CN102611003B - 量子点级联激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子点级联激光器，包括下波导、量子点有源区层以及上波导，所述量子点有源区层是多周期级联的，其每个周期包括：多个量子阱/垒对，用于对其能带结构进行调整，以提供电子的量子输运通道；量子点插层，用于实现量子点参与子带激射。并且，所述量子阱/垒对的量子阱材料为In_xGa_1-xAs，0＜x＜1；所述量子阱/垒对的量子垒材料为In_yAl_{1- y}As，0＜y＜1。本发明通过在量子点有源区层中适当位置引入多个量子点插层使量子点激光器的性能指标，如功率转化效率、特征温度以及阈值电流密度等将得到很大的改善。

Description

量子点级联激光器

技术领域

本发明属于半导体光电技术领域，尤其涉及一种量子点级联激光器，特别是具有量子点插层有源区结构的量子点级联激光器。

背景技术

量子级联激光器(Quantum Cascade Lasers，QCLs)作为一种新颖的半导体相干光源，是“能带工程”与高精度分子束外延生长技术相结合的产物，其波长可以覆盖在环保、通信等领域中极具应用价值的中、远红外波段。QCLs的核心即有源区层的基本结构是由多个数纳米厚度的化合物半导体薄层堆叠而成，这些薄层即所谓的量子阱/垒层的导带边构成的势能轮廓使得其中的电子具有子带或微带结构，电子在这些分立的量子态间作辐射跃迁即构成光增益。增益区具有多周期级联结构，可以有效地增加器件的发光效率，每个周期原则上又可分为有源区和注入/弛豫区，前者是电子由高能态向低能态作辐射跃迁的区域，后者则起到为本周期有源区注入电子、为上周期有源区快速抽取其跃迁低能态电子并阻止跃迁高能态电子向连续态逃逸的双重作用。有源区是量子级联激光器的核心，基本上可以分为多耦合量子阱和超晶格两类，多耦合量子阱有源区电子跃迁发生在两个子带间，有源区高能态电子的注入通过注入/弛豫区基态电子的共振隧穿来实现，因此具有很高的注入效率，而超晶格有源区电子跃迁发生在两个微带间，低能态电子的抽取由微带内电子的非辐射弛豫来完成，因此低能态电子的寿命很短。

增大有源区的增益是量子级联激光器具有高的工作性能指标的基础，这些指标包括低阈值电流密度、高功率转化效率以及高工作特征温度等，理论研究指出，增益与有源区高能态电子的注入效率、寿命成正相关，与有源区低能态电子的寿命负相关，因此改进有源区结构包括两个方向，一个是在多耦合量子阱有源区后再增加一量子阱构成对低能态电子的双声子共振抽取机制，这将显著地降低低能态电子的有效寿命，同时也保留了多耦合量子阱有源区高能态电子大注入效率的特征，进而提高了增益，另一种方法是在超晶格有源区前增加一薄阱，这样就在超晶格的第一与第二微带的带隙间引入了一个孤立的束缚态，电子跃迁将在这一束缚态与下面的第一微带间发生，这将使得束缚态具有与多耦合量子阱有源区结构相当的高电子注入效率，同时也保留了高的低能态微带内电子抽取效率的特征，利用这些方法，很好地实现了器件高功率、高温以及连续波工作，但仍有一些问题始终没有得到很好的解决，包括器件比较低的功率转化效率(最高约为50％，目前也仅是在低温下获得，因为此时声子散射的效应相对要弱一些)，比较高的阈值电流密度(一般在kA/cm2量级)，以及如何进一步提高器件工作特征温度(T0一般在200K附近)，这些问题与参与跃迁的电子上能态的非辐射衰减寿命密切相关，我们知道，QCLs中实现上下能级粒子数反转的关键在于上能态电子的非辐射衰减寿命要大于下能态电子的有效非辐射衰减寿命，但实际器件中二者都是皮秒量级的，这是因为电子在量子阱平面内是近自由运动的，因此参与跃迁的上下两个子带实际上是两个连续带，能量上是有交叠的，并非孤立能级，对于中红外QCLs，虽然它们的带底能量差要远大于半导体材料的光学声子能量，但在下子带上仍然可以找到这样一个态，它的能量与上子带底能量减去一个光学声子能量后的值一致，故而可以通过释放光学声子的形式完成有效的子带间电子非辐射弛豫过程，这个过程的速率(对应寿命为皮秒量级)要远高于两个子带间的电子自发辐射衰减速率(对应寿命为纳秒量级)，即高能态电子的寿命主要还是由光学声子散射所决定的子带间非辐射衰减寿命来给出，而同时下能态的寿命亦是由声子散射所决定，二者均为皮秒量级，相差不大，因而，为实现由外界损耗所决定的临界粒子数反转量而需要的阈值电流密度就很大。此外，由于有源区跃迁上下能级间存在这种光学声子辅助的非辐射跃迁通道，故由这种光学声子散射所决定的电子上能态寿命将随着温度增加而降低，同时也包括其他一些因素的影响，导致了器件阈值电流密度随温度指数上升，特征温度T0有限。

限制QCLs中电子在材料生长平面内的自由运动将使得子带能带结构离散化，在有源区上下跃迁能级间形成真正的禁带，当此禁带宽度与体材料的纵光学声子能量显著不同时有源区上能级的光学声子散射寿命将得到大大的提升，即所谓的“声子瓶颈”效应，这样器件的一些重要的性能指标如功率转化效率、特征温度以及阈值电流密度等将得到很大的改善。这实际上就是量子点级联激光器的本质，关于量子点级联激光器的概念在1996年就已经提出，见IEEE JQE.33(7)_1170(1997)与SPIE3001_271(1997)两篇文章，主要有三种思路：一是直接采用刻蚀的方法把普通QCLs的有源区制作成数十纳米尺度的所谓量子箱阵列；二是在垂直生长平面方向加一强磁场，使电子在生长平面内的连续能带分立为所谓的朗道能级；三是在有源区采用应变自组织方法生长出量子点。第三种方法优势明显，因其不会在有源区中引入缺陷态，亦无需强磁场。目前国际上基于第三种方法制作出的器件只能电致发光，还无法激射，其误区主要有二：一是采用GaAs/AlGaAs体系的InAs量子点，由于InAs导带边要比GaAs的低很多，因而其中的电子很难被顺利抽取到后续的注入区中；二是利用量子点态作为电子光跃迁的始态，跃迁末态仍然使用普通的量子阱态，这虽然利于跃迁后电子的抽取，但在跃迁始末态间仍然没有构成真正的禁带，也就缺失了量子点级联激光器的本意，即失去了“声子瓶颈”作用。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对目前基于应变自组织生长量子点有源区的量子点级联激光器尚无法激射的问题，以及传统的基于量子阱有源区的量子级联激光器的一些性能指标不高的问题，提供了本发明提供了一种具有量子点插层有源区结构的量子点级联激光器。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种量子点级联激光器，自下而上依次包括下波导、量子点有源区层以及上波导，所述量子点有源区层是多周期级联的，其每个周期包括：多个量子阱/垒对，用于对其能带结构进行调整，以提供电子的量子输运通道；以及量子点插层，用于提供电子辐射跃迁的末态，以实现量子点参与子带激射。

根据本发明的一种优选实施方式，所述量子阱/垒对的量子阱材料为In_xGa_1-xAs，0＜x＜1；所述量子阱/垒对的量子垒材料为In_yAl_1-yAs，0＜y＜1。

根据本发明的一种优选实施方式，所述量子点有源区层的每个周期包含的量子点插层为两层或以上。

根据本发明的一种优选实施方式，所述多个量子点插层位于量子点有源区层的每个周期中与电子光跃迁空间上最相关的连续的量子阱/垒对的量子阱层中或者连续的量子垒层之间，以保证量子点插层所贡献的量子点态是电子光跃迁的末态。

根据本发明的一种优选实施方式，所述量子点插层包括一个应变自组织量子点层，用于限制电子在平行于量子阱平面内的自由运动，提供作为电子辐射跃迁末态的量子点态。

根据本发明的一种优选实施方式，所述应变自组织量子点层的材料为砷化铟或铟镓砷。

根据本发明的一种优选实施方式，所述量子点插层还包括一个应变补偿层，用于补偿量子点层带来的张应变。

根据本发明的一种优选实施方式，所述应变补偿层的材料不同于所述量子阱材料，也不同于所述应变自组织量子点层的材料。

根据本发明的一种优选实施方式，所述应变补偿层的材料为砷化镓或铟镓砷。

根据本发明的一种优选实施方式，其特征在于，所述量子点有源区层的周期数为10～50个。

(三)有益效果

本发明采用了InGaAs/InAlAs/InP体系的InAs量子点，并以量子点态作为电子光跃迁的末态，最终实现了器件激射。

本发明通过在量子点有源区层中适当位置引入多个量子点插层，限制了电子在平行于量子阱平面内的自由运动，使其原本连续的子带真正离散为能量上孤立的量子点态，这些量子点态作为电子辐射跃迁的末态，与上能态能量差值将大于材料的光学声子能量，光学声子散射过程被禁止了，这样预期新结构的器件一些重要的性能指标如功率转化效率、特征温度以及阈值电流密度等将得到很大的改善。

附图说明

图1为本发明的量子点级联激光器的结构示意图；

图2为本发明的量子点级联激光器的量子点有源区层的约一个半周期的能带图与相应的波函数的模平方图；

图3为本发明的量子点级联激光器的一个实施例的光谱图；

图4为本发明的量子点级联激光器的一个实施例的阈值电流的温度特性图；

图5为本发明的量子点级联激光器的一个实施例的截面TEM图；

图6为本发明的另一实施例本发明的量子点级联激光器的一个实施例的量子点有源区层能带图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是根据本发明的一个具体实施例给出的量子点级联激光器的材料结构示意图。如图1所示，本发明的量子点级联激光器自下而上依次包括下波导、量子点有源区层4以及上波导，其中量子点有源区层4用于提供光增益，是整个量子点级联激光器材料结构的核心。

根据本发明，所述量子点有源区层4为多周期级联的，该多周期级联的量子点有源区层4的每个周期包括多个量子阱/垒对，还包括量子点插层。该量子点插层是实现量子点参与子带激射的基础。多个量子阱/垒对用于对其能带结构进行调整，以提供电子的量子输运通道；量子点插层，用于提供电子辐射跃迁的末态，以实现量子点参与子带激射。

量子点有源区层4的周期数为10-50个，在本实施例中，其周期数为30个。每个周期的量子点插层具有多个层，在本实施例中为三层，分别位于三个连续的量子阱/垒对的量子阱层中。但是，根据本发明，该量子点插层也可以位于连续的量子垒层之间。

所述多个量子点插层位于量子点有源区层4的每个周期中与电子光跃迁空间上最相关的连续的量子阱/垒对的量子阱层中或者连续的量子垒层之间，以保证量子点插层所贡献的量子点态是电子光跃迁的末态。

根据本发明，所述量子点插层包括一应变自组织量子点层，用于限制电子在平行于量子阱平面内的自由运动，提供作为电子辐射跃迁末态的量子点态，在本实施例中，其材料为砷化铟。

根据本发明，所述量子点插层还包括一个应变补偿层，其材料不同于所述应变自组织量子点层，用于补偿量子点层带来的张应变，在本实施例中，其为一砷化镓层，但也可以是铟镓砷。

根据本发明，量子点有源区层4的量子阱/垒对的量子阱材料为铟镓砷，量子垒材料为铟铝砷。

本发明的量子点有源区层4是基于“束缚-连续态”的设计理念，每个周期中的多个量子点插层的量子点态作为电子辐射跃迁的末态，能量上分布较为密集，近似构成了连续带，因此非常有利于跃迁末态即量子点态电子的快速抽取，易于器件激射。

根据本发明，如图1所示，要构成完整的量子点级联激光器的材料结构还需包括下波导和上波导，下波导包括衬底1、下盖层2及下波导限制层3，上波导包括上波导限制层5、上盖层6和欧姆接触层7。

衬底1用于支撑其后生长的各外延层并提供与实际器件的下电极的欧姆接触，在该实施例中，衬底1的材料为磷化铟。

下盖层2位于衬底1上，用于限制波导模式在衬底中的分布，有效地降低器件的波导损耗，在本发明的该实施例中，如图1所示，该下盖层为磷化铟，厚度为1.5μm。

下波导限制层3位于下盖层2上，用于增加波导模式与其后的波导核心区即有源区、注入/弛豫区的交叠程度，提高该波导结构的光学限制因子，在本发明的该实施例中，如图1所示，该下波导限制层为铟镓砷，厚度为300nm。

上波导限制层5位于量子点有源区层4上，其材料、尺寸、以及功用等与下波导限制层3一致。

根据本发明，量子点级联激光器的上波导还包括上盖层6和欧姆接触层7，材料均为磷化铟，其中上盖层6位于上波导限制层5上，其材料、尺寸、以及功用等与下盖层2一致，而欧姆接触层7位于上盖层6上，用于提供与实际器件的上电极的欧姆接触，在本发明的该实施例中，如图1所示，该欧姆接触层7为磷化铟，厚度为500nm。

下面结合图2详细说明本实施例的量子点级联激光器的量子点有源区层4的设计理念与结构。图2为图1所示的实施例中，作为本发明的量子点级联激光器的核心——量子点有源区层4的约一个半周期的能带图与相应的波函数的模平方，位置坐标x表示量子阱/垒堆叠的方向，其中方形的锯齿形曲线对应量子阱/垒对叠层构成的导带边(能量坐标上)随空间的变化情况，凸起部分对应量子垒，而下凹的部分对应量子阱，在67kV/cm强度的外加电场下该曲线被附加了大小为67keV/cm的斜率，而图中另外的每条波浪形曲线均对应一个子带的带底的量子态，每条曲线作为坐标x的函数，其极小值为每个子带的带底的量子态的本征能量，而曲线在每一点x处的取值与这一极小值的差值即表征该量子态下电子在该点单位长度内出现的几率大小。

如图2所示，在该实施例中，量子点有源区层4的一个周期包括10个量子阱/垒对，量子阱和量子垒的材料分别为应变补偿的In_0.6Ga_0.4As和In_0.44Al_0.53As，随坐标x增大，从最宽的注入垒In_0.44Al_0.53As开始，由左至右各层的厚度依次为：4.2、1.3、1.4、2.7、1.5、2.4、1.6、2.1、1.8、2.9、1.9、2.6、2、2.3、2.1、2.2、2.3、2.1、3、2.1，单位为纳米，部分量子阱/垒是n-掺杂的。超晶格有源区每一周期的10个量子阱/垒对所构成的导带轮廓形成了两个由能量上很密集的多个子带构成的微带，对应图2中所示的一个周期中的两个阴影区域，该两个微带间的能量区域没有量子态存在，故而形成了一个所谓的微带隙，在最宽的注入垒In_0.44Al_0.53As(4.2nm)之后(坐标x增大方向)即为一薄阱In_0.6Ga_0.4As(1.3nm)，该薄阱在超晶格有源区微带隙中引入了一个束缚态，该束缚态即作为电子辐射跃迁的上能级。

由左至右该周期的与电子光跃迁空间上最相关的连续的三个量子阱/垒对的量子阱层，即第二、三、四量子阱中各引入了一个量子点插层，图中所示量子点插层中较深的阱为砷化铟应变自组织量子点层，而较高的垒层为用于应变补偿的砷化镓层。图2中由左至右三个点插层的InAs沉积量分别为1.4nm、1.2nm、1.1nm，应变补偿层厚分别为9nm、8nm、7nm，这些设计最终提升了量子点态能量位置，保证了作为跃迁末态的第一微带有较大的能态密度与带宽，并且该末态具有很高的量子点态比例，这样就在这些末态与上能态之间构成了一个真正的禁带，该禁带宽度远大于材料的纵光学声子能量，高能态的由单纵光学声子弛豫过程所决定的非辐射衰减寿命将得到实质性的提升，构成所谓的“声子瓶颈”。

图3为一与本实施例对应的量子点级联激光器的光谱图，该激光器具有利用标准光刻技术制作得到的22μm脊宽脊型波导结构，上电极作电镀金加厚处理，腔面未镀膜，腔长3mm，并倒焊于铜热沉上。在1.5kHz频率、2μs脉宽的驱动电压下，器件81K时的激射波长为6.128μm，这与图2中波浪箭头所示的上、下能级间的辐射跃迁波长6.288μm接近。注意，图2采用的是基于包络函数近似与有效质量能量依赖性并考虑到应变的影响的一维薛定谔方程模型，实际量子点是三维结构，这里采用一维势阱来近似代替，量子点区域的等效势阱厚度取InAs沉积量对应的厚度，这是因为，虽然实际量子点结构在沿垂直生长平面方向的尺度要大于InAs沉积量对应的厚度，但由于其在生长平面内对电子有额外的限制作用，因此在一维模型中可以缩短量子点在沿垂直生长平面方向的尺度来补偿其在其他两个方向对电子的约束，对于有源区中的上能态，其波函数不再局限于量子点内，点内、点外均有分布，平均来看，亦可以用具InAs沉积量对应厚度的一维InAs势阱来描述上能态电子所受的势场作用。

另外，图5为本发明的该实施例的量子点级联激光器的材料芯片的截面TEM图。如图5所示，在有源区三阱中的确存在In、Ga组分的调制，点间距为20nm左右，并且三阱中的点沿外延方向垂直耦合生长在了一起，基于该结构，用有限元方法，对有源区量子点插层建立三维模型，考虑三维应变场对量子点形貌、各材料导带边、电子有效质量的影响，取第一插层量子点为球冠形，其保持物质的量不变而具有磷化铟晶格常数时的尺寸为基底直径30nm、高2nm，其他层量子点尺寸按InAs沉积量之比例缩小，通过求解包络函数近似与有效质量能量依赖性的三维薛定谔方程，最终得到了最高量子点基态能级位置与图2一维模型的第一微带最高能级一致，这说明有源区跃迁末态的确是量子点态在起作用。

实际量子点级联激光器的阈值电流密度以及斜率效率等并未得到预期的显著改善，可能是材料的增益谱偏宽(基于“束缚-连续态”，并且量子点具有较大的尺寸不均匀性)等原因造成，但是器件在后腔面镀高反膜后，在90-160K温度区间内的工作特征温度高达约360K，如图4所示，表明“声子瓶颈”效应的确增加了跃迁上能态电子的非辐射衰减寿命，改善了器件的温度特性。

本发明对于量子点有源区层包括的周期数、每个周期包括的量子阱/垒对的数目、量子阱/垒对材料的组分即In_xGa_1-xAs与In_yAl_1-yAs的x与y的取值、以及插入的量子点插层的层数都没有具体的限定，原则上任何一种量子级联激光器的有源的结构都可以采用这种量子点插层的办法，得到任意设计波长的量子点级联激光器结构。图6所示为本发明的另一种设计结构的，波长约为10μm的量子点级联激光器的量子点有源区层能带图，电场强度为40kV/cm，材料体系为晶格匹配的In_0.532Ga_0.468As/In_0.523Al_0.477As/InP，三个量子点插层位于连续的四个垒层之间，自左至右InAs沉积量分别为0.9nm、0.9nm、0.8nm，应变补偿层为铟镓砷，自左至右厚度分别为4.9nm、4.8nm、4.2nm，从注入垒开始有源区一个周期的各层厚度为：4、1.9、0.7、0.9、0.9、2.2、3.4、1.4、3.3、1.3、3.2、1.5、3.1、1.9、3、2.3、2.9、2.9、2.9，单位均为纳米。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种量子点级联激光器，自下而上依次包括下波导、量子点有源区层以及上波导，其特征在于：

所述量子点有源区层是多周期级联的，其每个周期包括：

多个量子阱/垒对，用于对其能带结构进行调整，以提供电子的量子输运通道；以及

量子点插层，用于提供电子辐射跃迁的末态，以实现量子点参与子带激射；

所述量子点插层位于量子点有源区层的每个周期中与电子光跃迁空间上最相关的量子阱/垒对的量子阱层中或者连续的量子垒层之间，以保证量子点插层所贡献的量子点态是电子光跃迁的末态。

2.如权利要求1所述的量子点级联激光器，其特征在于，所述量子阱/垒对的量子阱材料为In_xGa_1-xAs，0＜x＜1；所述量子阱/垒对的量子垒材料为In_yAl_1-yAs，0＜y＜1。

3.如权利要求2所述的量子点级联激光器，其特征在于，所述量子点有源区层的每个周期包含的量子点插层为两层或以上。

4.如权利要求3所述的量子点级联激光器，其特征在于，所述量子点插层包括一个应变自组织量子点层，用于限制电子在平行于量子阱平面内的自由运动，提供作为电子辐射跃迁末态的量子点态。

5.如权利要求4所述的量子点级联激光器，其特征在于，所述应变自组织量子点层的材料为砷化铟或铟镓砷。

6.如权利要求4所述的量子点级联激光器，其特征在于，所述量子点插层还包括一个应变补偿层，用于补偿所述应变自组织量子点层带来的张应变。

7.如权利要求6所述的量子点级联激光器，其特征在于，所述应变补偿层的材料不同于所述量子阱材料，也不同于所述应变自组织量子点层的材料。

8.如权利要求7所述的量子点级联激光器，其特征在于，所述应变补偿层的材料为砷化镓或铟镓砷。

9.如权利要求1-8中任一项所述的量子点级联激光器，其特征在于，所述量子点有源区层的周期数为10～50个。

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