本发明是由以AL为主的ALGa In As/InP材料组成的一种固态、混合物半导体光元件。激活层包括一个或多个量子阱,它们最好可压缩变形,由Ga In As(或最好由ALGa In As或以In Ga AsP替代)组成,并夹在由ALGa In As构成的阻挡层之间,这些阻挡层要么与InP晶格匹配,要么可拉伸变形,以便补偿压缩变形的激活层。ALGa In As阻挡层的带隙和由此引起的结构需仔细选择以便光层的光性能最佳。
鉴于人们对生长在Ga As基质上的Ga As/ALGa As或In GaAs/ALGa As层的观察普遍认为AL氧化会引起长期功能退化,所以ALGa In As/InP层不像Ga In AsP/InP那样获得广泛研究。然而,由于激光器异质结两侧具有比0.4ΔEg更大的导带偏移0.7ΔEg,所以ALGa In As/InP激光器与Ga In AsP/InP激光器相比具有一些内在的优点。这种大的偏移允许电子在高温下制约在In Ga As甚或低铝含量的ALGa In As的量子阱中。
较佳实施例利用并由此结合发明者实验组和其它合作者在由ALGa In As/InP材料簇构成的变形量子阱激光器领域中的某些研究成果。这些成果已被揭示在1992年固态器件和材料的国际会议的详细摘要、Tsukuba版第604至606页的、由Bhat等人著的“低阈值1.3和1.55μm变形量子阱激光器”一文中,电子通讯(Electronics Letters)、1992年版、第2323页至2325页的、由Zah等人著的“低阈值1.3μm变形层ALxCayIn1-x-yAs量子阱激光器。技术的附加部分由下文中得到揭示:(1)日本应用物理期刊、1992年第31卷、1365-1371页、由Kasukawa等人著“通过有机金属化学蒸发淀积生成的1.5μmGa In As/ALGa In As渐变折射率分别制约的异质结的量子阱激光二极管”一文;(2)ECOC,1991,Thijs等人著“高输出功率(380mw)、低阈值电流(1.3mA)、低线宽增强因子(≤2)、λ=1.3μm形变量子阱激光器”一文;(3)应用物理快报,第59卷,1991年,2486-2488页,由Kasukawa等人著“由金属有机化学蒸发淀积生成的极低阈值电流密度、1.5μmGa In As/ALGa In As渐变折射率分别制约异质结形变量子阱激光二极管”一文;(4)铟磷化合物及有关材料的第4届国际会议:会议(文集),1992年4月21-24日,453-456页,由Bhat等人著“用于低阈值1.3μm和1.55μm量子阱激光器的形变ALxGayIn1-x-y的OMCVD生成法”一文。
可用于本发明下面详细描述的实施例的,至少有两种激光器结构。两种结构的一般特性和它们的形成描述在本发明第一组两篇引用参考中。
第一种结构,如图1剖面图所示,是一种脊波导管激光器。一ALGa In As激活层12生长在一n型InP基层10上,它们的详细结构是本发明重要方面。一P型InP层14淀积在激活层12上。n型基层10作为下包层而p型层14作为上包层,所以它们共同将光导入并邻接于激活层12。一重掺杂接触(contact)P++型In Ga As层16淀积在上包层14上。然后,通过接触层16和大部分上包层14由光刻步骤形成两个槽18,在两槽之间有脊20,在脊20的顶上留有来自接触层16的一绝缘接触19。在脊20被掩模之后,一SiO2绝缘氧化层22淀积在其它区域上。最后,淀积一Ti/Au金属化层24,它仅与脊20的顶部的接触层19有效地电气连接。跨接于Ti/Au金属化层24和基层10上的金属化层28的偏压电源26将电流垂直通过脊20到基层10,穿过上、下包层14和10之间形成的p-n二极管,两包层之间具有激活层12。向图示极性给p-i-n结构加偏压。因此,激活层12产生在上、下包层14和10之间水平导向的光。光从脊20的轴向端上的部分反射器反射并返回,从它们的之一输出。该结构在阈值电流ITh之上发射激光。
第二种结构,如图2剖面图所示,它是一种半导体器件,一种埋入式异质结激光器。ALGa In As激活层12生长在n型InP基层10上面。脊20被掩模,且所包围的材料被蚀刻成阱进入InP基层10。然后一种半绝缘InP层30再一次在那里生长且几乎生长到脊20的顶部。一种P型上包层14生长在激活层12和半绝缘层30上面。一未图示的n型层将半绝缘层30与P型上包层14分开。P++型接触层22和相联的金属化层淀积在上包层14上。半绝缘层30制约着偏置电流通过脊20中的激活层12。这些结构,及激活层12的详细结构和相联的过渡(transition)结构,是周知的。
本发明的工作实施例如图3剖面图中所示。它包括一个激活层12,该激活层12具有由双轴向压缩变形的ALGa In As制成的仔细确定的量子阱,且由不变形或拉紧变形的ALGa In As制成的等间隔仔细确定的阻挡层分开。该结构,按照发明者实验组在上述引用文章中描述的一般工艺,在重搀杂n+型InP基层40上用有机金属化学蒸发淀积(OMCVD)方法外延生长而成。
用n型掺杂到1×1018cm-3的InP制成的低包层42,在基层40上生长到1μm厚。在生长层中,硫化氢用于所有n型搀杂,而二甲锌用于所有p型搀杂。所谓未掺杂的层,由于没有锌扩散。可以包含电激活掺杂物的痕量。一下过渡区44由4部分组成并改进了图1和2的基本结构。一起始合成渐变的层46掺杂n型到1×1018cm-3,该层46在以1.0-AL-Q(该符号表示下文将给与解释)开始的10nm以上渐变到In0.48 Al0.52 As。In ALAs的成份与InP晶格匹配。然后,生长由n型In0.48 AL0.52 As组成的两个层48和50。下面一层48有40mm的厚度,并掺杂n型到1×1018cm-3。而上层50有50nm的厚度并轻微向下掺杂到7×1017cm-3。In Al As层48和50两者起到制约激活层12中的电子的作用。
这种结构的大部分的电子能带结构图示在图4中。InP/ALIn As渐变层46和更重掺杂的下面的ALIn As层48有助于导带附近的电子克服InP和ALInAs之间的0.31eV的阻挡层。
一未掺杂的制约阻挡层的过渡层52淀积在上面的ALIn As层50上,它在层48和50的In0.48 Al0.52 As成份和下文要详述的量子阱阻挡层的成份之间进行线性成份渐变。制约阻挡层的过渡层52有100nm的厚度。
激活层12由5个量子阱54夹心以4层阻挡层56构成。相邻的过渡层在这样确定的激活层12的外部起阻挡层的作用。
5个量子阱54不掺杂,具有成份为Al0.18 Ga0.22 In0.70 As。并具有厚度为8.8nm。量子阱如此之薄以便在该阱中形成电子和空穴的束缚能态,产生两维的状态密度。产生这样厚和成份的阱,在发光上作为产生带隙为1.29μm的度量。由于剩余结构要么是InP,要么是与晶格匹配的材料,所以所述的成份也即指量子阱54是可压缩变形的。量子阱54没有厚到使变形产生晶格错位或其它变形退化的缺点。即,该量子阱54具有假同晶厚度。压缩(或拉伸)变形量可通过将成份上相关的ALAs、GaAs和InAs的晶格常数的线性组合与InP进行比较进行计算。
4层阻挡层56具有用1.0-AL-Q表示的成份。阻挡层不掺杂,每个厚度为10nm。AL-Q标注指与InP晶格匹配的四个一组的成份ALxGay In1-x-yAs。数字标注指电子带隙,它以微米表示的材料的带隙波长表达。晶格匹配条件表达为
y=0.468-0.983x,
而eV表示的带隙能量表达为:
Eg=0.36+2.093x+0.629y+0.577x2+0.456y2,
它涉及带隙波长为λ(μm)=1.24/Eg(eV)。如果带隙已知,那么结合上述两等式产生x或y的二次方程式。整个关系表示在图5中。于是,1.0-Al-Q具有X=0.318和y=0.154的成份。这些值是建立在上述能量关系上的,其精度不知道。实践中,带隙波长是由发光实验测量的。
激活层12上生长有一不掺杂的具有势垒制约的过渡层58,它与下面的制约势垒过渡层52对称,且其上生长有一由In0.48 Al0.52As组成的厚度为50nm的不掺杂的上制约层60。然后再生长一对p型上包层62和64。下面的一层62厚度为0.2μm并掺杂到7×1017cm-3、而上面的一层厚度为1.8μm并掺杂到1×1018cm-3。这种不同掺杂使吸收损失最小并减小了串联电阻,由于Zn扩散而不会使p/n结移入激活层。
包层64上生长一掺杂到1×1018cm-3的1.3-P-Q层66和一掺杂为1×1018cm-3的1.55-P-Q层68。标注P-Q指与InP晶格匹配的四个一组的成份Gax In1-x Asy P1-y。而数字标注为带隙波长。P-Q层用作P-InP和P++-In Ga As之间的跃变层,以便通过减少价带偏移作用来减小串联电阻。结构的垂直生长用一接触层70完成,该接触层70由P++型掺杂大于2×1019cm-3的In0.47Ga0.53As组成,其厚度为0.3μm。金属化层加到n++基层40和P++接触层70两者上,以便在激活层12两面形成一p-n结。
生成这样的结构,并在该结构的单侧定义一个图1所示的脊型波导,以便侧向制约载流子和光子。这样的侧向定义的芯片被切割,以便用许多空腔长度制成二极管激光器。然后对二极管激光器赋以电气光学特性。这些结果概括在具有剩余未涂复的刻面端的较佳实施例的不同空腔长度的表2中。最好,一刻面端做成几乎全反射,而另一端做成最佳反射以便光输出。
空腔长度(μm) |
300 |
600 |
900 |
1200 |
1500 |
ITh(mA)@25℃ |
13.2 |
18.9 |
23.5 |
29.6 |
35.4 |
ITh(mA)@65℃ |
23.1 |
29.9 |
37.9 |
46.6 |
55.5 |
ITh(mA)@85℃ |
32.2 |
38.9 |
49.1 |
60.2 |
70.5 |
Pop(mW)@ITh+25mA,25℃ |
6.01 |
5.42 |
4.6 |
4.37 |
3.95 |
Pop(mW)@ITh+25mA,65℃ |
5.06 |
4.56 |
3.87 |
3.58 |
3.12 |
Pop(mW)@ITh+25mA,85℃ |
3.99 |
3.86 |
3.34 |
3.12 |
2.75 |
斜率(mW/mA) |
0.24 |
0.22 |
0.18 |
0.17 |
0.16 |
外部η |
0.46 |
0.41 |
0.35 |
0.33 |
0.30 |
Δη,25-65℃(dB) |
-0.73 |
-0.67 |
-0.45 |
-0.79 |
-1.17 |
Δη,25-85℃(dB) |
-1.56 |
-1.25 |
-1.03 |
-1.30 |
-1.46 |
波长(nm)@25℃ |
1347 | |
1363 | |
1367 |
FWHM |
1.00 | |
0.70 | |
0.30 |
表2
从表2明显可见,本发明几乎都能满足表1的规定。不管在波导和激活区中的铝的高摩尔部分,最初寿命测试表明:没有大的刻面损坏或短期衰变。这些寿命试验与上述传统的认识相反,其结果是铝氧化引起长期衰变。
所生成三组比较例类似于上面例子。然而,它们的不同在于,量子阱阻挡层的成份从1.0-Al-Q变成为0.95-AL-Q、1.1-AL-Q或1.2-AL-Q。在0.95-AL-Q和1.2-AL-Q的情况下,合成激光器表明有明显差的特性。特别是在85℃和最短空腔长度下,它们表现出两倍的阈值电流和额定工作电流时的光输出仅一半。具有阻挡(势垒)成份为1.1-AL-Q的激光器被认为是勉强的但是适用的。
本发明不限于特定结构和第一详细实施例中给定的成份。
势垒(阻挡层)厚度可从10nm延伸到20nm,而制约层厚度每个可从50nm变化到200nm。n型InP包层,如果使用的话,其范围同样可从0.5至5μm,而P型包层从1至5μm。
压缩形变的精度值并不重要。量子阱的铝含量可改变且可为零。
详细例子涉及1.3μm激光器,但是本发明能用于具有上面1.3μm详细描述的最佳成份类型的其它发射波长。
本发明最重要(但不仅仅限于此)的应用是它用于激光器或其它连续的光发射器。本发明有关的应用是作为具有高增益和高效率的半导体放大器。当然,一种激光器实质上就是一种带有光反馈的放大器。
阻挡(势垒)层,相对于InP不变形,它可以拉伸形变,由此局部或全部解除量子阱层的可压缩形变。因此,可包括大量可压缩量子阱层而不会超过总的假同晶厚度。
在本发明的另一实施例中,量子阱由可压缩InGaAsP构成。InGaAsP量子阱和ALGaInAs阻挡层,鉴于这两种材料之间的带隙偏移,而能最佳化以提供优良的二极管激光器。
于是本发明提供一种可在高温下工作的高效激光器,它的应用已在1.3μm发射带上得到证实。