CN109412018A - 垂直腔面发射量子级联激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直腔面发射量子级联激光器,包括:量子点有源区层,在激光器有源区的每个周期中***量子点插层形成量子点有源区层;分布布拉格反射镜层和光栅层,分布布拉格反射镜层结合光栅层构成垂直方向的谐振腔,实现面发射。本发明通过在一个有源区层中适当位置引入量子点插层,量子点态作为电子辐射跃迁的末态,使器件的辐射模式有垂直于量子阱平面的电场分量,能够制成传统的垂直腔面发射激光器。一方面,能够提高器件的功率、转化效率,降低阈值电流;另一方面,能够显著降低器件的尺寸,减小阈值电流。
Description
技术领域
本发明涉及红外半导体光电器件技术领域,尤其涉及一种垂直腔面发射量子级联激光器结构。
背景技术
与普通的带间复合发光机制的半导体激光器相比,量子级联激光器是基于子带间跃迁的,因而具有能带可调,波长覆盖范围广等优点;在气体探测、医疗诊断、高分辨率光谱等领域中具有十分广阔的应用前景,但是其最大的缺陷就是阈值功耗高,功率转换效率低。而在一些便携式应用中,往往需要量子级联激光器具有小体积、低功耗,以利于***小型化集成。目前获得低功耗量子级联激光器的途径主要包括:适当缩小器件尺寸包括缩短腔长、减少脊宽;优化有源区、波导结构。这些方式都在一定程度上降低了功耗,但是缩短器件腔长会导致器件腔面损耗增加而难以激射,需要通过腔面镀高反膜来解决,而且腔长过短会导致器件有源区有效面积降低,进而导致输出功率过小;脊宽小到一定程度又会增加激光器的波导损耗,进而增加激光器的阈值,不能达到降低功耗和阈值的目标。垂直腔面发射结构腔长可以缩短到微米量级,具有超低阈值、高微分效率、易二维集成等优点,因此是降低阈值功耗很好的选择。但是量子级联激光器是基于子带间的跃迁,根据跃迁选择定则,量子级联激光器因为没有垂直于量子阱平面的电场分量不能制成垂直腔面发射结构,只能通过制作二级分布反馈光栅结构,利用其一阶傅里叶电场分量的辐射模式实现面发射。但是这样就导致面发射器件要实现激射,必须克服二级光栅一级散射带来的额外损耗,不利于降低器件的阈值电流密度。同时,对于较短垂直腔结构,需要高达99%以上的腔面反射率,通常依赖于多层DBR结构,而更多的DBR层会使器件有更高的电阻更大的光吸收,影响器件的性能。另有,与InP衬底匹配的DBR层有InGaAlAs/InAlAs对,由于这两种材料的折射率差较小,为了达到99%以上的反射率需要生长40-50对,一方面增加材料生长的困难,另一方面如此厚的厚度也不利于器件散热,因此对DBR层的材料选择也有待商榷。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于以上技术问题,本发明提供一种垂直腔面发射量子级联激光器,以至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种垂直腔面发射量子级联激光器,包括:
量子点有源区层,在激光器的有源区的每个周期中***量子点插层形成量子点有源区层,制成垂直腔面发射结构;
分布布拉格反射镜层和光栅层,该分布布拉格反射镜层结合光栅层构成垂直方向的谐振腔,实现面发射。
进一步的,该量子级联激光器包括:
衬底,材料为GaAs;
衬底上生长上述的分布布拉格反射镜层,并键合有源波导结构,该有源波导结构包括:下波导层、下电极层、下光学限制层、上述的量子点有源区层、上光学限制层、上波导层、上电极层和上述的光栅层,其中下电极层和下光学限制层连接下波导层,上电级层和光栅层连接上波导层。
进一步的,分布布拉格反射镜层的材料为GaAs/AlGaAs对。
进一步的,上波导层和下波导层的材料为n型掺杂的InP。
进一步的,上光学限制层和下光学限制层的材料为n型掺杂的InGaAs。
进一步的,量子点有源区层为多周期级联,包括20-60个周期。
进一步的,量子点有源区层的多周期级联中每个周期包括至少十个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对以及两层或两层以上的量子点插层,该量子点插层包括应变自组织量子点层和用于应变补偿的应变补偿层。
进一步的,应变自组织量子点层的材料为InAs,应变补偿层的材料为GaAs。
进一步的,上电极层的材料为Ti/Au,下电极层的材料为Ge/Au/Ni/Au。
进一步的,光栅层包括折射率高低不同的介质材料。
(三)有益效果
本发明提供的一种垂直腔面发射量子级联激光器具有以下有益效果:
1、在有源区每个周期中***量子点插层,量子点态作为电子辐射跃迁的末态,使器件的辐射模式有垂直于量子阱平面的电场分量,能够制成传统的垂直腔面发射激光器,有效缩短了器件腔长,进而降低器件阈值功耗。同时还能得到接近圆形的远场光斑,便于二维集成;
2、量子点态作为电子辐射跃迁的末态,构成所谓的“声子瓶颈”,增加了跃迁上能态电子的非辐射衰减寿命,结合垂直腔面发射结构低阈值的优势更进一步降低了器件的阈值,提高了器件的特征温度。
3、采用多层DBR结构结合高对比度光栅构成垂直方向的谐振腔,减少了一侧的DBR层生长,实现量子级联激光器的面发射,有效降低了器件阈值,解决了普通量子级联激光器注入功率过高的问题,更有利于器件性能的提升。
附图说明
为了进一步说明本发明的特征和效果,下面结合附图对本发明做进一步的说明,其中:
图1为本发明一实施例垂直腔面发射量子级联激光器的三维结构示意图;
图2为本发明一实施例的量子点有源区层一个周期带有量子点插层的材料结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明。
本发明一实施例提供了一种垂直腔面发射量子级联激光器,请参照图1,包括:
量子点有源区层,在激光器的有源区的每个周期中***量子点插层形成量子点有源区层;
本实施例中,通过在激光器有源区每个周期中***两层或两层以上的量子点插层,限制电子在平行于量子阱平面的***,使原本连续的子带成为真正能量孤立的量子点态,***的量子点态作为电子辐射跃迁的末态,打破了跃迁选择定则,使得器件辐射模式有垂直于量子阱平面的电场分量,进而可以直接制成垂直腔面发射结构。
分布布拉格反射镜层和光栅层,该分布布拉格反射镜层结合光栅层构成垂直方向的谐振腔,实现面发射;
本实施例中,与多层DBR层相比高对比度光栅具有膜层少、易实现高反射率、带宽大等优点,因此本发明实施例采用多层DBR层和高对比度光栅结合的结构减少了一侧的DBR层生长,有利于器件性能的提升。
一些实施例中,该量子级联激光器包括:
衬底,材料为GaAs。
本实施例中,衬底1,材料为GaAs。
一些实施例中,衬底上依次生长上述的分布布拉格反射镜层,并键合有源波导结构,有源波导结构包括:下波导层、下电极层、下光学限制层、上述的量子点有源区层、上光学限制层、上波导层、上电极层和上述的光栅层,其中下电极层和下光学限制层连接下波导层,上电级层和光栅层连接上波导层。
其中,一些实施例中,分布布拉格反射镜层的材料为GaAs/AlGaAs对。
本实施例中,分布布拉格反射镜层为多层分布布拉格反射镜(DBR)层2,该多层DBR层2生长在该衬底1上,优选的,该多层DBR层2的材料为GaAs/AlGaAs对。
一些实施例中,下波导层的材料为n型掺杂的InP。
本实施例中,下波导层3,该下波导层3键合在多层DBR层2上,优选的,该下波导层3的材料为n型掺杂的InP。
一些实施例中,下光学限制层的材料为n型掺杂的InGaAs。
本实施例中,下光学限制层4,优选的,该下光学限制层4的材料为n型掺杂的InGaAs。
一些实施例中,量子点有源区层为多周期级联,包括20-60个周期。
本实施例中,量子点有源区层5,该量子点有源区层5生长在下光学限制层4上,该量子点有源区层5是多周期级联的一般为20-60个周期。
一些实施例中,量子点有源区层的多周期级联中每个周期包括多个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对以及两层或两层以上的量子点插层,该量子点插层包括应变自组织量子点层和用于应变补偿的应变补偿层。
本实施例中,请参照图2,每个周期是由多个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对以及量子点插层组成的,量子点插层包含一个应变自组织量子点层和用于补偿应变的应变补偿层。
一些实施例中,应变自组织量子点层的材料可以为InAs,应变补偿层的材料可以为GaAs。
一些实施例中,上光学限制层的材料为n型掺杂的InGaAs。
本实施例中,上光学限制层6,该上光学限制层6生长在量子点有源区层5上,优选的,该上光学限制层6的材料为n型掺杂的InGaAs。
一些实施例中,上波导层的材料为n型掺杂的InP。
本实施例中,上波导层7,该上波导层7生长在上光学限制层6上,优选的,该上波导层7的材料为n型掺杂的InP,掺杂浓度是渐变的。
一些实施例中,上电极层的材料为Ti/Au。
本实施例中,上电极层8,该上电极层8生长在上盖层7上,优选的,该上电极层8的材料为Ti/Au。
一些实施例中,下电极层的材料为Ge/Au/Ni/Au。
本实施例中,下电极层9,该下电极层9生长在下波导层3上,优选的,该下电极层9的材料为Ge/Au/Ni/Au。
一些实施例中,光栅层包括折射率高低不同的介质材料。
本实施例中,光栅层为高对比度光栅层10,该高对比度光栅层10生长在上波导层7上,与多层DBR层相比高对比度光栅具有膜层少、易实现高反射率、带宽大等优点,因此出光面一侧采用高对比度光栅结构减少了一侧的DBR层生长,避免生长太厚的DBR层。优选的,该高对比度光栅层10由高折射率介质材料和低折射率介质材料组成。
本发明采用折射率差较大的GaAs/AlGaAs对作为DBR层采用键合技术与波导结构结合在一起,出光面一侧则采用高对比度光栅结构避免了生长太厚的DBR层。此外,***的量子点态作为电子辐射跃迁的末态,还构成所谓的“声子瓶颈”,增加了跃迁上能态电子的非辐射衰减寿命,也降低了器件的阈值,提高了器件的特征温度,结合垂直腔面发射结构本发明能够大大降低器件的阈值。
至此,已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述,本领域技术人员应当对本发明——垂直腔面发射量子级联激光器有了清楚的认识。
综上所述,本发明提供了一种垂直腔面发射量子级联激光器。该器件的有源区采用量子点插层的结构,这种结构基于量子点的“声子瓶颈”效应增加了跃迁上能态电子的非辐射衰减寿命,更易实现粒子数反转,能够降低器件的阈值电流,提高器件的特征温度;量子点态作为电子辐射跃迁的末态,使得辐射模式有垂直于量子阱平面的电场分量,可以不必制作二级光栅采用多层DBR结构就可以实现器件的垂直面发射。考虑到多层DBR生长的困难以及高对比度光栅的优点,本发明采用多层DBR层结合高对比度光栅的结构制成垂直腔面发射量子级联激光器,可以得到超低阈值的面发射器件。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,包括:
量子点有源区层,在所述激光器有源区的每个周期中***量子点插层形成量子点有源区层;
分布布拉格反射镜层和光栅层,所述分布布拉格反射镜层结合光栅层构成垂直方向的谐振腔,实现面发射。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,包括:
衬底,所述衬底的材料为GaAs。
衬底上生长所述分布布拉格反射镜层,并键合有源波导结构,所述有源波导结构包括:下波导层、下电极层、下光学限制层、所述量子点有源区层、上光学限制层、上波导层、上电极层和所述光栅层,其中所述下电极层和下光学限制层连接所述下波导层,所述上电级层和光栅层连接所述上波导层。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,所述分布布拉格反射镜层的材料为GaAs/A1GaAs对。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,所述上波导层和下波导层的材料为n型掺杂的InP。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,所述上光学限制层和下光学限制层的材料为n型掺杂的InGaAs。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,所述量子点有源区层为多周期级联,包括20-60个周期。
7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,所述周期中每个周期包括至少十个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对以及两层或两层以上的量子点插层,所述量子点插层包含一个应变自组织量子点层和用于应变补偿的应变补偿层。
8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,所述应变自组织量子点层的材料为InAs,所述应变补偿层的材料为GaAs。
9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,所述上电极层的材料为Ti/Au,所述下电极层的材料为Ge/Au/Ni/Au。
10.根据权利要求1所述的垂直腔面发射量子级联激光器,其特征在于,所述光栅层包括折射率高低不同的介质材料。
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