CN108701966A - 量子级联激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种量子级联激光器(300)，包括在两个光学包层(1041、1042)之间的增益区(102)；增益区(102)具有进入增益区(102)的电子输入和离开增益区(102)的电子输出。本发明的特征在于，激光器在电子输出端包括空穴阻挡区域(304)。

Description

量子级联激光器
本发明涉及一种量子级联激光器。
本发明的领域是半导体激光器领域，更特别地，是量子级联激光器领域。
背景技术
量子级联激光器是基于半导体异质结构制造的激光器，半导体异质结构由插入在形成光波导的两个限制层(也称为“包层”)之间的多量子阱结构形成的增益区构成。具有低光吸收的无源层(称为“间隔层”)可以设置在增益区和限制层之间。
增益区通常由堆叠的一组成对的层组成，成对的层包括一个阱层和一个势垒层。
该结构由电流泵送，该电流垂直于组成该结构的层流动。增益区中的电场能够达到非常高的值，大约10kV/cm至大于100kV/cm。
然而，量子级联激光器受寄生电流(也称为“空穴电流”)影响，特别是在环境温度下，寄生电流降低了激光器的性能。该电流由空穴形成，空穴在离开增益区的电子输出的区域中生成，在增益区中传播。此外，空穴电流是热激活的，并且可能由于空穴的碰撞电离机制而增强。
随着所用材料的禁带的能量减小，寄生电流的值增大。
本发明的目的是克服这些缺点。
本发明的另一个目的是提出一种具有更低空穴电流或根本没有空穴电流的量子级联激光器。
本发明的目的还在于提出一种量子级联激光器，具有更好的性能，特别是在环境温度下。
本发明的另一个目的还在于提出一种量子级联激光器，即使所用材料的禁带能量低，其性能也不会降低。
发明内容
本发明使得可以通过量子级联激光器实现这些目的中的至少一个，该量子级联激光器包括插入在两个光学限制层之间的增益区，所述增益区具有到增益区的电子输入和离开所述增益区的电子输出。
根据本发明，量子级联激光器包括空穴阻挡区域。
因此，本发明提出了一种量子级联激光器，其配备有用于阻挡所述激光器中的空穴的传播的区域。因此，在所述激光器中，并且特别是在所述激光器的价带中生成的空穴不再能够在增益区中传播，特别是从离开增益区的电子输出传播到进入增益区中的电子输入。由于由空穴阻挡区域形成的垒阻挡了空穴的传播，增益区中的空穴电流非常低，或甚至为零。
因此，本发明使得可以获得一种量子级联激光器，特别是在环境温度下，其具有更好的性能。另外，即使当用于制造根据本发明的激光器的材料的禁带的能量低时，这种量子级联激光器的性能下降也更少。
优选地，空穴阻挡区域能够布置在离开增益区的电子输出的那侧上。
更特别地，空穴阻挡区域能够布置在增益区与限制层的结处，或者与间隔层类型的无源层的结处。
优选地，空穴阻挡区域能够具有价带能量分布，在从进入增益区中的电子输入到离开增益区的电子输出的方向上，价带能量分布减小，达到局部最小值，然后增大。
这种能量分布构成了防止空穴在增益区中传播的有效势垒。
在区域由阱层和势垒层的叠层构成的情况下，“价带能量分布”是指由于价带在阱层/材料中的位置获得的分布，不考虑由于势垒层/材料引起的能量不连续。
在非限制性实施例中，在从电子输入到电子输出的方向上，在局部最小值的下游，在空穴阻挡区域中的价带能量分布可以增大预定的值，该预定值大于或等于环境温度下的热能，特别是大于或等于25meV，并且优选地大于或等于50meV。
换句话说，在局部最小值之后，价带的能量增大的预定值可以大于或等于在最大设想的操作温度下的热能。
根据优选但非限制性的实施例，预定值大于或等于25meV。
根据优选但非限制性的实施例，预定值大于或等于50meV。
当用于阱层的材料是InAs(但不限于这种材料)时，上面给出的能量值特别合适。
这种能量增大使得可以创建有效的能量势垒以防止增益区中的空穴传播。因此，空穴被限制在局部最小值的下游，并且不能通过局部最小值的上游。
根据优选的版本，空穴阻挡区域可以具有有效禁带能量，在从进入增益区中的电子输入到离开增益区的电子输出的方向上，该有效禁带能量增大，达到最大值，然后减小。
在本发明中，“有效禁带能量”表示阱材料的价带和导带之间的禁带能量、电子的第一级的限制能量和空穴的第一级的限制能量之和。
根据实施例，增益区和空穴阻挡区域可以各自包括阱层和势垒层的叠层，并且特别是重复的、由一个阱层和一个势垒层组成的成对的层。
在根据本发明的激光器的有利版本中，空穴阻挡区域的至少一个阱层的厚度可以小于增益区中的至少一个阱层的厚度。
相对于增益区，空穴阻挡区域包含更小厚度的阱层，使得可以在价带的能量分布中创建局部最小值，或者，在有效禁带能量中创建局部最大值。
根据本发明的特别有利的实施例，在从进入增益区中的电子输入到离开增益区的电子输出走向的方向上，空穴阻挡区域的阱层的厚度可以减小，达到最小值，然后增大。
特别地，空穴阻挡区域中阱层的厚度的减小或增大可以是逐渐的或不连续的。
更特别地，空穴阻挡区域的阱层可以具有厚度，该厚度：
-从称为起始值的值逐渐减小，达到称为最小值的值；起始值对应于增益区中的阱层的厚度，特别是最后阱层的厚度，最小值对应于所述起始值的一半；
-然后，从所述最小值开始逐渐增大，达到大于或等于所述起始值的称为最终值的值。
特别地，空穴阻挡区域的至少一个阱层的厚度可以小于或等于增益区的至少一个阱层的厚度的80％，更特别地，小于或等于50％。
发明人已经注意到，空穴阻挡区域中的最小阱层厚度等于增益区中的阱层最大厚度的50％，使得可以获得防止空穴在增益区中传播的有效势垒。
可替代地，或者除了上面针对阱层描述的内容之外，空穴阻挡区域的至少一个势垒层的厚度可以有利地大于增益区中的至少一个势垒层的厚度。
相对于增益区，空穴阻挡区域包含更大厚度的势垒层，使得可以在价带的能量分布中创建局部最小值，或者，在有效禁带能量中创建局部最大值。
根据特别有利的实施例，在进入到增益区中的电子输入到离开增益区的电子输出的方向上，所述空穴阻挡区域中的势垒层的厚度可以增大，达到局部最大值，然后减小。
特别地，空穴阻挡区域中势垒层的厚度的增大或减小可以是逐渐的或不连续的。
更特别地，空穴阻挡区域的势垒层能够具有厚度，该厚度：
-从称为起始值的值逐渐增大，达到称为最大值的值；起始值对应于增益区中的势垒层的厚度，特别是最后势垒层的厚度，最大值对应于所述起始值的两倍；
-然后，从所述最大值开始逐渐减小，达到小于或等于所述起始值的值。
特别地，空穴阻挡区域的至少一个势垒层的厚度可以大于或等于增益区中至少一个势垒层的厚度的150％，更特别地，大于或等于200％。
发明人已经注意到，空穴阻挡区域中的势垒层的最大厚度等于增益区中势垒层的最小厚度的200％，使得可以获得防止空穴在增益区中传播的有效势垒。
优选地，在空穴阻挡区域中，至少一个阱层或势垒层可以是N掺杂的，特别地，每个阱层或势垒层可以是N掺杂的。
相对于所述空穴阻挡区域的起始处和终止处，空穴阻挡区域的中心处的N掺杂可以更高。
如上所述，增益区或空穴阻挡区域可以由几个阱层和几个势垒层的交替叠层形成。
根据优选的但非限制性的实施例，增益区或空穴阻挡区域的每个阱层可以由砷化铟(InAs)制成。
根据优选的但非限制性的实施例，增益区或空穴阻挡区域的每个势垒层可以由锑化铝(AlSb)制成。
根据根据本发明的激光器的第一种版本，当增益区由阱层和势垒层的叠层制成时，且特别是由叠加的成对的由一个阱层和一个势垒层组成的叠层制成时，空穴阻挡区域可以由电子输出侧上的所述叠层的一部分形成，并且特别是在所述增益区与限制层的结级处，或者与间隔层类型的无源层的结级处。
根据第二个版本，空穴阻挡区域可以叠层的形式存在，独立于增益区。
这样独立的空穴阻挡区域可以设置为：
-与增益区直接接触，或
-例如经由插入层(injector)，与增益区间接接触。
在离开所述增益区的电子的输出侧上，空穴阻挡区域例如可以位于增益区和间隔层之间。
根据另一个实施例，空穴阻挡区域可以不由几个阱和势垒层的叠层形成。
在该实施例中，空穴阻挡区域能够由单层形成，该单层由成分连续变化的合金制成，以便再现如上所述的价带的能量分布和/或有效禁带的能量分布，如上所述。
这种合金可以是基于具有低能量禁带的材料组成的合金，例如砷化铟(InAs)和具有高能禁带的材料，例如锑化铝(AlSb)。
这种合金尤其可以具有如下定义的比率R：
R＝(具有低能量禁带的材料的含量)/(具有高能量禁带的材料的含量)
其值从起始值逐渐减小，达到最小值，然后增大，达到称为最终值的值，特别地，该最终值大于或等于所述起始值。
可以使用量子级联激光器来生成波长大于或等于3μm的光波，特别是大于或等于12μm的光波，甚至更特别地，大于或等于15μm的光波。
根据本发明的激光器能够用于检测、测量和/或监视气体的痕迹，例如用于污染监视，用于控制应用，用于医疗目的或用于符合法律要求，如此激光器发射不被清洁或未受污染的空气吸收的辐射。
根据本发明的激光器可以有利地用于分子光谱学，特别是允许检测、测量和/或监视：
-诸如可卡因、海洛因、大麻等毒品；
-六氟化硫(SF6)或六氟化铀；
-诸如呋喃或甲酸之类的挥发性有机化合物；
-用于制造爆炸物的化合物；或者
-氮氧化物。
附图说明和具体实施方式
通过查看对非限制性的实施例的详细描述以及附图，本发明的其它优点和特征将变得显而易见，在附图中：
-图1是现有技术的量子级联激光器的实施例的图示；
-图2是图1中激光器的能带结构的图示；
-图3是根据本发明的量子级联激光器的实施例的图示；和
-图4是图3中激光器的能带结构的图示。
应该理解，下文将描述的实施例绝非是限制性的。可以考虑本发明的变型，变型可以仅包括从下文中所描述的特征中选择的特征，而不包括描述的其他特征。选择的特征包括至少一个没有结构细节的特征(优选地，功能性特征)，或仅具有一部分结构细节的特征，只要该部分足以赋予技术优势或者使本发明区分于现有技术即可。
在附图中，几个附图所共有的元件保持相同的标记。
图1是现有技术的量子级联激光器的实施例的图示。
图1中所示的激光器100包含设置在形成光波导的两个限制层1041和1042之间的增益区102，限制层1041和1042(也称为“包层”)由折射率低于增益区的折射率的材料制成，例如由N掺杂的InAs型制成。
增益区102和每个限制层1041和1042具有大约几微米(通常为2至5微米)的厚度。
激光器100还可以在增益区102和每个限制层(分别为1041和1042)之间包含具有非常低的光吸收的层(分别为1061和1062)，其也称为“间隔层”，例如利用轻掺杂的InAs制成。
每个间隔层1061和1062具有大约几μm的厚度，通常为1至3μm。
增益区102由包括一个阱层108i和一个势垒层110i的成对的层的堆叠形成，其中1<i<n，n为整数，例如等于400。每个阱层108由砷化铟(InAs)制成，并且每个势垒层110由AlSb制成。
每个阱层108具有大约8nm的厚度。当然，增益区102中的阱层的厚度可以是可变的。
另外，每个势垒层110具有大约0.5nm的厚度。当然，增益区102中的势垒层的厚度可以是可变的。
在操作中，在垂直于层104-110的方向上泵送电流。在图1中所示的示例中，电流112在层1042和1062的那侧上进入激光器，并在层1041和1061侧上离开激光器100。因此，载流子(即，电子)在层1041和1061的那侧上进入增益区102，并在层1042和1062的那侧上离开增益区102。
图2是图1中激光器在操作中的能带的结构的图示。
y轴给出相对于距离的能级，距离对应于增益区102的厚度，60nm点对应于进入增益区102中的电子输入，即，对应于增益区102的第一层1081，并且距离420nm对应于增益区102中的电子输出，即，对应于增益区的最后一层110n。
因此，注意，如果不考虑势垒层110i中的价带的能量不连续性，则价带的能量分布202是单调且减小的。相同的观察结果适于导带的能量分布204。
在这些条件下，由于带间热生成或碰撞电离，在电子输出的那侧上，即在层110n的侧上，价带中出现大量空穴。生成的空穴然后穿过电子输出的价带，到达电子输入，这使得出现由图2中的箭头206表示的空穴电流。
该空穴电流206是寄生电流并且降低了量子级联激光器100的性能。
图3是根据本发明的激光器的非限制性实施例的图示。
根据本发明的激光器300包括图1中的激光器100的所有元件。
特别地，激光器300包括图1中的激光器100的增益区102。
除了增益区102之外，激光器300包括设置在增益区102和间隔层1062之间的空穴阻挡区域304，增益区102和空穴阻挡区域二者形成位于间隔层1061和1062之间的区域302。该空穴阻挡区域304的目的是阻挡价带中的空穴从离开区域302的电子输出传播到增益区102的电子输入。
空穴阻挡区域304由包括一个阱层306i和一个势垒层308i的成对的层的叠层形成，其中1<i<n，n为整数，例如等于30。每个阱层306i由砷化铟(InAs)制成，并且每个势垒层308i由AlSb制成。
此外，空穴阻挡区域304的阱层306i可以具有厚度，该厚度：
-从称为起始值的值逐渐减小达到称为最小值的值，该起始值对应于增益区102中的阱层108i的厚度，该最小值相当于例如起始值的一半；
-然后，从所述最小值开始逐渐增大，达到大于或等于所述起始值的值。
具体地，空穴阻挡区域304的第一阱层3061的厚度等于增益区102的最后阱层108n的厚度，例如大约8nm。另外，空穴阻挡区域304的最后阱层306k的厚度大于或等于空穴阻挡区域304的第一阱层3061的厚度。在空穴阻挡区域304的第一阱层3061和最后阱层306k之间，阱层306i的厚度例如在位于空穴阻挡区域304的中心的阱层处减小到最小值(例如4nm)，然后增大，在空穴阻挡区域304的最后阱层306k处达到大于或等于空穴阻挡区域304的第一阱层3061的厚度的值(例如，该值大约为8nm)。
另外或可替代地，空穴阻挡区域304的势垒层308i具有厚度，该厚度：
-从称为起始值的值逐渐增大，达到称为最大值的值，该起始值对应于增益区102中的势垒层110i的厚度，该最大值相当于例如起始值的两倍；
-然后，从所述最大值开始逐渐减小到最大等于起始值的值。
具体地，空穴阻挡区域304的第一势垒层3081的厚度等于增益区102的最后势垒层110n的厚度，例如大约0.5nm。另外，空穴阻挡区域304的最后势垒层308k的厚度小于或等于空穴阻挡区域304的第一势垒层3081的厚度。在空穴阻挡区域304的第一势垒层3081和最后势垒层308k之间，势垒层308i的厚度增大，例如在位于空穴阻挡区域304的中心的势垒层308i处达到最大值(例如1nm)，然后减小，在空穴阻挡区域304的最后势垒层308k处，达到小于或等于空穴阻挡区域304的第一势垒层3081的厚度的值(例如值大约为0.5nm)。
另外，空穴阻挡区域的每个阱层306i或每个势垒层308i可以是N掺杂类型。空穴阻挡区域304的中心部分的掺杂最高。
在刚刚描述的示例中，空穴阻挡区域的阱层和势垒层的厚度变化。当然，本发明不限于该实施例。例如，根据本发明，可以设想一种激光器，其中仅空穴阻挡区域的阱层的厚度由上述变化，或仅势垒层的厚度具有上述变化。
此外，在刚刚描述的示例中，空穴阻挡区域由阱层和势垒层的叠层形成。当然，本发明不限于该实施例。例如，可以设想单层形式的空穴阻挡区域，其由合金制造，该合金的成分连续变化。这种空穴阻挡区域可以由阱材料(例如，砷化铟(InAs))和势垒材料(例如，锑化铝(AlSb))的合金制成，其比例(阱材料的含量)/(势垒材料的含量)从起始值逐渐减小到最小值，然后增大到大于或等于所述起始值的最终值。
图4是图3中激光器在操作中的能带的结构的图示。
y轴给出相对于距离的能级，距离对应于区302的厚度，60nm点对应于进入增益区102中的电子输入，即增益区102的第一层1081处，并且420nm点对应于势垒层110n和阱层3061，即对应于空穴阻挡区域304的起始处。560nm点对应于空穴阻挡区域304的终止处，并因此对应于区302的终止处。
因此，如果不考虑势垒层110i和308i中的能带不连续，则注意到以下价带能量分布402：
-在空穴阻挡区域304的中心部分处(并且特别是在470nm点处)减小到局部最小值406；
-然后增大，达到对应于空穴阻挡区域起始处的能级。
在图4中所示的示例中，在局部最小406值之后，能量大约增大了250meV。
换句话说，有效禁带能量从离开增益区102的输出的有效禁带能量开始逐渐增大到最大值408，然后逐渐减小到接近相邻间隔层区1062的禁带的值。
因此，在操作中，价带的能量分布402的局部最小值406，或者，有效禁带能量的局部最大值408构成价带中的势垒，其抵抗在所述价带中生成的空穴在离开区302的电子输出的那侧上(即在层308k的那侧上)传播。
在价带中生成的空穴被保持阻挡在价带的能量分布402的所述局部最小值406的下游，或者，在有效禁带能量的局部最大值408的下游。换句话说，在价带中生成的空穴被保持阻挡在所述最小值(或所述最大值)与离开区302的电子输出之间。
当然，本发明不限于以上详述的示例。
特别地，其他材料能够用于阱层和势垒层。类似地，所指示的层数、层的尺寸和能量值绝非是限制性的。

Claims (14)

1.一种量子级联激光器(300)，包括插入在两个光学限制层(1041、1042)之间的增益区(102)，所述增益区(102)具有进入增益区(102)的电子输入和离开所述增益区(102)的电子输出，其特征在于，所述激光器在所述电子输出的那侧上包括空穴阻挡区域(304)，所述空穴阻挡区域(304)具有价带能量分布(402)，在从进入增益区(102)的电子输入到离开增益区(102)的电子输出的方向上，所述价带能量分布(402)减小，达到局部最小值(406)，然后增大。
2.根据权利要求1所述的激光器(300)，其特征在于，在局部最小值(406)的下游，在从电子输入到电子输出的方向上，所述空穴阻挡区域(304)中的价带能量增大，增大的值大于或等于环境温度下的热能，特别地，大于或等于25meV，并且优选地大于或等于50meV。
3.根据前述权利要求中任一项所述的激光器(300)，其特征在于，所述空穴阻挡区域(304)具有有效禁带能量(408)，在从进入增益区(102)的电子输入到离开增益区(102)的电子输出的方向上，所述有效禁带能量(408)增大，达到最大值，然后减小。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光器(300)，其特征在于，所述增益区(102)和所述空穴阻挡区域(304)各自包含阱层(108、306)和势垒层(110、308)的叠层，所述空穴阻挡区域(304)的至少一个阱层(306)的厚度小于所述增益区(102)中至少一个阱层(108)的厚度。
5.根据权利要求4所述的激光器(300)，其特征在于，在从进入增益区(102)的电子输入到离开增益区(102)的电子输出的方向上，所述空穴阻挡区域(304)中的阱层(306)的厚度减小，达到最小值，然后增大。
6.根据权利要求4或5所述的激光器(300)，其特征在于，所述空穴阻挡区域(304)的至少一个阱层(306)的厚度小于或等于所述增益区的至少一个阱层(108)的厚度的80％，并且更特别地，小于或等于50％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光器(300)，其特征在于，所述增益区(102)和所述空穴阻挡区域(304)各自包含阱层(108、306)和势垒层(110、308)的叠层，所述空穴阻挡区域(304)的至少一个势垒层(308)的厚度大于所述增益区(102)中的至少一个势垒层(110)的厚度。
8.根据权利要求7所述的激光器(300)，其特征在于，在从进入增益区(102)的电子输入到离开所述增益区(102)的电子输出的方向上，所述空穴阻挡区域(304)中的势垒层(308)的厚度增大，达到最大值，然后减小。
9.根据权利要求7或8所述的激光器(300)，其特征在于，所述空穴阻挡区域(304)的至少一个势垒层(308)的厚度大于或等于所述增益区(102)中至少一个势垒层(110)的厚度的150％，并且更特别地，大于或等于200％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光器(300)，其特征在于，所述增益区(102)包含阱层(108、306)和势垒层(110、308)的叠层，并且其中，在所述空穴阻挡区域(304)中，至少一个阱层(306)或势垒层(308)是N掺杂类型的，特别地，每个阱层(306)或势垒层(308)都是N掺杂类型的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光器(300)，其特征在于，所述增益区(102)或所述空穴阻挡区域(304)交替地由几个阱层(108、306)和几个势垒层(110、308)的叠层形成，其中：
-每个阱层(108、306)由砷化铟(InAs)制成；和/或
-每个势垒层(110、308)由锑化铝(AlSb)制成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的激光器(300)，其特征在于，所述增益区(102)包括阱层(108、306)和势垒层(110、308)的叠层，所述空穴阻挡区域(304)由电子输出的那侧上的所述叠层的一部分形成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于，所述空穴阻挡区域以叠层的形式形成，独立于所述增益区。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的激光器，其特征在于，所述空穴阻挡区域以单层的形式形成，所述单层由成分连续变化的合金制成。
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