CN1261985A - 具有掩埋异质结构类型的激光二极管 - Google Patents
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Abstract
在BH－类型的半导体激光器中,包括由n－p－n－p或者n－SI－n－p序列膜层(5,9,11,3)构成的侧面电流阻挡结构,位于掩埋有源区的两侧。在第二n型掺杂膜层和第二p型掺杂膜层之间加入一个或多个薄膜层(13,15)。薄附加膜层(13,15)是p型掺杂的,并由高带隙和低带隙材料交替构成。这些薄膜层在中等至大电流强度下提供较大的正向电压降,从而很好地限制激光器中的电流,因而产生较高光输出功率,而且输出功率/电流特性偏离线性度的程度较小。
Description
本发明涉及具有掩埋异质结类型的激光二极管。
由元素周期律中包括第III-V族原子的材料系制成的半导体激光二极管在大部分光通信系统中是关键部件，诸如材料系InP/InGaAsP、InP/InAlGaAs、GaAs/AlGaAs和GaAs/InGaAs。在系统应用中，获得具有高的光输出功率(高量子效率)和作为注入电流(I)的函数的线性光输出功率(P)的激光器十分重要。实现这些目标的条件是有效地限制激光结构中的电流，也就是说，泄漏电流尽可能地小。电流泄漏导致较低的量子效率和呈曲线即非线性的功率-电流(P-I)特性。
最普通类型的半导体激光器之一是所谓的BH-激光器，其中BH表示掩埋异质结。传统的BH-激光器通常制成类似图1中的截面示意图。该截面是沿着垂直于光传播方向剖开的。在激光器的中心设置有有源区1，这里假设由InGaAsP制成，该有源区的所有侧面被具有较高带隙的材料包围，在图1中假设这种材料为InP。在上部和下部提供掺杂类型相反的膜层，在图1中分别为在有源区1的上部的p型掺杂的InP膜层，和在有源区1的下部的n型掺杂膜层5。在有源区1的侧面，在它的左边和右边设置电流阻挡区7或电流阻挡层，它们的带隙也比有源区1的带隙高。在结构的最上部和最下部设置金属型欧姆电触点(图中未示出)，以便注入电流操作激光器。
当适当的电流通过有源区1时，这样在有源区1获得受激复合，所述有源区1被带隙较高的材料包围。如前所述，根据图1中的实施例，有源区1上部的材料是p型掺杂，有源区1下部的材料是n型掺杂，而有源区1本身中的材料通常是不掺杂的或低掺杂的。因此，该结构沿着从上向下的方向看在截面I-I内是PIN二极管，所述I-I截面垂直于图1中的纸面平面并通过有源区1的中心。把有源区1限制或掩埋在高带隙材料中的原因有两个：
1)为了实现电流限制，因为注入的载流子的势能在有源区1中比在周围高带隙膜层中低。
2)为了实现光限制，因为带隙较低的有源区1的折射率比周围带隙较高的材料的高，使得有源区1形成光波导的芯，所述光波导的覆层由周围膜层构成。
当在与上部p型膜层3连接的外部电触点(未示出)和另一与下部膜层5连接的外部电触点(未示出)之间加电压，使得上部膜层获得比下部膜层高的电势时，电流将沿着向下方向通过该结构。那么载流子即空穴和电子被注入有源区1中。它们通过自发复合和受激复合而复合。对于某一最低电流，称为阈值电流Ith，受激增益如此大，超过激光腔中由于光耦合出端面、在波导中的缺陷引起的光散射和光吸收、自由载流子的吸收、及其他因素产生的损耗。那么元件开始产生激光并从中发出光。
那么，光输出功率P作为通过激光器的电流I的函数，在理想情况下如图2中的曲线A所示，曲线A描述了光输出功率随着电流的增加而线性增加。然而，实际上两个物理现象导致特性通常如同图2的曲线B所示，即包含曲线特征，其中从阈值电流Ith开始，光输出功率的增加作为电流增加的函数小于线性增加：
1)芯片被加热，即其中制有激光器的半导体板的温度高。
2)与电流(或电压)相关的泄漏电流。
加热与V.I成正比，其中V是二极管上的电压降，I是通过二极管的电流强度。通过很好地设置热耗散可以使得所述热效应最小。
第二个物理现象严格依赖于电流阻挡层7的构造方式，所述电流阻挡层7在图1中的左侧和右侧包围有源区1。
美国专利5,398,255中公开了一种上述类型的激光器。所述专利是授予Tomoji Terakado，NEC公司的，名称为“Semiconductor laserhaving buried structure on p-InP-substrate”。在该专利中讨论了在电流阻挡结构中加入一个或多个较低带隙的膜层。激光器制成在包括设置在上面的一系列膜层的p-InP-基底上，在电流阻挡区内沿着向上方向包括第一p-InP-膜层11，该膜层属于波导的下覆层，然后是p-InP-膜层17，再后是n-InP-膜层18，InGaAsP-膜层20，n-InP-膜层21，然后上部是附加p-InP-膜层22，该膜层属于上覆层。因此，沿着从下向上的方向看，所述InGaAsP-膜层位于普通p-n-p-n结构的最后一个pn结中。
在美国专利4,752,933中公开了一种在n-GaAs或p-GaAs上由GaAlAs制成的半导体激光器，该专利名称为“Semiconductorlaser”，是授予Uomi等、Hitachi Ltd.的。该激光器具有低折射率区域13，该区域是通过扩散Zn或注入Be或Si离子扰乱超晶格结构形成的。通过下覆层3与扰乱区域之间的反向p-n结形成电流阻挡层。
本发明的目的是提供一种BH-类型半导体激光二极管，它减小泄漏电流，以便使得它更适用于不同的通讯系统。
本发明的另一目的是提供一种BH-类型半导体激光二极管，它在电流阻挡结构中具有增大的正向电压降，而且能够以简单方法制造。
已知的BH-类型半导体激光器中的电流阻挡结构由包括在结构中的例如n-p-n-p顺序的膜层构成，补充一层或多层薄的额外或附加膜层，所述一层或多层膜层设置或分别设置在第二n型掺杂膜层与第二p型掺杂膜层之间。所述薄的附加膜层应该是p型掺杂的，并由高带隙和低带隙材料交替构成。这些薄膜层较好地限制激光器的电流。
用上述材料系制造BH-激光器的基本方法是公知的。在电流限制结构中加入薄膜所需要的制造过程的变化并不意味着需要开发任何完全新的处理方法，而是薄膜可以使用任何公知的处理技术制造，例如用于生长不同带隙和掺杂膜层的MOVPE(“Metal Organic VapourPhase Epitaxy”(有机金属汽相外延生长))或LPE(“Liquid PhaseEpitaxy”(液相外延生长))技术，以及用于去除材料的湿法刻蚀或干法刻蚀方法，可以选择材料和/或一定的光刻限定的区域。
这里讨论的掩埋异质结类型的激光二极管，根据上面的描述改进了电流限制，与传统BH-激光器比较允许较高输出功率，而且输出功率特性的线性度较好，尤其是在较高温度时。这些特性对于设计低应用成本的非冷却激光器十分重要。
上述电流限制结构在重要方面与引用的授予Terakado的美国专利中公开的已知结构不同：
(1)这里描述的用于激光器中限制电流的结构主要是指造在n型基底上的激光器，而不是如同以前所知的情况，用于造在p型基底上的激光器。然而，这里描述的电流限制结构在原理上也适用于造在p型基底上的激光器；在这种情况下电流限制结构中的膜层顺序与上面所述的相反。
(2)这里描述的电流限制结构涉及具有n-p-n-p类型和n-SI-n-p类型的电流限制结构的激光器；后一变型对于与其他元件一体集成的激光器十分重要，因为这样的激光器需要半绝缘的InP-膜层把同一芯片上的不同功能彼此电绝缘，以便降低电容，从而获得能够以高比特率调制的元件。
(3)这里描述的电流限制结构是基于另一物理机制和另一膜层结构，而不是已知的机制和膜层结构。这里利用由于加入膜层序列引起的能带弯曲，在较佳实施例中所述膜层序列在p-侧包括N个周期的p-InP/p-InGaAsP，直接位于传统电流阻挡区最上方的n型膜层之上。能带弯曲等价于增大微分电阻，从而产生较大电压降。引用专利中使用的机制是在p-n-p-n-可控硅结构中的基极和集电极膜层之一内加入一个或分别加入多个InGaAsP膜层，所述p-n-p-n-可控硅结构是通过电流限制层与底层和顶层共同构成，以便降低载流子的寿命，从而降低可控硅中的电流增益系数。
虽然这里描述的电流限制结构与以前已知的结构表面上看可能类似，但是两者的确切膜层结构和加入膜层的目的实质上是彼此不同的。这里描述的电流限制结构更通用，而且如同下面所示，也可以用于改进具有半绝缘电流限制结构的激光器。而且，可以看到在使用包括InP/InGaAsP的材料系的情况下，在p-侧加入膜层结构具有明显的优点，因为价带中的带隙不连续性比导带中的高，这样比把相应的膜层结构设置在n-侧(即基底一侧)产生更大的能带弯曲。
因此半导体激光器通常包括诸如掩埋异质结的有源区和侧面包围有源区的电流限制区。顶层和底层在高度方向或横向即垂直于膜层和结构的大表面方向上包围有源区。电流限制区和顶层及底层一起形成n-p-n-p结构或者n-SI-n-p结构，实际制成电流限制结构。一个或多个薄膜层设置在结构中的第二n型掺杂膜层和第二p型掺杂膜层之间，用于限制电流。薄膜层提高了电流限制结构中的正向电压降，从而降低泄漏出有源区的电流。
因此激光器包括侧面电流阻挡结构，该结构由n-p-n-p或者n-SI-n-p顺序的膜层构成，位于掩埋有源区的两侧。薄的附加膜层是p型掺杂的，并由高带隙和低带隙材料交替构成。与没有这样的附加膜层的激光器比较，它们在中等至大电流强度情况下产生较大的正向电压降，从而较好地限制激光器中的电流。因此这样产生较高的光输出功率，而且激光器的输出功率/电流特性偏离线性度的程度较小。
本发明的其他目的和优点将在后面的描述中提出，而且通过描述部分将是显然的，或可以通过实施本发明知晓。本发明的目的和优点可以通过特别是权利要求书中提出的方法、步骤和设备以及它们的组合实现或获得。
虽然本发明的新颖特征在权利要求书中特别提出，但是通过下面结合附图给出的对非限制性实施例的详细描述，可以更透彻地理解本发明-关于它的结构和内容，以及上述特征和其他特征，也可以更好地领会本发明，其中；
图1是传统BH-激光二极管的截面示意图，该截面是沿着垂直于光传播方向剖开的；
图2是作为通过半导体激光器的电流I(测量单位为mA)的函数的光输出功率P(测量单位mW)的曲线图，其中曲线A对应于没有泄漏电流、没有过热的理想激光器，而曲线B对应于在高电流/电压下有电流泄漏的激光器；
图3是与图1类似的截面示意图，在该图中更详细地描述了造在InP/InGaAsP上的BH-激光器中的电流阻挡层的传统结构；
图4A和4B是电流阻挡层沿图3中II-II的截面的示意图，分别对应于传统结构和包括薄膜的结构，薄膜之一具有低带隙；
图5是曲线图，曲线A示出具有传统电流阻挡结构的激光器的作为温度函数的测量输出功率，曲线B示出具有限制电流的附加薄膜的结构的同一功率；
图6是曲线图，曲线A和B分别示出具有传统电流限制结构的激光器和具有限制电流的附加薄膜的激光器，从激光器芯片一端输出7mW功率，测得的作为电流函数的输出功率的非线性曲线；以及
图7是曲线图，分别示出不包括(N＝0)和包括(N＝3，6)用于限制电流的附加膜层的宽度为1微米的二极管的受激电流强度曲线。
已经参考图1描述了传统BH-激光器的基本结构，而且在图2中给出了它的功率-电流特性。这种已知的BH-激光器也示于图3中，从图3也可以看到电流限制区7的结构。下面假设激光器主要制造在InP-基底或底层5上，它的带隙为大约1.35eV，还假设电流阻挡层7以及有源区1上部的膜层3也由不同掺杂类型的InP构成，如同在图1中所示出的结构一样，而且有源区1或者由厚度通常为0.05μm-0.30μm的单个InGaAsP膜层构成，或者由具有包括InP和InGaAs和/或InGaAsP的不同组分的一系列膜层构成，其中一些膜层可以非常薄，以便用已知的方法制成所谓的多量子阱结构。然而，激光二极管也可以使用其他类似的材料系制造，例如GaAs/AlGaAs、GaAs/InGaAs或者InP/InGaAlAs。
这种类型的激光器对于利用波长大约为1.3μm和1.55μm的光的光纤通信特别重要。
使用这些材料系制造BH-激光器的基本方法是公知的。制造图1中的电流阻挡区7的公知方法主要有两种：
A)使用所谓的可控硅结构，其中电流阻挡区首先包括p型掺杂的InP膜层，然后是n型掺杂的InP膜层。
B)使用半绝缘的(SI)InP，例如掺杂铁离子的InP，然后是n型掺杂的InP膜层。
在如同图3所详细示出的BH-激光器的横向截面图中，可以看到激光器可以通过如下步骤制造：利用MOVPE技术在底层5即n型掺杂的基底上生长所述包括在有源区1中的一个或多个不同的膜层，刻蚀制造有源区1，以便获得宽度w通常为1-2μm的台面或纵向突出的平台，并利用适当的掩膜在上面选择生长电流限制层7，所述掩膜也可以在前面刻蚀时使用。上述的情况A)对应于最靠近n-基底5的p型掺杂InP膜层9，该膜层在所有侧面包围有源区1，也可以覆盖该区域的上表面，而上述情况B)对应于最靠近n-基底5的Fe掺杂InP膜层。在膜层9的上部设置n型掺杂的InP膜层11，然而该膜层不必与有源区1中的膜层直接接触，只是位于一侧。电流阻挡区8中的下层9的通常厚度b＝0.05-3μm，其中上层11的通常厚度a＝0.05-1.5μm。在结构的上部设置p型掺杂的InP膜层3，该膜层在有源区1的侧面区域内直接位于上电流限制层11的上部，在有源区1的上部与下电流阻挡层9直接接触。
那么整个电流阻挡或限制结构横向包括A)从底部数起的可控硅类型的横向n-p-n-p结构，位于有源区1的侧面，或者B)n-SI-n-p结构，参见在线或截面II-II看到的材料顺序。
在情况A)中，通过如下事实实现电流限制，横向n-p-n-p可控硅类型结构中的正向电压降大于位于中心的n-i-p-二极管结构，参见沿着图3中的线I-I的结构，所以所有电流在理想通过位于中心的有源区1。在情况下B)中，电流限制通过如下方式实现，即把从基底注入SI-膜层9的电子捕获在Fe-掺杂产生的陷阱中。为了停止从上面注入空穴，SI-层9通常与位于其上的n型掺杂InP膜层11结合，如图3所示。
在许多方面结构B)比结构A)更优先选用，因为结构B)产生较低的电容，因此元件的调制带宽较大。使用SI-膜层也使得InP-芯片的不同部分能够彼此电绝缘，这样可以用于制造整体集成的光和/或光电线路。
所述两种结构类型中的一个问题是它们不够理想，如上所述。对于通过激光器的大电流，一部分电流也将通过侧面电流阻挡结构。原因之一是有源区1和最靠近上方的p型掺杂膜层3之间的电压降如此大，以至于可以与电流阻挡结构的正向电压降相比。
为了改善电流阻挡层的阻挡能力，因此希望其中的正向电压降尽可能大。
图3中的传统电流阻挡结构，不论用于A-或B-变型中，为了上述目的在电流阻挡区7中上层膜层的上部附加一个或多个薄膜，即在n型掺杂的InP膜层11上部。这些薄膜通常应该与下面的膜层11的掺杂类型相反，因此是p型掺杂的，而且应该由高带隙材料例如InP与低带隙材料例如InGaAsP(带隙为0.9-1.1eV)交替构成。这些薄膜在n-p-n-p或者n-SI-n-p结构的电流强度为中等至较高时给出较大正向电压降，所述n-p-n-p或者n-SI-n-p结构是由电流阻挡层9、11以及基底5和上层3获得的，从而元件的电流限制较好，因此得到高光输出功率，而且P-I特性的线性偏离度较小。这些结构中的正向电压降增大主要是由能带弯曲产生的，能带弯曲是由于具有低带隙的一个/多个膜层在中等至高电流时产生的。
在图4A中示意性示出传统电流阻挡结构，图4B示出根据上述描述制成的用于增强电流限制的电流阻挡结构，其中的结构相应于图3中的截面II-II。在图4B所示的实施例中给出了三个周期，其中每个周期在包括位于底部的p型掺杂InGaAsP膜层，厚度为y纳米，上面是p掺杂的InP膜层15，厚度为x纳米。周期数N以及附加的薄膜13、15的确切厚度x、y，和电流阻挡区7中的两个下部膜层9、11的厚度a和b可以变化。膜层13、15中n型和p型掺杂的典型值为5·107cm-3至2·1018cm-3数量级，但是在通常情况下可以较低和较高数值掺杂。
制造发射波长大约为1.51μm的元件，包括根据图4A和4B的电流阻挡结构。使用同样的晶片，其上有以传统方法生长的传统激光器结构，在它的有源区具有量子阱。在生长电流阻挡层之前，把所述晶片分为两半：在一半上生长根据图4A的电流阻挡层，即根据传统的方法，在另一半上生长阻挡层制成图4B所示结构。膜层的厚度为：x＝30nm，y＝30nm，a＝0.4μm，a＝1.3μm。周期数N＝3。InGaAsP膜层13的带隙为0.96eV。挨着最下层9是电流阻挡层，直接位于p型基底5上面，由掺杂铁(Fe)的半绝缘InP构成。
图5中的曲线示出对于两种不同类型的电流阻挡层，在电流比阈值电流高60mA的情况下，通过15个激光器计算的作为芯片温度函数的测量输出功率的平均值。从图5可以看到电流阻挡结构具有一系列附加薄膜13、15，结果实质上改善了性能，即较高的输出功率，尤其是在较高温度时。
图6中的曲线描述了两种不同的激光器的P-I特性的非线性度。这里的非线性度按如下方式定义，首先计算为了获得7mW输出功率所需要的电流，假设P-I曲线为图2中的直线“A”，直线“A”从测得的阈值电流开始，斜率为在阈值电流附近的电流处的测量斜率(量子效率)。该电流称为I1。然后测量输出功率值，该功率实际上为在所述电流I1获得的，然后元件遵循类似于图2中的曲线“B”的测量曲线。该测得输出功率称为P1。然后计算差值(7mW-P1)与7mW的商。该商以百分比计算，这里称为非线性度。再者，使用几个薄膜周期加强电流限制，如同这里描述的一样，可以看到与传统电流限制相比获得了更大地改进，尤其是在芯片温度高时。
事实上，在芯片温度高时利用增强的电流限制，使得激光器的性能更好特别重要，因为用于接入网络(称为“Fibre to the Home”(光纤至主机))和光学内部连接(例如在电话交换机的电脑中)的激光器必须能够工作在高温度(高达350-360K)下，因为用于冷却包括如上所述激光器的密封盒的功能，将需要额外元件，导致这种系统的成本过高。
为了证实根据图4B在p-InP一侧加入一个或几个(N)周期的薄膜的基本设想确实在电流阻挡层中产生较高电压降，模拟了图4A和4B所示两个结构的电流(I)-电压(U)特性。
不模拟整个可控硅结构，通过模拟n-p-二极管结构，该结构分别只对应于图4A中的两个上膜层11、3和包括图4B中示出的薄中间膜层13、15的这些膜层，来有选择地详细研究p-侧上的附加膜层的影响。因此，后一种情况下的结构在底部包括p型掺杂的InP，然后是N个周期的280p型掺杂的InP和280p型掺杂的InGaAsP，然后是p型掺杂的InP。所有掺杂为1·1018cm-3。InGaAsP材料的带隙为0.96eV，而且点阵调整为InP。
在图7的曲线图中，示出宽度为1微米(1μm)的如上所述结构，长度大约为300μm，作为结构上的电压函数的电流。如图7所示，通过加入上面所建议的包括附加电流限制膜层的结构，电流大于1mA/μm时，正向电压降大大增大。电流阻挡结构的正向电压降增大意味着更多的电流通过有源区1(在图1和3的截面I-I)，激光器的性能提高。
虽然这里说明和描述了本发明的具体实施例，但是应该理解本领域的技术人员容易想到无数种其他优点、改进和变型。因此，本发明在较宽的方面并不限于这里示出和描述的具体细节、代表装置和说明的例子。因而，可以进行各种改进，而不脱离如权利要求书和它们的等同替换所限定的一般发明原理的实质和范围。从而应该理解权利要求书意欲覆盖落入本发明实质和范围内的所有改进和变型。
Claims (6)
1.一种半导体激光器，包括由掩埋异质结构构成的有源区和侧面包围所述有源区的电流限制区，以及在高度方向或横向包围有源区的顶层和底层，所述电流限制区和顶层及底层一起形成用于限制电流的n-p-n-p或者n-SI-n-p结构，其特征在于至少一个薄膜层设置在结构中的第二n型掺杂膜层和第二p型掺杂膜层之间，用于限制电流，以便提高电流限制结构中的正向电压降，从而降低泄漏出有源区的电流。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于所述至少一个薄膜层是p型掺杂的。
3.根据权利要求1-2中任何一项所述的半导体激光器，其特征在于所述至少一个薄膜层是至少两个，而且由高带隙和低带隙材料交替构成。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的半导体激光器，其特征在于所述至少一个薄膜层中的至少一个具有比周围膜层低的带隙。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的半导体激光器，其特征在于所述半导体激光器造在n-InP基底上。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的半导体激光器，其特征在于n型、p型或Fe-掺杂的InP膜层和各种InGaAsP合金。
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