高温動作可能な高出力テラヘルツ量子カスケードレーザー

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非平衡グリーン関数計算による新しいリーク電流の解析

2019-02-15  理化学研究所

理化学研究所(理研)光量子工学研究センターテラヘルツ量子素子研究チームの林宗澤研究員、王利特別研究員、王科研究員(研究当時)、平山秀樹チームリーダーらの共同研究チームは、「非平衡グリーン関数法[1]」に基づく第一原理計算[2]を用いて、「テラヘルツ光[3]」を光源として用いる「テラヘルツ量子カスケードレーザー[4]」の高出力化および高温動作性能の向上に成功しました。

本研究成果は、イメージングや短距離超高速大容量無線通信[5]に向けた半導体レーザーへのテラヘルツ光の応用に貢献すると期待できます。

テラヘルツ量子カスケードレーザーには高出力、連続動作、狭線幅[6]などの特長があるものの、動作温度は最高でも199.5K(-73.65℃)と低く、室温での動作にはまだ至っていません。

今回、共同研究チームは、非平衡グリーン関数法に基づいた第一原理計算によって、テラヘルツ量子カスケードレーザーの発光層構造における電子密度分布・電流分布・光利得[7]を直接計算する方法を開発し、これらが液体ヘリウム温度(4K、-269℃)から室温までの間でどのように変動するかをシミュレーションしました。これにより、従来の構造設計では定量化が難しかった、上位発光準位[8]から発光過程に直接寄与しない遠距離の高エネルギーサブバンド準位[9]への「リーク電流[10]」の存在を発見し、高出力動作および高温動作に対するこのリーク電流の影響を解析しました。そして、このリーク電流を抑制する新たな構造のデバイスを設計・作製し、液体窒素温度(77K、-196℃)での高出力化を実現しました。

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