CN108365518A - 差频太赫兹量子级联激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种差频太赫兹量子级联激光器，包括：有源区，位于所述衬底上方，所述有源区包括自下而上的多周期级联的量子点有源层，各周期量子点有源层包括多个自下而上的InGaAs/InAlAs量子阱/垒对，以及位于每两个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对之间插入的量子点插层，所述量子点插层包括应变自组织量子点InAs层和用于应变补偿的GaAs层。本发明引入多周期级联的量子点有源层，基于量子点的“声子瓶颈”效应和非均匀展宽，能够改善差频太赫兹量子级联激光器的性能，如功率、转化效率、调谐范围以及阈值电流密度等。

Description

差频太赫兹量子级联激光器
技术领域
本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种差频太赫兹量子级联激光器。
背景技术
太赫兹THz波段(30～300μm)介于红外和微波之间，很多分子的特征吸收峰位于该波段，使其具有广阔的应用前景。例如很多气体分子在室温下的碰撞频率和等离子体振动频率、许多生物大分子的转动和振动能级处于太赫兹波段，因此可以通过太赫兹光谱来识别重要的物质信息，对毒品、爆炸物等进行检测，以及研究物质内部的非线性动力学过程；还可以通过生物分子在这个波段的独特响应进行医疗诊断。而且THz波对许多非极性物质具有较强的穿透能力可以穿透许多对于可见光和红外线不透明的物质，如塑料、陶瓷、有机织物等。THz辐射的这些特性，即很高的化学选择性和能够穿透不透明材料使得其在传感、成像和光谱学具有非常高的应用价值。此外THz波的波长远远大于尘埃和烟雾颗粒，因而还可用作THz通讯；THz波的光子能量较低，利用THz波段对活体生物组织进行检查不会对其产生有害的光电离和破坏，因而用于安检和医学诊断更加安全。所有这些应用必须有紧凑的高功率室温THz源才能实现。
目前传统的太赫兹源非常有限，包括自由电子激光器、太赫兹频段的气体激光器、光电导太赫兹源、电子学太赫兹源以及光子学太赫兹源等，这些辐射源由于存在设备昂贵、体积大、功耗高、频率不能连续可调以及不能覆盖整个太赫兹波段等缺点阻碍了太赫兹波的广泛应用。量子级联激光器(QCL)因具有能带可裁剪性、高效、体积小便携等特点成为最有前途的半导体光源。虽然基于GaAs/AlGaAs基的THz QCL在2015年已经实现了低温下大于1W的大功率输出，但是随工作温度升高，功率下降很快，不能在室温下使用。目前只有用基于腔内非线性光学的中红外QCL差频方法(DFG)才能得到室温mW级且频率高于1THz的太赫兹辐射。这种DFG THz QCL源本质上继承了中红外QCL的优势，包括室温工作、电泵浦、紧凑型、可量产等，成为最有可能实用化的室温THz源。DFG THz QCL输出功率与有源区的二阶非线性系数和两个中红外泵浦源的功率正相关，非线性效应源于量子态之间的强耦合，理论计算二阶非线性系数能够达到105～106pm/V，比传统的非线性晶体高出了3～4个数量级，通常差频太赫兹量子级联激光器的双有源区都是由InGaAs/InAlAs量子阱垒对构成的，有源区设计机制有双声子共振和束缚态到连续态双有源区结构，双单声子共振有源区结构，前者只有束缚态到连续态核区能产生较大的非线性效应，与束缚态到连续态机制相比单声子共振机制光学跃迁上能态的寿命有一定的提升从0.39ps增加到0.46ps，也有基于单有源区双上能级结构的，但是目前单核有源区器件的功率仍远远小于双核设计，而且基于这些结构得到的二阶非线性系数都在104pm/V量级，所以基于普通的量子阱有源层结构改变有源区的设计机制提升器件性能的空间不是很大，器件仍然存在功率、功率转化效率较低的问题。由于量子阱只在一个方向对电子有限制作用，电子在平面内仍然是近自由运动的，因此参与跃迁的上下两个子带实际上是两个连续带，在能量上有交叠并非绝对的孤立能级，对于中红外QCLs，虽然它们的带底能量差远大于体材料的光学声子能量，但在上下子带间仍然存在能量差等于一个光学声子能量的态，故而上能态的电子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跃迁过程，这个过程的速率(对应寿命为皮秒量级)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)，即高能态电子的跃迁方式主要还是子带间的非辐射跃迁，而低能态的电子也是通过声学声子散射抽取的，二者的速率均为皮秒量级，相差不大，因而，造成器件的转化效率较低，阈值较大，特征温度T0有限，进而差频得到的THz性能指标也较低。此外，普通差频太赫兹量子级联激光器双有源区都是由InGaAs/InAlAs量子阱/垒对构成的，增益谱较窄，而且基于电调谐的情况下，两个量子阱有源层的调谐速率非常接近，这两个因素均限制了差频的调谐范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种差频太赫兹量子级联激光器，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种差频太赫兹量子级联激光器，包括：
衬底；以及
有源区，位于所述衬底上方，所述有源区包括自下而上的多周期级联的量子点有源层，各周期量子点有源层包括多个自下而上的InGaAs/InAlAs量子阱/垒对，以及位于每两个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对之间插入的量子点插层，所述量子点插层包括应变自组织量子点InAs层和用于应变补偿的GaAs层。
在本发明的一些实施例中，所述多周期级联的量子点有源层为一双上能级量子点有源层；或者
所述有源区包括两个单上能级量子点有源层；或者
所述有源区包括一单上能级量子点有源层，和一多周期级联的量子阱有源层，该量子阱有源层包括多个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对。
在本发明的一些实施例中，还包括一间隔层，位于有源区的两个单上能级量子点有源层之间或者位于单上能级量子点有源层与所述量子阱有源层之间。
在本发明的一些实施例中，所述间隔层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为50nm。
在本发明的一些实施例中，还包括：
下欧姆接触层，位于所述衬底上方；
下波导层，位于所述下欧姆接触层上方；
上限制层，位于所述有源区上方；
上波导层，位于所述上限制层上方；以及
上欧姆接触层，位于所述上波导层上方。
在本发明的一些实施例中，所述量子点有源层与所述量子阱有源层的周期为20～60。
在本发明的一些实施例中，根据权利要求1所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，所述下欧姆接触层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为200nm；和/或
所述上欧姆接触层为n型掺杂的InP，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.5μm。
在本发明的一些实施例中，所述下波导层为n型掺杂的InP，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为3μm。
在本发明的一些实施例中，所述上限制层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为200nm。
在本发明的一些实施例中，所述上波导层为n型掺杂的InP，靠近上限制层的3.4μm的上波导层的掺杂浓度为3×1016cm-3，靠近上欧姆接触层的0.2μm的上波导层的掺杂浓度线性渐变，厚度为3.6μm。
(三)有益效果
本发明的差频太赫兹量子级联激光器，相较于现有技术，至少具有以下优点：
1、量子点态作为电子辐射跃迁的末态，构成所谓的“声子瓶颈”，增加了跃迁上能态电子的非辐射衰减寿命，这样在相同注入电流下和普通量子阱有源层相比，量子点有源层的反转粒子数将大大提高，而光学非线性系数与反转粒子数成正比，所以量子点有源层作为差频太赫兹THz激光材料将具有更大的共振光学非线性系数，进而有利于提高差频的功率。
2、引入多周期级联的量子点有源层(即在每两个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对之间插入量子点插层)，基于量子点的“声子瓶颈”效应和非均匀展宽，增加了跃迁上能态电子的非辐射衰减寿命，使得器件容易实现粒子数反转，能够改善差频太赫兹量子级联激光器的性能，如功率、转化效率、调谐范围以及阈值电流密度等。
3、应变自组装生长的量子点本身的不均匀性使得量子点能态密度较高导致了有源区增益谱展宽，当大范围调谐中红外泵浦光频率时其激射功率将维持在一个相对稳定的水平，更加有利于宽调谐范围内输出功率均匀的差频THz波。此外，量子点有源层和量子阱有源层电调谐的速率不同，也有利于实现太赫兹的宽调谐。
附图说明
图1为本发明实施例的差频太赫兹量子级联激光器的结构示意图；
图2A至图2C为本发明实施例的三种情况的实施例示意图；
图3为本发明实施例的量子点有源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4A为本发明实施例的差频太赫兹量子级联激光器的差频产生过程的结构示意图；
图4B为本发明实施例的普通量子阱差频太赫兹量子级联激光器的差频产生过程的结构示意图；
图5A为量子点量子级联激光器的电调谐光谱图；
图5B为量子阱量子级联激光器电调谐光谱图。
具体实施方式
现有技术中，由于存在设备昂贵、体积大、功耗高、频率不能连续可调以及不能覆盖整个太赫兹波段等缺点阻碍了太赫兹波激光器的广泛应用，有鉴于此，本发明提供了一种差频太赫兹量子级联激光器，通过引入多周期级联的量子点有源层，基于量子点的“声子瓶颈”效应和非均匀展宽，改善了差频太赫兹量子级联激光器的性能，如功率、转化效率、调谐范围以及阈值电流密度等。
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，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明实施例的差频太赫兹量子级联激光器的结构示意图，如图1所示，该激光器包括：衬底1和有源区2。
其中，衬底1的材料为半绝缘InP。
有源区2，位于所述衬底1上方，所述有源区2包括自下而上的多周期级联的量子点有源层，各周期量子点有源层包括多个自下而上的InGaAs/InAlAs量子阱/垒对，以及位于每两个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对之间插入的量子点插层，所述量子点插层包括应变自组织量子点InAs层和用于应变补偿的GaAs层。
图2A至图2C为本发明实施例的三种情况的实施例示意图，如图所示，有源区2可以有三种情况：1)、有源区2为一双上能级量子点有源层；2)、有源区2为两个单上能级量子点有源层；3)、有源区2包括一单上能级量子点有源层，和一多周期级联的量子阱有源层，该量子阱有源层包括多个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对。
如此，量子点态作为电子辐射跃迁的末态，构成所谓的“声子瓶颈”，增加了跃迁上能态电子的非辐射衰减寿命，这样在相同注入电流下和普通量子阱有源层相比，量子点有源层的反转粒子数将大大提高，而光学非线性系数与反转粒子数成正比，所以量子点有源层作为差频太赫兹THz激光材料将具有更大的共振光学非线性系数，进而有利于提高差频的功率。
还需说明的是，当有源区2为情况2和情况3时，即该有源区2有两层有源层，则此时这两层有源层之间还可以设置一间隔层从而分离这两个有源层。该间隔层可以为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度可以为2×1016cm-3左右，厚度可以为50nm左右。在其他实施例中，间隔层也可以根据实际情况选择掺杂浓度和厚度。
该激光器在该衬底1和有源区2之间自下而上还包括：一下欧姆接触层3和一下波导层4。
该下欧姆接触层3作为下电极，即下刻蚀截止层，其材料为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度可以为1×1018cm-3，厚度可以为200nm，此处不作限制。
该下波导层4的材料为n型掺杂的InP，掺杂浓度可以为2×1016cm-3，厚度可以为3μm。
激光器在有源区2上方自下而上依次还叠置有：一上限制层5、一上波导层6和一上欧姆接触层7。
上限制层5，其材料为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度可以为2×1016cm-3，厚度可以为200nm。
上波导层6的材料为n型掺杂的InP，厚度可以为3.6μm。靠近上限制层的3.4μm的上波导层的掺杂浓度为3×1016cm-3，靠近上欧姆接触层的0.2μm的上波导层的掺杂浓度线性渐变，掺杂浓度范围可以为1～3×1017。掺杂浓度由低掺过渡到上欧姆接触层的高掺，减小空间电荷的影响，有利于更多的电流注入有源区。
上欧姆接触层7，作为上电极，其材料为n型掺杂的InP，掺杂浓度可以为5×1018cm-3，厚度可以为0.5μm。
一般来说，所述量子点有源层与所述量子阱有源层的周期为20～60，以有源区2包括一量子点有源层和一量子阱有源层为例，请参照图3，图3为本发明实施例的量子点有源层的约一个半周期的能带图与相应的波函数的模平方图，其中，量子阱有源层的周期为40，对应的波长为8.5μm，量子点有源层为30个周期，每个周期有三个量子点插层，对应的波长为7.4μm。
下面结合图4A、图4B、图5A至图5B详细说明本实施例的差频太赫兹量子级联激光器的结构中的量子点有源层层的优势。图4A和图4B分别为本发明实施例的差频太赫兹量子级联激光器与普通量子阱差频太赫兹量子级联激光器的差频产生过程的结构示意图，其中，QDCL为量子点有源层，QCL为量子阱有源层，量子点有源层提供高频泵浦光ω1，普通量子阱有源层提供低频泵浦光ω2，由于ω1可以在量子点密集的微带内由选频机制(如DFB、DBR、EC等)大范围连续调谐，最终就可以实现自由剪裁ω1、ω2差频所得的THz频率。此外，应变自组装生长的量子点本身的不均匀性导致有源区2增益谱展宽，当大范围调谐中红外泵浦光频率时其激射功率将维持在一个相对稳定的水平，更加有利于宽调谐范围内功率均匀的差频THz波产生；密集的量子点能级将可以保证每个频率的THz波都有与其共振的量子点主导的三能级组存在，使得每个频率的THz波的光学非线性系数都达到光学共振状态，最大化每个频率的光学非线性。而且QDCL设计的初衷是利用“声子瓶颈”效应来增加光学跃迁上能级电子的非辐射衰减寿命，这样在相同注入电流下和普通QCL相比，QDCL的反转粒子数将大大提高，而光学非线性系数与反转粒子数成正比，那么以量子点有源层作为差频THz激光材料将具有更大的共振光学非线性系数，器件的很多性能如功率，转换效率、特征温度以及阈值电流密度等得到很大的改善。
图5A为量子点量子级联激光器的电调谐光谱图，图5B为量子阱量子级联激光器电调谐光谱图，如图5A和图5B所示，量子点量子级联激光器与量子阱量子级联激光器的电调谐速率不同，量子点量子级联激光器的电调谐速率比量子阱量子级联激光器的慢，情况3)是采用这两种结构分别作为差频太赫兹的两个有源区产生差频太赫兹，这种结构比普通量子阱差频太赫兹量子级联激光器更有利于得到大范围调谐的差频太赫兹。
综上，本发明的差频太赫兹量子级联激光器，引入多周期级联的量子点有源层，基于量子点的“声子瓶颈”效应和非均匀展宽，增加了跃迁上能态电子的非辐射衰减寿命，使得器件容易实现粒子数反转，能够改善差频太赫兹量子级联激光器的性能，如功率、转化效率、调谐范围以及阈值电流密度等。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
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，所应理解的是，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 (10)

1.一种差频太赫兹量子级联激光器，包括：
衬底；以及
有源区，位于所述衬底上方，所述有源区包括自下而上的多周期级联的量子点有源层，各周期量子点有源层包括多个自下而上的InGaAs/InAlAs量子阱/垒对，以及位于每两个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对之间插入的量子点插层，所述量子点插层包括应变自组织量子点InAs层和用于应变补偿的GaAs层。
2.根据权利要求1所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，所述多周期级联的量子点有源层为一双上能级量子点有源层；或者
所述有源区包括两个单上能级量子点有源层；或者
所述有源区包括一单上能级量子点有源层，和一多周期级联的量子阱有源层，该量子阱有源层包括多个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对。
3.根据权利要求2所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，还包括一间隔层，位于有源区的两个单上能级量子点有源层之间或者位于单上能级量子点有源层与所述量子阱有源层之间。
4.根据权利要求3所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，所述间隔层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为50nm。
5.根据权利要求1所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，还包括：
下欧姆接触层，位于所述衬底上方；
下波导层，位于所述下欧姆接触层上方；
上限制层，位于所述有源区上方；
上波导层，位于所述上限制层上方；以及
上欧姆接触层，位于所述上波导层上方。
6.根据权利要求2所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，所述量子点有源层与所述量子阱有源层的周期为20～60。
7.根据权利要求5所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，根据权利要求1所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，所述下欧姆接触层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为200nm；和/或
所述上欧姆接触层为n型掺杂的InP，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.5μm。
8.根据权利要求5所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，所述下波导层为n型掺杂的InP，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为3μm。
9.根据权利要求5所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，所述上限制层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为200nm。
10.根据权利要求5所述的差频太赫兹量子级联激光器，其中，所述上波导层为n型掺杂的InP，靠近上限制层的3.4μm的上波导层的掺杂浓度为3×1016cm-3，靠近上欧姆接触层的0.2μm的上波导层的掺杂浓度线性渐变，厚度为3.6μm。
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