DE60116778T2

DE60116778T2 - Quantenkaskadenlaser mit anregung durch optische phononen

Info

Publication number: DE60116778T2
Application number: DE60116778T
Authority: DE
Inventors: Jωrρme FAIST; Mattias Beck; Antoine Muller
Original assignee: Alpes Lasers SA
Current assignee: Alpes Lasers SA
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2006-11-02
Also published as: US20030174751A1; WO2002023686A1; JP2004521481A; US6751244B2; EP1317786B1; JP4790202B2; EP1317786A1; EP1189317A1; DE60116778D1; DE60116778T8

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Quantenkaskadenlaser. Insbesondere betrifft sie jene Laser, die zwei Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Steuerfeldes und einen zwischen den zwei Elektroden angeordneten Wellenleiter umfassen, der seinerseits:

• eine Verstärkungsregion, die aus mehreren Schichten gebildet wird, die ihrerseits abwechslungsweise Lagen eines ersten, jeweils eine Quantensperre bildenden, bzw. Lagen eines zweiten, jeweils einen Quantentopf bildenden Typs umfassen, wobei diese Lagen aus ersten und zweiten Halbleitermaterialien bestehen, die Sperren respektive Töpfe bilden, und
• zwei beidseitig der Verstärkungsregion angeordnete optische Einschließungschichten umfasst.

Im vorliegenden Dokument bezeichnet "Lage" eine Schicht von geringer Dicke, deren Zusammensetzung eine gewisse Homogenität aufweist, und "Schicht" bezeichnet eine Gesamtheit von Lagen, die eine gleiche Funktion ausüben.
Ein Laser dieses Typs ist im Patent US 5,457,709 beschrieben. Dieser besteht aus Lagen des ersten und des zweiten Typs, die jeweils Quantensperren respektive -töpfe bilden. Die Materialien aus denen die Sperren und die Töpfe bestehen sind so gewählt, dass sie eine ziemlich gleiche Gitterzellengröße wie das Substrat aufweisen, damit die monokristalline Struktur über die ganze Dicke des Lasers erhalten bleibt. EP 0 964 488 und Y.B.L.; in Electronics Letters, Vol. 33 Nr.12 vom 23. Oktober 1997 beschreiben ebenfalls Laser dieses Typs.
Die kristallelektrische Spannungsdifferenz des Materials, das die Lagen des ersten respektive des zweiten Typs bildet, bestimmt durch Quantifizierungswirkung einen oder mehrere zweidimensionale Zustände, bzw. so genannte Unterbänder.
Jede der Schichten umfasst eine Aktivzone und einen Energiefreisetzungsbereich. Das Anlegen eines elektrischen Feldes an den Elektrodenklemmen erzeugt einen Ladungsträgerstrom, namentlich innerhalb der Verstärkungsregion.
Die Emission einer Laserstrahlung wird durch den Übergang von Ladungsträgern von einem ersten zu einem zweiten Unterband in der Aktivzone erzeugt, wobei diese Ladungsträger in der Regel Elektronen sind. Diese, als Übergang von Unterband zu Unterband bezeichnete Erscheinung geschieht unter Emission eines Phonons.
Näher betrachtet umfassen die Töpfe der Aktivzone mindestens drei als oberes respektive mittleres und unteres Unterband bezeichnete Unterbänder. Die Emission der Phononen erfolgt bei einem Übergang vom oberem zum mittleren Unterband, das dadurch ermöglicht wird, dass die Besetzung des mittleren Unterbandes durch Übergang seiner Elektronen zum unteren Unterband reduziert und damit ein optisches Phonon emittiert wird. Damit dies geschehen kann, muss die von einem Ladungsträger beim Übergang vom mittleren zum unteren Unterband verlorene Energie größer sein, als die der Phononen, die dem verwendeten Material zueigen sind.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung dieses Lasertyps. Zu diesem Zweck umfasst jede Schicht der Verstärkungsregion eine Injektionssperre und eine Aktivzone, wobei letztere durch mindestens drei Lagenpaare aus jeweils einer Lage des ersten und des zweiten Typs gebildet wird. Die Lagen der Aktivzone jeder Schicht sind so aufgebaut, dass jeder der Töpfe mindestens ein erstes oberes, ein zweites mittleres sowie an unterster Stelle ein drittes und viertes Unterband aufweist, wobei einerseits zwischen dem zweiten und dritten, und andererseits zwischen dem dritten und vierten Unterband eine solche Spannungsdifferenz herrscht, dass der Übergang eines Elektrons vom zweiten zum dritten, respektive vom dritten zum vierten Unterband eine Energie freisetzt, von der man als jene spricht, die zur Emission eines optischen Phonons des betrachteten Monokristalls erforderlich ist.
Vorteilhafterweise umfasst der erfindungsgemäße Laser mindestens vier Lagen des zweiten Typs.
In solchen Lasern werden die Materialien des ersten und des zweiten, respektive die Sperren und die Töpfe bildenden Typs nacheinander unter Beachtung, dass sie rein bzw. auf geeignete Art dotiert sind, abgelagert, wobei jede Lage eine homogene Zusammensetzung aufweist, mit Ausnahme der wenigen an den benachbarten Lagen anstoßenden Atomschichten. Indem man so verfährt, wird eine Abfolge von Töpfen und Sperren erhalten, die praktisch vertikale Flanken aufweisen. Nun wurde aber festgestellt, dass die Elektronen an den Schnittstellen dieser Lagen dazu neigen, zu diffundieren.
Genauer betrachtet, hat die von K. L. Campman und al. durchgeführte und unter dem Titel "Interface roughness and alloy-disorder scattering contributions to intersubband transition linewidths" in Appl. Phys. Letters 69 (17), 21 october 1996, veröffentlichte Untersuchung gezeigt, dass die Schnittstellen der Lagen einen entscheidenden Einfluss auf den Übergang zwischen den Unterbändern haben, wodurch eine Erhöhung des Schwellenstroms bewirkt wird.
Um diesen Strom zu reduzieren, weisen in einer besonders interessanten Ausführungsart die Lagen des ersten und des zweiten Typs in ihrem mittleren Teil jeweils eine Konzentration von 100 Prozent des ersten bzw. des zweiten Materials auf, während die Lagen zwischen zwei mittleren Teilen aus einer Legierung der zwei Materialien gebildet werden, deren Konzentrationen auf kontinuierliche Weise variieren.
In der Regel umfasst der Laser ein Substrat aus Indiumphosphid (InP), auf dem verschiedene Schichten angeordnet sind.
Mit einem Substrat aus InP ist es von Vorteil, wenn das zweite Material InGaAs ist und das erste unter AlGa As, InP und AllnAs ausgewählt wird.
Je nach den Anwendungen muss die Wellenlänge der Laserstrahlung mehr oder weniger kurz sein. Eine von J. Faist und al. durchgeführte und unter dem Titel "Short wavelength quantun cascade laser based on strained compensated InGaAs/AllnAs" in Appl. Phys. Letters Vol. 72 Nr. 6 vom 9. Februar 1998 veröffentlichte Untersuchung hat gezeigt, dass es möglich ist, die kristallelektrische Spannungsdifferenz der beiden Materialen aus denen die Lagen bestehen, zu erhöhen und demzufolge die Wellenlänge der emittierten Phononen zu verringern. Deshalb werden die Materialien des ersten und des zweiten Typs vorteilhafterweise so ausgewählt, dass das eine größere und das andere kleinere Gitterzellen als die des Substrats aufweist.
In gewissen Anwendungen ist es notwendig, über eine Strahlung zu verfügen, die ein enges Emissionsspektrum aufweist. Zu diesem Zweck weist die dem Substrat gegenüberliegende Einschließungsschicht eine Struktur auf, die ein Beugungsgitter bestimmt, dessen Rastermaß einem Mehrfachen der Hälfte einer Wellenlänge im Kristall des gewünschten Emissionsspektrums entspricht.
Weitere Vorteile und Eigenschaften gehen aus der nachfolgend gegenüber der beigelegten Zeichnung stehenden Beschreibung hervor, deren Abbildungen folgendes verdeutlichen:
1 veranschaulicht schematisch die Struktur eines erfindungsgemäßen Lasers, bzw. im vergrößerten Teil eine Schicht der Verstärkungsregion mit einer Injektionssperre, einer Aktiv- und einer Relaxationszone, und
2 zeigt die Spannungsänderung innerhalb der Aktivzone auf, sowie die Unterbänder, zwischen denen die Elektronen übergehen;
3 veranschaulicht die mittels eines erfindungsgemäßen Lasers erzielten physikalischen Eigenschaften in Form von Kurven, und
4 die Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Lagen in einer Schicht des aktiven Bereichs.
Die 1 stellt schematisch und beispielhaft einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Quantenkaskadenlaser des einpoligen Typs dar, in dem die Elektronen die Ladungsträger sind.
In dieser Abbildung können die relativen Maßverhältnisse wegen der besonders geringen Dicken gewisser Schichten nicht berücksichtigt werden. Der Laser umfasst ein als Elektrode dienendes Substrat 10 aus monokristallinem Indiumphosphid (InP). Auf diesem Substrat 10 ist ein Wellenleiter angeordnet, der aus einer ersten optischen Einschließungsschicht 12, einer Verstärkungsregion 14 mit stratifizierter Struktur, einer zweiten optischen Einschließungsschicht 16 und einer Elektrode 18 gebildet wird. Das Substrat 10 ist auf einer in der Zeichnung nicht dargestellten Unterlage befestigt. An der Elektrode ist ein in der Regel angeschweißter Draht 19 befestigt. Die Speisung erfolgt durch Anlegen einer Spannung zwischen der Unterlage und dem Draht 19.
Die optischen Einschließungsschichten 12 und 16 werden durch eine Legierung aus Indium- und Galliumarsenid (InGaAs) mit 52% Indiumarsenid und 48% Galliumarsenid gebildet. Mit einer solchen Zusammensetzung kann eine kristalline Struktur bestimmt werden, die identisch und von gleicher Gitterzellengröße wie die des InP ist.
Wie im vergrößerten Teil der 1 ersichtlich, besteht die Verstärkungsregion 14 aus aneinander gereihten Schichten 20, die ihrerseits aus abwechslungsweise angeordneten Lagen 22 eines ersten, bzw. Lagen 24 eines zweiten Typs gebildet werden. Jede Schicht 20 umfasst drei unterschiedliche Zonen, und zwar eine Injektionssperre 26, eine Aktivzone 28 und eine Injektions- und Relaxationszone 30.
Jede der Lagen 22, die jeweils eine Quantensperre bilden, besteht im Wesentlichen aus einer AllnAs-Legierung, mit molaren 53% Indiumarsenid und 47% Aluminiumarsenid. Durch eine solche Zusammensetzung entsteht eine kristalline Struktur, die identisch mit jener des InP ist.
Jede der Lagen 24, die jeweils einen Quantentopf bilden, besteht im Wesentlichen aus einer InGaAs-Legierung mit gleicher Zusammensetzung wie die optischen Einschließungsschichten 12 und 16.
Ein erfindungsgemäßer Laser wurde gemäß der in der nachstehenden Tabelle 1 aufgezeigten Struktur hergestellt.
Tabelle 1
Tabellenfortsetzung
Ausführliche Beispiele der Eigenschaften der optischen Einschließungsschichten 12 und 16 und der Elektrode 18 sind in den unter den Nummern PCT/CH 99/00572 (Veröffentlichungsnummer WO 0035060) und PCT/CH 00/00159 (Veröffentlichungsnummer WO 0059085) unter dem Namen der Antragsstellerin eingereichten Patentanmeldungen aufgeführt, weshalb auf deren Strukturen nicht näher eingegangen wird.
Tabelle 2 vermittelt die Zusammensetzung der Lagen, die eine Injektionssperre 26 und eine Schicht 20 der Verstärkungsregion 14 bilden, die deren fünfunddreißig umfasst.
Tabelle 2
Die Sperre 26 wird demnach durch eine einzige Lage des ersten Typs, die Aktivzone durch vier Lagen jedes Typs und die Relaxations- und Injektionszone durch sechs Lagen des ersten und sieben Lagen des zweiten Typs gebildet.
In diesem Laser variiert die Spannung im Innern der Aktivzone in Gegenwart eines elektrischen Erregerfeldes wie in der 2 dargestellt. Diese Spannung weist eine Rechteckimpulsstruktur auf, mit jeweils den Lagen des ersten Typs entsprechenden Vertiefungen A und den Sperren, die diese Vertiefungen trennen, entsprechenden Erhöhungen B.
In den namentlich durch das weiter oben erwähnte Patent US 5,457,709 bekannten Lasern erfolgt die Extraktion der Elektronen durch eine Resonanz mit einem optischen Phonon. In diesen Lasern können die Elektronen, wie im Schema a der 2 ersichtlich, in jedem Topf mehrere Unterbänder besetzen, und zwar ein oberes Unterband F, ein mittleres Unterband G und ein unteres Unterband H.
Das obere Unterband F entspricht dem Injektionspotential der Elektronen. Von diesem Unterband gehen die aktiven Elektronen aus, die beim Durchqueren des mittleren Unterbandes G eine Laserstrahlung erzeugen. Damit die Emission stattfinden kann, muss die Besetzung des oberen Unterbandes F notwendigerweise zahlreicher als die des mittleren Unterbandes G sein. Dies kann durch Resonanz mit einem optischen Phonon erzielt werden, und zwar unter der Voraussetzung, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem mittleren Unterband G und dem unteren Unterband H für ein übergehendes Elektron einem Energieverlust E_GH entspricht, der deutlich der Energie der optischen Photonen des betrachteten Monokristalls gleichkommt, und zwar 34 meV in einem Monokristall aus den in den Tabellen 1 und 2 erwähnten Materialien.
Das Ergebnis kann weit höher ausfallen, indem eine Resonanz mit zwei Phononen mit einer Konfiguration wie beispielsweise die im Schema b der 2 dargestellte verwendet wird. In dieser Konfiguration können die Elektronen zudem ein viertes, als zweites unteres Unterband bezeichnetes Unterband J besetzen, wobei die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten unteren Unterband H und J für ein übergehendes Elektron einem Energieverlust E_HJ gleichkommt, der ziemlich genau E_GH und demzufolge der Energie der emittierten optischen Phononen entspricht.
Es sind drei Typen des Übergangs mit Emission von optischen Phononen möglich, und zwar:

– Übergang vom Unterband G zum Unterband H mit Emission eines optischen Phonons;
– Übergang vom Unterband H zum Unterband J mit Emission eines optischen Phonons;
– Übergang vom Unterband G zum Unterband J mit Emission von zwei optischen Phononen.

All diese Übergänge gestatten es, die Besetzung des Unterbandes G deutlich zu reduzieren, wodurch die Populationsinversion und demzufolge die Laserfunktion verstärkt wird. Diese Verbesserung wird in der 3 veranschaulicht, die anhand der zwei dargestellten Kurven aufzeigt, wie die abgegebene Leistung [mW] in Abhängigkeit des Stroms [A] variiert, und zwar als voll ausgezogene Linie für den erfindungsgemäßen, bzw. als gestrichelte Linie für den Laser in der Ausführungsart, die in Appl. Phys. Letters, Band 75, Nummer 11 vom 13. September 1999, in einem unter dem Titel "Electrically tunable, room-temperature quantum-cascade lasers" (A. Müller und al.) erschienenen Veröffentlichung beschrieben ist. Die beiden verglichenen Laser sind gleich groß, werden bei einer gleichen Temperatur von 30°C gemessen und emittieren in benachbarten Wellenlängen. Die nachstehende Tabelle gestattet den Vergleich der erzielten Ergebnisse.
Tabelle 3
Es geht sowohl aus der Tabelle, als auch aus der 3 hervor, dass der erfindungsgemäße Laser einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist und zudem bei gleichen Abmessungen eine viel größere Leistung abzugeben vermag.
Der erfindungsgemäße Laser ist verbesserungsfähig, indem die chemische Zusammensetzung der Lagen in der Verstärkungsregion verändert wird, wie aus der 4 hervorgeht. In dieser Abbildung wird davon ausgegangen, dass die chemische Zusammensetzung der Formel Ga_x Al_(1–x) InAs entspricht, in der x je nach der betrachteten Position innerhalb der Schichtdicke von 0 bis 1 variiert, wobei die Abszisse der Dicke a der Struktur, und die Ordinate x entspricht. Die Kurve L zeigt auf, wie die Veränderung der Zusammensetzung in den dem Stand der Technik entsprechenden Lasern sowie im oben aufgeführten Beispiel aussieht, während die Kurve M einer besonderen Ausführungsart entspricht.
Zur Herstellung einer Struktur mit einer der Kurve L entsprechenden Zusammensetzung, werden die Materialien (InGaAs und AllnAs) nacheinander abgelagert. Durch dieses Vorgehen kommt es zur Ausbildung nahezu vertikaler Flanken der Sperren und Töpfe, wobei sich die Diffusion zwischen den Lagen als schwach erweist. Es wurde festgestellt, dass die Elektronen an den Schnittstellen dieser Lagen die Tendenz haben, zu diffundieren, wie dies im oben erwähnten Artikel von K. L. Campman und al. erläutert wird.
Mit einem der Kurve M entsprechenden Schichtaufbau kann dieser Nachteil unterbunden werden. Diese Kurve weist einen Verlauf mit Höchstwerten im mittleren Teil der Lagen auf, wobei die Zusammensetzung zwischen zwei mittleren Teilen in kontinuierlicher Weise variiert.
Es ist namentlich möglich, eine Schicht wie die durch die Kurve M dargestellte herzustellen, und zwar durch häufiger abwechselnde InGaAs- und AllnAs-Ablagerungen, wobei die Ablagerungsdicke einen jeweils nur wenigen Atomschichten entsprechenden Lagenanteil ausmacht.
In gewissen Anwendungen ist es notwendig, über ein enges Lichtemissionsspektrum zu verfügen. Diese Voraussetzung kann mit einer oberen, d. h. auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite angeordneten Einschließungsschicht erfüllt werden, die eine Struktur aufweist, die ein Beugungsgitter bestimmt, deren Rastermaß einem Mehrfachen der Wellenlänge des gewünschten Emissionsspektrums im Monokristall entspricht. Die Erzielung eines solchen Gitters ist Gegenstand der unter der Nummer PCT/CH 00/0159 (Veröffentlichungsnummer WO 0059085) unter dem Titel "Laser semi-conducteur infrarouge" im Namen der Antragsstellerin eingereichten Patentanmeldung.
Der erfindungsgemäße Quantenkaskadenlaser kann Gegenstand zahlreicher Varianten sein, ohne deshalb den Rahmen der Erfindung zu sprengen. Die Sperren können aus anderen Materialien als AllnAs, beispielsweise aus InP oder AlGaAs sein. Auch die Anzahl Lagen und deren Dicke können beträchtlich variieren.

Claims

Quantenkaskadenlaser, der zwei Elektroden (10, 18) zum Anlegen eines elektrischen Steuerfeldes und einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten Wellenleiter umfasst, der seinerseits: • einen Verstärkungsbereich (14), der aus mehreren Schichten (20) gebildet wird, die jeweils abwechslungsweise Lagen (22) eines ersten, jeweils eine Quantensperre bestimmenden, bzw. Lagen (24) eines zweiten, jeweils einen Quantentopf bildenden Typs umfassen, wobei diese Lagen aus ersten und zweiten, die Sperren respektive Töpfe bildenden Materialien bestehen, und • zwei beidseitig des Verstärkungsbereichs (14) angeordnete optische Einschließungsschichten (12, 16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht (20) des Verstärkungsbereichs (14) eine Injektionssperre (26) und eine Aktivzone (28) umfasst, wobei letztere aus mindestens drei Lagenpaaren gebildet wird, die ihrerseits jeweils durch eine Lage eines ersten (22) und eines zweiten Typs (24) gebildet werden, und dass die Lagen der Aktivzone jeder der Schichten so beschaffen sind, dass jeder der Töpfe mindestens ein erstes oberes (F), ein zweites mittleres (G) sowie an unterster Stelle ein drittes (H) und ein viertes Unterband (J) aufweist, wobei einerseits zwischen dem zweiten und dritten und andererseits zwischen dem dritten und vierten Unterband eine solches Spannungsgefälle herrscht, dass der Übergang eines Elektrons vom zweiten zum dritten respektive vom dritten zum vierten Unterband eine Energie (E_GH, E_HJ,) freisetzt, die jener entspricht, die zur Emission eines optischen Phonons erforderlich ist.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Zone (28) mindestens vier Lagen des zweiten Typs umfasst.
Laser nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen des ersten (22) und des zweiten Typs (24) in ihrem mittleren Teil jeweils eine Konzentration von 100 Prozent des ersten bzw. des zweiten Materials aufweisen, während die Lagen zwischen zwei mittleren Teilen aus einer Legierung der beiden besagten Materialien gebildet werden, deren Konzentrationen auf kontinuierliche Weise variieren.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er im Weiteren ein Substrat (10) umfasst, auf welchem die besagten Schichten (20) angeordnet sind.
Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Substrat (10 ) aus Indiumphosphid InP besteht.
Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Material um InGaAs handelt und das erste unter AlGaAs, InP und AllnAs ausgewählt wird.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten ersten und zweiten Materialien so gewählt werden, dass das eine größere und das andere kleinere Maschen als die des Substrats aufweist.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem besagten Substrat (10) gegenüberliegende Einschließungsschicht (16) eine Struktur aufweist, die ein Beugungsgitter bestimmt, dessen Rastermaß dem Mehrfachen der Hälfte einer Wellenlänge im Kristall des gewünschten Emissionsspektrums entspricht.