專利名稱：子能帶間超晶格光發(fā)射器內(nèi)有空間對稱波函數(shù)的平微能帶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及子能帶間(ISB)超晶格(SL)光發(fā)射器，更準確說，是涉及具有基本上平的微能帶和空間對稱波函數(shù)的量子級聯(lián)(QC)SL激光器。
在ISB SL激光器中，光躍遷發(fā)生在上微能帶(即接近該能帶底部或就在該能帶底部的能態(tài))和下微能帶(即接近該能帶頂部或就在該能帶頂部的能態(tài))之間。為了使這些激光器能恰當?shù)剡\行，必須存在上微能帶和下微能帶的平能帶條件；就是說，必須滿足兩個條件(1)每個輻射躍遷(RT)區(qū)與相鄰的注入/弛豫(I/R)區(qū)在宏觀上對齊，和更為重要的是，(2)每個RT內(nèi)各上激光能級在宏觀上對齊(同樣，各下激光能級也要對齊)。但是，存在外場時(例如，為產(chǎn)生激光而沿層的橫向施加的外偏置)，如果用基本上全同的量子阱(QW)區(qū)的SL，那么沿場的方向，量子態(tài)的能量從一量子阱(QW)層到下一QW層變得越來越高。美國專利No.6,055,254指出了這個問題，該專利于2000年4月25頒發(fā)給F. Capasso等人(后面稱之為Capasso 55專利)，該專利授予本文的代理人，并在此引用，供參考。Capasso 55專利描述了一種ISB SL激光器，其中，用改變SL的周期來對ISB SL激光器內(nèi)的電子勢能進行預偏移，不論SL內(nèi)是否存在外加電場，都得到上微能帶和下微能帶平均說來基本上平的分布。Capasso 55中的圖2(與本文圖2幾乎一樣)畫出存在外加電場時基本上平的能帶的情況，就是說，在每個RT區(qū)中(如RT 14.5)，接近或就在微能帶2底部的各能態(tài)(由它們的波函數(shù)代表)，在RT區(qū)上完全伸展，接近或就在微能帶1頂部的各能態(tài)也是如此。在每個上微能帶2中，相對于通過單極輻射躍遷(RT)區(qū)中點的豎直平面(此后稱中間平面)，波函數(shù)基本上是空間對稱的。與此相反，在每個下微能帶1中，波函數(shù)是顯著空間不對稱的(圖上中間平面右側(cè)用較大數(shù)值的波瓣表示)。不對稱性隨著微能帶寬度的減小而增加。不對稱性的一種結(jié)果，是減小光偶極矩陣元，從而導致效率低的發(fā)射器。
從原理上說，Capasso 55的設(shè)想確實能使微能隙(即涉及光躍遷的兩個能級或能態(tài))邊沿的兩個波函數(shù)成為對稱的，但只在相對窄的波長和電場范圍。然而，在使該兩個能態(tài)的波函數(shù)對稱時，卻不增加用于優(yōu)化和/或控制許多其他設(shè)計問題必要的自由度。例如，下述參數(shù)是固定的在該兩微能帶中其余能態(tài)的波函數(shù)形狀和能量位置，這將影響微能帶的電子注入和抽出，或微能帶內(nèi)的光吸收，此外還有其他影響。
因此，在ISB SL發(fā)射器技術(shù)上，還需要一種設(shè)計，該設(shè)計不僅提供基本上平的微能帶，而且提供基本上空間對稱的波函數(shù)(至少對涉及光躍遷的兩個波函數(shù))，又可獨立地控制外加的電場、需要的工作波長、波函數(shù)形狀、以及微能帶中其余能態(tài)的能量位置。所謂獨立地控制，是指從一組參數(shù)中與同一組參數(shù)內(nèi)其他參數(shù)值獨立地選取一個參數(shù)值的能力。在本文中，有時我們把這種選取稱為任意的。
在某些應用中，還需要在上微能帶和下微能帶所有波函數(shù)基本上空間對稱的ISB SL發(fā)射器內(nèi)，取得上述這些特性。
按照我們發(fā)明的一個方面，ISB光發(fā)射器的RT區(qū)包括預偏移SL和多個分裂的量子阱(SPQW)。所謂SPQW，我們指一種量子阱，該量子阱被至少一勢壘層分為多個子阱，該勢壘層足夠薄，足以使上能態(tài)和下能態(tài)的分離超過它們的自然增寬，并對每個RT區(qū)內(nèi)的不同微能帶產(chǎn)生影響。與此相反，相鄰的SPQW則由另外的勢壘層使之相互耦合，該勢壘層的厚度要能在每個RT區(qū)上建立微能帶。
在一個實施例中，我們的發(fā)明包括在相鄰RT區(qū)之間的I/R區(qū)，而在另一個實施例中，該I/R區(qū)被省去(即無注入?yún)^(qū)的ISB發(fā)射器)。
我們的發(fā)明可使涉及光躍遷的至少兩個波函數(shù)(而在一個實施例中，幾乎所有微能帶中的波函數(shù))成為空間對稱的，并提供附加的自由度，自由度對優(yōu)化微能帶的能量位置，從而對電子的注入和抽出，是重要的。把微能帶能量適當定位的自由度，與任意選取電場能力的組合，可以實現(xiàn)無注入?yún)^(qū)的ISB發(fā)射器設(shè)計。
我們的發(fā)明，連同其各種特性和優(yōu)點，能夠從下述結(jié)合附圖的更詳細說明中容易弄清楚，附圖有

圖1是按照我們發(fā)明的一個實施例，畫出ISB SL光發(fā)射器的示意截面圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)ISB SL光發(fā)射器的示意的導帶分布圖，其中在設(shè)計電場為45kV/cm時，I/R區(qū)跨接兩個SL區(qū)；圖3按照各種現(xiàn)有技術(shù)，畫出示意的導帶分布圖，圖上表明存在外加電場和合適的內(nèi)部補償場下典型的平能帶情況；圖4按照Capasso 55專利的一個實施例，畫出沒有外加的電場下，預偏移SL的示意的導帶分布圖；圖5按照我們發(fā)明的一個實施例，畫出沒有外加電場下，SPQW RT區(qū)的示意的導帶分布圖；圖6按照我們發(fā)明的一個實施例，畫出SPQW RT區(qū)的示意的導帶分布圖。該圖表明存在外加電場下，具有基本上對稱波函數(shù)(模平方)的微能帶的典型平能帶情況。受限的基態(tài)能量(A)、微能帶的寬度(B)、微能隙(C)、和電場強度，都可以相互獨立地由設(shè)計選?。粓D7按照圖6的實施例，畫出被注入/弛豫(I/R)區(qū)耦合的一對SPQW RT區(qū)示意的導帶分布圖。該圖還表明存在外加電場下，具有基本上對稱波函數(shù)(模平方)的微能帶的典型平能帶情況。輕點描畫區(qū)域代表RT區(qū)中構(gòu)成微能帶的能態(tài)覆蓋的能量范圍，而濃點描畫區(qū)域代表注入?yún)^(qū)的能態(tài)覆蓋的能量范圍。直的箭頭與激光躍遷對應。
圖8畫出作為不同散熱器溫度下驅(qū)動電流函數(shù)的、圖7所示類型ISB SL激光器的脈沖光功率。該功率是從深度蝕刻條帶形狀的激光器的單個小端面(以近似1的收集效率)發(fā)出的，其中的條帶長度是2.25mm，寬度是17μm。點線表示7K時的I-V特性。插圖畫出7K時在閾值以上觀察到的Fabry-Perot譜；圖9按照我們發(fā)明的另一個實施例，畫出無注入?yún)^(qū)的ISB SL激光器的示意的導帶分布圖。該圖還表明存在外加電場下，具有基本上對稱波函數(shù)(模平方)的微能帶的典型平能帶情況。帶點區(qū)域代表RT區(qū)中構(gòu)成微能帶的能態(tài)覆蓋的能量范圍。直的箭頭與激光躍遷對應。
圖10畫出在不同驅(qū)動電流下，圖9所示類型ISB SL光發(fā)射器的場致發(fā)光光譜。在10.5μm(約125meV)處的箭頭僅供參考。插圖表示該裝置的I-V曲線；和圖11是圖9所示類型ISB SL激光器在約10K時工作在脈沖模式的Fabry-Perot譜。
為了清晰和簡明，圖1-7和9不是按比例畫的。又，當論及物理的或光的尺寸時，符號A代表Angstrom，而當論及電流時，A代表Ampere。
在下面的說明中，我們討論的順序是ISB光發(fā)射器的基本設(shè)計，RT區(qū)的預偏移SL設(shè)計，RT區(qū)的SPQW設(shè)計，和按照我們發(fā)明的激光器，該激光器采用既給出基本上平的微能帶，也給出基本上空間對稱波函數(shù)的兩種設(shè)計特性。還說明具有和不具有與RT區(qū)耦合的I/R區(qū)的ISB激光器。最后，我們以該兩種激光器的例子結(jié)束。
一般的ISB SL光發(fā)射器現(xiàn)在參考圖1，ISB SL半導體光發(fā)射器(如QC激光器)10包括SL芯區(qū)14，夾在上包層區(qū)16和下包層區(qū)12之間。該芯區(qū)包括激光器的有源區(qū)。有源區(qū)又包括多個RT區(qū)。在一個實施例中，相鄰的RT區(qū)被I/R區(qū)分離；在另一個實施例中，則省去I/R區(qū)。
ISB一詞，一般指發(fā)生在RT區(qū)和I/R區(qū)內(nèi)光躍遷和電子躍遷的熟知的單極本性。
在其上形成發(fā)射器各層的襯底，通常被用作下包層區(qū)?；蛘?，與襯底分離的下包層也可以在襯底和芯區(qū)之間形成。上包層區(qū)16示例性地畫成脊狀波導激光器結(jié)構(gòu)通常的臺面形狀或梯形形狀。該臺面可以用淺蝕刻，如圖所示停止在芯區(qū)14上，也可以用深蝕刻，使臺面伸延進芯區(qū)內(nèi)。
不論哪一種情形，在該裝置的頂部要形成一電絕緣層18(如Si3N4或SiO2)，并制成有一開孔的圖形，露出臺面頂部的一部分?；蛘?，絕緣層可以包括J.N.Baillargeon等人在共同未決美國專利中所述類型的硫?qū)倩锊Ａ?，該專利的申請序號為No.09/611,886，2000年7月7日申請，轉(zhuǎn)讓給了本受讓人，且在此引用，供參考。在絕緣層18上和開孔內(nèi)，形成第一電極20，以便與上包層區(qū)連接(通常借助于高摻雜的增進接觸層，未畫出)，而在襯底12上形成第二電極22。
襯底本身可以是單晶半導體物體或該類物體與另一種層(如生長在該物體頂部表面的外延層)的組合。舉例說，該類型激光器由III-V族化合物半導體制成；如像GaInAs和AlInAs等In基的III-V族化合物。
沒有畫出的驅(qū)動電路跨接在電極上，以便向激光器提供外電壓偏置和提供足夠數(shù)量的泵浦能量，使之發(fā)光。在閾值以下，發(fā)射器作為非相干的自發(fā)輻射源工作，而在閾值以上，發(fā)射器作為相干的受激輻射源工作。在后一情形，當提供光反饋時，該源即作為激光器工作。通常用光腔諧振器提供適當?shù)墓夥答?，光腔諧振器用例如解理晶面、分布反饋(DFB)光柵、分布Bragg反射器(DBR)、或它們的組合形成。
預偏移的SL如圖2所示，芯區(qū)14示例性地包括N個重復單元，每單元包括預偏移SL RT區(qū)14.1和I/R區(qū)14.2。把各SL的內(nèi)部電子勢能預偏移的作用，是產(chǎn)生上微能帶和下微能帶的基本上平能帶的條件，而不管是否存在由外加的偏置電壓在各SL內(nèi)產(chǎn)生的電場。更詳細地說，從宏觀的觀點看，RT區(qū)14.1的下微能帶14.3與相鄰的RT區(qū)14.5的上微能帶14.4對齊，并且該兩對齊的微能帶與居中的I/R區(qū)14.2的單個微能帶14.6匹配并由居中的I/R區(qū)14.2的單個微能帶14.6跨接。另一方面，如前面指出的，從微觀的觀點看，在每個下微能帶1中，波函數(shù)是顯著空間不對稱的(示例性畫出中間平面右側(cè)有較大數(shù)值的波瓣)。不對稱性的一種結(jié)果，是減小光偶極矩陣元，從而導致低效率的發(fā)射器。
在該種類型裝置中，激光的發(fā)射是微能帶間的過程；即如波浪形箭頭15所示，波長□的受激發(fā)射發(fā)生在RT區(qū)14.1內(nèi)的上微能帶14.7最底部能級2(波函數(shù)F2)與下微能帶14.3最頂部能級1(波函數(shù)F1)之間。同樣的過程發(fā)生在其他RT區(qū)內(nèi)。例如，相同波長的激光發(fā)射也發(fā)生在RT區(qū)14.5內(nèi)的上微能帶14.4最底部能級2與下微能帶14.8最頂部能級1之間。
RT區(qū)內(nèi)部電子勢能被預偏移的含義是，在裝置內(nèi)部建立一實際的勢能；就是說，RT區(qū)至少Q(mào)W層的第一子集的能級逐層QW層地錯開排列。在一個實施例中，預偏移是通過沿橫跨這些QW層的第一方向，例如沿外加電場(由偏置電壓產(chǎn)生)的方向，單調(diào)地增加這些層的厚度而得到的。在一個優(yōu)選的實施例中，勢壘層第二子集的厚度也可以逐層勢壘層地變化。較可取的是，這些勢壘層的厚度沿同一方向單調(diào)地減小或增加。子集一詞，意指包含RT區(qū)中比所有QW(或勢壘)層少的層，或者包含RT區(qū)中所有QW(或勢壘)層(即完全集合)。此外，第一和第二子集無需包含相同一組層，也無需包含相同數(shù)目的層。
為了更好地理解預偏移SL RT區(qū)如何保證上導電微能帶和下導電微能帶所需的平能帶條件，我們轉(zhuǎn)到圖3和圖4。圖3畫出存在外加場EA時，SL中微能帶40和41需要的平能帶情況。圖上畫出的SL是通?，F(xiàn)有技術(shù)的場補償周期結(jié)構(gòu)，其中每一QW層有相同的厚度tw，而每一勢壘層亦有相同厚度tb。但是，如果沒有某種形式的補償場EC，圖3的每一微能帶將在每一量子阱中分裂為不同能量的分離的量子態(tài)。我們利用該效應的有利方面，通過在SL內(nèi)建立量子態(tài)，這些量子態(tài)在沒有外加場時以某種方式錯開，而存在外加場時，這些量子態(tài)能按相同的絕對能量相互對齊。因此，如圖4所示，SL通過沿電場EA(因為只在激光器運行時才施加該電場，故以虛箭頭表示)方向增加QW層的厚度tw而預偏移。于是，例如，tw4＜tw3＜tw2＜tw1，意味著窄的QW中的量子態(tài)比寬的QW中相應量子態(tài)有較高的能量，還意味著窄的QW中的上能級和下能級之間的能量差，比寬的QW更大。因而，通過漸次改變QW的厚度，我們能夠使量子態(tài)逐個QW地以某種方式錯開，以便實現(xiàn)上微能帶和下微能帶需要的平能帶條件。
我們在這里指出，在比較短的SL中，上微能帶和下微能帶需要的平能帶條件，如前所述，能夠通過只改變QW的厚度得到。但是，在較長的SL中，最好改變QW和勢壘兩者的厚度；就是說，按照我們發(fā)明的另一個實施例，我們寧可沿外加場方向再改變(增加或減小)勢壘的厚度。是增加還是減小某特定勢壘層子集的厚度，由經(jīng)驗決定(包括使用計算機模型化程序)。改變tb的目的包括確保各QW恰當?shù)伛詈?、有利于QW間電子的輸運、和提供較高的振子強度(即光偶極矩陣元Z21)。無論如何，由(tw+tb)規(guī)定的周期不宜改變太大，以免顯著損害RT區(qū)的SL特性。
迄今，在QC SL中已經(jīng)獲得的最佳輸出功率，是勢壘層子集的厚度沿外加場方向減小的。但是，在QC SL激光器中已經(jīng)獲得的最佳閾值電流密度，是勢壘層子集的厚度沿外加場方向增加的。
遺憾的是，預偏移的SL包含各種寬度的QW區(qū)，其中，每個QW的基態(tài)和該阱的基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間的能量間隔不是無關(guān)的。特別是，當QW區(qū)越來越薄時，在QW中開始兩個能態(tài)的間隔是增加的，如圖4所示。因此，如果在沒有外加電場時，被分開的QW的基態(tài)全部對齊而形成平的微能帶，那么，第一激發(fā)態(tài)不可能也被理想地對齊，反之亦然。當被分開的阱的能級不對齊在相同的能量上時，得到的微能帶波函數(shù)的空間延伸程度和對稱性被降低，從而例如得到較低激光躍遷的光偶極矩陣元。
能級1和2的波函數(shù)(模平方)畫在圖2。注意，在每個RT內(nèi)，這些波函數(shù)在該RT的所有QW上伸延，因而表明各QW相互有效地耦合。但是，如前面所指出，就在或接近上微能帶14.4和14.7底部的波函數(shù)F2基本上是空間對稱的，而就在或接近下微能帶14.3和14.8頂部相應的波函數(shù)F1則是顯著空間不對稱的。就是說，如果相對于RT區(qū)的中間平面19測量對稱性，可以看到，中間平面19右側(cè)的每一波函數(shù)F1的波瓣數(shù)值都高于左側(cè)的數(shù)值。因此，每一波函數(shù)F1相對于各自的中間平面19缺乏鏡像對稱性。與之相反，每一波函數(shù)F2相對于各自的中間平面19基本上存在鏡像對稱性。如前面所指出，如果不折衷考慮設(shè)計的其他重要方面，那麼，通常的預偏移SL設(shè)計，波函數(shù)對稱性不是在上微能帶得到(如圖所示)，便是在下微能帶得到(未畫出)，但不能夠在兩方面都得到。
分裂的量子阱RT區(qū)30導帶中分裂的量子阱(SPQW)畫在圖5。該結(jié)構(gòu)有相對厚的、標準的勢壘區(qū)30.1把相鄰的QW 30.2相互分離。此外，每一QW有相對薄的勢壘區(qū)30.3把每個量子阱30.2分成(即分裂為)一對相鄰子阱30.2a和30.2b。
雖然勢壘30.3被畫成把QW對半分割，但只要滿足下述判據(jù)，這一比值不是實質(zhì)性的。還有，每一QW可以包括多于一個薄勢壘，以便把QW分為多于兩個子阱。
要選取標準勢壘區(qū)30.1的厚度，使在每個RT區(qū)建立有需要能量寬度的微能帶。這里所謂需要，是指下微能帶的能量寬度要小于光躍遷的能量，以降低光的吸收，同時又足夠?qū)?，以降低光躍遷的下能態(tài)的熱集居數(shù)。與此相反，勢壘區(qū)30.3的厚度的選取，要按(1)上能態(tài)和下能態(tài)之間的能量間隔超過它們的自然增寬；和(2)這些能態(tài)對每個RT區(qū)中的微能帶都產(chǎn)生影響。換句話說，薄勢壘30.3的厚度小于這樣的厚度，在該厚度上，微能帶間的能量差與每一微能帶內(nèi)各能態(tài)間的能量差近似相等。
薄勢壘區(qū)30.3和標準勢壘30.1的相對厚度，可表述如下。就某特定的SPQW及其相關(guān)的標準勢壘區(qū)而言，標準勢壘區(qū)30.1一般比薄勢壘區(qū)30.3厚。但是，當把RT區(qū)某部分(如在該RT區(qū)的一端)中特定標準勢壘區(qū)，與該RT區(qū)稍遠部分(如就在或接近該RT區(qū)的相反端)中特定薄勢壘區(qū)比較時，該兩勢壘區(qū)可能(由于SL的漸次變化)有相差不大的厚度，甚至標準勢壘區(qū)的厚度可能小于薄勢壘區(qū)的厚度。
預偏移SL與SPQW的組合按照我們發(fā)明的一個方面，ISB SL光發(fā)射器采用相互配合的預偏移SL和SPQW兩種設(shè)計，以獲得基本上平的上微能帶和下微能帶，以及在這些微能帶的每一個內(nèi)基本上對稱的波函數(shù)。
我們發(fā)現(xiàn)，在預偏移的SL內(nèi)用SPQW取代常規(guī)的QW，我們能夠建立基本上平的上與下兩個微能帶，在一個實施例中，還對涉及光躍遷的至少兩個波函數(shù)，同時建立基本上空間對稱的(能態(tài))波函數(shù)，而在另一個實施例中，則對微能帶內(nèi)幾乎所有波函數(shù)，同時建立基本上空間對稱的波函數(shù)。在一被分開的SPQW內(nèi)，兩個子阱的組合厚度和把它們分離的薄勢壘區(qū)的厚度，是兩個獨立的參數(shù)，該兩參數(shù)能把基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)相互獨立地置于任何絕對能量位置。因此，與現(xiàn)有技術(shù)在預偏移SL內(nèi)使用標準的QW相反，在預偏移的SL內(nèi)使用SPQW，我們能夠補償外加電場，并在把各個SPQW的基態(tài)對齊的同時，也把第一激發(fā)態(tài)對齊。這種組合，至少對涉及光躍遷的兩個能態(tài)，在設(shè)計的電場上導致具有基本上空間對稱波函數(shù)的基本上平的上微能帶和下微能帶。微能帶寬度由第三個獨立參數(shù)，即一組分隔相鄰SPQW的標準勢壘區(qū)的厚度所控制。因此，在我們發(fā)明的本實施例中，底部微能帶的能量位置、寬度、微能帶間微能隙寬度、和外加電場，全都能夠獨立地選取。與此相反，在現(xiàn)有技術(shù)的預偏移SL中，所有三個參數(shù)是強烈相互依賴的。
我們發(fā)明中的獨立參數(shù)，還能使我們在微能帶幾乎所有能態(tài)中獲得基本上空間對稱的波函數(shù)。
在本類型ISB SL發(fā)射器中，一般寧可使I/R區(qū)摻雜(如n型Si)而RT區(qū)無摻雜，以減小因摻雜離子對電子的散射而使發(fā)射譜增寬。
圖6按照我們發(fā)明的一個實施例，畫出該種ISB激光器RT區(qū)的導帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)的模平方。該RT區(qū)包括有四個SPQW的預偏移SL。注意圖上的平能帶和波函數(shù)對稱性。圖7畫出包含一RT區(qū)(有多個SPQW和一預偏移的SL)和一I/R區(qū)的重復單元(RU)。我們在隨后的例I中，說明從該種ISB激光器獲得的實驗結(jié)果。
例I帶有I/R區(qū)的預偏移SL的SPQW
本例按照我們發(fā)明的一個實施例，描述一種III-V族化合物半導體QC激光器，其中，相鄰的RT區(qū)被I/R區(qū)分隔，而每個RU包括一預偏移SL和多個SPQW。提供的各種材料、尺寸、和運行條件，只用于舉例，而不是對本發(fā)明范圍的限制，除非另有說明。本文使用無摻雜一詞，是指某特定半導體層或區(qū)沒有故意摻雜；即該區(qū)或?qū)拥娜魏螕诫s都相對地低，且通常是因生長該裝置該層的容器中殘留的或背景的摻雜。
該激光器的一般設(shè)計與圖1所示的相同，但我們使用深度蝕刻的脊狀波導結(jié)構(gòu)除外。該QC-SL激光器使用晶片D2636的帶居中I/R區(qū)的兩個RT區(qū)，示意地畫在圖7。該激光器用于發(fā)射約10.8μm的中心波長。表I-III給出準確的層序列。用與n型摻雜InP襯底晶格匹配的InGaAs量子阱層和AlInAs勢壘層，用分子束外延(MBE)生長五十五個RU。得到的疊層被埋置在電介質(zhì)QC激光器波導內(nèi)，完全與A.Tredicci等人在Electronic Lett.，Vol.36，No.10，PP.876-877(2000年5月)中所描述的一樣，本文引用該文，供參考。該激光器按深度蝕刻脊狀波導激光器處理，條寬從脊的中點測量為11至17μm，并解理成長度2.25mm的棒條。晶面不鍍膜。激光器焊接在銅的散熱器上，用電線連接，然后固定在可變溫度低溫恒溫器的冷凝管上。
按該激光器的設(shè)計，每RT有8個能態(tài)，全部都是基本上空間對稱的。
條寬17μm的激光器，運行于約7K至195K各種溫度下的脈沖L-I特性，畫在圖8。測量時的電流脈沖，持續(xù)時間約50ns，重復率5kHz。激光器的光輸出(發(fā)射)用快速的、校正過的室溫HgCdTe(MCT)光生伏打檢測器和矩形波串技術(shù)收集。峰值功率在7K時為120mW，而在195K時為12.5mW。
在7K的散熱器溫度下，測得激光器的閾值電流密度Jth是3.5kA/cm2，在195K即最高運行溫度時，增至7.5kA/cm2。低溫下的測量值與估算值1.7kA/cm2相當一致。測量值高出兩倍可以歸因于脊側(cè)壁的SiN/金屬的損耗，和/或較低的注入效率，這些因素在計算時并未考慮。激光躍遷發(fā)生在第二微能帶的最下能態(tài)(能級2)和第一微能帶最頂能態(tài)(能級1)之間。我們算出該兩能態(tài)間縱向光聲子的電子散射時間是τ21＝3.2ps，比計算的下激光能級的總壽命τ1＝0.3ps長得多，保證了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。上激光能級的總散射壽命是τ2＝0.7ps。計算的光偶極矩陣元z21＝2.7nm，同時，用具有避免增益變窄效應的圓形臺面幾何形狀的裝置測得的場致發(fā)光光譜寬度是20meV。閾值時加于該裝置的電壓是12V，接近跨接于RT和I/R區(qū)疊層上的設(shè)計電壓10.4伏。部分偏差可以認為是包層與接觸層上附加的電壓降。
圖8內(nèi)的插圖畫出四個激光器之一，以脈沖模式運行在中心波長11.6μm附近的Fabry-Perot結(jié)構(gòu)的特征模譜。該譜線的測量是用Nicolet Fourier Transform Infrared Spectrometer(FTIR)和冷卻的MCT檢測器完成的。
整個QC激光器的設(shè)計在表I給出。數(shù)值計算漸次改變的各區(qū)的細節(jié)，因為不是關(guān)鍵的且本領(lǐng)域一般都熟知，所以沒有給出。表II和III分別給出I/R區(qū)和RT區(qū)附加的細節(jié)。
表I
注意，在我們發(fā)明的本實施例中，I/R區(qū)是n型(用Si)摻雜的；RT區(qū)則否。
每種常規(guī)GaInAs/AlInAs的I/R區(qū)的細節(jié)在表II給出。
表II
表III按照我們發(fā)明的一個實施例，給出用試樣D2636構(gòu)成RT區(qū)(預偏移SL和四個SPQW)無摻雜層的變化的層厚度。外加電場(未畫出)是向上方向，即從表的底部到頂部。
表III
本表指出，整個QW厚度(包括薄勢壘)約在46-55A的范圍，子阱厚度約在17-24A的范圍，把QW分裂的較薄勢壘的厚度約在7-11A的范圍，而標準勢壘的厚度約在20-29A的范圍。
無注入?yún)^(qū)的ISB SL光發(fā)射器在前面的討論中，我們說明了ISB SL激光器，在該種激光器中，RT區(qū)包括預偏移SL和多個SPQW的組合。這一新奇設(shè)計的特征在于比先前的SL ISB激光器有大得多的設(shè)計靈活性，從而為設(shè)計我們發(fā)明的另外實施例開創(chuàng)了可能性。該種設(shè)計之一是無注入?yún)^(qū)的激光器；就是說，在各RT SL區(qū)之間不包含I/R區(qū)(定義如前)。消除I/R區(qū)可增加模強度分布與RT區(qū)的重疊，同時還在給定波導芯內(nèi)增加RT區(qū)的數(shù)目。(雖然在相鄰RT區(qū)之間沒有I/R區(qū)提供分界線，但各RT區(qū)仍然是彼此可分的，因為在每個RT區(qū)的開端重新開始它們的SL的漸次變化。)計算機模型表明，與使用I/R區(qū)的ISB SL激光器比較，該設(shè)計降低了閾值并增加輸出功率。
圖9按照我們發(fā)明的本實施例，畫出ISB SL激光器的一對相鄰的RT區(qū)。如前面的討論，每個RT區(qū)包括一預偏移SL與多個SPQW的組合。涉及光躍遷(直箭頭)的波函數(shù)的模平方伸展至一個周期的總長度(即伸展至每個RT區(qū)的長度)。以點描畫的區(qū)域代表SL微能帶的能量范圍。該設(shè)計能對相對能級(圖中的高度)適當定位，雖然不存在I/R區(qū)，也能使電流從一個RT區(qū)的下微能帶流向下一級的上微能帶。(在現(xiàn)有技術(shù)的ISB激光器中，一個RT區(qū)的下微能帶不能與相鄰RT區(qū)的上微能帶對齊，因而在其設(shè)計中需要I/R區(qū)。)此外，在我們發(fā)明的本實施例中，普遍認為，雖然摻雜離子的存在會增寬發(fā)射譜，但至少某些RT區(qū)還是摻雜好。否則，下游RT區(qū)(相對于電子流方向)在輻射躍遷發(fā)生前，可能要“等待”上游電子的到達。為緩解這一潛在問題，我們最好在芯的下游端或接近芯的下游端對RT區(qū)有限制地摻雜。但是，不排斥其他的摻雜模式，包括對所有RT區(qū)摻雜。
例II帶有SPQW預偏移SL的無注入?yún)^(qū)的ISB發(fā)射器本例描述III-V族化合物半導體無注入?yún)^(qū)的QC SL激光器；即，按照我們發(fā)明的緊接前面的實施例，其中沒有I/R區(qū)把相鄰的RT區(qū)分隔，且每個RT區(qū)包括一預偏移SL和多個SPQW的QC激光器。如前所述，提供的各種材料、尺寸、和運行條件，只用于舉例，而不是對本發(fā)明范圍的限制，除非另有說明；同時，本文使用的無摻雜一詞，是指某特定半導體層或區(qū)沒有故意摻雜；即該區(qū)或?qū)拥娜魏螕诫s都相對地低，且通常是因生長該裝置該層的容器中殘留的或背景的摻雜。
激光器的一般設(shè)計與圖1所示的相同，但我們使用深度蝕刻的脊狀波導結(jié)構(gòu)除外。該QC SL激光器中多個RT區(qū)的兩個代表性RT區(qū)，示意地畫在圖9。每一RT區(qū)包括一預偏移SL和四個(晶片D2666)或五個(晶片D2630)SPQW。該激光器用于發(fā)射約10.8μm的中心波長(晶片D2630和D2666)。表IV-VI給出準確的層序列。一種情況生長50個RT(晶片D2630)，另一種情況生長80個RT(晶片D2666)。在兩種情況下，RT包括用分子束外延(MBE)生長與n型摻雜InP襯底晶格匹配的InGaAs量子阱層和AlInAs勢壘層。得到的疊層被埋置在電介質(zhì)QC激光器波導內(nèi)，完全與上面引用A.Tredicci等人描述的一樣。該激光器按深度蝕刻脊狀波導激光器處理，條寬從脊的中點測量為11至17μm，并解理成長度2.25mm的棒條。晶面不鍍膜。激光器焊接在銅的散熱器上，用電線連接，然后固定在可變溫度低溫恒溫器的冷凝管上。
晶片D2666制成的激光器，在每一RT區(qū)中有8個能態(tài)，其中4個基本上是空間對稱的，而晶片D2630制成的激光器有10個能態(tài)，全部基本上是空間對稱的。
圖10畫出晶片D2630制成的脊波導發(fā)射器在1.5A至6A各種不同驅(qū)動電流時的場致發(fā)光。插圖是同一裝置的I-V特性。高電流密度表明該發(fā)射器能載運相對高的電流，可以用于例如高輸出功率的激光器。其場致發(fā)光表明，發(fā)射的光是在設(shè)計的頻率/波長上，而特性曲線上其他峰指出，存在能態(tài)相當伸展的SL。另一方面，圖11畫出晶片D2666制成的激光器的多模Fabry-Perot譜，中心波長約在12.2-12.3μm。
整個QC激光器的設(shè)計在表IV給出。數(shù)值計算漸次改變的各區(qū)的細節(jié)，因為不是關(guān)鍵的且本領(lǐng)域一般都熟知，所以沒有給出。表V和VI分別給出晶片D2630和D2666制成的激光器的RT區(qū)附加細節(jié)。
表IV
除了就在RT區(qū)上面并與之相鄰的數(shù)值計算的漸次變化的區(qū)是以n＝5×1016低摻雜且厚度只有173A之外，晶片D2666的設(shè)計幾乎與表IV相同。還有，晶片D2666中有80個RT區(qū)，每個總厚度是274A，每個RT區(qū)有四個SPQW，而不是五個。表V和VI按照我們發(fā)明的一個實施例，說明構(gòu)成RT區(qū)(對試樣D2630是預偏移SL和五個SPQW；對試樣D2666是預偏移SL和四個SPQW)各層的變化的層厚度。外加電場(未畫出)是向上的方向；即從表的底部到頂部。
表V
注意，D2630的三個中央SPQW區(qū)(以及它們相關(guān)的薄勢壘層)是n型摻雜的(用Si)，而最兩端的兩個SPQW區(qū)則否。
表V指出，整個QW厚度約在43-61A的范圍，子阱厚度約在15-29A的范圍，較薄的SPQW勢壘的厚度約在23-32A的范圍，而標準勢壘的厚度約在17-24A的范圍。
表VI
注意，第四個SPQW區(qū)以及它們相關(guān)的薄勢壘層，連同一個SPQW3的子阱，是n型摻雜的(用Si)，而其余的SPQW區(qū)和勢壘則否。
表VI指出，整個QW厚度約在37-58A的范圍，子阱厚度約在15-29A的范圍，較薄的SPQW勢壘的厚度約在4-8A的范圍，而標準勢壘的厚度約在12-39A的范圍。
表II、V和VI組合起來指出，各厚度的適當范圍如下整個QW厚度約在37-61A的范圍，子阱厚度約在15-29A的范圍，較薄的SPQW勢壘的厚度約在4-12A的范圍，而標準勢壘的厚度約在12-39A的范圍。對某個特定的設(shè)計，層厚度的選取依賴于各種參數(shù)，如要求的發(fā)射頻率/波長、微能帶寬度、電場強度、和SPQW的數(shù)目。
應當指出，上述結(jié)構(gòu)只為列舉許多可能的特定的實施例，設(shè)計這些實施例在于表明本發(fā)明原理的運用。本領(lǐng)域熟練人員在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下，按照這些原理，能夠設(shè)計出大量的和各種其他結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種子能帶間(ISB)超晶格(SL)光發(fā)射器，包括芯區(qū)，其上包含多個重復單元，每個重復單元包含一單極輻射躍遷(RT)SL區(qū)，每個所述RT SL區(qū)包括與多個第一勢壘區(qū)交錯的多個量子阱(QW)區(qū)，所述QW區(qū)具有上微能帶和下微能帶表征的能態(tài)，和電極，把電場施加于所述發(fā)射器，有效地使所述RT區(qū)以所述微能帶內(nèi)上能態(tài)與下能態(tài)決定的能量發(fā)光，在所述QW區(qū)的至少第一子集中，內(nèi)電子勢能是被預偏移的，使不管所述SL內(nèi)的所述外加電場是否存在，所述上微能帶與下微能帶兩者的基本上平的能帶情況都存在，其特征在于每個所述QW區(qū)包含至少一個第二勢壘區(qū)，該勢壘區(qū)把所述QW分裂為多個耦合的子阱，所述第二勢壘區(qū)的厚度，要能使至少所述上能態(tài)和下能態(tài)的波函數(shù)，相對于每RT區(qū)的中間平面基本上是空間對稱的，并且所述微能帶能在所述QW內(nèi)獨立地適當定位。
2.按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中所述第二勢壘區(qū)的厚度，要能使幾乎所有所述波函數(shù)，相對于所述中間平面基本上是空間對稱的。
3.按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中所述第二勢壘區(qū)足夠薄，使所述能態(tài)(1)分裂，分裂寬度超過它們的自然增寬；和(2)在每個RT區(qū)內(nèi)對不同微能帶產(chǎn)生影響。
4.按照權(quán)利要求3的發(fā)明，其中所述第二勢壘區(qū)的厚度，約在4-12A的范圍。
5.按照權(quán)利要求4的發(fā)明，其中所述第一勢壘區(qū)的厚度約在12-39A的范圍，所述QW區(qū)的總厚度約在37-61A的范圍，而所述子阱的厚度約在15-29A的范圍。
6.按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中每個所述重復單元不包含注入/弛豫(I/R)區(qū)。
7.按照權(quán)利要求6的發(fā)明，其中只有某些所述RT區(qū)是摻雜的。
8.按照權(quán)利要求7的發(fā)明，其中所述摻雜的RT區(qū)的位置，在相對在所述芯區(qū)的電子流方向的下游。
9.按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中每個重復單元還包括與其RT區(qū)相鄰的注入/弛豫(I/R)區(qū)。
10.按照權(quán)利要求9的發(fā)明，其中所述I/R區(qū)是摻雜的，而所述RT區(qū)是無摻雜的。
11.按照權(quán)利要求1的發(fā)明，其中所述芯區(qū)包括各層In基III-V族化合物半導體層。
12.按照權(quán)利要求11的發(fā)明，其中所述芯區(qū)包括GaInAs層和AlInAs層。
13.一種量子級聯(lián)(QC)超晶格(SL)激光器，包括芯區(qū)，其上包含多個重復單元，每個重復單元包含一單極輻射躍遷(RT)SL區(qū)，每個所述RT SL區(qū)包括與多個第一勢壘區(qū)交錯的多個量子阱(QW)區(qū)，所述QW區(qū)具有上微能帶和下微能帶表征的能態(tài)，一對包層區(qū)，包覆著所述芯區(qū)，和電極，把電場施加于所述激光器，有效地使所述RT區(qū)按所述QW區(qū)的上能態(tài)與下能態(tài)決定的能量產(chǎn)生激光作用，所述上能級和下能級分別位于所述上微能帶和下微能帶之內(nèi)，并當存在所述電場時，RT區(qū)的上微能帶與相鄰的RT區(qū)下微能帶對齊，每個所述RT區(qū)內(nèi)至少第一子集的所述QW區(qū)中，所述QW區(qū)的厚度沿所述外加電場方向逐個QW區(qū)遞增，并且每個所述RT區(qū)內(nèi)至少第二子集的所述第一勢壘區(qū)中，所述第一勢壘區(qū)的厚度沿所述外加電場方向逐個勢壘區(qū)變化，使得，當不存在所述外加電場時，所述上能態(tài)和下能態(tài)一個區(qū)接一個區(qū)地各位于所述第一子集內(nèi)不同的能量上，還使得，當存在所述外加電場時，所述上微能帶與下微能帶兩者基本上平的能帶情況，在相鄰的RT區(qū)上存在，其特征在于每個所述QW區(qū)包括至少一個第二勢壘區(qū)，該勢壘區(qū)把所述QW分裂為多個耦合的子阱，所述第二勢壘區(qū)的厚度，要能使至少所述上能態(tài)和下能態(tài)的波函數(shù)，相對于每RT區(qū)的中間平面基本上是空間對稱的，并且所述微能帶能在所述QW內(nèi)獨立地定位，和所述第二勢壘區(qū)足夠薄，使所述能態(tài)(1)分裂，分裂寬度超過它們的自然增寬；和(2)在每個RT區(qū)內(nèi)對不同微能帶產(chǎn)生影響。
14.按照權(quán)利要求13的發(fā)明，其中所述第二勢壘區(qū)的厚度，要能使幾乎所有所述波函數(shù)，相對于所述中間平面基本上是空間對稱的。
15.按照權(quán)利要求13的發(fā)明，其中所述第二勢壘區(qū)的厚度約在4-12A的范圍。
16.按照權(quán)利要求15的發(fā)明，其中所述第一勢壘區(qū)的厚度約在12-39A的范圍，所述QW區(qū)的總厚度約在37-61A的范圍，而所述子阱的厚度約在15-29A的范圍。
全文摘要
ISB光發(fā)射器的RT區(qū)包括預偏移SL和多個分裂的量子阱(SPQW)。SPQW是被足夠薄的第一勢壘層分裂成多個子阱的量子阱,該足夠薄的第一勢壘層把上能態(tài)與下能態(tài)分裂,分裂寬度超過它們的自然增寬,并對每個RT區(qū)內(nèi)的不同微能帶產(chǎn)生影響。與之相反,相鄰的SPQW則通過第二勢壘層相互耦合。要選取后一種層的厚度,使橫越每個RT區(qū)上建立微能帶。在一個實施例中,該發(fā)射器包括相鄰RT區(qū)之間的I/R區(qū),而在另一個實施例中,則省去I/R區(qū)。
文檔編號H01S5/343GK1352479SQ0111757
公開日2002年6月5日 申請日期2001年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月8日
發(fā)明者費德里科·卡帕索, 阿爾弗雷德·Y·喬, 孫－尼·G·楚, 克萊爾·F·格瑪楚, 阿伯特·L·哈沁森, 阿瑟·M·瑟貞特, 德伯拉·L·斯夫科, 阿利桑德羅·特萊迪庫奇, 邁克爾·C·萬克 申請人:朗迅科技公司