雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器的製作方法

2023-10-06 16:38:49

專利名稱：雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種量子子能帶間躍遷半導體雷射器，更具體地，涉及一種利用小型結構提供高功率中/遠紅外線的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器。
背景技術：
R.F Kazarinov等寫的論文(Sov.Phys.Semiconductor，5(4)，707-709頁(1971))預見了在半導體超晶格結構中放大電磁波的可能性。由S.J.Borenstein等寫的論文(Appy.Phys.Lett.55(7)，654-656頁(1989))，由Q.Hu等寫的論文(Appl.Phys.Lett.59(23)，2923-2925頁(1991))，由A.Katalsky等寫的論文(Appl.Phys.Lett.59(21)，2636-2638頁(1991))，和由W.M.Yee等寫的論文(Appl.Phys.Lett.63(8)，1089-1091(1993頁))預見了通過受激輻射(LASER)，單極量子子能帶間躍遷量子阱半導體光放大的可能性。
同樣的，本領域的專家已經注意到幾種類型的單極量子子能帶間躍遷半導體雷射器的優點。例如，它包括不被能帶隙的電子和空穴的複合限制的頻率特性、由線寬增加因子的不存在理論產生的窄線寬、比傳統雙極半導體雷射器更低的雷射閾值的溫度依賴性等。
如果適當地設計單極量子子能帶間躍遷半導體雷射器，它能夠以中紅外(IR)到亞毫米光譜區的波長發射光。例如，通過在量子阱(QW)限制能級之間的載流子光躍遷，能以約3到大於100微米的波長發射光。在寬光譜範圍以上的相同異質結的基礎上設計發射光的波長。這樣的波長不能利用傳統的半導體雷射二極體得到。
並且，由於單極量子子能帶間躍遷半導體雷射器能夠在III-V化合物半導體材料系(例如在GaAs、InP等基礎上的異質結)的基礎上製造，且III-V化合物半導體材料系具有相對大的能帶隙和在技術上已經成熟，所以不需要使用易於受溫度影響的和工藝複雜的能帶隙小的材料，例如PbSnTe。
實現單極量子子能帶間躍遷半導體雷射器的傳統技術包括在多重量子阱結構的基礎上的典型諧振結構。例如，W.M.Yee等寫的論文(「Carriertransport and intersubband population inversion in couple quantumwell」，Appl.Phys.Lett.63(8)，1089-1091頁(1993))中提供了兩種耦合的量子阱結構。耦合的量子阱結構包括分別夾在能量過濾器(energy filter)阱之間的發射量子阱。量子阱結構夾在n摻雜注入極(injector)和集電極區之間。
在1994年，首先，Capasso等設計和製造了稱為量子級聯雷射器(quantum cascade laser)的單極量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其首先在GaInAs/AlInAs材料體系的基礎上以約4.2微米的波長發射光。量子級聯雷射器也能利用其它材料體系實現，並且很容易為從寬光譜選擇的波長產生雷射而設計。
量子級聯雷射器包括具有成為發光區的多層的半導體量子阱(QW)有源區，且這個QW有源區通過能量弛豫區(載流子注入)從鄰近有源區隔開。例如，它可以設計，使得選擇在相同量子阱產生的垂直躍遷或在相鄰量子阱的量子限制能級之間的對角線躍遷作為在QW有源區中的限制能級態之間的光發射光躍遷。
中到遠紅外波長波段的單極量子子能帶間雷射二極體可以在更廣泛領域如汙染監測、過程控制和汽車中應用。特別地，能夠發射中紅外的量子級聯半導體雷射器在商業和學術方面吸引了大量的注意。
然而，傳統的量子級聯雷射器被構造以使得當發射N個光子時，一個電子穿過由QW有源區和能量弛豫區構成的基本單位單元結構的N層疊層(周期)。為了得到足夠的光功率，應該形成～25至70或更多的疊層(周期)的基本單位單元。因此，由於應當通過分子束外延(MBE)來外延生長複雜的多層，傳統的量子級聯雷射器很難製造，因此，作為技術工藝的現狀，限制了它的研究和研發。

發明內容
本發明涉及一種由於由很少數量的疊層(周期)構成的簡單小型結構，而易於製造的量子子能帶間躍遷半導體雷射器設備。
本發明也涉及一種量子子能帶間躍遷半導體雷射器設備，其通過注入多個載流子到QW有源區的上躍遷能級以在發光躍遷狀態之間得到高的粒子數反轉，而能夠得到高功率，其中載流子穿過PIN型或PN型載流子倍增層結構時倍增。
本發明一方面提供一種量子級聯子能帶間躍遷半導體雷射器，其包括在半導體襯底上形成的第一覆蓋層、有源區、和第二覆蓋層，其中有源區包括N個周期的單位單元結構，其中單位單元結構組成為用於倍增載流子的PIN型載流子倍增層結構、用於釋放載流子的能量和把載流子注入到QW有源區的載流子引導層，例如漏鬥形(funnel)注入極、和載流子注入到其中並經歷光躍遷的QW有源區。
本發明的另一方面是提供一種量子級聯子能帶間躍遷半導體雷射器，其包括在半導體襯底上形成的第一覆蓋層、有源區、第二覆蓋層，其中有源區包括N個周期(層)單位單元結構，其中單位單元結構包括用於倍增載流子的載流子倍增層、例如漏鬥性注入極的用於釋放載流子的能量和把載流子注入到QW有源區中的載流子引導層、和載流子注入到其中並在其中產生光躍遷的QW有源區的組合。
本發明的另一方面是提供一種量子子能級間躍遷半導體雷射器，其包括在半導體襯底上形成的第一覆蓋層、有源區、第二覆蓋層，其中有源區包括N個周期(層)的單位單元結構，其中單位單元結構包括用於倍增載流子的載流子倍增層、用於釋放載流子的能量和把載流子注入到QW有源區中的載流子引導層、在其中注入載流子由此產生光學躍遷的QW有源區和載流子能量釋放層、。
雷射器可以進一步包括半導體襯底；第一覆蓋層；在第一覆蓋層和有源層之間形成的第一波導層；在有源區和第二覆蓋層之間形成的第二波導層。
載流子倍增層結構和QW有源區的組合可以重複的層疊，載流子倍增層結構、載流子引導層和QW有源區的組合可以重複地層疊，或載流子倍增層結構、載流子引導層、QW有源區和載流子能量釋放層的組合可以重複地層疊。
載流子引導層、QW有源區和能量釋放層可以具有多重量子阱結構或超晶格結構。


通過參考附圖詳細描述優選實施例，本領域的技術人員將更加清楚本發明的上述和其它特徵和優點，其中圖1是根據本發明的示例實施例的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器的截面圖。
圖2到4是根據本發明的示例實施例的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器的導帶能帶圖。
具體實施例方式
由於傳統的中/遠紅外量子級聯雷射器具有當發射N個光子時，一個電子穿過N層單位單元結構的疊層(周期)結構，其需要25至70或更多數量的疊層以得到足夠的光功率。因此，該結構是複雜，且難以生長量子級聯雷射器結構。
本發明形成一種載流子倍增層結構，其包括用於在其中產生子能帶間輻射躍遷的QW有源區之間產生載流子倍增的PIN型層、和用於釋放倍增載流子能量和把倍增載流子注入到鄰近QW有源區的上躍遷能級的載流子導向層。本發明提高了到QW有源區中的載流子的注入效率以得到了高的粒子數反轉，由此即使利用簡單小型的疊層(周期)也能得到了高功率，由此有利於製造。
在下文中，詳細描述了本發明的示例實施例。然而，本發明並不局限下面描述的實施例，而且可以以不同類型實施。因此，為了完整公開本發明和為了對本領域技術人員完全地傳達本發明的範圍而提供本實施例。
圖1是根據本發明的示例實施例的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器的截面圖。
在由InP製成的半導體襯底上形成下覆蓋層20和波導層30。這裡，下覆蓋層20由厚度為1微米或更小的InP製成，波導層30由厚度為1微米或更小的InGaAs製成。由InGaAs/InAlAs的QW有源區41、InAlAs/InAlGaAs的載流子引導層結構42和載流子倍增層43構成的單位單元結構可以形成在波導層30上。單位單元結構，即QW有源區41、載流子引導層結構42和載流子倍增層結構43的組合可以被重複地層疊兩到更多次數，優選兩次或十次。
在發射光波長設計基礎上，可以形成QW有源區41以具有未摻雜的InGaAs/InAlAs倍增量子阱結構或多晶矽結構。其可以形成以具有如圖1所示的多重量子阱結構、InGaAs量子阱層41a和InAlAs量子阻擋層41b的疊層(周期)。換句話說，可以使用垂直躍遷量子阱結構或對角躍遷量子阱結構，和可以使用一個、兩個、三個和四個量子阱結構或多重量子阱結構。
可以形成QW有源區(41)以具有InGaAs/InAlAs多重量子阱結構或InGaAs/InAlAs超晶格結構。換句話說，如圖1中所示，載流子引導層結構42可以形成以具有InGaAs量子阱層42a和InAlAs量子阱阻擋層42b的疊層。
載流子倍增層結構43包括n型摻雜層43a、未摻雜倍增層43b、和p型電荷層43c。N型摻雜層43a由n-InGaAs或n-InAlAs形成且具有500的厚度。在工作中，倍增層43b能夠允許採用強度大於～105V/cm的電場，該倍增層由厚度為1500或更小的未摻雜的InGaAs或InAlAs形成，用於中度的載流子的雪崩倍增。P電荷層43c由p-InGaAs或p-InAlAs形成且具有500或更小的厚度。
波導層50和覆蓋層60形成在上述結構上。這裡，覆蓋層60由InP形成且具有1微米或更小的厚度，波導層50由InGaAs形成且具有1微米和更小的厚度。在襯底10的底表面和在覆蓋層60上方分別形成電極81和82。為了增強在電極82和覆蓋層60之間的歐姆接觸特性，發射級接觸層70可以由導電材料例如n+-InGaAs形成以在電極82和覆蓋層60之間具有幾千的厚度。
換句話說，覆蓋層20和波導層30形成在半導體襯底10上，QW有源區41、載流子導向層42和載流子倍增層結構43在波導層30上形成。此時，單位單元結構，即QW有源區41、載流子引導層(42)結構和載流子倍增層結構43的組合可以在波導層30上重複地層疊兩次或更多次，優選地，層疊兩到十次。
下面參考附圖2到4描述本發明上述結構的量子子能帶間躍遷半導體雷射器的工作。
本發明的量子子能帶間躍遷半導體雷射器包括單位單元結構，其由載流子倍增層結構43和載流子引導層結構42構成，載流子倍增層結構43在產生光躍遷的QW有源區41之間具有載流子倍增層43b，且載流子引導層結構42用於引導倍增載流子以注入到鄰近QW有源區41的上躍遷能級。因此，注入到上躍遷能級的載流子在數量上增加，結果增加了注入效率，由此在QW有源區4l的光躍遷量子限制能級之間得到了高粒子束反轉，而得到了高功率的量子子能帶間躍遷雷射器。
當為電極81和82施加電壓時，載流子穿過載流子倍增層結構43而當由具有厚度為1500或以下的相對薄的倍增層43b中的碰撞電離引起的載流子倍增來增加載流子數量，即通過中度的雪崩倍增。
在倍增層43b中的載流子倍增通過載流子引導層結構42引導和注入到鄰近QW有源區41的躍遷能級中，由此把能量釋放到注入到QW有源區的注入能級中。換句話說，載流子引導層結構42引導倍增和能量分布廣的載流子以具有窄的能量分布，且把載流子能量釋放以注入載流子到QW有源區41中。在QW有源區41中經受量子子能帶間躍遷的載流子依次穿過下一個鄰近的載流子倍增層結構43和然後再一次被倍增。通過載流子的連續倍增，與傳統的量子級聯雷射器結構相比，可以利用更少重複的單位單元結構得到光功率的大增益。
例如，假定單位單元結構，即QW有源區41、載流子引導層結構42和載流子倍增層結構43的組合重複層疊N次，載流子在一個倍增層中倍增「m」次，注入的一個載流子可以被倍增mN次，結果也可以產生mN個光子。
因此，與其中一個電子穿過N個級聯疊層(周期)而產生N個光子的傳統的量子級聯雷射器(QCL)相比，本發明的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器的優勢在於利用簡單小型的結構能夠得到高功率。特別地，可以使用具有小厚度的倍增層結構，從而提高增益、速度和穩定性。
上述結構的量子子能帶間躍遷半導體雷射器的發射光波長由與QW有源區41相對應的量子阱結構的限制能級確定。
圖2是根據本發明的示例實施例的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器的導帶圖。
雪崩量子子能帶躍遷半導體雷射器包括由QW有源區41、載流子引導層結構42和載流子倍增層結構43構成的單位單元結構。在這種情況下，QW有源區41具有超晶格結構，載流子引導層結構42具有多重量子阱或超晶格結構。
參考圖2，在施加電壓下的倍增電子由載流子引導層結構42引導，並注入到在具有超晶格結構的鄰近QW有源區41的Es2子帶中。這裡，在Es2子帶和Es1子帶之間的粒子束反轉導致了輻射光躍遷，由此發射多個光子，躍遷到具有低能量的Es1子帶的電子再次順序穿過下一個鄰近的載流子倍增層結構43並被倍增。換句話說，載流子引導層結構42引導倍增的和寬能量分布的電子以具有窄的能量分布，並把電子能量釋放以把電子注入到下一個鄰近的QW有源區41的Es2子帶中。載流子再次經歷在QW有源區41中的量子子能帶間躍遷，再次順序穿過下一個鄰近的載流子倍增層43和再一次被倍增，並穿過載流子引導層結構42和QW有源區41，由此通過這樣的順序載流子倍增得到光功率的大增益。即，假定單位單元結構，即QW有源區41、載流子引導層結構42和載流子倍增層結構43的組合被重複層疊N次，載流子在一個倍增層中被倍增「m」次，作為所得結果，注入一個載流子能夠被倍增mN次和可以產生mN個光子。
圖3是根據本發明的示例實施例的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器的導帶圖。
量子子能帶間躍遷半導體雷射器包括單位單元結構，其由QW有源區41、載流子引導層結構42、和載流子倍增層結構43構成。在這種情況下，QW有源區41具有三量子阱結構。
參考圖3，在施加電壓中輸入的電子被載流子引導層42引導，並注入到在具有三量子阱結構的鄰近QW有源區41中形成的Eq3子帶中。這裡，在Eq3子帶和Eq2子帶之間的粒子束反轉導致雷射躍遷，由此發射多個光子，躍遷到具有低能量的Eq2子帶的電子快速釋放到具有低能量的Eq1子帶，由此提高在Eq3子帶和Eq2子帶之間的粒子束反轉。釋放到Eq1子帶的電子依次穿過下一個鄰近的載流子倍增層結構43並被倍增。換句話說，載流子引導層結構42引導倍增的和寬能量分布的電子以具有窄的能量分布，並釋放電子能量以注射電子到下一個鄰近的QW有源區41的Eq3子帶。載流子再次經歷在QW有源區41中的量子子能帶間躍遷，再次順序穿過下一個鄰近的載流子倍增層結構43和再次被倍增，並穿過載流子引導層結構42和有源區41，由此通過這樣的載流子的連續倍增得到非常大的光功率增益。即，假定這樣的單位單元結構，即QW有源區41、載流子引導層結構42和載流子倍增層結構43被重複N次，載流子在一個倍增層中倍增「m」次，所得的效果，注入一個載流子可以被倍增到mN次，也可以產生mN個光子。
圖4是根據本發明實施例的量子子能帶間躍遷半導體雷射器的導帶能級圖。
參考圖4，在這個結構中，單位單元結構包括在QW有源區41和載流子倍增層結構43之間插入的能量釋放層44。在施加電壓下的電子被載流子引導層結構42引導，並注入到在具有三量子阱結構的鄰近QW有源區41中形成的Eq3子帶中。這裡，在Eq3子帶和Eq2子帶之間的粒子束反轉引起了雷射躍遷，由此發射多個光子，躍遷到具有低能量的Eq2子帶的電子釋放到具有低能量的Eq1子帶，且躍遷到Eq1子帶的電子依次容易地釋放到能量釋放層44，由此在Eq3子帶和Eq2子帶之間增強粒子束反轉，防止載流子倍增層結構43的摻雜劑擴散到QW鄰近有源區41中。
如上所述，根據本發明，載流子倍增，即當穿過載流子倍增層結構時，多個倍增的載流子注入到QW有源區的光躍遷能級以得到高的粒子束反轉，由此得到高輸出功率。並且，為了得到足夠的光功率，傳統量子級聯雷射器應當採用很多周期的多重量子阱，因此很難製造，但是由於其簡單和小型的結構，即很少數量的疊層(周期)結構，本發明的半導體雷射器容易製造。因此，能得到具有高功率和低成本的中/遠紅外量子子能帶間躍遷半導體雷射器。
雖然參考其特定的示例實施例示出和描述了本發明，本領域的技術人員將會理解在不脫離由權利要求書所限制的精神和範圍的情況下，本發明可以在形式和細節上進行多種修改。
本發明要求於2005年7月26日申請的韓國專利申請No.2005-67857的優先權，這裡引入其全部內容作為參考。
權利要求
1.一種雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，包括在半導體襯底上形成的第一覆蓋層、有源區、和第二覆蓋層，其中所述有源區包括單位單元結構，所述單位單元結構包括用於倍增載流子的載流子倍增層結構、載流子引導層結構和載流子注入到其中的量子阱有源區，其中所述載流子經歷光輻射躍遷。
2.根據權利要求1的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中重複層疊包括所述載流子倍增層結構、所述載流子引導層結構和所述量子阱有源區的所述單位單元結構。
3.根據權利要求1的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子引導層結構具有多重量子阱或超晶格結構。
4.根據權利要求1的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述量子阱有源區具有多重量子阱或超晶格結構。
5.根據權利要求1的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子倍增層結構包括p電荷層、用於倍增載流子的倍增層和n型摻雜層。
6.根據權利要求1的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，還包括在所述第一覆蓋層和所述第二覆蓋層之間形成的第一波導層；在所述量子阱有源區和所述第二覆蓋層之間形成的第二波導層。
7.根據權利要求1的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子倍增層結構的倍增層包括半導體超晶格結構。
8.一種量子子能帶間躍遷半導體雷射器，包括在半導體襯底上形成的第一覆蓋層、有源區、第二覆蓋層，其中所述有源區包括由用於倍增載流子的載流子倍增層結構、載流子注入到其中的量子阱有源區的組合構成，其中所述載流子經歷子能帶間光輻射躍遷。
9.根據權利要求8的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子倍增層結構和所述量子阱有源區的組合被重複層疊。
10.根據權利要求8的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述量子阱有源區具有多重量子阱或超晶格結構。
11.根據權利要求8的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子倍增層結構包括p電荷層、倍增載流子的倍增層和n型摻雜層。
12.根據權利要求8的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，還包括在所述第一覆蓋層和所述量子阱有源區之間形成的第一波導層；在所述量子阱有源區和所述第二覆蓋層之間形成的第二波導層。
13.根據權利要求8的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子倍增層結構的倍增層包括半導體超晶格。
14.一種雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，包括在半導體襯底上形成的第一覆蓋層、有源區、第二覆蓋層，其中所述有源區包括用於倍增載流子的載流子倍增層結構、用於釋放載流子能量到注入能級的載流子引導層結構、載流子注入到其中的量子阱有源區和載流子能量釋放層的組合，其中所述載流子經歷子能帶間光輻射躍遷。
15.根據權利要求14的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子倍增層結構、所述載流子引導層結構、所述量子阱有源區和所述載流子能量釋放層的組合重複地層疊。
16.根據權利要求14的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述能量釋放層具有量子阱或超晶格結構。
17.根據權利要求14的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子引導層結構具有多重量子阱或超晶格結構。
18.根據權利要求14的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述量子阱有源區具有多重量子阱或超晶格結構。
19.根據權利要求14的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子倍增層結構包括p電荷層、用於倍增載流子的倍增層和n型摻雜層。
20.根據權利要求14的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，還包括在所述第一覆蓋層和所述量子阱有源層之間形成的第一波導層；在所述量子阱有源區和所述第二覆蓋層之間形成的第二波導層。
21.根據權利要求14的雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器，其中所述載流子倍增層結構的倍增層包括半導體超晶格。
全文摘要
本發明公開了雪崩量子子能帶間躍遷半導體雷射器。該雷射器包括在半導體襯底上形成的第一覆蓋層、第一波導層、有源區、第二波導層和第二覆蓋層，其中有源區由單位單元結構的多個疊層(周期)構成，單位單元結構包括用於倍增載流子的載流子倍增層結構、載流子引導層結構和載流子注入到其中且在其中產生載流子的子能帶間光輻射躍遷的QW有源區。這裡，當穿過載流子倍增層結構時倍增且注入到QW有源區的光躍遷能級的載流子，可以有效地得到高粒子束反轉，由此能利用更少疊層的小型結構得到了更高的雷射輸出功率。
文檔編號H01S5/34GK1921244SQ200610126360
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月26日 優先權日2005年7月26日
發明者金敬玉, 金仁奎, 李基仲, 李哲均 申請人:韓國電子通信研究院