理化学研究所（理研）は，テラヘルツ量子カスケードレーザー（THz-QCL）の室温以上における発振動作を初めて理論的に予測した（ニュースリリース）。
THz光を光源とした「テラヘルツ量子カスケードレーザー（THz-QCL）」は，小型，高効率・高出力，狭線幅，連続発振，安価，高耐久性などの特徴を持つ優れた半導体レーザーとして実用化が期待されている。しかし，従来THz-QCLは低温でしか動作せず，室温発振が難しいことが問題となってきた。
THz-QCLの発振エネルギーは，3THzで12meVと小さく，室温における電子のエネルギー（26meV）よりも小さいため，室温動作を実現するには，熱励起電子による電子リークが大きな制限要因となる。
GaAs系半導体を用いたTHz-QCLでは，電子-LOフォノン散乱による強い光吸収が36meV（9THz）で起こり，熱励起電子によるLOフォノン散乱を介した電子リークチャネルが問題となる。従って，室温動作を実現するには，これらのリークチャネルの全てを遮断する必要がある。
そのため研究グループは，動作に関わる三つの量子準位を他の準位から完全に分離（アイソレート）する機構を提案した。
①従来の共鳴トンネル注入を改変した「間接注入機構」の導入
②隣接準位への電子リークチャネルの遮断（アイソレート3準位機構の実現）
③熱励起電子LOフォノン散乱の低減
次に，これら3条件を満たす「変形2量子井戸型構造」を発案した。従来の「2量子井戸型構造」は，さまざまな電子リークチャネルが存在し，それによって光利得は低減する。一方，提案では300K（27℃）でも電子リークチャネルが全て遮断され，レーザー発振に必要な高い光利得が得られるという。
さらに，発振準位の対角遷移の割合を大きくし，振動子強度を0.18程度に低減したときに，熱励起電子によるLOフォノン散乱リークチャネルが低減され，大きな反転分布が起こることが分かった。300Kにおいて，導波路の光損失を打ち消すのに十分な光利得が得られ，室温でのレーザー発振が可能であり，最高動作温度は340K（67℃）であることが示された。
これに基づき，実際にGaAs/AlGaAs系THz-QCLを作製し，高温動作を試みた。その結果，研究グループがこれまで実現した最高動作温度160K（-113℃）程度に対し，202K（-71℃）の動作温度を達成した。
ただし，300K以上の動作温度が実現していないのは，QCL構造の結晶成長の際の超格子の膜厚揺らぎが原因と考えられ，膜厚揺らぎの精度を0.2%程度に抑えることで高温動作が可能だという。
研究グループは今後，THz-QCLの室温動作により，実用化に大きな貢献が期待できるとしている。
