减少半导体光学器件中的俄歇复合

1.本公开涉及减少半导体光学器件诸如量子阱激光器中的俄歇复合。


背景技术：

2.在许多应用中，半导体激光器的温度必须使用冷却装置仔细控制，以稳定输出功率。这种冷却装置可能会使用大量的电能，例如，显著超过激光器本身的电能。此外，诸如压电冷却器的冷却装置可能是随着时间而失效的半导体的第一个组件，这实际上限制了激光系统的寿命。
3.本技术人的美国专利(专利号：us 8,937,978 b2)描述了一种具有活跃层的半导体激光器，该活跃层包括第一和第二材料的交替层。n侧阻挡层和p侧阻挡层各自包括第一材料和第三材料的交替层。选择材料使得第二和第三材料层在第一材料的层之间形成量子阱。第二材料的带隙eg被布置成使得跨越带隙eg复合的电子和空穴复合以发射激光波长的光子的比例随着光腔的温度升高而减小。第三材料的带隙ec被布置成使得跨越第二材料的带隙eg复合的电子和空穴与跨越第三材料的带隙ec复合的电子和空穴的比率随着光腔的温度升高而增加。在半导体激光器预期工作的温度范围内，增加的比率补偿了减小的比例，用于减少当电子和空穴在跨越第二材料的带隙eg上复合以发射激光波长的光子时的比率随光腔温度的变化。
4.以这种方式，us 8,937,978中的激光器的输出功率与传统的半导体激光器相比对温度变化不太敏感，但这是以增加激光阈值为代价的。低阈值、对温度不敏感的半导体激光器的发展已经挑战了多年的研究和发展。


技术实现要素：

5.俄歇复合是一个基本的物理过程，它对半导体激光器和其它半导体光学器件的性能是有害的。更具体地说，俄歇复合是一种非辐射过程，它会降低半导体激光器的效率并增加其阈值电流。
6.本文描述的各种实施例减少了半导体光学器件中的俄歇复合。
7.在一个示例性实施方式中，半导体光学器件包括第一区域，所述第一区域包括活跃区域，所述活跃区域被配置为使得当电压施加到该器件时，电子和空穴在所述活跃区域中复合以产生光子。所述器件还包括至少一个第二区域，所述第二区域包括量子阱结构，其被配置为仅捕获电子、仅捕获空穴或捕获不同数量的电子和空穴。
8.因此，所述第二区域的量子阱结构可以被设计成捕获电子和/或空穴形式的电荷载流子，其中被量子阱结构捕获的超过50％的电荷载流子可以是相同类型的，即电子或空穴二者之一。或者，在各种实施例中，被量子阱结构捕获的超过55％、超过60％、超过70％、超过80％、超过90％、超过95％或超过99％的电荷载流子可以是相同类型的，即电子或空穴二者之一。
9.在一些示例中，第二区域中的量子阱结构包括为空穴而不是电子提供量子阱的ii
型量子阱结构。在其它示例中，第二区域中的量子阱结构包括为电子而不是空穴提供量子阱的ii型量子阱结构。
10.第二区域足够接近活跃区域，以改变活跃区域内的电荷平衡，但是足够远离活跃区域，以使其不与该电荷复合。
11.假设第二区域的位置足够靠近第一区域，当向器件施加电压时，在第一区域中会产生电荷不平衡。电荷不平衡减少了第一区域中的俄歇复合。
12.本领域的技术人员应当理解，所述器件的“活跃区域”是产生光子的区域。在第二区域，载流子被存储，但是不参与任何复合过程，因此在发射光子时不活跃。因此，所述第二区域或每个第二区域可以被称为不活跃区域。在一些实施例中，第一区域可以是器件的唯一活跃区域。
13.在各种实施例中，第二区域在拉伸应变下或在基本无应变的条件下生成。第一区域可以在压缩应变下生成。
14.在一些实施例中，可以提供两个或多个第二区域，例如在第一区域的相对侧。每个第二区域都可能导致在第一区域中产生的电荷不平衡。
15.所述器件可以包括半导体激光器或放大器。例如，所述器件可以包括量子阱激光器。
16.在术语“光学器件”中的术语“光学”不应该被理解为意味着所述器件必须产生电磁波谱中的可见光部分的光；本领域技术人员应当理解，本文所述的光学器件可以产生可见范围内或可见范围外的辐射，例如红外辐射，包括波长超过2μm的辐射，或者紫外辐射，或者电磁光谱内的其他波长的辐射。
附图说明
17.为了更充分地理解本公开，现在将参考附图描述其各种实施例，其中：
18.图1示出了第一俄歇复合过程(chcc过程)的能量-动量图；
19.图2示出了第二俄歇复合过程(chsh过程)的能量-动量图；
20.图3为已知量子阱激光器的一般示意图；
21.图3a示出了图3的量子阱激光器的导带和价带的带隙图；该图示出了导带中电子的最低允许能量和价带中空穴的最高允许能量，作为结构中位置的函数；
22.图4示意性地示出了依据第一实施例的量子阱激光器；
23.图4a示出了图4的量子阱激光器的导带和价带的带隙图；
24.图5示意性地示出了依据第二实施例的量子阱激光器；
25.图5a示出了图5的量子阱激光器的导带和价带的带隙图；
26.图6示意性地示出了依据第三实施例的量子阱激光器；
27.图7示出了被配置为在近红外波长运行的量子阱激光器的带隙图和合金结构，以及
28.图8示出了被配置为在中红外波长运行的量子阱激光器的带隙图和合金结构。
具体实施方式
29.图1示出了俄歇复合过程(chcc过程)，其中电子10和空穴12通过将它们的能量转
移给另一个电子14而非辐射地复合。由于涉及两个电子，该过程发生的概率与n2p成正比，其中，n为电子密度，p为空穴密度。
30.图2示出了另一种俄歇复合过程(chcc过程)，其中电子20和空穴22通过将它们的能量转移给另一个电子24而非辐射地复合。由于涉及两个电子，该过程发生的概率与p2n成正比，其中，p为空穴密度，n为电子密度。
31.chcc和chsh过程的概率都随着温度的升高而增加。然而，根据特定量子阱激光器设计的激光波长，激光器的材料特性可能使得这些过程中的一个比另一个更可能发生并且可能占主导地位。例如，对于短波长材料(即设计用于在更短波长发射激光的材料)，带隙可能大于自旋轨道分裂能量，因此，chsh过程占主导地位。然而，对于长波长材料(即设计用于发射更长波长的激光的材料)，带隙可能更小，因此，chsh工艺变得不太可能甚至不可能，在这种情况下，chcc过程可能占主导地位。
32.图3是具有量子阱结构32的已知量子阱激光器30的一般示意图，该量子阱结构32被配置成当电压被施加到激光器的电极(未示出)时，电子和空穴在量子阱结构中复合以产生光子。量子阱激光器被设计为在相对较短的波长(例如，近红外波长，如1.55μm或1.3μm)下运行，使得chsh过程相较chcc过程占主导地位。图3a示出了量子阱结构32的导带和价带的带隙图。电子的数量(因此密度)n等于空穴的数量(因此密度)p，使得量子阱结构32的电荷呈中性。
33.图4示意性地示出了依据第一实施例的量子阱激光器40。量子阱激光器40包括层结构41，所述层结构41包括第一量子阱结构42形式的活跃层，所述活跃层被配置成使得电子和空穴在量子阱结构42中复合以产生光子。量子阱结构42类似于量子阱结构32，因为它被设计为在相对短的波长(例如，近红外波长，如1.55μm或1.3μm)下运行，使得chsh过程相较chcc过程占主导地位。
34.量子阱结构42被配置为捕获电子和空穴。因此，电子能够与空穴复合并发射光子。因此，量子阱结构42是激光器40的活跃阱。
35.层结构41还包括第二量子阱结构43和第三量子阱结构44。第二和第三量子阱结构43、44位于第一量子阱结构42的相对侧。
36.第二和第三量子阱结构43、44被设计为容纳空穴而不是电子，即量子阱结构43、44充当空穴的“陷阱”而不是电子的“陷阱”。由于第二和第三区域捕获空穴而不捕获电子，存储在其中的载流子不经历任何复合，因此不发射光子，因此可以称为“不活跃的”。
37.图7示出了实现空穴辅助阱的一种可能的合金结构以及相应的计算带隙图。然而，应当理解，该示例并非意在限制，并且可以使用其他合金结构来实现用于空穴的合适的辅助阱。
38.返回图4，注意第二量子阱43和第三量子阱结构44足够接近第一量子阱结构42，以允许电荷载流子从第一量子阱结构42热分布到第二和第三量子阱结构43、44。出于说明的目的，图4a中示出了层结构41的带隙图的简图。如图所示，大量的空穴被捕获在第二和第三量子阱43、44中。
39.总体上，器件40电荷呈中性，使得第一量子阱结构42中的电子密度n等于第一量子阱结构42、第二量子阱结构43和第三量子阱结构44中分别的空穴密度p、p2和p3的总和。即n＝p p2 p3。由此可见，第一量子阱结构42中的空穴密度p小于第一量子阱结构42中的电子
密度n。也就是说，由于存在捕获空穴的第二和第三量子阱结构43、44，第一量子阱结构电荷不平衡(空穴比电子少)。由于chsh俄歇过程的速率与p2n成正比，因此，与图3所示的量子阱激光器30相比，量子阱激光器40中的chsh俄歇过程的速率已经降低。应当理解，由于空穴密度p降低，为了实现激光发射，电子密度n应该增加，使得乘积np保持大致相同。然而，由于p2n降低，chsh俄歇过程的速率降低。
40.chcc过程的速率与n2p成正比，因此会因电荷不平衡而增加(因为电子比空穴多)。然而，如上所述，在量子阱激光器40中，chsh过程较chcc过程占主导，从而减少了总的俄歇复合。
41.对于更长波长的激光器，chcc过程可能会较chsh过程占主导。在这种情况下，第二和第三量子阱结构可以被设计为电子而不是空穴的陷阱。
42.图5示意性地示出了根据第二实施例的较长波长的量子阱激光器50。量子阱激光器50包括层结构51，所述层结构51包括第一量子阱结构52形式的活跃层，所述活跃层被配置成使得电子和空穴在量子阱结构52中复合以产生光子。量子阱结构52被设计用于更长的波长(例如，中红外波长，例如高于2-3μm以上的中红外波长)，使得chcc过程较chsh过程占主导。
43.量子阱结构52被配置为捕获电子和空穴。因此，电子能够与空穴复合并发射光子。因此，量子阱结构52是激光器50的活跃阱。
44.层结构51还包括第二量子阱结构53和第三量子阱结构54，第二和第三量子阱结构53、54位于第一量子阱结构52的相对侧。
45.第二量子阱结构53和第三量子阱结构54被设计为容纳电子而不是空穴，即量子阱结构53、54充当电子的“陷阱”，而非空穴的“陷阱”。由于第二和第三区域捕获电子而不捕获空穴，存储在其中的载流子不经历任何复合，因此不发射光子，因此可以称为“不活跃的”。
46.图8示出了实现空穴辅助阱的一种可能的合金结构以及相应的计算带隙图。然而，应当理解，该示例并非意在限制，并且其他合金结构可以被用来实现用于电子的合适的辅助阱。
47.返回图5a，注意第二量子阱53和第三量子阱结构54足够接近第一量子阱结构52，以允许电荷载流子从第一量子阱结构52热分布到第二和第三量子阱结构53、54。出于说明的目的，图5a中示出了层结构51的带隙图的简图。如图所示，大量的空穴被捕获在第二和第三量子阱53、54中。
48.总体上，器件50电荷呈中性，使得第一、第二和第三量子阱结构52中的电子密度n、n2和n3之和等于第一量子阱结构52中的空穴密度p。即p＝n n2 n3。由此可见，第一量子阱结构52中的电子密度n小于第一量子阱结构52中的空穴密度p。也就是说，由于第二和第三量子阱结构53、54的存在，第一量子阱结构52电荷不平衡(电子比空穴少)。由于chcc俄歇过程的速率与n2p成正比，因此，与图3所示的量子阱激光器30相比，量子阱激光器40中的chcc俄歇过程的速率已经降低。chsh过程的速率与p2n成正比，因此会因电荷不平衡而增加。然而，如上所述，在量子阱激光器50中，chcc过程较chsh过程占主导，从而减少了总的俄歇复合。
49.如上所述，本公开的各种实施例提供了第二和第三量子阱结构，其位置足够接近第一量子阱结构，以允许电荷载流子在第一、第二和第三结构之间移动。然而，如果第二和第三量子阱结构太过接近第一量子阱结构，在不同量子阱结构之间可能发生俄歇复合，可
能降低效率。例如，在图4的情况下，第一量子阱结构42中的电子和第二或第三量子阱结构42、43中的相应空穴可能非辐射地复合。在图5的例子中，第一量子阱结构52中的空穴和第二或第三量子阱结构53、54中的相应电子可以非辐射地复合。
50.为了避免这种情况，第二量子阱结构和第三量子阱结构可以设置得足够接近第一量子阱结构，以允许电荷载流子在它们之间移动，但距离第一量子阱结构足够远，以防止或限制第一量子阱结构和第二或第三量子阱结构之间的俄歇复合。
51.在图4的示例中，第二和第三量子阱结构43、44被设计为容纳空穴而不是容纳电子，即第二和第三量子阱结构43、44充当空穴的“陷阱”而非电子的“陷阱”。然而，即使第二和第三量子阱结构43、44捕获一些电子，如果量子阱结构43、44捕获的空穴多于电子，仍然可以实现俄歇复合的减少。类似地，即使图5的量子阱结构53、54捕获一些空穴，如果量子阱结构53、54捕获的电子多于空穴，则在图5的示例中仍然可以实现俄歇复合的减少。
52.在制造中，包括量子阱结构的层可以在拉伸应变下或在无应变条件下生成，该量子阱结构被配置为仅捕获一种类型的电荷载流子(即电子或空穴)，或者捕获一种类型的电荷载流子多于另一种类型的电荷载流子。由于拉伸应变增加了状态密度，所以更多的一种类型的电荷载流子可以被捕获在拉伸应变层中。因此，第二和第三量子阱结构可以包括拉伸应变层。活跃层可以在压缩应变下生成，即第一量子阱结构可以包括压缩应变层。
53.尽管图4和图5分别示出了第二和第三量子阱结构，但是如果省略了第二或第三量子阱结构中的一个，俄歇复合仍可能减少。
54.图6示意性地示出了根据第三实施例的半导体光学器件60。该器件可以包括半导体激光器或放大器。所述器件包括第一区域62，所述第一区域62包括活跃区域，所述活跃区域被配置为使得当电压被施加到器件的电极(未示出)时，电子和空穴在活跃区域中重新组合以产生光子。该器件还包括至少一个第二区域，所述第二区域包括量子阱结构63，其被配置为优先捕获电子或空穴二者中的一个。例如，量子阱结构63可以被配置为仅捕获电子、仅捕获空穴或捕获不同数量的电子和空穴(即量子阱结构不捕获相同数量的电子或空穴)。所述量子阱结构63被布置在距离所述第一区域62足够近的距离处，使得当向器件60施加电压时，在第一区域62中产生电荷不平衡，从而减少第一区域中的俄歇复合。第二区域可以离第一区域足够远，以防止或限制第一区域62中的第一电荷载流子和第二区域63中的第二电荷载流子之间的俄歇复合。在一些实施例中，至少一个第二区域可以包括位于第一区域62的相对侧上的两个量子阱结构。
55.在一些实施例中，半导体光学器件60可以包括附加结构，例如美国专利(us 8,937,978)中描述的结构。第一区域62可以具有第一带隙，所述第一带隙被布置成使得跨越第一带隙复合以发射光子的电子和空穴的比例随着温度的升高而降低。所述附加结构包括一个或多个附加带隙，所述第一以及一个或多个附加带隙被布置成使得跨第一带隙复合的电子和空穴与跨一个或多个附加带隙复合的电子和空穴的比率随着温度升高而增加。在半导体光学器件预期运行的温度范围内，增加的比率补偿降低的比例，用于减小电子和空穴跨越第一带隙复合以发射光子时的速率随温度的变化。
56.以这种方式，可以提供低阈值半导体激光器，其输出功率对温度的敏感度降低。
57.对于本领域技术人员来说，许多修改和变体都是显而易见的，这些修改和变体均落入以下权利要求的范围内。