CN102646748A - 红外激光器-红外探测器集成器件 - Google Patents

红外激光器-红外探测器集成器件 Download PDF

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刘惠春
沈文忠
杨耀
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Abstract

本发明提供一种红外激光器-红外探测器集成器件，以半导体材料为衬底，利用半导体外延生长技术在衬底上生长多层的半导体结构，形成红外探测和红外激光器两个功能区，其中一部分在电流的驱动之下可以产生红外激光，另一部分可以探测红外光。该集成器件可以用于红外气体传感，红外差频信号探测等，能够提高传感和探测效率，兼具结构简单，体积紧凑等优点。

Description

红外激光器-红外探测器集成器件
技术领域
本发明涉及一种红外光电器件，具体是红外激光器-红外探测集成器件。 
背景技术
红外光谱分析方法是重要分析方法，广泛的用于物理、化学、生物和医药的基本研究和检测，天文观测，各种工业生产过程、大气环境污染状况的检测与控制，和同位素分析和等离子体热核反应温度测量等各种方面。进入工业时代以来，伴随着人类的生产和生活，大量的气体被排放到大气之中，导致了日益严重的环境和气候问题，包括温室效应、酸雨、臭氧层减薄等。随之而来，人们对可以用于环境检测的气体传感器的需求量将急剧增长，性能要求也逐渐提高。
大多数非对称双原子和多原子分子气体在红外波段都有红外特征吸收峰，可以用其吸收光谱来进行定性辨识和定量分析，红外吸收气体分析技术已成为气体分析的主流技术和重要发展方向。近年来，随着半导体材料和纳米科学的发展，出现了一种创新的红外气体传感技术，那就是基于半导体激光器的红外气体传感器。具备以下独特的优点：探测灵敏度高，可达到百万分之一（ppm）至十亿分之一（ppb）甚至万亿分之一（ppt）等级，能够满足高端需求；另外，它们可探测的区域范围广、气体种类多、响应时间快。
基于半导体激光器的红外气体传感器通常由如下几个部分组成：红外激光器，红外探测器，气室，各种光学组件，电路和人机交换模块等。其中红外激光器和红外探测器为独立的两个器件，彼此分离，他们中间通过一系列的光学组件进行联系，光路复杂，效率低下。 
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种红外激光器-红外探测器集成器件，集红外探测器和红外激光器两种器件于一体，结构简单，组件少，体积紧凑，方便操作，带来很大的便利，同时大大降低成本且能够提高探测效率。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种红外激光器-红外探测器集成器件，具备红外探测器和红外激光器两个部分，是以半导体材料为衬底，利用半导体外延生长技术在衬底上生长多层的半导体结构，形成红外探测和红外激光器两个功能区，其中一个部分在电流的驱动之下可以产生红外激光，另外一个部分可以探测红外光。
以GaAs材料为衬底，通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的：
    n型重掺杂的GaAs下电极层；
未掺杂的N型GaAs缓冲层；
多周期的AlGaAs/GaAs工作层；
AlxGa1-xAs势垒层；
N型重掺杂GaAs上电极层
以上为量子级联激光器（QCL）功能部分，用以实现红外激光发射。其中AlGaAs/GaAs工作层具备标准的QCL的功能结构，其具体结构参数由发光波长决定。
接下继续生长：
N型GaAs缓冲层；
n型掺杂的GaAs下电极层；
先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层；
AlxGa1-xAs势垒层；
N型掺杂的GaAs上电极层；
以上为量子阱红外探测器（QWIP）部分，用以实现红外光探测。其中，所述的多量子阱层，每个周期包括一个AlxGa1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层。量子阱的结构参数（势阱宽度、势垒厚度，势垒高度）按照最优化方案选取。GaAs势阱中利用Be进行掺杂，掺杂浓度满足或接近背景限制温度的最优化条件。
以InP材料为衬底，通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的：
n型掺杂的InNPAs下电极层；
n型InNPAs缓冲层；
QCL功能层，先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层，其中势垒层为InAlAs，势阱层为InGaAs；
n型InNPAs缓冲层；
N型掺杂的InNPAs上电极层；
以上为量子级联激光器（QCL）功能部分，用以实现红外激光发射。
接下继续生长：
N型InNPAs缓冲层；
n型掺杂的InP下电极层；
QWIP功能层，先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层，其中势阱为InGaAs层，势垒为InP层；在势阱中掺有InGaAs量子点；
InP势垒层；
N型掺杂的InP上电极层；
以上为p型量子点红外探测器（QDIP），用以实现红外光探测。
本发明所提供的器件中的红外探测器部分是p型量子阱红外探测器（QWIP），或者量子点红外探测器（QDIP），具备多周期量子结构，利用量子阱或者量子点中的子带间跃迁实现红外光辐射，探测波长为中红外或者是太赫兹波段，探测范围与红外激光器的发光波长相匹配。P型QWIP或者QDIP可以吸收正入射的红外光。
本发明所提供的红外激光器-红外探测器集成器件，可以应用于红外气体传感或者红外差频探测。
本发明技术方案所带来的有益效果如下：
1、本发明的红外激光器-红外探测集成器件集红外探测器和红外激光器两种器件于一体，若用于红外气体传感，红外差频探测等用途，所获得的气体传感器和差频探测器结构简单，组件少，体积紧凑，方便操作，带来很大的便利，同时大大降低成本。
2、本发明的红外激光器-红外探测集成器件用于红外气体传感或者红外差频探测时，大多数红外激光能够为红外探测器所接受探测，能够大大提高探测效率。
 
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明的红外激光器-红外探测器集成器件的实施例一；
图2是本发明的红外激光器-红外探测器集成器件的实施例二；
图3是基于本发明的红外激光器-红外探测器集成器件的应用一；
图4是基于本发明的红外激光器-红外探测器集成器件的应用二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的红外激光器-红外探测器集成器件的实施例一，基于GaAs材料，激光器部分为QCL，探测器部分为p型QWIP。图中，GaAs衬底1； n型掺杂的GaAs下电极层2； N型GaAs缓冲层3； QCL功能层，多周期的AlGaAs/GaAs工作层4； AlxGa1-xAs势垒层5； N型掺杂的GaAs上电极层6； N型GaAs缓冲层7； n型掺杂的GaAs下电极层8； QWIP功能层，先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层9； AlxGa1-xAs势垒层10； N型掺杂的GaAs上电极层11； QCL下电极12； QCL上电极13； QWIP下电极14； QWIP上电极15。其中n型掺杂的GaAs下电极层2至N型掺杂的GaAs上电极层6为QCL的结构区；多周期的AlGaAs/GaAs工作层4为QCL的功能区，在这一部分中实现红外光激射；N型GaAs缓冲层3和N型掺杂的GaAs上电极层6为QCL的上下电极层，分别具备电子注入和收集的功能；QCL下电极12和QCL上电极13为QCL的上下金属电极，与QCL上下电极层形成良好的欧姆接触。利用量子阱中电子的子带间跃迁实现红外激光发射。
N型GaAs缓冲层7至N型掺杂的GaAs上电极层11为QWIP结构区，其中先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层9为QWIP的功能区，在这一部分中实现红外光激射；n型掺杂的GaAs下电极层8和N型掺杂的GaAs上电极层11为QWIP的上下电极层；QWIP下电极14和QWIP上电极15为QWIP的上下金属电极，与QCL上下电极层形成良好的欧姆接触。利用量子阱中空穴的子带间跃迁实现红外激光发射。相比于n型QWIP，p型QWIP有一个很大的优点，是可以吸收探测正入射的红外光。
图2是本发明红外激光器-红外探测器集成器件的实施例二，基于InP材料，激光器部分为QCL，探测器部分为量子点探测器QDIP。
图中，InP衬底16； n型掺杂的InNPAs下电极层17； n型InNPAs缓冲层18； QCL功能层，先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层19，其中势垒层为InAlAs，势阱层为InGaAs； n型InNPAs缓冲层20； N型掺杂的InNPAs上电极层21； N型InNPAs缓冲层22； n型掺杂的InP下电极层23；QDIP功能层，先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层24，其中势阱为InGaAs层，势垒为InP层；在势阱中掺有InGaAs量子点25； InP势垒层26； N型掺杂的InP上电极层27； QCL下电极28； QCL上电极29； QDIP 下电极30； QDIP 上电极31。其中n型掺杂的InNPAs下电极层17至N型掺杂的InNPAs上电极层21为QCL的结构区；先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层19为QCL的功能区，在这一部分中实现红外光激射；n型掺杂的InNPAs下电极层17和N型掺杂的InNPAs上电极层21为QCL的上下电极层，分别具备电子注入和收集的功能；QCL下电极28和QCL上电极29为QCL的上下金属电极，与QCL上下电极层形成良好的欧姆接触。利用量子点中电子的子带间跃迁实现红外激光发射。
N型InNPAs缓冲层22至N型掺杂的InP上电极层27为 QDIP结构区，其中先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层24为QCL的功能区，在这一部分中实现红外光激射；n型掺杂的InP下电极层23和N型掺杂的InP上电极层27为 QDIP的上下电极层；QDIP 下电极30和QDIP 上电极31为 QDIP的上下金属电极，与QCL上下电极层形成良好的欧姆接触。利用量子点中空穴或者电子的子带间跃迁实现红外激光发射。QDIP可以吸收探测正入射的红外光。
图3是基于本发明的红外激光器-红外探测器集成器件的红外气体传感器的应用实例。
其中红外激光器-红外探测器集成器件32用来发射和探测红外光信号；热电制冷器33用以给激光器-红外探测器集成器件32制冷，并且稳定温度；利用真空封装34密封住红外激光器-红外探测器集成器件32和热电制冷器33，防止上面有冰和水汽凝结，同时对这两者加以保护；红外透镜35用以汇聚集成器件32所发出的红外激光a，使其由发散光变为平行光；另外，该透镜35也能够将需要探测的红外光b聚焦成一个点，使其尽可能多的为器件32所采集。多光程气室36中充有所需探测的气体；电源和电路系统37用以给系统供电，兼具控制 、信号采集、放大、信息处理、人机交互等功能。
图4是基于本发明的红外激光器-红外探测器集成器件的红外差频探测器应用实例。
其各部分组件功能与图3中功能基本一样。不同的是，它探测的是由器件自行发射的红外光d和由外面入射的红外光c所产生的差频信号。为此，集成器件的结构参数需要做专门针对性的选取，其电源和电路系统37部分也需要做针对性设计。

Claims (9)

1.一种红外激光器-红外探测器集成器件，其特征在于，以半导体材料为衬底，利用半导体外延生长技术在衬底上生长多层的半导体结构，具备红外探测器和红外激光器两个部分，其中一个部分在电流的驱动之下可以产生红外激光，另外一个部分可以探测红外光。
2.如权利要求1所述的红外激光器-红外探测器集成器件，其特征在于，所述器件是以GaAs材料为衬底，所述红外激光器部分是在所述基底上依次逐层生长：
    n型重掺杂的GaAs下电极层；
未掺杂的N型GaAs缓冲层；
多周期的AlGaAs/GaAs工作层；
AlxGa1-xAs势垒层；
N型重掺杂GaAs上电极层；
以上为量子级联激光器（QCL）功能部分，用以实现红外激光发射，其中AlGaAs/GaAs工作层具备标准的QCL的功能结构，其具体结构参数由发光波长决定。
3.如权利要求2所述红外激光器-红外探测器集成器件，其特征在于，所述n型重掺杂的GaAs下电极层以及N型重掺杂GaAs的上电极层上分别连接有QCL下金属电极和QCL上金属电极。
4.如权利要求2所述的红外激光器-红外探测器集成器件，其特征在于，所述红外探测器部分是在所述红外激光器部分上继续生长：
N型GaAs缓冲层； 
n型掺杂的GaAs下电极层；
先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层；
AlxGa1-xAs势垒层；
N型掺杂的GaAs上电极层；
以上为p型量子阱红外探测器（QWIP），用以实现红外光探测，其中，所述的多量子阱层，每个周期包括一个AlxGa1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层。
5.如权利要求4所述的红外激光器-红外探测器集成器件，其特征在于，所述n型掺杂的GaAs下电极层以及N型掺杂的GaAs上电极层上分别连接有QWIP下金属电极和QWIP上金属电极。
6.如权利要求1所述的红外激光器-红外探测器集成器件，其特征在于，所述器件是以InP材料为衬底，所述红外激光器部分是在所述基底上依次逐层生长：
n型掺杂的InNPAs下电极层；
n型InNPAs缓冲层；
QCL功能层，先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层，其中势垒层为InAlAs，势阱层为InGaAs；
n型InNPAs缓冲层；
N型掺杂的InNPAs上电极层；
以上为量子级联激光器（QCL）功能部分，用以实现红外激光发射。
7.如权利要求6所述的红外激光器-红外探测器集成器件，其特征在于，所述n型掺杂的InNPAs下电极层以及N型掺杂的InNPAs上电极层上分别连接有QCL下金属电极和QCL上金属电极。
8.如权利要求6所述的红外激光-红外探测器集成器件，其特征在于，所述红外探测器部分是在所述红外激光器部分上继续生长：
N型InNPAs缓冲层；
n型掺杂的InP下电极层；
QWIP功能层，先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层，其中势阱为InGaAs层，势垒为InP层；在势阱中掺有InGaAs量子点；
InP势垒层；
N型掺杂的InP上电极层；
以上为p型量子点红外探测器（QDIP），用以实现红外光探测。
9.如权利要求8所述的红外激光器-红外探测器集成器件，其特征在于，所述n型掺杂的InP下电极层以及N型掺杂的InP上电极层上分别连接有QDIP下金属电极和QDIP上金属电极。
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