CN1332502A - 具有硫族化物介电涂层的台面状半导体发光器件 - Google Patents

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费德里科·卡帕索
阿尔弗雷德·Y·乔
克莱尔·F·格玛楚
阿伯特·L·哈沁森
哈罗德·Y·黄
罗伯托·帕特拉
阿瑟·M·瑟贞特
德伯拉·L·斯夫科
阿利桑德罗·特莱迪库奇
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Abstract

在台面状半导体激光器中,用于限定台面顶部上的带状接触并且提供有效波导的布图介电涂层包括硫族化物玻璃。具体介绍了在次能带间(量子级)激光器的应用。

Description

具有硫族化物介电涂层的台面状半导体发光器件
本发明一般涉及台面状半导体发光器件(例如激光器，自发发射光源)，特别是涉及次能带间(ISB)脊形波导(RWG)发光器件。
半导体发光器件的种类包括公知为台面状边缘发光器件一类，接下来包括公知为RWG发光器件的特定设计。RWG器件一般包括有源区和上下包覆区，包覆区与有源区键合并且形成波导。术语脊形波导，其名称取自细长的台面，台面沿光传播轴(例如激光器的谐振腔轴)纵向延伸，并且至少垂直(在剖面)穿过上包覆区，一般还穿过有源区。台面提供横向电流和光学限制。但对有源区施加适当的泵激电流时，从台面一端或者两端发光，这取决于如何覆盖这些端。通过在一对对置电极上施加电压来产生电流，一个电极是在器件底部(例如衬底上)形成的大面积接触，另一个电极是在台面顶部形成的带状接触。后者的示意性限定是通过首先在台面上淀积介电层(例如SiNx或SiO2)，对介电层布图暴露台面顶部，然后在介电层和暴露的台面顶部上淀积金属层。在这种构形中，金属层一般沿台面侧壁延伸，并且向下到达有源区的位置。虽然对于器件的基本功能(仅需要在台面顶部的带状接触)，通常不需要沿台面侧壁和底部的金属化，但是实际上经常需要金属，以便提供足够的面积来对顶部接触施加外部布线，并且提供足够的导电性来安全地引导电流至台面顶部上的接触面积。
当然，RWG器件可以用做激光器或自发发射光源(例如LED)。
RWG发光器件的性能是许多参数的函数，特别包括发光波长、工作温度、施加电压、台面宽度、波导的有效折射率、介电层折射率和介电强度、和由顶部金属电极和介电层引起的损耗。
例如，在ISB激光器的情况，特别是量子级联(QC)激光器，其工作在约3-19μm的中红外范围的中心波长。这些激光器一般是相对高的电压器件(例如6-10V)，对于具有较大级联级数或者工作在较短波长的器件需要更高的电压。
在QC激光器中，台面结构提供横向电流限制，但是暴露的台面侧壁一般用介电层(例如CVD淀积的SiNx或SiO2)覆盖，如上所述，介电层不仅用来限定带状电极，而且还用于改善从台面的散热(与面对空气或真空的台面相比)。这种构形防止了两个问题：(1)金属电极引入了光学损耗，这就提高了激光器的阈值电流密度，(2)尤其是在高电压/大功率工作条件下，介电层被击穿。在概念上，介电层应制成较厚，以便提高其击穿电压，从而可以在较高电压/功率工作，但是在实际上，较厚的介电层是不可行的，因为CVD淀积的SiNx或SiO2的固有的应力/应变。而且，即使较厚的氧化物/氮化物将降低光场对覆盖金属电极的渗透。但是在约8.5-10.5μm的波长范围内仍旧是不可取的，该范围内这些介电层的吸收明显提高。
另外，通过增加ISB激光器的级联级数可以实现更高的功率，但是这种方式增加了施加电压的成本，当然再次出现介电击穿的第一个问题。另一个方式将发挥作为SiNx或SiO2的替代物的聚合物的较高介电强度，但是在大多数聚合物(例如聚酰亚胺)的中红外范围内出现强吸收，因此光学损耗增加。
于是，ISB激光器领域需要介电材料在中红外范围具有低的吸收，并且具有高的介电强度，以便可以工作在大功率/高温。
如上所述，金属顶电极在RWG横向引入了光学损耗，已经发现通过自聚焦工艺产生了自锁模(自脉动)。自锁模可能是不利的，特别是如果要求连续波(CW)输出或者要求感应的、可控的脉动。在较大功率工作和在较窄台面RWG构形方面这种问题相当严重。
这样，在ISB激光器领域需要波导涂层，这种涂层不会在波导工艺中引入明显的损耗或者明显的非线性折射率。
为了提高在ISB激光器中能够实现CW操作的最高温度，台面应相当的窄(保证相当大的表面与体积比)，台面涂层应提供通过台面侧壁的足够的横向热导率。但是，如果涂层引入明显光学损耗，或者不能强有力地限制光学模式，或者提供不适当的热传导，则窄脊的优点将消失。
因此，在ISB激光器领域需要低损耗台面介电涂层，提供横向光学限制，而不提高用于激光的阈值电流强度，并且提供通过台面侧壁的有效热传导。
最后，在ISB激光器的分布反馈型式中，一旦形成了光栅，则仅借助通过光学模式渗透的材料的有效折射率，就可以形成布拉格波长(单一模式发射波长)的微调。温度对这种折射率有影响，但是一旦通过应用或其他与器件相关的因素设定了器件温度，仅通过改变侧壁涂层的折射率，就可以进一步改变影响折射率，但是只有如果台面相对窄(例如几微米)才是这样。然而，如上所述，顶部金属电极的光学损耗增大阻碍了窄台面的使用。
于是，在DFB ISB激光器领域还需要借助相对窄的台面上的低损耗涂层来微调中心波长的能力。
根据本发明的一个方案，台面状半导体发光器件包括侧壁上的介电涂层，该涂层包含硫族化物玻璃。我们已经发现这些材料在中红外范围具有极低的损耗，并且具有增强光学限制的低折射率。这些材料的静电性也强，并且能够淀积，作为相对厚的层没有明显的应力聚集。
此外，CG玻璃与ISB发光器件的制造中使用的电流技术是兼容的。
在本发明的所示实施例中，工作在约8μm的12级GaInAs/AlInAs QC激光器由Ge0.25Se0.75玻璃覆盖，并且最大CW工作温度从约130K-170K出现30-40K的提高。
在优选实施例中，CG玻璃涂层是足够的厚，用于防止任何光学辐射明显渗透进涂层上的金属电极，并且提供对辐射的有效波导。
在本发明的另一实施例中，台面状发光器件包括多层涂层，该涂层包含位于台面侧壁上的相对薄的高折射率的第一层，和位于第一层上的相对厚的低折射率的第二CG层，以便提高对台面的光学模式的限制。
在本发明又一实施例中，台面状发光器件包括多层涂层，该涂层包含不同折射率的交替CG层，在侧壁上形成布拉格反射器或者等同物(例如线性调频脉冲光栅(chirped grating))。
在本发明的台面状发光器件的再一实施例中，沿纵轴调节台面宽度，以便在侧壁形成布拉格光栅，提高表面-体积比，可以增强对基本纵向模式的反馈。然后在光栅上淀积CG涂层。
通过以下更详细的说明并结合附图，可以容易地了解本发明的及其各种特征和优点。
图1是根据本发明一个实施例的台面状发光器件的剖面示意图，展示了使用台面侧壁上形成的单一CG层。
图2是根据本发明一个实施例的台面状发光器件的剖面示意图，展示了使用台面侧壁上形成的多层CG结构。
图3是根据本发明一个实施例的台面状发光器件的剖面示意图，展示了使用台面侧壁上形成的CG布拉格反射器。
图4是根据本发明一个实施例的台面状发光器件的顶视示意图，其中通过沿纵轴调节台面宽度形成了布拉格反射器。
图5a展示了根据本发明一个实例的QC激光器的三种光谱，其中激光器工作CW在150K、160K和170K。
图5b是参见图5a所述相同激光器的I-V特性和光强度与电流特性的曲线。
图6是工作在脉冲低温模式的QC激光器的I-V特性、峰值光强度特性和斜坡效率。
为了清楚和简化起见，附图没有按比例绘制。此外，当说明物理或光学尺寸时，符号A代表埃，而说明电流时，其代表安培。
                    一般结构
参见图1，ISB半导体发光器件/光源10包括衬底14及其上生长的外延区13。外延区包括夹在上包覆区17和用做下包覆区的衬底14之间的核心区12。核心区包括夹在一对区12.2和12.3之间的有源区12.1，一对区12.2和12.3的各自折射率大于各包覆区的折射率。一般在上包覆区17的顶部形成导电率相对高的易于接触层19。外延区13图示形成为台面形状或者一般为梯形的脊形波导激光器结构。台面可以是浅腐蚀的，以便停止在有源区12.1的顶部，或者如图所示，可以是深腐蚀的，以使台面延伸穿过有源区。使用台面有利于提供有效的光学和电流限制，从而在用做激光器时能使器件工作在相对低的阈值电流。在器件顶部并且沿台面侧壁形成电气绝缘的低光学吸收区16。布图形成开口暴露台面顶部部位。在绝缘区16和开口中形成第一电极18，以便与易于接触层19的暴露部位接触，在衬底14的底部形成第二电极22。
另外，可以用表面等离子体波导结构来代替上包覆区，这种结构可见Sirtori等的Optics Lett.，Vol.23，No.17PP.1366-1368(9.1998)，在此作为引证文件。同样，下包覆区可以形成在衬底和有源区之间，与衬底分离。
这种发光器件例如可以由III-V族化合物半导体制成，例如GaInAs/AlInAs，GaAs/AlGaAs等等。
未示出的驱动电路跨接在电极之间，以便对器件提供外电压偏置和提供足够幅度的泵激能量(例如电流)，从而产生发光。发光器件作为非相干的自发发射光源(类似于LED)工作，或者作为相干的受激发射光源工作。在后一情形，当设置光学反馈时，该光源可以作为激光器。适当的光学反馈一般由光学谐振腔提供，该谐振腔例如由解理晶面、分布反馈(DFB)光栅、分布布拉格反射镜(DBR)或者它们的组合来形成。
根据本发明的自发发射光源的某些设计中，可以省略包覆区，特别是如果它们在器件的工作波长吸收光。
                    有源区
术语ISB有源区包括单级的非级联器件，这类器件可见C.Gmachl等在Appl.Phys.Lett.，Vol.73，No.26，pp.3380-3382(12.1998)的论文，该论文在此引证作为参考文件。该术语还包括多级的级联器件，这类器件可见F.Capasso等在Solid State Communications，Vol.102，No.2-3，PP.231-236(1997)的文章和J.Faist等在Science，Vol.264，PP.553-556(1994)的文章，该文章在此也引证作为参考文件，即多个基本相同的辐射跃迁(RT)区和与RT区交叉的多个注入/弛豫(I/R)区。包括与势垒区交叉的量子阱区的RT区和I/R区各自包括多个半导体层。每个I/R区中至少某些层被掺杂，但是在任何情况I/R区以及RT区都是单极的。此外，术语ISB有源区意思是包含对角激光跃迁以及垂直激光跃迁。对角跃迁涉及在上下激光能级之间的辐射跃迁，或者与能级对应的波函数实质上局限于同一RT区的不同量子阱的状态。还可参见美国专利5457709，在此引证作为参考文件。另一方面，在垂直跃迁的情况，受激状态和低能状态实质上是在单一RT区的相同量子阱中。可见美国专利5509025，在此也引证作为参考文件。这两种激光跃迁在F.Capasso等的文章中都有介绍。该文章和025号专利指出垂直跃迁QC激光器的I/R区可以包括微能带和在微能带之间的微能带隙，用于形成针对受激态电子的有效布拉格反射器，并且保证快速电子从低能态逸出。
本发明还可应用于公知类型的IIQC激光器，也工作在中红外范围波长。
此外，该光源可以设计成工作在单一中心波长，如上述论文所述，或者可以工作在多个波长，例如A.Tredicucci等在Nature，Vol.396，PP.350-353(11.1998)所述的，该文章在此引证作为参考文件。工作波长一般在约3-19μm的范围，取决于有源区的特定设计。
根据本发明也可以有利于实现另一种ISB激光器，公知为超晶格(SL)激光器。在SL激光器中，激光能级的波函数在每个RT区内的多种量子阱上传播。利用微能带间的调谐通过单极注入，实现激光器作用。可参见G.Scamarcio等在Science，Vol.276，pp.773-776(5.1997)的文章，在此引证作为参考文件。预偏置SL是本发明包含的另一种ISB激光器。可参见A.Tredicucci等在Appl.Phys.Lett.，Vol.73，No.15，pp.3101-3103(10.1998)的文章，在此引证作为参考文件。
                    优选实施例
根据本发明的一个方案，电绝缘的低光学吸收区16包括硫族化物玻璃；即包括VI族元素、S、Se或Te的非晶半导体化合物，但不包括任何明显量的氧。该区可以是硫族化物玻璃的单层，或者包括至少其中一层是硫族化物玻璃的多层。
硫族化物玻璃的有吸引力的特性包括中红外范围内的低吸收，和制备相对无应力/应变的相对厚层的能力。厚介电层产生高的介电强度，从而可使发光器/光源10、特别是作为激光器能够工作在大功率/高温。而且，这些玻璃不会使波导作用降低，因此装配有这些玻璃的ISB激光器不出现自锁模。并且，在激光器中硫族化物玻璃层提供光学限制，但不提高用于激光的阈值电流密度，并且提供经过台面侧壁的足够的热传导。
这些特性可实现在170K的QC激光器的CW运行，这比使用可比有源区设计和安装技术的已有技术报道的最好结果要高30-40K。以下将更详细说明这种层。
硫族化物的低损耗性质还产生了本发明的另一个方案，我们能够设计具有相对窄的台面的ISB台面状激光器(例如3-5μm，在波导核心中央测量的)。该特征产生三个优点：(1)首先，可以提高台面的表面-体积比，这加强了从有源区的散热，从而可以在较高温度进行CW工作；(2)第二，即使在核心或波导的顶表面上形成光栅之后，也可以调节DFB ISB台面状激光器。在这种激光器中，工作波长由～2neffLg给出，其中neff是波导的有效折射率，Lg是光栅周期。因此，调节取决于改变这两个参数的能力。然而，在已有的设计中，一旦光栅到位，实际上就不能再明显地改变Lg了。至于neff，如果台面对于观看介电材料的光场是足够的窄，则已有技术中绝缘层16所使用的氧化硅/氮化硅电介质将改变neff。然而，如果为了获取这种效果的全部优点，使得台面足够的薄，则因为薄的氧化硅/氮化硅电介质被极有损耗的金属层(而且在约8.5-10.5μm的波长范围内其本身也有损耗)覆盖，激光阈值将明显提高。相反，本发明的硫族化物玻璃具有相对低的损耗，因此可使用窄台面，从而通过把硫族化物的折射率与波导的有效折射率合并，可以微调neff；(3)第三，窄台面以及相应的窄波导将降低较高阶横向光学模式的光学增益(可以完全禁止)，从而有利于基本横向模式运行。
该玻璃例如包括二元化合物，例如GexSe1-x，其中大约x≤0.4。当x＞0.4时，Ge倾向于聚集，更难以均匀地形成玻璃。例如，我们已经发现Ge0.25Se0.75是适当的玻璃。另外，对于短于约8μm的工作波长，该玻璃可以包括AsxS1-x，其中x～0.4。市售可替换的包括三元化合物，例如GexAsySe1-x-y，其中x～0.33，y～0.12，还包括GexSbySe1-x-y，其中x～0.28，y～0.12。
硫族化物玻璃层的厚度取决于工作波长(较短波长可使用较薄层)，台面宽度(较窄台面要求较厚层)，和玻璃层的折射率(较低折射率能够使用较薄层)。对于在约8μm波长产生辐射并且具有约8μm的台面宽度的ISB激光器，玻璃层例如厚约3-4μm。CG层最好足够地厚，以便防止任何明显的光学辐射渗透进有损耗的覆盖金属电极，提供对辐射的有效波导。在理论上，硫族化物玻璃层将填充在台面形成的凹陷中，以致金属层基本与台面顶部成为平面。然而这种设计将使其更难以对厚玻璃层布图；即为台面顶部上的条带状接触形成窗口。
可以通过几种不同的制备技术来淀积硫族化物玻璃层。于是，我们已经成功地使用了脉冲激光烧蚀(PLA)，可参见《薄膜的脉冲激光淀积》，D.B.Chrisey等编辑，John Wiley&Sons，New York(1994)，在此引证作为参考文件。使用PLA淀积硫族化物玻璃具体可参见K.E.Youden等在Appl.Phys.Lett.，Vol.63，No.12，pp.1601-1603(1993)的文章，在此引证作为参考文件。该玻璃层最好在室温淀积，以便减少应力/应变，如果在高温淀积然后冷却到室温则易于在其内部产生应力/应变。但是，如果要求在室温以上淀积，则通过公知的快速热退火技术(RTA)可以适当地减少大部分的应力/应变。
其它淀积技术包括从含有预混合的玻璃成分的单一源靶进行溅射，或者从各种成分位于分离的坩埚中的多室源进行蒸发。溅射的硫族化物玻璃层可参见S.Ramachandran等在Appl.Phys.Lett.，Vol.74，No.1，pp.13-15(1999)的文章，在此引证作为参考文件。
由于电极18淀积在硫族化物玻璃层16上，所以应采用与玻璃可以良好附着的金属来制作。在GeSe玻璃上我们已经使用Ti/Au以及Cr，但是优选前者。
                其它实施例
图2展示了增强光学限制的本发明的另一实施例。在此情形，绝缘区16’是多层结构，至少包括一层硫族化物玻璃。该区16’例如包括形成在台面上的相对薄的、高折射率层16.1和形成在层16.1上的相对厚的、低折射率CG层16.2。通常，台面的有效折射率在层16.1和16.2的折射率之间，层16.1的折射率大于层16.2的折射率。内层16.1不必是硫族化物玻璃；其例如可以是Ge层。电极18形成在层16.2上。
图3展示了增强光学限制的另一实施例。这里，绝缘区16”包括布拉格反射器；即其中两种不同的硫族化物玻璃层(具有两种不同折射率)交替的多层结构。它们的折射率和厚度满足公知的布拉格条件或等同物(例如线性调频脉冲光栅)。
图4展示了另一种实施例，用于提高台面的表面体积比，从而增强从有源区的热提取。在此情形，按顶视图展示了该激光器，台面侧壁沿光传播轴30成波纹状。通过适当的腐蚀技术形成波纹，在与轴30成横向的方向并且基本在台面层的平面内调节台面宽度。如果该波纹不期望增大散射损耗，其可以制成具有与激光器中心波长匹配的布拉格周期。特别是，该波纹可以制成具有由Mλg/2neff给定的周期，其中λg是激光器具有最大增益的波长，neff是波导的有效折射率，M是任何非零正整数。这种设计也可应用于根据本发明的自发发射器件。
                    实例
本实例介绍了根据本发明一个实施例的III-V化合物半导体QC激光器。除了有特别说明的之外，各种材料、尺寸和工作条件均仅是举例性的，均不是用于限制本发明范围的。
本实验中使用的QC激光器的基本设计如图1所示，并且C.Gmachl等在IEEE J.Selected Topics in Quantum Electron.，Vol.5，No.3，PP.808-816(1999)中有介绍，该文章在此引证作为参考文件。在具体设计中，核心区包括12级，有源区包括三个量子阱，其中激光发射是在约8μm中心波长的垂直跃迁。台面宽8μm，长约2.7mm。工作电压约是3.5V。
硫族化物玻璃层16包括厚约3.5μm的Ge0.25Se0.75的层。通过使用KrF准分子激光的PLA淀积该层，激光产生的脉冲具有以下特性：248nm的波长，10Hz的重复率，和2-4J/cm2左右的能量密度。样品处于室温，峰值淀积率是1μm/10分钟。
我们的激光器呈现的最佳CW工作温度约是170K，比使用氮化硅薄层(或者另外是二氧化硅)和传统的衬底侧向下(substrate-side-down)安装技术的已有激光器高30-40K左右。但是，使用外延层侧向下(epi-side-down)安装技术可以实现我们期望的进一步提高工作温度，这种技术可参见C.Gmachl等在IEEE J.Photon.Tech.Lett.，Vol.11，No.11，pp.1369-1371(1999)的文章和J.N.Baillargeon等在1999年11月24提出的共同未决的专利申请No.09/448929，该申请已转让给本受让人，这两篇文献在此引证作为参考文件。
本激光器在三种不同工作温度(150K，160K，170K)获得光谱如图5a所示。
本发明的激光器的另一种优点即降低了激光阈值，如图5b所示。I-V曲线展示了本发明激光器具有约2.6kA/cm2的低温脉冲阈值电流密度，比上述C.Gmachl等在IEEE J.Selected Topics inQuantum Electron.，中介绍的激光器的3 kA/cm2阈值有明显改进。
图6展示了根据本发明另一实施例的脉冲100级QC激光器的低温I-V和先强度特性。该激光器具有约5μm宽的窄台面，被约5μm厚的Ge0.25Se0.75玻璃层覆盖。本设计其余的基本与上述C.Gmachl等在IEEE J.Selected Topics in Quantum Electron.，中介绍的相同。大的级联级数导致18V的工作电压，如果要求高的光强度这是可接受的。事实上，图6(虚线)展示了～1.6W/A的平均峰值斜率和脉冲工作中的～2W/A的最大峰值斜率。后者是极为吸引人的，并且是产生于低损耗波导、大级联级数和有效电流限制的组合。使用硫族化物玻璃层对于波导的低损耗是极为可靠的，从而可以使用窄台面，提供有效的电流限制。
应该知道，上述设置仅仅是许多可能的具体实施例的举例，这些实施例能够代表本发明原理的应用。在不脱离本发明本质和范围的条件下，本领域的技术人员根据这些原理能够作出许多各种其它设置。

Claims (13)

1.一种台面状半导体发光器件，包括：
具有纵轴的有源区，当所述有源区被适当地泵激时光辐射沿该纵轴传播；
与所述有源区键合的上下包覆区；
所述发光器件包括沿所述轴延伸的细长台面，并且至少穿过所述上包覆区和所述有源区；
位于所述台面侧壁上的介电涂层；
位于所述介电涂层上的金属层，
其特征在于，所述涂层包括硫族化物玻璃。
2.根据权利要求1的发光器件，其中，所述涂层包括多个硫族化物玻璃层。
3.根据权利要求2的发光器件，其中，所述涂层包括位于所述侧壁上的相对薄的高折射率的第一介电层和位于所述第一层上的相对厚的低折射率的硫族化物玻璃第二层。
4.根据权利要求3的发光器件，其中，所述第一层还包括硫族化物玻璃层。
5.根据权利要求2的发光器件，其中，所述涂层包括多个具有不同折射率的硫族化物玻璃材料的交替层，以便形成布拉格反射器。
6.根据权利要求1的发光器件，其中，所述玻璃层包括选自GexSe1-x’AsxS1-x’GexAsySe1-x-y’和GexSbySe1-x-y构成的组中的材料。
7.根据权利要求6的发光器件，其中，所述硫族化物玻璃包括GexSe1-x，其中x大约小于0.4。
8.根据权利要求1的发光器件，其中，沿所述轴调节所述台面宽度，以便形成布拉格反射器。
9.根据权利要求1的发光器件，其中，所述发光器件是中心波长工作在大约3-19μm的中红外范围内的激光器。
10.根据权利要求9的发光器件，其中，所述台面具有大约3-5μm的宽度。
11.根据权利要求9的发光器件，其中，所述激光器包括ISB激光器。
12.根据权利要求11的发光器件，其中，所述激光器包括QC激光器。
13.根据权利要求1的发光器件，其中，所述硫族化物玻璃涂层足够地厚，以便防止所述辐射对所述金属层的任何明显渗透，提供对所述辐射的有效波导。
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