソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。次に、上記電極７２１とＡｕ薄膜を蒸着した転写用基板７１上のＡｕ薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。ＡｕＳｎなど半田を用いた加熱融着でもよい。その後、アンモニア水と過酸化水素水によりウエットエッチングを行うと、エッチストップ層までＧａＡｓ基板だけが選択的に除去される。更にエッチストップ層を除去すると、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板７１上に転写される形となる。次に、スピンコートによりＢＣＢ７３を塗布した後、メサ状のエピタキシャル層を露出させる。更に、上記ＩｎＰ基板を除去した後に現れたｎ−ＧａＡｓ層７０２の表面に、リフトオフ法により電極７２２を形成する。最後に、リフトオフ法によりＩＴＯ膜抵抗体７２を成膜して上記構成を完成する。
【００９２】
尚、本実施例における膜抵抗体の変形例としては、ＩＴＯのような透明性導電膜の外に、比抵抗が比較的近い半導体も考えられる。本実施例において、このようなｐｏｌｙ−Ｓｉなどを同様の形状の膜として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明を実施するための最良の形態について示す図。
【図２】実施例１のレーザ素子構成について示す図。
【図３】実施例１において、本発明を適用することのできる抵抗体によってレーザ発振の発振波長が安定化されることを説明する図。
【図４】実施例１において、本発明を適用することのできる抵抗体によってレーザ発振の動作点が安定化されることを説明する図。
【図５】実施例２のレーザ素子構成について示す図。
【図６】実施例２において、本発明を適用することのできる非線形抵抗体を説明する図。
【図７】実施例３のレーザ素子構成について示す図。
【図８】従来の長波長レーザにおいてレーザ発振の動作点が不安定であることを説明する図。
【符号の説明】
【００９４】
１０１、１０２、２０１、２０２、５０１、５０２ 負誘電率媒質
１１１、１１２、２１１、２１２、５１１、５１２、７０１、７０２ 電気的接点（負誘電率媒質）
１０３、２０３、５０３、６０３ 利得媒質
１２１、１２２、２２１、２２２、５２１、５２２、７２１、７２２ 電極
１０４、１０５、２０４、２０５、５０４、５０５、７０４、７０５ 端面
１０、２０、５０、７０ 素子本体
１１ 基板
２１、５１、７１ 転写用基板
１２ 抵抗体
２２、７２ 膜抵抗体
５２ ショットキー電極（抵抗体）
１３、２３、５３、６３ 誘電体
５４ ショットキー障壁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利得媒質が、電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で挟まれた発振素子に関する。特に、３０ＧＨｚ乃至３０ＴＨｚの周波数領域内の周波数を含む電磁波を出力するレーザ素子に関する。
【０００２】
なお、以下では、３０ＧＨｚ乃至３０ＴＨｚの周波数領域の電磁波をミリ波及びテラヘルツ波と称する。但し、３０ＧＨｚ寄りの領域をミリ波帯、３０ＴＨｚ寄りの領域をテラヘルツ帯と称する場合もある。
【背景技術】
【０００３】
新しい種類の半導体レーザとして、伝導帯或いは価電子帯の同一エネルギー帯内におけるキャリアのエネルギー準位間遷移（サブバンド間遷移）に基づく量子カスケードレーザと呼ばれる半導体レーザがある。
【０００４】
量子カスケードレーザの発振波長は、光学遷移に関する二つのエネルギー準位のエネルギー間隔に依存する。従って、広いスペクトル領域（中赤外域からテラヘルツ帯まで）に亘って発振波長を選択できる可能性があり、はじめに、中赤外域の４．２μｍに発振波長が選択された構成によって、このようなレーザが実現可能であることが実証された。
【０００５】
最近では、生体センシングなどに有用と考えられているテラヘルツ帯の電磁波資源の需要もあり、発振波長を中赤外域より長波長側に選択された長波長レーザの開発が行われるようになっている。
【０００６】
長波長レーザでは、その周波数領域において利得を有するような利得媒質の構成とともに、同利得媒質へのタイトな光閉じ込めを行える表面プラズモン導波路と呼ばれる構造を伴っている。これは、従来の半導体レーザで知られるような誘電体クラッドによって光閉じ込めを行うものとは異なるものである。
【０００７】
特許文献１は、誘電率実部が負である負誘電率媒質をクラッドとして用いる方法を開示している。このとき、クラッドに導かれる導波モードは、表面プラズモンと呼ばれる負誘電率媒質内の荷電キャリアの分極振動が寄与した電磁波である。表面プラズモンには回折限界が存在しないため、モード強度の多くを、利得媒質へ閉じ込めることが可能である。
【０００８】
このような手法を用いることによって、発振波長が長波長よりの１１．４μｍのレーザ発振を達成している。
【０００９】
また、非特許文献１は、誘電率実部が負である負誘電率媒質をクラッドとして、利得媒質の上下に配する方法を開示している。このときも、クラッドに導かれる導波モードは表面プラズモンである。二枚の負誘電率媒質をクラッドとした利得媒質では、特許文献１と比べても更に多くのモード強度を利得媒質へ閉じ込めることが可能である。このような手法を用いることによって、発振波長が更に長波長よりの約１００μｍ（３ＴＨｚ）のレーザ発振を達成している。
【００１０】
このような表面プラズモン導波路と呼ばれる構造を伴った長波長レーザにおいて、所望のレーザ発振を得るための安定化が試されている。特許文献２では、異なる負誘電率媒質を導波モードの伝播方向に繰り返したＤＦＢ構造として発振波長を安定化する手法を開示している。一方で、発振波長が更に長波長よりのテラヘルツ帯ともなると、電子デバイスにおける安定化技術も利用できる可能性がある。非特許文献２は、電子デバイスであるが、アンテナ型共振器の外部に抵抗体を挿入して０．５９ＴＨｚ（５１１μｍ）の発振を安定化する手法を開示している。
【特許文献１】特開２０００−１３８４２０号公報
【特許文献２】特開２００１−２９１９２９号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８３，２１２４（２００３）
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４４，７８０９（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の長波長レーザにおいて、利得媒質への電流注入の方法として、トンネル注入が使用されるため、動作点が安定せずにレーザ発振を不安定にする場合があるという課題があった。
【００１２】
動作点が安定しないのは、トンネル注入に伴い電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）において負性抵抗領域が現れるためで、典型的な光半導体レーザには見られない現象である。したがって、特許文献２に開示される手法は、従来の長波長レーザのための十分な安定化構造とはいえず、動作点をも安定化させることもできる安定化構造が求められていた。また、非特許文献２に開示される手法は電子デバイスにおける安定化手法のため、そのままレーザに用いるとレーザ発振が得られなくなる問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るレーザ素子は、特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記電磁波が前記導波路を伝搬する際に、
前記第二のクラッドを基準としたときの前記第一のクラッドにおける表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと前記第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るレーザ素子は、特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記導波路の前記第一のクラッドにおける前記第二のクラッドを基準とした前記電磁波の表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、別の本発明に係るレーザ素子は、
発振されるべき電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記利得媒質は前記電磁波の伝播方向に沿って伸びて、その厚さ方向の上下において、前記電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の第一のクラッドと第二のクラッドで挟まれて前記導波路を構成しており、
前記導波路の前記第一のクラッドにおける前記第二のクラッドを基準とした前記発振されるべき電磁波の表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来の長波長レーザ素子の発振波長を安定化する上に、従来不安定であった動作点におけるレーザ発振の安定化をも行えるようになる。
【００１７】
これは、例えば、効率のよい動作点を選ぶことによるレーザ発振の出力の増大、動作点を掃引することによる発振波長の可変動作など、レーザ発振の基本的な制御を可能にする。これに伴い、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで３０ＧＨｚ乃至３０ＴＨｚの周波数領域におけるアプリケーション、例えば、生体センシングなどに用いるスペクトル検査とこれに基づく物質の同定や、イメージングなどに適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
第１の本発明に係るレーザ素子は、特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、以下の特徴を有する。
【００１９】
即ち、前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されている。そして、前記電磁波が前記導波路を伝搬する際に、前記第二のクラッドを基準としたときの前記第一のクラッドにおける表面電流が極大となる部分に、抵抗体を備える。ここでいう抵抗体とは、前記第一のクラッドと前記第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体である。
【００２０】
この抵抗体自体は、第一のクラッド上部あるいは第二のクラッド下部（図２の第二のクラッド１０１からみて基板１１側）に設けることができる。
【００２１】
前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において開放端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の四分の一だけ離れた部分を少なくとも含むように構成できる。
【００２２】
前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において固定端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の二分の一だけ離れた部分を少なくとも含むように構成できる。
【００２３】
前記抵抗体は、例えば、導電性材料で形成される膜抵抗体で構成したり、半金属、透明性導電膜又は半導体によって構成できる。また、前記抵抗体は、金属と前記半導体の間に生じるショットキー障壁を含む抵抗体である。
【００２４】
なお、前記表面電流が極大となる部分が複数有る場合には、前記複数の表面電流が極大となる部分には抵抗温度係数の符号の異なる前記抵抗体を備える構成にできる。
【００２５】
前記負誘電率媒質は、金属、キャリアドープした半導体、又は金属とキャリアドープした半導体によって構成さできる。
【００２６】
前記利得媒質は、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオードで構成できる。
【００２７】
前記電磁波の周波数は３０ＧＨｚから３０ＴＨｚまでの周波数領域内の周波数を含む電磁波であることが好適である。
【００２８】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本発明を適用できるレーザ素子構成を表し、図１（ａ）は本発明を適用できるレーザ素子構成の斜視図、図１（ｂ）は本発明を適用できるレーザ素子構成の断面図を示すものである。
【００３０】
図１（ｂ）において、１０１と１０２は負誘電率媒質であって、発振されるべき電磁波の周波数領域において負の誘電率実部を有する物質である。ミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域においては、例えば、キャリアドープした半導体（例えば、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉなど）、金属（例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌなど）、またはこれらの複数の物質によって構成される。
【００３１】
また、図１（ｂ）において、１０３は上記の負誘電率媒質１０１、１０２で上下を挟まれた利得媒質である。利得媒質は、一般に、キャリアを注入すると利得が発生する物質であって、外部から電流注入を行うためには利得媒質１０３と負誘電率媒質１０１、１０２との電気的な接触を図る必要がある。このため、高濃度キャリアドープされた半導体を電気的接点１１１、１１２として利用する。ここで、高濃度とは、少なくとも誘電率実部が負になるようなキャリア濃度より濃度が高いものとする。
【００３２】
また、１２１と１２２は電極である。
【００３３】
このような構成で、負誘電率媒質１０１、１０２と電気的接点１１１、１１２はミリ波帯やテラヘルツ帯の電磁波にとって、幾何光学的な反射面をなすクラッドとして機能する。したがって、このようなクラッド（負誘電率媒質１０１、１０２と電気的接点１１１、１１２）によって導かれる電磁波は、回折限界をもたない表面プラズモンが導波モードとして許容される。このことによって、利得媒質１０３の厚さの制約が少なくなり、長波長レーザに好ましいといえる。
【００３４】
ところで、このようなクラッド（負誘電率媒質１０１、１０２と電気的接点１１１、１１２）に沿って伝搬する表面プラズモンは、クラッドの内部におけるキャリアの変動を伴いながら伝播するものである。したがって、クラッドの内部におけるキャリアの変動を制御することができると、表面プラズモンそのものを制御すること可能になると考えられる。
【００３５】
荷電キャリアの制御方法としては、真空管におけるグリッドのように、空間部分における電位をあらかじめ与えておく方法が考えられる。一方で、一般にレーザにおいて、電磁波は共振器構造において定在波を形成するものであって、ある発振波長を考えると、共振器構造の空間電位は時間的に一定となっている。表面プラズモン導波路を伴った長波長レーザにおいて、これらの関係は大変都合よく、これを積極的に利用したレーザ発振の制御を考えることができる。すなわち、クラッド（負誘電率媒質１０１、１０２と電気的接点１１１、１１２）における電磁波の節となる部分又は腹となる部分に電極などを挿入すれば、レーザ発振を制御することが可能である。
【００３６】
更に、挿入すべき電極を有限な電気抵抗を持たせた構造へ置き換えると、電流注入における動作点の制御も可能にする。１２はこのための抵抗体である。後述するように、動作点の制御のために抵抗体１２の電気抵抗は、典型的には、比較的小さい値が好ましい。
【００３７】
比較的低抵抗な抵抗体１２は、挿入した部分の電位を一定にするように働くため、表面プラズモン導波路において発振されるべき電磁波の節となる部分を注意して選んで抵抗体１２を挿入する。
【００３８】
ここで、電磁波の節となる部分は、導波路における第二のクラッドを基準とした第一のクラッドの電位と表面電流の関係で読み替えると、表面電流が極大となる部分のことを指す。第一のクラッドとは、負誘電率媒質１０１と電気的接点１１１で構成される。第二のクラッドとは、負誘電率媒質１０２と電気的接点１１２で構成される。電気的接点は必要に応じて省略できる。
【００３９】
もちろん、第一のクラッドを基準とした第二のクラッドの電位と表面電流の関係で読み替え、表面電流が極大となる部分としてもよい。或いは、発振を望まない電磁波で考えれば、抵抗体１２は表面電流が極大とはならない部分（例えば、電磁波の腹）へ挿入されていることになる。すなわち、抵抗体１２は空間電位を一定にするように働くため、発振を望まない電磁波に対しては損失として働く。本発明を適用できる最良の形態において、抵抗体１２は、このような現象を利用して発振波長を安定化する。
【００４０】
利得媒質１０３としては、例えば、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いてもよい。量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造を用いてもよい。これらは、電流注入によってミリ波帯やテラヘルツ帯の電磁波に電磁波利得を発生する。ただし、電流注入を行う際トンネル注入を伴っており、利得を発生させるの動作点付近のＩ−Ｖ特性には負性抵抗領域を持つ。負性抵抗領域は、非線形微分方程式であるｖａｎ ｄｅｌ ｐｏｌ方程式で記述されるように、不安定な分岐である。したがって、このような利得媒質１０３を選ぶとき、所望の動作点を設定するための安定化が必須となる。負性抵抗領域のおける不安定性を安定化するためには、電子デバイス技術でよく知られるように、負性抵抗より低抵抗な抵抗器を並列に挿入して全体を受動回路とする方法が考えられ、本発明を適用できる最良の形態においた抵抗体１２がこれを担う。
【００４１】
図１（ａ）において、共振器構造は端面１０４、１０５によって形成する。図１（ａ）のように端面の処理がされていない場合は、開放端となる。したがって、開放端１０４、１０５の部分はこのような導波路型共振器において表面電流が極小となる。これは、端面１０４、１０５における寄生リアクタンス成分を無視した極限での近似であるが、典型的な場合、よい近似となっている。このとき、端面１０４、１０５から導波路に沿って表面電流がはじめて極大となる部分は、発振波長をλとした光学的な長さでλ／４だけ離れた部分となる。これは電気的な長さではπ／２に相当する。あとは分布定数回路と同様に、光学的な長さでλ／２毎に（電気的な長さでいうとπ毎に）定常的に等価な部分が現れる。或いは、端面における第一のクラッド（負誘電率媒質１０１と電気的接点１１１）と第二のクラッド（負誘電率媒質１０２と電気的接点１１２）を短絡するように端面の処理を行うと、固定端となる。この場合、固定端１０４、１０５の部分はこのような導波路型共振器において表面電流が極大となる。このとき、端面１０４、１０５から導波路に沿って表面電流がはじめて極大となる部分は、発振波長をλとした光学的な長さでλ／２だけ離れた部分となる。これは電気的な長さではπに相当する。あとは分布定数回路と同様に、光学的な長さでλ／２毎に（電気的な長さでいうとπ毎に）定常的に等価な部分が現れる。いずれの場合も、抵抗体１２は、表面プラズモン導波路における発振されるべき電磁波の表面電流が極大となる部分へ挿入する。尚、挿入される抵抗体１２は最低１個でもよいが、十分な安定化を期すためには複数個が望ましい。
【００４２】
抵抗体１２は負誘電率の第一のクラッド（負誘電率媒質１０１と電気的接点１１１）と第二のクラッド（負誘電率媒質１０２と電気的接点１１２）の間へ挿入されればよく、例えば、図１（ｂ）のように電極１２１、１２２を介して挿入する。もちろん、これに限ることはなく負誘電率媒質１０１と１０２を横方向に引き出して、直接、電気的に接するようにしてもよい。いずれにしても、利得媒質１０３の側壁に接触しないようにすればよい。そのための１３はパッシベーションのために設けられた領域であり、図１（ｂ）のように誘電体を充填する。好ましくは低誘電率で低損失な誘電体か、ほぼ無損失なエアギャップがよい。
【００４３】
抵抗体１２の構成としては、比較的低抵抗な抵抗値を実現しやすいような導電性材料が好ましいといえる。例えば、半金属（例えば、Ｂｉ、グラファイト）や透明性導電膜（例えばＩＴＯ、ＺｎＯやＺｎＳｎ）が考えられる。また、ｐｏｌｙ−Ｓｉのような比較的電気伝導度の高い半導体でもよい。これらは、素子本体１０の上の成膜した膜抵抗体１２として用いると、寄生リアクタンスも低減することができ、また、モノリシック化のためにも好ましい。ただし、膜抵抗体１２は、材料や形状などがそれぞれ異なるものでもよく、一般には、図１（ｂ）のように１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ．．．などと表される。例えば、１２Ａ、１２Ｃは温度が上がるほど電気伝導度が下がるような抵抗温度係数を持つ半金属、１２Ｂは温度が上がるほど電気伝導度が上がるような抵抗温度係数を持つ半導体などとしてもよい。というのも、膜抵抗体１２の抵抗値によっては、安定化のための電流によってジュール熱が発生することがあるが、これらを補償する方法も考えられるからである。透明性半導体はどちらの使い方もできる。また、抵抗体１２はこれに限ることはなく、あとで説明するように、安定化のために流れる電流そのものを抑制することができる非線形抵抗体を利用してもよい。
【００４４】
このようなレーザ素子の駆動は、図示しない外部電界制御手段に電極１２１、１２２を接続して行えばよい。ただし、利得媒質１０３への電流注入と安定化のために抵抗体１２を流れる電流を考慮し、十分な駆動能力の外部電界制御手段を利用するとよい。
【００４５】
更に具体的な構成については、以下の実施例において説明する。
【実施例１】
【００４６】
図２は、本発明を適用できるレーザ素子を構成する一実施例を示している。本実施例において、利得媒質は共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）である。ＲＴＤにおいて生じる利得は、ミリ波帯からテラヘルツ帯までに及んでいると考えられている。ＲＴＤでは電流注入の方法としてトンネル注入を利用しており、Ｉ−Ｖ特性に負性抵抗領域が現れる。ＲＴＤにおいては利得の発生する動作点は負性抵抗領域とオーバーラップしており、通常、動作点は不安定である。したがって、レーザ発振の安定化が必要であり、本発明を適用できるレーザ素子を構成する利得媒質として好ましい例となる。
【００４７】
図２（ｂ）は本実施例におけるレーザ素子構成の断面図を示すものである。利得媒質２０３はＲＴＤであり、スペーサ層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／スペーサ層のように障壁層を三枚用いた構成になっている。これらはＩｎＰ基板上に格子整合するＩｎＧａＡｓを井戸層として、障壁層には格子整合するＩｎＡｌＡｓ、非整合のＡｌＡｓやＳｂ系のＡｌＧａＡｓＳｂを用いてもよい。より具体的には、エミッタ側からコレクタ側へ順に、以下のように半導体多層膜構造から構成する。
ＩｎＧａＡｓ ５．０ｎｍ ／ ＡｌＡｓ １．３ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ ５．６ｎｍ ／ ＩｎＡｌＡｓ ２．６ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ ７．６ ｎｍ／ＡｌＡｓ １．３ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ ５．０ｎｍ
いずれの層も意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。エミッタからトンネル注入されるキャリア（ここでは電子）は、以上の半導体多層膜構造を通過するとき、フォトンアシストトンネルと呼ばれる現象に基づいてミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域で利得を発生する。また、０．７Ｖの電界印加時においてピーク電流密度が約２８０ｋＡ／ｃｍ２、０．７−０．９Ｖにおいて負性抵抗を示すものである。
【００４８】
詳細に解析すれば、例えば、動作点を０．７Ｖとした電界印加時では、０．３‐１ＴＨｚの周波数領域で６００ｃｍ‐１程度の利得を有していると考えられる。なお、ＲＴＤの解析についてはＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４０，５２５１（２００１）を参照した。
【００４９】
このような利得媒質２０３は、負誘電率媒質でもある電気的接点２１１、２１２に挟まれる。利得媒質２０３の電気的接点２１１、２１２としては、例えばＩｎＰ基板に格子整合するｎ−ＩｎＧａＡｓ ５０ｎｍの半導体膜で構成する。ここではキャリアとして電子を選び、Ｓｉをドーパントとして用いて電子濃度を２×１０１８ｃｍ‐３とする。更に、負誘電率媒質２０１、２０２に挟まれるが、やはりＩｎＰ基板に格子整合するｎ−ＩｎＧａＡｓ １００ｎｍの半導体膜で構成する。ここでは電子濃度を１×１０１９ｃｍ‐３として、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕなどの電極２２１、２２２とオーミックに接する。ただし、以上はＩｎＰ基板上の構成の一例を示したもので、これに限るものではない。ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂやＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ／ＡｌＡｓやＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ基板上のＳｉ／ＳｉＧｅといった半導体多層膜構成も考えられる。これらの素子本体２０は、図２（ａ）における転写用基板２１上に転写され、更に、誘電体２３によって埋め込まれた埋め込み型とする。誘電体２３としては、ＢＣＢなど低誘電率で且つ損失の少ないものを選択する。このようにすると、抵抗体２２を利得媒質の側壁に接触させずに、電極２２２、２２１の間に挿入することができる。また、抵抗体２２を誘電体２３上に引き出して長さを調整することができるため、抵抗体２２の抵抗値を調整できる。ここでは、素子本体２０の大きさを表面プラズモンの伝播方向に３００μｍ、横方向に５μｍとする。なお、図２（ａ）で２０４、２０５は端面を表す。
【００５０】
以上のレーザ素子構成において、抵抗体２２は負誘電率の第一のクラッド（負誘電率媒質２０１と電気的接点２１１）と第二のクラッド（負誘電率媒質２０２と電気的接点２１２）の間へ、電極２２１、２２２を介して挿入する。本実施例では抵抗体２２の材料としては、半金属であるＢｉを用いて、リボン状の膜とする。Ｂｉを蒸着法で成膜としたときの手元の測定によると、比抵抗は約３Ω．μｍであった。したがって、比較的作製しやすい形状のＢｉ膜抵抗体２２は、抵抗値を数Ωから数十Ω程度まで任意に調整することができる。抵抗値Ｒは、発振波長から見てＢｉ膜抵抗体２２をほとんど無視できるように、
Ｚｉｎ＜Ｒ （式１）
とする。ここで、ＺｉｎはＢｉ膜抵抗体２２を配置する表面プラズモン導波路における表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさである。この部分におけるＺｉｎは、素子本体２０の表面プラズモン導波路における特性インピーダンスＺ０より十分に小さい（Ｚｉｎ＜＜Ｚ０）ため、Ｚ０より大きい抵抗値を選択すれば式１を満たすことができる。いまの場合、表面プラズモン導波路における特性インピーダンスＺ０を詳細に解析すれば、０．３−１ＴＨｚにおいて０．１Ω程度である。ただし、表面プラズモン導波路の解析方法については、素子本体２０におけるそれぞれの層の自由キャリア濃度をよく知られたドゥルーデの複素誘電率モデルに反映し、マクスウェル方程式の有限要素法ソルバを用いている。そこで、本実施例では図２（ｂ）に記述するように、片側が膜厚１．２μｍ、幅４μｍ、誘電体上の長さが１０μｍのリボン状のＢｉ膜抵抗体２２を、素子本体２０を横断するように両側に配置し、抵抗値Ｒを約３Ωへ調整する。このようにして、表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさＺｉｎとＢｉ膜抵抗体２２の抵抗値Ｒとの間にインピーダンス不整合を確保する。配置方法に関しては、本実施例の場合、端面２０４、２０５は開放端であるから、端面２０４、２０５から光学的な長さでλ／４だけ離れた部分がはじめの表面電流の極大となる部分となる。したがって、この部分より伝播方向にλ／２のピッチで部分的に抵抗体２２を配置する方法を選択する。光学的な長さｎｅＬで表され（等価屈折率ｎｅ、物理的長さＬ）、表面プラズモン導波路における等価屈折率を求め、発振波長を決めると物理的長さのピッチが求まる。いまの場合、表面プラズモン導波路における等価屈折率は０．３−１ＴＨｚ周辺で約１２である（表面プラズモン導波路の解析については上記の手法を利用した）。本実施例では、１ＴＨｚを選択することにする。このとき、光学的な長さλ／２は物理的長さに換算すると１２．５μｍである。また、素子本体２０の動作点を安定化するために、
【００５１】
【数１】
【００５２】
とする。ここで、ＮＤＲ（＜０）は動作点における素子本体２０の負性抵抗（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の値、ｒは素子全体２０に並列した抵抗体２２の抵抗の和である。いまの場合、利得媒質２０３の動作点における面積当りのＮＤＲは約−２×１０−６Ω．ｃｍ２であって、伝播方向１２．５μｍ当りのＮＤＲは約−３．２Ωとなる。このように比較的低抵抗なときは、抵抗体２２を並列に数多く配置するとよい。本実施例では、例えば、表面プラズモン導波路におけるすべての表面電流の極大となる部分に配置する。このときＢｉ膜抵抗体２２の１個当りに換算して３．２Ω以下となれば、式２を満たすことができるが、いまの場合、そのようになっている。したがって、Ｂｉ膜抵抗体２２は素子本体２０上に２４個配置される。
【００５３】
以上のレーザ素子構成において、発振波長の周辺におけるレーザ発振の安定化を確かめるために計算と、ＤＣの周辺における動作点の安定化を確かめる計算を行った。実際には、１ＴＨｚの発振波長を除く全周波数領域に、Ｂｉ膜抵抗体２２による損失の効果が見られれば安定化の効果があるといえるが、計算では便宜上、主要な二つ周波数領域で行えば十分と考えられる。
【００５４】
図３は、発振波長の周辺におけるＱ値の計算結果を示したものである。
【００５５】
計算では、本実施例のレーザ素子構成で全電磁界シミュレーションを行っている。全電磁界シミュレーションでは、３次元有限要素法ソルバとして知られる商用のアンソフト社ＨＦＳＳｖｅｒ１０．１を用いた。
【００５６】
また、負誘電率材料の指定方法としては、ドゥルーデの複素誘電率モデルを近似して用いている。近似は、ドゥルーデの複素誘電率モデルにおける交流伝導度σ（ω）を直流伝導度σ（０）へ置き換えるものである。
【００５７】
これは、負誘電率材料におけるキャリアの緩和時間τと解くべき角周波数ωの関係がωτ＜１を満たす場合、よい近似となることで知られる。
【００５８】
ここでは、シミュレーションを行う周波数領域を０．３−１ＴＨｚ周辺とする。
【００５９】
電極材２０１、２０２における電子の緩和時間τは０．０５ｐｓｅｃ、ｎ−ＩｎＧａＡｓ系の半導体材料２０１、２０２、２２１、２２２における電子の緩和時間τは０．１ｐｓｅｃとしてモデル化できることが知られている。緩和時間については非特許文献１を参照した。
【００６０】
ゆえにこれを適用し、ｎ−ＩｎＧａＡｓ系の半導体材料２０１、２０２、２２１、２２２は一律にσ（０）＝６×１０５Ｓ／ｍとする。尚、ＩｎＧａＡｓ系の半導体材料は背景誘電率１１．６が想定されるため、ｉ−ＩｎＧａＡｓ系の半導体材料２０３の誘電率は背景誘電率そのものとしておく。
【００６１】
更に、計算規模の簡略化のため、電極材２０１、２０２における内部にメッシュを用いず、表面電流のみ近似できるように直流伝導度σ（０）を十分に大きくしている。
【００６２】
以上のモデル化の下で計算を行い、図３（ａ）は計算結果を示している。これを見ると２４番目のモード（縦モード）のＱ値にピークがあり、その他のモードはＱ値が比較的小さいことがわかる。したがって、レーザ発振においては２４番目のモードが選択されるため、発振波長は安定である。また、２４番目のモードに対応する発振波長１．０５ＴＨｚであった。
【００６３】
この結果は、Ｂｉ膜抵抗体２２を上記のように表面電流が極大となる部分に挿入し、所望のレーザ発振以外のモードに損失を与えたために得られたものと考えられる。
【００６４】
図３（ｂ）は比較のための、Ｂｉ膜抵抗体２２を挿入しないときの計算結果を示している。２４番目のモードは、図３（ａ）、（ｂ）を比較するとわかるように、Ｂｉ膜抵抗体２２の影響をあまり受けていない。これは、Ｂｉ膜抵抗体２２の幅によっても前後する。図３（ｃ）は全電磁界シミュレーションに用いた解析モデルの斜視図を示すものである。それと同時に、電極材２２１とｎ−ＩｎＧａＡｓ２０１の境界部における２４番目のモードの表面電流分布を表している。全電磁界シミュレーションにおいて、Ｂｉ膜抵抗体２２は、表面電流分布の大きい部分に配置されていることが可視化されている。
【００６５】
図４は、ＤＣの周辺におけるリターン損失の計算結果を示したものである。計算は、本実施例のレーザ素子構成を集中定数回路とみなし、電極２２１、２２２を１ポートとしたｓパラメータ解析を行ったものである。
【００６６】
素子本体２０の大きさが考える周波数領域（この場合はＤＣの周辺）において十分に小さいので妥当と考えられる。
【００６７】
ここでは、素子本体２０のＮＤＲ、Ｂｉ膜抵抗体２２の合成抵抗ｒの他に、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極２２１、２２２によるオーミック接触抵抗（１×１０−７Ω．ｃｍ２）を考慮する。更に、Ｂｉ膜抵抗体２２における静電容量（ＢＣＢ２３の誘電率は２．６を仮定した）をも考慮する。
【００６８】
図４の計算結果を見るとわかるように、ＤＣ−３０ＧＨｚまでの全周波数領域において０ｄＢ以下となり、動作点は安定である。この結果は、典型的な場合、式２を満たすようにＢｉ膜抵抗体２２を挿入するときに得られる。
【００６９】
本実施例のレーザ素子構成は次の作製方法で作製することができる。
【００７０】
まず、ＩｎＰ基板上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などによって、下記の層を作製する。
【００７１】
ｎ−ＩｎＧａＡｓ層２０２、２１２、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる多重量子井戸２０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層２１１、２０１をエピタキシャル成長する。
【００７２】
その表面に電極としてＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ２２１を蒸着し、上記のような幅５μｍ、長さ３００μｍのメサ状に基板までのエッチングを行う。エッチングにはフォトリソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。次に、上記電極２２１とＡｕ薄膜を蒸着した転写用基板２１上のＡｕ薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。ＡｕＳｎなど半田を用いた加熱融着でもよい。その後、塩酸によりウエットエッチングを行うと、ＩｎＰ基板だけが選択的に除去されるため、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板２１上に転写される形となる。次に、スピンコートによりＢＣＢ２３を塗布した後、メサ状のエピタキシャル層を露出させる。更に、上記ＩｎＰ基板を除去した後に現れたｎ−ＩｎＧａＡｓ層２０２の表面に、リフトオフ法により電極２２２を形成する。最後に、リフトオフ法によりＢｉ膜抵抗体２２を蒸着して上記構成を完成する。
【００７３】
尚、本実施例における膜抵抗体の変形例としては、Ｂｉのような半金属以外に、比抵抗が比較的近い透明性導電膜も考えられる。本実施例において、このようなＩＴＯやＺｎＯなどを同様の形状の膜として用いてもよい。
【実施例２】
【００７４】
図５は、本発明を適用できるレーザ素子を構成する一実施例を示している。本実施例においても、利得媒質は実施例１と同じ共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）である。実施例１のＲＴＤのＮＤＲは比較的低抵抗なため、安定化に用いる抵抗体の抵抗値も比較的低く、例えば１個の抵抗体で１００ｍＡオーダの電流を余計に消費するものであった。ただし、抵抗体は線形抵抗体に限ることはなく非線形抵抗体でもよい。本実施例では、これを改良するための金属と半導体の界面に形成されるショットキー障壁を利用した非線形抵抗体を利用するものである。構成はやや複雑になるが、本発明を適用できるレーザ素子を構成する抵抗体として、更に好ましい例となる。
【００７５】
図５（ｂ）において、利得媒質５０３は簡単のため実施例１と同じＩｎＰ基板上のＲＴＤとする。電気的接点５１１、５１２としては電子濃度が２×１０１８ｃｍ‐３のｎ−ＩｎＧａＡｓ ５０ｎｍ、負誘電率媒質５０１、５０２としては電子濃度が１×１０１９ｃｍ‐３のｎ−ＩｎＧａＡｓ １００ｎｍの半導体膜で構成する。また、電極５２１、５２２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いる。これらの素子本体５０は、図５（ａ）における転写用基板５１上に転写され、更に、誘電体５３によって埋め込まれた埋め込み型とする。更に、本実施例では、非線形抵抗体としてショットキー障壁を用いる。そのため転写用基板５１は、比抵抗が約１Ω．ｃｍのｎ−Ｓｉ基板を用いる。ｎ−Ｓｉ５１に対して、ショットキー電極を構成するための電極材は電子デバイス技術においてよく知られており、いくつかを選択することができる。ショットキー電極材５２はリボン状の膜として、ショットキー障壁５４となるｎ−Ｓｉ５１の一表面上と素子本体５０上の電極５２２とを電気的に接続する。こうしたショットキー障壁５４を含む抵抗体５２は電極５２１、５２２と電気的に接するようになる。ここでは、素子本体５０の大きさを表面プラズモンの伝播方向に３００μｍ、横方向に５μｍとする。また、ショットキー障壁５４の表面の面積としては、例えば４μｍ角とする。
【００７６】
以上のレーザ素子構成において、ショットキー障壁５４を含む抵抗体５２は負誘電率の第一のクラッド（負誘電率媒質５０１と電気的接点５１１）と第二のクラッド（負誘電率媒質５０２と電気的接点５１２）の間へ、電極５２１、５２２を介して挿入されている。ただし、ショットキー障壁５４を含む抵抗体５２の抵抗値としては、式１は同じであるが、式２は実施例１とは異なる。具体的には、動作点における抵抗値Ｒは、発振波長から見てショットキー障壁５４を含む抵抗体５２をほとんど無視できるように、
Ｚｉｎ＜Ｒ （式１）
とする。また、素子本体５０の動作点を安定化するために、
【００７７】
【数２】
【００７８】
とする。ここで、ＮＤＲ（＜０）は動作点における素子本体５０の負性抵抗の値、ＤＲは動作点における素子全体５０に並列したショットキー障壁５４を含む抵抗体５２の微分抵抗（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の和である。この式は、式２を更に一般化したものと考えてよい。これを満たすようにショットキー電極材５２を検討した計算結果が図６である。計算では、よく知られたｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ−ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎモデルを用いた。ここで、ｎ−Ｓｉに対するショットキー障壁の高さ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｈｅｉｇｈｔ）をＰｔ、Ｐｄ、Ｔｉのそれぞれを順に０．９ｅＶ、０．８ ｅＶ、０．５ｅＶと仮定した。また、ショットキー障壁５４界面のｎ値（ｉｄｅａｌ ｆａｃｔｏｒ）については、典型的な値である１．１を仮定した。図６（ａ）において、動作点０．７Ｖを見ると、ショットキー電極材５２にＰｔを用いたとき抵抗値Ｒは１０Ω程度である。図６（ｂ）において、動作点０．７Ｖを見ると、ショットキー電極材５２にＰｔを用いたときショットキー障壁５４を含む抵抗体５２の１個の当りの微分抵抗値ＤＲは１Ω程度である。したがって、式１と式３を同時に満たすためにショットキー電極材５２はＰｔが好ましい。こうしたＰｔ５２を、実施例１と同様に、素子本体２０上に１２．５ｕｍピッチで２４個配置すると、発振波長約１ＴＨｚのレーザ発振が安定化される。
【００７９】
非線形抵抗体を用いた本実施例では、レーザ発振の安定化のために１個の抵抗体当り１０ｍＡオーダの電流を余計に消費するが、これは実施例１より小さく、好ましい変形例といえる。
【００８０】
本実施例のレーザ素子構成は次の作製方法で作製することができる。まず、ＩｎＰ基板上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などによって、下記の層を形成する。
【００８１】
ｎ−ＩｎＧａＡｓ層５０２、５１２、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる多重量子井戸５０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層５１１、５０１をエピタキシャル成長する。
【００８２】
その表面に電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ５２１を蒸着し、上記のような幅５μｍ、長さ３００μｍのメサ状に基板までのエッチングを行う。エッチングにはフォトリソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。また、転写用ｎ−Ｓｉ基板５１には上記のような４μｍ角のメサ状にエッチングを行い、エッチングした部分へはＴｉ／Ａｕ薄膜を蒸着する。次に、上記電極５２１と転写用ｎ−Ｓｉ基板５１上のＴｉ／Ａｕ薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。ＡｕＳｎなど半田を用いた加熱融着でもよい。その後、塩酸によりウエットエッチングを行うと、ＩｎＰ基板だけが選択的に除去されるため、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板５１上に転写される形となる。次に、スピンコートによりＢＣＢ５３を塗布した後、メサ状のエピタキシャル層を露出させる。更に、上記ＩｎＰ基板を除去した後に現れたｎ−ＩｎＧａＡｓ層５０２の表面に、リフトオフ法により電極５２２を形成する。最後に、リフトオフ法によりＰｔ５２を蒸着して上記構成を完成する。
【実施例３】
【００８３】
図７は、本発明を適用できるレーザ素子を構成する一実施例を示している。本実施例において、利得媒質は量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造である。このような利得媒質において、サブバンド間遷移に基づいて生じる利得はテラヘルツ帯に広く及んでいると考えられる。量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造においても電流注入の方法としてトンネル注入を利用しており、Ｉ−Ｖ特性に負性抵抗領域が現れる。例えば、図８はその典型例を示している。利得の発生する動作点は負性抵抗領域を一部含んでおり、このような領域を動作点に選ぶとき、通常は、不安定である。更に、図８はＩ−Ｖ特性に加えて、電流レーザ発振出力特性（Ｉ−Ｌ特性）も示しており、負性抵抗領域においてＩ−Ｌ特性の失活する様子が見て取れる。ここでは電流Ｉを横軸にとっているが、このような典型例は、例えば、電圧Ｖを制御するときに見られる現象である。したがって、レーザ発振の安定化が必要であり、本発明を適用できるレーザ素子を構成する利得媒質として好ましい例となる。
【００８４】
図７（ｂ）において、利得媒質７０３は量子カスケードレーザで用いられる数百から数千層もの半導体多層膜構造である。
【００８５】
例えば、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層のように障壁層を四枚用いたモジュールを繰り返した構成になっている。
【００８６】
繰り返しの一単位は、当業者であればよく知られた４−ｗｅｌｌ型の設計となっているが、３−ｗｅｌｌ型、或いはＢｏｕｎｄ−ｔｏ−Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ型を用いてもよい。これらはＧａＡｓ基板上に格子整合するＧａＡｓを井戸層として、障壁層には格子整合するＡｌＧａＡｓや非整合のＡｌＧａＡｓを用いてもよい。
より具体的には、エミッタ側からコレクタ側へ順に、
ＡｌＧａＡｓ ４．９ｎｍ／ＧａＡｓ ７．９ｎｍ／ＡｌＧａＡｓ ２．５ｎｍ／ＧａＡｓ ６．６ｎｍ／ＡｌＧａＡｓ ４．１ｎｍ／ｎ−ＧａＡｓ １５．６ｎｍ／ＡｌＧａＡｓ ３．３ｎｍ／ＧａＡｓ ９．０ｎｍ
の半導体多層膜構造を１７８回繰り返して構成する。
【００８７】
なお、利得媒質の構成についてはＯｐｔ．Ｅｘｐｒ．，Ｖｏｌ．１３，３３３１（２００５）を参照した。ここで、１５．６ｎｍのｎ−ＧａＡｓは当業者であればよく知られたインジェクタと呼ばれる層であって、キャリアドープを行い、２×１０１６ｃｍ‐３程度の軽微な電子濃度とする。他の層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。エミッタからトンネル注入されるキャリア（ここでは電子）は、以上の半導体多層膜構造を通過するとき、サブバンド間遷移に基づいてテラヘルツ帯の周波数領域で利得を発生する。また、１３Ｖの電界印加時においてピーク電流密度（図８におけるＪｐに相当）が約０．８ｋＡ／ｃｍ２、１３−１４Ｖにおいて負性抵抗を示すものである。このような利得媒質７０３は、電気的接点を兼ねた負誘電率媒質７０１、７０２に挟まれる。利得媒質７０３の電気的接点７０１、７０２としては、例えばＧａＡｓ基板に格子整合するｎ−ＧａＡｓ ５０ｎｍの半導体膜で構成する。ここでは電子濃度を５×１０１８ｃｍ‐３とする。このようにして、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕなどの電極５２１、５２２とオーミックに接する。ただし、以上はＧａＡｓ基板上の構成の一例を示したもので、これに限るものではない。ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂやＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、Ｓｉ基板上のＳｉ／ＳｉＧｅといった半導体多層膜構成も考えられる。これらの素子本体７０は、図７（ａ）における転写用基板７１上に転写され、更に、誘電体７３によって埋め込まれた埋め込み型とする。誘電体７３としては、ＢＣＢなど低誘電率で且つ損失の少ないものを選択する。ここでは、素子本体７０の大きさを表面プラズモンの伝播方向に１０００μｍ、横方向に２０μｍとする。なお、図７（ａ）で７０４、７０５は端面を表す。
【００８８】
以上のレーザ素子構成において、抵抗体７２は負誘電率の第一のクラッド（負誘電率媒質２０１）と第二のクラッド（負誘電率媒質２０２）の間へ、電極７２１、７２２を介して挿入する。本実施例では抵抗体７２の材料としては、透明性導電膜であるＩＴＯを用いて、リボン状の膜とする。ＩＴＯを低温環境下においてＲＦスパッタ法で成膜したとき、比抵抗は１０Ω．μｍ程度として知られている（比抵抗については、日本学術振興会“透明導電膜の技術”オーム社（１９９９）の５章を参照した）。抵抗値Ｒは、発振波長から見てＩＴＯ膜抵抗体７２をほとんど無視できるように、
Ｚｉｎ＜Ｒ （式１）
とする。ＺｉｎはＩＴＯ膜抵抗体７２を配置する表面プラズモン導波路における表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさである。この部分におけるＺｉｎは、素子本体７０の表面プラズモン導波路における特性インピーダンスＺ０より十分に小さい（Ｚｉｎ＜＜Ｚ０）ため、Ｚ０より大きい抵抗値を選択すれば式１を満たすことができる。いまの場合、表面プラズモン導波路における特性インピーダンスＺ０を詳細に解析すれば、３ＴＨｚ周辺において６０Ω程度である。ただし、表面プラズモン導波路の解析方法については、素子本体５０におけるそれぞれの層の自由キャリア濃度をよく知られたドゥルーデの複素誘電率モデルに反映し、マクスウェル方程式の有限要素法ソルバを用いている。そこで、本実施例では図７（ｂ）に記述するように、片側が膜厚１．０μｍ、幅５μｍ、誘電体上の長さが４０μｍのリボン状のＩＴＯ膜抵抗体７２を、素子本体７０を横断するように片側に配置し、抵抗値Ｒを約８０Ωへ調整する。このようにして、表面電流が極大となる部分の入力インピーダンスの大きさＺｉｎとＩＴＯ膜抵抗体７２の抵抗値Ｒとの間にインピーダンス不整合を確保する。配置方法に関しては、本実施例の場合、端面７０４、７０５は開放端であるから、端面７０４、７０５から光学的な長さでλ／４だけ離れた部分がはじめの表面電流の極大となる部分となる。したがって、この部分より伝播方向にλ／２のピッチで部分的に抵抗体７２を配置する方法を選択する。光学的な長さはｎｅＬで表され（等価屈折率ｎｅ、物理的長さＬ）、表面プラズモン導波路における等価屈折率を求め、発振波長を決めると物理的長さのピッチが求まる。いまの場合、表面プラズモン導波路における等価屈折率は３ＴＨｚ周辺で約３．０である（表面プラズモン導波路の解析については上記の手法を利用した）。本実施例では、３ＴＨｚを選択することにする。このとき、光学的な長さλ／２は物理的長さに換算すると１６．７μｍである。また、素子本体７０の動作点を安定化するために、
【００８９】
【数３】
【００９０】
とする。ここで、ＮＤＲ（＜０）は動作点における素子本体７０の負性抵抗（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の値、ｒは素子全体７０に並列した抵抗体７２の抵抗の和である。いまの場合、利得媒質７０３の動作点における面積当りのＮＤＲは約−１×１０−２Ω．ｃｍ２であって、伝播方向１６．７μｍ当りのＮＤＲは約−３０００Ωとなる。このように比較的高抵抗なときは、抵抗体７２を並列に数少なく配置するとよい。本実施例では、例えば、表面プラズモン導波路における端面７０４、７０５からはじめの表面電流の極大となる部分に配置する。このときＩＴＯ膜抵抗体７２の１個当りに換算して１００Ω以下となれば、式２を満たすことができるが、いまの場合、そのようになっている。こうしたＩＴＯ膜抵抗体７２を素子本体７０上に２個配置すると、発振波長約３ＴＨｚのレーザ発振が安定化される。
【００９１】
本実施例のレーザ素子構成は次の作製方法で作製することができる。まず、ＧａＡｓ基板上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などによって、ＡｌＧａＡｓによるエッチストップ層、ｎ−ＧａＡｓ層７０２、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓによる多重量子井戸７０３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層７０１をエピタキシャル成長する。その表面に電極としてＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ７２１を蒸着し、上記のような幅２０μｍ、長さ１０００μｍのメサ状に基板までのエッチングを行う。エッチングにはフォトリソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。次に、上記電極７２１とＡｕ薄膜を蒸着した転写用基板７１上のＡｕ薄膜との間で、圧着によるボンディングを行う。ＡｕＳｎなど半田を用いた加熱融着でもよい。その後、アンモニア水と過酸化水素水によりウエットエッチングを行うと、エッチストップ層までＧａＡｓ基板だけが選択的に除去される。更にエッチストップ層を除去すると、メサ状のエピタキシャル層が転写用基板７１上に転写される形となる。次に、スピンコートによりＢＣＢ７３を塗布した後、メサ状のエピタキシャル層を露出させる。更に、上記ＩｎＰ基板を除去した後に現れたｎ−ＧａＡｓ層７０２の表面に、リフトオフ法により電極７２２を形成する。最後に、リフトオフ法によりＩＴＯ膜抵抗体７２を成膜して上記構成を完成する。
【００９２】
尚、本実施例における膜抵抗体の変形例としては、ＩＴＯのような透明性導電膜の外に、比抵抗が比較的近い半導体も考えられる。本実施例において、このようなｐｏｌｙ−Ｓｉなどを同様の形状の膜として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明を実施するための最良の形態について示す図。
【図２】実施例１のレーザ素子構成について示す図。
【図３】実施例１において、本発明を適用することのできる抵抗体によってレーザ発振の発振波長が安定化されることを説明する図。
【図４】実施例１において、本発明を適用することのできる抵抗体によってレーザ発振の動作点が安定化されることを説明する図。
【図５】実施例２のレーザ素子構成について示す図。
【図６】実施例２において、本発明を適用することのできる非線形抵抗体を説明する図。
【図７】実施例３のレーザ素子構成について示す図。
【図８】従来の長波長レーザにおいてレーザ発振の動作点が不安定であることを説明する図。
【符号の説明】
【００９４】
１０１、１０２、２０１、２０２、５０１、５０２ 負誘電率媒質
１１１、１１２、２１１、２１２、５１１、５１２、７０１、７０２ 電気的接点（負誘電率媒質）
１０３、２０３、５０３、６０３ 利得媒質
１２１、１２２、２２１、２２２、５２１、５２２、７２１、７２２ 電極
１０４、１０５、２０４、２０５、５０４、５０５、７０４、７０５ 端面
１０、２０、５０、７０ 素子本体
１１ 基板
２１、５１、７１ 転写用基板
１２ 抵抗体
２２、７２ 膜抵抗体
５２ ショットキー電極（抵抗体）
１３、２３、５３、６３ 誘電体
５４ ショットキー障壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記電磁波が前記導波路を伝搬する際に、前記第二のクラッドを基準としたときの前記第一のクラッドにおける表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと前記第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とするレーザ素子。
【請求項２】
前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において開放端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の四分の一だけ離れた部分を少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ素子。
【請求項３】
前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において固定端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の二分の一だけ離れた部分を少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ素子。
【請求項４】
前記抵抗体は、導電性材料で形成される膜抵抗体であることを特徴とする請求項１から３までいずれか記載のレーザ素子。
【請求項５】
前記抵抗体は、半金属、透明性導電膜又は半導体によって構成されることを特徴とする請求項１から４までいずれか記載のレーザ素子。
【請求項６】
前記抵抗体は、金属と前記半導体の間に生じるショットキー障壁を含む抵抗体であることを特徴とした請求項１から５までいずれか記載の記載のレーザ素子。
【請求項７】
前記表面電流が極大となる部分は複数有り、前記複数の表面電流が極大となる部分には抵抗温度係数の符号の異なる前記抵抗体を備えることを特徴とする請求項１から５までいずれか記載の記載のレーザ素子。
【請求項８】
前記負誘電率媒質は、金属、キャリアドープした半導体、又は金属とキャリアドープした半導体によって構成されることを特徴とする請求項１から６までいずれかに記載のレーザ素子。
【請求項９】
前記利得媒質は、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項１から７までいずれか記載のレーザ素子。
【請求項１０】
前記電磁波の周波数は３０ＧＨｚから３０ＴＨｚまでの周波数領域内の周波数を含む電磁波であることを特徴とする請求項１から９までいずれか記載のレーザ素子。
【請求項１】
特定の電磁波に対して利得を有する利得媒質と、前記電磁波を共振させるための共振器構造を備えたレーザ素子であって、
前記電磁波に対する誘電率実部が負である負誘電率媒質で構成される第一のクラッドと第二のクラッドと間に前記利得媒質を介在させて導波路が形成されており、
前記電磁波が前記導波路を伝搬する際に、前記第二のクラッドを基準としたときの前記第一のクラッドにおける表面電流が極大となる部分に、前記第一のクラッドと前記第二のクラッドとの間の電位差を安定させるための抵抗体を備えることを特徴とするレーザ素子。
【請求項２】
前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において開放端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の四分の一だけ離れた部分を少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ素子。
【請求項３】
前記導波路は、前記電磁波の前記伝播方向において固定端となる端面を有しており、前記抵抗体を備える部分は、前記端面より光学的な長さで前記電磁波の波長の二分の一だけ離れた部分を少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ素子。
【請求項４】
前記抵抗体は、導電性材料で形成される膜抵抗体であることを特徴とする請求項１から３までいずれか記載のレーザ素子。
【請求項５】
前記抵抗体は、半金属、透明性導電膜又は半導体によって構成されることを特徴とする請求項１から４までいずれか記載のレーザ素子。
【請求項６】
前記抵抗体は、金属と前記半導体の間に生じるショットキー障壁を含む抵抗体であることを特徴とした請求項１から５までいずれか記載の記載のレーザ素子。
【請求項７】
前記表面電流が極大となる部分は複数有り、前記複数の表面電流が極大となる部分には抵抗温度係数の符号の異なる前記抵抗体を備えることを特徴とする請求項１から５までいずれか記載の記載のレーザ素子。
【請求項８】
前記負誘電率媒質は、金属、キャリアドープした半導体、又は金属とキャリアドープした半導体によって構成されることを特徴とする請求項１から６までいずれかに記載のレーザ素子。
【請求項９】
前記利得媒質は、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項１から７までいずれか記載のレーザ素子。
【請求項１０】
前記電磁波の周波数は３０ＧＨｚから３０ＴＨｚまでの周波数領域内の周波数を含む電磁波であることを特徴とする請求項１から９までいずれか記載のレーザ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−５９９２２（Ｐ２００９−５９９２２Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２６３４１（Ｐ２００７−２２６３４１）
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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