量子级联激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种量子级联激光器(300)，包括在两个光学包层(1041、1042)之间的增益区(102)；增益区(102)具有进入增益区(102)的电子输入和离开增益区(102)的电子输出。本发明专利技术的特征在于，激光器在电子输出端包括空穴阻挡区域(304)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】量子级联激光器本专利技术涉及一种量子级联激光器。本专利技术的领域是半导体激光器领域，更特别地，是量子级联激光器领域。
技术介绍
量子级联激光器是基于半导体异质结构制造的激光器，半导体异质结构由插入在形成光波导的两个限制层(也称为“包层”)之间的多量子阱结构形成的增益区构成。具有低光吸收的无源层(称为“间隔层”)可以设置在增益区和限制层之间。增益区通常由堆叠的一组成对的层组成，成对的层包括一个阱层和一个势垒层。该结构由电流泵送，该电流垂直于组成该结构的层流动。增益区中的电场能够达到非常高的值，大约10kV/cm至大于100kV/cm。然而，量子级联激光器受寄生电流(也称为“空穴电流”)影响，特别是在环境温度下，寄生电流降低了激光器的性能。该电流由空穴形成，空穴在离开增益区的电子输出的区域中生成，在增益区中传播。此外，空穴电流是热激活的，并且可能由于空穴的碰撞电离机制而增强。随着所用材料的禁带的能量减小，寄生电流的值增大。本专利技术的目的是克服这些缺点。本专利技术的另一个目的是提出一种具有更低空穴电流或根本没有空穴电流的量子级联激光器。本专利技术的目的还在于提出一种量子级联激光器，具有更好的性能，特别是在环境温度下。本专利技术的另一个目的还在于提出一种量子级联激光器，即使所用材料的禁带能量低，其性能也不会降低。
技术实现思路
本专利技术使得可以通过量子级联激光器实现这些目的中的至少一个，该量子级联激光器包括插入在两个光学限制层之间的增益区，所述增益区具有到增益区的电子输入和离开所述增益区的电子输出。根据本专利技术，量子级联激光器包括空穴阻挡区域。因此，本专利技术提出了一种量子级联激光器，其配备有用于阻挡所述激光器中的空穴的传播的区域。因此，在所述激光器中，并且特别是在所述激光器的价带中生成的空穴不再能够在增益区中传播，特别是从离开增益区的电子输出传播到进入增益区中的电子输入。由于由空穴阻挡区域形成的垒阻挡了空穴的传播，增益区中的空穴电流非常低，或甚至为零。因此，本专利技术使得可以获得一种量子级联激光器，特别是在环境温度下，其具有更好的性能。另外，即使当用于制造根据本专利技术的激光器的材料的禁带的能量低时，这种量子级联激光器的性能下降也更少。优选地，空穴阻挡区域能够布置在离开增益区的电子输出的那侧上。更特别地，空穴阻挡区域能够布置在增益区与限制层的结处，或者与间隔层类型的无源层的结处。优选地，空穴阻挡区域能够具有价带能量分布，在从进入增益区中的电子输入到离开增益区的电子输出的方向上，价带能量分布减小，达到局部最小值，然后增大。这种能量分布构成了防止空穴在增益区中传播的有效势垒。在区域由阱层和势垒层的叠层构成的情况下，“价带能量分布”是指由于价带在阱层/材料中的位置获得的分布，不考虑由于势垒层/材料引起的能量不连续。在非限制性实施例中，在从电子输入到电子输出的方向上，在局部最小值的下游，在空穴阻挡区域中的价带能量分布可以增大预定的值，该预定值大于或等于环境温度下的热能，特别是大于或等于25meV，并且优选地大于或等于50meV。换句话说，在局部最小值之后，价带的能量增大的预定值可以大于或等于在最大设想的操作温度下的热能。根据优选但非限制性的实施例，预定值大于或等于25meV。根据优选但非限制性的实施例，预定值大于或等于50meV。当用于阱层的材料是InAs(但不限于这种材料)时，上面给出的能量值特别合适。这种能量增大使得可以创建有效的能量势垒以防止增益区中的空穴传播。因此，空穴被限制在局部最小值的下游，并且不能通过局部最小值的上游。根据优选的版本，空穴阻挡区域可以具有有效禁带能量，在从进入增益区中的电子输入到离开增益区的电子输出的方向上，该有效禁带能量增大，达到最大值，然后减小。在本专利技术中，“有效禁带能量”表示阱材料的价带和导带之间的禁带能量、电子的第一级的限制能量和空穴的第一级的限制能量之和。根据实施例，增益区和空穴阻挡区域可以各自包括阱层和势垒层的叠层，并且特别是重复的、由一个阱层和一个势垒层组成的成对的层。在根据本专利技术的激光器的有利版本中，空穴阻挡区域的至少一个阱层的厚度可以小于增益区中的至少一个阱层的厚度。相对于增益区，空穴阻挡区域包含更小厚度的阱层，使得可以在价带的能量分布中创建局部最小值，或者，在有效禁带能量中创建局部最大值。根据本专利技术的特别有利的实施例，在从进入增益区中的电子输入到离开增益区的电子输出走向的方向上，空穴阻挡区域的阱层的厚度可以减小，达到最小值，然后增大。特别地，空穴阻挡区域中阱层的厚度的减小或增大可以是逐渐的或不连续的。更特别地，空穴阻挡区域的阱层可以具有厚度，该厚度：-从称为起始值的值逐渐减小，达到称为最小值的值；起始值对应于增益区中的阱层的厚度，特别是最后阱层的厚度，最小值对应于所述起始值的一半；-然后，从所述最小值开始逐渐增大，达到大于或等于所述起始值的称为最终值的值。特别地，空穴阻挡区域的至少一个阱层的厚度可以小于或等于增益区的至少一个阱层的厚度的80％，更特别地，小于或等于50％。专利技术人已经注意到，空穴阻挡区域中的最小阱层厚度等于增益区中的阱层最大厚度的50％，使得可以获得防止空穴在增益区中传播的有效势垒。可替代地，或者除了上面针对阱层描述的内容之外，空穴阻挡区域的至少一个势垒层的厚度可以有利地大于增益区中的至少一个势垒层的厚度。相对于增益区，空穴阻挡区域包含更大厚度的势垒层，使得可以在价带的能量分布中创建局部最小值，或者，在有效禁带能量中创建局部最大值。根据特别有利的实施例，在进入到增益区中的电子输入到离开增益区的电子输出的方向上，所述空穴阻挡区域中的势垒层的厚度可以增大，达到局部最大值，然后减小。特别地，空穴阻挡区域中势垒层的厚度的增大或减小可以是逐渐的或不连续的。更特别地，空穴阻挡区域的势垒层能够具有厚度，该厚度：-从称为起始值的值逐渐增大，达到称为最大值的值；起始值对应于增益区中的势垒层的厚度，特别是最后势垒层的厚度，最大值对应于所述起始值的两倍；-然后，从所述最大值开始逐渐减小，达到小于或等于所述起始值的值。特别地，空穴阻挡区域的至少一个势垒层的厚度可以大于或等于增益区中至少一个势垒层的厚度的150％，更特别地，大于或等于200％。专利技术人已经注意到，空穴阻挡区域中的势垒层的最大厚度等于增益区中势垒层的最小厚度的200％，使得可以获得防止空穴在增益区中传播的有效势垒。优选地，在空穴阻挡区域中，至少一个阱层或势垒层可以是N掺杂的，特别地，每个阱层或势垒层可以是N掺杂的。相对于所述空穴阻挡区域的起始处和终止处，空穴阻挡区域的中心处的N掺杂可以更高。如上所述，增益区或空穴阻挡区域可以由几个阱层和几个势垒层的交替叠层形成。根据优选的但非限制性的实施例，增益区或空穴阻挡区域的每个阱层可以由砷化铟(InAs)制成。根据优选的但非限制性的实施例，增益区或空穴阻挡区域的每个势垒层可以由锑化铝(AlSb)制成。根据根据本专利技术的激光器的第一种版本，当增益区由阱层和势垒层的叠层制成时，且特别是由叠加的成对的由一个阱层和一个势垒层组成的叠层制成时，空穴阻挡区域可以由电子输出侧上的所述叠层的一部分形成，并且特别是在所述增益区与限制层的结级处，或者与间隔层类型的无源层的结级处。根据第二个版本，空穴阻挡区域可以叠层的形式存在，独立本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子级联激光器(300)，包括插入在两个光学限制层(1041、1042)之间的增益区(102)，所述增益区(102)具有进入增益区(102)的电子输入和离开所述增益区(102)的电子输出，其特征在于，所述激光器在所述电子输出的那侧上包括空穴阻挡区域(304)，所述空穴阻挡区域(304)具有价带能量分布(402)，在从进入增益区(102)的电子输入到离开增益区(102)的电子输出的方向上，所述价带能量分布(402)减小，达到局部最小值(406)，然后增大。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.03 FR 16517961.一种量子级联激光器(300)，包括插入在两个光学限制层(1041、1042)之间的增益区(102)，所述增益区(102)具有进入增益区(102)的电子输入和离开所述增益区(102)的电子输出，其特征在于，所述激光器在所述电子输出的那侧上包括空穴阻挡区域(304)，所述空穴阻挡区域(304)具有价带能量分布(402)，在从进入增益区(102)的电子输入到离开增益区(102)的电子输出的方向上，所述价带能量分布(402)减小，达到局部最小值(406)，然后增大。2.根据权利要求1所述的激光器(300)，其特征在于，在局部最小值(406)的下游，在从电子输入到电子输出的方向上，所述空穴阻挡区域(304)中的价带能量增大，增大的值大于或等于环境温度下的热能，特别地，大于或等于25meV，并且优选地大于或等于50meV。3.根据前述权利要求中任一项所述的激光器(300)，其特征在于，所述空穴阻挡区域(304)具有有效禁带能量(408)，在从进入增益区(102)的电子输入到离开增益区(102)的电子输出的方向上，所述有效禁带能量(408)增大，达到最大值，然后减小。4.根据前述权利要求中任一项所述的激光器(300)，其特征在于，所述增益区(102)和所述空穴阻挡区域(304)各自包含阱层(108、306)和势垒层(110、308)的叠层，所述空穴阻挡区域(304)的至少一个阱层(306)的厚度小于所述增益区(102)中至少一个阱层(108)的厚度。5.根据权利要求4所述的激光器(300)，其特征在于，在从进入增益区(102)的电子输入到离开增益区(102)的电子输出的方向上，所述空穴阻挡区域(304)中的阱层(306)的厚度减小，达到最小值，然后增大。6.根据权利要求4或5所述的激光器(300)，其特征在于，所述空穴阻挡区域(304)的至少一个阱层(306)的厚度小于或等于所述增益区的至少一个阱层(108)的厚度的80％，并且更特别地，小于或等于50％。7.根据前述权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗兰·泰西耶，阿列克谢·巴拉诺夫，
申请(专利权)人：法国国家科学研究中心，蒙彼利埃大学，
类型：发明
国别省市：法国,FR