CN114006267A - 波长6微米的激光器的有源区和激光器 - Google Patents

波长6微米的激光器的有源区和激光器 Download PDF

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Abstract

本公开实施例提供了一种波长6微米的激光器的有源区和激光器。该有源区包括：多个周期级联的子有源区；其中，每个周期的子有源区包括：第一注入区，第一注入区包括第一注入势垒；发光区，发光区包括：至少五个第一量子阱，位于上方的第一量子阱与第一注入区连接；以及至少四个第二注入势垒，相邻的两个第一量子阱之间至少设置一个第二注入势垒；第二注入区，第二注入区包括：至少四个沿预设方向依次连接的子注入区，子注入区包括沿预设方向连接的第三注入势垒和第二量子阱；其中，位于相对上方的子注入区的第三注入势垒与位于下方的第一量子阱连接，第二量子阱的厚度小于第一量子阱的厚度，第三注入势垒的厚度大于第二注入势垒的厚度。

Description

波长6微米的激光器的有源区和激光器
技术领域
本公开涉实施例涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种波长6微米的激光器的有源区和激光器。
背景技术
量子级联激光器是基于子带间跃迁的，其可以通过改变能带结构实现波长的任意裁剪。量子级联激光器具有波长覆盖范围广，输出功率高等优势，在气体探测、医疗诊断、高分辨率光谱等领域中具有十分广阔的应用前景。
在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：波长6微米量子级联激光器的器件阈值较高不利于实际应用。
发明内容
基于现有技术中存在的上述或者其它方面的至少一种缺陷，本公开实施例提供了一种波长6微米的激光器的有源区和激光器。
本公开实施例的一个方面提供了一种波长6微米的激光器的有源区，包括：多个周期级联的子有源区；
其中，每个周期的子有源区包括：
第一注入区，上述第一注入区包括第一注入势垒；
发光区，上述发光区包括：
至少五个第一量子阱，位于上方的上述第一量子阱与上述第一注入区连接；以及
至少四个第二注入势垒，相邻的两个上述第一量子阱之间至少设置一个上述第二注入势垒；
第二注入区，上述第二注入区包括：
至少四个沿预设方向依次连接的子注入区，上述子注入区包括沿上述预设方向连接的第三注入势垒和第二量子阱；
其中，位于相对上方的子注入区的上述第三注入势垒与位于下方的上述第一量子阱连接，上述第二量子阱的厚度小于上述第一量子阱的厚度，上述第三注入势垒的厚度大于上述第二注入势垒的厚度。
根据本公开的实施例，上述第一注入区的厚度大于位于上方的上述第一量子阱的宽度。
根据本公开的实施例，上述至少五个第一量子阱包括沿上述预设方向依次设置的J1、J2、J3、J4......Ji，i≥5，Ji表征上述第i个第一量子阱；
其中，上述第一量子阱的厚度H关系如下所示：
Figure BDA0003340946460000021
根据本公开的实施例，至少四个上述第二注入势垒包括沿上述预设方向依次设置的S1、S2、S3……Si，i≥4，Si表征上述第i个第二注入势垒；
其中，上述第二注入势垒的厚度H关系如下所示：
Figure BDA0003340946460000022
根据本公开的实施例，至少四个上述第三注入势垒的厚度沿上述预设方向逐渐增加；
至少四个上述第二量子阱的厚度沿上述预设方向逐渐减小。
根据本公开的实施例，沿上述预设方向依次设置的至少四个上述第三注入势垒中，沿上述预设方向的第二个第三注入势垒和第三个第三注入势垒均为掺杂层，掺杂浓度为1.7×1017em-3。
根据本公开的实施例，上述第一量子阱和上述第二量子阱均包括InxGa1-xAs，其中，0＜x＜1。
根据本公开的实施例，上述第一注入势垒、第二注入势垒和第三注入势垒均包括InyAl1-yAs，其中，0＜y＜1。
本公开实施例的另一个方面提供了一种波长6微米的激光器，包括：
沿预设方向依次设置的衬底、下波导层、下限制层、如权利要求1～8中任一项上述的有源区、上限制层和上波导层。
根据本公开的实施例，上述衬底的材料包括n型掺杂的InP，掺杂浓度为1×1017cm-3；
上述下波导层的材料包括n型掺杂的InP，掺杂浓度为3×1016cm-3，厚度为1.3μm；
上述下限制层和上限制层的材料均包括n型掺杂的In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为0.3μm；
上述上波导层的材料包括n型掺杂的InP，上述上波导层按生长顺序依次包括：
低掺InP层，上述低掺InP层的厚度为3μm，掺杂浓度为4×1016；
渐变掺杂层，上述渐变掺杂层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017cm-3；以及
高掺InP层，上述高掺InP层的厚度为0.8μm，掺杂浓度为5×1018cm-3。
根据本公开的实施例，通过分布于发光区中下方的四个第一量子阱构成的跃迁下能级延伸至注入区，使得增益谱较宽，从而减小了跃迁下能级的有效寿命以及增加了相应的电压缺陷，导致该有源区具有较高的粒子数反转效率，进而带来较高的电子抽取效率和较好的激光器的器件性能。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的有源区一个周期的生长结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的有源区一个周期的能带结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的激光器的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的激光器的阈值随温度变化函数图以及拟合的特征温度图；以及
图5示意性示出了根据本公开实施例的激光器的室温连续电流-电压-功率(P-I-V)曲线图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
100-第一注入区；
200-第一量子阱；
300-第二注入势垒；
400-第三注入势垒；
500-第二量子阱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分而非全部结构。
目前量子级联激光器几乎已经能够实现3μm到14μm任意波长的室温工作，尤其在3-5μm大气窗口，已经实现室温连续瓦级输出，最高转换效率可以达到27％。
然而由于波长6μm不在大气窗口范围，有源区的优化研究较少，基于此有源区制备的激光器的器件性能较差。而波长6μm的激光器可以在石油、化工、煤矿、冶金、制药等领域对气体吸收峰在6微米附近的NO2、NH3等损害呼吸道的气体进行探测。其中，NO2、NH3可以对人体的肺组织产生强烈的刺激作用和腐蚀作用，严重者可发生肺水肿，对于环境和人体有着严重的危害。
根据本公开总体上的发明构思，提供了一种波长6微米的激光器的有源区和激光器，其能够带来较高的电子抽取效率和较好的激光器的器件性能。
图1示意性示出了根据本公开实施例的有源区一个周期的生长结构示意图。
根据本公开的一种示例性实施例，如图1所示，波长6微米的激光器的有源区可以包括多个周期级联的子有源区。每个周期的子有源区包括第一注入区、发光区和第二注入区。第一注入区包括第一注入势垒。发光区包括至少五个第一量子阱和至少四个第二注入势垒。在至少五个第一量子阱中，位于上方的第一量子阱与第一注入区连接。相邻的两个第一量子阱之间至少设置一个第二注入势垒。第二注入区包括至少四个沿预设方向依次连接的子注入区。子注入区包括沿预设方向连接的第三注入势垒和第二量子阱。位于相对上方的子注入区的第三注入势垒与位于下方的第一量子阱连接，第二量子阱的厚度小于第一量子阱的厚度，第三注入势垒的厚度大于第二注入势垒的厚度。
根据本公开的实施例，预设方向可以指图1中从上到下的方向。需要说明的是，图1中从上到下的预设方向仅仅为解释本公开实施例设定的方向，并非用以限制本公开。图1中
Figure BDA0003340946460000051
为厚度单位，其中
Figure BDA0003340946460000052
根据本公开的实施例，沿预设方向的多个第二注入势垒的厚度可以从1nm依次递增。多个第三注入势垒中厚度最小的第三注入势垒的沟渎厚度大于多个第二注入势垒中厚度最大的第二注入势垒的厚度。
根据本公开的实施例，第二注入区可以指弛豫区。
为了更清楚地解释该有源区的结构和效果，以下引入具体示例进行解释说明，需要说明的是，以下示例中涉及的具体数值仅为示例，并非限制本公开的保护范围。
根据本公开的实施例，每个周期的子有源区分为发光区和第二注入区，发光区和第二注入区均包括多个量子阱和势垒。其中发光区紧邻一个宽度为4nm的第一注入势垒，发光区可以包括五个第一量子阱和四个第二注入势垒，第二注入区可以包括四个依次连接的子注入区，每个子注入区可以包括一个第三注入势垒和一个第二量子阱。
根据本公开的实施例，发光区的五个第一量子阱中最上方的两个第一量子阱的厚度分别可以为1.5nm和4.8nm，其余三个第一量子阱的厚度从上到下逐渐减小。四个第二注入势垒中最上方的第二注入势垒的厚度为1nm，随后的三个第二注入势垒的厚度逐渐增加。
根据本公开的实施例，第二注入区中最上方的第三注入势垒的厚度为1.7nm，最上方的第二量子阱的厚度为3nm，随后第二注入区中的其余三个第三注入势垒的厚度从上到下逐渐增加，而第二注入区中的其余三个第二量子阱的厚度从上到下逐渐减小。其中，注入区中从上到下第二个第三注入势垒、第二个第二量子阱和第三个第三注入势垒均为掺杂层，掺杂浓度可以为1.7×1017cm-3。
图2示意性示出了根据本公开实施例的有源区一个周期的能带结构示意图。
在一种示例性实施例中，如图2所示，上述发光区可以分为注入能级、跃迁上能级和跃迁下能级，其中跃迁上能级波函数分布在位于上方的四个第一量子阱中，跃迁下能级以及输运能级波函数分布在发光区的位于下方的四个第一量子阱中。上述第二注入区可以分为连续态的三组声子台阶，整体为束缚到连续态带有三组声子台阶跃迁机制，电子从跃迁上能级跃迁到跃迁下能级，发出一个光子，然后通过三组声子台阶释放光学声子快速弛豫进入下一个周期的有源区中。
根据本公开的实施例，根据激光速率方程，可以得到粒子反转数Δn与跃迁上、下能级寿命有关，Δn正比于τ5(1-τ4/τ54)，τ5为跃迁上能级的寿命，τ4为跃迁下能级的寿命，τ54为电子由跃迁上能级跃迁至跃迁下能级的辐射跃迁时间，1/τ4＝1/τ44’+1/τ43+1/τ43’+1/τ42+1/τ42’+1/τ41+1/τ41’，由此可见增加抽取能级会导致减小的跃迁下能级有效寿命。
同时，最后一组声子台阶的下能级也是下一周期有源区的注入能级，因此发光区与第二注入区能够形成强耦合，能够降低第二注入区到下一周期有源区的渡越时间，提高粒子数反转效率。生成的有源区称为束缚到连续态带有三组声子台阶跃迁机制，电子由基态能级g注入跃迁上能级，通过发射光子从跃迁上能级辐射跃迁至跃迁下能级，然后通过三组声子台阶从跃迁下能级抽取进入下一周期的有源区，跃迁下能级与下一周期的注入能级间隔三组声子台阶，能量差较大，保证了较大的电压缺陷，可以有效抑制载流子从注入能级热回填到跃迁下能级，进而能够改善器件阈值、特征温度等性能。
根据本公开的实施例，通过分布于发光区中下方的四个第一量子阱构成的跃迁下能级延伸至注入区，使得增益谱较宽，从而减小了跃迁下能级的有效寿命以及增加了相应的电压缺陷，导致该有源区具有较高的粒子数反转效率，进而带来较高的电子抽取效率和较好的激光器的器件性能。
根据本公开的实施例，发光区的第一量子阱的厚度大于第二注入区的第二量子阱的厚度，发光区的第二注入势垒的厚度小于第二注入区的第三注入势垒。
根据本公开的实施例，第一注入区的厚度大于位于上方的第一量子阱的宽度。
根据本公开的实施例，例如第一注入势垒的厚度可以为4nm。至少五个第一量子阱中位于上方的第一量子阱的厚度可以为1.5nm。
根据本公开的实施例，至少五个第一量子阱包括沿预设方向依次设置的J1、J2、J3、J4……Ji，i≥5，Ji表征第i个第一量子阱；其中，第一量子阱的厚度H关系如下所示。
Figure BDA0003340946460000071
根据本公开的实施例，例如从上到下五个第一量子阱的厚度可以分别为1.5nm、4.8nm、4.7nm、4.2nm和3.2nm。
根据本公开的实施例，至少四个第二注入势垒包括沿预设方向依次设置的S1、S2、S3......Si，i≥4，Si表征第i个第二注入势垒；其中，第二注入势垒的厚度H关系如下所示。
Figure BDA0003340946460000072
根据本公开的实施例，例如从上到下四个第二注入势垒的厚度可以分别为1nm、1.2nm、1.3nm和1.5nm。
根据本公开的实施例，至少四个第三注入势垒的厚度沿预设方向逐渐增加。至少四个第二量子阱的厚度沿预设方向逐渐减小。
根据本公开的实施例，例如从上到下四个第三注入势垒的厚度可以分别为1.7nm、1.8nm、2.3nm和3.4nm。
根据本公开的实施例，例如从上到下四个第二量子阱的厚度可以分别为3.0nm、1.8nm、2.3nm和3.4nm。
根据本公开的实施例，沿预设方向依次设置的至少四个第三注入势垒中，沿预设方向的第二个第三注入势垒和第三个第三注入势垒均为掺杂层，掺杂浓度为1.7×1017em-3。
根据本公开的实施例，第一量子阱和第二量子阱均包括InxGa1-xAs，其中，0＜x＜1。
根据本公开的实施例，例如第一量子阱和第二量子阱均可以为In0.61Ga0.39As。
根据本公开的实施例，第一注入势垒、第二注入势垒和第三注入势垒均包括InyAl1-yAs，其中，0＜y＜1。
根据本公开的实施例，例如第一注入势垒、第二注入势垒和第三注入势垒均可以为In0.42Al0.58As。
根据本公开的实施例，为了提高导带带阶，第一注入势垒、第一量子阱、第二注入势垒、第三注入势垒和第二量子阱的材料可以采用应变补偿的In0.61Ga0.39As和In0.42Al0.58As，生成的有源区具有减小的跃迁下能级电子的有效寿命和增加的电压缺陷，进而带来较高的电子抽取效率和较好的器件性能。
图3示意性示出了根据本公开实施例的激光器的结构示意图。
在一种示例性实施例中，如图3所示，波长6微米的激光器可以包括沿预设方向依次设置的衬底、下波导层、下限制层、如上所述的有源区、上限制层和上波导层。
根据本公开的实施例，通过分布于发光区中下方的四个第一量子阱构成的跃迁下能级延伸至注入区，使得增益谱较宽，从而减小了跃迁下能级的有效寿命以及增加了相应的电压缺陷，导致该有源区具有较高的粒子数反转效率，进而带来较高的电子抽取效率和较好的激光器的器件性能。
根据本公开的实施例，衬底的材料包括n型掺杂的InP，掺杂浓度为1×1017cm-3。下波导层的材料包括n型掺杂的InP，掺杂浓度为3×1016cm-3，厚度为1.3μm。下限制层和上限制层的材料均包括n型掺杂的In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为0.3μm。上波导层的材料包括n型掺杂的InP，上波导层按生长顺序依次包括低掺InP层、渐变掺杂层和高掺InP层。
根据本公开的实施例，低掺InP层的厚度为3μm，掺杂浓度为4×1016。渐变掺杂层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017cm-3。高掺InP层的厚度为0.8μm，掺杂浓度为5×1018cm-3。
图4示意性示出了根据本公开实施例的激光器的阈值随温度变化函数图以及拟合的特征温度图。
图5示意性示出了根据本公开实施例的激光器的室温连续电流-电压-功率(P-I-V)曲线图。
在一种示例性实施例中，如图4和图5所示的基于上述有源区结构制备的量子级联激光器的连续工作时阈值随温度变化函数图以及拟合的特征温度和器件室温连续电流-电压-功率(P-I-V)曲线，器件连续工作温度高达100℃，连续工作时的特征温度为120K，室温阈值稍大于120mA，阈值电流密度为0.77kA/cm2，相比于相关技术中的6微米量子级联激光器，本公开实施例提供的激光器的器件工作温度、特征温度以及阈值特性均得到了较大的改善。
根据本公开的上述实施例的波长6微米的激光器的有源区和激光器，有源区采用束缚到连续态带有三组声子台阶跃迁机制，加快跃迁下能级的电子抽取速率，有效降低了跃迁下能级的寿命，同时最后一组声子台阶下能态又是下一个周期的注入能级和跃迁上能级，与发光区形成强耦合，降低了第二注入区的渡越时间，有利于提高粒子数反转效率，同时也保证了较大的电压缺陷，能够有效抑制载流子热回填，改善器件阈值、特征温度等性能。基于上述有源区结构制备的量子级联激光器的室温阈值电流密度低至0.77kA/cm2，能够应用于便携气体探测领域。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波长6微米的激光器的有源区，其特征在于，包括：多个周期级联的子有源区；
其中，每个周期的子有源区包括：
第一注入区，所述第一注入区包括第一注入势垒；
发光区，所述发光区包括：
至少五个第一量子阱，位于上方的所述第一量子阱与所述第一注入区连接；以及
至少四个第二注入势垒，相邻的两个所述第一量子阱之间至少设置一个所述第二注入势垒；
第二注入区，所述第二注入区包括：
至少四个沿预设方向依次连接的子注入区，所述子注入区包括沿所述预设方向连接的第三注入势垒和第二量子阱；
其中，位于相对上方的子注入区的所述第三注入势垒与位于下方的所述第一量子阱连接，所述第二量子阱的厚度小于所述第一量子阱的厚度，所述第三注入势垒的厚度大于所述第二注入势垒的厚度。
2.根据权利要求1所述的有源区，其特征在于，所述第一注入区的厚度大于位于上方的所述第一量子阱的宽度。
3.根据权利要求1所述的有源区，其特征在于，所述至少五个第一量子阱包括沿所述预设方向依次设置的J1、J2、J3、J4......Ji，i≥5，Ji表征所述第i个第一量子阱；
其中，所述第一量子阱的厚度H关系如下所示：
Figure FDA0003340946450000011
4.根据权利要求3所述的有源区，其特征在于，至少四个所述第二注入势垒包括沿所述预设方向依次设置的S1、S2、S3……Si，i≥4，Si表征所述第i个第二注入势垒；
其中，所述第二注入势垒的厚度H关系如下所示：
Figure FDA0003340946450000012
5.根据权利要求1所述的有源区，其特征在于，至少四个所述第三注入势垒的厚度沿所述预设方向逐渐增加；
至少四个所述第二量子阱的厚度沿所述预设方向逐渐减小。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的有源区，其特征在于，沿所述预设方向依次设置的至少四个所述第三注入势垒中，沿所述预设方向的第二个第三注入势垒和第三个第三注入势垒均为掺杂层，掺杂浓度为1.7×1017cm-3。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的有源区，其特征在于，所述第一量子阱和所述第二量子阱均包括InxGa1-xAs，其中，0＜x＜1。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的有源区，其特征在于，所述第一注入势垒、第二注入势垒和第三注入势垒均包括InyAl1-yAs，其中，0＜y＜1。
9.一种波长6微米的激光器，其特征在于，包括：
沿预设方向依次设置的衬底、下波导层、下限制层、如权利要求1～8中任一项所述的有源区、上限制层和上波导层。
10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述衬底的材料包括n型掺杂的InP，掺杂浓度为1×1017cm-3；
所述下波导层的材料包括n型掺杂的InP，掺杂浓度为3×1016cm-3，厚度为1.3μm；
所述下限制层和上限制层的材料均包括n型掺杂的In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为0.3μm；
所述上波导层的材料包括n型掺杂的InP，所述上波导层按生长顺序依次包括：
低掺InP层，所述低掺InP层的厚度为3μm，掺杂浓度为4×1016；
渐变掺杂层，所述渐变掺杂层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017cm-3；以及
高掺InP层，所述高掺InP层的厚度为0.8μm，掺杂浓度为5×1018cm-3。
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