[发明专利]基于硅和氟化钙的结合的半导体光源

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光源，并且具体地涉及半导体激光器。

背景技术

普通的半导体光源和半导体激光器利用诸如砷化镓(GaAs)的直接带隙化合物半导体。通常，它们根据带间电子跃迁的原理来工作，其中，当半导体材料中的激发电子从导带边缘跃迁到价带边缘时发光。

相比较，诸如硅(Si)的间接带隙半导体需要发射或吸收声子，以使得电子从导带边缘跃迁到价带边缘。在其它条件都相同的情况下，这种需要使得这样跃迁的概率比不需要声子时的概率小。结果，光的发射也可能较弱，因此，尽管Si是最广泛使用的半导体，但并不认为Si是制造半导体光源的合适材料。

另一种类型的半导体光源是半导体量子级联激光器，其利用也被称作子带间跃迁的带内跃迁，其中，被激发到导带或价带中的较高能级能带(即，较高子能带)的电子下降到同一带中的较低能级能带(即，较低子能带)。量子级联激光器传统上基于诸如砷化镓铟和砷化铝铟(GaInAs/AlInAs)的化合物半导体。GaInAs/AlInAs量子级联激光器通常产生中红外线(IR)光谱范围(例如，在4和13μm之间)内的光。

也研究了使用硅和锗的结合的量子级联激光器。遗憾的是，实现基于Si/Ge的激光器是相当困难的。这是因为：a)Si和Ge之间大的晶格失配，例如，4％；b)必须使用价带的事实，由于与使用导带相比其具有额外的复杂度，从而使用价带不够理想；以及c)Si和Ge的导带和价带之间小的带偏移。尽管已经观察到一定的场致发光，但并不认为已利用Si和Ge实现了激光发射。此外，可预料到，即使利用Si和Ge实现激光发射，工作波长也将大于18μm，但这对于当前的电信应用也是不适用的。

发明内容

根据本发明的原理，利用基于硅和氟化钙(CaF₂)的结合的光源克服了开发可以在基于硅的衬底上构建的半导体光源的问题。硅和氟化钙不需要是纯的，而是可以对其进行掺杂，或者甚至可使其形成合金，从而控制它们的电学和/或物理特性。

优选地，该光源利用硅和氟化钙的例如被布置为多层结构的交织部分，并且该光源利用导带中的子带间跃迁来工作。更具体地，具有比CaF₂的带隙小的带隙的Si提供量子阱，而具有比Si的带隙大的带隙的CaF₂提供势垒。有益地，这样的光源具有低的晶格失配，例如，小到0.55％，并且具有大的导带偏移，例如，大约2.2电子伏特。可调节Si和CaF₂光源以发射近红外光谱范围内的光，例如，在1μm和4μm之间，更特别地，在1.5μm和1.3μm之间，其中每一个都适于现代电信应用。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，并且更易于将这种光源与基于硅技术的传统电子器件集成。

将Si和CaF₂与诸如锗和氟化镉(CdF₂)的其它材料结合，例如，对其掺杂该其它材料和/或使其与该其它材料形成合金，提供了进一步定制光源特性的可能性。例如，通过使少量的Ge与硅形成合金，可实现理想的晶格匹配。通过使氟化镉(CdF₂)与CaF₂形成合金以及利用诸如镓(Ga)的三价金属离子对其进行掺杂，可使所得到的结合导电。

可将光源布置为形成量子级联激光器、环形谐振腔激光器和波导光放大器。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本发明原理的基于硅(Si)和氟化钙(CaF₂)的结合构建的示例性半导体光源；

图2示意性地示出了不施加电压时图1示出的示例性半导体光源的导带图的基本部分；

图3示意性地示出了施加电位差时图1示出的示例性半导体光源的导带图的扩展部分；

图4示出了显示以埃为单位的量子阱宽度和所导致的相应子带能量之间的一般关系的近似的曲线图；

图5示出了适用于各种激光器配置的另一示例性半导体光源的活性(active)区；

图6示意性地示出了在图5所示的示例性半导体光源活性区两端施加电压时该示例性半导体光源活性区的导带图；

图7示出了用来起到能量弛豫区的作用和注入区的作用的“超晶格”区；

图8示意性地示出了在图7的示例性超晶格两端不施加电压时该示例性超晶格的导带图；

图9示意性地示出了在图7的示例性超晶格区两端施加电压时该示例性超晶格的导带图；