DE69923890T2

DE69923890T2 - Langwelliger Halbleiterlaser mit Oberflächenplasmon-Wellenleiter

Info

Publication number: DE69923890T2
Application number: DE69923890T
Authority: DE
Inventors: Federico Westfield Capasso; Alfred Summit Yi Cho; Claire F. Millburn Gmachl; Albert Lee Piscataway Hutchinson; Deborah Lee Warren Sivco; Jerome Faist; Carlo Sirtori
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-20
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: EP0977329A3; DE69923890D1; EP0977329A2; JP2000138420A; JP3545970B2; EP0977329B1; US6301282B1

Description

Die vorliegende Erfindung erfolgte mit Regierungsunterstützung unter Vertragsnummer DAAH04-96-C-0026 von dem DARPA/US Army Research Office. Die Regierung besitzt gewisse Rechte an der vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein langwellige Halbleiterlaser und insbesondere solche Laser, die einen Wellenleiter auf der Basis von Oberflächenplasmonen enthalten.
Allgemeiner Stand der Technik
Die Divergenz, die ein sich in einem homogenen Medium ausbreitender Lichtstrahl erfährt, kann in einer mehrschichtigen dielektrischen Struktur unter entsprechender Wahl der Materialien und Dicken der Schichten dramatisch reduziert werden. Dieser Effekt wird üblicherweise immer dann verwendet, wenn ein Führen oder eine Beschränkung des Lichtstrahls erforderlich ist, wie etwa bei optischen Fasern, optischen Halbleiterwellenleitern oder Halbleiterlasern. Letztere benutzen in der Regel eine dielektrische Platten- oder Rippen-/Steg-Wellenleiterstruktur, um elektromagnetische Moden in dem optischen Hohlraumresonator zu leiten und die Überlappung des geführten Modenfelds mit dem aktiven Lasergebiet zu vergrößern. Diese geführten Moden werden als Lösungen von aus Maxwellwellschen Gleichungen abgeleiteten Eigenwertgleichungen mit dem entsprechenden Satz von Randbedingungen beschrieben, die durch die Wellenleiterstruktur gegeben sind. Ein typischer dielektrischer Wellenleiter basiert auf Brechungsindexkontrast zwischen einem Wellenleiterkern (der das aktive Lasergebiet enthält) und einem Paar Mantelgebieten; das heißt, der Kern mit einem relativ hohen Brechungsindex ist zwischen Mantelgebiete mit einem relativ niedrigeren Brechungsindex geschichtet. Das Verhältnis der Kern-Mantel-Brechungsindizes, die Dicke des Kerns und die Polarisation des elektromagnetischen Felds bestimmen die Querabmessung (die Halbwertsbreite (FWHM) des Modenintensitätsprofils in einer senkrecht zu den Schichten verlaufenden Richtung) und den Einschlußfaktor T der geführten Mode. T ist im allgemeinen als der Bruchteil der Fläche unter dem Intensitätsprofil der geführten Mode, die das aktive Gebiet überlappt, definiert.
Die Querabmessung der eingeschlossenen Moden ist proportional zu der effektiven Wellenlänge der Strahlung in der dielektrischen Struktur. Wenn die Wellenlängendispersion der Brechungsindizes vernachlässigt wird, werden deshalb die Ausbreitungscharakteristiken der Struktur beibehalten, wenn die Schichtdicken linear mit der Wellenlänge skaliert werden. Für Halbleiterlaser mit einer Emissionswellenlänge im Mittelinfrarot-(IR-) oder sogar Fern-IR muß das Wachstum von sehr dicken Kern- und Mantelschichten die elektromagnetischen Moden effizient einschließen. Beispielsweise im Fall von Mittel-IR(z.B. Mittenwellenlängen von 8-13 μm)-Quantenkaskaden(QC)-Lasern in dem AlInAs/GaInAs-Materialsystem würde ein in erster Linie auf dielektrischem Einschluß basierender Wellenleiter mit einem Überlappungsfaktor von etwa T ≈ 0,4 wegen des relativ schwachen Brechungsindexkontrasts innerhalb des GaInAs/AlInAs-Materialsystems Mantelschichten von etwa 6 bis 8 μm Dicke erfordern (d.h. bei λ ≈ 10 μm, n_GaInAS = 3, 43 und n_AlInAs = 3,18 für undotiertes Material). Natürlich würden in dem Fern-IR-Bereich noch dickere Mantelschichten erforderlich sein (z.B. > 10-20 μm).
Die Mantelschichtdicke kann reduziert werden, indem in den äußersten Teil des Wellenleiters eine stark dotierte Schicht eingeführt wird mit einer Dotierkonzentration derart, daß die Plasmafrequenz sich der der optischen Mode annähert. Die sich ergebende starke Abnahme des realen Teils des Brechungsindexes aufgrund der anormalen Dispersion verstärkt den Brechungsindexkontrast, führt aber auch aufgrund der Absorption von freien Trägern Verluste in die stark dotierte Schicht ein. Siehe beispielsweise drei Referate von C. Sirtori et al.: Applied Phys. Lett., Band 66, Nr. 24, S. 3242-3244 (1995), Applied Phys. Lett., Band 69, Nr. 19, S. 2810-2812 (1996) und IEEE J. Quantum Electr., Band 33, Nr. 1, S. 89-93 (1997). Wie in dem ersten dieser Artikel auf Seite 3243 betont, spielt die stark dotierte Schicht eine "entscheidende Rolle" beim Unterdrücken der Kopplung zwischen dem Lasermodus (der sich in einem herkömmlichen dielektrischen Wellenleiter ausbreitet) und dem "verlustreichen Plasmonenmodus" (der sich ansonsten möglicherweise entlang der Metallgrenzfläche ausgebreitet hätte). Das heißt, der Laser ist so ausgelegt, daß er den Plasmonenmodus unterdrückt, nicht unterstützt.
Kurze Darstellung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein langwelliger (z.B. Mittel-IR bis Fern-IR)Halbleiterlaser ein aktives Gebiet und mindestens ein Mantelgebiet, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelgebiet eine lichtführende Grenzfläche zwischen zwei Materialien enthält, die Dielektrizitätskonstanten mit entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen. Folglich sind die geführten Moden in Querrichtung magnetisierte polarisierte Oberflächenwellen (d.h. Oberflächenplasmonen), die sich entlang der Grenzfläche ausbreiten, ohne daß ein traditioneller dielektrischer Mantel erforderlich wäre. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Grenzfläche zwischen einer Halbleiterschicht und einer Metallschicht ausgebildet. Die Halbleiterschicht kann Teil des aktiven Gebiets oder von diesem getrennt sein. Der komplexe Brechungsindex der Metallschicht weist eine imaginäre Komponente auf, die viel größer ist als seine reale Komponente. Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform enthält der vorliegende Laser ein aktives QC-Gebiet, das zwischen einem Paar von Mantelgebieten geschichtet ist, von denen eines eine führende Grenzfläche auf der Basis von Oberflächenplasmonen und das andere eine dielektrische Struktur (z.B. Halbleiterstruktur) ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die vorliegende Erfindung läßt sich zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen ohne weiteres anhand der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung verstehen. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Stegwellenleiter-QC-Lasers D2295 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Laser D2361 ist ähnlich D2295, weist aber einen durchgehenden oberen Ti/Au-Kontakt auf;
2 ein Modenintensitätsprofil in der senkrecht zu den Schichten verlaufenden Richtung für den Laser D2295. Der Überlappungsfaktor (T) für das aktive Gebiet wurde als 70% berechnet. Der Einfachheit halber wurde in dieser Figur Schicht 14.2 weggelassen.
3 die angelegte Bias- und gemessene Spitzenausgangsleistung bei drei verschiedenen Kühlkörpertemperaturen von einer einzelnen Laserfacette als Funktion des injizierten Stroms. Der Laser war 20 μm breit und 0,8 mm lang. Die Einfügung ist ein hochaufgelöstes Laserspektrum des Lasers bei 30 K. Es wurde geschätzt, daß die größte Spitzenausgangsleistung mehrere Milliwatt betrug; und
4 die gemessene optische Spitzenleistung (von einer einzelnen Laserfacette) als Funktion des Ansteuerstroms bei verschiedenen Kühlkörpertemperaturen für einen aus einer Probe D2361 bearbeiteten Laser. Der Laser war 15 μm breit und 2,25 mm lang. Die Einfügung zeigt die Schwellwertstromdichte im gepulsten Betrieb als Funktion der Kühlkörpertemperatur.
Im Interesse der Klarheit und Einfachheit wurde 1 nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Bei der Beschreibung von physikalischen oder optischen Abmessungen steht das Symbol A außerdem für Angstrom, wohingegen es bei dem Beschreiben von elektrischem Strom für Ampere steht.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 umfaßt ein langwelliger Halbleiterlaser 10 ein aktives Gebiet 12 und mindestens eine führende Grenzfläche 14, die auf Oberflächenplasmonen basiert. Die Grenzfläche 14 wird durch ein paar Schichten 14.1 und 14.2 gebildet, die dielektrische Konstanten mit entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen. Als Veranschaulichung umfaßt Schicht 14.1 einen Halbleiter mit einer positiven Dielektrizitätskonstante und Schicht 14.2 ein Metall mit einer negativen Dielektrizitätskonstante. Schicht 14.1 kann Teil des aktiven Gebiets oder davon getrennt sein; es kann sich bei ihr zum Beispiel um eine oder mehrere Schichten handeln, die das Herstellen eines elektrischen Kontakts zum Laser oder die Bearbeitung des Lasers vereinfachen. Wenn Schicht 14.2 ein Metall ist, kann es auch als elektrischer Kontakt dienen. Bevorzugt ist die imaginäre Komponente des komplexen Brechungsindexes von Schicht 14.2 viel größer als seine reale Komponente.
Genauer gesagt werden bei dem vorliegenden Ansatz zum Wellenleiten in einem langwelligen Halbleiterlaser die geführten Moden im aktiven Gebiet zumindest teilweise durch elektromagnetische Oberflächenwellen (Oberflächenplasmonen) an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche 14 unterstützt. Keine zusätzliche Mantelschicht wird benötigt, da die Amplitude der optischen Welle in den beiden Richtungen senkrecht zu dieser Grenzfläche exponentiell abnimmt. Wie jedoch in 1 gezeigt, kann ein dielektrischer Mantel an der unteren Seite des aktiven Gebiets verwendet werden, um für einen zusätzlichen optischen Einschluß zu sorgen. In jedem Fall sind die geführten Moden quer-magnetische (TM) Moden, die sich an der Grenzfläche 14 ausbreiten und das aktive Gebiet 12 überlappen. Da die Grenzfläche 14 die gewünschte Führung entlang der Oberseite des aktiven Gebiets bereitstellt, entfällt der herkömmliche mehrschichtige dielektrische Mantel über dem aktiven Gebiet. Durch das Auslassen des einen geringen Brechungsindex aufweisenden Materials (wie man es bei einem derartigen Mantel antreffen würde) zwischen dem aktiven Gebiet und der führenden Grenzfläche 14 kann sich die Spitzenintensität des Lasermodus im wesentlichen an (oder sehr nahe bei) der Grenzfläche 14 befinden. (Siehe 2, in der die Spitzenintensität an der Grenzfläche 14 gezeigt ist). Somit sind der Lasermodus und der Plasmonenmodus eng gekoppelt; d.h., der Plasmonenmodus wird unterstützt.
Folglich ist die Gesamtdicke der Halbleiterschichten, die (z.B. durch Molekularstrahlepitaxy (MBE)) aufgewachsen werden müssen, erheblich reduziert (z.B. um einen Faktor von 2,5 bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung). Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung führt zu mehreren Vorteilen. Zuerst bedeutet die reduzierte Aufwachszeit kürze Produktionszyklen und geringere Kosten. Zweitens weisen dünnere Bauelementstrukturen einen reduzierten Wärmewiderstand auf (d.h., ein dünneres Bauelement weist im allgemeinen eine bessere Wärmekopplung an seinem Kühlkörper auf).
Oberflächenwellen an einer Metall-Dielektrikum-Grenzfläche erfahren jedoch relativ höhere optische Verluste im Vergleich zu rein dielektrischen Wellenleitern, da der Modus teilweise in das Metall eindringt. Diese Absorptionsverluste sind zum Glück bei Mittel-IR- und Fern-IR-Wellenlängen ein kleineres Problem als bei kürzeren Wellenlängen; d.h., der Verlust, den Oberflächenplasmonen in Metallen erfahren, ist in diesen IR-Bereichen kleiner als bei kürzeren Wellenlängen. Dies ergibt sich aus der Erhöhung der imaginären Komponente des komplexen Brechungsindexes n_c = (n – ik) relativ zur realen Komponente, was das Eindringen des Modus in das Metall reduziert, wodurch der Reflexionskoeffizient an der führenden Grenzfläche erhöht wird. Im Gegensatz dazu wird angemerkt, daß der Absorptionskoeffizient von Volumenmetallen bei diesen längeren Wellenlängen im allgemeinen höher ist als bei kürzeren Wellenlängen, doch wird im Fall von Oberflächenplasmonen dieser Effekt durch das stark reduzierte Eindringen des Oberflächenplasmonmodus in das Metall mehr als wieder ausgeglichen, so daß der Gesamtverlust für diese Moden reduziert wird.
Bei elektromagnetischen Oberflächenwellen hängen die Modenverluste stark von den Dielektrizitätskonstanten der Materialien ab. Der Dämpfungskoeffizient α kann beschrieben werden als:
wobei n bzw. k jeweils der reale bzw. imaginäre Teil des komplexen Brechungsindexes des Metalls, n_d der Brechungsindex des Dielektrikums und λ die optische Wellenlänge in einem Vakuum ist. Die ungefähre Gleichung gilt, da die Dispersion von Metallen im Mittel-IR-Bereich derart ist, daß der Wert für k in der Regel viel größer ist als der für n und n_d. Es folgt deshalb, daß die Verluste an der Grenzfläche minimiert werden können, indem Metalle mit einem komplexen Brechungsindex (n_c = n + ik) mit einer starken imaginären Komponente gewählt werden (d.h. k >> n). Man beachte, daß die Dielektrizitätskonstante bei k > n negativ ist.
Eine Darstellung soll dies veranschaulichen. Bei einer Wellenlänge von etwa 10 μm weisen Alkalimetalle optische Eigenschaften auf, die dieser Anforderung genügen (z.B. weist Lithium bei 9 μm n_c = 0,659 + i38 auf). Dennoch sind diese Materialien schwierig zu handhaben, sind instabil und weisen eine schlechte Stromleitfähigkeit auf. Bei jenen Metallen, die üblicherweise zur Bauelementherstellung verwendet werden, wird Palladium gegenwärtig für unsere Anwendungen bevorzugt. Sein komplexer Brechungsindex ist n_c = 3,85 + i49,2 bei einer Wellenlänge von 11,3 μm entsprechend der Emissionsfrequenz einer der vorliegenden Laserstrukturen. Durch Einsetzen der Werte n und k von Pd und des Werts des Brechungsindexes des aktiven Lasergebiets (n_d = 3,38) in Gleichung (1) erhält man α = 14 cm^-1. Unter Verwendung des komplexen Brechungsindexes von Gold andererseits würde man α ~ 30 cm^-1 erhalten. Beide Berechnungen gelten für ideale Volumenhalbleiter-Metall-Grenzflächen.
Die vorliegenden Wellenleiterstrukturen sind jedoch komplizierter als eine einfache Volumenhalbleiter-Metall-Grenzfläche. Gleichung (1) liefert deshalb nur einen qualitativen Anhaltspunkt für die Wahl des Metalls. Die wesentliche Differenz ist das Substrat unter dem aktiven Gebiet, das einen niedrigeren Brechungsindex als letzteres aufweist. Somit reduziert das Substrat stark das Eindringen des Modus in das Halbleitermaterial, vergrößert den Überlappungsfaktor mit dem aktiven Gebiet und erhöht die Modenintensität an der Grenzfläche. Um eine präzisere Vorhersage des Intensitätsmusters und der Modenverluste der TM-Grenzflächen-Moden zu erhalten, wurde eine numerische Berechnung auf der Basis des wohlbekannten Übertragungsmatrixverfahrens verwendet. Die Ergebnisse sind in 2 dargestellt. Man beachte, daß man mit diesen Wellenleitern eine deutliche Verbesserung des Überlappungsfaktors (T ≅ 70%) im Vergleich zu einem regelmäßigen Plattenwellenleiter (P ≅ 40%) bei der gleichen Dicke des Wellenleiterkerns erhält.
Bei einer Ausführungsform ist das aktive Gebiet 12 auf seiner Oberseite von der führenden Grenzfläche 14 und auf seiner Unterseite von einem Substrat 18 begrenzt, das als dielektrischer Mantel dient; d.h., ein Halbleitergebiet mit einem niedrigeren Brechungsindex als das aktive Gebiet. Andererseits weist die zwischen dem aktiven Gebiet und dem Substrat angeordnete Schicht 16 in der Regel einen Brechungsindex auf, der größer ist als der des Substrats und größer als der des aktiven Gebiets und als solcher dazu dient, den Einschluß des Lasermodus auf das aktive Gebiet zu verbessern. In dieser Hinsicht ist der Brechungsindex des aktiven Gebiets ein gewichteter Mittelwert der Brechungsindizes seiner verschiedenen Schichten.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Laser 10 ein Stegwellenleiterlaser, wobei dann das aktive Gebiet 12, die führende Grenzfläche 14 und die Schicht 16 in einer länglichen Mesa ausgebildet ist. Die Mesa wiederum ist auf einem Substrat 18 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Schicht 14.1 veranschaulichend eine Kontakterleichterungsschicht, die auch dazu dient, das aktive Gebiet während der Bearbeitung zu schützen (um zum Beispiel ein Alhaltiges aktives Gebiet gegenüber Oxidation zu schützen).
Natürlich ist das aktive Gebiet in einem optischen Hohlraumresonator angeordnet, der durch ein beliebiges von mehreren, in der Technik wohlbekannten Verfahren ausgebildet werden kann; zum Beispiel durch ein Paar parallel gespaltener Facetten, einem Gitter mit verteilter Rückkopplung, einem verteilten Bragg-Reflektor oder einer Kombination aus diesen. Wenn geeignete Pumpenergie an das aktive Gebiet angelegt wird, erzeugt es Laserstrahlung in Form stimulierter Emission, die sich in den Resonator in einer senkrecht zu der Ebene von 1 verlaufenden Richtung ausbreitet. Wie in 1 dargestellt, wird der Laser 10 mit Hilfe eines am Boden des Substrats 18 gebildeten Kontakts 20 und durch eine die Oberseite der Mesa kontaktierende Metallschicht 24 elektrisch gepumpt. In dem Feld des Bauelements und auf den Seitenwänden der Mesa trennt eine isolierende Schicht 22 die Metallschicht 24 von dem darunterliegenden Halbleiter. Die Schichten 22 und 24 werden strukturiert, um eine Öffnung auszubilden, in der die Schicht 14.2 abgeschieden wird. Je nach den Charakteristiken des Metalls und dem elektrischen Wesen der Grenzfläche 14 kann die Schicht 14.2 auch als ein elektrischer Kontakt dienen. Obwohl die Schichten 14.2 und 24 als separate Schichten dargestellt sind (z.B. aus verschiedenen Materialien), können sie außerdem eine einzelne, durchgehende Schicht aus dem gleichen Material sein, solange die Schicht 14.2 die oben beschriebenen Charakteristiken zur Bereitstellung einer Wellenleitung auf der Basis von Oberflächenplasmonen aufweist.
Aus einer optischen Perspektive gesehen, könnte eine DFB-Abstufung in der Schicht 14.2 ausgebildet werden, wodurch die starke Kopplung zwischen dem aktiven Gebiet und dem von der Grenzfläche 14 geführten Modus ausgenutzt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform für den Betrieb bei Mittel-IR-Wellenlängen (z.B. etwa 3-13 μm) oder Fern-IR-Wellenlängen (z.B. etwa 20-100 μm) umfaßt das aktive Gebiet 12 ein aktives QC-Gebiet. Der Ausdruck aktives QC-Gebiet beinhaltet eine Vielzahl von im wesentlichen identischen Strahlungsübergangsgebieten (RT) und eine Vielzahl von mit den RT-Gebieten verschachtelten Injektions-/Relaxationsgebieten (I/R). Die RT-Gebiete, die mit Barrierengebieten verschachtelte Quantentopfgebiete enthalten, sowie die I/R-Gebiete umfassen jeweils eine Vielzahl von Halbleiterschichten. Zumindest einige der Schichten jedes I/R-Gebiets sind dotiert, doch sind in jedem Fall die I/R-Gebiete sowie die RT-Gebiete unipolar. Außerdem soll der Ausdruck aktives QC-Gebiet sowohl diagonale Laserübergänge als auch vertikale Laserübergänge umfassen. Diagonale Übergänge beinhalten Strahlungsübergänge zwischen oberen und unteren Laserenergieniveaus oder -zuständen, wobei die Wellenfunktionen (Moduli quadriert) entsprechend den Niveaus im wesentlichen in verschiedenen Quantentöpfen des gleichen RT-Gebiets lokalisiert sind. Siehe US-Patent Nr. 5,457,709. Andererseits befinden sich bei vertikalen Übergängen die angeregten und unteren Energiezustände beide im wesentlichen in dem gleichen Quantentopf eines einzelnen RT-Gebiets. Siehe US-Patent Nr. 5,509,025. Beide Arten von Laserübergängen sind auch in einem Artikel von F. Capasso et al., Solid State Communications, Band 102, Nr. 2-3, S. 231-236 (1997) beschrieben. Dieser Artikel sowie das '025ger Patent weisen darauf hin, daß die I/R-Gebiete eines QC-Lasers mit vertikalem Übergang Minibänder und zwischen den Minibändern eine Minilücke enthalten können, um einen effektiven Bragg-Reflektor für Elektronen in dem angeregten Zustand zu bilden und um ein schnelles Elektronenentweichen aus den unteren Zuständen sicherzustellen.
Noch ein weiterer Intersubband-Laser, als ein Supergitterlaser bekannt, kann ebenfalls von einer Implementierung gemäß der vorliegenden Erfindung profitieren. Bei einem Supergitterlaser sind die Wellenfunktionen der Laserniveaus über eine Vielzahl von Quantentöpfen in jedem RT-Gebiet verteilt. Die Laserwirkung erhält man durch eine unipolare Injektion durch Inter-Miniband-Transport oder -Tunnelung. Siehe G. Scamarcio et al., Science, Band 276, S. 773-776 (1997).
Beispiele
Bei den folgenden Beispielen, die als Proben D2295 und D2361 bezeichnet werden, sind verschiedene Materialien, Dotierstoffe, Konzentrationen, Abmessungen, Arbeitsbedingungen, Prozeßschritte und andere Parameter lediglich zur Veranschaulichung angegeben und sollen, soweit nicht ausdrücklich anders angegeben, den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken. Der Ausdruck undotiert, wie er hier verwendet wird, bedeutet außerdem, daß eine bestimmte Halbleiterschicht oder ein bestimmtes Halbleitergebiet nicht absichtlich dotiert ist; d.h., eine etwaige Dotierung eines derartigen Gebiets oder einer derartigen Schicht ist relativ gering und ergibt sich in der Regel aus Restdotierung oder Hintergrunddotierung in der zum Auswachsen der Schichten des Bauelements verwendeten Kammer.
Zwei QC-Laserstrukturen wurden durch MBE aufgewachsen: die Proben D2295 und D2361 verwenden ein aktives QC-Lasergebiet (I/R plus RT-Gebiete), das bei Mittenwellenlängen von λ ≈ 11 μm bzw. λ ≈ 8 μm emittiert. Die geschichtete Struktur ist in den folgenden Tabellen I und II gezeigt. Einzelheiten der mehrschichtigen aktiven InAlAs/InGaAs-Gebiete sind von C. Sirtori et al. in Applied Phys. Lett., Band 69, Nr. 19, S. 2810-2812 (1996) und von C. Gmachl et al. in Applied Phys. Lett., Band 72, Nr. 24, S. 3230-3232 (15. Juni 1998) beschrieben.
Tabelle I
Tabelle II
Die in 1 gezeigte Laserstruktur entspricht der der Probe D2295 (Tabelle I) und umfaßte eine 700 nm dicke InGaAs-Pufferschicht (mit Si auf etwa 6 × 10¹⁶ cm^-3 dotiert), die zwischen eine wahlweise erste, digital abgestufte Schicht (etwa 25 nm dick), die auf einem schwachdotierten InP-Substrat (≈ 2 × 10¹⁷ cm³) aufgewachsen war, und einer zweiten, digital abgestuften Schicht (etwa 17 nm dick), die auf der Pufferschicht aufgewachsen war, geschichtet war. Dann wurden 25 Perioden eines RT-Gebiets (wobei jede Periode etwa 24 nm dick ist; λ ≈ 11,4 μm) und 25 Perioden eines I/R-Gebiets (jede Periode ist dabei eine dritte, digital abgestufte Schicht mit einer Dicke von etwa 31 nm) wurden auf der zweiten, digital abgestuften Schicht aufgewachsen. Die digital abgestuften Schichten, die jeweils abwechselnde Schichten aus InAlAs und InGaAs umfaßten, sind in der Technik wohlbekannt, wie beispielsweise von F. Capasso et al. in dem am 16. April 1996 erteilten US-Patent Nr. 5,509,025 beschrieben.
Die Wachstumssequenz wurde mit einem Paar InGaAs-Schichten abgeschlossen: zuerst eine ≈ 50 nm dicke Schicht, die mit Si auf etwa 4 × 10¹⁷ cm^-3 dotiert war, und zuletzt eine ≈ 10 nm dicke Schicht, die stark mit Sn auf etwa 1 × 10²⁰ cm^-3 dotiert war. Die letzten beiden Schichten sind zusammen in 1 als Schicht 14.1 gezeigt.
Die Struktur des aktiven Gebiets von Probe D2361 (Tabelle II) war ähnlich der von D2295, enthielt aber 35 Perioden der entsprechenden RT- und I/R-Gebiete, war dafür ausgelegt, bei einer Mittenwellenlänge von λ ≈ 8 μm zu lasern, und es fehlte ihr die erste, digital abgestufte Schicht. Obwohl letztere bei diesen QC-Lasern fakultativ ist, kann sie beim Reduzieren des inneren Spannungsabfalls an den Bauelementen vorteilhaft sein.
Die Laser wurden als ≈ 10-20 μm breite, tiefgeätzte Stegwellenleiterbauelemente hergestellt. Si₃N₄ wurde für die elektrisch isolierende Schicht 22 auf den Seitenwänden der Mesas und im Feld des Bauelements verwendet. Bei der Probe D2295 umfaßte die Metallschicht 14.2 etwa 100-300 Å Pd, und die Metallschicht 24 umfaßte etwa 30 nm Ti auf etwa 300 nm Au. Es können sich auch andere Dicken aller dieser Metalle eignen. Beide Metallschichten wurden über einen Elektronenstrahl aufgedampft. Schicht 14.2 wurde direkt auf der Oberfläche der stark dotierten InGaAs-Schicht und in ein ≈ 10 μm breites längliches Fenster auf der Mesa abgeschieden, das während der Abscheidung des oberen elektrischen Kontakts (Ti/Au-Metallschicht 24) offengelassen worden war. Diese Vorgehensweise wurde verwendet, weil sich die Pd-Schicht für sich selbst nicht als ein geeigneter elektrischer Kontakt herausstellte. Im Gegensatz dazu wurde beim Laser D2361 kein Pd verwendet; d.h., Ti/Au wurde für beide Schichten 14.2 und 24 verwendet. Somit wirkte die Ti/Au-Schicht gleichzeitig als ein elektrischer Kontakt und bildete die leitende Grenzfläche 14 für die Oberflächenplasmonenmoden. In diesem Fall kontaktierte die Au-Schicht die Schicht 14.1 (d.h. die stark dotierte InGaAs-Schicht). Nicht legiertes Ge/Au/Ag/Au wurde auf das InP-Substrat als Gegenkontakt 20 aufgetragen.
Die Laser wurden zu etwa 0,75 bis 3 mm langen Stäben gespalten, drahtgebondet, auf einen Kupferkühlkörper gelötet und in einem Heliumfluß-Cryostaten befestigt. Messungen wurden mit Stromimpulsen durchgeführt (Impulsbreite 50 ns bei einer Wiederholrate von etwa 5 kHz), die an die Kontakte 24 und 20 angelegt wurden. Mit kalibrierten HgCdTe-Detektoren wurde die Lichtausgabe der Laser detektiert. Spektralmessungen wurden unter Verwendung eines Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektrometers durchgeführt.
3 zeigt die Kennlinienlichtausgabe und Spannung als Funktion des Stroms eines Mittel-IR-Lasers (λ = 11,4 μm) aus der Probe D2295. Die Schwellwertstromdichte betrug J_th ≅ 11 kA/cm² bei 10 K, und Laserwirkung wurde bis zu ~ 110 K beobachtet. Aus dem gemessenen Modenabstand Δν (abgeleitet von dem in der Einfügung von 3 gezeigten Spektrum) und der Hohlraumlänge L kann der Modenbrechungsindex mit der Formel n_mod = l/(2ΔνL) approximiert werden. Aus letzterem erhält man einen experimentellen Wert von n_mod = 3,93, wohingegen aus der Wellenleitersimulation n_mod = 3,31 berechnet wurde. Es wird angenommen, daß es zu dieser Diskrepanz durch eine unvollständige Kenntnis sowohl des Brechungsindexes des Metalls bei diesen Wellenlängen als auch der Morphologie der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche kommt. Letztere hat eine starke Abhängigkeit von der Diffusion von Arsen in das Metall und auf das native Oxid, das auf der Oberseite des Halbleiters entsteht. Wegen der starken Dispersion der Metall-Brechungsindizes kann zudem auch die Gruppendispersion nicht vernachlässigt werden. Deshalb ist die einfache Formel für den Modenabstand nicht vollständig anwendbar.
In 4 sind die Kennlinien der Lichtausgabe als Funktion des Stroms eines repräsentativen Mittel-IR-Lasers (λ = 8,0 μm) aus der Probe D2361 gezeigt. Die Schwellwertstromdichte bei 4 K beträgt etwa 4 kA cm^-2. Die höchste Betriebstemperatur betrug etwa 150 K bei einer etwa 5 mW übersteigenden Ausgangsleistung.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen für die vielen möglichen spezifischen Ausführungsformen, die erdacht werden können, um die Anwendung der Grundlagen der Erfindung zu repräsentieren, lediglich veranschaulichend sind.
Zahlreiche und vielfältige andere Anordnungen können gemäß diesen Grundlagen vom Fachmann ausgedacht werden, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Wenngleich die vorliegenden Experimente sich auf Mittel-IR-QC-Laser bezogen, wird eine verbesserte Leistung bei Fern-IR-Wellenlängen erwartet; z.B. bei 20-100 μm, wo das Eindringen des optischen Felds in das Metall signifikant reduziert ist. Somit sollten auch die optischen Verluste an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche 14 reduziert werden.

Claims

Halbleiterlaser, der folgendes umfaßt: ein aktives Gebiet (12), das als Reaktion auf das Anlegen von Pumpenergie daran stimulierte Emission von Strahlung bei einer Mittenwellenlänge im Mittel-IR bis Fern-IR-Bereich erzeugen kann, und mindestens ein Mantelgebiet zum Begrenzen der Strahlung auf das aktive Gebiet, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mantelgebiet eine erste und zweite Schicht (14.1, 14.2) umfaßt, die eine führende Grenzfläche (14) dazwischen bilden, wobei die Grenzfläche mit der Strahlung interagiert, um Oberflächenplasmonen zu unterstützen.
Laser nach Anspruch 1, wobei das aktive Gebiet ein aktives Quantenkaskadengebiet umfaßt, wobei das mindestens eine Mantelgebiet ein erstes und zweites Mantelgebiet umfaßt, die auf gegenüberliegenden Seiten des aktiven Gebiets angeordnet sind, wobei das erste Mantelgebiet (16) eine dielektrische Struktur mit einem Brechungsindex umfaßt, der unter dem des aktiven Gebiets liegt, und wobei das zweite Mantelgebiet die erste und zweite Schicht, die die führende Grenzfläche dazwischen bilden, umfaßt, und wobei bei der Mittenwellenlänge die erste Schicht eine negative Dielektrizitätskonstante und die zweite Schicht eine positive Dielektrizitätskonstante aufweisen und die imaginäre Komponente des komplexen Brechungsindexes der ersten Schicht viel größer ist als die reale Komponente des Indexes.
Laser nach Anspruch 1, wobei bei der Mittenwellenlänge die erste Schicht eine negative Dielektrizitätskonstante aufweist und die zweite Schicht eine positive Dielektrizitätskonstante umfaßt, wobei die zweite Schicht zwischen dem aktiven Gebiet und der ersten Schicht angeordnet ist.
Laser nach Anspruch 3, wobei die imaginäre Komponente des komplexen Brechungsindexes der ersten Schicht viel größer ist als die reale Komponente des Indexes.
Laser nach Anspruch 2 oder 4, wobei die erste Schicht ein Metall und die zweite Schicht einen Halbleiter umfaßt und/oder die erste Schicht auch einen elektrischen Kontakt zu dem Laser bildet und/oder die erste Schicht Palladium umfaßt oder einen Verbundwerkstoff umfaßt, der eine Schicht aus Titan und eine Schicht aus Gold enthält.
Laser nach Anspruch 2 oder 5, wobei die zweite Schicht Teil des aktiven Gebiets ist oder von dem aktiven Gebiet getrennt ist und/oder eine Kontakterleichterungsschicht umfaßt.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Laser so ausgelegt ist, daß er bei einer Wellenlänge über etwa 20 μm arbeitet.
Laser nach Anspruch 7, wobei das aktive Gebiet ein aktives Quantenkaskadengebiet umfaßt und/oder eine mehrschichtige InAlAs/InGaAs-Struktur umfaßt.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Laser ein Paar Mantelgebiete umfaßt, die auf gegenüberliegenden Seiten des aktiven Gebiets angeordnet sind, wobei eines der Mantelgebiete eine dielektrische Struktur mit einem Brechungsindex umfaßt, der unter dem des aktiven Gebiets liegt, und die andere die führende Oberflächenplasmonengrenzfläche umfaßt.
Laser nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Mantelgebiet oder das zweite Mantelgebiet so ausgelegt ist, daß die Spitzenintensität des Lasermodus der Strahlung im wesentlichen an der Grenzfläche liegt.