本发明专利技术公布了一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：利用半导体外延生长技术在半导体衬底上生长多层的半导体结构，形成双量子阱三能级的结构，以入射激光进行激发，形成可以稳定工作的激光器。本发明专利技术的量子阱太赫兹激光器能够在室温或准室温的条件下工作，工作温度接近300K，无需制冷设备或者仅需要半导体热电制冷器进行制冷。相比之下，常规的太赫兹激光器（如量子级联激光器）通常工作在低温状态，需要安置在杜瓦或循环制冷机中。本发明专利技术的量子阱太赫兹激光器能够在30到40微米波段产生太赫兹激光。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体激光器件
，特别是涉及一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器。
技术介绍
太赫兹(太赫兹)辐射是指从O. I到10太赫兹的电磁波辐射,对应的波长在30-3000微米。近年来随着太赫兹技术的迅速发展，太赫兹技术在基础研究(电磁学、光学、半导体物理学、光电子学)和实际应用(成像，安检，通讯 ，医疗检测)等领域呈现了广阔的应用前景。量子级联激光器，是将量子裁剪和量子物理用于设计新型半导体带跃迁激光器的典范，由于现代材料生长技术如分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)可以在原子尺度上控制材料层的生长，到目前为止已有多种材料系统实现了量子级联激光器器件的生长，如InGaAs/AlGaAs与GaAs/AlGaAs体系。常规的太赫兹激光源主要集中在GaAs基的量子级联激光器，包括InGaAs/InP与GaAs/AlGaAs体系。GaAs基激光器由于自身声子原因(纵波光学声子(L0声子)能量主要在36 meV左右)，无法产生能量在36 meV左右的的太赫兹激光。另外设计激光器的过程中，往往需要利用材料的自身声子，使得电子和声子散射迅速掉落到基态。利用三能级的体系，我们在设计激光器时，E2-E1大概为36 meV左右，从而电子能和声子发生散射，迅速掉落。由于E2-E1Sse meV和室温kBT热激发能Γ26 meV)相差不多，电子在受热激发时，很容易重新激发回到E2能级上，对激光器的粒子数反转和工作温度产生不利影响。这严重影响了其广泛应用。在此前提下，急需出现一种室温或者准室温工作、能在3(Γ40微米波段激射的太赫兹激光器。专利技术内容本专利技术目的在于提供一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，可以在室温或准室温工作，且能够在30到40微米波段发出激光。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案 一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于利用半导体外延生长技术在半导体衬底上生长多层的半导体结构，形成双量子阱三能级的结构，以入射激光进行激发，形成可以稳定工作的激光器。其进一步特征在于所述激光器是以非极化GaN为衬底，沿着m平面或者α平面逐层生长 未掺杂的GaN缓冲层； η型掺杂的GaN下电极层； 先势垒后势阱交替生长多个在周期形成的多量子阱层； AlxGahN势垒层； η型掺杂的GaN上电极层；其中，上下电极层的作用在于生长好器件后，对器件进行电流电压曲线测量，确认器件的有效性；同时也有对器件中的相应量子阱能级位置进行调制作用。进一步的所述的多量子阱层，每个周期包括三个AlxGa1J势垒层和两个GaN势阱层，GaN势阱层中进行η型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度在IXlO11 cm_2 lX1012 cm_2。所述多量子阱层的势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所要发出的激光频率设计，所述周期性量子阱结构第一势垒宽度为8 nm 20 nm，第一势阱宽度为5 nm 15 nm，第二势鱼宽度I nm 3 nm,第二势讲宽度I nm 5 nm,第三势鱼宽度8 nnT20 nm ;势鱼高度由AlxGa^N中的Al组分x决定，x的范围在O. 05、. 3之间。所述的多量子阱层的周期数大于20。所述η型掺杂的GaN下电极层的厚度为O. 5^10微米，所掺杂质为硅，其掺杂浓度 为 O. 5 5 X 1018 CnT3。其特征还在于所述太赫兹激光器属于半导体子带跃迁型激光器，采用周期性结构的GaN/AlGaN量子阱结构器件，每个周期包含双量子阱形成三能级结构；其中的三能级结构，第三能级E3和第二能级&之间的能量差约36 meV，而第二能级E2和第一能级E1的能量差约91 meV0本专利技术的量子阱太赫兹激光器能够在室温或准室温的条件下工作，工作温度接近300 K，无需制冷设备或者仅需要半导体热电制冷器进行制冷。相比之下，常规的太赫兹激光器(如量子级联激光器)通常工作在低温状态，需要安置在杜瓦或循环制冷机中。本专利技术的量子阱太赫兹激光器能够在30到40微米波段产生太赫兹激光。附图说明图I为本专利技术结构示意图。图2为本专利技术能带结构原理图。图3为本专利技术能带结构示意图。图4为太赫兹激光器各个能级上的电子数及激光器增益随泵浦光源强度变化图。具体实施例方式如图I所示，本专利技术所提出的光泵浦量子阱太赫兹激光器利用GaN材料为衬底，用MBE或者MOCVD技术逐层生长出以下多层结构 (1)一层未掺杂的GaN缓冲层； (2)η型掺杂的GaN下电极层，其厚度为O. 5 10微米，所掺杂杂质为硅(Si)，其掺杂浓度为O. 5 5 X IO18 cm_3，例如使Si掺杂浓度约为IXlO18 cm—3 ； (3)先势垒后势阱交替生长多个在周期形成的多量子阱层。多量子阱层的周期数大于20。其中，所述的多量子阱层，每个周期包括三个AlxGahN势垒层两个GaN势阱层，所述GaN势阱层中进行η型掺杂，所掺杂质为硅，优选地，其掺杂浓度在可以在I X IO11cm_2 lX IO12 cm_2。势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所要发出的激光频率设计，所述周期性量子阱结构如图所示，第一势垒(图3中I)宽度为8 nm 20 nm，第一势阱(图3中2)宽度分别为5 nm 15 nm，第二势垒宽度(图3中3) I nmnm，第二势阱(图3中4)宽度Inm 5 nm，第三势垒宽度(图3中5)宽度8 ηπΓ20 nm ;势垒高度由AlxGa1J中的Al组分x决定，X的范围在O. 05^0. 3之间。(4) AlxGahN 势垒层； (5)η型掺杂的GaN上电极层；其厚度为O. 5^10微米，所掺杂杂质为硅(Si)，其掺杂浓度为O. 5 5 X 1018 cnT3，例如使Si掺杂浓度约为1X1018 cnT3 ； 其中，上下电极层的作用在于生长好器件后，对器件进行电流电压曲线测量，确认器件的有效性；同时也有对器件中的相应量子阱能级位置进行调制作用。本专利技术的量子阱红外探测器的工作原理为将两种不同的半导体材料(AlxGahN和GaN)交替生长形成周期外延层，若这两种材料具有不同的带隙或能带结构，在异质界面处将发生能带的不连续。在势阱很窄，与电子波长可比拟时，根据量子力学原理，势阱中会产生束缚的分裂能级。我们可以通过调节Al组分X的含量和势阱，势垒宽度来人为剪裁量 子阱的能带结构，经过调节，每个周期中会形成三个能级，由低到高依次为E1, E2, E30所述量子阱太赫兹激光器采用光泵浦的方式，利用光泵浦将电子从低能级E1泵浦到高能级E3,每个电子再由E3掉落到能级E2时，可以放出一个光子，在能级E2的电子迅速和声子发生散射掉落到能级E1上，再被泵浦激光重新激发。多量子阱周期结构，每个周期中又有很多电子被激发和掉落，经过累积，就可以放出足够强的太赫兹激光。根据试验，优选的Al组分X的含量为O. 05、. 3，所述周期性量子阱结构如图2所示，第一势垒I (图3中I)宽度为8 nm 20 nm，第一势阱2 (图3中2)宽度分别为5 nm 15 nm，第二势垒宽度3 (图3中3)1 nm 3 nm，第二势阱4 (图3中4)宽度I nm 5 nm ;第三势垒宽度5 (图3中5)宽度8 ηπΓ20nm。本专利技术的光泵浦量子阱太赫兹激光器具有本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种GaN基半导体光泵浦太赫兹激光器，其特征在于：利用半导体外延生长技术在半导体衬底上生长多层的半导体结构，形成双量子阱三能级的结构，以入射激光进行激发，形成可以稳定工作的激光器。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘惠春，沈文忠，傅爱兵，郝明瑞，杨耀，
申请(专利权)人：上海交通大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：
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