CN114744484B - 一种基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，包括多层type‑Ⅱ隧道结、垫料层、活性区域和干涉反射器；垫料层围绕多层type‑Ⅱ隧道结，活性区域位于垫料层内部；活性区域用于响应于从多层type‑Ⅱ隧道结注入的电荷而产生激射波长的光的有效带隙，产生短波长的光；干涉反射器包括第一干涉反射器和第二干涉反射器，第一干涉反射器和第二干涉反射器分别位于垫料层的顶部和底部。本申请增大了隧道结的隧穿几率，提高了器件整体的输出功率和温度性能提高以及增加器件稳定性与实用性，适用于GaAs基大功率激光器。
Description
技术领域
本申请属于表面发射激光技术领域，具体涉及一种基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构。
背景技术
垂直腔表面发射激光(VCSEL)在数据通信系统中已成为重要部件。目前的商用激光器在850nm运行，通过在GaAs衬底上施加AlAsGaAs/GaAs半导体层制成。在这些激光器中，形成光学腔的镜子是用交替的AlAs和GaAs层制成的，其中AlAs/AlGaAs镜至少在活性区域的一侧。与活性区域相邻的一侧是n-型垫料层，另一侧是在对激光器施加电压时向活性区域注入载流子的p-型垫料层。实现VCSEL在重要的远程通信波长短波长产生激光的方法之一是由基于InP衬底材料制作激光器。
该方法的一个问题是激光器p掺杂层内较高的自由载流子吸收。自由载流子吸收是其中带内的电子或空穴通过从低能级向较空的高能级跃迁而吸收辐射的现象。更糟的是p-型层的较差迁移率导致的非均匀电流注入。因此，需要较厚的p-型层以获得均匀电流注入。p-型激光器的厚度的增加增大了自由载流子吸收引起的总的光吸收。
常规的非隧道结VCSEL具有形成活性层的p-n结。载流子注入是这样的过程：载流子在p-n结上注入，其中当外部电源施加于该结时，电子从n层注入到p层而空穴从p层注入到n层。
另一方面，具有隧道结的VCSEL需要n-p-n结。首先，n-p结是具有重掺杂n-型和p-型层的隧道结。其次，p-n结是由活性层以与传统VCSEL中相同的方法形成。当电偏置正向施加于活性层的p-n结时，相同的电偏置显现为对隧道结的反向偏置。因此，用于VCSEL的反向偏置隧道结将p掺杂层中的空穴电流转换成n掺杂层中的电子电流。
为了制作尽可能地接近理想的隧道结、并最小化VCSEL的串联电阻，有必要在形成隧道结的层中获得极高的n和p掺杂。
在VCSEL的隧道结中需要有较低的光吸收也是众所周知的。如果在VCSEL中光吸收较低，则在斜度效率增加时阈值电流减小。随着斜度效率增加，VCSEL的最大输出功率增大。
VCSEL的光吸收由光吸收、散射损耗等组成。光吸收由自由载流子吸收和带隙吸收组成。当波长的光子能量大于带隙能量时，与在约小于100cm-1的范围内的自由载流子吸收相比，一般大于4000cm-1的带隙吸收占据主导。
活性层或区域是半导体注入激光器或光发射二极管中提供光学增益的层或区域。该活性区域实际上不是单层而是多个层，各个层可具有其自身的晶格常数。通常，活性区域包括具有压缩应变量子阱层和通常的拉力应变势垒层的多个量子阱。隧道结将进入的电子转化成注入活性区域的空穴。电子从活性区域的n-型侧注入活性区域，而空穴从p-型侧注入。电子和空穴在活性区域中的复合产生光子，这使得激光器工作。
一个技术挑战是隧道结中需要高几率隧穿。隧穿是某一原子颗粒穿过由于需要能量而不能穿越的势垒的能力的可观测效应，它基于根据其量子力学性质预测颗粒具有隧穿的有限几率的量子力学定律。如果该隧穿几率增大，则电阻减小。随着电阻减小，器件内的焦耳热减少。随着热的减少，整个器件的最大输出功率和温度性能增加。
发明内容
本申请提出了一种基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，目的在于增大隧道结的隧穿几率，提高器件整体的输出功率和温度性能提高以及增加器件稳定性与实用性，适用于GaAs基大功率激光器。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，包括多层type-Ⅱ隧道结、垫料层、活性区域和干涉反射器；
所述垫料层围绕所述多层type-Ⅱ隧道结，所述活性区域位于所述垫料层内部；
所述活性区域为载流子注入复合区，所述活性区域用于响应于从所述多层type-Ⅱ隧道结注入的电荷而产生激射波长的光的有效带隙，产生短波长的光；
所述干涉反射器用于提供光反馈，所述干涉反射器包括第一干涉反射器和第二干涉反射器，所述第一干涉反射器和所述第二干涉反射器分别位于所述垫料层的顶部和底部。
优选的，所述多层type-Ⅱ隧道结中共有N个上下连接的type-Ⅱ隧道结；
所述多层type-Ⅱ隧道结的底层为n型缓冲层，顶层为碳掺杂p型缓冲层。
优选的，每一个所述type-Ⅱ隧道结均包括自上而下顺序连接的P型GaAs接触层、P型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层、P型GaAsSb层、隧道结TJstructure层、N型GaAs层、N型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层、N型GaAs层和N型GaAs接触层。
优选的，所述P+GaAs接触层、所述P+AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层和所述P+-GaAsSb层的材料包括材料包括铝、镓、砷和锑中的一种或多种。
优选的，所述N型GaAs层、所述N型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层、所述N型GaAs层和所述N型GaAs接触层的材料包括镓、砷和铝中的一种或多种。
优选的，所述垫料层为单层结构。
优选的，所述垫料层为多层结构，所述垫料层包括隧道结垫料层、远侧垫料层和衬底侧垫料层；
所述隧道结垫料层围绕所述多层type-Ⅱ隧道结；
所述远侧垫料层和所述衬底侧垫料层将所述活性区域夹在中间，且均位于所述隧道结垫料层下方。
优选的，所述第一干涉反射器位于所述多层type-Ⅱ隧道结和所述活性区域的正上方，并远离所述多层type-Ⅱ隧道结，所述第一干涉反射器用于反射激射波长的光；
所述第二干涉反射器远离所述第一干涉反射器并靠近所述所述多层type-Ⅱ隧道结，所述第二干涉反射器用于反射所述活性区域产生的激射波长的光。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，增大了隧道结的隧穿几率，提高了器件整体的输出功率和温度性能提高以及增加器件稳定性与实用性，适用于GaAs基大功率激光器。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例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是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中的type-Ⅱ隧道结示意性截面图；
图2为本申请实施例中的包括图1的隧道结的垂直腔面发射激光的示意性侧视图。
附图标记说明
1、P+GaAs接触层；2、P+AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层；3、P+-GaAsSb层；4、隧道结TJstructure层；5、N+-GaAs层；6、n+AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层；7、n+GaAs层；8、n+GaAs接触层；102、隧道结；212、活性区域；216、衬底侧垫料层；218、远侧垫料层；230、第一干涉反射器；232、第二干涉反射器；246、隧道结垫料层；250、光学腔。
具体实施方式
p-型层的较差迁移率导致的非均匀电流注入。因此，需要较厚的p-型层以获得均匀电流注入。p-型激光器的厚度的增加增大了自由载流子吸收引起的总的光吸收。
如最近若干组织已经进行的，可通过使用隧道结以用n掺杂层代替大部分p掺杂层来解决这些长波长VSCEL问题。因为n掺杂层具有比p掺杂层更低的自由载流子吸收和更高的载流子迁移率，所以通过用隧道结代替p掺杂层，总地光吸收得到减小并获得均匀的电流注入。隧道结或江崎结(Esakijunction)是众所周知的，并可用于除了长波长VCSEL之外的许多其它应用，例如太阳能电池。
常规的非隧道结VCSEL具有形成活性层的p-n结。载流子注入是这样的过程：载流子在p-n结上注入，其中当外部电源施加于该结时，电子从n层注入到p层而空穴从p层注入到n层。
另一方面，具有隧道结的VCSEL需要n-p-n结。首先，n-p结是具有重掺杂n-型和p-型层的隧道结。其次，p-n结是由活性层以与传统VCSEL中相同的方法形成。当电偏置正向施加于活性层的p-n结时，相同的电偏置显现为对隧道结的反向偏置。因此，用于VCSEL的反向偏置隧道结将p掺杂层中的空穴电流转换成n掺杂层中的电子电流。
为了制作尽可能地接近理想的隧道结、并最小化VCSEL的串联电阻，有必要在形成隧道结的层中获得极高的n和p掺杂。
在VCSEL的隧道结中需要有较低的光吸收也是众所周知的。如果在VCSEL中光吸收较低，则在斜度效率增加时阈值电流减小。随着斜度效率增加，VCSEL的最大输出功率增大。
VCSEL的光吸收由光吸收、散射损耗等组成。光吸收由自由载流子吸收和带隙吸收组成。当波长的光子能量大于带隙能量时，与在约小于100cm-1的范围内的自由载流子吸收相比，一般大于4000cm-1的带隙吸收占据主导。
活性层或区域是半导体注入激光器或光发射二极管中提供光学增益的层或区域。该活性区域实际上不是单层而是多个层，各个层可具有其自身的晶格常数。通常，活性区域包括具有压缩应变量子阱层和通常的拉力应变势垒层的多个量子阱。隧道结将进入的电子转化成注入活性区域的空穴。电子从活性区域的n-型侧注入活性区域，而空穴从p-型侧注入。电子和空穴在活性区域中的复合产生光子，这使得激光器工作。
一个技术挑战是隧道结中需要高几率隧穿。隧穿是某一原子颗粒穿过由于需要能量而不能穿越的势垒的能力的可观测效应，它基于根据其量子力学性质预测颗粒具有隧穿的有限几率的量子力学定律。如果该隧穿几率增大，则电阻减小。随着电阻减小，器件内的焦耳热减少。随着热的减少，整个器件的最大输出功率和温度性能增加。
为了增大隧穿几率，一种重要方法是确保形成隧道结的各个n-型和p-型层的掺杂水平尽可能高。同时，隧道结需要掺杂低扩散掺杂物。对于隧道结，另一增大隧穿几率的方法是在p-型隧道结层材料的价带能量(Ev)和n-型隧道结层材料的导带能量(Ec)之间保持所需的较小差值。为此，公知的是应该最小化形成隧道结的材料的带隙。如果各个单独隧道结层的带隙对于激射波长太低，则带隙的光吸收增加。则较适合应用于短波长。对于在1.55微米长波长VCSEL中使用，GaAsSb的带隙都太低。所以GaAsSb结构更加适合短波长VCSEL。就穿隧能力而言，type-II类型隧道结的穿隧能力较type-I的能力较佳，使得相同穿隧电流仅需要较少的供应偏压，亦即较低的电阻。
隧道结需要掺杂低扩散掺杂物。位置控制是需要低扩散掺杂物的原因。一般而言，隧道结位于光学腔中光场的驻波的节点处。因为光吸收与光场的强度成正比，所以在驻波节点处吸收较小。因此，如果隧道结匹配于节点位置，则吸收较小。低扩散掺杂物是为了能够定义隧道结的位置所必需的。然而，如果掺杂物到处扩散，则隧道结不再与驻波的节点重合，从而光吸收增加。应用低扩散系数并且高掺杂的材料，需要将碳(C)用作p掺杂物。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
如图1所示，多结VCSEL的低电阻type-Ⅱ隧道结102，包括P型GaAs接触层1、P型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层2、P型GaAsSb层3、隧道结TJstructure层4、N型GaAs层5、N型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层6、N型GaAs层7和N型GaAs接触层8。本实施例采用多层type-Ⅱ隧道结，共有N个上下连接的type-Ⅱ隧道结组成，底层为N型缓冲层，中间层为type-Ⅱ隧道结102，顶层为P型缓冲层。其中P-型隧道结层材料包括铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)和锑(Sb)，N-型隧道结层的半导体材料包括镓(Ga)、砷(As)、铝(Al)。本实施例在隧道结的上层使用高碳掺杂p-隧道结层，因为其可更好的进行位置控制，隧道结位于光学腔中光场的驻波的节点处。因为光吸收与光场的强度成正比，所以在驻波节点处吸收较小。因此，如果隧道结匹配于节点位置，则吸收较小。低扩散掺杂物是为了能够定义隧道结的位置所必需的。就穿隧能力而言，type-II类型隧道结的穿隧能力较type-I的能力较佳，以及所选材料带隙较小更加符合短波长VCSEL。
如图2所示，分布式布拉格反射器(DBR)的第一干涉反射器230位于隧道结102和活性区域212上。该活性区域212具有被配置成响应于从隧道结102注入的电荷而产生激射波长的光的有效带隙，通过设计，活性区域212可产生短波长的光。可强烈反射激射波长的光的第一干涉反射器230设置于远离隧道结102。第二干涉反射器232设置于远离第一干涉反射器230并靠近隧道结102。第二干涉反射器232大量反射由置于第一和第二干涉反射器230和232之间的212活性区域212产生的激射波长的光。
第一和第二干涉反射器230和232之间相对端之间的与激射波长具有预定关系的光程形成垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的垂直光学腔250。为了提供所需的光程，可设置一层或多层垫料置于第一和第二干涉反射器230和232之间。在本实施例中，采用多层电料层，包括隧道结垫料层246、远侧垫料层218和衬底侧垫料层216。衬底侧垫料层216和远侧垫料层218将活性区域212夹在中间，同时隧道结垫料层246围绕在隧道结102周围。通过设计，光学腔250可在由活性区域212产生的光的激射波长上谐振。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，其特征在于，
包括多层type-II隧道结、垫料层、活性区域和干涉反射器；
所述垫料层围绕所述多层type-II隧道结，所述活性区域位于所述垫料层内部；
所述活性区域为载流子注入复合区，所述活性区域用于响应于从所述多层type-II隧道结注入的电荷而产生激射波长的光的有效带隙，产生短波长的光；
所述干涉反射器用于提供光反馈，所述干涉反射器包括第一干涉反射器和第二干涉反射器，所述第一干涉反射器和所述第二干涉反射器分别位于所述垫料层的顶部和底部；
所述多层type-II隧道结中共有N个上下连接的type-II隧道结；
所述多层type-II隧道结的底层为n型缓冲层，顶层为碳掺杂p型缓冲层；
每一个所述type-II隧道结均包括自上而下顺序连接的P型GaAs接触层、P型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层、P型GaAsSb层、隧道结TJstructure层、第一N型GaAs层、N型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层、第二N型GaAs层和N型GaAs接触层。
2.根据权利要求1所述的基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，其特征在于，
P型GaAs接触层、P型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层和P型GaAsSb层的材料包括铝、镓、砷和锑中的多种。
3.根据权利要求1所述的基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，其特征在于，
所述第一N型GaAs层、所述N型AlGaAs-AlAs-AlGaAs约束层、所述第二N型GaAs层和所述N型GaAs接触层的材料包括镓、砷和铝中的多种。
4.根据权利要求1所述的基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，其特征在于，
所述垫料层为单层结构。
5.根据权利要求1所述的基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，其特征在于，
所述垫料层为多层结构，所述垫料层包括隧道结垫料层、远侧垫料层和衬底侧垫料层；
所述隧道结垫料层围绕所述多层type-II隧道结；
所述远侧垫料层和所述衬底侧垫料层将所述活性区域夹在中间，且均位于所述隧道结垫料层下方。
6.根据权利要求5所述的基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构，其特征在于，
所述第一干涉反射器位于所述多层type-II隧道结和所述活性区域的正上方，并远离所述多层type-II隧道结，所述第一干涉反射器用于反射激射波长的光；
所述第二干涉反射器远离所述第一干涉反射器并靠近所述所述多层type-II隧道结，所述第二干涉反射器用于反射所述活性区域产生的激射波长的光。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210365674.6A Active CN114744484B (zh) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | 一种基于GaAs基高带隙隧道结的大功率激光器结构 |
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|---|---|
| CN (1) | CN114744484B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6404791B1 (en) * | 1999-10-07 | 2002-06-11 | Maxion Technologies, Inc. | Parallel cascade quantum well light emitting device |
| CN1973378A (zh) * | 2004-05-17 | 2007-05-30 | 康宁股份有限公司 | 长波长vcsel的隧道结 |
| CN106549069A (zh) * | 2015-09-21 | 2017-03-29 | 波音公司 | 用于半导体器件的锑化物‑基高带隙隧道结 |
Family Cites Families (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2016115302A1 (en) * | 2015-01-16 | 2016-07-21 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Tunnel diode with broken-gap quantum well |
-
2022
- 2022-04-08 CN CN202210365674.6A patent/CN114744484B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6404791B1 (en) * | 1999-10-07 | 2002-06-11 | Maxion Technologies, Inc. | Parallel cascade quantum well light emitting device |
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| CN106549069A (zh) * | 2015-09-21 | 2017-03-29 | 波音公司 | 用于半导体器件的锑化物‑基高带隙隧道结 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Low resistance tunnel junctions with type-II heterostructures;N. Suzuki等;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;第88卷;参见第231103-1-231103-3页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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