CN101471535A - 激光器器件 - Google Patents

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Abstract

一种激光器器件，其具有：增益介质；第一和第二包层，用于在厚度方向上将增益介质夹在中间；和腔结构，用于使得在所述增益介质中所生成的电磁波进行谐振。所述增益介质包括：多个活性区，用于生成电磁波；和被夹在所述活性区之中的至少一个连接区。所述第一和第二包层各自由负介电常数介质形成，所述负介电常数介质具有实部相对于所述电磁波为负的介电常数。电位调整部分被布置在所述连接区与所述第一包层之间以及所述连接区与所述第二包层之间，以用于调整所述连接区的电位。

Description

激光器器件
技术领域
本发明涉及一种激光器器件。更具体地说，本发明涉及一种量子级联激光器器件，其具有重复布置的活性区。本发明尤其涉及一种量子级联激光器器件，其适用于：在从毫米波带扩展到太赫兹波带(30GHz至30THz)的频率范围内的频带中操作。
背景技术
已知的是在导带或价带中(因此在单个能带内)基于载流子的子带间跃迁的新型半导体激光器，并且称之为量子级联激光器。由于量子级联激光器的振荡波长取决于光学跃迁中所涉及的两个子带的能隙，因此其可以从宽谱范围(从中红外区延伸到太赫兹波带)被选择。日本未决专利申请公开No.H08-279647首次公开了可以通过在中红外区中选择4.2μm的振荡波长的布置来实现这种激光器。
近来，已经开发了更长波长的激光器，以利用振荡波长的相对于中红外区的长波长区，从而满足被认为是对于生物感测应用有用的太赫兹波带的电磁波源的需求。Nature，Vol.417，156(2002)描述了在太赫兹波带中在67μm(4.5THz)的激光器振荡。Appl.Phys.Lett.，Vol.83，2124(2003)描述了在包括表面等离子体激元(plasmon)波导的大约100μm(3THz)的较长波长的激光器振荡，表面等离子体激元波导包括：负介电常数介质，其介电常数的实部对于振荡波长是负的。
以下将通过参照附图中的图4A和图4B概要地描述量子级联激光器的配置，图4A和图4B还示出在下文中将描述的示例中所采用的带剖面(band profile)。
图4A示出当将所设计的电场施加到量子级联激光器时的导带结构的一部分。参照图4A，由势垒441、443和445以及量子阱442、444和446形成活性区440。通过这种布置，在活性区440中形成子带411、412和413。由势垒451、453、455和457以及量子阱452、454、456和458形成驰豫区(relaxation region)450。通过这种布置，形成绑定多个子带的微带(miniband)421。量子级联激光器的特征在于，活性区和驰豫区被重复地并且交替地布置。在图4A中，活性区460是在重复布置中接下来出现的活性区。当将所设计的电场施加到这种量子级联激光器时，按如下所描述的方式产生电流。
电子在活性区440中进行从子带411到子带412的光学跃迁401，从而发射与子带411和子带412之间的能隙对应的波长的光。随后，活性区440的子带412中的电子由于光学声子散射402而穿过子带413，从而被提取进入驰豫区450，以确保子带411与子带412之间的粒子数反转。于是，电子穿过驰豫区450中的微带421，并且被注入到下一活性区460，以重复与活性区440中相同的光学跃迁。因为驰豫区450将载流子注入到下一重复的活性区，所以驰豫区450被称为“注入器”。驰豫区中的一个或多于一个的量子阱轻微掺杂有载流子。
发明内容
然而，已知的量子级联激光器伴随以下风险：所施加的电压可能不均匀地分布到在激光器中级联连接的活性区。换句话说，电场可能不均匀地分布在图4B所示的活性区之中，并且示出与图4A所示的所设计的电场的差异。在Phys.Rev.B，Vol.35，4172(1987)中，这种现象被描述为在导带或价带中(因此在单个能带中)在多重量子阱结构中的高场畴的形成。
可以认为，当在多重量子阱结构中子带的能量展宽窄时，易于形成高场畴。因此，出于以下所描述的原因，高场畴的形成对于长波长激光器是个问题。也就是说，长波长激光器需要示出用于光学跃迁的窄能隙的两个子带。换句话说，需要设计窄的子带的能量展宽，以用于实现粒子数反转。另一方面，为了抑制高场畴的形成，不应设计窄的子带的能量展宽。因此，设计长波长激光器伴随有在实现粒子数反转与抑制高场畴的形成之间进行折衷的问题。
如果形成了高场畴，则其使得激光器振荡特性劣化。更具体地说，如果电场强度在活性区之中变化，则其可能不再能以所设计的方式注入载流子，从而粒子数反转的密度可能下降。于是，电流注入效率下降，继而增加了降低激光器振荡输出和驱动温度的风险。
因此，在本发明的第一方面中，提供一种激光器器件，其具有：增益介质；第一包层和第二包层，用于在其厚度方向上将所述增益介质夹在中间；以及腔结构，其用于使得所述增益介质中生成的电磁波进行谐振，所述增益介质具有用于生成电磁波的多个活性区以及被放置在所述活性区之间以用于连接所述活性区的至少一个连接区，所述活性区和所述连接区各自包括量子阱和势垒，所述第一包层和所述第二包层各自包括负介电常数介质，其介电常数的实部对于所述电磁波是负的；电位调整部分，其被布置在所述连接区与所述第一包层之间以及所述连接区与所述第二包层之间，以用于调整所述连接区的电位。
在本发明第二方面中，提供一种激光器器件，包括：增益介质；第一包层和第二包层，用于在其厚度方向上将所述增益介质夹在中间；以及腔结构，其用于使得所述增益介质中生成的电磁波进行谐振，所述电磁波具有在从30GHz到30THz频率范围内的频率，所述增益介质具有用于生成电磁波的多个活性区以及被放置在所述活性区之间以用于连接所述活性区的至少一个连接区，所述活性区和所述连接区各自包括量子阱和势垒，所述活性区是利用光子辅助隧穿现象的谐振隧穿二极管，所述第一包层和所述第二包层各自包括负介电常数介质，其介电常数的实部对于所述电磁波是负的；被布置在所述连接区与所述第一包层之间以及所述连接区与所述第二包层之间的电阻器，用于调整所述连接区的电位，通过调整所述连接区的电位来对施加到邻近所述连接区被布置的活性区的电压进行均衡，所述激光器器件被布置在基板上，并且所述连接区具有牵出层(draw-out layer)，所述牵出层在所述基板的面内方向上被牵出并且电连接到所述电阻器，所述牵出层是掺杂载流子的并且具有有限薄层电阻。
因此，由于根据本发明的激光器器件具有电位调整部分，因此所述器件可以对被施加到以级联方式连接的活性区中的每一个活性区的电压进行调整。例如，所施加的电压可以基本上均匀地分布在所述活性区之中，因此改进量子级联激光器的电流注入效率，并且因此改进激光器振荡特性(包括激光器振荡输出和驱动温度)。
根据本发明，用于抑制高场畴的形成的电位调整部分在结构上被布置成与其多重量子阱结构分离的部分。于是，可以减少子带的能量展宽，而没有当设计长波长激光器时出现的折衷问题。因此，可以设计可以用更长波长操作的量子级联激光器。
结合附图，从以下示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。
附图说明
图1A是根据本发明的激光器器件的实施例的示意性截面图，图中示出了其配置，以及图1B是图1A的实施例的等效电路图。
图2是示例1的激光器器件的示意性截面图，图中示出了其配置。
图3A是通过修改示例1的激光器器件而实现的激光器器件的示意性截面图，以及图3B是图3A的激光器器件的增益介质的放大视图。
图4A是示出示例1的激光器器件的导带结构的带剖面的示图，以及图4B是示出已知的激光器器件的导带结构的示例性带剖面的示图。
图5是示例2的激光器器件的示意性截面图，图中示出了其配置。
图6是示出示例2的激光器器件的导带结构的带剖面的示图。
图7A是示例3的激光器器件的示意性截面图，以及图7B是图7A的激光器器件的增益介质的放大视图。
图8A是示例4的激光器器件的示意性截面图，以及图8B是图8A的激光器器件的增益介质的放大视图。
具体实施方式
现在，将参照示出本发明各个实施例的附图更详细地描述本发明。图1A是相对于电磁波的传播方向而垂直取得的根据本发明的激光器器件的实施例的示意性截面图，图中示出了其配置。
该实施例的激光器器件具有：增益介质103；第一包层和第二包层，所述第一包层和第二包层在其厚度方向上将所述增益介质夹在中间；以及腔结构，其用于使所述增益介质中生成的电磁波谐振。增益介质又具有多个(在此情况下是两个)活性区140和160以及至少一个(在此情况下是一个)连接区150，所述至少一个连接区150插入在所述活性区中间(之间)，从而连接所述活性区。注意，除了单个连接区150，多个连接区也可以被布置在激光器器件中。对于本发明的目的，“连接区”的概念包括以上通过参照图4A所提及的“驰豫区”的概念。更具体地说，作为驰豫区，连接区适于将载流子注入到活性区。然而，为了本发明的级联连接的目的，连接区可以通过能量驰豫过程或者不通过能量驰豫过程而将载流子注入到活性区。活性区和连接区两者都包括量子阱和势垒。
如下文中将更详细描述的那样，第一包层和第二包层都被形成为包括负介电常数介质，该负介电常数介质的介电常数的实部对于在增益介质中所生成的电磁波是负的。因此，第一包层和第二包层对于增益介质形成波导。本发明主要特征在于以下特征：电位调整部分被布置在连接区与第一包层之间以及连接区与第二包层之间。采用这样的布置，通过调整连接区的电位，可以调整并且均衡分别施加到邻近地位于连接区的相对侧的活性区的电压。
现在，以下将详细描述该实施例的激光器器件及其特性。
激光器器件具有沿着电磁波的传播方向延伸的增益介质103。增益介质103包括一对活性区140和160，其利用光学跃迁发射电磁波。增益介质103另外具有连接区150。如上所述，连接区典型地对于来自前面活性区140的载流子增加了快速能量弛豫，并且将载流子注入后面活性区160。在增益介质103中，连接区150示出与已知的量子级联激光器的驰豫区相似的布置。当出现电流注入时，活性区140和160以及连接区150具有作为整体的净增益。
由一对负介电常数介质101和102在其厚度方向上将增益介质103夹在中间。当在外部注入电流时，需要在增益介质103与负介电常数介质101和102之间建立电接触。为此而提供接触层111和112。由负介电常数介质101和接触层111形成第一(下)包层，而由负介电常数介质102和接触层112形成第二(上)包层。
负介电常数介质是在待振荡的电磁波的频率范围内具有介电常数的负实部的物质。在从毫米波带延伸到太赫兹波带的频率范围中，由掺杂载流子的半导体、金属或包括这些物质(金属和掺杂载流子的半导体)的多种物质来形成负介电常数介质。因为负介电常数介质典型地是导电材料，所以可以选择透明导电膜。
由于增益介质103(活性区140和160以及连接区150)具有半导体多层结构，因此选择掺杂载流子的半导体，以用于接触层111和112。由于选择这种物质以用于接触层111和112，因此负介电常数介质101和102以及接触层111和112操作为具有几何光学反射表面的一对包层。允许不具有衍射极限的表面等离子体激元作为导引模式而用于由第一包层(负介电常数介质101和接触层111)和第二包层(负介电常数介质102和接触层112)所引导的电磁波。
电极121和122分别形成在负介电常数介质101和102上，并且连接到外部场施加部分(未示出)。在该实施例中，连接区150进一步具有在作为连接区的面内方向的横截方向上牵出的牵出层。牵出层保持与电极159接触。电阻12A和12B通过电阻器12分别电连接在电极121与电极159之间以及电极122与电极159之间。它们操作为对由外部场施加所施加到活性区140和160的电压进行基本上相等地分压的结构。换句话说，所述结构操作为电位调整部分，所述电位调整部分被布置在连接区150与第一包层之间并且还被布置在连接区150与第二包层之间，从而调整连接区150的电位。在图1A中，标号11表示转印基板。
图1B是上述激光器器件的等效电路图。在图1B中，由V101表示在第一包层(负介电常数介质101和接触层111)的电压，其具有基本上等于电极121的电位的电位。相似地，在图1B中，由V102表示在第二包层(负介电常数介质102和接触层112)的电压，其具有基本上等于电极122的电位的电位。活性区140和160操作为这样多的负载，并且在图1B中，负载电阻分别由R140和R160表示。在图1B中分别由R12A和R12B表示电阻器12的电阻12A和12B。
连接区150是轻微掺杂载流子的。因此，连接区150具有有限薄层电阻，在图1B中由R150表示。在该实施例中，电阻器12通过有限薄层电阻按以下所描述的方式而操作。通常，连接区150的电位根据由于薄层电阻R150的其中的点而变化。在图1B中，活性区140和160夹在中间的连接区150的部分的电压由V150表示，连接区150的接近于电极159定位的部分的电压由V150’表示。如模拟电路技术领域所知的那样，当以下示出的公式1保持为真时，式V150＝V150’对于连接区150的电压保持为真。
R140×R12B＝R160×R12A(公式1)
当将上式引用作为示例时，这说明，可以通过改变电阻器12的电阻12A和12B来控制V150的值。
当电阻器12满足公式1的要求，并且电阻12A和12B非常低从而使得负载电阻可忽略并且由以下所示的公式2表示时，可以通过控制电阻器12的电位来控制V150的值。
R12A<R140，R12B<R160(公式2)
此外，当电阻12A和12B彼此相等，或者R12A＝R12B时，V150基本上在V102与V101之间的中值。因此，由外部场施加所施加的电压基本上被相等地分压到负载电阻R140和负载电阻R160。因此，电阻器12可以在结构上抑制增益介质103中的高场畴的形成。
图1A的增益介质103如此出现，从而通过重复布置两个活性区而形成增益介质103。然而，可以通过重复布置三个或四个活性区来形成增益介质103。通常，可以通过重复布置多个活性区而形成增益介质103。当重复布置的活性区的数量大时，可以仅控制连接到相关活性区的某些连接区的电位。通常，至少对于连接区与第一包层之间以及连接区与第二包层之间的连接区布置电位调整部分。
活性区和连接区的重复的单元可以是普遍的束缚-连续(bound-to-continuum)类型、4阱类型或3阱类型。可以采用谐振隧穿二极管，以用于每一活性区。然后，可以采用具有适当厚度的掺杂半导体层，以用于连接区。可以采用利用了光子辅助隧穿现象的谐振隧穿二极管，以用于每一活性区。当注入电流时，活性区中的任意一个在毫米波带或太赫兹波带的频率范围中生成电磁波增益。
虽然上面在实施例的以上描述中仅抽象地表述了电阻器12，但可以具体地采用以导电材料制成的膜电阻器，以用于电阻器12，尽管本发明绝不受限于此，并且片状电阻器可以是操作用于电位调整部分的装置。此外，因为外部场施加不限于DC，所以也可以采用片状电感器或片状磁珠作为用于操作为电位调整部分的装置。换句话说，仅需要布置电位调整部分，从而由DC连接或由AC连接来对级联连接区与有关的第一包层进行连接，以及对级联连接区与有关的第二包层进行连接。然而，从以单片电路实现电阻器12的观点来看，使用膜电阻器是优选的。注意，可以实现相对低的电阻值的导电材料优选地用于这样的膜电阻器。这种材料的示例包括半金属(例如Bi、石墨)和透明导电膜(例如ITO、ZnO和ZnSn)。显示相对高导电性的半导体(例如多晶硅)也可以用于这种膜电阻器。可以沿着表面等离子体激元的传播方向(垂直于图1A的方向)连续地布置膜电阻器12，但替换地，可以通过以非分布式方式而形成的集总常数元件的形式来布置膜电阻器12。优选的是，可以通过选择待振荡的电磁波的波节并且以集总常数元件的形式来布置它们而使得表面等离子体激元的损耗最小。
具有充足驱动能力的外部场控制部分可以通过考虑对于增益介质103的电流注入以及流过电阻器12以用于抑制高场畴的形成的电流来良好地用于驱动这种激光器器件。
因此，由于该实施例具有以上所描述的电位调整部分，因此其可以将电压基本上均匀地分布在与插入在活性区之间的连接区级联连接的活性区之间。可以改进激光器振荡特性。
(示例)
将具体地就特定配置而言通过示例的方式进一步来描述本发明。
(示例1)
图2是相对于电磁波的传播方向而垂直地取得的示例1的激光器器件的示意性截面图。在该示例中，增益介质203具有对可以用于量子级联激光器的两个活性区240和260进行重复布置的配置。因此，存在布置在活性区240和260之间的单个级联连接区250。带的剖面被设计为束缚-连续类型多重量子阱结构，如图4A所示。对于这些区，可以在GaAs基板上形成晶格匹配的GaAs阱层以及晶格匹配的或晶格不匹配的AlGaAs势垒层。
更具体地说，可以从射极侧到集电极侧布置以下所示的半导体多层膜结构作为重复的单元(引用自Nature，Vol.417，156(2002))。AlGaAs 4.3nm(441)/GaAs 18.8nm(442)/AlGaAs 0.8nm(443)/GaAs15.8nm(444)/AlGaAs 0.6nm(445)/GaAs 11.7nm(446)/AlGaAs 2.5nm(451)/GaAs 10.3nm(452)/AlGaAs 2.9nm(453)/GaAs 10.2nm(454)/AlGaAs 3.0nm(455)/GaAs 10.8nm(456)/AlGaAs 3.3nm(457)/GaAs9.9nm(458)。
在上面的半导体多层膜结构中，从顶层到2.5nm厚的AlGaAs 451层是活性区240和260，从2.5nm厚的AlGaAs 451层到底层构成连接区250。10.2nm厚的n-GaAs 454层是掺杂载流子的注入器层，其示出大约4×1016cm-3的轻微电子密度。其它层是并非有意掺杂的非掺杂层。
在该示例中，在级联连接区250中的10.2nm厚的n-GaAs层454是牵出层。当由于子带间跃迁而导致将大约3.5kV/cm的电场均匀地施加到上述半导体多层膜结构以在太赫兹波带的频率范围中产生增益时，从射极注入的载流子(在此选用电子)产生电流，其示出大约1kA/cm2的电流密度。增益介质203被夹在负介电常数介质201和202之间，负介电常数介质201和202还操作为接触层。通过与GaAs基板晶格匹配的n-GaAs(200nm厚)的半导体膜典型地形成增益介质203的接触层201和202。在此选择5×1018cm-3的电子密度。典型地通过半导体外延生长而在GaAs基板上形成增益介质203以及负介电常数介质201和202。图2示出在将这些外延层转印到转印基板21之后产生的结构。已经移除了GaAs基板，并且将负介电常数介质201和202保持为与典型地以Ti/Au制成的各个电极221和222接触。
然而，应注意，以上仅描述了可以在GaAs基板上形成的结构的示例，本发明绝非受限于此。将InAs/AlAsSb布置在InAs基板上，将InGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAs或InGaAs/AlGaAsSb布置在InP基板上，或者将Si/SiGe布置在Si基板上的半导体多层结构也是可行的。当使用被布置在Si基板上的Si/SiGe时，可以将空穴用作载流子。
使如上所述的表面等离子体激元波导典型地示出在表面等离子体激元的传播方向上1,000μm的长度以及在对于上述方向的横截方向上20μm的宽度。在横截方向上将牵出层454牵出50μm。于是，活性区240和260的负载电阻是0.1Ω的量级。为了简明，如果使以上公式2可应用于电阻器22，则示出比负载电阻更低的电阻的电阻器可以良好地用于电阻器22。在此采用带状电阻器，其被布置为穿越表面等离子体激元波导，如图2所示。当通过蒸镀而形成Bi膜时，该膜示出大约3Ω·μm的电阻率。因此，当使带状Bi膜电阻器22示出1μm的厚度以及3μm或更大的宽度(在表面等离子体激元的传播方向上的长度)时，获得以下结果。即，电极221与牵出层454上的电极259之间的电阻值以及电极222与电极259之间的电阻值两者彼此相等，并且是0.01Ω或更小的量级，从而满足公式2的要求。用于保护激光器器件的侧壁的钝化膜23具有大约200nm的膜厚度。因此，通过参照实施例，如上所述的那样，Bi膜电阻器22在结构上抑制增益介质203中高场畴的形成。可以典型地分别以SiO2和Ti/Au制成钝化膜23和电极259。
可以按以下方式来制备该实施例的激光器器件。首先，由分子束外延法(MBE)形成AlGaAs的蚀刻停止层，并且通过外延生长方式而在GaAs基板上形成n-GaAs层202、GaAs/AlGaAs多量子阱层203和n-InGaAs层201。然后，在通过蒸镀而在其表面上形成Ti/Au的电极221之后，GaAs基板被抛光到大约120μm的厚度。其后，从通过分裂的加工形成1,000μm的立方体片，在其上通过蒸镀而形成Ti/Au薄膜的转印基板21上所形成的Au薄膜以及电极221通过加压接合工艺而彼此接合。或者，它们可以例如使用AuSn的焊料通过加热接合工艺而彼此接合。通过使用氨水和过氧化氢水，当加工经受湿法蚀刻工艺时，仅将GaAs基板有选择地蚀刻出来，到达蚀刻停止层。于是，将台面形状外延层转印到转印基板21。
随后，通过光刻和干法蚀刻产生50μm宽的台面形状，直到暴露出下面的层。其后，遵循相似的工艺，通过蚀刻产生20μm宽的台面形状，以暴露牵出层454。为了实现高精度蚀刻工艺，可以使用Degilem来就地测量蚀刻深度。在此可以采用选择性湿法蚀刻工艺。
作为上述工艺的结果，具有1,000μm腔长度和被布置在相对端的分裂平面的条形波导被形成为腔结构。随后，典型地由等离子体CDV来形成SiO2膜23，并且然后除了侧壁之外，暴露出台面形状外延层。可以通过蚀刻来留下侧壁，通过构图而打开具有50μm或更小宽度的条形窗口。此外，通过剥离工艺，在连接区250中在n-GaAs层202的表面以及牵出层454的表面上分别形成Ti/Au电极222和另一Ti/Au电极259。最后，通过剥离工艺形成Bi膜电阻器22，以产生整个器件。当将预定电场施加到量子级联激光器时，通过参照图4A，电流如上所述地流动。
或者，可以重复地布置三个或多于三个的活性区。图3A是通过修改示例1的激光器器件而实现的激光器器件的示意性截面图。在此重复地布置总共六个活性区340。图3B是图3A的激光器器件的增益介质303的放大视图。因此，器件具有五个连接区350。在这个修改的示例中，并非所有连接区350而是只有两个连接区350被牵出，并且保持与电阻器32接触，以减少制造步骤的数量。通过这种布置，如果与没有加入电阻器32的情况下的布置相比，则可以抑制增益介质303中高场畴的形成。
通过以下所描述的方式来确定被布置在连接区350上的(上)电极359与包层(负介电常数介质302)上的电极322之间的电阻器32的电阻值对于被布置在电极359与包层(负介电常数介质301)上的电极之间的电阻器32的阻抗值的比率。在连接区350与负介电常数介质302之间存在两个活性区340，而在连接区350与负介电常数介质301之间存在四个活性区340。因此所述比率等于1:2。相似地，按以下所描述的方式来确定两个电阻器32的电阻值的比率。在连接区350上的(下)电极359与包层(负介电常数介质302)上的电极322之间的电阻器32的电阻值对于在电极359与包层(负介电常数介质301)之间的电阻器32的阻抗值的比率被确定为基本上等于2:1。以此方式，由外部场施加所施加的电压基本上相等地被分压到并列布置的活性区340对，其中，在它们之间插入连接区350，以产生可以抑制增益介质303中高场畴的形成的结构。在图3A中，标号31表示转印基板，标号33表示用于保护侧壁的钝化膜，而321表示电极。
对于电阻值的比率，如果在连接区与第一包层之间存在m个活性区，并且在连接区与第二包层存在n个活性区，则被布置在前面组件之间的电阻器的电阻值对于被布置在后面组件之间的电阻器的电阻值的比率被确定为基本上等于m:n。
示出相对接近于半金属膜电阻器(例如Bi膜电阻器)的电阻率的透明导电膜可以替换地用于本发明的目的。在该示例中，可以采用具有与以上所描述的剖面相似的剖面的ITO膜或ZnO膜。
因此，该示例的激光器器件可以基本上将施加至其的电压均匀地分布到级联活性区，其中，连接区插入在它们之间，以改进电流注入效率，并且因此改进量子级联激光器的激光器振荡特性。
(示例2)
图5是相对于电磁波的传播方向而垂直地取得的示例2的激光器器件的示意性截面图。在该示例中，增益介质503具有以下配置：重复地布置两个活性区540和560，其通过对于每个活性区使用三个势垒层而被形成，并且可以用于谐振隧穿二极管。因此，存在被布置在活性区540和560之间的单个连接区550。带的剖面被设计为多重量子阱结构，如图6所示。对于这些区，可以在InP基板上形成晶格匹配的InGaAs阱层和晶格匹配的InAlAs层或晶格不匹配的AlAs势垒层。
更具体地说，可以从射极侧到集电极侧布置以下所示的半导体多层膜结构作为重复的单元。
AlAs 1.3nm(641)/InGaAs 7.6nm(642)/InAlAs 2.6nm(643)/InGaAs5.6nm(644)/AlAs 1.3nm(641)/InGaAs 5.4nm(652)/InAlAs 0.6nm(653)/InGaAs 5.4nm(654)/InAlAs 0.6nm(653)/InGaAs 5.4nm(654)/InAlAs 0.6nm(653)/InGaAs 5.4nm(654)/InAlAs 0.6nm(653)/InGaAs5.4nm(656)
在以上半导体多层膜结构中，从顶层到1.3nm厚的AlAs 651层是活性区540和560，从1.3nm厚的AlAs 651层到底层构成连接区550。5.4nm厚的n-InGaAs 654层是掺杂载流子的注入器层，其采用微带621，以用于级联连接，并且示出大约2×1018cm-3的相对高的电子密度。其它层是并非有意掺杂的非掺杂层。
在该示例中，在连接区550中的5.4nm厚的n-InGaAs层654是牵出层。当由于光子辅助隧穿而导致将大约40kV/cm的电场均匀地施加到上述半导体多层膜结构以在太赫兹波带的频率范围中产生增益时，从射极注入的载流子(在此选用电子)产生电流，其示出大约90kA/cm2的电流密度。(对于光子辅助隧穿与增益之间的关系参照Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.40，5251(2001))。
通过与InP基板晶格匹配的n-InGaAs(50nm厚)的半导体膜典型地形成增益介质503的接触层511和512。选用电子作为载流子，并且采用Si作为掺杂剂。在此选择2×1018cm-3的电子密度。增益介质503被夹在负介电常数介质501与502之间，负介电常数介质501与502也是通过与InP基板晶格匹配的并且被使得示出1×1019cm-3的电子密度的n-InGaAs(100nm厚)半导体膜形成的。典型地通过半导体外延生长而在InP基板上形成增益介质503、负介电常数介质501和502以及接触层511和512。图5示出在将这些外延层转印到转印基板51上之后产生的结构。已经移除了InP基板，并且将负介电常数介质501和502保持为与典型地以Ti/Pd/Au制成的各个电极521和522接触。
然而，应注意，以上仅描述了可以在InP基板上形成的结构的示例，本发明绝非受限于此。将InAs/AlAsSb或InAs/AlSb布置在InAs基板上、将GaAs/AlGaAs布置在GaAs基板上、将InGaAs/AlGaAsSb布置在InP基板上、或者将Si/SiGe布置在Si基板上的半导体多层结构也是可行的。
图6示出当将预定电场施加到这种级联连接的谐振隧穿二极管(增益介质503)时电流如何流动。参照图6，电子在活性区640中从子带611到另一子带612进行光子辅助隧穿跃迁601，以发射与子带611和子带612之间的能隙对应的波长的光。随后，将活性区640的子带612中的电子提取到连接区650中。于是，穿过连接区650的电子被注入下一活性区660，以重复与它在活性区640所进行的相同的光子辅助隧穿跃迁。根据对于在连接区650的微带621中的电子的准费米分布(quasi-Fermi distribution)，在子带611与子带612之间确保了电子的粒子数反转。
使如上所述的表面等离子体激元波导典型地示出在表面等离子体激元的传播方向上300μm长度以及上述方向的横截方向上的5μm的宽度。在横截方向上将牵出层654牵出20μm。于是，活性区540和560的负载电阻是1Ω的量级。示出比负载电阻低的电阻的电阻器可以良好地用于示例1中的电阻器52。在此采用图5所示的被布置为穿越表面等离子体激元波导的带状Bi电阻器。因此，当带状Bi膜电阻器52示出0.3μm的厚度以及3μm或更大的宽度(在表面等离子体激元的传播方向上的长度)时，获得以下结果。即，在电极511与电极559之间的电阻值以及电极522与电极559之间的电阻值两者彼此相等，并且是0.1Ω或更小的量级，从而满足公式2的要求。用于保护激光器器件的侧壁的钝化膜53具有大约200nm的膜厚度，如图示例1中那样。因此，通过参照实施例，如上所述，Bi膜电阻器52在结构上抑制增益介质503中高场畴的形成。可以典型地分别以SiO2和Ti/Pd/Au制成钝化膜53和电极559。
可以按以下方式来制备该实施例的激光器器件。首先，通过使用MBE等的外延生长而在InP基板上形成n-InGaAs层502和512、InGaAs/AlAs或InGaAs/InAlAs多量子阱层503以及n-InGaAs层511和501。然后，在通过蒸镀而在其表面上形成Ti/Pd/Au的电极521之后，InP基板被抛光到大约120μm的厚度。其后，300μm的立方体片从通过分裂的加工而被形成，并且然后通过加压接合工艺而接合到转印基板51上的Au薄膜，在转印基板51上通过蒸镀形成电极521和Ti/Au薄膜。或者，它们可以例如使用AuSn的焊料通过加热接合工艺而彼此接合。通过使用盐酸，当加工经受湿法蚀刻工艺时，仅将InP基板有选择地蚀刻出来。于是，将台面形状外延层转印到转印基板51上。
随后，通过光刻和干法蚀刻产生20μm宽的台面形状，直到暴露出下面的层。其后，遵循相似的工艺，通过蚀刻产生5μm宽的台面形状，以暴露牵出层654。为了实现高精度蚀刻工艺，可以使用Degilem来就地测量蚀刻深度。在此可以采用选择性湿法蚀刻工艺。
作为上述工艺的结果，形成具有300μm腔长度以及被布置在相对端的分裂平面的条形波导。随后，典型地由等离子体CVD来形成SiO2膜53，并且然后除了侧壁之外，暴露出台面形状外延层。可以通过蚀刻而留下侧壁，通过构图而打开具有20μm或更小宽度的条形窗口。此外，通过剥离工艺，在级联连接区550中在n-InGaAs层502的表面以及牵出层654的表面上分别形成Ti/Pd/Au电极522和另一Ti/Pd/Au电极559。最后，通过蒸镀工艺形成Bi膜电阻器52，以产生整个器件。
或者，可以重复地布置三个或多于三个的活性区，如示例1中那样。对于活性区，可以使用通过使用两个势垒层而形成的谐振隧穿二极管，而不是通过使用三个势垒层而形成的谐振隧穿二极管。通过这两种布置中的任一个，因为载流子穿过导带或价带(因此在单个带内)的多重量子阱结构，所以电阻器52抑制高场畴的形成。
因此，该示例的激光器器件可以基本上将施加至其的电压均匀地分布到级联活性区，其中，连接区插入在它们之间，以改进电流注入效率，并且因此改进量子级联激光器的激光器振荡特性。
(示例3)
图7A是相对于电磁波的传播方向垂直地取得的通过修改示例1的激光器器件而形成的示例3的激光器器件的示意性截面图，图中示出其配置。通过重复布置示例1的增益介质203达到n次(在所示布置中是三次)而形成该示例的增益介质703(将图7B)。当重复的次数增加时，量子级联激光器的输出功率级别上升。因此，从这种观点来看，该示例的器件是有利的。否则，该示例的器件与示例1的器件相同。
虽然该示例的器件具有与示例1的器件基本上相同的配置，但因为电阻器72被布置为容纳重复的布置，所以该器件的侧壁向前逐渐变细，如图7A所示。同时，电阻器72保持与连接区750直接接触。为此，可对于电阻器72有利地使用多晶硅。可以由等离子体CVD来形成该示例的多晶硅膜电阻器72。当形成带状电阻器从而穿越表面等离子体激元波导时，器件可以抑制增益介质703中高场畴的形成，如示例1中那样。使被布置在邻近几对级联连接区750之间的电阻器72的电阻值基本上彼此相等，从而将通过外部场施加而施加到器件的电压相等地分压，以用于活性区740。
该示例的器件的特征在于其向前逐渐变细的剖面。可以通过以下操作来产生这种剖面：在台面条的向前方向上限定波导，并且使用硫酸和过氧化氢的混合水溶液进行湿法蚀刻工艺或者替换地进行干法蚀刻工艺，形成逐渐变细的抗蚀剂层。可以使用任意已知的技术来形成用于保护侧壁的钝化膜73、电阻器72和电极721以及722。在图7A中，标号71表示转印基板，标号701和702分别表示负介电常数介质，而标号711和712分别表示接触层。
(示例4)
图8A是相对于电磁波的传播方向垂直地取得的通过修改示例3的激光器器件而形成的示例4的激光器器件的示意性截面图，图中示出其配置。通过重复地布置示例1的增益介质203达到n次而形成该示例的增益介质803(见图8B)。此外，形成表面等离子体激元的横模，以减少该示例中的波导损耗。因此，从这种观点来看，该示例的器件是有利的。否则，该示例的器件与示例3的器件相同。
虽然基本上以和示例1相同的方式形成该示例的器件，但使侧壁示出如图8A所示的构造，以形成电阻器82，同时对表面等离子体激元的横模进行整形。同时，电阻器82保持与级联连接区850直接接触。为此，可对于电阻器82有利地使用多晶硅。可以由等离子体CVD来形成该示例的多晶硅膜电阻器82。当形成带状电阻器从而穿越表面等离子体激元波导时，器件可以抑制增益介质803中高场畴的形成，如示例1中那样。
该示例的器件特征在于其收缩的剖面。为了产生这种剖面，预先制备在负介电常数介质801的一侧的台面，并且在台面的顶部进行接合操作。否则，可以遵循制备示例1的器件的工艺。当对于形成电阻器82而采用CVD时，也可以在台面的收缩部分形成侧壁。在图8A中，标号81和83分别表示转印基板和钝化膜，标号801和802分别表示负介电常数介质，而标号811和812分别表示接触层，并且标号821和822分别表示电极。在图8B中，840表示活性区。
在以上所描述的示例中，提供腔结构的表面等离子体激元波导可以是具有在电磁波的传播方向上的端面的Fabry-Perot类型的。然而，如在半导体激光器的领域中所公知的那样，为了本发明的目的，在传播方向上对条进行调制的DFB类型、或者在传播方向上对反射表面进行分布的DBR类型也可以是可行的。可以采用除了平面端面的其它端面，以用于表面等离子体激元波导的终端。例如，可以提供λ/4阻抗变换器，以减少相对于外部空间的失配，如微波技术领域中所公知的那样。为此，对于从每一终端的λ/4，波导可以逐渐变细。或者，如光学技术领域中公知的那样，提供对于从每一终端的λ/4而形成的AR涂层也可以是可行的。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围与最宽泛的解释一致，从而包括所有这样的修改和等同结构以及功能。

Claims (10)

1.一种激光器器件，包括：
增益介质；
第一包层和第二包层，用于在其厚度方向上将增益介质夹在中间；以及
腔结构，用于使得在所述增益介质中生成的电磁波进行谐振，
所述增益介质具有：用于生成电磁波的多个活性区；以及被放置在所述活性区之间以用于连接所述活性区的至少一个连接区，所述活性区和所述连接区各自包括量子阱和势垒，
所述第一包层和所述第二包层各自包括负介电常数介质，其介电常数的实部对于所述电磁波是负的，
电位调整部分，其被布置在所述连接区与所述第一包层之间以及所述连接区与所述第二包层之间，以用于调整所述连接区的电位。
2.如权利要求1所述的器件，其中，
通过调整所述连接区的电位来对施加到邻近所述连接区被布置的活性区的电压进行均衡。
3.如权利要求1所述的器件，其中，
所述电位调整部分是电阻器。
4.如权利要求3所述的器件，其中，
所述激光器器件被布置在基板上，并且所述连接区包括牵出层，所述牵出层在所述基板的面内方向上被牵出，并且电连接到所述电阻器。
5.如权利要求4所述的器件，其中，
所述牵出层是掺杂载流子的，并且具有有限薄层电阻。
6.如权利要求3所述的器件，其中，
所述电阻器是由导电材料所形成的膜电阻器。
7.如权利要求3所述的器件，其中，
所述电阻器是由半金属、透明导电膜或半导体所形成的。
8.如权利要求1所述的器件，其中，
所述负介电常数介质是由金属、掺杂载流子的半导体或金属和掺杂载流子的半导体形成的。
9.如权利要求1所述的器件，其中，
所述活性区包括利用光子辅助隧穿现象的谐振隧穿二极管。
10.如权利要求1所述的器件，其中，
所述电磁波具有从30GHz到30THz范围内的频率。
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