用于量子级联激光器的有源区和量子级联激光器制造技术

本公开提供了一种用于量子级联激光器的有源区和量子级联激光器，该有源区包括多个级联的周期级联结构，周期级联结构包括：增益区，增益区包括：多个增益量子阱；多个增益量子垒，其中，相邻两个增益量子阱之间至少设置一个增益量子垒；注入区，与最下方的增益量子阱连接；其中，最上方的增益量子阱的厚度最小，次上方的增益量子阱的厚度最大，其他的增益量子阱的厚度从上到下依次减小。厚度从上到下依次减小。厚度从上到下依次减小。

【技术实现步骤摘要】
用于量子级联激光器的有源区和量子级联激光器


[0001]本公开涉及激光器
，更具体地，涉及一种用于量子级联激光器的有源区和量子级联激光器。

技术介绍

[0002]量子级联激光器(QCL)波长覆盖两个大气窗口兼具体积小、便携等优势，在空间通信、气体探测、医疗诊断等领域有重要应用。
[0003]现有的量子级联激光器在实际使用中，由于每个有源核的级联周期数不足，导致每个有源核的增益不足，所以阈值电流密度往往较高。高阈值电流密度的器件往往无法获得高的电光转换效率和高输出功率。此外，当有源核的数目增加时，生长难度也随之增大，器件的成品率随之降低。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本公开实施例提供了一种用于量子级联激光器的有源区和量子级联激光器。
[0005]本公开实施例的一个方面提供了一种用于量子级联激光器的有源区，包括：
[0006]多个级联的周期级联结构，上述周期级联结构包括：
[0007]增益区，上述增益区包括：
[0008]多个增益量子阱；
[0009]多个增益量子垒，其中，相邻两个上述增益量子阱之间至少设置一个上述增益量子垒；
[0010]注入区，与最下方的增益量子阱连接；
[0011]其中，最上方的增益量子阱的厚度最小，次上方的增益量子阱的厚度最大，其他的增益量子阱的厚度从上到下依次减小。
[0012]根据本公开的实施例，在上述增益量子阱的数量为4个，增益量子垒的数量为3个的情况下，从上到下第二个增益量子阱与第三个增益量子阱之间的厚度差值小于第三个增益量子阱与第四个增益量子阱之间的厚度差值。
[0013]根据本公开的实施例，最下方的增益量子垒的厚度最大，其他的增益量子垒的厚度相同或不同。
[0014]根据本公开的实施例，上述注入区包括：
[0015]多个注入量子垒；
[0016]多个注入量子阱，其中，相邻两个上述注入量子垒之间至少设置一个上述注入量子阱，最下方的注入量子垒与下一个周期的周期级联结构的增益区连接。
[0017]根据本公开的实施例，最下方的注入量子垒的厚度最大，第二个注入量子垒的厚度最小，第二个注入量子垒与最下方的注入量子垒之间的多个注入量子垒的厚度从上到下依次增大，第一个注入量子垒的厚度大于第二个注入量子垒的厚度且小于第三个注入量子
垒的厚度。
[0018]根据本公开的实施例，在上述注入量子垒的数量为5个，注入量子阱的数量为4个情况下，第三个注入量子阱和第四个注入量子垒为掺杂硅的掺杂层。
[0019]本公开实施例的另一个方面提供了一种量子级联激光器，包括：
[0020]衬底；
[0021]如上所述的有源区，设置在上述衬底的表面；
[0022]光限制层，设置在上述有源区远离上述衬底的一侧；
[0023]金属电极层，设置在上述光限制层远离上述有源区的一侧；
[0024]背面金属层，设置在上述衬底远离上述有源区的一侧。
[0025]根据本公开的实施例，激光器还包括：
[0026]多个波导层，其中，上述衬底与上述有源区之间以及上述光限制层与上述金属电机层之间均至少设置一个上述波导层。
[0027]根据本公开的实施例，上述有源区包括预设数量的级联的周期级联结构；
[0028]其中，上述激光器还包括增透膜。
[0029]根据本公开的实施例，激光器还包括：
[0030]多个间隔设置的刻蚀区，上述刻蚀区贯穿上述背面金属层、上述光限制层、上述有源区并部分位于上述衬底与上述有源区之间的波导层内，其中，上述刻蚀区内填充有填充材料，上述刻蚀区适用于限制激光在多个刻蚀区之间的激光器内激射。
[0031]根据本公开的实施例，通过对多个增益量子阱和多个增益量子垒的厚度的特殊设计，使得激光上能级的电子具有更高的热激活能，从而减少上能级电子的热泄露。同时量子级联激光器的激射波长是由导带中子带间的能级间距决定的，可以通过调节周期级联结构中增益量子阱和增益量子垒的厚度改变子带间的能级间距，从而改变量子级联激光器的激射波长。
附图说明
[0032]通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0033]图1示意性示出了根据本公开实施例的一个周期的有源区的结构示意图；
[0034]图2示意性示出了根据本公开实施例的有源区一个周期的能带结构示意图；
[0035]图3示意性示出了根据本公开实施例的量子级联激光器的结构示意图；
[0036]图4示意性示出了根据本公开实施例的有源区XRD测试结果与拟合结果对比示意图；
[0037]图5示意性示出了根据本公开实施例的有源区材料的电致发光谱示意图；
[0038]图6示意性示出了根据本公开实施例的激光器利用闪耀光栅组成利特罗外腔激光器之后的脉冲调谐范围示意图。
具体实施方式
[0039]下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定，实施例中记载的各个特征可
进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分而非全部结构。
[0040]在8.6
‑
9.6μm波段内，存在C2H4、NH3和O3等多种气体的特征吸收峰。此外，磷酸根离子的反对称伸缩吸收峰位于1100
‑
1050cm
‑1范围内，硝酸根离子的对称伸缩吸收峰均位于1050cm
‑1附近，醚键的反对称吸收峰位于1100cm
‑1附近。可见，在该波段内的宽调谐激光器有巨大的应用前景。QCL因为其能带结构的特殊性，其实际增益谱的半高全宽往往可以超过100cm
‑1，若能通过外调制的方式让激光器实现波长选模，则可以实现可调谐的单纵模激光输出。外腔量子级联激光器(EC
‑
QCL)是一种基于QCL并依靠闪耀光栅实现特定波长选模的激光器，目前已成功应用于中红外气体检测、化学检测和生物医药检测等领域。
[0041]相比于中波QCL，长波QCL器件的能带结构设计存在更多的制约因素。首先，波长越长，微带内能级间隔越小，激光上、下能级之间的非辐射跃迁更剧烈，为了维持粒子数反转，长波、甚长波激光器往往要使用斜跃迁或者部分斜跃迁的有源区设计方案，这会导致受激辐射对应的跃迁矩阵元变小，从而使峰值增益不足。同时，由于微带内能级间隔缩短，也导致热回填和热泄露相比中波QCL有所加剧。其次，自由载流子吸收与波长成正比，所以长波QCL的波导损耗会更大。受到以上制约因素的影响，长波QCL仍与中波QCL的输出功率存在很大差距。目前，4
‑
5μm波段的量子级联激光器室温连续波工作输出功率已经超过5W，对于8
‑
10μm，已报道的最高平均功率仅超过2W。
[0042]Bou本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于量子级联激光器的有源区，包括：多个级联的周期级联结构，所述周期级联结构包括：增益区，所述增益区包括：多个增益量子阱；多个增益量子垒，其中，相邻两个所述增益量子阱之间至少设置一个所述增益量子垒；注入区，与最下方的增益量子阱连接；其中，最上方的增益量子阱的厚度最小，次上方的增益量子阱的厚度最大，其他的增益量子阱的厚度从上到下依次减小。2.根据权利要求1所述的有源区，其中，在所述增益量子阱的数量为4个，增益量子垒的数量为3个的情况下，从上到下第二个增益量子阱与第三个增益量子阱之间的厚度差值小于第三个增益量子阱与第四个增益量子阱之间的厚度差值。3.根据权利要求1所述的有源区，其中，最下方的增益量子垒的厚度最大，其他的增益量子垒的厚度相同或不同。4.根据权利要求1～3中任一项所述的有源区，其中，所述注入区包括：多个注入量子垒；多个注入量子阱，其中，相邻两个所述注入量子垒之间至少设置一个所述注入量子阱，最下方的注入量子垒与下一个周期的周期级联结构的增益区连接。5.根据权利要求4所述的有源区，其中，最下方的注入量子垒的厚度最大，第二个注入量子垒的厚度最小，第二个注入量子垒与最下方的注入量子垒之间的多个注入量...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛山，张锦川，卓宁，翟慎强，程凤敏，刘峰奇，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：