具有电流阻挡层的量子级联激光器制造技术

半导体量子级联激光器（QCL）、特别是在约3—50µm的波长处发射的中IR激光器常常被设计为深蚀刻掩埋式异质结构QCL。掩埋式异质结构配置是有利的，因为通常为InP的掩埋层的高导热性以及低损耗保证装置的高功率和高性能。然而，如果此类QCL是针对短波长设计的并在短波长下操作，则显现出严重的缺点：此类操作所必需的高电场部分地在绝缘掩埋层内部驱动操作电流。这减少了注入到活性区中的电流并产生热损耗，因此降低QCL的性能。本发明专利技术通过在掩埋层内提供被夹在普通InP或其它掩埋层（本征或Fe掺杂）之间的例如AlAs、InAlAs、InGaAs、InGaAsP或InGaSb的有效地设计的电流阻挡或量子势垒来解决此问题。这些量子势垒大大地且可控地减少所述负面影响，导致也在短波长下和/或在高电场中QCL有效地运行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有电流阻挡层的量子级联激光器
技术介绍
本专利技术涉及半导体激光器，特别地涉及在IR光谱范围内（即以1mm至780nm的波长，尤其是在3—50μm的中IR范围内）发射的量子级联激光器（QCL）。中IR光谱范围对于感测应用而言是重要的，由于大量分子在此区域中显示出基频谐振。量子级联激光器（QCL）对于此类应用而言已变成频繁使用且高效的激光源。示例是Maulini美国专利7944959和Faist美国专利申请2003/0174751。在Vurgaftman美国专利8290011中也示出了产生中IR光谱的QCL激光器。用来形成用于量子级联激光器（QCL）的波导的典型横向引导结构是深蚀刻脊形波导、浅蚀刻脊形波导或深埋异质结构（BH）波导。针对高功率和高性能装置，掩埋式异质结构配置是有利的，因为其呈现较高导热性的InP掩埋层，并且同时保证低损耗。Beck美国专利6665325是一示例。更具体地，通过出现在Fe掺杂的InP与n掺杂的InP接触层之间的界面处的内建电位来保证Fe掺杂InP的情况下的电流阻断。由于Fe在InP中充当深施主能级，所以其还主动地帮助俘获电子并因此防止漏电流。可以通过调整InP中的Fe掺杂来控制内建电位的量值。遗憾的是，内建电位的量值参数与生长参数有很强关联，并且内建电位通常局限于50—100kV/cm。通常，在高电场中操作的QCL的情况下，因此部分地在绝缘掩埋层内部驱动电流。此效果减少注入到激光器活性区中的实际电流，并且同时，其耗散热并因此降低激光器性能。另外，众所周知的是掩埋层内部的Fe杂质的引入在半导体禁隙内部产生缺陷状态，参见P.B.Klein等人的Phys.Rev.B29,1947(1984):Time-dependentphoto-luminescenceofInP:Fe。此能级呈现出吸收，尤其是在3—4μm光谱范围内，防止在此范围内产生掩埋式异质结构激光装置。然而，此光谱区域对于光谱学和感测应用而言受到很大关注，由于在此光谱区域中存在许多分子的基频谐振。本专利技术的目的中的一个是克服上述限制并专利技术一种用于制造在此光谱范围内也具有低光学损耗的BH激光器的方法。然而，应理解的是本专利技术不限于此波长的QCL，而是一般地适用于跨光谱范围的QCL，例如任何BH激光器设计，无论其是具有多彩色发射器的QCL还是任何其它BH激光器。
技术实现思路
原则上，本专利技术公开了一种通过将特定量子势垒包括到多个不同的、潜在地掺杂半导体层的结构中作为掩埋层而实现的深蚀刻掩埋式异质结构量子级联激光器（即BHQCL）的新型结构。有用的势垒材料包括AlAs和InAlAs、InGaAs、InGaAsP以及InGaSb。通过引入特定的量子势垒并修改组成掩埋层的各种层的数目、厚度和/或掺杂，可以调整（一个或多个）掩埋层的传导性；尤其是在高施加场的情况下可以将其降低。本专利技术的概念适用于未掺杂/本征InP以及作为掩埋层的主要结构组件的Fe掺杂InP。有利地，在掩埋层中不存在Fe杂质允许在不会通过引入附加损耗而损害激光器性能的情况下制造甚至在3—4μm光谱区域内的高性能BH激光器。在附图中图示出的多个示例的以下描述中将示出本专利技术的细节和其它优点。附图说明附图在以下图中示出：图1a现有技术掩埋式异质结构设计，图1b用于图1a的现有技术设计的示意性能带结构，图2a根据本专利技术的第一实施例，图2b用于图2a的实施例的示意性能带结构，图3a根据本专利技术的第二实施例，图3b用于图3a的实施例的示意性能带结构，图4第三实施例的示意性能带结构。具体实施方式以下描述涉及示出了本专利技术的现有技术和某些实施例的附图。图1a和1b示意性地示出了现有技术掩埋式异质结构量子级联激光器BHQCL以及在此现有技术结构中使用的n:InP-InP:Fe-AR结的示意性能带结构。AR通常代表活性区。在典型的现有技术结构中，具有后面或背面电极6（通常为Au）的基板5（通常为InP）在其顶部上承载活性区（AR）2，通常为InGaAs/AlInAs，横向地受到阻挡或掩埋层4（即Fe掺杂InP或Fe掺杂InGaAs）的限制。顶部电极3（通常也为Au）以及n掺杂包层1（通常由InP和/或诸如InAlAs或InGaAs之类的三元组（ternary）构成）使该结构完整。由于n掺杂包层1是导体，所以其具有到横向限制/阻挡层4中的漏电流。通常通过如上所述那样在InP阻挡层中使用Fe杂质来解决掩埋式异质结构装置存在的这个主要问题。在图1b中示出了此现有技术设计中的n:InP-InP:Fe-AR结的示意性能带结构。如所述，通过在InP阻挡层4中引入Fe掺杂来减少从n掺杂InP包层1移动到InP阻挡层4中的载流子的数目。这样形成的n:InP-InP:Fe结阻挡从n掺杂InP包层1到（一个或多个）InP:Fe阻挡层4的载流子泄露。因此，电流受到限制，并且所述多个载流子被注入到活性区（AR）2中。事实上，Fe在InP中产生深施主态，将费米能级钉扎在半导体禁隙的中间。n掺杂包层与（一个或多个）Fe掺杂阻挡层之间的界面处的内建电位充当用以阻挡电子的势垒。遗憾的是，此内建电位取决于可以结合在InP中并因此不能任意地增加的最大Fe掺杂。可以通过外延生长而结合的最大Fe受到生长温度的严重影响。增加生长温度由于Fe前体分子的改善的裂开而导致较高的Fe掺杂水平。遗憾的是，可以在明显低于获得高Fe掺杂所必需的温度的温度下执行QCL的生长。因此，尤其是对于高度应变结构而言，不能任意地增加用于生长掩埋层的温度而不使活性层的质量退化。因此，Fe掺杂一般地局限于在2×10e16cm-3与8×10e16cm-3之间的值，导致50与100kV/cm之间的阻断场。这足以阻断QCL中一般地小于100kV/cm的操作场在中IR范围的较长波长区域中发射的电子。然而，这对于短波长QCL而言是不够的，特别是对于在3—5μm范围内进行发射的激光器而言，其中，操作场可以超过10kV/cm，导致漏电流流过掩埋层。此外，Fe掺杂层的生长受到被用于生长的机器的所谓“本底掺杂”的严重影响。此本底掺杂是在生长期间非故意地添加的载流子的数目。例如已知InP在“未掺杂”生长的情况下具有被略微n掺杂的趋势。本底掺杂的量取决于在其中执行生长的设备，即生长室条件。必须采取附加预防措施以防止在外延再生长开始时引入任何泄露路径。例如O.Ostinelli等人在出版于JournalofAppliedPhysics,108卷,11号,14502页,2010中的“Growthandcharacterizationofiron-dopedsemi-insulatingInPbufferlayersforAl-freeGaInP/GalnAshighelectronmobilitytransistors”中对此进行了描述。为了规避上述问题，本专利技术引入了由例如AlInAs/AlAs、InGaAs、InGaAsP或InGaSb组成的附加量子势垒，其改善了电子的阻挡。这些势垒独立于其掺杂而阻挡载流子输运，并且因此可以被引入而不增加光学损耗。通过修改此类量子载流子的数目和厚度，可以调整和/或降低掩埋层内部的传导性，这使得这样的QCL适合于施加的高电场。显著的优点是此类量子载流子的生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体量子级联激光器，尤其是以在中IR范围内的波长处发射，具有基板（15；25）、活性区（12；22）、包层（11；21）、提供到所述活性区（12；22）中的电流注入的至少两个电极（13、16；23、26）以及掩埋式异质结构波导（14a—14c；24a、24b），其特征在于所述异质结构波导包括第一III‑V半导体化合物的至少一个势垒层（14c；24c）的堆叠和至少一个第二III‑V半导体化合物的多个层（14a、14b；24a、24b）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体量子级联激光器，尤其是以在中IR范围内的波长处发射，具有基板（15；25）、活性区（12；22）、包层（11；21）、提供到所述活性区（12；22）中的电流注入的至少两个电极（13、16；23、26）以及掩埋式异质结构波导（14a—14c；24a、24b），其特征在于所述异质结构波导包括第一III-V半导体化合物的至少一个势垒层（14c；24c）的堆叠和至少一个第二III-V半导体化合物的多个层（14a、14b；24a、24b）。2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，提供了多个势垒层（14c；24c），所述多个势垒层与至少一个第二半导体化合物的所述多个掩埋层（14a、14b；24a、24b）交替地交错。3.根据权利要求1或2所述的量子级联激光器，其中，所述势垒层（14c；24c）中的至少一个由AlAs、InAlAs、InGaAs、InGaAsP或InGaSb的组中的一个的化合物组成。4.根据前述权利要求中的任一项所述的量子级联激光器，其中，所述掩埋层（14a；24a）中的至少一个包括第一III-V半导体化合物，并且所述掩埋层（14b；24b）中的至少另一个包括第二、不同的III-V半导体化合物。5.根据权利要求4所述的量子级联激光器，其中，所述掩埋层（14a、14b；24a、24b）的第一半导体化合物是本征化合...

【专利技术属性】
技术研发人员：A比斯穆托，J发斯特，E吉尼，B欣科夫，
申请(专利权)人：阿尔佩斯激光有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH