CN111509561A - 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，其具有核心区，该核心区包括第一注入层、有源区和第二注入层。有源区包括第一阱层、第二阱层、第三阱层、第一势垒层和第二势垒层。第一势垒层被设置在第一阱层和第二阱层之间，并将第一阱层与第二阱层分离。第二势垒层被设置在第二阱层和第三阱层之间，并将第二阱层与第三阱层分离。第一势垒层具有1.2nm或更小的厚度，并且第二势垒层具有1.2nm或更小的厚度。

Description

量子级联激光器
技术领域
本发明涉及量子级联激光器。
背景技术
日本未经审查的专利申请公开No.2012-186362(专利文献1)公开一种量子级联激光器。
专利文献1中的量子级联激光器具有有源区，该有源区包括具有相似厚度的三个阱层；和势垒层，该势垒层被设置在这些阱层的上游和下游并且使阱层相互分离。从上水平和下水平的波函数的形状的观点出发，专利文献1聚焦于上游势垒层的厚度。
根据发明人进行的研究，在专利文献1中公开的有源区的能带图中，电子(载流子)的概率密度(波函数的平方)在下游阱层中较低。期望增加有源区中的多个阱层中的辐射跃迁的可能性。
发明内容
本发明的一个方面的目的是提供一种具有量子阱结构的量子级联激光器，该量子级联激光器允许载流子在有源区中的多个阱层上广泛分布。
根据本发明的一个方面的量子级联激光器包括核心区，该核心区包括第一阱层、第二阱层、第三阱层、第一势垒层和第二势垒层。核心区具有第一注入层、有源区和第二注入层。第一注入层、有源区和第二注入层在第一轴的方向上依次布置。有源区包括第一阱层、第二阱层、第三阱层、第一势垒层和第二势垒层。第一势垒层被设置在第一阱层和第二阱层之间，并将第一阱层与第二阱层分离。第二势垒层被设置在第二阱层和第三阱层之间，并将第二阱层与第三阱层分离。第一势垒层具有1.2nm或更小的厚度。第二势垒层具有1.2nm或更小的厚度。
通过以下结合附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。
附图说明
图1示意性地示出根据实施例的量子级联激光器。
图2示意性地示出根据实施例的量子级联激光器中的有源区的导带图。
图3示意性地示出核心区中的有源区和注入层的布置。
图4A示出用于实验示例的与辐射跃迁相关联的三个能级的波函数和导带图。
图4B示出用于实验示例的与辐射跃迁相关联的三个能级的波函数和导带图。
具体实施方式
现在将描述一些具体示例。
量子级联激光器的具体示例包括核心区，该核心区包括第一注入层、有源区和第二注入层。第一注入层、有源区和第二注入层在第一轴的方向上依次被布置。有源区包括第一阱层、第二阱层、第三阱层、第一势垒层和第二势垒层。第一势垒层被设置在第一阱层和第二阱层之间，并将第一阱层与第二阱层分离。第二势垒层被设置在第二阱层和第三阱层之间，并将第二阱层与第三阱层分离。第一势垒层具有1.2nm或更小的厚度。第二势垒层具有1.2nm或更小的厚度。
在量子级联激光器中，有源区被设置有包括第一势垒层和第二势垒层的量子阱结构，第一势垒层和第二势垒层中的每一个具有1.2nm或更小的厚度。该量子阱结构形成不会导致禁止的辐射跃迁的上能级和下能级，并且第一势垒层和第二势垒层允许在上下能级处的载流子扩展和分布在第一阱层、第二阱层和第三阱层上，第一势垒层和第二势垒层每个都具有1.2nm或更小的厚度。由于第一和第二势垒层的薄，载流子的概率密度可以在有源区中广泛扩展。有源区中的概率密度的扩展可以增加有源区中的多个阱层中的辐射跃迁的概率。
在量子级联激光器的特定示例中，核心区还包括第三势垒层和第四势垒层，第三势垒层将第一阱层与第一注入层的阱层分离，第四势垒层将第三阱层与第二注入层的阱层分离。第三势垒层和第四势垒层每个都比第一势垒层和第二势垒层厚。通过第三势垒层将第一阱层与第一注入层的阱层分离。通过第四势垒层将第三阱层与第二注入层的阱层分离。
在量子级联激光器中，厚的第三势垒层可以通过共振隧穿从上游注入层的阱层接受载流子，并且由于其厚度可以将载流子限制在有源区的第一阱层内。厚的第四势垒层可以将载流子限制在第三阱层内，其中由于存在薄的第二势垒层载流子的概率密度很高，并且可以通过共振隧穿将载流子提供给下游注入层的阱层。
量子级联激光器的具体示例还包括具有支撑核心区的主表面的衬底。衬底的主表面包含InP。第一阱层、第二阱层和第三阱层每个都包含GaInAs。第一势垒层和第二势垒层每个都包含AlInAs。核心区被应变补偿。
在量子级联激光器中，第一势垒层和第二势垒层经受拉伸应变，而第一阱层、第二阱层和第三阱层经受压缩应变。应变补偿的核心区具有比晶格匹配的核心区更大的能带偏移。
量子级联激光器的具体示例还包括第一导电类型的接触层、光栅层、第一导电类型的第一包覆层、第一导电类型的第二包覆层和嵌入区。光栅层被设置在第一包覆层和第二包覆层之间。核心区被设置在接触层与第一包覆层和第二包覆层之间。
在量子级联激光器中，核心区可以光学耦合到第一包覆层和第二包覆层之间的光栅层。
通过下面参考附图的详细描述，可以容易地理解本发明的发现，该附图以示例的方式给出。接下来将参考附图描述根据一个实施例的量子级联激光器。在可能的情况下，相同的部件由相同的参考数字表示。
图1示意性地示出根据实施例的量子级联激光器。图2示意性地示出根据实施例的量子级联激光器中的有源区的导带图。
量子级联激光器11包括核心区13。核心区13包括交替布置的有源区17和注入层19。注入层19包括第一注入层15a和第二注入层15b。具体地，在核心区13中，第一注入层15a、有源区17和第二注入层15b在第一轴Ax1的方向上依次被布置。通过施加外部电场，第一注入层15a的微带MB可以耦合到有源区17的一个水平面，并且有源区17的另一水平面可以耦合到第二注入层15b的微带MB。
核心区13包括第一阱层17a、第二阱层17b、第三阱层17c、第一势垒层17d和第二势垒层17e。第一势垒层17d被设置在第一阱层17a和第二阱层17b之间，并且将第一阱层17a与第二阱层17b分离。第一势垒层17d具有1.2nm或更小的厚度。第二势垒层17e被设置在第二阱层17b与第三阱层17c之间，并且将第二阱层17b与第三阱层17c分离。第二势垒层17e具有1.2nm或更小的厚度。
每个有源区17包括第一阱层17a、第二阱层17b、第三阱层17c、第一势垒层17d和第二势垒层17e。有源区17在导带中具有带偏移DEC。
如图2中所示，有源区17提供允许辐射跃迁的较高能级ELU和较低能级ELD。有源区17还提供稍低于较低能级ELD的弛豫能级ELR。处于较低能级ELD的载流子通过声子散射转变成弛豫能级ELR。
在量子级联激光器11中，有源区17被设置有量子阱结构QW，该量子阱结构QW包括夹在第一势垒层17d和第二势垒层17e之间的第二阱层17b。势垒层17d和17e中的每一个具有1.2nm或更小的厚度。此量子阱结构QW具有I型结构，并且第一势垒层17d和第二势垒层17e允许处于上能级ELU和下能级ELD处的载流子(例如，电子)扩展在第一阱层17a、第二阱层17b和第三阱层17c上。载流子的扩散归因于第一和第二势垒层17d、17e的薄。
核心区13还包括第三势垒层21和第四势垒层23。通过第三势垒层21将第一阱层17a与第一注入层15a中包括的阱层20a分离。通过第四势垒层23将第三势垒层17c与第二注入层15b中包括的阱层20b分离。第三势垒层21和第四势垒层23每个都比第一势垒层17d和第二势垒层17e厚。
在量子级联激光器11中，厚的第三势垒层21仅通过共振隧穿效应允许载流子从第一注入层15a注入到第一阱层17a中，然而厚的第三势垒层21能够抑制载流子从有源区17的第一阱层17a泄漏回到第一注入层15a。厚的第四势垒层23可以抑制电子从第三阱层17c泄漏到第二注入层15b中，在第三阱层17c中由于存在薄的第二势垒层17e而电子的概率密度高。厚的第四势垒层17c仅通过共振隧穿效应允许少量的载流子从量子阱结构QW传递到第二注入层15b。
图3示意性地示出核心区中的有源区和注入层的布置。每个有源区17被设置在第一注入层15a和第二注入层15b之间。第一注入层15a具有大量可以向有源区17提供载流子的能级(具体地，微带)。第二注入层15b具有大量接受来自有源区17的载流子的能级(具体地，微带)。第一注入层15a和第二注入层15b每个都包括多个阱层和多个势垒层。多个阱层和多个势垒层被布置成形成将上游有源区(17)耦合到下游有源区(17)的微带。
在核心区13中，第一注入层15a的阱层20a、第三势垒层21、第一阱层17a、第一势垒层17d、第二阱层17b、第二势垒层17e、第三阱层17c、第四势垒层23以及第二注入层15b的阱层20b在第一轴Ax1的方向上依次布置。
第一阱层17a由第三势垒层21和第一势垒层17d限定。第二阱层17b由第一势垒层17d和第二势垒层17e限定。第三阱层17c由第二势垒层17e和第四势垒层23限定。为了更好地理解，图1图示第三势垒层21，使得第一注入层15a包括第三势垒层21的一部分，同时有源区17包括第三势垒层21的其余部分，并且还图示第四势垒层23，使得第二注入层15b包括第四势垒层23的一部分，同时有源区17包括第四势垒层23的其余部分。
第一势垒层17d可以具有0.3nm或更大的厚度，以使第一阱层17a与第二阱层17b分离。第一势垒层17d可以具有1.1nm或更小的厚度。
第二势垒层17e可以具有0.3nm或更大的厚度，以将第二阱层17b与第三阱层17c分离。第二势垒层17e可以具有1.1nm或更小的厚度。
第一阱层17a的厚度：5.0至8.0nm，例如，6.5nm
第二阱层17b的厚度：4.0至7.0nm，例如，5.6nm
第三阱层17c的厚度：3.5至6.5nm，例如，5.0nm
第一阱层17a的厚度大于或等于第二阱层17b的厚度，并且第二阱层17b的厚度大于或等于第三阱层17c的厚度(第一厚度阱层17a的厚度≥第二阱层17b的厚度≥第三阱层17c的厚度)。
例如，第二势垒层17e的厚度可以小于或等于第一势垒层17d的厚度。
第二阱层17b将第一势垒层17d与第二势垒层17e分离。在制造变化的范围内，第一势垒层17d和第二势垒层17e可以具有基本相同的厚度。制造变化的范围是例如-0.1nm至+0.1nm。
核心区13具有包括一系列单元胞体18的量子级联结构。该量子级联结构包括例如20至40个单元胞体18的堆叠。每个单元胞体18由一个有源区17和一个注入层19组成。结果，核心区13包括交替布置的有源区17和注入层19。
再次参考图1，量子级联激光器11可以进一步包括第一导电类型(n型或p型)的接触层25、第一导电类型的第一包覆层27、光栅层29、以及第一导电类型的第二包覆层31。光栅层29被设置在第一包覆层27和第二包覆层31之间。核心区13被设置在接触层和第一包覆层25和27与第二包覆层31之间。核心区13可以被光学耦合到在第一包覆层27和第二包覆层31之间的光栅层29。
量子级联激光器11还包括台面结构33、嵌入区35和衬底37。台面结构33包括接触层25、第一包覆层27、光栅层29、核心区13以及第二包覆层31，其在第一轴Ax1的方向上被布置在衬底37的主表面37a上。台面结构33被嵌入在嵌入区35中。台面结构33和嵌入区35在与第一轴Ax1相交的第二轴Ax2的方向上被布置在衬底37的主表面37a上。嵌入区35具有半绝缘特性。
量子级联激光器11包括被设置在台面结构33上的第一电极39a和被设置在衬底37的背面37b上的第二电极39b。
量子级联激光器11的示例如下所示：
衬底37：n型InP
接触层25：n型GaInAs
第一包覆层27：n型InP
光栅层29：GaInAs
核心区13：GaInAs/AlInAs、GaInAs/AlAs或GaAs/AlAs量子阱结构
第二包覆层31：n型InP
嵌入区35：半绝缘的InP
第一阱层17a、第二阱层17b、第三阱层17c以及注入层19的阱层20a和20b可以由包含镓和铟作为III族组成元素并且包含砷作为V族组成元素的三元或四元化合物形成。第一势垒层17d、第二势垒层17e、第四势垒层23和注入层19的势垒层可以由包含铝作为III族组成元素并且包含砷作为V族组成元素的三元或四元化合物形成。第一阱层17a、第二阱层17b、第三阱层17c、注入层19的阱层、第一势垒层17d、第二势垒层17e、第四势垒层23、以及注入层19的势垒层不包含作为V族组成元素的锑。
下面示出量子级联激光器11的示例：
衬底37：n型GaAs
接触层25：n型GaAs或GaInAs
第一包覆层27：n型AlGaAs
光栅层29：GaAs
核心区13：GaAs/AlGaAs量子阱结构
第二包覆层31：n型AlGaAs
第一阱层17a、第二阱层17b、第三阱层17c和注入层19的阱层可以由包含镓作为III族组成元素和砷作为V族组成元素的二元、三元或四元化合物形成。第一势垒层17d、第二势垒层17e、第四势垒层23和注入层19的势垒层可以由包含铝和镓作为III族组成元素和砷作为V族组成元素的三元或四元化合物形成。
图4A和4B示出用于实验示例的与辐射跃迁相关联的三个能级的波函数和导带图。通过使用从用于阱层和势垒层的材料获得的模型以及能带图对薛定谔方程进行数值求解，来确定波函数和能级。波函数的平方表示作为位置的函数的电子的概率密度。
实验示例1(第一势垒层B22的厚度基本上等于第二势垒层B23的厚度)
第一阱层W21的厚度：例如，6.5nm
第二阱层W22的厚度：例如，5.6nm
第三阱层W23的厚度：例如，5.0nm
第一势垒层B22的厚度：例如，0.9nm
第二势垒层B23的厚度：例如，0.9nm
第三势垒层B21的厚度：例如，3.5nm
第四势垒层B24的厚度：例如，2.4nm
上级E1：波函数(G21)
下级E2：波函数(G22)
弛豫级E3：波函数(G23)
辐射跃迁偶极矩<z>：2.6nm
阱层(W21、W22和W23)：Ga0.40In0.60As
势垒层(B21、B22、B23和B24)：Al0.56In0.44As
导带的带偏移(图3中的DEC)：0.63eV
第一阱层W21比第二阱层W22厚。第二阱层W22比第三阱层W23厚。第三势垒层B21比第四势垒层B24厚。
波函数(G21)随着位置坐标从位于第一势垒层B22和第二势垒层B23之间的中心Cx处的轴(在下文中被称为“中心轴Cx”)上的点朝向第一势垒层B22变化而增大。波函数(G21)随着位置坐标从中心轴Cx上的点朝向第二势垒层B23变化而减小。波函数(G21)在第三势垒层B21附近的点和第二势垒层B23附近的点处具有极小值。波函数(G21)在第一势垒层B22附近的点和第四势垒层B24附近地点处具有极大值。因此，波函数(G21)示出在包括三个阱层(W21、W22和W23)的量子阱结构QW中相对于中心轴Cx几乎反对称的波形(该波形可以近似为奇函数)。
波函数(G22)随着位置坐标从中心轴Cx上的点朝向第一势垒层B22变化而增加。波函数(G22)随着位置坐标从中心轴Cx上的点朝向第二势垒层B23变化而增加。波函数(G22)在第二阱层W22的中心附近的点处具有极小值。波函数(G22)在第一阱层W21和第三阱层W23的中心附近的点处具有极大值。因此，波函数(G22)示出在包括三个阱层(W21、W22和W23)的量子阱结构QW中相对于中心轴Cx几乎对称的波形(该波形可以近似为偶函数)。第一势垒层B22的厚度基本上等于第二势垒层B23的厚度。第一和第二势垒层B22、B23之间的厚度相等与波函数G21至G23的对称特性有关。奇波函数G21和偶波函数G22的组合导致辐射跃迁的可能性增加。另外，波函数G23具有比波函数G22更接近的能量。能量的这种接近关系促使载流子从波函数G22到波函数G23的弛豫。因此，量子阱结构QW中的辐射跃迁的可能性增加。
实验示例2(第二势垒层C23的厚度大于第一势垒层C22的厚度)
第一阱层V21的厚度：例如，6.5nm
第二阱层V22的厚度：例如，5.6nm
第三阱层V23的厚度：例如，5.0nm
第一势垒层C22的厚度：例如，0.9nm
第二势垒层C23的厚度：例如，1.5nm
第三势垒层C21的厚度：例如，3.5nm
第四势垒层C24的厚度：例如，2.4nm
上级：波函数(H21)
下级：波函数(H22)
弛豫级：波函数(H23)
辐射跃迁偶极矩<z>：2.2nm
与InP晶格匹配的GaInAs具有0.47的镓分数。与InP晶格匹配的AlInAs具有0.48的铝分数。GaInAs/AlInAs的带偏移为0.52eV。在晶格匹配的核心区中，GaInAs的具有0.465至0.475的镓分数，而AlInAs具有0.475至0.485的铝分数。
具有Ga0.40In0.60As阱层和Al0.56In0.44As势垒层的有源区可以被应变补偿。薄的第二势垒层C23由于增加的能带偏移而减小有源区中的势垒层的势垒(势垒与厚度和能带偏移相关联)。
波函数(H21)和波函数(H22)示出相对于位于第一阱层V22的中心处的几乎轴对称的波形。波函数(H23)示出相对于位于阱层(V21和V22)中的第一势垒层C22的中心处的几乎轴对称的波形。如图4B中所示，波函数H22与H23之间的能量差比图4A中所示的波函数G22与G23之间的能量差大。因此，与从G22到G23的弛豫相比，实验示例2中的从H22到H23的载流子的弛豫可能更加缓慢。因此，实验示例2中的量子阱结构QW中的辐射跃迁的可能性可以稍微比实验示例1中的小。
在量子级联激光器11中，衬底37的主表面37a可以包含InP。第一阱层17a、第二阱层17b和第三阱层17c可以每个都包含GaInAs。第一势垒层17d和第二势垒层17e可以每个都包含AlInAs。核心区13被应变补偿。
在量子级联激光器11中，第一势垒层17d和第二势垒层17e经受拉伸应变，而第一阱层17a、第二阱层17b和第三阱层17c经受压缩应变。应变补偿(晶格失配)的核心区13具有比晶格匹配的核心区更大的能带偏移。
在应变补偿的核心区13中，GaInAs具有0.2至0.5的镓分数，并且AlInAs具有0.3至1.0的铝分数。选择GaInAs的镓分数和AlInAs的铝分数，使得如由等式(1)定义的应变补偿后的每个单元胞体18中的平均残余应变(Δa/asub)average为0.3或更小。在图3中所示的等式(1)中，i是指定每个单元胞体18中的层的符号，并且是层总数的1的整数。衬底37具有晶格常数asub，并且Δa是每个单元胞体18中的第i层的晶格常数与衬底37的晶格常数asub之间的差。L是每个单元胞体18的厚度。ti是第i层的厚度。注入层19也被应变补偿。
在下文中将描述用于制造量子级联激光器11的方法。此方法从提供n型InP晶圆开始。然后，例如通过分子束外延(MBE)方法或金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，通过依次生长n型InP下包覆层、核心区(有源区和注入层的重复)、n型InP上包覆层、以及n+型GaInAs接触层，在n型InP晶圆上形成半导体叠层。
通过光刻和蚀刻在半导体叠层上形成掩模。使用掩模蚀刻半导体叠层以形成条纹台面。在掩模保留在蚀刻的半导体叠层上的情况下，选择性地生长嵌入区(Fe-InP)。在形成嵌入区之后，去除掩模以暴露n+型GaInAs接触层。上金属电极被形成在n+型GaInAs接触层上。在InP晶圆的背面上形成下金属电极。由此获得衬底产品。
在形成电极之后，通过解理将衬底产物分离以形成量子级联激光器芯片。如有必要，在劈开的表面上形成a-Si/SiO2介电多层反射涂层。
尽管已经参考优选实施例说明和描述本发明的原理，但是本领域的技术人员将理解，可以在不脱离本发明的原理的情况下对布置和其他细节进行修改。本发明不限于实施例中公开的任何特定配置。因此，将要求保护落入权利要求的范围和精神内的所有变化和修改。

Claims (4)

1.一种量子级联激光器，包括核心区，所述核心区包括第一注入层、有源区和第二注入层，所述第一注入层、所述有源区和所述第二注入层在第一轴的方向上被依次布置；
其中，所述有源区包括第一阱层、第二阱层、第三阱层、第一势垒层和第二势垒层，
所述第一势垒层被设置在所述第一阱层和所述第二阱层之间，并且将所述第一阱层与所述第二阱层分离，
所述第二势垒层被设置在所述第二阱层和所述第三阱层之间，并且将所述第二阱层与所述第三阱层分离，
所述第一势垒层具有1.2nm或更小的厚度，并且
所述第二势垒层具有1.2nm或更小的厚度。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，
所述核心区还包括第三势垒层和第四势垒层，所述第三势垒层将所述第一阱层与所述第一注入层的阱层分离，所述第四势垒层将所述第三阱层与所述第二注入层的阱层分离，
所述第三势垒层和所述第四势垒层每个都比所述第一势垒层和所述第二势垒层厚，
通过所述第三势垒层将所述第一阱层与所述第一注入层的所述阱层分离，并且
通过所述第四势垒层将所述第三阱层与所述第二注入层的所述阱层分离。
3.根据权利要求1或2所述的量子级联激光器，还包括衬底，所述衬底具有支撑所述核心区的主表面，
其中，所述衬底的所述主表面包含InP，
所述第一阱层、所述第二阱层和所述第三阱层每个都包含GaInAs，
所述第一势垒层和所述第二势垒层每个都包含AlInAs，并且
所述核心区被应变补偿。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的量子级联激光器，还包括：
第一导电类型的接触层；
光栅层；
所述第一导电类型的第一包覆层；
所述第一导电类型的第二包覆层；以及
嵌入区，
其中，所述光栅层被设置在所述第一包覆层与所述第二包覆层之间，并且
所述核心区被设置在所述接触层与所述第一包覆层和所述第二包覆层之间。
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