DE69903200T2

DE69903200T2 - Vorrichtung mit einem spannungskompensierter QC Laser

Info

Publication number: DE69903200T2
Application number: DE69903200T
Authority: DE
Inventors: Federico Capasso; Alfred Yi Cho; Sung-Nee George Chu; Jerome Faist; Albert Lee Hutchinson; Deborah Lee Sivco
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: JPH11266062A; EP0932230A2; JP3923205B2; EP0932230A3; US6023482A; EP0932230B1; DE69903200D1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Quantenkaskadenlaser (QC-Laser) und Vorrichtungen und Systeme, die einen QC- Laser umfassen.

Hintergrund

Es wurde jüngst eine neue Klasse von Halbleiterlasern entdeckt, die als "Quantenkaskadenlaser" oder "QC-Laser" bezeichnet werden. Siehe beispielsweise die US-Patente 5,457,709, 5,509,025 und 5,570,386. Siehe auch EP-A-0867990 und EP-A-0841731.
Ein "Quantenkaskadenlaser" oder "QC-Laser" ist hier ein unipolarer Halbleiterlaser mit einer mehrschichtigen Struktur, der einen Lichtwellenleiter bildet, einschließlich eines Kernbereichs mit einem relativ großen effektiven Brechungsindex zwischen Einschlußbereichen mit einem relativ kleinen effektiven Brechungsindex. Der Kernbereich umfaßt mehrere nominell identische Wiederholeinheiten, wobei jede Wiederholeinheit einen aktiven Bereich und einen Trägerinjektorbereich umfaßt. Der aktive Bereich weist eine Schichtstruktur auf, die so ausgewählt ist, daß sie einen oberen und einen unteren Trägerenergiezustand bereitstellt und ein Trägerübergang von dem oberen zu dem unteren Energiezustand zur Emission eines Photons der Wellenlänge λ führt. Der Trägerinjektorbereich weist eine Schichtstruktur auf, die so ausgewählt ist, daß der Trägertransport von dem unteren Energiezustand des aktiven Bereichs einer gegebenen Wiederholeinheit zu dem oberen Energiezustand des aktiven Bereichs der benachbarten (nachgeordneten) Wiederholeinheit erleichtert wird. Ein Träger erfährt somit aufeinander folgende Übergänge von einem oberen zu einem unteren Energiezustand, wenn sich der Träger durch die Schichtstruktur bewegt, was zur Erzeugung von mehreren Photonen der Wellenlänge X führt. Die Photonenenergie (und somit λ) hängt von den Einzelheiten der Wiederholeinheiten hinsichtlich Struktur und Zusammensetzung und möglicherweise auch von dem angelegten elektrischen Feld und/oder einem verteilten Rückkopplungselement ab.
Obwohl QC-Laser des Stands der Technik so ausgelegt sein können, daß sie bei Wellenlängen in einen großen Spektralbereich emittieren, wäre es wünschenswert, einen QC-Laser zur Verfügung zu haben, der für die Emission bei Wellenlängen im sogenannten ersten atmosphärischen Fenster (etwa 3-5 um) ausgelegt werden kann. Ein derartiger Laser wäre für eine Vielfalt von Anwendungen wichtig, zum Beispiel das Erfassen von Spuren von Gasen, beispielsweise HCl.
Da QC-Laser auf Trägerübergängen zwischen durch einen Quanteneinschluß erzeugten Energieniveaus basieren, ist die erreichbare Emission auf der kurzwelligen Seite durch die Größe der Leitungsbanddiskontinuität zwischen den beiden Halbleitermaterialien des aktiven Bereichs begrenzt. QC-Laser des Stands der Technik basieren allgemein auf In0,53Ga0,47As/In0,52Al0,45As, was an InP gitterangepaßt ist und eine Leitungsbanddiskontinuität ΔEc = 520 meV aufweist. In diesem System wurden größte Photonenenergien von etwa 250 meV (-0,48ΔEc) bei Temperaturen T ≥ 300K realisiert.
Um eine gute Abdeckung des atmosphärischen Fensters von 3-5 um zu erreichen, wäre es wünschenswert, einen QC- Laser mit Heteroübergängen mit einer größeren Leitungsbanddiskontinuität zur Verfügung zu haben, als sie in QC-Lasern des Stands der Technik verfügbar sind. Die vorliegende Anmeldung offenbart einen derartigen QC-Laser.
Bauelemente mit mehreren Quantentöpfen einschließlich beanspruchten Quantentopfschichten werden von Ascu et a&sub1;. in einem Referat veröffentlicht mit dem Titel "3.2 um intersubband absorption in strained InGaAs/InAlAs multiquantum wells", veröffentlicht im Workbook of the Fifth International Conference "Molecular Beam Epitaxy 1988" Sapporo, Japan, 1988, Seiten 8-9 supl. und von Ido et al. in "Performance of Strained InGaAs/InAlAs Multiple-Quantum-Well Electroabsorption Modulators", Journal of Lightwave Technology, Band 14, Nr. [10], 1. Oktober 1996, Seiten 2324-2331. Ein beanspruchter AlGaInAs-Mehrfachquantentopflaser ist in US-A-5,541,949 offenbart.
Quantenkaskadenlaser mit verteilter Rückkopplung werden von Faist et al. in Appl. Phys. Lett. Band 70, Nr. [20], 19. Mai 1997, Seiten 2670-2672 erörtert.
Eine Vorrichtung zum Messen des Infrarotabsorptionsspektrums eines Gases unter Verwendung eines Halbleiterlasers als Quelle mit variabler Wellenlänge wird in den Patent Abstracts of Japan Band 012, Nr. 458 (P-794), 2. Dezember 1988 (Zusammenfassung von JP-A-63 182 550) offenbart.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein QC-Laser und Gegenstände, die einen QC-Laser umfassen, wie in Anspruch 1. Insbesondere umfaßt der QC-Laser eine mehrschichtige Halbleiterstruktur, die auf einem Halbleitersubstrat mit einer Gitterkonstanten a&sub0; angeordnet ist. Die Struktur bildet einen Lichtwellenleiter und umfaßt einen unteren Einschlußbereich, einen auf dem unteren Einschlußbereich angeordneten Kernbereich und einen auf dem Kernbereich angeordneten oberen Einschlußbereich. Das Substrat bildet häufig den unteren Einschlußbereich.
Der Kernbereich umfaßt mehrere nominell identische Wiederholeinheiten, wobei jede Wiederholeinheit einen aktiven Bereich und einen Trägerinjektorbereich umfaßt. Der aktive Bereich weist eine Schichtstruktur mit abwechselnden Schichten aus einem ersten bzw. einem zweiten Halbleitermaterial auf, und ist so ausgewählt, daß er einen oberen und einen unteren Trägerenergiezustand erzeugt, wobei ein Trägerübergang von dem oberen zu dem unteren Trägerenergiezustand zur Emission eines Photons der Wellenlänge λ führt. Das erste Halbleitermaterial weist eine Gitterkonstante a&sub1; und das zweite Halbleitermaterial eine Gitterkonstante a&sub2; auf.
Der Trägerinjektorbereich weist eine Schichtstruktur auf, die so ausgewählt ist, daß der Trägertransport von dem unteren Trägerenergiezustand des aktiven Bereichs einer Wiederholeinheit zu dem oberen Trägerenergiezustand des aktiven Bereichs der benachbarten (nachgeordneten) Wiederholeinheit erleichtert wird.
Der QC-Laser umfaßt auch Kontakte, die so ausgewählt sind, daß das Fließen eines elektrischen Stroms durch die mehrschichtige Halbleiterstruktur erleichtert wird.
Signifikanterweise sind das erste und das zweite Halbleitermaterial mit Gitterkonstanten a&sub1; ≥ a&sub2;, in der Regel a&sub1; > a&sub0; > a&sub2;, ausgewählt, wobei a&sub0; die Gitterkonstante des Substratmaterials (in der Regel InP) ist, und sind weiterhin so ausgewählt, daß eine Leitungsbandenergiediskontinuität ΔEc zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzusammensetzung absolut größer als 520 meV ist.
Wie zu erkennen ist, kann das Vorsehen von abwechselnden Schichten mit Gitterkonstanten, die jeweils größer als a&sub0; und kleiner als a&sub0; sind, zur Verformungskompensation führen, was das Aufwachsen eines QC-Lasers mit einem relativ großen ΔEc erleichtert, der somit in der Lage ist, Strahlung mit einer relativ kurzen Wellenlänge X zu emittieren.
Die Schichtdicken sind in der Regel so ausgewählt, daß sich die Verformungen über eine Wiederholeinheit hinweg im wesentlichen aufheben. Weiterhin sind die Schichtdicken in der Regel so ausgewählt, daß sie geringer sind als die kritische Dicke für eine durch Belastung/Verformung induzierte Defektbildung. Diese kritische Dicke kann für eine gegebene erste und zweite Halbleiterzusammensetzung ohne weiteres bestimmt werden und ist in der Regel größer als 5 nm.
Beispielsweise weist InXGa1-xAs für x > 0,53 eine Gitterkonstante auf, die größer ist als die von InP, und InyAl1-yAs weist für y < 0,52 eine Gitterkonstante auf, die kleiner ist als die von InP.
Hier relevante Halbleiter weisen in der Regel eine kubische Symmetrie auf. Der Ausdruck "Gitterkonstante" bezieht sich hier somit auf die Länge der Kante einer kubischen Einheitszelle.
Falls a&sub1; > a&sub0; > a2, dann ist es wünschenswert, daß beispielsweise
(δa&sub1;/a&sub0;)Σt&sub1; + (δa&sub2;/a&sub0;)Σt&sub2; < 0,2 (δa&sub1;/a&sub0;)Σt&sub1;
bevorzugt ≤ 0,10 (δa&sub2;/a&sub0;) Σt&sub1;. Noch stärker bevorzugt ist die rechte Seite des Ausdrucks etwa Null. In den obigen Ausdrücken ist δa&sub1; = a&sub1; - a&sub0;, δa&sub2; = a&sub2; - a&sub0;, Σt&sub1; ist die Summe der Schichtdicken des ersten Halbleitermaterials in einer gegebenen Wiederholeinheit, Σt&sub2; ist die entsprechende Summe der Schichtdicken des zweiten Halbleitermaterials und die vertikalen Striche bezeichnen einen Absolutwert. Die obigen Kriterien sind nur beispielhaft, und andere Kriterien können entwickelt werden, die entsprechende Verformungskompensation über eine Wiederholeinheit hinweg sicherstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt berechnete Kurven von ΔEc als Funktion des Indiumgehalts von InXGa1-xAs für eine belastungskompensierte InGaAs/InAlAs-Doppelschicht auf InP;
Fig. 2 zeigt schematisch relevante Aspekte einer Wiederholeinheit des Kernbereichs, einschließlich der Leitungsbandkante, Energieniveaus und Minibandabstand und Trichterinjektor;
Fig. 3 zeigt beispielhafte Daten über die Elektrolumineszenz als Funktion der Wellenlänge und Photonenenergie;
Fig. 4 zeigt beispielhafte Daten über die optische Leistung als Funktion des Ansteuerstroms sowie eine repräsentative Strom-Spannungs-Kennlinie bei Betrieb mit gepulstem Strom;
Fig. 5 zeigt die optische Leistung als Funktion des Stroms im Dauer-Betrieb;
Fig. 6 zeigt die optische Leistung als Funktion der Wellenlänge im Dauer-Betrieb;
Fig. 7 und 8 zeigen schematisch eine beispielhaft Vorrichtung mit einem Laser gemäß der vorliegenden Erfindung, nämlich eine Vorrichtung für Absorptionsspektroskopie; und
Fig. 9 zeigt schematisch einen DFB-QC-Laser gemäß der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 zeigt die durchgezogene Kurve 11 die Leitungsbanddiskontinuität ΔEc als Funktion von x, die unter Verwendung der Modellfeststofftheorie (siehe C. G. Van de Walle, Phys. Review B39, S. 1871 (1988)) für eine belastungskompensierte Doppelschicht aus auf einem InP-Substrat aufgewachsenem InXGa1-xAs/InyAl1-yAs berechnet wurde. Es wird angenommen, daß die InGaAs- Schichtdicke 40% der Gesamtdicke der Doppelschicht beträgt. Die gestrichelte Linie 12 zeigt den berechneten Wert der Diskontinuität, der mit dem bekannten Wert der Diskontinuität an der gitterangepaßten Zusammensetzung (entsprechend x = 0,53) skaliert wurde. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, steigt AB&sub0; mit x in InxGa1-xAs/InyAl1-yAs an. So ist beispielsweise ΔE&sub0; für eine Doppelschicht der Zusammensetzung In0,7Ga0,3As/In0,4Al0,6As gleich 0,74 eV.
Fig. 2 zeigt die Leitungsbandkante und zugeordnete Merkmale einer Wiederholeinheit eines QC-Lasers gemäß der Erfindung unter einem angelegten Feld von 9,6 · 10&sup4; V/cm. Aus Gründen der Konkretheit wird angenommen, daß sich eine Wiederholeinheit von der Injektionsbarriere 210 zur Injektionsbarriere 211 erstreckt. Die Figur zeigt außerdem die quadrierten Moduli der relevanten Wellenfunktionen. Die wellige Linie von dem Energieniveau 3 zu 2 bezeichnet den für die Laseraktion verantwortlichen Übergang. Die Figur bezeichnet auch den aktiven Bereich 24 und den Trägerinjektorbereich 25, wobei letzterer ein gechirptes Supergitter aufweist, das, wie dem Fachmann bekannt, einen "Minibandabstand" 22 und einen "Trichterinjektor" 23 bereitstellt. Siehe beispielsweise J. Faist et al., Applied Physics Letters, Band 68(26), S. 3680, Juni 1996. Der Minibandabstand unterdrückt das Entweichen von Trägern vom oberen Energieniveau 3 in das Kontinuum, und der Trichterinjektor erleichtert den Trägertransport vom Energieniveau 1 zum Energieniveau 3 der stromabwärts gelegenen Wiederholeinheit:
Die folgende Schichtstruktur eines beispielhaften QC-Lasers gemäß der Erfindung wurde durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) abgeschieden.
"SL" steht für "Supergitter". Alle Dicken sind in nm und alle Dotiersubstanzkonzentrationen in Trägern/cm³ angegeben. In der obigen Schichtfolge sind herkömmliche Merkmale zum Beispiel Schichten mit allmählichem Übergang oder digitale Gitter, nicht gezeigt.
Die Supergitter bestehen aus 2 nm dicken In0,7Ga0,3As-Topfschichten zwischen 3 nm dicken In0,4Al0,6As-Barriereschichten. Die Schichtfolge einer Wiederholeinheit des aktiven Bereichs/Injektorbereichs ist beginnend von der Injektionsbarriere 210 und fortschreitend mit abwechselnden Topf- und Barriereschichten unten in Nanometern angegeben. Die Barriereschichten haben die Zusammensetzung In0,4Al0,6As, und die Topfschichten haben die Zusammensetzung In0,7Ga0,3As. Die mit einem Stern versehenen Schichten sind mit Si zu 2,5 · 10¹&sup7; cm³ dotiert. Die übrigen Schichten sind nicht absichtlich dotiert.
Die oben beschriebene Schichtstruktur erfüllt die Anforderung a&sub1;> a&sub0;> a&sub2;, wobei das erste und zweite Halbleitermaterial In0,7Ga0,3As bzw. In0,4Al0,6As ist. Tatsächlich ist die Struktur im wesentlichen belastungskompensiert, wobei jede Wiederholeinheit die Anforderung
(δa&sub1;/a&sub0;)Σt&sub1; + (δa&sub2;/a&sub0;)Et&sub2; ≤ 0,1 (δa&sub1;/a&sub0;)Et&sub1;
ohne weiteres erfüllt.
In Fig. 2 wurden die Energiezustände und Elektronenwellenfunktionen berechnet, indem die Schrödingergleichung auf bekannte Weise in einem einbandigen Modell mit der durch die energieabhängige effektive Masse eingeführten Nichtparabolizität gelöst wurde. Der Wert des Nichtparabolizitätskoeffizienten wurde für In0,7Ga0,3As mit 1,53 · 10&supmin;¹&sup8; und die Werte der effektiven Massen für In0,7Ga0,3As mit 0,035 m&sub0; bzw. für In0,4Al0,6As mit 0,0896 m&sub0; bestimmt, wobei m&sub0; die freie Elektronenmasse ist.
Der Laserübergang ist in der Regel von Niveau 3 auf Niveau 2, wobei die berechnete Übergangsenergie E&sub2;&sub3; 392 meV beträgt, was λ = 3,16 um entspricht. Der aktive Bereich wurde so zugeschnitten, daß die Grundzustände der 3,5 nm und 3,0 nm dicken Quantentöpfe im aktiven Bereich sich beim Schwellwertfeld (96 kV/cm) antigekreuzt haben, wodurch man einen Energieabstand erhält, der mit der optischen Phononenenergie (~ 34 meV) schwingt, was zu einer kurzen Lebenszeit (~ 0,4 ps) des Zustands n = 2 führt. Die Elektronenstreuzeit vom Niveau 3 zu den unteren Niveaus beinhaltet die mit einer großen Momentübertragung assoziierte Emission von optischen Phononen und ist relativ lang, etwa 1,7 ps.
Fig. 3 zeigt Elektrolumineszenzdaten für mesa- Bauelemente mit einem Durchmesser von 125 um der oben beschriebenen Schichtstruktur. Die Daten wurden bei 10K und 300K genommen und weisen auf ausgezeichnete Kristall- und Grenzflächenqualität des Schichtmaterials hin. Die beobachtete Lumineszenzspitze liegt gut innerhalb des Wellenlängenbands des ersten atmosphärischen Fensters.
Ein Wafer mit einer MBE-erzeugten Schichtstruktur wie oben beschrieben wurde durch herkömmliches naßchemisches Ätzen und Si&sub3;N&sub4;-Isolation (350 nm) zu Mesa-geätzten Stegwellenleitern mit einer Breite von 10&supmin;¹&sup4; um verarbeitet. Auf der obersten Schicht und dem InP-Sustrat wurden nichtlegierte Ohmsche Ti/Au-Kontakte (0,4 um) ausgebildet. Dann wurde der Wafer zu 3 mm breiten Stäben gespalten und die, Facetten blieben unbeschichtet. Dann wurden die Stäbe mit Schichtstruktur nach oben an den temperaturgesteuerten (10-320K) Kaltkopf eines He-Durchflußcryostaten montiert. Die Laser wurden dann durch 50 ns Stromimpulse mit einer Wiederholrate von 4,5 kHz angesteuert.
Fig. 4 zeigt die optische Leistung als Funktion des Ansteuerstroms im Betrieb mit gepulstem Strom aus einer einzelnen Facette eines beispielhaften Lasers. Die Emissionswellenlänge des Lasers betrug 3,49 um bei 10K und 3,58 um bei 270K. Die gestrichelte Kurve in Fig. 4 ist eine repräsentative Strom-Spannungs-Kennlinie bei 275K. Die Schwellwertspannung für den Laserbetrieb lag in der Regel zwischen 6,5 V (bei 10K) und 8,5 V (bei 275K).
Fig. 5 zeigt die optische Leistung als Funktion des Stroms für einen beispielhaften Laser im Dauer-Betrieb, und Fig. 6 zeigt die optische Leistung als Funktion der Wellenlänge ebenfalls im Dauer-Betrieb. Letztere Figur zeigt den Einmodenbetrieb über dem Schwellwert.
Ein Laser gemäß der Erfindung kann vorteilhaftweise als Strahlungsquelle beispielsweise in einer Vorrichtung zur Absorptionsspektroskopie im ersten atmospärischen Fenster verwendet werden. Siehe beispielsweise H. I. Schiff et al., "Air Monitoring by Spectroscopic Techniques", M. W. Sigrist, Herausgeber, Wiley Interscience, 1994.
Laser gemäß der Erfindung weisen Eigenschaften auf, die sie unserer Ansicht nach für viele Anwendungen nützlich machen, einschließlich Anwendungen, die gegenwärtig Mittel-IR-Bleisalz-Laser oder Nah-IR-Halbleiterlaser verwenden, die auf Übertonresonanzen einer gasförmigen Maßspezies abzielen. Laser gemäß der Erfindung können beispielsweise vorteilhafterweise zur Spurengasanalyse beispielsweise für Umweltschutzanwendungen, Kraftfahrzeugemissionssensoren, Verbrennungsdiagnostik, industrielle Prozeßsteuerung, medizinische Anwendungen oder Kollisionsvermeidungsradar für Flugzeuge oder Kraftfahrzeuge verwendet werden.
Laser gemäß der Erfindung können allgemein vorteilhafterweise in Punkterfassungsvorrichtungen sowie in abgesetzten Erfassungsvorrichtungen und sowohl im Dauer-Betrieb als auch im Pulsmodus verwendet werden.
Fig. 7 zeigt schematisch eine beispielhafte Punkterfassungsvorrichtung 90, wobei sich die Zahl 91 auf einen Laser gemäß der Erfindung bezieht. Der Laser ist in der Regel zur groben Wellenlängenabstimmung auf einer nichtgezeigten temperaturgesteuerten Bühne montiert die Mittel-IR-Strahlung 921 von dem Laser tritt durch die herkömmliche Gaszelle 93 (wahlweise eine Zelle mit Mehrfachdurchgang) hindurch, wobei die ausgetretene Strahlung 922 auf einen herkömmlichen Detektor 94 auftrifft. Die elektrische Ausgabe des Detektors wird (zusammen mit einem entsprechenden Modulationssignal, zum Beispiel einer sinusförmigen Welle mit 1,2 kHz von einem Modulationssignalgenerator 983) einem Lock-in-Verstärker 95 zugeführt, und die Ausgabe des Lock-in-Verstärkers wird zur Datenanalyse und zum Formattieren einem Computer 96 zugeführt. Die Daten werden dann auf geeignete Weise angezeigt und/oder gespeichert. Der Laser wird mit einem entsprechenden elektrischen Strom gepumpt. So werden beispielsweise einem Kombinierer 97 eine niederfrequente Stromrampe (z. B. bei einer Periode von 250 ms) von einem Rampenstromgenerator 981, kurze Blasimpulse (z. B. Impulsbreite 5 ns bei einer Periode von 2 us) von einem Blasstromgenerator 982 und ein Modulationssignal von einem Modulationsstromgenerator 983 zugeführt, und die resultierende Stromrampe mit überlagerten Stromimpulsen und Sinuswelle wird an den Laser angelegt. Durch die Stromrampe streicht die Lasertemperatur über einen vorbestimmten Bereich, und die Impulse bewirken die Emission von kurzen Laserimpulsen. Die Impulswellenlänge wird langsam über einen Bereich von Wellenlängen abgestimmt, und die Absorption als Funktion der Wellenlänge wird bestimmt. Somit kann das Vorliegen eines Gases mit einer Absorptionslinie im Bereich von Wellenlängen in der Zelle ohne weiteres erfaßt werden und das Gas kann identifiziert werden. Wie der Fachmann erkennt, sind einige herkömmliche Merkmale in Fig. 7 nicht gezeigt. So steht der Meßaufbau in der Regel unter Computersteuerung und erfordert weitere Eingaben in den und Ausgaben aus dem Computer.
Fig. 8 zeigt schematisch ein beispielhaftes Fernmeßsystem 100, bei dem eine Emissionsquelle 101 (z. B. eine Fabrik) eine Wolke 102 mit gasförmiger Emission emittiert. Der Laser 103 emittiert Mittel-IR- Strahlung 104, die sich durch die Emissionswolke ausbreitet und (z. B. mit Hilfe eines Winkelreflektors 105) reflektiert wird. Die reflektierte Strahlung 107 wird dann mit Hilfe des Detektors 108 erfaßt. Der Laser kann auf jede geeignete Weise gepumpt werden, z. B. wie in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben, und die Detektorausgabe kann auf jede geeignete Weise verwendet werden, z. B. wie ebenfalls oben beschrieben. Ein Spiegel oder ein anderer geeigneter Reflektor kann anstelle des Winkelreflektors 105 verwendet werden. Der. Reflektor kann sich an einem Flugzeug oder an einem erhöhten Merkmal befinden, einschließlich dem Schornstein, der überwacht wird. Es wird allgemein jede Anordnung in Betracht gezogen, die zu einer Anordnung des Lasers und des Detektors in einer Sichtlinie führt.
Der Laser ist im allgemeinen zum Schutz und zur Steuerung in einem geeigneten Gehäuse montiert. Der Baustein umfaßt in der Regel ein Kühlmittel (z. B. Wasserkühlung, thermoelektrische Kühlung), ein Temperatursensormittel (z. B. ein Thermoelement) zur Verwendung in einer Rückkopplungsschleife zur Temperatursteuerung und ein Mittel zum Anlegen des Pumpstroms an den Laser. Der Laser ist auf herkömmliche Weise am Kühlmittel angebracht. Das Gehäuse kann wahlweise aber auch ein Detektormittel zum Steuern der Laserausgangsleistung enthalten. Das Gehäuse enthält in der Regel ein Fenster, das für die Laserstrahlung transparent ist, und es ist in der Regel evakuiert oder mit einem inerten Gas gefüllt. Siehe auch EP-A-0877454.
Wie der Fachmann ohne weiteres versteht, werden QC-Laser gemäß der vorliegenden Erfindung, die zur Absorptionsspektroskopie oder ähnlichen Anwendungen verwendet werden sollen, vorteilhafterweise mit einem Rückkopplungsmittel versehen, um einen Einmodenbetrieb sicherzustelen. Derartige Rückkopplungsmittel sind in der Regel ein Bragg-Gitter, wie in EP-A-0877454 ausführlich beschrieben.
Fig. 9 zeigt schematisch einen beispielhaften QC-Laser 900 gemäß der Erfindung mit DFB-Merkmal (Distributed Feedback-verteilte Rückkopplung). Die Zahlen 910, 920 und 930 beziehen sich auf den unteren Einschlußbereich, den aktiven QC-Bereich mit mehreren Wiederholeinheiten und den oberen Einschlußbereich mit einem Gitter auf der oberen Fläche. Die Zahlen 940 und 950 beziehen sich auf Metallisierungsschichten. Die gewellten Pfeile zeigen die abgegebene Strahlung.

Claims

1. Gegenstand mit einem Quantenkaskadenlaser, der eine mehrschichtige Halbleiterstruktur aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat mit einer Gitterkonstanten a&sub0; angeordnet ist, wobei

a) die mehrschichtige Halbleiterstruktur einen Lichtwellenleiter bildet, der einen unteren Einschlußbereich, einen auf dem unteren Einschlußbereich angeordneten Kernbereich und einen auf dem Kernbereich angeordneten oberen Einschlußbereich umfaßt;

b) der Kernbereich mehrere nominell identische Wiederholeinheiten umfaßt, wobei jede Wiederholeinheit einen aktiven Bereich und einen Trägerinjektorbereich umfaßt, wobei der aktive Bereich eine Schichtstruktur mit abwechselnden Schichten aus einem ersten Halbleitermaterial und einem zweiten Halbleitermaterial umfaßt und so ausgewählt ist, daß ein oberer und ein unterer Trägerenergiezustand erzeugt wird, wobei ein Trägerübergang von dem oberen zu dem unteren Trägerenergiezustand zur Emission eines Photons der Wellenlänge λ führt, und wobei der Trägerinjektorbereich eine Schichtstruktur aufweist, die so ausgewählt ist, daß der Trägertransport von dem unteren Trägerenergiezustand des aktiven Bereichs zu dem oberen Trägerenergiezustand des aktiven Bereichs einer benachbarten nachgeordneten Wiederholeinheit erleichtert wird; und

c) wobei der Quantenkaskadenlaser Kontakte umfaßt, die so ausgewählt sind, daß das Fließen eines elektrischen Stroms durch die mehrschichtige Halbleiterstruktur erleichtert wird; dadurch gekennzeichnet, daß

d) das erste Halbleitermaterial mit einer Gitterkonstanten a&sub1;> a&sub0; und das zweite Halbleitermaterial mit einer Gitterkonstanten a&sub2;a&sub0; und weiterhin derart ausgewählt ist, daß eine Leitungsbandenergiediskontinuität ΔEc zwischen dem ersten und zweiten Halbleitermaterial absolut größer als 520 meV ist, wobei das erste und zweite Halbleitermaterial jeweils Quantentöpfe und Sperrschichten bilden, die aus Material auf der Basis von InGaAs bzw. InAlAs bestehen; und

e) das erste und zweite Halbleitermaterial und die Schichtdicken einer gegebenen Wiederholeinheit derart ausgewählt werden, daß sich eine Verformung über eine Wiederholeinheit hinweg im wesentlichen aufhebt, wobei die Schichtdicken weiterhin so ausgewählt werden, daß die Dicke einer gegebenen Schicht geringer ist als eine kritische Dicke für eine durch Belastung/Verformung induzierte Defektbildung.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Quantenkaskadenlaser weiterhin ein verteiltes Rückkopplungsmerkmal umfaßt.

3. Gegenstand nach Anspruch 2, wobei das verteilte Rückkopplungsmerkmal ein in einem Einschlußbereich angeordnetes Bragg-Gitter ist.

4. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand ein Meßsystem zum Messen der Absorption von Infrarotstrahlung durch eine Meßspezies ist, wobei das Meßsystem weiterhin einen Detektor umfaßt, um die Einmoden-Infrarotlaserstrahlung nach ihrem Durchgang durch eine Menge der Meßspezies zu erfassen.

5. Meßsystem nach Anspruch 4, wobei die Meßspezies ein in einer Meßzelle angeordnetes Gas ist.

6. Meßsystem nach Anspruch 4, wobei die Meßspezies ein nicht eingeschlossenes Gas ist.

7. Gegenstand nach Anspruch 1, weiterhin mit einer an die elektrischen Kontakte angeschlossenen Stromquelle, die dem Laser einen Lasererwärmungsstrom derart liefert, daß die Wellenlänge der Einmodenlaserstrahlung mit dem Lasererwärmungsstrom variiert.