CN111987588A - 具有光场集中结构的半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体激光器领域，尤其涉及一种具有特殊光场集中结构的半导体激光器。本发明半导体激光器包含p面和n面电极、p型包覆层、p型光场集中结构、p型限制层、具有多量子阱可产生光子的有源层、n型限制层、n型光场集中结构、n型包覆层和衬底。其中n、p型光场集中结构为特殊光场集中结构，通过此特殊光场集中结构，光场能有效集中，增加光学限制因子，且可同时提高载流子注入效率避免产生载流子溢流效应，进而提升微分增益，使得激光二极管在光通信网络中的传输速率大幅提升。

Description

具有光场集中结构的半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，尤其涉及一种具有特殊光场集中结构的半导体激光器。
背景技术
用于光通信网络的传输光源(半导体激光器，又称为激光二极管)分为边射型光源与面射型光源两类，边射型光源又可分为DFB激光二极管和FP激光二极管二种；其中，DFB激光二极管是利用光栅技术于光腔中选定特定波长共振，为单一纵向模态的发光，主要应用于高速与长距离传输，但其工艺较为复杂、价格较为高昂；而FP激光二极管为多纵模发光，因为有较大的输出光谱线宽，所以除了主要发光波长之外，还伴随着强度较弱的其他波长，因此在传输中会产生较严重的色散现象，因而仅适用于短距离与低速传输，但因其制作成本较低、价格相对低廉，所以被广泛应用在区域网络传输中。
下面以边射型光源FP激光二极管为例进行说明。
参阅图1，传统的FP激光二极管1，为脊状波导的结构形式，包含一衬底11、一层形成在该衬底11上的光限制结构2，及上下两电极12。该光限制结构2具有一层与该衬底11连接而使其他层体易于外延生长的缓冲层21、一层自该缓冲层21向上外延生长的n型包覆层22、一层生长在该n型包覆层22上的n型限制层23、一层形成在该n型限制层23上的有源层24、一层形成在该有源层24上的p型限制层25、一层形成在该p型限制层25上且包括一中央区261与一将该中央区261环围其中的外围区262的刻蚀停止层26，及一层自该中央区261向上形成的p型包覆层27。
参阅图2、3，刻蚀停止层26在工艺中用以阻挡刻蚀过程的继续以便形成预定的形貌，进而使该激光二极管1呈脊状波导的结构；p型限制层25、n型限制层23分别配合对应的p、n型包覆层27、22，并呈脊状波导与渐变折射率分别限制异质结结构，相对于该有源层24形成一具有大能隙且折射率小的波导区，作为限制载流子与光场之用；该有源层24具有多量子阱241而可产生光子。
p、n上下两面电极12分别与该p型包覆层27及该衬底11相连接并形成欧姆接触，可用于对该有源层24提供电能，而作为提供注入该有源层24的载流子来源。
上述激光二极管1因为主要是利用p、n型包覆层27、22配合p、n型限制层25、23形成渐变折射率分别限制异质结结构，相对于有源层24形成能隙较大折射率较小的结构，用以同时限制载流子与集中光场；然而，这类技术乃是为了提供更佳的光限制效益所形成的激光结构，不可避免地必须牺牲部分载流子注入有源层24的效益，因此，需要较大的工作电流提供较多的载流子密度才能导致粒子数反转产生激光，而载流子密度过大则会导致载流子注入有源层24时较易随温度上升发生溢流现象，进而降低载流子与有源层24的复合效率。
除此之外，由于激光二极管1的光限制结构是采用渐变折射率分别限制异质结结构来形成光场的限制，因此并无法有效缩小激光光场分布的面积，这也使得传统的激光二极管1无法达到高带宽的操作速率。
发明内容
为了克服传统激光二极管的上述缺陷，本发明人对激光二极管的结构进行了改进和优化，制成了一种具有特殊光场集中结构的半导体激光器。本发明的目的在于提供一种特殊光场集中结构以增加激光二极管光源在光通信网络的传输速率。
具体而言，本发明具有特殊光场集中结构的半导体激光器(激光二极管)包含一衬底、一层特殊光场集中结构及两面电极。该特殊光场集中结构形成在该衬底上，并有一层与该衬底连接的n型包覆层、一层形成在该n型包覆层上的n型光场集中结构、一层形成在该n型光场集中结构上的n型限制层、一层形成在该n型限制层上且具有多量子阱可产生光子的有源层、一层形成在该有源层上的p型限制层、一层形成在该p型限制层上的p型光场集中结构及一层形成在该p型光场集中结构上的p型包覆层，该p型光场集中结构和n型光场集中结构均由具有高折射率系数的材料构成，该p、n型光场集中结构限制水平方向光场，并补偿垂直方向的光场偏移。
更具体地，本发明提供了一种具有光场集中结构的半导体激光器，包含p面和n面电极32、p型包覆层48、p型光场集中结构47、p型限制层46、具有多量子阱可产生光子的有源层45、n型限制层44、n型光场集中结构43、n型包覆层42、包覆层41和衬底31；其特征在于：所述光场集中结构中同时包含了p型光场集中结构47和n型光场集中结构43。
进一步地，所述半导体激光器中包含的p型限制层46与n型限制层44能隙大于有源层45能隙，从而能够抑制载流子溢流。
进一步地，所述半导体激光器中包含的衬底31是以InP构成；所述p型光场集中结构47由三层不同x、y比例的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)材料构成，即p型第一层471、p型第二层472和p型第三层473，并通过不同掺杂形成p型光场集中结构47，其能隙介于0.9～1.3eV，其中p型第一层471、p型第三层473的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)的折射率大于p型第二层472；所述n型光场集中结构43也由三层不同x、y比例的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)材料构成，即n型第一层431、n型第二层432和n型第三层433，并通过不同掺杂形成n型光场集中结构43，其能隙介于0.9～1.3eV，其中n型第一层431、n型第三层433的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)的折射率大于n型第二层432。
进一步地，所述半导体激光器中包含的p型光场集中结构47和n型光场集中结构43的厚度介于0.1～1μm，且所述p型限制层46与n型限制层44的厚度介于0.001～0.2μm。
进一步地，所述半导体激光器中包含的p型限制层46与n型限制层44是以AlInAs材料构成的。
进一步地，所述半导体激光器中包含的有源层45的多量子阱包括5～8对压缩型应变量子阱，且其发光波长为1.1～1.6μm。
本发明的优点在于由三层高低高拆射率系数材料构成的p、n型光场集中结构减少光场的分布面积，并采用载流子抑制层显著降低载流子溢流现象，以此提高器件的高频特性响应，进而提升器件的操作速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是针对本发明的具体实施例，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据下述附图获得其他的附图。
图1是传统的FP激光二极管结构图。
图2是传统的FP激光二极管局部结构剖面能带图。
图3是传统的FP激光二极管局部结构剖面折射率图。
图4是本发明半导体激光器结构图。
图5是本发明半导体激光器局部结构剖面能带图。
图6是本发明半导体激光器局部结构剖面折射率图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
在本发明中，若无特别说明，所有的装置和材料均可从商业途径得到或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例
本实施例以FP激光器为范例(参见附图4-6)，实际也可应用于DFB激光器上。
参见图4，本发明一种具有特殊光场集中结构的半导体激光器(激光二极管)3，一种较佳实施例，脊状波导的结构形式，包含一层衬底31、一层形成在该衬底31上的特殊光场集中结构4，及n、p两面电极32。
该衬底31经过掺杂可导电，在本例中是以InP为衬底。
该特殊光场集中结构4自该衬底31向上外延生长形成，具有一层与该衬底31连接而使后续层体易于外延的包覆层41、一层自该包覆层41向上外延形成的n型包覆层42、一层形成在该n型包覆层42上的n型光场集中结构43、一层形成在该n型光场集中结构43上的n型限制层44、一层形成在该n型限制层44上的有源层45、一层形成在该有源层45上的p型限制层46、一层形成在该p型限制层46上的p型光场集中结构47，及一层形成在该p型光场集中结构47上的p型包覆层48，其中，该n型包覆层42与p型包覆层48分别是以经过掺杂的InP构成的n、p型。
该有源层45以AlGaInAs构成，具有由数个压缩型应变量子阱层451与伸张型应变势垒452组成的多量子阱层，可产生光子，产生的光场再经由该p、n型光场集中结构47、43产生最佳的光场集中效果。
该n型光场集中结构43包括三层与该n型包覆层42上界面相连接的n型光场集中层431、432、433，一层载流子抑制层44形成在该n型光场集中层433上并与该有源层45下界面相连接。
该p型光场集中结构47包括三层与刻蚀停止层461相连接的p型光场集中层471、472、473，该有源层45上界面连接载流子抑制层46，该载流子抑制层46上连接一层刻蚀停止层461，其中p型光场集中结构47与p型包覆层48由光刻技术形成脊状结构。
该p、n型光场集中结构47、43分别是以具有高低高折射系数的InGaAsP构成，厚度介于0.1～0.5μm，且能隙介于0.9～1.3eV，其可限制水平方向的光场；与此同时，该刻蚀停止层461在工艺中可用以阻挡刻蚀过程的继续，而使p型光场集中结构47与p型包覆层48成形出预定形貌，进而使该激光二极管3呈脊状波导的结构形式，而以上、下光场集中结构47、43补偿垂直方向光场的偏移。
该二层载流子抑制层44、46分别以InAlAs构成，厚度介于0.001～0.15μm，用以防止载流子溢流，降低激光二极管3在高温操作时的阈值电流，并提升电子-空穴的复合率以增加激光二极管3的共振频率。
该两片电极32分别与该衬底31及该特殊光场集中结构4上方p型包覆层48相连接并形成欧姆接触，用以对该有源层45提供电能，以注入载流子。
由激光共振频率与激光结构参数的关系式可知
Figure BSA0000219672840000061
其中：vg 是光传播速率
Γ 是整体激光二极管3的限制因子
dg/dn 是微分增益
Nw 是量子阱451的数目
dw 是单一量子阱451的厚度
Wact 是有源层45的厚度(在此为脊状波导结构的宽度)
L 是光腔的长度
该p、n型光场集中结构47、43因为具有高光场集中效果，可有效提升对激光光场的集中性，增加出光效率，进一步提升激光的共振频率。
与传统的激光二极管1不同的是，本发明具有特殊光场集中结构4的激光二极管3是以此p、n型光场集中结构以增加对载流子的限制性进而降低阈值电流，并改采用具有高低高折射率的InGaAsP材料组成p、n型光场集中结构47、43，可有效减少激光光场的分布面积，且同时以位于该有源层45上、下两界面之势垒较高的载流子抑制层44、46降低高温操作时的阈值电流和提升电子-空穴的复合率以增加微分增益，而有助于解决热效应与载流子堆积导致阈值电流劣化的问题，与此同时，本发明所采用的p、n型光场集中结构47、43两旁亦成梯度折射率分别限制异质结结构与高低高拆射率搭配可进一步提升器件高频特性，进而提升传输速率。
综上所述，本发明为具有特殊光场集中结构4的激光二极管3，主要是以三层具有高低高折射率的InGaAsP材料建构p、n型光场集中结构47、43，以提升光场集中效果，并同时采用AlGaInAs材料建构有源层45，并于有源层的两界面以能隙较大的AlInAs材料建构载流子抑制层44、46，通过AlGaInAs材料具有较大的导带偏移并与势垒较大的AlGaInAs材料相配合，可有效抑制注入到有源层45的载流子产生溢流现象，避免电子-空穴的累积而进一步导致的热效应和阈值电流劣化问题，降低器件操作时的阈值电流并提升电子-空穴复合率，以获得更高的驰豫振荡频率，进而提升器件的操作速率，从而实现本发明的设计目的。
以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种具有光场集中结构的半导体激光器，包含p面和n面电极(32)、p型包覆层(48)、p型光场集中结构(47)、p型限制层(46)、具有多量子阱可产生光子的有源层(45)、n型限制层(44)、n型光场集中结构(43)、n型包覆层(42)、包覆层(41)和衬底(31)；其特征在于：所述光场集中结构中同时包含了p型光场集中结构(47)和n型光场集中结构(43)。
2.如权利要求1所述的具有光场集中结构的半导体激光器，其特征在于：所述p型限制层(46)与n型限制层(44)能隙大于有源层(45)能隙，从而能够抑制载流子溢流。
3.如权利要求2所述的具有光场集中结构的半导体激光器，其特征在于：所述衬底(31)是以InP构成；所述p型光场集中结构(47)由三层不同x、y比例的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)材料构成，即p型第一层(471)、p型第二层(472)和p型第三层(473)，并通过不同掺杂形成p型光场集中结构(47)，其能隙介于0.9～1.3eV，其中p型第一层(471)、p型第三层(473)的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)的折射率大于p型第二层(472)；所述n型光场集中结构(43)也由三层不同x、y比例的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)材料构成，即n型第一层(431)、n型第二层(432)和n型第三层(433)，并通过不同掺杂形成n型光场集中结构(43)，其能隙介于0.9～1.3eV，其中n型第一层(431)、n型第三层(433)的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)的折射率大于n型第二层(432)。
4.如权利要求3所述的具有光场集中结构的半导体激光器，其特征在于：所述p型光场集中结构(47)和n型光场集中结构(43)的厚度介于0.1～1μm，且所述p型限制层(46)与n型限制层(44)的厚度介于0.001～0.2μm。
5.如权利要求1-4任一项所述的具有光场集中结构的半导体激光器，其特征在于：所述p型限制层(46)与n型限制层(44)是以AlInAs材料构成的。
6.如权利要求5所述的具有光场集中结构的半导体激光器，其特征在于：所述有源层(45)的多量子阱包括5～8对压缩型应变量子阱，且其发光波长为1.1～1.6μm。
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