TW201332239A - 具有梯狀井活性區之量子級聯雷射設計 - Google Patents

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Abstract

本發明包括量子級聯雷射結構之實施例。一些實施例包括複數個量子井及複數個障壁，該複數個量子井與該複數個障壁中之至少一部分界定活性區。在一些實施例中，當電子自活性區中之雷射高能態躍遷至活性區中之雷射低能態時，在活性區中發射光子。此外，複數個量子井中之最終量子井可界定活性區，其中最終量子井在活性區中之相鄰量子井之下延伸。類似地，最終量子井可包括厚度，該厚度小於活性區中之相鄰量子井之厚度。

Description

具有梯狀井活性區之量子級聯雷射設計 【相關申請案之交叉引用】
本申請案根據專利法主張2011年11月29日申請之美國臨時申請案第61/564375號之優先權利，本申請案依賴於該案之內容且該案之內容全文以引用之方式併入本文中。
本揭示案係關於在高溫下具有高等幅波(CW)功率之量子級聯雷射(QCL)，該量子級聯雷射可用於紅外線反制、熱準直瞄準裝置、氣體感測及/或高環境溫度下之其它應用。本揭示案之概念將享有在使用多波長雷射之各種領域中之廣泛適用性。
先前技術之缺陷仍然存在。本發明目的在於解決此等缺陷及/或提供對先前技術之改良。
本揭示案係針對量子等幅波雷射裝置之實施例。本揭示案之實施例可用高溫度效能操作。更具體地，不同於傳統直接帶隙半導體雷射，量子級聯雷射(QCL)為單極裝置。QCL大體上在中紅外及遠紅外波長範圍中發射光。大體言之，QCL在高溫下遭受效能退化。本文中所揭示之實施例克服或減少該等缺陷，如下文所述。
根據本揭示案之一個實施例，可提供量子級聯雷射結構。一些實施例包括複數個量子井及複數個障壁，該複數個量子井與該複數個障壁中之至少一部分界定活性區。在一些實施例中，當電子自活性區中之雷射高能態躍遷至活性區中之雷射低能態時，在活性區中發射光子。此外，複數個量子井中之最終量子井可界定活性區，其中最終量子井在活性區中之相鄰量子井之下延伸。類似地，最終量子井可包括厚度，該厚度小於活性區中之相鄰量子井之厚度。
根據本揭示案之另一實施例，本文所揭示之實施例包括可提供量子級聯雷射結構。一些實施例包括形成波導結構之至少一個雷射芯及至少一個覆蓋層，至少一個雷射芯包括界定複數個量子井之第一類型之半導體材料，至少一個雷射芯可包括界定複數個障壁之第二類型之半導體材料。複數個量子井及複數個障壁可界定活性區，以使得當電子自活性區中之雷射高能態躍遷至活性區中之雷射低能態時，在活性區中發射光子。類似地，複數個量子井及複數個障壁可界定注射器區，以使得電子經由注射器區自一個活性區傳輸至下 一個相鄰活性區。進一步地，複數個量子井中之至少一個最終量子井可包括底部，在未施加偏壓時，該底部在活性區中之主要量子井之下延伸。
根據本揭示案之另一實施例，本文所揭示之實施例包括可提供量子級聯雷射結構。一些實施例包括活性區中之最終量子井包括在活性區中之其它量子井之下延伸之底部。類似地，活性區中之最終障壁可包括延伸超過活性區中之其它障壁之頂部(例如，具有大於活性區中之至少一個其它障壁之高度)，從而增加介於能態4與能態5之間的能量差E54。最終障壁可包括一厚度，該厚度大於活性區中之至少一個其它障壁之厚度。
100‧‧‧量子級聯雷射
102‧‧‧基板
104‧‧‧下覆蓋層
106‧‧‧活性芯
106a‧‧‧層級
106b‧‧‧層級
114‧‧‧障壁
116‧‧‧井
200‧‧‧能帶圖
202a‧‧‧注射器區
202b‧‧‧注射器區
204a‧‧‧雷射高能態
204b‧‧‧雷射低能態
206‧‧‧活性區
208a‧‧‧量子井
208b‧‧‧量子井
208c‧‧‧量子井
208d‧‧‧量子井
302‧‧‧雷射高能態
304a‧‧‧能量差
304b‧‧‧能量差
402‧‧‧活性區
402a‧‧‧障壁
402b‧‧‧障壁
404‧‧‧最終障壁能量
當結合以下圖式閱讀時，可最佳理解本揭示案之特定實施例之以下詳細描述，其中相同結構用相同元件符號指定且其中：第1圖為量子級聯雷射之示意圖，該量子級聯雷射包括活性芯內之量子井及障壁；第2圖描繪帶圖，圖示QCL(諸如，來自第1圖之QCL)中之光子之發射；第3圖描繪帶圖，進一步圖示介於能態4與能態5之間的增加之差；第4圖描繪帶圖，進一步圖示介於能態3與能態4之間的增加之差；及 第5圖描繪帶圖，進一步圖示活性區中之最終井經降低及活性區中之障壁經升高以增加介於能態4與能態5之間的能量差。
第1圖為量子級聯雷射(QCL)100之示意圖，該量子級聯雷射(QCL)100包括活性芯內之複數個量子井及複數個障壁。QCL 100包括基板102，該基板102可由磷化銦(InP)或其它半導體化合物組成。此外，至少一個覆蓋層(諸如下覆蓋層104)可生長在可由低摻雜磷化銦組成之基板102上且可界定波導結構。至少一個雷射芯(諸如活性芯106)亦包括於QCL 100中，該雷射芯可包括複數個層級106a、106b。活性芯106中之層級106a、層級106b可由一系列極薄半導體層組成，該一系列極薄半導體層可為障壁114及井116，該等障壁114及該等井116由交替地生長在彼此頂部上之兩個半導體材料構成。兩個半導體材料之傳導帶能量之差異形成耦接量子井，在該等耦接量子井中定位量子化電子能態。取決於特定實施例，量子井可由GaxIn1-xAs組成，而障壁可由AlyIn1-yAs組成，其中x與y兩者均小於或等於1。
第2圖描繪帶圖200，圖示QCL(諸如，來自第1圖之QCL 100)中之活性芯之單一活性層級之帶圖。如所圖示，以電子伏特(eV)計之能量圖示於y軸上，而以奈米(nm)計之距離圖示於x軸上。一個活性層級為注射器區202a、202b及活性區206之複合物。注射器區202a、202b可包括入口量 子井與出口量子井之組合物，該等出口量子井具有大於活性區206中之複數個量子井中之至少一者之深度。類似地，注射器區可包括入口量子井，該入口量子井包含大於活性區中之複數個量子井中之至少一者之深度。電子可經由注射器自一個活性區域躍遷至下一個相鄰活性區。在行進期間，存在電子可自一個狀態轉變至另一狀態之某些可能性。當電子在活性區206中自雷射高能態204a轉變至雷射低能態204b時，可發射光子。換言之，在第2圖所示之QCL之特定設計中，活性區206為幾個量子井208a、208b、208c、208d與介於該等井之間的障壁之組合，其中能態經精心設計以便致能電子之光躍遷。介於雷射高能態204a與雷射低能態204b之間的能量差對應於所發射之光子之能量。此能量差可表達為：△E=hv=h*(c/λ)，其中h為普朗克常數；c為光速；λ為所發射光子之波長。
已在自3.8 μm至5 μm之波長範圍中證實QCL之大功率(瓦特級)等幅波(CW)室溫操作。然而，CW操作中之輸出功率及插接效率(WPE)大體上小於脈衝操作中之輸出功率及插接效率，係因為雷射芯中之內部加熱使雷射效能退化。由於QCL之低插接效率，故不可避免內部加熱。然而，若設計QCL使得在溫度增加時獲得高溫度效能或較低效能退化，則與其它常規設計相比，QCL結構可在CW操作中更好地執行。具有高溫度效能之QCL對大功率、高插接效率及未冷卻操作係有吸引力的，以減少散熱要求及包裝尺寸。
QCL之溫度效能特徵在於具有兩個參數，T0及T1。 T0係指臨限值如何隨著溫度變化且T0由公式Jth=J0exp(T/T0)界定，其中Jth為臨限值電流密度，T為(在脈衝條件下之)操作溫度，且J0為特徵臨限值電流密度。T1表示隨著溫度增加之斜度效率之降低且T1由以下公式界定：η=η0 exp(-T/T1)，其中η為斜度效率且η0為特徵斜度效率。大體言之，T0及T1之值針對雙聲子設計在約100 K至約200 K之範圍中。
第3圖描繪帶圖，進一步圖示介於能態4與能態5之間的增加之差。如所圖示，以電子伏特(eV)計之能量圖示於y軸上，而以奈米(nm)計之距離圖示於x軸上。在雷射高能態302之上的整個寄生能態(狀態5及狀態6)內之電子洩露係不良溫度效能之一個原因。QCL之一些設計具有介於寄生態與雷射高能態之間的高能量分離。因此，約84 meV之E54(304a)之高能值與約185 meV之E64(304b)之高能值引起高T1值(約450 K且在一些實施例中自約400 K至約500 K)。然而，T0可為約180 K(且在一些實施例中自約150 K至約200 K)。
第4圖描繪帶圖，進一步圖示介於能態3與能態4之間的增加之差。如所圖示，以電子伏特(eV)計之能量圖示於y軸上，而以奈米(nm)計之距離圖示於x軸上。此外，具有高E43達成高溫度效能之結構如圖示於第3圖中。在第3圖與第4圖中，增加E54值之類似策略可能包括針對活性區中之最後一對量子井增加障壁402的有效高度，或增加介於第一障壁(靠近注入障壁)與最後一個或兩個障壁402a、402b(靠近萃取障壁)之間的有效障壁高度差。若使最後兩個障壁 402a、402b較薄或較高，則將向上推動處於雷射高能態之上的寄生態4，係因為寄生態4之電子分佈密度在障壁中為高。然而，同時，將較少地向上推動雷射高能態3，係因為能態3之電子分佈密度在該等障壁中較小。此即為能量差E43如何自典型40 meV增加到100 meV(且在一些實施例中，E43範圍自約80 meV至約120 meV)。一些實施例可用此設計達成高T1(約640 K且在一些實施例中自約600K至約700 K)且同時達成比常規結構高之T0(約380 K且在一些實施例中自約350 K至約450 K)。
如下文關於第5圖更詳細論述，本文中所揭示之實施例亦具有QCL中之增加之能量差E54。障壁之傳導帶能級不僅針對最終障壁或最終少量障壁增加，而且在該所揭示之實施例中，與活性區中之先前井之傳導帶能級相比，最終井(或最終少數井)之底部之傳導帶能級降低。
降低至少一個最終量子井之底部可能不僅導致降低能級5，而且導致升高能級5，以藉由減少井之厚度針對雷射低能態之效率減少保持自1至3之相同能級。藉由該等相反效應決定能量差E54。主要由最終量子井之第二量子化能級決定能級5，且主要由最終量子井之第一能級決定能級1(或能級2)。
簡單實例可包括具有無限障壁之單一量子井。前兩個能態相對於一維無限量子井之能量位置遵循以下公式：e(n)=n^2*h^2/(8*m*L^2)，其中n為狀態之數目；h為普朗克常數；m為粒子質量(此實例中之電子質量)，且L為量子井 之厚度。因此，e(1)為h^2/(8*m*L^2)；e(2)為4*h^2/(8*m*L^2)，且差e2-e1=3*h^2/(8*m*L^2)。藉助於能級1(處於能量空間中)之固定位置及(藉由降低井之底部)增加之e1，必須減少L。接著，藉助於能級1之固定位置及減少之L，由於e2-e1之增加的值可增加能級2之能量位置。
儘管在量子級聯雷射之真實情況中，活性區實際上由具有無限障壁之耦接量子井構成，但基本原則仍適用：隨著減少之厚度及井之降低之底部，第二能級之能量(或第5圖中之E5)將增加。同時，將更少影響雷射高能態(E4)。因此，在無對其它能態具有較大影響之改變的情況下，可顯著增加介於能態5與能態4之間的能量差(E54)。
因此，本文中所揭示之實施例包括具有量子井之量子級聯雷射活性區，與定位了雷射低能態波函數之主瓣之量子井相比，該量子井具有較低傳導帶能量(例如，更多富銦GaInAs)。用此組件，階梯狀量子井區形成在活性區中。此情況可產生達成高T0及T1之高E54，而不引入對雷射效能之其它負面影響。已證實較好等幅波(CW)效能，即較高CW輸出功率及插接效率(WPE)。
在QCL結構之活性區中，存在應變井與障壁材料之組合物之多於一個的集合，例如，InxGa1-xAs/InyAl1-yAs。井材料之應力(較高x)越高，井之底部之能量位置越低。在實施例中，在活性區中，且當活性區處於操作偏壓下時，存在至少一個井，與定位了雷射低能態之波函數之主瓣的井相比，該至少一個井具有較高壓縮應力。效應為增加介於雷射 高能態與雷射高能態之上的寄生態之間的能量分離(或能量差E54)。就(上文所述之)具有無限障壁之單一量子井而言，e2-e1之增加係e1之增加的3倍，亦即，係降低井之底部之能量的3倍。又，在QCL之真實活性區中，由於無限障壁及耦接量子井，比率小於3。然而，為對能量分離(E54)增加△(meV)，井之底部之能量差可經配置以不小於△/3。此外，最後一對障壁之應力亦可高於活性區中之其它障壁，以增強效應。
注射器之第一部分(或鄰近活性區之最終量子井之前幾個量子井)具有與活性區中之深井相同的深井結構(障壁與井材料之相同應力)。此情況不係必要的，但有助於將洩露路徑向上推至連續體(或能級5之上的狀態)。
此設計之一個實例圖示於第5圖中。第5圖描繪帶圖，進一步圖示活性區中之最終井經降低及活性區中之障壁經升高來增加介於能態4與能態5之間的能量差。此實例中之雷射波長為約4.8 μm且在一些情況下可為自約3 μm至約12 μm。如所圖示，活性區502中存在四個井，標記為#1、#2、#3及#4。如下文更詳細論述及表1中所圖示，已在其它量子井(諸如，活性區402中之主要量子井)之底部之下，向下延伸量子井#4之底部。此舉可藉由改變鎵與銦之比例實現，以使得當與活性區中之其它量子井相比時，存在較小的鎵銦比。此外，在此實施例中，可將量子井#4之厚度減少至一厚度，以使得底部子帶能量不低於常規QCL中之底部子帶能量。在QCL之一些實施例或在QCL之常規雙聲子設計中，井 #4可比井#3薄約1埃至約5埃。因此，若井#3為約37埃厚，則在常規雙聲子設計中，井#4可能具有自約32埃至約36埃之厚度。在此實施例中，井#4之厚度僅為29埃，且在一些實施例中，該厚度可取決於特定實施例自25埃至30埃變化。此種配置可增加E54，此舉增加T0及/或T1。類似地，在一些實施例中，最終障壁能量404可延伸超過活性區402中之其它障壁之能量之頂部。
應理解，當在一些實施例中時，可將最終量子井之底部降低低於活性區402中之其它量子井之底部；在一些實施例中，可降低複數個最終量子井之底部。類似地，在一些實施例中，複數個最終障壁可在能量中延伸超過活性區402中之其它障壁。
例如，活性芯之一個層級/階段之生長結構列於表1中。
在表1中，用星號(*)標記位於活性區中之層。存在具有不同應力之井/障壁材料之兩個集合。在第5圖中，雷射低能態之波函數之主瓣位於井#3中。與井#3(約65 meV)相比，井#4具有較高應力及較低井底。因此，能量差E54為約90 meV且在一些實施例中，介於約80 meV與100 meV之間；能量差E54遠高於常規值(40 meV)。
此外，第5圖之結構證實高T0值及高T1值。平均T0為約177 K且範圍可自約140 K至約200 K，且平均T1為約366 K，取決於實施例，該平均T1範圍可自約300 K至約450 K。該等值高於典型雙聲子設計之值(T0可為約127 K且T1可為約135 K)。同時，類似於雙聲子設計之16%之典型值，室溫脈衝操作下之總WPE為約15%。
100‧‧‧量子級聯雷射(QCL)
102‧‧‧基板
104‧‧‧下覆蓋層
106‧‧‧活性芯
106a‧‧‧層級
106b‧‧‧層級
114‧‧‧障壁
116‧‧‧井

Claims (10)

  1. 一種量子級聯雷射結構，該量子級聯雷射結構包含複數個量子井及複數個障壁，該複數個量子井與該複數個障壁中之至少一部分界定一活性區，其中：當一電子自該活性區中之一雷射高能態躍遷至該活性區中之一雷射低能態時，在該活性區中發射一光子；該複數個量子井中之一最終量子井界定該活性區，該最終量子井在該活性區中之一相鄰量子井之下延伸；以及該最終量子井包含一厚度，該厚度小於該活性區中之該相鄰量子井之一厚度。
  2. 如請求項1所述之量子級聯雷射結構，其中該活性區包含4個量子井。
  3. 如請求項1所述之量子級聯雷射結構，其中該複數個障壁中之一最終障壁包含一高度，該高度大於該複數個障壁中之其它障壁。
  4. 如請求項3所述之量子級聯雷射結構，其中形成介於兩個能態之間的一能量差且該能量差包含介於一雷射高能態4與一寄生態5之間的一差，且其中該能量差為至少約80 meV。
  5. 如請求項3所述之量子級聯雷射結構，該最終障壁包含 鋁及銦。
  6. 如請求項5所述之量子級聯雷射結構，其中該最終障壁中之一鋁與銦之比例高於該活性區中之該等其它障壁之該鋁與銦之比例。
  7. 如請求項3所述之量子級聯雷射結構，其中該活性區中之該最終障壁包含一厚度，該厚度大於該活性區中之該等其它障壁之厚度。
  8. 如請求項1所述之量子級聯雷射結構，其中該最終量子井之一厚度大於約5埃且小於該活性區中之該相鄰量子井之一厚度。
  9. 如請求項1所述之量子級聯雷射結構，其中該最終量子井包含一材料，該材料包括GaxIn1-xAs，其中x自0至1變化。
  10. 如請求項1所述之量子級聯雷射結構，其中該複數個障壁包含一材料，該材料包括AlyIn1-yAs，其中y自0至1變化。
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