CN1246967A - 半导体激光器元件 - Google Patents

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Abstract

半导体激光器元件,该元件具有适于产生电磁辐射的、SCH构造的半导体本体,在该本体中,在第一导电类型的第一外覆盖层和第一导电类型的第二外覆盖层之间设置一量子阱结构的有源层序列。在有源层序列和第二外覆盖层之间设置一个第二导电类型的第一简并过渡层和一个第一导电类型的第二简并过渡层。

Description

半导体激光器元件
本发明涉及一种单极型半导体激光器元件，该元件具有一种适于产生电磁辐射的具有异质结构构造的半导体本体，尤其是具有一种SCH构造(分离限定异质结构构造)，在这种构造中，在一个半导体衬底上设置一具有量子阱结构(＝有源区)的有源层序列，该序列被安置在一个第一导电类型的第一外覆盖层和一个第一导电类型的第二外覆盖层之间，当电流通过半导体本体时在这种结构中产生电磁辐射。这些覆盖层与有源层序列相比具有较低的折射率，因此在工作时所产生的光波被封闭在这些覆盖层之间。
在Physics and Simulation of Optoelectronic DevicesIV，SPIE Vol.2693(1996)，352-368页中，由H.Hillmer，A.Greiner，F.Steinhagen，H.Burkhard，R.Loesch，W.Schlapp，T.Kuhn发表的文章描述了一种激光二极管，在这种二极管中，在半绝缘或n型导电InP的半导体衬底上淀积一由n型导电的InP组成的覆盖层，在其上淀积一由InGaAs/AlInGaAs组成的有源层序列和淀积另一由P型导电的InAlAs组成的覆盖层。该有源区是由InGaAs多量子阱(MQW)组成的，这些量子阱是埋入AlInGaAs势垒和AlInGaAs波导层内的。AlInGaAs波导层是两个P型导电的波导层，然而它们都有比InP(n＝2×1018cm-3)及InAlAs(P＝2×1018cm-3)组成的覆盖层较低的掺杂P＝5×1017cm-3。在Hillmer等人提出的结构中涉及的是一种所谓的分离限定异质结构(SCH)，在这种结构中电子和空穴通过pn结注入一个有源区，该pn结主要由覆盖层，在所述情况下由n-InP和P-InAlAs构成。与在量子阱中包括载流子无关，所产生的光波通过波导传输，该波导由具有较低折射率的覆盖层包围。在特殊情况下有源多量子阱区是不对称的，就是说在波导中间安置。该波导在面向P导电的覆盖层一侧是被缩短的，以便将空穴向量子阱中的输运加速，空穴原则上比电子具有明显小的迁移率。从而可以实现一种改进的可调制性，该种调制性主要由适度掺杂的波导内较小迁移率空穴的输运和由多量子阱结构中的电子俘获所决定。
量子阱和多量子阱半导体激光器以及SCH构造的原理性结构，例如已在W.Buldan所著半导体光电子学(Hanser出版社，慕尼黑，维也纳，1995，182-187页)中有所叙述，因此这里不再详述。
到目前为止，所研究的激光器以InGaAsP和AlInGaAs材料为基础，在其波导层中空穴迁移率明显小于电子迁移率。
在常规玻璃光纤的光窗口中，对1.3μm和1.55μm波长的高数据传输速率，由于较小迁移率空穴进入量子阱中的漂移输运和在多量子阱结构中的电子俘获出现一种高频可调制性的限制。
通过上述P侧波导层的缩短可以缩短在波导中空穴的输运长度。然而漂移速度确是由所加电场和差的迁移率所决定。
本发明的任务在于开发一种本专利开始所述类型半导体激光器元件，该种元件与上述已知半导体激光器元件相比具有一种较好的功能特性。本发明尤其应该在1.3μm和1.55μm之间的波长范围内提供一种较好的高频可调制性的半导体激光器。
该任务通过具有权利要求1的特征的半导体激光器元件予以解决。在从属权利要求中给出其它的优选结构。
本发明提出的结构是，在有源层序列和第二外覆盖层之间这样地设置与第一导电类型相反的第二导电类型的一个第一高掺杂简并过渡层(例如n+或p+)和第一导电类型的一个第二高掺杂简并过渡层(例如p+或n+)，即使得第二高掺杂简并过渡层安置在第一高掺杂简并过渡层和第二外覆盖层之间。
对高n掺杂(或n+掺杂)和高p掺杂(或p+掺杂)也就是简并掺杂应优先理解为分别具有≥1017cm-3的掺杂浓度。
n+p+层序列具有“空穴注入器”的作用，通过这种注入器靠近有源区的电子被转换为空穴并在电场中被加速。因此，通过这个相对于构件反向极性连接的n+p+层序列，载流子在该n+p+层序列的内部电场中被加速并高速注入有源区。此n+p+层序列在覆盖层内部起着载流子源的作用。
在载流子注入器中围绕过渡区的一个德拜长度的距离内出现导电类型的一个真正的反转，就是说通过在二极管的一侧的n掺杂使费米能级进入导带并且在相对的一侧空穴通过p掺杂使费米能级进入价带(“简并”)。通过在载流子注入器的这些简并掺杂区之间几个埃的非常窄的空间电荷区，在反向极性作用下可以导致电子的带间隧道穿透由p掺杂半导体的价带进入n掺杂半导体导带的能级，由此在p掺杂区中形成空穴。
在本发明半导体激光器元件的一个优先实施结构中，在第一高掺杂简并过渡层和第二高掺杂简并过渡层之间可以安置一个与这些过渡层相比有较小掺杂浓度的任意一种导电类型的势垒层，该势垒层可以构成一电子势垒，该势垒延伸至有源区之外。
在另一优先实施例中，在第一高掺杂简并过渡层和量子阱结构之间安置一薄的、与这些过渡层相比有较低掺杂的电子势垒层，该势垒层应能阻止向有源区之外漂移的电子跑入高掺杂的简并过渡层(p+n+结构)。
在本发明半导体激光器元件中，尤其在最后所述两个实施结构中，载流子在电场中被加速，该电场在激光二极管导通情况下在高掺杂简并过渡层(＝p+(n)n+二极管)的耗尽区内形成，在此情况下该二极管是反向端接的。由此可以实现与开始所述类型的已知的半导体激光器元件中所达到的漂移速度相比具有高很多的漂移速度。此外，将阻止电子从有源区的范围内被抽走并且形成电荷积累。
该势垒层优先由一种材料构成，该材料比间距层的材料具有较大的禁带宽度。特别是该势垒层形成一越过有源区和间距层向外跑的电子的势垒。
本发明半导体激光器元件的一种优先的进一步发展是一种SCH量子阱激光器或一种多量子阱激光器，在这种激光器中有源区，波导层和覆盖层以及过渡层具有由III-V族半导体材料中的半导体材料。
在此，特别优选的材料对于覆盖层和波导层是InxGa1-xAsyP1-y(0≤x≤1，0≤y≤1，)或者AlxGayIn1-x-yAs(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)，以及对有源区是InxGa1-xAsyP1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)或者AlxGayIn1-x-yAs(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)。重要的是所提出的这些材料是具有应力地生长在InP衬底上或一种另外的层上。高掺杂过渡层同样可以由InxGa1-xAsyP1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)或者AlxGayIn1-x-yAs(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)组成。n+p+二极管的“注入器结构”可以集成在波导中，当这些过渡层的折射率与波导的功能相适配时，尤其是当折射率大于外覆盖层中的和小于量子阱结构区域中的折射率时。
在第一高掺杂简并过渡层和量子阱结构之间的间距层优选厚度为150nm至10nm，并可由未掺杂的或弱掺杂的半导体材料组成。高掺杂简并过渡层的厚度在50nm和5nm之间，低掺杂势垒层的厚度可以达到200nm。
在本发明的半导体激光器元件的结构中，空穴将在一个次级电场中加速，并且从而以较快的速度通过波导中的这段短的路程到达量子阱结构。此外，还将阻止电子越过有源区的范围跑得太远。
下面结合附图1至附图3中示出的三个实施例进一步阐述本发明的半导体激光器元件。这些附图是：
图1第一实施例的层结构示意图，
图2第二实施例的层结构示意图和
图3第三实施例的层结构示意图。
图1所示的半导体本体13涉及的是SCH量子阱半导体激光器的半导体本体，在这个本体中，在一个例如由导电掺杂的或半绝缘的InP组成的半导体衬底8上，淀积第一导电类型的第一外覆盖层7。该层例如由高掺杂的简并InP(n+或p+)组成。半导体衬底层必要时具有与第一外覆盖层7相同的导电类型。
在此第一外覆盖层7之后是第一波导层6，它是未掺杂的，可以是第一导电类型或是与此相反的第二导电类型。例如它是由p-InGaAlAs组成的。
在第一波导层6上淀积一量子阱结构5，例如由未掺杂的InGaAs组成，在此层上有一薄的间距层4，此层是第二导电类型或者是未掺杂的，而且例如是由p-InGaAlAs组成。
与此间距层4相连接的是具有第二导电类型的第一高掺杂简并过渡层3，在此层上又有一具有第一导电类型的第二高掺杂简并过渡层2。第一高掺杂简并过渡层例如是一p+-InGaAlAs层并且第二高掺杂简并过渡层例如是一n+-InGaAlAs层。最后在第二高掺杂简并过渡层2上设置一具有第一导电类型的第二外覆盖层1，例如它是由n-InGaAlAs组成的。
由第一高掺杂简并过渡层3和第二高掺杂简并过渡层2构成的层序列(p+n+二极管)用作注入器；由间距层4、第一高掺杂简并过渡层3和第二高掺杂简并过渡层2构成的层序列用作第二波导层14。
为了与半导体本体13电接触，在一个位于第一外覆盖层7对面的半导体衬底8的主表面上设置一个第一接触金属化区11(欧姆背面接触区)，并且在一个位于第二高掺杂简并过渡层2对面的第二外覆盖层1的主表面上淀积一个第二接触金属化区12(欧姆正面接触区，例如金属层序列Ti/Pt/Au)。这些接触金属化区11、12是由在半导体技术中通常为分别使用的半导体材料所应用的材料组成。第一接触金属化区11在应用半绝缘半导体衬底8时可以直接与第一外覆盖层7连接。
在图2中示出的SCH量子阱半导体激光器的半导体本体13中，在半导体衬底8(例如半绝缘InP)上，与图1所示的实施例相似，设置一个第一外覆盖层7(例如n+-InP)、一个第一波导层6(例如P-InGaAlAs)、一个量子阱结构5(例如InGaAs)、一个间距层4(例如P-InGaAlAs)和一个第一高掺杂简并过渡层3(例如P+-InGaAlAs)。与图1所示的实施例的区别是，这里在第一高掺杂简并过渡层3上，首先淀积一个与过渡层3相比掺杂浓度较低的、第一或第二导电类型的薄势垒层10。例如它是由n-InGaAlAs组成的。然后在此低掺杂势垒层10上，淀积第二高掺杂简并过渡层2(例如由n+-InGaAlAs组成)和在此层上淀积第二外覆盖层1(例如由n+-InGaAlAs组成)。势垒层10的材料优先具有比间距层4的材料较大的禁带宽度。特别是势垒层10构成对越过有源区和间距层4向外跑的电子的势垒。在这里起第二波导层14作用的是由间距层4、第一高掺杂简并过渡层3、势垒层10和第二高掺杂简并过渡层2组成的层序列。
如图1所示实施例的半导体本体13，这里的半导体衬底8也具有第一接触金属化11和具有第二接触金属化12的第二外覆盖层1。
图3所示实施例与图1所示实施例的区别在于，在间距层4上淀积一附加的第二导电类型势垒层10(例如p-InGaAlAs)，与此层相连接有第一高掺杂简并过渡层3、第二高掺杂简并过渡层2和第二外覆盖层1。势垒层10优先由一种具有比间距层4的材料较大禁带宽度的材料组成。尤其是势垒层10构成越过有源区和间距层4向外跑的电子的势垒。在这里由间距层4、势垒层10、第一3和第二2高掺杂简并过渡层构成的层序列也起着第二波导层14的作用。
当然，借助这些实施例说明本发明的半导体激光器元件并不意味着本发明只限于这些实施例。本发明的半导体激光器同样也能够以其它混晶系统为基础来构成，例如由二元半导体GaSb、InSb、InAs、GaAs、AlAs、InP、GaP的混晶半导体来构成。
作为实例给出的P掺杂外覆盖层7、1也可以用n掺杂外覆盖层7、1来代替。只是这时过渡层3、2，间距层4(如果是掺杂的)以及图3所示实施例中的势垒层10的导电类型与上述具体描述的实例的各层材料的导电类型相反。
作为衬底除使用InP外也可以使用Si、GaAs、GaSb或其它III-V族半导体。

Claims (11)

1.半导体激光器元件，该元件具有适于产生电磁辐射的、具有异质结构构造的半导体本体(13)，在该半导体本体中，在半导体衬底(8)上设置一个安排在第一导电类型的第一外覆盖层(7)和第一导电类型的第二外覆盖层(1)之间的、具有量子阱结构(5)的有源层序列，在其内部，当电流通过半导体本体(13)时，产生电磁辐射，
其特征在于，
作为载流子注入器，通过该注入器在内部电场内载流子被加速并且从而被高速注入有源区，在有源层序列和第二外覆盖层(1)之间如此设置一个与第一导电类型相反的第二导电类型的第一高掺杂简并过渡层(3)，和设置一个第一导电类型的第二高掺杂简并过渡层(2)，即使得第二高掺杂简并过渡层(2)安排在第一高掺杂简并过渡层(3)和第二外覆盖层(1)之间。
2.按权利要求1的半导体激光器元件，
其特征在于，
简并过渡层(2、3)的厚度分别≥5nm和≤50nm。
3.按权利要求1或2的半导体激光器元件，
其特征在于，
在第一高掺杂简并过渡层(2)和第二高掺杂简并过渡层(3)之间安排一个与高掺杂简并过渡层(2、3)相比具有较低掺杂浓度的、任意导电类型的势垒层(10)，该层为电子提供一势垒。
4.按权利要求1至3之一的半导体激光器元件，
其特征在于，
在第一高掺杂简并过渡层(3)和有源层序列的量子阱结构(5)之间安排一个未掺杂的间距层(4)或者安排一个与过渡层(2、3)相比具有较低掺杂浓度的第二导电类型的间距层(4)。
5.按权利要求4的半导体激光器元件，
其特征在于，
在间距层(4)和第一高掺杂简并过渡层(3)之间安排一附加的第二导电类型的势垒层(10)，该势垒层提供一电子势垒。
6.按权利要求3或5的半导体激光器元件，
其特征在于，
势垒层(10)的厚度小于或等于200nm。
7.按权利要求4或5的半导体激光器元件，
其特征在于，
间距层(4)的厚度≥10nm和≤150nm。
8.按权利要求1至7之一的半导体激光器元件，
其特征在于，
在量子阱结构(5)和第一外覆盖层(7)之间安排第一波导层(6)并且在量子阱结构(5)和第二外覆盖层(1)之间安排第二波导层(14)。
9.按权利要求8的半导体激光器元件，
其特征在于，
第二波导层(14)由安排在量子阱结构(5)和第二外覆盖层(1)之间的各层(2、3、4；或2、3、4、10)所构成。
10.按权利要求9的半导体激光器元件，
其特征在于，
量子阱结构(5)、波导层(6、14)和覆盖层(1、7)具有III-V族半导体材料。
11.按权利要求1至10之一的半导体激光器元件，
其特征在于，
在简并过渡层(2、3)中掺杂物浓度≥1017cm-3。
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