CN102957092B - 一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：利用半导体外延生长技术在半导体衬底上生长多层的半导体结构，形成双量子阱三能级的结构，以入射激光进行激发，形成可以稳定工作的激光器。本发明的量子阱太赫兹激光器能够在室温或准室温的条件下工作，工作温度接近300K，无需制冷设备或者仅需要半导体热电制冷器进行制冷。相比之下，常规的太赫兹激光器（如量子级联激光器）通常工作在低温状态，需要安置在杜瓦或循环制冷机中。本发明的量子阱太赫兹激光器能够在30到40微米波段产生太赫兹激光。

Description

一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器件技术领域，特别是涉及一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器。

背景技术

太赫兹(太赫兹)辐射是指从0.1到10 太赫兹的电磁波辐射，对应的波长在30-3000微米。近年来随着太赫兹技术的迅速发展，太赫兹技术在基础研究（电磁学、光学、半导体物理学、光电子学）和实际应用（成像，安检，通讯，医疗检测）等领域呈现了广阔的应用前景。

量子级联激光器，是将量子裁剪和量子物理用于设计新型半导体带跃迁激光器的典范，由于现代材料生长技术如分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）可以在原子尺度上控制材料层的生长，到目前为止已有多种材料系统实现了量子级联激光器器件的生长，如InGaAs/AlGaAs与GaAs/AlGaAs体系。常规的太赫兹激光源主要集中在GaAs基的量子级联激光器，包括InGaAs/InP与GaAs/AlGaAs体系。GaAs基激光器由于自身声子原因（纵波光学声子（LO声子）能量主要在36 meV左右），无法产生能量在36 meV左右的的太赫兹激光。另外设计激光器的过程中，往往需要利用材料的自身声子，使得电子和声子散射迅速掉落到基态。利用三能级的体系，我们在设计激光器时，E₂-E₁大概为36 meV左右，从而电子能和声子发生散射，迅速掉落。由于E₂-E₁为36 meV和室温k_BT热激发能 (~26 meV) 相差不多，电子在受热激发时，很容易重新激发回到E₂能级上，对激光器的粒子数反转和工作温度产生不利影响。这严重影响了其广泛应用。在此前提下，急需出现一种室温或者准室温工作、能在30~40微米波段激射的太赫兹激光器。

发明内容

本发明目的在于提供一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，可以在室温或准室温工作，且能够在30到40微米波段发出激光。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：利用半导体外延生长技术在半导体衬底上生长多层的半导体结构，形成双量子阱三能级的结构，以入射激光进行激发，形成可以稳定工作的激光器。

其进一步特征在于：所述激光器是以非极化GaN为衬底，沿着m平面或者α平面逐层生长：

未掺杂的GaN缓冲层；

n型掺杂的GaN下电极层；

先势垒后势阱交替生长多个在周期形成的多量子阱层；

Al_xGa_1-xN势垒层；

n型掺杂的GaN上电极层；

其中，上下电极层的作用在于生长好器件后，对器件进行电流电压曲线测量，确认器件的有效性；同时也有对器件中的相应量子阱能级位置进行调制作用。

进一步的：所述的多量子阱层，每个周期包括三个Al_xGa_1-xN势垒层和两个GaN势阱层，GaN势阱层中进行n型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度在1×10¹¹ cm^-2~1×10¹² cm^-2。

所述多量子阱层的势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所要发出的激光频率设计，所述周期性量子阱结构第一势垒宽度为8 nm ~20 nm，第一势阱宽度为5 nm ~15 nm，第二势垒宽度1 nm ~3 nm，第二势阱宽度1 nm ~5 nm，第三势垒宽度8 nm~20 nm；势垒高度由Al_xGa_1-xN中的Al组分x决定，x的范围在0.05~0.3之间。

所述的多量子阱层的周期数大于20。

所述n型掺杂的GaN下电极层的厚度为0.5~10微米，所掺杂质为硅，其掺杂浓度为0.5~5×1018 cm^-3。

其特征还在于：所述太赫兹激光器属于半导体子带跃迁型激光器，采用周期性结构的GaN/AlGaN量子阱结构器件，每个周期包含双量子阱形成三能级结构；其中的三能级结构，第三能级E₃和第二能级E₂之间的能量差约36 meV，而第二能级E₂和第一能级E₁的能量差约91 meV。

本发明的量子阱太赫兹激光器能够在室温或准室温的条件下工作，工作温度接近300 K，无需制冷设备或者仅需要半导体热电制冷器进行制冷。相比之下，常规的太赫兹激光器（如量子级联激光器）通常工作在低温状态，需要安置在杜瓦或循环制冷机中。本发明的量子阱太赫兹激光器能够在30到40微米波段产生太赫兹激光。

附图说明

图 1 为本发明结构示意图。

图 2 为本发明能带结构原理图。

图 3 为本发明能带结构示意图。

图 4 为太赫兹激光器各个能级上的电子数及激光器增益随泵浦光源强度变化图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提出的光泵浦量子阱太赫兹激光器利用GaN材料为衬底，用MBE或者MOCVD技术逐层生长出以下多层结构：

（1）   一层未掺杂的GaN缓冲层；

（2）   n型掺杂的GaN下电极层，其厚度为0.5~10 微米，所掺杂杂质为硅（Si），其掺杂浓度为0.5~5×10¹⁸ cm^-3，例如使Si掺杂浓度约为1×10¹⁸ cm^-3；

（3）   先势垒后势阱交替生长多个在周期形成的多量子阱层。多量子阱层的周期数大于20。其中，所述的多量子阱层，每个周期包括三个Al_xGa_1-xN势垒层两个GaN势阱层，所述GaN势阱层中进行n型掺杂，所掺杂质为硅，优选地，其掺杂浓度在可以在1×10¹¹ cm^-2~1×10¹² cm^-2。势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所要发出的激光频率设计，所述周期性量子阱结构如图所示，第一势垒（图3中1）宽度为8 nm ~20 nm，第一势阱（图3中2）宽度分别为5 nm ~15 nm，第二势垒宽度（图3中3）1 nm ~3 nm，第二势阱（图3中4）宽度1 nm ~5 nm，第三势垒宽度（图3中5）宽度8 nm~20 nm；势垒高度由Al_xGa_1-xN中的Al组分x决定，x的范围在0.05~0.3之间。

（4）   Al_xGa_1-xN势垒层；

（5）   n型掺杂的GaN上电极层；其厚度为0.5~10 微米，所掺杂杂质为硅（Si），其掺杂浓度为0.5~5×1018 cm^-3，例如使Si掺杂浓度约为1×1018 cm^-3；

其中，上下电极层的作用在于生长好器件后，对器件进行电流电压曲线测量，确认器件的有效性；同时也有对器件中的相应量子阱能级位置进行调制作用。

本发明的量子阱红外探测器的工作原理为：将两种不同的半导体材料（Al_xGa_1-xN和GaN）交替生长形成周期外延层，若这两种材料具有不同的带隙或能带结构，在异质界面处将发生能带的不连续。在势阱很窄，与电子波长可比拟时，根据量子力学原理，势阱中会产生束缚的分裂能级。我们可以通过调节Al组分x的含量和势阱，势垒宽度来人为剪裁量子阱的能带结构，经过调节，每个周期中会形成三个能级，由低到高依次为E₁，E₂，E₃。所述量子阱太赫兹激光器采用光泵浦的方式，利用光泵浦将电子从低能级E₁泵浦到高能级E₃，每个电子再由E₃掉落到能级E₂时，可以放出一个光子，在能级E₂的电子迅速和声子发生散射掉落到能级E₁上，再被泵浦激光重新激发。多量子阱周期结构，每个周期中又有很多电子被激发和掉落，经过累积，就可以放出足够强的太赫兹激光。根据试验，优选的Al组分x的含量为0.05~0.3，所述周期性量子阱结构如图2所示，第一势垒1（图3中1）宽度为8 nm ~20 nm，第一势阱2（图3中2）宽度分别为5 nm ~15 nm，第二势垒宽度3（图3中3）1 nm ~3 nm，第二势阱4（图3中4）宽度1 nm ~5 nm；第三势垒宽度5（图3中5）宽度8 nm~20 nm。

本发明的光泵浦量子阱太赫兹激光器具有在室温（或准室温）下工作的优点，如图4所示为300 K时本发明的量子阱太赫兹激光器的各能级电子数和增益随光泵浦强度的变化关系图，同时可以发出在30到40微米的太赫兹波段激光。

图3是光泵浦方式的非极化GaN/AlGaN量子阱太赫兹激光器能带结构和图2是原理示意图。如图3所示，太赫兹激光器的每个周期由2阱3势垒组成，在这种结构下会形成3能级结构E₁，E₂，E₃，其中的曲线代表的是电子波函数，初始条件电子基本都处于E₁能级。图2：当有一束足够强的光（光子能量为E₃-E₁）射入量子阱时，处于E₁能级的电子就会被大量激发到E₃能级，E₃能级的电子掉落到能级E₂，失去能量就会发出能量为E₃-E₂的太赫兹激光。而能级E₂的电子，由于和LO声子的快速散射效应，会迅速回到能级E₁。这样一方面E₃能级不断收到来自能级E₁泵浦的电子，而E₂能级上的电子又不断得和LO声子快速散射回到E₁能级，E₃的电子就会比E₂上的多，形成粒子数反转，太赫兹激光器就能够稳定的工作。

图4是300 K时，太赫兹激光器各个能级上的电子数及激光器增益随泵浦光源强度变化图。从图中可以看出，能级E₂上的电子数n₂开始阶段是少于E₃上的电子数n₃的，随着入射光强度的不断增强，在8 MW cm^-2之后，n₃开始大于 n₂，粒子数反转得以实现。太赫兹激光器的室温工作可以实现。

Claims (6)

1.一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：利用半导体外延生长技术在半导体衬底上生长多层的半导体结构，形成双量子阱三能级的结构，以入射激光进行激发，形成可以稳定工作的激光器；

所述激光器是以非极化GaN为衬底，沿着m平面或者α平面逐层生长：

未掺杂的GaN缓冲层;

n型掺杂的GaN下电极层；

先势垒后势阱交替生长多个在周期形成的多量子阱层；

Al_xGa_1-xN势垒层；

n型掺杂的GaN上电极层；

其中，上下电极层的作用在于生长好器件后，对器件进行电流电压曲线测量，确认器件的有效性；同时也有对器件中的相应量子阱能级位置进行调制作用。

2.如权利要求1所述的GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：所述的多量子阱层，每个周期包括三个Al_xGa_1-xN势垒层和两个GaN势阱层，GaN势阱层中进行n型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度在1×10¹¹ cm^-2~1×10¹² cm^-2。

3.如权利要求1或2所述的GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：所述多量子阱层的势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所要发出的激光频率设计，所述周期性量子阱结构第一势垒宽度为8 nm ~20 nm，第一势阱宽度为5 nm ~15 nm，第二势垒宽度1 nm ~3 nm，第二势阱宽度1 nm ~5 nm，第三势垒宽度8 nm~20 nm；势垒高度由Al_xGa_1-xN中的Al组分x决定，x的范围在0.05~0.3之间。

4.如权利要求1或2所述的GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：所述的多量子阱层的周期数大于20。

5.如权利要求1所述的GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：所述n型掺杂的GaN下电极层的厚度为0.5~10微米，所掺杂质为硅，其掺杂浓度为0.5~5×1018 cm^-3。

6.如权利要求1所述的GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：所述太赫兹激光器属于半导体子带跃迁型激光器，采用周期性结构的GaN/AlGaN量子阱结构器件，每个周期包含双量子阱形成三能级结构；其中的三能级结构，第三能级E₃和第二能级E₂之间的能量差约36 meV，而第二能级E₂和第一能级E₁的能量差约91 meV。