具有空间对称波函数平微能带的子能带间超晶格光发射器制造技术

ＩＳＢ光发射器的ＲＴ区包括预偏移ＳＬ和多个分裂的量子阱（ＳＰＱＷ）。ＳＰＱＷ是被足够薄的第一势垒层分裂成多个子阱的量子阱，该足够薄的第一势垒层把上能态与下能态分裂，分裂宽度超过它们的自然增宽，并对每个ＲＴ区内的不同微能带产生影响。与之相反，相邻的ＳＰＱＷ则通过第二势垒层相互耦合。要选取后一种层的厚度，使横越每个ＲＴ区上建立微能带。在一个实施例中，该发射器包括相邻ＲＴ区之间的Ｉ／Ｒ区，而在另一个实施例中，则省去Ｉ／Ｒ区。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及子能带间(ISB)超晶格(SL)光发射器，更准确说，是涉及具有基本上平的微能带和空间对称波函数的量子级联(QC)SL激光器。在ISB SL激光器中，光跃迁发生在上微能带(即接近该能带底部或就在该能带底部的能态)和下微能带(即接近该能带顶部或就在该能带顶部的能态)之间。为了使这些激光器能恰当地运行，必须存在上微能带和下微能带的平能带条件；就是说，必须满足两个条件(1)每个辐射跃迁(RT)区与相邻的注入/弛豫(I/R)区在宏观上对齐，和更为重要的是，(2)每个RT内各上激光能级在宏观上对齐(同样，各下激光能级也要对齐)。但是，存在外场时(例如，为产生激光而沿层的横向施加的外偏置)，如果用基本上全同的量子阱(QW)区的SL，那么沿场的方向，量子态的能量从一量子阱(QW)层到下一QW层变得越来越高。美国专利No.6,055,254指出了这个问题，该专利于2000年4月25颁发给F. Capasso等人(后面称之为Capasso 55专利)，该专利授予本文的代理人，并在此引用，供参考。Capasso 55专利描述了一种ISB SL激光器，其中，用改变SL的周期来对ISB SL激光器内的电子势能进行预偏移，不论SL内是否存在外加电场，都得到上微能带和下微能带平均说来基本上平的分布。Capasso 55中的图2(与本文图2几乎一样)画出存在外加电场时基本上平的能带的情况，就是说，在每个RT区中(如RT 14.5)，接近或就在微能带2底部的各能态(由它们的波函数代表)，在RT区上完全伸展，接近或就在微能带1顶部的各能态也是如此。在每个上微能带2中，相对于通过单极辐射跃迁(RT)区中点的竖直平面(此后称中间平面)，波函数基本上是空间对称的。与此相反，在每个下微能带1中，波函数是显著空间不对称的(图上中间平面右侧用较大数值的波瓣表示)。不对称性随着微能带宽度的减小而增加。不对称性的一种结果，是减小光偶极矩阵元，从而导致效率低的发射器。从原理上说，Capasso 55的设想确实能使微能隙(即涉及光跃迁的两个能级或能态)边沿的两个波函数成为对称的，但只在相对窄的波长和电场范围。然而，在使该两个能态的波函数对称时，却不增加用于优化和/或控制许多其他设计问题必要的自由度。例如，下述参数是固定的在该两微能带中其余能态的波函数形状和能量位置，这将影响微能带的电子注入和抽出，或微能带内的光吸收，此外还有其他影响。因此，在ISB SL发射器技术上，还需要一种设计，该设计不仅提供基本上平的微能带，而且提供基本上空间对称的波函数(至少对涉及光跃迁的两个波函数)，又可独立地控制外加的电场、需要的工作波长、波函数形状、以及微能带中其余能态的能量位置。所谓独立地控制，是指从一组参数中与同一组参数内其他参数值独立地选取一个参数值的能力。在本文中，有时我们把这种选取称为任意的。在某些应用中，还需要在上微能带和下微能带所有波函数基本上空间对称的ISB SL发射器内，取得上述这些特性。按照我们专利技术的一个方面，ISB光发射器的RT区包括预偏移SL和多个分裂的量子阱(SPQW)。所谓SPQW，我们指一种量子阱，该量子阱被至少一势垒层分为多个子阱，该势垒层足够薄，足以使上能态和下能态的分离超过它们的自然增宽，并对每个RT区内的不同微能带产生影响。与此相反，相邻的SPQW则由另外的势垒层使之相互耦合，该势垒层的厚度要能在每个RT区上建立微能带。在一个实施例中，我们的专利技术包括在相邻RT区之间的I/R区，而在另一个实施例中，该I/R区被省去(即无注入区的ISB发射器)。我们的专利技术可使涉及光跃迁的至少两个波函数(而在一个实施例中，几乎所有微能带中的波函数)成为空间对称的，并提供附加的自由度，自由度对优化微能带的能量位置，从而对电子的注入和抽出，是重要的。把微能带能量适当定位的自由度，与任意选取电场能力的组合，可以实现无注入区的ISB发射器设计。我们的专利技术，连同其各种特性和优点，能够从下述结合附图的更详细说明中容易弄清楚，附图有附图说明图1是按照我们专利技术的一个实施例，画出ISB SL光发射器的示意截面图；图2是现有技术ISB SL光发射器的示意的导带分布图，其中在设计电场为45kV/cm时，I/R区跨接两个SL区；图3按照各种现有技术，画出示意的导带分布图，图上表明存在外加电场和合适的内部补偿场下典型的平能带情况；图4按照Capasso 55专利的一个实施例，画出没有外加的电场下，预偏移SL的示意的导带分布图；图5按照我们专利技术的一个实施例，画出没有外加电场下，SPQW RT区的示意的导带分布图；图6按照我们专利技术的一个实施例，画出SPQW RT区的示意的导带分布图。该图表明存在外加电场下，具有基本上对称波函数(模平方)的微能带的典型平能带情况。受限的基态能量(A)、微能带的宽度(B)、微能隙(C)、和电场强度，都可以相互独立地由设计选取；图7按照图6的实施例，画出被注入/弛豫(I/R)区耦合的一对SPQW RT区示意的导带分布图。该图还表明存在外加电场下，具有基本上对称波函数(模平方)的微能带的典型平能带情况。轻点描画区域代表RT区中构成微能带的能态覆盖的能量范围，而浓点描画区域代表注入区的能态覆盖的能量范围。直的箭头与激光跃迁对应。图8画出作为不同散热器温度下驱动电流函数的、图7所示类型ISB SL激光器的脉冲光功率。该功率是从深度蚀刻条带形状的激光器的单个小端面(以近似1的收集效率)发出的，其中的条带长度是2.25mm，宽度是17μm。点线表示7K时的I-V特性。插图画出7K时在阈值以上观察到的Fabry-Perot谱；图9按照我们专利技术的另一个实施例，画出无注入区的ISB SL激光器的示意的导带分布图。该图还表明存在外加电场下，具有基本上对称波函数(模平方)的微能带的典型平能带情况。带点区域代表RT区中构成微能带的能态覆盖的能量范围。直的箭头与激光跃迁对应。图10画出在不同驱动电流下，图9所示类型ISB SL光发射器的场致发光光谱。在10.5μm(约125meV)处的箭头仅供参考。插图表示该装置的I-V曲线；和图11是图9所示类型ISB SL激光器在约10K时工作在脉冲模式的Fabry-Perot谱。为了清晰和简明，图1-7和9不是按比例画的。又，当论及物理的或光的尺寸时，符号A代表Angstrom，而当论及电流时，A代表Ampere。在下面的说明中，我们讨论的顺序是ISB光发射器的基本设计，RT区的预偏移SL设计，RT区的SPQW设计，和按照我们专利技术的激光器，该激光器采用既给出基本上平的微能带，也给出基本上空间对称波函数的两种设计特性。还说明具有和不具有与RT区耦合的I/R区的ISB激光器。最后，我们以该两种激光器的例子结束。一般的ISB SL光发射器现在参考图1，ISB SL半导体光发射器(如QC激光器)10包括SL芯区14，夹在上包层区16和下包层区12之间。该芯区包括激光器的有源区。有源区又包括多个RT区。在一个实施例中，相邻的RT区被I/R区分离；在另一个实施例中，则省去I/R区。ISB一词，一般指发生在RT区和I/R区内光跃迁和电子跃迁的熟知的单极本性。在其上形成发射器各层的衬底，通常被用作下包层区。或者，与衬底分离的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种子能带间（ＩＳＢ）超晶格（ＳＬ）光发射器，包括： 芯区，其上包含多个重复单元，每个重复单元包含一单极辐射跃迁（ＲＴ）ＳＬ区，每个所述ＲＴ ＳＬ区包括与多个第一势垒区交错的多个量子阱（ＱＷ）区，所述ＱＷ区具有上微能带和下微能带表征的能态，和 电极，把电场施加于所述发射器，有效地使所述ＲＴ区以所述微能带内上能态与下能态决定的能量发光， 在所述ＱＷ区的至少第一子集中，内电子势能是被预偏移的，使不管所述ＳＬ内的所述外加电场是否存在，所述上微能带与下微能带两者的基本上平的能带情况都存在，其特征在于 每个所述ＱＷ区包含至少一个第二势垒区，该势垒区把所述ＱＷ分裂为多个耦合的子阱，所述第二势垒区的厚度，要能使至少所述上能态和下能态的波函数，相对于每ＲＴ区的中间平面基本上是空间对称的，并且所述微能带能在所述ＱＷ内独立地适当定位。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：费德里科卡帕索，阿尔弗雷德Y乔，孙尼G楚，克莱尔F格玛楚，阿伯特L哈沁森，阿瑟M瑟贞特，德伯拉L斯夫科，阿利桑德罗特莱迪库奇，迈克尔C万克，
申请(专利权)人：朗迅科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]