CN103647217A - 一种PiNiN结构晶闸管激光器 - Google Patents

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王火雷
丁颖
王宝军
边静
王圩
潘教青
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Abstract

本发明公开了一种既可以呈现晶闸管电学特性又可以呈现激光器光学特性的PiNiN结构晶闸管激光器，属于半导体光电子领域。本发明的激光器包括依次层叠的N型电极、N型衬底、N型缓冲层、第一N型重掺杂层、第一无掺杂的有源区、第二N型重掺杂层、第二无掺杂的有源区、P型重掺杂层、P型接触层和P型电极。本发明的晶闸管激光器中引入重掺杂N层和重掺杂P层，以及无掺杂的i层，在获得晶闸管电学特性的同时，可以获得高功率和低阈值的激光器光学特性。

Description

一种PiNiN结构晶闸管激光器
技术领域
本发明涉及一种PiNiN结构的晶闸管激光器，此器件不仅有晶闸管的电学特性，而且具有激光器的光学特性。
背景技术
随着光学开关设备的发展，pnpn结构光学开关作为主要研究对象已经取得了一系列的重要研究成果。光学开关在光学存储器、光互连、路由、神经网络等领域具有重要应用。在光学开关设备中，光学晶闸管具有很多优点，如快速的开关速度、低的开关能耗等。目前的主要研究都集中在活得更快的开关速度和更低的开关能耗。
光电晶闸管激光器不仅可以作为光学开关，并且可以发射激光。传统的pnpn结构晶闸管中间层的载流子由于不能很快耗尽，所以其开关时间不足够快。而耗尽型光学晶闸管很好的解决了这个问题。
传统的晶闸管只有在正向偏压时才具有晶闸管电学特性，即只有正向偏压可以起到开关作用，这也大大限制了晶闸管的应用。而晶闸管激光器在光通讯和光互连系统中都有重要的应用。目前晶闸管激光器的研究主要集中在InP的材料体系，其激光发射波长主要集中在1.55μm波段附近，但这些器件的阈值大，功率低一直在限制着其应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种PiNiN结构晶闸管激光器。此结构的晶闸管激光器在正向偏压和反向偏压状态都具有晶闸管的电学特性，这也是区别于传统晶闸管的重要部分。除此之外，晶闸管激光器还可以发射低阈值、高功率的激光。这也是此结构晶闸管激光器的优良特性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种PiNiN结构晶闸管激光器，该晶闸管激光器由依次层叠的N型电极层、N型衬底、N型缓冲层、第一N型重掺杂层、第一无掺杂有源区层、第二N型重掺杂层、第二无掺杂有源区层、P型重掺杂层、P型接触层和P型电极层)组成，所述第一N型重掺杂层由AlGaAs材料构成。
根据本发明的一种具体实施方式，所述N型衬底由GaAs材料构成，所述N型缓冲层由GaAs材料构成。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一N型重掺杂层中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一N型重掺杂层中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一N型重掺杂层厚度设置在800nm～2500nm之间。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一无掺杂有源区层和第二无掺杂有源区层由III-V组材料构成。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一无掺杂有源区层和第二无掺杂有源区层均包括1～6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第二N型重掺杂层由GaAs或AlGaAs材料构成。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第二N型重掺杂层厚度设置在30nm～400nm之间。
根据本发明的一种具体实施方式，所述P型重掺杂层由AlGaAs材料构成。
根据本发明的一种具体实施方式，所述P型重掺杂层中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。
根据本发明的一种具体实施方式，所述P型重掺杂层中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。
根据本发明的一种具体实施方式，所述P型重掺杂层厚度设置在800nm～2500nm之间。
(三)有益效果
本发明采用PiNiN结构的晶闸管激光器，可以有效解决现有技术中的问题。本发明使晶闸管激光器的研究拓展到GaAs材料体系，不仅有效拓宽了晶闸管激光器的波长范围，在正向偏压和反向偏压时都具有晶闸管电学特性，即在正向偏压和反向偏压都可以起到开关作用，同时可以实现低阈值、大功率的激光。
附图说明
图1是根据本发明提出的PiNiN结构晶闸管激光器的剖面图；
图2根据本发明提出的PiNiN结构晶闸管激光器的正向偏压的晶闸管电学特性图；
图3根据本发明提出的PiNiN结构晶闸管激光器的反向偏压的晶闸管电学特性图；
图4根据本发明提出的PiNiN结构晶闸管激光器的光学功率-电流特性图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是根据本发明提出的一种PiNiN结构晶闸管激光器的剖面图。如图1所示，该激光器由依次层叠的N型电极层1、N型衬底2、N型缓冲层3、第一N型重掺杂层4、第一无掺杂有源区层5、第二N型重掺杂层6、第二无掺杂有源区层7、P型重掺杂层8、P型接触层9和P型电极层10。
所述N型电极层1可由能形成N型欧姆接触的材料构成，例如Au/Zn或AuGeNi。其厚度应设置在150nm～1000nm之间，优选为300nm。其可通过热蒸发或磁控溅射方法制备。
所述N型衬底2由GaAs材料构成。
所述N型缓冲层3可由GaAs材料构成。其厚度应设置在100nm～1000nm之间，优选为400nm。其可通过MOCVD或MBE进行材料生长制备。
所述第一N型重掺杂层4可由AlGaAs材料构成，其中AlAs的组分可以是0.4～0.6的固定值，也可以是为线性渐变的值，例如AlAs组分变化范围为0.3～0.6。其厚度应设置在800nm～2500nm之间，优选为l800nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
所述第一无掺杂有源区层5可由III-V组材料构成，例如GaAs，AlGaAs，InGaAs等。其中包括1～6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
所述第二N型重掺杂层6可由GaAs或AlGaAs材料构成。其厚度应设置在30nm～400nm之间，优选为60nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
所述第二无掺杂有源区层7可由III-V组材料构成，例如GaAs，AlGaAs，InGaAs等。其中包括1～6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
所述P型重掺杂层8可由AlGaAs材料构成。其中AlAs的组分为0.4～0.6的固定值，或者为线性渐变的结构，其中AlAs组分变化范围为0.3～0.6。其厚度应设置在800nm～2500nm之间，优选为1800nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
所述P型接触层9由GaAs材料构成。其厚度应设置在50nm～500nm之间，优选为300nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
所述P型电极层10可由能够形成P型欧姆接触的材料构成，例如AuZn，TiAu。其厚度应设置在100nm～1000nm之间，优选为300nm。其可通过热蒸发或磁控溅射方法制备。
下面通过一个实施例来说明本发明的激光器及其相应的制备方法。
在该实施例中，该N型电极1制作在衬底2的下面，电极材料为AiGeNi或AuZn。
N型衬底2采用GaAs衬底，其衬底是(100)面N型镓砷材料。
在N型衬底2上制作N型缓冲层3，该N型缓冲层也采用MOCVD进行外延材料生长，其厚度为400nm。
在N型GaAs缓冲层3上制作第一N型重掺杂层4，该第一重掺杂层4由AlGaAs构成，掺杂物是硅Si，掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3。其中AlAs的组分是0.47，其厚度为1800nm。
在第一N型重掺杂层4上制作第一无掺杂有源区5，该第一无掺杂有源区5的有源区材料是InGaAs、GaAs、AlGaAs量子阱材料，量子阱个数为2。以InGaAS为量子阱材料，GaAs为垒材料，AlGaAs为限制层材料。
在第一无掺杂的有源区5上制作该第二N型重掺杂层6，第二N型重掺杂层6由GaAs构成，掺杂物是硅Si，掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3。其中GaAs层厚度为60nm。
在第二N型重掺杂层6上制作所述第二无掺杂有源区7，该有源区7的材料是InGaAs、GaAs、AlGaAs等量子阱材料，量子阱个数为2。以InGaAS为量子阱材料，GaAs为垒材料，AlGaAs为限制层材料。
在第二无掺杂的有源区7上制作该P型重掺杂层8，该P型重掺杂层8由AlGaAs构成，基掺杂物是碳C或锌Zn，掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3其中AlAs的组分是0.47，其厚度为1800nm。
在第二P型重掺杂层8上制作该P型接触层9，该P型接触层9由GaAs构成，掺杂物是碳C或锌Zn，掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3。其厚度为300nm。
在P型接触层9上制作该P型电极10，P型电极10电极材料为AuZn或TiAu或TiPtAu。其厚度为300nm。
在工作时，该结构的晶闸管激光器在正向偏压和反向偏压时都具有晶闸管电学特性，同时可以实现30mA的低阈值、30mW的大功率的激光。
图2和图3分别该实施例的晶闸管激光器正向偏压和反向偏压的晶闸管电学特性图。如图所示，当正向偏压时，其电压-电流曲线呈现S型晶闸管电学特性，其开关点电压和保持点电压分别是5V和2.6V，对应的电流分别是1mA和3.6mA；当反向偏压时，其电压-电流曲线呈现S型晶闸管电学特性，其开关点电压和保持点电压分别是30V和0.9V，对应的电流分别是0.6mA和1mA。
图4是根据本发明提出的PiNiN结构晶闸管激光器的功率-电流光学特性图，如图所示，此晶闸管激光器的阈值可低至30mA，功率可以高至30mW。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，该晶闸管激光器由依次层叠的N型电极层(1)、N型衬底(2)、N型缓冲层(3)、第一N型重掺杂层(4)、第一无掺杂有源区层(5)、第二N型重掺杂层(6)、第二无掺杂有源区层(7)、P型重掺杂层(8)、P型接触层(9)和P型电极层(10)组成，所述第一N型重掺杂层(4)由AlGaAs材料构成。
2.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述N型衬底(2)由GaAs材料构成，所述N型缓冲层(3)由GaAs材料构成。
3.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述第一N型重掺杂层(4)中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。
4.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述第一N型重掺杂层(4)中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。
5.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述第一N型重掺杂层(4)厚度设置在800nm～2500nm之间。
6.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述第一无掺杂有源区层(5)和第二无掺杂有源区层(7)由III-V组材料构成。
7.如权利要求6所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述第一无掺杂有源区层(5)和第二无掺杂有源区层(7)均包括1～6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。
8.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述第二N型重掺杂层(6)由GaAs或AlGaAs材料构成。
9.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述第二N型重掺杂层(6)厚度设置在30nm～400nm之间。
10.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型重掺杂层(8)由AlGaAs材料构成。
11.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型重掺杂层(8)中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。
12.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型重掺杂层(8)中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。
13.如权利要求1所述的PiNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型重掺杂层(8)厚度设置在800nm～2500nm之间。
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