CN106233550B - 用于光电子器件的无源波导结构 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有光学模式和增益区的半导体光发射器，所述光发射器包括由半导体材料A和B的双交替层制成的低损耗波导结构，半导体材料A和B分别具有折射率Na和Nb，低损耗波导中的光学模式的有效折射率No处于Na和Nb之间。其中No与增益区折射率的差值在5％的误差容限内，其中所述增益区是与低损耗波导相对接，其中所述低损耗波导中的光学模式的大小及形状和增益区的大小及形状的差值在10％的误差容限内。理想地，所述半导体材料A和B中至少一个具有足够较大的带隙，使得在15V的偏压下，无源波导结构能够阻挡电流。

Description

用于光电子器件的无源波导结构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年2月28日提交的美国临时专利申请号61/946,700的权益，美国临时专利申请号61/946,700的公开内容通过引用并入于此。
本申请还与于2012年11月30日提交的临时申请序列号61/732,289以及于2013年11月27日提交的申请号PCT/US2013/072195相关。
技术领域
本发明通常涉及量子级联激光器(“QCL”)，尤其涉及在QCL中使用的无源波导结构和涉及使用此类结构的QCL。
背景技术
量子级联激光器是一种单极性器件。不同于传统的直接带隙的半导体激光器，量子级联激光器利用子带间跃迁，且通常在中红外(“mid-IR”)或远红外(“far-IR”)波长范围内发射。
出于各种原因，人们对中红外光源很感兴趣。由于化学键振动而在中红外区域中产生的强吸收线能够用于确定分子组成。例如，图1(现有技术)显示了4.3μm附近的CO2强吸收线。通过检测如4.3μm等特征波长的吸收，如QCL等单波长的中红外光源能够用于检测如CO2等气体分子。
为实现单波长的发射，可在量子级联激光器的有源区上增加光栅结构，以形成分布式反馈(“DFB”)量子级联激光器(“DFB QCL”)。DFB QCL通常发射单波长，且仅能够在小波长范围内对其进行调谐，这允许它们用来检测单一种类的小气体分子，如CO2。然而，存在于固相或液相中的一些大分子物质具有宽和/或复杂的吸收光谱，如图2所示的爆炸性物质，例如，其显示了PETN102、RDX104、TATP106和TNT108的红外吸收光谱。对于检测和区分具有此类宽和/或复杂吸收光谱的物质来说，具有单波长发射和宽调谐范围的QCL是理想的。例如，如图所示的范围R可被用来检测和区分所显示的光谱。
外腔量子级联激光器有单波长发射和宽调谐范围，但他们通常是昂贵和笨重的。一种分布式布拉格反射器(“DBR”)QCL具有一个或两个激光增益区外的反射光栅，这允许比DFB QCL更独立的光栅热调谐和更宽的调谐范围。因此，DBR QCL是外腔量子级联激光器的潜在替代品，其具有相对较低的成本和紧凑的、稳健的单片形式。
DBR QCL通常具有基本均匀的、普通的芯，如图3所示(现有技术)。DBR区上的光栅层直接形成在普通芯层上。处于DBR下普通芯区在操作中是有源的(不是增益区的部分)，操作期间不接收或接收极小泵浦电流(由于附加的相关电流阻挡结构或类似物)，其具有较强的共振吸收。
上述引用的相关申请中公开了，在DBR QCL中实现了与有源区波导不同的波导。通过对DBR使用不同的波导，该波导对工作波长范围内的波长是透明的(或者至少比有源区的波导更透明的)，能够降低DBR中的吸收损耗，这允许激光设备具有更高的最大功率和更宽的总调谐(激射)范围。
发明内容
为了实现在DBR QCL中包括透明波导的上述益处以及为提供其他半导体有源光学器件中的透明波导的类似益处，本公开包括透明的(或相对透明)波导结构，其由半导体材料A和B的双交替层制成，半导体材料A和B的折射率为Na和Nb。理想的是，A和B中至少一个应当具有比较大的带隙，以便即使在相对高的偏压下，无源波导结构也能很好地阻挡电流。在无源波导中的光学模式(optical mode)的有效折射率No处于在Na和Nb之间；为了光学模式的良好传播，No应等于(或接近)与无源波导对接的相关增益区的折射率。同样为了光学模式的良好传播，无源波导的光学模式大小和增益区大小应该是相等的或合理的。
本发明的实施例提供了一种具有光学模式和增益区的半导体光发射器，所述发射器包括由半导体材料A和B的双交替层制成的低损耗波导结构，半导体材料A和B分别具有Na和Nb的折射率，所述低损耗波导中的光学模式的有效折射率No处于Na和Nb之间，其中No与增益区折射率的差值在5％的误差容限内，以及其中所述增益区是与低损耗波导相对接，以及其中在所述低损耗光导中的光学模式的大小及形状和增益区的大小及形状的差值在10％的误差容限内。
对于本领域技术人员，这些及其它特征及优势将从说明书和附图中明显看出。
附图说明
图1(现有技术)是CO2的红外吸收光谱图；
图2(现有技术)是不同爆炸性成分的红外吸收光谱图；
图3(现有技术)是DBR QCL横截面示意图；
图4A、4B和4C是根据本公开，一器件的某些实施例的各个替代方面的横截面示意图；
图5A和5B是根据本公开的结构的一些实施例的光学模式轮廓图，如通过计算机模拟生成的；
图6是根据本公开的无源波导结构的实施例的脉冲V/I曲线测试图；
图7是具有根据本公开的无源波导结构的DBR QCL以及用于比较的DBR QCL的脉冲LIV测试曲线图。
具体实施方式
通过参考以下的详细描述、附图、示例以及权利要求书及其先前和以下的描述，能够更容易地理解本发明。然而，在本发明的组合物、物品、器件和方法被公开和描述前，可以理解的是，除非另有指定，否则本发明不限于特定的组合物、物品、器件和方法，因此当然能够进行变化。还可以理解的是，这里所使用的术语是仅仅是为了描述特定的方面，而不旨在为限制性的。
本发明的下述说明是作为能够以其目前已知的实例来实现本发明的教导来提供的。为此，本领域技术人员将认识和理解到，能够对本文所述的本发明的各个方面进行许多变化，同时仍然得到本发明的有益效果。很明显，通过选取本发明的某些特征而不使用其它特征，可以得到本发明的一些预期效果。因此，本领域技术人员将认识到，对本发明的许多修改和改进是可能的，甚至在某些情况下是理想的且是本发明的一部分。因此，下面的描述提供为对本发明原理的描述，而非限制。
本发明公开了能够用于所公开方法和组合物的、能够与所公开方法和组合物一起使用的、能够在制备中用于所公开方法和组合物的、或者为所公开方法和组合物的实施例的材料、化合物、组合物和组分。本文公开了这些和其他材料，且可以理解的是，当公开这些材料的组合、子集、相互作用、组等，但是可能没有明确公开每一不同的个体和集体的组合的具体引用以及这些化合物的排列时，本文对每一个具体地设想和描述。因此，如果公开了一类取代基A、B和C以及一类取代基D、E和F，且公开了组合实施例的示例，A-D，那么就要以个体和集体的方式设想每一种组合。因此，在这个例子中，具体设想每一组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E、和C-F，且应当认为是由以下公开内容所公开：A、B和/或C；D、E和/或F；以及示例组合A-D。同样，也具体设想和公开任何子集或组合。因此，例如，具体设想子组A-E、B-F以及C-E，且应当认为是由以下公开内容所公开：A、B和/或C；D、E、和/或F；以及示例组合A-D。这个概念适用于本发明的各个方面，包括但不限于任何成分的组合物和制备及使用所公开的组合物的方法步骤。因此，如果有各种可以执行的附加步骤，则可以理解的是，每一附加步骤可以与所公开的方法的任何特定实施例或实施例的组合一起执行，以及具体设想每一此类组合且应当认为公开了每一此类组合。
在本说明书和下面的权利要求书中，引用的一些术语，应被定义为有以下含义：
“包括(include)”、“包括(includes)”或类似术语，这些术语意为包括但不限于，即，包括且非排他的。
术语“约”引用范围内的所有项，除非另有说明。例如，约1、2、或3相当于约1、约2、或约3，并包括从约1-3、约1-2以及约2-3。公开了用于组合物、组分、成分、添加剂和类似方面的特定和优选值，且其范围仅用于说明；它们不排除其他限定值或者在限定范围内的其他值。本公开的组合物和方法包括这些本发明所述的值、具体的值、更具体的值以及优选的值中的任意值或任意组合。
如本文所使用的不定冠词“a”或“an”及其相应的定冠词“the”指的是至少一个、或一个或多个，除非另有规定。
本公开包括透明的波导结构(或相对于非通电有源或增益区波导为较透明的)，其由半导体材料A和B的双交替层制成，半导体材料A和B具有折射率Na和Nb。理想的是，A和B中至少一个应该有相对大的带隙，以便即使在相对高的偏压下，无源波导结构也能够很好的阻挡电流。无源波导中的光学模式的有效折射率No在Na和Nb之间；为了光学模式良好的传播，No应等于(或接近)与无源波导对接的相关增益区中的折射率。同样，为了光学模式的良好传播，无源波导的光学模式大小和增益区大小应该是相等的或合理的。
就在InP衬底上生长的中红外发射QCL来说，透明波导芯应当(平均)与InP晶格匹配，使用如AlGaInAs或GaInAsP或AlGaIn(P)Sb等化合物，其中调节一种或多种组合物，以得到所需的折射率(匹配相应的有源或非透明波导)以及和InP晶格匹配。就较短波长发射的QCL芯(λ＝4.5μm)来说，室温带隙约为0.95-1eV(对应于约1.28μm的发光波长)的GaInAsP或AlGaInAs具有合适的折射率，但对于发射波长在λ＝10-11μm附近的QCL芯，合适的GaInAsP或AlGaInAs材料的带隙应约在0.8-0.9ev之间(对应约1.45μm的发光波长)。
对于提供透明波导的理想绝缘或半绝缘性质，InP和AlInAs能够生长成半绝缘。虽然无论是否利用碳污染的天然缺陷，AlInAs都能在低生长温度下生长成半绝缘，但是AlInAs通常通过添加掺杂原子来生长成半绝缘，掺杂原子如Fe、Ti、Ru或者其它过渡金属，其产生捕获自由载流子的深陷阱；对于InP也是一样。已证明(参见如[B.Tell,U.Koren andB.I.Miller,Metalorganic vapor-phase-epitaxial growth of Fe-dopedInO.53GaO.47As,J.AppL Phys 61,1172,1987],[D.G.Knight,W.T.Moore and R.A.Bruce,Growth of semi-insulating InGaAsP alloys using low pressure MOCVD,J.CrystalGrowth 124,352,1992])，低带隙(<0.8-0.9eV)的GaInAsP很难掺杂得到半绝缘质量；如果在室温下进行半绝缘，那么在QCL芯在可能工作的更高温度(400K)下会变成导电的。然而，InP和AlInAs的折射率太低以致于不能匹配激光有源芯的折射率。所以他们不能作为无源波导的芯材。
本公开提供的对这一特定问题的解决方案是使用非均质材料即AlInAs层和GaInAs层的堆叠来作为透明波导。GaInAs保留未掺杂，而AlInAs是理想的深陷阱元素掺杂。如在反应腔上生长的未掺杂的AlInAs是轻n型，并因此被选为掺杂铁，其充当用于电子的陷阱。如果半绝缘材料的厚度足够高(例如0.5μm)，则其不会产生隧穿，由此产生的堆叠足够绝缘。作为替代的实施例，可以选择不同的堆叠，如GalnAs/InP；AlGalnAs/AlGalnAs或GalnAsP/GalnAsP–具有不同的组合物、低带隙/高带隙-或者是另外的组合。
图4C显示的是一透明或低损耗无源波导结构，该波导结构具有由交替未掺杂(或掺杂的以得到半绝缘行为)的GalnAs/alina层制成的芯。该芯夹在顶部和底部的InP包覆层(n掺杂)(注意，带有上标“-”的n，在本领域通常理解为低n型掺杂)之间，像QCL有源芯。GaInAs和AlInAs的厚度比值可以这样设计，在该设计中，无源波导中的光学模式的有效折射率与具有QCL激光器芯的波导中的有效折射率相等。当AlInAs适当掺杂以得到半绝缘行为时，无源波导的芯可以阻挡高达某一偏压(>20V)的电流，所以没有泄漏电流能够流经无源波导。因此，不需要额外的电流阻挡(隔离)结构，从而可以简化器件的制备。
如图4A所示，低损耗波导可用于前后DBR光栅。如在图4B的替代选择中所示，在低损耗波导为绝缘(即，半绝缘)的情况下，如有需要且如果是通过微加热器而不是电流注入来控制相区(phase section)，则低损耗波导也可用于相区。
根据本公开，无源波导将具有低的光损耗，这主要是由于减少的自由载流子吸收。由于GalnAs/AlInAs材料要么不掺杂要么掺杂来形成半绝缘特性，所以在低损耗波导芯中的光损耗是可以忽略的。通过改变AlInAs和GaInAs的厚度比，无源波导的有效折射率可以在3.1(AlInAs的折射率)和3.3(GaInAs的折射率)之间调整。因此，无源波导的有效折射率可以很容易地设计成与有源(发光)波导(芯)中的光学模式的有效折射率相匹配。根据此实施例的无源波导，当对波导结构中的AlInAs层掺杂以成为半绝缘时，可以阻挡高达高偏压(>20V)的电流。这可以进一步简化器件制备工艺，因为不需要额外的隔离，因此，如图4A和4B所示的隔离区域是可选或可省略的。
本公开目前最优选的实施方案是低光损耗无源波导芯结构，其能用于中红外光电子器件，尤其是与QCL有源材料组合。这对在长波长发射的具有较厚有源区的激光器来说特别有用，如对于在中红外范围及以外的发射的QCL。
对于一些器件来说，与有源(＝发光)芯区(或多个有源芯区)对接的波导芯区(或多个波导芯区)是理想的。波导的芯材选择为，使光学模式在对接处传播的损耗尽可能少。这部分是生长的问题；此外，理想地，波导的芯材选择为具有适当的折射率，通常与有源芯的折射率是相同的。如果波导芯是未掺杂或低掺杂的，则通过波导的传输损耗不包括或包括很少的自由载流子吸收。正如所指出的，在一些实施例中，如果波导芯不是简单未掺杂的，而是半绝缘的，使得注入到有源芯的电流不泄露入波导且也不会被浪费，则同样是非常有利的。
因此，理想的低损耗波导结构具有一个由交替未掺杂(或铁掺杂)的GaInAs/AlInAs层制成的芯，如图4C所示。该芯夹在顶部和底部的InP包覆层(n-掺杂)之间，比如QCL的芯。无源波导芯的总厚度等于QC激光器芯的总厚度。一对GalnAs/AlInAs的厚度应大于0.1μm。GaInAs和AlInAs厚度比可以这样设计，在该设计中，无源波导中的光学模式的有效折射率与具有QCL激光器芯的波导中的有效折射率相等。该厚度的比值还将大于1％且小于99％(不是一种纯净物)--这实际上是由目标折射率的范围决定的。无源波导中的光学模式大小应与QC激光器芯的波导中的光学模式大小类似。图5A和5B显示了不同厚度比的两无源波导的模拟光学模式。图5A显示了GalnAs/AlInAs厚度比为50/50的无源波导结构中的光学模式。此处，一对GalnAs/AlInAs层的厚度为0.5μm。有效的折射率是3.169，这是略低于目标值(在特定的QCL有源区中的模式的折射率)3.2172。图5B显示了根据在GalnAs/AlInAs厚度比为68/32的无源波导结构中模拟的光学模式。有效折射率为3.207，这与特定有源芯的折射率匹配得很好。
掺杂的低损耗波导的实施例可以阻挡高偏压(大于20V)情况下的电流，这是由于其含有足够厚的AlInAs层，该AlInAs层掺杂生长成半绝缘的。图6是具有此掺杂的无源波导结构的方形台阶的电压-电流(VI)测试曲线。该曲线表明，在偏压高于25V之前，未有明显的泄漏电流。
制作了具有此无源波导结构的DBR QCL晶元。在一个单晶元上制备了普通的DBRQCL(在增益区和DBR区具有相同有源波导的QCL)和具有无源波导的DBR QCL(使用无源波导芯取代前后DBR区中的QCL芯)。图7示出了具有无源波导的DBR QCL的光功率-电流-电压(LIV)曲线和来自同一晶元且具有相等条宽的普通DBR QCL的光功率-电流-电压(LIV)曲线。这些光功率-电流-电压(LIV)曲线是相似的。由于这是首次进行这种晶元生长，所以制备(尤其是增益区和DRB区之间的过渡区域[对接处])是不完美的。因此，此处显示的数据仅仅是初步结果。具有无源波导的DBR QCL未来期望具有高输出功率和可能更宽的调谐范围。但看到的是，即使在这第一次尝试中，也能实现较低电压下的激射。
本文的实施例理想地用在脉冲模式中，但在某些应用中，连续波模式可能是有用的。激光脉冲的持续时间可从约1ns到约1ms。在一些实施例中，FWHM处的脉冲宽度约为1ns、2ns、3ns、4ns、5ns、6ns、7ns、8ns、9ns、10ns、20ns、50ns、60ns、70ns、80ns、90ns、100ns、200ns、300ns、400ns、500ns、600ns、700ns、800ns、900、ns、1μs、10μs、100μs或1ms。在一些实施例中，本文所包含的器件可以设计成同时、单独和/或按序列或编程的顺序发射所有的激光区。
实施例可用于许多方法中，其中，红外辐射和特定的红外激光辐射方法具有优势。具体应用包括红外吸收或反射测量、IR和FTIR光谱、拉曼光谱、气体和/或化学武器检测、化学动力学和热动力学的测量、热学实验等。在一个实施例中，该实施例中用红外吸收测量确定分子组成。
虽然本发明用若干描述的实施例的一些特性方式作了相当详尽的描述，但这并不意味着，它应该被限制到任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而是参考所附权利要求对其进行解释，以便以现有技术的角度，给此权利要求提供最宽的可能的解释，从而有效地包含本发明的预期范围。此外，前文描述了发明人可预见的本发明实施例，对于这些实施例，能够进行有利的描述，尽管对本发明非实质性修改，目前没有预见，仍然可以代表其等价物。

Claims (10)

1.一种半导体光发射器，在光学模式下可操作，和包含增益区，所述发射器包括由至少两种半导体材料A和B的交替层制成的低损耗波导结构，所述半导体材料A和B分别具有折射率Na和Nb，所述低损耗波导中的光学模式的有效折射率No处于Na和Nb之间，
其中选择半导体材料A和B的厚度比值以形成在5％的误差容限内有效折射率No等于与增益区折射率的低损耗波导，
其中所述增益区是与光学模式传播方向上的低损耗波导相对接，以及
其中所述低损耗波导中的光学模式的大小及形状和增益区的大小及形状的差值在10％的误差容限内。
2.根据权利要求1中所述的发射器，其特征在于，所述半导体材料A和B中至少一个具有足够较大的带隙，使得在15V的偏压下无源波导结构能够阻挡电流。
3.根据权利要求1中所述的发射器，其特征在于，所述半导体材料A和B中至少一个具有足够较大的带隙，使得在20V的偏压下无源波导结构能够阻挡电流。
4.根据权利要求1中所述的发射器，其特征在于，所述半导体材料A和B中至少一个具有足够较大的带隙，使得在25V的偏压下无源波导结构能够阻挡电流。
5.根据权利要求1中所述的发射器，其特征在于，其中材料A是AlInAs，材料B是GaInAs。
6.根据权利要求5中所述的发射器，其特征在于，其中AlInAs和GaInAs未掺杂。
7.根据权利要求5中所述的发射器，其特征在于，其中GaInAs未掺杂，AlInAs掺杂有一种或多种深陷元素。
8.根据权利要求7中所述的发射器，其特征在于，其中所述一种或多种深陷阱元素为铁和钛中的一种或组合。
9.根据权利要求7中所述的发射器，其特征在于，其中所述一种深陷元素是铁。
10.根据权利要求7中所述的发射器，其特征在于，其中所述一种深陷元素是钌。
CN201580020836.0A 2014-02-28 2015-02-23 用于光电子器件的无源波导结构 Active CN106233550B (zh)

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