CN114503381A - 用于优化有源区应变和改善激光二极管性能的被应变设计的包覆层 - Google Patents

用于优化有源区应变和改善激光二极管性能的被应变设计的包覆层 Download PDF

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Abstract

一些实施例可包括激光二极管，该激光二极管具有用于优化有源区应变和改善激光二极管性能的被应变设计的包覆层。在一个实施例中，激光二极管可以包括具有第一晶格常数的材料成分的半导体衬底；以及在半导体衬底上形成的多个外延层，多个外延层包括波导层和包覆层，其中，波导层包括具有与目标光波长相关的材料成分的有源区，其中，有源区的材料成分的第二晶格常数不同于第一晶格常数；其中，包覆层的单个包覆层的材料成分和/或厚度被设置成在有源区上施加目标应力场，以优化有源区应变。可以公开和/或要求保护其他实施例。

Description

用于优化有源区应变和改善激光二极管性能的被应变设计的 包覆层
技术领域
本发明涉及激光二极管。
背景技术
光纤激光器广泛用于工业过程(例如，切割、焊接、覆层、热处理等)。在一些光纤激光器中，光学增益介质包括一根或多根具有掺杂稀土元素的纤芯的有源光纤。稀土元素可以被来自一个或多个半导体激光源的光光学激发(“泵浦”)。对高功率和高效率的二极管激光器有很大的需求，高功率二极管激光器是为了缩放功率和降低价格(以美元/瓦衡量)，高效率二极管激光器是为了降低能耗和延长寿命。
附图说明
附图并入并构成本说明书的一部分，并与说明书一起解释当前公开的技术的优点和原理，其中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1示出了根据一些实施例的激光二极管的外延层结构的截面图；
图2示出了根据一些实施例的激光二极管的另一外延层结构的截面图；
图3A示出了根据一些实施例的激光二极管的外延层结构的截面图，其中，包覆层是被应变设计的(strain-engineered)，用于优化有源区应变和改进激光二极管性能；
图3B示出了根据一些实施例的激光二极管的另一外延层结构的截面图，其中，包覆层是被应变设计的，用于优化有源区应变和改进激光二极管性能；
图4A-C为根据一些实施例的图2的包覆层的构造的框图。
具体实施方式
如本申请和权利要求中使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。此外，术语“包括”意味着“包含”。此外，术语“联接(耦合)”不排除在被联接(耦合)的物项之间存在中间元件。本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开针对各种公开的实施例的所有新颖的且非显而易见的特征和方面，单独地以及在彼此的各种组合和子组合中。术语“或”是指“和/或”，而不是“排他的或”(除非特别指出)。
所公开的系统、方法和设备不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个特定的优点或待解决的问题。任何操作理论都有助于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这些操作理论。尽管为了方便呈现，以特定的顺序描述了一些公开的方法的操作，但是应该理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面阐述的特定语言要求特定的顺序。例如，在某些情况下可以重新排列或同时执行依次描述的操作。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以结合其他系统、方法和设备使用的各种方式。
此外，说明书有时使用“生产”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据特定的实现方式而变化，并且本领域普通技术人员容易辨别。在一些示例中，值、过程或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或更优选。
参照指示为“上方”、“下方”、“上”、“下”等的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不暗示任何特定的空间方位。
有源区(例如，量子阱)的应变设计是提高高功率激光二极管的性能的一种方法。在有源区中引入应变可以修改能带结构，导致阈值电流密度降低和差分增益增加。具有优化的应变水平的有源区可以显著提高高功率激光二极管的性能，包括功率效率(与没有优化的应变水平的有源区相比)。然而，波长限制可能会阻止有源区域的已知应变设计单独在有源区域中获得优化的应变水平。利用被应变设计的包覆层在有源区中提供优化的应变水平可以提高二极管性能。
图1示出了大光学腔(LOC)激光二极管的外延层结构的截面图。LOC激光二极管包括n型掺杂GaAs衬底5、n型包覆层11、n型波导层13、有源区14(例如，量子阱或量子点)、p型波导层15、p型包覆层16和盖层17，例如，p型盖层(p型盖)。在一些900nm或更大的LOC激光二极管中，p型包覆层16可以包括厚的Al0.6Ga0.4As材料。厚的Al0.6Ga0.4As材料和GaAs衬底5之间的晶格失配可导致有源区中的压缩应变减小，这可负面地影响LOC激光二极管的观察到的阈值电流和斜率效率。
在一些LOC激光二极管中，如图1所示的那种，竖直波导的p侧可能对整个波导厚度有显著影响。具有显著减小的p型波导厚度(例如，朝向波导的p侧的大的量子阱偏移量)的二极管激光器设计可以减轻p型波导中产生的电串联电阻、在大正向偏压下与p型波导中的载流子积累相关联的光损耗和漏电流，并且因此可以导致更低的电压、更高的斜率效率和功率以及更高的壁塞效率。图2示出了一个这样的实施例的截面图(其中，在激光二极管中p型波导的厚度可以显著减小和/或可以使用双n型包覆层结构)。
类似于图1的LOC激光二极管，p型包覆层116的材料和GaAs衬底105之间的晶格失配程度可导致有源区114中的压缩应变减小，尤其是在有源区114非常靠近p型包覆层116的情况下，使得p型包覆层的应力场更强，从而对二极管激光器的观察到的阈值电流和斜率效率产生负面影响。该实施例还包括双n型包覆层结构，该结构包括外部n型包覆层111和内部n型包覆层112。该实施例中的其他层可以类似于LOC激光二极管的任何其他层。
在一个示例中，p型包覆层116可包含Al0.6Ga0.4As。Al0.6Ga0.4As与GaAs之间的室温晶格失配为约0.08％，因此在p型包覆层116为Al0.6Ga0.4As的示例中，处于约0.08％的压缩应变下。尽管这种晶格失配很小，但是Al0.6Ga0.4As材料的体层可能足够厚，以在晶片制造过程中施加可能导致晶片弯曲的应力场。此外，来自被应变的p型包覆层116的应力场可以传播到有源区114，部分地缓和有源区114中的压缩应变，该压缩应变对于实现二极管激光器的高性能可能是至关重要的(有源区114中适当水平的应变改变了能带结构，导致阈值电流减小、差分增益和斜率效率提高)。
本文描述的一些实施例可通过改变包覆层的材料成分和/或厚度来对包覆层进行应变补偿，以改变晶格失配程度，从而在有源区上施加最佳应变。在一些实施例中，该方法是通过将应变补偿材料包含到包覆层中(例如，将磷包含到AlGaAs中-用磷原子替换AlGaAs包覆层中的部分砷原子)。这种应变补偿材料可以改变包覆层的晶格常数，以不同地匹配GaAs的晶格常数，从而在有源区上施加应力场。在具有显著减小的p型波导厚度的二极管激光器设计中，其p型包覆层被完全应变补偿，以抑制有源区上的应变弛豫，期望在优化的量子阱应变下薄的p型波导设计中的全部性能潜力可以在应变补偿设计中以较低阈值电流、较高斜率效率和较大驱动电流下的较高功率的形式恢复。
AlGaAsP p型包覆层中的应变补偿水平可针对最佳有源区应变进行优化。由于一些二极管激光器中的波长限制，在有源区中存在预定的成分，即InGaAs。预定的成分可以在有源区中施加预定的应变，这可能不具有理想的有源区应变水平(例如，915-nm二极管中的InGaAs有源区压缩应变低于最佳性能的优化值)。具有被优化的应变的AlGaAsP p型包覆层可以减轻对二极管性能的这种限制。例如，对于915-nm二极管，轻微拉伸应变的Al0.6Ga0.4AsP(磷成分大于2.5％)可以用于在有源区上施加应力场，以提供增加的InGaAs量子阱压缩应变。
图3A示出了外延层结构的截面图，该外延层结构具有用于优化有源区应变和改善二极管激光器性能的被应变设计的包覆层。半导体衬底205和有源层214以及任何中间层可以类似于半导体衬底105和有源层114以及任何中间层(图2)。包覆层216可以是被应变设计的，以在有源区214上施加应力场，从而优化有源区214中的应变，以改善二极管性能。在一个示例中，包覆层216的厚度与包覆层116(图2)相同，但是包覆层216包括应变补偿材料。在其他实施例中，任何被应变设计的包覆层可以具有被应变设计的厚度和/或被应变设计的成分，以在有源区上施加应力场。
图3A的激光二极管利用薄的p型波导设计(其中，p型波导部分的厚度显著小于波导层的n型波导部分的厚度)；然而，这并不要求利用被应变设计的包覆层来优化有源区应变和改善激光二极管性能。在一些薄的p型波导设计实施例中，p型波导部分的厚度可以小于n型波导部分的厚度的30％(在薄的p型波导设计的其他实施例中，其他比率也是可能和实用的)。图3B示出了与图1所示的外延层结构类似的外延层结构(例如，具有LOC的光纤激光器)的截面图，该外延层结构具有被应变设计的包覆层216。半导体衬底305和有源层314以及任何中间层可以类似于半导体衬底5和有源层14以及任何中间层(图1)。包覆层316可以是被应变设计的，以在有源区314上施加应力场，从而优化有源区314中的应变，以改善二极管性能。在一个示例中，包覆层316的厚度与包覆层16(图1)相同，但是包覆层316包括应变补偿材料。在其他实施例中，任何被应变设计的包覆层可以具有被应变设计的厚度和/或被应变设计的成分，以在有源区上施加应力场。
参考图4A至图4C，并入包覆层216和/或316(分别为图3A至图3B)中的应变调节材料可均匀地分布在包覆层的一部分中，或不均匀地分布在包覆层216和/或316的一部分中。图4A示出了应变调节材料均匀地分布在整个包覆层216和/或316中的示例。在图示的示例中，应变调节材料是磷，包覆层216和/或316的材料成分是Al0.6Ga0.4As0.98P0.02。稍微不同的材料成分Al0.6Ga0.4As0.975P0.025在室温下与GaAs具有零晶格失配；使用其作为p型包覆层可以完全消除其施加到有源区的应力场。使用与衬底晶格失配的材料成分，例如，Al0.6Ga0.4As0.98P0.02，可以在有源区上施加非零应力场，这可以优化有源区中的应变，这可以提供改善的激光二极管性能。
尽管可能希望设置包覆层，以在室温下在有源区上施加某种应力场或零应力场，但对包覆层应变设计存在额外的限制，因为存在二极管外延结构在生长温度下不应超过的阈值应变-厚度乘积值，以防止形成位错和晶片破裂。因此，在一些实施例中，包覆层的厚度也可以基于阈值应变-厚度乘积值而改变，以施加期望的应力场，且不形成位错和晶片破裂。此外，应变调节材料可以位于更靠近或更远离有源区的位置(例如，非均匀地分布和/或均匀地分布在包覆层的多个部分之一中)。图4C示出了使用梯度材料成分的非均匀的分布，其中，应变调节材料的浓度随着距有源区的距离增加而变化。
图4B示出了另一示例，其中应变调节材料仍可均匀地分布在单个部分中(但在单个部分中的至少两个部分中的浓度可能不同)。类似于图4B的一个实施例可以采用具有不同磷成分和不同应变水平的AlGaAsP交替层的超晶格包覆层设计。可以选择AlGaAsP交替层的磷成分和应变水平，以具有零平均应变或期望的平均应变水平。不同应变的交替的AlGaAsP层之间的晶格失配可以局部化，使得可能没有(或几乎没有)位错，尽管累积应变-厚度乘积可能超过临界值。类似于图4C的实施例可以具有AlGaAsP p型包覆层，其具有变化的磷成分，在更靠近波导处具有零或更小的压缩应变，而在远离有源区(例如，有源阱)处具有更大的压缩应变。有源区现在离应变更大的AlGaAsP包覆层更远，因此经受更小的应力场。另一方面，包覆层中的梯度磷成分可以将生长温度下的累积应变-厚度乘积值降低到低于临界值。
应变设计的包覆层的材料成分
激光二极管的被应变设计的包覆层可将应变调节材料并入将晶格匹配(或与半导体衬底非最佳地晶格失配)的成分中，以在有源区上(例如，在量子阱、量子点等上)施加目标应力场。在一些实施例中，应变调节材料可以是周期表III族材料或周期表V族材料。例如，可以包含磷原子，来代替AlGaAs包覆层中的部分砷原子。AlGaAsP的室温晶格常数随着磷成分的增加而线性降低。Al0.6Ga0.4AsP与GaAs衬底的晶格失配从Al0.6Ga0.4As的约0.08％压缩变为Al0.6Ga0.4As0.954P0.046的约0.08％拉伸，与Al0.6Ga0.4As0.977P0.023的GaAs的晶格匹配。在一些其他实施例中，被应变设计的包覆层的材料成分可以是周期表III-V族三元合金、四元合金或五元合金，并且三元、四元或五元合金的材料成分可以调整，以使包覆层相对于GaAs衬底被压缩应变、晶格匹配或拉伸应变。
可与GaAs晶格匹配或略微失配的四元合金包覆层的示例包括(但不限于)AlGaAsP、InGaAsP和AlInGaP。例如，In0.49Ga0.45As0.06P具有与用于包覆层中的Al0.6Ga0.4As相似的带隙能量，但是与GaAs衬底晶格匹配，并且可以将其材料成分调整为相对于GaAs衬底被压缩应变、晶格匹配或拉伸应变。五元合金包覆层的示例包括但不限于AlInGaAsP。与四元合金相比，五元合金可以在带隙设计和晶格匹配方面提供更大的设计灵活性。
应变调节材料可不同地包含在包覆层的不同部分中。例如，包覆层可以包括两个或更多个子层，其中，一个子层中应变调节材料的平均浓度不同于不同的一个子层中应变调节材料的平均浓度。最靠近有源区的子层可以具有与另一子层不同的平均浓度。在其他示例中，一部分包覆层可以具有应变调节材料的梯度浓度(例如，整个包覆层或包覆层的一些部分)。
在各种实施例中，激光二极管可包括一个以上的包覆层，这些包覆层中的一些或全部包覆层可进行应变设计。在被应变设计的多个覆层中的一个以上包覆层的情况下，每个被应变设计的包覆层可以施加单个应力场，其中，总应力场对有源区进行应变设计。
鉴于可应用所公开的技术原理的许多可能实施例，应认识到所示实施例仅为优选示例，不应视为对本发明范围的限制。我们要求在所附权利要求的范围和精神内的所有内容作为我们的发明。

Claims (20)

1.一种激光二极管，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有带有第一晶格常数的材料成分；和
多个外延层，所述多个外延层形成在所述半导体衬底上，所述多个外延层包括波导层和包覆层，其中，所述波导层包括具有与目标光波长相关的材料成分的有源区，其中，所述有源区的材料成分的第二晶格常数不同于所述第一晶格常数；
其中，所述包覆层中的单个包覆层的材料成分和/或厚度被设置成在所述有源区上施加目标应力场，以优化有源区应变。
2.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述包覆层中的所述单个包覆层包括应变调节材料。
3.根据权利要求2所述的激光二极管，其中，所述应变调节材料均匀地分布在所述包覆层中的所述单个包覆层的一部分中。
4.根据权利要求2所述的激光二极管，其中，所述应变调节材料不均匀地分布遍及所述包覆层中的所述单个包覆层，其中，所述包覆层中的所述单个包覆层包括两个或更多个子层，所述两个或更多个子层分别具有两种或更多种均匀的材料成分。
5.根据权利要求4所述的激光二极管，其中，所述两个或更多个子层中的第一子层比所述两个或更多个子层中的第二子层更靠近所述有源区，其中，所述第一子层中与所述第一晶格常数的晶格失配程度不同于所述第二层中与所述第一晶格常数的晶格失配程度。
6.根据权利要求2所述的激光二极管，其中，所述应变调节材料不均匀地分布遍及所述包覆层中的所述单个包覆层，其中，所述包覆层中的所述单个包覆层包括与所述第一晶格常数具有不同的晶格失配程度的交替层。
7.根据权利要求2所述的激光二极管，其中，所述包覆层中的所述单个包覆层包括梯度材料成分和梯度晶格常数。
8.根据权利要求2所述的激光二极管，其中，所述应变调节材料包括周期表III族材料或周期表V族材料。
9.根据权利要求2所述的激光二极管，其中，所述包覆层中的所述单个包覆层的材料成分包括任何周期表III-V族三元合金、四元合金或五元合金。
10.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述包覆层中的所述单个包覆层包括所述包覆层的p型包覆层。
11.一种激光二极管，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底具有带有第一晶格常数的材料成分；
多个外延层，所述多个外延层形成在所述半导体衬底上，所述多个外延层包括波导层，其中，所述波导层包括具有与目标光波长相关的材料成分的有源区，其中，所述有源区的材料成分的第二晶格常数不同于所述第一晶格常数；
用于包覆所述波导层的包覆装置；以及
其中，所述包覆装置包括用于在所述有源区上施加目标应力场以优化有源区应变的装置。
12.根据权利要求11所述的激光二极管，其中，所述包覆装置包括p型包覆层和n型包覆层。
13.根据权利要求12所述的激光二极管，其中，所述应力施加装置位于所述p型包覆层中。
14.根据权利要求12所述的激光二极管，其中，所述应力施加装置位于所述n型包覆层中。
15.根据权利要求12所述的激光二极管，其中，所述包覆装置还包括用于所述p型包覆层的p型盖。
16.根据权利要求12所述的激光二极管，其中，所述n型包覆层包括内部n型包覆层和外部n型包覆层。
17.根据权利要求11所述的激光二极管，其中，所述半导体衬底包括n型衬底。
18.根据权利要求11所述的激光二极管，其中，所述n型衬底包括GaAs n型衬底。
19.根据权利要求11所述的激光二极管，其中，所述激光二极管还包括大光学腔(LOC)。
20.根据权利要求11所述的激光二极管，其中，所述波导层还包括n型波导和p型波导，其中，所述p型波导的厚度小于所述n型波导的厚度的30％。
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