KR102268802B1 - 양자 폭포 레이저 - Google Patents

양자 폭포 레이저 Download PDF

Info

Publication number
KR102268802B1
KR102268802B1 KR1020187025987A KR20187025987A KR102268802B1 KR 102268802 B1 KR102268802 B1 KR 102268802B1 KR 1020187025987 A KR1020187025987 A KR 1020187025987A KR 20187025987 A KR20187025987 A KR 20187025987A KR 102268802 B1 KR102268802 B1 KR 102268802B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hole
region
gain region
laser
layers
Prior art date
Application number
KR1020187025987A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180118149A (ko
Inventor
롤랑 테시에
알렉세이 바라노프
Original Assignee
상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄 (씨엔알에스)
유니베르시테 드 몽펠리에
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄 (씨엔알에스), 유니베르시테 드 몽펠리에 filed Critical 상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄 (씨엔알에스)
Publication of KR20180118149A publication Critical patent/KR20180118149A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102268802B1 publication Critical patent/KR102268802B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers
    • H01S5/3402—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers intersubband lasers, e.g. transitions within the conduction or valence bands
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

본 발명은 2 개의 광학 제한 층들(1041, 1042) 사이에 삽입되는 게인 영역(102)을 포함하는 양자 폭포 레이저(300)에 관한 것으로서, 상기 게인 영역(102)은 상기 게인 영역(102)으로의 전자 입력 및 상기 게인 영역(102)으로부터의 전자 출력을 가지고, 상기 레이저는 상기 전자 출력 측 상에 홀-차단 영역(304)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

양자 폭포 레이저
본 발명은 양자 폭포 레이저에 관한 것이다.
본 발명의 기술분야는 반도체 레이저 분야이고, 보다 상세하게는 양자 폭포 레이저 분야이다.
양자 폭포 레이저들(quantum cascade lasers)은, 광 도파관(optical waveguide)을 형성하기 위해, 또한 "클래딩(cladding)"으로 지칭되는, 2 개의 제한 층들(confinement layers) 사이에 삽입되는 다중양자 웰 구조(multi-quantum well structure)에 의해 형성되는 게인 영역(gain region)에 의해 구성되는 반도체 헤테로 구조에 기초하여 생성되는, 레이저들이다. "스페이서(spacer)"로 지칭되는, 낮은 광 흡수율을 가지는 패시브 층은, 게인 영역과 제한 층 사이에 배치될 수 있다.
게인 영역은 일반적으로 하나의 웰 층과 하나의 배리어 층(barrier layer)을 포함하는 층들의 쌍들의 조립체의 적재(stack)로 구성된다.
이 구조는 이를 구성하는 층들에 수직하게 흐르는 전기 전류에 의해 펌핑된다. 게인 영역 안의 전기장은, 10 kV/cm에서 100 kV/cm보다 더 큰 차수의, 매우 높은 값에 도달할 수 있다.
하지만, 양자 폭포 레이저들은, "홀 전류(hole current)"로 지칭되는, 기생 전류를 겪게 되는데, 이것은 레이저의 성능을, 특히 상온에서, 저하시킨다. 이 전류는, 게인 영역으로부터 전자들의 출력 영역에서 생성되는, 홀들에 의해 형성되는데, 이것은 게인 영역에서 전파된다. 이에 더하여, 홀 전류는 열로 활성화되고 또한 홀들의 임팩트(impact)에 의한 이온화 메카니즘에 의해 강화될 수 있다.
기생 전류의 값은 사용되는 물질의 금지대(forbidden band)의 에너지가 감소됨에 따라 증가된다.
본 발명의 목적은 이 단점들을 극복하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 더 낮은 홀 전류를 가지는, 또는 전혀 홀 전류를 가지지 않는, 양자 폭포 레이저를 제안하는 데 있다.
본 발명의 목적은 또한 특히 상온에서, 더 나은 성능을 가지는, 양자 폭포 레이저를 제안하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 또한 사용되는 물질의 금지대의 에너지가 낮은 때조차, 그 성능이 덜 저하되는 양자 폭포 레이저를 제안하는 데 있다.
본 발명은 이 목적들 중 적어도 하나를 2 개의 광학 제한 층들 사이에 삽입되는 게인 영역을 포함하는 양자 폭포 레이저에 의해 달성하는 것을 가능하게 해주는데, 이 게인 영역으로의 전자 입력 및 이 게인 영역으로부터의 전자 출력을 가진다.
본 발명에 따르면, 양자 폭포 레이저는 홀-차단 영역을 포함한다.
이로써, 본 발명은 이 레이저 안에서 홀들의 전파를 막기 위한 영역이 구비된 양자 폭포 레이저를 제안한다. 결과적으로, 이 레이저 안에서, 특히 이 레이저의 원자가-밴드에서 생성되는 홀들은, 특히 게인 영역으로부터의 전자 출력으로부터 게인 영역으로의 전자 입력까지, 게인 영역으로 더 이상 전파될 수 없다. 홀들의 전파가 홀-차단 영역에 의해 형성되는 배리어에 의해 금지되기 때문에, 게인 영역 안에서의 홀 전류는 매우 낮거나, 또는 0가 된다.
이로써, 본 발명은, 특히 상온에서, 보다 나은 성능을 가지는 양자 폭포 레이저를 획득하는 것을 가능하게 해준다. 이에 더하여, 본 발명에 따른 레이저를 생성하는 데 사용되는 물질의 금지대의 에너지가 낮을 때조차, 이러한 양자 폭포 레이저의 성능은 덜 저하된다.
바람직하게, 상기 홀-차단 영역은 상기 게인 영역으로부터의 전자 출력 측 상에 배치될 수 있다.
보다 상세하게, 상기 홀-차단 영역은 제한 층과, 또는 스페이서 타입의 패시브 층과 게인 영역의 접합부에 배치될 수 있다.
바람직하게, 상기 홀-차단 영역은 상기 게인 영역으로의 전자 입력으로부터 상기 게인 영역으로부터의 전자 출력까지 진행하는 방향으로, 국소 최소(local minimum)에 도달하기 위해 감소되고, 그후 증가되는, 가전자대 에너지 프로파일(valence band energy profile)을 가질 수 있다.
이러한 에너지 프로파일은 게인 영역 안에서 홀들의 전파에 대한 효과적인 배리어를 구성한다.
웰 층들과 배리어 층들의 적재에 의해 구성되는 영역의 경우에 있어서, "가전자대 에너지 프로파일"은, 배리어 층들/물질들로 인한 에너지 불연속들을 제외하고, 웰 층들/물질들 안의 가전자대의 위치에 의해 획득되는 프로파일을 의미한다.
한정하지 않는 실시예에 있어서, 상기 국소 최소의 아래쪽에, 상기 전자 입력으로부터 상기 전자 출력까지 진행하는 방향으로, 상기 홀-차단 영역 안의 가전자대 에너지 프로파일은 상온에서 열 에너지와 같거나 또는 이보다 큰, 특히 25 meV와 같거나 또는 이보다 큰, 바람직하게는 50meV와 같거나 또는 이보다 큰 미리 결정된 값 만큼 증가될 수 있다.
다시 말하면, 국소 최소 후 가전자대의 에너지 증가는 예측되는 최대 작동 온도에서 열 에너지와 같거나 또는 이보다 큰 미리 결정된 값을 가질 수 있다.
바람직한, 제한하지 않는 실시예에 따르면, 미리 결정된 값은 25 meV와 같거나 또는 이보다 크다.
바람직한, 제한하지 않는 실시예에 따르면, 미리 결정된 값은 50 meV와 같거나 또는 이보다 크다.
상기에서 주어진 에너지 값들은, 이 물질에 한정되지 않지만, 특히 웰 층에 사용되는 물질이 InAs일 때 적절하다.
이러한 에너지 증가는 게인 영역 안에서 홀들의 전파에 대한 효과적인 에너지 배리어를 생성하는 것을 가능하게 해준다. 이로써 홀들은 국소 최소의 아래쪽에 국한되고 국소 최소 위쪽을 통과할 수 없다.
바람직한 버전에 따르면, 상기 홀-차단 영역은 상기 게인 영역으로의 전자 입력으로부터 상기 게인 영역으로부터의 전자 출력까지 진행하는 방향으로 증가하고, 최대 값에 도달하고, 그후 감소하는 유효 금지대 에너지(effective forbidden band energy)를 가질 수 있다.
본 발명에 있어서, "유효 금지대 에너지"는 웰 물질의 가전자대와 전도대 사이의 금지대 에너지, 전자들의 제1 레벨의 제한 에너지(confinement energy)와 홀들의 제1 레벨의 제한 에너지의 합을 나타낸다.
일 실시예에 따르면, 상기 게인 영역 및 상기 홀-차단 영역 각각은 웰 층들 및 배리어 층들의 적재, 특히 하나의 웰 층과 하나의 배리어 층으로 구성되는 한 쌍의 층들의 반복을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저의 유리한 버전에 있어서, 상기 홀-차단 영역의 적어도 하나의 웰 층의 두께는 상기 게인 영역 안의 적어도 하나의 웰 층의 두께보다 더 작을 수 있다.
홀-차단 영역이 게인 영역에 비하여 더 작은 두께의 웰 층들을 포함한다는 사실은, 가전자대의 에너지 프로파일에서 국소 최소를, 유효 금지대 에너지에서 국소 최대를 각각 생성하는 것을 가능하게 해준다.
본 발명의 특히 유리한 실시예에 따르면, 상기 홀-차단 영역 안의 상기 웰 층들의 두께는 상기 게인 영역으로의 전자 입력으로부터 상기 게인 영역으로부터의 전자 출력까지 진행하는 방향으로, 최소에 도달하기 위해 감소되고 그후 증가될 수 있다.
특히, 홀-차단 영역 안의 웰 층들의 두께에 있어서, 감소 및 증가 각각은 점진적이거나 또는 불연속적일 수 있다.
보다 상세하게는, 홀-차단 영역 안의 웰 층들은:
- 게인 영역 안의, 웰 층의, 특히 마지막 웰 층의, 두께에 대응하는, 시작 값으로 지칭되는, 값으로부터 이 시작 값의 반에 대응하는, 최소 값으로 지칭되는, 값에 도달하기 위해 점진적으로 감소하고;
- 그후, 이 시작 값과 같거나 또는 이보다 큰 종료 값으로 지칭되는, 값에 도달하기 위해 이 최소 값으로부터 시작하여 점진적으로 증가되는, 두께를 가질 수 있다.
특히, 상기 홀-차단 영역의 적어도 하나의 웰 층의 두께는 상기 게인 영역의 적어도 하나의 웰 층의 두께의 80%와 같거나 이보다 작을 수 있고, 보다 상세하게는 50%와 같거나 또는 이보다 작을 수 있다.
본 발명자들은 게인 영역 안의 웰 층 최대 두께의의 50%와 같은 홀-차단 영역 안의 최소 웰 층 두께가 게인 영역 안에서 홀들의 전파에 대한 효과적인 배리어를 획득하는 것을 가능하게 해준다는 것에 주목했다.
웰 층들에 대한 상기에서 설명된 것에 대안적으로, 또는 이에 더하여, 홀-차단 영역의 적어도 하나의 배리어 층의 두께는 유리하게도 게인 영역 안의 적어도 하나의 배리어 층의 두께보다 더 클 수 있다.
홀-차단 영역이 게인 영역에 비하여 더 큰 두께의 배리어 층들을 포함한다는 사실은, 가전자대의 에너지 프로파일에서 국소 최소를, 유효 금지대 에너지에서 국소 최대를 각각 생성하는 것을 가능하게 해준다.
특히 유리한 실시예에 따르면, 상기 홀-차단 영역 안의 상기 배리어 층들의 두께는 상기 게인 영역으로의 전자 입력으로부터 상기 게인 영역으로부터의 전자 출력까지 진행하는 방향으로, 국소 최대에 도달하기 위해 증가되고 그후 감소될 수 있다.
특히, 홀-차단 영역 안의 배리어 층들의 두께에 있어서, 증가 및 감소 각각은 점진적이거나 또는 불연속적일 수 있다.
보다 상세하게는, 홀-차단 영역 안의 배리어 층들은:
- 게인 영역 안의, 배리어 층의, 특히 마지막 배리어 층의, 두께에 대응하는, 시작 값으로 지칭되는, 값으로부터 이 시작 값의 2배에 대응하는, 최대 값으로 지칭되는, 값에 도달하기 위해 점진적으로 증가하고;
- 그후, 이 시작 값과 같거나 또는 이보다 작은 값에 도달하기 위해 이 최대 값으로부터 시작하여 점진적으로 감소되는, 두께를 가질 수 있다.
특히, 상기 홀-차단 영역의 적어도 하나의 배리어 층의 두께는 상기 게인 영역의 적어도 하나의 배리어 층의 두께의 150%와 같거나 또는 이보다 크고, 보다 상세하게는 200%와 같거나 또는 이보다 클 수 있다.
본 발명자들은 게인 영역 안의 배리어 층 최소 두께의의 200%와 같은 홀-차단 영역 안의 배리어 층의 최대 두께가 게인 영역 안에서 홀들의 전파에 대한 효과적인 배리어를 획득하는 것을 가능하게 해준다는 것에 주목했다.
바람직하게, 홀-차단 영역에서, 적어도 하나, 특히 각각의 웰 층 또는 배리어 층은 N-도핑될 수 있다.
N-도핑은, 이 홀-차단 영역의 시작과 끝에 비하여, 홀-차단 영역의 중심에서 더 클 수 있다.
상기에서 설명된 바와 같이, 상기 게인 영역, 상기 홀-차단 영역 각각은 교대로 수 개의 웰 층들 및 수 개의 배리어 층들의 적재에 의해 형성될 수 있다.
바람직한, 한정하지 않는 실시예에 따르면, 게인 영역, 홀-차단 영역 각각의, 각각의 웰 층은 비화 인듐(InAs)으로부터 생성될 수 있다.
바람직한, 한정하지 않는 실시예에 따르면, 게인 영역, 홀-차단 영역 각각의, 각각의 배리어 층은 안티몬화 알루미늄(AlSb)으로부터 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저의 제1 버전에 따르면, 상기 게인 영역이 웰 층들 및 배리어 층들의 적재에 의해, 특히 하나의 웰 층과 하나의 배리어 층으로 구성되는 층들의 쌍들로 중첩되는 적재에 의해 생성된 때, 이때 상기 홀-차단 영역은, 특히 제한 층과, 또는 스페이서 타입의 패시브 층과 이 게인 영역의 접합의 레벨에서, 상기 전자 출력 측 상의 상기 층들의 적재의 하부-조립체에 의해 형성될 수 있다.
제2 버전에 따르면, 상기 홀-차단 영역은, 상기 게인 영역에 독립적으로, 층들의 적재의 형태로 나타날 수 있다.
이러한 독립적인 홀-차단 영역은:
- 게인 영역과 직접적으로 접촉하여, 또는
- 예를 들어 인젝터를 통해 이 게인 영역과 간접적으로 접촉하여, 배치될 수 있다.
홀-차단 영역은, 이 게인 영역으로부터의 전자 출력 측 상에, 예를 들어 게인 영역과 스페이서 사이에 위치될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 홀-차단 영역은 수 개의 웰 및 배리어 층들의 적재에 의해 형성되지 않을 수 있다.
이 실시예에 있어서, 홀-차단 영역은 상기에서 설명된, 가전자대의 에너지 프로파일, 및/또는 유효 금지대의 에너지 프로파일을 재현하기 위해, 그 구성이 연속적으로 변하는 합금으로부터 생성되는, 단일 층에 의해 형성될 수 있다.
이러한 합금은 저에너지 금지대를 가지는 물질, 예를 들어 비화 인듐(InAs) 및 고에너지 금지대를 가지는 물질, 예를 들어 안티몬화 알루미늄(AlSb)에 기초하여 구성되는 합금일 수 있다.
이러한 합금은 특히,
R= (저에너지 금지대를 가지는 물질의 함량)/(고에너지 금지대를 가지는 물질의 함량)으로 정의되는 비율 R을 가질 수 있고,
그 값은 시작 값으로부터 점진적으로 감소하여 최소값에 도달하고, 그 후 최종 값이라고 불리는 값, 특히 상기 시작 값 이상인 값에 도달하도록 증가한다.
양자 폭포 레이저는 3 ㎛와 같거나 이보다 큰, 특히 12 ㎛와 같거나 이보다 큰, 보다 상세하게는 15 ㎛와 같거나 이보다 큰 파장을 가지는 광파를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
이러한 레이저는 청정한, 또는 오염되지 않은 공기에 의해 흡수되지 않는 광선을 방출하기 때문에, 본 발명에 따른 레이저는, 예를 들어 오염 모니터링을 위한, 제어 어플리케이션들을 위한, 의료 목적으로 또는 법적 요구조건들을 준수하기 위한, 가스의 흔적들의 검출, 계측 및/또는 모니터링을 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저는 유리하게도 특히
- 코카인, 헤로인, 대마초와 같은 마약류;
- 육불화황(SF6) 또는 육불화우라늄;
- 퓨란 또는 포름산과 같은, 휘발성의 유기 화합물;
- 폭약들의 제조에 사용되는 화합물들; 또는
- 질소 산화물들의 검출, 계측 및/또는 모니터링을 허용하는, 분자 분광학에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 장점들 및 특징들은 첨부된 도면들 및 한정하지 않는 실시예의 상세한 설명의 조사로 명백해질 것이다.
도 1은 종래 기술의 양자 폭포 레이저의 일 실시예의 대략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 레이저의 밴드 구조의 대략적인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 양자 폭포 레이저의 일 실시예의 대략적인 도면이다.
도 4는 도 3의 레이저의 밴드 구조의 대략적인 도면이다.
이하에서 설명될 실시예들은 한정하지 않는 것임이 이해될 것이다. 본 발명의 변형들은, 이 특징들의 선택이 기술적인 장점을 부여하거나 또는 종래 기술의 상태에 비하여 본 발명을 구별하기에 충분하다면, 설명되는 다른 특징들로부터 분리되어, 이하에서 설명되는 특징들의 선택만을 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 이 선택은 적어도 하나의, 바람직하게는 기능적인, 구조적인 상세사항들이 없거나, 또는 이 부분만으로도 기술적인 장점을 부여하거나 또는 종래 기술의 상태에 비하여 본 발명을 구별하기에 충분하다면, 구조적인 상세사항들의 일 부분만을 가지는, 특징을 포함한다.
도면에서, 수 개의 도면들에 공통된 요소들은 동일한 참조 부호를 유지한다.
도 1은 종래 기술의 양자 폭포 레이저의 일 실시예의 대략적인 도면이다.
도 1에 도시된 레이저(100)는, 광 도파관을 형성하는, "클래딩"으로 지칭되는, 예를 들어 N-도핑된 InAs 타입의, 이 게인 영역보다 다 낮은 광학 인덱스를 가지는 물질로부터 만들어지는, 2 개의 제한 층들(1041 및 1042) 사이에 배치되는 게인 영역(102)을 포함한다.
게인 영역(102) 및 각각의 제한 층(1041 및 1042)은 수 마이크론, 통상적으로 2 내지 5 마이크론의 차수의 두께를 가진다.
레이저(100)는 또한 게인 영역(102)과 각각의 제한 층(1041 및 1042) 각각 사이에서, 매우 낮은 광 흡수율을 가지는, 예를 들어 가볍게 도핑된 InAs를 가지고 생성되는, "스페이서"로 지칭되는, 층(각각 1061 및 1062)을 포함할 수 있다.
각각의 스페이서(1061 및 1062)는 수 ㎛, 통상적으로 1 내지 3 ㎛의 차수의 두께를 가진다.
게인 영역(102)은 하나의 웰 층(108i)과 하나의 배리어 층(110i)을 포함하는 층들의 쌍들의 적재들에 의해 형성된다. 이때 1<i<n, n은 정수이고 예를 들어 400과 같다. 각각의 웰 층(108)은 비화 인듐(InAs)으로부터 생성되고 각각의 배리어 층(110)은 AlSb로부터 생성된다.
각각의 웰 층(108)은 8 nm의 차수의 두께를 가진다. 물론, 게인 영역(102) 안의 웰 층들의 두께는 가변될 수 있다.
이에 더하여, 각각의 배리어 층(110)은 0.5 nm의 차수의 두께를 가진다. 물론, 게인 영역(102) 안의 배리어 층들의 두께는 가변될 수 있다.
작동시, 전기 전류는 층들(104-110)에 수직하는 방향으로 펌핑된다. 도 1에 도시된 예에 있어서, 전류(112)는 층들(1042 및 1062) 측 상에서 레이저로 들어가고 층들(1041 및 1061) 측 상에서 레이저(100)를 빠져나온다. 결과적으로, 전하 캐리어들, 즉 전자들은, 층들(1041 및 1061) 측 상에서 게인 영역(102)으로 들어가고, 층들(1042 및 1062) 측 상에서 게인 영역(102)을 빠져나온다.
도 2는 작동시, 도 1의 레이저의 에너지들의 밴드 구조의 대략적인 도면이다.
y 축은 게인 영역(102)의 두께에 대응하는, 거리에 대한 에너지 레벨을 제공한다. 60 nm 지점은 게인 영역(102)으로의 전자 입력, 즉 게인 영역(102)의 제1 층(1081)에 대응하고, 거리 420 nm는 게인 영역(102) 안에서의 전자 출력, 즉 게인 영역의 마지막 층(110n)에 대응한다.
이로써, 가전자대의 에너지 프로파일(202)은, 배리어 층들(110i) 안에서의 가전자대의 에너지 불연속들이 제외된다면, 단조 감소하는 프로파일임에 유의해야 한다. 동일한 관찰이 전도 밴드의 에너지 프로파일(204)에도 적용된다.
이러한 조건들 하에서, 홀들의 개체(population)는, 전자 출력 측 상에서, 즉 층(110n) 측 상에서, 밴드간 열 생성 또는 임팩트 이온화에 의해, 가전자대에서 나타난다. 생성된 홀들은 그후 전자 입력을 향해 전자 출력의 가전자대를 지나가는데, 이것은 도 2의 화살표(206)에 의해 표현되는 홀 전류의 발생을 야기시킨다.
이 홀 전류(206)는 기생 전류이고 또한 양자 폭포 레이저(100)의 성능을 저하시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 한정하지 않는 일 실시예의 대략적인 도면이다.
본 발명에 따른 레이저(300)는 도 1의 레이저(100)의 모든 요소들을 포함한다.
특히, 레이저(300)는 도 1의 레이저(100)의 게인 영역(102)을 포함한다.
레이저(300)는 게인 영역(102)에 더하여, 게인 영역(102)과 스페이서(1062) 사이에 배치되는, 홀-차단 영역(304)을 포함하고, 게인 영역(102)과 홀-차단 영역은, 모두, 스페이서들(1061 및 1062) 사이에 위치되는, 영역(302)을 형성한다. 이 홀-차단 영역(304)의 목적은 영역(302)으로부터의 전자 출력으로부터 게인 영역(102)의 전자 입력으로 가전자대 안에서의 홀들의 전파를 막는 데 있다.
홀-차단 영역(304)은 하나의 웰 층(306i)과 하나의 배리어 층(308i)을 포함하는 층들의 쌍들의 적재들에 의해 형성된다. 이때 1<i<k이고, k는 정수, 예를 들어 30과 같다. 각각의 웰 층(306i)은 비화 인듐(InAs)으로부터 생성되고 각각의 배리어 층(308i)은 AlSb로부터 생성된다.
이에 더하여, 홀-차단 영역(304)의 웰 층들(306i)은:
- 게인 영역(102) 안의, 웰 층(108i)의 두께에 대응하는, 시작 값으로 지칭되는, 값으로부터 예를 들어 이 시작 값의 반에 대응하는, 최소 값으로 지칭되는, 값에 도달하기 위해 점진적으로 감소하고;
- 그후, 이 시작 값과 같거나 또는 이보다 큰 값에 도달하기 위해 이 최소 값으로부터 시작하여 점진적으로 증가되는, 두께를 가질 수 있다.
특히, 홀-차단 영역(304)의 첫번째 웰 층(3061)은, 예를 들어 8 nm의 차수의, 게인 영역(102)의 마지막 웰 층(108n)과 같은 두께를 가진다. 이에 더하여, 홀-차단 영역(304)의 마지막 웰 층(306k)은 홀-차단 영역(304)의 첫번째 웰 층(3061)의 두께와 같거나 또는 이보다 큰 두께를 가진다. 홀-차단 영역(304)의 첫번째 웰 층(3061)과 마지막 웰 층(306k) 사이에서, 웰 층들(306i)의 두께는, 예를 들어 홀-차단 영역(304)의 중심에 위치되는 웰 층에서, 예를 들어 4 nm의, 최소 값에 도달하기 위해 감소되고, 그후 홀-차단 영역(304)의 마지막 웰 층(306k)에서, 예를 들어 8 nm의 차수의 값의, 홀-차단 영역(304)의 첫번째 웰 층(3061)의 두께와 같거나 또는 이보다 큰 값에 도달하기 위해 증가된다.
이에 더하여, 또는 대안적으로, 홀-차단 영역(304)의 배리어 층들(308i)은:
- 게인 영역(102) 안의, 배리어 층(110i)의 두께에 대응하는, 시작 값으로 지칭되는, 값으로부터 예를 들어 이 시작 값의 2배에 대응하는, 최대 값으로 지칭되는, 값에 도달하기 위해 점진적으로 증가하고;
- 그후, 이 시작 값과 최대한 같은 값에 도달하기 위해 이 최대 값으로부터 시작하여 점진적으로 감소되는, 두께를 가질 수 있다.
특히, 홀-차단 영역(304)의 첫번째 배리어 층(3081)은, 예를 들어 0.5 nm의 차수의, 게인 영역(102)의 마지막 배리어 층(110n)과 같은 두께를 가진다. 이에 더하여, 홀-차단 영역(304)의 마지막 배리어 층(308k)은 홀-차단 영역(304)의 첫번째 배리어 층(3081)의 두께와 같거나 또는 이보다 작은 두께를 가진다. 홀-차단 영역(304)의 첫번째 배리어 층(3081)과 마지막 배리어 층(308k) 사이에서, 배리어 층들(308i)의 두께는, 예를 들어 홀-차단 영역(304)의 중심에 위치되는 배리어 층(308i)에서, 예를 들어 1 nm의, 최대 값에 도달하기 위해 증가되고, 그후 홀-차단 영역(304)의 마지막 배리어 층(308k)에서, 예를 들어 0.5 nm의 차수의 값의, 홀-차단 영역(304)의 첫번째 배리어 층(3081)의 두께와 같거나 또는 이보다 작은 값에 도달하기 위해 감소된다.
이에 더하여, 홀-차단 영역의 각각의 웰 층(306i) 또는 각각의 배리어 층(308i)은 N-도핑 타입일 수 있다. 도핑은 홀-차단 영역(304)의 중심 부분에서 최대이다.
설명된 예에 있어서, 홀-차단 영역의 웰 층들 및 배리어 층들의 두께는 변한다. 물론, 본 발명은 이 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 홀-차단 영역의 웰 층들만의, 배리어 층들만의 두께가 각각 상기에서 설명되는 편차를 가지는, 본 발명에 따른 레이저를 예상하는 것이 가능하다.
게다가 설명된 예에 있어서, 홀-차단 영역은 웰 층들 및 배리어 층들의 적재에 의해 형성된다. 물론, 본 발명은 이 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 그 구성이 연속적으로 변하는 합금으로부터 생성되는, 단일 층의 형태인 홀-차단 영역을 예상하는 것이 가능하다. 이러한 홀-차단 영역은, 예를 들어 비화 인듐(InAs)의, 웰 물질과, 예를 들어 안티몬화 알루미늄(AlSb)의, 배리어 물질의 합금에 의해 생성될 수 있고, (웰 물질의 함량)/(배리어 물질의 함량)의 비율은 시작 값으로부터, 최소 값에 도달하기 위해 점진적으로 감소되고, 그후 이 시작 값과 같거나 이보다 큰, 종료 값에 도달하기 위해 증가된다.
도 4는 작동시, 도 3의 레이저의 에너지들의 밴드들의 구조의 대략적인 도면이다.
y 축은 게인 영역(302)의 두께에 대응하는, 거리에 대한 에너지 레벨을 제공한다. 60 nm 지점은 게인 영역(102)으로의 전자 입력, 즉 게인 영역(102)의 첫번째 층(1081)에 대응하고, 420 nm 지점은 배리어 층(110n) 및 웰 층(3061), 즉 홀-차단 영역(304)의 시작에 대응한다. 560 nm 지점은 홀-차단 영역(304)의 끝, 이로써 영역(302)의 끝에 대응한다.
이로써, 배리어 층들(110i 및 308i)에서의 에너지 밴드 불연속들이 제외된다면, 가전자대의 에너지 프로파일(402)은:
- 홀-차단 영역(304)의 중심 부분에서, 특히 470 nm 지점에서 국소 최소(406)에 도달하기 위해 감소되고;
- 그후 홀-차단 영역의 시작에 대응하는 에너지 레벨에 도달하기 위해 증가됨에 유의해야 한다.
국소 최소(406) 이후의 에너지 증가는 도 4에 도시된 예에 있어서 250 meV의 차수이다.
다시 말하면, 유효 금지대 에너지는, 게인 영역(102)으로부터의 출력의 유효 금지대 에너지로부터 시작하여, 최대 값(408)에 도달하기 위해, 점진적으로 증가되고, 그후 인접한 스페이서 영역(1062)의 금지대에 근접하는 값까지 점진적으로 감소된다.
그러므로, 작동시, 가전자대의 에너지 프로파일(402)의 국소 최소(406), 유효 금지대 에너지(408)의 국소 최대 각각은, 가전자대에서 잠재적인 배리어를 구성하는데, 이것은 영역(302)으로부터의 전자 출력 측 상에서, 즉 층(308k) 측 상에서 이 가전자대에서 생성되는 홀들의 전파를 반대한다.
가전자대에서 생성되는 홀들은 가전자대의 에너지 프로파일(402)의 국소 최소(406)의, 유효 금지대 에너지의 국소 최대(408) 각각의 아래쪽에서 막힌 채 남아 있다. 다시 말하면, 가전자대에서 생성되는 홀들은 이 최소, 이 최대와 영역(302)으로부터의 전자 출력 사이에서 막힌 채 남아 있다.
물론, 본 발명은 상기에서 설명된 예들에 한정되지 않는다.
특히, 다른 물질들이 웰 층들 및 배리어 층들에 사용될 수 있다. 유사하게, 층들의 갯수, 층들의 치수들 및 지시되는 에너지 값들은 한정하지 않는다.

Claims (14)

  1. 2 개의 광학 제한 층들(1041, 1042) 사이에 삽입되는 게인 영역(102)을 포함하는 양자 폭포 레이저(300)에 있어서, 상기 게인 영역(102)은 상기 게인 영역(102)으로의 전자 입력 및 상기 게인 영역(102)으로부터의 전자 출력을 가지고,
    상기 레이저는 상기 전자 출력 측 상에 홀-차단 영역(304)을 포함하고, 상기 홀-차단 영역(304)은 가전자대 에너지 프로파일(402)을 가지는데, 이것은 상기 게인 영역(102)으로의 전자 입력으로부터 상기 게인 영역(102)으로부터의 전자 출력까지 진행하는 방향으로, 국소 최소(406)에 도달하기 위해 감소되고, 그후 증가되는 것을 특징으로 하는, 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 국소 최소(406)의 아래쪽에, 상기 전자 입력으로부터 상기 전자 출력까지 진행하는 방향으로, 상기 홀-차단 영역(304) 안의 가전자대 에너지는 상온에서 열 에너지와 같거나 또는 이보다 큰 것을 특징으로 하는, 레이저.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 홀-차단 영역(304)은 상기 게인 영역으로의 전자 입력으로부터 상기 게인 영역(102)으로부터의 전자 출력까지 진행하는 방향으로 증가하고, 최대 값에 도달하고, 그후 감소하는 유효 금지대 에너지(408)를 가지는 것을 특징으로 하는, 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 게인 영역(102) 및 상기 홀-차단 영역(304) 각각은 웰 층들(108, 306) 및 배리어 층들(110, 308)의 적재를 포함하고 상기 홀-차단 영역(304)의 적어도 하나의 웰 층(306)의 두께는 상기 게인 영역(102) 안의 적어도 하나의 웰 층(108)의 두께보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 레이저.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 홀-차단 영역(304) 안의 상기 웰 층들(306)의 두께는 상기 게인 영역(102)으로의 전자 입력으로부터 상기 게인 영역(102)으로부터의 전자 출력까지 진행하는 방향으로, 최소에 도달하기 위해 감소되고 그후 증가되는 것을 특징으로 하는, 레이저.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 홀-차단 영역(304)의 적어도 하나의 웰 층(306)의 두께는 상기 게인 영역의 적어도 하나의 웰 층(108)의 두께의 80%, 보다 상세하게는 50%와 같거나 또는 이보다 작은 것을 특징으로 하는, 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 게인 영역(102) 및 상기 홀-차단 영역(304) 각각은 웰 층들(108, 306) 및 배리어 층들(110, 308)의 적재를 포함하고, 상기 홀-차단 영역(304)의 적어도 하나의 배리어 층(308)의 두께는 상기 게인 영역(102) 안의 적어도 하나의 배리어 층(110)의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 레이저.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 홀-차단 영역(304) 안의 상기 배리어 층들(308)의 두께는 상기 게인 영역(102)으로의 전자 입력으로부터 상기 게인 영역(102)으로부터의 전자 출력까지 진행하는 방향으로, 최대에 도달하기 위해 증가되고 그후 감소되는 것을 특징으로 하는, 레이저.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 홀-차단 영역(304)의 적어도 하나의 배리어 층(308)의 두께는 상기 게인 영역(102)의 적어도 하나의 배리어 층(110)의 두께의 150%와 같거나 또는 이보다 크고, 보다 상세하게는 200%와 같거나 또는 이보다 큰 것을 특징으로 하는, 레이저.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 게인 영역(102)은 웰 층들(108, 306) 및 배리어 층들(110, 308)의 적재를 포함하고, 상기 홀-차단 영역(304) 안의, 적어도 하나의, 각각의 웰 층(306) 또는 배리어 층(308)은 N-도핑 타입인 것을 특징으로 하는, 레이저.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 게인 영역(102), 상기 홀-차단 영역(304) 각각은 교대로 수 개의 웰 층들(108, 306) 및 수 개의 배리어 층들(110, 308)의 적재에 의해 형성되고,
    - 각각의 웰 층(108, 306)은 비화 인듐(InAs)으로부터 생성되거나; 또는
    - 각각의 배리어 층(110, 308)은 안티몬화 알루미늄(AlSb)으로부터 생성되는 것을 특징으로 하는, 레이저.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 게인 영역(102)은 웰 층들(108, 306) 및 배리어 층들(110, 308)의 적재를 포함하고, 상기 홀-차단 영역(304)은 상기 전자 출력 측 상의 상기 층들의 적재의 하부-조립체에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 홀-차단 영역은, 상기 게인 영역에 독립적으로, 층들의 적재의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 홀-차단 영역은, 그 구성이 연속적으로 변하는 합금으로부터 생성되는, 단일 층의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저.
KR1020187025987A 2016-03-03 2017-03-02 양자 폭포 레이저 KR102268802B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1651796A FR3048561B1 (fr) 2016-03-03 2016-03-03 Laser a cascade quantique.
FR1651796 2016-03-03
PCT/EP2017/054857 WO2017149057A1 (fr) 2016-03-03 2017-03-02 Laser à cascade quantique

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180118149A KR20180118149A (ko) 2018-10-30
KR102268802B1 true KR102268802B1 (ko) 2021-06-24

Family

ID=56008730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187025987A KR102268802B1 (ko) 2016-03-03 2017-03-02 양자 폭포 레이저

Country Status (9)

Country Link
US (1) US10811846B2 (ko)
EP (1) EP3424114B1 (ko)
JP (1) JP6937770B2 (ko)
KR (1) KR102268802B1 (ko)
CN (1) CN108701966B (ko)
CA (1) CA3015717A1 (ko)
FR (1) FR3048561B1 (ko)
IL (1) IL261495A (ko)
WO (1) WO2017149057A1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130121361A1 (en) * 2011-10-31 2013-05-16 Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg Interband Cascade Laser Amplifier Medium
US20140247850A1 (en) * 2012-08-22 2014-09-04 Dan Botez Multiquantum well structures for suppression of electron leakage and reduction of threshold-current density in quantum cascade lasers

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5588015A (en) * 1995-08-22 1996-12-24 University Of Houston Light emitting devices based on interband transitions in type-II quantum well heterostructures
US5799026A (en) * 1996-11-01 1998-08-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Interband quantum well cascade laser, with a blocking quantum well for improved quantum efficiency
JP2004119814A (ja) * 2002-09-27 2004-04-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd ユニポーラ多重量子井戸デバイスとその製造方法
US8571082B2 (en) * 2004-08-19 2013-10-29 Maxion Technologies, Inc. Quantum cascade lasers with electrically tunable emission wavelengths
CN100461558C (zh) * 2006-06-07 2009-02-11 中国科学院半导体研究所 一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构及制造方法
US8125706B2 (en) * 2008-10-20 2012-02-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy High-temperature interband cascade lasers
JP5740865B2 (ja) * 2010-08-09 2015-07-01 住友電気工業株式会社 半導体発光素子
US8290011B2 (en) * 2010-11-22 2012-10-16 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Interband cascade lasers
PL2702648T3 (pl) * 2011-04-20 2018-09-28 The Government Of The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Międzypasmowe lasery kaskadowe z projektowanymi gęstościami nośnika
DE102011103143B4 (de) * 2011-05-25 2014-05-22 Julius-Maximilians-Universität Würzburg Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium
US9099593B2 (en) * 2012-09-14 2015-08-04 Tsmc Solid State Lighting Ltd. III-V group compound devices with improved efficiency and droop rate
JP6244668B2 (ja) * 2013-05-31 2017-12-13 住友電気工業株式会社 量子カスケードレーザ
JP6163080B2 (ja) * 2013-10-28 2017-07-12 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケードレーザ
JP6379696B2 (ja) * 2014-06-05 2018-08-29 住友電気工業株式会社 量子カスケード半導体レーザ
US10033160B2 (en) * 2015-10-28 2018-07-24 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Interband cascade light emitting devices

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130121361A1 (en) * 2011-10-31 2013-05-16 Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg Interband Cascade Laser Amplifier Medium
US20140247850A1 (en) * 2012-08-22 2014-09-04 Dan Botez Multiquantum well structures for suppression of electron leakage and reduction of threshold-current density in quantum cascade lasers

Also Published As

Publication number Publication date
JP6937770B2 (ja) 2021-09-22
WO2017149057A1 (fr) 2017-09-08
CA3015717A1 (fr) 2017-09-08
KR20180118149A (ko) 2018-10-30
CN108701966A (zh) 2018-10-23
US10811846B2 (en) 2020-10-20
FR3048561B1 (fr) 2019-03-15
EP3424114B1 (fr) 2022-04-06
FR3048561A1 (fr) 2017-09-08
US20190115728A1 (en) 2019-04-18
IL261495A (en) 2018-10-31
JP2019507506A (ja) 2019-03-14
EP3424114A1 (fr) 2019-01-09
CN108701966B (zh) 2020-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7432537B1 (en) Avalanche photodiode structure
US6434178B1 (en) Semiconductor laser
WO2016088668A1 (ja) アバランシェ・フォトダイオード
KR101666400B1 (ko) 포토다이오드 및 포토다이오드 제조 방법
US20190148915A1 (en) Surface-emitting quantum cascade laser
US20200136353A1 (en) Method of manufacturing optical semiconductor apparatus and the apparatus
KR102268802B1 (ko) 양자 폭포 레이저
JP4696749B2 (ja) 半導体発光素子
JP5916459B2 (ja) 面発光レーザ素子
JP2015149332A (ja) アバランシ・フォトダイオード
US6829272B1 (en) Semiconductor laser device
Basu et al. Analytical model for threshold‐base current of a transistor laser with multiple quantum wells in the base
JP2007311455A (ja) 半導体受光素子
JP6045832B2 (ja) 面発光レーザ素子
JP2008198942A (ja) 半導体光素子
US20100108983A1 (en) Photocathode semiconductor device
Guizani et al. Investigation of Optical Gain in 1.55 μm p‐i‐n GaNAsBi‐Based DQWs
WO2022029254A1 (de) Diodenlaser mit stromblende
JPWO2021053711A5 (ko)
JP2007208062A (ja) 半導体レーザ素子
Massé et al. Temperature insensitive quantum dot lasers: are we really there yet?
US20110317731A1 (en) Semiconductor device
Muretova et al. Blocking-Layer Design for the Suppression of Parasitic Recombination in High-Power Laser Diodes with a GaAs Waveguide
Zeng et al. Terahertz emission in one-dimensional disordered systems
Dehghan Theoretical investigation and analysis of time response in heterostructure Geiger-APD

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right