CN103311805B - 半导体层叠板和垂直腔面发射激光器 - Google Patents

半导体层叠板和垂直腔面发射激光器 Download PDF

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Abstract

一种半导体层叠板包括半导体分布布拉格反射镜(DBR)形成于基底上的半导体分布布拉格反射镜(DBR)、通过交替层叠宽能带半导体层和有源层形成于半导体DBR上的谐振器层。每一个有源层都包含一个多量子阱(MQW)层和形成于为在多量子阱层的每一个表面上各有一个的两个分隔层。多量子阱层通过交替层叠阻挡层和量子阱层形成。形成n层宽能带半导体层，且从基底数第m层宽能带半导体层的能隙Egm，和从基底数第m-1层宽能带半导体层的能隙Egm-1，满足Egm-1＜Egm，其中n和m均为大于等于2的整数，且1＜m≤n。

Description

半导体层叠板和垂直腔面发射激光器
发明领域
在此，本发明主要涉及一种半导体层叠板和一种垂直腔面发射激光器。
背景技术
固体激光器比如Nd:GdVO4、Nd:YAG等具有有限的波长，而半导体激光器却能发射不同波长的激光，因为调整活性材料的构成是比较容易的。因此，这预计将应用于需要高输出量激光的领域。特别地，一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有不受跳模影响的波长可控的优越特性。
这样一种半导体激光器能在一个特定能隙下通过电流注入有源层或光激发载流子注入来发射预定波长的光。为有效实施载流子注入，一种量子阱有源层被广泛用于有源层结构中。并且，为获得高输出量，多量子阱(MQW)结构被普遍使用，其中多量子阱层被阻挡层分隔开。
例如，非专利文件1中公开了一种结构，其中三个8纳米厚的由砷磷化镓铟形成的量子阱层被10纳米厚的由磷化镓铟形成的阻挡层分隔开。
此外，为了以垂直腔面发射激光获得更高的输出量，要满足几个要求，比如，有效的载流子限制、提高的增益以及对于产生于有源层的热量的优越的热辐射特性。
专利文件1公开了一种结构，这种结构通过在阻挡层外侧形成一个具有更宽能隙的层而具有提高的载流子限制效果，这些阻挡层之间层叠了量子阱层，该量子阱层被描述为载流子泄漏预防层。
专利文件2公开了一种使用光激发来获得更高输出量的外部反射镜垂直腔面发射激光器。具体地，在专利文件2中公开的结构中，厚度为λ/2(λ：振荡波长)的磷化镓铟层被提供于谐振器的两个表面上，以提高载流子限制效果。并且，在上述结构中，具有压缩畸变的砷化镓铟材料被用作量子阱层，并且由具有拉伸畸变的砷磷化镓(铟)材料形成的多个层被用来补偿压缩畸变。
然而，在发明文件1中公开的结构具有小能隙差别，由此不能期望获得更高的输出量。此外，由于半导体激光器的振荡波长范围是780纳米，Al0.2Ga0.8As被用作位于上层半导体分布布拉格反射镜(DBR)和下层DBR上的高折射率层，而Al0.4Ga0.6As被用于上层覆层和下层覆层上。然而，如果以更高输出量作为目标，在半导体激光器上使用这些材料并不是优选的，因为这些材料具有低热导率。
同样，专利文件2和3中公开的结构使用磷化镓铟层或由砷磷化镓(铟)材料形成的层。然而，同样，如果以更高输出量作为目标，在半导体激光器上使用磷化镓铟或砷磷化镓(铟)材料并不可取，因为这些材料具有低热导率。并且，在制造专利文件2中公开的结构时，如果砷磷化镓(铟)材料生长于砷化镓上，或砷化镓生长于砷磷化镓(铟)上，必须将生长气氛从砷气氛改为磷/砷混合气氛，或从磷/砷混合气氛改为砷气氛。在这种情况下，砷或磷原子趋向于变成分离，从而在界面处产生晶格缺陷，增加对激光的吸收，以及阻止更高输出量。
非专利文件3公开了具有不同光激发结构的垂直腔面发射激光器。作为例子，公开了一种结构，其中层叠了五个层，五个层中的每一个都包含一对2QW量子阱层和位于这对2QW量子阱层之间的载流子阻碍层。然而，不能期待获得有效的载流子限制效果，因为阻挡层的高度都是一样的。另外，2QW量子阱层是均匀分布的，其中作为光激发的一种有源层结构不能被识别出另一个特点是，当多量子阱有源层内的量子阱层朝向表面移动以阻止靠近表面的有源层处的载流子溢流时，该多量子阱有源层内的量子阱层的数量增加。然而，对于高输出量来说，这并不是一个适合的结构，因为同样地，多量子阱层之间的载流子阻碍层上的阻挡层的高度都是一样的。
同样，非专利文件4公开了一种结构，在这种结构中当量子阱层朝向表面移动时，其数量增加。同样，载流子阻碍层中的阻挡层的高度都是一样的。
同样，非专利文件5公开了一种使用红光发射材料的光激发垂直腔面发射激光器晶片的结构。一般而言，使用红光发射磷化铟铝镓材料来获得高输出量是很困难的，因为它不能通过势垒壁材料获得充分的带偏量。此处，尽管层叠了多个量子阱层以实现特定水平的输出量，获得更高输出量仍然是困难的，因为结构中固有的低载流子限制效果依然未发生改变。
同样，非专利文件6公开了一种结构，其中的反射阻止层，也被用作载流子阻碍层，由Al0.3Ga0.7As形成于最外面的表面上。然而，有一种高的可能性是，生成了多个易受非发光重组影响的载流子，因为有源层和反射镜之间无载流子阻碍层，有源层附着于反射镜中的低折射率层Al0.8Ga0.2As上，以及具有高铝成分的层包括很多氧。同样，非专利文件6中描述的结构具有低热导率，因为Al0.8Ga0.2As用于上文所述的反射镜的低折射率层上，对于该低折射率层由于低热导率而不能期望有更高的输出量。
同样，在专利文件4中，尽管对载流子阻碍层进行了描述，但是势垒壁的高度都是一样的，并且与光激发相关的载流子密度分布完全未被考虑在内。
专利文件：
1.第2000-174329号日本公开专利申请
2.第2002-523889号日本公开专利申请(PCT申请的翻译)
3.第4837830号日本专利
4.第5461637号美国专利
非专利文件：
1.IEEE JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL22，NO.12，2004，p2828-2833
2.J.W.Matthews and A.E.Blakslee：J.Cryst.Growth27(1974)118
3.Proc.ofSPIE Vol.7919791903p1-11
4.Physics Report429(2006)p67-120
5.Proc.of SPIE Vol.791979190B p1-10
6.IEEE.Photonic Technology Letters，Vol.9，No.8(1997)p1063-1065
发明内容
本发明的至少一个实施例的目标是提供一种半导体层叠板和一种垂直腔面发射激光器，其大体上消除了由相关技术的局限性和缺点引起的一个或多个问题，并且具体地，是提供一种半导体层叠板和一种垂直腔面发射激光器，其具有更高的载流子限制效果、优越的热辐射特性和高增益。
根据本发明的至少一个实施例，一种半导体层叠板包含形成于基底上的半导体分布布拉格反射镜(DBR)，和形成于半导体DBR上的谐振器层(其通过交替层叠宽能带半导体层和有源层形成)。有源层的每一个都包含一个多量子阱(MQW)层和两个分隔层，两个分隔层形成为在多量子阱层的每个表面上有一个。多量子阱层通过交替层叠势垒壁层和量子阱层形成。形成n层宽能带半导体层，和从基底数第m层宽能带半导体层的能隙Egm，以及从基底数第m-1层宽能带半导体层的能隙Egm-1满足Egm-1＜Egm，其中n和m均为大于或等于2的整数，且1＜m≤n。
根据本发明的至少一个实施例，有可能提供一种半导体层叠板和一种具有高载流子限制效果、优越的热辐射特性和高增益的垂直腔面发射激光器。
附图说明
实施例的其他目的和进一步的特征将随下文的详细描述在结合附图阅读时显而易见：
图1是示出了铝砷化镓和磷化铟铝镓中铝的成分比例和热导率的相关性的曲线图；
图2是示出了铝砷化镓和磷化铟铝镓中铝的成分比例和能隙的相关性的曲线图；
图3是示出了根据第一实施例的半导体层叠板的示意图；
图4是示出了根据第一实施例的垂直腔面发射激光器装置的示意图；
图5是示出了根据第二实施例的半导体层叠板的示意图；
图6是阐述了根据第二实施例的另一种半导体层叠板的示意图；以及
图7是根据第三实施例的垂直腔面发射激光器的结构示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图详细描述本发明的实施例。贯穿附图中的相同或相应的元件或零件均被分配了相同或相应的数字代码，其说明可不重复进行。
[第一实施例]
垂直腔面发射激光器是一种半导体激光器，其具有优越的波长可控性，因为其振荡波长由反射镜的膜厚度和谐振器的膜厚度所决定。发射波长由有源层中的量子阱层的组成和膜厚度控制来决定。因此，有可能相对容易地实现波长稳定性以及高效性。
然而，必须在有源层和热辐射材料之间提供一个相对厚的反射镜。因此，垂直腔面发射激光器具有相较于边缘发射型激光器较差的热辐射特性，这会造成量子阱层的温度上升，从而导致特性退化，比如降低的输出量。因此，当以高输出量为目标时应充分考虑配置反射镜的材料和膜厚度。同样，还应当考虑有源层的热辐射特性以避免不必要地使用较差的热辐射特性的材料。
另一方面，为实现更高的输出量，应当考虑有效的载流子限制以及增加量子阱层的数量以提高增益。对于被用作其中载流子阻碍层形成于其上用于载流子限制的载流子阻碍材料的化合物半导体材料，如果使用铝砷化镓材料，最好使用铝的含量为0.2到0.5的材料，因为铝含量接近0的材料具有低的载流子阻碍效果，而铝含量接近1的材料如果配置在最外面的表面上会被氧化。尽管可以使用磷化铟铝镓材料，但磷化铟铝镓材料的热导率仍然低，即使铝的含量如图1所示地发生改变。因此，为了通过垂直腔面发射激光器实现更高的输出量，应对形成垂直腔面发射激光器的材料的组成和膜厚度进行全面的研究。
图1示出了铝的成分比例在晶格匹配条件下发生变化时的铝砷化镓材料和磷化铟铝镓材料的热导率。当铝的成分比例为0.5左右时，铝砷化镓材料具有最低的热导率，而磷化铟铝镓材料的热导率随着铝的成分比例的升高而降低。
接下来，图2示出了铝的成分比例在晶格匹配条件下发生变化时的铝砷化镓材料和磷化铟铝镓材料的能隙。两种材料都具有随着铝的含量升高，能隙变得更宽，从而导致更高的载流子限制效果的趋势。
(半导体层叠板)
接下来，将根据本实施例对半导体层叠板进行阐述。图3示出了根据本实施例的一种半导体层叠板10。根据本实施例，在半导体层叠板10中，成15度角((111)方向)的砷化镓(100)基底用作基底11，在其上30对砷化镓/砷化铝层被层叠形成半导体DBR12。在半导体DBR12上，第一载流子阻碍层31、第一有源层41、第二载流子阻碍层32，第二有源层42、第三载流子阻碍层33、第三有源层43和第四载流子阻碍层34按此顺序形成。需要指出的是，在本实施例中，第一载流子阻碍层31、第一有源层41、第二载流子阻碍层32、第二有源层42、第三载流子阻碍层33、第三有源层43和第四载流子阻碍层34形成的区域可被称为谐振器层40。同样，在本实施例中，第一载流子阻碍层31、第二载流子阻碍层32、第三载流子阻碍层33和第四载流子阻碍层34可分别被称为第一宽能带半导体层、第二宽能带半导体层、第三宽能带半导体层和第四宽能带半导体层，从最靠近基底11的层开始数起。
第一有源层41、第二有源层42和第三有源层43中的每一个都具有分隔层、多量子阱层和分隔层按此顺序层叠于其上的结构；也就是说，分隔层形成在多量子阱层的两个表面上。具体地，第一有源层41具有分隔层51、多量子阱层61和分隔层51层叠于其中的结构；也就是说，分隔层形成于多量子阱层的两个表面上。第二有源层42具有分隔层51、多量子阱层62和分隔层51层叠于其中的结构；也就是说，分隔层形成于多量子阱层的两个表面上。第三有源层43具有分隔层51、多量子阱层63和分隔层51层叠于其中的结构；也就是说，分隔层形成于多量子阱层的两个表面上。分隔层51由砷化镓形成，而多量子阱层61到63包括砷化镓铟/砷化镓三量子阱TQW(λ＝980nm)。
同样，在本实施例中，第一载流子阻碍层31、第二载流子阻碍层32、第三载流子阻碍层33和第四载流子阻碍层34由砷磷化铝镓铟材料形成，每层具有不同的成分比例。具体地，第一载流子阻碍层31由(AlX1Ga1-X1)Y1In1-Y1PZ1As1-Z1形成，第二载流子阻碍层32由(AlX2Ga1-X2)Y2In1-Y2PZ2As1-Z2形成，第三载流子阻碍层33由(AlX3Ga1-X3)Y3In1-Y3PZ3As1-Z3形成和第四载流子阻碍层34由(AlX4Ga1-X4)Y4In1-Y4PZ4As1-Z4形成，其中X1＜X2＜X3＜X4，Y1＝Y2＝Y3＝Y4，且Z1＝Z2＝Z3＝Z4。
如果这样的半导体结构和热辐射板(未示出)通过基底11相连接，第一有源层41、第二有源层42和第三有源层43产生的热量主要通过半导体DBR12和基底11被传导至热辐射板(未示出)上。例如，第三有源层43产生的热量主要通过第三载流子阻碍层33、第二有源层42、第二载流子阻碍层32、第一有源层41、第一载流子阻碍层31、半导体DBR12和基底11传导。因此，有源层距离半导体层叠板10的表面(基底11的背面)越近，有源层的温度升得越高，越可能产生载流子溢流。
然而，在本实施例的半导体层叠板10中，第一载流子阻碍层31、第二载流子阻碍层32、第三载流子阻碍层33和第四载流子阻碍层34以如此的组成形成，其中满足X1＜X2＜X3＜X4，Y1＝Y2＝Y3＝Y4，且Z1＝Z2＝Z3＝Z4。因此，这些载流子阻碍层的能隙满足以下关系，Eg1＜Eg2＜Eg3＜Eg4，其中Eg1、Eg2、Eg3和Eg4分别是第一载流子阻碍层31、第二载流子阻碍层32、第三载流子阻碍层33和第四载流子阻碍层34的能隙。因此，载流子阻碍层离表面越近，载流子阻碍层的势垒壁可以变得越高。通过这样的结构，在全部第一有源层41、第二有源层42和第三有源层43中都能避免载流子溢流，这样也能进行有效的载流子注入，如果载流子注入是通过从表面光激发来获得的话。
需要指出的是，尽管在上文的例子中有三个有源层和四个载流子阻碍层，载流子阻碍层的数量可以是任意多个复数。因此，上文的例子可推广为一种情况，即形成n层载流子阻碍层(所以存在第n层宽能带半导体层)。在该情形中，假设第m层载流子阻碍层(从基底11开始的第m层，或第m层宽能带半导体层)具有Xm的铝成分比例和Egm的能隙，那么满足Xm-1＜Xm和Egm-1＜Egm，其中2≤m≤n。这里，假设所有载流子阻碍层中的铟、磷、砷的成分比例都是一样的。也就是说，第m层载流子阻碍层(从基底11开始的第m层)的构成是(AlxmGa1-xm)YmIn1-YmPzmAs1-zm，其中Ym和Zm分别为规定的定值。同样，m、n是大于或等于2的整数，且只要满足上述能隙条件，Ym可为任意值。
(外部反射镜型垂直腔面发射激光器)
接下来，根据图4，将阐述使用半导体层叠板10的外部反射镜型垂直腔面发射激光器。这种外部反射镜型垂直腔面发射激光器具有半导体层叠板10，其结构如图3所示，该半导体层叠板配置在热辐射基底70上，并且外部反射镜80被提供于半导体层叠板10的上方。半导体层叠板10配置于热辐射基底70上使得具有谐振器层40形成的表面定向为向上以曝露于光线中。此外，设置有激发光源90以照射光线到半导体层叠板10上。在如此的外部反射镜型垂直腔面发射激光器中，通过从激发光源90的光源发射光线，光线从谐振器层40上的第一有源层41、第二有源层42和第三有源层43发射出，在半导体DBR12和外部反射镜80上反射和共振，然后作为激光沿垂直于基底11的表面的方向发射出去。
在本实施例中，外部反射镜80被形成以具有比形成于半导体层叠板10中的半导体DBR12更低的反射率，且固定于规定位置。激发光源90发射比砷化镓的能隙相对应的波长更短的激光。从激发光源90发射出的激光在第一有源层41、第二有源层42和第三有源层43上产生了载流子，有源层被重新组合成砷化镓铟/砷化镓三量子阱以发射激光。发射的光线在半导体层叠板10中的半导体DBR12和外部反射镜80之间反复反射以被放大，并且作为激光从比半导体DBR12具有更低反射率的外部反射镜80发射出来。
(量子阱)
接下来，将分别阐述第一有源层41、第二有源层42和第三有源层43上的多量子阱层61-63。多量子阱层61-63包括砷化镓铟/砷化镓三量子阱TQW。多量子阱层61-63是由砷化镓铟形成的量子阱层，其发射波长λ为大约980nm。如果量子阱层的厚度为8nm，Ga0.835In0.165As内的晶格畸变是大约1.2％。由于层叠多个有如此相对大晶格畸变的层是很困难的，因此膜厚度通常不得不包含在指定的范围内，不能超出临界膜厚度。然而，有一种方法来形成一种膜，其膜厚度超过临界膜厚度，其中通过形成具有相反畸变(distortion)的层(即所谓畸变量子阱层)来形成畸变补偿结构。
在本实施例中，第一载流子阻碍层31、第二载流子阻碍层32、第三载流子阻碍层33和第四载流子阻碍层34由砷磷化铝镓铟材料形成，该材料含有五种元素。通过适当设定这些元素的成分比例，能够设定任意能隙和晶格畸变。在这样的结构中，可层叠带晶格畸变的多个层。具体地，如果砷磷化铝镓铟材料表示为(AlXGa1-X)YIn1-YPZAs1-Z，能隙Eg是2.42eV，且晶格畸变是-0.56％，其中X＝0.6，Y＝0.6，Z＝1。通过层叠所述成分比例的层到50nm，上文提到的三量子阱TQW结构的畸变总量变为0。通过这样的结构，理论上，可层叠无限数量的层。
具体地，如果量子阱层具有压缩畸变，形成宽能带半导体层以具有拉伸畸变，而如果量子阱层具有拉伸畸变，形成宽能带半导体层以具有压缩畸变，这会减少畸变的总量。
(生产方法)
接下来，将根据本实施例，结合图3和其他来描述制造半导体层叠板的方法。在本实施例中，通过在基底11顶部层叠包含三个有源层的半导体层来形成半导体层叠板。考虑到大规模生产，用来形成半导体层的晶体生长装置优选为MOCVD(金属有机化学气相沉积)装置。替换地，也可使用MBE(分子束外延)装置。半导体基底、砷化镓(100)基底被用作基底11。在基底11顶部，通过层叠30.5对砷化镓/砷化铝层(30个砷化镓层，和31个砷化铝层)形成了半导体DBR12。把折射指数考虑在内，砷化镓和砷化铝层形成为具有λ/4(λ＝980nm)的膜厚度。如图1所示，在铝砷化镓材料中，砷化镓和铝镓具有相对高的热导率。另外，砷化镓和铝镓的这种组合能最大化折射率的差异性，从而使这种组合成为当砷化镓基底用作基底11时的最优选的选择。
接下来，在半导体DBR12的顶部，形成第一载流子阻碍层31。第一载流子阻碍层31用(Al0.1Ga0.9)0.58In0.42P来形成，其具有大约20nm的厚度。在那之后，在第一载流子阻碍层31的顶部，由砷化镓形成分隔层51，然后形成多量子阱层61。多量子阱层61由Ga0.83In0.17As/GaAs TQW三量子阱形成。这里，通过使量子阱层和阻挡层的厚度分别为8nm和20nm，发射波长可被设定为大约980nm。接下来，在多量子阱层61的顶部，由砷化镓形成分隔层51。通过层叠分隔层51、多量子阱层61和分隔层51，形成第一有源层41。这里，第一有源层41内的分隔层51形成为使得第一载流子阻碍层31的中心和第二载流子阻碍层32的中心之间的厚度等效(？)于980nm的光程长度。第二载流子阻碍层32将在稍后进行描述。
接下来，在第一有源层41的顶部，形成第二载流子阻碍层32。第二载流子阻碍层32由(Al0.4Ga0.6)0.58In0.42P形成，具有大约20nm的厚度。在那之后，在第二载流子阻碍层32的顶部，由砷化镓形成分隔层51，然后形成多量子阱层62。多量子阱层62由Ga0.83In0.17As/GaAs TQW三量子阱形成。这里，通过使量子阱层和势垒层的厚度分别为8nm和20nm，发射波长可被设定为大约980nm。接下来，在多量子阱层62的顶部，由砷化镓形成分隔层51。通过层叠分隔层51、多量子阱层62和分隔层51，形成第二有源层42。这里，第二有源层42内的分隔层51形成为使得第二载流子阻碍层32的中心和第三载流子阻碍层33的中心之间的厚度等于980nm的光程长度。第三载流子阻碍层33将在稍后进行描述。
接下来，在第二有源层42的顶部，形成第三载流子阻碍层33。第三载流子阻碍层33由(Al0.7Ga0.3)0.58In0.42P形成，具有大约20nm的厚度。在那之后，在第三载流子阻碍层33的顶部，由砷化镓形成分隔层51，然后形成多量子阱层63。多量子阱层63由Ga0.83In0.17As/GaAs三量子阱形成。这里，通过使量子阱层和阻挡层的厚度分别为8nm和20nm，发射波长可被设定为大约980nm。接下来，在多量子阱层63的顶部，由砷化镓形成分隔层51。通过层叠分隔层51、多量子阱层63和分隔层51，形成第三有源层43。这里，第三有源层43内的分隔层51形成为使得第三载流子阻碍层33的中心和第四载流子阻碍层34的中心之间的厚度等于980nm的光程长度。第四载流子阻碍层34将在稍后进行描述。
接下来，在第三有源层43的顶部，形成第四载流子阻碍层34。第四载流子阻碍层34由Al0.58In0.42P形成，具有大约20nm的厚度。
优选的情况是多量子阱层61、62和63的中心分别布置在驻波的波腹点。
此外，有文件记载或存在这种可能性，即在980nm范围的半导体激光器中，考虑到载流子限制，在势垒层中或分隔层51中增加0.2到0.5的Al含量。然而，如图1所示，具有如此成分比例的铝砷化镓材料具有低热导率和低热辐射效果。因此，在本实施例中，高热导性砷化镓材料用作势垒层、分隔层51等。同样，为提高载流子阻碍效果，载流子阻碍层由具有比铝砷化镓材料更宽的能隙的磷化铟铝镓材料或砷磷化铝镓铟材料形成。基于上述考虑，在本实施例中，载流子阻碍效果和热辐射效果都得以实现。这里，如上文所述，第一载流子阻碍层31、第二载流子阻碍层32、第三载流子阻碍层33和第四载流子阻碍层34由磷化铟铝镓材料形成。替换地，这些层可由砷磷化铝镓铟材料形成。
通过使用上文形成的半导体层叠板，形成垂直腔面发射激光器，如图4所示。使用Nd:GdVO4固体激光器作为激发光源90，并且使用由多层SiO2/TiO2形成的介质镜作为外部反射镜80。基底11(其为砷化镓基底)的厚度是100微米。基底11通过金锡固定于热辐射基底70(其为金刚石基底)上。热辐射基底70可为任意由比砷化镓热导率更高的材料形成的基底，包括由硅或铜形成的基底。
[第二实施例]
接下来，将根据第二实施例对半导体层叠板进行说明。如图5所示，本实施例中的半导体层叠板具有不同于第一实施例中的半导体层叠板的结构。
在本实施例中，在半导体层叠板10中，成15度角((111)方向)的砷化镓(100)基底用作基底11，在其上30对砷化镓/砷化铝层被层叠形成半导体DBR12。在半导体DBR12上由砷化镓形成分隔层113，在其上，第一载流子阻碍层131、第一有源层41、第二载流子阻碍层132、第二有源层42、第三载流子阻碍层133、第三有源层43和第四载流子阻碍层134按此顺序形成。需要指出的是，在本实施例中，第一载流子阻碍层131、第一有源层41、第二载流子阻碍层132、第二有源层42、第三载流子阻碍层133、第三有源层43和第四载流子阻碍层134形成的区域可被称为谐振器层140。同样，在本实施例中，第一载流子阻碍层131、第二载流子阻碍层132、第三载流子阻碍层133和第四载流子阻碍层134可分别被称为第一宽能带半导体层、第二宽能带半导体层、第三宽能带半导体层和第四宽能带半导体层，从最靠近基底11的层开始数起。
第一有源层41、第二有源层42和第三有源层43中的每一个都具有分隔层、多量子阱层和分隔层按此顺序层叠于其上的结构；也就是说，分隔层形成在多量子阱层的两个表面上。具体地，第一有源层41具有分隔层51、多量子阱层61和分隔层51层叠于其中的结构；也就是说，分隔层形成于多量子阱层的两个表面上。第二有源层42具有分隔层51、多量子阱层62和分隔层51层叠于其中的结构；也就是说，分隔层形成于多量子阱层的两个表面上。第三有源层43具有分隔层51、多量子阱层63和分隔层51层叠于其中的结构；也就是说，分隔层形成于多量子阱层的两个表面上。分隔层51由砷化镓形成，而多量子阱层61到63包括砷化镓铟/砷化镓三量子阱TQW(λ＝980nm)。
同样，在本实施例中，第一载流子阻碍层131、第二载流子阻碍层132、第三载流子阻碍层133和第四载流子阻碍层134由砷磷化铝镓铟材料形成，每层具有不同的成分比例。具体地，第一载流子阻碍层131由(AlX1Ga1-X1)Y1In1-Y1P形成，第二载流子阻碍层132由(AlX2Ga1-X2)Y2In1-Y2P形成，第三载流子阻碍层133由(AlX3Ga1-X3)Y3In1-Y3P形成和第四载流子阻碍层134由(AlX4Ga1-X4)Y4In1-Y4P形成，其中X1＜X2＜X3＜X4，且Y1＝Y2＝Y3＝Y4。
在本实施例中，第一载流子阻碍层131、第二载流子阻碍层132、第三载流子阻碍层133和第四载流子阻碍层134由磷化铟铝镓材料形成。因此，当在和砷化镓分隔层的界面上生长晶体时，必须将生长气氛从磷/砷混合气氛改为砷气氛，或从砷气氛改为磷/砷混合气氛。然而，在这些情况下，砷化镓表面的砷原子或砷磷化铝镓铟表面的磷原子趋向于变成分离，这会在界面处产生晶格缺陷。产生的晶格缺陷吸收激光，其降低光发射效率。为最小化对于激光的吸收以及对光发射效率的减少，易受晶格缺陷影响的区域应位于驻波的节点上。
在本实施例中，第一载流子阻碍层131、第二载流子阻碍层132和第三载流子阻碍层133形成为使得每一层的中心都位于驻波的节点上，以最小化对激光的吸收。至于第四载流子阻碍层134，第四载流子阻碍层134和相邻的分隔层51之间的界面位于驻波的节点上，而第四载流子阻碍层134的表面位于驻波的波腹点上，以最小化由晶格缺陷等引起的对于激光的吸收。优选地，除了第四载流子阻碍层134以外，第一载流子阻碍层131、第二载流子阻碍层132和第三载流子阻碍层133的厚度都低于振荡波长的八分之一。
如图5所示，根据本实施例的结构在相邻的载流子阻碍层之间为等间距。当从表面激发后，载流子在深度方向上并不会均匀地产生。更多的载流子产生于更靠近表面的层处。因此，如果载流子阻碍层均匀地形成，更多的载流子在更靠近表面的多量子阱层处注入，而更靠近基底11的多量子阱层不被注入足够的载流子以促成通过外部谐振器的激光振荡。
因此，如图6所示，更靠近基底11的相邻的载流子阻碍层之间的间距比更靠近表面的那些形成的更宽。因而，载流子阻碍层之间产生的载流子可增加到能均匀将载流子注入到表面和基底之间的多量子阱层内，从而使有效的激光振荡成为可能。
在如图6所示、根据本实施例的半导体层叠板110a中，在基底11的顶部，30对砷化镓/砷化铝层被层叠形成半导体DBR12。在半导体DBR12之上，分隔层113由砷化镓形成。在分隔层113的顶部上，第一载流子阻碍层131、第一有源层141、第二载流子阻碍层132、第二有源层142、第三载流子阻碍层133、第三有源层43和第四载流子阻碍层134按此顺序形成。需要指出的是，第一载流子阻碍层131、第一有源层141、第二载流子阻碍层132、第二有源层142、第三载流子阻碍层133、第三有源层43和第四载流子阻碍层134形成的区域可被称为谐振器层140a。
第一有源层141、第二有源层142和第三有源层43中的每一个都具有分隔层、多量子阱层和分隔层按此顺序层叠于其上的结构；也就是说，分隔层形成在多量子阱层的两个表面上。
具体地，第一有源层141具有分隔层151、多量子阱层61和分隔层151层叠于其中的结构；也就是说，分隔层151形成于多量子阱层61的两个表面上。分隔层151的厚度被调整为使得电场强度分布的三个波腹点形成在第一载流子阻碍层131和第二载流子阻碍层132之间。因此，分隔层151比分隔层51更厚。
同样，第二有源层142具有分隔层51、多量子阱层62和分隔层151层叠于其中的结构；也就是说，分隔层51形成于多量子阱层62的一个表面上，而分隔层151形成在多量子阱层62的另一个表面上。分隔层151的厚度被调整为使得电场强度分布的两个波腹点形成在第二载流子阻碍层132和第三载流子阻碍层133之间。
同样，第三有源层43具有分隔层51、多量子阱层63和分隔层51层叠于其中的结构；也就是说，分隔层51形成于多量子阱层63的两个表面上。电场强度分布的波腹点形成在第三载流子阻碍层133和第四载流子阻碍层134之间。
如上文，在图6示出的结构中，层被形成为使得从基底11移向表面时，载流子阻碍层之间的间距变得更窄。换句话说，层形成为使得从表面移向基底11时，载流子阻碍层之间的间距变得更厚。也就是说，从基底11数起的第m-1层和第m层宽能带半导体层之间的间距形成得比第m层和第m+1层宽能带半导体层之间的间距更宽。同样，如图6所示，多量子阱层的每一个不必位于两个相邻的载流子阻碍层的中心处，而是位于电场强度分布的波腹点处。
其它细节与第一实施例中的相同。
[第三实施例]
(垂直腔面发射激光器装置)
这里将描述第三实施例。在本实施例中，将描述一个垂直腔面发射激光器装置，其使用根据第一或第二实施例的半导体层叠板，具有980nm范围的振荡波长。
如图7所示，本实施例中的垂直腔面发射激光器装置形成在一种类型的半导体基底200上，该基底为面方向倾斜的倾斜基底，在其上形成并层叠了缓冲层201、下层半导体DBR202、有源层205和上层半导体DBR207。同样，在上层半导体DBR207的顶部上，形成了接触层209。通过移除部分接触层209，形成上层半导体DBR207、有源层205和凸形台面220。在上层半导体DBR207内形成电流限制层208，它从已经形成的凸形台面220的侧表面被氧化，以形成选择性氧化区域208a和非氧化区域或电流限制区域208b。需要指出的是，本实施例中半导体基底200上形成的下层半导体DBR202和有源层205对应于第一实施例和其他实施例中的半导体层叠板上形成的部分。本实施例中的半导体基底200对应于第一实施例和其他实施例中的基底11，下层半导体DBR202对应于半导体DBR12，且有源层205对应于谐振器层40。
此外，在本实施例中，形成保护膜210以覆盖凸形台面220的侧表面和凸形台面220的底部周围。上层电极211形成在保护膜210上，触及暴露在凸形台面220的顶面处的接触层209，而下层电极212形成在半导体基底200的背面上。
同样，上层半导体DBR207由例如25对砷化镓/砷化铝层形成，并且在上层半导体DBR207中形成电流限制层208或砷化铝层。电流限制层208形成为大约30nm的厚度，位于从有源层205数起的驻波第三节点的位置处。接触层209由p-GaAs形成。保护膜210由例如氮化硅SiN等形成。
(制造垂直腔面发射激光器装置的方法)
接下来，依据图7，根据本实施例，将描述一种制造垂直腔面发射激光器装置的方法。
首先，在砷化镓形成的半导体基底200的顶部，形成并层叠了缓冲层201、下层半导体DBR202、有源层205、上层半导体DBR207和接触层209。此处，电流限制层208形成在上层半导体DBR207内。MOCVD(金属有机化学气相沉积)或MBE(分子束外延)可用来制造这种装置。例如，如果使用MOCVD来形成上述层，对于3元素组，可用三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)和三甲基铟(TMI)为原材料；对于5元素组，可用磷化氢(PH3)和砷化三氢(AsH3)为原材料；对于p型掺杂剂，可用四溴化碳(CBr4)和二甲锌(DMZn)为原材料；以及对于n型掺杂剂，可用硒化氢(H2Se)为原材料。如早先提到的，本实施例中，半导体基底200上形成的下层半导体DBR202和有源层205与第一实施例和其他实施例中半导体层叠板上的那些部分大体一样，且可用同样的方法制造。
接下来，形成凸形台面220。具体地，光刻胶施加在接触层209上以通过曝光装置进行曝光，其然后被显影以在凸形台面220形成的区域中形成光阻图案。在那之后，通过使用C12气体的ECR(电子回旋共振)等离子刻蚀，接触层209、上层半导体DBR207和有源层205上未形成光阻图案的区域被移除以形成凸形台面220。
接下来，在水蒸气下应用热加工工艺。具体地，当凸形台面220形成后，电流限制层208暴露在凸形台面220的侧表面上，它从凸形台面220的侧表面被氧化以形成选择性氧化区域208a。在电流限制层208内的围绕凸形台面220中心的非选择性氧化区域，或被选择性氧化区域208a所环绕的区域变成电流限制区域208b，在其中电流可集中流动。
接下来，保护膜210形成在凸形台面220的侧表面上或凸形台面220的底部周围。具体地，使用CVD(化学气相沉积法)，保护膜210(例如氮化硅膜)形成于形成凸形台面220的表面上。在那之后，形成光阻图案，其在凸形台面220的顶面上带有开孔。然后，通过干法刻蚀(例如反应离子刻蚀RIE)移除在其上尚未形成光阻图案的保护膜210的区域，以暴露出接触层209。在那之后，通过有机溶剂等移除光阻图案。
接下来，形成上层电极211或p电极。具体地，光刻胶施加在接触层209和保护膜210上以通过曝光装置进行曝光，其然后被显影以在形成上层电极211的区域处形成具有开孔的光阻图案。在那之后，铬/金锌/金的多层金属膜通过真空沉积形成，将它浸入有机溶剂以移除在区域内形成的多层金属化膜，光阻图案已经通过剥离技术在该区域内形成，移除后剩下的多层金属膜形成上层电极211。因此，可形成上层电极211以连接暴露在凸形台面220顶面上的接触层209。
接下来，形成下层电极212或n型电极。具体地，在形成下层电极212前，半导体基底200的背面被打磨成例如100微米到300微米的预设厚度。下层电极212通过真空沉积法由金锗/镍/金或钛/铂/金的多层金属膜形成。那之后，应用退火，使其成为上层电极211和下层电极212间的欧姆接触部成为可能。
通过上述加工过程，可制造出根据本实施例的垂直腔面发射激光器装置。根据本实施例，垂直腔面发射激光器装置通过具有高载流子限制效果、优越的热辐射特性和高增益的电流注入发射激光。
其他细节与第一实施例和第二实施例相同。
上文描述了本发明的实施例。更进一步，本发明不局限于这些实施例，在不背离本发明的范围内可进行各种变动和修改。
本申请基于向日本专利局2012年3月13日提交的2012-056196号日本优先申请和2013年1月17日提交的2013-006259号日本优先申请，其全部内容在此合并引用。

Claims (9)

1.一种半导体层叠板，包括：
半导体分布布拉格反射镜(DBR)，其形成在基底上；以及
谐振器层，其通过交替层叠宽能带半导体层和有源层形成在半导体分布布拉格反射镜上，
其中宽能带半导体层的能隙大于有源层的能隙，
其中每一个有源层都包含一个多量子阱(MQW)层和两个分隔层，所述多量子阱层的每个表面上形成一个分隔层，
其中所述多量子阱层通过交替层叠势垒层和量子阱层形成，
其中形成n层宽能带半导体层，且从基底数第m层宽能带半导体层的能隙Egm，以及从基底数第m-1层宽能带半导体层的能隙Egm-1满足Egm-1<Egm，其中n和m均为大于或等于2的整数，且l<m≤n，
其中从基底数起的第1层到第n-1层宽能带半导体层中的每一个，其中心都位于驻波的节点处，
其中从基底数起的第n层宽能带半导体层的一个附着于有源层上的表面位于所述驻波的节点处，且其另一个表面位于所述驻波的波腹点上。
2.根据权利要求1所述的半导体层叠板，
其中所述宽能带半导体层由包含磷化铟铝镓的材料形成，第m层宽能带半导体层的铝的成分比例Xm和第m-1层宽能带半导体层的铝的成分比例Xm-1满足Xm-1<Xm。
3.根据权利要求1所述的半导体层叠板，
其中所述宽能带半导体层由包含砷磷化铝镓铟的材料形成，第m层宽能带半导体层的铝的成分比例Xm和第m-1层宽能带半导体层的铝的成分比例Xm-1满足Xm-1<Xm。
4.根据权利要求2或3所述的半导体层叠板，
其中如果所述宽能带半导体层由包含磷化铟铝镓的材料形成，则所述宽能带半导体层具有规定成分的铟和磷，而如果所述宽能带半导体层由包含砷磷化铝镓铟的材料形成，则所述宽能带半导体层具有规定成分的铟、磷和砷。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的半导体层叠板，
其中如果所述量子阱层具有压缩畸变，则所述宽能带半导体层具有拉伸畸变，而如果所述量子阱层具有拉伸畸变，则所述宽能带半导体层具有压缩畸变。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的半导体层叠板，
其中所述分隔层由砷化镓形成。
7.根据权利要求1到3中任一项所述的半导体层叠板，
其中第m-1层和第m层宽能带半导体层之间的间距比第m层和第m+1层宽能带半导体层之间的间距宽。
8.一种垂直腔面发射激光器，包括：
根据权利要求1到7中任一项所述的半导体层叠板；
布置在所述谐振器层上的外部反射镜；以及
激发光源，来自其的比所述谐振器层发射出的光线波长更短的光线照射到所述谐振器层上。
9.一种垂直腔面发射激光器，包括：
根据权利要求1到7中任一项所述的半导体层叠板；以及
上层半导体分布布拉格反射镜，其形成于谐振器层上，
其中半导体层叠板上的半导体分布布拉格反射镜是下层半导体分布布拉格反射镜，
其中通过注入电流到谐振器层中而发射激光。
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