CN1490910A - 半导体光电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体光电子器件。这种半导体光电子器件包括有源层，设置在有源层上方的上部波导层和设置在有源层下方的下部波导层，设置在上部波导层上方的上部包覆层和设置在下部波导层下方的下部包覆层，支撑所述下部包覆层、下部波导层、有源层、上部波导层以及上部包覆层的堆积结构的衬底，以及设置在有源层与上部波导层之间的上部光限制层和设置在有源层与下部波导层之间的下部光限制层，所述上部和下部光限制层的禁带宽度小于上部和下部波导层的禁带宽度，但是大于有源层的禁带宽度。

Description

半导体光电子器件
技术领域
本发明涉及一种半导体光电子器件，具体来说，涉及一种具有较高光效率的半导体光电子器件。
背景技术
如图1中所示，作为氮化物基(nitride-based)半导体光电子器件的一种类型，半导体激光器件具有一个作为其基底的蓝宝石衬底1，并且包括一个发出或者接收光线的有源层(active layer)5，在蓝宝石衬底1上设置的n型层2、3和4，以及在n型层2、3和4上设置的p型层6、7和8。
具体来说，被设置在有源层5上方的p型层7和被设置在有源层5下方的n型层，分别是一个p型波导层和一个n型波导层。为了对电子、空穴和光线进行限制(confine)，在p型波导层7的上方和n型波导层4的下方分别设置有p型包覆层(cladding layer)8和n型包覆层3。在p型波导层7与有源层5之间设置有一个仅有空穴能够穿过的电子阻挡层6。n型GaN接触层2被设置在蓝宝石衬底1与n型包覆层3之间，并且在p型包覆层8的上方设置有一个p型GaN层。
这种氮化物基发射器件使用了一个蓝宝石衬底。通常，在氮化物基激光二极管中，用于对从有源层发射出的光线进行导引的波导层由GaN制成，并且用于将电子和光线限制在其中的包覆层由AlxGa1-xN。
与GaN相比，AlxGa1-xN具有一个较大的禁带宽度(energy gap)。此外，AlxGa1-xN与形成有源层的InGaN之间在耐火系数(refractory index)上的差异大于GaN与InGaN之间在耐火系数上差异。
与用作n型接触层材料的GaN相比，AlxGa1-xN具有较小的点阵常数和热膨胀系数，这将导致在氮化物基激光二极管中发生开裂现象。因此，在由AlxGa1-xN制成的包覆层中铝的组成比率和厚度上存在限制。根据各种研究结果，这些限制如下所述。由AlGaN/GaN制成的超晶格中铝的组成比率大约为14％，并且铝的厚度为1微米。块状AlGaN层(bulk AlGaN layer)中铝的组成比率约为8％，并且铝的厚度为1微米。由于这些对由AlxGa1-xN制成的包覆层中铝的组成比率和厚度的限制，朝向衬底的模式泄漏(modeleakage)，也就是说光限制因子(optical confinement factor)会减小。
模式泄漏减小了光限制因子，并且由此使得光增益下降。因此，模式泄漏增大了使得激光器件开始发生振荡所必需的电流量，并且会在激光器件的远场图形上产生负面影响。光限制因子的减小也会增大使得激发装置开始发生振荡所必需的电流量，降低内量子效应，并且也会在激光器件的远场图形上产生不良影响。
发明内容
本发明提供了一种半导体发光器件，通过有效地提高光限制因子，这种半导体发光器件具有较高的耐用性和可靠性。
本发明还提供了一种高效的半导体发光器件，通过利用光增益，这种半导体发光器件能够降低使得激光发生振荡所必需的电流值，并且由此降低了工作输入功率。
根据本发明的一个方面，在这里提供了一种半导体光电子器件。这种半导体光电子器件包括有源层，一设置在有源层上方的上部波导层和一设置在有源层下方的下部波导层，一设置在上部波导层上方的上部包覆层和一设置在下部波导层下方的下部包覆层，一支撑所述下部包覆层、下部波导层、有源层、上部波导层以及上部包覆层的堆积结构(deposited structure)的衬底，以及分别设置在有源层与上部波导层之间和有源层与下部波导层之间的上部和下部光限制层，所述上部和下部光限制层的禁带宽度小于上部和下部波导层的禁带宽度，但是大于有源层的禁带宽度。
优选的是，在所述上部波导层与上部光限制层之间设置一电子阻挡层。
优选的是，所述衬底由Si、蓝宝石、SiC或者GaN制成。
优选的是，所述有源层、上部和下部波导层、上部和下部包覆层以及上部和下部光限制层由氮化物基材料制成。
优选的是，所述上部和下部波导层分别由p-GaN和n-GaN制成。优选的是，所述上部包覆层由p-AlGaN/p-GaN，p-AlGaN/GaN，AlGaN/p-GaN或者p-AlGaN制成，而所述下部包覆层由n-AlGaN/n-GaN，n-AlGaN/GaN，AlGaN/n-GaN或者n-AlGaN制成。
优选的是，在所述上部包覆层的上方成形有一个p-GaN接触层，并且在所述下部包覆层下方的成形有一个n-GaN接触层。优选的是，所述有源层被制成一个由AlvInxGa1-x-vN/AlwInyGa1-y-wN(0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)组成的单量子阱结构或者多量子阱结构(a single ormultiple quantum well structure)。换句话说，有源层可以由GaN，AlGaN，InGaN或者AlInGaN形成。
优选的是，所述光限制层由InzGa1-zN制成。
优选的是，所述光限制层中掺杂有Si或者Mg。
优选的是，所述光限制层的厚度大于100埃。
附图说明
通过下面参照附图对本发明示例性实施例的详细描述，本发明的前述和其它技术特征以及优点将变得更为明白，其中：
图1是一传统氮化物基半导体激光器件的横剖视图；
图2是一根据本发明一优选实施例的半导体激光器件的横剖视图；
图3是一曲线图，示出了构成图2中所示半导体激光器件的各个层的禁带宽度；
图4A和4B是两曲线图，分别示出了光限制因子相对于n型包覆层的不同模式轮廓(mode profile)发生变化的模拟结果，所述n型包覆层中铝的组成比率分别为10％和15％；
图4C和4D是两曲线图，分别示出了在将14纳米厚的光限制层添加到图4A和4B上之后模式轮廓发生变化的模拟结果；
图5A至5C是三个曲线图，示出了光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率(10％，13.5％，15％)以及光限制层的厚度发生变化的模拟结果；
图5D是一曲线图，示出了在一个包括有一光限制层的发光器件中，光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率(10％，13.5％，15％)的变化状态(实心圆)，并且示出了在一个没有光限制层的发光器件中，光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率的变化状态(实心方块)；
图5E是一个曲线图，示出了在一个发光器件中光限制因子增大速率相对于n型包覆层中铝的组成比率的变化状态，在该发光器件中光限制层具有预定的厚度，以便可以在与图5D中相同的状况下获得最大的光限制因于；以及
图6是一曲线图，示出了使得一个根据本发明包括有一光限制层的激光二极管开始发生振荡所必需的电流量的变化状态，并且示出了使得一个没有包括光限制层的传统激光二极管开始发生振荡所必需的电流量的变化状态。
具体实施方式
为了通过在包覆层中增大光限制因子来提高光增益，其中所述包覆层中铝的组成比率为不会导致产生任何开裂现象的最大容许值，本发明提供了一种半导体发光器件，该半导体发光器件具有一个发光器件，其中在一有源层与一位于该有源层上方的上部波导层之间，以及在该有源层与一位于该有源层下方的下部波导层之间，插入有一AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y≤1，0≤x+y≤1)光限制层。
根据本发明的半导体发光器件具有增强的内量子效应(internal quantumefficiency)，以及一个降低的激光振荡起动电流和一个降低的工作输入功率。激光振荡起动电流和工作输入功率的降低有助于延长半导体发光器件的使用寿命。
根据本发明的半导体发光器件可以被应用于III-V族光电子器件和氮化物基光电子器件，比如氮化物基发光器件或氮化物基光接收器件。
图2是一个根据本发明一优选实施例的光电子器件的横剖视图，比如一个半导体激光器件，而图3是一个曲线图，示出了构成图2中所示半导体激光器件的各个层的禁带宽度。
参照图2，一个掺杂有Si的GaN接触层20被成形在由Si、SiC、GaN或者蓝宝石制成的衬底10上。在GaN接触层20的上方，设置有一个电子发光层，该电子发光层具有一个作为其主要构件的InGaN有源层50。该InGaN有源层50具有一个由AlvInxGa1-x-vN和AlwInyGa1-y-wN(0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)组成的单量子阱或者多量子阱结构。在这里，AlvInxGa1-x-vN和AlwInyGa1-y-wN具有不同的禁带宽度。换句话说，InGaN有源层50可以由GaN、AlGaN、InGaN或者AlInGaN制成。
在InGaN有源层50的上方和下方，分别成形有一n型光限制层45和一p型光限制层55。下部光限制层45可以由AlxInyGa1-x-yN(0≤x，y≤1，0≤x+y≤1)制成。例如，下部光限制层45可以由n型或者未掺杂的AlxInyGa1-x-yN、AlxGa1-xN或者InyGa1-yN制成，而上部光限制层55可以由(p-)型，(n-)型或者未掺杂的AlxInyGa1-x-yN、AlxGa1-xN或者InyGa1-yN制成。光限制层45和55的禁带宽度大于或者等于InGaN有源层50的禁带宽度，但是小于或者等于下部波导层40和上部波导层70的禁带宽度，这些将在下面的段落中进行描述。
如图2中所示，下部波导层40和上部波导层70分别由n型GaN和p型GaN制成。与光限制层45和55的禁带宽度相比，下部波导层40和上部波导层70具有一个较大的禁带宽度。在下部波导层40的下方，成形有一个n-AlGaN/n-GaN、n-AlGaN/GaN、AlGaN/n-GaN或者n-AlGaN包覆层30和一个n-GaN接触层20。
在上部光限制层55与上部波导层70之间设置有一p型AlGaN电子阻挡层60。如图3中所示，该p型AlGaN电子阻挡层60具有最大的禁带宽度，以便能够阻止电子穿过该p型AlGaN电子阻挡层60，并且仅有空穴被允许穿过该p型AlGaN电子阻挡层60。
在上部波导层70上成形有一p-AlGaN/p-GaN、p-AlGaN/GaN、AlGaN/p-GaN或者p-AlGaN包覆层80和一个p-GaN上部接触层90。
根据本发明，由于光限制层45和55分别被设置在有源层50的下方和上方，所以即使在AlGaN包覆层中对铝的组成比率和厚度上存在有限制，仍然能够增大光限制因子。因此，能够降低用于使得激光器件发生振荡所必需的电流值，并且增强内量子效应。
此外，根据本发明，与已经被广泛用在光电子器件中的波导层相比具有较窄禁带宽度的光限制层，与该波导层一同被设置在半导体激光器件中，并且由此该光限制层和所述波导层可以用作用于有源层50的双重光限制层。
图4A至4D是四个曲线图，每一个均示出了光限制因子相对于一个包括有n型包覆层30的发光器件的模式轮廓发生变化的模拟结果。具体来说，图4A示出了光限制因子相对于一个包括有一p型包覆层和一n型包覆层的发光器件的模式轮廓的变化状态，所述p型包覆层和n型包覆层中铝的组成比率为10％，而图4B示出了光限制因子相对于一个包括有一p型包覆层和一n型包覆层的发光器件的模式轮廓的变化状态，所述p型包覆层和n型包覆层中铝的组成比率分别为10％和15％。
如图4A中所示，当n型包覆层中铝的组成比率为10％时，会环绕衬底发生模式泄漏。另一方面，如图4B中所示，当n型包覆层中铝的组成比率为15％时，则不会在朝向衬底的方向上发生泄漏，从而光限制因子增大。
图4C示出了光限制因子相对于这样一个发光器件的模式轮廓的变化状态，该发光器件包括有一个其中铝的组成比率为10％的n型包覆层，一个其中铝的组成比率为10％的p型包覆层，以及一个位于由InzGa1-zN制成而具有140埃的厚度的光限制层之间的有源层。图4D示出了光限制因子相对于这样一个发光器件的模式轮廓的变化状态，该发光器件包括有一个其中铝的组成比率为15％的n型包覆层，一个其中铝的组成比率为10％的p型包覆层，以及一个位于由InzGa1-zN制成而具有140埃的厚度的光限制层之间的有源层。
图4C和4D示出了可以通过设置一个光限制层来提高光限制因子。尽管图4C示出了在衬底附近发生了模式泄漏，但是其还示出了与图4A相比的半幅值(half amplitude)的减小，并且半幅值减小表明对光的限制更为有效。与图4C相比，图4D示出了在衬底周围发生了模式泄漏，但是通过将图4C中所用n型包覆层中铝的组成比率从10％增大至15％，获得了半幅值的更多损失。因此，图4D还表明了能够通过设置光限制层来增大光限制因子。
图5A至5C是三个曲线图，每一个均示出了光限制因子相对于光限制层的厚度发生变化的模拟结果。在图5A至5C中使用的n型包覆层中铝的组成比率均不相同，即分别为10％，13.5％和15％。
图5A至5C示出了当n型包覆层中铝的组成比率为10％并且由InzGa1-zN制成的光限制层的厚度为140埃时所获得的最大限制因子，当n型包覆层中铝的组成比率为13.5％并且光限制层的厚度为350埃时所获得的最大限制因子，或者当n型包覆层中铝的组成比率为15％并且光限制层的厚度为420埃时所获得的最大限制因子。
具体来说，在图5A中，当n型包覆层和p型包覆层中铝的组成比率均为10％并且光限制层的厚度大约为140埃时，所获得的最大光限制因子的值大约为1.5。
在图5B中，当n型包覆层和p型包覆层中铝的组成比率分别为13.5％和10％并且光限制层的厚度大约为350埃时，所获得的最大光限制因子的值大约为2.3。
在图5C中，当n型包覆层和p型包覆层中铝的组成比率分别为15％和10％并且光限制层的厚度大约为420埃时，所获得的最大光限制因子的值大约为2.4或更大。
图5D示出了在一个包括有一光限制层的发光器件中光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率(10％，13.5％，15％)的变化状态(OCL，实心圆)，并且示出了在另一没有光限制层的发光器件中光限制因子相对于n型包覆层中铝的组成比率的变化状态(non-OCL，实心方块)。如图5D中所示，与没有设置任何光限制层的情况相比，在设置有光限制层的情况下光限制因子较大。此外，当n型包覆层中铝的组成比率逐步增大时，与没有设置任何光限制层的情况中的增大速率相比，在设置有一光限制层的情况下光限制因子显现出一个较高的增大速率。
图5E示出了在设置有光限制层的情况下光限制因子增大速率相对于n型包覆层中铝的组成比率的变化状态。
如图5A至5E中所示，由于n型包覆层中铝的组成比率增大，所以光限制因子增大，并且光限制层的优选厚度增大。在根据本发明的发光器件的情形中，在无需增大n型包覆层中铝的组成比率的条件下，能够将光限制因子增大高达16％。
基于在图5A至5E中示出的模拟结果，能够总结出光限制层的厚度优选地超过100埃，优选的是100至500埃。
图6是一曲线图，示出了在一个包括有由InzGa1-zN制成的光限制层的激光二极管中，使得激光开始发生振荡所必需的电流量的变化，并且示出了在没有光限制层的传统激光二极管中，使得激光开始发生振荡所必需的电流量的变化。在这里，两种激光二极管均包括有一个无开裂现象的n型包覆层，该n型包覆层中铝的组成比率为14％。如图6中所示，与传统激光二极管相比(72毫安)，包括有由INzGa1-zN制成的光限制层的激光二极管在使激光开始发生振荡所必需的电流量(46毫安)上下降了40％。光限制层在激光二极管中的存在引起了光限制因子增大，并且因此，光限制系数和光增益也增大。由于光限制层用作n型包覆层与有源层之间的缓冲层，所以使得激光开始发生振荡所需的电流量明显减少。
根据本发明的半导体发光器件提供了下述优点。
首先，能够在不增大n型包覆层中铝的组成比率的条件下降低或者防止模式泄漏现象，并且能够使得光限制因子增大高达16％。
其次，能够有效地减小由于AlGaN电子阻挡层与有源层之间点阵常数的差异而产生的应力。
第三，能够将激光器件的阈值电流降低高达40％。
第四，能够降低器件的工作电流和电压。
最后，能够通过降低工作输入功率来延长器件的使用寿命。
本发明可以被应用于III-V族/氮化物基发光器件或光接收器件。也就是说，本发明可应用于各种器件，包括白光激光发射二极管(LED)、蓝光LED、绿光LED、紫色激光二极管(LD)、蓝光LD、绿光LD，以及光接收器件和电子器件。
尽管已经参照本发明的示例性实施例对本发明进行了具体图示和描述，但是本领域普通技术人员将会明白的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的技术构思和保护范围的条件下，可以在形式和细节上对它们进行各种改变。

Claims (24)

1.一种半导体光电子器件，包括：
有源层；
设置在所述有源层上方的上部波导层，和设置在所述有源层下方的下部波导层；
设置在所述上部波导层上方的上部包覆层，和设置在所述下部波导层下方的下部包覆层；
支撑所述下部包覆层、下部波导层、有源层、上部波导层以及上部包覆层的堆积结构的衬底；以及
设置在所述有源层与上部波导层之间的上部光限制层，和设置在所述有源层与下部波导层之间的下部光限制层，它们的禁带宽度小于所述上部和下部波导层的禁带宽度，但是大于所述有源层的禁带宽度。
2.如权利要求1所述的半导体光电子器件，其中，在所述上部波导层与上部光限制层之间设置有电子阻挡层。
3.如权利要求1所述的半导体光电子器件，其中，所述衬底由Si、蓝宝石、SiC或者GaN制成。
4.如权利要求1所述的半导体光电子器件，其中，所述有源层、上部和下部波导层、上部和下部包覆层、以及上部和下部光限制层由氮化物基材料制成。
5.如权利要求2所述的半导体光电子器件，其中，所述有源层、上部和下部波导层、上部和下部包覆层、以及上部和下部光限制层由氮化物基材料制成。
6.如权利要求3所述的半导体光电子器件，其中，所述有源层、上部和下部波导层、上部和下部包覆层、以及上部和下部光限制层由氮化物基材料制成。
7.如权利要求1所述的半导体光电子器件，其中，所述上部和下部波导层分别由p-GaN和n-GaN制成，所述上部和下部包覆层分别由p-AlGaN/p-GaN和n-AlGaN/n-GaN制成，或者分别由p-AlGaN和n-AlGaN制成，且所述有源层由AlInGaN(AlvInxGa1-x-vN/AlwInyGa1-y-wN，其中0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)制成。
8.如权利要求2所述的半导体光电子器件，其中，所述上部和下部波导层分别由p-GaN和n-GaN制成，所述上部和下部包覆层分别由p-AlGaN/p-GaN和n-AlGaN/n-GaN制成，或者分别由p-AlGaN和n-AlGaN制成，且所述有源层由AlInGaN(AlvInxGa1-x-vN/AlwInyGa1-y-wN，其中0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)制成。
9.如权利要求3所述的半导体光电子器件，其中，所述上部和下部波导层分别由p-GaN和n-GaN制成，所述上部和下部包覆层分别由p-AlGaN/p-GaN和n-AlGaN/n-GaN制成，或者分别由p-AlGaN和n-AlGaN制成，且所述有源层由AlInGaN(AlvInxGa1-x-vN/AlwInyGa1-y-wN，其中0≤v，w，x，y≤1，0≤x+y，y+w≤1，y≤x，v≤w)制成。
10.如权利要求5所述的半导体光电子器件，其中，在所述上部波导层与上部光限制层之间设置有由p型AlGaN制成的电子阻挡层。
11.如权利要求6所述的半导体光电子器件，其中，在所述上部波导层与上部光限制层之间设置有由p型AlGaN制成的电子阻挡层。
12.如权利要求7所述的半导体光电子器件，其中，在所述上部波导层与上部光限制层之间设置有由p型AlGaN制成的电子阻挡层。
13.如权利要求7所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层由AlxInyGa1-x-yN制成，其中0≤x，y≤1，0≤x+y≤1。
14.如权利要求8所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层由AlxInyGa1-x-yN制成，其中0≤x，y≤1，0≤x+y≤1。
15.如权利要求9所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层由AlxInyGa1-x-yN制成，其中0≤x，y≤1，0≤x+y≤1。
16.如权利要求10所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层由AlxInyGa1-x-yN制成，其中0≤x，y≤1，0≤x+y≤1。
17.如权利要求11所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层由AlxInyGa1-x-yN制成，其中0≤x，y≤1，0≤x+y≤1。
18.如权利要求12所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层由AlxInyGa1-x-yN制成，其中0≤x，y≤1，0≤x+y≤1。
19.如权利要求13所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层中掺杂有Si或者Mg。
20.如权利要求14所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层中掺杂有Si或者Mg。
21.如权利要求15所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层中掺杂有Si或者Mg。
22.如权利要求13所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层的厚度超过100埃。
23.如权利要求14所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层的厚度超过100埃。
24.如权利要求15所述的半导体光电子器件，其中，所述光限制层的厚度超过100埃。
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