具有阶跃阱活性区域的量子级联激光器设计的制作方法
【专利摘要】包括了一种量子级联激光器结构的实施例。一些实施例包括多个量子阱和多个势垒，至少其中一部分定义了活性区域。在一些实施例中，当电子从该活性区域内的高激光能态跃迁到该活性区域内的低激光能态时，该活性区域内发射出光子。此外，多个量子阱中的最后一个量子阱能定义该活性区域，其中该最后一个量子阱在该活性区域中一邻近量子阱下方延伸。类似地，该最后一个量子阱可包括比该活性区域内的该邻近量子阱的厚度较小的厚度。
【专利说明】具有阶跃阱活性区域的量子级联激光器设计
[0001] 本申请根据35U.S.C. §119要求2011年11月29日提交的美国临时申请序列号 61/564375的优先权的权益，本申请的整体依赖以上申请的内容且以上申请的内容通过引 用全部结合至此。
【背景技术】
[0002] 本公开涉及在高温下具有高连续波（CW)功率的量子级联激光器（QCL)，可用于红 外对抗、热准直瞄准设备、气体探测、和/或其他高环境温度下的应用。本公开的概念在各 种使用多波长激光器的领域将享有广泛的适用性。 发明概要
[0003] 本公开涉及一种量子连续波激光器设备的实施例。本公开的实施例能够以高温性 能来运作。更特别地，量子级联激光器（QCL)是一种单极设备，与传统直接能带隙半导体激 光器不同。QCL-般在中红外和远红外波长范围内发射光。通常，QCL在高温下遭受性能变 差。在此公开的实施例克服或减少了这种缺陷，如下所描述的。
[0004] 根据本公开的一个实施例，可提供一种量子级联激光器结构。一些实施例包括多 个量子阱和多个势垒，至少其中一部分定义了活性区域。在一些实施例中，当电子从该活性 区域内的高激光能态跃迁到该活性区域内的低激光能态时，该活性区域内发射出光子。此 夕卜，在这些多个量子阱中的一最终量子阱可定义该活性区域，其中该最终量子阱在该活性 区域内的邻近量子阱下方延伸。类似地，该最终量子阱可包括小于该活性区域内邻近量子 阱厚度的厚度。
[0005] 根据本公开的另一实施例，可提供在此公开的实施例包括一种量子级联激光器结 构。一些实施例包括至少一激光器芯以及至少一覆层，形成一波导结构，该至少一激光器芯 包括定义多个量子阱的第一种类型半导体材料，该至少一激光器芯可包括定义多个势垒的 第二种类型半导体材料。这些多个量子阱和多个势垒可定义一活性区域，这样当电子从该 活性区域的高激光能态跃迁至该活性区域内的低激光能态时，该活性区域发射出光子。类 似地，这些多个量子阱和多个势垒可定义一注入区域，这样电子通过该注入区域从一活性 区域转移至下一个邻近活性区域。进一步地，这些多个量子阱中的至少一最后量子阱可包 括一底部，当没有施加偏压时在该活性区域内的一主量子阱下方延伸。
[0006] 根据本公开的另一实施例，可提供在此公开的实施例包括一种量子级联激光器结 构。一些实施例在该活性区域内包括一最后量子阱，包括一底部，在该活性区域内其他量子 阱下方延伸。类似地，该活性区域中一最后势垒可包括延伸超越了该活性区域内的其他势 垒的顶部（例如，具有大于该活性区域内至少一其他势垒的高度），从而增加能态4和能态 5之间的能差E54。该最后势垒包括的厚度大于该活性区域内至少一其他势垒的厚度。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 当连同下面的附图一同阅读时，可最佳地理解下面对本公开特定实施例的详细描 述，其中相同参考数字表示相同结构并且其中：
[0008] 图1是一量子级联激光器的示意图，其在活性芯内包括量子阱和势垒；
[0009] 图2描画一能带图，示出了一种诸如来自图1的QCL的QCL中的光子发射；
[0010] 图3描画一能带图，进一步示出了能态4和能态5之间的增大的差。
[0011] 图4描画一能带图，进一步示出了能态3和能态4之间的增大的差；以及
[0012] 图5描画一能带图，进一步示出了该活性区域内一被降低的最后阱和该活性区域 内一被提高的势垒，以增加能态4和能态5之间的能量差。
【具体实施方式】
[0013] 图1是一量子级联激光器（QCL) 100的示意图，其在一活性芯内包括多个量子阱和 多个势垒。该QCL100包括衬底102,其可由磷化铟（InP)或其他半导体化合物组成。此外 至少一覆层（诸如可在该衬底102上生长的下覆层104)可由低掺杂磷化铟组成，并且可定 义一波导结构。在该QCL100中还包括至少一激光器芯，诸如一活性芯106,其可包括多个级 106a、106b。这些活性芯106中的级106a、106b可由一系列非常薄的半导体层组成，其可以 是势垒114和阱116,由两种半导体材料交替生长于对方顶部制成。这两种半导体材料的导 带能量之差形成耦合量子阱，量子化电子能态位于其中。根据特别的实施例，这些量子阱可 由GaJrihAs组成，而势鱼可由AlylrVyAs组成，其中X和y都小于或等于1。
[0014] 图2描画了一能带图200,示出了一QCL，注入来自图1的QCL100,中的活性芯的单 个活动级的能带图。如所示的，能量以电子伏特（eV)在y轴示出，而距离以纳米（nm)在X 轴示出。一活动级是注入区域202a、202b以及活性区域206的合成。这些注入区域202a、 202b可包括入口量子阱和出口量子阱组分，它们具有的深度大于该活性区域206中的多个 量子阱中的至少一个。类似地，该注入区域可包括一入口量子阱，其包括的深度大于该活性 区域中多个量子阱中的至少一个。电子能从一活性区域通过一注入区域跃迁到下一个邻近 的活性区域。在移动中，有一定的可能性电子可从一个态转为另一个态。当电子在该活性 区域206内从一高激光能态204a转为一低激光能态204b，可发射出光子。换言之，在图2 所示的QCL特定设计中，该活性区域206是一些量子阱208a、208b、208c、208d以及那些阱 之间的势垒的组合，其中仔细地设计能态以使电子的光跃迁成为可能。该高激光能态204a 和低激光能态204b之间的能差对应发射出的光子的能量。该能差可以表示为：ΛΕ = hv = h*(c/λ )，其中h为普朗克常数，c为光速，λ为发射出的光子的波长。
[0015] 在从3. 8至5 μ m波长范围内，QCL的高功率（瓦级）连续波（CW)室温运作已被 证明。然而，由于激光器芯的内部发热降低了激光器性能，CW中的输出功率以及光电转换 效率（WPE) -般小于脉冲运作中的相应值。由于QCL的光电转换效率，这种内部发热通常 无法避免。然而，如果一 QCL被设计为高温性能或随温度提高而性能变差较小，这种QCL结 构相比其他普通设计可在CW下执行更好的运作。具有高温性能的QCLs对于高功率、高光 电转换效率、以及非冷却运作以降低散热要求和封装尺寸具有吸引力。
[0016] 一 QCL的温度性能由两个参数?；和?\来表征。?；指的是阈值随温度如何变化，由 公式Jth = Jc^xpOV%)定义，其中Jth为阈值电流密度，Τ为运作温度（脉冲情况下），并且 JQ为特征阈值电流密度。1\代表随温度提高的斜度效率降低并由η = i^expK/T)定 义，其中η为斜度效率且η〇为特征斜度效率。通常，对于双声子设计，Tc^PTi的值在大约 100至大约200K的范围内。
[0017] 图3描画了一能带图，进一步示出了能态4和能态5之间的增大的差。如所示的， 能量以电子伏特（eV)在y轴示出，而距离以纳米（nm)在X轴示出。通过该高激光能态302 之上的寄生能态（能态5和6)而泄漏电子是较差的温度性能的一个原因。一些QCL的设 计在这些寄生能态和高激光能态之间具有高能量间隔。因此，对于大约84meV的E54304a 的高能值以及大约185meV的E64304b的高能值导致高?\值（大约450K并在一些实施例 中在大约400Κ至大约500Κ之间变化）。然而，T Q可为大约180Κ (且在一些实施例中在大 约150K至大约200K之间变化）。
[0018] 图4描画了一能带图，进一步示出了能态3和能态4之间的增大的差。如所示的， 能量以电子伏特（eV)在y轴示出，而距离以纳米（nm)在X轴示出。此外，如图3所示一具 有高E43以实现高温性能的结构。在图3和图4中，增加 E54值的类似策略可包括增加对 于该活性区域内最后一对量子阱的势垒402的有效高度，或增加第一势垒（接近该注入区 域）和最后一个或两个势垒402a、402b (接近该提取势垒）之间的有效势垒高度差。如果 这最后两个势垒402a、402b被制成更厚或更高，位于高激光能态上方的寄生能态4将由于 其在这些势垒内的电子分布密度高而被向上推。然而同时，该高激光能态3将被向上推得 较少，这是因为其能态3的电子分布密度在那些势垒内较小。这就是能量差E43从典型的 40meV增加到大约lOOmeV (且在一些实施例中E43在大约80meV至大约120meV之间变化） 的方式。一些实施例用这种设计可实现高?\ (大约640K且在一些实施例中在大约600K至 大约700Κ之间变化），并且同时实现比常规结构更高的TQ (大约380Κ，且在一些实施例中 在大约350K至大约450K之间变化）。
[0019] 如在下面关于图5更详细讨论的，在此公开的实施例在一 QCL中还具有增加的能 量差E54。不仅对于该最后势垒或最后几个势垒，势垒的导带能级提高了，而且在该公开实 施例中，该最后阱（或最后几个阱）的底部导带能级比该活性区域内在先的阱更低。
[0020] 降低至少一个最后量子阱的底部不仅可导致降低该能级5,还提高了能级5,为了 保持从1到3的相同能级通过减少该阱的厚度有效减少低激光能态的粒子数。能差E54由 这些相反作用确定。能级5主要由该最后量子阱的第二量子化能级确定，而能级1 (或能级 2)主要由该最后量子阱的第一能级确定。
[0021] 一个简单的示例可包括一具有无限势垒的单量子阱。最先两个能态相对于一维无 限量子阱的底部的能量位置遵循公式：e (n) = n~2*h~2A8*m*L~2)，其中η是该能态的编 号，h是普朗克常数，m是粒子质量（在本示例中为电子质量），而L是该量子阱的厚度。因 此 e (1)为 h~2/ (8*m*L~2)，e (2)为 4*h~2/ (8*m*L~2),而能量差 e2_el = 3*h~2/ (8*m*L~2)。 在能级1的位置（在能量空间中的位置）固定并且el增大（通过降低该阱的底部而实现 该增大）的情况下，L必须减小。之后，在能级1的位置固定并且L减小的情况下，能级2的 能量位置可由于e2_el的值增加而提高。
[0022] 虽然在一量子级联激光器的实际情况中，该活性区域实际上由具有有限势垒的耦 合量子阱构成，该基本原理仍然适用：随着减少该阱的厚度和降低该阱的底部，第二能级的 能量（或图5中的E5)将会增加。同时，高激光能态（E4)受的影响的将小得多。因此，在 能态5和能态4之间的能量差（E54)将显著增加，而这种变化对其他能态不会有很大影响。
[0023] 因此，在此公开的实施例包括一量子级联激光器活性区域，具有一量子阱，其具有 的导带能量比低激光能态波函数主瓣所处的量子阱更低（例如In含量更丰富的GalnAs)。 用该组件，在该活性区域中形成一阶梯状量子阱区域。这可导致高E54以实现高L和1\， 而不对激光器性能引入其他负面影响。已演示了更好的连续波（CW)性能，即更高的CW输 出功率以及光电转换效率（WPE)。
[0024] 在一 QCL结构的活性区域中，有不止一组应变阱和势垒材料的组分，例如 Ir^GahAs/IrvAlhAs。该阱材料的应变越高（更高的X)，该阱底部的能量位置就越低。在 实施例中，在该活性区域内，且当该活性区域处于运作偏压下时，有至少一个阱相比低激光 能态的波函数主瓣所处的阱具有更高的压缩应变。其效果是为了增加高激光能态和该高激 光能态之上的寄生能态之间的能量间隔（或能量差E54)。在具有无限势垒的单量子阱情 况（上面讨论的）下，e2_el的增加是el增加的3倍，即该阱底部降低的能量的3倍。此 夕卜，在实际的QCL活性区域内，由于有限势垒以及耦合量子阱，该比率小于3。无论如何，为 了将能量间隔（E54)增加△ (meV)，这些阱底部的能量差可被配置为不小于△/3。此外，最 后一对势垒的应变也可高于该活性区域内其他（势垒）以增强效果。
[0025] 该注入的第一部分（或邻近该活性区域的最后量子阱的最先的几个量子阱）与该 活性区域中的深阱具有相同的深阱结构（相同的势垒和阱材料应变）。这不是必要的，但帮 助将泄漏通道向上推向连续区域（或能级5之上的能态）。
[0026] 图5示出了这种设计的一个示例。图5描画了一能带图，进一步示出了该活性区域 内一被降低的最后阱和该活性区域内一被提高的势垒，以增加能态4和能态5之间的能差。 在该示例中的激光发射波长为大约4. 8 μ m，且在一些情况下可在大约3 μ m至大约12 μ m之 间变化。如示出的，在该活性区域502中有四个讲，标为#1、#2、#3、和#4。如在下面更详细 讨论并在表1中示出的，量子阱#4的底部已在其他量子阱（诸如该活性区域402内的一主 量子阱）底部下方向下延伸。这可通过改变镓铟比例完成，这样相对于该活性区域内其他 量子阱具有较小的镓比铟（比例）。此外，在该实施例中，量子阱#4的厚度可减少到一厚 度以使该底部子带能量不低于常规QCL。在一些QCL实施例中，或常规QCL双声子设计中， 阱#4可比阱#3薄大约1至大约5埃。这样，如果阱#3为大约37埃，阱#4在该常规双声 子设计中可具有的厚度在大约32埃至大约36埃之间变化。在该实施例中，阱#4的厚度仅 为29埃，而在一些实施例中，根据特定实施例，它能在大约25埃至30埃之间变化。这样的 配置可增加 E54,其增加了 TQ和/或1\。类似地，在一些实施例中，一最后势垒能404可被 延伸超越了在活动区域402内的其他势垒的能量的顶部。
[0027] 应当理解到，当在一些实施例中，该最后量子阱的底部可在该活性区域402内其 他量子阱的底部下方降低；在一些实施例中，多个最后量子阱的底部可被降低。类似地， 在一些实施例中，多个最后势垒在能量方面可被延伸超越了在该活性区域402内的其他势 垒。
[0028] 作为一个示例，一活性芯的一个级/周期的生长结构在表1中列出。
【权利要求】
1. 一种量子级联激光器结构，包括多个量子阱以及多个势垒，至少其中的一部分定义 了活性区域，其特征在于 ： 当电子从所述活性区域内的高激光能态跃迁到所述活性区域内的低激光能态时，在所 述活性区域内发射出光子； 所述多个量子阱中的最后量子阱定义所述活性区域，所述最后量子阱在所述活性区域 中一邻近量子阱下方延伸；并且 所述最后量子阱包括的厚度小于所述活性区域内的所述邻近量子阱的厚度。
2. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述活性区域包括4个量子 阱。
3. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述多个势垒中的最后势 垒包括的高度大于所述多个势垒中的其他势垒。
4. 如权利要求3所述的量子级联激光器结构，其特征在于，两个能态之间的能量差被 造成且包括在高激光能态4和寄生能态5之间的差值，并且其中所述能量差至少为大约 80meV〇
5. 如权利要求3所述的量子级联激光器结构，所述最后势垒包括铝和铟。
6. 如权利要求5所述的量子级联激光器结构，其特征在于，在所述最后势垒中的铝铟 比例高于所述活性区域中的其他势垒的铝铟比例。
7. 如权利要求3所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述活性区域中的最后势 垒包括的厚度大于所述活性区域中的其他势垒的厚度。
8. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述最后量子阱的厚度比 所述活性区域内的邻近量子阱的厚度小了超过大约5埃。
9. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述最后量子阱包括包含 GaJrihAs的材料，其中X在0至1之间变化。
10. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述多个势垒包括包含 AlyIni_yAs的材料，其中y在0至1之间变化。
11. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述活性区域存在于活性 芯内，并且其中，所述量子级联激光器结构进一步包括覆层。
12. 如权利要求11所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述活性芯以及所述覆 层是在磷化铟（InP)衬底上生长的。
13. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述最后量子阱包括镓和 铟。
14. 如权利要求13所述的量子级联激光器结构，其特征在于，在所述最后量子阱中的 镓铟比例小于所述活性区域中的多个量子阱中的至少一个量子阱的镓铟比例。
15. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述多个量子阱和多个势 垒定义了注入区域，这样电子通过所述注入区域从所述活性区域转移到下一个邻近的活性 区域。
16. 如权利要求15所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述注入区域包括入口 量子阱，其包括的深度大于所述活性区域中的多个量子阱中的至少一个。
17. 如权利要求15所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述注入区域包括额外 势垒，其包括的高度大于所述活性区域中的多个势垒中的至少一个。
18. 如权利要求1所述的量子级联激光器结构，其特征在于，所述量子级联激光器结构 的激光发射波长从大约3 μ m至大约12 μ m。
19. 一种量子级联激光器结构，包括至少一个激光器芯和至少一个覆层，从而形成波导 结构，所述至少一个激光器芯包括定义多个量子阱的第一种类型的半导体材料，所述至少 一个激光器芯包括定义多个势垒的第二种类型的半导体材料，其特征在于： 所述多个量子阱和所述多个势垒定义活性区域，这样当电子从所述活性区域内的高激 光能态跃迁到所述活性区域内的低激光能态时，在所述活性区域内发射出光子； 所述多个量子阱和所述多个势垒定义注入区域，这样电子通过所述注入区域从一个活 性区域转移到下一个邻近活性区域；并且 所述多个量子阱中的至少一个最后量子阱包括当未施加偏压时在所述活性区域内的 主量子讲下方延伸的底部。
20. -种量子级联激光器结构，包括在活性区域内的4个量子阱和多个势垒，所述活性 区域被配置为发射光子，其特征在于： 在所述活性区域内的最后量子阱包括在所述活性区域内的其他量子阱下方延伸的底 部； 在所述活性区域内的最后势垒包括延伸超越了所述活性区域内的其他势垒的顶部，从 而增加能态4和能态5之间的能量差E54 ;并且 所述最后势垒包括的厚度大于所述活性区域内的其他势垒的厚度。
【文档编号】H01S5/34GK104247177SQ201280067209
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年11月28日 优先权日:2011年11月29日
【发明者】C·G·卡诺, 谢峰, C-E·扎 申请人:康宁股份有限公司