CN101288184B - 中红外共振腔发光二极管 - Google Patents
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Abstract
揭示了一种共振腔发光二极管(RCLED)装置，具有在其内设置有一个或者多个量子阱的第一有源区域、连接到第一有源区域的第一腔和第二腔，以及分别连接到第一和第二腔的第一反射器和第二反射器。该RCLED可以最优化成在二氧化碳吸收带中发射辐射。
Description
技术领域
本发明涉及特别应用于中红外装置的新型共振腔发光二极管(RCLED)。
背景技术
红外探测是一种光学方法，其使用结合一个或多个探测器的一个或多个红外源。当在大气中测量特定气体的浓度时，原理是简单的：源和探测器之间的气体越多，越多的红外能量即光被吸收，并且因此传感器测量的透过的辐射减少。使用红外光谱经常是在各种介质比如大气、血液和各种其它流体中测量气体浓度的优选方法。
二氧化碳在4.26微米具有特别显著的吸收峰，因此理论上它是易于测量的气体之一。不幸的是，设计来监测二氧化碳峰(通过在4.26微米发射信号)的常规红外源会遇到各种问题。例如，IR LED的峰波长输出经常趋向于随不同的电流水平和温度的变化而漂移。此外，常规装置几乎从来不发射具有与二氧化碳吸收峰相当的轮廓的红外能量，因此降低了探测系统的灵敏度。因此，需要有关红外源的新技术。
发明内容
在第一实施例中，能够发射具有峰状轮廓并有中心波长(λ)的辐射的共振腔发光二极管(RCLED)装置包括：第一有源区域，具有平面形状并带有顶部和底部，并且在其内设置有一个或者多个量子阱，其中该一个或者多个量子阱构造成提供能量以激发该RCLED的辐射输出，并且位于RCLED共振波的反节点位置附近；第一腔(chamber)，相邻于该第一有源区域的顶侧，其中第一腔具有一厚度使得其从第一有源区域的中间延伸第一距离，而第二腔相邻于第一有源区域的底侧，其中第一有源区域、第一腔和第二腔构造成使得RCLED产生具有在红外区域中的中心波长的电磁辐射，并且其中第一有源区域、第一腔和第二腔的总厚度约为或少于2λ。
在第二实施例中，能够发射具有峰状轮廓并有中心波长(λ)的辐射的共振腔发光二极管(RCLED)装置包括第一有源区域、连接到第一有源区域的第一腔和第二腔，以及分别连接到第一腔和第二腔的第一反射器和第二反射器，该第一有源区域具有一个或者多个量子阱设置其内，其中在RCLED内辐射的主共振通道约为或者小于2.5λ。
在第三方面中，描述了操作共振腔发光二极管(RCLED)装置的方法，该RCLED装置具有第一有源区域、连接到第一有源区域的第一腔和第二腔，以及分别连接到第一腔和第二腔的第一反射器和第二反射器，在该第一有源区域内设置有一个或者多个量子阱。该方法包括在RCLED中使用量子阱转换电能以发射电磁能，使用发射的电磁能在RCLED内产生具有凹槽的轮廓并有中心波长λ的共振电磁信号，其中使用包括第一有源区域、第一腔和第二腔的主共振通道产生共振信号，并且其中主共振通道不大于3λ，且部分电磁能穿过第一反射器或者第二反射器。
因此，已经概述了本发明的某些实施例，从而可以更好地理解这里其详细的描述，而且从而可以更好地理解本发明对本领域的贡献。当然，还有下面将描述的本发明的其它实施例，它们将形成附于此处的权利要求的主题。
在此方面中，在详细说明本发明至少一个实施例之前，应当理解的是，本发明不局限于其应用下面描述中所阐述的或者附图中所图解的构造细节和部件的布置。本发明能采取描述的那些之外的实施例，并且能以各种方式实践和实施。同样，应当理解的是，在此所采用的措辞和术语以及抽象概念是为了描述的目的，而不应当看成为限制。
同样，本领域的技术人员应当理解的是，本公开所基于的构思可以易于用作实施本发明几个目的的其它结构、方法和系统的设计基础。因此，重要的是在将权利要求看成包括这样的等同构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。
附图说明
图1是第一示范性RCLED装置。
图2示出了图1中的RCLED装置内的示范性层次序。
图3是第二示范性RCLED装置。
图4示出了图3中的RCLED装置内的第一示范性层次序。
图5示出了图3中的RCLED装置内的第二示范性层次序。
图6示出了在无二氧化碳的大气中的RCLED电磁输出的示范性轮廓，其中叠加了通过包含二氧化碳的大气过滤的相同电磁输出的示范性轮廓。
图7示出了对于范围为50mA至100mA的不同驱动电流的RCLED的示范性输出轮廓簇。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明，其中相同的附图标记通篇指代相同的部件。根据本发明的各种实施例可以提供能经济地制造且高度稳定的共振腔发光二极管(RCLED)。当RCLED适当构造以产生具有从约14到24的合适的品质因子(quality factor)的4.26微米的中心波长时，该RCLED对于能够在测量大气或其它流体中二氧化碳浓度非常小的变化的二氧化碳探测器的使用会极其有用。
通常，下文中描述的RCLED装置得益于至少两个方面：它们所用的结构和材料。下面更详细地描述结构优点的细节。首次查看时可能不太明显的是采用砷化铟(InAs)作为主要材料的优点和缺点。InAs的几个优点包括其高导电率和传输红外光。尽管InAs因为其具有窄的带隙也可能会带来问题(导致各种预期的问题)，但是所揭示的装置和方法的发明人已经提供大量的解决方案，以克服这样的问题来解决相关工业中留下的尚未解决的问题。
图1是根据所揭示方法和系统的第一示范性RCLED装置100。如图1所示，装置100从具有窗口122的顶部电极102开始包括多个层/区域102-118。
该顶部电极102的具体结构取决于其中从装置100的顶部发射输出能量的RCLED装置。尽管描述的为网状结构(mesh-type structure)，但是应当理解的是，也可以采用其它电极，例如，具有不同形状的窗口的电极，具有透明或半透明性质的导体等。应当注意的是，电极102的网状结构不是按比例绘制的，而是为了关系的清楚相对于RCLED装置的其余部分增加了尺寸。应当理解的是，任何网状结构应该允许大部分电磁能通过在空气和层104之间的界面的网中的孔离开该装置。
由于下面解释的原因，所希望的是在电极102或者更精确地在层102和104的接合处提供反射器。尽管在RCLED装置100内层102的下侧可以提供有限的反射，但是主要的反射不是得自于任何金属反射器，而是由于半导体材料本身。例如，给定InAs和空气各自的折射系数的差异的情形，在InAs/空气界面中反射器通常可以是固有的。尽管对于密切关注的红外波长，这样的空气/半导体反射器(～30％)的反射系数不如金反射器(～98％)高，但是可以存在要求较低反射的各种实施例，并且没有金反射器意味着更低的生产成本。
在另一个实施例中，比如金的金属反射器设置在层104和空气的界面上，该金属反射器将98％的电磁能反射回到装置中。在这些实施例中(下面讨论)，底部DBR反射器可以制造得更加透明，并且电磁能量可以通过底面离开装置100。
直接在顶部电极102之下的是两个邻接的层104和106，它们形成“第一腔”。通常，层104和106是相同的材料，例如InAs，但是称为“电流散布层(current spreading layer)”的层104可以用各种杂质重掺杂，以允许对顶部电极102适当的电接口(electrical interface)，即防止形成寄生二极管并且降低电阻。另外，层104的掺杂可以提供自由电子源，以有助于使RCLED装置100更有效地工作，消耗更少的电力，并且有助于表面发射更为均匀和更亮。
直接在层106下方的是所谓的“有源层”108。为了该讨论的目的，有源层是能够将电能转换成电磁能例如光能的器件或者结构。有源层108的位置是位于共振电磁波的反节点(anti-node)，在此处有源层108的自发发射通常可以用于最好地“激励”RCLED装置100。
示范性有源层108包括由交替的非掺杂的InAs和InAsSb层形成的多个量子阱。应当注意的是，每个非掺杂的InAs层都是覆层，而每个InAsSb层是量子阱。应当注意的是，对于具有InAs(1-x)Sbx成分的量子阱，调整值x允许获得期望的波长。在该情形中，具有11％的InSb和89％的InAs的量子阱可以提供4.26微米的理想波长。
然而，当可能必要时或者另外希望获得对于气体的感测必要的不同波长的发射时，任何内在的量子阱的具体形式和成分可以在不同的实施例(具有不同的效率)间变化。例如，尽管对于二氧化碳(CO2)优化具体的量子阱具有11％的InSb和89％的InAs，将该比率变化到约13％的InSb和87％的InAs(InAs0.87Sb0.13)，也可以用于制备优化来在约4.5微米发光的量子阱，这与一氧化碳(CO)的吸收带有关。因此，下面少许变化的方法和系统既可以用作火警探测器也可以用作CO探测器。
尽管单个量子阱可足以激励RCLED装置100，但是也可以使用更多数量的量子阱。对于本实施例，所揭示方法和系统的发明人已经确定，出于成本和性能的原因，多于五个量子阱呈现出收益减少的情形，三个量子阱提供功率产生(power production)、总体性能和成本控制的很好平衡。
直接在有源区域108之下的是形成“第二腔”的更多的三个邻接的层110-112，其中层110是InAs的未掺杂区域(用作覆层)，层111是“电子限制势垒层”(这对于阻止电子扩散到层112中很重要，且因此在有源区域中增加载流子密度，由此显著改善量子阱的发射率)。在各种实施例中，层112可以是类似于隧道二极管，因为它可以用作RCLED装置100中的第二导电类型(P型)材料而不阻挡电流的流动。该层112的重掺杂可以确保该装置具有低的串联电阻。
对于图1的RCLED装置100，第一腔、有源区域108和第二腔可以提供RCLED装置100的“主共振通道”，即代表电磁能量在装置100内(来回地)行进需要的最小距离的通道。例如，对于波长为λ的RCLED，从电极/反射器102到有源区域108中心的距离可以设置为λ/2，而从有源区域108的中心到DBR堆叠114的顶部的距离可以设置为λ/4。这样，主共振通道可以定义为从电极102的底部到DBR堆叠的顶部(共计3λ/4)且再返回的总共为1.5λ的距离。
回到图1，类似于顶部电极102，DBR堆叠114可以看作反射器。通常，电极102和DBR堆叠114提供的反射量将影响RCLED装置100的品质因子(或者“Q”)。对于给定的电极102的特定反射率，DBR对数越多，品质因子越高。
DBR堆叠114可以包含任何数量的交替的材料对，例如掺杂的InAs和掺杂的GaSb，并且具有使得每一层表现出期望的RCLED输出的四分之一波长的厚度。假设交替的DBR材料的折射系数为3.5和3.9，则可以发现8.5个DBR对可以产生53％的总折射率，12个DBR对可以产生74％的总反射率，等等。由于四分之一波长(quarter-wave)DBR堆叠在本领域中是公知的，因此除非需要提供清楚的上下文之外，否则将不提供进一步的描述。
再回到图1，在DBR堆叠114之下的是提供基底的基板，在该基底上构造RCLED装置100，并且在基板116之下的是第二电极118，该第二电极118与第一电极102一起可以提供对于启动RCLED装置100的有源区域108所必需的基本电流。
图2描绘了图1的RCLED装置内的示范性层顺序。如图2所示，层顺序编号为1至15，且对应于图1所描绘的各种区域102-118。例如，电极层1和15分别对应于电极102和118，层2和3分别对应于区域104和106，层4-8对应于区域108，层9对应于区域110，层10对应于区域111，层11-12对应于区域112，层13对应于区域114，以及层14对应于基板116。
尽管特定的材料、掺杂剂和尺寸取决于能产生4.26微米红外发射的实际工作的RCLED装置，但是应当理解的是，特定的材料、掺杂剂和尺寸可以在各实施例间变化。例如，在各种实施例中，层2中的p掺杂剂可以用大约相同浓度的n掺杂剂取代(且在此情况下第二导电类型必须改变)。类似地，层2和3的厚度可以充分变化，只要它们的组合的厚度保持相同。
各种材料和厚度的右边还描绘了相对于RCLED波长的尺寸。例如，假设折射系数为3.5，则从层1的底部到层6的中心的距离为608nm(＝λ/2)，而从层6的中心到DBR堆叠(层13)的顶部的距离为304nm(＝λ/4)。这样，最终的主共振通道为2(λ/4+λ/2)＝1.5λ。
在RCLED内具有短的信号通道的优点是，电磁能在RCLED内行进的距离越短，在各层2-12内被再吸收的能量可能越少，并且短的腔长度在共振光学模式和量子阱发射之间给出更好的光谱重叠(spectral overlap)。
短通道的另一个优点是，RCLED装置不太可能在多种不同的共振模式下运行。不存在这种寄生模式又有助于RCLED装置在期望的波长产生更多的输出能量。
关于图2最终可观察出第二腔(层9-12)包括隧道二极管结构(层11-12)，这在各种实施例中对于RCLED的有效功能是必要的。同样，如上所述的层10，即电子限制势垒层，对于阻挡电子扩散进入层112是重要的，并且因此在有源区域中提高了载流子密度，由此显著改善量子阱的发射率。
图3是类似于图1的装置100的第二示范性RCLED装置200，但是构造成从装置200的底侧发射电磁辐射。如图3所示，装置的顶部电极102没有窗口。在该实施例中，电极102可以由金层组成，其用作有效的反射器和低电阻接触。尽管没有具体示出，但是底部电极128可以包括适当的开口，该开口可以采用任何数量的形式，包括上面关于图1的顶部电极所提到的那些形式。
为了最优化装置200的功率效率，减少基板116的厚度甚至将其完全去除是有利的。抛光基板116暴露的端部可以进一步减少能量的再吸收。
图4描绘了图3所示RCLED装置内的第一示范性层顺序。如图4所示，层顺序编号为1至15，并且对应于图3所描绘的各区域102-128。例如，电极层1和15分别对应于电极102和118，层2和3分别对应于区域104和106，层4-9对应于区域108(或者注意层9可以被认为是区域110的部分)，层10(电子限制势垒层)对应于层111，层11-12(隧穿二极管)对应于区域113，层1 3对应于区域114，而层14对应于基板116。如图4的右手侧所示，两个反射器(层1的背面和DBR对14)之间的总距离为1.25λ，并且因此主共振通道为其两倍。
图5描绘了图3的RCLED装置内的第二示范性层顺序。与图4一致，图5中的层顺序编号为1至14，并且对应于图3所描绘的各区域102-128。然而，与图4的实例不同，两个反射器之间的总距离现在减少到0.5λ，而最终的主共振通道减少到一个波长λ。
与图2的实例一致，第二腔包括隧穿二极管结构(层10-12)，这在各种实施例中对于RCLED的有效功能是必要的。
图6描绘了在无二氧化碳的大气中的RCLED电磁输出的示范性轮廓，其中叠加了通过包含二氧化碳的大气过滤的相同电磁输出的示范性轮廓。如图6所示，未受影响的RCLED输出的光谱具有峰状轮廓。如上所述，该轮廓的尖锐是RCLED品质因子的体现。实验和计算提出，为了生产可用于探测二氧化碳浓度的微小变化的经济的RCLED基探测器，显示约Q＝21的品质因子是有效的，尽管范围为14至28的品质因子也可以提供足够的性能。
尽管在理论上越大的品质因子提供更好的二氧化碳探测器，但是品质因子的任何增加通常都需要更多的DBR对，因此增加成本。此外，过多的品质因子不能提供最好的RCLED输出轮廓，事实上其应当尽可能地匹配在4.26微米的二氧化碳的吸收光谱。然而，应当谨慎注意的是，二氧化碳吸收轮廓实际上具有两个“凹槽”。可以使用足够高的品质因子来匹配一个凹槽而忽略第二个凹槽。在此情况下，给定短的主共振通道和顶部金电极(层1)的高反射率，则图5的实例将是实现这种努力的最佳选择。
图7描绘了通过实验测量得到的对于范围为50mA至100mA的不同驱动电流的RCLED的示范性输出轮廓族。如图7所示，轮廓族的中心波长保持恒定在约4.26微米。不同电流水平的主要效果显示出限于在输出能量上接近线性的变化，在总的输出轮廓形状上仅有小的变化。尽管图7没有示出，但是本发明人制造的示范性RCLED装置的实验还显示出中心波长类似地不受温度变化的影响。
从详细的说明，本发明的很多特征和优点是显而易见的，并且因此所附权利要求旨在覆盖所有落入本发明真正精神和范围内的本发明的特征和优点。此外，因为对于本领域的技术人员来说各种修改和变化将易于产生，所以不希望将本发明限定到所图解和描述的具体构造和操作，并且因此可以采纳落入本发明范围中的所有合适的修改和等同特征。
Claims (26)
1.一种能够发射具有峰状轮廓并具有中心波长(λ)的辐射的共振腔发光二极管(RCLED)装置(100)，该装置(100)包括：
第一有源区域(108)，呈平面形状并带有顶侧和底侧，以及具有设置在该第一有源区域内的一个或者多个量子阱，其中该一个或者多个量子阱构造成提供能量以激发该RCLED装置(100)的辐射输出，并且位于该RCLED装置(100)的共振波的反节点位置附近；
第一腔，相邻于该第一有源区域(108)的该顶侧，其中该第一腔具有一厚度使得该第一腔从该第一有源区域的中间延伸第一距离；和
第二腔，相邻于该第一有源区域(108)的该底侧，其中该第二腔由邻接的层(110，111，112)形成，这些邻接的层包括覆层(110)，电子限制势垒层(111)以及隧道二极管层(112)；
其中该第一有源区域(108)、该第一腔和该第二腔构造成使得该RCLED装置(100)产生具有在红外区域中的中心波长的电磁辐射，并且其中该第一有源区域(108)、该第一腔和该第二腔的总厚度等于或者小于2λ。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中该第一有源区域(108)包含一至五个量子阱。
3.根据权利要求2所述的装置(100)，其中该第一有源区域(108)包含三个量子阱。
4.根据权利要求1所述的装置(100)，其中该量子阱由交替的InAs和InAsSb层组成。
5.根据权利要求4所述的装置(100)，其中每个量子阱具有InAs(1-x)Sbx成分，其中x为11％。
6.根据权利要求4所述的装置(100)，其中每个量子阱具有InAs(1-x)Sbx成分，其中x为13％。
7.根据权利要求6所述的装置(100)，其中该第一腔和该第二腔至少之一的厚度为0.5λ。
8.根据权利要求6所述的装置(100)，其中该第一有源区域(108)、该第一腔和该第二腔的总厚度为0.5λ。
9.根据权利要求1所述的装置(100)，还包括相邻于该第二腔的底部的第二反射器，该第二反射器包括四分之一波长分布布拉格反射器(DBR)堆叠。
10.根据权利要求9所述的装置(100)，其中该第二反射器包括8.5至17个DBR对。
11.根据权利要求9所述的装置(100)，其中该第二反射器包括11至13个DBR对。
12.根据权利要求10所述的装置(100)，其中该第二反射器包括主要分别由InAs和GaSb组成的交替区域。
13.根据权利要求1所述的装置(100)，其中该RCLED构造成在空气中发射具有4.26微米的中心波长的红外辐射。
14.根据权利要求1所述的装置(100)，还包括相邻于该第一腔的顶部的第一反射器，其中该第一反射器构造成允许足量的辐射穿过该第一反射器。
15.根据权利要求1所述的装置(100)，其中该RCLED装置(100)的中心波长和品质因子最优化来用于探测大气中的二氧化碳。
16.根据权利要求15所述的装置(100)，其中该RCLED装置(100)的该品质因子最优化来用于探测具有100ppm至1000ppm范围内的二氧化碳浓度的大气中的二氧化碳。
17.根据权利要求16所述的装置(100)，其中该RCLED装置(100)的品质因子最优化来用于探测具有250ppm至400ppm范围内的二氧化碳浓度的大气中的二氧化碳。
18.根据权利要求15所述的装置(100)，其中该RCLED装置(100)的品质因子最优化为用来探测在4.26微米区域中的两个二氧化碳吸收凹槽中的一个。
19.一种能够发射具有峰状轮廓并具有中心波长(λ)的辐射的共振腔发光二极管(RCLED)装置(100)，该装置包括：
第一有源区域(108)，具有设置在其内的一个或者多个量子阱，其中用于该第一腔的主材料是InAs；
第一腔和第二腔，连接到该第一有源区域(108)；和
第一反射器和第二反射器，分别连接到该第一腔和第二腔，
其中该第二腔由邻接的层(110，111，112)形成，这些邻接的层包括覆层(110)，电子限制势垒层(111)以及隧道二极管层(112)。
20.根据权利要求19所述的装置(100)，其中在该RCLED装置(100)内辐射的主共振通道等于或者小于1.5λ。
21.根据权利要求20所述的装置(100)，其中在该RCLED装置(100)内辐射的主共振通道为1.0λ。
22.根据权利要求19所述的装置(100)，其中该RCLED装置(100)主要由InAs组成，并且包括多个外延生长的内层。
23.一种操作共振腔发光二极管(RCLED)装置(100)的方法，该装置具有第一有源区域(108)、连接到该第一有源区域(108)的第一腔和第二腔以及分别连接到该第一腔和第二腔的第一反射器和第二反射器，其中该第二腔由邻接的层(110，111，112)形成，这些邻接的层包括覆层(110)，电子限制势垒层(111)以及隧道二极管层(112)，在所述第一有源区域(108)内设置有一个或者多个量子阱；该方法包括：
在该RCLED装置(100)中使用该量子阱以转换电能来发射电磁能；
使用发射的电磁能在该RCLED装置(100)内产生具有峰状轮廓并有中心波长λ的共振电磁信号，其中该共振信号使用包括该第一有源区域(108)、该第一腔和该第二腔的主共振通道产生，并且其中该RCLED装置(100)由足量的InAs组成；并且
一部分该电磁能穿过该第一反射器或者第二反射器。
24.根据权利要求23所述的方法，其中该共振信号的该中心波长和该品质因子最优化来用于探测气态大气中的二氧化碳。
25.根据权利要求23所述的方法，其中该共振信号的该中心波长和该品质因子最优化来用于探测气态大气中的一氧化碳。
26.根据权利要求23所述的方法，其中该RCLED装置(100)的该主共振通道不大于3λ。
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