專利名稱：基于硅和氟化鈣的結(jié)合的半導(dǎo)體光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光源，并且具體地涉及半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
普通的半導(dǎo)體光源和半導(dǎo)體激光器利用諸如砷化鎵(GaAs)的直 接帶隙化合物半導(dǎo)體。通常，它們根據(jù)帶間電子躍遷的原理來工作， 其中，當(dāng)半導(dǎo)體材料中的激發(fā)電子從導(dǎo)帶邊緣躍遷到價帶邊緣時發(fā) 光。
相比較，諸如硅(Si)的間接帶隙半導(dǎo)體需要發(fā)射或吸收聲子，以 使得電子從導(dǎo)帶邊緣躍遷到價帶邊緣。在其它條件都相同的情況下， 這種需要使得這樣躍遷的概率比不需要聲子時的概率小。結(jié)果，光的 發(fā)射也可能較弱，因此，盡管Si是最廣泛使用的半導(dǎo)體，但并不認為 Si是制造半導(dǎo)體光源的合適材料。
另一種類型的半導(dǎo)體光源是半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器，其利用也被 稱作子帶間躍遷的帶內(nèi)躍遷，其中，被激發(fā)到導(dǎo)帶或價帶中的較高能 級能帶(即，較高子能帶)的電子下降到同一帶中的較低能級能帶(即， 較低子能帶)。量子級聯(lián)激光器傳統(tǒng)上基于諸如砷化鎵銦和砷化鋁銦 (Gain As/Alln As)的化合物半導(dǎo)體。Gain As/Alln As量子級聯(lián)激光器通 常產(chǎn)生中紅外線(IR)光諍范圍(例如，在4和13nm之間)內(nèi)的光。
也研究了使用硅和鍺的結(jié)合的量子級聯(lián)激光器。遺憾的是，實現(xiàn) 基于Si/Ge的激光器是相當(dāng)困難的。這是因為a) Si和Ge之間大的晶 格失配，例如，4%; b)必須使用價帶的事實，由于與使用導(dǎo)帶相比 其具有額外的復(fù)雜度，從而使用價帶不夠理想；以及c)Si和Ge的導(dǎo)帶 和價帶之間小的帶偏移。盡管已經(jīng)觀察到一定的場致發(fā)光，但并不認 為已利用Si和Ge實現(xiàn)了激光發(fā)射。此外，可預(yù)料到，即使利用Si和Ge實現(xiàn)激光發(fā)射，工作波長也將大于18jun，但這對于當(dāng)前的電信應(yīng)用也 是不適用的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的原理，利用基于硅和氟化鉀(CaF2)的結(jié)合的光源克 服了開發(fā)可以在基于硅的襯底上構(gòu)建的半導(dǎo)體光源的問題。硅和氟化 鈣不需要是純的，而是可以對其進行摻雜，或者甚至可使其形成合金， 從而控制它們的電學(xué)和/或物理特性。
優(yōu)選地，該光源利用硅和氟化鉤的例如被布置為多層結(jié)構(gòu)的交織 部分，并且該光源利用導(dǎo)帶中的子帶間躍遷來工作。更具體地，具有 比CaF2的帶隙小的帶隙的Si提供量子阱，而具有比Si的帶隙大的帶隙 的CaF2提供勢壘。有益地，這樣的光源具有低的晶格失配，例如，小 到0.55%，并且具有大的導(dǎo)帶偏移，例如，大約2.2電子伏特?？烧{(diào)節(jié) Si和CaF2光源以發(fā)射近紅外光譜范圍內(nèi)的光，例如，在l^im和4nm之 間，更特別地，在1.5nm和1.3pm之間，其中每一個都適于現(xiàn)代電信應(yīng) 用。更有益地，主要基于硅的光源比基于GaAs的光源的制造成本更低， 并且更易于將這種光源與基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)電子器件集成。
將Si和CaF2與諸如鍺和氟化鎘(CdF2)的其它材料結(jié)合，例如，對 其摻雜該其它材料和/或使其與該其它材料形成合金，提供了進一步定
制光源特性的可能性。例如，通過使少量的Ge與硅形成合金，可實現(xiàn) 理想的晶格匹配。通過使氟化鎘(CdF2)與CaF2形成合金以及利用諸如 鎵(Ga)的三價金屬離子對其進行摻雜，可使所得到的結(jié)合導(dǎo)電。
可將光源布置為形成量子級聯(lián)激光器、環(huán)形諧振腔激光器和波導(dǎo) 光放大器。


在附圖中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明原理的基于硅(Si)和氟化鈣(CaF2)的結(jié)合 構(gòu)建的示例性半導(dǎo)體光源；圖2示意性地示出了不施加電壓時圖l示出的示例性半導(dǎo)體光源
的導(dǎo)帶圖的基本部分；
圖3示意性地示出了施加電位差時圖l示出的示例性半導(dǎo)體光源 的導(dǎo)帶圖的擴展部分；
圖4示出了顯示以埃為單位的量子阱寬度和所導(dǎo)致的相應(yīng)子帶能 量之間的一般關(guān)系的近似的曲線圖5示出了適用于各種激光器配置的另一示例性半導(dǎo)體光源的活 性(active)區(qū)；
圖6示意性地示出了在圖5所示的示例性半導(dǎo)體光源活性區(qū)兩端 施加電壓時該示例性半導(dǎo)體光源活性區(qū)的導(dǎo)帶圖7示出了用來起到能量弛豫區(qū)的作用和注入?yún)^(qū)的作用的"超晶 格"區(qū)；
圖8示意性地示出了在圖7的示例性超晶格兩端不施加電壓時該 示例性超晶格的導(dǎo)帶圖9示意性地示出了在圖7的示例性超晶格區(qū)兩端施加電壓時該 示例性超晶格的導(dǎo)帶圖10示出了利用形成圖5的活性區(qū)的層和形成圖7的超晶格區(qū)的
層的多重重復(fù)的示例性量子級聯(lián)激光器的部分截面結(jié)構(gòu)；以及
圖ll示出了圖IO所示的示例性量子級聯(lián)激光器的部分三維視圖。
具體實施例方式
以下只圖解說明了本發(fā)明的原理。因此，將理解，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員可設(shè)計體現(xiàn)本發(fā)明原理的各種結(jié)構(gòu)，盡管在此沒有明確地描迷或 示出，并且這些各種結(jié)構(gòu)被包括在其精神和范圍之內(nèi)。此外，只為了 示教來幫助讀者理解促進該技術(shù)的本發(fā)明的原理和發(fā)明者所貢獻的 概念，使所有示例和在此陳述的條件語言原理性地且清楚地得到設(shè) 計，并且不限于這種特定敘述的示例和條件來進行構(gòu)建。然而，所有 在此敘述本發(fā)明的原理、各方面和實施例以及其特定示例的陳述旨在 包括其結(jié)構(gòu)和功能的等價物兩者。此外，其旨在這種等價物包括當(dāng)前已知的等價物以及將開發(fā)的等價物，即，包括不管結(jié)構(gòu)如何的、執(zhí)行 相同功能的任何開發(fā)元素。
在權(quán)利要求中，表達為執(zhí)行特定功能的任何元素旨在包括執(zhí)行該
功能的任何方式。這可包括例如a)執(zhí)行該功能的電子或機械元素的 結(jié)合或者b)任何方式的軟件，由此包括固件或微碼等，其與執(zhí)行該軟 件的合適的電路結(jié)合以實現(xiàn)該功能，以及有必要的話，機械元素與軟 件控制的電路耦接。如由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明具有以權(quán)利要求所 要求的方式進行結(jié)合和集合由各種所述單元提供的功能的事實。因 此，申請人認為可提供那些功能的任何單元與在此所示的那些等價。
軟件模塊或被意味是軟件的實際模塊在此可表示為顯示處理步 驟的性能和/或文本表述的流程圖單元或其它單元的任何結(jié)合。通過明 確或暗示地示出的硬件可執(zhí)行這些模塊。
除非在此明確地指定，附圖沒按比例畫出。
此外，除非在此明確地指定，任何在此所示和/或所述的透鏡實 際上是具有該透鏡的特定指明特性的光學(xué)系統(tǒng)。可通過單透鏡單元來 實現(xiàn)這樣的光學(xué)系統(tǒng)，但不必限于此。類似地，實際示出和/或描述的 反射鏡是具有這種反射鏡的特定特性的光學(xué)系統(tǒng)，其可通過單反射鏡 單元來實現(xiàn)，但不必限于單反射鏡單元。這是因為如本領(lǐng)域中眾所周 知的各種光學(xué)系統(tǒng)僅以具有例如較少變形的超級方式可提供單透鏡 單元或反射鏡的相同功能。此外，如本領(lǐng)域中眾所周知的，曲面鏡的 功能可通過結(jié)合透鏡和反射鏡來實現(xiàn)，并且反之亦然。此外，執(zhí)行特 定功能的光學(xué)組件的任何布置，例如，成像系統(tǒng)、光柵、涂層單元和 棱鏡，可由執(zhí)行相同特定功能的光學(xué)組件的任何其它布置代替。因此， 除非在此明確地指定，為了本公開，在此公開的全部實施例中的可提 供特定功能的所有光學(xué)單元或系統(tǒng)是彼此等價的。
在說明書中，在不同附圖中的相同附圖標(biāo)記的組件意味著相同的組件。
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建在基于硅的襯底上的示例性半導(dǎo) 體光源100。更具體地，光源100基于硅(Si)和氟化鈣(CaF2)的結(jié)合。可對硅和氟化鈣進行摻雜或者使其形成合金以控制它們的電學(xué)和/或物 理特性。
半導(dǎo)體光源100作為基本發(fā)光單元來工作。從原理上講，半導(dǎo)體 光源100是單量子阱結(jié)構(gòu)，并且具體地，其是具有CaF2勢壘的單硅量 子阱。更具體地，由于與CaF2相比，Si具有較小的帶隙，所以Si提供 量子阱，而具有比Si的帶隙大的帶隙的CaF2提供勢壘。在量子阱結(jié)構(gòu) 一側(cè)上的電極提供電子，該電子隧道貫穿勢壘并且可由在量子阱結(jié)構(gòu) 另一側(cè)上的電極獲得。優(yōu)選地，半導(dǎo)體光源100利用導(dǎo)帶中的子帶間 躍遷來工作。有益地，這樣的光源具有低的晶格失配，例如，小到 0.55%,并且其具有大的導(dǎo)帶偏移，例如，大約2.2電子伏特。
物理上，光源100包括a)硅(Si)襯底101; b) 二氧化珪層SiOz 102; c)Si層103; d)導(dǎo)電Si (n+Si)層105; e) CaFz層107; f) Si層109; g)CaF2層lll; h)導(dǎo)電CaFz層113; i)金屬層115和117;以及j)導(dǎo)體 125和127。
村底101可以是諸如商業(yè)上可獲得那些傳統(tǒng)的硅晶片。二氧化硅 層102是傳統(tǒng)的SiO2層，通常被稱作埋置氧化物(BOX)層。與Si相比，
SiO2層102具有較低的折射率。因此，該層起到提供對以上在具有較 高折射率的區(qū)域中產(chǎn)生的光的約束的作用，從而避免從該區(qū)域泄漏出
去。換句話講，SiO2層102提供使所產(chǎn)生的光免于泄漏進入襯底101的
光隔離。Si層103是Si的單晶層，其提供其上生長出構(gòu)成光源100的活
性層的附加單晶層的基底(base)。由Si村底lOl、 二氧化硅層102和Si
層103構(gòu)成的晶片可商業(yè)性獲得，并且被稱為絕緣體上硅(SOI)晶片。
可將導(dǎo)電硅層105摻雜成n型，使得其合適地導(dǎo)電并且可有效地起 到量子阱結(jié)構(gòu)的一個電極的作用。換句話講，導(dǎo)電硅層105被布置為 起到板電極的作用。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地對導(dǎo)電硅層105適當(dāng) 地摻雜以實現(xiàn)期望的導(dǎo)電程度。通常，導(dǎo)電硅層105越多，將產(chǎn)生越 多的光。將導(dǎo)電硅層105電連接到金屬電極層117，其進而又耦接到導(dǎo) 體127，使得電流通過導(dǎo)體127和電極層117而傳導(dǎo)到硅層105。
CaF2層107是CaF2的例如5至50埃的薄層，不需對其進行摻雜。Si層109是Si的例如5至100埃的薄層，不需對其進行摻雜。CaFz層lll 是CaF2的例如通常為5至50埃的薄層，不需對其進行摻雜。
導(dǎo)電CaF2層113是與至少一種其它材料結(jié)合的CaF2層。通常，與 較薄的CaF2層107和lll相比，導(dǎo)電CaF2層113比較厚。導(dǎo)電CaFz層113 與至少一種其它材料結(jié)合，例如用該其它材料對其進行摻雜或使其與 該其它材料形成合金，使得所形成的結(jié)合有效地導(dǎo)電，例如，n型導(dǎo) 電。 一種實現(xiàn)n型導(dǎo)電的方式是使CdF2與層113的CaF2形成合金，并且 然后利用例如鎵(Ga)的三價金屬離子對該合金整體進行摻雜。應(yīng)該注 意，使用"合金，，所表示是CdF2的濃度比僅被視為摻雜劑的濃度高。 例如，利用硅中濃度為0.005。/o的銻可執(zhí)行對導(dǎo)電Si層105的摻雜，而 CaF2與CdF2的合金可以在CaFz中包括l%的CdF2。
與導(dǎo)電硅層105類似，導(dǎo)電CaF2層113起到電極的作用。將導(dǎo)電 CaF2層113電連接到金屬電極層115,其進而又被耦接到導(dǎo)體125，使 得通過導(dǎo)體125和電極層115將電流傳到導(dǎo)電CaF2層113。
可調(diào)節(jié)諸如圖1的示例性半導(dǎo)體光源100的Si和CaF2光源以發(fā)射 近紅外光鐠范圍內(nèi)的光，例如，在ljim和4jtm之間，并且更特別地， 在1.3nm或1.5fim之間，其中的每一個適于現(xiàn)代電信應(yīng)用。更有益地， 主要基于硅的光源比基于其它化合物的半導(dǎo)體的光源制造成本低。也 易于將基于硅的光源與基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)電子器件和光子器件集成。
應(yīng)該注意，盡管已經(jīng)示出了n型Si和CaF2，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人 員將意識到可類似地利用p型Si和CaF2。
圖2示意性地示出了不在導(dǎo)體125和127之間施加電壓時諸如示例 性半導(dǎo)體光源100(圖1)的示例性半導(dǎo)體光源的導(dǎo)帶圖的基本部分。區(qū) 域209(圖2)示出了Si量子阱，其由CaF2區(qū)207和211形成。應(yīng)該注意， 區(qū)域209對應(yīng)于Si層109(圖1)，而CaF2區(qū)207和211(圖2)分別對應(yīng)于 CaF2層107和lll(圖l)。還應(yīng)該注意，限定區(qū)域207、 209和211的線段 247、 249和251表示用于其相關(guān)層的材料的導(dǎo)帶底部。作為區(qū)域207或 區(qū)域211中導(dǎo)帶的底部與區(qū)域209中導(dǎo)帶的底部之間的勢差的導(dǎo)帶偏 移(對應(yīng)于量子阱的高度)大約是2.2電子伏特。在圖2中也示出能帶221和223，其具有能量E1和E2，其中E2大約 El。盡管電子處于區(qū)域209中，但是電子只能存在于能帶221和223中 的一個上。E2和E1之間的能量差取決于所使用的特定材料和其各自層 的厚度。優(yōu)選地，E2和E1之間的能量差可以為大約0.8電子伏特，這 對應(yīng)于約1.5nm的光波長?；蛘?，E2和E1之間的能量差可以為約 0.95eV，這對應(yīng)于約1.3nm的光波長。
將Si和CaF2與諸如鍺和氟化鎘(CdF2)的其它材料結(jié)合，例如用該 其它材料對Si和CaF2進行摻雜和/或使Si和CaF2與該其它材料該形成 合金，從而提供進一步定制根據(jù)本發(fā)明原理布置的半導(dǎo)體光源的特性 的可能性。例如，在示例性半導(dǎo)體光源100(圖1)中，可通過使少量的 Ge與硅層109的硅形成合金來實現(xiàn)理想的晶格匹配。通過使氟化鎘 (CdF2)與CaF2層107或lll中的一個或兩個的CaF2形成合金，可使所形 成的結(jié)合導(dǎo)電。添加這種材料改變了對其進行了添加的材料的帶隙， 并且改變了其帶對準。結(jié)果，當(dāng)結(jié)合使用這種材料來形成示例性光結(jié) 構(gòu)100時，與沒有添加材料時相比，在所形成的子帶之間的間隙發(fā)生 了變化。因此，可控制子帶中的間隙，并且從而控制所產(chǎn)生的光的波 長。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于理解的，用于本發(fā)明這種實施例的實際 導(dǎo)帶圖類似于圖2的導(dǎo)帶圖，但不必精確地相同。
類似于圖2，圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明原理布置的諸如示例 性半導(dǎo)體光源100(圖1)的示例性半導(dǎo)體光源的導(dǎo)帶圖的擴展部分。然 而，與圖2不同，在圖3中，導(dǎo)帶圖是針對導(dǎo)體125和導(dǎo)體127之間存在 電位差時的，因為這是在通常的工作條件下。區(qū)域309(圖3)示出了Si 量子阱，其由CaFz區(qū)307和311形成。應(yīng)該注意，區(qū)域309對應(yīng)于Si層 109(圖1)，而CaF2區(qū)域307和311(圖3)分別對應(yīng)于CaFz層107(圖l)和 111。應(yīng)該注意，與對應(yīng)區(qū)域209的底部249(圖2)相比，區(qū)域309(圖3) 的底部349(圖3)是傾斜的。這是由于施加了電壓。類似地，與各自對 應(yīng)的線段247(圖2)和251相比，分別對應(yīng)于導(dǎo)帶底部的區(qū)域307和311 的頂部線段347和351是傾斜的。然而，作為區(qū)域307中導(dǎo)帶的底部或 區(qū)域311中導(dǎo)帶的底部和與其最鄰近的區(qū)域309中導(dǎo)帶的底部之間的勢差的導(dǎo)帶偏移與不施加電壓時(如圖2所示)相同，并且因此，該導(dǎo)帶 偏移仍然大約是2.2電子伏特。
圖3中還示出能帶321和323，其具有能量E1和E2，其中E2大于 El。盡管電子處于區(qū)域309中，但是該電子只能存在于能帶321和323 中的一個上。E2和E1之間的能量差取決于所使用的特定材料和其各自 層的厚度。優(yōu)選地，E2和E1之間的能量差可以為約0,8電子伏特，這 對應(yīng)于約1.5nm的光波長?；蛘?，E2和E1之間的能量差可以為約 0,95eV，這對應(yīng)于約1.3pm的光波長。
例如，圖4示出了顯示以埃為單位的量子阱寬度和所導(dǎo)致的以電 子伏特(eV)表示的相應(yīng)子帶能量之間的 一般關(guān)系的近似的曲線圖。量 子阱寬度對應(yīng)于Si層109的厚度。應(yīng)該注意，期望在量子阱中具有至少 兩個子帶，并且希望那兩個子帶之間的能量對應(yīng)于期望的光波長。例 如，利用由間隔開大約0.8eV的兩個子帶，所產(chǎn)生的光大約是1.5nm， 而利用由間隔開大約0.95eV的兩個子帶，所產(chǎn)生的光大約是1.3jun。 如上所解釋的，可通過將材料添加到基本層材料來改變子帶之間的間 隙，并因此改變所產(chǎn)生的光的波長。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易選擇適
當(dāng)?shù)膶挾群吞砑拥牟牧蟻懋a(chǎn)生期望的光波長。
回到圖3，應(yīng)該注意，分別對應(yīng)于金屬層115(圖1)和導(dǎo)電硅層105 的導(dǎo)帶的導(dǎo)電區(qū)域315和305充滿電子。此外，區(qū)域313的導(dǎo)帶的底部 充滿電子。應(yīng)該注意，由導(dǎo)電區(qū)域315提供的電子穿過導(dǎo)電CaF2區(qū)313, 導(dǎo)電CaF2區(qū)313對應(yīng)于導(dǎo)電CaF2層113(圖l)。這些電子然后以量子力 學(xué)方式隧道貫穿CaF2區(qū)307到達對應(yīng)于區(qū)域309的量子阱中的能級 323。當(dāng)電子從能級323自發(fā)躍遷到能級321時，其發(fā)射光子，如由量 子躍遷325示意性表示的。減少了能量的電子然后隧道貫穿CaF2區(qū)311 到達導(dǎo)電硅區(qū)305。從那兒，電子可離開所述結(jié)構(gòu)。
圖5示出了另一示例性半導(dǎo)體光源的活性區(qū)500?；钚詤^(qū)500適用 于各種激光器配置?；钚詤^(qū)500包括CaF2層507、 511、 541和561以及 Si層509、 539和561。應(yīng)該注意，層的相對厚度沒按比例，而是為了示 教的目的來表示。應(yīng)該注意，如上面針對Si和CaF2的層所述，每一層的基本材料可與其它材料結(jié)合，從而控制所形成的帶隙。還應(yīng)該注意， 在任何被摻雜或被形成合金的層中的任何摻雜劑或形成合金的材料 的濃度可分別與任何其它層中的摻雜劑或形成合金的材料的濃度不 相關(guān)。
圖6示意性地示出了在示例性半導(dǎo)體光源活性區(qū)500(圖5)兩端施 加電壓時示例性半導(dǎo)體光源活性區(qū)500的導(dǎo)帶圖。在量子阱內(nèi)的任何 可用子帶中發(fā)現(xiàn)電子的概率密度被疊加在圖6的導(dǎo)帶圖上。應(yīng)該注意， 針對與能態(tài)相關(guān)聯(lián)的波函數(shù)的模平方來計算這種概率密度。
更具體地，區(qū)域609表示了在CaF2區(qū)607和611之間的Si量子阱， CaF2區(qū)607和611中的每一個起到勢壘的作用。量子阱由位于CaF2層 507和511之間的Si層509(圖5)形成，其中區(qū)域609(圖6)對應(yīng)于Si層 509(圖5)，而區(qū)域607(圖6)和611分別對應(yīng)于CaF2層507(圖5)和511。類 似地，區(qū)域639(圖6)表示了由起勢壘作用的CaF2層611和641形成的Si 量子阱。應(yīng)該注意，區(qū)域639對應(yīng)于Si層539(圖5),而CaF2區(qū)611(圖6) 和641分別對應(yīng)于CaF2層511(圖5)和541。同樣，區(qū)域659(圖6)表示了 由Si層559(圖5)與CaF2區(qū)647(圖6)和661形成的Si量子阱，其中CaFz區(qū) 647(圖6)和611對應(yīng)于起到勢壘作用的層557(圖5)和561 。當(dāng)沒摻雜時， 作為在CaF2區(qū)607(圖6)、 611、 641和661中的一個中的導(dǎo)帶的底部與其 相鄰的Si區(qū)609、639或659中與其相鄰的一個的導(dǎo)帶的底部之間的勢差
的導(dǎo)帶偏移是相同的。
由于示例性半導(dǎo)體光源活性區(qū)500(圖5)的多層結(jié)構(gòu)和各層的寬 度，4吏得由此形成的量子阱609(圖6)、 639和659相互作用，從而形成 量子阱系統(tǒng)。在量子阱系統(tǒng)中，存在具有能量E1、 E2和E3的能帶619、 621和623，其中E3大于E2，而E2大于E1。在示例性半導(dǎo)體光源活性 區(qū)500(圖5)中的電子可以只存在于能帶621(圖6)、 623和619中的一個 上。盡管將這些能級中的每一個都被示出為存在于量子阱中的僅一個 中，但是存在由概率密度表示的、發(fā)現(xiàn)電子在不同量子阱中處于那一 能級上的概率。然而，為了清楚起見，在相應(yīng)的量子阱中示出了每個 能級，該相應(yīng)量子阱具有發(fā)現(xiàn)電子在那一量子阱中處于那一能級的最大概率。
能級之間的能量差取決于所使用的特定材料和所使用材料的層
的厚度。優(yōu)選地，E2和El之間的能量差是約0.8eV，這對應(yīng)于約1.5nm 的光波長?；蛘?，E2和El之間的能量差是約0.95eV，這對應(yīng)于約1.3nm 的光波長。此夕卜，優(yōu)選地，E2和E3之間的能量差是相當(dāng)于聲子的能量。 對于電子來講，主要操作是隧道貫穿CaF2區(qū)607到達量子阱609 中的能級E1。當(dāng)電子隧道貫穿CaF2區(qū)611到達量子阱639同時下降到其 中的能級E2時，發(fā)射光子。其后，當(dāng)電子隧道貫穿CaF2區(qū)641同時下 降到量子阱659中的能級E3時，發(fā)射聲子。將該聲子的發(fā)射和從E2下 降到E3傳統(tǒng)上稱作弛豫。然后，電子通過隧道貫穿CaF2區(qū)661而離開 活性區(qū)500。
圖7示出了用來起到能量弛豫區(qū)的作用和注入?yún)^(qū)的作用的所謂的 "超晶格，，區(qū)700。就其功能而言，超晶格區(qū)700將電子從一個活性區(qū)有 效地傳輸?shù)搅硪粋€活性區(qū)。更具體地，超晶格區(qū)700需要具有足夠的 長度，以便在其和其所連接的兩個活性區(qū)兩端的偏壓使得兩個活性區(qū) 中具有較高勢能級的活性區(qū)的最低能級(例如弛豫能級)與由超晶格區(qū) 700耦接的兩個活性區(qū)中具有較低勢能級的活性區(qū)的最高能級匹配。
超晶格區(qū)700由Si(例如Si層709、 713、 717、 721、 725、 729和733) 和CaF2(例如CaF2層707、 711、 715、 719、 723、 727、 731和735)的交 替層制成。通常，超晶格區(qū)700的Si層被輕度摻雜以提高導(dǎo)電性并使電 子便于傳輸通過超晶格區(qū)700。可對超晶格區(qū)700的CaF2層進行摻雜。 通常CaF2層的寬度可保持不變，而使Si層的寬度改變。所用的層數(shù)以 及對于每一層所要求的摻雜(如果有的話)需要使得在施加電位電壓時 超晶格的作為結(jié)果的能級重疊，從而a)形成所謂的"微，，帶；以及b) 提供足夠的空間間隔，以使得所施加的電位差可將從超晶格區(qū)700向 其提供電子的活性區(qū)最高能帶變換到與超晶格區(qū)700從其中接收電子 的弛豫能級相同的能級。因此，就層數(shù)及其寬度的特定設(shè)計取決于當(dāng) 工作時活性區(qū)的能級和所期望的特定工作電位差，并且該設(shè)計應(yīng)該使 得在通常的工作條件下形成微帶。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可易于能夠設(shè)計用于各種應(yīng)用的超晶格區(qū)。
圖8示意性地示出了不在示例性超晶格700(圖7)兩端施加電壓時 示例性超晶格700的導(dǎo)帶圖。如圖所示，由夾在對應(yīng)于超晶格區(qū)700(圖
7) 的CaF2層的CaF2勢壘807(圖8)、 811、 815、 819、 823、 827、 831和 835中的兩個之間的超晶格區(qū)700(圖7)的Si層形成的每個量子阱809(圖
8) 、 813、 817、 821、 825、 829和833具有能態(tài)861、 863、 865、 867、 869、 871和873中的優(yōu)選的相應(yīng)能態(tài)。
圖9示意性地示出了在示例性超晶格700(圖7)兩端施加電壓(例如 在通常的工作條件下)時示例性超晶格700的導(dǎo)帶圖。如圖9所示，形成 微帶999，電子可容易地通過該微帶999。此外，對于每個連續(xù)層，導(dǎo) 帶的底部從如圖8所示不施加電位差時的值移動。
圖IO示出了使用形成活性區(qū)500(圖5)的層和形成超晶格區(qū)700(圖 7)的層的多重重復(fù)的示例性量子級聯(lián)激光器1000的部分截面結(jié)構(gòu)。更 具體地，在圖10中示出了統(tǒng)稱為超晶格區(qū)1031的超晶格區(qū)1031-1和 1031-2以及統(tǒng)稱為活性區(qū)1035的活性區(qū)1035-1和1035-2 。超晶格區(qū) 1031用作注入?yún)^(qū)，其將電子提供到活性區(qū)1035中形成的多量子阱?；?性區(qū)1035工作以發(fā)光。所使用的交替的活性區(qū)和超晶格區(qū)的數(shù)量是任 憑實現(xiàn)者來確定的。此外，根據(jù)應(yīng)用，不需要使用超晶格區(qū)1031-1。 超晶格區(qū)1031-1用來為電子提供從電極1017到活性區(qū)域1035-1的有效 通道。
優(yōu)選地，在示例性量子級聯(lián)激光器1000的交替的活性區(qū)和超晶格 區(qū)的、與襯底1001相對的端部，使超晶格區(qū)1035形成合金。CaF2/CdF2 超晶格區(qū)1035具有類似于超晶格區(qū)700(圖7)的結(jié)構(gòu)但其中硅層由CdF2 代替的結(jié)構(gòu)。CaF2/CdF2超晶格區(qū)1035(圖10)的各個層的厚度由施加工 作電壓時形成微帶所需要的能級確定，如以上針對超晶格區(qū)700(圖7) 所述。CaF2/CdF2超晶格區(qū)1035(圖10)用作導(dǎo)體，然而由于與由活性區(qū) 1035中與CaF2/CdF2超晶格區(qū)相鄰的 一個表現(xiàn)的有效折射率相比， CaF2/CdF2超晶格區(qū)具有較低的有效折射率，所以其約束了量子級聯(lián) 激光器1000中的光。該約束與由上述的SK)2層102執(zhí)行的功能相同。示例性量子級聯(lián)激光器1000還包括a)硅(Si)襯底101; b) 二氧 化硅層Si02 102; c) Si層103; d)導(dǎo)電81(11+ Si)層105; e)金屬層115 和117;以及j)導(dǎo)體125和127。
可利用分子束外延來沉積Si和CaF2以及CdF2的各個層。為了沉 積硅，可利用例如電子束蒸發(fā)器的電子束源作為Si原子的源。對于 CaF2、 CdF2和摻雜劑，可利用例如蒸鍍源(effusioncell)的熱蒸發(fā)器作 為分子源。
圖ll示出了示例性量子級聯(lián)激光器1000的三維視圖的一部分。示 出了金屬層115和117、導(dǎo)體125和127以及面1055和1071。面1055是部 分反射的以在它們之間形成其中產(chǎn)生激光的光學(xué)腔。通過切開面 1055、或用反射性物質(zhì)涂敷面1055、或兩者的結(jié)合，可使該面1055具 有反射性。可以通過一種方式使面1055中的每一個面具有反射性，并 且達到一定程度，該程度與面1055中的另一個面不相關(guān)。面1071是示 例性量子級聯(lián)激光器1000的下層，例如硅(Si)襯底lOl、 二氧化硅層 Si02、 Si層103和導(dǎo)電Si(n+Si)層。示出了從面1055之一發(fā)射激光1075。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于理解，根據(jù)本發(fā)明原理布置的半導(dǎo)體光源 不必簡單地是平直型的，而可使其成為形成例如環(huán)形諧振腔激光器或 波導(dǎo)光放大器的各種形狀。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括硅(Si)和氟化鈣(CaF2)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可作為光源來工作。
2. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)明，其中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括至少 兩個電極。
3. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)明，其中，所述硅和所述氟化鈣中的至 少一個被摻雜。
4. 如權(quán)利要求3所述的發(fā)明，其中，所述硅中的至少一些被摻雜 有摻雜劑而成為n型硅。
5. 如權(quán)利要求3所述的發(fā)明，其中，所述氟化鈣被摻雜有摻雜劑 而成為n型氟化鈣。
6. 如權(quán)利要求5所述的發(fā)明，其中，氟化鈣與氟化鎘形成合金。
7. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)明，其中，布置所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以具有 非平直的形狀。
8. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)明，其中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)適應(yīng)于被電泵浦。
9，如權(quán)利要求l所述的發(fā)明，其中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)利用子帶間 躍遷來工作。
10. 如權(quán)利要求9所迷的發(fā)明，其中，所述子帶間躍遷發(fā)生在導(dǎo)帶中。
11. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)明，其中，使所述Si形成為至少一層， 其具有范圍從5埃至100埃的厚度。
12. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)明，其中，使所述CaF2形成為至少一 層，其具有范圍從5埃至50埃的厚度。
13. 如權(quán)利要求12所述的發(fā)明，還包括不與氟化鎘形成合金的所 述CaF2的至少一層，并且其中，與不與氟化鎘形成合金的所述CaF2 層相比，CaF2和氟化鎘的所述合金的所述層更易被摻雜而具有導(dǎo)電 性。
14. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)明，其中，所述硅與鍺形成合金。
15. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)明，其中，硅和鍺的所述合金實現(xiàn)了 與所述CaF2接近理想的晶格匹配。
16. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)明，其中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的至少一 個表面可至少部分地反射所述光。
17. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)明，其中，將所述硅和所述氟化鉀布 置成交替層。
18. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)明，其中，所述硅和所述氟化鉀的所 述交替層形成至少一個活性區(qū)。
19. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)明，其中，所述硅和所述氟化鉀的所 述交替層形成至少一個超晶格區(qū)。
20. 如權(quán)利要求17所述的發(fā)明，還包括在其上形成所述硅和所述 氟化鉤的所述交替層的基底。
21. 如權(quán)利要求20所述的發(fā)明，其中，所述基底還包括硅的村底、 在所述硅的襯底上的二氧化硅層、在所述二氧化硅層上的硅層以及在 所述硅層上且被摻雜而導(dǎo)電的硅層。
22. 如權(quán)利要求21所述的發(fā)明，還包括在所述導(dǎo)電的硅層的至少 一部分上的金屬層。
23. —種產(chǎn)生光的方法，包括將一個或多個電子注入到具有量子 阱和勢壘的量子阱結(jié)構(gòu)中，其中基本上包括硅的層形成所述量子阱， 而主要包括氟化鉀的層提供所述勢壘。
全文摘要
一種光源基于硅和氟化鈣(CaF₂)的結(jié)合。硅和氟化鈣不需要是純的，而是可以對其進行摻雜，或者甚至可使其形成合金，從而控制它們的電學(xué)和/或物理特性。優(yōu)選地，該光源利用硅和氟化鈣的例如被布置為多層結(jié)構(gòu)的交織部分，并且該光源利用導(dǎo)帶中的子帶間躍遷來工作，從而發(fā)射近紅外光譜范圍內(nèi)的光。該光源可被布置為形成量子級聯(lián)激光器、環(huán)形諧振腔激光器和波導(dǎo)光放大器。
文檔編號H01S5/30GK101305505SQ200680032380
公開日2008年11月12日 申請日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日
發(fā)明者陳亦凡 申請人:朗迅科技公司