KR20140097339A - 계단형 우물 활성 영역을 가진 양자 종속 레이저 설계 - Google Patents

계단형 우물 활성 영역을 가진 양자 종속 레이저 설계 Download PDF

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KR20140097339A
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Abstract

본 발명의 실시예들은 양자 종속 레이저 구조를 포함한다. 일부 실시예들은, 복수의 양자 우물들 및 복수의 배리어들을 포함하고, 상기 복수의 양자 우물들 및 복수의 배리어들 중 적어도 일부는 활성 영역을 정의한다. 일부 실시예들에서, 광자는 활성 영역에서 방출되되, 전자가 활성 영역에서의 레이저 상단부 상태로부터 상기 활성 영역에서의 레이저 하단부 상태로 전이할 시에 방출된다. 부가적으로, 상기 복수의 양자 우물들에서의 마지막 양자 우물은 활성 영역을 정의할 수 있고, 상기 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역에서 인접한 양자 우물 아래로 뻗어나간다. 이와 유사하게, 상기 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역에서 상기 인접한 양자 우물의 두께보다 작은 두께를 포함할 수 있다.

Description

계단형 우물 활성 영역을 가진 양자 종속 레이저 설계{QUANTUM CASCADE LASER DESIGN WITH STEPPED WELL ACTIVE REGION}
본 출원은 35 USC § 119 하에 2011년 11월 29일에 출원된 미국 가출원 제61/564375호의 우선권 주장 출원이며, 상기 미국 가출원의 전반적인 내용은 참조로서 본원에서 병합된다.
본 발명은, 적외선 대항 장치(infrared countermeasures), 열 시준 목표 장치, 가스 감지, 및/또는 고온 환경의 다른 적용 분야에서 사용될 수 있는, 고온에서의 지속파(continuous wave, CW) 전력이 높은 양자 종속 레이저(quantum cascade laser, QCL)에 관한 것이다. 본 발명의 개념은 다중-파장 레이저가 사용되는 다양한 분야에서 폭 넓게 적용되는 것에 있다.
본 발명은 양자 지속파 레이저 장치의 실시예에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 고온 성능을 가지고 동작될 수 있다. 보다 구체적으로, 양자 종속 레이저(QCL)는, 종래의 직접천이형 밴드 갭 반도체 레이저(direct band gap semiconductor lasers)와는 달리 유니폴라 장치이다. QCL는 중-적외선(mid-infrared) 및 원-적외선 파장 범위에서 광을 일반적으로 발광시킨다.
일반적으로, QCL은 고온에서 성능이 저하된다. 본원에서 개시된 실시예는 하술된 바와 같이, 이러한 결점을 극복 또는 감소시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 양자 종속 레이저 구조체가 제공될 수 있다. 일부 실시예들은, 복수의 양자 우물들 및 복수의 배리어들(barriers)을 포함하고, 상기 복수의 양자 우물들 및 복수의 배리어들 중 적어도 일부는 활성 영역을 정의할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광자는 활성 영역에서 방출되되, 전자가 활성 영역에서의 레이저 상단부 상태로부터 상기 활성 영역에서의 레이저 하단부 상태로 전이할 시에 방출된다. 부가적으로, 상기 복수의 양자 우물들에서의 마지막 양자 우물은 활성 영역을 정의할 수 있고, 상기 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역에서 인접한 양자 우물 아래로 뻗어나간다. 이와 유사하게, 상기 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역에서 상기 인접한 양자 우물의 두께보다 작은 두께를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 본원에서 개시된 실시예들은, 본원에 제공되는 양자 종속 레이저 구조체를 포함한다. 일부 실시예들은 적어도 하나의 레이저 코어, 및 도파관 구조를 형성하는 적어도 하나의 클래딩 층(cladding layer)을 포함하며, 상기 적어도 하나의 레이저 코어는 복수의 양자 우물들을 정의하는 제 1 타입의 반도체 물질을 포함하고, 상기 적어도 하나의 레이저 코어는 복수의 배리어들을 정의하는 제 2 타입ㄴ의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 복수의 양자 우물들 및 상기 복수의 배리어들은 활성 영역을 정의할 수 있고, 그 결과 상기 활성 영역에서의 레이저 상단부 상태로부터 전자가 상기 활성 영역에서의 레이저 하단부 상태로 전이할 시에 광자는 상기 활성 영역에서 방출된다. 이와 유사하게, 상기 복수의 양자 우물들 및 상기 복수의 배리어들은 주입 영역(injector region)을 정의할 수 있고, 그 결과 전자가 일 측 활성 영역으로부터 인접한 다음 활성 영역으로 이동하되, 상기 주입 영역을 통하여 이동한다. 나아가, 상기 복수의 양자 우물들 중 적어도 하나의 마지막 양자 우물은, 바이어스(bias)가 인가되지 않을 시에, 상기 활성 영역에서 주요 양자 우물 아래로 뻗어나가는 바닥부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 본원에서 개시된 실시예는, 본원에 제공되는 양자 종속 레이저 구조체를 포함한다. 일부 실시예들은 활성 영역에서 마지막 양자 우물을 포함하고, 상기 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역에서 다른 양자 우물들 아래로 뻗어나가는 바닥부를 포함한다. 이와 유사하게, 상기 활성 영역에서의 마지막 배리어는 상기 활성 영역에서의 다른 배리어들을 넘어 뻗어나가는 상위 부분을 포함할 수 있고(예를 들면, 상기 활성 영역에서 적어도 하나의 다른 배리어보다 큰 높이를 가짐), 이로 인해 에너지 상태 4와 에너지 상태 5 간의 E54의 에너지 차이는 증가된다. 상기 마지막 배리어는 상기 활성 영역에서 적어도 하나의 다른 배리어의 두께보다 큰 두께를 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예의 다음의 상세한 설명은 다음 도면과 함께 인식할 시에 최적으로 이해될 수 있고, 동일 구조는 동일 참조 번호를 나타내며, 도면에서:
도 1은 활성 코어 내에 양자 우물들 및 배리어들을 포함한 양자 종속 레이저의 개략적인 도면이고;
도 2는 QCL, 도 1의 QCL에서 광자 방출을 보여주는 밴드 다이어그램을 도시하고;
도 3은 에너지 상태 4와 에너지 상태 5 간의 차이 증가를 추가로 보여주는 밴드 다이어그램을 도시하고;
도 4는 에너지 상태 3과 에너지 상태 4 간의 차이 증가를 추가로 보여주는 밴드 다이어그램을 도시하며; 그리고
도 5는 에너지 상태 4와 에너지 상태 5 간의 에너지 차이를 증가시키기 위해, 낮아진 활성 영역에서의 마지막 우물과, 상승된 활성 영역에서의 배리어를 추가로 제시한 밴드 다이어그램을 도시한다.
도 1은 활성 코어 내에서 복수의 양자 우물들 및 복수의 배리어들을 포함하는 양자 종속 레이저(QCL)(100)의 개략적인 도면을 도시한다. QCL(100)은, InP(인듐 포스파이드, Indium Phosphide) 또는 다른 반도체 화합물로 구성될 수 있는 기판(102)을 포함한다. 부가적으로, 적어도 하나의 클래딩 층, 예를 들면, 하부 클래딩 층(104)은 적게 도핑된 인듐 포스파이드로 구성될 수 있는 기판(102) 상에서 성장될 수 있으며, 그리고 도파관 구조를 정의할 수 있다. 또한, QCL(100)에 포함된 것은 적어도 하나의 레이저 코어, 예를 들면, 활성 코어(106)이며, 이때 상기 활성 코어는 복수의 스테이지들(106a, 106b)을 포함할 수 있다. 활성 코어(106)에서의 스테이지들(106a, 106b)은 연속적으로(a sequence of) 매우 얇은 반도체 층들로 구성될 수 있으며, 이때 상기 반도체 층들은 배리어들(114) 및 우물들(116)일 수 있고, 상기 배리어들 및 우물들은 서로 상부 상에서 번갈아서 성장되는 2 개의 반도체 물질로 구성될 수 있다. 2 개의 반도체 물질의 전도대 에너지(conduction band energy)에서의 차이는 결합형(coupled) 양자 우물들을 형성하고, 상기 양자 우물들에서는 양자화된 전자 에너지 상태가 위치한다. 특정 실시예에 따라서, 양자 우물들은 GaxIn1-xAs로 구성될 수 있는 반면, 배리어들은 AlyIn1-yAs로 구성될 수 있으며, x 및 y 둘 다는 1 이하이다.
도 2는 QCL, 예를 들면, 도 1의 QCL(100)에서 활성 코어의 단일 활성 스테이지의 밴드 다이어그램을 나타낸 밴드 다이어그램(200)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전자 볼트(eV)의 에너지는 y-축 상에 도시되는 반면, 나노미터(nm) 거리는 x-축 상에 도시된다. 하나의 활성 스테이지는 주입 영역(202a, 202b) 및 활성 영역(206)으로 이루어진다. 주입 영역(202a, 202b)은, 활성 영역(206)에서 복수의 양자 우물들 중 적어도 하나보다 큰 깊이를 가진 출구용 양자 우물들 및 입구용 양자 우물들의 조성물들을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 주입 영역은 활성 영역에서 복수의 양자 우물들 중 적어도 하나보다 큰 깊이를 포함한 입구용 양자 우물을 포함할 수 있다. 전자들은 인젝터를 통하여 일 측 활성 영역으로부터 인접한 다음 활성 영역으로 전이될 수 있다. 이동하는 동안, 전자들이 일 측 상태로부터 타 측 상태로 전이할 수 있는 일부 가능성이 있다. 전자가 활성 영역(206)에서 레이저 상단부 상태(204a)로부터 레이저 하단부 상태(204b)로 전이될 시에, 광자가 방출될 수 있다. 다른 말로 하면, 도 2에 도시된 QCL의 특정 설계에 있어서, 활성 영역(206)은 소수의 양자 우물들(208a, 208b, 208c, 208d)과, 이러한 우물들 간의 배리어들의 조합물이며, 에너지 상태는 주의 깊게 설계되어, 전자의 광 전이가 가능해진다. 레이저 상단부 상태(204a)와 레이저 하단부 상태(204b) 간의 에너지 차이는 방출된 광자의 에너지에 대응한다. 이러한 에너지 차이는 다음과 같이 표현될 수 있다: ΔE=hv=h*(c/λ), 여기서 h는 플랑크 상수, c는 광 속도, λ는 방출된 광자의 파장이다.
QCL의 고전력(와트 레벨, Watt level) 지속파(CW) 실온 동작은 3.8 내지 5 ㎛의 파장 범위에서 증명되었다. 그러나, CW 동작에서 출력 전력 및 WPE(월 플러그 효율, wall plug efficiency)는 펄스 동작에서보다 일반적으로 낮은데, 이는 레이저 코어의 내부 가열이 레이저 성능을 저하시키기 때문이다. 내부 가열은, QCL의 낮은 월 플러그 효율로 인해, 일반적으로 불가피하다. 그러나, QCL이 고온 성능에 대해 설계되거나, 또는 상승 온도에서의 낮은 성능 저하에 대해 설계되는 경우, QCL 구조는 다른 규칙적인 설계보다 CW 동작에서 양호하게 실행될 수 있다. 고온 성능을 가진 QCL은 방열 요건 및 패키지 크기를 줄이는데 있어 높은 전력, 높은 월 플러그 효율, 및 비-저온 동작(uncooled operations)에 대해 매력적이다.
QCL의 온도 성능은 2 개의 파라미터(T0 및 T1)에 의해 구현된다. T0는 임계치가 온도에 따라 어떻게 변화하는지를 의미하고, 식으로는 Jth=J0exp(T/T0)으로 정의되며, 이때 Jth는 임계치 전류 밀도(threshold current density)이고, T는 (펄스 조건 하의) 동작 온도이며, 그리고 J0는 특유 임계치 전류 밀도(characteristic threshold current density)이다. T1은 온도 증가에 따른 기울기 효율(slope efficiency)의 감소를 나타내고, 다음과 같이 정의된다: η=η0exp(-T/T1)이고, 이때 η은 기울기 효율이고, η0은 특유 기울기 효율이다. 일반적으로, T0 및 T1 값은 2-포논 설계(two-phonon design)에 대해 약 100 내지 약 200K의 범위에 속한다.
도 3은 에너지 상태 4와 에너지 상태 5 간의 차이 증가를 추가로 제시한 밴드 다이어그램을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전자 볼트(eV)의 에너지는 y-축 상에 도시되는 반면, 나노미터(nm) 거리는 x-축 상에 도시된다. 레이저 상단부 상태(302) 상에서 기생 에너지 상태들(상태 5 및 6)을 통한 전자 누설은 형편없는 온도 성능의 이유 중 하나이다. QCL들의 일부 설계는 기생 상태와 레이저 상단부 상태 간의 높은 에너지 분리를 가진다. 이에 따라서, 약 84 meV인 E54(304a)에 대한 높은 에너지 값, 및 약 185 meV인 E64(304b)에 대한 높은 에너지 값은 높은 T1 값(약 450K이고, 일부 실시예들에서 약 400K 내지 약 500K 범위에 속함)을 초래한다. 그러나, T0은 약 180K일 수 있다(그리고 일부 실시예들에서, 약 150K 내지 약 200K의 범위에 속함).
도 4는 에너지 상태 3과 에너지 상태 4 간의 차이 증가를 추가로 제시한 밴드 다이어그램을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전자 볼트(eV)의 에너지는 y-축 상에 도시되는 반면, 나노미터(nm) 거리는 x-축 상에 도시된다. 부가적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, E43이 높은 구조는 고온 성능을 달성시킨다. 도 3 및 4 둘 다에 있어, E54 값을 증가시키기 위한 유사한 전략은 활성 영역에서 마지막 쌍의 양자 우물들을 위해 배리어(402)의 유효 높이를 증가시키는 것을 포함할 수 있거나, 또는 제 1 배리어(주입 배리어에 근접함)와 마지막 하나 또는 두 개의 배리어들(402a, 402b)(추출 배리어에 근접함) 간의 유효 배리어 높이 차이를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 마지막 2 개의 배리어들(402a, 402b)이 두껍거나 높게 구현되는 경우, 상단부 레이저 동작 상태(upper lasing state) 상에 있는 기생 상태 4는 위로 밀어지게 될 것이며, 이는 전자 분포 밀도가 배리어들에서 높기 때문이다. 그러나, 이와 동시에, 레이저 상단부 상태 3은 위로 덜 밀리게 되는데, 이는 상태 3의 전자 분포 밀도가 이러한 배리어들에서 작기 때문이다. 이게 바로 E43의 에너지 차이가 통상적인 40 meV로부터 약 100 meV(그리고 일부 실시예들에서, E43은 약 80 meV 내지 약 120 meV 범위에 속함)로 증가하는 방법이다. 일부 실시예들은 이러한 설계로 높은 T1(약 640K이고, 일부 실시예들에서 약 600K 내지 약 700K의 범위에 속함)과, 그리고 동시에 규칙적인 구조보다 높은 T0(약 380K이고, 일부 실시예들에서 약 350K 내지 약 450K의 범위에 속함)을 달성할 수 있다.
도 5에 관하여 이하에서 보다 더 상세하게 기술한 바와 같이, 본원에서 개시된 실시예들은 또한 QCL에서 E54의 증가된 에너지 차이를 가질 수 있다. 마지막 배리어 또는 마지막 소수 배리어들을 위한 증가된 배리어의 전도대 에너지 레벨뿐만 아니라, 본원에서 개시된 실시예에서, 마지막 우물(또는 마지막 소수의 우물들) 바닥의 전도대 에너지 레벨은 활성 영역에서 이전의 우물 바닥의 전도대 에너지 레벨보다 낮다.
적어도 하나의 마지막 양자 우물 바닥의 낮춤은 에너지 레벨 5를 낮출 뿐만 아니라 에너지 레벨 5를 상승시킬 수 있고, 그 결과 우물 두께를 감소시킴으로써, 레이저 동작 하단부 상태의 효율 감소(efficiency depopulation)를 위해 동일한 레벨이 1에서 3으로 가지 못하게 한다. E54의 에너지 차이는 이러한 반대 효과(opposite effects)에 의해 결정된다. 에너지 레벨 5는 마지막 양자 우물의 제 2 양자화 에너지 레벨에 의해 주로 결정되고, 에너지 레벨 1 (또는 레벨 2)는 마지막 양자 우물의 제 1 에너지 레벨에 의해 주로 결정된다.
간단한 예시는 무한한 배리어를 가진 단일 양자 우물을 포함할 수 있다.
1 차원의 무한한 양자 우물의 바닥에 대한 2 개의 제 1 에너지 상태의 에너지 위치는 다음 식과 같다: e(n)=n^2*h^2/(8*m*L^2)이고, 여기서 n은 상태 번호이고, h는 플랑크 상수이고, m은 입자 질량(이 예시에서 전자 질량)이며, 그리고 L은 양자 우물의 두께이다. 그러므로, e(1)은 h^2/(8*m*L^2)이고, e(2)는 4*h^2/(8*m*L^2)이며, 그리고 e2-e1의 차이는 3* h^2/(8*m*L^2)이다(e2-e1=3* h^2/(8*m*L^2)). (에너지 공간에서) 레벨 1의 고정 위치 및 (우물 바닥을 낮춤으로써) 증가된 e1을 이용하여, L은 감소되어야 한다. 그 후, 레벨 1의 고정 위치 및 감소된 L을 이용하여, 레벨 2의 에너지 위치는 e2-e1의 증가된 값으로 인해 증가될 수 있다.
양자 종속 레이저의 실제 경우에서, 활성 영역이 유한한 배리어들과 함께 결합형 양자 우물들로 실제 이루어지지만, 기본적인 원리는 여전히 적용된다: 두께가 감소되고 우물 바닥부가 낮아질수록, 제 2 레벨의 에너지 (또는 도 5의 E5)는 증가될 것이다. 동시에, 레이저 상단부 상태(E4)는 영향을 덜 많이 받을 것이다. 그러므로, 에너지 상태 5와 에너지 상태 4 간의 에너지 차이(E54)는 다른 에너지 상태에 영향을 많이 미치는 변화 없이, 현저하게 증가될 수 있다.
이에 따라서, 본원에서 개시된 실시예들은 레이저 하단부 상태 파동 함수의 주요 로브(lobe)가 위치한 양자 우물보다 전도대 에너지(예를 들면, In이 보다 풍부한 GaInAs)가 낮은 양자 우물을 갖춘 양자 종속 레이저 활성 영역을 포함한다. 이러한 구성요소를 이용하여, 계단형 양자 우물 영역은 활성 영역에서 형성한다. 이는 높은 T0 및 T1을 달성하는 높은 E54를 초래할 수 있되, 레이저 성능에 다른 부정적인 영향을 미치지 않고, 초래할 수 있다. 양호한 지속파(CW) 성능, 즉, 높은 CW 출력 전력 및 월 플러그 효율(WPE)이 증명되었다.
QCL 구조의 활성 영역에는 변형된(strained) 우물 및 배리어 물질의 조성물의 한 세트보다 많이 있다(예를 들면, InxGa1-xAs/InyAl1-yAs). 우물 물질의 변형이 커질수록(x가 높을수록), 우물 바닥의 에너지 위치는 낮아지게 된다. 실시예들에 있어, 활성 영역에서, 그리고 활성 영역이 동작 바이어스 하에(under operating bias) 있을 시에, 레이저 하단부 상태의 파동 함수의 주요 로브가 위치한 우물보다 압축 변형이 높은 적어도 하나의 우물이 있다. 효과는 레이저 상단부 상태와, 상기 레이저 상단부 상태 상의 기생 상태 간의 에너지 분리(또는 E54의 에너지 차이)를 증가시키기 위한 것이다. 무한한 배리어를 갖춘 단일 양자 우물의 경우에(상술됨), e2-e1의 증가는 e1의 증가의 3 배이고, 즉 우물 바닥이 낮은 에너지의 3 배이다. 다시, QCL의 실제 활성 영역에서, 비율은 3보다 작은데, 이는 배리어들이 유한하고 양자 우물이 결합되었기 때문이다. 이에 개의치 않고, Δ(meV)를 가진 에너지 분리(E54)를 증가시키기 위해, 우물 바닥의 에너지 차이는 Δ/3보다 작지 않도록 구성될 수 있다. 게다가, 마지막 2 개의(a couple of) 배리어들의 변형은 효과를 증대시키기 위해, 활성 영역에서 다른 것들보다 높을 수도 있다.
인젝터의 제 1 부분(또는 활성 영역의 마지막 양자 우물에 인접한 제 1 소수의 양자 우물들)은 활성 영역에서 깊은 우물과 동일한 깊은 우물 구조(배리어 및 우물 물질의 동일한 변형)를 가진다. 이는 반드시 필요한 것은 아니지만, 누설 경로를 위로 연속적으로 밀어내는데 도움을 준다(또는 레벨 5 이상의 상태).
이러한 설계의 일 예시는 도 5에 도시된다. 도 5는 에너지 상태 4와 에너지 상태 5 간의 에너지 차이를 증가시키기 위해, 낮아진 활성 영역에서의 마지막 우물과, 상승된 활성 영역에서의 배리어를 추가로 제시한 밴드 다이어그램을 도시한다. 이 예시에서, 레이저 동작 파장은 약 4.8 ㎛이고, 일부 경우에서 약 3 ㎛ 내지 약 12 ㎛일 수 있다. 도시된 바와 같이, #1, #2, #3 및 #4로 표기된 4 개의 우물들이 활성 영역(502)에 위치한다. 이하에 보다 상세하게 논의되고, 표 1에서 제시된 바와 같이, 활성 영역(402)에서 주요 양자 우물 등의 양자 우물 #4의 바닥부는 다른 양자 우물 바닥부들 아래를 향하여 하향 방향으로 뻗어나가 있다. 이는 갈륨 대 인듐 비율을 변경함으로써 달성될 수 있고, 그 결과 활성 영역에서 다른 양자 우물들과 비교할 시에 갈륨 대 인듐은 적어지게 된다. 부가적으로, 이 실시예에서, 양자 우물 #4의 두께는 바닥 부대역(subband) 에너지가 규칙적인 QCL들에서보다 작지 않도록 하는 두께로 감소될 수 있다. QCL 또는 QCL들의 규칙적인 2-포논 설계의 일부 실시예들에서, 우물 #4는 우물 #3 보다 약 1 내지 약 5 옹스트롬 얇을 수 있다. 이로써, 우물 #3이 약 37 옹스트롬의 두께를 가지는 경우, 우물 #4는 규칙적인 2-포논 설계에서 약 32 옹스트롬 내지 약 36 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 우물 #4의 두께는 단지 29 옹스트롬이고, 그리고 일부 실시예들에서, 특정 실시예들에 따라서 약 25 옹스트롬 내지 30 옹스트롬으로 변화될 수 있다. 상기와 같은 구성은 T0 및/또는 T1을 증가시키는 E54를 증가시킬 수 있다. 이와 유사하게, 일부 실시예들에서, 마지막 배리어 에너지(404)는 활성 영역(402)에서 다른 배리어들의 에너지의 상위 부분을 넘어서 뻗어나갈 수 있다.
이해하여야 하는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 마지막 양자 우물의 바닥부가 활성 영역(402)에서 다른 양자 우물들의 바닥부 아래로 낮아질 수 있는 반면; 일부 실시예들에서, 복수의 마지막 양자 우물들의 바닥부가 낮아질 수 있다. 이와 유사하게, 일부 실시예들에서, 에너지에 있어 복수의 마지막 배리어들은 활성 영역(402)에서 다른 배리어들을 넘어서 뻗어나갈 수 있다.
예시로서, 활성 코어의 일 스테이지/구간의 성장 구조는 표 1에 나열된다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1에서, 활성 영역에 위치한 층들은 별표(*)로 표시된다. 서로 다른 변형을 가진 우물/배리어 물질의 2 개의 세트가 있다. 도 5에서, 레이저 동작 하단부 상태의 파동 함수의 주요 로브는 우물 #3에 위치한다. 우물 #4는 우물 #3(약 65 meV)보다 우물 바닥이 낮고 높은 변형을 가진다. 그 결과, E54의 에너지 차이는 약 90 meV이고, 그리고 일부 실시예들에서 약 80 meV 내지 100 meV이다; 이는 규칙적인 값(40 meV)보다 많이 높다.
부가적으로, 도 5의 구조는 높은 T0 및 T1 값을 증명한다. 평균 T0는 약 177K이고, 약 140K 내지 약 200K의 범위에 속할 수 있으며, 그리고 평균 T1는 실시예에 따라서 약 300K 내지 약 450K의 범위에 속할 수 있는 약 366K이다. 이러한 값들은 통상적인 2-포논 설계의 값(T0은 약 127K일 수 있고, T1는 약 135K일 수 있음)보다 높다. 이와 동시에, 실온 펄스 동작 하의 총 WPE는 2-포논 설계의 통상적인 값인 16%와 유사한 약 15%이다.

Claims (20)

  1. 양자 종속 레이저 구조체에 있어서,
    복수의 양자 우물들 및 복수의 배리어들을 포함하며,
    상기 복수의 양자 우물들 및 복수의 배리어들 중 적어도 일부는 활성 영역을 정의하고,
    상기 활성 영역에서의 레이저 상단부 상태(upper laser state)로부터 전자가 상기 활성 영역에서의 레이저 하단부 상태(lower laser state)로 전이할 시에 광자는 상기 활성 영역에서 방출되고,
    상기 복수의 양자 우물들에서 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역을 정의하고, 상기 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역에서 인접한 양자 우물 아래로 뻗어나가며, 그리고 상기 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역에서 상기 인접한 양자 우물의 두께보다 작은 두께를 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성 영역은 4 개의 양자 우물들을 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 배리어들에서 마지막 배리어는 상기 복수의 배리어들 중 다른 배리어들보다 큰 높이를 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  4. 청구항 3에 있어서,
    2 개의 에너지 상태 간의 에너지 차이는 생성되고, 레이저 상단부 상태 4와 기생 상태 5 간의 차이를 포함하며, 그리고 상기 에너지 차이는 적어도 약 80 meV인 양자 종속 레이저 구조체.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 마지막 배리어는 알루미늄 및 인듐을 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 마지막 배리어에서의 알루미늄 대 인듐의 비율은 상기 활성 영역에서 다른 배리어들의 것보다 높은 양자 종속 레이저 구조체.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 활성 영역에서의 마지막 배리어는 상기 활성 영역에서의 다른 배리어들의 두께보다 큰 두께를 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 마지막 양자 우물의 두께는 상기 활성 영역에서 상기 인접한 양자 우물의 두께보다 약 5 옹스트롬 이상이 적은 양자 종속 레이저 구조체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 마지막 양자 우물은 GaxIn1-xAs를 포함하는 물질을 포함하고, 이때 상기 x는 0에서 1로 변화하는 양자 종속 레이저 구조체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 배리어들은 AlyIn1-yAs을 포함하는 물질을 포함하고, 이때 상기 y는 0에서 1로 변화하는 양자 종속 레이저 구조체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성 영역은 활성 코어 내에 존재하고, 상기 양자 종속 레이저 구조는 클래딩 층을 더 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 활성 코어 및 상기 클래딩 층은 인듐 포스파이드(InP) 기판 상에서 성장하는 양자 종속 레이저 구조체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 마지막 양자 우물은 갈륨 및 인듐을 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 마지막 양자 우물에서의 갈륨 대 인듐 비율은 상기 활성 영역에서 상기 복수의 양자 우물들 중 적어도 하나의 것보다 작은 양자 종속 레이저 구조체.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 양자 우물들 및 상기 복수의 배리어들은 주입 영역을 정의함으로써, 전자는 상기 활성 영역으로부터 인접한 다음 활성 영역으로 이동하되, 상기 주입 영역을 통하여 이동하는 양자 종속 레이저 구조체.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 주입 영역은 입구용 양자 우물을 포함하고, 이때 상기 입구용 양자 우물은 상기 활성 영역에서 상기 복수의 양자 우물들 중 적어도 하나보다 큰 깊이를 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 주입 영역은 추가 배리어를 포함하고, 이때 상기 추가 배리어는 상기 활성 영역에서 상기 복수의 배리어들 중 적어도 하나보다 큰 높이를 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 양자 종속 레이저 구조의 레이저 동작 파장은 약 3 ㎛ 내지 약 12 ㎛인 양자 종속 레이저 구조체.
  19. 양자 종속 레이저 구조체에 있어서,
    적어도 하나의 레이저 코어, 및 도파관 구조를 형성하는 적어도 하나의 클래딩 층을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 레이저 코어는 복수의 양자 우물들을 정의하는 제 1 타입의 반도체 물질을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 레이저 코어는 복수의 배리어들을 정의하는 제 2 타입ㄴ의 반도체 물질을 포함하고,
    상기 복수의 양자 우물들 및 상기 복수의 배리어들은 활성 영역을 정의함으로써, 상기 활성 영역에서의 레이저 상단부 상태로부터 전자가 상기 활성 영역에서의 레이저 하단부 상태로 전이할 시에 광자는 상기 활성 영역에서 방출되고,
    상기 복수의 양자 우물들 및 상기 복수의 배리어들은 주입 영역을 정의함으로써, 전자가 일 측 활성 영역으로부터 인접한 다음 활성 영역으로 이동하되, 상기 주입 영역을 통하여 이동하며; 그리고
    상기 복수의 양자 우물들 중 적어도 하나의 마지막 양자 우물은, 바이어스가 인가되지 않을 시에, 상기 활성 영역에서 주요 양자 우물 아래로 뻗어나가는 바닥부를 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
  20. 양자 종속 레이저 구조체에 있어서,
    4 개의 양자 우물들 및 복수의 배리어들을 활성 영역에서 포함하며,
    상기 활성 영역은 광자를 방출하도록 구성되고,
    상기 활성 영역에서의 마지막 양자 우물은 상기 활성 영역에서의 다른 양자 우물들 아래로 뻗어나가는 바닥부를 포함하고,
    상기 활성 영역에서의 마지막 배리어는 상기 활성 영역에서의 다른 배리어들을 넘어 뻗어나가는 상위 부분을 포함하고, 이로 인해, 에너지 상태 4와 에너지 상태 5 간의 E54의 에너지 차이는 증가하며; 그리고
    상기 마지막 배리어는 상기 활성 영역에서 상기 다른 배리어들의 두께보다 큰 두께를 포함하는 양자 종속 레이저 구조체.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2892581A1 (en) 2012-11-30 2014-06-05 Thorlabs Quantum Electronics, Inc. Multiwavelength quantum cascade laser via growth of different active and passive cores
WO2014085435A1 (en) 2012-11-30 2014-06-05 Corning Incorporated Monolithic wide wavelength tunable mid-ir laser sources
EP3075040B1 (en) * 2013-11-30 2018-08-08 Thorlabs Quantum Electronics, Inc. Quantum cascade laser
WO2016147450A1 (ja) * 2015-03-13 2016-09-22 株式会社 東芝 量子カスケードレーザ
JP7407546B2 (ja) * 2019-09-24 2024-01-04 株式会社東芝 量子カスケードレーザ

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5978397A (en) 1997-03-27 1999-11-02 Lucent Technologies Inc. Article comprising an electric field-tunable semiconductor laser
JP2003502847A (ja) 1999-06-14 2003-01-21 アウグスト，カルロス・ジヨタ・エルリ・ペー 積み重ね型波長選択オプトエレクトロニクス装置
DE10143956A1 (de) 2001-09-07 2003-04-03 Fraunhofer Ges Forschung Quantenkaskadenlaser
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
US7558305B2 (en) * 2003-12-31 2009-07-07 Wisconsin Alumni Research Foundation Intersubband mid-infrared electroluminescent semiconductor devices
US7266279B1 (en) * 2005-03-25 2007-09-04 Hrl Laboratories, Llc Optically pumped stepped multi-well laser
US7403552B2 (en) 2006-03-10 2008-07-22 Wisconsin Alumni Research Foundation High efficiency intersubband semiconductor lasers
US7408966B2 (en) 2006-08-18 2008-08-05 Wisconsin Alumni Research Foundation Intersubband quantum box stack lasers
US20090056418A1 (en) 2007-08-30 2009-03-05 Honeywell International Inc. Method and System for Groundwater Contaminant Monitoring
JP5171539B2 (ja) 2007-11-29 2013-03-27 キヤノン株式会社 共鳴トンネル構造体
JP5248881B2 (ja) * 2008-02-28 2013-07-31 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケードレーザ
JP2010165994A (ja) * 2009-01-19 2010-07-29 Hamamatsu Photonics Kk 量子カスケードレーザ
JP5523759B2 (ja) 2009-07-31 2014-06-18 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケードレーザ
US8259767B2 (en) 2009-12-16 2012-09-04 Wisconsin Alumni Research Foundation High-power quantum cascade lasers with active-photonic-crystal structure
US8121164B1 (en) * 2009-12-22 2012-02-21 Pranalytica, Inc. Quantum cascade laser: bias-neutral design
JP2011151249A (ja) * 2010-01-22 2011-08-04 Hamamatsu Photonics Kk 量子カスケードレーザ

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