CN102246369B - 包括多个mqw区的mqw激光器结构 - Google Patents

Abstract

提供了包括有源和/或无源MQW区的多量子阱激光器结构。每个MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层。毗邻的MQW区被间隔层分开，间隔层比介于MQW之间的势垒层厚。量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和间隔层的带隙。有源区可包括有源和无源MQW，且被配置用于光子的电泵浦受激发射，或它可包括被配置用于光子的光泵浦受激发射的有源MQW区。

Description

包括多个MQW区的MQW激光器结构

相关申请的交叉参照

本申请要求2008年12月16日提交的美国专利申请No.12/336,050的优先权，该申请通过引用结合于此。

背景

领域

本发明涉及半导体激光器，更具体地涉及激光器结构中增加的光学限制。

技术背景

本发明人已经认识到，为了改善对在半导体激光器的波导中传播的光的光学限制，应当减少或排除输出耦合至激光器衬底的受限制模式。此外，应当使激光器有源区周围的光场分布变窄，以确保光学传播模式与增益区之间的有效交迭，并防止由于光学模式穿透到有源区附近的金属接触区中而引起的光学损失。这些挑战对于在约450nm和约600nm之间的波长下工作的半导体激光器而言尤其严重，因为此类激光器通常易于光学泄漏。

概述

半导体激光器可包括光学异质结构，包括例如夹在两个包覆层之间的具有较高折射率的波导层，其中两个包覆层的折射率低于波导的折射率。包覆层用于使光学模式宽度变窄，且该模式在包覆层中按指数规律衰减，因为包覆层折射率低于波导的有效折射率。波导的有效折射率n_eff与包覆层的折射率之差越大，包覆层中的模式穿透越少，且该模式越窄。因此，通过提高波导中的折射率或减小包覆层的折射率，可实现窄模式。

如果波导的有效折射率n_eff低于衬底的折射率，则光通过下部包覆层隧穿到衬底中是可能的。为降低此可能性，n_eff与包覆层折射率之差应当尽可能大。理想情况下，需要使包覆层尽可能厚，且使之具有接近或高于衬底折射率的n_eff。不幸的是，在III族氮化物半导体激光器的情况下，异质结构中由晶格失配引起的应变和InGaN的热不稳定性对激光器施加了重要的设计约束。例如，生长足够厚的且具有足够高Al含量的AlGaN包覆层以降低包覆层折射率是有挑战性的，因为AlGaN拉应变在该结构中产生开裂问题。由于像高压应变、糟糕的热稳定性以及材料掺杂困难等因素，生长具有足够In含量的InGaN异质结构也是困难的。

本发明人也已经认识到，包覆层折射率的降低将不会相对于激光器衬底的折射率产生高的波导有效折射率n_eff，因为根据光学限制物理学，包覆层折射率的降低会导致波导有效折射率n_eff的降低。根据本发明的主题，在例如大于450nm激射波长下操作的半导体激光器的波导区的有效折射率n_eff可通过在激光器结构中引入多个MQW区而被增大，从而增强激光器结构中的光学限制。该增强的光学限制减少了模式向激光器衬底的泄漏，且有助于防止由于光学模式穿透到激光器结构的有源区附近的金属接触区中而引起的光学损失。例如，在接触金属被沉积在激光器结构的上部包覆层之上的情况下，即便通过上部包覆层轻微穿透到金属层中的模式尾部也会是显著光学损失的起源，因为金属中的吸收是极其高的。上述波导区的有效折射率n_eff的提高会减少该模式尾部穿透。

根据本发明的一个实施例，提供了一种多量子阱激光二极管，其包括激光器衬底、半导体有源区、波导区以及包覆区。该有源区包括至少一个有源MQW区和至少一个无源MQW区。有源MQW区被配置用于光子的电泵浦受激发射。无源量子阱区在有源MQW区的激射光子能量下是光学透明的。每个MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层厚度为a的多个势垒层。毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的间隔层所分开。间隔层厚度b大于势垒层厚度a。量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和间隔层的带隙。各个有源区、波导区以及包覆区形成位于激光器衬底上的多层二极管，以使波导区引导来自有源区的受激光子发射，且包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。

根据本发明的另一实施例，提供了一种多量子阱激光器结构，其中有源区包括被配置用于光泵浦的光子受激发射的一个或多个有源MQW区。每个MQW区包括多个量子阱以及介于其间的势垒层厚度为a的氮化物势垒层，这多个量子阱包括减小带隙的III族氮化物组分。毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的氮化物间隔层所分开。间隔层厚度b大于势垒层厚度a。量子阱的带隙低于介于其间的氮化物势垒层和氮化物间隔层的带隙。各个有源区、波导区以及包覆区在激光器衬底上形成多层结构，以使波导区引导来自有源区的受激光子发射，且包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。

根据本发明的又一实施例，间隔层厚度b大于势垒层厚度a，且在约10nm与约150nm之间。势垒层厚度a在约2nm与约30nm之间。

附图简述

本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的适用于电泵浦的多量子阱激光器结构的示图；以及

图2是根据本发明另一个实施例的适用于光泵浦的多量子阱激光器结构的示图。

详细描述

图1和2中示出的多量子阱(MQW)激光器结构100包括半导体有源区10、包括设置在有源区10两侧的一对波导层20的波导区、以及包括设置在波导区两侧的一对包覆层30的包覆区。各个有源区、波导区和包覆区形成位于激光器衬底35上的多层结构，以使波导区的波导层20引导来自有源区10的受激光子发射，且包覆区的包覆层30促进所发射光子在波导区中的传播。

有源区10包括多个MQW区40、50、60，其中至少一个MQW区被配置用于受激光子发射。MQW区40、50、60通过提供在激射波长下尽可能高的折射率来增强光学限制，而不会引入光学损失。因此，如上所述，波导的有效折射率n_eff提高，且激光器结构中的光学限制被增强。由MQW区40、50、60所提供的折射率典型地随着MQW区40、50、60中所用半导体材料的带隙降低而超线性地增大。因此，在实施本发明时，在构造MQW区40、50、60时应当使用具有相对低带隙的材料以增强光学限制。

在电泵浦和光泵浦的激光器结构100中，包括图1和2所示的那些结构中，有源区10是利用多个相对较薄量子阱70构造而成的。虽然不是必需的，但量子阱70可利用被选择用于上述减小带隙的III族氮化物来制造。为了明确和描述本发明的目的，在其浓度提高时减小带隙的组分将被称为量子阱的“减小带隙”组分。选择减小带隙的III族氮化物组分，以使量子阱70在受激发射波长下的折射率可随着量子阱70中减小带隙III族氮化物组分的浓度增大而超线性地增大。例如，根据一个实施例，量子阱70包括InGaN量子阱，该InGaN量子阱通常在压应变下生长在GaN衬底或缓冲层上，且InGaN中InN组分浓度提高会引起折射率的超线性提高。相比之下，如果InGaN中GaN组分的浓度增大，则不会减小量子阱的带隙，因此该组分一般不被认为是量子阱的减小带隙组分。在另一实施例中，量子阱70包括在压应变下生长在AlGaN或AlN衬底上的AlGaN量子阱。对于InGaN量子阱70，减小带隙的III族氮化物组分可以是具有以上讨论的减小的带隙的InN。对于AlGaN量子阱70，减小带隙的III族氮化物组分可以是具有以上讨论的减小的带隙的GaN。还可构想AlGaAs量子阱、AlGaAsP量子阱、GaAs量子阱、InGaAs量子阱及其组合。

如上所述，MQW区40、50、60的折射率随着量子阱的减小带隙组分的浓度增加而超线性地提高。不过，随着减小带隙组分的浓度和利用该组分的层的厚度增加，利用该组分的半导体层中的压应变仅仅以相对线性的方式积累。因此，为了从较高折射率及由此所提供的较好光学限制中获益而不增加总应变，相比于使用单个具有相对较低的减小带隙组分浓度的相对较厚的层，优选使用多个具有较高减小带隙组分浓度的较薄的层。虽然波导区10中的压应变典型地随着减小带隙组分的含量增加而几乎线性地积累，但通过减小相对薄量子阱70的厚度同时增加减小带隙组分在量子阱70中的含量，可增强光学限制且不牺牲结构完整性。因此，也包括介入其间的势垒层80的MQW区40、50、60代表将传播光学模式集中在相对薄区中的相对紧凑波导区10。

在实施本文中公开的各实施例时，应当认识到，尽管具有较低带隙的量子阱70一般增加量子阱70中的光学限制，但MQW区域40、50、60的组成应被如此保持，以致于它不会产生过度的压应变积累或生长形态的劣化，该压应变积累或生长形态劣化例如常常导致v形坑在该结构中形成。为帮助解决这些问题同时允许MQW区40、50、60中的低带隙，毗邻的MQW区40、50、60被利用较大带隙材料制造的间隔层90分开。量子阱70的带隙低于介于其间的氮化物势垒层80和间隔层90各自的带隙。虽然可构想本发明范围内的激光器结构可采用产生上述特性的各种常规和有待开发的氮化物或其它材料，但在一个实施例中，MQW区40、50、60包括InGaN，而间隔层90包括GaN或InGaN。

如图1和2中示意性示出，间隔层90限定间隔层厚度b，该间隔层厚度b大于势垒层厚度a。该间隔层90可以是纳米尺度，但应当足够厚以至少部分地减轻MQW区40、50、60上的应变积累，并恢复MQW生长期间引入的任何形态劣化。例如，在一些实施例中，间隔层厚度b可以大于势垒层厚度a。更具体地，在间隔层厚度b在约20nm与约100nm之间的情况下，势垒层厚度a可以在约2nm与约30nm之间。在其它实施例中，间隔层厚度b至少是势垒层厚度a的两倍。在另外的实施例中，间隔层厚度b大于约20nm，而势垒层厚度a小于约20nm。

在如图1所示的电泵浦MQW激光器结构100中，各个有源区、波导区和包覆区被形成为多层激光二极管，而有源区10包括夹在一对无源MQW区40、60之间的有源MQW区50。有源MQW区50被配置用于光子的电泵浦受激发射。为了确保无源量子阱区40、60的光跃迁能量高于激光器结构100的激射光子能量，并确保无源量子阱区40、60在有源MQW区50的激射光子能量下光学透明，无源MQW区40、60的带隙需要尽可能接近但高于有源MQW区50的激射光子能量。如熟悉半导体结构的本领域普通技术人员将理解地，有源和无源MQW区40、50、60各自的量子阱光跃迁能量能按照各种方式来调整。例如，在InGaN/GaN MQW区的情况下，量子阱光跃迁能量可通过调节InGaN中的InN摩尔分数来调整。

相应地，如下表1中所示，在MQW区包括InGaN的情况下，为了确保无源MQW区40、60的透明性，如果量子阱厚度相同，则有源量子阱区50的In含量可被调整为大于无源量子阱区40、60的In含量。以此方式，可使无源量子阱区40、60的光跃迁能量高于多量子阱激光器结构100的激射光子能量，且无源量子阱区40、60将在多量子阱激光器结构的激射光子能量下透明。图1的电泵浦激光二极管结构100的无源MQW区40、60的材料折射率随着带隙减小而超线性地提高。一般而言，该带隙不能低于MQW区40、60的吸收边的波长到达激光器发射波长的点，即MQW区40、60的吸收光子能量必须高于激射光子能量。在一些实施例中，例如，有源量子阱区的激射光子能量将比无源量子阱区的光子能量低约50meV到约400meV。以下的表1给出了适用于在电泵浦激光器结构的情况下实施本发明的特定实施例的一些具体设计参数。

表1(如图1所示，各组成部分从上往下列出)。

注意，图1中所示的激光二极管结构还可包括插入在有源和无源MQW区50、60之间的电子阻挡层85。例如，电子阻挡层85可位于间隔层90中，如图1所示，位于间隔层90与有源MQW区50之间，或位于间隔层90与无源MQW区60之间。对于采用InGaN MQW区40、50、60的激光二极管结构，电子阻挡层85可由p掺杂的AlGaN组成。如果间隔层90完全或部分地在电子阻挡层85之上，则电子阻挡层85之上的间隔层应当是p掺杂的。

如图1和表1所示，在一个实施例中，波导区包括设置在有源区10两侧的P掺杂和N掺杂的层20。包覆层还包括设置在有源区10两侧的P掺杂和N掺杂的包覆层30。因此，有源MQW 50设置在激光二极管结构100的p掺杂侧与激光二极管结构100的n掺杂侧之间。位于激光二极管结构100的n掺杂侧的间隔层90被完全或部分地n掺杂，而位于激光二极管结构100的p掺杂侧的间隔层90被完全或部分地p掺杂。介于激光二极管结构100的n掺杂侧的量子阱70之间的势垒层80可以是n掺杂的，而介于激光二极管结构100的p掺杂侧的量子阱70之间的势垒层80可以是p掺杂的，以确保通过无源MQW区40、60的良好载流子输运。可构想，量子阱70也可以按照与针对势垒层80所描述的掺杂类型一致的方式被n或p掺杂。

在图2所示的光泵浦的MQW激光器结构100中，有源区10包括被配置用于光泵浦的受激光子发射的一个或多个有源MQW区40、50、60。图2中所示的激光器结构100的MQW区40、50、60可基本相同，因此，图2的激光器结构100适合作为光泵浦的激光器结构使用，因为每一个MQW区40、50、60可起到有源MQW区的作用，虽然可构想MQW区40、50、60中的一个或多个可以是无源的。

图2中所示的光泵浦的MQW激光器结构100中的每个MQW区40、50、60包括利用III族氮化物半导体材料形成的多个量子阱70和介于其间的势垒层厚度为a的氮化物势垒层80。毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的氮化物间隔层90分开。间隔层厚度b大于势垒层厚度a，且量子阱70的带隙低于介于其间的氮化物势垒层80和氮化物间隔层90各自的带隙。与图1所示的电泵浦的激光二极管结构100的情况一样，图2中所示的激光器结构100的各个有源区、波导区以及包覆区形成多层结构，其中波导区的波导层20引导来自有源区10的受激光子发射，且包覆区的包覆层30促进所发射光子在波导区中的传播。

典型地，各个有源区、波导区以及包覆区由未经掺杂的半导体材料层形成，因为相比于电泵浦，本激光器结构是光学泵浦的。当然，可构想半导体材料层中某种程度的掺杂是可以容忍的，只要该掺杂不会导致过度的光学损失。有源MQW区的各自组成可以在功能上等效，且有源MQW区40、50、60中的任一个或每一个可被配置成能在常见波长的光泵浦下激射。

如以下表2中详细示出，对于光泵浦的激光器结构100的一些实施例，间隔层厚度b在约20nm与约150nm之间，而势垒层厚度a在约2nm与约30nm之间。通过利用这些厚度关系，实施当前公开的实施例的本领域普通技术人员将发现更容易保持低的量子阱带隙以优化光学限制，同时避免通常与有源区10中的过度压应变或低生长温度有关的形态劣化。在上述范围内和上述范围以外可构想其它厚度。

表2(如图2所示，各组成部分从上往下列出)。

虽然图1和2中示出的实施例示出了在MQW激光器结构中使用三个MQW区40、50、60，但可构想，增强的光学限制可通过被上述间隔层90分开的两个或两个以上MQW区实现。此外，可构想每个MQW区可包括任何数量的量子阱70，只要这些量子阱被介于其间的势垒层80分开。还应注意，本文中描述和构想的实施例既可用于无Al激光器结构，又可用于具有AlGaN包覆层的结构。

为描述和说明本发明，注意本文中提到的作为参数或另一变量的“函数”的变量并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。相反，本文所提到的作为所列举的参数的“函数”的变量旨在作为开放式的描述，以使该变量可以是单个参数或多个参数的函数。此外，对“III族”元素的引用旨在表示硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)以及113号元素(元素周期表中的合成元素，其具有临时代号Uut，且具有原子数113)。

注意，相对于对期望用途的陈述，本文所陈述的本发明的部件被“配置”成具体化一特定性质或以特定方式起作用是结构性的陈述。更具体地，本文所提到的部件被“配置”的方式表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为对部件的结构特性的明确陈述。

注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不用于限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。相反，这些术语仅仅旨在标识本发明的实施例的特定方面，或强调可用于也可不用于本发明的特定实施例的替代或附加特征。

为了描述和说明本发明，注意在本文中采用术语“约”来表示因任何定量比较、值、测量、或其它表示所引起的固有不确定程度。在本文中还采用术语“基本上”来表示数量表示可以不同于所叙述的参考值但不在此问题上导致发明主题的基本功能改变的程度。

指定该结构的p侧是指该结构的“上部”，而n侧是指该结构的“下部”。根据该指定，术语“在……之上”表示朝该结构上部，而“在……之下”表示朝该结构下部。

已详细地并参照本发明的具体实施例描述了本发明的主题，但显然多种修改和变化是可能的，且不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围。更具体地，虽然本发明的某些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可构想本发明不一定限于这些方面。例如，虽然在一些情况下本文中描述的激光器结构被标识为包括其中减小带隙的III族氮化物组分是InN的III族氮化物，但可构想该激光器结构可包括任何数量的III族组分，不论它们是否能减小量子阱的带隙。

注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，其用于引入对所述结构的一系列特性的陈述，且应当按照与更常用的开放式导言术语“包括”相似的方式进行解释。

Claims (5)

1.一种多量子阱激光二极管，包括激光器衬底、半导体有源区、波导区以及包覆区，其特征在于：

所述有源区包括至少一个有源MQW区和至少一个无源MQW区；

所述有源MQW区被配置用于光子的电泵浦受激发射；

所述无源MQW区中量子阱的带隙接近但高于所述有源MQW区的激射光子能量，并且所述无源MQW区在所述有源MQW区的激射光子能量下是光学透明的；

每个所述MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层厚度为a的势垒层；

毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的间隔层分开；

所述间隔层厚度b大于所述势垒层厚度a；

所述量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和间隔层的带隙；以及

各个有源区、波导区以及包覆区被形成为所述激光器衬底上的多层二极管，以使所述波导区引导来自所述有源区的受激光子发射，且所述包覆区促进所发射光子在所述波导区中的传播。

2.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于：

所述激光二极管还包括插入在所述有源MQW区与所述无源MQW区之间的电子阻挡层；以及

所述电子阻挡层在所述间隔层之中、在所述间隔层与有源MQW区之间、或在所述间隔层与所述无源MQW区之间。

3.一种多量子阱激光器结构，包括激光器衬底、半导体有源区、波导区以及包覆区，其特征在于：

所述有源区包括被配置用于光子的光泵浦受激发射的一个或多个有源MQW区和至少一个无源MQW区；

每个MQW区包括多个量子阱以及介于其间的势垒层厚度为a的氮化物势垒层，所述多个量子阱包括减小带隙的III族氮化物组分；

所述无源MQW区中量子阱的带隙接近但高于所述有源MQW区的激射光子能量；

毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的氮化物间隔层分开；

所述间隔层厚度b大于所述势垒层厚度a；

所述量子阱的带隙低于介于其间的氮化物势垒层和氮化物间隔层的带隙；以及

各个所述有源区、波导区以及包覆区在所述激光器衬底上形成多层结构，以使所述波导区引导来自有源区的受激光子发射，且所述包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。

4.一种多量子阱激光器结构，包括激光器衬底、半导体有源区、波导区以及包覆区，其特征在于：

所述有源区包括被配置用于光子的光泵浦受激发射的多个有源MQW区和至少一个无源MQW区；

所述无源MQW区中量子阱的带隙接近但高于所述有源MQW区的激射光子能量；

每个所述MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层厚度为a的势垒层；

毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的氮化物间隔层分开；

所述间隔层厚度b大于所述势垒层厚度a，且在10nm与150nm之间；

所述势垒层厚度a在2nm与30nm之间；

所述量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和氮化物间隔层的带隙；以及

各个所述有源区、波导区以及包覆区在所述激光器衬底上形成多层结构，以使所述波导区引导来自有源区的受激光子发射，且所述包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。

5.如权利要求4所述的多量子阱激光器结构，其特征在于，所述量子阱包括InGaN量子阱、AlGaN量子阱、AlGaAs量子阱、AlGaAsP量子阱、GaAs量子阱、InGaAs量子阱及其组合中的至少一个。

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