CN116345308A - 包括反向p-n结的半导体激光二极管 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及包括反向P‑N结的半导体激光二极管。边缘发射GaAs基半导体激光器将隧道结与反向p‑n结相结合使用来解决与使用高铝含量p型包覆层布置相关联的氧化问题。特别地，在n型GaAs基底上形成隧道结，其中在隧道结之上形成p型包覆层和波导层。此后在有源区的顶部上生长N型波导层和包覆层。由于p型层定位在有源区下方，并且在处理期间不暴露于空气，因此可以使用相对高的铝含量，这改进了器件的热和电特性。由于n型材料不需要高的铝含量，因此它可以被进一步处理以形成脊结构，而不会引入该结构的任何实质性氧化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光二极管，并且更具体地，涉及具有反向结(invertedjunction)布置的边缘发射GaAs基半导体激光二极管，该反向结布置允许改进的热控制，其特别适合于高功率应用。
发明背景
电泵浦半导体激光器基于p-n结(“二极管”)的使用，该p-n结将空穴(来自p型材料)和电子(来自n型材料)引入有源区，该有源区形成为由引入的空穴和电子(“自由载流子”)生成光。GaAs基二极管激光器通常生长在n型基底材料上，因为n型结构通常比p型对应结构质量更高。在大多数情况下，单晶n-GaAs因此被用作GaAs基半导体激光器的基础材料。
在过去的几年中，开发人员已经能够通过增加光学腔的长度(例如，在4mm-6mm的长度范围内)来产生相对高功率的GaAs基半导体激光器。利用这种方法，可以实现大于2W的单模功率，并且具有在单个发射器的多模状态下达到大于25W的输出功率的能力。然而，在这样的长腔结构中，自由载流子吸收成为光学损耗的主要原因。电子比空穴吸收少，因此改进的高功率结构基于使用非对称波导，其中光学模(optical mode)占据n型波导层比占据p型层更多。
产生非对称结构所需要的相对高的铝含量(通常在30％-80％的范围内)在热管理方面产生了新的问题。特别地，对于上述范围内的铝百分比，所产生的层表现出激光结构的最高热阻率。高铝百分比还与低空穴迁移率条件相关联。这些机制导致生成大量的热量，必须提取这些热量以维持可接受的操作(特别是在高功率状态下)。
发明概述
本发明解决了本领域中仍然存在的需求，本发明涉及半导体激光二极管，并且更具体地，涉及具有反向结布置的边缘发射GaAs基半导体激光二极管，该反向结布置允许改进的热控制，其特别适合于高功率应用。
根据本发明的原理，高功率GaAs基半导体激光器将隧道结(tunnel junction)与反向p-n结结合使用，以克服与使用高铝含量p型包覆层布置相关联的氧化问题。特别地，在n型基底(优选的起始材料)上形成隧道结，然后在隧道结上形成高铝含量的p型包覆层和波导层。然后在p型层之上形成有源区(其可以包括MQW、DH、量子点、线等)，其中在有源区的顶部上生长n型波导和包覆层。因此，所得到的结构相对于现有技术是“反向的”，因为p型层被定位在有源区下方，而n型层被定位在有源区上方。n型材料不需要高铝含量来表现出必要的性能参数，并且因此，可以进一步被处理以形成优选的脊结构，而不会引入该结构的任何实质性氧化。
在一些优选的实施例中，隧道结被定制(蚀刻和图案化)以帮助将电流限制在有源区的期望部分内。反向结激光器还可以形成为分布式反馈(DFB)激光器，其中所需要的布拉格光栅形成在有源区上方的n型波导层内。
示例性实施例可以采取以下形式：形成在n型GaAs基底(该基底被定义为具有顶部主表面和相对的底部主表面)上的边缘发射GaAs基激光器，其中激光器结构包括：形成在n型GaAs基底的顶部主表面上的隧道结、形成在隧道结之上的p型包覆层、形成在p型包覆层之上的p型波导层、设置在所形成的p型波导层上的有源区、形成在有源区之上的n型波导层、耦合到n型波导层的第一n型欧姆接触(ohmic contact)、以及耦合到n型GaAs基底的底部主表面的第二n型欧姆接触。
在以下讨论的过程中并且通过参考附图，本发明的其他的以及进一步的方面和实施例将变得明显。
附图简述
现在参考附图，其中在若干个视图中相似的数字代表相似的部件：
图1是常规现有技术的边缘发射半导体激光器的简化描绘，其取向为示出有源区的轴向范围和沿着激光器结构的端面的光发射的出射；
图2包括如在常规现有技术的GaAs基边缘发射半导体激光器的波导层中使用的AlGaAs的材料特性的图形，其中图2(a)是热电阻率随Al成分百分比变化的图形，而图2(b)是空穴迁移率随Al成分百分比变化的图形；
图3示出了根据本发明的原理形成的示例性反向结GaAs基半导体激光器，其取向为激光器结构的侧视图；
图4是沿着图3的线4-4截取的图3中的本发明的激光器的剖切端视图；
图5是本发明的反向结边缘发射激光器的替代实施例的剖切端视图，在这种情况下，使用成形为条带的隧道结来改进有源区内的电流限制；
图6示出了本发明的反向结边缘发射半导体层的另一个实施例，在这种情况下，其形成为DFB激光器，并包括在位于有源区之上的n型波导层内形成的光栅结构；以及
图7是图6的DFB激光器结构的剖切端视图，特别示出了光学模和光栅结构相对于有源区的定位之间的关系。
详细描述
在图1中示出了如生长在单晶n型GaAs基底2上的现有技术的边缘发射半导体二极管激光器1的示意图描绘。在这种情况下，n型包覆层3和n型波导层4首先生长在n-GaAs基底2上，接着是以公知的方式产生的有源区5，以从进入有源区的电载流子(空穴、电子)生成光发射。在图1的示意图的取向中，激光输出被显示为沿着图示左侧的面(边缘)出射。
继续对该现有技术边缘发射器件的描述，在有源区5的顶部上生长p型波导层6和p型包覆层7。外延生长以p型接触层结束，该p型接触层用于形成第一欧姆p接触8。第二欧姆接触9由n型材料形成，并跨n-GaAs基底2的底部设置。通过这种布置，电子从第二欧姆接触9经由n型GaAs基底2、n-包覆(n-cladding)层3和n-波导(n-waveguide)层4提供到有源区5。空穴从第一欧姆接触8经由p-包覆(p-cladding)层7和p-波导(p-waveguide)层6提供到有源区5中。
在典型的GaAs基激光二极管中，p型包覆层由AlGaAs形成，其中相对高的铝含量对于器件性能将是期望的。然而，当在制造期间暴露于潮湿空气时，大的铝含量的存在导致包覆层氧化，从而形成AlOx层。这样的AlOx层的厚度难以控制，因为它取决于温度、湿度和暴露时间。这样的AlOx层的不受控制的形成对于高功率单模激光器是特别不期望的，其中与其可变性相关联的附加压力(stress)对于性能(降低线性功率)和可靠性都可能是有害的。
为了减少不希望的氧化的可能性，通常在p型包覆层的形成中使用具有相对低的Al含量(例如，约40％)的AlGaAs层。然而，如在图2中可以看出，从操作的视角来看，具有～40％的Al成分的AlGaAs层是最不期望的，因为在铝含量的可能性中表现出最高的热电阻率(图2(a))，同时还具有相对低的空穴迁移率(图2(b))。根据激光器设计，p型包覆层和波导层导致激光器系列(series)电阻率的～50％，这意味着激光器热量的～50％是在这些层中生成的。由于较差的热电阻率(见图2(a))，这种热量不能有效地被提取，导致操作期间结温度升高(自加热)，并且因此在高操作电流下激光器性能退化。
参考图2的图形中的阴影区域，明显的是，使用具有>90％Al含量的AlGaAs层将是有益的(以及使用纯p型AlAs层甚至更有益)。如上所述，这种情况下的一个显著问题是，当暴露于空气中时这样的层容易被氧化。例如，当在单模激光器中限定脊波导时，就会发生这种情况。形成的氧化层可能对激光器的性能和可靠性有害。
本发明通过使用反向结结构，使得较低铝含量的n型材料定位在有源区上方并被处理以形成具有最小氧化问题的所期望的脊结构，从而解决平衡期望的高铝含量与最小化氧化的竞争因素方面的这些各种困难。
为了保持优选的n型GaAs基底(下文称为n-GaAs基底)的使用，在引入p型包覆层和波导层之前，在基底的顶部上形成隧道结。隧道结用于将来自基底的电子流转换为载流子移动通过p型材料所需要的合适的空穴流。虽然隧道结确实将一定程度的电阻率引入到电路径中，但其影响可以被最小化，如下文将论述的。借助于将激光二极管的p型部分移动到有源区下方，p型包覆层可以由AlAs形成，AlAs具有比AlGaAs更低的热电阻率，并且因此进一步改进了在更高功率水平下的热量耗散。此外，该p型包覆层的厚度可以减小至(典型的AlGaAs基激光器中的p型包覆层厚度的)约1/2，这将允许补偿由隧道结的存在而引入的有限的电阻率。
图3示出了根据本发明的原理形成的反向结GaAs基半导体激光器10。与现有技术类似，本发明的激光器结构基于n型GaAs(n-GaAs)基底12的使用，其优选为单晶结构。为了正如反向结配置所必需的那样将通过n-GaAs基底12的电子流转换为空穴流，在n-GaAs基底12的暴露的顶部表面12S上生长(或以其他方式形成)隧道结14。尽管隧道结14的存在给朝向有源区的流引入了一定程度的电阻率，但是如将在下文详细描述的，可以通过仔细设计隧道结层14来使电阻率最小化。
继续对反向结激光二极管10的描述，然后在隧道结14之上依次生长p型包覆(p-包覆)层16和p型波导(p-波导)层18。然后在p-波导层18之上制造有源区20。有源区20可以包括本领域公知的任何合适的配置，其包括但不限于双异质结构(DH)、量子阱(QW)、多QW(MQW)、量子点/虚线/线。
根据反向结形成，随后在有源区20之上形成n型波导(n-波导)层22和n型包覆(n-包覆)层24。第一n型欧姆n接触26显示为形成在n-包覆层24之上，而第二n型欧姆p接触28跨n-GaAs基底12的背面形成。由于使用一对相似电导率的电接触，向反向结GaAs基激光二极管10施加电驱动电流输入导致产生从欧姆n接触26到欧姆p接触28的电子流(如图3所示)。隧道结14的存在将朝向第二欧姆p接触28的电子流转换为朝向有源区20的空穴流。
在一个示例性实施例中，隧道结14可以包括高掺杂n型层14.1、本征层14.2、和高掺杂p型层14.3的多层布置(如在图3中的插图所示)。可以使用例如5E19 cm-3量级的掺杂水平，其中这种高掺杂浓度使得平衡状态下的费米能级高于n型材料的导带，并且还低于p型材料的价带，而不需要提供任何附加的外部偏压。因此，当激光二极管10本身处于正向偏压下时，隧道结14本身处于反向偏压下，使得所需要的空穴流和电子流都能够进入有源区20中。p-波导层18、有源区20和n-波导层22的组合有时可以被称为GaAs基半导体激光二极管10的“反向结30”。
高效率、高功率边缘发射GaAs基半导体激光器通常形成为包括脊结构，以在有源区上方的区域中提供光学和电(电流)限制。图4示出了这种脊结构，其中图4是沿着图3的线4-4截取的反向结激光器10的视图。限制脊在图4中表示为脊24a。在该视图中，其中沿着z轴的光学输出垂直于附图，还示出了光学模的定位。
通常用于边缘发射半导体激光器的包覆和波导区的n型AlGaAs层具有低于40％的Al含量(与p型材料的>90％形成对比)。因此，在产生脊24a中使用n型材料不会导致氧化，在现有技术中在器件堆叠的该位置中使用p型包覆层材料是有氧化问题的。此外，与空穴相比，电子还具有大约十倍的更高载流子迁移率，并且因此n型AlGaAs层表现出低得多的电阻率，这导致在激光操作期间生成更少的热量。与在典型的p型层中发现的相比，光学模强度在n-包覆层24内将表现出更小的梯度，并且因此将对在创建脊24a中的模式控制的蚀刻深度变化不太敏感。
此外，p型层的重新定位允许p-包覆层16由AlAs形成，AlAs具有比常规AlGaAs更高的热导率(对于AlAs大约为1cmK/W，与对于具有大约40％Al含量的AlGaAs的大约8cmK/W形成对比(见图2(a))，并且因此进一步降低了结构的p侧的热电阻率。当使用AlAs作为p-包覆层时，更有效的热量移除系统的存在还最小化了不希望的与热量相关的非线性效应(例如自加热、自聚焦、空间空穴燃烧等)。
在图4的视图中清楚地示出了隧道结14不与光学模重叠。因此，可能的是：在隧道结14的形成中使用相对低的带隙内的材料(例如，GaAs和/或InGaAs)。低带隙材料增强了结构的隧穿特性，并且因此降低了起初与隧道结的存在相关联的附加电阻率。
为了进一步提高边缘发射半导体激光二极管的性能，减小电流扩散的影响变得很有必要。虽然脊结构的功能是最小化“顶部”欧姆接触和有源区之间的电流扩散，但在“底部”欧姆接触和有源区之间的结构中没有类似的物理约束。还可以根据本发明的原理，通过以抑制电子流/空穴流的方式控制隧道结的配置来解决该问题。
图5是示例性反向结边缘发射激光二极管10A的剖切端视图，其中包括的隧道结的拓扑结构被配置成在激光二极管的下部区域内提供电流限制。
激光二极管10A包括与上面结合图3和图4的论述所论述的结构相同的层。然而，在这种情况下，隧道结14的规则层结构被条带配置14A(延伸到页面中)所取代。为了最好地限制空穴流进入有源区20，隧道结条带14A定位在光学模的正下方，并且形成具有与脊24a基本相同的宽度W。我们于2021年10月6日递交的、申请号为17/495,227的共同未决申请包含关于沿着底部欧姆接触和激光二极管有源区之间的路径使用“电流限制器”的扩展论述，并且该申请通过引用并入本文。
在大多数情况下，可以使用常规类型的图案化和蚀刻工艺来将生长/沉积的隧道结14转变成隧道结条带14A。通过移除隧道结14的材料的无关部分，形成n-p-n电流阻挡区，并因此以图5所示的方式促进电流限制。
图6示出了根据本发明的原理形成的反向结GaAs基半导体激光器的另一个实施例。在这种情况下，反向结激光器60采取分布式反馈(DFB)激光器的形式。如本领域公知的，DFB激光器包括布拉格光栅，该布拉格光栅沿着结构的纵向轴相对靠近有源区定位。光栅的存在在激光器的反射率带的中心产生共振，使得输出发射变窄以基本上“锁定”共振值，并提供稳定的单波长器件。
参考图6中所示的特定元件，反向结DFB激光器60示出为基于n-GaAs基底62，其优选为单晶结构。为了正如反向结配置所必需的那样将通过n-GaAs基底62的电子流转换为空穴流，在n-GaAs基底62的暴露的顶部表面62S上生长(或以其他方式形成)隧道结64。然后在隧道结64之上依次生长p-包覆层66和p-波导层68。然后在p-波导层68之上制造有源区70。类似于上面论述的反向结激光器10，有源区70可以包括本领域公知的任何合适的配置。
反向结DFB激光器60还包括形成在有源区70之上的n-波导层72。为了产生DFB激光器所需要的共振结构，使用本领域公知的方法在n-波导层72内形成布拉格光栅结构74。形成布拉格光栅结构74以表现出在激光器的输出波长产生共振的周期Λ。n-包覆层激光器76显示为形成在n-波导层72/光栅74之上。第一n型欧姆n接触78显示为形成在n-包覆层76之上，而第二n型欧姆p接触80跨n-GaAs基底62的背面形成。与上面论述的反向结激光器10一样，隧道结64的存在将朝向第二欧姆p接触80的电子流转换为朝向有源区70的空穴流。
根据本发明的原理，在GaAs基DFB激光器中使用反向结配置允许光栅形成在n型材料中，而不是如现有技术DFB激光器中发现的p型材料中。回想一下，借助于使n型和p型波导层的位置反向，光学模强度将表现出比常规DFB结构更小的梯度。因此，与基于在p型材料内形成光栅结构的现有技术配置相比，光栅结构74可以定位得更远离有源区70。图7是沿着图6的线7-7截取的反向结DFB激光器60的视图。在该视图中还示出了光学模的定位，其清楚地示出了有源区70和光栅结构74之间的光学模的重叠、以及有源区70和光栅结构74之间的间距S。
在不影响器件性能的情况下增加有源区70和光栅结构74之间的间距的能力允许减少在形成光栅结构74的过程期间可能引入的各种杂质和缺陷形成的影响。使n-波导层72和光栅结构74之间的过生长(overgrowth)界面进一步远离有源区70移动也限制了可能存在于该界面的任何杂质的影响。此外，由于光学模强度表现出相对小的梯度，所以可以更好地控制有源区70和光栅结构74之间的耦合强度。
本文阐述的实施例和示例被呈现以最好地解释本发明及其实际应用，并且从而使得本领域技术人员能够制造和利用本发明。然而，本领域技术人员将认识到，前述的描述和示例仅出于说明和示例的目的而被呈现。本发明的其他变化和修改对于本领域技术人员来说将是明显的，并且所附权利要求的意图是覆盖这些变化和修改。实际上，可以预期，在需要高功率激光二极管的各种情况下(例如在980nm泵浦激光器、宽面积单发射激光器、条形激光器等中)，在边缘发射GaAs基激光器中使用反向结结构可能是优选的。
所阐述的描述并不旨在穷举，也不旨在限制本发明的范围。根据上述教导，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，许多修改和变化是可能的。可以预期，本发明的使用可以涉及具有不同特征的部件。意图是本发明的范围由本文所附的权利要求限定，在所有方面充分承认等同物。
Claims (13)
1.一种边缘发射GaAs基激光器，包括：
n型GaAs基底，其具有顶部主表面和相对的底部主表面；
隧道结，其形成在所述n型GaAs基底的顶部主表面上；
p型包覆层，其形成在所述隧道结之上；
p型波导层，其形成在所述p型包覆层之上；
有源区，其设置在所形成的p型波导层上；
n型波导层，其形成在所述有源区之上；
n型包覆层，其形成在所述n型波导层之上；
第一n型欧姆接触，其耦合到所述n型包覆层；以及
第二n型欧姆接触，其耦合到所述n型GaAs基底的底部主表面。
2.根据权利要求1所述的边缘发射GaAs基激光器，其中，所述p型包覆层由包括铝的半导体成分形成，其中，铝含量超过所述半导体成分的40％。
3.根据权利要求2所述的边缘发射GaAs基激光器，其中，所述p型包覆层的所述铝含量超过90％。
4.根据权利要求1所述的边缘发射GaAs基激光器，其中，所述p型包覆层包括AlGaAs。
5.根据权利要求1所述的边缘发射GaAs基激光器，其中，所述p型包覆层包括AlAs。
6.根据权利要求1所述的边缘发射GaAs基激光器，其中，所述n型包覆层形成为包括用于限制光学模场的脊结构。
7.根据权利要求6所述的边缘发射GaAs基激光器，其中，所述隧道结被配置为与所述n型包覆层的所述脊结构对齐的条带。
8.根据权利要求1所述的边缘发射GaAs基激光器，其中，所述边缘发射GaAs基激光器形成为分布式反馈激光器并且还包括：
布拉格光栅，所述布拉格光栅形成在所述n型波导层内并与所述有源区平行地设置。
9.根据权利要求8所述的边缘发射GaAs基激光器，其中，所述布拉格光栅定位在与所述有源区间隔开的位置，所述间隔开的位置足以最小化所述布拉格光栅的过生长界面与所述有源区之间的相互作用。
10.一种形成边缘发射GaAs基激光器的方法，包括以下步骤：
提供具有顶部主表面和相对的底部主表面的n型GaAs基底；
在所述n型GaAs基底的顶部主表面上形成隧道结；
在所述隧道结之上形成p型包覆层；
在所述p型包覆层之上形成p型波导层；
在所形成的p型波导层上设置有源区；
在所述有源区之上形成n型波导层；
在所述n型波导层之上形成n型包覆层；
在所述n型包覆层上沉积第一n型欧姆n接触；以及
在所述n型GaAs基底的底部主表面上沉积第二n型欧姆p接触。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，外延生长工艺用于形成所述p型层和所述n型层。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述隧道结的步骤包括以下步骤：
沉积高掺杂n型和p型材料的层状结构；
图案化所述层状结构以限定与光学模区对齐的条带；以及
蚀刻所图案化的层状结构，以从所述条带位置之外的区移除所述高掺杂的p型和n型材料。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述n型波导层的步骤包括以下步骤：产生布拉格光栅结构以形成分布式反馈激光器，所述布拉格光栅结构具有对应于所述边缘发射GaAs基激光器的输出波长的布拉格波长。
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