具有電流阻擋層的量子級聯雷射器的製作方法

2023-05-15 05:50:31

背景技術：

本發明涉及半導體雷射器，特別地涉及在ir光譜範圍內（即以1mm至780nm的波長，尤其是在3—50μm的中ir範圍內）發射的量子級聯雷射器（qcl）。

中ir光譜範圍對於感測應用而言是重要的，由於大量分子在此區域中顯示出基頻諧振。量子級聯雷射器（qcl）對於此類應用而言已變成頻繁使用且高效的雷射源。示例是maulini美國專利7944959和faist美國專利申請2003/0174751。在vurgaftman美國專利8290011中也示出了產生中ir光譜的qcl雷射器。

用來形成用於量子級聯雷射器（qcl）的波導的典型橫向引導結構是深蝕刻脊形波導、淺蝕刻脊形波導或深埋異質結構（bh）波導。針對高功率和高性能裝置，掩埋式異質結構配置是有利的，因為其呈現較高導熱性的inp掩埋層，並且同時保證低損耗。beck美國專利6665325是一示例。

更具體地，通過出現在fe摻雜的inp與n摻雜的inp接觸層之間的界面處的內建電位來保證fe摻雜inp的情況下的電流阻斷。由於fe在inp中充當深施主能級，所以其還主動地幫助俘獲電子並因此防止漏電流。可以通過調整inp中的fe摻雜來控制內建電位的量值。遺憾的是，內建電位的量值參數與生長參數有很強關聯，並且內建電位通常局限於50—100kv/cm。通常，在高電場中操作的qcl的情況下，因此部分地在絕緣掩埋層內部驅動電流。此效果減少注入到雷射器活性區中的實際電流，並且同時，其耗散熱並因此降低雷射器性能。

另外，眾所周知的是掩埋層內部的fe雜質的引入在半導體禁隙內部產生缺陷狀態，參見p.b.klein等人的phys.rev.b29,1947(1984):time-dependentphoto-luminescenceofinp:fe。此能級呈現出吸收，尤其是在3—4μm光譜範圍內，防止在此範圍內產生掩埋式異質結構雷射裝置。

然而，此光譜區域對於光譜學和感測應用而言受到很大關注，由於在此光譜區域中存在許多分子的基頻諧振。本發明的目的中的一個是克服上述限制並發明一種用於製造在此光譜範圍內也具有低光學損耗的bh雷射器的方法。

然而，應理解的是本發明不限於此波長的qcl，而是一般地適用於跨光譜範圍的qcl，例如任何bh雷射器設計，無論其是具有多彩色發射器的qcl還是任何其它bh雷射器。

技術實現要素：

原則上，本發明公開了一種通過將特定量子勢壘包括到多個不同的、潛在地摻雜半導體層的結構中作為掩埋層而實現的深蝕刻掩埋式異質結構量子級聯雷射器（即bhqcl）的新型結構。有用的勢壘材料包括alas和inalas、ingaas、ingaasp以及ingasb。

通過引入特定的量子勢壘並修改組成掩埋層的各種層的數目、厚度和/或摻雜，可以調整（一個或多個）掩埋層的傳導性；尤其是在高施加場的情況下可以將其降低。

本發明的概念適用於未摻雜/本徵inp以及作為掩埋層的主要結構組件的fe摻雜inp。有利地，在掩埋層中不存在fe雜質允許在不會通過引入附加損耗而損害雷射器性能的情況下製造甚至在3—4μm光譜區域內的高性能bh雷射器。

在附圖中圖示出的多個示例的以下描述中將示出本發明的細節和其它優點。

附圖說明

附圖在以下圖中示出：

圖1a現有技術掩埋式異質結構設計，

圖1b用於圖1a的現有技術設計的示意性能帶結構，

圖2a根據本發明的第一實施例，

圖2b用於圖2a的實施例的示意性能帶結構，

圖3a根據本發明的第二實施例，

圖3b用於圖3a的實施例的示意性能帶結構，

圖4第三實施例的示意性能帶結構。

具體實施方式

以下描述涉及示出了本發明的現有技術和某些實施例的附圖。

圖1a和1b示意性地示出了現有技術掩埋式異質結構量子級聯雷射器bhqcl以及在此現有技術結構中使用的n:inp-inp:fe-ar結的示意性能帶結構。ar通常代表活性區。

在典型的現有技術結構中，具有後面或背面電極6（通常為au）的基板5（通常為inp）在其頂部上承載活性區（ar）2，通常為ingaas/alinas，橫向地受到阻擋或掩埋層4（即fe摻雜inp或fe摻雜ingaas）的限制。頂部電極3（通常也為au）以及n摻雜包層1（通常由inp和/或諸如inalas或ingaas之類的三元組（ternary）構成）使該結構完整。

由於n摻雜包層1是導體，所以其具有到橫向限制/阻擋層4中的漏電流。通常通過如上所述那樣在inp阻擋層中使用fe雜質來解決掩埋式異質結構裝置存在的這個主要問題。

在圖1b中示出了此現有技術設計中的n:inp-inp:fe-ar結的示意性能帶結構。如所述，通過在inp阻擋層4中引入fe摻雜來減少從n摻雜inp包層1移動到inp阻擋層4中的載流子的數目。這樣形成的n:inp-inp:fe結阻擋從n摻雜inp包層1到（一個或多個）inp:fe阻擋層4的載流子洩露。因此，電流受到限制，並且所述多個載流子被注入到活性區（ar）2中。

事實上，fe在inp中產生深施主態，將費米能級釘扎在半導體禁隙的中間。n摻雜包層與（一個或多個）fe摻雜阻擋層之間的界面處的內建電位充當用以阻擋電子的勢壘。遺憾的是，此內建電位取決於可以結合在inp中並因此不能任意地增加的最大fe摻雜。可以通過外延生長而結合的最大fe受到生長溫度的嚴重影響。增加生長溫度由於fe前體分子的改善的裂開而導致較高的fe摻雜水平。

遺憾的是，可以在明顯低於獲得高fe摻雜所必需的溫度的溫度下執行qcl的生長。因此，尤其是對於高度應變結構而言，不能任意地增加用於生長掩埋層的溫度而不使活性層的質量退化。

因此，fe摻雜一般地局限於在2×10e16cm-3與8×10e16cm-3之間的值，導致50與100kv/cm之間的阻斷場。這足以阻斷qcl中一般地小於100kv/cm的操作場在中ir範圍的較長波長區域中發射的電子。然而，這對於短波長qcl而言是不夠的，特別是對於在3—5μm範圍內進行發射的雷射器而言，其中，操作場可以超過10kv/cm，導致漏電流流過掩埋層。

此外，fe摻雜層的生長受到被用於生長的機器的所謂「本底摻雜」的嚴重影響。此本底摻雜是在生長期間非故意地添加的載流子的數目。例如已知inp在「未摻雜」生長的情況下具有被略微n摻雜的趨勢。本底摻雜的量取決於在其中執行生長的設備，即生長室條件。必須採取附加預防措施以防止在外延再生長開始時引入任何洩露路徑。例如o.ostinelli等人在出版於journalofappliedphysics,108卷,11號,14502頁,2010中的「growthandcharacterizationofiron-dopedsemi-insulatinginpbufferlayersforal-freegainp/galnashighelectronmobilitytransistors」中對此進行了描述。

為了規避上述問題，本發明引入了由例如alinas/alas、ingaas、ingaasp或ingasb組成的附加量子勢壘，其改善了電子的阻擋。這些勢壘獨立於其摻雜而阻擋載流子輸運，並且因此可以被引入而不增加光學損耗。

通過修改此類量子載流子的數目和厚度，可以調整和/或降低掩埋層內部的傳導性，這使得這樣的qcl適合於施加的高電場。

顯著的優點是此類量子載流子的生長完全獨立於摻雜，並且因此對生長條件遠不那麼敏感。如上所述，掩埋層內部的fe摻雜對於由於能級fe3+和fe2+的吸收線的存在而在3—5μm光譜區域中引入損耗而言是眾所周知的。這由於c-h、o-h和n-h鍵的基頻諧振的存在而阻止在感興趣的光譜學窗口（即針對對於許多醫學和感測應用而言感興趣的波長）中製造高性能雷射器。

用本發明，創造了一種用以在掩埋層中阻擋電子的新型技術。特別地，可以根據雷射器的操作場且獨立於任何fe摻雜而調整「阻擋」量子勢壘的數目。

此外，根據本發明的量子勢壘的使用與fe摻雜的使用完全相容以進一步減小該區域中的電導，其中，這將不會在雷射器中引入附加光學損耗。

概括地說，本發明介紹了一種用於產生掩埋式異質結構量子級聯雷射器的新型方法，該方法不受生長條件（尤其是生長溫度）的限制，並且該方法可以產生在期望的中ir光譜範圍內具有低損耗的光學波導。

多個實施例的以下描述制定了將在執行本發明時使用的某些材料，例如inp（本徵的（i:inp）和摻雜的兩者，尤其是fe摻雜的（inp:fe））以及inalas。應顯而易見的是在不脫離本發明的精神和主旨的情況下，如ingaas、alas、inas、ingaasp、inalgaas等其它材料可以替換所提到的那些材料。

下面描述本發明的三個實施例。

實施例a

本實施例是在3.3μm處發射的掩埋式異質結構qcl。

圖2a示出了具有分層布置的此qcl，其包括限制掩埋式異質結構的幾個勢壘。該結構包括嵌入本徵未摻雜inp的層中的inalas的六個量子勢壘。根據本發明，此異質結構提供低損耗波導和電子阻擋序列。下面描述其細節。

具有後面或背面電極16（通常為au）的基板15（在這裡為inp）在其頂部上承載橫向地受到異質結構14a/14b/14c限制的ingaas/inalas的活性區12。此異質結構包括三組不同的層。每個層14a包括本徵或未摻雜i:inp，並且每個層14b包括半導體（在這裡為i:inp或ingaas）。第三組是alinas的勢壘層14c；其在圖2a中被用黑色實線示為薄層。

在圖2a中還示出了通常為au的頂部電極3以及inp的n摻雜包層11和諸如inalas或ingaas之類的三元組。勢壘14a—c的傾斜末端18是由於圍繞著蝕刻區域發生的外延再生長過程而引起的。其取決於通常垂直於蝕刻表面的生長方向。

在這裡是圖2a中所示的結構的某個近似尺寸。活性區ar12為約3μm厚和3—20μm寬。勢壘層異質結構為約6μm厚，如活性區ar12加包層1一樣，其通常為幾μm（在這裡為3μm）厚。

下面進一步詳細地描述勢壘層的異質結構。基板25具有約0.1—0.5mm的厚度。圖2a中所示的整個結構為約2mm長和0.5mm寬。請注意，這些僅僅是近似尺寸；其根據優選波長和/或裝置的預定用途而改變。並且，圖2a如所有圖一樣並未按比例。

圖2b顯示圖2a中所示的qcl的量子勢壘序列的示意性能帶結構。請注意，「i:inp」或「i-inp」代表本徵inp，即未摻雜inp。勢壘層14c充當量子勢壘17，其位置以及數目可以改變（在圖2a中示出了六個此類勢壘14c）減少電子傳遞而不增加光學損耗。重要的是要理解在實施例a中通過使用所示的勢壘可以甚至在不使用inp.fe的情況下防止載流子洩露。

下表公開了包括量子勢壘14a—c的厚度的物理結構。通過引入這些量子勢壘，在不增加光學損耗的情況下降低了異質結構14a/14b/14c的導電性，如上所述。

如圖1a中所示的現有技術掩埋或阻擋層與如圖2a中描繪的根據本發明的阻擋層之間的差別是明顯的：鑑於現有技術阻擋層自始至終由fe摻雜inp、即inp:fe組成，而根據本發明的新型阻擋層包括多個不同的層，其包括本徵/未摻雜inp。

下表示出了圖2a描繪的限制分層異質結構的尺寸，其具有根據本實施例a的量子勢壘14a—c。著眼於下表和圖2a，請注意，「開始」定義異質結構的底部，因為這是開始再生長的位置。這意味著表中所示的序列在圖2a中所示的堆疊中是顛倒的。此外，層14b可以包括本徵inp（即如表中所示的i:inp）或inalas，如上文所解釋的。因此，層14a和14b可以包括不同的材料。最後，如上所述，圖2a並未真正按比例，即在圖中並未反映表中給定的樣本尺寸和關係。請注意，用黑體字示出了勢壘層。

實施例a

實施例b

實施例b是在3.3μm處發射的另一掩埋式異質結構qcl。其總尺寸類似於實施例a的尺寸。

然而，為了進一步降低用於給定數目的量子勢壘的導電性，部分地再引入inp區域的fe摻雜，但是僅僅遠離活性區。在這種情況下，fe摻雜僅在接近於與在該處注入電子的n摻雜接點的結處存在且不在該處光模相關的活性區ar附近存在，在該n摻雜接點處注入電子。

圖3a示出了根據本發明的第二實施例。該結構包括基板25（此處為inp），其具有後面或背面電極26（通常為au）、頂部電極23（通常也為au）以及n摻雜包層21，其包括inp和/或在其ingaas/inalas的活性區22的頂部上的三元組（諸如inalas或ingaas）。

如在實施例a中，活性區22在兩側橫向地受到具有三組層24a/24b/24c的勢壘異質結構的限制，層24a/24b/24c中的六個層24c充當阻擋層，其由inalas組成。如在實施例a中，inalas的六個量子勢壘24c被用於電子阻擋：此外，層24c的傾斜末端28是由於圍繞著蝕刻區域發生的外延再生長過程而引起的。

實施例b與實施例a的不同之處在於用fe、inp:fe摻雜最接近於電接點23的五個inp層24a和24b。與實施例a的另一差別是由fe摻雜inp（inp:fe）的沉積物以及本徵inp（i:inp）的沉積物（每個在所示示例中具有300nm厚度）組成的雙組分掩埋層24a。

替換地，實施例b中的所有層24a和24b可以是fe摻雜的，即包括inp:fe，由此在活性區22的附近降低fe摻雜水平。

層24b還可以由ingaas而不是如實施例a、圖2a中的inp組成。此類ingaas層將是fe摻雜的，如上文結合相應的inp層所解釋的。如所述，限制或分離掩埋層24a和24b的量子勢壘24c由未摻雜inalas組成，再次地如在實施例a中。因此，與實施例a的差別在於層24a和b的所述fe摻雜和如上所述的提供至少一個雙組分掩埋層24a。

圖3b顯示圖3a中所示的qcl的量子勢壘序列的示意性能帶結構。在這種情況下量子勢壘24c及fe摻雜層24a和24b用於阻擋載流子。下表示出了根據圖3a的結構的樣本尺寸：

實施例b

實施例c

本實施例是第三掩埋式異質結構qcl，具有高操作場以減少電子洩露的在4.3μm的波長處發射的結構。

本實施例的基本結構與實施例a的結構相同，即限制分層勢壘異質結構包括三組層，由inalas組成的勢壘組、inp的第二組和inp或ingaas層的第三組。與兩個上述實施例的差別是所有inp或ingaas層都是fe摻雜的。因此量子勢壘和fe摻雜兩者都用於阻擋載流子，這對於在高電場中操作的qcl而言可以是重要且決定性的。

下表示出了本第三實施例的結構和尺寸：

實施例c

圖4示出了根據本發明的本第三qcl實施例的示意性能帶結構。作為根據上表的結構的替換，在這種情況下可以將八個量子勢壘用於電子阻擋。

本發明的功能和各種實施例的以上詳細描述允許本領域的技術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下設計其它實施方式。

權利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種半導體量子級聯雷射器，尤其是以在中ir範圍內的波長處發射，具有基板（15；25）、活性區（12；22）、包層（11；21）、提供到所述活性區（12；22）中的電流注入的至少兩個電極（13、16；23、26）以及掩埋式異質結構波導（14a—14c；24a、24b），

其特徵在於

所述異質結構波導包括第一iii-v半導體化合物的多個勢壘層（14c；24c）的堆疊，其與至少一個第二iii-v半導體化合物的多個掩埋層（14a、14b；24a、24b）交替地交錯。

2.根據權利要求1所述的量子級聯雷射器，其中，

所述勢壘層（14c；24c）中的至少一個由alas、inalas、ingaas、ingaasp或ingasb的組中的一個的化合物組成。

3.根據前述權利要求中的任一項所述的量子級聯雷射器，其中，所述掩埋層（14a；24a）中的至少一個包括第一iii-v半導體化合物，並且所述掩埋層（14b；24b）中的至少另一個包括第二、不同的iii-v半導體化合物。

4.根據權利要求3所述的量子級聯雷射器，其中，

所述掩埋層（14a、14b；24a、24b）的第一半導體化合物是本徵化合物，特別是i:inp，而第二化合物是摻雜化合物，特別是fe摻雜化合物，尤其是fe摻雜inp。

5.根據權利要求3所述的量子級聯雷射器，其中，

所述掩埋層（24a）中的至少一個包括本徵化合物和第二、摻雜化合物兩者，所述本徵化合物特別是i:inp，所述摻雜化合物特別是fe摻雜化合物、尤其是fe摻雜inp。

6.根據權利要求3所述的量子級聯雷射器，其中，

所述掩埋層（14a、14b；24a、24b）的第一半導體化合物和所述第二化合物兩者都是摻雜化合物，特別是fe摻雜化合物，尤其是fe摻雜inp。

7.根據前述權利要求中的任一項所述的量子級聯雷射器，包括

第一數目的、優選地六個勢壘層（14c；24c）和第二數目的、優選地六個掩埋層（14a14b；24a、24b）的掩埋式異質結構波導，所述勢壘層與所述掩埋層交替地堆疊。

8.根據權利要求7所述的量子級聯雷射器，其中，

每個勢壘層（14c；24c）在5和200nm之間、優選地約50nm厚，而掩埋層在約50nm與約3μm之間、優選地600nm厚。

9.根據前述權利要求中的任一項所述的量子級聯雷射器，包括以下結構的掩埋式異質結構波導:

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10.根據權利要求1至8中的任一項所述的量子級聯雷射器，包括以下結構的掩埋式異質結構波導:

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11.根據權利要求1至8中的任一項所述的量子級聯雷射器，包括以下結構的掩埋式異質結構波導:

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