专利名称：雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种量子子能带间跃迁半导体激光器，更具体地，涉及一种利用小型结构提供高功率中/远红外线的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器。
背景技术：
R.F Kazarinov等写的论文(Sov.Phys.Semiconductor，5(4)，707-709页(1971))预见了在半导体超晶格结构中放大电磁波的可能性。由S.J.Borenstein等写的论文(Appy.Phys.Lett.55(7)，654-656页(1989))，由Q.Hu等写的论文(Appl.Phys.Lett.59(23)，2923-2925页(1991))，由A.Katalsky等写的论文(Appl.Phys.Lett.59(21)，2636-2638页(1991))，和由W.M.Yee等写的论文(Appl.Phys.Lett.63(8)，1089-1091(1993页))预见了通过受激辐射(LASER)，单极量子子能带间跃迁量子阱半导体光放大的可能性。
同样的，本领域的专家已经注意到几种类型的单极量子子能带间跃迁半导体激光器的优点。例如，它包括不被能带隙的电子和空穴的复合限制的频率特性、由线宽增加因子的不存在理论产生的窄线宽、比传统双极半导体激光器更低的激光阈值的温度依赖性等。
如果适当地设计单极量子子能带间跃迁半导体激光器，它能够以中红外(IR)到亚毫米光谱区的波长发射光。例如，通过在量子阱(QW)限制能级之间的载流子光跃迁，能以约3到大于100微米的波长发射光。在宽光谱范围以上的相同异质结的基础上设计发射光的波长。这样的波长不能利用传统的半导体激光二极管得到。
并且，由于单极量子子能带间跃迁半导体激光器能够在III-V化合物半导体材料系(例如在GaAs、InP等基础上的异质结)的基础上制造，且III-V化合物半导体材料系具有相对大的能带隙和在技术上已经成熟，所以不需要使用易于受温度影响的和工艺复杂的能带隙小的材料，例如PbSnTe。
实现单极量子子能带间跃迁半导体激光器的传统技术包括在多重量子阱结构的基础上的典型谐振结构。例如，W.M.Yee等写的论文(“Carriertransport and intersubband population inversion in couple quantumwell”，Appl.Phys.Lett.63(8)，1089-1091页(1993))中提供了两种耦合的量子阱结构。耦合的量子阱结构包括分别夹在能量过滤器(energy filter)阱之间的发射量子阱。量子阱结构夹在n掺杂注入极(injector)和集电极区之间。
在1994年，首先，Capasso等设计和制造了称为量子级联激光器(quantum cascade laser)的单极量子子能带间跃迁半导体激光器，其首先在GaInAs/AlInAs材料体系的基础上以约4.2微米的波长发射光。量子级联激光器也能利用其它材料体系实现，并且很容易为从宽光谱选择的波长产生激光而设计。
量子级联激光器包括具有成为发光区的多层的半导体量子阱(QW)有源区，且这个QW有源区通过能量弛豫区(载流子注入)从邻近有源区隔开。例如，它可以设计，使得选择在相同量子阱产生的垂直跃迁或在相邻量子阱的量子限制能级之间的对角线跃迁作为在QW有源区中的限制能级态之间的光发射光跃迁。
中到远红外波长波段的单极量子子能带间激光二极管可以在更广泛领域如污染监测、过程控制和汽车中应用。特别地，能够发射中红外的量子级联半导体激光器在商业和学术方面吸引了大量的注意。
然而，传统的量子级联激光器被构造以使得当发射N个光子时，一个电子穿过由QW有源区和能量弛豫区构成的基本单位单元结构的N层叠层(周期)。为了得到足够的光功率，应该形成～25至70或更多的叠层(周期)的基本单位单元。因此，由于应当通过分子束外延(MBE)来外延生长复杂的多层，传统的量子级联激光器很难制造，因此，作为技术工艺的现状，限制了它的研究和研发。
发明内容
本发明涉及一种由于由很少数量的叠层(周期)构成的简单小型结构，而易于制造的量子子能带间跃迁半导体激光器设备。
本发明也涉及一种量子子能带间跃迁半导体激光器设备，其通过注入多个载流子到QW有源区的上跃迁能级以在发光跃迁状态之间得到高的粒子数反转，而能够得到高功率，其中载流子穿过PIN型或PN型载流子倍增层结构时倍增。
本发明一方面提供一种量子级联子能带间跃迁半导体激光器，其包括在半导体衬底上形成的第一覆盖层、有源区、和第二覆盖层，其中有源区包括N个周期的单位单元结构，其中单位单元结构组成为用于倍增载流子的PIN型载流子倍增层结构、用于释放载流子的能量和把载流子注入到QW有源区的载流子引导层，例如漏斗形(funnel)注入极、和载流子注入到其中并经历光跃迁的QW有源区。
本发明的另一方面是提供一种量子级联子能带间跃迁半导体激光器，其包括在半导体衬底上形成的第一覆盖层、有源区、第二覆盖层，其中有源区包括N个周期(层)单位单元结构，其中单位单元结构包括用于倍增载流子的载流子倍增层、例如漏斗性注入极的用于释放载流子的能量和把载流子注入到QW有源区中的载流子引导层、和载流子注入到其中并在其中产生光跃迁的QW有源区的组合。
本发明的另一方面是提供一种量子子能级间跃迁半导体激光器，其包括在半导体衬底上形成的第一覆盖层、有源区、第二覆盖层，其中有源区包括N个周期(层)的单位单元结构，其中单位单元结构包括用于倍增载流子的载流子倍增层、用于释放载流子的能量和把载流子注入到QW有源区中的载流子引导层、在其中注入载流子由此产生光学跃迁的QW有源区和载流子能量释放层、。
激光器可以进一步包括半导体衬底；第一覆盖层；在第一覆盖层和有源层之间形成的第一波导层；在有源区和第二覆盖层之间形成的第二波导层。
载流子倍增层结构和QW有源区的组合可以重复的层叠，载流子倍增层结构、载流子引导层和QW有源区的组合可以重复地层叠，或载流子倍增层结构、载流子引导层、QW有源区和载流子能量释放层的组合可以重复地层叠。
载流子引导层、QW有源区和能量释放层可以具有多重量子阱结构或超晶格结构。
通过参考附图详细描述优选实施例，本领域的技术人员将更加清楚本发明的上述和其它特征和优点，其中图1是根据本发明的示例实施例的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器的截面图。
图2到4是根据本发明的示例实施例的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器的导带能带图。
具体实施例方式
由于传统的中/远红外量子级联激光器具有当发射N个光子时，一个电子穿过N层单位单元结构的叠层(周期)结构，其需要25至70或更多数量的叠层以得到足够的光功率。因此，该结构是复杂，且难以生长量子级联激光器结构。
本发明形成一种载流子倍增层结构，其包括用于在其中产生子能带间辐射跃迁的QW有源区之间产生载流子倍增的PIN型层、和用于释放倍增载流子能量和把倍增载流子注入到邻近QW有源区的上跃迁能级的载流子导向层。本发明提高了到QW有源区中的载流子的注入效率以得到了高的粒子数反转，由此即使利用简单小型的叠层(周期)也能得到了高功率，由此有利于制造。
在下文中，详细描述了本发明的示例实施例。然而，本发明并不局限下面描述的实施例，而且可以以不同类型实施。因此，为了完整公开本发明和为了对本领域技术人员完全地传达本发明的范围而提供本实施例。
图1是根据本发明的示例实施例的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器的截面图。
在由InP制成的半导体衬底上形成下覆盖层20和波导层30。这里，下覆盖层20由厚度为1微米或更小的InP制成，波导层30由厚度为1微米或更小的InGaAs制成。由InGaAs/InAlAs的QW有源区41、InAlAs/InAlGaAs的载流子引导层结构42和载流子倍增层43构成的单位单元结构可以形成在波导层30上。单位单元结构，即QW有源区41、载流子引导层结构42和载流子倍增层结构43的组合可以被重复地层叠两到更多次数，优选两次或十次。
在发射光波长设计基础上，可以形成QW有源区41以具有未掺杂的InGaAs/InAlAs倍增量子阱结构或多晶硅结构。其可以形成以具有如图1所示的多重量子阱结构、InGaAs量子阱层41a和InAlAs量子阻挡层41b的叠层(周期)。换句话说，可以使用垂直跃迁量子阱结构或对角跃迁量子阱结构，和可以使用一个、两个、三个和四个量子阱结构或多重量子阱结构。
可以形成QW有源区(41)以具有InGaAs/InAlAs多重量子阱结构或InGaAs/InAlAs超晶格结构。换句话说，如图1中所示，载流子引导层结构42可以形成以具有InGaAs量子阱层42a和InAlAs量子阱阻挡层42b的叠层。
载流子倍增层结构43包括n型掺杂层43a、未掺杂倍增层43b、和p型电荷层43c。N型掺杂层43a由n-InGaAs或n-InAlAs形成且具有500的厚度。在工作中，倍增层43b能够允许采用强度大于～105V/cm的电场，该倍增层由厚度为1500或更小的未掺杂的InGaAs或InAlAs形成，用于中度的载流子的雪崩倍增。P电荷层43c由p-InGaAs或p-InAlAs形成且具有500或更小的厚度。
波导层50和覆盖层60形成在上述结构上。这里，覆盖层60由InP形成且具有1微米或更小的厚度，波导层50由InGaAs形成且具有1微米和更小的厚度。在衬底10的底表面和在覆盖层60上方分别形成电极81和82。为了增强在电极82和覆盖层60之间的欧姆接触特性，发射级接触层70可以由导电材料例如n+-InGaAs形成以在电极82和覆盖层60之间具有几千的厚度。
换句话说，覆盖层20和波导层30形成在半导体衬底10上，QW有源区41、载流子导向层42和载流子倍增层结构43在波导层30上形成。此时，单位单元结构，即QW有源区41、载流子引导层(42)结构和载流子倍增层结构43的组合可以在波导层30上重复地层叠两次或更多次，优选地，层叠两到十次。
下面参考附图2到4描述本发明上述结构的量子子能带间跃迁半导体激光器的工作。
本发明的量子子能带间跃迁半导体激光器包括单位单元结构，其由载流子倍增层结构43和载流子引导层结构42构成，载流子倍增层结构43在产生光跃迁的QW有源区41之间具有载流子倍增层43b，且载流子引导层结构42用于引导倍增载流子以注入到邻近QW有源区41的上跃迁能级。因此，注入到上跃迁能级的载流子在数量上增加，结果增加了注入效率，由此在QW有源区4l的光跃迁量子限制能级之间得到了高粒子束反转，而得到了高功率的量子子能带间跃迁激光器。
当为电极81和82施加电压时，载流子穿过载流子倍增层结构43而当由具有厚度为1500或以下的相对薄的倍增层43b中的碰撞电离引起的载流子倍增来增加载流子数量，即通过中度的雪崩倍增。
在倍增层43b中的载流子倍增通过载流子引导层结构42引导和注入到邻近QW有源区41的跃迁能级中，由此把能量释放到注入到QW有源区的注入能级中。换句话说，载流子引导层结构42引导倍增和能量分布广的载流子以具有窄的能量分布，且把载流子能量释放以注入载流子到QW有源区41中。在QW有源区41中经受量子子能带间跃迁的载流子依次穿过下一个邻近的载流子倍增层结构43和然后再一次被倍增。通过载流子的连续倍增，与传统的量子级联激光器结构相比，可以利用更少重复的单位单元结构得到光功率的大增益。
例如，假定单位单元结构，即QW有源区41、载流子引导层结构42和载流子倍增层结构43的组合重复层叠N次，载流子在一个倍增层中倍增“m”次，注入的一个载流子可以被倍增mN次，结果也可以产生mN个光子。
因此，与其中一个电子穿过N个级联叠层(周期)而产生N个光子的传统的量子级联激光器(QCL)相比，本发明的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器的优势在于利用简单小型的结构能够得到高功率。特别地，可以使用具有小厚度的倍增层结构，从而提高增益、速度和稳定性。
上述结构的量子子能带间跃迁半导体激光器的发射光波长由与QW有源区41相对应的量子阱结构的限制能级确定。
图2是根据本发明的示例实施例的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器的导带图。
雪崩量子子能带跃迁半导体激光器包括由QW有源区41、载流子引导层结构42和载流子倍增层结构43构成的单位单元结构。在这种情况下，QW有源区41具有超晶格结构，载流子引导层结构42具有多重量子阱或超晶格结构。
参考图2，在施加电压下的倍增电子由载流子引导层结构42引导，并注入到在具有超晶格结构的邻近QW有源区41的Es2子带中。这里，在Es2子带和Es1子带之间的粒子束反转导致了辐射光跃迁，由此发射多个光子，跃迁到具有低能量的Es1子带的电子再次顺序穿过下一个邻近的载流子倍增层结构43并被倍增。换句话说，载流子引导层结构42引导倍增的和宽能量分布的电子以具有窄的能量分布，并把电子能量释放以把电子注入到下一个邻近的QW有源区41的Es2子带中。载流子再次经历在QW有源区41中的量子子能带间跃迁，再次顺序穿过下一个邻近的载流子倍增层43和再一次被倍增，并穿过载流子引导层结构42和QW有源区41，由此通过这样的顺序载流子倍增得到光功率的大增益。即，假定单位单元结构，即QW有源区41、载流子引导层结构42和载流子倍增层结构43的组合被重复层叠N次，载流子在一个倍增层中被倍增“m”次，作为所得结果，注入一个载流子能够被倍增mN次和可以产生mN个光子。
图3是根据本发明的示例实施例的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器的导带图。
量子子能带间跃迁半导体激光器包括单位单元结构，其由QW有源区41、载流子引导层结构42、和载流子倍增层结构43构成。在这种情况下，QW有源区41具有三量子阱结构。
参考图3，在施加电压中输入的电子被载流子引导层42引导，并注入到在具有三量子阱结构的邻近QW有源区41中形成的Eq3子带中。这里，在Eq3子带和Eq2子带之间的粒子束反转导致激光跃迁，由此发射多个光子，跃迁到具有低能量的Eq2子带的电子快速释放到具有低能量的Eq1子带，由此提高在Eq3子带和Eq2子带之间的粒子束反转。释放到Eq1子带的电子依次穿过下一个邻近的载流子倍增层结构43并被倍增。换句话说，载流子引导层结构42引导倍增的和宽能量分布的电子以具有窄的能量分布，并释放电子能量以注射电子到下一个邻近的QW有源区41的Eq3子带。载流子再次经历在QW有源区41中的量子子能带间跃迁，再次顺序穿过下一个邻近的载流子倍增层结构43和再次被倍增，并穿过载流子引导层结构42和有源区41，由此通过这样的载流子的连续倍增得到非常大的光功率增益。即，假定这样的单位单元结构，即QW有源区41、载流子引导层结构42和载流子倍增层结构43被重复N次，载流子在一个倍增层中倍增“m”次，所得的效果，注入一个载流子可以被倍增到mN次，也可以产生mN个光子。
图4是根据本发明实施例的量子子能带间跃迁半导体激光器的导带能级图。
参考图4，在这个结构中，单位单元结构包括在QW有源区41和载流子倍增层结构43之间插入的能量释放层44。在施加电压下的电子被载流子引导层结构42引导，并注入到在具有三量子阱结构的邻近QW有源区41中形成的Eq3子带中。这里，在Eq3子带和Eq2子带之间的粒子束反转引起了激光跃迁，由此发射多个光子，跃迁到具有低能量的Eq2子带的电子释放到具有低能量的Eq1子带，且跃迁到Eq1子带的电子依次容易地释放到能量释放层44，由此在Eq3子带和Eq2子带之间增强粒子束反转，防止载流子倍增层结构43的掺杂剂扩散到QW邻近有源区41中。
如上所述，根据本发明，载流子倍增，即当穿过载流子倍增层结构时，多个倍增的载流子注入到QW有源区的光跃迁能级以得到高的粒子束反转，由此得到高输出功率。并且，为了得到足够的光功率，传统量子级联激光器应当采用很多周期的多重量子阱，因此很难制造，但是由于其简单和小型的结构，即很少数量的叠层(周期)结构，本发明的半导体激光器容易制造。因此，能得到具有高功率和低成本的中/远红外量子子能带间跃迁半导体激光器。
虽然参考其特定的示例实施例示出和描述了本发明，本领域的技术人员将会理解在不脱离由权利要求书所限制的精神和范围的情况下，本发明可以在形式和细节上进行多种修改。
本发明要求于2005年7月26日申请的韩国专利申请No.2005-67857的优先权，这里引入其全部内容作为参考。
权利要求
1.一种雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，包括在半导体衬底上形成的第一覆盖层、有源区、和第二覆盖层，其中所述有源区包括单位单元结构，所述单位单元结构包括用于倍增载流子的载流子倍增层结构、载流子引导层结构和载流子注入到其中的量子阱有源区，其中所述载流子经历光辐射跃迁。
2.根据权利要求1的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中重复层叠包括所述载流子倍增层结构、所述载流子引导层结构和所述量子阱有源区的所述单位单元结构。
3.根据权利要求1的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子引导层结构具有多重量子阱或超晶格结构。
4.根据权利要求1的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述量子阱有源区具有多重量子阱或超晶格结构。
5.根据权利要求1的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子倍增层结构包括p电荷层、用于倍增载流子的倍增层和n型掺杂层。
6.根据权利要求1的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，还包括在所述第一覆盖层和所述第二覆盖层之间形成的第一波导层；在所述量子阱有源区和所述第二覆盖层之间形成的第二波导层。
7.根据权利要求1的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子倍增层结构的倍增层包括半导体超晶格结构。
8.一种量子子能带间跃迁半导体激光器，包括在半导体衬底上形成的第一覆盖层、有源区、第二覆盖层，其中所述有源区包括由用于倍增载流子的载流子倍增层结构、载流子注入到其中的量子阱有源区的组合构成，其中所述载流子经历子能带间光辐射跃迁。
9.根据权利要求8的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子倍增层结构和所述量子阱有源区的组合被重复层叠。
10.根据权利要求8的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述量子阱有源区具有多重量子阱或超晶格结构。
11.根据权利要求8的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子倍增层结构包括p电荷层、倍增载流子的倍增层和n型掺杂层。
12.根据权利要求8的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，还包括在所述第一覆盖层和所述量子阱有源区之间形成的第一波导层；在所述量子阱有源区和所述第二覆盖层之间形成的第二波导层。
13.根据权利要求8的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子倍增层结构的倍增层包括半导体超晶格。
14.一种雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，包括在半导体衬底上形成的第一覆盖层、有源区、第二覆盖层，其中所述有源区包括用于倍增载流子的载流子倍增层结构、用于释放载流子能量到注入能级的载流子引导层结构、载流子注入到其中的量子阱有源区和载流子能量释放层的组合，其中所述载流子经历子能带间光辐射跃迁。
15.根据权利要求14的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子倍增层结构、所述载流子引导层结构、所述量子阱有源区和所述载流子能量释放层的组合重复地层叠。
16.根据权利要求14的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述能量释放层具有量子阱或超晶格结构。
17.根据权利要求14的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子引导层结构具有多重量子阱或超晶格结构。
18.根据权利要求14的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述量子阱有源区具有多重量子阱或超晶格结构。
19.根据权利要求14的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子倍增层结构包括p电荷层、用于倍增载流子的倍增层和n型掺杂层。
20.根据权利要求14的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，还包括在所述第一覆盖层和所述量子阱有源层之间形成的第一波导层；在所述量子阱有源区和所述第二覆盖层之间形成的第二波导层。
21.根据权利要求14的雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器，其中所述载流子倍增层结构的倍增层包括半导体超晶格。
全文摘要
本发明公开了雪崩量子子能带间跃迁半导体激光器。该激光器包括在半导体衬底上形成的第一覆盖层、第一波导层、有源区、第二波导层和第二覆盖层，其中有源区由单位单元结构的多个叠层(周期)构成，单位单元结构包括用于倍增载流子的载流子倍增层结构、载流子引导层结构和载流子注入到其中且在其中产生载流子的子能带间光辐射跃迁的QW有源区。这里，当穿过载流子倍增层结构时倍增且注入到QW有源区的光跃迁能级的载流子，可以有效地得到高粒子束反转，由此能利用更少叠层的小型结构得到了更高的激光输出功率。
文档编号H01S5/34GK1921244SQ200610126360
公开日2007年2月28日 申请日期2006年7月26日 优先权日2005年7月26日
发明者金敬玉, 金仁奎, 李基仲, 李哲均 申请人:韩国电子通信研究院